WO2007000989A1 - 電磁波制御素子、電磁波制御装置、電磁波制御プラズマ及び電磁波制御方法 - Google Patents

電磁波制御素子、電磁波制御装置、電磁波制御プラズマ及び電磁波制御方法 Download PDF

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WO2007000989A1
WO2007000989A1 PCT/JP2006/312780 JP2006312780W WO2007000989A1 WO 2007000989 A1 WO2007000989 A1 WO 2007000989A1 JP 2006312780 W JP2006312780 W JP 2006312780W WO 2007000989 A1 WO2007000989 A1 WO 2007000989A1
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WO
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plasma
electromagnetic wave
wave control
control element
gas
Prior art date
Application number
PCT/JP2006/312780
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English (en)
French (fr)
Inventor
Kunihide Tachibana
Osamu Sakai
Original Assignee
Kyoto University
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Publication date
Application filed by Kyoto University filed Critical Kyoto University
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/207—Hollow waveguide filters
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy

Definitions

  • Electromagnetic wave control element electromagnetic wave control device, electromagnetic wave control plasma, and electromagnetic wave control method
  • the present invention relates to an electromagnetic wave control element for controlling electromagnetic waves, an electromagnetic wave control device including the same, and an electromagnetic wave control plasma and an electromagnetic wave control method for controlling electromagnetic waves.
  • electromagnetic wave control elements branch elements, attenuators, resonators, frequency filters, lenses, and the like are realized by various structures of various substances.
  • a structure having a periodic structure of refractive index change called a photonic crystal has developed an electromagnetic wave to an optical wave (terahertz band (wavelength of about 0.1 mm) and electromagnetic waves having a longer wavelength than that of a radio wave. ”And is attracting attention as a control element in the domain of radio waves (hereinafter referred to as“ light waves ”). (See Appendix 1). In other words, functions that could not be realized with conventional single materials have become possible by adopting a two-dimensional or three-dimensional periodic structure.
  • Photonic crystals have so far achieved their functions with a dielectric or metal periodic structure.
  • the dielectric constant and refractive index of the dielectric are important control parameters in addition to the shape of the periodic structure, the periodic length of the periodic structure, and the dimensions of the periodic structure.
  • the metal When a metal is used, it can be said that the metal has a negative dielectric constant when regarded as a dielectric, and is a medium through which electromagnetic waves cannot propagate.
  • Various functions have been realized so far in photonic crystals produced using the above-described substances. Examples of realized functions include a frequency filter, an optical path controller (waveguide), a resonator, a lens, and a surface emitting laser.
  • plasma is known as a medium having both conductivity and dielectric properties.
  • Non-Patent Document 2 the above-mentioned characteristics of plasma are used to control electromagnetic waves from the millimeter wave band to the submillimeter wave band, or to provide a function like a photonic crystal (see “Plasma We point out the possibility of photonic crystals ”).
  • Non-Patent Document 3 discloses that a periodic structure of dielectrics is two-dimensionally arranged to periodically form a non-existent portion of plasma in a millimeter wave band. Studies for controlling the propagation direction of electromagnetic waves are disclosed. Even in Non-Patent Document 3, the term “plasma photonic crystal” is used.
  • Non-Patent Document 1 Noda Susumu, “Current Status and Future Prospects of 2D / 3D Photonic Crystals” Applied Physics 74-2 (2005) pp.147-159
  • Non-Patent Document 2 K. fachibana, et. Al. Diagnostics of microaiscnarge- integrated plasm a sources for display and materials processing ", Plasma Phys. Control. Fusion, Vol. 47, No. .
  • Non-Patent Document 3 Naoto Uchida et al. "Simulation of electromagnetic wave propagation in two-dimensional plasma photonic crystals" Proceedings of the Physical Society of Japan Vol. 60 No. 1 No. 2 (2005) p.263
  • the gap of the periodic structure of the dielectric is filled with plasma, so that the gap can be changed by changing the plasma characteristics. It is possible to change the dielectric constant.
  • Non-Patent Document 2 discloses nothing about the specific configuration of so-called “plasma photonic crystal” and the specific content for producing the so-called “plasma photonic crystal”.
  • the present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide an electromagnetic wave control element and an electromagnetic wave control device that can easily change the control state of the electromagnetic wave. .
  • the electromagnetic wave control element includes plasma generating means for generating a plasma that is periodically distributed two-dimensionally or three-dimensionally, and allows the electromagnetic wave to pass through the plasma by passing it through the plasma. It is characterized by controlling the propagation state.
  • the propagation state of the electromagnetic wave can be controlled.
  • the periodic change of the refractive index is determined, so that the control state of the electromagnetic wave is also determined. Therefore, to change the control state of electromagnetic waves, it is necessary to change the material and shape of the photonic crystal, which means that the photonic crystal itself is replaced.
  • the plasma can change the refractive index of the plasma by changing the electron density in the plasma or the pressure of the gas to be ionized to generate the plasma. Therefore, in the above configuration, the refractive index as a control parameter can be easily changed by changing the electron density in the plasma and the pressure of the gas to be ionized, and the control state of the electromagnetic wave can also be changed. .
  • an electromagnetic wave control element that can change the control state of the electromagnetic wave can be realized.
  • the electromagnetic wave control plasma according to the present invention is characterized in that the propagation state of the electromagnetic wave passing therethrough is controlled by being periodically distributed two-dimensionally or three-dimensionally.
  • the electromagnetic wave control method according to the present invention is characterized in that the propagation state of the electromagnetic wave is controlled by generating plasma that is periodically distributed two-dimensionally or three-dimensionally and passing the electromagnetic wave through the plasma. Yes.
  • the plasma generating means includes an electrode for supplying electric power for generating the plasma, and a gas holding means for holding a gas to be ionized in order to generate the plasma and transmitting an electromagnetic wave to be controlled. It can comprise by providing.
  • the electrodes may be periodically arranged, and a periodic distribution of the plasma may be formed according to the periodic arrangement of the electrodes.
  • the gas holding means has a plurality of holes formed periodically, and the plasma is generated in the holes to form a periodic distribution of the plasma. I'll do it for you.
  • the gas holding means may be composed of a dielectric having a plurality of holes formed therein.
  • portions other than the holes are filled with a dielectric.
  • the difference in the relative permittivity at the boundary surface can be further increased, taking into account that the difference in electron density at the boundary surface can be increased.
  • the influence of the periodic distribution of plasma can be further manifested.
  • the plasma generation means further includes electron emission means exposed to the inside of the gas holding means and having a material strength having a secondary electron emission coefficient higher than that of the surroundings, and the electron emission means is periodically arranged.
  • the periodic distribution of the plasma may be formed in accordance with the periodic arrangement of the electron emission means.
  • the plasma generation means may be configured to further generate plasma that surrounds the periodic plasma and has an electron density different from that of the plasma.
  • the plasma generation means may include an extraction electrode that applies a voltage for extracting plasma generated by the electrode.
  • the length of the plasma can be adjusted by extracting the plasma generated by the preliminary discharge.
  • An electromagnetic wave control device includes any one of the above-described electromagnetic wave control elements and a power control unit that controls power for generating plasma by the plasma generation unit.
  • the electron density in the plasma can be controlled by controlling the power for generating plasma by the power control means.
  • the refractive index which is a control parameter, can be controlled, and the control state of electromagnetic waves can also be changed.
  • An electromagnetic wave control device includes any one of the above electromagnetic wave control elements and the plasma. And plasma distribution control means for controlling the distribution state of the plasma generated by the generation means.
  • the plasma distribution state can be controlled by the plasma distribution control means, the periodic structure of refractive index change can be changed. As a result, the electromagnetic wave control state can be changed more flexibly.
  • An electromagnetic wave control device includes any one of the above-described electromagnetic wave control elements, and gas pressure control means for controlling the pressure of a gas to be ionized in order to generate the plasma. Yes.
  • the electron density in the plasma can be controlled by controlling the pressure of the gas to be ionized.
  • the refractive index which is a control parameter, can be controlled, and the electromagnetic wave control state can also be controlled.
  • the electromagnetic wave control element includes plasma generation means for generating plasma that is periodically distributed two-dimensionally or three-dimensionally, and allows electromagnetic waves to pass through the plasma. It is the structure which controls the propagation state of the said electromagnetic wave.
  • the refractive index which is a control parameter, can be easily changed by changing the electron density in plasma or the pressure of the gas to be ionized, and the control state of electromagnetic waves can also be changed. it can.
  • the above configuration has an effect that an electromagnetic wave control element that can change the control state of the electromagnetic wave can be realized.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing an electromagnetic wave control device according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA of the electromagnetic wave control device of FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of the electromagnetic wave control device of FIG. 1, showing the state of plasma distribution.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA of the electromagnetic wave control device of FIG. 1, showing another distribution state of plasma.
  • FIG.5 A-A line view of electromagnetic wave control device of Fig. 1 showing further distribution of plasma It is sectional drawing.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a modification of the electromagnetic wave control element in the electromagnetic wave control device of FIG.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing another modified example of the electromagnetic wave control element in the electromagnetic wave control device of FIG. 1.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing still another modification of the electromagnetic wave control element in the electromagnetic wave control device of FIG.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing an electromagnetic wave control device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing an electromagnetic wave control device according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view showing an electromagnetic wave control device according to a fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the electromagnetic wave control device of FIG. 11 taken along line BB.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view showing an electromagnetic wave control device of a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a diagram showing a dispersion relation of electromagnetic waves propagating in a two-dimensional plasma array.
  • FIG. 15 is a diagram showing the distribution of equal frequency lines on a two-dimensional wave number plane of electromagnetic waves propagating in a two-dimensional plasma array.
  • Tube member (Plasma generation means, gas holding means)
  • Power control system (Power control means) 122a electrode (plasma generating means)
  • Electron emission member (plasma generation means, electron emission means)
  • Electron emission member (plasma generation means, electron emission means)
  • Power control system Power control means, Plasma distribution control means
  • FIGS. 1 to 8 An embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 8 as follows.
  • ⁇ ⁇ 2 ⁇ is the electron plasma frequency (“electron plasma frequency”).
  • the relative permittivity ⁇ has a value smaller than 1 and ⁇ is greater than ⁇ r pe
  • Waves can be considered to be almost impossible to propagate in plasma, because waves cannot penetrate into plasma in a very thin region called skin thickness. Therefore, when ⁇ is smaller than pe than ⁇ , the plasma behaves like a metal.
  • ⁇ is a function of the electron density (plasma intensity) in the plasma, and 1 pe of the electron density.
  • n is the electron density
  • e is the elementary charge
  • m is the mass of the electron
  • ⁇ is the dielectric constant in vacuum
  • Such control of the refractive index of plasma can be performed as follows.
  • the electron density in the plasma can be adjusted by controlling the power for generating the plasma. Therefore, by controlling the power for generating plasma, the electron density in the plasma can be controlled, and as a result, the refractive index of the plasma can be controlled.
  • collision frequency V collision frequency
  • the inventors of the present invention have obtained the case where ⁇ is smaller than ⁇ in the collisional plasma. It was found that dnZd co becomes negative so-called anomalous dispersion. In the plasma exhibiting this anomalous dispersion, the phase velocity and the group velocity of the electromagnetic wave passing through it are reversed, and when the electromagnetic wave is incident obliquely on the plasma surface, it is folded back (refracted) in the plasma. Can be found and can cause a larger optical path change than incident on a normal dielectric surface.
  • the refractive index of the plasma can be controlled also by changing the collision frequency by changing the neutral particle density in the plasma.
  • Neutral particle density in the plasma can be controlled by the pressure of the gas to be ionized to generate the plasma, and this gas pressure can be easily controlled by adjusting the amount of gas filled into the closed space It is.
  • the electromagnetic wave control element of the present embodiment realizes a configuration corresponding to a periodic structure of refractive index change in a photonic crystal by utilizing the plasma characteristics as described above.
  • the electron density and collision frequency in the plasma that is, by adjusting the power supply and gas pressure
  • the physical properties such as the refractive index of the plasma can be greatly changed, and the function as an electromagnetic wave control element can be changed as needed. Control becomes possible.
  • the propagation state of electromagnetic waves can be controlled in various ways by transmitting the electromagnetic waves through a two-dimensional plasma array configured by periodically arranging plasma in two dimensions. .
  • each lattice point having a lattice spacing distance (lattice constant) of 2.5 mm has a diameter of 1. Omm.
  • columnar the axial direction of which is perpendicular to the lattice plane
  • the electron density of each plasma is 1 X 10 13 cm_ 3 (plasma frequency ⁇ / 2 ⁇
  • the electromagnetic wave to be controlled is assumed to have the electromagnetic mode TE mode (the electric field direction is parallel to the lattice plane) and the propagation direction parallel to the lattice plane.
  • the propagation mode is caused by the increase in the refractive index change in the two-dimensional plasma array, so that the amount of electromagnetic waves transmitted through the two-dimensional plasma array can be greatly increased or decreased. It is considered possible.
