JP6333122B2 - Metal slit array - Google Patents

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    • H01Q15/02Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism

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。   The present invention relates to a metal slit array that functions as a metamaterial in which microcoils are loaded in parallel plates.

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。   Beserago has shown that negative refraction occurs when light enters a medium with both negative dielectric constant and magnetic permeability, and an artificial structure with negative permeability and dielectric constant has been proposed. This artificial structure in which the magnetic permeability and dielectric constant are negative consists of an assembly of structures that are sufficiently larger than atoms and smaller than the light wavelength scale, and is called a metamaterial. When a metamaterial that is a negative refraction medium is used, a complete lens having a planar structure can be created. With a perfect lens, it is possible to observe even fine objects exceeding the diffraction limit, and it is possible to faithfully reproduce the near field (evanescent wave).

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。   The metamaterial can be applied to a lens for terahertz electromagnetic waves that has recently attracted attention. The terahertz electromagnetic wave is an electromagnetic wave having a frequency of 0.1 to 10 THz (wavelength of 30 μm to 3000 μm), and the wavelength is substantially coincident with the far infrared to millimeter wave region, and is sandwiched between “light” and “millimeter wave”. Exists in the frequency domain. For this reason, terahertz electromagnetic waves have both the ability to distinguish at high spatial resolution like light and the ability to transmit substances similar to millimeter waves. The terahertz wave band has been an undeveloped electromagnetic wave so far, and its application to characterization of materials by time-domain spectroscopy, imaging and tomography utilizing the characteristics of electromagnetic waves in this frequency band has been studied. Generation of terahertz electromagnetic waves has both material permeability and straightness, so that safe and innovative imaging instead of X-rays and ultra-high speed wireless communication of several hundred Gbps can be realized.

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。
In particular, terahertz imaging has a great appeal as one of safe, secure, and highly accurate visualization techniques that replace X-rays. It has been reported that terahertz nano-imaging by near-field that broke through the diffraction limit and resolution of 400 nm (1 wavelength / 540) at 1.4 THz can be obtained. Imaging at 0.3 THz using a resonant tunneling diode has also been reported. The metamaterial can be designed with a negative refractive index n = −1, and the near-field light that is an evanescent component is restored at a remote location, and there is a possibility that a flat lens that exceeds the diffraction limit can be realized.
As an example of such a metamaterial, unit cells composed of split ring resonators having a negative magnetic permeability, which are a combination of two large and small rings having cuts, and metal wires having a negative dielectric constant are arranged in a matrix. Metamaterials are known (see Patent Document 1). In this case, the cut positions of the large and small rings are, for example, opposite positions, but are not limited thereto. Negative refraction can be realized by arranging the unit cells along one axis so as to have a gradient refractive index.
By the way, it is known that a metal parallel plate in which metal plates are arranged in parallel with a predetermined distance therebetween exhibits a negative dielectric constant at a frequency equal to or lower than a cutoff frequency. In addition, it is known that dielectric resonators exhibit negative permeability near the resonance frequency. Therefore, as shown in Non-Patent Document 1, a disk-shaped dielectric resonator is loaded in a metal parallel plate, and a negative dielectric constant is realized by the metal parallel plate and a negative permeability is realized by the dielectric resonator. To do. Thereby, in a metal parallel plate loaded with a disk-shaped dielectric resonator, negative refraction is realized at a predetermined frequency, and TE mode electromagnetic waves propagate.

特開2011−254482号公報JP 2011-254482 A

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」IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 55, NO. 6, JUNE 2007 P.1280-1287 Tetsuya Ueda and 2 others "

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。
Just as a dielectric resonator exhibits a negative permeability at the resonance frequency, a split ring resonator also exhibits a negative permeability near the resonance frequency. And realizing the metamaterial by the unit cell which consists of a split ring resonator and a metal wire was performed. Moreover, combining a metal parallel plate and a dielectric resonator has been performed.
An object of the present invention is to realize a metamaterial by a metal slit array in which microcoils that have not been realized in the past are loaded in parallel plates.

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。
To achieve the above object, the invention according to claim 1 is an upper wall made of a metal flat plate and a metal flat plate arranged to face the upper wall with a predetermined interval. A unit array consisting of a parallel flat plate formed of a lower wall and a microcoil loaded in the parallel flat plate is provided, and a plurality of the unit arrays are arranged at predetermined intervals in the same plane to form a metal slit array. The main feature is that the magnetic permeability of the microcoil is negative at the frequency of the terahertz wave band where the dielectric constant of the parallel plate exhibits a negative dielectric constant.
The invention according to claim 2 is the invention according to claim 1, wherein the length of one side of the upper wall and the lower wall is about 0.06λ to about 0.00 when the wavelength of the frequency is λ. The main feature is that it is 07λ.

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。
According to the first and second aspects of the present invention, a metal flat plate upper wall, and a metal flat plate lower wall arranged to face the upper wall with a predetermined interval, A unit array is constituted by a parallel plate composed of the above and a microcoil loaded in the parallel plate, and a plurality of the unit arrays are arranged at a predetermined interval on the same plane to constitute a metal slit array. Since the magnetic permeability of the microcoil is negative at the frequency of the terahertz wave band where the dielectric constant of the parallel plate exhibits a negative dielectric constant, the metal slit array functions as a metamaterial.
Thereby, the metal slit array concerning this invention can implement | achieve a negative refractive index.

