JP6269008B2

JP6269008B2 - 電磁波−表面ポラリトン変換素子。

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Publication number: JP6269008B2
Application number: JP2013256633A
Authority: JP
Inventors: 晃太伊藤; 松井　崇行; 崇行松井; 英男飯塚
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
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Priority date: 2013-12-12
Filing date: 2013-12-12
Publication date: 2018-01-31
Anticipated expiration: 2033-12-12
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Description

本発明は、表面フォノンポラリトンや表面プラズモンポラリトンと、伝搬光との結合を利用した電磁波−表面ポラリトン変換素子に関する。表面フォノンポラリトンは、固体中の電気双極子と表面の電磁波とがカップリングした表面波をいい、表面プラズモンポラリトンとは表面電荷（自由電子）のプラズモンと表面の電磁波とがカップリングした表面波をいう。本発明は、特に、光源、熱マネジメントなどに応用される熱輻射制御や熱吸収制御用、特定方向への電磁波の放射及び特定方向からの電磁波の吸入を可能とした電磁波−表面ポラリトン変換素子に関する。本変換素子は、方向性を有した輻射冷却又は輻射加熱、又は、光源、光検出器などに応用可能である。

表面プラズモンポラリトンや表面フォノンポラリトンなどの表面ポラリトンと言われる表面波は、非線形光学効果の増強や、分子吸着の検出などで応用されている。近年、誘電率の実部がプラズマ周波数以下の周波数で負となる金属（Ａｕ、Ａｇ、Ａｌなど）や極性を有する誘電体（ＳｉＣ、ＳｉＯ₂など）の表面に回折格子を形成し、表面波と一定方向に回折する伝搬光を結合させて、特定波長による特定角度への熱輻射を実現する装置が提案されている。キルヒホッフの法則によれば、ある放射角、ある波長における輻射率は、その角度の入射角、その波長における光の吸収率に等しい。したがって、吸収率も、輻射率も同一の波長、角度特性を示す。

特許文献１は、放射光の波長以下の周期を有する回折格子をシリカ基板の表面にエッチンングにより形成して、波長９μｍ付近の光を選択的に熱輻射させる装置を開示している。その装置では、０°から６０°に及ぶ広範囲な熱輻射が実現されている。
特許文献２は、金基板の表面にシリコンとシリカから成るフォトニック結晶を積層し、熱輻射を制御した装置を開示している。その装置では、フォトニック結晶のバンド構造により、輻射波長と輻射角度の関係が制御されており、各波長毎に異なる放射角で強く輻射する特性が実現されている。

また、特許文献３は、基板上に導波路を設け、その導波路上に回折格子を設けた導波モード共鳴格子素子を開示している。その素子は、共鳴条件満たす特定の波長のみを選択的に反射する特性を有している。また、特許文献４は、特許文献３と同様な構造の波長選択フィルタやそのフィルタを用いた物質の屈折率を測定する方法を開示している。

非特許文献１には、図１８に示すように、ＳｉＣ基板の表面に所定の周期の凹凸構造による回折格子が形成された熱輻射源が開示されている。この熱輻射源では、基板表面に励起された表面フォノンポラリトンが回折格子により回折され、伝搬光として、所定の放射角で熱輻射される。輻射を起こす波長と輻射角度との関係は、表面フォノンポラリトンの分散特性と回折格子の周期により決定される。したがって、この熱輻射源は、図１９に示すように、波長１１．０４μｍ、１１．３６μｍ、１１．８６μｍの輻射率−輻射角特性５２１，５２２，５２３を、それぞれ、有し、各波長毎に異なる放射角で強く輻射される特性が実現されている。

非特許文献２は、ＳｉＣ基板の表面に比較的深いトレンチの周期構造を形成した熱輻射源を開示している。この熱輻射源は、トレンチをキャビティとして、各キャビティ間で共鳴させて表面波を励起させる熱源である。垂直方向に強く放射する特性が得られている。

ＷＯ２００６／１１７７８９Ａ２ＷＯ２００６／０８６１１７Ａ２特開２００６−３５０１２６特開２００９−２２９１９６

GREFFET J-J ET AL: "Coherent emission of light by thermal sources" NATURE, NATURE PUBLISHING GROUP, LONDON, GB LNKD-DO1:10.1038/416061A, vol. 416, no. 6876, 7 March 2002(2002-03-07), pages 61-64, XP002276869 ISSN: 0028-0836 Extraordinary Coherent Thermal Emission From SiC Due to Coupled Resonant Cavities, Nir Dahan, Avi, Gabriel Biener, Yuri Gorodetski, Vladimir Kleiner, Erez Hasman,J.of Heat Transfer NOVEMBER 2008,Vol.130

ところが、そのような表面波を用いた装置は、複数の波長、複数の角度において熱輻射を発生させる特性を有している。そのため、それらの装置では、熱輻射の放射角を制御して特定の方向だけに強く輻射して方向性輻射型冷却器として用いたり、特定の方向に存在する物体だけを温める方向性輻射型加熱器として用いることは困難である。また、センサ用の光源を考えた場合、センシング対象への影響を最小限とするために、特定の波長の光を特定の放射角でのみ強く放射させたい、すなわち、急峻な波長選択性と、急峻な放射角特性を得たいという要求が考えられる。また、受光器についても同様である。しかし、上記の従来の装置をそのような用途に用いることは困難である。

そこで、本発明の目的は、急峻な波長選択性と急峻な放射角又は入射角選択性を有した電磁波−表面ポラリトン変換素子を実現することである。

本発明は、電磁波と表面ポラリトンとの変換を可能とした電磁波−表面ポラリトン変換素子において、表面に表面ポラリトンを生成する基台と、電磁波を入射又は放射し、厚さ方向に垂直な少なくとも一つの第１方向に沿って、屈折率が周期的に変化する回折格子層と、基台と回折格子層との間に介在するスペーサ層とを有し、回折格子層とスペーサ層との界面にエバネッセント波が生成され、そのエバネッセント波と、基台の表面に生成された表面ポラリトンとを、スペーサ層内に存在する電磁波を介して共鳴させ、スペーサ層の厚さは、回折格子層とスペーサ層との第１界面と、基台とスペーサ層との第２界面との間で、回折格子層を透過した透過光が多重反射して、エバネッセント波が増幅される厚さに決定されていることを特徴とする電磁波−表面ポラリトン変換素子である。