  • Such control of electromagnetic wave transmission is a characteristic unique to two-dimensional plasma arrays that cannot be realized with dielectric photonic crystals.
  • a forbidden band in which no propagation mode exists is generated between the flat band region and the frequency corresponding to the plasma frequency (28 GHz).
  • this forbidden band when an infinitely large 2D plasma array is considered, electromagnetic waves cannot propagate through the 2D plasma array and are blocked by the 2D plasma array.
  • the attenuation of the transmitted electromagnetic wave is determined according to the plasma density (ie, the refractive index with respect to the frequency of the transmitted electromagnetic wave) and the size of the two-dimensional plasma array. .
  • Such control of the amount of electromagnetic wave transmission is also a characteristic characteristic of a two-dimensional plasma array, which cannot be realized with a dielectric photonic crystal.
  • a band is formed. Even in this forbidden band, when an infinitely large two-dimensional plasma array is considered, electromagnetic waves cannot propagate through the two-dimensional plasma array and are blocked by the two-dimensional plasma array.
  • the attenuation of the transmitted electromagnetic wave is determined according to the plasma density (that is, the refractive index with respect to the frequency of the transmitted electromagnetic wave) and the size of the two-dimensional plasma array.
  • the frequency changes concentrically on the two-dimensional wave number plane.
  • the iso-frequency line is distorted, and the group velocity (d co Zdt) is anisotropic.
  • the direction of the group velocity coincides with the normal direction at any point on the iso-frequency line). That is, as shown in FIG. 15, the group velocity has directivity in the X direction and the Y direction.
  • the energy of the electromagnetic wave generally flows in the direction of the group velocity, for the electromagnetic wave in which the equal frequency line is distorted as described above, the energy is given a directivity in the X direction and the Y direction. . Therefore, when an electromagnetic wave is incident on the two-dimensional plasma array so that the traveling direction is substantially in the X direction, the electromagnetic wave propagates somewhat diverging in the absence of the two-dimensional plasma array. In the presence of a two-dimensional plasma array, directivity is imparted so that the energy flow is more directed in the X direction, and as a result, the amount of electromagnetic waves that pass through the two-dimensional plasma array increases. It is done. Such control of the amount of transmitted electromagnetic waves is also a characteristic unique to two-dimensional plasma arrays that cannot be realized with dielectric photonic crystals.
  • FIG. 1 shows the overall configuration of the electromagnetic wave control device 1 of the present embodiment
  • FIG. 2 shows a cross-sectional view taken along line AA in FIG.
  • the electromagnetic wave control device 1 includes an electromagnetic wave control element 2, a power control system 3 that controls power supplied to the electromagnetic wave control element 2, and a gas control system 4 that controls the gas in the electromagnetic wave control element 2. I have.
  • the electromagnetic wave control element 2 includes a housing 21 and a large number of electrodes 22a ′ 22b disposed inside the housing 21.
  • the casing 21 is a box-shaped container having a rectangular parallelepiped outer shape, and has a structure that is sealed except for a gas supply port 21a and a gas discharge port 21b so as to hold a predetermined gas therein. It has become.
  • a large number of electrodes 22a are arranged in a square lattice (matrix) on the inner upper surface of the casing 21, and a large number of electrodes 22a are also disposed on the inner lower surface of the casing 21 so as to face the electrodes 22a, respectively.
  • the power control system 3 includes a power source 31 that generates power, a power controller 32 that controls supply of power from the power source 31, and the power source 31, the power controller 32, and the electromagnetic wave control element 2. With electrical wiring to connect.
  • the power supply 31 generates AC power having a sine wave or rectangular wave waveform.
  • the electric power generated by the power source 31 is supplied to the power controller 32.
  • the power controller 32 adjusts the power supplied from the power source 31 and selectively supplies it to the electrode 22a. That is, the power controller 32 adjusts the power to be supplied by adjusting the voltage applied to the electrode 22a (where the electrode 22b is grounded) and is selected from a number of electrodes 22a. Supply regulated power to The electrode 22a to which power is to be supplied is preset, and the setting can be changed.
  • the gas control system 4 includes a vacuum pump 41, a gas cylinder 42, an exhaust valve 43a, and an intake valve 4
  • the electromagnetic wave control element 2 In the initial state, the electromagnetic wave control element 2 is filled with air, and this air is exhausted by the vacuum pump 41. As a result, a predetermined gas (for example, helium) is sent from the gas cylinder 42 into the electromagnetic wave control element 2 in a vacuum state, thereby filling the electromagnetic wave control element 2 with this gas.
  • the gas pressure inside the electromagnetic wave control element 2 is adjusted by controlling the opening / closing of the exhaust valve 43a and the intake valve 43b by the intake / exhaust controller 44. Then, the supply of power from the power source 31 is started, and a predetermined voltage is applied to the predetermined electrode 22 a by the power controller 32. As a result, plasma P is generated between the electrode 22a to which a voltage is applied and the electrode 22b opposite to the electrode 22a.
  • a predetermined gas for example, helium
  • FIG. 1 and FIG. 2 show a state in which plasma P is generated between all the electrodes 22a and 22b by applying a voltage to all the electrodes 22a. At this time, the plasma P is periodically distributed two-dimensionally inside the electromagnetic wave control element 2.
  • the electromagnetic wave R to be controlled is incident on the electromagnetic wave control element 2 from the outside in the direction along the arrangement of the plasma P.
  • the incident electromagnetic wave R is influenced by the periodic structure of the refractive index change realized by the plasma P inside the electromagnetic wave control element 2 and its propagation state is controlled.
  • the incident portion 21c where the electromagnetic wave R is incident and the emission portion 21d where the electromagnetic wave R is emitted in the casing 21 of the electromagnetic wave control element 2 are made of a material that transmits the electromagnetic wave R.
  • Control of the propagation state of the electromagnetic wave R includes control of the focusing or diverging state of the electromagnetic wave R, control of the traveling direction, control of attenuation (transmission), and control of resonance.
  • the electromagnetic wave control element 2 functions as a lens, an optical path controller (waveguide), a frequency filter, and a resonator, respectively.
  • the period in which the plasma P is distributed can be lengthened by generating the plasma P every other row and column of the electrode 22b.
  • the plasma P can be distributed in a triangular lattice pattern by alternately generating the plasma P in the row direction and the column direction of the electrodes 22b.
  • a line defect LD or a point defect PD can be formed in the periodic structure of plasma P.
  • Such an adjustment of the arrangement of the plasma P can be realized by selecting the electrode 22a that supplies power by the power controller 32 as described above.
  • the periodic structure of refractive index change can be set by setting the shape of the members constituting the photonic crystal, but in the case of a conventional photonic crystal, the shape is once changed. Once determined, it is difficult to change its shape.
  • the periodic structure of the refractive index change can be easily changed by changing the arrangement of the plasma P by the power controller 32.
  • the electromagnetic wave R incident on the electromagnetic wave control element 2, that is, the electromagnetic wave R to be controlled, has a frequency band of 10 to 100 GHz, the electromagnetic wave mode is TE mode (the electric field direction is on the periodic array surface of the plasma P). Parallel).
  • Plasma! 3 has an electron density of 2 to 3 10 13 «11 _ 3 (0) / 2
  • the gas pressure in the casing 21 is 30: LOOkPa
  • the gas type in the casing 21 is helium.
  • the casing 21 is 8 mm (longitudinal direction in FIG. 1)
  • X 50 mm depth direction in FIG. 1)
  • X 70 mm horizontal direction in FIG. 1)
  • the incident part 21c and the emitting part 21d are 8 mm X 50 mm.
  • the interstitial distance in the square lattice arrangement of electrodes 22a '22b is 2.
  • lm m vertical and horizontal directions in Fig. 2)
  • 20 electrodes (electromagnetic waves) with a diameter of 1.4 mm are used for each of electrodes 22a.22b.
  • X 20 electromagtic wave R width direction
  • the energy density at the center of the emission part 21d of the electromagnetic wave R emitted from the electromagnetic wave control element 2 was about 30 when the frequency was 35 GHz or higher.
  • energy density increased to about 400% at frequencies below 35 GHz.
  • the electromagnetic wave control element 2 in this case functions as a lens that collects the incident electromagnetic wave R.
  • This focusing phenomenon is anomalous dispersion when ⁇ ⁇ in the skin depth of collisional plasma.
  • the increase in the observed electromagnetic wave signal is one of the causes of the increase in the transmission amount due to the change in the refractive index due to the flat band region.
  • this increase in the electromagnetic wave signal is thought to be due to the overlapping of these multiple effects, and is the first phenomenon realized by a two-dimensional plasma array.
  • the frequency band of the electromagnetic wave to be controlled can be changed.
  • the frequency to be controlled changes in inverse proportion to the change.
  • the frequency band to be controlled expands as the diameter increases.
  • the outer shape of the electromagnetic wave control element 2 has a simple flat plate structure. To become and! Have a ⁇ ⁇ effect! / Speak.
  • a conventional lens having a convex structure made of a dielectric material is difficult to manufacture because it requires polishing of the curved surface of the lens, and the outer shape is a convex structure, and is subject to restrictions on arrangement.
  • the lens function as in the present embodiment can be used in the output section of the radar.
  • a dielectric lens is usually used in order to make the output electromagnetic wave converge, and the electromagnetic wave control device 1 can be provided in place of the dielectric lens.
  • the corresponding frequency and directivity can be changed, and a simple structure lens can be realized because it is not a convex structure but a flat structure.
  • the lens function as in the present embodiment can be used for electromagnetic waves having a frequency in the terahertz band by using the above-described plasma P having a high electron density by arc discharge or the like.
  • the variable lens function as in this embodiment is effective.
  • the electromagnetic wave R incident on the electromagnetic wave control element 2, that is, the electromagnetic wave R to be controlled, has a frequency band of 10 to 100 GHz, the electromagnetic wave mode is TM mode (the electric field direction is on the periodic arrangement surface of the plasma P). Vertical).
  • Plasma! 3 has an electron density of 2 to 3 10 13 «11 _ 3 (0) / 2
  • the gas pressure in the casing 21 is 30: LOOkPa
  • the gas type in the casing 21 is helium.
  • the casing 21 is 8 mm (longitudinal direction in FIG. 1)
  • X 50 mm depth direction in FIG. 1)
  • X 70 mm horizontal direction in FIG. 1)
  • the incident part 21c and the emitting part 21d are 8 mm X 50 mm.
  • the interstitial distance in the square lattice arrangement of electrodes 22a '22b is 5.
  • Om m vertical and horizontal directions in Fig. 2), and electrodes 22a.22b each have 20 electrodes (electromagnetic wave) with a diameter of 2. Omm. R traveling direction)
  • X 20 electromagtic wave R width direction
  • the energy density at the center of the emission part 21d of the electromagnetic wave R emitted from the electromagnetic wave control element 2 was about 30 when the frequency was 45 GHz or higher.
  • the energy density decreased by about 90% at a frequency force of 0 to 45 GHz. That is, it was confirmed that the electromagnetic wave control element 2 in this case functions as a filter that blocks the incident electromagnetic wave R in a predetermined frequency band.
  • the TM mode electromagnetic wave since the TM mode electromagnetic wave has only an electric field component along the longitudinal direction of the plasma P, the electric field cannot exist due to the generation of the plasma P, and many electromagnetic waves are blocked. It is excluded.
  • the filter function as in the present embodiment is a filter in a general electromagnetic wave transmitter (transmitter, filter, amplifier and antenna) or receiver (antenna, amplifier, filter, self-heterodyne mixer and output terminal). Can be used instead of In this case, the corresponding frequency can be changed, making it ideal as a filter for UWB (ultra-wide band) compatible equipment, which is expected to develop in the future.
  • UWB ultra-wide band
  • the lens function as in the present embodiment can be used for electromagnetic waves having a frequency in the terahertz band by using the above-described plasma P having a high electron density by arc discharge or the like. In other words, it may be necessary to extract a specific wavelength in a terahertz wave in which electromagnetic waves of various frequencies are mixed. At that time, the variable filter function as in this embodiment is effective.
  • the electromagnetic wave R incident on the electromagnetic wave control element 2, that is, the electromagnetic wave R to be controlled, has a frequency band of 10 to 100 GHz, the electromagnetic wave mode is TE mode (the direction of the electric field is on the periodic arrangement surface of the plasma P). Parallel).
  • the gas pressure in the housing 21 is 30 kPa
  • the gas type in the housing 21 is helium.
  • the case 21 is 8 mm (longitudinal direction in FIG. 1)
  • X 50 mm depth direction in FIG. 1)
  • X 70 mm horizontal direction in FIG. 1
  • the incident part 21c and the emission part 21d are 8 mm X 50 mm.
  • the interstitial distance in the square lattice arrangement of electrodes 22a '22b is 2.5 mm (vertical and horizontal directions in Fig. 2), and 30 electrodes 22a' 22b (traveling direction of electromagnetic wave R) X 20 (electromagnetic wave) R width direction).
