(57)【要約】入力反射器（３１０）と、出力反射器（３２０）と、該入力反射器（３１０）と該出力反射器（３２０）との間に配置された周期性誘電媒体（２００）（ＰＤＭ）とを、電磁共鳴デバイス（３００）が備える。前記入力反射器（３１０）及び前記出力反射器（３２０）は、対象となる波長を有する放射線に対して反射性となるように構成される。前記ＰＤＭは、第１の表面（２８０）と第２の表面（２９０）との間において誘電周期性を有する周期構造を含む。前記誘電周期性が、対象となる波長について負の屈折を有するよう構成される。第１の放射線（４１０）が、前記入力反射器（３１０）によって、前記ＰＤＭの前記第１の表面（２８０）に向かって反射させらされ、該ＰＤＭを通過させられて、第２の放射線（４２０）として前記出力反射器（３２０）上に合焦させられる。前記第２の放射線（４２０）が、前記出力反射器（３２０）によって前記ＰＤＭの前記第２の表面（２９０）に向かって反射させられ、前記ＰＤＭを通過させられて、前記第１の放射線（４１０）として前記入力反射器（３１０）上に合焦させられる。
2009509204.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁共鳴デバイス（３００）であって、
対象となる波長を有する第１の放射線（４１０）に対してほぼ反射性の入力反射器（３１０）と、
前記入力反射器（３１０）に対してほぼ平行な平面内にある出力反射器（３２０）であって、前記対象となる波長を有する第２の放射線（４２０）に対してほぼ反射性の、出力反射器と、
前記入力反射器（３１０）と前記出力反射器（３２０）との間に配置された周期性誘電媒体（２００）であって、第１の表面（２８０）と第２の表面（２９０）との間において誘電周期性を有し、前記対象となる波長において負の屈折を有するよう構成される、周期性誘電媒体
とを備え、前記負の屈折が、
前記第１の表面（２８０）上に当る前記第１の放射線（４１０）を、前記第２の放射線（４２０）として第２の合焦位置（４２８）において合焦させ、及び、
前記第２の表面（２９０）上に当る前記第２の放射線（４２０）を、前記第１の放射線（４１０）として第１の合焦位置（４１８）において合焦させることからなる、電磁共鳴デバイス。
【請求項２】
第２の材料（２０４）からなる複数の周期的に隔置されたカラム（２０４）を含む第１の材料（２０２）を備えた２Ｄフォトニック結晶（２００）を前記周期性誘電媒体（２００）が含む、請求項１に記載の電磁共鳴デバイス。
【請求項３】
前記入力反射器（３１０）及び前記出力反射器（３２０）がブラッグ反射器を含む、請求項１に記載の電磁共鳴デバイス。
【請求項４】
前記第１の合焦位置（４１８）が、前記入力反射器（３１０）の内側表面のほぼ近くにあり、前記第２の合焦位置（４２８）が、前記出力反射器（３２０）の内側表面のほぼ近くにあることからなる、請求項１に記載の電磁共鳴デバイス。
【請求項５】
前記対象となる波長における励起放射線（４００）の少なくとも一部が、前記入力反射器（３１０）を透過して、前記第１の放射線（４１０）として前記電磁放射デバイスに入る、請求項１に記載の電磁共鳴デバイス。
【請求項６】
放射させられる放射線（４９０）として、前記第２の放射線（４２０）の少なくとも一部が前記出力反射器（３２０）を透過する、請求項１に記載の電磁共鳴デバイス。
【請求項７】
前記出力反射器（３２０）に隣接して形成されたアパーチャ（３３５）であって、前記放射させられる放射線（４９０）のサイズと形状とを画定するよう構成されたアパーチャを更に備える、請求項６に記載の電磁共鳴デバイス。
【請求項８】
電磁放射ビームを強める方法であって、
対象となる波長において負の屈折率を含む周期性誘電媒体（２００）を提供し、
第１の放射線（４１０）を、前記周期性誘電媒体（２００）の第１の表面（２８０）に向かって反射させ、
第２の放射線（４２０）を、前記周期性誘電媒体（２００）の第２の表面（２９０）に向かって反射させ、
前記第１の表面（２８０）から前記第２の表面（２９０）まで前記周期性誘電媒体（２００）を通じて前記第１の放射線（４１０）を送ることによって、第２の合焦位置（４２８）において前記第２の放射線（４２０）を合焦させ、及び、
