JP2016051911A - 金属スリットアレー - Google Patents
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Abstract
【課題】 マイクロコイルを平行平板内に装荷した金属スリットアレーによりメタマテリアルを実現する。【解決手段】 金属製の矩形状とされた上壁金属板１１および下壁金属板１２が対向配置されて平行平板を構成している。上壁金属板１１と下壁金属板１２との間には１つの金属製のマイクロコイル１０が配置されて単位アレー１が構成されている。この単位アレー１を、平面内に所定間隔で配置することにより金属スリットアレーを構成する。金属スリットアレーでは、平行平板による誘電率が負の誘電率を呈するテラヘルツ波帯の周波数において、マイクロコイル１０による透磁率が負となることから、金属スリットアレーがメタマテリアルとして機能するようになる。【選択図】 図１
Description
この発明は、マイクロコイルを平行平板内に装荷したメタマテリアルとして機能する金属スリットアレーに関する。
誘電率・透磁率がともに負の媒質に光が入射すると、負の屈折が起こることがベセラゴにより示され、透磁率および誘電率が負になる人工的な構造が提案された。この透磁率および誘電率が負になる人工的な構造は、原子より十分大きく光波長のスケールより小さい構造物の集合体からなり、メタマテリアルといわれている。負屈折媒質であるメタマテリアルを用いると、平面構造とされた完全レンズを作成することができる。完全レンズでは、回折限界を超えた微細なものまで観察することが可能であり、近接場（エバネッセント波）まで忠実に再現することができる。
メタマテリアルは、最近注目されているテラヘルツ電磁波用のレンズに適用することができる。テラヘルツ電磁波は、周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（波長が３０μｍ〜３０００μｍ）の電磁波とされており、波長が遠赤外〜ミリ波領域とほぼ一致し、「光」と「ミリ波」に挟まれた周波数領域に存在している。このため、テラヘルツ電磁波は、光と同様に高い空間分解能でものを見分ける能力と、ミリ波と同様の物質を透過する能力を併せ持っている。テラヘルツ波帯はこれまで未開拓電磁波であったが、この周波数帯の電磁波の特徴を生かした時間領域分光、イメージング及びトモグラフィーによる材料のキャラクタリゼーションへの応用などが検討されてきている。テラヘルツ電磁波の発生は、物質透過性と直進性を兼ね備えるためＸ線に替わる安全かつ革新的なイメージングや、数100Gbps級の超高速無線通信を可能とすることができる。
特に、テラヘルツイメージングは、Ｘ線に代わる安全、安心かつ高精度な可視化技術の１つとして大きな魅力を有している。回折限界を突破した近接場によるテラヘルツナノイメージングや、１．４ＴＨｚで分解能４００ｎｍ（１波長／５４０）が得られることが報告されている。また、共鳴トンネルダイオードを用いた０．３ＴＨｚでのイメージングも報告されている。メタマテリアルは負の屈折率ｎ＝−１に設計することができ、エバネッセント成分となる近接場光を離れた場所で復元し、回折限界を超えた平板完全レンズを実現できる可能性がある。
このようなメタマテリアルの一例としては、カットを持つ大小二つのリングを組合せた負の透磁率を示す分割リング共振器と、負の誘電率を示す金属ワイヤーとからなる単位セルをマトリクス状に並べたメタマテリアルが知られている（特許文献１参照）。この場合、大小二つのリングのカットの位置は、例えば逆の位置とされるがこれに限られるものではない。この単位セルを、勾配屈折率を有するように１つの軸に沿って配置するようにして負の屈折を実現することができる。
ところで、金属板を所定間隔離隔して平行に配置した金属平行平板においては、カットオフ周波数以下の周波数において負の誘電率を示すことが知られている。また、誘電体共振器は共振周波数の近傍において負の透磁率を示すことが知られている。そこで、非特許文献１に示すように、金属平行平板内に円板状の誘電体共振器を装荷して、金属平行平板により負の誘電率を、誘電体共振器により負の透磁率を実現する。これにより、円板状の誘電体共振器を装荷した金属平行平板では、所定の周波数において負の屈折が実現され、ＴＥモードの電磁波が伝播するようになる。
このようなメタマテリアルの一例としては、カットを持つ大小二つのリングを組合せた負の透磁率を示す分割リング共振器と、負の誘電率を示す金属ワイヤーとからなる単位セルをマトリクス状に並べたメタマテリアルが知られている（特許文献１参照）。この場合、大小二つのリングのカットの位置は、例えば逆の位置とされるがこれに限られるものではない。この単位セルを、勾配屈折率を有するように１つの軸に沿って配置するようにして負の屈折を実現することができる。
ところで、金属板を所定間隔離隔して平行に配置した金属平行平板においては、カットオフ周波数以下の周波数において負の誘電率を示すことが知られている。また、誘電体共振器は共振周波数の近傍において負の透磁率を示すことが知られている。そこで、非特許文献１に示すように、金属平行平板内に円板状の誘電体共振器を装荷して、金属平行平板により負の誘電率を、誘電体共振器により負の透磁率を実現する。これにより、円板状の誘電体共振器を装荷した金属平行平板では、所定の周波数において負の屈折が実現され、ＴＥモードの電磁波が伝播するようになる。
IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 55, NO. 6, JUNE 2007 P.1280-1287 Tetsuya Ueda他２名著 「Demonstration of Negative Refraction in a Cutoff Parallel-Plate Waveguide Loaded With 2-D Square Lattice of Dielectric Resonators」
誘電体共振器が共振周波数において負の透磁率を示すように、分割リング共振器も共振周波数の近傍において負の透磁率を示す。そして、分割リング共振器と金属ワイヤーとからなる単位セルによりメタマテリアルを実現することは行われていた。また、金属平行平板と誘電体共振器とを組み合わせることは行われていた。
本発明は、従来は実現されていなかったマイクロコイルを平行平板内に装荷した金属スリットアレーによりメタマテリアルを実現することを目的としている。
本発明は、従来は実現されていなかったマイクロコイルを平行平板内に装荷した金属スリットアレーによりメタマテリアルを実現することを目的としている。
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、金属製の平板状とされた上壁と、該上壁に所定間隔を持って対面するよう配置された金属製の平板状とされた下壁とからなる平行平板と、該平行平板内に装荷されたマイクロコイルとからなる単位アレーを備え、該単位アレーが、同じ平面内に所定間隔で複数配置されて金属スリットアレーが構成されており、前記平行平板による誘電率が負の誘電率を呈するテラヘルツ波帯の周波数において、前記マイクロコイルによる透磁率が負となることを最も主要な特徴としている。
