単層カーボンナノチューブは、先端が鋭く電気伝導性が高いことから、強い電界によって真空中へ電子を引き出す電界放出の電子源として研究が進められている。筒の巻き方を表すカイラリティによって半導体性と金属性に分かれ、一次元構造に由来するファンホーブ特異点という鋭い状態密度の尖りをもつ。これまでに、膜厚の最適化や外部加熱を併用した熱電界放出など、放出効率と安定性を高める工夫が重ねられてきた。

　しかし、従来の研究の多くはカイラリティが混在した試料を用いており、動作中に必ず生じる内部ジュール加熱と、カイラリティ固有の電子構造との相互作用が明らかでないという問題点がある。電子の供給経路となる炭化母材や界面の電気抵抗が熱収支に及ぼす影響も整理されておらず、温度上昇によって半導体性が金属性を上回るという優劣の逆転は実証されていなかった。

　そこで、本研究では純度99 %に分離した半導体性と金属性の単層カーボンナノチューブを用い、炭化した高分子母材と界面の電気抵抗を変えた素子を作り分けることによって、解決した。抵抗の高い多孔質の母材で挟んだ素子では、局所的なジュール加熱で半導体性の温度が上がり、状態密度の高い第一伝導帯が占有されて電子の密度が金属性を上回り、立ち上がり電界は 6.38 V/µm と金属性の 6.96 V/µm より低くなった。一方、緻密で低抵抗な母材に混ぜた素子では母材が放熱体として働き、加熱を伴わない冷陰極型の放出で金属性が優れた。Cobolt社製の半導体励起固体レーザー Cobolt Blues（473 nm、連続発振）は、半導体性ナノチューブのラマン分光の励起光源として用いられた。半導体性の種を共鳴的に励起し、欠陥に由来するD帯と黒鉛構造に由来するG帯の強度比を超音波処理の前後で比べ、素子の作製時に欠陥がほとんど導入されていない（0.011→0.012）ことを確認している。

※本記事は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）を、独自の構成で再構成した日本語要約です。

【用語解説】

• 電界放出：強い電界で固体表面の電位障壁を薄くし、トンネル効果によって電子を真空中へ引き出す現象。加熱を必要としない冷陰極として、電子顕微鏡や表示素子の電子源に用いられる。
• カイラリティ：黒鉛の一枚膜を筒状に丸めるときの巻き方向と直径を表す指数。同じ炭素の筒でも、この値によって金属性になるか半導体性になるかが決まる。
• ファンホーブ特異点：一次元の電子系で状態密度が鋭く立ち上がる点。単層カーボンナノチューブの光吸収やラマン散乱の共鳴条件を決める。

ラマン分光に使用された473 nmレーザー

　光子を1個ずつ放出する単一光子源は、光を用いた量子計算や量子暗号の基盤素子であることから、近年急速に研究が進められている。放出された光が真に単一光子であるかは、光子の到来時間差を取る二次の強度相関関数を測り、時間差ゼロでの落ち込みを調べて判定する。落ち込みが深いほど純度が高く、量子計算の忠実度も上がる。一方、hBN（六方晶窒化ホウ素）中の発光中心やダイヤモンドのNV中心では、準安定状態への遷移で発光が明滅する現象が広く見られる。

　しかし、励起レーザーの散乱光や試料周辺からの発光が背景光として重なるため、発光体自身の計数率を正しく切り分けられないという問題点がある。とくに明滅の速さが検出率と同程度の領域では、明状態1周期あたりの検出光子がおよそ1個しかなく、強度相関関数だけでは明状態と暗状態の計数率を分離できない。飽和曲線から求める最大検出率や準位の占有率にも誤差が入る。

