電磁波放射装置
【課題】スペクトル幅が狭い電磁波を放射する電磁波放射装置を提供する。
【解決手段】電磁波放射体が加熱機構に加熱され、電磁波放射体の放射面から電磁波が放射される。放射面には周期構造が露出する。周期構造においては、単位構造が周期方向に周期的に配列される。単位構造の各々は、負誘電率部及び正誘電率部を備える。負誘電率部の複素比誘電率の実部は負である。正誘電率部の複素比誘電率の実部は正である。負誘電率部及び正誘電率部は周期方向に交互に配列される。正誘電率部の各々により共振器が形成される。周期構造の周期は、当該共振器の共鳴周波数の電磁波の放射面における実効的な波長の自然数倍である。
【解決手段】電磁波放射体が加熱機構に加熱され、電磁波放射体の放射面から電磁波が放射される。放射面には周期構造が露出する。周期構造においては、単位構造が周期方向に周期的に配列される。単位構造の各々は、負誘電率部及び正誘電率部を備える。負誘電率部の複素比誘電率の実部は負である。正誘電率部の複素比誘電率の実部は正である。負誘電率部及び正誘電率部は周期方向に交互に配列される。正誘電率部の各々により共振器が形成される。周期構造の周期は、当該共振器の共鳴周波数の電磁波の放射面における実効的な波長の自然数倍である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波放射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属等からなる構造物が加熱された場合は、黒体放射により構造物の表面から電磁波が放射される。放射される電磁波の波長は、プランクの法則に従って広範囲に分布する。この電磁波の放射は、赤外線ランプ、白熱電球等において利用される。
【０００３】
しかし、特許文献１及び２に示すように、周期構造が構造物の表面に露出する場合は、周期構造により電磁波の共振器が形成され、周期構造の周期の自然数分の１の波長を持つ電磁波が共振器に共鳴する。このため、周期構造が表面に露出する構造物が加熱された場合は、周期構造に共鳴する波長のスペクトル幅が狭い電磁波が構造物の表面から放射される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２４１２６号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／１３９０２２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の技術においては、放射される電磁波のスペクトル幅を十分に狭くすることが困難である。
【０００６】
本発明は、この問題を解決するためになされる。本発明の目的は、スペクトル幅が狭い電磁波を放射する電磁波放射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電磁波放射装置に向けられる。
【０００８】
本発明の第１の局面においては、電磁波放射体が加熱機構に加熱され、電磁波放射体の放射面から電磁波が放射される。放射面には周期構造が露出する。周期構造においては、単位構造が周期方向に周期的に配列される。単位構造の各々は、負誘電率部及び正誘電率部を備える。負誘電率部の複素比誘電率の実部は負である。正誘電率部の複素比誘電率の実部は正である。負誘電率部及び正誘電率部は周期方向に交互に配列される。正誘電率部の各々により共振器が形成される。周期構造の周期が共振器の共鳴周波数の電磁波の放射面における実効的な波長の自然数倍である。
【０００９】
本発明の第２の局面は、本発明の第１の局面にさらなる事項を付加する。本発明の第２の局面においては、電磁波放射体が基体部をさらに備える。基体部の複素比誘電率の実部は負である。負誘電率部は、基体部から突出し周期方向に垂直な方向へ延在する線状突起である。正誘電率部は、周期方向に垂直な方向に延在する線状溝である。２個の負誘電率部及び基体部により囲まれた正誘電率部の各々により共振器が形成される。正誘電率部の幅及び深さは、共鳴周波数の電磁波が共鳴するように決められる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、周期構造及び正誘電率部の各々により形成される共振器の両方に電磁波が共鳴し、スペクトル幅が狭い電磁波が放射される。
【００１１】
これらの及びこれら以外の本発明の目的、特徴、局面及び利点は、添付図面とともに考慮されたときに下記の本発明の詳細な説明によってより明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】電磁波放射装置の斜視図である。
【図２】電磁波放射装置の断面図である。
【図３】電磁波放射体の断面図である。
【図４】電磁波放射体の断面図である。
【図５】共鳴の形を示す模式図である。
【図６】電磁波放射体の断面図である。
【図７】電磁波放射体の設計の手順を示すフローチャートである。
【図８】共鳴周波数の深さ依存性を示すグラフである。
【図９】共鳴スペクトルを示すグラフである。
【図１０】スペクトル幅の深さ依存性を示すグラフである。
【図１１】共鳴スペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（電磁波放射装置の概略）
図１及び図２の模式図は、電磁波放射装置の望ましい実施形態を示す。図１は斜視図である。図２は断面図である。図３の模式図は、電磁波放射体の断面を示す。
【００１４】
図１及び図２に示すように、電磁波放射装置１０００は、電磁波放射体１００２及び加熱機構１００４を備える。電磁波放射装置１０００は「輻射光源」等とも呼ばれる。
【００１５】
（電磁波放射体）
電磁波放射体１００２は、電磁波を放射する構造物である。図１から図３までに示すように、電磁波放射体１００２の放射面１００６には、周期構造１００８が露出する。周期構造１００８においては、単位構造１０１０が周期方向Ｄ１に周期的に配列され、１次元格子が形成される。単位構造１０１０の各々は、負誘電率部１０１２及び正誘電率部１０１４を備える。負誘電率部１０１２は負の誘電率を持つ。正誘電率部１０１４は正の誘電率を持つ。負誘電率部１０１２の各々の内部における誘電率は、典型的には均一であるが、不均一であってもよい。正誘電率部１０１４の各々の内部における誘電率は、典型的には均一であるが、不均一であってもよい。周期構造１００８は、典型的には平面に形成されるが、円周面等の非平面に形成されてもよい。例えば、白熱電球のフィラメントの表面に周期構造１００８が形成されてもよい。
【００１６】
負誘電率部１０１２は、基体部１０１６から突出し周期方向Ｄ１に垂直な方向Ｄ２に延在する線状突起である。正誘電率部１０１４は、方向Ｄ２に延在する線状溝である。基体部１０１６は、負の誘電率を持つ。負誘電率部１０１２の材質及び基体部１０１６の材質は、典型的には同じであるが、異なってもよい。基体部１０１６は、周期方向Ｄ１及び方向Ｄ２に平行に面状に広がる。
【００１７】
負誘電率部１０１２及び正誘電率部１０１４は、周期方向Ｄ１に交互に配列される。正誘電率部１０１４は、隣接する２個の負誘電率部１０１２の間隙である。間隙が誘電体で満たされ、誘電体で満たされた間隙が正誘電率部１０１４とされてもよい。誘電体は、気体、液体及び固体のいずれでもよい。２個以上の負誘電率部が単位構造の各々に設けられてもよい。２個以上の正誘電率部が単位構造の各々に設けられてもよい。
【００１８】
（共振器）
周期構造１００８は、特定の波長の電磁波と共鳴する共振器となる。正誘電率部１０１４の各々は、放射面１００６に向けて開かれた開口１０２０と基体部１０１６により閉鎖された底１０２２とを有し、２個の負誘電率部１０１２に挟まれる。基体部１０１６とは称しがたい構造物により底１０２２が閉塞されてもよい。２個の負誘電率部１０１２及び基体部１０１６に三方を囲まれ負の誘電率を持つ壁体に囲まれる正誘電率部１０１４の各々は、特定の周波数の電磁波を閉じ込め特定の周波数の電磁波と共鳴する共振器（以下では「単一共振器」という。）となる。電磁波放射体１００２においては、周期構造１００８の周期Ｐが単一共振器の共鳴周波数Ｆresの電磁波の放射面１００６における実効的な波長λeの自然数倍になる。これにより、共鳴周波数Ｆresの電磁波が周期構造１００８及び単一共振器の両方に共鳴する。電磁波放射体１００２が加熱された場合は、共鳴周波数Ｆresにおいて分光放射輝度が極大になるスペクトル幅が狭い電磁波が放射面１００６から放射される。
