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プラズマ・メタマテリアル複合体を用いた高強度高調波生成とその機構解明

Research Project

Project/Area Number 16J10080
Research Category

Grant-in-Aid for JSPS Fellows

Allocation TypeSingle-year Grants
Section国内
Research Field Plasma science
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

岩井 亮憲  京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2016-04-22 – 2019-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2018)
Budget Amount *help
¥1,900,000 (Direct Cost: ¥1,900,000)
Fiscal Year 2018: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2017: ¥600,000 (Direct Cost: ¥600,000)
Fiscal Year 2016: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000)
Keywordsプラズマ / メタマテリアル / 負屈折率 / 非線形光学 / マイクロ波 / FDTD法 / PIC法 / マイクロ波プラズマ / PICシミュレーション / 二次高調波生成
Outline of Annual Research Achievements

本研究は、プラズマの負誘電率をメタマテリアルの負透磁率で打ち消すことで高密度プラズマへに高効率でマイクロ波を注入し、更なる高密度化と高強度高調波生成を実現することを目的としている。また、プラズマとメタマテリアルの複合体(プラズマメタマテリアル)によって可変負屈折率媒質を実験的に実現することも目的としている。本研究では、負透磁率メタマテリアルとして二重分割リング共振器アレイ(DSRR)を用いている。入射大電力マイクロ波によるプラズマ生成装置にDSRRを組み合わせた系において、DSRR近傍で電子温度、電子密度が特異的に高くなりながらも全体として高密度プラズマが維持されることを明らかにし、電子エネルギ分布関数(EEDF)の推定から空間不均一なエネルギー分布を明らかにした。更に、DSRR近傍へのプラズマ集中(マイクロプラズマ)と全体に広がる高密度プラズマ(バルクプラズマ)の二つの状態が同時に存在していることを確認した。
DSRR効果によってマイクロ波透過強度が飛躍的に増加し、また入射電力増加に従って透過強度も増加する傾向(DSRRの無い場合と逆傾向)が確認され、1次元電磁粒子シミュレーションによって妥当性を確認した。これらの結果は、プラズマメタマテリアルが負屈折率状態を呈していることに矛盾しない。
一方で、DSRRとプラズマ放電管アレイの周期構造で可変負屈折率プラズマメタマテリアルを実現する実験も行った。DSRRの負透磁率帯においてプラズマの高密度化に伴う透過強度の増加が確認され、透過特性の振幅・位相変化が負屈折率状態の理論曲線と定性的に一致した。この特異な透過が負透磁率帯においてのみ観測されることを異なる設計のDSRRを用いた対照実験から確認し、両者の複合体が可変負屈折率媒質の性質を有していることを実験的に示した。

Research Progress Status

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

平成30年度が最終年度であるため、記入しない。

Report

(3 results)
  • 2018 Annual Research Report
  • 2017 Annual Research Report
  • 2016 Annual Research Report
  • Research Products

    (18 results)

All 2019 2018 2017 2016 Other

All Int'l Joint Research (1 results) Journal Article (6 results) (of which Peer Reviewed: 6 results,  Open Access: 3 results,  Acknowledgement Compliant: 3 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 6 results,  Invited: 1 results)

  • [Int'l Joint Research] Stanford University(米国)

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      O. Sakai, A. Iwai and Y. Omura
    • Journal Title

      Advances in Physics: X

      Volume: 3 Issue: 1 Pages: 338-355

    • DOI

      10.1080/23746149.2018.1433551

    • NAID

      120006898088

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    • Author(s)
      O. Sakai, A. Iwai, Y. Omura, S. Iio and T. Naito
    • Journal Title

      Physics of Plasmas

      Volume: 25 Issue: 3 Pages: 031901-031901

    • DOI

      10.1063/1.5009413

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  • [Journal Article] One-dimensional particle simulation of wave propagation and generation of second harmonic waves in a composite of plasma and metamaterial2017

    • Author(s)
      Iwai Akinori、Sakai Osamu、Omura Yoshiharu
    • Journal Title

      Physics of Plasmas

      Volume: 24 Issue: 12 Pages: 122112-122112

    • DOI

      10.1063/1.5001108

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    • Author(s)
      O. Sakai, S. Yamaguchi, A. Bambina, A. Iwai, Y. Nakamura, Y. Tamayama and S. Miyagi
    • Journal Title

      Plasma Physics and Controlled Fusion

      Volume: 58 Issue: 1 Pages: 014042-014042

    • DOI

      10.1088/0741-3335/59/1/014042

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  • [Journal Article] Generation of second harmonic wave in plasma-metamaterial composite operated in microwave range2016

    • Author(s)
      A. Iwai, A. Bambina, Y. Nakamura and O. Sakai
    • Journal Title

      10th European Conference on Antennas and Propagation (EuCAP)

      Volume: 1 Pages: 1-3

    • DOI

      10.1109/eucap.2016.7481511

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    • Author(s)
      O. Sakai, Y. Nakamura, A. Iwai and S. Iio
    • Journal Title

      Plasma Sources Science and Technology

      Volume: 25 Issue: 5 Pages: 055019-055019

    • DOI

      10.1088/0963-0252/25/5/055019

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      Akinori Iwai, Yoshihiro Nakamura, Yuki Kabe, Osamu Sakai
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      PIERS 2018
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      岩井 亮憲、中村 嘉浩、酒井 道
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      岩井亮憲、中村嘉浩、酒井道
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      第64回応用物理学会春季学術講演会
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      パシフィコ横浜(神奈川県横浜市)
    • Year and Date
      2017-03-14
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      8th International Conference on Metamaterials, Photonic Crystals and Plasmonics
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    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Second harmonic wave generation in ununiform microwave plasma by metamaterial effect2017

    • Author(s)
      Iwai Akinori、Nakamura Yoshihiro、Sakai Osamu
    • Organizer
      70th Annual Gaseous Electronics Conference
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      2017 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Second harmonic wave generation from a nonlinear combination of volume wave and overdense plasma in negative permeability space2016

    • Author(s)
      A. Iwai, Y. Nakamura and O. Sakai
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      69th Annual Gaseous Electronics Conference
    • Place of Presentation
      ボーフム(ドイツ)
    • Year and Date
      2016-10-10
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      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] メタマテリアル効果を用いたマイクロ波プラズマでの高調波生成の効率化(Ⅴ)2016

    • Author(s)
      岩井亮憲、中村嘉浩、酒井道
    • Organizer
      第77回応用物理学会秋季学術講演会
    • Place of Presentation
      朱鷺メッセ(新潟県新潟市)
    • Year and Date
      2016-09-13
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      2016 Annual Research Report
  • [Presentation] Generation of Second Harmonic Wave in Plasma-Metamaterial Composite Operated in Microwave Range2016

    • Author(s)
      A. Iwai, A. Bambina, Y. Nakamura and O. Sakai
    • Organizer
      The 10th European Conference of Antennas and Propagation
    • Place of Presentation
      ダボス(スイス)
    • Year and Date
      2016-04-10
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      2016 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2016-05-17   Modified: 2024-03-26  

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