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である。It is a perspective view which shows the structure of the unit array of 1st Example of this invention which comprises the metal slit array of this invention. 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である。It is a front view which shows the structure of the microcoil which comprises the unit array of 1st Example of this invention. 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側面図である。It is a side view which shows the structure of the microcoil which comprises the unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の単位アレーの解析パラメータの一例を示す図表である。It is a graph which shows an example of the analysis parameter of the unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の単位アレーの透過電力の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the transmitted power of the unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の単位アレーの屈折率の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the refractive index of the unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の単位アレーの誘電率の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the dielectric constant of the unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の単位アレーの透磁率の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the magnetic permeability of the unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の単位アレーの周波数に対する波数を示す図である。It is a figure which shows the wave number with respect to the frequency of the unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the metal slit array which consists of a unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの解析パラメータの一例を示す図表である。It is a graph which shows an example of the analysis parameter of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第1実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 1st Example of this invention. 本発明の第2実施例の単位アレーの解析パラメータの一例を示す図表である。It is a graph which shows an example of the analysis parameter of the unit array of 2nd Example of this invention. 本発明の第2実施例の単位アレーの透過電力の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the transmitted power of the unit array of 2nd Example of this invention. 本発明の第2実施例の単位アレーの屈折率の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the refractive index of the unit array of 2nd Example of this invention. 本発明の第2実施例の単位アレーの誘電率の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the dielectric constant of the unit array of 2nd Example of this invention. 本発明の第2実施例の単位アレーの透磁率の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the magnetic permeability of the unit array of 2nd Example of this invention. 本発明の第2実施例の単位アレーの周波数に対する波数を示す図である。It is a figure which shows the wave number with respect to the frequency of the unit array of 2nd Example of this invention. 本発明の第2実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの解析パラメータの一例を示す図表である。It is a graph which shows an example of the analysis parameter of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 2nd Example of this invention. 本発明の第2実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 2nd Example of this invention. 本発明の第2実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 2nd Example of this invention. 本発明の第2実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 2nd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーの解析パラメータの一例を示す図表である。It is a graph which shows an example of the analysis parameter of the unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーの透過電力の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the transmitted power of the unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーの屈折率の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the refractive index of the unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーの誘電率の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the dielectric constant of the unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーの透磁率の周波数特性を示す図である。It is a figure which shows the frequency characteristic of the magnetic permeability of the unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーの周波数に対する波数を示す図である。It is a figure which shows the wave number with respect to the frequency of the unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーの透過電力の周波数特性を拡大して示す図である。It is a figure which expands and shows the frequency characteristic of the transmitted power of the unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの解析パラメータの一例を示す図表である。It is a graph which shows an example of the analysis parameter of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 3rd Example of this invention. 本発明の第3実施例の単位アレーからなる金属スリットアレーを利用するプリズムの周波数別の伝播特性を示す図である。It is a figure which shows the propagation characteristic according to frequency of the prism using the metal slit array which consists of a unit array of 3rd Example of this invention.

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。
FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the unit array of the first embodiment of the present invention constituting the metal slit array of the present invention, and FIG. 1 is a front view showing the configuration of the microcoil constituting the unit array of the first embodiment of the present invention. The figure is shown in FIG. 2A and the side view is shown in FIG. 2B.
The unit array 1 of the first embodiment of the present invention constituting the metal slit array of the present invention shown in these drawings is made of metal disposed on the surface of the upper wall of the periodic boundary wall 13 having a rectangular cross section as shown in the figure. It has a parallel flat plate made up of a rectangular upper wall metal plate 11 and a metal rectangular lower wall metal plate 12 arranged on the surface of the lower wall. The upper wall metal plate 11 and the lower wall metal plate 12 face each other with an interval (height) h to form a parallel plate, and the parallel plate forms a wave guide. One metal microcoil 10 is disposed between the upper wall metal plate 11 and the lower wall metal plate 12. In the unit array 1 of the first embodiment, as shown in FIG. 1, the horizontal axis is the z-axis, and the width direction axis of the upper wall metal plate 11 and the lower wall metal plate 12 is the x-axis. In addition, the axis in the height direction of the parallel plate is set as the y-axis while being orthogonal to the z-axis. An electromagnetic wave incident on the unit array 1 of the first embodiment, for example, a terahertz electromagnetic wave, has an electric field component E in the x-axis direction, a magnetic field component H in the y-axis direction, and a traveling direction k in the z-axis direction. Has been.

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。
In the unit array 1 of the first embodiment according to the present invention, the upper wall metal plate 11 and the lower wall metal plate 12 have the same size, and the width in the x-axis direction is Px, as shown in FIG. The length in the z-axis direction is Pz, the thickness is t, and the height of the parallel plate (the interval in the y-axis direction between the upper wall metal plate 11 and the lower wall metal plate 12) is h.
In the unit array 1, a periodic boundary wall 13 having a structure corresponding to one waveguide constituted by the xz plane of the upper wall and the lower wall and the yz plane of the left wall and the right wall shown by hatching. And a metal slit array can be designed with an analysis model of the unit array 1 extracted by one. In addition, the parallel flat plate which consists of the upper wall metal plate 11 and the lower wall metal plate 12 in the unit array 1 comes to show a negative dielectric constant in the frequency below a cut-off frequency.