前記第２の表面（２９０）から前記第１の表面（２８０）まで前記周期性誘電媒体（２００）を通じて前記第２の放射線（４２０）を送ることによって、第１の合焦位置（４１８）において前記第１の放射線（４１０）を合焦させる、
ことを含む、方法。
【請求項９】
前記周期性誘電媒体（２００）を提供することが、第２の材料（２０４）からなる複数の周期的に隔置されたカラム（２０４）を含む第１の材料（２０２）を備えた２Ｄフォトニック結晶（２００）を提供することを更に含むことからなる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の放射線（４１０）を反射させることが、入力反射器（３１０）によって前記第１の放射線（４１０）を反射させることを含むことからなる、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の放射線（４１０）を合焦させることが、前記入力反射器（３１０）の内側表面のほぼ近くに前記第１の合焦位置（４１８）を配置することを更に含むことからなる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記入力反射器（３１０）の入力表面（３１１）に、前記対象となる波長を有する励起放射線（４００）を導き、及び、
前記入力反射器（３１０）を通じて、前記励起放射線（４００）の少なくとも一部を伝搬させる、
ことを更に含むことからなる、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の放射線（４２０）を反射させることが、出力反射器（３２０）によって前記第１の放射線（４１０）を反射させることを含むことからなる、請求項８に記載の方法。
【請求項１４】
前記第２の放射線（４２０）を合焦させることが、前記出力反射器（３２０）の内側表面のほぼ近くに前記第２の合焦位置（４２８）を配置することを更に含むことからなる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記出力反射器（３２０）を通じて、前記第２の放射線（４２０）の少なくとも一部を伝搬させることを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して電磁放射ビームを変化させることに関し、特に、負の屈折率を有するデバイスと、負の屈折を使用して電磁共鳴を生じさせるための構造とに関する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶は人工材料の一種であり、多くの場合に「メタ・マテリアル」と呼ばれる。フォトニック結晶は、或る誘電率の材料を、異なる誘電率を有するマトリクス内において周期的に分散させることによって形成される。１次元フォトニック結晶は、１つの次元においてのみ誘電率において周期性を示す３次元構造である。ブラッグミラー（Ｂｒａｇｇ  ｍｉｒｒｏｒｓ）は、１次元フォトニック結晶の一例である。その交互に組み合わされる薄い層が、異なる誘電率と屈折率とを有する。いくつかの薄い層を組み合わせることによって、薄い層の平面に対して直交する方向においてのみ誘電率における周期性を示す３次元構造が形成される。それらの層の平面内に含まれる２つの次元では、いずれも周期性は示されない。
【０００３】
或る誘電率の材料のロッドか又はカラムを、異なる誘電率を有するマトリクス内において周期的に分散させることによって、２次元（２Ｄ）フォトニック結晶を形成することができる。２Ｄフォトニック結晶は、２つの次元（すなわち、ロッドか又はカラムの長手方向に対して垂直な方向）において周期性を示すが、カラムの長手方向に対して平行な方向において周期性は示されない。
【０００４】
最終的には、第１の誘電率を有する第１の材料の小さな球か又は他の空間的に限定されたエリアを、第２の異なる誘電率を有する第２の材料のマトリクス内において周期的に分散させることによって、３次元フォトニック結晶を形成することができる。３次元フォトニック結晶は、該結晶内の３つの次元全てにおいて誘電率において周期性を示す。
【０００５】