本発明において、電磁波は、光を含む概念であり、特に、遠赤外から近赤外までの赤外領域の波長の光を含む概念である。また、表面ポラリトンは、表面プラズモンポラリトン、表面フォノンポラリトンの概念を含む表面波である。また、回折格子層は、屈折率の大きい第１領域と、第１領域より屈折率が小さい第２領域とから成る周期構造とすることが望ましい。スペーサ層の屈折率は、回折格子層の第１領域の屈折率よりも小さい。また、第２領域とスペーサ層とは、同一物質で構成されていても、別の物質で構成されていても良い。一般的には、空気、真空、第１領域よりも屈折率の小さい樹脂、その他の誘電体などである。

本発明においては、エバネッセント波の波数と表面ポラリトンの波数とを一致させることが望ましい。また、回折格子層の周期は、電磁波の所望の入射角又は放射角と周波数に対して、エバネッセント波の波数と表面ポラリトンの波数とが一致するように決定されていることが望ましい。これらの条件は、エバネッセント波と表面ポラリトンとの共鳴条件である。本発明においては、スペーサ層内に存在する電磁波により、エバネッセント波と表面ポラリトンとが結合して共鳴状態にあれば良い。この電磁波は、スペーサ層内に存在するエバネッセント波、回折格子層を透過した電磁波を含む。したがって、スペーサ層の厚さは、スペーサ層内を多重反射する電磁波によりエバネッセント波が増幅されるように決定されていることが望ましい。

エバッネセント波や表面ポラリトンを励起させるためには、電磁波の電界が、回折格子層の周期性のある方向の成分を有することが必要である。周期性のある方向の電界成分を有さない電磁波では、エバッネセント波や表面ポラリトンを励起させることができない。そこで、回折格子層は、第１方向と異なる方向にも、屈折率が周期的に変化する２次元周期構造としても良い。このように構成すると、偏光と入射角に対する設計の自由度が向上する。

また、回折格子層は、屈折率の大きい第１領域と、第１領域より屈折率が小さい第２領域とから成る周期構造とすることが望ましい。また、回折格子の１周期は、周期構造の配列の向きに沿って、第１領域、第２領域、第３領域及び第４領域が配列された構造であり、第３領域の幅は第１領域の幅よりも広く、第４領域の幅は第２領域の幅よりも狭く、第２領域及び第４領域の屈折率は、第１領域及び第３領域の屈折率よりも小さい構造とすることもできる。そして、第１領域、第３領域には、シリコンや酸化チタンを用いることができ、これらの材料による膜をエッチングして第１領域と第２領域、又は、第１領域、第２領域、第３領域及び第４領域を形成することができる。また、シリコン膜を酸化シリコン膜を介して基台に貼り付けて、シリコン膜をエッチングして、第１領域と第２領域、又は、第１領域、第２領域、第３領域及び第４領域を形成した後に、他のエッチング液で酸化シリコンだけをエッチングすることで、回折格子層の下方にスペーサ層を形成することができる。

また、回折格子層の第１領域は、シリコン又は酸化チタンから成り、第２領域は真空、空気、その他の誘電体から成ることが望ましい。
また、回折格子層の第１領域及び第３領域は、シリコン又は酸化チタンから成り、第２領域及び第４領域は、真空、空気、その他の誘電体から成ることが望ましい。
スペーサ層は、真空、空気、二酸化ケイ素、その他の誘電体のうち少なくとも１種から成ることが望ましい。

本発明において、基台は極性誘電体であり、表面ポラリトンは、表面フォノンポラリトンとすることができる。
また、基台は、炭化ケイ素、二酸化ケイ素のうち少なくとも１種で構成しても良い。

また、基台は金属又は不純物の添加されたシリコンであり、表面ポラリトンは、表面プラズモンポラリトンとすることができる。本発明の電磁波−表面ポラリトンの変換の原理は、表面フォノンポラリトンであっても表面プラズモンポラリトンであっても同一であり、同一の用途に用いることができる。

本発明は、基台に接続された熱源を有し、回折格子層から赤外領域の特定波長の電磁波を特定の放射角又は入射角で放射又は吸収させる素子とすることができる。すなわち、特定方向のみを加熱する方向性輻射型加熱装置、特定方向のみに輻射して基台の温度を低下させる方向性輻射型冷却装置を実現することができる。

また、本発明は、基台の温度を検出する温度検出器を有し、回折格子層に対して特定の入射角度で入射する赤外領域の特定波長の電磁波を、温度検出器により検出する検出素子とすることができる。
また、本発明は、スペーサ層の厚さを変化できる可変手段を設けても良い。また、本発明は、スペーサ層を、誘電率を可変できる部材としても良い。例えば、液晶、圧電材料を用いて、印加電圧により誘電率を可変制御するようにしても良い。これらにより、輻射率や吸収率（反射率）を感度良く制御することができる。

本発明によると、回折格子層とスペーサ層との界面に電磁波により励起されるエバネッセント波と、スペーサ層と基台との界面に励起される表面ポラリトンとを、スペーサ層に存在する電磁波を介在させて、共鳴させているので、急峻な波長選択性と急峻な放射角又は入射角選択性を有した、放射効率又は吸収効率の高い電磁波−表面ポラリトン変換素子を実現することができる。また、スペーサ層の厚さや誘電率を電気的に制御することで、放射率や吸収率を感度良く制御することが可能となる。また、回折格子層を２次元配列の格子とすることで、偏光と入射角や放射角に対して、よりきめ細かい制御が可能となる。