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。   As shown in FIGS. 2A and 2B, the spiral microcoil 10 loaded between the upper wall metal plate 11 and the lower wall metal plate 12 has a thin metal wire having a diameter r3 and an outer diameter r2 (inner diameter is smaller). It is created by spirally winding at an interval of pitch p so as to be r1). The height of the microcoil 10 is the same as the height h of the parallel plate. When the microcoil 10 resonates, the microcoil 10 exhibits a negative magnetic permeability. Therefore, the unit array 1 of the first embodiment is arranged with a predetermined period in the y-axis direction and the x-axis direction, that is, a large number of unit arrays 1 are periodically arranged in a plane that is the xy plane, thereby generating a predetermined terahertz wave. A metal slit array that exhibits a negative refractive index in the band can be constructed. Thereby, a prism, a lens, etc. which exhibit the negative refractive index used for a terahertz wave band by a metal slit array can be constituted.

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。   FIG. 3 shows an example of analysis parameters when the unit array 1 of the first embodiment according to the present invention is applied to the terahertz wave band. In this case, the target frequency for obtaining a negative refractive index is 0.3 THz. In the analysis parameters in the analysis shown in FIG. 3, the Px of the upper wall metal plate 11 and the lower wall metal plate 12 is about 62 μm, Pz is also about 62 μm, and the parallel plate interval (height) h is about 159.5 μm. It is said. In this case, the cutoff frequency fc in vacuum of the waveguide made of parallel plates is about 0.97 THz. Further, the thickness t of the upper wall metal plate 11 and the lower wall metal plate 12 is about 0.25 μm. Furthermore, the diameter r3 of the fine metal wire constituting the spiral microcoil 10 is about 10 μm, the inner diameter r1 around which the fine metal wire is wound is about 30 μm, and the outer diameter r2 is about 50 μm.

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。   In the unit array 1 of the first embodiment having such analysis parameters, the electric field component E is in the width (x-axis) direction and the magnetic field component H is in the height (y-axis) direction, and the length (z-axis) direction. When a TE mode incident wave traveling in the direction is input, the frequency characteristics of the transmission coefficient S21 of the transmitted wave that propagates through the unit array 1 in the z-axis direction and the reflection coefficient S11 of the reflected wave to be reflected are obtained. Analyzed. Analysis was performed using finite element method electromagnetic simulator ANSYS HFSS Ver.14.1.1. Referring to the frequency characteristics of the transmitted power in FIG. 4 as an analysis result, the transmission coefficient S21 indicated by the broken line is about 80% or more at about 0.27 THz and about 0.75 THz lower than the cutoff frequency fc, and the unit array 1 The TE mode incident wave is almost transmitted, but the reflection coefficient S11 indicated by the solid line is almost 100% when the frequency is less than 0.75 THz between 0.1 THz and 1 THz excluding the predetermined range centered on the above frequency. Almost everything is reflected. Further, the transmission coefficient S21 is about 5% to about 20% at frequencies up to 1.0 THz exceeding 0.75 THz.

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。
FIG. 5 shows the analysis result of the frequency characteristics of the refractive index n of the unit array 1 when the analysis parameters are used. Referring to FIG. 5, the real part (Re (n)) of the refractive index n indicated by the solid line is almost 0 from 0.2 THz to about 0.25 THz, and rapidly increases at about 0.25 THz and about 0.25 THz. It is positive of about +10 to +11 in the range of about 0.27 THz. Then, it suddenly drops at about 0.27 THz and becomes negative -11. When it exceeds about 0.27 THz, it approaches 0 and becomes 0 at about 0.3 THz. It becomes almost 0 at about 0.3 THz to 0.35 THz.
The imaginary part (Im (n)) of the refractive index n indicated by the broken line is about +10 positive at 0.2 THz, and rapidly rises to about +25 positive at about 0.25 THz. If it exceeds about 0.25 THz, it will drop rapidly and will be zero at about 0.27 THz. And it is 0 from about 0.27 THz to about 0.3 THz, and becomes positive from 0 to +3 when it exceeds about 0.3 THz.
That is, it can be seen that the unit array 1 has a negative refractive index n in the frequency range from about 0.27 THz to about 0.3 THz.

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。
FIG. 6 shows the analysis result of the frequency characteristics of the relative permittivity ε of the unit array 1 when the analysis parameters are used. Referring to FIG. 6, the real part (Re (ε)) of the relative permittivity ε shown by the solid line is about −290 negative at about 0.2 THz and gradually increases as the frequency increases, but about −400 at about 0.25 THz. It falls rapidly to the negative of. And if it exceeds about 0.25 THz, it will rise rapidly and will be 0 in about 0.27 THz. Above about 0.27 THz, it falls to a negative value of about -80, and the negative value is almost maintained up to about 0.35 THz.
The imaginary part (Im (ε)) of the relative dielectric constant ε indicated by a broken line is 0 from 0.2 THz to 0.25 THz, and increases rapidly at about 0.25 THz to become about +200 positive. If it exceeds about 0.25 THz, it will drop rapidly and will be zero at about 0.27 THz. And it becomes 0 from about 0.27 THz to about 0.35 THz.
That is, it can be seen that the unit array 1 has a negative dielectric constant ε in the frequency range from about 0.27 THz to about 0.3 THz.

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。
FIG. 7 shows the analysis result of the frequency characteristics of the relative permeability μ of the unit array 1 when the analysis parameters are set. Referring to FIG. 7, the real part (Re (μ)) of the relative permeability μ indicated by the solid line is positive from 0 to about +1 from about 0.2 THz to about 0.27 THz, but exceeds about 0.27 THz. Then it drops rapidly and becomes negative about -23. And when it exceeds about 0.27 THz, it will rise rapidly and will be set to 0, and the value of 0 is substantially maintained to about 0.35 THz.
The imaginary part (Im (μ)) of the relative permeability μ indicated by the broken line is 0 from 0.2 THz to 0.25 THz, and slightly decreases at about 0.25 THz and becomes negative of about −1. If it exceeds about 0.25 THz, it will fall slowly, but will fall rapidly about 0.27 THz and will become negative of about -12. And when it exceeds about 0.27 THz, it will rise rapidly and will be set to 0, and the value of 0 is substantially maintained to about 0.35 THz.
That is, it can be seen that the unit array 1 has a negative relative permeability μ at about 0.27 THz.