　そこで、本研究では連続して検出された2個の光子の待ち時間分布と強度相関関数を比較することによって、解決した。待ち時間分布は直後の1個のみを数えるため集光効率と発光率に依存し、すべての時間差を数える強度相関関数とは異なる振る舞いを示す。この差から発光体と背景光の計数率を分離し、励起強度依存性を個別に求めた。hBN 中の発光体では両者の差が明瞭に現れ、背景を補正した計数率は補正前より低い励起強度で飽和した。測定では Cobolt 社製の 532 nm 連続波レーザーを共焦点顕微鏡の励起光源に用い、550 nm 長波長透過フィルタで励起光を除いた蛍光を2台の単一光子検出器へ分配している。NV 中心では明滅が検出率より速く、手法の適用には更なる発展が必要であることも示された。

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【用語解説】

• 二次の強度相関関数：ある時刻に検出した光子と、一定の時間差だけ離れて検出した光子の相関を表す量。単一光子源では時間差ゼロで値が下がる反相関を示す。
• 待ち時間分布：ある光子を検出してから次の1個を検出するまでの時間間隔の分布。2個目以降を数えないため、集光効率や発光率の影響を受ける。
• 準安定状態：発光に関わる基底状態・励起状態とは別にある、いったん入ると励起光を吸収できない寿命の長い状態。発光の明滅の原因となる。

単一光子源の励起に使用された532 nmレーザー

　固体中の点欠陥のスピンを使う量子センシングは、室温で微弱な磁場を高感度に測れることから、近年急速に実用化が進められている。代表例はダイヤモンド中の窒素空孔中心である。一方、広いバンドギャップを持つ炭化ケイ素（SiC）は、ケイ素原子が1個欠けた場所に電子が捕獲されてできるシリコン空孔（V2中心）という安定なスピン欠陥を宿す。V2中心は 785 nm の光で非共鳴励起でき、916 nm のゼロフォノン線と 1100 nm まで広がるフォノン側波帯で発光する。SiCは既存の6インチウェハ量産工程をそのまま使えるため、量子センサを半導体製造の延長で大量生産できる材料として期待されている。

　しかし、感度を上げるために欠陥密度を高めると結晶損傷が増え、共鳴線幅の増大と信号コントラストの低下を招く問題がある。密度を保って有効体積を広げる道もあるが、光導波路がなければ広い体積を励起するのに大きな光出力が要り消費電力が増え、発光が四方へ逃げて集光効率も落ちるという問題がある。

　そこで、本研究では n++ 基板・真性コア・薄い SiO₂ という屈折率差だけで導光する単一材料のSiC平面導波路を6インチ量産工程で作り、陽子注入の深さ（400 keV で約 3 µm）を導波モードの最大位置に合わせてV2中心を埋め込むことによって解決した。結晶軸を面に垂直にそろえたため、チップ全面にわたり均一なRF磁場を単純なマイクロストリップで加えられる。励起には Cobolt 06-01のピグテール付き 785 nm レーザー（CW、導波路内 36 mW）を用い、偏波保持単一モードファイバから導波路端面へ結合させて約 6.4×10⁷ 個のV2アンサンブルを一括励起し、反対側の対物レンズで取り出した 916 nm 帯の蛍光をアバランシェフォトダイオードで検出した。CW-ODMR、Rabi振動、Ramsey（T₂* 約 230 ns）、Hahn-echo（T₂ 約 2.8 µs）のいずれも得られ、ショット雑音限界の感度はCWで 270 nT/√Hz 以下、パルスODMRで 30 nT/√Hz 以下と、共焦点法の約 40 µT/√Hz に対し2桁以上改善した。

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【用語解説】

• シリコン空孔（V2）中心：炭化ケイ素の結晶中でケイ素原子が1個抜けた空孔に電子が1個捕らわれた欠陥。室温でもスピンの向きを光で読み書きできるため、磁場センサの感応部として使える。
• ODMR（光検出磁気共鳴）：スピンの共鳴周波数の電波を当てたときに蛍光の強さがわずかに変わる現象を使い、磁気共鳴を電波の検出ではなく光の明暗として読み取る手法。磁場の大きさは共鳴周波数のずれ（ゼーマン分裂）から求まる。
• ショット雑音限界の感度：検出する光子数のゆらぎだけが雑音源だと仮定したときに到達しうる感度の理論限界。単位は nT/√Hz で、値が小さいほど高感度である。