また、請求項２にかかる発明は、請求項１にかかる発明において、前記周波数の波長をλとしたときに、前記上壁と前記下壁の一辺の長さが約０．０６λ〜約０．０７λとされていることを主要な特徴としている。
また、請求項２にかかる発明は、請求項１にかかる発明において、前記周波数の波長をλとしたときに、前記上壁と前記下壁の一辺の長さが約０．０６λ〜約０．０７λとされていることを主要な特徴としている。
請求項１，２にかかる発明によれば、金属製の平板状とされた上壁と、該上壁に所定間隔を持って対面するよう配置された金属製の平板状とされた下壁とからなる平行平板と、該平行平板内に装荷されたマイクロコイルとから単位アレーが構成され、該単位アレーが、同じ平面内に所定間隔で複数配置されて金属スリットアレーが構成される。そして、平行平板による誘電率が負の誘電率を呈するテラヘルツ波帯の周波数において、マイクロコイルによる透磁率が負となることから、金属スリットアレーがメタマテリアルとして機能するようになる。
これにより、本発明にかかる金属スリットアレーは、負の屈折率を実現することができる。
これにより、本発明にかかる金属スリットアレーは、負の屈折率を実現することができる。
本発明の金属スリットアレーを構成する本発明の第１実施例の単位アレーの構成を示す斜視図を図１に、本発明の第１実施例の単位アレーを構成するマイクロコイルの構成を示す正面図を図２Ａに、側面図を図２Ｂに示す。
これらの図に示す本発明の金属スリットアレーを構成する本発明の第１実施例の単位アレー１は、図示するように断面矩形の周期境界壁１３の上壁の面に配置された金属製の矩形状とされた上壁金属板１１と、下壁の面に配置された金属製の矩形状とされた下壁金属板１２とからなる平行平板を備えている。上壁金属板１１と下壁金属板１２とは間隔（高さ）ｈをもって互いに対面して平行平板を構成しており、この平行平板によりウェーブガイドが構成されている。上壁金属板１１と下壁金属板１２との間には１つの金属製のマイクロコイル１０が配置されている。第１実施例の単位アレー１では、図１に示すように横軸がｚ軸とされ、ｚ軸に直交すると共に上壁金属板１１および下壁金属板１２の幅方向の軸がｘ軸とされ、ｚ軸に直交すると共に平行平板の高さ方向の軸がｙ軸とされている。この第１実施例の単位アレー１に入射する電磁波、例えば、テラヘルツ電磁波は、その電界成分Ｅがｘ軸方向となり、その磁界成分Ｈがｙ軸方向となって、進行方向ｋはｚ軸方向とされている。
これらの図に示す本発明の金属スリットアレーを構成する本発明の第１実施例の単位アレー１は、図示するように断面矩形の周期境界壁１３の上壁の面に配置された金属製の矩形状とされた上壁金属板１１と、下壁の面に配置された金属製の矩形状とされた下壁金属板１２とからなる平行平板を備えている。上壁金属板１１と下壁金属板１２とは間隔（高さ）ｈをもって互いに対面して平行平板を構成しており、この平行平板によりウェーブガイドが構成されている。上壁金属板１１と下壁金属板１２との間には１つの金属製のマイクロコイル１０が配置されている。第１実施例の単位アレー１では、図１に示すように横軸がｚ軸とされ、ｚ軸に直交すると共に上壁金属板１１および下壁金属板１２の幅方向の軸がｘ軸とされ、ｚ軸に直交すると共に平行平板の高さ方向の軸がｙ軸とされている。この第１実施例の単位アレー１に入射する電磁波、例えば、テラヘルツ電磁波は、その電界成分Ｅがｘ軸方向となり、その磁界成分Ｈがｙ軸方向となって、進行方向ｋはｚ軸方向とされている。
本発明にかかる第１実施例の単位アレー１において、上壁金属板１１と下壁金属板１２は同じ大きさとされており、図１に示すように、そのｘ軸方向である幅はＰｘ、ｚ軸方向の長さはＰｚ、厚さはｔとされており、平行平板の高さ（上壁金属板１１と下壁金属板１２とのｙ軸方向の間隔）はｈとされている。
単位アレー１において、上壁および下壁のｘｚ面と、ハッチングで示した左壁および右壁のｙｚ面とで構成されている導波路１本分に相当する構造とされている周期境界壁１３を仮想し、１個分抜き出した単位アレー１の解析モデルで、金属スリットアレーを設計することができる。なお、単位アレー１における上壁金属板１１と下壁金属板１２からなる平行平板は、カットオフ周波数以下の周波数において負の誘電率を示すようになる。
単位アレー１において、上壁および下壁のｘｚ面と、ハッチングで示した左壁および右壁のｙｚ面とで構成されている導波路１本分に相当する構造とされている周期境界壁１３を仮想し、１個分抜き出した単位アレー１の解析モデルで、金属スリットアレーを設計することができる。なお、単位アレー１における上壁金属板１１と下壁金属板１２からなる平行平板は、カットオフ周波数以下の周波数において負の誘電率を示すようになる。
上壁金属板１１と下壁金属板１２との間に装荷されたスパイラル状のマイクロコイル１０は、図２Ａ，図２Ｂに示すように、直径がｒ３の金属細線を外径がｒ２（内径がｒ１）になるようピッチｐの間隔でスパイラル状に巻回して作成されている。マイクロコイル１０の高さは、平行平板の高さｈと同様の高さとされる。マイクロコイル１０は、共振すると負の透磁率を示すようになる。そこで、第１実施例の単位アレー１をｙ軸方向およびｘ軸方向に所定の周期で配置、すなわち、ｘｙ面である平面内に周期的に単位アレー１を多数配列することにより所定のテラヘルツ波帯において負の屈折率を呈する金属スリットアレーを構成することができる。これにより、金属スリットアレーでテラヘルツ波帯に用いられる負の屈折率を呈するプリズムやレンズ等を構成することができる。
本発明にかかる第１実施例の単位アレー１をテラヘルツ波帯に適用する場合の解析パラメータの一例を図３に示す。この場合の、負の屈折利率が得られる目標とする周波数を０．３ＴＨｚとしている。図３に示す解析する際の解析パラメータでは、上壁金属板１１および下壁金属板１２のＰｘが約６２μｍ、Ｐｚも約６２μｍとされ、平行平板の間隔（高さ）ｈが約１５９．５μｍとされる。この場合、平行平板からなるウェーブガイドの真空中のカットオフ周波数ｆｃは約０．９７ＴＨｚとなる。また、上壁金属板１１および下壁金属板１２の厚さｔが約０．２５μｍとされる。さらに、スパイラル状のマイクロコイル１０を構成する金属細線の直径ｒ３が約１０μｍ、金属細線を巻回する内径ｒ１が約３０μｍ、その外径ｒ２が約５０μｍとされる。
