(57)【要約】電子ビーム24が伝導格子34の近くを通過し、格子表面から電磁放射32を誘起するスミスパーセル効果はＴＨｚ放射源として使用されることができる。負の指数のメタ材料（ＮＩＭ）28からなる格子はスミスパーセル源の出力を増加させる。テラヘルツ（ＴＨｚ）放射の同調可能なコヒーレントな連続波源を提供するためにスミス−パーセル源中でＮＩＭ格子を使用することが特に重要である。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
材料の屈折率が共振帯域幅（49）では負である負の指数のメタ材料（ＮＩＭ）（28）から形成されている格子（34）と、
共振帯域幅内の共振波長（48）で電磁放射（32）を発生する荷電粒子ビーム（24）を格子を横切って導くソース（22）とを具備している放射源。
【請求項２】
特定された帯域幅は特に０．３×１０１２Ｈｚ乃至１０×１０１２Ｈｚである請求項１記載の放射源。
【請求項３】
前記ソースは特定された帯域幅内の電磁放射の波長を変化するために荷電粒子ビームの電圧を変調する請求項１記載の放射源。
【請求項４】
さらに、格子に沿って間隔を隔てられている材料よりも大きい正の屈折率を有する材料（52）を具備している請求項１記載の放射源。
【請求項５】
前記ＮＩＭは多次元の共振構造（36）を有している請求項１記載の放射源。
【請求項６】
負の指数のメタ材料（ＮＩＭ）（28）で形成される格子（24）を横切って荷電粒子ビーム（24）を誘導するステップを含んでいる電磁放射の発生方法。
【請求項７】
前記ＮＩＭは共振帯域幅（49）内で負の屈折率を有し、前記電磁放射は前記共振帯域幅内の格子の共振波長（48）で発生される請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記電磁放射は０．３×１０１２Ｈｚ乃至１０×１０１２Ｈｚの周波数で発生される請求項６記載の放射源。
【請求項９】
さらに、前記電磁放射の波長を変化するために荷電粒子ビームの電圧を変調するステップを含んでいる請求項６記載の方法。
【請求項１０】
前記ＮＩＭは多次元の共振構造（36）を有している請求項６記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電磁放射源に関し、特にスペクトルのＴＨｚ領域で特定の応用を有するスミス−パーセル効果に基づく放射源に関する。
【背景技術】
【０００２】
０．３ＴＨｚから１０ＴＨｚの周波数範囲のＴＨｚ周波数放射はその近くの無線周波数（ＲＦ）及びその一方の側に位置するＩＲスペクトルバンドと比べて比較的利用されていない。これは大気の水蒸気による吸収と、実用的な放射源および検出器がないために伝送が困難であることが大きな原因である。近年、アクチブ短距離画像化システム、宇宙ベースの通信、画像化、分光技術の分野で、電磁スペクトルで従来十分に利用されなかった部分の応用に対する関心が非常に高まっている。
【０００３】
ここで参考とされているDartmouth大学のUrata等による従来の研究（“Superradiant Smith Purcell Emission”、ＰＲＬ  ８０＃３、1998年１月）は伝統的なスミスパーセル効果が遠赤外線（ＦＩＲ）からテラヘルツ（ＴＨｚ）のスペクトル領域の放射源として使用されることができることを確立した。図１に示されているように、電子顕微鏡からのビーム10は適切な寸法にされた金属の回折格子12上で焦点を結ばれ、それによって電磁放射14を発生する。放射の波長は式λ＝（ｌ／｜ｎ｜）（（１／β）−ｓｉｎθ）から決定され、ここでｌは格子周期であり、βはｖ／ｃであり、光速度ｃに関する電子速度の比であり、θは格子表面に垂直な方向に関して測定された放射の角度であり、ｎはスペクトル次数である。Urata等は「この技術を拡張すれば、３０−１０００ミクロンの範囲のスペクトルにアクセスするのが困難である場合の新しい同調可能なコヒーレントなＣＷ（連続波）源が見込める」と結論付けている。図２に示されているように、放射スペクトル16の限定された同調能力は、電圧、したがって電子ビームの速度を変化することにより実現されることができる。（Dartmouthグループと共同の）バーモントフォトニクスはこの技術を用いてＴＨｚ放射源を最近開発した。