本発明の具体的な実施例１に係る電磁波−表面ポラリトン変換素子の構造を示した断面図。実施例１の電磁波−表面ポラリトン変換素子の波長をパラメータとする輻射率の放射角依存性を示した特性図。実施例１の電磁波−表面ポラリトン変換素子の波長をパラメータとする輻射率の放射角依存性を０°付近の角度について拡大して示した特性図。実施例１の電磁波−表面ポラリトン変換素子の放射角をパラメータとする輻射率の波長依存性を示した特性図。実施例１の電磁波−表面ポラリトン変換素子の輻射率のスペーサ層の厚さ依存性を示した特性図。実施例１の電磁波−表面ポラリトン変換素子の表面ポラリトンの分散特性とエバネッセント波の分散特性との関係、共鳴状態にある角周波数と波数との関係を示した特性図。本発明の具体的な実施例２に係る電磁波−表面ポラリトン変換素子の構造を示した断面図。実施例２の電磁波−表面ポラリトン変換素子の波長をパラメータとする輻射率の放射角依存性を示した特性図。実施例２の電磁波−表面ポラリトン変換素子の波長をパラメータとする輻射率の放射角依存性を６０°付近の角度について拡大して示した特性図。実施例２の電磁波−表面ポラリトン変換素子の放射角をパラメータとする輻射率の波長依存性を示した特性図。本発明の具体的な実施例４に係る電磁波−表面ポラリトン変換素子を気体分光に応用した分光装置の構成図。本発明の具体的な実施例５に係る輻射率を制御できる電磁波−表面ポラリトン変換素子を示した構成図。本発明の具体的な実施例７に係る距離測定に応用した電磁波−表面ポラリトン変換素子の構成図。本発明の具体的な実施例８に係る電磁波−表面ポラリトン変換素子の構造を示した構成図。本発明の具体的な実施例８に係る電磁波−表面ポラリトン変換素子の構造を示した構成図。本発明の具体的な実施例９に係る電磁波−表面ポラリトン変換素子の構造を示した構成図。実施例９の電磁波−表面ポラリトン変換素子の輻射率の放射角依存性を示した特性図。従来例に係る輻射素子の構成図。従来例に係る輻射素子の波長パラメータとする輻射率の放射角依存性を示した特性図。

以下、本発明を具体的な実施例に基づいて説明する。本発明は、下記の実施例に限定されるものではない。

本発明の具体的な一実施例に係る電磁波−表面ポラリトン変換素子１０の構造を図１に示す。
炭化ケイ素（ＳｉＣ）から成る表面が長方形状の基板２に、スペーサ層３を介して、基板２と同一形状の回折格子層４が形成されている。スペーサ層３は厚さｔの空気層から成る。スペーサ層３の長方形の周囲は、枠形の保持部材１３で囲まれており、回折格子層４は、この保持部材１３により基板２の上に支持されている。回折格子層４は、基板２の主面１２に平行な第１軸であるｘ軸方向に、第１領域５と第２領域６とが繰り返して配列された周期構造から成る。第１領域５のｘ軸方向の幅Ｗ_Rは、第２領域６のｘ軸方向の幅Ｗ_Sよりも狭く、周期構造の１周期はｐである。第１領域５はシリコン（Ｓｉ）から成り、第２領域６は空気から成る。第１領域５の幅Ｗ_Rは５．７１μｍ、第２領域６の幅Ｗ_Sは６．１９μｍであり周期ｐは１１．９０μｍである。また、回折格子層４の厚さｈは１．０１μｍであり、スペーサ層３は厚さｔは３６．１５μｍである。

波長１２．１２μｍのｐ偏光（入射面に電界が平行、回折格子層の周期性の方向（第１方向）に平行）の入射光７を、回折格子層４の表面４ａに垂直に入射させると、回折格子層４とスペーサ層３との界面（回折格子層４の表面）１４上に、ｘ軸方向にのみ伝搬し、スペーサ層３の厚さ方向であるｚ軸方向には伝搬しないエバネッセント波が励起する。上記の入射角の場合、エバネッセント波は、ｐ偏光の光で高効率に励起できるので、入射光７にはｐ偏光が用いられる。このエバネッセント波は、基板２の表面１２上に励起し得る表面フォノンポラリトンの分散曲線上において、エバネセット波の波数と一致した波数の表面フォノンポラリトンを励起させる。回折格子層４を透過した０次の透過光１７は、表面１２上で反射されて回折格子層４とスペーサ層３との界面１４に入射し、エバネッセント波を励起させる一方、回折格子層４で垂直に反射される。結局、透過光１７はスペーサ層３の両側の界面１２、１４で多重反射を繰り返し、界面１４においてはエバネッセント波を励起させる。これにより、回折格子層４とスペーサ層３との界面１４において、エバネッセント波が増幅され、基板２とスペーサ層３との界面１２において、エバネッセント波と共鳴して表面フォノンポラリトンが増幅される。

このエバネッセント波と表面フォノンポラリトンとの増幅条件は、エバネッセント波の角周波数ω_e、ｘ軸方向の波数ｋ_exと、表面フォノンポラリトンの角周波数ω_h、ｘ軸方向の波数ｋ_hxとを、それぞれ、一致させ、且つ、スペーサ層３の内部で多重反射する透過光１７がエバネッセント波を増幅するように多重反射することである。これを満たす条件は、回折格子層４の周期ｐ、スペーサ層３の厚さｔ、第１領域５の幅Ｗ_Rと周期ｐとの比Ｗ_R／ｐを適正に設定することで実現できる。

図６に、空気中を伝搬する光の分散特性、エバネッセント波の分散特性、及び、表面フォノンポラリトンの分散特性との関係を示す。また、エバネッセント波の分散特性と表面フォノンポラリトンの分散特性の交点７２の付近の拡大図も示されている。図６の曲線７１は、基板２の表面１２上に励起される表面フォノンポラリトンの分散特性である。曲線７３は、回折格子層４とスペーサ層３との界面１４に励起されるエバネッセント波の分散特性である。表面フォノンポラリトンの分散特性は次式で表される。
ただし、ｋ_sphp、ωは、それぞれ、表面フォノンポラリトンの波数、角周波数である。ε_air、ε_SiC、は、それぞれ、スペーサ層３の材料である空気の誘電率、基台２の材料であるＳｉＣの誘電率である。ｃは光速である。
また、エバネッセント波の分散特性は、（２）式を満たすｋ_x、ωで表される。
ただし、ｈは、回折格子層４の厚さ、ｎは、回折格子層４の有効屈折率、ｍは、回折格子層４中のモードの次数、θ_cは、スペーサ層に対する回折格子層４における光の臨界角である。
エバネッセント波の分散特性７３と表面フォノンポラリトンの分散特性７１との交点７２は、共鳴角周波数ω_rと共鳴波数ｋ_xrを表している。また、共鳴波数ｋ_xrと回折格子層４の周期ｐとの関係は、（３）式を満たす。