このような解析パラメータとされた第１実施例の単位アレー１において、電界成分Ｅが幅（ｘ軸）方向、磁界成分Ｈが高さ（ｙ軸）方向とされて長さ（ｚ軸）方向に進行するＴＥモードの入射波が入力された際に、単位アレー１をｚ軸方向に伝播して出力される透過波の透過係数Ｓ２１と、反射する反射波の反射係数Ｓ１１との周波数特性を解析した。解析は有限要素法電磁界シミュレータANSYS社HFSS Ver.14.1.1を用いた。解析結果である図４の透過電力の周波数特性を参照すると、カットオフ周波数ｆｃより低い約０．２７ＴＨｚおよび約０．７５ＴＨｚにおいて、破線で示す透過係数Ｓ２１が約８０％以上となって単位アレー１をＴＥモードの入射波がほぼ透過するようになるが、上記の周波数を中心とする所定範囲を除く０．１ＴＨｚ〜１ＴＨｚにおける０．７５ＴＨｚ未満では、実線で示す反射係数Ｓ１１がほぼ１００％となってほぼ全てが反射する。また、０．７５ＴＨｚを超える１．０ＴＨｚまでの周波数では透過係数Ｓ２１が約５％〜約２０％となる。
また、上記解析パラメータとされた際の単位アレー１の屈折率ｎの周波数特性の解析結果を図５に示す。図５を参照すると、実線で示す屈折率ｎの実部（Ｒｅ（ｎ））は、０．２ＴＨｚ〜約０．２５ＴＨｚにおいてはほぼ０となり、約０．２５ＴＨｚで急激に上昇し約０．２５ＴＨｚ〜約０．２７ＴＨｚの範囲で約＋１０〜＋１１の正となる。そして、約０．２７ＴＨｚにおいて急激に下降して−１１の負となり、約０．２７ＴＨｚを超えると０に近づいていき、約０．３ＴＨｚにおいて０となる。約０．３ＴＨｚ〜０．３５ＴＨｚにおいてはほぼ０となる。
破線で示す屈折率ｎの虚部（Ｉｍ（ｎ））は０．２ＴＨｚにおいて約＋１０の正となり、約０．２５ＴＨｚにおいて急激に上昇して約＋２５の正となる。約０．２５ＴＨｚを超えると急激に下降して約０．２７ＴＨｚにおいて０となる。そして、約０．２７ＴＨｚ〜約０．３ＴＨｚまでは０となり、約０．３ＴＨｚを超えると０〜＋３の正となる。
すなわち、単位アレー１は、約０．２７ＴＨｚ〜約０．３ＴＨｚまでの周波数範囲において負の屈折率ｎとなることがわかる。
破線で示す屈折率ｎの虚部（Ｉｍ（ｎ））は０．２ＴＨｚにおいて約＋１０の正となり、約０．２５ＴＨｚにおいて急激に上昇して約＋２５の正となる。約０．２５ＴＨｚを超えると急激に下降して約０．２７ＴＨｚにおいて０となる。そして、約０．２７ＴＨｚ〜約０．３ＴＨｚまでは０となり、約０．３ＴＨｚを超えると０〜＋３の正となる。
すなわち、単位アレー１は、約０．２７ＴＨｚ〜約０．３ＴＨｚまでの周波数範囲において負の屈折率ｎとなることがわかる。
上記解析パラメータとされた際の単位アレー１の比誘電率εの周波数特性の解析結果を図６に示す。図６を参照すると、実線で示す比誘電率εの実部（Ｒｅ（ε））は約０．２ＴＨｚにおいて約−２９０の負となり周波数が上がるに従い次第に上昇するが約０．２５ＴＨｚで約−４００の負に急激に下降する。そして、約０．２５ＴＨｚを超えると急激に上昇し約０．２７ＴＨｚにおいて０となる。約０．２７ＴＨｚを超えると約−８０の負まで下降し、その負の値が約０．３５ＴＨｚまでほぼ維持される。
破線で示す比誘電率εの虚部（Ｉｍ（ε））は０．２ＴＨｚ〜０．２５ＴＨｚまでは０となり、約０．２５ＴＨｚにおいて急激に上昇して約＋２００の正となる。約０．２５ＴＨｚを超えると急激に下降して約０．２７ＴＨｚにおいて０となる。そして、約０．２７ＴＨｚ〜約０．３５ＴＨｚまでは０となる。
すなわち、単位アレー１は、約０．２７ＴＨｚ〜約０．３ＴＨｚまでの周波数範囲において負の比誘電率εとなることがわかる。
破線で示す比誘電率εの虚部（Ｉｍ（ε））は０．２ＴＨｚ〜０．２５ＴＨｚまでは０となり、約０．２５ＴＨｚにおいて急激に上昇して約＋２００の正となる。約０．２５ＴＨｚを超えると急激に下降して約０．２７ＴＨｚにおいて０となる。そして、約０．２７ＴＨｚ〜約０．３５ＴＨｚまでは０となる。
すなわち、単位アレー１は、約０．２７ＴＨｚ〜約０．３ＴＨｚまでの周波数範囲において負の比誘電率εとなることがわかる。
上記解析パラメータとされた際の単位アレー１の比透磁率μの周波数特性の解析結果を図７に示す。図７を参照すると、実線で示す比透磁率μの実部（Ｒｅ（μ））は約０．２ＴＨｚ〜約０．２７ＴＨｚまでは０〜約＋１の正となるが、約０．２７ＴＨｚを超えると急激に下降し約−２３の負となる。そして、約０．２７ＴＨｚを超えると急激に上昇して０となり、その０の値が約０．３５ＴＨｚまでほぼ維持される。
破線で示す比透磁率μの虚部（Ｉｍ（μ））は０．２ＴＨｚ〜０．２５ＴＨｚまでは０となり、約０．２５ＴＨｚにおいて若干下降して約−１の負となる。約０．２５ＴＨｚを超えると緩慢に下降するが、約０．２７ＴＨｚにおいて急激に下降して約−１２の負となる。そして、約０．２７ＴＨｚを超えると急激に上昇して０となり、その０の値が約０．３５ＴＨｚまでほぼ維持される。
すなわち、単位アレー１は、約０．２７ＴＨｚにおいて負の比透磁率μとなることがわかる。
破線で示す比透磁率μの虚部（Ｉｍ（μ））は０．２ＴＨｚ〜０．２５ＴＨｚまでは０となり、約０．２５ＴＨｚにおいて若干下降して約−１の負となる。約０．２５ＴＨｚを超えると緩慢に下降するが、約０．２７ＴＨｚにおいて急激に下降して約−１２の負となる。そして、約０．２７ＴＨｚを超えると急激に上昇して０となり、その０の値が約０．３５ＴＨｚまでほぼ維持される。
すなわち、単位アレー１は、約０．２７ＴＨｚにおいて負の比透磁率μとなることがわかる。
上記解析パラメータとされた際の単位アレー１の周波数に対する波数の解析結果を図８に示す。図８を参照すると、波数は０．２ＴＨｚ〜０．２５ＴＨｚまでは０となり、約０．２５ＴＨｚを超えると急激に上昇して波数は約６２となり、この波数の値が約０．２７ＴＨｚまでは維持される。約０．２７ＴＨｚを超えると波数は急激に下降し約０．３ＴＨｚにおいて０となる。
すなわち、単位アレー１は、約０．２５ＴＨｚ〜約０．２７ＴＨｚにおいて解像度を高めることができることがわかる。
すなわち、単位アレー１は、約０．２５ＴＨｚ〜約０．２７ＴＨｚにおいて解像度を高めることができることがわかる。
次に、本発明にかかる第１実施例の単位アレー１を利用したプリズム２０の構成を図９Ａに示し、このプリズム２０の構成の概要を図９Ｂに示し、このプリズム２０の解析パラメータを図９Ｃに示す。
プリズム２０は図９Ａに示すように、ウェーブガイド２３と、第２領域２２と、金属スリットアレー２と、第１領域２１とから構成されている。ウェーブガイド２３と、第２領域２２と、第１領域２１とは、比誘電率εｒが約２０の誘電体とされている。直方体状の第２領域２２の一面にウェーブガイド２３がインピーダンス整合されて接続され、ウェーブガイド２３を介して第２領域２２にテラヘルツ波帯の入射波が入射され、第２領域２２内を伝播していく。第２領域２２の入射する面と対向する面に金属スリットアレー２の一面が接続されて、第２領域２２内を伝播した入射波が金属スリットアレー２に入射する。金属スリットアレー２は、図９Ｂに示すように一面に対向する面が斜面とされており、一面の幅がａ、一面から斜面までの長い方の長さがｂ、一面から斜面までの短い方の長さがｄとされている。この場合、金属スリットアレー２の斜面における法線２１ａとのなす角であるθが金属スリットアレー２への入射角となる。金属スリットアレー２は、図９Ｂに示すように単位アレー１を行方向および列方向に所定間隔ｃで配列することにより構成されている。そして、配列する単位アレー１の行方向の数を下から上に向かって減らしていくことにより、一面に対向する面が斜面とされた金属スリットアレー２を構成している。