【００１９】
（負の誘電率及び正の誘電率）
複素比誘電率εcは、屈折率ｎ及び消衰定数κを用いて、式（１）であらわされる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
物が負の誘電率を持つとは、その物の複素比誘電率εcの実部ｎ2−κ2が負であることを意味する。消衰係数κが屈折率ｎより大きい場合に複素比誘電率εcの実部は負になる。
【００２２】
負の誘電率を持つ物質は、金属、合金等の導電体である。望ましくは、負の誘電率を持つ金属として金（Ａｕ）が用いられる。金には、酸化されにくいという利点がある。金に代えて、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又は銀（Ａｇ）が用いられてもよい。これらの金属には、導電性が良好であり、理想金属に近いという利点がある。金に代えて、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）又はオスミウム（Ｏｓ）が用いられてもよい。これらの金属には、熱的性質及び化学的性質が良好であり、高温でも酸化されにくく、接触する物と反応しにくいという利点がある。不純物が添加されｎ型半導体となるように不純物がドープされたＧａＡｓ等の可視光に対して半導体である物質も、遠赤外領域からＴＨｚ領域までにおいては、負の誘電率を持ち、導電体とみなされる。
【００２３】
物が正の誘電率を持つとは、その物の複素比誘電率εcの実部ｎ2−κ2が正であることを意味する。消衰係数κが屈折率ｎより小さい場合に複素比誘電率εcの実部は正になる。
【００２４】
正の誘電率を持つ物質は、空気等の透明な誘電体である。望ましくは、正の誘電率を持つ物質として、赤外域においてはＳｉ（屈折率３．４８）、ＳｉＯx（屈折率１．４〜３．４８）又はＡｌ2Ｏ3（屈折率１．８）が用いられ、波長４００〜８００ｎｍの可視域においてはＧａＡｓ（屈折率３．３）、Ｓｉ（屈折率３．７）、Ｔａ2Ｏ5（屈折率２．５）又はＳｉＯx（屈折率１．４〜３．７）が用いられる。これらに代えて、ダイヤモンド、III-V族半導体、II-VI族半導体、炭化シリコン（ＳｉＣ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ）、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）又は酸化チタン（ＴｉＯ2）が用いられてもよい。ダイヤモンドは、可視域の全体において用いられる。III-V族半導体には、ＡｌＧａＡＳ、ＧａＮ、ＧａＡｓＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ等がある。ＡｌＧａＡＳは、近赤外域及び赤色域において用いられる。ＧａＮは、緑色域及び青色域において用いられる。ＧａＡｓＰは、赤色域、橙色域及び青色域において用いられる。ＧａＰは、赤色域、黄色域及び緑色域において用いられる。ＩｎＧａＮは、青緑色域及び青色域において用いられる。ＡｌＧａＩｎＰは、橙色域、黄緑色域、黄色域及び緑色域において用いられる。II-VI族半導体には、ＺｎＳｅ等がある。ＺｎＳｅは、青色域において用いられる。屈折率の選択の範囲を広げるために、ＴｉＯ2、ＳｉＮ、ＺｎＳ等の複数の物質が組み合わされて用いられてもよく、フォトニック結晶構造を持つ材料が用いられてもよい。真空の間隙も正誘電率部１０１４となりうる。
【００２５】
（実効的な波長）
共鳴周波数Ｆresの電磁波の実効的な波長λeは、共鳴周波数Ｆresの電磁波が存在する場所の屈折率により決まる。また、共鳴周波数Ｆresの電磁波が周期構造１００８に共鳴する場合は、正誘電率部１０１４及び放射面１００６の近傍に共鳴周波数Ｆresの電磁波の大部分が存在する。このため、実効的な波長λeは、正誘電率部１０１４の屈折率、放射面１００６の近傍の屈折率及び正誘電率部１０１４が周期構造１００８に占める割合に依存する。
【００２６】
例えば、電磁波放射体１００２が真空中に設置され、正誘電率部１０１４が真空の間隙であり、放射面１００６の近傍が真空である場合は、実効的な波長λeは、真空中における波長λ0に一致する。
【００２７】
電磁波放射体１００２が空気中に設置され、正誘電率部１０１４が空気で満たされた間隙であり、放射面１００６の近傍が空気で満たされる場合は、実効的な波長λeは、真空中における波長λ0に一致するとみなしてよい。
【００２８】
図４の模式図（断面図）に示すように放射面１００６が屈折率ｎの被覆物１０１８で被覆され、正誘電率部１０１４が屈折率ｎの被覆物１０１８で満たされた間隙であり、放射面１００６の近傍が屈折率ｎの被覆物１０１８で満たされる場合は、実効的な波長λeは、真空中における波長λ0を屈折率ｎで除する（λ0／ｎ）ことにより得られる。電磁波放射体１００２が屈折率ｎの気体中又は液体中に設置される場合も同じである。
【００２９】
フォトニック結晶構造等の微細構造が放射面１００６に設けられ、実効的な波長λeが真空中の波長λ0からずれる場合もある。この場合は、放射面１００６における実効的な屈折率が数値計算等により求められる。実効的な波長λeは、真空中における波長λ0を実効的な屈折率ｎで除する（λ0／ｎ）ことにより得られる。
【００３０】
（正誘電率部への共鳴）
線状溝が延在する方向Ｄ２に垂直な断面における正誘電率部１０１４の断面形状（以下では単に「断面形状」という。）が矩形である場合は、正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤ、光速ｃ、正誘電率部１０１４の屈折率ｎ、幅方向の共鳴次数ｍ、深さ方向の共鳴次数ｌ並びに開放端の補正項Δφを用いて、単一共振器の共鳴周波数Ｆresは、式（２）であらわされる。正誘電率部１０１４の幅Ｄは、周期方向Ｄ１についての正誘電率部１０１４の寸法である。正誘電率部１０１４の深さＤは、周期方向Ｄ１及び線状溝が延在する方向Ｄ２に垂直な方向についての正誘電率部１０１４の寸法である。正誘電率部１０１４の深さＤは、開口１０２０から底１０２２までの距離である。
【００３１】
【数２】
【００３２】
式（２）は、負誘電率部１０１２及び基体部１０１６の表面において電界の接線方向成分が零になること及び開口１０２０の近傍に電界の腹が位置するという共鳴条件から導かれる。共鳴次数ｍ及びｌによって共鳴の形は定義される。補正項Δφは、開口１０２０からの電界の腹の実効的なずれを反映し、数値計算により求められる。
【００３３】
正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤは、共鳴次数ｍ及びｌの組み合わせのいずれかにおいて共鳴周波数Ｆresが目標とする発光ピーク周波数Ｆに一致するように決定される。
【００３４】
（共鳴の形）
図５の模式図は、共鳴次数ｍが０又は１であり、共鳴次数ｌが１又は２である場合の共鳴の形を示す。図５には、電界の腹が明るい部分になり電界の節が暗い部分になるように正誘電率部１０１４の内部における電界の分布が描かれる。
【００３５】
（正誘電率部の幅及び深さ）
図６の模式図（断面図）に示すように正誘電率部１０１４の断面形状が台形であってもよい。正誘電率部１０１４の断面形状が台形である場合は、正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の深さＤが定義される。正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の深さＤは、共鳴次数ｍ及びｌの組み合わせのいずれかにおいて共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致するように決定される。
【００３６】
より一般的には、正誘電率部１０１４の幅が一定でない場合は正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の深さＤが定義され、正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の深さＤは、共鳴次数ｍ及びｌの組み合わせのいずれかにおいて共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致するように決定される。
