JP4927970B2 - 形態共振テラヘルツ波または赤外線フィルター - Google Patents

Description

本発明は、金属膜上に作られた周期的または非周期的配列の多様な構造を有する貫通口における形態共振(Shape Resonance)と表面プラズモン共振(Surface Plasmon Resonance)とによる電磁気波のテラヘルツ(Terahertz)または赤外線(Infrared)領域におけるフィルターに関するものである。

一般に、周期的に配列された貫通口構造を有する金属膜における表面プラズモンによる透過特性の向上は、可視光領域帯で深く研究されてきた。このような構造において、入射光は、波長の半分の大きさよりも遥かに小さな貫通口を効率的に透過するようになる。

最近、このような透過特性に対する研究は、赤外線波やテラヘルツ波、マイクロ波の領域帯まで拡大されてきた。このような領域帯における透過共振(transmission resonance)は、金属膜上における表面波のみならず、周期的な構造をなす貫通口の形態と深く係わっていることが知られている。しかしながら、貫通口形態による共振がどのように透過特性と係わっているか、この形態共振による透過がどのような特性を示すかについての理解は、十分なされていないのが現実である。

本発明の目的は、上述の現象を利用し、以下のような装置を提供することにある。

第一、金属膜上の多様な形態を有する貫通口構造の周期的または非周期的配列により、９０％以上の高効率テラヘルツ波または赤外線フィルターを提供する。

第二、周期的な配列をなす貫通口の形態を適切にデザインすることにより、シングル、デュアル、トリプル、そしてそれ以上の透過共振波長を有するフィルターを提供する。円形、正方形、矩形、スリットなどの対称的形態を有する貫通口の場合は、シングル共振フィルターを、馬蹄形やユプシロン形などの非対称的形態を有する貫通口の場合は、デュアル共振波長フィルターを、このような基本的な形態の適切な組み合せを通じて、トリプル共振波長フィルターまたはそれ以上の共振波長を有するフィルターを提供する。

第三、矩形の貫通口構造において、入射光の偏光方向に垂直な方向への長さを調節することにより、９０％以上の高効率を維持しながら幅広い波長領域帯の波長可変フィルターを提供する。

第四、形態共振波長の位置が、表面プラズモン共振位置に比べ相対的に遠く離れている時、形態共振の著しい発現により全方向(omni-directional)フィルターを提供する。例えば、矩形のような基本的な形態の場合、入射光の偏光に垂直な方向への長さが長くなるほど、形態共振波長は、表面プラズモン共振波長からさらに離れるため、全方向フィルターを実現しやすくなる。

第五、矩形において、垂直な方向への長さの比を異ならせることにより、波長スイッチングフィルターを提供する。これは、透過共振波長は、入射光の偏光方向により決定されるが、二つの垂直な方向への長さの比が異なるため、二つの垂直な方向への偏光は、お互い垂直な異なる長さを形態共振として感じるようになるため、可能になる。このような波長スイッチングフィルターは、矩形のみならず、金属膜上に置かれた二つの方向に対して異なる形態を有する場合、常に現れる現象である。

第六、長い矩形のような特殊な構造を有する場合、周期的な構造でのみならず、最も非周期的な場合(random arrays)でも、９０％以上の透過特性を示すテラヘルツまたは赤外線フィルターを提供する。この場合も、形態共振が、表面プラズモン共振により影響を受けない場合であるほど、強く現れると確認された。

第七、非対称的形態の特殊な場合、入射光の偏光方向により透過共振波長の数を調節することができる波長数調節フィルターを提供する。非対称的形態の代表的な場合である馬蹄形の場合、馬蹄の開いた部分に入射光の偏光が垂直に置かれている場合は、一つの透過共振波長を示すが、馬蹄の開いた部分に入射光の偏光が平行に置かれている場合は、二つの透過共振波長を示した。したがって、入射光の偏光方向を９０°回転させることにより、共振波長の数を調節することができるようになる。

第八、ユプシロン形のように、非対称的形態のまた他の特殊な場合、入射光の偏光方向によりそれぞれ異なる波長位置の二つの透過共振波長を有する波長選択的デュアルフィルターを提供する。

第九、二つの透過共振波長を有するデュアルフィルターの場合、二つの波長の一つは、レイリー線の近くに置かれるようにして、他の一つは、遠く離れるようにすることにより、入射光の入射角度によって、一つは波長可変的で、他の一つは、波長非可変的な特性を有する、波長可変−非可変フィルターを提供する。透過共振波長の位置は、形態共振により決定されるため、二つの透過共振波長を有する非対称的構造を適切にデザインすることにより、多様な形態の波長可変−非可変フィルターを実現することができる。