プリズム２０は図９Ａに示すように、ウェーブガイド２３と、第２領域２２と、金属スリットアレー２と、第１領域２１とから構成されている。ウェーブガイド２３と、第２領域２２と、第１領域２１とは、比誘電率εｒが約２０の誘電体とされている。直方体状の第２領域２２の一面にウェーブガイド２３がインピーダンス整合されて接続され、ウェーブガイド２３を介して第２領域２２にテラヘルツ波帯の入射波が入射され、第２領域２２内を伝播していく。第２領域２２の入射する面と対向する面に金属スリットアレー２の一面が接続されて、第２領域２２内を伝播した入射波が金属スリットアレー２に入射する。金属スリットアレー２は、図９Ｂに示すように一面に対向する面が斜面とされており、一面の幅がａ、一面から斜面までの長い方の長さがｂ、一面から斜面までの短い方の長さがｄとされている。この場合、金属スリットアレー２の斜面における法線２１ａとのなす角であるθが金属スリットアレー２への入射角となる。金属スリットアレー２は、図９Ｂに示すように単位アレー１を行方向および列方向に所定間隔ｃで配列することにより構成されている。そして、配列する単位アレー１の行方向の数を下から上に向かって減らしていくことにより、一面に対向する面が斜面とされた金属スリットアレー２を構成している。
このプリズム２０において負の屈折率が得られる目標とする周波数を０．３ＴＨｚとした時の解析パラメータを図９Ｃに示す。図９Ｃに示す解析パラメータでは、入射角θが４５°、金属スリットアレー２の幅ａが３１０μｍ、その一面から斜面までの長い方の長さｂが３２５μｍ、その短い方の長さｄが４６μｍ、単位アレー１を行方向および列方向に配置する所定間隔ｃが６２μｍ、第２領域２２の長さが４００μｍとされている。この解析パラメータでは、単位アレー１は行方向に最大５個配列できる寸法とされている。ここで、配列される単位アレー１の数について一例を述べると、図１に示す単位アレー１を図１に示すｘ軸方向へ２００個程度配列すると共に、ｙ軸方向に５０個程度配列する。これにより、ｘｙ面の一平面上に配列された２００＊５０個の単位アレー１からなるアレー群が構成され、このアレー群をｚ軸方向に１０群程度並べることにより金属スリットアレーを構成することが考えられる。このような構成の金属スリットアレーでは単位アレー１の数が多すぎて、解析する際の時間が膨大となってしまう。また、配列される単位アレー１の数は上記した数に限られるものではなく、大幅に少なくなることも大幅に増えることも考えられる。そこで、単位アレー１の数を解析時間が膨大にならない数となるように、解析パラメータを設定している。単位アレー１の数を減らして解析しても、解析結果は単位アレー１の数が多い場合とほぼ同様の解析結果が得られる。
この第１実施例の単位アレー１からなる金属スリットアレー２を利用するプリズム２０におけるテラヘルツ波の伝播特性を、有限要素法電磁界シミュレータANSYS社HFSS Ver.14.1.1を用い解析した。解析結果を図１０Ａ〜図１０Ｆに示す。なお、図１０Ａにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は２７５ＧＨｚとされ、図１０Ｂにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は２８０ＧＨｚとされ、図１０Ｃにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は２８５ＧＨｚとされ、図１０Ｄにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は２９０ＧＨｚとされ、図１０Ｅにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は３００ＧＨｚとされ、図１０Ｆにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は４００ＧＨｚとされている。
図１０Ａ〜図１０Ｆにおいて、入射角θは４５°とされており、出射するテラヘルツ波の角度が法線２１ａより時計回りの角度とされている場合は、図９Ａに示すように正の屈折率になり、出射するテラヘルツ波の角度が法線２１ａより反時計回りの角度とされている場合は、図９Ａに示すように負の屈折率となる。図１０Ａ〜図１０Ｆを参照すると、図１０Ａ〜図１０Ｅの伝播特性では出射するテラヘルツ波の角度が法線２１ａより反時計回りの角度とされていることから、２７５ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの周波数帯において、プリズム２０は負の屈折率を呈していることが分かる。また、図１０Ｆに示す伝播特性では出射するテラヘルツ波の角度が法線２１ａより反時計回りの角度とされておらず、４００ＧＨｚにおいてはプリズム２０は負の屈折率を呈していないことが分かる。
図１０Ａ〜図１０Ｆにおいて、入射角θは４５°とされており、出射するテラヘルツ波の角度が法線２１ａより時計回りの角度とされている場合は、図９Ａに示すように正の屈折率になり、出射するテラヘルツ波の角度が法線２１ａより反時計回りの角度とされている場合は、図９Ａに示すように負の屈折率となる。図１０Ａ〜図１０Ｆを参照すると、図１０Ａ〜図１０Ｅの伝播特性では出射するテラヘルツ波の角度が法線２１ａより反時計回りの角度とされていることから、２７５ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの周波数帯において、プリズム２０は負の屈折率を呈していることが分かる。また、図１０Ｆに示す伝播特性では出射するテラヘルツ波の角度が法線２１ａより反時計回りの角度とされておらず、４００ＧＨｚにおいてはプリズム２０は負の屈折率を呈していないことが分かる。
次に、本発明にかかる第２実施例の単位アレーについて説明する。第２実施例の単位アレーは、図１に示す第１実施例の単位アレー１の構成と同様とされており、第１実施例の単位アレー１と解析パラメータが異なるようにされている。ここでは、第２実施例の単位アレーの構成の説明は省略する。第２実施例の単位アレーをテラヘルツ波帯に適用する場合の解析パラメータの一例を図１１に示す。この場合の、負の屈折利率が得られる目標とする周波数を０．３ＴＨｚとしている。図１１に示すように解析する際の解析パラメータは、上壁金属板１１および下壁金属板１２のＰｘが約７４μｍ、Ｐｚが約６０μｍとされ、平行平板の間隔（高さ）ｈが約１５９．５μｍとされる。この場合、平行平板からなるウェーブガイドの真空中のカットオフ周波数ｆｃは約０．９７ＴＨｚとなる。また、上壁金属板１１および下壁金属板１２の厚さｔが約０．２５μｍとされる。さらに、スパイラル状のマイクロコイル１０を構成する金属細線の直径ｒ３が約１０μｍ、金属細線を巻回する内径ｒ１が約３０μｍ、その外径ｒ２が約５０μｍとされる。