【００３７】
正誘電率部１０１４の深さが一定でない場合は正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の平均的な深さＤが定義され、正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の平均的な深さＤは、共鳴次数ｍ及びｌの組み合わせのいずれかにおいて共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致するように決定される。
【００３８】
正誘電率部１０１４の幅及び深さが一定でない場合は正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の平均的な深さＤが定義され、正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の平均的な深さＤは、共鳴次数ｍ及びｌの組み合わせのいずれかにおいて共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致するように決定される。
【００３９】
正誘電率部１０１４の断面形状が与えられた場合の単一共振器の共鳴周波数Ｆresは、例えば、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ）法等により計算される。
【００４０】
（加熱機構）
加熱機構１００４は、電磁波放射体１００２に熱エネルギーを与え、電磁波放射体１００２を加熱する。加熱機構１００４は、セラミックヒーター、加熱コイル、レーザー加熱機構、マイクロ波加熱機構等である。加熱機構１００４が、電磁波放射体１００２に電流を流し電磁波放射体１００２を発熱させる機構であってもよい。電磁波放射体１００２は、望ましくは、プランクの法則から導かれる分光放射輝度が極大になる周波数が発光ピーク周波数Ｆに近づく温度にまで加熱され、さらに望ましくは、プランクの法則から導かれる分光放射輝度が極大になる周波数が発光ピーク周波数Ｆに一致する温度にまで加熱される。
【００４１】
（電磁波放射体の設計の手順）
図７のフローチャートは、電磁波放射体の設計の手順を示す。
【００４２】
（発光ピーク周波数の設定）
電磁波放射体１００２の設計においては、目標とする発光ピーク周波数Ｆが設定される（ステップＳ１０１）。発光ピーク周波数Ｆは、望ましくは、電磁波放射体１００２から放射される電磁波が赤外光又は可視光となるように設定される。
【００４３】
（正誘電率部の幅及び深さの決定）
発光ピーク周波数Ｆが設定された後に、単一共振器の共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致するように（Ｆres＝Ｆ）正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤが決定される（ステップＳ１０２）。正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤが与えられた場合の共鳴周波数Ｆresは、式（２）から求められる。より正確な共鳴周波数Ｆresを求めるために、数値計算が併用されてもよい。数値計算のみから共鳴周波数Ｆresが求められてもよい。
【００４４】
数値計算が併用される場合は、様々な周波数の光を含む広帯域光で１個の単一共振器が励振される数値計算モデルが作成され、共鳴周波数Ｆresが特定される。数値計算法にはＦＤＴＤ法、厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ）法、有限要素法等がある。また、式（２）から求められた結果を数値計算により求められた結果にフィッティングすることにより、補正項Δφが決定される。例えば、補正項Δφの候補値を変化させながら式（２）から求められた結果と数値計算により求められた結果とが比較され、式（２）から求められた結果と数値計算により求められた結果とが最も近づく候補値が補正項Δφの値として採用される。
【００４５】
正誘電率部１０１４の幅Ｔは、望ましくは、実効的な波長λeの１／２以上である。正誘電率部１０１４の幅Ｔが実効的な波長λeの１／２以上である場合は、光が正誘電率部１０１４に侵入しやすくなり、周期構造１００８及び単一共振器への電磁波の共鳴が強くなり、スペクトル幅が狭くなる。
【００４６】
（実効的な波長の決定）
発光ピーク周波数Ｆが設定された後に、放射面１００６における発光ピーク周波数Ｆ（共鳴周波数Ｆres）の光の実効的な波長λeが決定される（ステップＳ１０３)。
【００４７】
（周期の決定）
実効的な波長λeが決定された後に、周期Ｐが実効的な波長λeの自然数倍に決定される（ステップＳ１０４）。典型的には、周期Ｐは実効的な波長λeに一致させられる。これにより、発光ピーク周波数Ｆの光が周期構造１００８に共鳴する。
【００４８】
この設計の手順により、共鳴周波数Ｆresの光が周期構造１００８及び単一共振器の両方に共鳴し、発光ピーク周波数Ｆのスペクトル幅が狭い光が放射面１００６から放射される。
【００４９】
（電磁波放射体の設計の変更の手順）
負誘電率部１０１２及び正誘電率部１０１４の材質が同一のまま正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤがγ倍になった場合は共鳴周波数Ｆresが１／γ倍になる。このことは、式（２）から導かれる。また、共鳴周波数Ｆresが１／γ倍になった場合は、実効的な波長λeはγ倍になる。したがって、発光ピーク周波数Ｆにおける設計が既に存在する場合は、正誘電率部１０１４の幅ＴをＴ／γへ置き換え、正誘電率部１０１４の深さＤをＤ／γへ置き換え、周期ＰをＰ／γへ置き換えることにより、発光ピーク周波数γＦにおける設計が完了する。より一般的には、発光ピーク周波数Ｆにおける設計が既に存在する場合は、周期構造１００８の断面形状を相似拡大又は相似縮小することにより、発光ピーク周波数γＦにおける設計が完了する。したがって、第１の発光ピーク周波数における設計が存在する場合は、第２の発光ピーク周波数における設計が第１の発光ピーク周波数における設計から容易に得られる。
【００５０】
より一般的に説明すると、負誘電率部１０１２及び正誘電率部１０１４の材質が決定された場合は、発光ピーク周波数Ｆ及び共鳴周波数Ｆresが一致する正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤの比率が式（２）等により決定される。設計の変更においては、当該比率が維持され、正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤが倍率γで除される。また、周期Ｐも倍率γで除される。これにより、発光ピーク周波数Ｆがγ倍になる。
【００５１】
（設計例１）
設計例１は、上記の電磁波放射体の設計の手順に従った設計に関する。
【００５２】
設計例１においては、発光ピーク周波数Ｆが６０ＴＨｚに設定される。設計例１においては、負誘電率部１０１２及び基体部１０１６が金からなり、電磁波放射体１００２が空気中に設置され、正誘電率部１０１４が空気で満たされた間隙であり、放射面１００６の近傍が空気で満たされる場合が検討される。
【００５３】
金の複素比誘電率は、６０ＴＨｚにおいて、−１２８４＋ｉ２５２である。金の複素比誘電率の虚部から理解されるように、金の導電率は６０ＴＨｚにおいて１×１０6Ｓ／ｍであり、金は６０ＴＨｚにおいて理想金属であるとみなしてよい。
【００５４】
図８のグラフは、共鳴周波数Ｆres（縦軸）の正誘電率部１０１４の深さＤ（横軸）への依存性を示す。図８のグラフには、正誘電率部１０１４の幅Ｔが２．６μｍに固定され正誘電率部１０１４の深さＤが変化させられた場合の共鳴周波数Ｆresの変化が示される。図８のグラフには、ＦＤＴＤ法により計算された共鳴周波数Ｆresが点で示され、式（２）から計算された共鳴周波数Ｆresが線で示される。式（２）から求められた共鳴周波数Ｆresは、ＦＤＴＤ法により求められた共鳴周波数Ｆresにフィッティングされ、補正項Δφは−１５０°に設定される。
