フォトニクス最新ニュース
世界の光技術に関する最新動向を、信頼できる情報源から厳選してお届けします。レーザー顕微鏡、レーザー分光、量子光学をはじめ、幅広いフォトニクス領域の研究開発・産業動向をわかりやすく解説します。
1/4波長板のわずかな製造ムラが、レーザーの迷光除去を1万倍に高める（独ダルムシュタット工科大ほか）
2枚の偏光子を直交させて強いレーザー光を遮る配置は、単一の量子エミッタのようなごく弱い光を見る精密実験に欠かせません。TUダルムシュタットを中心とする国際チームは、その間に1/4波長板を1枚入れたところ、通り抜けたわずかな光が丸い点ではなく中央の暗い二葉（ダンベル）状になることを見つけました。波長板を回すと模様も一緒に回ります。この形は検出器とほとんど重ならないため、迷光の抑圧は偏光子だけの約10万倍から、石英の波長板で約1000万倍、ポリマーの波長板では10億倍超まで改善しました。ビーム径を広げるほど模様が強くなったことから、原因は波長板表面の微視的な製造ムラだと結論づけています。実際の部品では偏光とビームの空間形状が結びつくことを示した結果で、微弱発光の検出や精密光学部品の欠陥評価への応用が見込まれます。Nature Communications誌掲載。
水を溶媒とする光配向材料で、四分の一波長板と偏光格子を重ねた多層の液晶光学素子をつくる研究です。
髪の毛の200分の1の光ファイバで原子を運ぶ——GPSが使えない場所の量子慣性センサーへ（米サンディア国立研究所）
米サンディア国立研究所のJongmin Lee氏らは、極細の光ナノファイバの周りにできる光の「かさ」で原子を導き、揺さぶられても取りこぼさない原子干渉計を目指しています。直径420nmのファイバ上にセシウム原子をわずか5mWの光パワーで捕捉し、150nWの光でも原子干渉に相当する測定ができることを示しました。従来手法の4分の1から6分の1の消費電力にあたります。冷却原子を自由落下させる方式は強い振動でレーザーが原子を見失いますが、導波路で導く方式なら常に視野に留められます。あわせて、両端をシリコンの細い柱で留めて放熱させる耐熱メンブレン導波路を提案し、真空中の発熱と原子の装填効率がどちらも立つ設計に道筋をつけました。フォトニック集積回路に載るチップサイズの量子慣性センサーが目標です。AVS Quantum Science誌掲載。
16波長のLEDで土の層を見分ける——発掘現場で5分の多波長イメージング（デンマーク・オーフス大ほか）
考古学の発掘では、次にスコップを入れる前に土の層が変わったかを判断しなければならず、見誤ると証拠が失われます。オーフス大とモースゴー博物館は、近赤外と近紫外を遮るフィルタを外した市販カメラの周囲に、365〜940nmの狭帯域LED15個と白色LED1個を並べた低コストなマルチスペクトルイメージング装置LEDMSIを開発しました。反射と蛍光を撮影し、主成分分析と独立成分分析で成分を分けると、木灰・焼けた粘土・骨が肉眼では見えない差として浮かび上がります。撮影から結果まで約5分で、現場でほぼその場で使えます。バルト海ボーンホルム島の遺跡での実証では、埋め土の中に肉眼では見えなかった層の変化が確認できたとしています。J. Archaeol. Sci.誌掲載。
波長ごとに分けた蛍光の像を深層学習で復元し、ごく弱い光で生きた魚をそのまま撮る顕微鏡の研究です。
内視鏡の先端に照明と結像を一体で「印刷」する——直径0.5mmの光学系（独シュツットガルト大学）
内視鏡で明視野観察を行うには、照明用と結像用の光路を別々に用意するのが一般的です。ただし先端を1mm以下まで細くすると微小な部品の取り回しと組み付けが難しく、それが小型化の壁になっていました。シュツットガルト大学応用光学研究所（ITO）とSCoPE研究センターを中心とするチームは、多光子リソグラフィによる光造形で、照明と結像を1つにまとめた光学系をファイババンドル内視鏡の先端に直接造形しました。前端の結像光学系と後端の回折光学素子を一体で作り込み、リング状の照明とマイクロスケール分解能の観察を約0.5mmの中に収めています。結像側は気密封止されているため、空気中だけでなく生体液中でも観察できます。造形プロセスは再現性が高く将来の量産にも向くとしており、細い管腔や小さな臓器への低侵襲な観察につながると期待されます。Light: Advanced Manufacturing誌掲載。
