天体分光器では、星や銀河から届く光を波長ごとに分散させて解析するため、回折格子が中心的な役割を果たす。とりわけ波長300～400 nmの紫外領域は重要な観測対象であり、欧州南天天文台(ESO)の超大型望遠鏡(VLT)に設置予定のCUBES分光器は、この帯域で分解能2万以上かつ最大限の効率を目標としている。回折格子の分散は格子方程式から導かれ、高い分散を得るには格子周期を波長程度まで小さくする必要がある。波長と同程度の周期で1次回折のみを利用する構成は、高次回折を物理的に抑制でき、高い回折効率を実現できる利点をもつ。こうした微細構造は、半導体製造由来の電子線描画リソグラフィと反応性イオンエッチングによって石英基板に作製でき、紫外領域に適した材料系で高精度な格子形成が可能である。

　しかし、従来の反射型エシェル格子はクロスディスパーザとの組み合わせで効率が最良でも45%程度にとどまり、また体積位相ホログラフィック格子は重クロム酸ゼラチン層の吸収と散乱のため350 nm以下の紫外域では効率が低いという問題がある。さらに、波長程度の周期をもつ共鳴領域の格子は回折効率が偏光に強く依存するという欠点があり、加えて逐次描画方式のリソグラフィでは描画領域の継ぎ合わせ精度が不足すると「グレーティングゴースト」と呼ばれる偽の回折ピークを生じる問題がある。

　そこで本研究では、石英基板にエッチングした二値格子へ原子層堆積(ALD)でAl₂O₃を等角被覆する設計を採用することで偏光依存性を低減し、解決した。試作格子は320 nm向けに最適化され、300～350 nmで偏光平均効率85%超を達成し、ゴーストは機械刻線格子の許容水準である10⁻⁴を十分に下回った。なお迷光評価では、Cobolt社製DPSSレーザー(Cobolt Twist、457 nm、200 mW)をS偏光光源として用い、リトロー条件下でゴーストの相対強度と角度分布を測定する目的で使用された。

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【用語解説】

• リトロー条件:入射角と回折角が等しくなる配置で、回折効率が最大化されるため格子評価に用いられる。
• 原子層堆積(ALD):反応ガスの供給と排気を交互に繰り返し、表面に1原子層ずつ等角に薄膜を形成する成膜法。
• グレーティングゴースト:格子の周期的な作製誤差により生じる偽の回折ピークで、輝線スペクトルと誤認される恐れがある。

評価に使用された457nmレーザー

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　水溶性のフラボノイド(植物が生合成する多環式の芳香族化合物の総称)の一種であるアントシアニンは、花弁の赤・紫・青色を発現させる色素であり、食品産業における天然着色料や抗酸化物質としての利用、さらに文化財における染料の同定など、多方面で重要性が高まっていることから、近年その分析・同定に関する研究が活発に進められている。アントシアニンの化学構造はフラビリウムイオン（2-フェニルベンゾピリリウム）の配糖体を基本骨格とし、pH条件に応じて赤色のフラビリウム型や紫色のキノノイド塩基型など複数の構造を取る。花弁中で安定な青色が発現するためには、アントシアニンと共色素との非共有結合的な複合体形成（共色素効果）や金属イオンとの配位が関与する。これらの色素を生体内で非破壊的に分析できる手法として、試料に可視光を照射し散乱光を検出する共鳴ラマン分光法は、発色団の振動モードを選択的に増強できるため、高い分子特異性を有する。

　しかし、従来のアントシアニン分析法は、花弁からの抽出・精製を経たのちに紫外可視吸収分光法や質量分析法を適用する手法が主流であり、抽出過程において色素の分子構造や共色素効果が変化する可能性があった。また、弱酸性〜中性条件下での可視吸収分光法では、ベンゾピリリウム核の置換様式の違いを明確に区別することが困難であるという問題点があった。

　そこで、本研究ではCobolt社製457 nmレーザー（Twist）を共鳴ラマン散乱の励起光源として用い、12種の青色・紫色花弁に対して生体内（花弁上）および試験管内（抽出色素溶液）の両条件で顕微ラマン測定を行った。その結果、花弁上で取得した共鳴ラマン譜と抽出色素の溶液中の譜が良好に一致し、非破壊での生体内分析の妥当性が実証された。さらに、可視吸収分光法では識別困難であったベンゾピリリウム核の3,5-二置換型と3,7-二置換型の構造差異を、密度汎関数法（DFT）計算に基づく振動モード帰属と組み合わせることで、ラマン譜上の二つの異なるパターンとして明確に区別することに成功した。金属アントシアニン超分子錯体についても、錯体形成に伴う特徴的な振動周波数の変化を検出できることが示された。

