2018 Fiscal Year Annual Research Report
金属構造と光誘起構造の融合体で構成されるメタマテリアルによる動的光制御
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16H06086
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| Research Institution | Nagaoka University of Technology |
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Principal Investigator |
玉山 泰宏 長岡技術科学大学, 工学研究科, 准教授 (50707312)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 応用光学・量子光工学 / メタマテリアル |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は、マイクロ波領域において電磁波の捕捉・再生に関する検討を行った。金属構造中に半導体を含むようなメタマテリアルを設計・作製し、半導体中に光キャリアを励起するためのポンプ光を照射した際のメタマテリアルの動的特性を評価した。ポンプ光を照射した際の半導体の導電率の変化に要する時間は十分短いが、ポンプ光の照射を止めた際の導電率変化の時間は非常に長いという結果が得られた。これをふまえて、当初の予定を変更して、ポンプ光非照射時に電磁波を蓄積し、ポンプ光の照射時に電磁波を保存、そして、ポンプ光照射を止めると電磁波が放出されるという構成にして、電磁波の保存・再生実験を行ったが、再生信号は検出されなかった。この構成では、ポンプ光の照射を止めても光キャリアが完全に消失するまでの時間が非常に長いために、検出限界以下の振幅で電磁波が徐々に放出されてしまった可能性がある。以上の実験結果より、ポンプ光の非照射時に電磁波が蓄積・保存されて、ポンプ光の照射により電磁波が放出されるような構成にする必要があるということがわかった。このような構成をメタマテリアル単体で実現するのは難しいため、ファブリペロー共振器とメタマテリアルを組み合わせたような構造を用いることにした。次年度は、この新たな構成で電磁波の再生実験を試みる予定である。
一方で、研究を進めていく中で、当初の予定にはなかったことではあるが、光キャリア励起を行わなくても電磁応答が可変制御できるようなメタマテリアルの着想に至り、メタマテリアルへの電磁波の入射角により群遅延を変化させられることを実証した。この技術は電磁波パルスの制御において重要なものである。こちらは電磁応答の動的制御とは異なるものではあるが、媒質の応答が変化するという意味では動的制御と共通した性質をもっており、このような制御手法も電磁波制御においては有用である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
計画では、電磁波の捕捉・再生に関する原理の実証まで完了している予定であったが、まだそこまでには至っていない。しかしながら、実験を通して、半導体中における光キャリアの励起・消失に伴うメタマテリアルの電磁応答の動的特性に関する知見は着々と積み重ねられている。特に、半導体に照射するポンプ光を止めた時の光キャリア消失による半導体の導電率変化に要する時間が非常に長いため、この過程を含まないような手法にしないといけないことを見出している。これを基にして、ファブリペロー共振器とメタマテリアルを組み合わせた構成による電磁波エネルギーの保存と再生方法を新たに考案するに至っている。この手法においては、ポンプ光照射を止めた際の光キャリアの消失時間の長さの問題を回避することができるので、電磁波再生にまで至る可能性は高いと考えている。次年度中に、ポンプ光を半導体に照射することによって、電磁波のエネルギーを取り出すことができるようになると考えている。
上記のような研究の中で、当初の予定にはなかった電磁波の群遅延の可変制御方法の着想に至り、実証にも成功している。こちらで考案した方法は、電磁応答の動的制御とは異なり、高速での電磁波制御は難しいが、準静的な用途においては十分なものである。こちらのような電磁波制御と動的制御を共に進めていくことにより、電磁波のより自在な制御につながっていくと考える。
これらを総合して、研究の進捗としては、やや遅れ気味という評価であると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は、ファブリペロー共振器の一方の反射鏡をメタマテリアルで置き換えたような構成を用い、ポンプ光をメタマテリアルに照射することによって、ファブリペロー共振器内に保存された電磁波を取り出すことを試みる。導波管の一端に金属スリットを配置し、もう一端にメタマテリアルを配置することによって、マイクロ波に対するファブリペロー共振器を形成する。メタマテリアル中の半導体部分にポンプ光を照射した際のメタマテリアルの電磁応答の変化時間は10nsのオーダーであることが確認されているため、ファブリペロー共振器の共振器長は、往復の伝搬時間が10ns程度以上になるようにする。ファブリペロー共振器にマイクロ波を照射して共振器中に電磁波を蓄えた後、メタマテリアルにポンプ光を照射することによって、ファブリペロー共振器中に蓄えられた電磁波が取り出せることを確認する。これが確認できた後、ファブリペロー共振器の一方の反射鏡として用いられている金属スリットを、ポンプ光の照射によって透明状態から反射鏡へと変化するようなメタマテリアルと交換する。そして、ファブリペロー共振器の両端のメタマテリアルへのポンプ光照射タイミングを制御することによって、電磁波パルスのファブリペロー共振器への捕捉および再生実験を行う。
これと並行して、今年度の研究を通して着想に至った電磁波の群遅延の可変制御に関する研究についても併せて取り組む。電磁波の透過率が高く、群遅延が大きくなるような条件を含む可変制御手法についても着想に至っているので、これについても実証を試みる予定である。
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