フォトニック結晶は、誘電率における周期性を示す方向において、或る周波数範囲にわたってフォトニックバンドギャップを示すことが可能である。換言すると、誘電率の周期性を示す方向においてフォトニック結晶を透過しないこととなる、電磁放射線の或る周波数範囲を存在させることができる。伝搬されないこの周波数範囲は、フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップとして既知である。
【０００６】
フォトニック結晶、並びにフォトニック結晶の使用法及び用途の手引きとして、読者は、非特許文献１と非特許文献２とを参照されたい。
【非特許文献１】John D. Joannopoulos、Robert D.Meade及びJoshua N.Winn著、「Photonic Crystals - Molding the Flow of Light」（Princeton University Press 1995）
【非特許文献２】K.Inoue及びK.Ithaca著、「Photonic Crystals - Physics, Fabrication and Applications」（Springer 2004）
【非特許文献３】IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol.9, No.1, January/February 2003, pp.106-110
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
天然材料では、電磁放射線が２つの材料間の接合部に出くわす時には、その電磁放射線は、或る特定の角度で且つ或る特定の方向に、屈折させられる。天然材料の方向とは反対の方向に電磁放射線を屈折させる、或る種のメタ・マテリアルが研究されている。負の屈折を示すこれらの材料は、負の方向において屈折させることが可能であると共に、結果として、電磁放射線を分散させるのではなく、電磁放射線を再合焦させることが可能であることから、多くの場合にスーパーレンズと呼ばれる。最近では、フォトニック結晶が、この負の屈折率を示すことが可能であることがわかってきた。これらのスーパーレンズ構造、特に負の屈折を示すフォトニック結晶、のための多くの新規の及び有用な用途を可能にすることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
多くの実施形態において、本発明は、電磁放射ビームにおいて共鳴を引き起こす方法と、負のスーパーレンズ特性を示すフォトニック結晶とを含み、フォトニック結晶の負の屈折特性を用いて、共鳴構造を作り出すことができる。
【０００９】
本発明の一実施形態は、入力反射器と、出力反射器と、該入力反射器と該出力反射器との間に配置された周期性誘電媒体とを備えた電磁共鳴デバイスを含む。前記入力反射器は、対象となる波長を有する第１の放射線に対してほぼ反射性となるように構成される。前記出力反射器は、前記入力反射器に対してほぼ平行な平面内に配置され、対象となる波長を有する第２の放射線に対してほぼ反射性となるよう構成される。前記周期性誘電媒体は、前記入力反射器と前記出力反射器との間に配置され、第１の表面と第２の表面とを含み、該第１の表面と該第２の表面とはそれぞれ、該入力反射器に対してほぼ平行な平面内にある。追加的には、前記周期性誘電媒体は、前記第１の表面と前記第２の表面との間に誘電周期性を有する周期性構造を含む。その周期性構造は、対象となる波長の電磁放射線に対して負の屈折を有するよう構成される。前記周期性誘電媒体の前記負の屈折は、前記第１の表面上に当る第１の放射線を、第２の合焦位置において第２の放射線として合焦させる。同様に、前記周期性誘電媒体の前記負の屈折は、前記第２の表面上に当る第２の放射線を、第１の合焦位置において第１の放射線として合焦させる。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、電磁放射ビームを強める方法を含む。該方法は、対象となる波長において負の屈折率を含む周期性誘電媒体を提供することを含む。該方法は、前記周期性誘電媒体の第１の表面に向かって第１の放射線を反射させることと、前記周期性誘電媒体の第２の表面に向かって第２の放射線を反射させることとを更に含む。該方法は、前記第１の表面から前記第２の表面まで前記周期性誘電媒体を通じて前記第１の放射線を送ることによって、第２の合焦位置において前記第２の放射線を合焦させることを更に含む。同様に、該方法は、前記第２の表面から前記第１の表面まで前記周期性誘電媒体を通じて前記第２の放射線を送ることによって、第１の合焦位置において前記第１の放射線を合焦させることを更に含む。