る原因となる。

V2色中心の光励起に使用された785 nmレーザー

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　原子数層の厚さをもつ二次元半導体である遷移金属ダイカルコゲナイド（MoS₂、WS₂）は、可視から近赤外に鋭い励起子共鳴を示すため、小型の受光素子や光変調素子の材料として研究が進んでいる。これを窒化ケイ素（Si₃N₄）の光導波路の上に載せると、導波路の外へわずかに漏れ出す光の裾と重なり、伝搬方向に相互作用長を稼げる。1回の透過では小さい吸収も数十 µm の長さで実効的に1に近づくため、この原理で可視・近赤外の受光や全光変調が実現されてきた。

　しかし、素子の性能を決める吸収スペクトルは、転写前の単体の薄片を自由空間で測るか、外部の広帯域光源をチップへ結合して透過を測ることで評価されてきた。二次元材料の励起子遷移の位置は歪み・誘電遮蔽・下地との相互作用で集積後に移動するため、前者は動作状態を表さず、後者は広帯域光源と結合系を要する問題点がある。

　そこで、本研究では導波路自身の発光を内蔵の広帯域光源として使うことによって、解決した。Si₃N₄のコアを波長 405 nm で励起すると欠陥準位を介した広帯域発光が生じ、その一部が導波モードに結合して伝搬する。この光が薄片の下を通る間に波長ごとに減衰するので、二次元材料のない参照導波路の出力で規格化すれば、動作状態のままの吸収スペクトルが得られる。励起には Cobolt 社製 06-MLD（405 nm、3.06 eV、連続発振）を用い、先端にレンズを付けた光ファイバで導波路端面へ突き合わせ、Si₃N₄の広帯域発光を生じさせる内蔵光源として機能させた。単層 MoS₂ では 1.81 eV、単層 WS₂ では 1.95 eV で導波光が消失し、局所の顕微発光と一致した。層数が不均一な薄片では最も低エネルギー側の領域が支配して 1.77 eV で消失するため、均一性の判別もできる。減衰量は MoS₂ で約 450 dB cm⁻¹ まで定量でき、A・B励起子に対応する構造も確認された。

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※掲載した図は同論文より CC BY 4.0 に基づき転載しています（改変の有無は各図のキャプションに記載）。

【用語解説】

• エバネッセント場：光導波路の中を進む光のうち、外側（空気や上に載せた薄膜の側）へわずかに染み出し、距離とともに急激に弱まる電磁場。本研究の導波路では光のエネルギーの 6〜10 % がここに存在し、この領域に二次元材料を置くことで吸収が生じる。
• 励起子：半導体中で光により生じた電子と正孔が、互いの電気的な引力で結びついた対。二次元材料では結合が強く室温でも安定なので、吸収・発光スペクトルに鋭い構造として現れる。MoS₂やWS₂ではエネルギーの低い順に A、B と呼ぶ。
• 欠陥準位・バンドテール準位：本来は電子が存在できない禁制帯の中に、原子配列の乱れや不純物によってできる準位。Si₃N₄では禁制帯より小さい光子エネルギーの光でも吸収と発光が起こる原因となり、本研究はこれを内蔵光源として利用した。

エバネッセント吸収分光に使用された405 nmレーザー

　欧州では重要原料の需要が高まり、効率のよい鉱床探査法が求められている。硫塩鉱物は銅・アンチモン・砒素を主成分としながら、銀・インジウム・テルル・水銀などの重要元素を取り込む鉱物群で、熱水性鉱床の高品位資源である。その分析に向くのが、試料にパルス光を集光して微小な発光を起こし、発光線から元素を読み取るレーザー誘起発光分光法（LIBS）である。前処理が少なく、分解能を光学系で変えられる。

　しかし、硫塩鉱物は連続的な固溶体をつくり主成分組成が似通うため、外観からも携帯型の蛍光X線分析からも端成分の判別が難しいという問題点がある。加えて蛍光X線は感度が足りず、銀などの微量元素を検出できない。従来の元素像の分解能は 10〜20 µm で、重要元素が 1 µm 前後の包有物に濃集する場合は1画素に複数の相が混ざる。集光ビームが点広がり関数として働くため像はぼけ、小さな相は実際より大きく見え、分布量を過大に見積もる危険がある。