  • the diameter of each plasma P was about 1. Omm.
  • the electromagnetic wave control device 1 can be variously modified as described below.
  • the electromagnetic wave control device 1 has a configuration in which the gas pressure inside the electromagnetic wave control element 2 can be adjusted by the gas control system 4. However, when the gas pressure is not adjusted, the electromagnetic wave control element 2 inside The gas control system 4 can be omitted by sealing a predetermined gas at a predetermined pressure.
  • the electromagnetic wave control device 1 has a configuration in which the power controller 32 can adjust the supply power and the arrangement of the plasma P, but the supply power and the arrangement of the Z or plasma P are not adjusted. In this case, these may be fixedly set in the power controller 32. Further, the power controller 32 may change the supply power and the arrangement of the plasma P over time.
  • the force illustrated in the 6-row 7-column arrangement as the arrangement of the electrodes 22a '22b Changes can be made (for example, changes in the number of rows and Z or columns, changes in row spacing and Z or column spacing, changes to other arrangement patterns such as triangular lattices, etc.).
  • the shape of the electrode 22a '22b as well as the force illustrated in the shape of a disk.
  • it may be changed to a rectangular plate shape, or may be changed to needle-like electrodes 22a '' 22b 'as shown in FIG.
  • the cross-sectional area of plasma P (the sectional area when cut by a plane perpendicular to the longitudinal direction) can be changed.
  • the inner surface shape is substantially the same as the planar shape of the electrodes 22a ′ 2 2b, and the electromagnetic wave R is transmitted.
  • a cylindrical member 23 made of material eg cylindrical member may be provided! ,.
  • adjacent plasmas P may be continuous. Even in such a case, in each plasma P, a gradient of electron density occurs from the center to the outer periphery, so that the periodic distribution of plasma is maintained, but the difference in electron density is Since it becomes smaller, the influence of the periodic structure is also reduced.
  • the plasma P can be confined inside the cylindrical member 23. Therefore, the boundary surface of the plasma P can be clearly defined, and the electrons on this boundary surface can be defined. A large difference in density can be obtained. As a result, the influence of the periodic distribution of plasma can be made more obvious.
  • the electromagnetic wave control element 2 is made of a dielectric that transmits the electromagnetic wave R, and between the electrodes 22a and 22b facing each other, the planar shape of the electrodes 22a ′ and 22b is almost the same.
  • a dielectric member 24 in which holes having the same inner shape are formed may be provided. In this configuration, the inside of the electromagnetic wave control element 2 is filled with the dielectric member 24 except for the holes.
  • the plasma P and the dielectric member 24 are reversed, that is, a cylindrical dielectric is periodically arranged to fill the periphery with plasma. Therefore, a periodic structure with a relatively high relative dielectric constant is formed against a background with a relatively low relative dielectric constant. Therefore, the electromagnetic waves to be controlled have a shorter wavelength (high frequency) than the configuration in Fig. 8 and control radio waves (terahertz band (wavelength of about 0.1 mm) and longer wavelength electromagnetic waves). It becomes unsuitable to.
  • the relative permittivity of the plasma is set to a negative value in order to increase the relative permittivity difference.
  • the energy of the electromagnetic wave is remarkably attenuated and hardly propagates.
  • the configuration of FIG. 8 can effectively control the propagation state while suppressing the attenuation of electromagnetic wave energy.
  • the electrode 22a '22b and the electrode 22a' '22b', and the casing 21, the cylindrical member 23, and the dielectric member 24 generate a plasma that generates two-dimensionally periodically distributed plasma. It functions as a plasma generation means. Further, the casing 21, the cylindrical member 23, and the dielectric member 24 function as gas holding means that holds the gas to be ionized inside to generate a plasma and transmits the electromagnetic waves to be controlled. In particular, the cylindrical member 23 and the dielectric member 24 have a plurality of holes formed periodically, and plasma is generated in the holes to realize a periodic distribution of plasma.
  • the dielectric member 24 is made of a dielectric material in which the plurality of holes are formed.
  • the power control system 3 functions as power control means for controlling power for generating plasma, and also functions as plasma distribution control means for controlling the plasma distribution state.
  • the gas control system 4 functions as a gas pressure control means for controlling the pressure of the gas to be ionized.
  • FIG. 9 shows the overall configuration of the electromagnetic wave control device 101 of the present embodiment. Note that components having the same functions as those described in Embodiment 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the electromagnetic wave control element 102 constituting the electromagnetic wave control device 101 includes electrodes 122a and 122b that form parallel flat plates outside the housing 21, and the electromagnetic wave control device of Embodiment 1 is provided inside the housing 21.
  • the electrode 22a '22b is formed in 1 !!, and the portion is provided with an electron emission member 123a' 123b having a material strength with a secondary electron emission coefficient higher than that of the inner surface of the housing 21. This is different from the electromagnetic wave control element 2 of the electromagnetic wave control device 1 in the first embodiment.
  • the power control system 103 constituting the electromagnetic wave control device 101 supplies power to the electrodes 122a and 122b in the power controller 132, rather than supplying power to each plasma P individually. Is different from the power control system 3 of the electromagnetic wave control device 1 in the first embodiment in that power is comprehensively supplied to the entire plasma P.
  • the electrodes 122a '122b are formed of parallel plates, so that power supply from the power control system 3 is facilitated. Then, by forming the electron emitting members 123a ′ 123b in a predetermined pattern, it is possible to form a periodic distribution of the plasma P corresponding to the pattern. Further, since the electron emission member 123a '123b has a higher secondary electron emission coefficient than the inner surface of the casing 21 and has a material strength, plasma P is easily generated.
  • the electron emission member 123a '123b As a specific material of the electron emission member 123a '123b, metal, magnesium oxide, or the like is preferable. Even if one of the electron emission members 123a ′ and 123b is omitted, the plasma P having a desired pattern can be generated.
  • the electrodes 122a ′ 122b, the electron emission members 123a ′ 123b, and the casing 21 function as plasma generation means for generating plasma that is periodically distributed two-dimensionally.
  • the electron emission members 123a ′ and 123b function as electron emission means that are exposed inside the casing 21 and have a material strength with a higher secondary electron emission coefficient than the surroundings.
  • the housing 21 holds and controls the gas to be ionized in order to generate plasma. It functions as gas holding means that transmits the target electromagnetic wave.
  • the power control system 103 functions as a power control means for controlling power for generating plasma.
  • FIG. 10 shows the overall configuration of the electromagnetic wave control device 201 of this embodiment.
  • the electromagnetic wave control element 202 included in the electromagnetic wave control device 201 includes electrodes 223a 'and 223b that form parallel plates outside the housing 21 in addition to the electrodes 22a' and 22b provided inside the housing 21. This is different from the electromagnetic wave control element 2 of the electromagnetic wave control device 1 in the first embodiment.
  • the power control system 203 constituting the electromagnetic wave control device 201 supplies power to the electrodes 223a ′ 2 23b in addition to supplying power to the electrodes 22a ′ 22b individually in the power controller 232.
  • the supply point is different from the power control system 3 of the electromagnetic wave control device 1 in the first embodiment.
  • the plasma P that is periodically distributed is generated by the same electrodes 22a '22b as the electromagnetic wave control element 2 of Embodiment 1, and the periphery of the plasma P is generated by the electrodes 223aa' 223b. Generate plasma P 'with electron density different from plasma P.
  • the control state for the electromagnetic wave can be changed more flexibly.
  • the electrodes 22a ′ 22b and the casing 21 function as plasma generating means for generating plasma that is two-dimensionally and periodically distributed.
  • the electrodes 223aa and 223b further surround the periodic plasma and further generate a plasma having an electron density different from that of the plasma.
  • the casing 21 is subject to ionization to generate plasma. It functions as a gas holding means that holds the gas inside and transmits the electromagnetic waves to be controlled.
  • the power control system 203 functions as power control means for controlling power for generating plasma, and also functions as plasma distribution control means for controlling the plasma distribution state.
  • FIG. 11 shows the overall configuration of the electromagnetic wave control device 301 of the present embodiment
  • FIG. 12 shows a cross-sectional view taken along line BB in FIG. Note that the same reference numerals are used for components having the same functions as the components described in the embodiments 1, 2, and 3, and the description thereof is omitted.
  • the electromagnetic wave control element 302 constituting the electromagnetic wave control device 301 includes electrodes 322a and 322b provided in the casing 21 so as to be close to each other.
  • the electrodes 322a ′ and 322b are mesh-shaped electrodes having the same shape, and openings (slits) S are formed in the electrodes 322a ′ and 322b so as to be arranged in a square lattice pattern (matrix pattern).
  • the electrodes 322a ′ and 322b are arranged with a predetermined gap so that the respective openings S overlap.
  • the electromagnetic wave control element 302, the outer electrode of the casing 21, and the flat electrode 323 are removed. Note that the electrode 322b, the electrode 322a, and the electrode 323 are arranged in this order.
  • the power control system 303 constituting the electromagnetic wave control device 301 supplies power to the electrode 322b to the power controller 332 and grounds the electrodes 322a and 323.
  • a plasma is generated between the grounded electrode 322b and the fed electrode 322a, and this plasma is generated by the potential of the grounded electrode 323 by opening the electrode 322a. It will be pulled out to the electrode 323 side through the part S.
  • the extracted plasma P is distributed in a square lattice shape corresponding to the opening S.
  • the electrodes 322a ′ 322b, the electrode 323, and the housing 21 function as plasma generating means for generating plasma that is two-dimensionally and periodically distributed.
  • the casing 21 functions as a gas holding means that holds the gas to be ionized inside to generate plasma and transmits the electromagnetic waves to be controlled.
  • the power control system 303 functions as power control means for controlling power for generating plasma.
  • FIG. 13 shows the overall configuration of the electromagnetic wave control device 401 of the present embodiment.
  • the same reference numerals are used for components having the same functions as those described in the above, and the description thereof is omitted.
  • An electromagnetic wave control element 402 constituting the electromagnetic wave control device 401 has a structure in which the electromagnetic wave control elements 2 in the first embodiment are stacked. As a result, the pair of electrodes 22a'22b facing each other is three-dimensionally arranged, and the plasma P generated during this time is also distributed three-dimensionally.
  • the force which is partially omitted in FIG. 13, is connected to the power controller 432, and each electrode 22b is grounded. Has been. Then, the power controller 432 supplies the adjusted electric power to the one selected from the electrodes 22a arranged three-dimensionally.
  • the plasma P can be periodically distributed three-dimensionally, so a so-called complete band gap can be realized, and the electromagnetic wave can be incident on the electromagnetic wave control element 402 from any direction.
  • the filter effect can be exhibited with respect to the electromagnetic wave to do.
  • the conventional photonic crystal composed of a solid material has many restrictions for realizing a three-dimensional structure due to manufacturing problems, but the electromagnetic wave control element 402 is relatively easy. A three-dimensional periodic structure can be realized.
  • the electrodes 22a'22b and the casing 21 are periodically divided into three dimensions. It functions as plasma generating means for generating plasma to be distributed. Further, the casing 21 functions as a gas holding means that holds a gas to be ionized inside to generate a plasma and transmits an electromagnetic wave to be controlled.
  • the power control system 403 functions as power control means for controlling power for generating plasma, and also functions as plasma distribution control means for controlling the plasma distribution state.
  • the electromagnetic wave control element 402 is configured by stacking the electromagnetic wave control elements 2 of the first embodiment. However, the electromagnetic wave control elements 1 02 ⁇ 202 ⁇ 302 described in the second to fourth embodiments are stacked. Thus, the electromagnetic wave control element 402 may be configured.
  • an electromagnetic wave control element whose function can be controlled dynamically and over a wide range by applying an external force signal, and an electromagnetic wave control device using the same.
  • the electromagnetic wave control device according to the present invention can be suitably used for controlling various electromagnetic waves, and can be particularly suitably used for controlling electromagnetic waves from 10 GHz to the terahertz band.
  • the electromagnetic wave control element of the present invention generates a large number of plasmas P (individual plasmas P are also referred to as “plasma bodies”) so as to form a two-dimensional or three-dimensional periodic structure. It may have a function capable of adjusting the gas pressure in the space in which the large number of plasma bodies are arranged. You may arrange
  • the multiple plasma bodies may be arranged in a cylindrical hollow tube having a periodic structure. You may arrange
  • the multiple plasma bodies may be generated by arc discharge. A function capable of controlling the arrangement positions of the multiple plasma bodies may be provided.
  • the control function of the arrangement position of the above-mentioned many plasma bodies may be realized by controlling the generation of preliminary discharge of a part of the plasma body.
  • the control function of the arrangement positions of the many plasma bodies may be realized by setting the material of the plasma body end contact portion.
  • the plasma body generation power supply means may be provided, and the generation power may be temporally variable.
  • the present invention can be suitably used for controlling electromagnetic waves in the communication field and the measurement field, for example.

