2023年11月20日
理化学研究所
-用光的偏振光控制透镜的焦距-
理化学研究所(理研)光量子光学研究中心光子操作功能研究小组组长田中拓男(开拓研究总部田中超材料研究室主任研究员)等国际共同研究小组开发出了可以通过光的偏振光控制焦距的偏光镜。 本研究成果有望为超小型数码相机、光学显微镜、光学传感器等小型高性能光学设备的创造做出贡献。 这次，国际共同研究小组成功开发了只要改变入射光的偏振方向，焦距就会变化的元透镜。 元透镜是由比光的波长还细的纳米( nm，1nm为10亿分之一米)尺度的人工结构构成的透镜，是只有750纳米厚度的极薄的透镜。 将构成该元透镜的纳米结构设计为只对特定的光的偏振波(偏振光)产生响应，通过改变光的偏振方向，成功地使透镜的焦距自由变化。 本研究刊登在科学杂志《Nano Letters》在线版( 11月13日)上。
可以在光的偏振方向上控制焦距的元透镜
可改变焦距的镜头被用于可变倍率照相机的变焦镜头、双筒望远镜、光学显微镜、投影仪等各种光学设备中。 最近，智能手机的照相机等小型光学单元也配备了可变倍率的光学镜头。 但是，迄今为止，以由多枚透镜构成光学系统，机械地改变透镜间的距离来决定有效焦距的方法为主流，但由于是机械地移动透镜，所以很难迅速改变焦距。 另外，还需要镜头驱动机构等，存在光学系统本身复杂化、大型化的问题。 在中间透镜中，利用微机电系统( MEMS ) [1]技术使纳米结构机械变形，在具有伸缩性的薄膜表面形成中间透镜，使该薄膜机械伸缩来改变纳米结构间的距离 但是，由于都需要机械操作，所以与以往的由多片透镜构成的焦距可变镜头一样，存在响应慢、机构复杂化的课题。 因此，国际联合研究小组利用二维元材料[2]即元曲面[2]技术开发了焦距可变的元透镜。
国际共同研究小组利用只对特定光的偏振光产生响应的纳米结构，开发出了只要改变光的偏振光就可以改变焦距的新型可变焦距金属透镜。 在该可变焦距元透镜中，具有仅响应具有特定方向偏振的光(偏振光)的各向异性特性的纳米结构是关键。 该纳米结构由长方体的氮化镓( GaN )构成，通过改变宽度( w )和深度( l )等的尺寸，可以改变照射光波时给予该光波的相位(图1a )。 而且，通过将w和l不同的非对称结构排列在特定的方位，可以仅对某个方向的偏振光赋予相位偏移。
图1焦距可变元透镜的结构
图2焦距可变元透镜的相位特性和生成的光斑的强度分布
( a )在x偏振光(蓝)中，通过元透镜施加与凸透镜同样的相位偏移进行聚光，但在y偏振光(红)中施加随机的相位偏移，光没有被聚光。 ( b )与( a )相反，对x偏振光(蓝)赋予随机的相位偏移，对y偏振光(红)赋予与凸透镜同样的相位偏移，光被聚光。 ( c )由( a )的元透镜生成的聚焦光斑。 x偏振光在焦距fx处被会聚。 ( d ) ( b )的元透镜产生的聚焦光斑。 y偏振光在焦距fy处被会聚。
为了不使这两种GroupA和GroupB的纳米结构相互影响，设计了集成在一个基板表面的金属透镜。 于是，向该元透镜入射x偏振光时，光会聚光在焦距fx的位置，入射y偏振光时，光会聚光在焦距fy的位置。 而且，当入射倾斜方向的偏振光时，其偏振光成分在x方向和y方向分解，在x方向的偏振光成分位于fx的位置，在y方向的偏振光成分位于fy的位置形成两个光点。 总的光强度分布是两个光点的强度相加而成。 此时，如果预先设计fx、fy的值，使得在相加后的光强度分布中不出现原来的两个光斑的峰值，即成为在两个峰值之间不产生凹陷的距离，则相加后的光斑在fx和fy之间唯一地重叠 而且，如果使偏振方向从x方向向y方向旋转，则光点位置也从fx向fy连续变化(图3 )。
図3 焦点距離可変の原理
两个光点加在一起形成一个光点。 ( a )偏振角度30°时聚焦光斑的强度分布。 ( b )偏振角45°时聚焦光斑的强度分布。 无论哪种情况，如果设计成在x偏振光和y偏振光这两个聚光光斑之间不形成凹坑，就会成为一个聚光光斑(黑实线)。
在实验中，使用在蓝宝石( Al2O3)基板的表面形成有膜厚750nm的氮化镓( GaN )层的基板，使用电子束光刻法[3]以及反应性离子蚀刻法[4]等成形GaN层，试制了数值孔径[5]0.1和0.01的2种元透镜(图4 )。
图4试制的焦距可变元透镜的结构
( a )元透镜的电子显微镜照片。 左下是光学显微镜照片。 ( b )将元透镜的电子显微镜照片放大后的东西。 GroupA的结构被涂上粉红色，GroupB的结构被涂上蓝色。
