フォトニックバンドダイアグラム顕微鏡 FA・CEED
共同開発プロジェクト。様々なフォトニック構造のバンドダイアグラムを高速・容易に自動測定。

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フォトニックバンドダイアグラム顕微鏡 FA・CEED フォトニックバンドダイアグラム顕微鏡 FA・CEED

製品概要

フォトニックバンドダイアグラム顕微鏡 FA・CEED外観

「フォトニックバンドダイアグラム顕微鏡 “FA・CEED”」は、 フォトニック結晶・メタマテリアルをはじめとした様々な構造において、 バンドダイアグラム全域を高速かつ容易に測定することを可能にする装置です。

従来の評価方法は、それぞれのサンプルに適した形で光学系を組む必要があるとともに、 光学系の調整、測定時間・評価時間など、時間を費やして観測することが一般的でした。本装置は、これらの問題を解決し、 各種フォトニック構造における物性評価を容易かつ高速に測定することを可能にします。

フォトニック構造(光の波長以下の微細構造を一定の周期性をもって並べたもの)は、構造内の光と物質の相互作用を利用して、様々な光の操作を可能にします。代表的なものとして、フォトニック結晶、トポロジカルフォトニック結晶、メタマテリアルがあり、 これらはナノプロセス技術を使って半導体に微細加工が施すことによって実現されます。このような構造の光学特性を決定する重要な指標のひとつが、フォトニックバンドダイアグラムです。本装置はこのフォトニックバンドダイアグラムを高速測定することができ、スローライト効果、偏光依存の一方向性伝搬、負の屈折率など、各種フォトニック構造で見られる様々な光学現象を予想することが可能となります。

本装置を用いることで、様々なフォトニック構造の特徴を明確化でき、基礎物性探求の指標とすることができます。また市場では、各種フォトニック構造が採用された光デバイスの設計が容易となり、関連市場の拡大や、それらのデバイスを用いた新たな研究領域の開拓に繋げられます。

本装置は、科学技術振興機構 戦略的創造研究推進事業CREST 「トポロジカル材料科学に基づく革新的機能を有する材料・デバイスの創出」領域の研究課題「人工グラフェンに基づくトポロジカル状態創成を新規特性開発」などをとおして、東京工業大学 雨宮智宏助教と共同開発した製品です。

特長と用途

高速測定

本装置は、赤外ハイパースペクトルイメージングにより、波長ごとのフーリエ画像を得た後、それらの画像をもとにフォトニックバンドダイアグラムを再構成しています。
そのため、非常に高速かつ汎用的な測定が可能であり、フォトニックバンドダイアグラム全域を約5分で測定することができます。

指定した方位におけるバンドダイアグラムの取得

赤外フーリエ画像において任意のパスを指定することにより、全ての方位に対するバンドダイアグラムを取得することができます。また、サンプルの垂直方向を自動挿引することで3次元方向のバンドダイアグラムも併せて得られます。

特定のバンドダイアグラムを励振

入射光の状態を各種偏光子や波長板/リターダーを用いて制御し、フォトニック構造内に特定のモードを励振することで、そのバンドダイアグラムの情報のみを取得することが可能です。

主な用途

  • フォトニック構造の特徴を明確化
  • 光デバイスの設計

使用方法と測定データ

正方格子のフォトニック結晶

下記の動画は、正方格子のフォトニック結晶を測定している様子です。
波長可変フィルターの中心波長を変えていくとフーリエ画像もそれに伴って様々な形状に変化していることが分かります。 本結果をもとに再構成されたフォトニックバンドダイアグラムでは、 正方格子のフォトニック結晶で予想される理論結果とほぼ同等の結果が得られます。

フォトニックバンドダイアグラム顕微鏡 FA・CEED 仕様

試料台ステージ 一式

試料走査
XY軸ステージ
ストローク±10 mm
分解能full/half:0.5/0.25 μm以下
分割比1/20時:0.025 μm
試料走査
Z軸ステージ
ストローク±4 mm以上
分解能 full/half:0.5/0.25 μm以下

対物レンズ昇降ステージ 一式

対物レンズ昇降ステージ ストローク±10 mm以下
分解能full/half:0.5/0.25 μm以下
分割比1/20時:0.025 μm

空間周波数フィルタリング4F光学系 一式

対物レンズ 観察視野:最大200×200 μm
倍率:60X程度、N.A.:0.9程度
可変範囲 φ0.8~φ12の可変アパーチャー搭載
照明光源波長範囲 300~2500 nm
出力:5.5 mW以上 (350~1800 nmの範囲、コア径200 μmファイバ使用時)
ファイバーコア径:φ50 μm
光コネクタ:FC
可視観察カメラ CMOS カラーカメラ
(500万画素以上、試料面視野は200×200 μm以上)
液晶波長可変フィルター波長レンジ 850~1800 nm
帯域幅 FWHM:6 nm以下
有効径:φ20 mm程度
応答時間:50~150 ms
最大入射照度:500 mW/cm2以上
許容角:±7.5゜以下
赤外カメラ画素数 8万画素 320×256
有効撮像面積:9.6×7.68 mm
画素サイズ:30×30 μm
フレームレート:90 fps
A/D分解能:14 bit
インターフェイス:USB2.0

設置台 一式

定盤サイズ 350×600×100 mm

制御ソフトウェア 一式

・赤外領域における任意波長の回折パターンを得た後、それを基に逆格子空間におけるパワー分布に変換。 すべての波長に対して同様の動作を行い、それらを2次元的に並べることで、フォトニックバンドギャップを計測可能。

・ソフトウェアから各種カメラ画像およびステージ制御が可能。

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