エバネッセント波の分散特性７３と表面フォノンポラリトンの分散特性７１との交点７２の共鳴波数ｋ_xrから（３）式を満たすように、回折格子層４の周期ｐを決定することで、エバネッセント波と表面フォノンポラリトンとの共鳴条件を実現できる。

本実施例の電磁波−表面ポラリトン変換素子１０の回折格子層４の表面４ａに垂直にｐ偏光の入射光７を入射させた場合の電磁解解析によるシミュレーションによると、表面４ａでの反射率は０．０４以下、吸収率は０．９６以上となる。すわなち、入射光の９６％のエネルギーはエバネッセント波と表面フォノンポラリトンの励起に消費されたことを意味する。また、入射光７の波長と入射角を変化させて、電磁波−表面ポラリトン変換素子１０による吸収率の特性をシミュレーョンにより求めた。

本変換素子１０を熱輻射素子とする場合には、基板２を加熱すると基板２の表面に表面フォノンポラリトンが励起され、回折格子層４とスペーサ層３との界面１４にエバネッセント波を励起させる。この時に、エバネッセント波と表面フォノンポラリトンとが共鳴する時に、その共鳴角周期数ω_rの電磁波が回折格子層４の表面４ａから放射される。したがって、電磁波が本変換素子１０に入射する場合と、本変換素子１０から電磁波が放射される場合の原理は、同一で、原理に双方性がある。

また、キルヒホッフの定理により、吸収率は、基板２を加熱した場合に、回折格子層４の表面４ａから放射されるｐ偏光の放射光８の輻射率に等しい。よって、図２では、輻射率で特性が表現されている。図２は、波長をパラメータとした輻射率の放射角依存特性を示す。図３は放射角が０°付近における放射角方向の拡大図である。曲線２１、２２、２３は、それぞれ、放射光の波長が１２．００μｍ、１２．１２μｍ、１２．２４μｍの場合の輻射率の放射角依存特性を示している。波長１２．１２μｍでは、放射角０°において急峻に、輻射率が大きくなっている。放射角０°での輻射率は０．９６である。放射角０°において、他の波長の輻射率は０．０６程度であり、波長１２．１２μｍの輻射率が他の波長に比べて極めて大きい。輻射率の半値幅は０．４°であり、輻射率は極めて鋭敏な放射角依存性を有していることが分かる。他の波長では、輻射率は０．２以下であり、輻射率の放射角依存性は見られない。

また、図４は、放射角をパラメータとした輻射率の波長依存特性を示す。曲線４１、４２、４３は、それぞれ、放射角０°、１５°、３０°の方向における輻射率の波長依存特性を示している。放射角０°においては、輻射率の半値幅は０．０４μｍと狭く、輻射率は、極めて急峻な波長選択性を有していることが分かる。他の放射角では、輻射率は０．１以下であり、輻射率の波長選択性は見られない。

次に、波長λが１２．１２μｍ、入射角が０°において、スペーサ層３の厚さｔを変化させて、反射率（吸収率）を求めた。図５に、吸収率を輻射率として、厚さｔに対する依存特性を図５に示す。ピーク５１は、厚さｔが３６．１５μｍでの輻射率である。一方、谷５４は、厚さｔが３７．３μｍでの輻射率である。また、谷５５は、厚さｔが４３．４μｍでの輻射率である。谷５４と谷５５の間隔は約６．１μｍであり、λ／２に相当する。

すなわち、解析モデルは、回折格子層４の表面４a から光が入射した場合に基板２の表面１２に表面フォノンポラリトンを励起させるモデルである。スペーサ層３と回折格子層４との界面１４と、基板２とスペーサ層３との界面１２の間で、透過光１７は多重反射する。このとき、界面１２と界面１４とにおいて、スペーサ層３のある厚さｔで電界が最大となる。これにより、多重反射した透過光により増幅されたエバネッセント波と、界面１４での表面フォノンポラリトンが共鳴する。