试制的焦距可变元透镜的光学特性测量结果如图5所示。 图5a示出了在改变光的偏振方向时，光斑的形状和位置如何变化。 另外，图5c是对偏振方向为x方向(θ=0°)、y方向(θ=90°)以及其中间的倾斜方向(θ=45°)这三种情况下的光斑的强度分布进行了测量的结果。 从图5a的曲线图可知，随着使偏振方向从x方向(θ=0°)向y方向(θ=90°)变化，光斑位置从24.5mm向28.6mm变化4.1mm，以及光斑的尺寸没有较大变化 图5b是基于图5a的结果，描绘了偏振方向和光斑的强度峰值位置(相当于焦距)的关系的图。 红外线的实验结果是焦点位置(焦距)相对于偏光方向的变换大致呈线性变化。 图5b的蓝线是通过理论计算求出的光点位置。 通过对两个图表的比较，发现试制的元透镜的光点位置与理论计算结果基本一致。 此外，还确认了即使改变焦距，光点的形状也始终为圆形，光点形状不会变形。 试制的焦距可变元透镜的结构是以波长532nm的绿色光为基准设计的，但也确认了对于从红色到紫色的不同波长的光也能作为焦距可变元透镜发挥作用。
图5试制的焦距可变元透镜的光学特性
( a )改变光的偏振方向时生成的光斑的强度分布。
( b )偏振方向和光斑的位置(相当于焦距)关系。 红线表示实验结果的值，蓝线表示理论计算值。
( c )偏振角为0°、45°、90°时生成的光斑的强度分布。
根据本研究，实现了小型且极薄、可高速变化焦点位置和变焦率的镜头。 这种镜头可以应用于智能手机的照相机、增强现实显示器、显微镜、双筒望远镜和内窥镜等医疗光学设备等广泛领域。 除了设计人工结构的形状就能控制光功能这一元透镜的设计灵活性之外，还可以期待实现根据特定APP应用的要求而精密定制的高性能光学设备。
1.
1.微机电系统( MEMS ) 是由微米级微小机电元件构成的部件，是将驱动器、传感器、电子电路等集成在硅或玻璃等基板表面的系统的总称。 2 .元材质、元曲面 超材料是一种伪物质，通过人工引入比光的波长更精细的结构，利用该结构与光的相互作用人工操纵了有效物质的光学特性。 “元”是超越的意思。 元表面是只在物体表面形成纳米结构的二维版超材料，是只通过人的头发直径的几百分之一这样极薄的纳米结构巧妙地控制光波的技术。 3 .电子束光刻法 在涂有被电子束照射会分解的树脂的基板上，将电子束聚光照射，通过将该电子束扫描成任意的图案形状，将图案转印到感光性树脂上。 对感光性材料进行显影处理后，在基板表面形成与电子束描绘的树脂图案。 也可以直接利用该树脂图案，但也可以将该树脂作为掩模蚀刻基板表面，将图案转印到基板上。 4 .反应离子蚀刻法 向蚀刻气体照射微波等进行等离子体化，一边使该等离子体与被加工物质发生化学反应一边进行蚀刻的方法。 不仅仅是用等离子蚀刻物质，通过介入化学反应，可以选择性地只蚀刻特定的物质。 5 .数值孔径 对于透镜，设该透镜会聚成圆锥状的光中最外侧的光的入射角为θ，光传播的空间的折射率(如果是空气的话为1.0 )为n时，由n×sinθ定义的量。 直接关系到镜头的亮度和分辨率，数值孔径越大，该镜头越明亮，分辨率越高。理化研究所光量子光学研究中心光子操作功能研究小组 团队队长田中拓男
(开拓研究总部田中超材料研究室主任研究员) 台湾大学 助理研究员朱正弘(城黄处) 成功大学 副教授吴品颉
本研究的一部分得到了科学技术振兴机构( JST )战略性创造研究推进事业CREST“使用超材料吸收体的无背景光超高灵敏度红外分光设备(研究代表者:田中拓男)”的资助。
Po-Sheng Huang, Cheng Hung Chu, Shih-Hsiu Huang, Hsiu-Ping Su, Takuo Tanaka, and Pin Chieh Wu, "Varifocal Metalenses: Harnessing Polarization-Dependent Superposition for Continuous Focal Length Control", Nano Letters, 10.1021/acs.nanolett.3c03056
理化研究所 光量子光学研究中心光子操作功能研究小组 团队领导田中拓男 (开拓研究总部田中超材料研究室主任研究员)
吴品颉
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