　そこで、本研究では分解能の異なる三段の測定を組み合わせることによって、解決した。携帯型は砒素とアンチモンなどの発光強度比で端成分を判別し、蛍光X線では見えない銀も検出する。15 µm の顕微LIBSは数cm 角の元素像で相の区別と累帯構造、インジウム濃集域を示す。さらに 2 µm の高分解能顕微LIBSで微小域を測る。この高分解能系の光源にCobolt社製の532nmパルスレーザー TorXEが使われた。パルス幅 2 ns、最大パルスエネルギー 0.25 mJ を 50倍対物レンズで集光して 2 µm を得た。8時間のパルス間安定性 3 % 以下が長時間の走査を支えた。15 µm で面状に見えた銀と水銀は、実際には 10 µm 未満、水銀は 2 µm 前後以下の包有物と判明した。見かけの分布は分解能に支配されるため、探査初期は定量より元素の同定と担体相の特定が信頼できると結論している。

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【用語解説】

• 端成分：固溶体の両端にあたる純粋な組成の鉱物。固溶体は結晶の骨組みを保ったまま特定の原子が任意の割合で入れ替わる鉱物で、四面銅鉱（アンチモンを含む）と砒四面銅鉱（砒素を含む）の間では両者が連続的に置き換わる。実際の鉱物の多くは中間組成であり、砒素とアンチモンの比がどちらの端成分に近いかの指標になる。
• レーザー誘起発光分光法（LIBS）：試料の表面にパルス光を強く集光し、ごく微量を瞬間的に蒸発させて高温の発光体をつくり、そこから出る発光線の波長と強さで含まれる元素を判定する手法。真空や試料の溶解が不要で、1点あたり数ミリ秒で多元素を同時に読み取れる。集光点を走査すれば元素分布の像が得られる。
• 点広がり関数（PSF）：1点の信号が測定系を通ったときに、どれだけの広がりをもって記録されるかを表す関数。集光したビームの強度分布がこれに相当し、得られる像は試料の真の構造とPSFを畳み込んだものになる。相の大きさがPSFの幅より小さくなると、像の形は試料の実体よりもPSFで決まってしまう。

高分解能LIBS元素イメージングに使用された532 nmパルスレーザー

　植物の根は、成長する環境から受ける力学的な信号を絶えず感じ取り、それに応じて性質を変えている。根冠の働きや粘液の分泌、ホルモンによる調節が組み合わさって根端の硬さや粘りが決まり、締め固まった土層を押し進むか、障害物を避けて向きを変えるかが左右される。こうした性質を、試料に触れず標識も付けずに測る方法として、物質中を伝わる音波による光の散乱を使うブリルアン顕微法がある。細胞より細かい尺度で縦弾性率の分布をその場で描き出せ、ラマン分光と同じ光学系に組み込みやすい。

　しかし、根の力学的性質を測る従来の手法は、根を育った培地から取り出す必要があり、成長の過程で蓄えられていた応力が解放されてしまう問題点がある。取り出すときの曲げ自体が力学感受性の経路を働かせるため、測定がその後の成長を乱し、同じ根を追跡して繰り返し測ることができない。

　そこで、本研究では3D印刷で作製した育成兼観察容器RoPodに根を収めたまま、ブリルアン散乱とラマン散乱を同じ焦点位置で取得する枠組みを構築することによって、解決した。Cobolt社製の単一縦モード532nmレーザー　Samba を偏波保持ファイバで顕微鏡へ導き、開口数0.42の対物レンズで直径1.5 µmの集光点を作って試料上10〜12 mWで照射する。180°後方散乱光を集め、ブリルアン成分は3+3パスのタンデム型ファブリ・ペロー干渉計で、ラマン成分は分光器で同時に解析する。ラマンスペクトルから根と培地の寄与を分離し、根だけの信号を取り出した。同じ根を繰り返し走査しても発育に変化は見られず、培地の濃度が高いほどブリルアン周波数シフト・線幅・損失正接がいずれも低下し、根が周囲の硬さに応じて自らの力学的性質を調整していることが示された。容器の形状や試料の扱いに由来する偏りも併せて定量された。

