Metamaterials are subwavelength structures that recently enabled many new optical applications with more compact form factor than traditional counterparts.1-6 with reduced feature sizes and scaling of these new optical devices, if many applications will achieve higher performance with high optical power handle high damage threshold, created the Nanostructures that can be able to have the high quality. そのようなアプリケーションには、以下のようなものがあります。 高出力レーザーによる長距離検出を可能にする LIDAR 部品、半導体産業におけるレーザーベースの欠陥検査システムのフラットレンズ、高エネルギー粒子ビームを中心としたシステム（医療画像や治療、XUV リソグラフィーなど）のサイズとコストの両方を劇的に縮小する可能性を持つ誘電レーザー加速器 (DLA)7-13
酸化ガリウム (Ga2O3) は比較的新しく開発された、多くの異なる特性を持つワイドバンドギャップ半導体酸化物である。 本論文では、Ga2O3の高いレーザー損傷閾値25, 26と適度な伝導性を利用して、コンパクトなレーザー駆動電子加速器で作製したGa2O3ナノ構造を初めて実証した。 さらに、Siナノ構造へのGa2O3薄膜コーティングの可能性を分析し、Siベースの誘電体レーザー加速器（DLA）の性能を向上させる可能性があることを示した。
ここでEz (z (t),t) は電子が伝播する方向に経験する実時間in situ電場である。 fA (=Gacc/Einc) は電界比と呼ばれ、Eincに依存しない幾何学的なパラメータであり、Eincは入射レーザー電界の振幅である。 各所与の Einc に対し、グレーティング構造内には、最も高い電界振幅のピーク Emax が存在するスポットが 1 つ以上存在する。 形状依存のエンハンスメントファクターは、η = Emax/Eincと定義される。 エスレッショルド（=max{Emax} = η max{Einc}）は、光電界破壊の直前の構造内の最大電界振幅である。 もう一つの重要なパラメータである損傷係数 DF = f A η = G acc E max は、グレーティングがいかに効果的に位相マスクとして機能し、入射電界を利用して電子を加速するか、一方で電界分布に多くのホットスポットを持たず高い Einc に耐えられるかを特徴付けるために使用されます。 ここで、λは駆動レーザー波長、βは光速cで規格化された電子速度である。DLAグレーティングを定義する幾何学的パラメータは、グレーティング幅w、深さd、および周期Λである。 デューティサイクルはw/ΛΛと定義される。
有限差分時間領域法（FDTD法）を用いて、電界比fAと損傷係数DFの両方を最適化することができました。 レーザー波長2.0μmを想定し、Ga2O3 DLAの加速度勾配がβ=0.54で最大になるように幅w、深さdを最適化する。 最適化されたフィーチャーサイズは、d = 600 nm、w/ΛΛ = 50%である。 fAとDFは、深さ600±100 nm、デューティサイクル50±10%の許容範囲内で10%未満に減少しました。
図1bは、作製したグレーティングデバイスに駆動レーザーを正常に入射させた状態を示している。 この実験で使用した駆動レーザー（赤色でレーザーk→ベクトルを示す矢印）は、波長2.0μm、パルス幅250fs、繰り返し周波数100kHzのものである。 電子ビームは上から下へ垂直に進行する。 図1cは、レーザー駆動電子加速器実験のセットアップの概略を示したものである。 パルス電子ビームは、駆動レーザーに同期した紫外レーザーパルスによって生成され、銅製の平板光電面に入射し、1±0.2psの電子バンチを発生させる。 電子は磁気レンズにより、相互作用点（図1bの赤矢印の先端）で700±100 nmのスポットサイズに集光される。 電子は回折格子の表面付近で駆動レーザーと相互作用する。 電子ビームは構造体を通って磁気分光器まで進み、マイクロチャンネルプレート（MCP）検出器に入射して、電子エネルギースペクトルが40eVのエネルギー分解能で測定される。 サファイアおよび Ga2O3 ナノ構造の作製の詳細については、「実験」のセクションで説明する。 図 1d-f は、サファイアおよび Ga2O3 ナノ構造の SEM イメージを示したものです。 また、それぞれの拡大図を図1e-gに示す。
サファイアとGa2O3のDLAについて、MCPで測定した電子スペクトルを図2a-dに示す。 横軸は初期電子エネルギー96.3keV（β=0.54）に対する縦軸のエネルギー変調である。 縦軸は電子の偏向量（単位：mrad）。 図2a,bの「レーザーOFF」画像は、レーザーと電子の相互作用がない場合の電子密度分布を示している。 一方、「レーザーON」画像（図2c,d）では、分布の両側に2つの明瞭な尾を引いていることがわかります。 これらの尾は、減速した電子と加速した電子で構成されています。 図2a-dに示した電荷密度から、エネルギー変調の関数として正規化した電子数をプロットしたのが図2e,fです。 レーザーONの場合（赤）、レーザーOFFの場合（青）に比べて中心エネルギーピークの電子密度が減少していることから、この中心エネルギーにいた電子が駆動レーザーとの相互作用によりエネルギーの増減を経験したことがわかります。 サファイアDLAの最大エネルギー利得は、相互作用距離18 µmで1 ± 0.1 keVであり、Einc 3.1 GV m-1で56 ± 6 MeV m-1の加速度勾配を与えた。 Ga2O3 DLAの最大エネルギーは23μmの相互作用距離で2.4 ± 0.1 keVであり、2.4 GV m-1のEincで104 ± 4 MeV m-1の加速度勾配を生じる。