このような解析パラメータとされた第２実施例の単位アレーにおいて、電界成分Ｅが幅（ｘ軸）方向、磁界成分Ｈが高さ（ｙ軸）方向とされて長さ（ｚ軸）方向に進行するＴＥモードの入射波が入力された際に、第２実施例の単位アレーをｚ軸方向に伝播して出力される透過波の透過係数Ｓ２１と、反射する反射波の反射係数Ｓ１１との周波数特性を解析した。解析は有限要素法電磁界シミュレータANSYS社HFSS Ver.14.1.1を用いた。解析結果である図１２の透過電力の周波数特性を参照すると、カットオフ周波数ｆｃより低い約０．２５５ＴＨｚにおいて、破線で示す透過係数Ｓ２１がほぼ１００％となって第２実施例の単位アレーをＴＥモードの入射波がほぼ透過するようになるが、上記の周波数を中心とする所定範囲を除く０．２ＴＨｚ〜０．３ＴＨｚにおいては、実線で示す反射係数Ｓ１１がほぼ１００％となってほぼ全てが反射するようになる。
また、上記解析パラメータとされた際の第２実施例の単位アレーの屈折率ｎの周波数特性の解析結果を図１３に示す。図１３を参照すると、実線で示す屈折率ｎの実部（Ｒｅ（ｎ））は、０．２ＴＨｚ〜約０．２３７ＴＨｚにおいてはほぼ０となる。そして、約０．２３７ＴＨｚで急激に下降し約０．２３７ＴＨｚ〜約０．２６３ＴＨｚの範囲で約−０．００４〜−０．０１２の負となるが、この範囲における約０．２５９ＴＨｚ〜約０．２６０ＴＨｚの範囲で約＋０．００７の正となる。そして、約０．２６３ＴＨｚにおいて急激に上昇して＋０．０４の正となり、約０．２７１ＴＨｚ〜約０．３ＴＨｚにおいて０となる。
破線で示す屈折率ｎの虚部（Ｉｍ（ｎ）））は０．２ＴＨｚにおいて約＋０．０１の正となり、約０．２３７ＴＨｚにおいて急激に上昇して約＋０．０３２の正となる。約０．２３７ＴＨｚを超えると急激に下降して約０．２５２ＴＨｚにおいて０となる。そして、約０．２５２ＴＨｚ〜約０．２７２ＴＨｚまでは０となり、約０．２７２ＴＨｚを超えると０〜＋０．０３の正となる。
すなわち、第２実施例の単位アレーは、約０．２３７ＴＨｚ〜約０．２５９ＴＨｚまでの周波数範囲、および、約０．２６０ＴＨｚ〜約０．２６３ＴＨｚまでの周波数範囲において負の屈折率ｎとなることがわかる。
破線で示す屈折率ｎの虚部（Ｉｍ（ｎ）））は０．２ＴＨｚにおいて約＋０．０１の正となり、約０．２３７ＴＨｚにおいて急激に上昇して約＋０．０３２の正となる。約０．２３７ＴＨｚを超えると急激に下降して約０．２５２ＴＨｚにおいて０となる。そして、約０．２５２ＴＨｚ〜約０．２７２ＴＨｚまでは０となり、約０．２７２ＴＨｚを超えると０〜＋０．０３の正となる。
すなわち、第２実施例の単位アレーは、約０．２３７ＴＨｚ〜約０．２５９ＴＨｚまでの周波数範囲、および、約０．２６０ＴＨｚ〜約０．２６３ＴＨｚまでの周波数範囲において負の屈折率ｎとなることがわかる。
上記解析パラメータとされた際の第２実施例の単位アレーの比誘電率εの周波数特性の解析結果を図１４に示す。図１４を参照すると、実線で示す比誘電率εの実部（Ｒｅ（ε））は約０．２ＴＨｚにおいて約−０．２３の負となり周波数が上がるに従い次第に上昇するが約０．２３８ＴＨｚで約−０．５の負に急激に下降する。そして、約０．２３８ＴＨｚを超えると急激に上昇し約０．２５３ＴＨｚにおいて０となる。約０．２５３ＴＨｚを超えると約−０．９の負まで下降し、その負の値が約０．３ＴＨｚまでほぼ維持される。
破線で示す比誘電率εの虚部（Ｉｍ（ε））は０．２ＴＨｚ〜０．２３８ＴＨｚまでは０となり、約０．２３８ＴＨｚにおいて急激に下降して約−０．１８の負となる。約０．２３８ＴＨｚを超えると急激に上昇して約０．２５３ＴＨｚにおいて０となる。そして、約０．２５３ＴＨｚ〜約０．３ＴＨｚまでは０となる。
すなわち、第２実施例の単位アレーは、約０．２５３ＴＨｚを除く約０．２ＴＨｚ〜約０．３ＴＨｚまでの周波数範囲において負の比誘電率εとなることがわかる。
破線で示す比誘電率εの虚部（Ｉｍ（ε））は０．２ＴＨｚ〜０．２３８ＴＨｚまでは０となり、約０．２３８ＴＨｚにおいて急激に下降して約−０．１８の負となる。約０．２３８ＴＨｚを超えると急激に上昇して約０．２５３ＴＨｚにおいて０となる。そして、約０．２５３ＴＨｚ〜約０．３ＴＨｚまでは０となる。
すなわち、第２実施例の単位アレーは、約０．２５３ＴＨｚを除く約０．２ＴＨｚ〜約０．３ＴＨｚまでの周波数範囲において負の比誘電率εとなることがわかる。
上記解析パラメータとされた際の第２実施例の単位アレーの比透磁率μの周波数特性の解析結果を図１５に示す。図１５を参照すると、実線で示す比透磁率μの実部（Ｒｅ（μ））は約０．２ＴＨｚ〜約０．２５３Ｈｚまでは０〜約＋０．００３の正となるが、約０．２５３ＴＨｚを超えると急激に下降し約−０．０１８の負となる。そして、約０．２５３ＴＨｚを超えると急激に上昇して０となり、その０の値が約０．３ＴＨｚまでほぼ維持される。
破線で示す比透磁率μの虚部（Ｉｍ（μ））は０．２ＴＨｚ〜０．２３７ＴＨｚまでは０となり、約０．２３７ＴＨｚにおいて若干上昇して約＋０．００１の正となる。約０．２３７ＴＨｚを超えると緩慢に上昇するが、約０．２５４ＴＨｚにおいて急激に上昇して約＋０．０１３の正となる。そして、約０．２５４ＴＨｚを超えると急激に下降して０となり、その０の値が約０．３ＴＨｚまでほぼ維持される。
すなわち、第２実施例の単位アレーは、約０．２５３ＴＨｚにおいて負の比透磁率μとなることがわかる。
破線で示す比透磁率μの虚部（Ｉｍ（μ））は０．２ＴＨｚ〜０．２３７ＴＨｚまでは０となり、約０．２３７ＴＨｚにおいて若干上昇して約＋０．００１の正となる。約０．２３７ＴＨｚを超えると緩慢に上昇するが、約０．２５４ＴＨｚにおいて急激に上昇して約＋０．０１３の正となる。そして、約０．２５４ＴＨｚを超えると急激に下降して０となり、その０の値が約０．３ＴＨｚまでほぼ維持される。
すなわち、第２実施例の単位アレーは、約０．２５３ＴＨｚにおいて負の比透磁率μとなることがわかる。
上記解析パラメータとされた際の第２実施例の単位アレーの周波数に対する波数の解析結果を図１６に示す。図１６を参照すると、波数は０．２ＴＨｚ〜０．２４ＴＨｚまでは０となり、約０．２４ＴＨｚを超えると急激に上昇して波数は約６１となり、この波数の値が約０．２５７ＴＨｚまでは維持される。約０．２５７ＴＨｚを超えると波数は急激に下降し約０．２７５ＴＨｚにおいて０となる。
すなわち、第２実施例の単位アレーは、約０．２４ＴＨｚ〜約０．２７５ＴＨｚにおいて解像度を高めることができることがわかる。
すなわち、第２実施例の単位アレーは、約０．２４ＴＨｚ〜約０．２７５ＴＨｚにおいて解像度を高めることができることがわかる。
次に、本発明にかかる第２実施例の単位アレーを利用したプリズム３０は、第１実施例の単位アレー１に替えて第２実施例の単位アレーを用いた金属スリットアレー３を備える構成とされ、プリズム３０の構成は図９Ａに示すプリズム２０と同様となり、金属スリットアレー３の構成は図９Ｂに示す金属スリットアレー２と同様となる。そこで、プリズム３０および金属スリットアレー３の説明は省略する。