1回の露光だけで超解像に——偏光のゆらぎで生きた細胞を追う（スイス連邦工科大学ローザンヌ校）
超解像顕微鏡の多くは、数百〜数千枚の画像を時間方向に積み上げて分解能を稼ぎます。この方法は化学固定した標本には有効ですが、動き続ける生きた細胞では像がぼやけてしまいます。EPFLナノスケール生物学研究室のWei Guo氏らは、蛍光分子が向きに応じて偏った光を出す性質に着目し、時間ではなく空間の情報を使うSPIFFIという手法を開発しました。蛍光を4つの偏光チャンネルに分けて同時に撮り、チャンネル間を比較することで、1回の露光から分解能を最大2倍に高め、160〜170nm程度の構造を1枚で解像します。既存の時間ゆらぎ法と組み合わせた後処理では約80nmに達したとしています。ミトコンドリアや微小管の動き、細胞の融合や分裂といった、多数枚法では捉えにくい現象を超解像の動画として記録できました。既存の蛍光顕微鏡に光学系を追加して使えるとしています。Nature Methods誌掲載。
多焦点と定在波の光パターンを組み合わせ、生きた細胞を45〜65nmの分解能で長時間観察する超解像顕微鏡の研究です。
シリコンナノ球を1層並べるだけで、色あせない「つやのある色」を曲面に塗る（神戸大学）
孔雀の羽のように色素を使わず微細な構造で色を出す構造色は、光で退色しないという利点があります。ただし見る角度で色が変わり、保護膜を重ねると色味が崩れ、光沢も出にくいという課題がありました。神戸大学工学研究科の杉本泰氏らは、直径0.25µmほどのシリコンナノ球をシリカの殻で包み、間隔をそろえて1層だけ並べる手法を開発しました。殻が粒子を守ると同時に自己組織化を助けるため、拡散反射が減ってつやが生まれ、見る角度によらない色を大きな3次元の曲面にも塗れます。保護膜を重ねても色相はほとんど変わりませんでした。1層で十分な隠蔽力と明るさが得られるので塗膜は非常に軽く、大型旅客機なら数百kgある塗装が数百g程度になりうると試算しています。材料はシリコンとシリカで、研究チームはセンシングや光触媒など色以外の機能を重ねることも視野に入れています。Small Structures誌掲載。
肌の色でレーザーの安全しきい値は約28%変わる——より公平な基準づくりへ（米ジョンズ・ホプキンス大）
皮膚のメラニンは光をよく吸収するため、同じレーザーを当てても肌の色によって生じる熱の量が変わります。ところが公開されている安全基準はこの違いをほとんど考慮しておらず、パルスオキシメーターのような光を使う計測にも偏りが生じることが指摘されてきました。米ジョンズ・ホプキンス大学のチームは、肌の色が明るいものから暗いものまで異なる3頭のミニブタに、波長750nmのナノ秒パルスを1発ずつ照射しました。照射前の肌の色を色彩計で測り、照射後の紅斑（赤み）を炎症の指標として記録して、半数の部位に目に見える傷害が生じるエネルギー（ED50）を求めたところ、色の濃い個体では324mJ/cm²、明るい個体では448mJ/cm²と、27.7%低い値になりました。許容照射量が信号強度や到達深さを左右する光音響イメージングのような手法では、この差が装置の設計や評価に直結します。Journal of Biomedical Optics誌掲載。
ナノ粒子を「周波数ミキサー」にして、励起光の漏れを消した蛍光イメージング（スウェーデン王立工科大学KTHほか）