【００５５】
図８のグラフからは、正誘電率部１０１４の深さＤにより共鳴周波数Ｆresが制御されることが理解される。また、図８のグラフからは、正誘電率部１０１４の幅Ｔが２．６μｍである場合は、共鳴周波数Ｆresを発光ピーク周波数の６０ＴＨｚに一致させることができる共鳴モードのひとつは、共鳴次数ｍが０であり共鳴次数ｌが２であるＦres［０，２］であることが理解される。さらに、図８のグラフからは、正誘電率部１０１４の幅Ｔが２．６μｍである場合は、共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆの６０ＴＨｚに一致するのは、正誘電率部１０１４の深さＤが２．７μｍである場合であることが理解される。したがって、正誘電率部１０１４の幅Ｔは２．６μｍに決定され、正誘電率部１０１４の深さＤは２．７μｍに決定される。正誘電率部１０１４の深さＤが固定され、共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆの６０ＴＨｚに一致する正誘電率部１０１４の幅Ｔが決定されてもよい。
【００５６】
６０ＴＨｚの光の真空中の波長は５μｍである。
【００５７】
空気の複素比誘電率は、任意の周波数において、１であるとみなしてよい。また、電磁波放射体１００２が空気中に設置され、正誘電率部１０１４が空気で満たされた間隙であり、放射面１００６の近傍が空気で満たされる場合が検討されているので、放射面１００６における６０ＴＨｚの光の実効的な波長λeは、真空中の波長λ0と同じ５μｍに決定される。したがって、周期Ｐは５μｍに決定される。
【００５８】
図９のグラフは、設計例１の共鳴スペクトルを示す。図９のグラフには、吸収率（縦軸）の波長（横軸）への依存性が示される。吸収率は、ＲＣＷＡ法により計算される。ＲＣＷＡ法による吸収率の計算においては、無限個の単位構造１０１０が周期的に配列された電磁波放射体１００２の放射面１００６に垂直に様々な周波数の光が照射され広帯域の光に対する吸収率が求められる数値計算モデルが作成され、線状突起及び線状溝が延在する方向Ｄ２に偏光する光の吸収率が計算される。
【００５９】
図９に示すように、設計例１の共鳴スペクトルにおいては、スペクトル波長幅（半値全幅）は１０ｎｍとなり、発光ピーク波長は５μｍとなった。
【００６０】
共鳴の鋭さは、発光ピーク波長をスペクトル波長幅で除した値であるＱ値で表される。設計例１のＱ値は５００である。
【００６１】
比較のために、国際公開第２００７／１３９０２２号の図５２から図５４までのグラフに示された共鳴スペクトルから求められたＱ値を表１に示す。
【００６２】
【表１】
【００６３】
表１に示すＱ値は、１６〜３２であり、設計例１より著しく小さい。すなわち、設計例１においては著しく大きいＱ値が得られ、スペクトル幅が狭い光を放射する電磁波放射体１００２が得られる。
【００６４】
図１０のグラフは、スペクトル波長幅Δλ（縦軸）の正誘電率部１０１４の深さＤ（横軸）への依存性を示す。図１０には、正誘電率部１０１４の深さＤを上記の２．７μｍからずらした場合のスペクトル波長幅Δλが示される。
【００６５】
図１０に示すように、正誘電率部１０１４の深さＤが上記の２．７μｍからずらされた場合は、スペクトル波長幅Δλが広くなる。
【００６６】
（設計例２）
設計例２は、上記の電磁波放射体の設計の手順に従った設計に関する。
【００６７】
設計例２においては、発光ピーク周波数Ｆが５０ＴＨｚに設定される。設計例２においても、負誘電率部１０１２及び基体部１０１６が金からなり、電磁波放射体１００２が空気中に設置され、正誘電率部１０１４が空気で満たされた間隙であり、放射面１００６の近傍が空気で満たされる場合が検討される。
【００６８】
屈折率ｎが１．０であり共鳴次数ｍが０であり共鳴次数ｌが２である場合に共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆの５０ＴＨｚに一致する正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤが決定される。
【００６９】
正誘電率部１０１４に光を十分に侵入させるために正誘電率部１０１４の幅Ｔが実効的な波長λeの１／２以上である３．１μｍに決定された場合は、式（２）から正誘電率部１０１４の深さＤが３．２μｍに決定される。
【００７０】
５０ＴＨｚの光の真空中の波長λ0は６μｍである。５０ＴＨｚの光の放射面１００６における実効的な波長λeは６μｍである。したがって、周期Ｐは６μｍに決定される。
【００７１】
図１１のグラフは、設計例２の共鳴スペクトルを示す。図１１のグラフには、吸収率（縦軸）の波長（横軸）への依存性が示される。吸収率は、設計例１の場合と同様に計算される。
【００７２】
図１１に示すように、設計例２の共鳴スペクトルにおいては、スペクトル波長幅（半値全幅）は６ｎｍとなり、発光ピーク波長Ｆは６μｍとなった。設計例２の場合は、Ｑ値は１０００である。設計例２においても著しく大きいＱ値が得られ、スペクトル幅が狭い電磁波を放射する電磁波放射体１００２が得られる。
【００７３】
（設計例３〜７）
設計例３〜７は、上記の電磁波放射体の設計の手順に従った設計に関する。
【００７４】
表２は、発光ピーク周波数Ｆが３０〜７０ＴＨｚに設定された設計例３〜７の設計結果を示す。共鳴次数ｍは０とし、共鳴次数ｌは２とした。設計例３〜７においても、正誘電率部１０１４の幅Ｔは実効的な波長λeの１／２以上に決定される。
【００７５】
【表２】
【００７６】
設計例３〜７においても著しく大きいＱ値が得られ、スペクトル幅が狭い電磁波を放射する電磁波放射体１００２が得られる。
【００７７】
（設計例８〜１２）
設計例８〜１２は、上記の電磁波放射体の設計の手順に従った設計の例に関する。
【００７８】
表３は、発光ピーク周波数Ｆが３０〜７０ＴＨｚに設定された設計例８〜１２の設計結果を示す。共鳴次数ｍは０とし、共鳴次数ｌは３とした。設計例８〜１２においても、正誘電率部１０１４の幅Ｔは実効的な波長λeの１／２以上に決定される。
【００７９】
【表３】
【００８０】
共鳴モードがＦres［０，３］へ変更された設計例８〜１２においても著しく大きいＱ値が得られ、スペクトル幅が狭い電磁波を放射する電磁波放射体１００２が得られる。
【００８１】
（設計例１３〜１６）
設計例１３〜１６は、上記の電磁波放射体の設計の変更の手順に従った設計の変更に関する。
【００８２】
表４は、γ＝１．５（設計例１３）、２．０（設計例１４）、２．５（設計例１５）及び３．０（設計例１６）の設計の変更例を示す。元の設計は設計例６である。
【００８３】
【表４】
【００８４】
設計例１３〜１６においても著しく大きいＱ値が得られ、スペクトル幅が狭い電磁波を放射する電磁波放射体１００２が得られる。
【００８５】
この発明は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての局面において例示であり、この発明は上記の説明に限定されない。例示されない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定されうる。
【符号の説明】
【００８６】
１０００ 電磁波放射装置
１００２ 電磁波放射体
１００４ 加熱機構
１００６ 放射面
１００８ 周期構造
１０１０ 単位構造
１０１２ 負誘電率部
１０１４ 正誘電率部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波放射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属等からなる構造物が加熱された場合は、黒体放射により構造物の表面から電磁波が放射される。放射される電磁波の波長は、プランクの法則に従って広範囲に分布する。この電磁波の放射は、赤外線ランプ、白熱電球等において利用される。
【０００３】
