立石科学技術振興財団

助成研究成果集(第32号) 2023

［ 研究助成 (A) ]プラズモニックメタ表面による偏光制御素子の作製と眼底検査用偏光 OCT への応用
Fabrication of polarization controlling devices by using plasmonic metasurface and application toapplication to polarization sensitive optical coherence tomography for fundus examination
2221031

研究代表者

三重大学

大学院工学研究科

准教授

元垣内敦

司

面プラズモン共鳴が偏光状態に及ぼすメカニズ[研 究 の 目 的]ムについて考察を行い，最後に構造パラメータ
眼底検査で眼の内部の病気を調べるためにはによる」偏光状態の制御について述べる。

偏 光 OCT (Optical Coherence Tomography,
光干渉断層計) が用いられている。偏光 OCT(1) Ag 1 次元回折格子を用いた偏光制御素子の作製と位相差制御

では直線偏光の光を用いることが多いが，網膜内の複屈折や偏光解消効果を考慮してより鮮明

図 1 に示すような Ag1 次元金属回折格子をな画像を得るためには，任意の楕円偏光を得る石英ガラス基板上に作製した。周期は 360 nm，ことができる光学素子を実現することが必要でAg の細線幅は 252 nm，Ag の厚みは 30 nm である。これが実現できれば，機械によって超高ある。素子は電子線描画装置を用いてレジスト齢化社会に伴う眼疾患の予防ができるので，人パターンを作製した後，Ag 薄膜をスパッタリ間と機械の調和の促進が期待できると考えられング法で堆積させ，リフトオフにてレジスト層る。

を除去して作製した。図 2 に作製した素子の表本研究では金属ナノ構造からなるプラズモ

面 SEM 像を示す。ほぼ設計通りの素子を作製

ニックメタ表面を利用して任意の偏光状態を制することができた。作製した素子に 532 nm の御できる光学素子を実現し，眼底検査用偏光光を照射して，セナルモン法により位相差測定OCT の高性能化を目指す。この目的を実現すを行った。図 3 にセナルモン法による位相差測るために，プラズモニックメタ表面の構造に定結果を示す。この結果から，作製した素子のよってどのように偏光状態が変化するかをシTM 偏光と TE 偏光の光の位相差は 21.0°であミュレーションと実験によって明らかにする。

ることがわかった。

[研究の内容，成果]
本研究では最初に金属 1 次元回折格子を用いた偏光制御素子の作製と位相差測定の結果について述べる。この結果について，RCWA(Rigorus Coupling Wave of Analysis，厳密波結合解析) 法によるシミュレーションを行い，表― 1 ―

図1

作製した Ag1 次元回折格子の模式図

立石科学技術振興財団

面プラズモン共鳴による異常透過現象が発生することによるものである。このため，位相差の急激な変化も表面のプラズモン共鳴によるものと考えられる。

図2

作製した Ag1 次元回折格子の表面 SEM 像

図3

セナルモン法による測定結果
図4(2) RCWA 法によるシミュレーション

Ag 回折格子の周期と透過率，位相差の関係

次に RCWA 法によるシミュレーションを用いて偏光解析用のプログラムを作成し，実験結(3) 表面プラズモン共鳴が偏光状態に及ぼすメ果との比較を行った。最初に実験結果の位相差カニズムについて考察と構造パラメータにの妥当性を調べるために，TE 偏光と TM 偏光よる偏光状態の制御の光を入射したときの入射光と透過光の位相差

表面プラズモン共鳴によって TM 偏光の透を計算したところ，TM 偏光は 2.2°の位相遅れ，過率と位相差に特徴的な変化があることがわ

TE 偏光は 21.4°の位相進みとなり，TE 偏光とかったので，その詳細なメカニズムを明らかにTM 偏光の位相差は 24.0°となり，実験結果とするために，図 5 に示すような Au の 1 次元回ほぼ一致することがわかり，作成した偏光解析

