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SHEET TYPE METAMATERIAL AND SHEET TYPE LENS UPDATE_EN

Patent code P170014609
File No. S2016-0487-N0
Posted date Oct 4, 2017
Application number P2016-038296
Publication number P2017-157975A
Date of filing Feb 29, 2016
Date of publication of application Sep 7, 2017
Inventor
  • (In Japanese)鈴木 健仁
Applicant
  • (In Japanese)国立大学法人茨城大学
Title SHEET TYPE METAMATERIAL AND SHEET TYPE LENS UPDATE_EN
Abstract PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sheet type metamaterial of which the refraction factor becomes zero in a terahertz wave band, in a structure where metallic cut wires are mounted on both faces of a dielectric substrate.
SOLUTION: A first wire array 10 is formed on a front face of a film-like dielectric substrate 12, and a second wire array 11 is formed on a rear face of the dielectric substrate 12. The first wire array 10 consists of elongated and metallic first cut wires 10a of a length l that are arrayed side by side at intervals g in a y-axis direction and at intervals s in an x-axis direction, and the second wire array 11 consists of second cut wires 11a which are formed while being disposed symmetrically in the same shape so as to be overlapped with the first cut wires 10a. When an induction design frequency is 0.51 THz, thickness d of te dielectric substrate is about 50 μm, the interval s is about 361 μm, the interval g is about 106 μm and the length l of the first cut wires 10a and the second cut wires 11a is a length with which the cut wires are nearly resonated in a use frequency. Thus, a sheet type metamaterial of which the refraction index becomes zero can be provided.
Outline of related art and contending technology (In Japanese)


誘電率・透磁率がともに負の媒質に光が入射すると、負の屈折が起こることがベセラゴにより示され、透磁率および誘電率が負になる人工的な構造が提案された。この透磁率および誘電率が負になる人工的な構造は、原子より十分大きく光波長のスケールより小さい構造物の集合体からなり、メタマテリアルといわれている。負屈折媒質であるメタマテリアルを用いると、平面構造とされた完全レンズを作成することができる。完全レンズでは、回折限界を超えた微細なものまで観察することが可能であり、近接場(エバネッセント波)まで忠実に再現することができる。



メタマテリアルは、最近注目されているテラヘルツ波用のレンズに適用することができる。テラヘルツ波は、周波数が0.1~10THz(波長が30μm~3000μm)の電磁波とされており、波長が遠赤外~ミリ波領域とほぼ一致し、「光」と「ミリ波」に挟まれた周波数領域に存在している。このため、テラヘルツ波は、光と同様に高い空間分解能でものを見分ける能力と、ミリ波と同様の物質を透過する能力を併せ持っている。テラヘルツ波帯はこれまで未開拓電磁波であったが、この周波数帯の電磁波の特徴を生かした時間領域分光、イメージング及びトモグラフィーによる材料のキャラクタリゼーションへの応用などが検討されてきている。テラヘルツ波の発生は、物質透過性と直進性を兼ね備えるためX線に替わる安全かつ革新的なイメージングや、数100Gbps級の超高速無線通信を可能とすることができる。



特に、テラヘルツイメージングは、X線に代わる安全、安心かつ高精度な可視化技術の1つとして大きな魅力を有している。回折限界を突破した近接場によるテラヘルツナノイメージングや、1.4THzで分解能400nm(1波長/540)が得られることが報告されている。また、共鳴トンネルダイオードを用いた0.3THzでのイメージングも報告されている。メタマテリアルは負の屈折率に設計することができ、エバネッセント成分となる近接場光を離れた場所で復元し、回折限界を超えた平板完全レンズを実現できる可能性がある。