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ラマン分光に使用された457nmレーザー

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　特定の細胞種の神経活動を光で選択的に制御する技術である光遺伝学は、神経科学において不可欠な手法となっており、近年急速に研究が進められている。異なる活性化波長を持つ複数の光感受性蛋白質（オプシン）を組み合わせることで、同一脳領域内の異なる細胞種の独立した興奮・抑制が可能となる。深部脳組織（深さ1 mm超）への光照射には、集積光電子回路や集積フォトニクス技術に基づく埋込み型デバイスが開発されている。集積光導波路と回折格子により外部光源からの光を脳内に導く光導波路型神経プローブは、光源をシャンク外に配置するため高い光出力が得られ、さらに窒化ケイ素（SiN）導波路の広帯域透過性を利用して複数波長の多重化が可能である。

　しかし、従来の光電子型プローブはシャンク幅が大きく組織損傷を招くか、出力が極めて低く空間分解能が制限される問題があった。また、光導波路型プローブは発展途上であり、二色光刺激に対応した報告は少なく、リング共振器方式は製造ばらつきに敏感であること、空間多重化のみでは隣接導波路間の漏話により射出部密度が制限されることが課題であった。

　そこで、本研究では空間多重化と波長分割多重化を組み合わせた二色ナノフォトニック神経プローブを商用Si フォトニクス量産工場で製造し、単一シャンク上に青色（473 nm）26個・赤色（638 nm）26個の計52個の射出部と26個の記録電極を集積することで、従来の光導波路型プローブとして最多の射出部数を実現した。生体内実験では、青色光感受性マウスの皮質において広範な発火率の低下を、赤色光感受性マウスの線条体において局所的な神経興奮を確認し、二色光刺激と電気生理学的記録の同時実行を実証した。Cobolt社製の473 nm（300 mW）および638 nm（180 mW）半導体レーザーは、多芯光ファイバーを介してプローブへ高強度の青色光・赤色光を供給する二色走査光学系の光源として使用された。

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使用された457nmと638nmレーザー

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　拡張現実（AR）や仮想現実（VR）は、現実世界と電子的な情報の相互作用を深める次世代の技術として、教育、医療、製造業などの多岐にわたる分野で急速に応用が進められている 。これらの装置が日常的に着用可能な形態となるためには、光学部品の小型化、軽量化、および低消費電力化の実現が不可欠である 。パンチャラトナム・ベリー位相光学素子（PBOE）は、液晶分子の空間的な幾何学的位相を利用して光の波面を制御する平面光学素子であり、極めて薄い形状でありながら約100%という極めて高い回折効率を達成できる 。この素子は、特定の円偏光状態に対して強い選択性を持ち、動的な機能切り替えが可能であるといった優れた物理的特性を有する 。液晶分子の方位角分布によって位相を制御するため、従来の厚みのある屈折光学部品とは異なり、平面的な構造を保ったまま複雑な光学設計を可能とする高い自由度がある 。また、製造工程が比較的簡便であり、量産時において費用を低く抑えられる点も、大規模な普及に向けた大きな利点である 。

　しかし、回折現象を利用する光学素子においては、入射する光の波長に応じて焦点距離が変動してしまう色収差が長年の深刻な課題となっている 。色収差を抑制するために従来の屈折レンズを積層する手法は装置の重量増加を招き、電子的補正や時間割駆動方式は計算負荷の増大や色割れの発生を伴う 。さらに、特定の波長帯域のみに作用する素子を重ねる方法では、隣接する色成分との不要な相互作用である混信が生じやすく、二重像の発生や光利用効率の著しい低下を引き起こすという問題点がある 。

　そこで、本研究では複数の液晶ねじれ角を最適化した多層ねじれ構造を提案し、混信を極小化した狭帯域なPBOEを実現することで色収差を解消した 。厳密結合波解析を用いて赤緑青の各波長における膜厚とねじれ角を精密に調整し、試作した積層型素子において色収差が劇的に改善されることを投影実証実験により確認した 。実証実験では、光配向膜への正確な位相分布の露光と記録を目的として、マッハ・ツェンダー干渉計の光源にCobolt社製のレーザーが使用された 。本手法は、液晶材料の分散特性に制約されず高い自由度で設計が可能であり、次世代の広視野角な表示装置への応用が期待される 。

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論文で使用された457nmレーザー

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　環状の構造内に光を閉じ込める「ささやき回廊モード」（Whispering Gallery Mode）を備えた光微小共振器は、光と物質の相互作用を極限まで高めることが可能であることから、近年急速に研究が進められている。この技術は、高精度な光感知器や非線形光学、さらには量子技術の基盤として極めて重要である。特に、エネルギーが散逸する系を扱う「非エルミート物理学」の導入は、光制御に新たな地平を切り拓いている。その中核概念である「例外点」とは、システムの固有値と固有ベクトルが完全に一致する特異な状態を指し、これを利用することで感知器の感度を飛躍的に向上させたり、光の放射方向を制御したりすることが可能になる。また、「連続体中の束縛状態」と呼ばれる、本来は外部へ漏れ出すはずの光波が干渉によって共振器内部に閉じ込められる現象は、光の損失を極限まで抑える手段として期待されている。これらの現象を単一の共振器内で制御することは、装置の小型化や集積化の観点から大きな利点があり、物理学の探究と次世代工学の発展を同時に推進する高い潜在能力を有している。