【０００４】
Yamaguti等によるその後の研究（Yamaguti等、“Photonic crystals versus diffractiongratings in Smith-Purcell radiation”、Physical Review B66,195202 (2002)）は、１次元の回折格子の代わりに２次元の光子結晶の使用が強化された強度の共振構造を生成し、そのピークの高さは１次元のブラッグ回折格子の放射強度よりも１桁大きいことを証明した。Yamaguti等は「計算結果はしたがって、行われている負荷から伝播波への消失性のフィールドのコンバータとしての回折格子よりも優れた光子結晶であるという利点の可能性を示している」と結論付けている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
スミス−パーセル源はＴＨｚ源に対して大きな見込みを有しているが、さらに商品化が実用可能になる点まで強度および効率を増加するような進歩が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明はスペクトルのＴＨｚ領域で特別な応用能力を有する高強度のスミス−パーセル放射源を提供する。  
これは特定された帯域幅で反対の符合の屈折率を有する第１と第２の媒体間で形成されたインターフェース不連続性の周期的アレイによって実現される。荷電粒子ビームは周期的なアレイを横切って導かれ、それによって特定化された帯域幅において強化されたスミス−パーセル電磁放射を発生する。正と負の指数の媒体間のインターフェースで発生された消失性の波の反射および透過係数は既知のスミス−パーセル放射源の場合のような同じ指数の符合の２つの媒体間の表面で発生されたものよりも大きさが遥かに大きい。摂動の意味では、格子変調は入射ビームと全ての回折ビームとの間の結合を生じ、表面波の消失性の成分が介在する。結果として、スミス−パーセル放射源により放射される放射の強度は著しく強化される。
【０００７】
１実施形態では、１、２、３次元の格子（平面、ウェッジまたはその他）は負の指数のメタ材料（ＮＩＭ）から形成される。正の指数の媒体は真空環境（ｎ＝１）または放射を更に強化するためにインターフェースの不連続性で格子上に選択的に位置される材料（ｎ＞１）であってもよい。ＮＩＭはスプリットリング共振器およびロッド構造の周期的なアレイ、パターン化された光子結晶または特定された帯域幅を超える負の屈折率を示す他の人工の構造により規定されることのできる共振構造を有する。その共振構造は１、２、３次元で構成されることもできる。強化された強度と共振波長を得るために、格子は指数が負であるＮＩＭ材料の共振帯域幅内に位置しなければならない。
【０００８】
別の実施形態では、ＴＨｚ放射源は電子ビームをＮＩＭから形成される格子の表面を横切って誘導する。ＮＩＭの共振構造の帯域幅は特定化されたＴＨｚ帯域幅の格子の共振に整合される。
【０００９】
本発明のこれら及び他の特徴と利点は、添付図面を伴って以下の好ましい実施形態の詳細な説明から当業者に明白であろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明はスペクトルのＴＨｚ領域、特に０．３×１０１２Ｈｚ乃至１０×１０１２Ｈｚで特に応用能力を有する高強度のスミス−パーセル放射源を提供する。
【００１１】
図３に示されているように、スミス−パーセル放射源20は、第１の媒体28と第２の媒体30との間で形成されるインターフェース不連続性26の周期的なアレイを横切って荷電粒子ビーム24を誘導するソース22を含んでいる。インターフェースの不連続性での少なくとも１つの媒体における荷電粒子ビーム24と電子の相互作用はしたがって、特定された帯域幅で強化されたスミス−パーセル電磁放射32を発生する。正と負の指数の媒体間のインターフェースで発生された消失性波の反射および透過係数は、既知のスミス−パーセル放射源の場合のように同じ指数の符合の２つの媒体間の表面で発生されるよりも大きさが遥かに大きい。摂動の意味では、インターフェースの不連続性は入射ビームと全ての回折ビームとの間の結合を生じ、減衰性の成分が介在する。その結果、放射32は正の屈折率を有する材料から形成される通常の格子から放射された放射33よりも少なくとも数倍大きい。放射スペクトルの限定された同調能力は、電圧、したがって荷電ビーム24の速度を変化させることにより実現されることができる。