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Abstract

　電磁波の制御状態を容易に変更することができる電磁波制御素子及び電磁波制御装置を提供する。電磁波制御素子２は、２次元又は３次元的に周期的に分布するプラズマ（Ｐ）を生成するために、プラズマ（Ｐ）を生成する電力を供給する電極（２２ａ・２２ｂ）と、プラズマ（Ｐ）を生成するために電離対象となるガスを内部に保持するとともに制御対象となる電磁波（Ｒ）を透過する筐体（２１）とを備え、プラズマ（Ｐ）に電磁波（Ｒ）を通過させることにより、電磁波（Ｒ）の伝播状態を制御する。

Description

明 細 書
電磁波制御素子、電磁波制御装置、電磁波制御プラズマ及び電磁波制 御方法
技術分野
[0001] 本発明は、電磁波を制御するための電磁波制御素子及びこれを備えた電磁波制 御装置、並びに電磁波を制御するための電磁波制御プラズマ及び電磁波制御方法 に関するものである。
背景技術
[0002] 電磁波は、情報通信分野での情報伝達媒体として、また各種物質の創成'改質手 段として、その役割の数々は枚挙に暇がない。したがって、電磁波を制御する素子に は、それら利用分野での必要性に応じて、常に様々な改良が加えられている。
[0003] 特に、マイクロ波力もテラへルツ帯にわたる電磁波は、まだ産業的に十分利用され ておらず、し力も今後その技術的 *巿場的進展が広く見込まれる周波数帯であり、そ れに適した制御デバイスの研究開発が望まれている。
[0004] 電磁波の制御素子としては、分岐素子、減衰器、共振器、周波数フィルタ、レンズ 等が様々な物質の様々な構造により実現されて 、る。
[0005] 近年では、フォトニック結晶と呼ばれる屈折率変化の周期構造をもつ構造体が、電 波〜光波 (テラへルツ帯 (波長 0. 1mm程度)及びこれよりも長波長の電磁波を「電波 」と称し、電波よりも短波長の電磁波を「光波」と称する。）の領域の制御素子として脚 光を浴びており、様々な応用を見据えた研究開発が盛んである (例えば、非特許文 献 1参照)。すなわち、これまでの単独物質では実現不可能な機能が、 2次元あるい は 3次元の周期構造をとることにより実現可能となってきている。
[0006] フォトニック結晶は、これまで誘電体又は金属の周期構造によりその機能を実現し てきた。誘電体を使用する場合は、周期構造の形状、周期構造の周期長及び周期 内構造の寸法に加え、誘電体の誘電率及び屈折率が重要な制御パラメータである。 また、金属を使用する場合は、当該金属は、誘電体と見なした場合の誘電率が負で あり、内部を電磁波が伝播不可能な媒質といえる。 [0007] 以上のような物質を用いて作成されたフォトニック結晶において、これまで様々な機 能が実現されている。実現されている機能の一例としては、周波数フィルタ、光路制 御器 (導波路)、共振器、レンズ、面発光レーザ等が挙げられる。
[0008] 一般に、プラズマは導電性とともに誘電性を有する媒質として知られて ヽる。そして 、非特許文献 2では、プラズマの上記特性を用いることにより、ミリ波帯からサブミリ波 帯の電磁波を制御することや、フォトニック結晶のような機能を持たせる構成 ( ヽゎゅ る「プラズマフォトニック結晶」）につ 、ての可能性を指摘して 、る。
[0009] 一方、非特許文献 3には、誘電体の周期構造を 2次元的に配置することにより、一 様なプラズマ中にプラズマの存在しない部分を周期的に形成することにより、ミリ波帯 の電磁波の伝播方向を制御するための研究が開示されている。なお、非特許文献 3 にお 、ても、「プラズマフォトニック結晶」と 、う用語が用いられて 、る。
非特許文献 1 :野田 進 著「二次元 ·三次元フォトニック結晶の現状と将来展望」応 用物理 第 74卷 第 2号（2005年） 147〜159頁
非特許文献 2 : K. fachibana, et. al. Diagnostics of microaiscnarge- integrated plasm a sources for display and materials processing", Plasma Phys. Control. Fusion, Vol. 47, No.5A(2005)pp.A167-A177.
非特許文献 3：内田 直人他 著「2次元プラズマフォトニック結晶における電磁波伝 搬シミュレーション」日本物理学会講演概要集 第 60卷 第 1号 第 2分冊 (2005年) 263頁
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] し力しながら、従来研究開発されてきたフォトニック結晶は、以下のような問題点を 有している。
[0011] 従来のフォトニック結晶は、誘電体又は金属といった固体材料を使用しているため 、上記非特許文献 3のプラズマフォトニック結晶を除き、一旦構造物を作製するとその 屈折率や誘電率を変化させることは容易ではない。すなわち、電磁波の周波数に対 するフォトニック結晶の応答特性は、フォトニック結晶そのものを交換しない限りは変 化させることは困難である。 [0012] つまり、フォトニック結晶はこれまで存在した電磁波制御素子では実現できない様 々な機能を実現可能であるものの、ー且作製したフォトニック結晶の機能はほぼ 1つ に限定されてしまう。
[0013] 一方、上記非特許文献 3のプラズマフォトニック結晶の場合では、誘電体の周期構 造の間隙がプラズマによって満たされて 、ることから、プラズマの特性を変化させるこ とによって上記間隙の誘電率を変化させることは可能である。
[0014] し力しながら、上記プラズマフォトニック結晶では、周期的に誘電体が設けられてお りその他の部分がプラズマによって満たされているため、プラズマ中でのエネルギー の減衰が著しくなり（特にプラズマの比誘電率を負の値に設定した場合)、プラズマフ オトニック結晶中を電磁波が伝播することが困難になることから、実際にはプラズマフ オトニック結晶の応答特性を広く変化させることは困難である。
[0015] また、上記プラズマフォトニック結晶では、一様なプラズマの使用を前提としている ため、プラズマの部分部分を制御することができず、プラズマフォトニック結晶の応答 特性を広く制御することが困難である。
[0016] さらに、上記非特許文献 2には、いわゆる「プラズマフォトニック結晶」の具体的構成 やこれを作製するための具体的内容にっ ヽては何ら開示はなされて ヽな ヽ。
[0017] 本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電磁波の制御状 態を容易に変更することができる電磁波制御素子及び電磁波制御装置を提供するこ とにある。
課題を解決するための手段
[0018] 本発明に係る電磁波制御素子は、 2次元又は 3次元的に周期的に分布するプラズ マを生成するプラズマ生成手段を備え、前記プラズマに電磁波を通過させることによ り、当該電磁波の伝播状態を制御することを特徴としている。
[0019] 上記構成では、プラズマ生成手段によって 2次元又は 3次元的に周期的に分布す るプラズマを生成する。プラズマが生成された部分ではその屈折率が周囲とは異なる
。したがって、 2次元又は 3次元的に周期的に分布するプラズマを生成することによつ て、従来のフォトニック結晶と同じように、屈折率の周期的変化を形成することができ
、これによつて電磁波の伝播状態を制御することができる。 [0020] 従来のフォトニック結晶では、フォトニック結晶の材質や形状を決定すると、屈折率 の周期的変化が定まることから、電磁波の制御状態も定まることになる。したがって、 電磁波の制御状態を変更しょうとすると、フォトニック結晶の材質や形状を変更する 必要があり、このことはフォトニック結晶そのものを交換することになる。
[0021] 一方、プラズマは、当該プラズマにおける電子密度や当該プラズマを生成するため に電離対象となるガスの圧力を変更することによって当該プラズマの屈折率を変化さ せることができる。したがって、上記構成では、プラズマにおける電子密度や電離対 象となるガスの圧力を変更することによって制御パラメータである屈折率を容易に変 更することができ、電磁波の制御状態も変更することができる。
[0022] このように、上記構成では、電磁波の制御状態を変更することができる電磁波制御 素子を実現することができる。
[0023] また、本発明に係る電磁波制御プラズマは、 2次元又は 3次元的に周期的に分布 することにより、通過する電磁波の伝播状態を制御することを特徴としている。また、 本発明に係る電磁波制御方法は、 2次元又は 3次元的に周期的に分布するプラズマ を生成し、前記プラズマに電磁波を通過させることにより、当該電磁波の伝播状態を 制御することを特徴としている。これらによっても、上記電磁波制御素子と同じぐ電 磁波の制御状態を容易に変更することができる。
[0024] 前記プラズマ生成手段は、前記プラズマを生成する電力を供給する電極と、前記 プラズマを生成するために電離対象となるガスを内部に保持するとともに制御対象と なる電磁波を透過するガス保持手段とを備えることによって構成することができる。
[0025] また、前記電極は周期的に配置されており、当該電極の周期的配置に応じて前記 プラズマの周期的分布を形成される構成とすることもできる。
[0026] また、前記ガス保持手段は周期的に形成された複数の空孔を有しており、当該空 孔内にプラズマが生成されることにより前記プラズマの周期的分布が形成される構成 とすることちでさる。
[0027] 上記構成では、ガス保持手段の空孔内にプラズマを生成するので、ガス保持手段 の内部にプラズマを閉じ込めることができ、プラズマの境界面を明確に定めることが できる。そうすると、この境界面における電子密度の差を大きくとることができ、プラズ マの周期的分布による影響をより顕在化することができる。
[0028] また、前記ガス保持手段は、前記複数の空孔が形成された誘電体からなって ヽる 構成とすることちでさる。
[0029] 上記構成では、上記空孔以外の部分が誘電体によって埋められることになる。これ により、境界面における電子密度の差を大きくとることができることにカ卩えて、境界面 における比誘電率の差をより大きくとることができる。その結果、プラズマの周期的分 布による影響をさらに顕在化することができる。
[0030] また、前記プラズマ生成手段は、前記ガス保持手段の内部に露出し、周囲よりも 2 次電子放出係数の高い材質力 なる電子放出手段をさらに備え、前記電子放出手 段は周期的に配置されており、当該電子放出手段の周期的配置に応じて前記ブラ ズマの周期的分布が形成される構成とすることもできる。
[0031] また、前記プラズマ生成手段は、前記周期的なプラズマを取り囲み、かつ、当該プ ラズマとは電子密度の異なるプラズマをさらに生成する構成としてもよい。
[0032] 上記構成では、周期的なプラズマ部分と、これを取り囲む部分、すなわち、周期的 なプラズマとは電子密度の異なるプラズマ部分との両方の屈折率を変化させることが できるので、より柔軟に電磁波に対する制御状態を変更することができる。
[0033] また、前記プラズマ生成手段は、前記電極によって生成されたプラズマを引き出す ための電圧を印可する引出電極を備える構成としてもよい。
[0034] 上記構成では、予備放電によって生成されたプラズマを引き出すことによってブラ ズマの長さを調節することができる。
[0035] 本発明に係る電磁波制御装置は、上記何れかの電磁波制御素子と、前記プラズマ 生成手段によってプラズマを生成するための電力を制御する電力制御手段とを備え ることを特徴としている。
[0036] 上記構成では、電力制御手段によってプラズマを生成するための電力を制御する ことにより、プラズマにおける電子密度を制御することができる。これにより、制御パラ メータである屈折率を制御することができ、電磁波の制御状態も変更することができる
[0037] 本発明に係る電磁波制御装置は、上記何れかの電磁波制御素子と、前記プラズマ 生成手段によって生成されるプラズマの分布状態を制御するプラズマ分布制御手段 とを備えることを特徴として ヽる。
[0038] 上記構成では、プラズマ分布制御手段によってプラズマの分布状態を制御すること ができるので、屈折率変化の周期構造を変更することができる。これにより、より柔軟 に電磁波の制御状態を変更することができる。
[0039] 本発明に係る電磁波制御装置は、上記何れかの電磁波制御素子と、前記プラズマ を生成するために電離対象となるガスの圧力を制御するガス圧力制御手段とを備え ることを特徴としている。
[0040] 上記構成では、電離対象となるガスの圧力を制御することにより、プラズマにおける 電子密度を制御することができる。これにより、制御パラメータである屈折率を制御す ることができ、電磁波の制御状態も制御することができる。
発明の効果
[0041] 本発明に係る電磁波制御素子は、以上のように、 2次元又は 3次元的に周期的に 分布するプラズマを生成するプラズマ生成手段を備え、前記プラズマに電磁波を通 過させることにより、当該電磁波の伝播状態を制御する構成である。
[0042] 上記構成では、プラズマにおける電子密度や電離対象となるガスの圧力を変更す ることによって制御パラメータである屈折率を容易に変更することができ、電磁波の制 御状態も変更することができる。
[0043] このように、上記構成では、電磁波の制御状態を変更することができる電磁波制御 素子を実現することができるという効果を奏する。
