全方位多光束エバネッセント波一括制御型
マイクロ光造形装置の開発
東京大学 先端科学技術研究センター
教授 高橋 哲
（平成 29 年度 一般研究開発助成 AF-2017234）
キーワード：エバネッセント波，微細機能構造，マイクロ光造形

１．研究の目的と背景

exp iisinsin1

表面の物理的寄与が相対的に大きくなる昆虫等小生物の表面は，極めて優れた機能界面となっていることが知ら2れている 1-3)．撥水，防曇，防滴，防塵などの自浄作用の(1)ある力学的機能の他，例えば，視覚器官表面（複眼表面，ここで，境界面と直交する軸を z 軸，境界面と光線面の交単眼表面など）においては，視覚利用波長帯全域に亘り，わる軸を x 軸ととる．A，ω，t はそれぞれ電場の振幅，角広い角度入射光波を器官に取り込むことができるなど，極振動数，時間を表す．波長は λ，波数は k で表されている．

限まで追求された光学機能が付与されており，このようなn1，n2 はそれぞれ高屈折率側と低屈折率側の屈折率を示している．θ は入射角である．

機能構造表面の人工的プロセス法の確立が求められている．これらの微細構造はサブ波長以下のサイズ単位を有するため，一般的な自由空間伝搬光を媒体としたレーザ加工法では構造創製能力の微細性限界のため，創製困難な問題があった．
そのため，エバネッセント光特有の局在界面フォトンエ
ネルギー場を精密制御し，ナノ加工エネルギーとして活用するエバネッセント露光型マイクロ光造形法において，複数光束のエバネッセント波干渉 4)により生じる界面近傍

図 1．エバネッセント光微細強度分布を利用することで，従来手法では困難であった面内一括加工によるサブ波長微細構造からなる光学機能素子形状の創製を目指す．特に本申請研究においては，2・2

エバネッセント波干渉による構造造形例

多光束エバネッセント波で生成可能な複雑な微細構造分

エバネッセント光の染み出す低屈折率側を光硬化性樹布を可視化可能な数値シミュレータを構築するとともに，脂で満たすことにより，厚さ数百ナノメートルの薄膜を造簡単なフィルタ交換だけで全方位多光束エバネッセント形することが可能である．この際境界面において，複数の波干渉を実現可能な一括制御型マイクロ光造形装置の開光束を干渉させながら入射することで，特定の強度分布が発を目指した．

生じ，それに応じた硬化形状を持つ造形物が得られる．図２．研究方法，結果

2 光束の干渉では定在波が生じ，波状の造形物が得られる．

2・1エバネッセント波

2 は 2 光束干渉エバネッセント波による造形例 5)である．
光束数を増やすことにより，高さの異なる凹凸構造を有す

2 つの屈折率の異なる媒質間で，高屈折率側から低屈折る複雑構造の造形が可能となる．構造の自由度は向上する

率側に入射した光は，一部は低屈折率側に透過し，残りは一方で，入射条件の場合の数は膨大になり，条件に対する境界面で反射する．光の入射角が 2 つの媒質の屈折率に依構造の推定はより困難になる．の光が反射する全反射が起こる．この際，境界面には電場振幅が存在するため，低屈折率媒質側に電磁気的エネルギ

290nm

存するある臨界角以上になると，透過光は無くなり，全てCured resinーの染み出しが生じている．この染み出したエネルギーがエバネッセント光である（図 1）．この光は境界面からの距離に対し指数関数的に減衰し，およそ波長程度の領域に局在する．エバネッセント光の境界面での電場 E，マクス530nm
Glass substrate

ウェル方程式とスネルの法則を用いて次のように記述される．

図 2．定在エバネッセント波造形の AFM 像 5)

2・3

多光束エバネッセント波干渉シミュレーション

前節の問題を解決するために，多光束でのエバネッセン⼊射⾓(側⾯図)zP

ト波干渉時に期待される造形形状を可視化可能な数値シミュレータを，マクスウェル方程式および樹脂硬化閾値にxy plane基づき構築する．解析座標系を図 3 に示す（ここでは 3 光S･束の干渉を例に取っている）．入射角をθとし， x 軸正方Plane of incidence

