フォトニック結晶輻射場の制御に関する理論研究

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 10210202
• 研究機関: 千葉大学
• 研究代表者: 大高 一雄 千葉大学, 先進科学教育センター, 教授 (40010946)
• 研究分担者: 植田 毅 千葉大学, 総合メディア基盤センター, 助教授 (30251185) ; 迫田 和彰 北海道大学, 電子科学研究所, 助教授 (90250513)
• キーワード: フォトニック結晶 / フォトニックバンド / スミス・パーセル放射 / 金属フォトニック結晶 / leakyモード / nonleakyモード / 超放射 / スクイージング

研究概要

「フォトニック結晶を用いたスミス・パーセル放射のスペクトルの計算を完成し、実験をスタートさせ、計算結果と実験の比較検討を行う」という初期の目標は、球配列フォトニック結晶のスラブに対するスペクトルの計算法の開発に成功し、東北大学、および広島大学の研究チームによる予備的な実験にまでこぎつけた。この分野では世界最初の試みである。理論と実験の一致については下で述べる線形の光応答の見事な一致と比べると、いろいろな実験的なあいまいさが除ききれずにまだ問題が残っている。
「フォトニック結晶を用いた光応答のアルゴリズムの完成」の項目では、同じく球配列系に対して、単一層、および多層のフォトニック結晶に対して、実験と見事な一致を示すスペクトルの計算結果が得られた。この系はGHz領域のサイズであるが可視光域の高品質球配列系フォトニック結晶の製作への努力目標ともなるべき実験データといえる。
「フォトニック結晶をめぐる量子光学の実験への提言」の項目では、フォトニック結晶内での電磁場のスクイージングと超放射について調べ、フォトニック結晶内の電磁場の量子化の有効性を確認し、フォトニックバンドの形成による光子場の状態密度の変化が均一な場におけるスクイージングに比し、大きな効果の原因になることを確認した。
「フォトニック結晶におけるバンド計算の汎用化」のテーマではFDTD法を結晶内に埋め込んだ仮想双極子モーメントからの発光スペクトルの計算に応用し、その共鳴位置からバンド構造をつかむ計算法を開発して、いくつかの現実の複雑な単位胞を有する製作系に応用し、有効性を確認した。

研究成果

• [文献書誌] S.Yano: "Quantized States in Single Quantum Well Structure of Photonic Crystals"Phys. Rev., B. 63. 153316-153319 (2001)
• [文献書誌] T.Ochiai: "Nearly-free-photon approximation for two-dimensional photonic crystal slabs"Phys. Rev., B. 64・4. 45108 (2001)
• [文献書誌] K.Ohtaka: "Theoretical study of Smith-Purcell effect involving photonic crystal"Optics and Spectroscopy. 91, 3, C. 506-512 (2001)
• [文献書誌] K.Sakoda: "Phtonic bands of metallic systems. I. Principle of calculation and accuracy"Phys. Rev., B. 64・4. 45116 (2001)
• [文献書誌] K.Ohtaka: "Smith-Purcell radiation from a charge running near the surface of a photonic crystal"Optics and Quantum Electronics. (in press).
• [文献書誌] K.Sakoda: "Optical Properties of Photonic Crystals"Springer Verlag, Berlin. 223 (2001)