【実施例】
【００１１】
本明細書は、本発明として見なされるものを具体的に指し示し且つ明確に特許請求する特許請求の範囲によって終結しているが、本発明の利点は、本発明の説明が添付図面と共に読み取られる時には、本発明の以下の説明から更に容易に確認されることが可能である。
【００１２】
以下の説明において、ミクロンスケールの寸法は概ね、１マイクロメートル〜数マイクロメートルの範囲の寸法を指しており、サブミクロンスケールの寸法は概ね、１マイクロメートル〜０．０５マイクロメートルの範囲の寸法を指しており、ナノメートルスケールの寸法は概ね、１ナノメートル〜５０ナノメートル（０．０５マイクロメートル）の範囲の寸法を指している。
【００１３】
多くの実施形態において、本発明は、電磁放射共鳴構造と、電磁放射ビームにおいて共鳴（共振）を引き起こす方法とを含む。本発明の実施形態は、選択された波長範囲を有する放射線についての負の屈折率を含む周期性誘電媒体を提供するよう構成される。（周期性誘電媒体を含む）共鳴構造に導かれた放射線の場合に、周期性誘電媒体（ＰＤＭ）を通過する時の放射線の負の屈折が、その共鳴構造内において、合焦させられた放射線を生じさせることが可能であり、及び共鳴（共振）を生じさせることができる。
【００１４】
屈折に関して、スネル（Ｓｎｅｌｌ）の法則が周知の法則であり、スネルの法則は、異なる屈折特性を有する２つの媒体間の境界面に放射ビームが到達する時の該放射ビームの屈折特性をモデル化する。基本的には、スネルの法則は、或る媒体内における放射ビームの屈折率と入射角の正弦との積が、次に続く媒体内の屈折率と屈折角の正弦との積に等しいことを述べている。
【００１５】
一般的には、自然に発生する材料（物質）は、正の屈折率を示す。換言すると、高い正の屈折率を有する媒体の小平面（ファセット）に対して斜めの入射角を有する放射ビームを、該小平面の表面法線に向かって逸らすことができ、より低い屈折率の媒体に入る放射ビームを、該表面法線から離れるように逸らすことができるが、その逸れ（屈曲）は、該表面法線に対して正の角度で生じる。最近では、負の屈折率を示す多くの人工材料（多くの場合に、メタマテリアルと呼ばれる）が、開発されてきている。負の屈折率によっても、該人工材料は依然としてスネルの法則に従うが、その放射ビームは、天然材料とは反対の方向に逸らされる（すなわち、表面法線に対して負の角度を有する方向に逸らされる）。従って、スネルの法則を用いると、或る媒体内の放射ビームの屈折率と入射角の正弦との積は、次に続く媒体内の屈折率と屈折角の正弦との積の負の値に等しい。
【００１６】
正の屈折率及び負の屈折率の屈折特性を、図１Ａ、図１Ｂ、及び図２を用いて理解することができる。図１Ａは、２つの屈折性材料（１１０及び１２０）を通る波の伝搬方向と、２つの屈折性材料（１１０及び１２０）間の境界面における波の伝搬方向とを示す波数ベクトル図である。同様に、図１Ｂは、第３の屈折性材料１３０と負の屈折性材料１４０との間の境界面における波の伝搬方向を示す波数ベクトル図である。
【００１７】
図１Ａは正の屈折を示す。図１Ａにおいて、上側の円は、第１の屈折性材料１１０の等周波数面ＥＦＳ１のプロットを示す。下側の円は、第２の屈折性材料１２０の等周波数面ＥＦＳ２のプロットを示す。ＥＦＳ２は、１つには、第１の屈折性材料１１０と第２の屈折性材料１２０との間の誘電特性の違いに起因して、ＥＦＳ１とは直径が異なる。群速度ベクトルＶｇ１は、ＥＦＳ１に対して垂直に、且つＥＦＳ１の中心から離れるように配向されており、第１の屈折性材料１１０を通じて波が伝搬する方向を示す。第１の周波数線１１５は、群速度ベクトルＶｇ１がＥＦＳ１と交わる或る特定の周波数を示す。第１の周波数線１１５は、ＥＦＳ２と交差するように下に降ろされている。従って、ＥＦＳ２に対して垂直に、且つＥＦＳ２の中心から離れるように配向された群速度ベクトルＶｇ２が、第１の屈折性材料１１０の中を波が伝搬するのと同じ周波数において第２の屈折性材料１２０の中を波が伝搬する方向を画定する。図１Ａのより下側の部分は、２つの群速度ベクトルＶｇ１及びＶｇ２と、第１の屈折性媒体１１０と第２の屈折性媒体１２０との間の境界において生じる方向変化とを示す。該方向変化は、２つの屈折性材料（１１０及び１２０）の屈折率の差分に起因する。群速度ベクトルＶｇ２の場合には、表面法線からの角度が正であることから、正の屈折が見てとれる。
