能動的プラズモンデバイス設計向け熱―弾性波―電磁界時間領域複合物理計算手法の開発

２０２２年度は①電磁界の逐次計算を行わず、特定の観測時間までの電磁界消費エネルギーを計算する方法と②表面プラズモンのモード分離を中心に検討を行った。これらのテーマに関する研究実績の概要は以下の通りである。①電磁界の逐次計算を行わず、特定の観測時間までの電磁界消費エネルギーを計算する方法：従来は時間的にパルス波となる電磁波を誘電体媒質に照射した際の吸収エネルギーなどは電磁界の時間発展を逐次計算、時間積分することで求めてきた。本年度は特定の観測時間までの消費エネルギーを逐次計算することなく、計算する方法を確立した。数値逆ラプラス変換（FILT : Fast inverse Laplace transform）法に基づき、複素平面上で定義される電磁界の畳み込み積分を効率的に計算する。本手法を用いて損失誘電体円柱の特定観測時間における吸収電力の分布が求められることを確認した。②表面プラズモンのモード分離：今後のプラズモンデバイス応用を検討するため、電磁界解析のみで表面プラズモンの特性について検討を行った。誘電体グレーティング装荷型プラズモン導波路の検討を行い、長距離・短距離伝搬モードの選択性が金属厚で調整が可能であることやグレーティング部を最適化設計することで長距離伝搬モードの伝搬損が改善できることを示した。また、クレッチマン配置型表面プラズモン励起構造を中心に、波数空間における電磁界の縦横成分分離を行うことで、短距離・長距離伝搬モードや局在型プラズモンの分離が可能になることを示した。これによりプラズモンデバイス設計において通常の電磁界成分以外からその性能や設計指針を考慮することが可能となった。

２０２２年度は①電磁界の逐次計算を行わず、特定の観測時間までの電磁界消費エネルギーを計算する方法と②表面プラズモンのモード分離を中心に検討を行った。これらのテーマに関する研究実績の概要は以下の通りである。①電磁界の逐次計算を行わず、特定の観測時間までの電磁界消費エネルギーを計算する方法：従来は時間的にパルス波となる電磁波を誘電体媒質に照射した際の吸収エネルギーなどは電磁界の時間発展を逐次計算、時間積分することで求めてきた。本年度は特定の観測時間までの消費エネルギーを逐次計算することなく、計算する方法を確立した。数値逆ラプラス変換（FILT : Fast inverse Laplace transform）法に基づき、複素平面上で定義される電磁界の畳み込み積分を効率的に計算する。本手法を用いて損失誘電体円柱の特定観測時間における吸収電力の分布が求められることを確認した。②表面プラズモンのモード分離：今後のプラズモンデバイス応用を検討するため、電磁界解析のみで表面プラズモンの特性について検討を行った。誘電体グレーティング装荷型プラズモン導波路の検討を行い、長距離・短距離伝搬モードの選択性が金属厚で調整が可能であることやグレーティング部を最適化設計することで長距離伝搬モードの伝搬損が改善できることを示した。また、クレッチマン配置型表面プラズモン励起構造を中心に、波数空間における電磁界の縦横成分分離を行うことで、短距離・長距離伝搬モードや局在型プラズモンの分離が可能になることを示した。これによりプラズモンデバイス設計において通常の電磁界成分以外からその性能や設計指針を考慮することが可能となった。