在日本科学技术振兴机构（JST）的战略基础研究推进项目中，南川武讲师、德岛大学安井武史教授、米乐m6官方网站（AIST）首席研究员大久保彰和稻叶肇研究组组长领导的研究小组开发了一种新型薄膜分析方法，该方法使用高度可控的激光光源（光梳），其中光的波长、强度和相位都被精确确定。
薄膜（注1）由于它提供电气、机械和光学功能以及材料的附加值而受到关注，但需要高精度薄膜分析来阐明这些特性。为此目的，已经提出了各种方法，其中利用光的特性（波长、强度、相位、偏振等）的方法光谱椭偏法（注2）已得到广泛应用。然而，传统的光谱椭偏测量方法需要对光进行机械和电调制来测量光的特性，并且由于机械振动、温度特性等的影响，在测量时间、稳定性、鲁棒性和精度方面存在限制等问题。此外，在薄膜分析中，通过使用大量不同波长的光，可以分析的信息量急剧增加，但传统方法受到光电探测器的波长分辨率和调制器的波长依赖性的限制，需要改进。
研究小组将AIST开发的高性能光梳光源与德岛大学设计的测量光偏振的新方法相结合，开发并演示了一种新的椭偏测量方法，用于分析和评估光学材料和薄膜，不需要对光进行机械或电调制。该方法预计将具有广泛的应用，包括功能薄膜和光学材料的高精度表征，以及利用其高速优势进行材料的动态表征。
该研究成果将于2017年9月20日（英国时间）发表在自然出版集团（NPG）电子期刊《自然通讯》上。
这一结果是通过以下商业/研究项目获得的。
日本科学技术振兴机构 (JST) 战略创意研究促进项目综合实施研究 (ERATO)
研究项目：“蓑岛智能光合成器项目”
研究导师：箕岛薰（电气通信大学研究生院信息科学研究生院教授）
研究期间：2013年10月至2019年3月
我们的目标是开发一种智能光源，通过自由操纵光波的时间、空间、频率、相位、强度和偏振等所有参数，发展到可以用于多种应用的程度，并探索尚未探索的应用领域。
薄膜分析对于阐明薄膜的特性和控制其功能具有重要意义。因此，人们提出了各种方法来实现高精度的薄膜分析，其中广泛使用利用光的特性（波长、强度、相位、偏振等）的光谱椭偏测量法（图1）。在该方法中，光入射到薄膜上，并平行于由入射光和反射光形成的平面（入射面），偏振光（注3）我们通过精确分析分量（p 偏振光）和垂直偏振分量（s 偏振光）之间光特性的细微差异来阐明薄膜的特性。
传统的光谱椭偏测量方法需要对光进行机械或电调制以获得每个偏振分量的光特性。由于机械振动、温度特性等原因，这种调制在测量时间、稳定性、鲁棒性、精度等方面存在限制。此外，光谱椭圆光度法极大地增加了可以利用光学波长信息分析的薄膜特征的数量，但传统方法受到光电探测器的波长分辨率、调制器的波长依赖性等的限制，需要改进。
该研究小组利用光的波长和相位受到高度控制且具有较宽波长带的激光光源（光梳），开发了一种新方法，无需机械或电调制即可高速、精确、鲁棒地测量光谱椭圆光度法测量的光的特性。
光梳是由波长宽度很窄的宽带光谱光组以等间隔排列成梳状的光源（图2）。光梳中每个梳的波长及其相位关系都受到极高的精度控制，并且其强度也稳定。因此，我们准备了两个光梳光源并在空间上重叠。蜂鸣信号（注4），无需添加机械或电调制即可获得每种光的波长、相位和强度等特性（图3）。
因此，本研究小组利用产业技术研究院开发的高精度光梳光源，致力于开发适用于德岛大学设计的分光椭圆偏振分析方法的新方法。结果，使用光谱仪的传统光谱椭圆光度法的波长分辨率约为01至001纳米，但采用该方法，波长分辨率为12 x 10-5事实证明，可以实现改进至纳米级的更精确的光谱椭偏测量方法。此外，在本研究中，作为原理验证实验，我们进行了双折射光学材料（图4）和光学薄膜（图5）的测量，并阐明了无需机械或电调制即可进行高速、精确的分光椭圆偏振分析。
这项研究的关键点在于，将光谱椭偏仪所需的光特性（特别是光的相位）测量为两个光梳的拍频信号。由于光具有非常高的频率（数百太赫兹），因此使用传统方法无法直接测量光的时间波形。因此，测量是通过将光的相位对应的信息转换为光强度来进行的，这个过程需要机械和电学的光调制。这项研究中使用的光梳将光的频率转换为可电测量的射频频率（几十兆赫兹），称为光拍，从而可以直接测量光的时间波形。结果，我们成功地直接获得了光谱椭偏仪所需的光强和相位等特性。使用此光梳从光学频率到射频频率频率链接（注释 5），我们成功开发了一种光学方法，极大地推进了光谱椭圆光度术的发展。
使用光梳的新型光谱椭偏测量方法具有以下特点：由于不需要机械或电调制而稳健，具有高波长分辨率，并且可以高速执行测量。因此，通过利用这些特性，功能薄膜和光学材料的静态和动态评估等应用成为可能。此外，由于该方法原则上可以应用于多种波长区域，因此该方法的高波长分辨率有望用于材料特性急剧变化的波长区域，例如紫外、红外和太赫兹区域。它还有望应用于材料表面性能评估。这样，这项研究成果将成为评价材料性能的基础技术，有望对未来包括功能薄膜在内的材料的发展做出巨大贡献。