【００１８】
図１Ｂは負の屈折を示す。図１Ｂにおいて、上側の円は、第３の屈折性材料１３０の等周波数面ＥＦＳ３のプロットを示す。下側の円は、負の屈折性材料１４０の等周波数面ＥＦＳ４のプロットを示す。ＥＦＳ４は、１つには、第１の屈折性材料１１０と負の屈折性材料１４０との間の誘電特性の違いに起因して、ＥＦＳ３とは直径が異なる。更には、負の屈折率材料１４０において、周波数が高くなると、等周波数面ＥＦＳ４が、対称点の周りにおいて内側に向かって動く。従って、群速度ベクトルＶｇ４は、負の屈折を示す内側を指す。結果として、負の屈折性材料１４０の中を波が伝搬する方向を示す群速度ベクトルＶｇ４は、ＥＦＳ４に対して垂直であるが、ＥＦＳ４の中心に向って配向される。
【００１９】
一方、第３の屈折性材料１３０は、第１の屈折性材料１１０と第２の屈折性材料１２０とに類似した正の屈折性材料である。従って、群速度ベクトルＶｇ３は、ＥＦＳ３に対して垂直に、且つＥＦＳ３の中心から離れるように配向されており、第３の屈折性材料１３０の中を波が伝搬する方向を示す。第２の周波数線１３５は、群速度ベクトルＶｇ３がＥＦＳ３と交わる或る特定の周波数を示す。第２の周波数線１３５は、ＥＦＳ４と交差するように下に降ろされている。従って、群速度ベクトルＶｇ４は、第３の屈折性材料１３０の中を波が伝搬するのと同じ周波数において、負の屈折性材料１４０の中を波が伝搬する方向を画定する。図１Ｂのより下側の部分は、２つの群速度ベクトルＶｇ３及びＶｇ４と、第３の屈折性媒体１３０と負の屈折性媒体１４０との間の境界において生じる方向変化とを示す。群速度ベクトルＶｇ４の場合には、表面法線からの角度が負であることから、負の屈折が見てとれる。
【００２０】
図２は、負の屈折率を示す材料の中を伝搬する電磁放射線の合焦特性を示す。図２において、上面図が、負の屈折性材料１４０のスラブを示しており、負の屈折性材料１４０の両側に第３の屈折性材料１３０を有している。入射電磁放射ビームは、負の屈折性材料１４０の入射面１４６上にそれらビームが当る時には、第１の方向１３２を有する。負の屈折性材料１４０の負の屈折特性によって、それら電磁放射ビームが、入射面１４６の表面法線から負の角度を有する第２の方向１４２に向かって逸らされる。電磁放射ビームが、負の屈折性材料１４０の放射面１４８から放射されると、それらビームは第３の方向１３４に向かって逸らされる。それら電磁放射ビームが、第３の方向１３４に伝搬すると、それらビームは、焦点１３６に集まる。
【００２１】
フォトニック結晶は、負の屈折を受けることになる電磁放射線の波長に対して、フォトニック結晶の形状に或る特定の釣り合いがとれている場合に、この負の屈折特性を有しているように示されている。フォトニック結晶のいくつかの実施形態が、図３Ａ、図３Ｂ、及び図４に示されている。
【００２２】
図３Ａは、三角格子（六角格子としても呼ばれる）によって構成された２Ｄフォトニック結晶２００を含む、周期性誘電媒体２００の上面図である。２Ｄフォトニック結晶２００は、マトリクス２０２（第１の材料２０２としても呼ばれる）を含む。マトリクス２０２内において、周期的に隔置されたカラム２０４（円柱形領域か、ロッドか、又は第２の材料としても呼ばれる）が、水平な列と垂直な列とをなすアレイ内において配置されている。図３Ａ内に示されるように、ロッド２０４のこれらの水平な列及び垂直な列は、三角格子を形成するよう配置されることが可能であり、交互に繰り返される水平な列及び垂直な列がそれぞれ、隣接する水平な列及び垂直な列との間のほぼ中間にずらされている。
【００２３】
図３Ｂは、正方格子によって構成された２Ｄフォトニック結晶２００’を含む周期性誘電媒体２００’の上面図を示しており、隣接する水平な列及び垂直な列内において周期的に隔置されたカラム２０４’が、マトリクス２０２’内において直交するように位置合わせされている。図４は、図３Ａの２Ｄフォトニック結晶２００’の３次元の図を示しており、マトリクス２０２’を通じたロッド２０４’の縦方向の分散を示している。