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【用語解説】

• ブリルアン周波数シフト：物質中を自発的に伝わる音波によって散乱光の周波数がわずかにずれる量。縦弾性率と密度・屈折率で決まり、硬い部位ほど大きくなる。
• 損失正接（tan δ）：ブリルアン線幅を周波数シフトで割った値。弾性に対する粘性的な散逸の割合を表し、大きいほど粘りが強い。
• タンデム型ファブリ・ペロー干渉計：2組の平行平面鏡を直列に並べ、間隔を走査しながらごく小さな周波数差を分離する分光器。強い入射光のすぐ近くにある微弱なブリルアン散乱光を取り出せる。

ブリルアン・ラマン顕微分光に使用された532 nmレーザー

　ダイヤモンドは、極めて広い禁制帯幅と高い絶縁破壊電界を併せ持つことから、パワー半導体や量子センシングの材料として研究が進んでいる。主要な合成法であるマイクロ波プラズマ化学気相成長（CVD）では、基板表面温度が成長速度や不純物の取り込み、窒素-空孔中心などの量子欠陥の生成を左右し、成長は概ね 800〜1300 °C で行われる。実機では非接触で応答の速い放射温度計が広く使われている。

　しかし、放射温度計には、基板の熱放射にプラズマ自身の発光が重なって読みが真の温度からずれる問題がある。メタンを含む条件ではC₂の分子帯発光や連続発光に加え、高温の炭素微粒子による黒体状の放射も重なる。さらに裸のダイヤモンド基板は近赤外の放射率が極端に低く、熱放射が弱いため誤差が相対的に拡大するが、その大きさは定量化されていなかった。

　そこで、本研究ではその場ラマン温度計測を基準器として放射温度計と直接比較することによって解決した。Cobolt社製のパルスレーザー Tor XS（532.1 nm、パルス幅 2.1 ns、50 µJ、100 Hz）で基板を励起し、レーザーパルスに同期した 4 µs の時間ゲート検出を併用して、プラズマ背景光を抑えてダイヤモンドの一次ラマン線を取得した。水素のみのプラズマでは近赤外の発光は無視でき、放射率を補正すれば両者は一致した。一方、水素・メタンプラズマでは 1400 nm と 1800 nm 付近にC₂の分子帯発光が現れ、ラマン温度の変化が ±50 °C 以内にとどまるのに対し、90 Torr・4000 W で二色方式は 1200 °C 以上、単色方式は約 200 °C 過大評価した。原因は単色方式では輝度の加算、二色方式では短波長側が持ち上がるスペクトル傾斜の歪みであり、長波長側の検出、C₂帯と重なる波長の回避、帯域と放射率補正の最適化が指針として示された。

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【用語解説】

• 単色方式と二色方式の放射温度計：単色方式は1つの波長帯の放射輝度から温度を求める方式で、対象の放射率を仮定する必要がある。二色方式は2つの波長帯の輝度比から温度を求め、放射率が波長によらなければその影響が比で打ち消される。本研究では、プラズマ発光が短波長側を持ち上げることでこの比が崩れることが示された。
• その場ラマン温度計測：ダイヤモンドの一次ラマン線（約 1333 cm^-1）は温度が上がると格子振動が軟化して低波数側へずれる（約 -0.037 cm^-1/K）。このずれ量から温度を求める手法で、非接触かつ測定対象の物質を選んで測れる。
• 時間ゲート検出：検出器を常時開けず、レーザーパルスに合わせた短時間だけ開いて信号を取り込む手法。プラズマの連続的な発光は開いている時間に比例してしか入らないため、背景光を桁違いに抑えられる。本研究では 4 µs のゲート幅（デューティ比 0.04 %）が使われた。

