レンズ、プリズム、波長板の3機能を統合したメタサーフェスを開発：研究開発の最前線

早稲田大学は、レンズ、プリズム、波長板の3種類の光学素子を1枚に統合した小型集積化メタサーフェスを開発した。スマートフォン向け超小型原子時計への展開が期待される。

[MONOist]

　早稲田大学は2024年7月30日、東京農工大学、情報通信研究機構と共同で、レンズ、プリズム、波長板の3種類の光学素子を1枚に統合した小型集積化メタサーフェスを開発したと発表した。スマートフォン向け超小型原子時計への展開が期待される。

　同メタサーフェスは、ルビジウム（Rb）小型原子時計に使われる波長795nmで動作する。入射する拡散直線偏光を円偏光の平行光に変換して、角度を変えて出射を可能とする。

開発した多機能集積化メタサーフェスの概念図［クリックで拡大］ 出所：早稲田大学

　設計段階では、最初に断面が長方形の水素化アモルファスシリコン柱構造（メタアトム）の電磁場解析を実施し、偏光のx方向成分とy方向成分との間に4分の1波長（90度）の位相差を生成できるサイズを抽出した。偏光間の位相差を維持しながら、0〜360度の間で全体の位相遅延を自由にコントロールできるように設計し、8本の異なるサイズの柱を2384×298nmの範囲に並べることによって、プリズムと波長板の2機能の統合ができた。

　細かい誤差解析を実施し、寸法誤差が回折効率、集光効率に与える影響を調べるため、プリズムと波長板の2機能の統合と、レンズ、プリズム、波長板の3機能統合の2ケースを実験した。3機能統合では360種類の異なるサイズの柱を0.3×0.3mmの範囲内に設置。その結果、2機能統合では回折効率72.8％、3機能統合では集光効率77.3％の高性能を示した。

波長板とプリズムの2機能統合の実験結果。（a）製作したメタサーフェスの電子顕微鏡写真。（b）ビームプロファイラにより撮影した回折スポット像。＋1次光に強い回折が集中している。（c）実験セットアップ。（d）各方向の回折強度［クリックで拡大］ 出所：早稲田大学

レンズ、プリズム、波長板の3機能統合の実験結果。（a）製作したメタサーフェスの電子顕微鏡写真。（b）実験セットアップ。（c）CMOSカメラで撮影したメタサーフェス表面（左）と集光スポット（右）の画像。（d）集光スポットの強度分布［クリックで拡大］ 出所：早稲田大学

　同メタサーフェスは、1枚の超薄型素子で光の伝搬方向、集束性、偏光状態を高い効率で同時に精密制御する技術となる。加えて大量生産も可能であることから、次世代の超小型原子時計の開発に貢献する。

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