【００２４】
２Ｄフォトニック結晶２００において、マトリクス２０２は、第１の誘電率を有する第１の材料２０２を含み、ロッド２０４は、第２の誘電率を有する第２の材料２０４を含む。従って、ロッド２０４の長軸に対して垂直な方向において、フォトニック結晶内における誘電周期性が示されている。第１の材料２０２と第２の材料２０４との間の誘電率の差分が十分に大きい場合には、フォトニックバンドギャップ（すなわち、禁制周波数範囲）が生じる可能性がある。このフォトニックバンドギャップは、フォトニック結晶についての様々な興味深い特性を生み出すことができる。それらの特性のうちの１つが負の屈折である。
【００２５】
限定することではなく例示することを目的として、２Ｄフォトニック結晶２００には、空気のロッド２０４を有するシリコンのマトリクス２０２を含めることができるか、又はシリコンのロッド２０４を有する空気のマトリクス２０２を含めることができる。これらの実施形態において、シリコンは、約１２の誘電率を有し、空気は約１の誘電率を有する。例えば、ＩｎＰ、ＧａＡｓ、及びＧａＩｎＡｓＰのような他の材料が、互いの組み合わせにおいて且つ空気との組み合わせにおいて、フォトニックバンドギャップを有しているように示されている。フォトニックバンドギャップが生じる波長か、製造の容易性か、負の屈折特性か、又はそれらの組み合わせのような様々なパラメータを最適化するために材料を選択することができる。
【００２６】
図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、フォトニック結晶は格子定数（ａ、ａ’）を有し、該格子定数は、隣接するロッド２０４の中心間の横方向の間隔を示し、ロッド２０４は、ほぼ均一な半径（ｒ、ｒ’）を有する。多くの目的の場合に、相対半径（すなわち、ＲＲ＝ｒ／ａ）を検討することか、又は格子定数（ａ）の比率として半径（ｒ）を検討することが有用である。限定することではなく例示することを目的として、２Ｄフォトニック結晶２００を、（ｒ＝０．４ａ及びｒ＝０．３５ａのように）格子定数（ａ）と該格子定数に比例した半径とによって、特徴付けることができる。
【００２７】
或る特定のフォトニック結晶のフォトニックバンド構造を決定することは、複雑な問題であり、マクスウエルの方程式を解くことと、フォトニック結晶全体の誘電率における周期的な変動を考慮することとを伴う。従って、フォトニックバンド構造は、少なくとも部分的には、マトリクス２０２の誘電率、ロッド２０４の誘電率、ロッド２０４の半径（ｒ）、及び格子定数（ａ）の関数である。或る特定のフォトニック結晶のバンド構造を計算するための計算方法は、当該技術分野において既知である。これら計算方法の説明を、非特許文献１内において、特にその付録Ｄにおいて見出すことができる。
【００２８】
フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内において、或る範囲の波長（λ）について、フォトニック結晶の負の屈折特性が存在するであろうことを、シミュレーションが示している。限定することではなく例示することを目的として、Ｑｕｉ他が、周波数に対する格子定数（ａ）の比率（すなわち、ａ／λ）が約０．３２５の状態において約−０．７３の屈折率を示すＩｎＰ−ＩｎＧａＡｓＰを含む２Ｄフォトニック結晶２００のシミュレーションを提示している（IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 9, No. 1, January/February 2003, pp. 106-110）。換言すると、この例示的なシミュレーションを用いて、約１２３０ｎｍの波長を有する赤外線放射ビームは、約４００ｎｍの格子定数（ａ）を有する２Ｄフォトニック結晶２００の中を通過する時に、約−０．７３の屈折率を示すことが可能である。
【００２９】
図５及び図６は、三角格子によって構成された２Ｄフォトニック結晶２００を含む典型的な電磁共鳴デバイス３００の上面図である。２Ｄフォトニック結晶２００は、入力反射器３１０と出力反射器３２０との間に配置されている。
【００３０】