実施例１の電磁波−表面ポラリトン変換素子１０は、スペーサ層３の厚さを適切に設定することで、エバネッセント波と表面フォノンポラリトンとの共鳴状態を生起させることができる。実施例１の構造における吸収率は、透過率より計算できる。透過した成分は、誘電率の虚部が有限であるＳｉＣから成る基板２に全て吸収されるとみなせるためである。各回折次数成分に対する透過率を成分とする透過率ベクトルＴは、（４）式により表すことができる。
ただし、Ｔ_dd ^SiCは、ＳｉＣの基板２の表面１２における＋ｚ軸の向き（下向き）に進行する電磁波の透過係数行列、Ｅは単位行列、Ｒ_du ^Gは回折格子層４とスペーサ層３との界面１４における−ｚ軸の向き（上向き）に進行する電磁波に対する反射係数行列、Ｒ_ud ^SiCは、基板２の表面１２における＋ｚ軸の向き（下向き）に進行する電磁波に対する反射係数行列、Ｔ_dd ^Gは、回折格子層４とスペーサ層３との界面１４における＋ｚ軸の向き（下向き）に進行する電磁波の透過係数行列、Ｉは入射光ベクトル、Γは、スペーサ層３を厚さｔだけ進行する時の電磁波の位相変化と振幅減衰を表す対角行列である。Γは、（５）式で表される行列である。
ただし、γ_mは、第ｍ次数の回折成分の電磁波のｚ軸方向（上下方向）の波数ベクトル、δ_mlは、クロネッカのデルタである。スペーサ層３の厚さｔが変化すると、Γの値が変化し、吸収率が変化する。（４）式の全吸収率を図５に示す。図５の点５１で示されるように、実施例１におけるスペーサ層３の厚さｔ＝３６．１５μｍにおいて、強い吸収が発生していることが分かる。
図５における吸収率の包絡線５３は、スペーサ層３において伝搬光が存在しないと仮定することによって得られる特性である。具体的には、（６）式を用いて１次のエバネッセント波の透過率Ｔ（１）が計算できる。
ここで、Ｔ_dEdE ^SiCは、ＳｉＣから成る基板２の表面１２での１次のエバネッセント波の透過効率、γ_eは１次のエバネッセント波のｚ軸方向（上下方向）の波数ベクトル、Ｔ_dEdP ^Gは、回折格子層４とスペーサ層３との界面１４における＋ｚ軸の向き（下向き）の伝搬光の1 次のエバネッセント波への透過効率、Ｒ_dEuE ^Gは、回折格子層３とスペーサ層３との界面１４における−ｚ軸の向き（上向き）の１次のエバネッセント波に対する反射効率、Ｒ_uEdE ^SiCは、基板２の表面１２における＋ｚ軸の向き（下向き）のエバネッセント波に対する反射効率である。（６）式のエバネッセント波の透過率Ｔ（１）（すなわち、輻射率）を表すと、図５の曲線５３となる。曲線５３に対して、実際の輻射率は、図５のように輻射率が極小をとる谷５４、５５、…が周期的に現れる。この現象は、回折格子層４とスペーサ層３との界面１４における−ｚ軸の向き（上向き）に進行する電磁波に対する反射係数行列Ｒ_du ^Gの非対角成分（次数結合）の存在により、スペーサ層３のある厚さｔにおいて、エバネッセント波が打ち消しあうためであると考えられる。その周期は、伝搬波の波長の半分に相当する値である。

本実施例の電磁波−表面ポラリトン変換素子１０は、回折格子層４の表面４ａに垂直に入射する所定波長の光を、基板２の表面１２に励起される表面フォノンポラリトンの大きさを検出することで、光の強度を測定する装置に用いることができる。表面フォノンポラリトンは基板２を加熱するので、基板２の温度を検出することで、垂直入射する特定波長の光だけを選別して、入射光の強度を測定することができる。また、表面フォノンポラリトンの大きさを直接する検出する方法により、入射光の強度を測定しても良い。また、本実施例の電磁波−表面ポラリトン変換素子１０は、基板２を加熱して、回折格子層４の表面４ａから垂直な方向にのみ特定波長だけの光を放射する光源や、熱源に用いることができる。また、本実施例では、基板２を炭化ケイ素として表面に表面フォノンポラリトンを励起させる素子について説明したが、基板２の全体、又は、基板２の表面をＡｇ、Ａｕ、Ａｌなどの金属として、表面プラズモンポラリトンを励起させる素子としても良い。

実施例２の電磁波−表面ポラリトン変換素子２０は、図７に示すように、回折格子層４に対して、入射角６０°で入射光７が入射する場合、又は、放射角６０°で放射光８が放射されるように設計された変換素子である。実施例１の素子１０と、構造は同一であり、同一機能を有する部分には同一符号が付されている。本実施例では、第１領域５の幅Ｗ_Rは２．６４μｍ、第２領域６の幅Ｗ_Sは３．９７μｍであり周期ｐは６．６１μｍである。また、回折格子層４の厚さｈは０．９１μｍであり、スペーサ層３の厚さｔは４４．８μｍである。入射光７又は放射光８の波長は１２．３９μｍであり、偏光はｐ偏光である。本実施例の電磁波−表面ポラリトン変換素子２０の原理は、実施例１の変換素子１０の原理と同一である。

入射光７の波長と入射角を変化させて、電磁波−表面ポラリトン変換素子２０による吸収率の特性をシミュレーョンにより求めた。なお、吸収率は、基板２を加熱した場合に、回折格子層４から放射されるｐ偏光の放射光８の輻射率に等しい。よって、図８では、輻射率で特性が表現されている。図８は、波長をパラメータとした輻射率の放射角依存特性を示す。図９は放射角が６０°付近における角度方向の拡大図である。曲線１１１、１１２、１１３は、それぞれ、放射光の波長が１２．３μｍ、１２．４μｍ、１２．５μｍの場合の輻射率の放射角依存特性を示している。波長１２．４μｍでは、放射角６１°において急峻に、輻射率が大きくなっている。放射角６１°での輻射率は０．９５である。放射角６１°において、他の波長の輻射率は０．９程度であり、波長１２．４μｍの輻射率が他の波長に比べて極めて大きい。輻射率の半値幅は０．２６°であり、輻射率は極めて鋭敏な放射角依存性を有していることが分かる。他の波長では、輻射率は０．２以下であり、輻射率の放射角依存性は見られない。

また、図１０は、放射角をパラメータとした輻射率の波長依存特性を示す。曲線１３１、１３２、１３３は、それぞれ、放射角３０°、４５°、６１°の方向における輻射率の波長依存特性を示している。放射角６１°においては、輻射率の半値幅は０．０２６μｍと狭く、輻射率は、極めて急峻な波長選択性を有していることが分かる。他の放射角度では、輻射率は０．０８以下であり、輻射率の波長選択性は見られない。

このように、本実施例２の電磁波−表面ポラリトン変換素子２０は、垂直以外の例えば、６０°の放射角、入射角に対して感度を有する電磁波−表面ポラリトン変換素子とすることができる。本実施例２の電磁波−表面ポラリトン変換素子２０も、実施例１の変換素子１０と同様に、特定波長、特定入射角での光を選択的に受光する受光素子や、特定波長の光を特定放射角に選択的に放射する光源、熱源、冷却、加熱装置に応用することができる。また、実施例１と同様に、基板２を炭化ケイ素として表面に表面フォノンポラリトンを励起させる素子について説明したが、基板２の全体、又は、基板２の表面をＡｇ、Ａｕ、Ａｌなどの金属として、表面プラズモンポラリトンを励起させる素子としても良い。