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。
FIG. 8 shows the analysis result of the wave number with respect to the frequency of the unit array 1 when the analysis parameters are used. Referring to FIG. 8, the wave number becomes 0 from 0.2 THz to 0.25 THz, and when it exceeds about 0.25 THz, the wave number rapidly rises to about 62, and this wave number is maintained until about 0.27 THz. Is done. When it exceeds about 0.27 THz, the wave number drops rapidly and becomes zero at about 0.3 THz.
That is, it can be seen that the unit array 1 can increase the resolution at about 0.25 THz to about 0.27 THz.

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。
Next, the configuration of the prism 20 using the unit array 1 of the first embodiment according to the present invention is shown in FIG. 9A, the outline of the configuration of this prism 20 is shown in FIG. 9B, and the analysis parameters of this prism 20 are shown in FIG. 9C. Shown in
As shown in FIG. 9A, the prism 20 includes a waveguide 23, a second region 22, a metal slit array 2, and a first region 21. The waveguide 23, the second region 22, and the first region 21 are dielectrics having a relative dielectric constant εr of about 20. A waveguide 23 is impedance-matched and connected to one surface of the rectangular parallelepiped second region 22, and a terahertz wave incident wave is incident on the second region 22 via the waveguide 23 and propagates in the second region 22. To go. One surface of the metal slit array 2 is connected to the surface of the second region 22 facing the incident surface, and an incident wave propagated through the second region 22 is incident on the metal slit array 2. As shown in FIG. 9B, the metal slit array 2 has a surface facing one surface as a slope, the width of one surface is a, the length from the first surface to the slope is b, and the shorter one from the first surface to the slope. Is d. In this case, the angle θ formed with the normal line 21 a on the slope of the metal slit array 2 is the incident angle to the metal slit array 2. As shown in FIG. 9B, the metal slit array 2 is configured by arranging the unit arrays 1 at predetermined intervals c in the row direction and the column direction. Then, by reducing the number of unit arrays 1 to be arranged in the row direction from the bottom to the top, a metal slit array 2 having a surface facing one surface as a slope is formed.

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。   FIG. 9C shows analysis parameters when the target frequency for obtaining a negative refractive index in this prism 20 is 0.3 THz. In the analysis parameters shown in FIG. 9C, the incident angle θ is 45 °, the width a of the metal slit array 2 is 310 μm, the longer length b from one surface to the inclined surface is 325 μm, the shorter length d is 46 μm, A predetermined interval c in which the unit arrays 1 are arranged in the row direction and the column direction is 62 μm, and the length of the second region 22 is 400 μm. In this analysis parameter, the unit array 1 is dimensioned so that a maximum of five unit arrays 1 can be arranged in the row direction. Here, as an example of the number of unit arrays 1 arranged, about 200 unit arrays 1 shown in FIG. 1 are arranged in the x-axis direction shown in FIG. 1, and about 50 unit arrays 1 are arranged in the y-axis direction. Thus, an array group composed of 200 * 50 unit arrays 1 arranged on one plane of the xy plane is configured, and a metal slit array is configured by arranging about 10 groups in the z-axis direction. Can be considered. In the metal slit array having such a configuration, the number of unit arrays 1 is too large, and the time for analysis becomes enormous. Further, the number of unit arrays 1 to be arranged is not limited to the above-described number, and it is conceivable that the number of unit arrays 1 is greatly decreased or greatly increased. Therefore, the analysis parameters are set so that the number of unit arrays 1 is a number that does not require an enormous analysis time. Even if the analysis is performed with the number of unit arrays 1 reduced, the analysis result is almost the same as the analysis result when the number of unit arrays 1 is large.

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。
The propagation characteristics of the terahertz wave in the prism 20 using the metal slit array 2 composed of the unit array 1 of the first embodiment was analyzed using the finite element method electromagnetic field simulator ANSYS HFSS Ver.14.1.1. The analysis results are shown in FIGS. 10A to 10F. 10A, the frequency of the incident terahertz wave is 275 GHz, the frequency of the incident terahertz wave in FIG. 10B is 280 GHz, the frequency of the incident terahertz wave in FIG. 10C is 285 GHz, and the incident terahertz wave in FIG. The frequency of the wave is 290 GHz, the frequency of the terahertz wave incident in FIG. 10E is 300 GHz, and the frequency of the terahertz wave incident in FIG. 10F is 400 GHz.
10A to 10F, the incident angle θ is 45 °, and when the angle of the outgoing terahertz wave is a clockwise angle from the normal line 21a, a positive refractive index is obtained as shown in FIG. 9A. When the angle of the outgoing terahertz wave is an angle counterclockwise from the normal line 21a, the refractive index is negative as shown in FIG. 9A. Referring to FIGS. 10A to 10F, in the propagation characteristics of FIGS. 10A to 10E, the angle of the outgoing terahertz wave is counterclockwise with respect to the normal line 21a. Therefore, in the frequency band of 275 GHz to 300 GHz, the prism is used. It can be seen that 20 exhibits a negative refractive index. Further, in the propagation characteristics shown in FIG. 10F, it can be seen that the angle of the outgoing terahertz wave is not counterclockwise from the normal line 21a, and the prism 20 does not exhibit a negative refractive index at 400 GHz.

