擬似表面プラズモンによる熱輻射制御とテラヘルツイメージングへの応用

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本研究課題の目標は、分光イメージング用のテラヘルツ連続波光源に応用可能な熱輻射光源を得ることである。今年度当該研究員は、下記の成果を得た。前年度に検討したメタマテリアルによる輻射光源のように、熱輻射制御を伴うエミッターデバイスは光源面の裏側にヒーターを置き、加熱することが常識であった。本研究では光学的特性だけでなく熱的特性も向上させ、より目的に則し、産業応用が見込めるテラヘルツ光源を見出した。具体的には、表面のメタマテリアル構造を電気的に接続し電力供給することで、メタマテリアルがジュール加熱され、熱輻射光を得る光源である。メタマテリアルが輻射制御だけでなく熱源としての役割も担うことから、このデバイスをメタフィラメントと呼ぶ。上記の接続線が光学アンテナとしても機能すると考えた。シミュレーションの結果、メアンダ型に接続した時にx偏光が最大になることを見出した。また絶縁層の最適条件も割り出し、電子ピーム露光と蒸着、リフトオフに寄るプロセスで作製した。供給電力一定の実験の結果、直接通電加熱方式によってヒーター加熱の25倍強度が強い輻射が得られた。熱源が基板の裏に配置したヒーターではなく表面に位置するので、熱容量を低く抑えられていると考える。別の計算によると、直接通電加熱によって熱容量を12分の一に低減できたことがわかった。これより電気-光エネルギー変換効率を12倍に向上したことを見出した。また直接通電加熱によって半値幅がより狭くなった結果も得られた。直接通電加熱は表面を直接加熱するので、背景輻射がヒーター加熱よりも小さいからであると考える。世界ではじめて直接通電型の熱幅射光源「メタフィラメント」を提案し、このコンセプトによってよりエネルギー効率が高く狭帯域なテラヘルツ光原を実現した。