第十、入射光の進行方向に沿って一定な距離毎に配置された９０％以上の透過特性を有する同じ形態の構造は、狭い波長幅を有する準単色波長(quasi-monochromatic)フィルターを提供する。これは、入射光が、同じ形態を有する構造を複数個通過する過程において、透過共振波長における強度は大きく変わらないが、波長幅は減り続けるようになるため、可能である。

第十一、金属膜上の多様な形態の適切な配列構造は、形態共振の特性を適切に活用することにより、多様な機能を有する機能性フィルターにデザインすることができる。

前記目的を達成するための本発明の構成は、第１の表面及び第２の表面を有する基板；及び前記第１の表面と前記第２の表面とを貫通する赤外線及びテラヘルツ波領域の波長以下の大きさの貫通口の周期的または非周期的な配列構造を含み、ここで、前記第１の表面上に入射する入射光の透過共振特性が前記貫通口の形状により制御される高透過性のフィルターである。

好ましくは、前記基板は、自由電子を有する物質からなる。

好ましくは、前記自由電子を有する物質は、金属または半導体からなる。

好ましくは、前記フィルターは、前記入射光の９０％以上が透過される高透過性を有する。

本発明の他の側面による構成は、第１の表面及び第２の表面を有する基板；及び前記第１の表面と前記第２の表面とを貫通し、前記第１の表面上に入射する入射光の偏光方向を基準に対称的な形状を有する波長以下の大きさの貫通口の周期的または非周期的な配列構造を含み、ここで、前記入射光の単一の透過共振特性が前記貫通口の形状により制御される高透過性の単一共振フィルターである。

好ましくは、前記基板は、自由電子を有する物質からなる。

前記自由電子を有する物質は、金属または半導体からなる。

好ましくは、前記対称的な形状は、正方形、矩形、円形、スリット、またはこれらの組み合せからなる。

好ましくは、前記矩形は、前記入射光の偏光方向に垂直な方向への長さを調節することにより、９０％以上の高効率を維持しながら、幅広い波長領域帯域で透過共振波長を変化させることができる。

好ましくは、前記矩形は、前記入射光の偏光方向に垂直な方向への長さが長く調節されることにより、透過共振波長が周期性により現れるレイリー線から離れた結果、前記入射光の前記第１の表面に対する角度に係わらず、波長非可変的な全方向性機能を有する。

好ましくは、前記対称的な形状は、前記入射光の２つの垂直な偏光方向への長さの比を異ならせることにより、波長変換機能を有する。

好ましくは、前記対称的な形状を有する貫通口の配列構造は、同一な形状で前記入射光の進行方向に沿って一定な距離毎に配置され、前記入射光の狭い線幅の準−単色波長を９０％以上透過させる。

好ましくは、前記単一共振フィルターは、前記入射光の９０％以上が透過される高透過性を有する
本発明のまた他の側面による構成は、第１の表面及び第２の表面を有する基板；及び前記第１の表面と前記第２の表面とを貫通して、前記第１の表面上に入射する入射光の偏光方向を基準に非対称的な形状を有する波長以下の大きさの貫通口の周期的または非周期的な配列構造を含み、ここで、前記入射光の一つ以上の透過共振特性が前記貫通口の前記非対称的な形状により制御される高透過性の多重共振フィルターである。

好ましくは、前記基板は、自由電子を有する物質からなる。

好ましくは、前記自由電子を有する物質は、金属または半導体からなる。

好ましくは、前記多重共振フィルターは、前記入射光の８０％以上が透過される高透過性を有する。

好ましくは、前記非対称的な形状は、十字形、三角形、螺旋形、馬蹄形、ユプシロン形、またはこれらの組み合せからなる。

好ましくは、前記入射光の偏光が前記馬蹄形の開部に垂直に置かれる場合、一つの透過共振波長を示し、前記入射光の偏光が前記馬蹄形の開部に水平に置かれる場合、二つの透過共振波長を示して、前記入射光の偏光方向を９０°回転させることにより共振波長の数を調節することができる。

好ましくは、前記ユプシロン形の開口部が前記入射光の偏光方向によりそれぞれ異なる波長位置の二つの透過共振波長を有し、波長を選択することができる。

好ましくは、前記非対称的な形状により制御される共振波長位置が、表面プラズモン共振位置に比べ、相対的に遠く離れている時、形態共振の著しい発現により波長が変わらない。

好ましくは、前記透過共振特性が二つである場合において、二つの波長の一つは、レイリー線の近くに、他の一つは、遠く離れるようにすることにより、入射光の入射角度によって、一つは波長可変的であり、もう一つは、波長非可変的となり、波長可変−非可変特性を有する。