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。   Next, a unit array according to the second embodiment of the present invention will be described. The unit array of the second embodiment is the same as that of the unit array 1 of the first embodiment shown in FIG. 1, and the analysis parameters are different from those of the unit array 1 of the first embodiment. Here, the description of the configuration of the unit array of the second embodiment is omitted. An example of analysis parameters when the unit array of the second embodiment is applied to the terahertz wave band is shown in FIG. In this case, the target frequency for obtaining a negative refractive index is 0.3 THz. As shown in FIG. 11, the analysis parameters for the analysis are as follows: Px of the upper wall metal plate 11 and lower wall metal plate 12 is about 74 μm, Pz is about 60 μm, and the parallel plate interval (height) h is about 159. .5 μm. In this case, the cutoff frequency fc in vacuum of the waveguide made of parallel plates is about 0.97 THz. Further, the thickness t of the upper wall metal plate 11 and the lower wall metal plate 12 is about 0.25 μm. Furthermore, the diameter r3 of the fine metal wire constituting the spiral microcoil 10 is about 10 μm, the inner diameter r1 around which the fine metal wire is wound is about 30 μm, and the outer diameter r2 is about 50 μm.

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。   In the unit array of the second embodiment having such analysis parameters, the electric field component E is in the width (x-axis) direction, and the magnetic field component H is in the height (y-axis) direction so as to be in the length (z-axis) direction. When a traveling TE mode incident wave is input, a transmission coefficient S21 of the transmitted wave that is output by propagating the unit array of the second embodiment in the z-axis direction and a reflection coefficient S11 of the reflected wave to be reflected The frequency characteristics were analyzed. Analysis was performed using finite element method electromagnetic simulator ANSYS HFSS Ver.14.1.1. Referring to the frequency characteristic of the transmitted power in FIG. 12 as the analysis result, the transmission coefficient S21 indicated by the broken line is almost 100% at about 0.255 THz lower than the cutoff frequency fc, and the unit array of the second embodiment is TE. The incident wave in the mode is almost transmitted, but in the range of 0.2 THz to 0.3 THz excluding a predetermined range centered on the above frequency, the reflection coefficient S11 indicated by the solid line is almost 100%, and almost all of them are transmitted. Reflected.

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。
FIG. 13 shows the analysis result of the frequency characteristics of the refractive index n of the unit array of the second embodiment when the analysis parameters are used. Referring to FIG. 13, the real part (Re (n)) of the refractive index n indicated by the solid line is almost 0 from 0.2 THz to about 0.237 THz. Then, it falls rapidly at about 0.237 THz and becomes negative about -0.004 to -0.012 in the range of about 0.237 THz to about 0.263 THz, but about 0.259 THz to about 0.00 in this range. It becomes positive of about +0.007 in the range of 260 THz. Then, it rapidly rises at about 0.263 THz and becomes positive of +0.04, and becomes 0 at about 0.271 THz to about 0.3 THz.
The imaginary part (Im (n))) of the refractive index n indicated by the broken line becomes a positive value of about +0.01 at 0.2 THz, and rapidly rises to a positive value of about +0.032 at about 0.237 THz. If it exceeds about 0.237 THz, it will fall rapidly and will be set to 0 in about 0.252 THz. And it becomes 0 from about 0.252 THz to about 0.272 THz, and when it exceeds about 0.272 THz, it becomes positive of 0- + 0.03.
That is, the unit array of the second embodiment has a negative refractive index n in the frequency range from about 0.237 THz to about 0.259 THz and the frequency range from about 0.260 THz to about 0.263 THz. Recognize.

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。
FIG. 14 shows the analysis result of the frequency characteristics of the relative permittivity ε of the unit array of the second embodiment when the analysis parameters are set. Referring to FIG. 14, the real part (Re (ε)) of the relative permittivity ε shown by the solid line becomes negative at about −0.23 at about 0.2 THz and gradually increases as the frequency increases, but at about 0.238 THz about It falls rapidly to a negative of -0.5. And if it exceeds about 0.238 THz, it will rise rapidly and will be 0 in about 0.253 THz. When it exceeds about 0.253 THz, it falls to a negative value of about -0.9, and the negative value is substantially maintained up to about 0.3 THz.
The imaginary part (Im (ε)) of the relative dielectric constant ε indicated by the broken line becomes 0 from 0.2 THz to 0.238 THz, and rapidly decreases at about 0.238 THz and becomes negative about −0.18. If it exceeds about 0.238 THz, it will rise rapidly and will be zero at about 0.253 THz. And it becomes 0 from about 0.253 THz to about 0.3 THz.
That is, it can be seen that the unit array of the second embodiment has a negative relative dielectric constant ε in a frequency range from about 0.2 THz to about 0.3 THz excluding about 0.253 THz.

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。
FIG. 15 shows the analysis result of the frequency characteristics of the relative permeability μ of the unit array of the second embodiment when the analysis parameters are used. Referring to FIG. 15, the real part (Re (μ)) of the relative permeability μ indicated by the solid line is positive from 0 to about +0.003 from about 0.2 THz to about 0.253 Hz, but about 0.253 THz. If it exceeds, it will fall rapidly and become negative of about -0.018. And when it exceeds about 0.253 THz, it rises rapidly and becomes 0, and the value of 0 is substantially maintained up to about 0.3 THz.
The imaginary part (Im (μ)) of the relative magnetic permeability μ indicated by the broken line is 0 from 0.2 THz to 0.237 THz, increases slightly at about 0.237 THz, and becomes positive of about +0.001. When it exceeds about 0.237 THz, it rises slowly, but rises rapidly at about 0.254 THz and becomes positive of about +0.013. And when it exceeds about 0.254 THz, it will fall rapidly and will be set to 0, and the value of 0 is substantially maintained to about 0.3 THz.
That is, it can be seen that the unit array of the second embodiment has a negative relative permeability μ at about 0.253 THz.

