フォトニックナノジェットを利用した高分解能ナノ３次元形状加工技術の開発

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本研究は，フォトニックナノジェット(Photonic nanojet: PNJ)という，従来の集光光学系では得られない特性を有した光ビームを用いて，ナノメートルスケールの3次元微細加工技術の確立を目指している．ナノメートルスケールの高分解能かつフレキシブルな加工技術を実現するために，電磁場計算に基づいた加工シミュレーションと加工実験を行った．その結果，PNJがサブマイクロメートルスケールの除去加工技術として，集光ビームを用いた従来の加工技術では得られない加工特性を有していることを明らかにした．まず，電磁場計算に基づいた加工シミュレータを構築し，PNJの理論的な加工特性について考察した．加工の対象はシリコンとし，直径8μmのシリカ微粒子に波長800nmのレーザ光を照射するシステムを想定した．PNJの小さいビーム径が発散せずに伝搬するという長い焦点深度特性によって，PNJのz位置を1μm以上変化(デフォーカス)させた場合でも，1μm以下の加工分解能を維持できることを理論的に明らかにした．理論的に明らかになった加工特性を実証するために，シリコンに対して加工実験を行った．加工シミュレーションと加工実験の結果は非常に良い一致を表し，PNJの長い焦点深度特性が加工に有効であることを実証した．さらに，焦点深度を長くする試みとして，水中でPNJによる加工を行い，3μm程度の非常に長い焦点深度内でサブマイクロメートルスケールの加工を実現可能であることを明らかにした．これらの知見から，PNJは従来の集光ビームに比べてより小さいビーム径および長い焦点深度を有し，それらよって高分解能かつフレキシブルな加工が可能であることが明らかとなった．