Development of meta-surface beam forming optical element for uniform distribution of irradiation light at multiple points

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本研究では，多点への均一強度ビーム分配機能，任意形状平面照射機能，分光計測用集光機能を素子１枚に融合した，小型低背化分光装置のためのメタサーフェス光学素子を開発することを目的として，メタレンズ設計手法とメタサーフェスホログラム設計手法を融合した新規設計法の適用有効性を調査する．2022年度前半は，目的とする分光計測に使用する光源の特性(波長・強度分布)の取得・ビーム分配先の形状/個数・動作波長の候補及び基板材料の選定を行い，動作波長・基板材質に応じた誘電体ナノ柱の電磁場解析を実行し，誘電体ナノ柱の条件(柱幅適用範囲・高さ・柱間距離)を定めることを実施項目に掲げ，波長1064nmの近赤外レーザ光に対し，伝搬軸外の4点にビームを分離し，さらにビーム分配先を集光させるメタサーフェス光学素子を設計した．設計では多点構造化機能を実現するためのデザインとして３種の光学素子を考案した．誘電体ナノ柱の材料には窒化シリコン，アモルファスシリコン，単結晶シリコンなどを想定し，電磁場解析を実施した結果，回折効率が高く，透過性が高くレーザ耐性が見込まれる単結晶シリコンを選定し，誘電体ナノ柱の高さ，幅，柱間距離の最適化を行い，メタサーフェスの構造単位となるメタ原子の構造と配列を決定した．2022年度後半からはこれまで実績のある電子線リソグラフィと反応性イオンエッチングにより製作を行い，2022年度末までに電子顕微鏡で製作寸法の計測を行うとともに近赤外ビーム解析装置でビーム多点分配特性を観察することを研究実施計画とした．本実施計画に従い，一つのチップ上に考案した３つのタイプのメタサーフェス光学素子を電子線描画装置と反応性イオンエッチング装置により製作した．製作した３種のメタサーフェス光学素子の光学測定を実施した結果，すべての光学素子が４点に分配され，設計した焦点に集光することを確認した．