好ましくは、前記非対称的な形状を有する貫通口の配列構造は、同一な形状で前記入射光の進行方向に沿って一定な距離毎に並列的に配置され、前記入射光の狭い波長幅の準−単色波長を９０％以上透過させる。

好ましくは、前記対称的または前記非対称的な基本的形態の複合的組み合せにより、三つ以上の共振波長を有する。

好ましくは、前記複合的組み合せを有する形状とレイリー最小との適切な配合により透過特性が向上される。

以下、本発明の構成をさらに詳細に説明する。

本発明者らは、金属膜上の多様な形を有する貫通口の周期的なまたは非周期的な配列構造における９０％以上の透過特性を見出した。このような構造における透過は、貫通口形態の多様性により多様な特性として現れることが確認された。

金属膜上に入射する入射光の偏光方向に沿って形成された周期的な配列は、多様な形態を有する貫通口構造により実現された。貫通口の形態は、対称(symmetric)構造と非対称(asymmetric)構造とに分けられるが、対称構造の代表的な場合は、円形(circular)、正方形(square)、矩形(rectangle)、スリット(slit)と、このような基本形態の適切な結合構造であり、非対称構造の代表的な場合は、馬蹄形(horseshoe-shaped)、ユプシロン形(epsilon-shaped)、またはこのような構造の適切な結合構造である。このような周期的配列構造を有する多様な形態の貫通口構造において、９０％以上の透過特性が発見された。

矩形構造において、入射光の偏光方向に対し、垂直な方向への長さを連続的に増やしていく場合、透過共振(transmission resonance)が起こる特定波長は、連続的に長くなることが観測された(矩形の両極端は、正方形とスリットであって、本発明者らの研究において矩形の連続的な変化は、正方形とスリット構造を含むものであった)。波長が連続的に変化する過程において、９０％以上の透過特性は、そのまま維持されることが確認された。

上記の場合において、透過共振が起こる波長は、二つの条件により決定されることが確認された。その一つは、偏光方向に垂直な方向への矩形の長さが相対的に長い場合(ここで、透過共振は、長波長で現れる)、透過共振波長は、矩形の長さの二倍となる波長とほぼ一致するが、これは、形態共振が共振波長を決定する重要な要素であることを意味する。他の一つは、矩形の長さが相対的に短い場合、または正方形にもっと近い場合、透過共振波長は、周期性の効果であるレイリー線(Rayleigh line)に近接しながら、その線に沿って曲がり始めるが、これは、表面プラズモン共振が共振波長を決定する重要な要素であることを意味する。

矩形の貫通口構造において、各方向への長さを適切に異ならせた場合(本発明者らの実験では、２：３の比を有する矩形を以って実験した)、入射光の偏光方向によって、異なる共振波長を示すことが確認された。上記の多様な矩形構造実験から確認されたことによると、共振波長は、入射光の偏光方向に垂直な方向への矩形の長さにより決定されることが確認された。したがって、二つの方向への比が異なる矩形の場合、矩形上に入射光の偏光が置かれる方向により、共振波長が変わるようになる。即ち、偏光方向を９０°変更すると、共振波長は、１００％スイッチングされるようになる。

長い矩形やスリット形の場合、入射光の偏光方向への長さ(width)は、透過共振波長や透過特性に大きく影響を及ぼさないため、この方向への長さが極めて短い場合も、ほぼ等しい透過特性や共振波長が現れることが確認された。これは、金属膜上を占めている形態構造の総量(filling factor)が１０％以下である場合も、９０％以上の透過率を示すことを意味する。

入射光の偏光方向に垂直な方向への長さが長い矩形に対し最も非周期的な配列、ランダム配列(random arrays)を有する場合において、９０％以上の透過特性を発見した。即ち、特殊な場合において、構造をなす基本形態が構造的に配列されているか、あるいは非構造的に配列されているかに係わらず、９０％以上の透過特性を示すことが確認された。このような現象は、形態共振が表面プラズモン共振から相対的に遠く離れている時に現れる。

入射光の偏光に垂直な方向に長い長さを有する矩形に対して、入射角依存透過特性(incident angle-dependent transmission)を測定した。この場合、長さが長くなればなるほど、透過共振波長は、金属膜に入射する入射光の角度により変わらないことが確認された。一方、正方形の場合は、透過共振波長が、入射光の入射角に大きく依存することが確認された。この場合、入射角が大きくなるにつれて、透過共振波長は、長波長領域に連続的に移されることが発見された。このような現象は、形態共振が表面プラズモン共振からどれくらい影響を受けるのかにより決定されるが、正方形の場合、形態共振が周期性によるレイリー線に近い場合、レイリー線の曲がりを強く感じるようになる反面(即ち、入射光の入射角の変化によるモメンタム変化を強く感じるようになり)、長さの長い矩形の場合、二つの共振が相対的に遠く置かれているため、レイリー線の変化を強く感じられなくなる。

