大阪大学(阪大)は、アイシン精機と共同で、金属板を等間隔に並べただけでテラヘルツ(THz)周波数帯の電磁波の偏光を制御する技術を開発したと発表した。

同成果は、同大 基礎工学研究科の永井正也准教授、芦田昌明教授らによるもの。詳細は、米国光学会誌「Optics Letters」に掲載された。

遠赤外線領域に分類される0.1～10THzの周波数帯の電磁波は、様々な物質において特異な透過特性を持っている。このため、物質分析や非破壊検査、安全安心分野におけるイメージング用途において注目されている。これに伴い、光源や検出器、分光システムやイメージング技術が近年急速に発展し、現在では分光分析装置やカメラなども市販されている。さらに、同周波数帯は超高速無線通信としても注目されている。

このように赤外領域での自由な光波制御技術は成熟したかのように思われるが、偏光を制御する技術はあまりない。例えば、光軸を変えることなく偏光を制御する受動素子として位相板がある。位相板は可視近赤外領域では水晶、プラスチック、半導体などで作られており、光エンコーダ、ディスプレイやプロジェクタ、DVDなど光学式記録装置のピックアップ素子など現在の光デバイスにおいて必須の素子となっている。しかし、遠中赤外領域では透明な位相板の機能を生み出せる材料がないため、簡便に使える位相板がない。

位相板による電磁波の偏光制御の概念図。直線偏光の電磁波を位相板に入射すると、透過波の偏光が大きく変化する。下図は今回の研究において金属板だけで作成した位相板の写真

研究グループでは、マイクロ波領域の導波路技術をTHz周波数領域に拡張することで位相板が構築できることに注目した。金属平行平板間に電磁波を入射すると、その偏光の向きによって伝搬する電磁波の位相の進み方が異なる。この位相変化がTHz周波数領域で最適になるように、化学エッチングによって周期的な開口を持つ金属板を整形し、等間隔に配置して素子を構築した。このような、単純な構造であっても周波数0.67～1.21THzの周波数帯で位相板として偏光が制御できることを実証した。

構築した位相板における遅相軸と速相軸の位相シフトの周波数依存性。0.67～1.21THzの周波数帯で90度の位相差が5%以内の精度で生じていることから、1/4波長板として機能する

今回の研究で得られた位相板は、数10μm程度の周期的開口を持つ金属板を複数枚積層しただけの構成であるため、原理的には大面積でかつ低価格で作成できる。また、開口や平板間の距離を制御することによって設計周波数を中赤外領域まで変えることができる。このことからTHz周波数帯のアイソレータや偏光に敏感な高感度赤外光センシング、他の新しい赤外光利用の展開が期待されるとコメントしている。