図面の簡単な説明
[0044] [図 1]本発明の第 1実施形態の電磁波制御装置を示す断面図である。
[図 2]図 1の電磁波制御装置の A— A線矢視断面図である。
[図 3]プラズマの分布状態を示す、図 1の電磁波制御装置の A— A線矢視断面図で ある。
[図 4]プラズマの他の分布状態を示す、図 1の電磁波制御装置の A— A線矢視断面 図である。
[図 5]プラズマのさらに他の分布状態を示す、図 1の電磁波制御装置の A— A線矢視 断面図である。
[図 6]図 1の電磁波制御装置における電磁波制御素子の変形例を示す断面図である
[図 7]図 1の電磁波制御装置における電磁波制御素子の他の変形例を示す断面図 である。
[図 8]図 1の電磁波制御装置における電磁波制御素子のさらに他の変形例を示す断 面図である。
[図 9]本発明の第 2実施形態の電磁波制御装置を示す断面図である。
[図 10]本発明の第 3実施形態の電磁波制御装置を示す断面図である。
[図 11]本発明の第 4実施形態の電磁波制御装置を示す断面図である。
[図 12]図 11の電磁波制御装置の B— B線矢視断面図である。
[図 13]本発明の第 5実施形態の電磁波制御装置を示す断面図である。
[図 14]2次元プラズマアレイ内を伝播する電磁波の分散関係を示す図である。
[図 15]2次元プラズマアレイ内を伝播する電磁波の 2次元波数平面上の等周波数線 の分布を示す図である。
符号の説明
1 電磁波制御装置
2 電磁波制御素子
3 電力制御システム (電力制御手段、プラズマ分布制御手段）
4 ガス制御システム (ガス圧力制御手段）
21 筐体 (プラズマ生成手段、ガス保持手段）
22a 電極 (プラズマ生成手段）
22b 電極 (プラズマ生成手段）
23 筒部材 (プラズマ生成手段、ガス保持手段）
24 誘電部材 (プラズマ生成手段、ガス保持手段）
101 電磁波制御装置
102 電磁波制御素子
103 電力制御システム (電力制御手段） 122a 電極 (プラズマ生成手段）
122b 電極 (プラズマ生成手段）
123a 電子放出部材 (プラズマ生成手段、電子放出手段）
123b 電子放出部材 (プラズマ生成手段、電子放出手段）
201 電磁波制御装置
202 電磁波制御素子
203 電力制御システム (電力制御手段、プラズマ分布制御手段)
223a 電極 (プラズマ生成手段）
223b 電極 (プラズマ生成手段）
301 電磁波制御装置
302 電磁波制御素子
303 電力制御システム (電力制御手段）
322a 電極 (プラズマ生成手段）
322b 電極 (プラズマ生成手段）
323 電極 (プラズマ生成手段）
401 電磁波制御装置
402 電磁波制御素子
403 電力制御システム (電力制御手段、プラズマ分布制御手段)
P プラズマ
R 電磁波
発明を実施するための最良の形態
[0046] 〔実施形態 1〕
本発明の実施の一形態について図 1から図 8に基づいて説明すると以下の通りで ある。
[0047] 本実施形態の電磁波制御素子では、電磁波の制御のためにプラズマを用いる。そ こで、まず、プラズマの性質について説明する。
[0048] 一般に、プラズマが発生すると、その部分を通過する電磁波に対する比誘電率 ε は次の式（1)〖こよって表されることが知られている。 [0049] [数 1]
、
( 1 )
ω ノ
[0050] ここで、 ω Ζ2 πは電子プラズマ周波数（「電子プラズマ振動数」とも 、う。以下で pe
は単に「プラズマ周波数」と 、う。）、 ω Z2 πはプラズマを通過する電磁波の周波数 であり、比誘電率 ε と屈折率 ηとの間の関係は、 η= ε 1/2である。
[0051] 式（1)より、比誘電率 ε は、 1よりも小さな値をもち、かつ、 ωが ω よりも大きい場 r pe
合には正の値をとる。したがって、 ωが ω よりも大きい場合には、プラズマは誘電体 pe
と見なしうる。
[0052] また、式（1)より、 ωが ω よりも小さい場合には、比誘電率 ε は負の値となり、電磁 pe r
波はプラズマ中には表皮厚さと呼ばれるごく薄い領域にし力 f曼入できなくなるため、 電磁波はプラズマ中をほぼ伝播不可能とみなすことができる。したがって、 ωが ω よ pe りも小さい場合には、プラズマは金属と同様に振舞う。
[0053] したがって、プラズマを発生させたり消滅させたりすると、その場所での比誘電率 ε は大きく変化する。また、プラズマが存在している状態でも、その ω を変化させること pe
により、電磁波がプラズマ中を伝播できる状態とほとんど伝播できない状態とを切り換 えることができる。
[0054] なお、 ω はプラズマ中の電子密度 (プラズマ強度）の関数であり、電子密度の 1Ζ pe
2乗に比例する。より具体的には、電子密度とプラズマ周波数との関係は次の式（2) によって表される。
[0055] [数 2] mPe = 2nWee me£o)) ■ ■ · ( )
[0056] ここで、 nは電子密度、 eは素電荷量、 mは電子の質量、 ε は真空中の誘電率で e e 0
ある。また、電子密度とプラズマ周波数との関係を具体的数値例によって示すと、次 の表 1のようになる。
[0057] [表 1] 電子密度 プラズマ周波数
1 1 01 1 cm— 3 2.8GHz
1 101 2 cm— 3 9.0GHz
1 x 1 013 cm— 3 28GHz
1 X 1014 cm— 3 90GHz
1 X 1 01 5 cm一3 280GHz
1 X 1 01 6 cm-3 900GHz(0.9THz)
1 x 101 7 cm— 3 2.8THz
[0058] したがって、プラズマの電子密度を変化させることにより、電磁波がプラズマ中を伝 播できる状態とほとんど伝播できない状態とを切り換えることができる。
[0059] このことは、従来のフォトニック結晶との比較でいうと、電子密度を変化させることに より、電磁波に対して誘電体相当のもの力 金属相当のものまで、様々な屈折率を設 定可能であるといえる。
[0060] このようなプラズマの屈折率の制御は、次のようにして行うことができる。プラズマ中 の電子密度は、プラズマの生成用電力を制御することによってその調整が可能であ る。したがって、プラズマの生成用電力を制御することによって、プラズマ中の電子密 度を制御することができ、その結果としてプラズマの屈折率を制御することができる。
[0061] また、比誘電率 ε は、より正確には、プラズマ部に存在する中性粒子とプラズマ中 の電子との間での衝突周波数 (以下、単に「衝突周波数」という） V を考慮することに より、複素数として次の式（3)によって表現される。
[0062] [数 3] ίω 1
ε = 1. ( 3 )
ω 1一 Λν™/ω)
[0063] 中性粒子と電子との間での衝突がある程度頻繁になって衝突性プラズマと!/、う領域 になると、 ωが ω よりも小さい場合であっても表皮厚さが厚くなり、電磁波はある程 pe
度プラズマ中に侵入するようになる。
[0064] ここで、本発明の発明者らは、衝突性プラズマにおいて ωが ω よりも小さい場合に 、 dnZd coが負となるいわゆる異常分散と呼ばれる状態となることを見出した。この異 常分散を示すプラズマにおいては、その中を通過する電磁波の位相速度と郡速度が 逆向きとなり、電磁波がプラズマ表面に斜めに入射するとき、プラズマ内では逆向き に折り返す (屈折する）現象が見出され、通常の誘電体面への入射よりも大きな光路 変化を起こすことができる。
[0065] このことから、プラズマ中の中性粒子密度を変化させて衝突周波数を変化させるこ とによっても、プラズマの屈折率を制御することができることになる。プラズマ中の中性 粒子密度は、プラズマを生成するために電離対象となるガスの圧力によって制御でき 、このガス圧力は、ガスを閉空間に充填するときの量を調整することによって容易に 制御可能である。
[0066] 本実施形態の電磁波制御素子は、フォトニック結晶における屈折率変化の周期構 造に相当する構成を、上記のようなプラズマの特性を利用して実現するものである。 これにより、プラズマ中の電子密度や衝突周波数の調整、すなわち供給電力やガス 圧力の調整を行うことによってプラズマの屈折率等の物性値を大きく変化させること ができ、電磁波制御素子としての機能を随時制御可能となる。
[0067] ここで、 2次元的に周期的にプラズマを配列させることにより構成された 2次元プラズ マアレイに電磁波を透過させることにより、その電磁波の伝播状態を様々に制御可能 であることを説明する。
[0068] 2次元プラズマアレイの一例として、正方格子状にプラズマを配列させた構成、より 具体的には、格子間隔距離 (格子定数)が 2. 5mmの各格子点に、直径 1. Ommの 柱状 (その軸方向は格子平面に垂直)のプラズマがそれぞれ生成されている構成を 想定する。なお、各プラズマの電子密度は 1 X 1013cm_3 (プラズマ周波数 ω /2 π
pe
= 28GHz)、プラズマを生成するための電離対象となるガス圧力は 30kPa、ガス種 はヘリウムとする。また、制御対象となる電磁波は、電磁波モードが TEモード (電界の 方向が格子面に平行）、伝播方向が格子面に平行であるものとする。
[0069] このときの電磁波の分散関係を理論的に導出すると、その理論曲線は図 14のよう になる。この分散関係は設定するパラメータによって大きく変化するが、以下に説明 する特性は、定性的にはパラメータに依存しない共通の内容である。 [0070] まず、プラズマ周波数（28GHz)よりも低周波数側には、「フラットバンド領域」と呼 ばれるごく狭い周波数帯に、波数に対してほぼ一定の周波数をとる伝播モードが現 れる。この伝播モードの存在する領域は、先に述べたプラズマの金属的振舞いと異 常分散とが生じる領域にほぼ対応している。したがって、プラズマ中のこれらの現象と プラズマ自体が 2次元周期構造をとることとに由来して上記伝播モードが生じることに なる。このように、 2次元プラズマアレイ内における屈折率変化が大きくなることによつ て上記伝播モードが生じることにより、 2次元プラズマアレイを透過する電磁波の量を 大きく増加させたり減少させたりすることができるものと考えられる。このような電磁波 の透過量の制御は、誘電体のフォトニック結晶では実現し得ない、 2次元プラズマァ レイに特有の特性である。
[0071] 次に、フラットバンド領域とプラズマ周波数（28GHz)に相当する周波数との間には 、伝播モードが存在しない禁制帯が生じる。この禁制帯では、無限に大きな 2次元プ ラズマアレイを考えた場合、電磁波はこの 2次元プラズマアレイ内を伝播できず、この 2次元プラズマアレイによって遮断されることになる。有限の大きさの 2次元プラズマァ レイの場合は、プラズマ密度 (すなわち透過する電磁波の周波数に対する屈折率）と 2次元プラズマアレイの大きさとに応じて、透過する電磁波の減衰量が決まることにな る。このような電磁波の透過量の制御も、誘電体のフォトニック結晶では実現し得ない 、 2次元プラズマアレイに特有の特性である。
[0072] さらに、プラズマ周波数が上がって、（プラズマ周波数 X格子定数 Z光速） =0. 5と なる条件、つまり、格子定数が電磁波の波長の 1Z2となる条件よりも少し高い周波数 側にも禁制帯が生じる。この禁制帯においても、無限に大きな 2次元プラズマアレイ を考えた場合、電磁波はこの 2次元プラズマアレイ内を伝播できず、この 2次元プラズ マアレイによって遮断されることになる。有限の大きさの 2次元プラズマアレイの場合 は、プラズマ密度 (すなわち透過する電磁波の周波数に対する屈折率）と 2次元ブラ ズマアレイの大きさとに応じて、透過する電磁波の減衰量が決まることになる。この現 象は、誘電体のフォトニック結晶と同様の禁制帯の発現現象である。ただし、 2次元プ ラズマアレイの場合は、先に述べたように、プラズマ密度を時間的にかつ空間的に制 御できるので、禁制帯が生じる時間や周波数を容易に制御できる。 [0073] また、 2次元プラズマアレイ内における電磁波の伝播を解析してみると、以下のよう な内容も明ら力となった。上記にぉ 、て想定した 2次元プラズマアレイの電磁波及び プラズマパラメータに関して、プラズマ周波数（28GHz)よりもやや高周波数側の電 磁波の伝播を、 2次元波数平面上の等周波数線の分布として図示すると図 15のよう になった。なお、図 15中「X方向波数」及び「Y方向波数」の「X方向」及び「Y方向」 は、 2次元プラズマアレイの格子の配列方向（行方向及び列方向）を意味する。
[0074] 通常の電磁波の伝播では、 2次元波数平面上では周波数が同心円状に変化する 力 電磁波の周波数がプラズマ周波数に近づくと等周波数線が歪められ、群速度 (d co Zdt)の異方性が生じる（なお、群速度の方向は、等周波数線上の任意の点にお ける法線方向に一致している）。すなわち、図 15に示すように、群速度は X方向及び Y方向への指向性を有することになる。
[0075] 電磁波のエネルギーは概ね群速度方向に流れるので、上記のように等周波数線が 歪められた電磁波については、そのエネルギーは X方向及び Y方向への指向性が 付与されること〖こなる。したがって、進行方向がほぼ X方向に向くようにして電磁波を 2次元プラズマアレイに入射させると、その電磁波は、 2次元プラズマアレイが存在し ない場合には幾分発散しながら伝播するのに対して、 2次元プラズマアレイが存在す る場合にはエネルギーの流れがより X方向を向くように指向性が付与されることになり 、その結果、 2次元プラズマアレイを透過する電磁波の量が増大すると考えられる。こ のような電磁波の透過量の制御も、誘電体のフォトニック結晶では実現し得ない、 2 次元プラズマアレイに特有の特性である。