しかし、特許文献１及び２に示すように、周期構造が構造物の表面に露出する場合は、周期構造により電磁波の共振器が形成され、周期構造の周期の自然数分の１の波長を持つ電磁波が共振器に共鳴する。このため、周期構造が表面に露出する構造物が加熱された場合は、周期構造に共鳴する波長のスペクトル幅が狭い電磁波が構造物の表面から放射される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２４１２６号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／１３９０２２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の技術においては、放射される電磁波のスペクトル幅を十分に狭くすることが困難である。
【０００６】
本発明は、この問題を解決するためになされる。本発明の目的は、スペクトル幅が狭い電磁波を放射する電磁波放射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電磁波放射装置に向けられる。
【０００８】
本発明の第１の局面においては、電磁波放射体が加熱機構に加熱され、電磁波放射体の放射面から電磁波が放射される。放射面には周期構造が露出する。周期構造においては、単位構造が周期方向に周期的に配列される。単位構造の各々は、負誘電率部及び正誘電率部を備える。負誘電率部の複素比誘電率の実部は負である。正誘電率部の複素比誘電率の実部は正である。負誘電率部及び正誘電率部は周期方向に交互に配列される。正誘電率部の各々により共振器が形成される。周期構造の周期が共振器の共鳴周波数の電磁波の放射面における実効的な波長の自然数倍である。
【０００９】
本発明の第２の局面は、本発明の第１の局面にさらなる事項を付加する。本発明の第２の局面においては、電磁波放射体が基体部をさらに備える。基体部の複素比誘電率の実部は負である。負誘電率部は、基体部から突出し周期方向に垂直な方向へ延在する線状突起である。正誘電率部は、周期方向に垂直な方向に延在する線状溝である。２個の負誘電率部及び基体部により囲まれた正誘電率部の各々により共振器が形成される。正誘電率部の幅及び深さは、共鳴周波数の電磁波が共鳴するように決められる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、周期構造及び正誘電率部の各々により形成される共振器の両方に電磁波が共鳴し、スペクトル幅が狭い電磁波が放射される。
【００１１】
これらの及びこれら以外の本発明の目的、特徴、局面及び利点は、添付図面とともに考慮されたときに下記の本発明の詳細な説明によってより明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】電磁波放射装置の斜視図である。
【図２】電磁波放射装置の断面図である。
【図３】電磁波放射体の断面図である。
【図４】電磁波放射体の断面図である。
【図５】共鳴の形を示す模式図である。
【図６】電磁波放射体の断面図である。
【図７】電磁波放射体の設計の手順を示すフローチャートである。
【図８】共鳴周波数の深さ依存性を示すグラフである。
【図９】共鳴スペクトルを示すグラフである。
【図１０】スペクトル幅の深さ依存性を示すグラフである。
【図１１】共鳴スペクトルを示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
（電磁波放射装置の概略）
図１及び図２の模式図は、電磁波放射装置の望ましい実施形態を示す。図１は斜視図である。図２は断面図である。図３の模式図は、電磁波放射体の断面を示す。
【００１４】
図１及び図２に示すように、電磁波放射装置１０００は、電磁波放射体１００２及び加熱機構１００４を備える。電磁波放射装置１０００は「輻射光源」等とも呼ばれる。
【００１５】
（電磁波放射体）
電磁波放射体１００２は、電磁波を放射する構造物である。図１から図３までに示すように、電磁波放射体１００２の放射面１００６には、周期構造１００８が露出する。周期構造１００８においては、単位構造１０１０が周期方向Ｄ１に周期的に配列され、１次元格子が形成される。単位構造１０１０の各々は、負誘電率部１０１２及び正誘電率部１０１４を備える。負誘電率部１０１２は負の誘電率を持つ。正誘電率部１０１４は正の誘電率を持つ。負誘電率部１０１２の各々の内部における誘電率は、典型的には均一であるが、不均一であってもよい。正誘電率部１０１４の各々の内部における誘電率は、典型的には均一であるが、不均一であってもよい。周期構造１００８は、典型的には平面に形成されるが、円周面等の非平面に形成されてもよい。例えば、白熱電球のフィラメントの表面に周期構造１００８が形成されてもよい。
【００１６】
負誘電率部１０１２は、基体部１０１６から突出し周期方向Ｄ１に垂直な方向Ｄ２に延在する線状突起である。正誘電率部１０１４は、方向Ｄ２に延在する線状溝である。基体部１０１６は、負の誘電率を持つ。負誘電率部１０１２の材質及び基体部１０１６の材質は、典型的には同じであるが、異なってもよい。基体部１０１６は、周期方向Ｄ１及び方向Ｄ２に平行に面状に広がる。
【００１７】
負誘電率部１０１２及び正誘電率部１０１４は、周期方向Ｄ１に交互に配列される。正誘電率部１０１４は、隣接する２個の負誘電率部１０１２の間隙である。間隙が誘電体で満たされ、誘電体で満たされた間隙が正誘電率部１０１４とされてもよい。誘電体は、気体、液体及び固体のいずれでもよい。２個以上の負誘電率部が単位構造の各々に設けられてもよい。２個以上の正誘電率部が単位構造の各々に設けられてもよい。
【００１８】
（共振器）
周期構造１００８は、特定の波長の電磁波と共鳴する共振器となる。正誘電率部１０１４の各々は、放射面１００６に向けて開かれた開口１０２０と基体部１０１６により閉鎖された底１０２２とを有し、２個の負誘電率部１０１２に挟まれる。基体部１０１６とは称しがたい構造物により底１０２２が閉塞されてもよい。２個の負誘電率部１０１２及び基体部１０１６に三方を囲まれ負の誘電率を持つ壁体に囲まれる正誘電率部１０１４の各々は、特定の周波数の電磁波を閉じ込め特定の周波数の電磁波と共鳴する共振器（以下では「単一共振器」という。）となる。電磁波放射体１００２においては、周期構造１００８の周期Ｐが単一共振器の共鳴周波数Ｆresの電磁波の放射面１００６における実効的な波長λeの自然数倍になる。これにより、共鳴周波数Ｆresの電磁波が周期構造１００８及び単一共振器の両方に共鳴する。電磁波放射体１００２が加熱された場合は、共鳴周波数Ｆresにおいて分光放射輝度が極大になるスペクトル幅が狭い電磁波が放射面１００６から放射される。
【００１９】
（負の誘電率及び正の誘電率）
複素比誘電率εcは、屈折率ｎ及び消衰定数κを用いて、式（１）であらわされる。
【００２０】
【数１】
【００２１】
物が負の誘電率を持つとは、その物の複素比誘電率εcの実部ｎ2−κ2が負であることを意味する。消衰係数κが屈折率ｎより大きい場合に複素比誘電率εcの実部は負になる。
【００２２】
負の誘電率を持つ物質は、金属、合金等の導電体である。望ましくは、負の誘電率を持つ金属として金（Ａｕ）が用いられる。金には、酸化されにくいという利点がある。金に代えて、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又は銀（Ａｇ）が用いられてもよい。これらの金属には、導電性が良好であり、理想金属に近いという利点がある。金に代えて、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）又はオスミウム（Ｏｓ）が用いられてもよい。これらの金属には、熱的性質及び化学的性質が良好であり、高温でも酸化されにくく、接触する物と反応しにくいという利点がある。不純物が添加されｎ型半導体となるように不純物がドープされたＧａＡｓ等の可視光に対して半導体である物質も、遠赤外領域からＴＨｚ領域までにおいては、負の誘電率を持ち、導電体とみなされる。
【００２３】
物が正の誘電率を持つとは、その物の複素比誘電率εcの実部ｎ2−κ2が正であることを意味する。消衰係数κが屈折率ｎより小さい場合に複素比誘電率εcの実部は正になる。
【００２４】