折格子構造でシミュレーションを行った。金属用のプログラムの妥当であることがわかった。

を Ag から Au に変更した理由は，Ag は表面次に，構造パラメータによる透過率と位相差のプラズモン共鳴を発生させるためには有効な材変化を調べた。図 4 に Ag 回折格子の周期と透料であるが，腐食しやすい材料であるため，偏過率，位相差の関係を示す。TE 偏光は周期に光 OCT 用偏光素子としての利用が難しいため対して透過率も位相もほぼ一定であるのに対して，TM 偏光では周期依存性があり，特に 364nm と 532 nm で透過率がピークを持つことと，位相差が急激に変化していることがわかった。
TM 偏光の光を金属回折格子に入射したとき，特定の周期で透過率がピークを持つことは，表― 2 ―図5

Au1 次元回折格子の模式図

Tateisi Science and Technology Foundationである。石英ガラス基板上に Au の回折格子構られ，位相差が大きくなる。

造において，波長 635 nm の垂直入射の条件で，次に，構造周期によって TM 偏光の透過率

Duty 比 (Au の 細 線 幅 / 構 造 周 期) 0.7，膜 厚と位相差に先述のような特徴が見られる理由に80 nm に固定し，構造周期を変化させて，TMついて，RCWA 法による TM 偏光透過率の透偏光と TE 偏光の透過率，TM 偏光と TE 偏光過率マッピングと電磁場分布の計算結果から考の位相，TM 偏光と TE 偏光の位相差を調べた。

察した。図 8 に波長 635 nm，入射角度 0°，金属材料 Au，Duty 比 0.7，膜厚 80 nm の条件での TM 偏光の光の透過率マッピングを図に示す。カラーバーは TM 透過率を示す。過去の研究で伝搬型表面プラズモン共鳴が発生すると，特定の入射角度で TM 偏光の光に対して透過率が高くなることが明らかにしている。この系においても同様な結果が得られている。垂直入射の場合，構造周期 435 nm と 635 nm で透過図6率がピークになっており，図 6, 7 の結果と一構造周期と透過率の関係致する。ここで 2 本の透過率のピークを示す軌

図 6 は上記の条件での構造周期と透過率の関跡に注目した。この軌跡と表面格子共鳴の分散係を示す。Ag の場合と同様に TE 偏光は周期関係から得られる入射角度と構造周期の関係をに関係なくほぼ一定の透過率である。一方，重ねたものが赤及び黄色い点線である。赤い点

TM 偏光は表面プラズモン共鳴が発生する構造

線は金とガラス界面での表面プラズモン共鳴に周期で透過率が増加する。表面プラズモンが起起因する表面格子共鳴で，黄色い点線は金と空こる構造周期より短周期側では透過率が急激に気の界面での表面プラズモン共鳴に起因する表減少し，透過率のディップが見られる。図 7 は面格子共鳴であることがわかった。

同じ条件での構造周期と位相差の関係を示す。
TE 偏光の位相は構造周期に関係なく一定であるのに対して，TM 偏光の位相は表面プラズモン共鳴が発生する構造周期より短周期側では位相のディップが見られ，TM 偏光の位相遅れが小さくなるため，位相差が小さくなる。一方，長周期側では TM 偏光の大きな位相遅延が見

図8TM 偏光の光の透過率マッピング

次に z 方向の電場分布から表面格子共鳴による伝搬型表面プラズモン共鳴と光の透過の関係を調べた。図 9 に透過率のピークとなる構造周期 435 nm (図 9(a)) と透過率のディップとなる構造周期 386 nm (図 9(b)) の電場分布を示
図7構造周期と位相差の関係す。構造周期 435 nm での電場分布では，金属― 3 ―立石科学技術振興財団(a) 透過率及び反射率と構造周期の関係, (b) 位相差と構造周期の関係

図 10とり，位相差にもディップが見られる。構造周(a) 構造周期 485 nm, (b) 構造周期 386 nm

図9透過率，反射率，位相差と構造周期の関係

z 方向の電場分布

期 435 nm，635 nm でファノ共鳴が発生し，その影響で伝搬型の表面プラズモン共鳴が発生し。

回折格子の 4 つの角で強い電場が見られたとと高い透過率と低い反射率，大きな位相差をとっもに，金属格子から z 方向側に電場が見られた。 ていると考えられる。一方，435 nm，635 nm
これは，表面格子共鳴によって金属端間で強いより短周期側ではファノ反共鳴の影響で，表面局在型表面プラズモン共鳴が発生し，それにプラズモン共鳴が阻害される働きが起こり，そよって金属下部で強い伝搬型表面プラズモン共の影響で透過率が急激に下がり，高い反射率と鳴が誘起することを表しており，この二つの表位相差のディップが得れると考えられる。以上