矩形、円形、スリット、または正方形のように対称的形態を有した配列構造においては、著しい透過共振が専ら一つのみ現れることが確認された。

その反面、馬蹄形やユプシロン形のような非対称形態を有した配列構造では、一つ以上の目立つ透過共振波長を有することが確認された。馬蹄形の場合、馬蹄の開いた部分と垂直に置かれている入射光の偏光の場合は、透過共振波長が一つ現れるが、平行に置かれている場合は、透過共振波長が二つ現れた。この場合、一つは、９０％以上、もう一つは、８０％以上の著しい透過特性を示す。透過共振波長が二つ現れることは、貫通口形態の有する基本的な二つのモードが発現されることであるが、これは、基本的に、形態が対称的な場合は、一番目のモードが最も著しく発現されるが、非対称的な場合は、二つのモードが同時に著しく発現されるためである。

ユプシロン形の場合も、二つの著しい透過共振波長が現れるが、馬蹄形の場合と違って、入射光の偏光に垂直な二つの場合において、両方とも二つの透過共振波長を示す。馬蹄形やユプシロン形の場合、透過共振波長は、形態の大きさ、長さ、または適切な形態の変化により、調節可能であるということも確認された。

本発明者らの実験に使用された上記代表的な二つの非対称構造の場合、馬蹄形の場合は、透過共振波長の一つは、レイリー線の近くにあり、もう一つは、かなり離れているため、前者は、入射光の入射角度依存度が強く、後者は、入射光の入射角度依存度が弱くて、入射光の入射角によって、一つは、波長可変的となり、他の一つは、波長非可変的となることが確認された。しかし、ユプシロン形の場合、二つの透過共振波長が二つともレイリー線から遠く離れており、入射光の入射角度によりほとんど影響を受けないため、波長非可変的となることが確認された。これは、二つの透過共振波長を有する場合においても、入射光の入射角度の変化により、波長可変性を調節することができるということを表すものである。

本発明者らは、非対称的な構造の場合、上記代表的な二つの形態の他に、十字形、三角形、螺旋形など、多様な形態を有する配列構造に対しても、上記と同様な実験を行った。このような場合においても、上記と同様な特性が現れることが確認された。

上記９０％以上の透過特性を有する全ての形態に対し、同一な形態を有した構造を、入射光の進行する方向に沿って、一定な距離毎に複数個(二つ以上)配置する場合、透過共振波長における大きさ(intensity)はほとんど維持しながら、波長幅(spectral width)はだんだん減らすことができ、ほぼ単色波(quasi-monochromatic wave)に近い透過波長を実現することができるということが確認された。

基本的な形態を有した多様な貫通口構造を同じ金属膜上に周期的に配列することにより、複数個の共振波長を有する透過特性を実現した(ここで、本発明者らは、三つの異なる長さを有する矩形を周期的に配列した貫通口構造を使用した)。三つの異なる長さを有する矩形の周期的な配列は、スペクトル上の複数の波長位置で多様な周期性を示すが、これによるレイリー線と形態共振の適切な配置を通じて、四つの透過共振波長を実現することができるということが確認された。このような構造のみならず、他の基本形態を有する貫通口を多様な周期性を以って配列すると、多様な透過特性をデザインすることができるということも確認された。

金属膜上において、多様な形態を有する貫通口の周期的または非周期的配列を通じたテラヘルツまたは赤外線領域における多様な透過特性は、フィルターとしての多様な応用可能性を示唆する。