基板温度のその場ラマン計測に使用された532 nmパルスレーザー

　体が透明で脳全体を光で観察できる稚魚のゼブラフィッシュは、神経科学の実験動物として広く用いられている。膜電位そのものを蛍光に変換する遺伝子にコードされた電位指示薬（GEVI）の登場により、多数の神経細胞の電位を並列に読み取る道が開かれた。薄い板状の光で試料を横から照らし、その面だけを励起する光シート顕微鏡は、光切断能が高く光毒性も小さく、この目的に適した方式である。

　しかし、カルシウム指示薬による全脳撮像は時間分解能が数百ミリ秒に留まり、ミリ秒規模で進む活動電位の時刻を捉えられない。電位の撮像には、脳全体を覆う三次元視野、単一細胞を分ける分解能、1個の活動電位を検出する信号忠実度が同時に要るが、一方を最適化すると他方が犠牲になる。単一露光で三次元情報を得るライトフィールド顕微鏡は、厚み約 200 µm を一度に写すと横分解能が約 3 µm へ劣化する。光シート顕微鏡も、軸走査の速度と撮像素子の画素処理量に阻まれ、全脳では毎秒 10〜15 体積に留まっていた。

　そこで、本研究では焦点面を遠隔で走査する光シート顕微鏡を設計することによって、解決した。質量約 0.01 g の銀蒸着鏡を圧電ベンダーで検出光路の共役面で動かし、試料側の約 200 µm を最大 300 Hz で軸走査する。像を刃形の鏡で二分して高速撮像素子2台へ振り分け、6 kHz を超えるこま速度を得た。第二の遠隔焦点装置で直交偏光も回収し、蛍光の収集量を75%高めた。直径 900 µm × 厚さ 200 µm の視野で横方向の半値全幅約 1 µm を保ちつつ、脳体積の約85%を毎秒 200.8 体積で撮像し、1個体あたり1万個以上の神経細胞の電位を記録した。Cobolt 社のレーザー発振器は照明光源として使われ、515 nm 連続波レーザー（Cobolt 06-MLD）の平行光をパウエルレンズで扇状に広げて試料面に幅約 1 mm の光シートを作り、軸方向へ掃引して各断面の指示薬を励起した。

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【用語解説】

• 遺伝子にコードされた電位指示薬（GEVI）：神経細胞の膜電位の変化を蛍光強度の変化に変換する蛋白質。遺伝子として細胞に導入でき、カルシウム指示薬より応答が速い。
• パウエルレンズ：断面が屋根型の非球面レンズで、円形の光束を一方向へ扇状に広げ、強度がほぼ一様な線状の光を作る素子。光シートの形成に用いられる。
• 遠隔焦点走査：試料や対物レンズを動かす代わりに、光学的に共役な別の位置に置いた小さな鏡を動かして焦点の深さを変える手法。動かす部品が軽いため高速化できる。

電位イメージングに使用された515 nmレーザー

　霧や濁った水、生体組織のように光を散乱させる媒質の向こう側にある物体を捉える技術は、自動運転や水中観測、生体イメージングなど広い分野で求められている。回折ニューラルネットワーク（DNN）は、機械学習で位相分布を訓練した回折層を光が通り抜ける過程そのものに演算を担わせる光学系であり、散乱された光から物体像を再構成計算なしで光速に結び直せる。訓練に含めない未知の拡散板にも適応でき、時間とともに変化する散乱媒質にも追随できるため、実時間の応用に向く。

　しかし、従来のDNNは回折光学素子で構成されるため波長選択性を持たず、回折層が全波長に共通の位相分布しか持てないという問題点がある。散乱の強さは波長によって異なるため、波長ごとに独立した変調を与えられない構成では、フルカラーでの再構成性能が不足する。

