冈﨑 丰
京都大学
研究生院能源科学研究科 助教
2022年～2024年 A-STEP研究负责人
“创新日本走访”系列旨在介绍以社会应用为目标的研发一线。第22回采访的是京都大学研究生院能源科学研究科助教冈﨑丰，他开发出了基于全新思路的“圆偏振光转换薄膜”。这种薄膜能够提升植物光合作用及太阳能电池的转换效率，并能应用于远程医疗中的3D液晶显示器等社会用途。
照射紫外光会变成橙色光
振动如螺纹般旋转
在京都大学吉田校区，广阔的校园内坐落着百年钟塔纪念馆及“清风庄”等重要文化遗产建筑，历史与最前沿的研究在这里交汇，我们在吉田校区采访了在此潜心研究的冈﨑丰助教。冈﨑先生向我们展示了一片小小的橙黄色薄膜。当用肉眼看不见的紫外光照射这片薄膜，薄膜会发出明亮的（橙色）光（图1）。这是因为光的波长发生了变化，紫外光被转换成了肉眼可见的（橙色）光。然而，这片薄膜的真正价值并非单纯的波长转换，让太阳光或LED灯光等非偏振光穿过该薄膜，就可以将光线转换为圆偏振光。
图1 冈﨑先生开发的圆偏振光转换薄膜。照射紫外光可获得圆偏振光的橙色光。
波大致可分为横波和纵波。横波是波的前进方向与波的介质振动方向相互垂直的波，纵波是波的前进方向与介质振动方向一致的波。光是电磁波的一种，电磁波是电场和磁场在垂直于前进方向上相互交替振荡并前进的横波。普通的光，其振动方向杂乱无章，没有偏向，因此被称为非偏振光。
与此对照，振动在某个方向上完全一致的光被称为偏振光，振动面不变化而前进的光被称为线偏振光，振动面如螺纹般旋转着前进的光被称为圆偏振光。线偏振光已经在液晶显示、太阳镜、滤光片等多种场景中得到应用。最近的研究揭示，圆偏振光不仅有利于光学信息的准确传递，照射圆偏振光还能促进植物的生长，以及提高太阳能电池的转换效率等。
关于圆偏振光提高植物生长速度的机制，冈﨑先生这样介绍：“都说圆偏振光能够提高光合作用的效率。这是因为在光合作用中发挥重要作用的叶绿素具有左右不对称性，对右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的吸收率不同的缘故。不过，仅凭这一点，我认为还不足以导致生长速度产生差异，所以推测其中存在着某种放大机制。而这是一种尚未明确的机制，这也正是这个研究的有趣之处”。
设计出“发光式转换器”
兼顾偏振光纯度和光强度
迄今为止，作为从非偏振光中生成圆偏振光的技术，学界主要发现了“滤光片方式”、“选择反射方式”和“圆偏振光发光方式”这三种方式，但这些方式均无法兼顾圆偏振光应用中至关重要的圆偏振光纯度和光强度。在滤光片方式和选择反射方式中，虽然能实现较高的圆偏振光纯度，但光强度会降低；而在圆偏振光发光方式中则相反，虽然能实现较高的光强度，但圆偏振光纯度会降低（图2）。
图2 既往的三种方式中，无论哪一种都难以兼顾圆偏振光纯度和光强度。
注意到能够兼顾偏光度与亮度的线偏振发光（LPL），并出色解决了兼顾圆偏振光纯度与光强度这一难题的，正是冈﨑先生。LPL是指在非偏振光照射下会发出另一波长线偏振光的现象，冈﨑先生设计出了将实现LPL的薄膜与将线偏振光转换为圆偏振光的λ/4相位差薄膜想和组合而成的“发光式圆偏振光转换器”（图3）。虽然LPL薄膜和λ/4相位差薄膜此前就已存在，但将两者组合在一起，高水平地同时实现圆偏振光纯度、光强度和波长转换，则是冈﨑先生的独创性构想。
图3 发光式圆偏振光转换器示意图。通过组合LPL薄膜与λ/4相位差薄膜，能够兼顾圆偏振光纯度和亮度。
通过层叠成功实现光信息的多重化
亦可应用于防伪印刷等用途
冈﨑先生在日本国立研究开发法人科学技术振兴机构（JST）的A-STEP项目开展研究的3年间，成功实现了圆偏振光转换薄膜的进步。发光式圆偏振光转换器的特点是，通过选择发光体以及控制相位差薄膜的贴合角度，能够自由调节获得的圆偏振光的波长和方向。由此冈﨑先生开发出了封装有红色、蓝色、黄色等多种发光体的LPL薄膜。此外，还层叠多个LPL薄膜制备了“多层型发光式圆偏振光转换器”，实现了基于光加法的光信息多重化——这是利用光吸收特性（光减法）的现有圆偏振光滤光片所无法实现的。具体做法是，只需将呈现不同发光光谱的两种LPL薄膜层叠在λ/4位相差薄膜上即可。
仅通过两种LPL薄膜，就能够赋予2种波形×左或右圆偏振光的两种组合，合计4种偏振信息。此外，通过使用荧光寿命不同的LPL薄膜，还证实能够轻松生成波形随时间变化的圆偏振光。光信息的多重化，被认为有望应用于旨在提升机密性的防伪印刷等用途。
谈及今后的研究目标，冈﨑先生表示：“如果圆偏振光能够提高树木的生长速度，就有助于促进温室气体二氧化碳向物质的转化与固定，同时推动作为替代化石资源、实现碳中和的木质生物质资源的利用。此外，若将目标转向农作物，或许还有助于提升粮食的自给率。另外，利用圆偏振光能够实现支持立体视觉的3D液晶显示器的节能化，还有人提议将其应用于远程医疗手术。我希望这项研究的成果能够加速推动圆偏振光应用相关的各项研究”。可以说，圆偏振光转换薄膜将成为一种蕴藏着巨大可能性的划时代新材料。（TEXT：石井英男，PHOTO：松井Hiroshi）
原文：JSTnews 2025年8月号
翻译：JST客观日本编辑部
