LLNL、複屈折オールガラスメタサーフェス作製

October, 30, 2023, Livermore--ローレンス・リバモア国立研究所(LLNL)の研究チームは、光学部品の表面に薄い層を形成する新しいメタサーフェスプロセスを適応させ、複屈折または二重屈折特性を持つ全ガラスメタサーフェスを作製した。この成果は、国立点火施設(NIF)などの高出力レーザシステムの波長板技術を変革する可能性がある。

研究成果は、Advanced Science誌2023年8月号の特集記事「報告されている。

「これは、われわれの知る限り、複屈折を発生させる傾斜柱状のナノ特徴を実現するエッチング技術の初の実証である」と、論文の筆頭著者、LLNLのスタッフサイエンティスト、Nathan Rayはコメントしている。

複屈折とは、光の偏光方向によって光の伝搬速度が異なる現象で、屈折率の光学異方性(方向によって性質が異なる)の結果である。その結果、光が複屈折材料に入射し、2つの主要な偏光面に成分を持つようになると、光の偏光状態が変化し、直線偏光から円偏光に変化する可能性がある。

レーザシステムでは、この品質を使用して、2つの偏光子の間に波長板を挟むことにより、吸収を導入することなくレーザのエネルギーの減衰を制御する。複屈折は高出力レーザシステムにとって重要な特性だが、固有の複屈折を持つ材料は、必ずしも高いフルエンス(単位面積あたりのエネルギー)に耐えられるほど耐久性があるとは限らない。従来の複屈折材料は、偏光顕微鏡や光学アイソレータなどの低エネルギー用途で使用されている。

「複屈折材料の波長板は、NIFのような高出力レーザシステムの光学系内のレーザ誘起損傷を低減する上で重要な役割を果たす可能性があるが、そのような耐久性と拡張性を備えた技術を見つけることは大きな課題である。われわれが開発したアプローチはサイズスケーラブルであり、その結果、耐久性のために溶融石英ガラス自体にエッチングされるナノスケールの特徴が得られる。複屈折しないガラス層を複屈折に改質している」と、LLNLのスタッフサイエンティスト、主任研究者Eyal Feigenbaumは説明している。

LDRD(Laboratory Directed Research and Development)プロジェクトでは、反射を低減するための光学的特徴の創出がすでに実証されている新しいメタサーフェスプロセスを用いて、複屈折特性を持つ全ガラスメタサーフェスを作製することに着手した。

メタサーフェスは、材料の表面を慎重に変更する、光学設計へのアプローチ。これにより、材料の大部分とは異なる特性を持つ極薄層を作成する。これは、光波長よりも小さい特徴を導入することによって行われる。Feigenbaumのチームは、今年終了する一連のLDRDプロジェクトの一環として、メタサーフェスを石英ガラスに彫り込むためのスケーラブルなプロセスを開発している。

超薄膜の堆積、脱湿、エッチング、マスク除去からなる基本的な4段階プロセスにより、オールガラスのメタサーフェスが得られる。プロセスは比較的単純だが、同プロセスは、メタサーフェスの特徴に対する実質的な調整可能性と制御を提供する。

複屈折を作るために、チームは角度50°の傾斜ピラーをエッチングし、光が材料に入射する際の対称性を崩した。これにより、異なる伝搬を持つ光が異なる特性を観察できる。以前のプロジェクトでは、ピラーは表面に対して垂直にエッチングされていた。

「効果的な波長板に必要な複屈折を実現するには、メタサーフェスのナノピラーを傾けて、表面に対して実質的に角度を付ける必要がある」(Ray)。「このモデルは、実験で実証されたものよりも大きな複屈折が可能であることを示している。いくつかのアプローチを特定したが、試行錯誤が必要である。1つのプロセスパラメータを変更しても、それが他のプロセスにどのような影響を与えるかは、試してみるまでわからない」。

これらのアプローチは、ピラーを長くし、密度と傾斜角度を最適化し、ピラー間の間隔を狭くすることである。研究チームは現在、複屈折率を高めるとともに、他のアプローチの開発に取り組んでいる。

研究チームは、複屈折メタサーフェスをテストし、表面特性を追加するために表面を異方性にすることを発見した。メタサーフェスの角度のある特徴は、ナノピラーの傾斜方向に対する流れの意図された方向に応じて、流体の動きを止めたり許可したりすることができる。

「この品質は、新しいアプリケーションスペースを開く」(Ray)。

これらのタイプのメタサーフェスの空間的パタニングに向けてチームが行った進歩とともに、与えられた異方性は、水流ステアリング機能の潜在的な操作に役立つ。

(詳細は、https://www.llnl.gov/)