本実施例３の電磁波−表面ポラリトン変換素子は、図１に示された実施例１の変換素子と構造と原理は同一であり、寸法と基板２の材料が異なる。本実施例では、図１において、基板２はタングステンである。本実施例では、第１領域５の幅Ｗ_Rは０．４０μｍ、第２領域６の幅Ｗ_Sは１．１３６μｍであり周期ｐは１．５３６μｍである。また、回折格子層４の厚さｈは１．０μｍであり、スペーサ層３は厚さｔは４．６μｍである。この構造によると、入射光７又は放射光８の波長は、１．５５μｍの赤外光とすることができる。これにより、本電磁波−表面ポラリトン変換素子を発光素子、又は、受光素子とすることができる。

本実施例の電磁波−表面ポラリトン変換素子４０は、図１１に示すように構成されている。本実施例は変換素子４０をガス分光器に応用した例である。前述の実施例１の電磁波−表面ポラリトン変換素子１０が１列に配列されている。各電磁波−表面ポラリトン変換素子１０ａ，１０ｂ，…，１０ｎは、放射する電磁波の波長λ₁，λ₂，…，λ_nと、それぞれ異なるように、回折格子層４ａ，４ｂ，…，４ｎの周期ｐ、厚さｈ、第１領域の幅Ｗ₁，スペーサ層３ａ，３ｂ，…，３ｎの厚さｔが設計されている。そして、各素子１０ａ，１０ｂ，…，１０ｎの回折格子層４ａ，４ｂ，…，４ｎの表面に対向して、変換素子４０の両側の壁面に設けられた一対の窓２１４ａ、２１４ｂと連通するガスの流通路２１５を介して、受光素子アレイ２１６が配設されている。各受光素子２１６ａ，２１６ｂ，…，２１６ｎは、各回折格子層４ａ，４ｂ，…４ｎから放射されるそれぞれの波長λ₁，λ₂，…，λ_nの放射光を検出する素子である。

この変換素子４０によると、各受光素子２１６ａ，２１６ｂ，…，２１６ｎの出力により、ガスの吸収率−波長特性を測定することができる。この検出された吸収率スペクトルからガス成分を測定することができる。なお、各受光素子２１６ａ，２１６ｂ，…，２１６ｎは、実施例１の電磁波−表面ポラリトン変換素子１０を用いても良い。

本実施例の電磁波−表面ポラリトン変換素子５０は、輻射量を電気的に制御できる熱輻射器である。図１２に示されているように、基板２２１の中央部に、実施例１の電磁波−表面ポラリトン変換素子１０が形成されている。基板２２１と変換素子１０の基板２とは共通である。また、変換素子１０の回折格子層４は、可動板２２３の中央部に形成されている。回折格子層４と基板２２１との間がスペーサ層３である。可動板２２３は、リング状のダイヤフラム２２４ａ、２２４ｂにより、基板２２１に上下動可能に支持されている。変換素子１０の両側において、基板２２１と可動板２２３のそれぞれの対向面には、一対の電極２２５が設けられている。

この一対の電極２２５に電圧を印加して、静電力を発生させることで、可動板２２３を基板２２１に対して微小変位させることができる。すなわち、スペーサ層３の厚さｔを印加電圧の大きさにより制御できる。スペーサ層３の厚さを制御することで、図５に示す特性により輻射率を電気的に変化させることができる。すなわち、熱輻射量を制御することができる。たとえば、図５の特性から明らかなように、スペーサ層３の厚さｔを、３６．１５μｍから、３７．３μｍだけ変化させるだけで、輻射率を９６％から３％まで変調することができる。

したがって、基板２２１の温度を変化させることなく、熱輻射量を高速で変化させることができる。これにより、基板２２１を物体に設けて、放射光の強度が最大となるようにスペーサ層３の厚さをフィードバック制御すれば、一対の電極２２５に印加される電圧の大きさにより、物体の変位を検出することができる。なお、スペーサ層３の厚さｔを制御するために、一対の電極２２３間にかかる静電力を用いたが、圧電素子、磁気コイル、空気圧など、電気、磁気、流体圧などを用いて、スペーサ層３の厚さｔを制御しても良い。また、輻射率は急峻な放射角依存性を有しているので、基板２の表面の法線に対して、回折格子層４の表面の法線方向を制御することで、輻射率を制御するようにしても良い。
また、スペーサ層３の厚さｔを機械的に変化させる代わりに、スペーサ層３を液晶や圧電材料で構成して、印加電圧を制御することで、スペーサ層３の誘電率を変化させても良い。スペーサ層３内に存在する電磁波のｚ軸方向の波数を電圧により変化させることができるので、輻射率の高速かつ高感度の変化を実現することができる。

実施例１、２の電磁波−表面ポラリトン変換素子１０、２０は、光検出器として用いることができる。特定波長及び特定の方向から入射した光のみを基板２の温度で測定する光検出器とすることができる。

本実施例の電磁波−表面ポラリトン変換素子７０は、図１３に示されているように、実施例５の変換素子５０と実施例６の変換素子５０ａ，５０ｂを用いた距離測定器である。電気的に輻射率を制御できる実施例５の電磁波−表面ポラリトン変換素子５０が送信器として用いられる。電磁波−表面ポラリトン変換素子５０の基板２２１はヒータ２３３により加熱されている。そして、所定周期の矩形波の電圧が、電磁波−表面ポラリトン変換素子５０の一対の電極２２５（図１２）に印加される。これにより、放射光２３７は矩形波で変調された光となる。この光は測定物体２３６で反射されて、一対の電磁波−表面ポラリトン変換素子５０ａ、５０ｂに入力する。この変換素子５０ａ、５０ｂの構造は、実施例５の電磁波−表面ポラリトン変換素子５０と同一である（実施例６の変換素子）。この変換素子５０ａ、５０ｂの基板２２１の裏面には、サーモパイル２３４ａ、２３４ｂが、それぞれ、貼付されている。