これらは、ワイドバンドギャップ半導体Ga2O3ナノ構造によるレーザー駆動電子加速の最初の成功例である。 このグレーティングを用いたGa2O3 DLAの加速勾配はサファイア構造の約2倍であった。 これは、Ga2O3 の高い伝導性により電子がグレーティング表面に接近し、グレーティングの近接場が指数関数的に減衰するため、より高い加速度場が得られると考えられる。8, 9, 27 真空中および大気中で測定した LIDT は 0.36 ± 0.04 J cm-2 で、サファイアのグレーティング (0.40 ± 0.04 J cm-2) と同等のレベルである。 波長2.0μm、パルス幅250fs、繰り返し周波数100kHzのレーザーパラメータを用いた場合、Ga2O3グレーティングの損傷前の最大Eincは3.3GV m-1となる。 (LIDT測定は実験セクションに記載）。 このGa2O3 DLAは、安定した動作を確保するために、そのLIDTをはるかに下回る0.19 J cm-2のレーザー照射量で動作させた。
シリコンは、複雑で精密なナノ構造の製造を可能にする、最も開発された、最も安価で、最も大きなウエハー直径の材料である。 幸いなことに、屈折率が比較的高いため、可視から中赤外の波長で非常に効率的な位相マスクでもある。 そこで我々は、上述のGa2O3の高いLIDTを利用して、Siナノ構造体の性能を向上させることを提案する。 これは、Siグレーティング構造に薄膜Ga2O3コーティングを追加することで実現でき、電界低減層として機能する（図3a,b）。 鋭角なエッジにおける局所的な電界の増大が減少していることが注目される。 さらに、Si ARコーティングの理想的な材料は、≈1.85のインデックスを持つ。 Ga2O3は近赤外における屈折率が1.9である。 ここでは、Siグレーティングに30 nmのGa2O3コンフォーマルコーティング層を選択しました。 30nmは、以下の要因のトレードオフとして選択した。 1) 厚い膜 (1/4波長層など) は反射防止膜として優れているが，fAが著しく低下するため，Gaccが低下する 2) 薄い膜では，大きなフィールド低減は望めない。
図3aは、駆動レーザー波長2.0μmのSiグレーティング構造付近の電界分布の計算結果を示しています。 図3bから、30nmのGa2O3コーティングを追加することによって、電界増強係数η=Emax/Eincが2.9倍に減少していることがわかります（コーティングしたサンプルとコーティングしていないサンプルを比較しています）。 ホットスポットはSi表面ではなくGa2O3表面で発生し、薄膜Ga2O3はバルクSi構造よりも高いEincを許容する可能性があります。 理論的には、LIDT が入射電界振幅のみで決定される場合、FDTD シミュレーションで示したこの薄膜 Ga2O3 の追加により、η = Emax/Einc が 2.9 倍に減少し、fA が 1%未満に減少することから、DF = fA/η = Gacc/Emax が 2.9 倍に増加しています (Figure 3c,d)（Ga2O3 薄膜は、入射電界振幅が 1 倍未満に減少）。
我々のLIDT測定の1セットでは、250fs, 100kHz repetition rate, 2µm wavelength laserを用いた場合、LIDT（0.04J cm-2）の変化は観察されないことが判明した。 100fs、1kHz、2μm波長のレーザーを用いた別の実験セットでは、max{Einc}が0.83GV m-1 (Si DLA) から 1.52GV m-1 (Coated Si DLA)に増加した。 高い繰り返し周波数と250fsという長いパルス幅を用いた最初の実験セットでは、熱溶融などの熱効果がレーザー誘起損傷に寄与していると考えている。 2番目の実験では、繰り返し周波数が1kHzと低いため、熱の影響が少なく、電界誘起損傷であると考えられる。 これらの結果は、今後のレーザー損傷研究の進展と、より良い膜質の開発に寄与するものである。
以上より，Ga2O3ナノ構造体は0.36±0.04J cm-2とサファイアに匹敵する高いレーザー誘起損傷閾値を持つことが実証された． さらに、Ga2O3ナノ構造体を用いた電子加速器を実証し、Ga2O3の高い絶縁破壊閾値により、従来のRF加速器を超える104±4MeV m-1の加速勾配を実現したことを報告する。 さらに、Siナノ構造の電界緩和層としての薄膜コーティングの可能性を示し、Siベースのナノ構造の実効LIDTと性能を向上させる可能性があることを示した。 これらの結果は、Ga2O3ナノ構造の小型レーザー駆動電子加速器としての高出力光応用が有望であることを示しています。 Ga2O3の優れた電気的・光学的特性と、製造技術やウェハー成長技術の進歩により、近い将来、Ga2O3を用いたより新しい高出力光学的応用が実現されるでしょう。