[0076] 次に、本実施形態の電磁波制御素子及びこれを用いた電磁波制御装置の構成に ついて説明する。本実施形態の電磁波制御装置 1の全体構成を図 1に示し、図 1〖こ おける A— A線矢視断面図を図 2に示す。
[0077] 電磁波制御装置 1は、電磁波制御素子 2と、電磁波制御素子 2への供給電力を制 御する電力制御システム 3と、電磁波制御素子 2内のガスを制御するガス制御システ ム 4とを備えている。
[0078] 電磁波制御素子 2は、筐体 21と、筐体 21内部に配置された多数の電極 22a' 22b とを備えている。 [0079] 筐体 21は、直方体の外形を有する箱状の容器であり、内部に所定のガスを保持で きるよう〖こ、ガス供給口 21a及びガス排出口 21bを除いて密封された構造となってい る。
[0080] 筐体 21の内部上面には、多数の電極 22aが正方格子状 (行列状）に配置されてい るとともに、筐体 21の内部下面にも、電極 22aにそれぞれ対向するように多数の電極
22bが正方格子状に配置されて 、る。
[0081] 電力制御システム 3は、電力を発生する電源 31と、電源 31からの電力の供給を制 御する電力制御器 32と、電源 31と電力制御器 32と電磁波制御素子 2との間を接続 する電気配線とを備えて 、る。
[0082] 電源 31は、正弦波や矩形波の波形を有する交流電力を発生する。電源 31によつ て発生された電力は、電力制御器 32に供給される。
[0083] 電力制御器 32は、電源 31から供給された電力を調整し、かつ、選択的に電極 22a に供給する。すなわち、電力制御器 32は、電極 22aに印加する電圧（なお、電極 22 bは接地されている）を調整することにより供給する電力を調整するとともに、多数の 電極 22aの中から選択されたものに対して調整された電力を供給する。電力を供給 すべき電極 22aは予め設定されており、その設定は変更可能である。
[0084] ガス制御システム 4は、真空ポンプ 41と、ガスボンベ 42と、排気弁 43aと、吸気弁 4
3bと、吸排気制御器 44と、これらと電磁波制御素子 2のガス供給口 21a及びガス排 出口 21bとをつなぐ配管とを備えている。
[0085] このガス制御システム 4により、電磁波制御素子 2内部のガスの排気、所定ガスの充 填、ガス圧力の調整を行うことができる。
[0086] 以上のような構成を有する電磁波制御装置 1による電磁波の制御動作にっ 、て説 明する。
[0087] 初期状態では電磁波制御素子 2内部に空気が充填されており、この空気を真空ポ ンプ 41により排気する。これにより真空状態となった電磁波制御素子 2内部に、ガス ボンべ 42より所定のガス (例えばヘリウム）を送り込むことによって電磁波制御素子 2 内部にこのガスを充填する。電磁波制御素子 2内部におけるガス圧力は、吸排気制 御器 44によって排気弁 43a及び吸気弁 43bの開閉を制御することによって調整する [0088] そして、電源 31からの電力の供給を開始し、電力制御器 32によって所定の電極 2 2aに所定の電圧を印加する。これにより、電圧が印加された電極 22aとこれに対向す る電極 22bとの間においてプラズマ Pを生成する。
[0089] 図 1及び図 2では、全ての電極 22aに対して電圧を印加することにより、全ての電極 22aと電極 22bとの間にプラズマ Pを生成した状態を示している。このとき、電磁波制 御素子 2内部には 2次元的に周期的にプラズマ Pが分布することになる。
[0090] そして、外部より電磁波制御素子 2に対して、プラズマ Pの配列に沿った方向に制 御対象となる電磁波 Rを入射させる。入射された電磁波 Rは、電磁波制御素子 2内部 において、プラズマ Pによって実現される屈折率変化の周期構造の影響を受け、その 伝播状態が制御される。
[0091] なお、電磁波制御素子 2の筐体 21における電磁波 Rが入射される入射部 21c、及 び電磁波 Rが出射される出射部 21dは、電磁波 Rを透過する材質によって構成され ている。
[0092] 電磁波 Rの伝播状態の制御には、電磁波 Rの集束又は発散状態の制御、進行方 向の制御、減衰 (透過）の制御、共振の制御が含まれる。このとき、電磁波制御素子 2 はそれぞれレンズ、光路制御器 (導波路)、周波数フィルタ、共振器として機能する。
[0093] これらの制御は、上述したプラズマ中の電子密度や衝突周波数の調整に加えて、 プラズマ Pの配置の調整 (プラズマの分布状態の制御）によって実現することができる
[0094] 図 3から図 5に基づいて、プラズマ Pの配置の調整例についてついて説明する。図 3 に示すように、電極 22bの 1行 1列おきにプラズマ Pを発生させることにより、プラズマ Pの分布する周期を長くすることができる。また、図 4に示すように、電極 22bの行方 向及び列方向に交互にプラズマ Pを発生させることにより、プラズマ Pを三角格子状 に分布させることもできる。さらに、図 5に示すように、プラズマ Pの周期構造の中に線 欠陥 LD又は点欠陥 PDを形成することもできる。
[0095] このようなプラズマ Pの配置の調整は、上述したように、電力制御器 32によって電力 を供給する電極 22aを選択することによって実現することができる。従来のフォト-ッ ク結晶の場合でも、当該フォトニック結晶を構成する部材の形状を設定することによ つて屈折率変化の周期構造を設定することはできるが、従来のフォトニック結晶の場 合には一旦形状を決定するとその形状を変更することは困難である。これに対して、 電磁波制御装置 1では、電力制御器 32によるプラズマ Pの配置の変更によって屈折 率変化の周期構造を容易に変更することができる。
[0096] (実施例 1)
上記構成の電磁波制御装置 1を用いた電磁波制御の具体例を以下に示す。電磁 波制御装置 1における各制御パラメータの具体的な値は以下の通りである。
[0097] 電磁波制御素子 2に入射させる電磁波 R、つまり制御対象となる電磁波 Rは、周波 数帯が 10〜 100GHzであり、電磁波モードが TEモード（電界の方向がプラズマ Pの 周期的配列面に平行)である。プラズマ!3の電子密度は2〜3 1013«11_ 3 ( 0) /2
pe π =40〜49GHz)、筐体 21内のガス圧力は 30〜： LOOkPa、筐体 21内のガス種は ヘリウムである。筐体 21は 8mm (図 1における縦方向） X 50mm (図 1における奥行 き方向） X 70mm (図 1における横方向）であり、入射部 21c及び出射部 21dは 8mm X 50mmである。電極 22a ' 22bの正方格子状の配置における格子間距離は 2. lm m (図 2における縦及び横方向）であり、電極 22a.22bは直径 1. 4mmのものをそれ ぞれ 20個（電磁波 Rの進行方向） X 20個（電磁波 Rの幅方向）配置した。また、各プ ラズマ Pの直径は約 1. 4mmとなった。
[0098] 次に、制御パラメータを上記のとおり設定した電磁波制御装置 1の電磁波の制御特 性を説明する。
[0099] 電磁波制御素子 2に入射される電磁波 Rの周波数を変化させたところ、周波数が 3 5GHz以上では電磁波制御素子 2から出射される電磁波 Rの出射部 21d中央でのェ ネルギー密度が約 30%減少するのに対し、周波数が 35GHz以下ではエネルギー 密度が約 400%まで増大した。つまり、この場合の電磁波制御素子 2は入射される電 磁波 Rを集光するレンズとして機能することが確認できた。
[0100] この集光現象は、衝突性プラズマの表皮深さ部における ω < ω のときの異常分散
pe
その他の効果により説明できる。
[0101] 通常電磁波は、ややその伝播断面を広げながら電磁波制御素子 2を通過していく 。そして、衝突性プラズマによりそのエネルギーの一部が消費されて出射される。これ 力 周波数が 35GHz以上の場合に相当するものと考えられる。
[0102] 一方、 ω < ω のとき、電磁波はプラズマ Ρの異常分散に影響されて、その伝播断
pe
面を狭めながら伝播する。そして、衝突性プラズマによるエネルギー消費がありなが らも、プラズマ Pの間隙ではそのようなエネルギー消費も無ぐ結果として出射部 21d 中央ではエネルギー密度が上昇する。これが、周波数が 35GHz以下の場合に相当 するものと考えられる。
[0103] 以上は、プラズマの異常分散の効果を中心に説明したが、屈折率の 2次元周期的 変化によって生じる集光効果（例えば、 P. V. Parimi, W. T. Lu, P. Vodo, and S. Srid har, Nature, vol. 426 (2003), p.404参照）もこの結果に寄与しているものと考えられる
[0104] あるいは、下記のような 2次元プラズマアレイに独特の異常伝播現象もこの結果に 寄与していると考えられる。すなわち、上記電磁波 Rの周波数帯 10〜： LOOGHzのう ち、伝播している周波数帯は、プラズマ周波数（ω Ζ2 π =40〜49GHz)よりもや
pe
や低い周波数帯であり、これは図 14を用いて説明したフラットバンド領域に相当する 。すなわち、観測された電磁波信号の増大は、フラットバンド領域に起因する屈折率 の変化による透過量の増大も、原因の一つである。以上のように、この電磁波信号の 増大現象はこれら複数の効果が重なり合つたものと考えられ、 2次元プラズマアレイ により初めて実現される現象である。
[0105] この現象は、 TEモードに対して特徴的に現れる。これは、 TEモードは ω < ω のと
pe きでもプラズマ Pの長手方向（図 1における縦方向）に沿った電界成分を持たず、遮 断されにく 、ことに起因して 、る。
[0106] この集光現象は、プラズマ Pの生成用電力を弱くすることにより消失した。このことは 、プラズマ Pの電子密度の調整により、上記現象を発現させるかどうかを制御可能で あることを示している。
[0107] また、別の周波数帯においても電磁波信号の増大現象が観測された。周波数が 4 3GHzから 45GHzにわたり、電磁波信号が 110〜 150%に増加した。この現象が生 じた理由は、下記のような 2次元プラズマアレイに独特の異常伝播現象が寄与して ヽ ると考えられる。すなわち、伝播している電磁波は、プラズマ周波数（ ω /2 π =40
pe
〜49GHz)と同じかやや高い周波数の領域であり、この領域では、図 15に示したよう に群速度の異方性が生じる。これに伴い、電磁波のエネルギーは、より電磁波の進 行方向に向力つて流れるように指向性が付与され、出射部 21dにおいて観測される 電磁波量が増大したものと考えられる。
[0108] 逆に、プラズマ Pをアーク放電により生成して電子密度を高くすることにより、制御対 象となる電磁波の周波数帯を変化させることができる。例えば、アーク放電を用いるこ とにより電子密度として 3 X 1016cm_3程度のプラズマを得ることができ、そのときには ω = ω となる条件が ΙΤΗζ程度となり、その周波数帯が制御対象となる。このように pe
して、電子密度を変化させることにより、様々な周波数帯の電磁波の制御に有効に作 用する。
[0109] なお、プラズマ P間の距離を変化させると、その変化に対して制御対象の周波数が 逆比例的に変化する。また、プラズマ Pの直径を変化させると、直径の拡大によって 制御対象の周波数帯が拡大する。
[0110] また、本実施例においては、プラズマ Pを周期構造体の構成要素として用いる種々 の効果に加えて、電磁波制御素子 2の外形は単純な平板構造であることから、製造 や配置が容易になると！ヽぅ効果を有して！/ヽる。従来の誘電体物質により形成される凸 構造を持ったレンズは、レンズ曲面の磨きだしが必要となるため製造が困難であり、 また、外形が凸構造であることから配置の制約を受けやすい。
[0111] 本実施例のようなレンズ機能は、レーダーの出力部に用いることができる。レーダー の出力部では、出力する電磁波に集束性をもたせるために、通常は誘電体レンズが 使用されており、この誘電体レンズに代えて上記電磁波制御装置 1を設けることがで きる。これにより、対応周波数及び指向性を変更でき、かつ、凸構造ではなく平板構 造であることから製造しやすく簡易構造のレンズを実現することができる。
[0112] また、本実施例のようなレンズ機能は、前述のアーク放電等による高電子密度のプ ラズマ Pを用いることにより、テラへルツ帯の周波数を有する電磁波においても活用 できる。すなわち、テラへルツ分光イメージング法においてサンプルの透過光を観測 する場合、サンプルへの入射光やサンプルからの透過光を集光する必要が生じるが 、そのときに本実施例のような可変レンズ機能が有効である。
[0113] (実施例 2)
次に、上記構成の電磁波制御装置 1を用 、た電磁波制御の他の具体例を以下に 示す。電磁波制御装置 1における各制御パラメータの具体的な値は以下の通りであ る。
[0114] 電磁波制御素子 2に入射させる電磁波 R、つまり制御対象となる電磁波 Rは、周波 数帯が 10〜 100GHzであり、電磁波モードが TMモード（電界の方向がプラズマ Pの 周期的配列面に垂直)である。プラズマ!3の電子密度は2〜3 1013«11_ 3 ( 0) /2