面プラズモンが共鳴しあうことでファノ共鳴がのことから，ファノ共鳴，ファノ反共鳴が透過発生すると考えられる。一方，386 nm の電場率，反射率，位相差の偏光特性に大きな影響を分布では，表面プラズモン共鳴が起きていない与える要因となっていることが考察できる。

ため，4 つの角や金属格子から z 方向側に電場がほとんど見られない。これは，表面プラズモ(4) 偏光状態の制御ン共鳴が阻害されているためこのような電場になったと考えられ，ファノ共鳴の反対でファノ以上の考察を踏まえ，ジョーンズ行列を用いて偏光状態を確認した。

反共鳴が発生すると考察される。

入射波長 635 nm，表面プラズモン共鳴が起以上の考察を踏まえたうえで，構造周期と透こる付近の構造周期 440 nm での条件で Au の過率，反射率，位相差の関係について考察する。

膜厚を 20〜100 nm に変化させたとき，式(1)

図 10 に透過率，反射率，位相差と構造周期のに 示 す よ う な ジ ョ ー ン ズ 行 列 の 値 を 求 め，関係を示す。透過率がピークの点では，反射率+45°方位の直線偏光を入射光とし，それぞれがディップをとり，位相差が大きくなる。逆に，の出射光の偏光状態を図に示したものを図 11

透過率がディップの点では，反射率がピークをに示す。

― 4 ―Tateisi Science and Technology Foundation行った。
，プラズモニックメタ表面を用いることで，表面プラズモン共鳴に起因するファノ共鳴，ファノ反共鳴によって透過率と位相差が制御でき，それによって入射光の偏光状態を制御できることを明らかにした。
今後の課題として，プラズモニックメタ表面を用いて偏光状態の制御できることが明らかになったので，実験での検証が必要になる。Auの 1 次元回折格子構造を電子線リソグラフィと真空蒸着によって作製する知見は別の研究テー
図 11マで得られているので，この知見を活用し，素+45°方位の直線偏光を入射光としたときのAu 膜厚変化に伴う出射光の偏光変化子の作製と評価を行う必要がある。
また，1 次元回折格子構造よりも更に高度な偏光制御が可能な 2 飛元回折格子状のプラズモ

試料のジョーンズ行列

t
00t ·e(1)

ニックメタ表面の作製や，より簡便に位相差を実現する方法として 3D プリンターで作製したt t TE，TM 波の振幅透過率

プラスチック板に引張応力を加えて延伸させた

Δ＝Δ −Δ TE，TM 波の位相差ときの位相差測定なども並行して行っている。

膜厚が増えると透過率が減少し，共に位相遅れ[成果の発表，論文など]が大きくなるため，楕円率が大きくなり，直線偏光が左回りの楕円偏光に変換されることが分〈論文〉わかった。この結果から，金属回折格子の構造

Atsushi Motogaito, Yukino Hayashi, Akinori Watanabe,による表面プラズモン共鳴の発生条件によって，様々な偏光状態を持つ出射光に変換できる偏光

Kazumasa Hiramatsu, “Fabrication of Polarization
Control Devices Using Metal Grating Structures”,
Optics and Photonics Journal, 12 (9), pp. 201-213(2022).

制御素子が実現できるものと示唆される。

〈口頭発表〉(5) まとめと今後の課題

Tsubasa Yoshizawa, Kazumasa Hiramatsu and Atsushi

眼底検査用偏光 OCT の高性能化を目指すた

Motogaito, “Study on the Design of Polarization

めに必要となる偏光制御素子の作製と評価，偏Control Devices using a Wire Grid Structure.”, The

光状態を変換できるメカニズムについて考察を― 5 ―12th International Symposium for Sustainability by
Engineering at Mie University, P 22 (2022)