本発明の基本形態の一つである矩形構造の周期的な配列を示す斜視図である。 正方形から矩形、スリットまでの多様な構造を示す平面図である。 図２の平面図に基づき、実際に製作されたフィルター構造を示す。 図２と図３で例として示した幾つかの場合を含む、Ｙ方向に長さが変化する四角形構造の透過特性を示したグラフである。 透過共振波長の位置とカットオフ周波数を共に比較したグラフである。 図４と図５における実験結果に基づいて提示できる、また一つの適用可能性としての波長可変的フィルターを示す斜視図である。 金属膜上の、入射光の偏光方向に水平な方向への長さと垂直な方向への長さとが異なる矩形の配列構造において、金属平面方向への回転による偏光方向の調節を通じて波長スイッチングフィルターを構成する構造の斜視図である。 図７の構造における入射光の偏光程度による透過特性を示す。 入射光の入射角度による矩形における全方向性(omni-directional)と連続的な波長可変的フィルター機能を有する構造を示した斜視図である。 図９の構造において、入射光の入射角度による変化における透過特性を示す。 図９の構造において、入射光の入射角度による変化における透過特性を示す。 入射光の偏光方向に対し非対称的な形態を有する配列構造の代表的な例として、馬蹄形とユプシロン形を示す斜視図である。 レーザーマシニング方法により金属膜上にデザインされた形態により製作されたフィルターの電子走査顕微鏡(SEM)写真である。 図１２の馬蹄形の配列構造における透過共振波長の偏光特性を示す。 馬蹄形の配列構造における入射光の偏光による透過特性の変化を示す。 馬蹄形の配列構造における入射光の入射角度依存性を示す。 ユプシロン形の配列構造における入射光の入射角度依存性を示す。 デュアル波長フィルターを越え、三つまたは四つ以上の透過共振波長を有するフィルターの特殊な形態配列構造の一つであって、金属膜上の三つの矩形の並列的結合を示す。 図１８により図案されたデザインを以って製作されたフィルターを利用した透過特性結果を示すグラフである。 狭い波長幅を有する(または、ほぼ単色波長に近い)透過特性を実現するためのフィルターの斜視図である。 図２０におけるフィルターを一つ通過した後の透過特性、及び同一な形態のフィルターをもう一つ通過した後の透過特性を示す。

以下、図面を参照し、本発明の好ましい実施例について説明する。

上記のような目的を達成するための本発明による装置の構成は、以下のようである。

図１は、本発明の基本形態の一つである矩形構造の周期的な配列に対する斜視図である。他の形態を有する場合も、すべて図１の斜視図の配置構造に従う。このフィルターは、第１の表面１０、第２の表面(図示せず)、そして側面１１及び内部が、全て光学的に厚い金属膜より形成されている。図１の矩形の貫通口１２のみならず、以後の多様な形態の貫通口は、フェムト秒レーザに技術に基づくレーザーマシニング方法により製作される。レーザーマシニング方法は、少なくとも３０ミクロンの幅を有してデザインされた図面上のいかなる形態でも作り出す。第１の表面上や第２の表面下、またはレーザーマシニング方法により形成された貫通口１２の内部には、所望の誘電体物質を利用して満たすことができるが、主に空気を使用する。どのような誘電体物質により満たされるのかにより、透過特性が決定されるようになる。レーザーマシニング方法により空けられた貫通口１２の断面１３，１４は、矩形構造をよく示している。矩形の金属膜上の二つの方向に沿う長さａ、ｂと、その方向への周期ｄｘ、ｄｙは、レーザーマシニングのための図面上のデザインの変化を通じて自由に調節可能である。

図２は、正方形から矩形、スリット形までの多様な構造を示す平面図である。以後の説明のために、金属膜２０、２２、２４、２６上の座標軸を定義する必要があるが、横軸方向２９をｘ軸、縦軸方向２８をｙ軸とする。入射光の偏光方向がｘ軸方向に置かれているため、配列構造の周期性は、ｘ軸方向に感じられるようになる。これにより、ｘ軸方向の周期ｄｘは、一定にして、ｙ軸方向への貫通口形態２１、２３、２５、２７を連続的に増加させ、結局スリット構造まで形成した。

このような図２の斜視図に基づいて実際製作したフィルター構造は、図３から確認できる。金属膜３０、３１、３２、３３上に、レーザーマシニング方法を利用して、図２のような特性を有する貫通口構造３４、３５、３６、３７を実現した。図３は、電子走査顕微鏡(SEM)イメージを示しているが、レーザーマシニング方法が、このような構造を形成するにおいて、優れた性能を発揮するということが確認できる。

図２と図３で例として示した幾つかの場合を含む、長さがｙ軸方向に変化する四角形構造の透過特性を、図４から確認することができる。長さ２００ミクロンを有する正方形の配列構造における透過共振波長４０が最も短波長領域に置かれているが、９０％以上の透過特性を示す。四角形のｙ軸方向の長さが長くなるにつれて、透過共振波長の位置は、だんだん長波長(４０→４１→４２→４３→４４→４５)に移るようになる(勿論、全ての場合、９０％以上の透過特性をそのまま維持する)。これは、四角形の長さが透過共振波長と深く係わっていることを示すものであって、ｙ軸方向への長さが透過共振波長の位置を決定する形態共振の特性を示すものである。本実験で使用された構造は、全て４００ミクロンのｘ軸方向周期を有しているため、周期性によるレイリー線４６が０．７５ＴＨｚで現れる。その位置から短波長領域帯４７に行くと、金属膜の表面に形成される表面波の蓄積量が減るため、透過がほとんど起こらないようになる。このような金属膜上における表面波の特性と形態共振の特性を利用すると、矩形、正方形、及びスリット形の配列構造において、一つの著しい透過波長を生成することができることを確認することができた。