向からの z 軸まわりの角度を ϕ とした．それぞれの光束

y⽅位⾓(上⾯図)の電場の式を(2) 式のように定義した． これは，(1)式を･3 次元に拡張させたものである．
･ ≥ ･ のとき透過光は消失しエバネッセント光が発⽣

∙sin
cos
0sin cossin sin,x(2),図 3．多光束干渉シミュレーション解析の座標系

sin

ここで， : 偏光ベクトル，: 高屈折率媒質中の波数ベクトル， : 位置ベクトル， : 光速， : 波長，: 角周波数， : 初期位相， : 電場振幅， : 真空中の波数，,: 屈折率()である．これを xy 平面で干渉させるため，光束 1 から光束 3 までの電場~を(3), (4)式のように，重ね合わせて，その強度分布の時間平均を計算した． は周期である．光硬化性樹脂の硬化閾値 を設定し，(5)式のような判定を行い，これを超えた部分を硬化部として 3 次元空間に可視化した．
(3)
〈 〉

∙〈 〉

図 4．3 光束干渉シミュレーション（S 偏光）

(4)
(5)

図 4 に一例として，3 光束干渉シミュレーション時の結果（S 偏光の時）を示す．実際の実験状況を考慮して，波長，および，屈折率（高・低）は，それぞれ 488 nm，1.78，1.50 に設定した．各光束の入射条件としては，入射角，方位角，電場振幅，初期位相の 4 つのパラメータが存在するが，ここでは最も形状に大きな影響を与える方位角による

図 5．3 光束干渉(0, 30, 60)と 2 光束干渉違いを示した．すなわち，入射角は 70°に固定，電場振幅は一定，初期位相は 0 として，3 本の光線の方位角（,,）変動の影響を可視化したものである．

図 5，図 6 は 3 光束干渉造形とそれを構成する 2 光束干
渉造形要素の出力結果について，溝部分にラインを引いて並べたものである．図 5 において，(0, 30,60)の 3 光束干
渉は，2 光束干渉である(0, 30), (0,60)そして(30, 60)すなわち(0, 30)を 30°回転させたものの組み合わせとなっているのが分かる．図 6 において，(0, 120,240)の 3 光束干
渉は，2 光束干渉である(0, 120), (120, 240), (240, 360)すなわち(0, 120)を 120°ずつ回転させたものの組み合わせ

図 6．3 光束干渉(0, 120, 240)と 2 光束干渉

図 7 は，複雑構造造形の一例である．8 光束の干渉例（0,30,90,120,180,210,270,300）を示している．狭角 2 光となっている．シミュレーションによって得られた様々な束を 1 セットとし，このセットを 4 方位から入射した形

出力結果の観察から，3 光束以上の複雑な干渉造形形状で態と解釈することができる．入射偏光により異なった形態も，2 光束干渉による単純な造形形状要素の組み合わせでで複雑な三次元構造を形成できることが分かる．偏光に関整理できることが確認された．

しては，光束ごとに変化させることも可能であり，よりバリエーションの多い形状形成が期待できる．

2・4

全方位多光束エバネッセント波一括制御型マイクロ光造形装置
図 8 に，高 NA 対物レンズと空間周波数フィルタによる一括全方位多光束入射の概念図を示す．高 NA 対物レン
ズの場合，固体浸対物レンズの屈折率を，樹脂の屈折率よ3.5 μm

り大きくすることで，露光面に対して全反射角度となる入射角度の設定が可能となる．この際，対物レンズの後ろ側(a) S polarization

焦点面における点光源は，露光面において，斜め入射する一光束に対応するため，（臨海角度相当径より外側の）外縁部において，任意位置に複数の点光源を配置することで，全方位からの任意多光束干渉を実現可能である．ダイナミ3.5 μm