　そこで、本研究では体積型ホログラフィック光学素子（vHOE）を回折層に用いた波長多重DNN（WM-DNN）を構成することによって、解決した。vHOEは記録に用いた波長だけをブラッグ条件で回折するため、640 nm・532 nm・458 nm それぞれに独立な位相分布を重ねて記録でき、波長ごとの処理が完全に並列となる。2枚のvHOEを用いた光学系により、訓練に含めない220番・400番・600番の擦りガラス拡散板の背後の物体をフルカラーで再構成し、従来型DNNをピアソン相関係数・解像度の両面で上回った。解像度は約 0.5〜1 lp/mm、拡散板を毎秒 1 mm で動かした動的な条件でも 5 fps で実時間に再構成できている。Cobolt社製の連続波レーザーの 532 nmレーザー 光は、空間光変調器に表示した物体像を照らして緑チャネルの物体光を作る光源として使用され、458 nm・640 nm の光源と切り替えながら各波長の像が取得された。

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【用語解説】

• 回折ニューラルネットワーク（DNN）：位相分布を機械学習で訓練した回折層を何枚か並べ、光がそこを通り抜けて伝搬する過程そのものに演算を担わせる光学系。学習を終えた後は電子計算を介さず、光が通るだけで所定の変換が完了する。
• 体積型ホログラフィック光学素子（vHOE）：記録材料の厚み方向にまで屈折率の縞を刻み込んだ素子。ブラッグ条件を満たす特定の波長と入射角の光だけを強く回折し、それ以外は素通りさせるため、波長ごとに別の位相分布を1枚へ重ねて記録できる。
• ピアソン相関係数（PCC）：出力像と正解像の画素値がどれだけ同じ傾向で増減するかを表す指標。1に近いほど形と濃淡がよく一致していることを意味する。

フルカラー結像に使用された532 nmレーザー

　ホログラフィック光学素子（HOE）は、感光性材料の薄い層に干渉縞を屈折率の変化として書き込み、回折によってレンズや回折格子として働かせる部品であり、薄く軽く一枚で複数の機能を担えることから、拡張現実表示やセンサー、分光へ向けて研究が進められている。記録材料の一つである光重合性ハイブリッドゾルゲル（PHSG）は、無機の骨格と光重合する有機基が共有結合で結ばれた耐水性の材料で、機械的・熱的な安定性が高く散乱も小さく、100 °C で 45 分と短時間で硬化する。

　しかし、PHSG の感度は光開始剤の吸収に支配されて青から緑の波長域に限られ、赤色光で記録できる光重合性ガラスは報告がなかった。赤色光は散乱が小さく厚い層の奥まで届き、記録と再生の波長を揃えられるが、光子のエネルギーが低く、結合を直接切る方式では重合が始まりにくい。重合する基がゾルゲル骨格に固定されて動きにくいことや、合成液の強い極性が増感剤を分解させることも壁となる。

　そこで、本研究ではメチレンブルーを増感剤、N-フェニルグリシンを共開始剤とする TypeII 光開始系を導入することによって、解決した。色素濃度 0.016 wt%、色素と共開始剤の比 1:150 を最適条件とし、630〜660 nm で働く赤色感光性の光重合性ガラスを初めて実現している。格子の記録には Cobolt 社製 Bolero の 640 nm レーザーを用い、s 偏光の 2 本のビームを干渉させて体積透過型格子を書き込んだ。空間周波数 300〜2200 本/mm で記録でき、回折効率は最大 80 %、屈折率変調は最大 1.6 × 10^-3、6 か月後の効率低下は約 3 % にとどまる。デジタルマイクロミラー素子で変調した光により、一辺 5 µm の正方ドット配列を層内部に記録し、設計どおりの回折像も再生させている。

※本記事は、オープンアクセス論文（CC BY 4.0）を、独自の構成で再構成した日本語要約です。

【用語解説】

• TypeII 光開始系：光を吸収した増感剤が共開始剤との間で電子や水素を受け渡してラジカルを作り、重合を始める方式。結合を直接切る TypeI と違い、光子のエネルギーが小さい長波長の光でも働く。
• 屈折率変調：記録された格子の一周期の中で屈折率が振れる大きさ。大きいほど薄い層でも高い回折効率が得られる。
• 体積透過型格子：材料の厚み方向にも縞が刻まれ、光が通り抜ける向きで使う格子。特定の入射角と波長にだけ強く回折する。

ホログラム記録に使用された640 nmレーザー