　しかし、これまでの光微小共振器の研究は、主に共振器内部での後方散乱による「内部結合」の制御に主眼が置かれていた。単一の共振器において、外部の放射場との相互作用である「外部結合」が果たす役割や、内部結合と外部結合が共存する条件下での複雑な挙動については、これまでほとんど未解明のままであった。

　そこで、本研究では「ナノ薄膜折り紙技術」を用いてらせん状の断面を持つ単一の微小管共振器を製作し、不整合な区間を導入することによってこの課題を解決した。幾何学的な引数である段差の大きさや不整合区間の長さを精密に調整することで、内部結合と外部結合の強さを自在に制御できることを示した。この手法により、特定の光波のエネルギー損失を劇的に抑制する「共鳴トラッピング」現象を実験的に観測することに成功した。広帯域な発光スペクトルの特性を検証する目的で、Cobolt社製の連続波レーザーを用いて微小管内の欠陥に由来する発光を誘起し、特定のモードにおいて光の閉じ込めが強化される様子を確認した。

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論文で使用されたCoboltのレーザー

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　液晶を用いた回折光学素子は、高効率、偏光選択性、超薄型という特長を有することから、拡張現実や集積フォトニクス分野で近年急速に研究が進展している。特に、液晶分子の配向により幾何位相を空間的に制御する液晶偏光格子は、理論的にほぼ一〇〇％に近い回折効率が期待できる平面光学素子である。幾何位相とは、光が異方性媒質中を伝搬する際に、光路差ではなく偏光状態の変化に由来して生じる位相であり、液晶の配向分布を精密に制御することで高機能な光操作が可能となる。このような特性をさらに発展させるためには、偏光格子と波長板を積層した多層液晶構造が重要であり、単一素子で偏光制御と回折を同時に実現できる点に大きな利点がある。

　しかし、従来広く用いられてきた光配向材料は強い有機溶媒に溶解して用いられるため、下層に形成した重合液晶層を損傷させるという問題点がある。その結果、多層構造を作製する際には保護層の挿入が不可欠となり、工程が複雑化するとともに、光学特性の劣化や再現性低下を招いていた。また、湿度感受性の高さも実用化上の制約となっていた。

　そこで、本研究では水溶性光配向材料AbA-2522を用いることによって、下層の液晶重合膜を損傷することなく直接多層化する手法を提案し、その有効性を実証した。水を溶媒とすることで溶媒起因の劣化を回避し、偏光顕微鏡観察においても高い配向均一性が確認された。さらに、均一配向した四分の一波長板層と偏光格子層を一体化した透過型多層素子を作製し、外部偏光制御素子を用いずに偏光選択的回折を実現した。青色レーザー光入射時、周期9 µmの格子において一次回折効率65.4 ％を達成し、提案手法が高効率かつ簡素な多層液晶光学素子の実現に有効であることを示した。

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論文で使用されたCoboltのレーザー

　アントシアニンは、水溶性のフラボノイド化合物であり、赤、紫、青といった花弁の色彩の主な要因である。これらは食品産業において天然着色料としての応用に加え、抗酸化作用をはじめとする生理活性により健康機能成分としても注目されている。また、古くから染料や絵画素材として文化遺産分野でも用いられてきた。特に日本の木版画にはツユクサ（Commelina communis）由来の青色顔料が用いられていたことが知られている。アントシアニンの基本構造はフラビリウムカチオンであり、pHによって様々な有色・無色の構造へと可逆的に変化する。pH6～7では紫色、pH>7では青色のキノノイド構造が支配的である。また、アントシアニンはフラボノイドやフェノール酸との非共有結合による共色素効果（copigmentation）により、青色の安定化が図られる。この現象は、π-πスタッキングや水素結合によって構造的安定性を高め、発色の持続性を向上させることが知られている。従来、アントシアニンの分析には、抽出後に行う紫外可視吸収分光法や質量分析（HPLC-ESI-MS）が広く用いられており、構造決定には核磁気共鳴（NMR）法や円二色性（CD）法、X線回折なども用いられている。これらの手法は、アントシアニンの構造や発色機構の解明に多くの貢献をしてきた。近年では、抽出操作による構造変化や損失のリスクを回避するために、花弁上の色素を直接解析するin vivo法が注目されている。特に可視反射分光法や共鳴ラマン分光法は非破壊でありながら、分子の特定が可能であるという利点を持つ。共鳴ラマン分光法では、特定の吸収波長に一致した励起光を用いることで、発色団に関連する振動モードが選択的に強調され、混合物中でも特定成分の識別が可能となる。