正の誘電率を持つ物質は、空気等の透明な誘電体である。望ましくは、正の誘電率を持つ物質として、赤外域においてはＳｉ（屈折率３．４８）、ＳｉＯx（屈折率１．４〜３．４８）又はＡｌ2Ｏ3（屈折率１．８）が用いられ、波長４００〜８００ｎｍの可視域においてはＧａＡｓ（屈折率３．３）、Ｓｉ（屈折率３．７）、Ｔａ2Ｏ5（屈折率２．５）又はＳｉＯx（屈折率１．４〜３．７）が用いられる。これらに代えて、ダイヤモンド、III-V族半導体、II-VI族半導体、炭化シリコン（ＳｉＣ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ）、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）又は酸化チタン（ＴｉＯ2）が用いられてもよい。ダイヤモンドは、可視域の全体において用いられる。III-V族半導体には、ＡｌＧａＡＳ、ＧａＮ、ＧａＡｓＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ等がある。ＡｌＧａＡＳは、近赤外域及び赤色域において用いられる。ＧａＮは、緑色域及び青色域において用いられる。ＧａＡｓＰは、赤色域、橙色域及び青色域において用いられる。ＧａＰは、赤色域、黄色域及び緑色域において用いられる。ＩｎＧａＮは、青緑色域及び青色域において用いられる。ＡｌＧａＩｎＰは、橙色域、黄緑色域、黄色域及び緑色域において用いられる。II-VI族半導体には、ＺｎＳｅ等がある。ＺｎＳｅは、青色域において用いられる。屈折率の選択の範囲を広げるために、ＴｉＯ2、ＳｉＮ、ＺｎＳ等の複数の物質が組み合わされて用いられてもよく、フォトニック結晶構造を持つ材料が用いられてもよい。真空の間隙も正誘電率部１０１４となりうる。
【００２５】
（実効的な波長）
共鳴周波数Ｆresの電磁波の実効的な波長λeは、共鳴周波数Ｆresの電磁波が存在する場所の屈折率により決まる。また、共鳴周波数Ｆresの電磁波が周期構造１００８に共鳴する場合は、正誘電率部１０１４及び放射面１００６の近傍に共鳴周波数Ｆresの電磁波の大部分が存在する。このため、実効的な波長λeは、正誘電率部１０１４の屈折率、放射面１００６の近傍の屈折率及び正誘電率部１０１４が周期構造１００８に占める割合に依存する。
【００２６】
例えば、電磁波放射体１００２が真空中に設置され、正誘電率部１０１４が真空の間隙であり、放射面１００６の近傍が真空である場合は、実効的な波長λeは、真空中における波長λ0に一致する。
【００２７】
電磁波放射体１００２が空気中に設置され、正誘電率部１０１４が空気で満たされた間隙であり、放射面１００６の近傍が空気で満たされる場合は、実効的な波長λeは、真空中における波長λ0に一致するとみなしてよい。
【００２８】
図４の模式図（断面図）に示すように放射面１００６が屈折率ｎの被覆物１０１８で被覆され、正誘電率部１０１４が屈折率ｎの被覆物１０１８で満たされた間隙であり、放射面１００６の近傍が屈折率ｎの被覆物１０１８で満たされる場合は、実効的な波長λeは、真空中における波長λ0を屈折率ｎで除する（λ0／ｎ）ことにより得られる。電磁波放射体１００２が屈折率ｎの気体中又は液体中に設置される場合も同じである。
【００２９】
フォトニック結晶構造等の微細構造が放射面１００６に設けられ、実効的な波長λeが真空中の波長λ0からずれる場合もある。この場合は、放射面１００６における実効的な屈折率が数値計算等により求められる。実効的な波長λeは、真空中における波長λ0を実効的な屈折率ｎで除する（λ0／ｎ）ことにより得られる。
【００３０】
（正誘電率部への共鳴）
線状溝が延在する方向Ｄ２に垂直な断面における正誘電率部１０１４の断面形状（以下では単に「断面形状」という。）が矩形である場合は、正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤ、光速ｃ、正誘電率部１０１４の屈折率ｎ、幅方向の共鳴次数ｍ、深さ方向の共鳴次数ｌ並びに開放端の補正項Δφを用いて、単一共振器の共鳴周波数Ｆresは、式（２）であらわされる。正誘電率部１０１４の幅Ｄは、周期方向Ｄ１についての正誘電率部１０１４の寸法である。正誘電率部１０１４の深さＤは、周期方向Ｄ１及び線状溝が延在する方向Ｄ２に垂直な方向についての正誘電率部１０１４の寸法である。正誘電率部１０１４の深さＤは、開口１０２０から底１０２２までの距離である。
【００３１】
【数２】
【００３２】
式（２）は、負誘電率部１０１２及び基体部１０１６の表面において電界の接線方向成分が零になること及び開口１０２０の近傍に電界の腹が位置するという共鳴条件から導かれる。共鳴次数ｍ及びｌによって共鳴の形は定義される。補正項Δφは、開口１０２０からの電界の腹の実効的なずれを反映し、数値計算により求められる。
【００３３】
正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤは、共鳴次数ｍ及びｌの組み合わせのいずれかにおいて共鳴周波数Ｆresが目標とする発光ピーク周波数Ｆに一致するように決定される。
【００３４】
（共鳴の形）
図５の模式図は、共鳴次数ｍが０又は１であり、共鳴次数ｌが１又は２である場合の共鳴の形を示す。図５には、電界の腹が明るい部分になり電界の節が暗い部分になるように正誘電率部１０１４の内部における電界の分布が描かれる。
【００３５】
（正誘電率部の幅及び深さ）
図６の模式図（断面図）に示すように正誘電率部１０１４の断面形状が台形であってもよい。正誘電率部１０１４の断面形状が台形である場合は、正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の深さＤが定義される。正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の深さＤは、共鳴次数ｍ及びｌの組み合わせのいずれかにおいて共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致するように決定される。
【００３６】
より一般的には、正誘電率部１０１４の幅が一定でない場合は正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の深さＤが定義され、正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の深さＤは、共鳴次数ｍ及びｌの組み合わせのいずれかにおいて共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致するように決定される。
【００３７】
正誘電率部１０１４の深さが一定でない場合は正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の平均的な深さＤが定義され、正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の平均的な深さＤは、共鳴次数ｍ及びｌの組み合わせのいずれかにおいて共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致するように決定される。
【００３８】
正誘電率部１０１４の幅及び深さが一定でない場合は正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の平均的な深さＤが定義され、正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の平均的な深さＤは、共鳴次数ｍ及びｌの組み合わせのいずれかにおいて共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致するように決定される。
【００３９】
正誘電率部１０１４の断面形状が与えられた場合の単一共振器の共鳴周波数Ｆresは、例えば、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ）法等により計算される。
【００４０】
（加熱機構）
加熱機構１００４は、電磁波放射体１００２に熱エネルギーを与え、電磁波放射体１００２を加熱する。加熱機構１００４は、セラミックヒーター、加熱コイル、レーザー加熱機構、マイクロ波加熱機構等である。加熱機構１００４が、電磁波放射体１００２に電流を流し電磁波放射体１００２を発熱させる機構であってもよい。電磁波放射体１００２は、望ましくは、プランクの法則から導かれる分光放射輝度が極大になる周波数が発光ピーク周波数Ｆに近づく温度にまで加熱され、さらに望ましくは、プランクの法則から導かれる分光放射輝度が極大になる周波数が発光ピーク周波数Ｆに一致する温度にまで加熱される。