このプリズム３０において負の屈折利率が得られる目標とする周波数を０．３ＴＨｚとした時の解析パラメータを図１７に示す。図１７に示す解析パラメータでは、入射角θが３９°、金属スリットアレー２の幅ａが３７０μｍ、その一面から斜面までの長い方の長さｂが３２０．７μｍ、その短い方の長さｄが４５μｍ、第２実施例の単位アレーを行方向および列方向に配置する所定間隔ｃが６２μｍ、第２領域２２の長さｓが４００μｍとされている。この解析パラメータにおいて、第２実施例の単位アレーが行方向に最大５個配列できる寸法とされている理由は、上述した通りである。
このプリズム３０において負の屈折利率が得られる目標とする周波数を０．３ＴＨｚとした時の解析パラメータを図１７に示す。図１７に示す解析パラメータでは、入射角θが３９°、金属スリットアレー２の幅ａが３７０μｍ、その一面から斜面までの長い方の長さｂが３２０．７μｍ、その短い方の長さｄが４５μｍ、第２実施例の単位アレーを行方向および列方向に配置する所定間隔ｃが６２μｍ、第２領域２２の長さｓが４００μｍとされている。この解析パラメータにおいて、第２実施例の単位アレーが行方向に最大５個配列できる寸法とされている理由は、上述した通りである。
この第２実施例の単位アレーからなる金属スリットアレー３を利用するプリズム３０におけるテラヘルツ波の伝播特性を、有限要素法電磁界シミュレータANSYS社HFSS Ver.14.1.1を用い解析した。解析結果を図１８Ａ〜図１８Ｃに示す。なお、図１８Ａにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は２７０ＧＨｚとされ、図１８Ｂにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は２７５ＧＨｚとされ、図１８Ｃにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は２８０ＧＨｚとされている。
図１８Ａ〜図１８Ｃにおいて、入射角θは３９°とされており、出射するテラヘルツ波の角度が法線３１ａより時計回りの角度とされている場合は、正の屈折率になり、出射するテラヘルツ波の角度が法線３１ａより反時計回りの角度とされている場合は、負の屈折率となる。図１８Ａ〜図１８Ｃを参照すると、図１８Ａ〜図１８Ｃの伝播特性では出射するテラヘルツ波の角度が法線３１ａより反時計回りの角度とされていることから、２７０ＧＨｚ〜２８０ＧＨｚの周波数帯においてはプリズム３０は負の屈折率を呈していることが分かる。
図１８Ａ〜図１８Ｃにおいて、入射角θは３９°とされており、出射するテラヘルツ波の角度が法線３１ａより時計回りの角度とされている場合は、正の屈折率になり、出射するテラヘルツ波の角度が法線３１ａより反時計回りの角度とされている場合は、負の屈折率となる。図１８Ａ〜図１８Ｃを参照すると、図１８Ａ〜図１８Ｃの伝播特性では出射するテラヘルツ波の角度が法線３１ａより反時計回りの角度とされていることから、２７０ＧＨｚ〜２８０ＧＨｚの周波数帯においてはプリズム３０は負の屈折率を呈していることが分かる。
さらに、本発明にかかる第３実施例の単位アレーについて説明する。第３実施例の単位アレーは、図１に示す第１実施例の単位アレー１の構成と同様とされており、第１実施例の単位アレー１および第２実施例の単位アレーと解析パラメータが異なるようにされている。ここでは、第３実施例の単位アレーの構成の説明は省略する。第３実施例の単位アレーをテラヘルツ波帯に適用する場合の解析パラメータの一例を図１９に示す。この場合の、負の屈折利率が得られる目標とする周波数を０．３ＴＨｚとしている。図１９に示すように解析する際の解析パラメータは、上壁金属板１１および下壁金属板１２のＰｘが約６９．１μｍ、Ｐｚが約５６μｍとされ、平行平板の間隔（高さ）ｈが約１４８．８μｍとされる。この場合、平行平板からなるウェーブガイドの真空中のカットオフ周波数ｆｃは約１．０１ＴＨｚとなる。また、上壁金属板１１および下壁金属板１２の厚さｔが約０．２５μｍとされる。さらに、スパイラル状のマイクロコイル１０を構成する金属細線の直径ｒ３が約９．４μｍ、金属細線を巻回する内径ｒ１が約２８μｍ、その外径ｒ２が約４６．８μｍとされる。
このような解析パラメータとされた第３実施例の単位アレーにおいて、電界成分Ｅが幅（ｘ軸）方向、磁界成分Ｈが高さ（ｙ軸）方向とされて長さ（ｚ軸）方向に進行するＴＥモードの入射波が入力された際に、第３実施例の単位アレーをｚ軸方向に伝播して出力される透過波の透過係数Ｓ２１と、反射する反射波の反射係数Ｓ１１との周波数特性を解析した。解析は有限要素法電磁界シミュレータANSYS社HFSS Ver.14.1.1を用いた。解析結果である図２０の透過電力の周波数特性を参照すると、カットオフ周波数ｆｃより低い約０．２７ＴＨｚおよび約０．７９ＴＨｚにおいて、破線で示す透過係数Ｓ２１がほぼ１００％となって第３実施例の単位アレーをＴＥモードの入射波がほぼ透過するようになるが、上記の周波数を中心とする所定範囲を除く０．２ＴＨｚ〜１．０ＴＨｚにおいては、実線で示す反射係数Ｓ１１がほぼ１００％となってほぼ全てが反射するようになる。
また、上記解析パラメータとされた際の第３実施例の単位アレーの屈折率ｎの周波数特性の解析結果を図２１に示す。図２１を参照すると、実線で示す屈折率ｎの実部（Ｒｅ（ｎ））は、０．２ＴＨｚ〜約０．２０５ＴＨｚにおいてはほぼ０となる。そして、約０．２０５ＴＨｚで急激に下降し約０．２０５ＴＨｚ〜約０．２６５ＴＨｚの範囲で約−４〜−１２の負となるが、この範囲における約０．２５５ＴＨｚ〜約０．２６０ＴＨｚの範囲で約＋６〜＋７の正となる。そして、約０．２６５ＴＨｚにおいて急激に上昇して＋４の正となり、約０．２８ＴＨｚ〜約０．４ＴＨｚにおいて０となる。
破線で示す屈折率ｎの虚部（Ｉｍ（ｎ））は０．２ＴＨｚにおいて約＋１０の正となり、約０．２０５ＴＨｚにおいて急激に上昇して約＋２８の正となる。約０．２０５ＴＨｚを超えると急激に下降して約０．２４ＴＨｚにおいて０となる。そして、約０．２４ＴＨｚ〜約０．２８ＴＨｚまでは０となり、約０．２８ＴＨｚを超えると０〜＋９の正となる。
すなわち、第３実施例の単位アレーは、約０．２０５ＴＨｚ〜約０．２５ＴＨｚまでの周波数範囲、および、約０．２６ＴＨｚ〜約０．２６５ＴＨｚまでの周波数範囲において負の屈折率ｎとなることがわかる。
破線で示す屈折率ｎの虚部（Ｉｍ（ｎ））は０．２ＴＨｚにおいて約＋１０の正となり、約０．２０５ＴＨｚにおいて急激に上昇して約＋２８の正となる。約０．２０５ＴＨｚを超えると急激に下降して約０．２４ＴＨｚにおいて０となる。そして、約０．２４ＴＨｚ〜約０．２８ＴＨｚまでは０となり、約０．２８ＴＨｚを超えると０〜＋９の正となる。