pe π =40〜49GHz)、筐体 21内のガス圧力は 30〜： LOOkPa、筐体 21内のガス種は ヘリウムである。筐体 21は 8mm (図 1における縦方向） X 50mm (図 1における奥行 き方向） X 70mm (図 1における横方向）であり、入射部 21c及び出射部 21dは 8mm X 50mmである。電極 22a ' 22bの正方格子状の配置における格子間距離は 5. Om m (図 2における縦及び横方向）であり、電極 22a.22bは直径 2. Ommのものをそれ ぞれ 20個（電磁波 Rの進行方向） X 20個（電磁波 Rの幅方向）配置した。また、各プ ラズマ Pの直径は約 2. Ommとなった。
[0115] 次に、制御パラメータを上記のとおり設定した電磁波制御装置 1の電磁波の制御特 性を説明する。
[0116] 電磁波制御素子 2に入射される電磁波 Rの周波数を変化させたところ、周波数が 4 5GHz以上では電磁波制御素子 2から出射される電磁波 Rの出射部 21d中央でのェ ネルギー密度が約 30%減少するのに対し、周波数力 0〜45GHzではエネルギー 密度が約 90%減少した。つまり、この場合の電磁波制御素子 2は入射される所定の 周波数帯の電磁波 Rを遮断するフィルタとして機能することが確認できた。
[0117] この遮断現象は、電磁波が TMモードであり周波数が ω < ω であることにより説明
pe
できる。つまり、 TMモードの電磁波はプラズマ Pの長手方向に沿った電界成分しか 持たないため、プラズマ Pの生成により電界が存在できなくなり、多くの電磁波が遮断 されること〖こ起因して ヽるちのと考免られる。
[0118] より詳しくは、多数のプラズマ Pが 2次元周期構造となっている効果により説明できる 。すなわち、プラズマ P内部では、式（1)又は式（3)で示される比誘電率 ε がプラズ マ Pの周囲の部分とは異なるため、フォトニック結晶と同じ原理でいわゆる禁制帯構 造が生じたためであるものと考えられる。
[0119] この遮断現象は、プラズマ Pの生成用電力を弱くすることにより消失した。このことは 、プラズマ Pの電子密度の調整により、上記現象を発現させるかどうかを制御可能で あることを示している。
[0120] なお、プラズマ P間の距離を変化させると、その変化に対して制御対象の周波数が 逆比例的に変化する。また、プラズマ Pの直径を変化させると、直径の拡大によって 制御対象の周波数帯が拡大する。
[0121] 本実施例のようなフィルタ機能は、一般の電磁波送信部 (発信源、フィルタ、増幅器 及びアンテナ）、又は受信部（アンテナ、増幅器、フィルタ、自己へテロダインミクサ及 び出力端子）におけるフィルタの代わりに用いることができる。この場合、対応周波数 を変更することができるので、今後発展が見込まれる UWB (ウルトラワイドバンド)対 応機器におけるフィルタとして最適である。
[0122] また、本実施例のようなレンズ機能は、前述のアーク放電等による高電子密度のプ ラズマ Pを用いることにより、テラへルツ帯の周波数を有する電磁波においても活用 できる。すなわち、様々な周波数の電磁波が混在するテラへルツ波において、特定 波長の抽出を行う必要が生じることがあり、そのときに本実施例のような可変フィルタ 機能が有効である。
[0123] (実施例 3)
次に、上記構成の電磁波制御装置 1を用 、た電磁波制御の他の具体例を以下に 示す。電磁波制御装置 1における各制御パラメータの具体的な値は以下の通りであ る。
[0124] 電磁波制御素子 2に入射させる電磁波 R、つまり制御対象となる電磁波 Rは、周波 数帯が 10〜 100GHzであり、電磁波モードが TEモード（電界の方向がプラズマ Pの 周期的配列面に平行)である。プラズマ Pの電子密度は 1 X 1013cm_3 ( co /2 π =
pe
28GHz)、筐体 21内のガス圧力は 30kPa、筐体 21内のガス種はヘリウムである。筐 体 21は 8mm (図 1における縦方向） X 50mm (図 1における奥行き方向） X 70mm ( 図 1における横方向）であり、入射部 21c及び出射部 21dは 8mm X 50mmである。 電極 22a' 22bの正方格子状の配置における格子間距離は 2. 5mm (図 2における 縦及び横方向）であり、電極 22a ' 22bをそれぞれ 30個（電磁波 Rの進行方向） X 20 個（電磁波 Rの幅方向）配置した。また、各プラズマ Pの直径は約 1. Ommとなった。
[0125] 次に、制御パラメータを上記のとおり設定した電磁波制御装置 1の電磁波の制御特 性を説明する。
[0126] 電磁波制御素子 2に入射される電磁波 Rの周波数を変化させたところ、周波数が 6 l〜63GHzの間で透過電磁波量が約 15%まで減少した。この理由としては、電磁波 Rの周波数と 2次元プラズマアレイの格子間距離との関係がほぼ、周波数 X格子定 数 Z光速 =0. 5となること力ら、上記 61〜63GHzの周波数帯は 2次元プラズマァレ ィにより生じた禁制帯に相当するためと考えられる。
[0127] ついで、格子間距離を 2. 1mmに変化させると、同様の透過電磁波量の減少が 74 〜76GHzで生じた。さらに、格子間距離を 1. 5mmに変化させると、同様の透過電 磁波量の減少が 103〜 105GHzで生じた。これらの結果はすべてほぼ、周波数 X 格子定数 Z光速 =0. 5の条件下において生じていることになり、 2次元プラズマァレ ィの空間的な配列を変化させることによって周波数可変のフィルタを実現できること がわかった。
[0128] (変形例）
電磁波制御装置 1は、以下に説明するように種々の変形が可能である。
[0129] 電磁波制御装置 1では、ガス制御システム 4によって電磁波制御素子 2内部のガス 圧力を調整できる構成をとつているが、ガス圧力の調整を行わない場合には、予め電 磁波制御素子 2内部に所定のガスを所定の圧力で封入しておくことにより、ガス制御 システム 4を省くことができる。
[0130] また、電磁波制御装置 1では、電力制御器 32によって供給電力やプラズマ Pの配 置を調整できる構成をとつて 、るが、供給電力及び Z又はプラズマ Pの配置の調整 を行わな 、場合には、電力制御器 32にお 、てこれらが固定的に設定されて 、てもよ い。また、電力制御器 32は、供給電力やプラズマ Pの配置を時間的に変更するもの であってもよい。
[0131] また、電極 22a ' 22bの配置として 6行 7列配置を図示した力 これに対して種々の 変更 (例えば、行数及び Z又は列数の変更、行間隔及び Z又は列間隔の変更、三 角格子状のように他の配置パターンへの変更など）を施すことができる。
[0132] また、電極 22a' 22bの形状として円板形状のものを図示した力 その形状について も種々の変更を施すこともできる。例えば、矩形の板状のものに変更してもよぐ図 6 に示すように針状の電極 22a' ' 22b'に変更してもよい。さらに、これら電極の面積を 変更することによってプラズマ Pの断面積 (長手方向に直交する面で切ったときの断 面積)を変更することもできる。
[0133] また、図 7に示すように、互いに対向する電極 22aと電極 22bとの間に、電極 22a' 2 2bの平面形状とほぼ同一の内面形状を有し、かつ、電磁波 Rを透過する材料からな る筒部材 23 (例えば円筒部材)を設けてもよ！、。
[0134] 一般に、プラズマはその外周において荷電粒子が外部に向力つて拡散するため、 プラズマの境界面は曖昧になる。したがって、図 1のような構成では、隣り合うプラズ マ P同士が連続する場合もある。このような場合であっても、各プラズマ Pにおいては 中心カゝら外周に向かって電子密度の勾配が生じるので、プラズマの周期的分布は維 持されることになるが、電子密度の差が小さくなるため、周期構造の影響も低減され ることになる。
[0135] これに対して、筒部材 23を設ける構成では、筒部材 23の内部にプラズマ Pを閉じ 込めることができるので、プラズマ Pの境界面を明確に定めることができ、この境界面 における電子密度の差を大きくとることができる。その結果、プラズマの周期的分布に よる影響をより顕在ィ匕することができる。
[0136] また、図 8に示すように、電磁波制御素子 2内部に、電磁波 Rを透過する誘電体から なり、互いに対向する電極 22aと電極 22bとの間に電極 22a' 22bの平面形状とほぼ 同一の内面形状を有する空孔が形成された誘電部材 24を設けてもよ ヽ。この構成で は、電磁波制御素子 2内部が上記空孔を除いて誘電部材 24によって埋められること になる。
[0137] この構成では、上記筒部材 23を設ける構成と同じぐ境界面における電子密度の 差を大きくとることができることに加えて、境界面における比誘電率の差をより大きくと ることができる。なぜなら、上述したようにプラズマ Pの比誘電率 ε は 1よりも小さな値 をもつ一方、誘電部材 24は誘電体ゆえに 1よりも大きな比誘電率 (通常、誘電体の比 誘電率は 2よりも大き ヽ）をもつことから、誘電部材 24の代わりにガス (ガスの比誘電 率はほぼ 1)が存在する場合と比較して境界面における比誘電率の差は大きくなるか らである。これにより、プラズマの周期的分布による影響をさらに顕在化することがで きる。
[0138] なお、図 8の構成においてプラズマ Pと誘電部材 24とを逆転させる、つまり、円柱状 の誘電体を周期的に配置してその周囲をプラズマで満たすことも考えられるが、この 場合には相対的に比誘電率の低い背景に対して相対的に比誘電率の高い周期構 造が形成されることになる。そのため、図 8の構成よりも制御対象となる電磁波はより 短波長（高周波数)のものとなり、電波 (テラへルツ帯 (波長 0. 1mm程度)及びこれよ りも長波長の電磁波）を制御するには不向きとなる。
[0139] さらに、円柱状の誘電体を周期的に配置してその周囲をプラズマで満たす構成で は、比誘電率の差を大きくとるためにプラズマの比誘電率を負の値に設定した場合、 電磁波制御素子 2内部では電磁波のエネルギーの減衰が著しくなりほとんど伝播で きなくなってしまう。これに対して、図 8の構成では、電磁波のエネルギーの減衰を抑 えつつ伝播状態を効果的に制御することができる。
[0140] 電磁波制御素子 2において、電極 22a ' 22b及び電極 22a' ' 22b 'と、筐体 21、筒 部材 23及び誘電部材 24とは、 2次元的に周期的に分布するプラズマを生成するプ ラズマ生成手段として機能する。また、筐体 21、筒部材 23及び誘電部材 24は、ブラ ズマを生成するために電離対象となるガスを内部に保持するとともに制御対象となる 電磁波を透過するガス保持手段として機能する。特に、筒部材 23及び誘電部材 24 は、周期的に形成された複数の空孔を有しており、この空孔内にプラズマが生成され ることによりプラズマの周期的分布を実現する。また、誘電部材 24は、上記複数の空 孔が形成された誘電体からなって ヽる。
[0141] また、電力制御システム 3は、プラズマを生成するための電力を制御する電力制御 手段として機能し、プラズマの分布状態を制御するプラズマ分布制御手段としても機 能する。そして、ガス制御システム 4は、電離対象となるガスの圧力を制御するガス圧 力制御手段として機能する。 [0142] 〔実施形態 2〕
本発明の他の実施形態について図 9に基づいて説明すると以下の通りである。
[0143] 本実施形態の電磁波制御素子及びこれを用いた電磁波制御装置の構成につ!、て 説明する。本実施形態の電磁波制御装置 101の全体構成を図 9に示す。なお、実施 形態 1において説明した構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一 符号を用いることとし、その説明を省略する。
[0144] 電磁波制御装置 101を構成する電磁波制御素子 102は、筐体 21の外部に平行平 板をなす電極 122a ' 122bを備え、筐体 21の内部には、実施形態 1の電磁波制御装 置 1にお!/、て電極 22a' 22bが形成されて!、た部分に、筐体 21の内面よりも 2次電子 放出係数の高い材質力もなる電子放出部材 123a ' 123bを備えている点が実施形 態 1における電磁波制御装置 1の電磁波制御素子 2とは異なっている。
[0145] また、電磁波制御装置 101を構成する電力制御システム 103は、電力制御器 132 において、各プラズマ Pに対して個別に電力を供給するのではなぐ上記電極 122a ' 122bに電力を供給することによって全プラズマ Pに対して包括的に電力を供給する 点が実施形態 1における電磁波制御装置 1の電力制御システム 3とは異なっている。
[0146] この構成では、電極 122a' 122bを平行平板によって形成しているので、電力制御 システム 3からの給電が容易になる。そして、電子放出部材 123a ' 123bを所定のパ ターンに形成することによって、そのパターンに応じたプラズマ Pの周期的分布を形 成することができる。また、電子放出部材 123a' 123bは筐体 21の内面よりも 2次電 子放出係数の高!、材質力もなつて 、るので、プラズマ Pが生成しやすくなる。
[0147] 電子放出部材 123a' 123bの具体的材質としては、金属や酸ィ匕マグネシウムなどが 好適である。なお、電子放出部材 123a ' 123bの一方を省いたとしても、所望するパ ターンのプラズマ Pの生成は可能である。