【００４１】
（電磁波放射体の設計の手順）
図７のフローチャートは、電磁波放射体の設計の手順を示す。
【００４２】
（発光ピーク周波数の設定）
電磁波放射体１００２の設計においては、目標とする発光ピーク周波数Ｆが設定される（ステップＳ１０１）。発光ピーク周波数Ｆは、望ましくは、電磁波放射体１００２から放射される電磁波が赤外光又は可視光となるように設定される。
【００４３】
（正誘電率部の幅及び深さの決定）
発光ピーク周波数Ｆが設定された後に、単一共振器の共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致するように（Ｆres＝Ｆ）正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤが決定される（ステップＳ１０２）。正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤが与えられた場合の共鳴周波数Ｆresは、式（２）から求められる。より正確な共鳴周波数Ｆresを求めるために、数値計算が併用されてもよい。数値計算のみから共鳴周波数Ｆresが求められてもよい。
【００４４】
数値計算が併用される場合は、様々な周波数の光を含む広帯域光で１個の単一共振器が励振される数値計算モデルが作成され、共鳴周波数Ｆresが特定される。数値計算法にはＦＤＴＤ法、厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ）法、有限要素法等がある。また、式（２）から求められた結果を数値計算により求められた結果にフィッティングすることにより、補正項Δφが決定される。例えば、補正項Δφの候補値を変化させながら式（２）から求められた結果と数値計算により求められた結果とが比較され、式（２）から求められた結果と数値計算により求められた結果とが最も近づく候補値が補正項Δφの値として採用される。
【００４５】
正誘電率部１０１４の幅Ｔは、望ましくは、実効的な波長λeの１／２以上である。正誘電率部１０１４の幅Ｔが実効的な波長λeの１／２以上である場合は、光が正誘電率部１０１４に侵入しやすくなり、周期構造１００８及び単一共振器への電磁波の共鳴が強くなり、スペクトル幅が狭くなる。
【００４６】
（実効的な波長の決定）
発光ピーク周波数Ｆが設定された後に、放射面１００６における発光ピーク周波数Ｆ（共鳴周波数Ｆres）の光の実効的な波長λeが決定される（ステップＳ１０３)。
【００４７】
（周期の決定）
実効的な波長λeが決定された後に、周期Ｐが実効的な波長λeの自然数倍に決定される（ステップＳ１０４）。典型的には、周期Ｐは実効的な波長λeに一致させられる。これにより、発光ピーク周波数Ｆの光が周期構造１００８に共鳴する。
【００４８】
この設計の手順により、共鳴周波数Ｆresの光が周期構造１００８及び単一共振器の両方に共鳴し、発光ピーク周波数Ｆのスペクトル幅が狭い光が放射面１００６から放射される。
【００４９】
（電磁波放射体の設計の変更の手順）
負誘電率部１０１２及び正誘電率部１０１４の材質が同一のまま正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤがγ倍になった場合は共鳴周波数Ｆresが１／γ倍になる。このことは、式（２）から導かれる。また、共鳴周波数Ｆresが１／γ倍になった場合は、実効的な波長λeはγ倍になる。したがって、発光ピーク周波数Ｆにおける設計が既に存在する場合は、正誘電率部１０１４の幅ＴをＴ／γへ置き換え、正誘電率部１０１４の深さＤをＤ／γへ置き換え、周期ＰをＰ／γへ置き換えることにより、発光ピーク周波数γＦにおける設計が完了する。より一般的には、発光ピーク周波数Ｆにおける設計が既に存在する場合は、周期構造１００８の断面形状を相似拡大又は相似縮小することにより、発光ピーク周波数γＦにおける設計が完了する。したがって、第１の発光ピーク周波数における設計が存在する場合は、第２の発光ピーク周波数における設計が第１の発光ピーク周波数における設計から容易に得られる。
【００５０】
より一般的に説明すると、負誘電率部１０１２及び正誘電率部１０１４の材質が決定された場合は、発光ピーク周波数Ｆ及び共鳴周波数Ｆresが一致する正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤの比率が式（２）等により決定される。設計の変更においては、当該比率が維持され、正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤが倍率γで除される。また、周期Ｐも倍率γで除される。これにより、発光ピーク周波数Ｆがγ倍になる。
【００５１】
（設計例１）
設計例１は、上記の電磁波放射体の設計の手順に従った設計に関する。
【００５２】
設計例１においては、発光ピーク周波数Ｆが６０ＴＨｚに設定される。設計例１においては、負誘電率部１０１２及び基体部１０１６が金からなり、電磁波放射体１００２が空気中に設置され、正誘電率部１０１４が空気で満たされた間隙であり、放射面１００６の近傍が空気で満たされる場合が検討される。
【００５３】
金の複素比誘電率は、６０ＴＨｚにおいて、−１２８４＋ｉ２５２である。金の複素比誘電率の虚部から理解されるように、金の導電率は６０ＴＨｚにおいて１×１０6Ｓ／ｍであり、金は６０ＴＨｚにおいて理想金属であるとみなしてよい。
【００５４】
図８のグラフは、共鳴周波数Ｆres（縦軸）の正誘電率部１０１４の深さＤ（横軸）への依存性を示す。図８のグラフには、正誘電率部１０１４の幅Ｔが２．６μｍに固定され正誘電率部１０１４の深さＤが変化させられた場合の共鳴周波数Ｆresの変化が示される。図８のグラフには、ＦＤＴＤ法により計算された共鳴周波数Ｆresが点で示され、式（２）から計算された共鳴周波数Ｆresが線で示される。式（２）から求められた共鳴周波数Ｆresは、ＦＤＴＤ法により求められた共鳴周波数Ｆresにフィッティングされ、補正項Δφは−１５０°に設定される。
【００５５】
図８のグラフからは、正誘電率部１０１４の深さＤにより共鳴周波数Ｆresが制御されることが理解される。また、図８のグラフからは、正誘電率部１０１４の幅Ｔが２．６μｍである場合は、共鳴周波数Ｆresを発光ピーク周波数の６０ＴＨｚに一致させることができる共鳴モードのひとつは、共鳴次数ｍが０であり共鳴次数ｌが２であるＦres［０，２］であることが理解される。さらに、図８のグラフからは、正誘電率部１０１４の幅Ｔが２．６μｍである場合は、共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆの６０ＴＨｚに一致するのは、正誘電率部１０１４の深さＤが２．７μｍである場合であることが理解される。したがって、正誘電率部１０１４の幅Ｔは２．６μｍに決定され、正誘電率部１０１４の深さＤは２．７μｍに決定される。正誘電率部１０１４の深さＤが固定され、共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆの６０ＴＨｚに一致する正誘電率部１０１４の幅Ｔが決定されてもよい。
【００５６】
６０ＴＨｚの光の真空中の波長は５μｍである。
【００５７】
空気の複素比誘電率は、任意の周波数において、１であるとみなしてよい。また、電磁波放射体１００２が空気中に設置され、正誘電率部１０１４が空気で満たされた間隙であり、放射面１００６の近傍が空気で満たされる場合が検討されているので、放射面１００６における６０ＴＨｚの光の実効的な波長λeは、真空中の波長λ0と同じ５μｍに決定される。したがって、周期Ｐは５μｍに決定される。
【００５８】
図９のグラフは、設計例１の共鳴スペクトルを示す。図９のグラフには、吸収率（縦軸）の波長（横軸）への依存性が示される。吸収率は、ＲＣＷＡ法により計算される。ＲＣＷＡ法による吸収率の計算においては、無限個の単位構造１０１０が周期的に配列された電磁波放射体１００２の放射面１００６に垂直に様々な周波数の光が照射され広帯域の光に対する吸収率が求められる数値計算モデルが作成され、線状突起及び線状溝が延在する方向Ｄ２に偏光する光の吸収率が計算される。
