2015 Fiscal Year Research-status Report
金属テーパー導波路におけるプラズモン超集束の数理解析と応用：テラヘルツ波への展開
| Project/Area Number |
15K04598
|
|---|
| Research Institution | University of Fukui |
|---|
Principal Investigator |
栗原 一嘉 福井大学, 教育地域科学部, 教授 (20270704)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-10-21 – 2018-03-31
|
| Keywords | プラズモン超集束 / テラヘルツ波 / 金属テーパー導波路 / 表面プラズモン / 超集束 / 準変数分離 / 数理解析 / 計算シミュレーション |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
周波数１THzの電磁波は，波長が0.3mmであるので，およそ半波長0.15mmのサブミリ寸法で回折限界に達する。回折限界の問題の１つは，入射パワーに対するパワー密度に上限が存在することである。これは，非線形光学効果を用いたTHzパルス波検出の電気光学（EO）サンプリングにおいて，検出感度を強く制限するものとなる。この制限を回避するのに，金属Ｖ溝構造をした金属テーパー導波路を使って，回折限界を超えて直線偏光THz波を超集束させる方法がある。その有用性は，既に，EOサンプリングにおいて実証されているが、その原理に関する理論は未だに確立されていない。
本年度は、テラヘルツ波領域における金属Ｖ溝構造をした金属テーパー導波路でのプラズモン超集束の原理を明らかにするために、研究代表者が提案した準変数分離法により近似解析解を求めた。今回、境界条件の近似解析解を見出すことで、２階微分方程式の動径方程式の関数を振る舞いを詳しく調べることが可能になった。この結果、金属誘電率の値を入れた理論計算が可能となり、周波数に依存した金属誘電率の影響（分散効果）を調べることが可能となった。
元来、金属Ｖ溝テーパー導波路のTHzモード解析は，マイクロ波における扇形ホーンアンテナのモード解析にまで遡ることができる。これをそのままTHz波領域に適用する問題点は，金属誘電率の周波数依存性を考慮できない点にある。マイクロ波導波管のモード解析では，金属を完全導体として近似するのが常套手段であって，金属誘電率の値を理論に入れて計算できない。つまり，マイクロ波導波管のモード解析では分散効果は無視されている。分散効果を考慮するためには，金属誘電率を入れて金属導波路を計算する必要があり，表面プラズモンに基づいた扱いを要する。研究代表者が提案した準変数分離法は、表面プラズモンを考慮した解析を可能とする。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本年度は、金属Ｖ溝構造における境界条件の近似解析解を見出すことができ、テラヘルツ波領域における金属Ｖ溝テーパー導波路の近似モード解析に関して大幅に進捗した。また、時間領域差分(FDTD)法による計算シュミレーションにおいては、ソフトウエア－と計算機の選定と導入を完了し、数値解析を実施する環境を整えた。そして、実験応用に向けて、THz時間領域分光システムを立ち上げるために不可欠なレーザー光源のフェムト秒ファイバーレーザーを購入した。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本年度に数値解析を実施する環境を整えたので、来年度は、金属Ｖ溝構造において、FDTD法による計算シュミレーションを実施し、数値解析と数理解析の結果を比較する。そして、金属Ｖ溝構造の結果を踏まえ、金属円錐構造に対しても、数値解析と数理解析を開始する。THz時間領域分光システムに関しては、必要な光学部品等を購入し、光学系を組み、分光システムを立ち上げる。
|