希土類を含むアップコンバージョンナノ粒子は励起光より短い波長で光るため、生体の自家蛍光に邪魔されにくいという利点があります。一方で発光そのものが弱く、励起光の残りが背景として残る問題がありました。スウェーデン王立工科大学（KTH）と中国・華南師範大学などのチームは、この粒子が強度を変調した励起光に対して「周波数ミキサー」のように振る舞うことを見いだしました。複数の基本周波数で励起光を変調すると、発光にはそれらの差にあたる「うなり周波数」の成分が新たに現れます。この成分は一般的なカメラのフレームレートでも読み取れ、室内光や励起光の漏れには含まれないため、そこだけを取り出せば背景のない画像が得られます。粒子の設計によって現れる成分を調整することもでき、生体イメージングやバイオセンシングでの信号対背景比を大きく改善できるとしています。Light: Science & Applications誌掲載。
785nmのレーザーで励起した色素とアップコンバージョンナノ粒子のあいだで、エネルギーがどう受け渡されるかを調べた研究です。
多重量子井戸とメタサーフェスを一体設計し、光の波長変換を約1000倍に（米ハーバード大ほか）
レーザーの色（波長）を別の色に変える非線形周波数変換は、通信や精密時計、量子技術に欠かせない働きですが、これまではニオブ酸リチウムやヒ化ガリウムといった結晶がもともと持つ性質にほぼ縛られてきました。米ハーバード大学SEASのCapasso教授らは、ヒ化ガリウムとヒ化アルミニウムガリウムを極薄で積み重ねた多重量子井戸と、その表面に並べたナノ柱（メタサーフェス）を、別々にではなく一体で設計しました。層の厚さで電子のエネルギー準位を作り込み、ナノ柱で電磁場の向きと集中度をそろえることで、加工していないウェハに比べて実効的な非線形変換を約1000倍に高め、光ファイバー通信で使う近赤外域でも従来の報告を上回りました。標準的な化合物半導体プロセスで作れるため、チップサイズの波長変換器や、もつれ光子対の光源への展開が見込まれます。米テキサス大オースティン校、カリフォルニア大アーバイン校との共同研究。Nature Nanotechnology誌掲載。
非線形結晶の角度を調整して、中赤外の波長を連続的に変えられる光子対をつくる研究です。
電圧で原子振動の「利き手」を反転させ、切っても保つ——強誘電体のカイラルフォノン（スイスPSIほか）
結晶の中で原子が集団で揺れる振動をフォノンと呼び、その揺れが回転する成分を持つと右回り・左回りという「利き手」が生まれます（カイラルフォノン）。スイスのパウル・シェラー研究所（PSI）のグループは、台湾の共同研究者が作製した厚さ40nmのチタン酸バリウム薄膜に微小な電極を付け、電気分極を反転させるとフォノンの利き手も一緒に反転することを示しました。切り替えは室温で3Vという低い電圧で起こり、しかも電界を取り去ったあとも状態が保たれます。利き手の読み出しには、欧州放射光施設ESRFの円偏光X線を用いた共鳴非弾性X線散乱を使い、光と格子のあいだで角運動量がやり取りされる様子から判定しました。フォノンが持つ角運動量を電気で制御できることになり、磁性状態の操作や、振動を使う情報技術への道が開けます。Nature Materials誌掲載。
電圧で焦点を2つに切り替えるメタレンズ——眼の血管を深さ1.2mmまで撮る（韓国POSTECH）
光音響イメージングは、光を吸収した組織から出る超音波をとらえて立体的に撮る手法です。光学分解能を持たせると横方向は数µmまで見えますが、ピントの合う深さの範囲が狭いという弱点があり、ベッセルビームなどで広げるとサイドローブが増えて信号対雑音比が下がってしまいます。韓国・浦項工科大学校（POSTECH）などのチームは、窒化シリコンのナノ構造でできたメタレンズに電圧をかけ、可動部なしで2つの回折限界の焦点を切り替える顕微鏡を作りました。切り替え電圧は0.87Vと1.03V、応答時間は250msで、横分解能3.7µmを保ったまま深さ方向1.2mmをカバーします。角膜を薬品で傷つけたラットの眼で、新生血管が広がる様子を眼球の深さ全域にわたって追跡できました。Light: Science & Applications誌掲載。