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。
FIG. 16 shows the analysis result of the wave number with respect to the frequency of the unit array of the second embodiment when the analysis parameters are used. Referring to FIG. 16, the wave number is 0 from 0.2 THz to 0.24 THz, and when it exceeds about 0.24 THz, the wave number increases rapidly to about 61. This wave number is maintained until about 0.257 THz. Is done. When it exceeds about 0.257 THz, the wave number drops rapidly and becomes zero at about 0.275 THz.
That is, it can be seen that the resolution of the unit array of the second embodiment can be increased at about 0.24 THz to about 0.275 THz.

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。
Next, the prism 30 using the unit array of the second embodiment according to the present invention includes a metal slit array 3 using the unit array of the second embodiment instead of the unit array 1 of the first embodiment. The configuration of the prism 30 is the same as that of the prism 20 shown in FIG. 9A, and the configuration of the metal slit array 3 is the same as that of the metal slit array 2 shown in FIG. 9B. Therefore, the description of the prism 30 and the metal slit array 3 is omitted.
FIG. 17 shows analysis parameters when the target frequency for obtaining a negative refractive index in the prism 30 is 0.3 THz. In the analysis parameters shown in FIG. 17, the incident angle θ is 39 °, the width a of the metal slit array 2 is 370 μm, the longer length b from one surface to the inclined surface is 320.7 μm, and the shorter length d is 45 μm, a predetermined interval c in which the unit arrays of the second embodiment are arranged in the row direction and the column direction is 62 μm, and the length s of the second region 22 is 400 μm. In this analysis parameter, the reason why the maximum number of unit arrays of the second embodiment can be arranged in the row direction is as described above.

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。
The propagation characteristics of the terahertz wave in the prism 30 using the metal slit array 3 composed of the unit array of the second embodiment was analyzed using a finite element method electromagnetic field simulator ANSYS HFSS Ver.14.1.1. The analysis results are shown in FIGS. 18A to 18C. 18A, the frequency of the incident terahertz wave is 270 GHz, the frequency of the incident terahertz wave in FIG. 18B is 275 GHz, and the frequency of the incident terahertz wave in FIG. 18C is 280 GHz.
18A to 18C, the incident angle θ is 39 °, and when the angle of the outgoing terahertz wave is a clockwise angle from the normal line 31a, the refractive index becomes positive and the outgoing terahertz is When the wave angle is counterclockwise from the normal 31a, the refractive index is negative. Referring to FIGS. 18A to 18C, in the propagation characteristics of FIGS. 18A to 18C, the angle of the outgoing terahertz wave is counterclockwise from the normal line 31a. Therefore, the prism is used in the frequency band of 270 GHz to 280 GHz. It can be seen that 30 exhibits a negative refractive index.

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。   Furthermore, a unit array of the third embodiment according to the present invention will be described. The unit array of the third embodiment is the same as the configuration of the unit array 1 of the first embodiment shown in FIG. 1, and the unit array 1 of the first embodiment and the unit array of the second embodiment and the analysis parameters are the same. Have been made different. Here, the description of the configuration of the unit array of the third embodiment is omitted. An example of analysis parameters when the unit array of the third embodiment is applied to the terahertz wave band is shown in FIG. In this case, the target frequency for obtaining a negative refractive index is 0.3 THz. As shown in FIG. 19, the analysis parameters for the analysis are as follows: Px of the upper wall metal plate 11 and lower wall metal plate 12 is about 69.1 μm, Pz is about 56 μm, and the interval (height) h between the parallel plates is It is about 148.8 μm. In this case, the cut-off frequency fc in the vacuum of the waveguide made of parallel plates is about 1.01 THz. Further, the thickness t of the upper wall metal plate 11 and the lower wall metal plate 12 is about 0.25 μm. Furthermore, the diameter r3 of the fine metal wire constituting the spiral microcoil 10 is about 9.4 μm, the inner diameter r1 around which the fine metal wire is wound is about 28 μm, and the outer diameter r2 is about 46.8 μm.

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。   In the unit array of the third embodiment having such analysis parameters, the electric field component E is in the width (x-axis) direction, and the magnetic field component H is in the height (y-axis) direction so as to be in the length (z-axis) direction. When a traveling TE mode incident wave is input, the transmission coefficient S21 of the transmitted wave that is output by propagating the unit array of the third embodiment in the z-axis direction and the reflection coefficient S11 of the reflected wave to be reflected The frequency characteristics were analyzed. Analysis was performed using finite element method electromagnetic simulator ANSYS HFSS Ver.14.1.1. Referring to the frequency characteristic of the transmitted power in FIG. 20 as an analysis result, the transmission coefficient S21 indicated by the broken line is almost 100% at about 0.27 THz and about 0.79 THz which are lower than the cut-off frequency fc. The TE-mode incident wave is almost transmitted through the unit array of FIG. 1, but the reflection coefficient S11 indicated by the solid line is almost 100% at 0.2 THz to 1.0 THz excluding a predetermined range centered on the above frequency. And almost everything will be reflected.