[0148] 電磁波制御素子 102において、電極 122a ' 122b及び電子放出部材 123a ' 123b と筐体 21とは、 2次元的に周期的に分布するプラズマを生成するプラズマ生成手段 として機能する。特に電子放出部材 123a ' 123bは、筐体 21の内部に露出し、周囲 よりも 2次電子放出係数の高い材質力もなる電子放出手段として機能する。また、筐 体 21は、プラズマを生成するために電離対象となるガスを内部に保持するとともに制 御対象となる電磁波を透過するガス保持手段として機能する。
[0149] また、電力制御システム 103は、プラズマを生成するための電力を制御する電力制 御手段として機能する。
[0150] 〔実施形態 3〕
本発明の他の実施形態について図 10に基づいて説明すると以下の通りである。
[0151] 本実施形態の電磁波制御素子及びこれを用 、た電磁波制御装置の構成について 説明する。本実施形態の電磁波制御装置 201の全体構成を図 10に示す。なお、実 施形態 1 · 2において説明した構成要素と同等の機能を有する構成要素については
、同一符号を用いることとし、その説明を省略する。
[0152] 電磁波制御装置 201を構成する電磁波制御素子 202は、筐体 21の内部に設けら れた電極 22a ' 22bにカロえて、筐体 21の外部に平行平板をなす電極 223a ' 223bを 備えている点が実施形態 1における電磁波制御装置 1の電磁波制御素子 2とは異な つている。
[0153] また、電磁波制御装置 201を構成する電力制御システム 203は、電力制御器 232 において、電極 22a ' 22bに個別に電力を供給することに加えて、上記電極 223a ' 2 23bにも電力を供給する点が実施形態 1における電磁波制御装置 1の電力制御シス テム 3とは異なっている。
[0154] この構成では、実施形態 1の電磁波制御素子 2と同じぐ電極 22a' 22bによって周 期的に分布するプラズマ Pを生成し、かつ、電極 223aa' 223bによって、上記プラズ マ Pの周囲を覆うようにして、プラズマ Pとは電子密度の異なるプラズマ P'を生成する
[0155] したがって、周期的に分布するプラズマ Pと、これを取り囲むプラズマ P'との両方の 屈折率を変化させることができるので、より柔軟に電磁波に対する制御状態を変更す ることがでさる。
[0156] 電磁波制御素子 202において、電極 22a ' 22bと筐体 21とは、 2次元的に周期的に 分布するプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。特に電極 223aa， 2 23bは、周期的なプラズマを取り囲み、かつ、当該プラズマとは電子密度の異なるプ ラズマをさらに生成する。また、筐体 21は、プラズマを生成するために電離対象とな るガスを内部に保持するとともに制御対象となる電磁波を透過するガス保持手段とし て機能する。
[0157] また、電力制御システム 203は、プラズマを生成するための電力を制御する電力制 御手段として機能し、プラズマの分布状態を制御するプラズマ分布制御手段としても 機能する。
[0158] 〔実施形態 4〕
本発明の他の実施形態について図 11及び図 12に基づいて説明すると以下の通り である。
[0159] 本実施形態の電磁波制御素子及びこれを用いた電磁波制御装置の構成につ!、て 説明する。本実施形態の電磁波制御装置 301の全体構成を図 11に示し、図 11にお ける B— B線矢視断面図を図 12に示す。なお、実施形態 1 · 2 · 3において説明した構 成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一符号を用いることとし、その 説明を省略する。
[0160] 電磁波制御装置 301を構成する電磁波制御素子 302は、筐体 21の内部に互いに 近接して設けられた電極 322a ' 322bを備えている。電極 322a ' 322bは、同一形状 のメッシュ状の電極であり、各電極 322a ' 322bには正方格子状 (行列状）に配列す るように開口部 (スリット） Sが形成されている。電極 322a' 322bは、それぞれの開口 部 Sが重なるようにして、所定の間隙を介して配置されている。また、電磁波制御素子 302【こ ίま、窗体 21の外咅 こ平板状の電極 323を備免て!ヽる。なお、電極 322b、電 極 322a、電極 323はこの順に配置されている。
[0161] また、電磁波制御装置 301を構成する電力制御システム 303は、電力制御器 332 にお 、て電極 322bに電力を供給するとともに、電極 322a · 323を接地して!/ヽる。
[0162] この構成では、接地されている電極 322bと、給電されている電極 322aとの間にプ ラズマが発生し、このプラズマは、接地されている電極 323の電位によって、電極 32 2aの開口部 Sを通って電極 323側に引き出されることになる。この引き出されたプラ ズマ Pは、開口部 Sに応じた正方格子状に分布することになる。
[0163] このように、比較的近い距離に配置された電極 322a ' 322bによってプラズマを生 成することにより、電極 322a ' 322b間の電界強度を大きくとることができるので、プラ ズマを容易に生成することができる。
[0164] 電磁波制御素子 302において、電極 322a ' 322b及び電極 323と筐体 21とは、 2 次元的に周期的に分布するプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。 また、筐体 21は、プラズマを生成するために電離対象となるガスを内部に保持すると ともに制御対象となる電磁波を透過するガス保持手段として機能する。また、電力制 御システム 303は、プラズマを生成するための電力を制御する電力制御手段として 機能する。
[0165] 〔実施形態 5〕
本発明の他の実施形態について図 13に基づいて説明すると以下の通りである。
[0166] 本実施形態の電磁波制御素子及びこれを用いた電磁波制御装置の構成につ!、て 説明する。本実施形態の電磁波制御装置 401の全体構成を図 13に示す。なお、実 施形態 1 · 2 · 3 ·4にお 、て説明した構成要素と同等の機能を有する構成要素につ!/ヽ ては、同一符号を用いることとし、その説明を省略する。
[0167] 電磁波制御装置 401を構成する電磁波制御素子 402は、実施形態 1における電磁 波制御素子 2を積み重ねた構成である。これにより、互いに対向する電極 22a ' 22b の対が 3次元的に配置されることになり、この間に発生するプラズマ Pも 3次元的に分 布すること〖こなる。
[0168] また、電磁波制御装置 401を構成する電力制御システム 403では、図 13では図示 を一部省略している力 各電極 22aは電力制御器 432に接続されており、各電極 22 bは接地されている。そして、電力制御器 432は、 3次元的に配置された電極 22aの 中から選択されたものに対して調整された電力を供給する。
[0169] この構成では、プラズマ Pを 3次元的に周期的に分布させることができるので、いわ ゆる完全バンドギャップを実現することができ、上下左右任意の方向から電磁波制御 素子 402に対して入射する電磁波に対してフィルタ効果を発揮することができる。
[0170] また、固体材料によって構成される従来のフォトニック結晶では、製造上の問題に 起因して、 3次元構造を実現するための制約が多いが、電磁波制御素子 402では、 比較的容易に 3次元周期構造を実現することができる。
[0171] 電磁波制御素子 402において、電極 22a ' 22bと筐体 21とは、 3次元に周期的に分 布するプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。また、筐体 21は、ブラ ズマを生成するために電離対象となるガスを内部に保持するとともに制御対象となる 電磁波を透過するガス保持手段として機能する。また、電力制御システム 403は、プ ラズマを生成するための電力を制御する電力制御手段として機能し、プラズマの分 布状態を制御するプラズマ分布制御手段としても機能する。
[0172] なお、本実施形態では実施形態 1の電磁波制御素子 2を積み重ねることにより電磁 波制御素子 402を構成したが、実施形態 2〜4において説明した電磁波制御素子 1 02 · 202 · 302を積み重ねることにより電磁波制御素子 402を構成してもよ 、。
[0173] 以上のように、本発明によると、外部力 の信号印加により機能を動的にかつ広範 囲にコントロール可能な電磁波制御素子及びこれを用いた電磁波制御装置を実現 することができる。本発明による電磁波制御装置は、各種電磁波の制御に好適に用 いることができ、特に 10GHzからテラへルツ帯の電磁波の制御に好適に用いること ができる。
[0174] なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなぐ請求項に示した範 囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を 適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
[0175] 本発明の電磁波制御素子は、多数のプラズマ P (個々のプラズマ Pを「プラズマ体」 とも称す。）を 2次元的又は 3次元的な周期構造をなすように生成するものである。こ の多数のプラズマ体が配置される空間のガス圧力を調整可能な機能を備えていても よい。上記多数のプラズマ体を誘電体内に配置してもよい。上記多数のプラズマ体を 、同じく周期構造をなす円筒中空の管内に配置してもよい。上記多数のプラズマ体を 、それらとは電子密度の異なるプラズマ内に配置してもよい。上記多数のプラズマ体 を、アーク放電により生成してもよい。上記多数のプラズマ体の配置位置を制御可能 な機能を備えていてもよい。上記多数のプラズマ体の配置位置の制御機能を、ブラ ズマ体の一部の予備放電の発生制御により実現してもよ 、。上記多数のプラズマ体 の配置位置の制御機能を、プラズマ体端部接触部の材質の設定により実現してもよ い。上記プラズマ体の生成用電力の供給手段を備え、かつ該生成用電力が時間的 に可変となっていてもよい。 産業上の利用の可能性
本発明は、例えば通信分野や計測分野における電磁波の制御に好適に利用する ことができる。

Claims

請求の範囲
[1] 2次元又は 3次元的に周期的に分布するプラズマを生成するプラズマ生成手段を 備え、
前記プラズマに電磁波を通過させることにより、当該電磁波の伝播状態を制御する ことを特徴とする電磁波制御素子。
[2] 前記プラズマ生成手段は、前記プラズマを生成する電力を供給する電極と、前記 プラズマを生成するために電離対象となるガスを内部に保持するとともに制御対象と なる電磁波を透過するガス保持手段とを備えることを特徴とする請求項 1に記載の電 磁波制御素子。
[3] 前記電極は周期的に配置されており、当該電極の周期的配置に応じて前記プラズ マの周期的分布が形成されることを特徴とする請求項 2に記載の電磁波制御素子。
[4] 前記ガス保持手段は周期的に形成された複数の空孔を有しており、当該空孔内に プラズマが生成されることにより前記プラズマの周期的分布が形成されることを特徴と する請求項 2に記載の電磁波制御素子。
[5] 前記ガス保持手段は、前記複数の空孔が形成された誘電体からなって ヽることを 特徴とする請求項 4に記載の電磁波制御素子。
[6] 前記プラズマ生成手段は、前記ガス保持手段の内部に露出し、周囲よりも 2次電子 放出係数の高い材質力 なる電子放出手段をさらに備え、
前記電子放出手段は周期的に配置されており、当該電子放出手段の周期的配置 に応じて前記プラズマの周期的分布が形成されることを特徴とする請求項 2に記載の 電磁波制御素子。
[7] 前記プラズマ生成手段は、前記周期的なプラズマを取り囲み、かつ、当該プラズマ とは電子密度の異なるプラズマをさらに生成することを特徴とする請求項 1に記載の 電磁波制御素子。
[8] 前記プラズマ生成手段は、前記電極によって生成されたプラズマを引き出すため の電圧を印可する引出電極を備えることを特徴とする請求項 2に記載の電磁波制御 素子。
[9] 請求項 1から 8の何れか 1項に記載の電磁波制御素子と、 前記プラズマ生成手段によってプラズマを生成するための電力を制御する電力制 御手段とを備えることを特徴とする電磁波制御装置。
[10] 請求項 1から 8の何れか 1項に記載の電磁波制御素子と、
前記プラズマ生成手段によって生成されるプラズマの分布状態を制御するプラズマ 分布制御手段とを備えることを特徴とする電磁波制御装置。
[11] 請求項 1から 8の何れか 1項に記載の電磁波制御素子と、
前記プラズマを生成するために電離対象となるガスの圧力を制御するガス圧力制 御手段とを備えることを特徴とする電磁波制御装置。
[12] 2次元又は 3次元的に周期的に分布することにより、通過する電磁波の伝播状態を 制御することを特徴とする電磁波制御プラズマ。
[13] 2次元又は 3次元的に周期的に分布するプラズマを生成し、前記プラズマに電磁波 を通過させることにより、当該電磁波の伝播状態を制御することを特徴とする電磁波 制御方法。
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