メタレンズの設計、作製方法と応用技術

１．メタサーフェスの原理、作製手法と平面光学素子への応用技術

東京大学　志村 努 氏

【本講座で学べること】
・メタサーフェスとは何であるか、フラットオプティクスとは何であるか、の理解
・メタサーフェスによって光がどのように変調されるか、の理解
・メタサーフェスでできること、できないこと、の理解
・フラットオプティクスの可能性に関する基礎的知識の習得

【講座概要】
近年、メタレンズが大きな注目を集めています。メタレンズとは、光の波長よりも小さな構造体（メタアトム）を2次元的に配列することで、レンズとしての機能を発揮する光学素子です。この技術により、光学系の小型化や薄型化が実現できる素子として期待されています。
メタアトムの2次元配列は一般に「メタサーフェス」と呼ばれます。メタサーフェスは、レンズ機能だけでなく、光波の振幅、位相、偏光、分散などを自在に変調する機能を持つ素子の開発が期待されています。このような機能は、光の波長程度の厚さの2次元構造によって実現されるため、「フラットオプティクス（平面光学素子）」という新しい概念が登場しました。これにより、光学系の超小型化を支えるキーデバイスとしての期待が高まっています。
本セミナーでは、メタサーフェスを用いた光の変調原理や素子設計の基本的な考え方について解説します。また、メタ位相子やメタ偏光子など、フラットオプティクスの素子をいくつか取り上げ、特に振幅、位相、偏光の2つ以上の要素を同時に変調する素子の可能性についても議論します。

１．メタサーフェスの構造・種類
　1.1 通常の光学材料
　1.2 メタマテリアル
　1.3 メタサーフェス
　1.4 メタアトム

２．メタサーフェスによる光の変調
　2.1 電気双極子モデル
　2.2 実効屈折率モデル
　2.3 導波路モデル
　2.4 ミー散乱
　2.5 メタアトム間のカップリング

３．メタレンズ・メタホログラム等の基礎と応用
　3.1 メタレンズの原理
　3.2 メタサーフェスによる光線の屈折
　3.3 正弦条件
　3.4 色消しメタレンズ
　3.5 大口径メタレンズ
　3.6 メタホログラム

４．フラットオプティクス素子の可能性
　4.1 メタ位相子
　　・1/2波長板
　　・1/4波長板
　4.2 メタ偏光子
　4.3 メタ振幅変調素子
　4.4 複合機能素子

【質疑応答】

２．誘電体メタサーフェスの設計、作製方法とメタレンズへの応用

東京農工大学　岩見 健太郎 氏

【本講座で学べること】
・誘電体メタサーフェスの基礎的な設計理論
・Jones行列によるメタサーフェスの設計
・メタサーフェス・メタレンズの応用事例

【講座概要】
本講座では，誘電体メタサーフェスの設計原理と，その多様な応用について解説します．設計に関しては，光線光学と波動光学それぞれを用いたシミュレーション事例についても解説します．また，メタサーフェスの製造方法について，いくつかの材料（Ｓｉ，ＳｉＮなど）について実際の例を挙げて解説します．メタレンズ・メタサーフェスの応用例について講師の研究室での成果や世界的動向を解説します．

１．誘電体メタサーフェスの原理

２．誘電体メタサーフェスの設計
　2.1 導波路理論
　2.2 Jones行列によるメタサーフェスの表現と設計
　2.3 メタサーフェスのシミュレーション

３．誘電体メタサーフェスの製作

４．誘電体メタサーフェスの応用
　4.1 回転型可変焦点メタレンズ
　4.2 直線偏光分離メタレンズ
　4.3 可変焦点・偏光分離メタレンズ
　4.4 トップハット照明メタレンズ
　4.5 メタサーフェスホログラフィ
　4.4 原子時計用多機能集積化メタレンズ

５．まとめ

【質疑応答】

３．メタレンズの等価アッベ数と色収差補正技術

興和オプトロニクス(株)　稲 秀樹 氏

【本講座で学べること】
・メタレンズの等価アッベ数
・光線追跡を使用した従来レンズとメタレンズを併用した光学系設計法

【講座概要】
メタレンズは、従来の回折光学素子 DOE（Diffractive Optical Element）と同様に光を回折によって制御する特性を有するとされているが、その微細なパターン構造により、従来の DOE 理論がそのまま適用できないという特徴を持つ。この微細構造により、メタレンズは波長よりも小さなスケールで光を操作し、光トラップを介して非線形な位相変化を引き起こすことが知られている 。さらに、メタレンズにおける色収差は従来のレンズとは逆方向に現れるため、メタレンズと従来のレンズを組み合わせることで光学系のレンズ枚数を減少させることが可能となり、光学系の簡素化が期待される。このようなハイブリッド光学系により「軽量でコンパクトな色収差補正系」　の実現が望まれるが、メタレンズにおける色収差補正能力を定量的に示した研究はこれまで少なかった。
本講座では、メタレンズの等価アッベ数を定義し、その色収差特性を光学シミュレーションを通じて定量化し、従来レンズとの構成の結像光学系の設計手法を理解して頂くことを目的とする。

１．メタレンズの等価アッベ数

２．ベクトルモデルによる等価アッベ数の算出

３．光線追跡を使用した設計手法

【質疑応答】

４．メタサーフェスを実装した光検出器の開発と性能向上

浜松ホトニクス(株)　上野山 聡 氏

【本講座で学べること】
・メタサーフェスの基本原理（位相制御、構造設計など）の理解
・メタサーフェスを活用した光検出器の応用例の理解
・メタサーフェスによる光の集光・回折現象の物理的背景と制御方法の習得
・メタサーフェス一体型光検出器の設計・作製・評価手法の理解
・プラズモニック構造を用いた光検出器の高感度化および時間分解能改善のアプローチ

【講座概要】
本講座では、メタサーフェス構造を活用して光検出器の性能を向上させる取り組みについて紹介します。
メタサーフェスは一般的に、光の波面制御やレンズ機能の実装など光学系側の制御に焦点を当てて用いられることが多いですが、本講座ではそれとは異なる視点から、光検出器側の機能改善にメタサーフェスをどのように応用できるかに着目します。本講座を通じて、波面形成だけでなく光の集光や選択的な光制御を通じた検出性能の改善など、メタサーフェスの新たな応用可能性について学んでいただける内容となっています。

１．メタレンズを用いた光検出器の実装
　1.1 光検出器へのメタレンズ導入のモチベーション
　1.2 メタレンズの光学特性評価手法と結果
　1.3 メタレンズ集光時の光検出器の計測結果
　1.4 メタレンズ一体型光検出器の実装方法
　1.5 メタレンズ一体型光検出器の計測結果

２．時間分解能改善に向けたプラズモニックフィルタの検討
　2.1 時間分解能改善に向けたシンチレーターの課題
　2.2 時間分解能改善に向けたプラズモニックフィルタの原理とアプローチ
　2.3 プラズモニックフィルタの設計・作製・測定結果
　2.4 プラズモニックフィルタ導入時の時間分解能改善に関するシミュレーション結果

３．プラズモニック回折構造による近赤外感度の向上
　3.1 近赤外領域における感度向上の課題とプラズモニック回折構造の適用
　3.2 プラズモニック回折構造の動作原理
　3.3 プラズモニック回折構造の作製および測定結果

４．まとめ

【質疑応答】