　しかし、従来のアントシアニン分析手法には、いくつかの問題点が存在する。まず、酸性条件での抽出と分析が前提となるため、pH依存で変化するアントシアニンの多様な構造が正確に反映されない。これにより、本来花弁中で機能している色素状態が評価できない可能性がある。また、HPLCやNMRなどは高価かつ試料量を要するため、極微量成分の同定には適さない場合がある。さらに、複雑な抽出・精製操作が色素の分解や構造変化を引き起こすリスクもある。

　そこで、本研究では共鳴ラマン分光法と可視反射分光法を併用することで、青色および紫色花弁中のアントシアニン色素をin vivoおよびin vitroの両面から高感度・非破壊的に評価する方法を提示した。特に、457nmの励起波長における共鳴条件を活用して、フラビリウムカチオンやその誘導体の特徴的振動モードを選択的に検出し、構造同定を行った。in vitro評価では、固相抽出（SPE）法を最適化することで、最小限の植物試料から色素を抽出し、HPLC-ESI-MSによりその構造を確認した。対象となった12種の植物（例：ツユクサ、ロベリア、サルビア、アネモネ、スミレ等）から、異なるアントシアニンの骨格および修飾パターン（アシル化、糖修飾、メチル化など）を同定し、これをもとにラマンスペクトルとの対応関係を明らかにした。
さらに、密度汎関数理論（DFT）計算による理論スペクトルとの比較を通じて、スペクトルの解釈精度を向上させた。得られたin vivoスペクトルは、抽出物から得られたin vitroスペクトルと一致しており、共鳴ラマン分光法が色素構造の精密同定に有効であることが示された。また、可視反射分光法との組み合わせにより、色調の再現性および花弁細胞の局所的な色素分布についての評価も可能であった。本研究において使用されたCobolt社製レーザーは、波長457nmの励起光源であり、共鳴条件下でアントシアニンのラマンスペクトルを高感度に取得する目的で用いられた。これは、選択的なクロモフォア振動モードの強調と蛍光バックグラウンドの抑制において効果的であった。以上より、本研究は従来の破壊的抽出分析に代わるin vivo・in vitro両立型の高精度色素同定技術の確立に貢献しており、今後の植物色素の非破壊分析や文化財染料の評価などへの応用が期待される。
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ラマン分光で使用された457nmレーザー

　液晶を用いた回折光学素子は、仮想現実（VR）や拡張現実（AR）などの次世代モバイルプラットフォームにおいて重要な要素であり、大きく分けて屈折光学と回折光学を利用した光学素子がある。屈折光学素子は、光路差によって位相差を生じ、その形状は大きくなる。一方、回折光学素子は、同じ位相パターンを非常に薄い形状で実現できる。この特性は、VRヘッドセットなどの近眼ディスプレイにおいて、ユーザーの長時間の使用による快適性を向上させるために、超コンパクトな形状と軽量化が求められる現代のニーズに応えている。
　特に、Pancharatnam-Berry光学素子（PBOE）は、液晶を用いた回折光学素子の一種であり、幾何位相（パンカラトナム-ベリー位相）を利用して光の偏光状態を制御する。PBOEは、パターン化された半波板（HWP）として機能し、高い回折効率（ほぼ100%）、広い開口、軽量、薄型、簡単な製造プロセス、偏光選択性、および動的切り替えが可能であり、近眼ディスプレイへの応用が期待されている。

　しかし、PBOEの欠点として、波長依存の色収差が生じる。従来の回折光学素子では、RGB各色の焦点距離が異なり、色収差を引き起こす。また、従来の色収差補正方法として、回折光学素子と屈折光学素子を組み合わせたシステムがあるが、この方法ではシステム全体が依然として大きく重くなる。さらに、メタサーフェスを使用する方法もあるが、開口サイズが小さく、製造プロセスが複雑であるため、実用化が進んでいない。

　そこで、本研究では、3つのPBOEフィルムを積層することによって、色収差を抑制した色収差のない液晶回折光学素子を提案した。各フィルムのスペクトル応答を適切に設計し、RGBの光の偏光状態を制御することで、色収差を補正する。この方法はシミュレーションおよび実験により検証された。
　実験では、レーザープロジェクターと有機ELディスプレイパネルの2種類の光エンジンを使用し、画像性能の大幅な改善が確認された。シミュレーションでは、従来の広帯域回折液晶レンズに比べて、横方向の色ずれが約100倍減少することが示された。この新しい方法により、回折光学素子の実用化が進み、VRヘッドセットなどの高度なディスプレイシステムへの応用が期待される。

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論文で使用されたCoboltの457nmレーザー