岡﨑 豐
京都大學
研究生院能源科學研究科 助教
2022年～2024年 A-STEP研究負責人
「創新日本走訪」系列旨在介紹以社會應用為目標的研發一線。第22回採訪的是京都大學研究生院能源科學研究科助教岡﨑豐，他開發出了基於全新思路的「圓偏光轉換薄膜」。這種薄膜能夠提升植物光合作用及太陽能電池的轉化效率，並能應用於遠程醫療中的3D液晶顯示器等社會用途。
照射紫外光會變成橙色光
振動如螺紋般旋轉
在京都大學吉田校區，廣闊的校園內坐落著百年鐘塔紀念館及「清風莊」等重要文化遺產建築，歷史與最前緣的研究在這裡交匯，我們在吉田校區採訪了在此潛心研究的岡﨑豐助教。岡﨑先生向我們展示了一片小小的橙黃色薄膜。當用肉眼看不見的紫外光照射這片薄膜，薄膜會發出明亮的（橙色）光（圖1）。這是因為光的波長發生了變化，紫外光被轉換成了肉眼可見的（橙色）光。然而，這片薄膜的真正價值並非單純的波長轉換，讓太陽光或LED燈光等非偏光穿過該薄膜，就可以將光線轉換為圓偏光。
圖1 岡﨑先生開發的圓偏光轉換薄膜。照射紫外光可獲得圓偏光的橙色光。
波大致可分為橫波和縱波。橫波是波的前進方向與波的介質振動方向相互垂直的波，縱波是波的前進方向與介質振動方向一致的波。光是電磁波的一種，電磁波是電場和磁場在垂直於前進方向上相互交替振盪並前進的橫波。普通的光，其振動方向雜亂無章，沒有偏向，因此被稱為非偏光。
與此對照，振動在某個方向上完全一致的光被稱為偏光，振動面不變化而前進的光被稱為線偏光，振動面如螺紋般旋轉著前進的光被稱為圓偏光。線偏光已經在液晶顯示器、墨鏡、濾光片等多種場景中得到應用。最近的研究揭示，圓偏光不僅有利於光學資訊的準確傳遞，照射圓偏光還能促進植物的生長，以及提高太陽能電池的轉化效率等。
關於圓偏光提高植物生長速度的機制，岡﨑先生這樣介紹：「都說圓偏光能夠提高光合作用的效率。這是因為在光合作用中發揮重要作用的葉綠素具有左右不對稱，對右轉圓偏光和左轉圓偏光的吸收比不同的緣故。不過，僅憑這一點，我認為還不足以導致生長速度產生差異，所以推測其中存在著某種放大機制。而這是一種尚未明確的機制，這也正是這個研究的有趣之處」。
設計出「發光式轉換器」
兼顧偏光純度和光強度
迄今為止，作為從非偏光中生成圓偏光的技術，學界主要發現了「濾光片方式」、「選擇反射方式」和「圓偏光發光方式」這三種方式，但這些方式均無法兼顧圓偏光應用中至關重要的圓偏光純度和光強度。在濾光片方式和選擇反射方式中，雖然能實現較高的圓偏光純度，但光強度會降低；而在圓偏光發光方式中則相反，雖然能實現較高的光強度，但圓偏光純度會降低（圖2）。
圖2 既往的三種方式中，無論哪一種都難以兼顧圓偏光純度和光強度。
注意到能夠兼顧偏亮度與輝度的線偏振發光（LPL），並出色解決了兼顧圓偏光純度與光強度這一難題的，正是岡﨑先生。LPL是指在非偏光照射下會發出另一波長線偏光的現象，岡﨑先生設計出了將實現LPL的薄膜與將線偏光轉換為圓偏光的λ/4相差薄膜想和組合而成的「發光式圓偏光轉換器」（圖3）。雖然LPL薄膜和λ/4相差薄膜此前就已存在，但將兩者組合在一起，高水平地同時實現圓偏光純度、光強度和波長轉換，則是岡﨑先生的獨創性構想。
圖3 發光式圓偏光轉換器示意圖。通過組合LPL薄膜與λ/4相差薄膜，能夠兼顧圓偏光純度和輝度。
通過層疊成功實現光資訊的多重化
亦可應用於防偽印刷等用途
岡﨑先生在日本國立研究開發法人科學技術振興機構（JST）的A-STEP項目開展研究的3年間，成功實現了圓偏光轉換薄膜的進步。發光式圓偏光轉換器的特點是，通過選擇發光體以及控制相差薄膜的貼合角度，能夠自由調節獲得的圓偏光的波長和方向。由此岡﨑先生開發出了封裝有紅色、藍色、黃色等多種發光體的LPL薄膜。此外，還層疊多個LPL薄膜製備了「多層型發光式圓偏光轉換器」，實現了基於光加法的光資訊多重化——這是利用光吸收特性（光減法）的現有圓偏光濾光片所無法實現的。具體做法是，只需將呈現不同發光光譜的兩種LPL薄膜層疊在λ/4相位差薄膜上即可。
僅通過兩種LPL薄膜，就能夠賦予2種波形×左或右圓偏光的兩種組合，合計4種偏振資訊。此外，通過使用螢光生命期不同的LPL薄膜，還證實能夠輕鬆生成波形隨時間變化的圓偏光。光資訊的多重化，被認為有望應用於旨在提升機密性的防偽印刷等用途。
談及今後的研究目標，岡﨑先生表示：「如果圓偏光能夠提高樹木的生長速度，就有助於促進溫室氣體二氧化碳向物質的轉化與固定，同時推動作為替代化石資源、實現碳中和的木質生物質資源的利用。此外，若將目標轉向農作物，或許還有助於提升糧食的自給率。另外，利用圓偏光能夠實現支持立體視覺的3D液晶顯示器的節能化，還有人提議將其應用於遠程醫療手術。我希望這項研究的成果能夠加速推動圓偏光應用相關的各項研究」。可以說，圓偏光轉換薄膜將成為一種蘊藏著巨大可能性的劃時代新材料。（TEXT：石井英男，PHOTO：松井Hiroshi）
原文：JSTnews 2025年8月號
翻譯：JST客觀日本編輯部