また、この変換素子５０ａの一対の電極２２５（図１２）には、変換素子５０に印加されている矩形波電圧と同相の電圧が印加され、変換素子５０ｂの一対の電極２２５には、変換素子５０に印加されている矩形波電圧と逆相の電圧が印加されている。変換素子５０ａは、印加電圧がＨレベルの時に光を高感度で検出することができる。したがって、印加電圧のＨレベルの期間と受信光がＨレベルの期間とが重なった期間（ＡＮＤ出力）において、基板の２の表面に表面フォノンポラリトンが励起されることになる。すなわち、表面フォノンポラリトンの励起期間は、本距離測定器から物体２３６までの往復距離に要する光の走行時間に比例して減少するデューティ比により決定されるＨレベル期間となる。したがって、変換素子５０ａにおける上記デューティ比は、往復距離に比例して減少することになる。また、変換素子５０ｂも同様であるが、変換素子５０ｂへの印加電圧は、変換素子５０に印加されている矩形波電圧に対して、１／２周期だけ遅れているので、変換素子５０ｂにおける上記上記デューティ比は、往復距離に比例して増加する。このことから、変換素子５０ａのサーモパイル２３４ａと、変換素子５０ｂのサーモパイル２３４ｂにより電圧を測定することで、駆動信号の１周期の遅延時間に相当する往復距離の範囲において、物体２３６に対する距離を測定することができる。

本実施例の電磁波−表面ポラリトン変換素子８０は、図１４に示されているように、回折格子層４の周期構造を第１方向のｘ軸方向と第２方向のｙ軸方向との２次元配列とした変換素子である。基板２の材料はＳｉＣ、回折格子層４の材料はＳｉであり、実施例１と同一である。回折格子層４は第２領域である正方形状の穴６が、正方格子に配列された周期構造である。穴６以外のＳｉから成る領域が第１領域５である。ｘ軸方向の断面図は、図１と同一である。図１４において、第１方向のｘ軸、第２方向のｙ軸について、同一の周期ｐは１１．９μｍ、第２領域である正方形の穴６の１辺は５．６μｍ、回折格子層４（Ｓｉ層）の厚さｈは、０．５４μｍ、スペーサ層３の厚さは５．５７μｍである。この構造の場合には、波長１２．１２μｍの垂直入射の光に対して、エバネッセント波とそのエバネセント波に共鳴した表面フォノンポラリトンを励起させることができる。

また、図１５に示されているように、回折格子層４は第２領域である円形の穴６が、六方格子に配列された周期構造とすることができる。基板２の材料はＳｉＣ、回折格子層４の材料はＳｉであり、実施例１と同一である。穴６以外の領域が第１領域５（Ｓｉ）であり、図１５の第１方向であるｘ軸方向の断面は図１と同一である。図１５において、６０°間隔の動径方向の周期ｐは１１．９μｍ、第２領域の穴６の直径は７．０μｍ、回折格子層４（Ｓｉ層）の厚さは０．６２μｍ、スペーサ層３の厚さは５．５０μｍである。穴６以外の領域が第１領域５（Ｓｉ）である。図１５のこの構造の場合には、波長１２．１２μｍの垂直入射光に対して、エバネッセント波とそのエバネセント波に共鳴した表面フォノンポラリトンを励起させることができる。このように、実施例８の変換素子９０は、偏光と入射角に対してよりきめ細かい制御が可能となる。

実施例９は、図１６に示すように、上記実施例１〜８における回折格子層４の周期構造の配列をｘ軸の正と負の方向で、非対称となるが構造とした電磁波−表面ポラリトン変換素子９０である。回折格子層５は、ｘ軸方向に沿って、第１領域５ａ、第２領域６ａ、第３領域５ｂ、第４領域６ｂの配列を１周期として、繰り返して配列された周期構造から成る。第１領域５ａのｘ軸方向の幅Ｗ_R1は、第３領域５ｂのｘ軸方向の幅Ｗ_R2よりも狭く、第２領域６ａのｘ軸方向の幅Ｗ_S1は、第４領域６ｂのｘ軸方向の幅Ｗ_S2よりも広い。この構造は、ｘ軸の正の方向と負の方向とで、４つの領域の幅の大小関係の並び方が対称ではない。ｘ軸の正の方向には、第１領域から第４領域にかけて、狭い幅、広い幅、広い幅、狭い幅の順となり、ｘ軸の負の方向には、狭い幅、狭い幅、広い幅、広い幅の順になっている。

第１領域５ａと第３領域５ｂとは、シリコン（Ｓｉ）から成り、第２領域６ａと第４領域６ｂとスペーサ層３は空気から成る。第１領域５ａの幅Ｗ_R1は２．８μｍ、第３領域５ｂの幅Ｗ_R2は６．８μｍ、第２領域６ａの幅Ｗ_S1は５μｍ、第４領域６ｂの幅Ｗ_S2は０．９１μｍであり、周期ｐは、１５．５１μｍである。また、回折格子層４の厚さｈは３．５μｍ、スペーサ層３の厚さｔは６．３μｍである。基板２は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）である。他の構成は実施例１と同一である。

図１６において、−ｘ軸の向きに入射角θ＝＋２１．５°で、波長１１．３２μｍのｐ偏光を回折格子層４の表面４ａに入射させて、基板２の表面１２に励起される表面フォノンポラリトンと結合させた。このときの熱輻射率の角度依存性を図１７に示す。入射角θが＋２１．５°で高い急峻な輻射率特性、すなわち、角度選択性を示している。また、ｘ軸の正の方向に入射させた場合（入射角θが負の場合）には、輻射率は低く角度選択性はなかった。特に、入射角θが＋２１．５°で高い急峻な輻射率を示すのに対して、反対の入射角θが−２１．５°の場合には、輻射率は低くブロードな特性を示している。このように、実施例９では、入射角θについて非対称な特性を有しているため、一方の方位からの光の入射、又は、光の放射を行う素子に用いることができる。