すなわち、第３実施例の単位アレーは、約０．２０５ＴＨｚ〜約０．２５ＴＨｚまでの周波数範囲、および、約０．２６ＴＨｚ〜約０．２６５ＴＨｚまでの周波数範囲において負の屈折率ｎとなることがわかる。
上記解析パラメータとされた際の第３実施例の単位アレーの比誘電率εの周波数特性の解析結果を図２２に示す。図２２を参照すると、実線で示す比誘電率εの実部（Ｒｅ（ε））は約０．２ＴＨｚにおいて約−３１０の負となり周波数が上がるに従い次第に上昇するが約０．２５５ＴＨｚで約−５５０の負に急激に下降する。そして、約０．２５５ＴＨｚを超えると急激に上昇し約０．２７ＴＨｚにおいて０となる。約０．２７ＴＨｚを超えると約−１００の負まで下降し、その負の値が約０．３５ＴＨｚまでほぼ維持される。
破線で示す比誘電率εの虚部（Ｉｍ（ε））は０．２ＴＨｚ〜０．２５５ＴＨｚまでは０となり、約０．２５５ＴＨｚにおいて急激に下降して約−２１０の負となる。約０．２５５ＴＨｚを超えると急激に下降して約０．２７ＴＨｚにおいて０となる。そして、約０．２７ＴＨｚ〜約０．３５ＴＨｚまでは０となる。
すなわち、第３実施例の単位アレーは、約０．２７ＴＨｚを除く約０．２ＴＨｚ〜約０．３５ＴＨｚまでの周波数範囲において負の比誘電率εとなることがわかる。
破線で示す比誘電率εの虚部（Ｉｍ（ε））は０．２ＴＨｚ〜０．２５５ＴＨｚまでは０となり、約０．２５５ＴＨｚにおいて急激に下降して約−２１０の負となる。約０．２５５ＴＨｚを超えると急激に下降して約０．２７ＴＨｚにおいて０となる。そして、約０．２７ＴＨｚ〜約０．３５ＴＨｚまでは０となる。
すなわち、第３実施例の単位アレーは、約０．２７ＴＨｚを除く約０．２ＴＨｚ〜約０．３５ＴＨｚまでの周波数範囲において負の比誘電率εとなることがわかる。
上記解析パラメータとされた際の第３実施例の単位アレーの比透磁率μの周波数特性の解析結果を図２３に示す。図２３を参照すると、実線で示す比透磁率μの実部（Ｒｅ（μ））は約０．２ＴＨｚ〜約０．２７３Ｈｚまでは０〜約＋１．５の正となるが、約０．２７３ＴＨｚを超えると急激に下降し約−１．９の負となる。そして、約０．２７３ＴＨｚを超えると急激に上昇して０となり、その０の値が約０．３５ＴＨｚまでほぼ維持される。
破線で示す比透磁率μの虚部（Ｉｍ（μ））は０．２ＴＨｚ〜０．２５１ＴＨｚまでは０となり、約０．２５１ＴＨｚにおいて若干上昇して約＋０．７の正となる。約０．２５１ＴＨｚを超えると緩慢に上昇するが、約０．２７２ＴＨｚにおいて急激に上昇して約＋４．６の正となる。そして、約０．２７２ＴＨｚを超えると急激に下降して０となり、ほぼ０の値が約０．３５ＴＨｚまでほぼ維持される。
すなわち、第３実施例の単位アレーは、約０．２７３ＴＨｚにおいて負の比透磁率μとなることがわかる。
破線で示す比透磁率μの虚部（Ｉｍ（μ））は０．２ＴＨｚ〜０．２５１ＴＨｚまでは０となり、約０．２５１ＴＨｚにおいて若干上昇して約＋０．７の正となる。約０．２５１ＴＨｚを超えると緩慢に上昇するが、約０．２７２ＴＨｚにおいて急激に上昇して約＋４．６の正となる。そして、約０．２７２ＴＨｚを超えると急激に下降して０となり、ほぼ０の値が約０．３５ＴＨｚまでほぼ維持される。
すなわち、第３実施例の単位アレーは、約０．２７３ＴＨｚにおいて負の比透磁率μとなることがわかる。
上記解析パラメータとされた際の第３実施例の単位アレーの周波数に対する波数の解析結果を図２４に示す。図２４を参照すると、波数は０．２ＴＨｚ〜０．２５２ＴＨｚまでは０となり、約０．２５２ＴＨｚを超えると急激に上昇して波数は約６２となり、この波数の値が約０．２７３ＴＨｚまでは維持される。約０．２７３ＴＨｚを超えると波数は急激に下降し約０．２９４ＴＨｚにおいて０となる。
すなわち、第３実施例の単位アレーは、約０．２５２ＴＨｚ〜約０．２９４ＴＨｚにおいて解像度を高めることができることがわかる。
すなわち、第３実施例の単位アレーは、約０．２５２ＴＨｚ〜約０．２９４ＴＨｚにおいて解像度を高めることができることがわかる。
上記解析パラメータとされた際の第３実施例の単位アレーの透過電力の周波数特性において、一部の周波数帯域だけを拡大して図２５に示す。図２５の解析結果を参照すると、カットオフ周波数ｆｃより低い約０．２７２ＴＨｚにおいて、破線で示す透過係数Ｓ２１が約９６％となって第３実施例の単位アレーをＴＥモードの入射波がほぼ透過するようになる。なお、透過係数Ｓ２１は約０．２７ＴＨｚにおいて約１０％となり約０．２７２ＴＨｚにおいて約９６％まで急激に上昇する。また、約０．２７４５ＴＨｚにおいて透過係数Ｓ２１は約１０％となり、約０．２７２ＴＨｚの約９６％から急激に下降することが分かる。
次に、本発明にかかる第３実施例の単位アレーを利用したプリズム６０は、第１実施例の単位アレー１に替えて第３実施例の単位アレーを用いた金属スリットアレー６を備える構成とされ、プリズム６０の構成は図９Ａに示すプリズム２０と同様となり、金属スリットアレー６の構成は図９Ｂに示す金属スリットアレー２と同様となる。そこで、プリズム６０および金属スリットアレー６の説明は省略する。
このプリズム６０において負の屈折利率が得られる目標とする周波数を０．３ＴＨｚとした時の解析パラメータを図２６に示す。図２６に示す解析パラメータでは、入射角θが３９°、金属スリットアレー２の幅ａが３４５．５μｍ、その一面から斜面までの長い方の長さｂが２８９．６μｍ、その短い方の長さｄが３７．５μｍ、第３実施例の単位アレーを行方向および列方向に配置する所定間隔ｃが６２μｍ、第２領域２２の長さｓが３７３．３μｍとされている。この解析パラメータにおいて、第３実施例の単位アレーが行方向に最大５個配列できる寸法とされている理由は、上述した通りである。
このプリズム６０において負の屈折利率が得られる目標とする周波数を０．３ＴＨｚとした時の解析パラメータを図２６に示す。図２６に示す解析パラメータでは、入射角θが３９°、金属スリットアレー２の幅ａが３４５．５μｍ、その一面から斜面までの長い方の長さｂが２８９．６μｍ、その短い方の長さｄが３７．５μｍ、第３実施例の単位アレーを行方向および列方向に配置する所定間隔ｃが６２μｍ、第２領域２２の長さｓが３７３．３μｍとされている。この解析パラメータにおいて、第３実施例の単位アレーが行方向に最大５個配列できる寸法とされている理由は、上述した通りである。