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。
FIG. 21 shows the analysis result of the frequency characteristics of the refractive index n of the unit array of the third embodiment when the analysis parameters are used. Referring to FIG. 21, the real part (Re (n)) of the refractive index n indicated by the solid line is almost 0 from 0.2 THz to about 0.205 THz. And it falls rapidly at about 0.205 THz and becomes negative about -4 to -12 in the range of about 0.205 THz to about 0.265 THz, but in the range of about 0.255 THz to about 0.260 THz in this range. It becomes positive of about +6 to +7. Then, it rapidly rises at about 0.265 THz and becomes positive +4, and becomes 0 at about 0.28 THz to about 0.4 THz.
The imaginary part (Im (n)) of the refractive index n indicated by the broken line is about +10 positive at 0.2 THz, and rapidly rises to about +28 positive at about 0.205 THz. If it exceeds about 0.205 THz, it will fall rapidly and will be set to 0 in about 0.24 THz. And it is 0 from about 0.24 THz to about 0.28 THz, and becomes positive from 0 to +9 when it exceeds about 0.28 THz.
That is, the unit array of the third embodiment may have a negative refractive index n in a frequency range from about 0.205 THz to about 0.25 THz and a frequency range from about 0.26 THz to about 0.265 THz. Recognize.

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。
FIG. 22 shows the analysis result of the frequency characteristics of the relative permittivity ε of the unit array of the third example when the analysis parameters are set. Referring to FIG. 22, the real part (Re (ε)) of the relative permittivity ε shown by the solid line becomes negative at about −310 at about 0.2 THz and gradually increases as the frequency increases, but about −550 at about 0.255 THz. It falls rapidly to the negative of. And if it exceeds about 0.255 THz, it will rise rapidly and will be 0 in about 0.27 THz. Above about 0.27 THz, it falls to a negative value of about -100, and the negative value is almost maintained up to about 0.35 THz.
The imaginary part (Im (ε)) of the relative dielectric constant ε indicated by the broken line is 0 from 0.2 THz to 0.255 THz, and rapidly decreases at about 0.255 THz and becomes negative about −210. If it exceeds about 0.255 THz, it will fall rapidly and will be set to 0 in about 0.27 THz. And it becomes 0 from about 0.27 THz to about 0.35 THz.
That is, it can be seen that the unit array of the third example has a negative dielectric constant ε in a frequency range from about 0.2 THz to about 0.35 THz except about 0.27 THz.

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。
FIG. 23 shows the analysis result of the frequency characteristics of the relative permeability μ of the unit array of the third embodiment when the analysis parameters are used. Referring to FIG. 23, the real part (Re (μ)) of the relative permeability μ indicated by the solid line is positive from 0 to about +1.5 from about 0.2 THz to about 0.273 Hz, but is about 0.273 THz. If it exceeds, it will fall rapidly and become negative about -1.9. And when it exceeds about 0.273 THz, it will rise rapidly and will be set to 0, and the value of 0 is substantially maintained to about 0.35 THz.
The imaginary part (Im (μ)) of the relative magnetic permeability μ indicated by a broken line is 0 from 0.2 THz to 0.251 THz, and increases slightly at about 0.251 THz and becomes positive of about +0.7. When it exceeds about 0.251 THz, it rises slowly, but at about 0.272 THz, it rises rapidly and becomes positive of about +4.6. And when it exceeds about 0.272 THz, it will fall rapidly and will be set to 0, and the value of substantially 0 will be substantially maintained to about 0.35 THz.
That is, it can be seen that the unit array of the third example has a negative relative permeability μ at about 0.273 THz.

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。
FIG. 24 shows the analysis result of the wave number with respect to the frequency of the unit array of the third embodiment when the analysis parameters are set. Referring to FIG. 24, the wave number is 0 from 0.2 THz to 0.252 THz, and when it exceeds about 0.252 THz, the wave number rapidly rises to about 62, and this wave number is maintained until about 0.273 THz. Is done. When it exceeds about 0.273 THz, the wave number drops rapidly and becomes zero at about 0.294 THz.
That is, it can be seen that the unit array of the third embodiment can increase the resolution at about 0.252 THz to about 0.294 THz.

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。   FIG. 25 shows only a part of the frequency band in the frequency characteristic of the transmitted power of the unit array of the third embodiment when the analysis parameters are used. Referring to the analysis result of FIG. 25, at about 0.272 THz lower than the cut-off frequency fc, the transmission coefficient S21 indicated by the broken line is about 96%, and the TE mode incident wave is substantially transmitted through the unit array of the third embodiment. To come. The transmission coefficient S21 is about 10% at about 0.27 THz, and rapidly increases to about 96% at about 0.272 THz. Further, it can be seen that the transmission coefficient S21 is about 10% at about 0.2745 THz, and rapidly decreases from about 96% of about 0.272 THz.

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。
Next, the prism 60 using the unit array of the third embodiment according to the present invention includes a metal slit array 6 using the unit array of the third embodiment instead of the unit array 1 of the first embodiment. The configuration of the prism 60 is the same as that of the prism 20 shown in FIG. 9A, and the configuration of the metal slit array 6 is the same as that of the metal slit array 2 shown in FIG. 9B. Therefore, the description of the prism 60 and the metal slit array 6 is omitted.
FIG. 26 shows analysis parameters when the target frequency for obtaining a negative refractive index in the prism 60 is 0.3 THz. In the analysis parameters shown in FIG. 26, the incident angle θ is 39 °, the width a of the metal slit array 2 is 345.5 μm, the longer length b from one surface to the inclined surface is 289.6 μm, and the shorter length thereof. d is 37.5 μm, the predetermined interval c in which the unit arrays of the third embodiment are arranged in the row direction and the column direction is 62 μm, and the length s of the second region 22 is 373.3 μm. In this analysis parameter, the reason why the maximum unit array of the third embodiment can be arranged in the row direction is as described above.