透過共振波長の位置は、カットオフ周波数と共に比較してみることができるが、図５から確認することができる。カットオフ周波数線５１は、周期性によるレイリー線５０と０．７５ＴＨｚで交差するが、この交差点から相対的に遠い位置５３、５４にある透過共振波長は、カットオフ周波数線に沿って生成される反面、この交差点から近い位置５２にある透過共振波長は、レイリー線５０に沿って曲がるようになる。これは、透過共振波長がレイリー線５２から遠く離れている場合、形態共振の特性により、さらに強く支配されるということを示すものである。

図４と図５における実験結果に基づき提示できるもう一つの適用可能性は、波長可変的フィルターであるが、その斜視図を図６に示した。第１の表面及び第２の表面を有する金属膜６２上にスリット６３形態を有する配列構造を製作した後、第１の表面上に薄い金属膜を二つ６０、６１設ける。一つの金属膜６１は、固定しておいて、他の一つの金属膜６０を、表示した方向６４に沿って調節すると、入射光は、自己の偏光方向に垂直な方向への四角形の長さの変化を連続的に感じ、図４、５の実験結果から分かるように、連続的に変化する透過共振波長を得ることができるようになる。

図７は、金属膜７０上の、入射光の偏光方向に水平な方向７５への長さａと垂直な方向７４への長さｂとが異なる矩形７１の配列構造において、金属平面方向への回転による偏光方向の調節を通じて波長スイッチングフィルターを構成する構造の斜視図を示す。構造を有した金属面に垂直な軸７３を基準に、水平な方向７５から垂直な方向７４へ９０°回転７６させることにより、二つの異なる波長を選択的にスイッチングすることができる。

図８は、図７の構造における入射光の偏光程度による透過特性を示す。図７の平行な方向７５に沿って入射光の偏光が置かれている時は、図８における８１のような透過共振波長が現れて、図７の垂直な方向７４に沿って入射光の偏光が置かれている時は、図８における８０のような透過共振波長が現れる。この偏光方向は、それぞれ０°(８２)と９０°(８３)として表現された。０°と９０°で現れる透過共振波長の強度は、それぞれ９０％以上であって、フィルター構造の回転を通じて二つの波長をそれぞれスイッチングすることができる。本実験で使用された矩形のａとｂの長さは、それぞれ２００と３００ミクロンを使用したが、それぞれの長さを適切にデザインすることにより、異なる透過共振波長を有する波長スイッチングフィルターを実現することができる。

図９は、入射光の入射角度による矩形における全方向性(omni-directional)と連続的な波長可変的フィルター機能を有する構造を示した斜視図である。本発明者らの実験では、ａとｂの多様な比を有する矩形構造を使用した。金属膜９０上に構造化された矩形９１は、入射光の偏光方向９５から入射光の進行方向９３に回転９６されることにより、独特の機能を有する透過特性を示す。さらに詳細には、フィルターの回転は、入射光の偏光方向に垂直な方向９４を基準になされる。

図１０と図１１は、図９の構造において、入射光の入射角度による変化における透過特性を示す。図１０で提示された実験結果は、ｂが６８３ミクロン、ａが８５ミクロン、そして入射光の偏光方向への周期が４００ミクロンである場合に該当する。この場合、透過共振波長１００は、レイリー線から長波長領域に遠く離れているため、周期性によるレイリー線の影響をほとんど受けずに、形態共振のみによって影響を受ける。これにより、入射光の入射角度が０°(１０１)から３５°(１０２)まで変化しても、透過共振波長の位置は、変わらない。これは、形態共振を利用した全方向性フィルターの機能を示すものである。その反面、ａとｂの長さが同一(それぞれ２００ミクロン)である正方形の入射光の入射角度に対する透過特性は、図１１から分かるように、全く異なる特性を示す。入射角度が、０°の近くでは、形態共振による透過共振波長がレイリー線のすぐ下で現れるが(１１０)、入射角度が少しずつ変化すると、周期性によるレイリー線を強く感じ始めながら、透過共振波長は、長波長領域に移っていくようになる(１１１)。これは、適切にデザインされた四角形において、入射光の入射角度を調節することにより、連続的に波長調節可能なフィルターを実現することができることを示す。