ックな光波変調素子を配置することで，多光束干渉の時系(b) P polarization

列変動制御も可能である．今回は基礎実験として静的な開口フィルタを配置することで任意の全方位多光束エバネ

図 7．8 光束干渉, （0,30,90,120,180,210,270,300）

ッセント波生成を実現し，実際に光硬化性樹脂による微細(a) S 偏光，(b) P 偏光構造造形を試みた．
図 9 は，上述の一括全方位多光束入射コンセプトに基づSolidifiedresin

Photosensitiveresin

いた全方位多光束エバネッセント波一括制御型マイクロ光造形装置の全体構成図 6)ならびに開発装置写真である．

Cover glass

光源には波長 488 nm の光励起半導体レーザを用いる．こObjective lensのレーザの線幅は 1.5 MHz 未満であり，コヒーレンス長(NA: 1.65, n: 1.78)換算では 200 m である．本研究における干渉造形に対しIncident lightては十分なコヒーレンス性を持っている．これをシングルFilter

モード光ファイバに入射し，ファイバの射出光を点光源とみなして光学系に入れる．使用したファイバのコア径に相当する MOD (Mode Field Diameter)は 2.5 - 3.4 μm で

図 8．空間周波数フィルタによる一括全方位多光束入射あり，NA は 0.12 - 0.14 である．
Nitrogen purge

Various filters

Polarization
converter
XY stage

Exposure planeHigh NA
Objective lensPolarizer

Photosensitive resin

Imaging planeof filter
Beamsplitter

Lens 1

Lens 2

Lens 3CCD
MirrorLens 4Fiber

Laser
488 nm露光機構部

Objective

光学系前半部

光学系後半部

図 9．開発した全方位多光束エバネッセント波一括制御型マイクロ光造形装置

ファイバ射出光からの光はレンズ 1 でコリメートし，偏S polarization

P polarization

光子を通してフィルタに入射する．このフィルタのピンホール（開口 120 m）から広がる準球面波が，ラジアル偏光素子を通して偏光制御され，最終的に対物レンズを通過して準平面波として露光面に入射する．フィルタ位置と対yx

物レンズ内部の後ろ側焦平面が共役の関係にあるのと同時に，ファイバ射出口位置，そしてレンズ 2 とレンズ 3 の中間地点，および露光面が共役の関係になる．露光量の制･ (0,20)

御はシャッタを用いて行う．また樹脂を乗せるカバーガラ
スはその位置を XY ステージで制御することができ，カバーガラス上の位置を動かしつつ，一回露光するごとに条件を変化させることができる
2・5

全方位多光束エバネッセント波のインプロセス観察

図 9 の実験装置は，露光面に対して，無限遠補正型の顕yx･ (0,30)

微システムを実装しており，露光面上の強度分布をインプロセスで光学的拡大観察することができる．図 10 は，2光束干渉時のエバネッセント光強度分布のインプロセス観察像であり，2 光束間の相対的な方位角変動が干渉縞強yx度分布に及ぼす影響を調べたものである．左が S 偏光入射時，右が P 偏光入射時のものである．方位角差の広がり（20，30，60 度）とともに，理論通りに，干渉縞の向き10 μm･ (0,60)および間隔が変動（870, 580, 300 nm）し，また P 偏光に

図 10．2 光束干渉によるエバネッセント光強度分布の比べ，S 偏光時はコントラストが低下する．図 11 は，6 光インプロセス観察（方位角の違い）[S 偏光入射と P 偏光入射]束および 8 光束のとき（方位角条件は，それぞれ左に記載）の観察像である．それぞれ下には，シミュレーション

S polarization

P polarization

結果を比較のため示している．インプロセス観察光学系の光学的解像力および CCD ピクセルサイズの関係で，微細分布の詳細比較は困難であるが，マクロな構造分布としては，多光束においてもシミュレーション結果に対応した強yx度分布が生成されていることが分かる．
2・6

全方位多光束エバネッセント波一括露光実験･ (0, 20, 120,140, 240, 260)