本発明は、光源、熱源、検出器、特定方向に対する選択的加熱又は冷却器、特定方向からの特定波長の電磁波のみを検出する検出器に応用することができる。

２…基板
３…スペーサ層
４…回折格子層
５，５ａ…第１領域
６，６ａ…第２領域
５ｂ…第３領域
６ｂ…第４領域
１４…界面
１２…表面

Claims

電磁波と表面ポラリトンとの変換を可能とした電磁波−表面ポラリトン変換素子において、
表面に表面ポラリトンを生成する基台と、
前記電磁波を入射又は放射し、厚さ方向に垂直な少なくとも一つの第１方向に沿って、屈折率が周期的に変化する回折格子層と、
前記基台と前記回折格子層との間に介在するスペーサ層とを有し、
前記回折格子層と前記スペーサ層との界面にエバネッセント波が生成され、そのエバネッセント波と、前記基台の前記表面に生成された前記表面ポラリトンとを、前記スペーサ層内に存在する電磁波を介して共鳴させ、
前記スペーサ層の厚さは、前記回折格子層と前記スペーサ層との第１界面と、前記基台と前記スペーサ層との第２界面との間で、前記回折格子層を透過した透過光が多重反射して、前記エバネッセント波が増幅される厚さに決定されている
ことを特徴とする電磁波−表面ポラリトン変換素子。
電磁波と表面ポラリトンとの変換を可能とした電磁波−表面ポラリトン変換素子において、
表面に表面ポラリトンを生成する基台と、
前記電磁波を入射又は放射し、厚さ方向に垂直な少なくとも一つの第１方向に沿って、屈折率が周期的に変化する回折格子層と、
前記基台と前記回折格子層との間に介在するスペーサ層とを有し、
前記回折格子層と前記スペーサ層との界面にエバネッセント波が生成され、そのエバネッセント波と、前記基台の前記表面に生成された前記表面ポラリトンとを、前記スペーサ層内に存在する電磁波を介して共鳴させ、
前記基台に接続された熱源を有し、前記回折格子層から赤外領域の特定波長の前記電磁波を特定の放射角で放射させることを特徴とする電磁波−表面ポラリトン変換素子。
電磁波と表面ポラリトンとの変換を可能とした電磁波−表面ポラリトン変換素子において、
表面に表面ポラリトンを生成する基台と、
前記電磁波を入射又は放射し、厚さ方向に垂直な少なくとも一つの第１方向に沿って、屈折率が周期的に変化する回折格子層と、
前記基台と前記回折格子層との間に介在するスペーサ層とを有し、
前記回折格子層と前記スペーサ層との界面にエバネッセント波が生成され、そのエバネッセント波と、前記基台の前記表面に生成された前記表面ポラリトンとを、前記スペーサ層内に存在する電磁波を介して共鳴させ、
前記基台の温度を検出する温度検出器を有し、前記回折格子層に対して特定の入射角度で入射する赤外領域の特定波長の前記電磁波を、前記温度検出器により検出することを特徴とする電磁波−表面ポラリトン変換素子。
前記スペーサ層の厚さは、前記スペーサ層内に存在する電磁波の多重反射により前記エバネッセント波が増幅されるように決定されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の電磁波−表面ポラリトン変換素子。
前記エバネッセント波の波数と前記表面ポラリトンの波数とを一致させたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電磁波−表面ポラリトン変換素子。
前記回折格子層の周期は、前記電磁波の所望の入射角又は放射角と周波数に対して、前記エバネッセント波の波数と前記表面ポラリトンの波数とが一致するように決定されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の電磁波−表面ポラリトン変換素子。
前記回折格子層は、前記第１方向と異なる方向にも、屈折率が周期的に変化する２次元周期構造であることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか１項に記載の電磁波−表面ポラリトン変換素子。
前記回折格子層は、屈折率の大きい第１領域と、第１領域より屈折率が小さい第２領域とから成る周期構造であることを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の電磁波−表面ポラリトン変換素子。
前記回折格子の１周期は、前記周期構造の配列の向きに沿って、前記第１領域、前記第２領域、第３領域及び第４領域が配列された構造であり、
前記第３領域の幅は前記第１領域の幅よりも広く、前記第４領域の幅は前記第２領域の幅よりも狭く、前記第２領域及び前記第４領域の屈折率は、前記第１領域及び前記第３領域の屈折率よりも小さい
ことを特徴とする請求項８に記載の電磁波−表面ポラリトン変換素子。
前記回折格子層の前記第１領域は、シリコン又は酸化チタンから成り、前記第２領域は真空、空気又はその他の誘電体から成ることを特徴とする請求項８に記載の電磁波−表面ポラリトン変換素子。
前記回折格子層の前記第１領域及び前記第３領域は、シリコン又は酸化チタンから成り、前記第２領域及び前記第４領域は、真空、空気又はその他の誘電体から成ることを特徴とする請求項９に記載の電磁波−表面ポラリトン変換素子。
前記スペーサ層は、真空、空気、二酸化ケイ素、その他の誘電体のうち少なくとも１種から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れか１項に記載の電磁波−表面ポラリトン変換素子。
前記基台は極性誘電体であり、前記表面ポラリトンは、表面フォノンポラリトンであることを特徴とする請求項１乃至請求項１２の何れか１項に記載の電磁波−表面ポラリトン変換素子。
前記基台は、炭化ケイ素、二酸化ケイ素のうち少なくとも１種で構成されることを特徴とする請求項１乃至請求項１３の何れか１項に記載の電磁波−表面ポラリトン変換素子。
前記基台は金属又は不純物の添加されたシリコンであり、前記表面ポラリトンは、表面プラズモンポラリトンであることを特徴とする請求項１乃至請求項１２の何れか１項に記載の電磁波−表面ポラリトン変換素子。
前記スペーサ層の厚さを変化できる可変手段を有することを特徴とする請求項１乃至請求項１５の何れか１項に記載の電磁波−表面ポラリトン変換素子。
前記スペーサ層は、誘電率を可変できる部材から成ることを特徴とする請求項１乃至請求項１６の何れか１項に記載の電磁波−表面ポラリトン変換素子。