図１２は、入射光の偏光方向に対して非対称的な形態を有する配列構造の代表的な例である、馬蹄形とユプシロン形とを示した斜視図である。金属膜１２０上にデザインされた形態１２１は、レーザーマシニング方法により製作できるが、このようなデザインにより製作されたフィルターの電子走査顕微鏡(SEM)写真を図１３に示した。電子走査顕微鏡写真から確認できるように、金属膜１３０に穴が空けられた形態１３１は、正確にデザインされた図面を実現したことを示している。このような非対称的な形態は、図１２における長さｄ、幅ｅ、そして内部構造の全長ｆなどの適切な変更を通じて、所望の透過共振波長の位置、透過共振波長の数、それぞれの透過共振波長の偏光、及び入射光の入射角度依存性を作り出すことができる。

図１４は、図１２の馬蹄形の配列構造における透過共振波長の偏光特性を示している。入射光の偏光は、図１２において、水平方向１２２を基準０°(１４２)として、図１２の二つの方向１２２、１２３を有する平面に沿うフィルター構造の回転１２５を通じて、９０°(１４３)に定めた。入射光の偏光が０°である場合は、図１２における馬蹄形の開いた入口１２４に平行に置かれるようになるが、この場合、テラヘルツ領域における透過特性は、図１４の１４１のように表れる。この場合、入射光の偏光は、馬蹄構造の非対称性を強く感じるようになり、二つの著しい透過共振波長を表すようになる。しかし、偏光方向の９０°回転による透過特性は、異なる様相を示す。この場合、専ら一つの透過共振波長１４０を有するようになるが、これは、この方向への偏光がフィルター形態の非対称性をよく感じられないためである。しかし、両方とも、本実験で使用された４００ミクロンの周期特性は、レイリー最小(Rayleigh minima；１４５)として表れる。そして、それより短波長の領域１４６へ行くと、金属膜上の表面場の急激な減少により、それ以上著しい透過共振は現れないようになる。

馬蹄形の配列構造における入射光の偏光による透過特性の変化は、図１５で確認することができる。ここで、偏光の両極端１５２、１５３は、それぞれ図１４の１４２、１４３に対応する。図１５で確認できるように、偏光による透過特性の変化は、二つの垂直な偏光において、二つの異なる共振波長位置がスイッチングして、また、二つの共振波長１５１、１５２において、一つの共振波長１５０にスイッチングすることを示す。これは、波長スイッチングだけではなく、共振波長数スイッチングが可能なフィルターの可能性を示す。

図１２において、１２３方向を基準に、１２２方向から１２３と１２２とに垂直なまた他の方向へのフィルター回転を通じて、非対称構造の入射光の入射角度依存性を確認することができる。図１６は、馬蹄形の配列構造における入射光の入射角度依存性を示す。ここで、二つの透過共振波長１６０、１６１は、それぞれ異なる変化を示すが、１６１の場合は、入射角度に対し非依存的であるが、１６０の場合は、入射角度により、透過特性が印象的に変わるようになる。これは、このような透過特性を現せる形態共振と周期性によるレイリー線との間の相対的な位置関係による結果である。レイリー線に近く置かれている１６０は、入射角度により強く影響を受ける反面、レイリー線から遠く離れている１６１は、ほとんど影響を受けない。

このような特性は、ユプシロン形の配列構造からも確認できる。これは、図１７に示されている。しかし、この場合は、馬蹄形とは違って、二つの透過共振波長が二つともレイリー線から遠く離れているため、二つとも入射光の入射角度による影響をあまり受けないため、入射角度に対し、ほとんど変化のない透過共振波長の位置を示す。これは、二つの著しい透過共振波長を有する全方向性フィルターの実現を示すものである。このような透過共振波長の位置は、図１２のユプシロン形における長さｄ、内部構造の全長ｆ、そして幅ｅを適切にデザインすることにより、所望の特性を作り出すことができる。

デュアル波長フィルターを越えて、三つまたは四つ以上の透過共振波長を有するフィルターを製作するために、特殊な形態配列構造が図案された。図１８は、このような特殊な場合の一つを示す。三つ以上の透過共振波長は、対称的または非対称的な形態の並列的結合により実現できる。図１８には、金属膜１８０上の三つの矩形１８１、１８２、１８３の並列的結合が示されている。勿論、並列的結合をなす基本形態は、多様であり、透過共振波長の特性は、基本形態そのものが有する形態共振の特性と、基本形態の並列的結合の周期的な配列によるレイリー線の結合された特性とにより決定される。

図１９のグラフは、図１８の平面図により図案されたデザインを以って制作されたフィルターを利用した透過特性結果である。この場合、基本的に図１８の三つの基本的な形態の形態共振による透過共振が三つの波長１９０、１９１、１９３で現れることを確認することができる。本実験において、各形態間の周期ｐ１は、４００ミクロンを使用したため、０．７５ＴＨｚの近く１９４でレイリー最小が現れるようになる。本実験で使用されたフィルターの場合、実験結果によると、もう一つの周期をさらに感じるようになるが、これが、三つの基本形態が結合した状態における周期ｐ２である。この周期性は、図１９の１９５から確認できる。１９５に置かれたレイリー最小は、波長領域の真中に置かれる形態共振を二つの波長１９１、１９２に分けるため、最終的には、四つの透過共振波長を有するようになる。