【００１２】
この特定の実施形態では、インターフェースの不連続性26と第１の媒体28の周期的なアレイは負の指数のメタ材料（ＮＩＭ）から形成される格子34である。この特定の格子は１次元のウェッジである。その代わりに、ＮＩＭの平坦な格子または２次元および３次元の格子が使用されることができる。多次元の格子は挟まれた格子、環状のシリンダ、球体等の形状を取ることができる。第２の媒体30は屈折率が規定により＋１に等しい真空環境である。
【００１３】
メタ材料は自然発生の材料または化合物では見られない特性を示す化合物または構成された材料である。負の指数のメタ材料は特別な電磁特性を有し、即ち透磁性μと誘電率εは特定された帯域幅にわたって負であり、したがって屈折率ｎは特定の帯域幅にわたって負である。ＮＩＭ28は例えば例えばスプリットリング共振器38およびロッド構造40の周期的なアレイ、パターン化された光子結晶または特定された帯域幅にわたって負の屈折率を示すその他の人工的構造により規定されることのできる共振構造36を有する。共振構造はより多くのエネルギが格子から結合されるようにエネルギを蓄積する。負の指数のメタ材料の理論は最初に文献（V. G. Veselago、Soviet Physics USPEKHI、10,509 (1968)）に記載され、その後、文献（J. B. Pendry、Phys. Rev. Lett. 85、3966 (2000)）で強調されており、これらは本発明で参考文献とされている。
【００１４】
負の指数のメタ材料の表面上の格子からの強化された回折はつい最近、D. R. Smith等により発見された（Physical Review Letters、93巻、No.13、2004年９月24日）。Smith等は図４に示されているように屈折されたビーム43についてのＮＩＭの影響を研究するために、電磁波41をＮＩＭからなるウェッジ42に通過させた。ＮＩＭの有限のユニットセルサイズは屈折表面に対する所望の角度を実現するため表面で回避できないステッピングを生じる。表面のステッピングは格子44を構成し、これはゼロ次の屈折ビーム43に加えて１次の回折ビーム45を発生することが期待された。彼等は、１次およびより高次の回折されたビーム45と46に対する結合が正の指数の材料の場合よりも非常に大きいことを発見した。
【００１５】
ＮＩＭ格子における回折ビームの強化された結合をスミス−パーセル効果と組み合わせることによって、ＴＨｚ放射源として特定の応用性を有する高強度の放射源を構成することができる。強化された電磁放射32を実現するために、格子の共振波長48は、図５に示されているように屈折率が負である（ω１＜ω＜ω２では、ｎ（ω）＜１）ＮＩＭ材料の共振帯域幅49内に位置しなければならない。格子の共振波長48は、個々の表面ステップ素子の寸法及び間隔と、表面に関する観察角度によって決定される。ＮＩＭ材料の共振帯域幅49はメタ材料の構築ブロックまたはユニットセルの寸法により決定される。この帯域幅外では、ＮＩＭは正の屈折率を有し、したがってそれらの波長での放射を増加しない。高パワーで、価格が効率的なＴＨｚ源の利用性がないために、ＴＨｚ帯域幅は特に重要である。
【００１６】
図６に示されているように、ＮＩＭで形成される格子からのスミス−パーセル放射50はインターフェース不連続部に選択的に正の屈折率の材料52（ｎ＞１）を位置させることによりさらに強化されることができる。インターフェースにおいて真空ｎ＝１の代わりにｎ＞１の材料を有する効果は、消失性の成分と放射波との間の結合を増加することである。
【００１７】