10 μm

開発装置を用いて光硬化性樹脂の微細構造形成を試みた．ここでは，光硬化性樹脂として，ウレタンアクリレー

６光束トオリゴマーに可視域反応性光重合開始剤を混合したも5 μmのを用いた．硬化造形物は，原子間力顕微鏡でトポグラフ
ィ像を計測し，構造に含まれる周期成分を二次元フーリエ変換することで抽出した．図 12, 13 はそれぞれ，6 光束エバネッセント波干渉 (0, 20, 120, 140, 240, 260)，および

yx

8 光束エバネッセント波干渉 (0, 30, 90, 120, 180, 210,270, 300)を一括露光させた際に，得られた樹脂硬化物の結果である．2 光束 3 方位入射干渉による結果（図 12）については，トポグラフィ像からも明らかであるが，フー･ (0, 30, 90,120, 180, 210,270, 300)

10 μm

リエ変換像においても 6 つの輝点，すなわち 3 方向の干渉縞が観察できた．それぞれの縞間隔は 860 nm，870 nm，890 nm であり，これは対向角 20°の干渉縞間隔である

8 光束

5 μm

871 nm と一致する．ただし，より対向角 120°や 140°

図 11．多光束干渉によるエバネッセント光強度分布のといったより大きい対向角による狭い間隔の干渉縞につインプロセス観察（6 光束，8 光束）[S 偏光入射と P 偏光入射]いては確認できなかった．

2 光束 4 方位入射干渉による結果（図 13）については，トポグラフィ像から xy 方向に干渉縞が確認できた．これS polarization

はフーリエ変換面におけるより中心に近い 4 つの輝点に表れている 600 nm 程度の干渉縞であり，これは対向角894 nm

30°の干渉における縞間隔 584 nm と一致する．一方，フ870 nm

ーリエ変換像について，その外側にも干渉縞を示すと思し

890 nm

き輝点が存在し，これらは約 300 nm の間隔であると計算される．これは，対向角 60°の干渉条件である 302 nm と5 μm一致する．
P polarization

３．結言
生物の持つ機能性表面微細構造などの複雑な微細周期構造の創製を目指して，本研究では，エバネッセント波を860 nm

多光束で干渉することで生成される複雑微細光強度分布

870 nmの加工エネルギーへの適用を行った．具体的には，多光束890 nmエバネッセント波で生成可能な複雑な微細構造分布を可視化可能な数値シミュレータを構築するとともに，簡単なフィルタ交換だけで全方位多光束エバネッセント波干渉

図 12．6 光束エバネッセント波干渉 (0, 20, 120, 140, 240, 260)を実現可能な一括制御型マイクロ光造形装置の開発した．

による樹脂硬化物の AFM トポグラフィ像および実際に光硬化性樹脂に対して露光実験を行い，複数の周期二次元フーリエ変換像 [S 偏光入射と P 偏光入射]構造が合成された複雑微細周期構造が生成できる 7)ことを示した．

S polarization

謝 辞

606 nm311 nm

本研究を遂行するにあたり，多大なご支援を頂いた公益財団法人 天田財団に心より感謝申し上げます．また東京

588 nm大学大学院精密工学専攻，鈴木裕貴氏，増井周造氏には多大な貢献をいただいた．この場を借りて感謝申し上げます．

314 nm
5 μm

参考文献
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P polarization

focusing on their fabrication and applications, J. Mater.

605 nmChem. A, 3 (2015), 1811.

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314 nmleaves in nature: Binary structure and unitary structure,Plant Science, 172 (2007), 1103.

4） Martinez-Anton, J. C.: Surface relief subwavelength
gratings by means of total internal reflection evanescent

図 13．8 光束エバネッセント波干渉 (0, 30, 90, 120, 180, 210,270, 300)による樹脂硬化物の AFM トポグラフィ像および二次元フーリエ変換像 [S 偏光入射と P 偏光入射]wave interference lithography. Journal of Optics A: Pureand Applied Optics, 8-4 (2006), S213.

5）梶原, 高橋他：エバネッセント光を利用したナノ光造

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dual-periodic structures by multi-beam evanescent wave6）鈴木，高橋他：エバネッセント露光型ナノ光造型法にinterference lithography using spatial beats, Optics

関する研究(第 26 報)-多光束干渉によるミリオーダ領域のサブミクロン表面微細構造創製-，2017 年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集 (2017),859

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