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。   The propagation characteristics of the terahertz wave in the prism 60 using the metal slit array 6 composed of the unit array of the third embodiment was analyzed using a finite element method electromagnetic field simulator ANSYS HFSS Ver.14.1.1. The analysis results are shown in FIGS. 27A to 27J. The frequency of the incident terahertz wave in FIG. 27A is 280 GHz, the frequency of the incident terahertz wave in FIG. 27B is 290 GHz, the frequency of the incident terahertz wave in FIG. 27C is 300 GHz, and the incident terahertz wave in FIG. The frequency of the wave is 310 GHz, the frequency of the terahertz wave incident in FIG. 27E is 320 GHz, the frequency of the terahertz wave incident in FIG. 27F is 350 GHz, and the frequency of the terahertz wave incident in FIG. 27G is 400 GHz. The frequency of the incident terahertz wave in FIG. 27H is 600 GHz, the frequency of the incident terahertz wave in FIG. 27I is 800 GHz, and the frequency of the incident terahertz wave in FIG. 27J is 1000 GHz. There.

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。   27A to 27J, the incident angle θ is 39 °, and when the angle of the outgoing terahertz wave is a clockwise angle from the normal 61a, the refractive index becomes positive and the outgoing terahertz is When the wave angle is counterclockwise from the normal 61a, the refractive index is negative. Referring to FIGS. 27A to 27J, in the propagation characteristics of FIGS. 27B to 27D, the angle of the outgoing terahertz wave is counterclockwise from the normal line 61a, so that the prism is used in the frequency band of 290 GHz to 310 GHz. It can be seen that 60 exhibits a negative refractive index. 27E to 27J, the angle of the outgoing terahertz wave is not counterclockwise from the normal line 21a, and the prism 60 does not exhibit a negative refractive index at 320 GHz to 400 GHz. I understand. In the propagation characteristic shown in FIG. 27C with a frequency of 300 GHz, a negative refraction angle of about 25 degrees is obtained, and the prism 60 has a negative refraction index n = −3 based on the relationship between the refraction angle and the refraction index. 0.0.

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。
The metal slit array of the present invention described above realizes a negative dielectric constant with a parallel plate in a cut-off state in a unit array, and realizes a negative magnetic permeability by resonance of a microcoil, thereby providing a negative in the terahertz wave band. It functions as a metamaterial that exhibits a dielectric constant and a negative magnetic permeability. That is, the magnetic permeability by the microcoil is negative at the frequency of the terahertz wave band where the dielectric constant by the parallel plate exhibits a negative dielectric constant. The metal slit array in this case is sufficiently large with respect to the wavelength of the terahertz wave band to be used, and has an infinite periodic structure in the x-axis direction and the y-axis direction when the traveling direction of the incident wave is the z-axis. In this infinite periodic structure, for example, several tens to several hundreds of unit arrays are arranged in the x-axis direction shown in FIG. 1, and several tens to several hundreds of unit arrays are arranged in the y-axis direction. To do. As a result, an array group consisting of hundreds to tens of thousands of unit arrays arranged on one plane of the xy plane is formed, and the array group is arranged by arranging several to several tens of groups in the z-axis direction. A slit array can be constructed. In this case, the unit arrays are stacked vertically. In this case, the upper wall metal plate and the lower wall metal plate adjacent to the upper wall metal plate (the lower wall metal plate and the lower wall metal plate are adjacent thereto). It is preferable that the upper wall metal plate of the unit array to be formed of a single metal plate having a double thickness. Here, if the thickness of the upper wall metal plate and the lower wall metal plate is t, the thickness of one metal plate is 2t. Furthermore, in the unit array of each embodiment, one microcoil was loaded, but the upper wall in the form of an elongated flat plate made of metal and the metal arranged to face the upper wall with a predetermined interval. It is also possible to provide a parallel flat plate formed of a bottom wall made of an elongated flat plate, and load a plurality of microcoils in a single row in the parallel flat plate.
By using the metal slit array according to the present invention described above, a planar lens or prism that exhibits a negative refractive index in the terahertz wave band can be realized.

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
1 Unit Array 2 Metal Slit Array 3 Metal Slit Array 6 Metal Slit Array 10 Micro Coil 11 Upper Wall Metal Plate 12 Lower Wall Metal Plate 13 Periodic Boundary Wall 20 Prism 21 First Region 21a Normal 22 Second Region 23 Waveguide 30 Prism 31a Normal 60 Prism 61a Normal

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。
A parallel plate comprising an upper wall made of a metal flat plate and a lower plate made of a metal flat plate arranged so as to face the upper wall at a predetermined interval, and loaded in the parallel plate A unit array of microcoils
A plurality of the unit arrays are arranged at predetermined intervals in the same plane to form a metal slit array.
A metal slit array, wherein a magnetic permeability of the microcoil is negative at a frequency in a terahertz wave band where a dielectric constant of the parallel plate exhibits a negative dielectric constant.
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。   2. The length of one side of the upper wall and the lower wall is about 0.06λ to about 0.07λ, where λ is a wavelength of the frequency of the terahertz wave band. Metal slit array.
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