【００５９】
図９に示すように、設計例１の共鳴スペクトルにおいては、スペクトル波長幅（半値全幅）は１０ｎｍとなり、発光ピーク波長は５μｍとなった。
【００６０】
共鳴の鋭さは、発光ピーク波長をスペクトル波長幅で除した値であるＱ値で表される。設計例１のＱ値は５００である。
【００６１】
比較のために、国際公開第２００７／１３９０２２号の図５２から図５４までのグラフに示された共鳴スペクトルから求められたＱ値を表１に示す。
【００６２】
【表１】
【００６３】
表１に示すＱ値は、１６〜３２であり、設計例１より著しく小さい。すなわち、設計例１においては著しく大きいＱ値が得られ、スペクトル幅が狭い光を放射する電磁波放射体１００２が得られる。
【００６４】
図１０のグラフは、スペクトル波長幅Δλ（縦軸）の正誘電率部１０１４の深さＤ（横軸）への依存性を示す。図１０には、正誘電率部１０１４の深さＤを上記の２．７μｍからずらした場合のスペクトル波長幅Δλが示される。
【００６５】
図１０に示すように、正誘電率部１０１４の深さＤが上記の２．７μｍからずらされた場合は、スペクトル波長幅Δλが広くなる。
【００６６】
（設計例２）
設計例２は、上記の電磁波放射体の設計の手順に従った設計に関する。
【００６７】
設計例２においては、発光ピーク周波数Ｆが５０ＴＨｚに設定される。設計例２においても、負誘電率部１０１２及び基体部１０１６が金からなり、電磁波放射体１００２が空気中に設置され、正誘電率部１０１４が空気で満たされた間隙であり、放射面１００６の近傍が空気で満たされる場合が検討される。
【００６８】
屈折率ｎが１．０であり共鳴次数ｍが０であり共鳴次数ｌが２である場合に共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆの５０ＴＨｚに一致する正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤが決定される。
【００６９】
正誘電率部１０１４に光を十分に侵入させるために正誘電率部１０１４の幅Ｔが実効的な波長λeの１／２以上である３．１μｍに決定された場合は、式（２）から正誘電率部１０１４の深さＤが３．２μｍに決定される。
【００７０】
５０ＴＨｚの光の真空中の波長λ0は６μｍである。５０ＴＨｚの光の放射面１００６における実効的な波長λeは６μｍである。したがって、周期Ｐは６μｍに決定される。
【００７１】
図１１のグラフは、設計例２の共鳴スペクトルを示す。図１１のグラフには、吸収率（縦軸）の波長（横軸）への依存性が示される。吸収率は、設計例１の場合と同様に計算される。
【００７２】
図１１に示すように、設計例２の共鳴スペクトルにおいては、スペクトル波長幅（半値全幅）は６ｎｍとなり、発光ピーク波長Ｆは６μｍとなった。設計例２の場合は、Ｑ値は１０００である。設計例２においても著しく大きいＱ値が得られ、スペクトル幅が狭い電磁波を放射する電磁波放射体１００２が得られる。
【００７３】
（設計例３〜７）
設計例３〜７は、上記の電磁波放射体の設計の手順に従った設計に関する。
【００７４】
表２は、発光ピーク周波数Ｆが３０〜７０ＴＨｚに設定された設計例３〜７の設計結果を示す。共鳴次数ｍは０とし、共鳴次数ｌは２とした。設計例３〜７においても、正誘電率部１０１４の幅Ｔは実効的な波長λeの１／２以上に決定される。
【００７５】
【表２】
【００７６】
設計例３〜７においても著しく大きいＱ値が得られ、スペクトル幅が狭い電磁波を放射する電磁波放射体１００２が得られる。
【００７７】
（設計例８〜１２）
設計例８〜１２は、上記の電磁波放射体の設計の手順に従った設計の例に関する。
【００７８】
表３は、発光ピーク周波数Ｆが３０〜７０ＴＨｚに設定された設計例８〜１２の設計結果を示す。共鳴次数ｍは０とし、共鳴次数ｌは３とした。設計例８〜１２においても、正誘電率部１０１４の幅Ｔは実効的な波長λeの１／２以上に決定される。
【００７９】
【表３】
【００８０】
共鳴モードがＦres［０，３］へ変更された設計例８〜１２においても著しく大きいＱ値が得られ、スペクトル幅が狭い電磁波を放射する電磁波放射体１００２が得られる。
【００８１】
（設計例１３〜１６）
設計例１３〜１６は、上記の電磁波放射体の設計の変更の手順に従った設計の変更に関する。
【００８２】
表４は、γ＝１．５（設計例１３）、２．０（設計例１４）、２．５（設計例１５）及び３．０（設計例１６）の設計の変更例を示す。元の設計は設計例６である。
【００８３】
【表４】
【００８４】
設計例１３〜１６においても著しく大きいＱ値が得られ、スペクトル幅が狭い電磁波を放射する電磁波放射体１００２が得られる。
【００８５】
この発明は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての局面において例示であり、この発明は上記の説明に限定されない。例示されない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定されうる。
【符号の説明】
【００８６】
１０００ 電磁波放射装置
１００２ 電磁波放射体
１００４ 加熱機構
１００６ 放射面
１００８ 周期構造
１０１０ 単位構造
１０１２ 負誘電率部
１０１４ 正誘電率部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波放射装置であって、
電磁波を放射する放射面を有し、周期構造が前記放射面に露出し、前記周期構造において単位構造が周期方向に周期的に配列され、複素比誘電率の実部が負である負誘電率部及び複素比誘電率の実部が正である正誘電率部を前記単位構造の各々が備え、前記負誘電率部及び前記正誘電率部が前記周期方向に交互に配列され、前記正誘電率部の各々により共振器が形成され、前記周期構造の周期が前記共振器の共鳴周波数の電磁波の前記放射面における実効的な波長の自然数倍である電磁波放射体と、
前記電磁波放射体を加熱する加熱機構と、
を備える電磁波放射装置。
【請求項２】
請求項１の電磁波放射装置において、
前記電磁波放射体は、
複素比誘電率の実部が負である基体部、
をさらに備え、
前記負誘電率部は、前記基体部から突出し前記周期方向に垂直な方向へ延在する線状突起であり、
前記正誘電率部は、前記周期方向に垂直な方向に延在し、前記共鳴周波数の電磁波が共鳴する幅及び深さを持つ線状溝であり、
２個の前記負誘電率部及び前記基体部により囲まれた前記正誘電率部の各々により前記共振器が形成される
電磁波放射装置。
【請求項１】
電磁波放射装置であって、
電磁波を放射する放射面を有し、周期構造が前記放射面に露出し、前記周期構造において単位構造が周期方向に周期的に配列され、複素比誘電率の実部が負である負誘電率部及び複素比誘電率の実部が正である正誘電率部を前記単位構造の各々が備え、前記負誘電率部及び前記正誘電率部が前記周期方向に交互に配列され、前記正誘電率部の各々により共振器が形成され、前記周期構造の周期が前記共振器の共鳴周波数の電磁波の前記放射面における実効的な波長の自然数倍である電磁波放射体と、
前記電磁波放射体を加熱する加熱機構と、
を備える電磁波放射装置。
【請求項２】
請求項１の電磁波放射装置において、
前記電磁波放射体は、
複素比誘電率の実部が負である基体部、
をさらに備え、
前記負誘電率部は、前記基体部から突出し前記周期方向に垂直な方向へ延在する線状突起であり、
前記正誘電率部は、前記周期方向に垂直な方向に延在し、前記共鳴周波数の電磁波が共鳴する幅及び深さを持つ線状溝であり、
２個の前記負誘電率部及び前記基体部により囲まれた前記正誘電率部の各々により前記共振器が形成される
電磁波放射装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図５】
【公開番号】特開２０１３−８４７２（Ｐ２０１３−８４７２Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３８７７１（Ｐ２０１１−１３８７７１）
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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