1064nmのパルスレーザーを使い、血管など特定の生体構造だけを安価な装置で光音響撮像する研究です。
枝分かれナノワイヤの「枝」だけを光らせて光取り出し効率を上げるLED（瑞ルンド大）
一般的なLEDでは、内部で作られた光の多くが材料と空気の境界で跳ね返されて外に出られず、追加の表面加工なしで取り出せるのは4%程度にとどまります。スウェーデン・ルンド大学のグループは、中心のナノワイヤから細い枝が横に伸びた構造をつくり、電流を注入する中心部は光らないように設計して、光の波長より細い枝の部分だけが発光するようにしました。枝が十分に細ければ光が内部に閉じ込められにくいため、原理的には高い取り出し効率が見込めます。実験では、発光が枝で起きており中心部の光の再吸収によるものではないことを確認しました。実用のLEDに追いつくには表面欠陥による損失を減らす必要がありますが、材料の使用量を減らせるため、長期的には製造コストの低減にもつながると見ています。Nano Research掲載。
放射線が当たった瞬間の半導体をレーザーでのぞく——電荷は濃い塊で生まれていた（米SLAC・スタンフォード大）
放射線は直接測れないため、シンチレータが光る現象などの二次信号で検出しますが、強い信号は遅く、速い信号は弱いという二律背反がありました。米SLAC国立加速器研究所とスタンフォード大学のグループは、MeV超高速電子回折装置で半導体に高エネルギー電子を打ち込み、同期した超短パルスレーザーで直後の光学応答を調べる時間分解分光を行いました。II-VI族半導体で予想より強い超高速の信号が現れただけでなく、生じた電子と正孔が試料全体に均一に散らばるのではなく、局所的に密な塊として現れることが分かりました。この密な塊がバンドギャップを大きくずらし、本来なら通さない波長の光を透過させます。PET検査のような医療画像や放射線センサーを高速化する手がかりになると期待されます。Nature Photonics掲載。
曲げても向こうが透けても動くシリコンフォトニクス回路——300mmウェハで一括製造（米MIT）
シリコンフォトニクスは、電気の代わりに光で信号を運ぶ半導体チップです。従来は硬く不透明なシリコン基板の上に作られていました。米MITとNY Createsのグループは、まず通常のシリコンウェハ上に光の通り道である導波路を作り、上から仮のウェハを貼って反転させ、元のシリコン基板を削り落としてから透明な樹脂フィルムに貼り替える工程を開発しました。得られるのは厚さ数マイクロメートルの、曲げられて向こう側が透けて見える300mmウェハです。小さなねじほどの太さの円筒に数千回巻き付けても性能が落ちず、目の前に置いても像がほとんど歪まないことを確認しています。体に沿う健康モニターや、パイロットのバイザーのように湾曲した拡張現実ディスプレイへの応用が見込まれます。Optica誌掲載。
導波路とホログラフィー表示を組み合わせ、拡張現実用メガネで奥行きのある像を映す研究です。
1mmの鏡が向きと形を同時に変え、光を3次元で操る——MEMSマイクロミラーで顕微鏡やARを小型化（米ペンシルベニア州立大）
レーザーを狙った場所に集めるには、光を左右に振るだけでなく奥行き方向の焦点も動かす必要があり、ふつうは別々の部品が要ります。米ペンシルベニア州立大のグループは、窒化アルミニウムの圧電薄膜を使った直径約1mmのMEMSマイクロミラーで、2方向の傾きに加えて鏡面の反り（平らから椀状まで）を変えられるようにしました。マイクロ秒で焦点位置を切り替えられ、実際に走査パターンの焦点を63mm動かして再び鮮明に結ばせています。半導体の標準工程で作れるため、頭に載せる小型顕微鏡やARグラス、レーザー微細加工の小型化・高速化につながります。Microsystems & Nanoengineering誌掲載。
空間光変調器の位相をその場で調整し、複数の色と深さを同時に三次元撮像する顕微鏡の研究です。
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