入力反射器３１０及び出力反射器３２０を、ブラッグ反射器として構成することができる。ブラッグ反射器（ブラッグミラーとしても呼ばれる）を、低屈折率と高屈折率とを有する交互に繰り返される層として構成された様々な材料を用いて、多くの方法によって形成することができる。各層を、電磁共鳴デバイス３００によって増幅されることになる対象となる波長の約４分の１波長の厚みによって構成することができる。結果として形成されるブラッグ反射器を、４分の１波長スタックと呼ぶこともできる。一例として、ブラッグ反射器を、ＧａＡｓ（ガリウムヒ素）とＡｌＧａＡｓ（アルミニウムガリウムヒ素）との交互に繰り返される層から形成することができる。ブラッグ反射器を形成するための別の適合可能な材料の組み合わせは、シリコンと二酸化シリコンとからそれぞれ形成された交互に繰り返される層である。ブラック反射器内においてより多くの数の交互に繰り返される対を実装することにより、より高い屈折率が生じる結果となる。
【００３１】
限定することではなく例示することを目的として、入力ブラッグ反射器３１０と出力ブラッグ反射器３２０とを、交互に繰り返される第１の層３１２及び第２の層３１４から形成することができる。約２０層〜２５層により、その結果として反射率を約９９．９％にすることができる一方で、約３０層により、９９．９９％ほどまでに高い反射率を生み出すことができる。
【００３２】
不透明か又は高い反射性のアパーチャ層３３０を、出力ブラッグ反射器３２０上にオプションで形成して、出力反射器３２０を通じて放射されることが可能な放射される放射線４９０のための所望のサイズ及び形状によって構成されたアパーチャ３３５を生成することができる。
【００３３】
入力反射器３１０は、第１の中間媒体３４０によって、周期性誘電媒体２００から分離される。同様に、出力反射器３２０は、第２の中間媒体３５０によって、周期性誘電媒体２００から分離される。中間媒体（３４０、３５０）を、所望の屈折特性に依存して、同じ材料とすることができるか、又は異なる材料とすることができる。限定することではなく例示することを目的として、中間媒体（３４０、３５０）には、空気か、シリコンか、又は対象となる波長を伝搬させるための任意の他の適合可能な材料を含めることができる。
【００３４】
電磁共鳴デバイス３００は、実質的には対象となる波長における励起放射線４００によって光学的に励起させられるものであり、該励起放射線４００が、入力反射器３１０の入力表面３１１に導かれる。その励起放射線４００のわずかな部分が、入力反射器３１０を透過して、第１の放射線４１０として第１の中間媒体３４０に入ることができる。
【００３５】
図５は、負の屈折に起因する周期性誘電媒体２００の合焦特性を示す。第１の放射線４１０が、第１の中間媒体３４０を通じて伝搬して、周期性誘電媒体２００の第１の表面２８０上に当る。２Ｄフォトニック結晶２００によって、第１の放射線４１０が、第１の中間媒体３４０と２Ｄフォトニック結晶２００との間の境界面において負の屈折角で屈折させられる。その放射線は、屈折させられた放射線４５０として、２Ｄフォトニック結晶２００を通過する。その屈折させられた放射線４５０が、２Ｄフォトニック結晶２００と第２の中間媒体３５０との間の境界面に達する時には、該屈折させられた放射線４５０は、負の屈折角で再び屈折させられる。該屈折させられた放射線４５０は、第２の放射線４２０として、第２の中間媒体３５０に入る。全体的に見ると、２Ｄフォトニック結晶２００の負の屈折特性によって、第２の放射線４２０が、第２の合焦位置４２８に集めさせられることが可能である。
【００３６】
第１の放射線４１０、屈折させられた放射線４５０、及び第２の放射線４２０を示す線が、理想的な負の屈折の場合の放射ビームのおおよその広がりと方向とを図示するために使用されている。対応する屈折させられた放射線４５０と共に、第１の放射線４１０及び第２の放射線４２０についての、全ての可能性のある角度が、放射ビームの屈折を示す図面によって暗に示されていることは当業者であれば理解されよう。
【００３７】
追加的には、図５内において直接的には示されていないが、放射線は反対の方向に伝搬することが可能であることが、当業者によって容易に明らかになるであろう。換言すると、放射線は、出力反射器３２０から入力反射器３１０に向かって伝搬して、該放射線が第１の合焦位置４１８において合焦させられることが可能である。この伝搬方向は、図６内に示されている。