金属ポスト68とスプリットリング共振器70の周期的なアレイ66により規定される共振構造を有するＮＩＭ64から形成される１次元のウェッジ格子62を含むスミス−パーセルＴＨｚ放射源60の例示的な実施形態が図７に示されている。スプリットリング共振器70は絶縁基板74上にパターン化され、相互に電気的に隔離されて基板76上に金属ポスト68と共に取り付けられる。J. B. Pendry、A. J. Holden、W. J. Stewart、I. Youngは、Phys. Rev. Lett. 76, 4773 (1996)では伝導ワイヤのアレイが入射放射の電気的成分に応答し、負の透過性を表示することが示唆されている。J. B. Pendry、A. J. Holden、D. J. Robbins、W. J. Stewartは文献（“Magnetism from conductors and enhanced non-linear phenomena”、IEEE Trans. MTT、47,2075 (1999)）においてリング共振器のアレイが入射放射の磁気成分に応答し、実効透磁率を表すことを示唆している。スプリットリング共振器70を強力に相互作用するアレイへ配置することによって、負の透磁率の帯域幅が生成される。図７に示されているように２つを組み合わせると、特別な帯域幅で負の屈折率（ω１＜ω＜ω２に対して、ｎ（ω）＜１）を有するＮＩＭが生成される。ＮＩＭについてのこの特別な共振構造は文献でよく知られており、他の特性の中で、スネルの法則の反対、逆ドップラシフト、逆チェレンコフ放射を示すために試験されている。
【００１８】
ソースは荷電粒子ビーム78、適切には電子を格子64を横切って導き、それによって負の指数のメタ材料の電気的および磁気的な素子中に共振を誘起させる。スミス−パーセル効果の伝統的な導電性ＰＩＭ格子における表面プラスモンに類似の方法で、これらの共振は格子の外部の電磁界に結合し、表面から電磁波を伝播して離す状態が生じる。ＮＩＭ素子の共振フィールドの外部媒体への結合は、ＰＩＭ格子中の表面プラスモンにより生じるよりも非常に強く、標準的なスミス−パーセルソースと比較して、強化された放射パワーを生じる。
【００１９】
絶縁体91の対向面に形成されている金属ポスト88とスプリットリング共振器90の第１の周期的なアレイ86と、絶縁体97の対向面に形成されている金属ポスト94とスプリットリング共振器96の第２の周期的なアレイ92とにより規定されている２次元の共振構造を有するＮＩＭ84から形成される１次元の平坦な格子82を含んだスミス−パーセルＴＨｚ放射源80の例示的な実施形態が図８に示されている。２次元の共振構造は、第１の周期的なアレイに対して垂直の第２の周期的アレイ92を含んでいる点を除けば、図７に示されている１次元構造と非常に類似している。さらに３次元の共振構造は最初の２つの周期的なアレイ（図８の水平面）に対して垂直の第３の周期的なアレイを含むことにより生成されることができる。多次元の共振構造は、単位体積当りより多くの共振素子を含むので、その方位は最適ではないが入力ビーム98からのエネルギをソースの電磁放射100へ結合するのには効率がよい。さらに、多次元の共振構造では、荷電粒子ビームは多方向からの格子を横切って誘導されることができる。これは同じサンプルからの幾つかの直交する方向での放射を許容する。
【００２０】
本発明の幾つかの例示的な実施形態を示し説明したが、種々の変更及び代わりの実施形態が当業者により行われよう。このような変更及び代わりの実施形態が考慮され、特許請求の範囲に規定されているように本発明の技術的範囲を逸脱することなく行われることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】スミス−パーセル効果を示す説明図。
【図２】スミス−パーセル放射の同調能力を示す特性図。
【図３】本発明による負の指数のメタ材料（ＮＩＭ）を使用するスミス−パーセル放射源の図。
【図４】ＮＩＭ格子を有する既知の屈折実験の図。
【図５】周期的なアレイとＮＩＭのオーバーラップする共振を示す特性図。
【図６】スミス−パーセル放射源の別の実施形態を示す図。
【図７】ＮＩＭ格子の１次元共振構造を示す図。
【図８】ＮＩＭ格子の２次元共振構造を示す図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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