2017 Fiscal Year Annual Research Report
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
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16J10080
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
岩井 亮憲 京都大学, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2016-04-22 – 2019-03-31
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| Keywords | マイクロ波プラズマ / メタマテリアル / 負屈折率 / PICシミュレーション / 非線形光学 / 二次高調波生成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は負誘電率Arプラズマと負透磁率メタマテリアルを組み合わせた複合体を用いて、可変負屈折率デバイスを実現すること、及び非線形高調波生成を効率的に行うことを目的としている。本年度は、1次元電磁粒子シミュレーション内の電磁界計算ルーチンにメタマテリアルを仮想的に模擬可能な磁流を与ることで、負屈折率伝搬や効率的な二次高調波生成を再現した。さらに、本来は起こらない横波による非線形電子加熱が、負屈折率伝搬領域では起こりうることをシミュレーション、理論計算の両面より明らかにした。
一方、仮想磁流を用いた負透磁率模擬は現実のメタマテリアルが持つ周波数特性と異なる。そこで、磁気分散媒質を帰納的な計算によって表現可能なRC法を電磁界計算に導入し、実際のメタマテリアルが持つ周波数特性と等しい負透磁率媒質を模擬した電磁粒子シミュレーションを行った。結果、より正確な負屈折率伝搬帯を確認した。
負透磁率メタマテリアルである二重分割リング共振器アレイ（DSRR）を設置してArプラズマを生成する実験では、DSRRの共振器が持つ局所強電界や誘導電流により生ずる表面電位の時間変動が局所的なプラズマ生成に大きく影響することを発見した。さらに、生成電子密度、電子温度と電子エネルギー分布関数を異なる複数の点で測定することにより、DSRRの共振器近傍においてプラズマが特異的に加熱されていることを明らかにした。この現象は共振周波数の外れたDSRRを設置した場合では見られなかったことより、プラズマ生成への影響はDSRRの共振効果によるものであることがより明確になった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
負屈折率電磁波伝搬をFDTD法を用いてシミュレーションした報告はこれまでに多数存在するが、プラズマを負誘電率媒質として選択し、かつ電磁粒子シミュレーションを用いての再現は初めてであった。さらに、予想されていなかったプラズマの熱効果が電磁波伝搬に制約を与えることも明らかにできた。また、磁気共振媒質の効果を実験において用いている二重分割リング共振器アレイ(DSRR)と同等のものに修正することで、電磁粒子シミュレーションに更なる正確性を与えることに成功した。
一方で、3次元FDTD法を用いたシミュレーション環境を構築し、DSRRの作る周辺電磁界を詳細に明らかにした。これにより、共振効果の空間不均一性をも模擬したより正確なシミュレーションを行うことが可能となった。
実験においては、これまで電子密度、電子温度測定にとどまっていたプラズマ測定を、あらゆる電子の情報を含む電子エネルギー分布関数の測定にまで拡げ、複合体内でのプラズマ生成の様子をより詳細に明らかにした。
両者の結果より、共振器周辺の電磁界及びプラズマ分布といった微視的性質と、波動伝搬モードといった巨視的性質の両面を把握することに成功したと言える。よって、この評価とした。
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| Strategy for Future Research Activity |
現実のDSRRの持つ磁気共振特性を模擬した1次元電磁粒子シミュレーションに外部磁場の効果を与え、より複雑化する電磁波伝搬モードを詳細に調査する。このとき、同時に理論計算も行い、DSRRが持つ異方性がモードに与える影響についても明らかにする。
実験においては、これまでの大電力プラズマ生成実験と並行して、小信号電磁波伝搬測定を行う。このとき、内部でプラズマを生成させた円筒管を複数並べ、DSRRと組み合わせる。プラズマとDSRRの電気的結合を完全に排し、よりバルクマテリアルに近い状態を構築する。大電力実験では、異なる共振周波数を持ったDSRRを組み合わせることによって、プラズマ生成用の投入電磁波が優先的に結合する領域を作り出し、プラズマ生成の長尺化を行う。また、このDSRRとプラズマ生成の密な結合と非線形光学応答強度の関係をも明らかにしていく。
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