本出願人は、特願2015-16116号の出願でテラヘルツ波帯において低損失で負の屈折率が得られるシート型メタマテリアルを提案していると共に、特願2015-154943号の出願でテラヘルツ波帯において低損失で高屈折率が得られるシート型メタマテリアルを提案している。
また、ゼロの屈折率を得られるメタマテリアルが提案されている(非特許文献1参照)。このゼロの屈折率が得られる従来のメタマテリアル100の概念図を図21に示す。図21に示すメタマテリアル100は、金属110と誘電体111とを周期的に積層した周期構造とされている。このメタマテリアルでは、特定の周波数(臨界状態)の場合には、実効屈折率がゼロになる。ゼロ屈折率の物質では、位相の前進はなくなる、つまり光は図示するように空間を進む一連の山と谷、動く波として振る舞わない。代わりにゼロ屈折率の物質は定常相、全てが山か全てが谷となり、無限に長い波長になる。その山と谷は、空間ではなく、時間の変数としてのみ振動する。この均一な位相により、光はエネルギーを失うことなく、伸びたり縮んだり、捻れたり曲がったりする。このため、図示するように光がメタマテリアル100に対して上面から進入した場合、メタマテリアル100中においては位相は変化することなく一定の位相で伝搬していく(位相速度無限大)。

Field of industrial application (In Japanese)


この発明は、金属性のカットワイヤーが誘電体基板の両面に装荷されたメタマテリアルとして機能するシート型メタマテリアル、および、シート型メタマテリアルを応用したシート型レンズに関する。

Scope of claims (In Japanese)
【請求項1】
 
フィルム状の誘電体基板と、
該誘電体基板の一面に形成された第1ワイヤーアレーと、
前記誘電体基板の他面に形成された第2ワイヤーアレーとを備え、
前記第1ワイヤーアレーは、間隔gを空けて前記誘電体基板のy軸方向に、間隔sを空けてy軸と直交するx軸方向に並べられて配列された所定長lの細長い金属製の第1カットワイヤーにより構成され、前記第2ワイヤーアレーは、前記第1カットワイヤーと同形状で前記第1カットワイヤーに重なるように対称配置されて配列された金属製の第2カットワイヤーにより構成されており、
設計周波数を0.51THzとした時に、前記誘電体基板の厚さdを約50μm、前記間隔sを約361μm、前記間隔gを約106μm、前記第1カットワイヤーおよび前記第2カットワイヤーの長さlを使用周波数においてほぼ共振する長さとすることを特徴とするシート型メタマテリアル。

【請求項2】
 
多数の単位セルが整列してフィルム状の誘電体基板に形成されているシート型レンズであって、
前記単位セルは、該誘電体基板の一面に形成された所定長lの細長い金属製の第1カットワイヤーと、前記第1カットワイヤーと同形状で前記誘電体基板の他面に形成された金属製の第2カットワイヤーとにより構成され、
前記誘電体基板の一面には、前記単位セルの前記第1カットワイヤーがy軸方向に間隔gを空けると共に、y軸方向に直交するx軸方向に間隔sを空けて配列され、
前記誘電体基板の他面には、前記単位セルの前記第2カットワイヤーがy軸方向に間隔gを空けると共に、y軸方向に直交するx軸方向に間隔sを空けて配列され、
前記第1カットワイヤーおよび前記第2カットワイヤーの長軸がy軸方向にほぼ平行に配列されており、前記誘電体基板の領域が、中央部から外縁までのn領域に分割され、最も内側の第1領域R1の屈折率が正、最も外側の第n領域Rnの屈折率が負とされ、前記第1領域R1と前記第n領域Rnとの間の所定の領域Rkの屈折率がゼロとされて、前記第1領域R1から前記第n領域Rnに向かうに従って屈折率が次第に小さくされていることを特徴とするシート型レンズ。

【請求項3】
 
前記第1領域R1ないし前記領域Rkまでの領域においては、前記第1カットワイヤーと前記第2カットワイヤーとが重なるよう対称配置され、前記領域Rkの次の領域R(k+1)から前記第n領域Rnまでの領域においては、前記第1カットワイヤーと前記第2カットワイヤーとがy軸方向にずらせて重なるよう非対称配置されていることを特徴とする請求項2に記載のシート型レンズ。

【請求項4】
 
所定の屈折率を得るために、前記第1カットワイヤーおよび前記第2カットワイヤーにおける幅w、前記所定長l、前記間隔s、前記間隔gの寸法が、前記第1領域ないし前記第n領域において、調整されていることを特徴とする請求項2に記載のシート型レンズ。
IPC(International Patent Classification)
F-term
Drawing

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JP2016038296thum.jpg
State of application right Published
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