形態共振によるこのような透過共振特性は、さらに拡張していくことができて、これにより、三つ以上の透過共振波長を有するフィルターが実現可能になる。このような過程において、レイリー最小は、重要な役割を果たすようになる。

図２０は、狭い波長幅を有する(または、ほとんど単色波長に近い)透過特性を実現するための斜視図を示す。透過共振波長において、ほぼ完璧に透過する特性を有した形態の配列構造２０２、２０３を、入射光２０４が入射する方向に沿って複数個配置すると、一つずつ通過する度に、透過共振波長の波長幅は、減り続けるようになる。図２１の２１０は、図２０において、一つのフィルターを通過した後２０５の透過特性を示しており、２１１は、同一な形態のフィルターをもう一つ通過した後２０６の透過特性を示している。透過共振波長は、ほとんど変わらずに、波長幅は、著しく減ることが分かる。このような特性は、ほぼ完璧に透過する特性を有した形態のいかなる場合においても、実現可能である。

本発明は、金属膜上に空けられる貫通口形態の周期的なまたは非周期的な配列による、赤外線またはテラヘルツ領域における選択的透過特性を利用したフィルターを提供する。本発明者らの実験によると、透過特性は、基本的に貫通口形態に係わるため、所望の特性を有するフィルターを、貫通口形態の自由なデザインを通じて実現することができる。本発明者らの実験を通じて確認されたフィルターの活用例は、多様である。その一、透過共振波長の数を調節して、シングル、デュアル、それ以上のフィルター実現することができる。その二、波長可変的フィルターと全方向性(omni-directional)フィルターを実現することができる。その三、準単一波長(quasi-monochromatic)フィルターを実現することができる。その四、入射光の偏光を利用した波長スイッチングフィルターを実現することができる。貫通口形態の適切なデザインを通じて、上記の多様な機能を組み合せることにより、全ての場合に対して活用可能なフィルターを製作することができて、全ての場合に対し、９０％以上の高効率の透過特性を実現することができる。本発明において、形態共振の特性によりデザインされ製作されるフィルターは、テラヘルツ領域及び赤外線領域まで、光学用として幅広く活用することができる。

１０・・・第1の表面 １１・・・側面 １２・・・貫通口 １３，１４・・・断面

Claims (7)

1. 形態共振を使用し、単一の透過共振波長を有する、単一共振フィルターであって、
   前記単一共振フィルターは、
   第１の表面及び第２の表面を有する基板と、
   前記透過共振波長以下の大きさを有し、前記第１の表面と前記第２の表面とを貫通するように形成された複数の貫通口とを含み、
   前記複数の形状は、正方形、矩形、円形、スリット形、またはこれらの組み合せを含み、
   前記複数の貫通口の形状により前記単一の透過共振波長が決定され、
   更に、前記単一共振フィルターは、
   前記基板の前記第１の表面上に配置された２つの金属膜、を含み、
   一方の金属膜を固定し、他方の金属膜を偏光方向に垂直な方向に沿って調節すると、入射光は、前記偏光方向に垂直な方向における、前記矩形の長さの変化を連続的に識別でき、前記単一の透過共振波長は連続的に変化する、
   ことを特徴とする、単一共振フィルター。
2. 前記矩形は、前記入射光の偏光方向に垂直な方向の長さが長くなるように調節されることにより、透過共振波長が周期性によりレイリー線から離れた結果、前記入射光の前記第１の表面に対する角度に係わらず、波長非可変的な全方向性機能を有することを特徴とする、請求項１に記載の単一共振フィルター。
3. 前記矩形は、前記入射光の２つの互いに垂直な偏光方向に沿う長さの比を変えることにより、波長変換機能を有することを特徴とする、請求項１に記載の単一共振フィルター。
4. 前記複数の貫通口の配列構造は、同一な形状で前記入射光の進行方向に沿って一定な距離毎に配置され、狭い線幅の準−単色波長に対して９０％以上の透過率を有することを特徴とする、請求項１に記載の単一共振フィルター。
5. 前記単一共振フィルターは、前記入射光の９０％以上の透過率を有することを特徴とする、請求項１に記載の単一共振フィルター。
6. 前記基板は、自由電子を有する物質からなることを特徴とする、請求項１に記載の単一共振フィルター。
7. 前記自由電子を有する物質は、金属または半導体であることを特徴とする、請求項６に記載の単一共振フィルター。

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