【００３８】
図６は、以下の仮定上の電磁放射ビームによる電磁共鳴デバイス３００の共鳴特性を示す。第１の放射線４１０Ａが、第１の中間媒体３４０を通じて伝搬し、周期性誘電媒体２００の第１の表面２８０上に当る。２Ｄフォトニック結晶２００によって、第１の放射線４１０Ａが、第１の中間媒体３４０と２Ｄフォトニック結晶２００との間の境界面において負の屈折角で屈折させられる。その放射線は、屈折させられた放射線４５０Ａとして、２Ｄフォトニック結晶２００を通過する。その屈折させられた放射線４５０Ａが、２Ｄフォトニック結晶２００と第２の中間媒体３５０との間の境界面に達する時には、該屈折させられた放射線４５０Ａは、負の屈折角で再び屈折させられる。該屈折させられた放射線４５０Ａは、第２の放射線４２０Ａとして、第２の中間媒体３５０に入る。
【００３９】
第２の放射線４２０Ａは、第２の放射線４２０Ｂとして、２Ｄフォトニック結晶２００に向かって戻るように反射させられる。第２の放射線４２０Ｂが、第２の中間媒体３５０と２Ｄフォトニック結晶２００との間の境界面に達する時には、該第２の放射線４２０Ｂが、負の屈折角で再び屈折させらて、屈折させられた放射線４５０Ｂとなる。その屈折させられた放射線４５０Ｂが、２Ｄフォトニック結晶２００と第１の中間媒体３４０との間の境界面に達する時には、該屈折させられた放射線４５０Ｂは、負の屈折角で再び屈折させられて、第１の放射線４１０Ｂとなる。第１の放射線４１０Ｂは、第１の放射線４１０Ｃとして、２Ｄフォトニック結晶２００に向かって戻すように反射させられる。該第１の放射線４１０Ｃは、２Ｄフォトニック結晶を通じた同様の負の屈折プロセスに従って、屈折させられた放射線４５０Ｃ及び第２の放射線４２０Ｃとなる。
【００４０】
反射させること及び合焦させることのこの共鳴プロセスは、高いＱ値を無限に生成させ続けることができる。該高いＱ値は、反射させることからのみ生じられることが可能であるだけでなく、第１の合焦位置４１８及び第２の合焦位置４２８において合焦させること及び再合焦させることからも生じられることが可能である。
【００４１】
追加的には、出力ミラーの第２の内部表面３２８が第２の合焦位置４２８にほぼ近くなるように該出力ミラーを配置することによって、Ｑ値を高めることができる。同様に、入力ミラーの第１の内部表面３１８が第１の合焦位置４１８にほぼ近くなるように該入力ミラーを配置することによって、Ｑ値を高めることができる。
【００４２】
出力反射器３２０は完全には反射性ではない。その結果として、放射線のうちの幾らかが、放射される放射線４９０として、出力反射器３２０を透過することが可能である。
【００４３】
本発明が、特定の実施形態に関連して説明されてきたが、本発明は、これらの説明される実施形態に限定されない。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限され、該特許請求の範囲は、それらの範囲内において、説明されたような本発明の原理に従って作用する全ての等価なデバイスか又は方法を含む。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１Ａ】２つの等方性材料間の境界面における波の伝搬方向を示す波数ベクトル図である。
【図１Ｂ】等方性材料と、負の屈折率を示す材料との間の境界面における波の伝搬方向を示す波数ベクトル図である。
【図２】負の屈折率を示す材料の中を伝搬する電磁放射線の合焦特性を示す図である。
【図３Ａ】三角格子によって構成された２Ｄフォトニック結晶を含む典型的な周期性誘電媒体の上面図である。
【図３Ｂ】正方格子によって構成された２Ｄフォトニック結晶を含む典型的な周期性誘電媒体の上面図である。
【図４】正方格子によって構成された典型的な２Ｄフォトニック結晶の３次元の図である。
【図５】電磁放射線を合焦させる、負の屈折を示す２Ｄフォトニック結晶を含む典型的な電磁放射共鳴構造の上面図である。
【図６】負の屈折と共鳴とを示す２Ｄフォトニック結晶を含む典型的な電磁放射共鳴構造の上面図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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