この第３実施例の単位アレーからなる金属スリットアレー６を利用するプリズム６０におけるテラヘルツ波の伝播特性を、有限要素法電磁界シミュレータANSYS社HFSS Ver.14.1.1を用い解析した。解析結果を図２７Ａ〜図２７Ｊに示す。なお、図２７Ａにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は２８０ＧＨｚとされ、図２７Ｂにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は２９０ＧＨｚとされ、図２７Ｃにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は３００ＧＨｚとされ、図２７Ｄにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は３１０ＧＨｚとされ、図２７Ｅにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は３２０ＧＨｚとされ、図２７Ｆにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は３５０ＧＨｚとされ、図２７Ｇにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は４００ＧＨｚとされ、図２７Ｈにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は６００ＧＨｚとされ、図２７Ｉにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は８００ＧＨｚとされ、図２７Ｊにおいて入射するテラヘルツ波の周波数は１０００ＧＨｚとされている。
図２７Ａ〜図２７Ｊにおいて、入射角θは３９°とされており、出射するテラヘルツ波の角度が法線６１ａより時計回りの角度とされている場合は、正の屈折率になり、出射するテラヘルツ波の角度が法線６１ａより反時計回りの角度とされている場合は、負の屈折率となる。図２７Ａ〜図２７Ｊを参照すると、図２７Ｂ〜図２７Ｄの伝播特性では出射するテラヘルツ波の角度が法線６１ａより反時計回りの角度とされていることから、２９０ＧＨｚ〜３１０ＧＨｚの周波数帯においてはプリズム６０は負の屈折率を呈していることが分かる。また、図２７Ｅ〜図２７Ｊの伝播特性では出射するテラヘルツ波の角度が法線２１ａより反時計回りの角度とされておらず、３２０ＧＨｚ〜４００ＧＨｚにおいてはプリズム６０は負の屈折率を呈していないことが分かる。なお、周波数が３００ＧＨｚとされた図２７Ｃに示す伝播特性では、約２５度の負の屈折角が得られており、この屈折角と屈折率の関係よりプリズム６０は負の屈折率ｎ＝−３．０を呈している。
以上説明した本発明の金属スリットアレーは、単位アレーにおけるカットオフ状態の平行平板で負の誘電率を実現し、マイクロコイルの共振により負の透磁率を実現することにより、テラヘルツ波帯において負の誘電率と負の透磁率を呈するメタマテリアルとして機能する。すなわち、平行平板による誘電率が負の誘電率を呈するテラヘルツ波帯の周波数において、マイクロコイルによる透磁率が負となるようにしている。この場合の金属スリットアレーは、使用するテラヘルツ波帯の波長に対して十分大きく、入射波の進行方向をｚ軸としたときにｘ軸方向およびy軸方向で無限周期構造となる。この無限周期構造においては、例えば、図１に示すｘ軸方向へ数十個から数百個程度の単位アレーを配列すると共に、ｙ軸方向に数十個から数百個程度の単位アレーを配列する。これにより、ｘｙ面の一平面上に配列された数百個から数万個の単位アレーからなるアレー群が構成され、このアレー群をｚ軸方向に数群から数十群程度並べることにより金属スリットアレーを構成することができる。この場合には、単位アレーが上下に積層されることになるが、この際には、上壁金属板とその上に隣接する単位アレーの下壁金属板（下壁金属板とその下に隣接する単位アレーの上壁金属板）とを、厚さを２倍とした１枚の金属板で構成するのが良い。ここで、上壁金属板および下壁金属板の厚さをｔとすると、１枚の金属板の厚さは２ｔとなる。さらに、各実施例の単位アレーでは、１つのマイクロコイルを装荷していたが、金属製の細長い平板状とされた上壁と、該上壁に所定間隔を持って対面するよう配置された金属製の細長い平板状とされた下壁とからなる平行平板を備え、該平行平板内に複数のマイクロコイルを一列に装荷するようにしても良い。
以上説明した本発明にかかる金属スリットアレーを利用すると、テラヘルツ波帯において負の屈折率を呈する平面状のレンズやプリズムを実現することができる。
以上説明した本発明にかかる金属スリットアレーを利用すると、テラヘルツ波帯において負の屈折率を呈する平面状のレンズやプリズムを実現することができる。
１ 単位アレー
２ 金属スリットアレー
３ 金属スリットアレー
６ 金属スリットアレー
１０ マイクロコイル
１１ 上壁金属板
１２ 下壁金属板
１３ 周期境界壁
２０ プリズム
２１ 第１領域
２１ａ 法線
２２ 第２領域
２３ ウェーブガイド
３０ プリズム
３１ａ 法線
６０ プリズム
６１ａ 法線
２ 金属スリットアレー
３ 金属スリットアレー
６ 金属スリットアレー
１０ マイクロコイル
１１ 上壁金属板
１２ 下壁金属板
１３ 周期境界壁
２０ プリズム
２１ 第１領域
２１ａ 法線
２２ 第２領域
２３ ウェーブガイド
３０ プリズム
３１ａ 法線
６０ プリズム
６１ａ 法線
Claims (2)
- 金属製の平板状とされた上壁と、該上壁に所定間隔を持って対面するよう配置された金属製の平板状とされた下壁とからなる平行平板と、該平行平板内に装荷されたマイクロコイルとからなる単位アレーを備え、
該単位アレーが、同じ平面内に所定間隔で複数配置されて金属スリットアレーが構成されており、
前記平行平板による誘電率が負の誘電率を呈するテラヘルツ波帯の周波数において、前記マイクロコイルによる透磁率が負となることを特徴とする金属スリットアレー。 - 前記テラヘルツ波帯の周波数の波長をλとしたときに、前記上壁と前記下壁の一辺の長さが約０．０６λ〜約０．０７λとされていることを特徴とする請求項１記載の金属スリットアレー。
Priority Applications (2)
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| JP2014174289A JP6333122B2 (ja) | 2014-08-28 | 2014-08-28 | 金属スリットアレー |
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2015
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Non-Patent Citations (1)
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| A.DECHANT ET AL.: ""Broadband double negative material from ferrite-loaded metallic waveguides"", ELECTRONICS LETTERS, vol. 42, no. 1, JPN6015039683, 5 January 2006 (2006-01-05), pages 4 - 5, XP006025798, ISSN: 0003777218, DOI: 10.1049/el:20063666 * |
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