(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元又は３次元的に周期的に分布するプラズマを生成するプラズマ生成手段を備え、
前記プラズマに電磁波を通過させるとともに、前記プラズマの配置を調整することにより、前記電磁波の伝播状態を制御することを特徴とする電磁波制御素子。
【請求項２】
前記プラズマ生成手段は、前記プラズマを生成する電力を供給する電極と、前記プラズマを生成するために電離対象となるガスを内部に保持するとともに制御対象となる電磁波を透過するガス保持手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の電磁波制御素子。
【請求項３】
前記電極は周期的に配置されており、当該電極の周期的配置に応じて前記プラズマの周期的分布が形成されることを特徴とする請求項２に記載の電磁波制御素子。
【請求項４】
前記ガス保持手段は周期的に形成された複数の空孔を有しており、当該空孔内にプラズマが生成されることにより前記プラズマの周期的分布が形成されることを特徴とする請求項２に記載の電磁波制御素子。
【請求項５】
前記ガス保持手段は、前記複数の空孔が形成された誘電体からなっていることを特徴とする請求項４に記載の電磁波制御素子。
【請求項６】
前記プラズマ生成手段は、前記ガス保持手段の内部に露出し、周囲よりも２次電子放出係数の高い材質からなる電子放出手段をさらに備え、
前記電子放出手段は周期的に配置されており、当該電子放出手段の周期的配置に応じて前記プラズマの周期的分布が形成されることを特徴とする請求項２に記載の電磁波制御素子。
【請求項７】
前記プラズマ生成手段は、前記周期的なプラズマを取り囲み、かつ、当該プラズマとは電子密度の異なるプラズマをさらに生成することを特徴とする請求項１に記載の電磁波制御素子。
【請求項８】
前記プラズマ生成手段は、前記電極によって生成されたプラズマを引き出すための電圧を印加する引出電極を備えることを特徴とする請求項２に記載の電磁波制御素子。
【請求項９】
請求項１から８の何れか１項に記載の電磁波制御素子と、
前記プラズマ生成手段によってプラズマを生成するための電力を制御する電力制御手段とを備えることを特徴とする電磁波制御装置。
【請求項１０】
請求項１から８の何れか１項に記載の電磁波制御素子と、
前記プラズマ生成手段によって生成されるプラズマの分布状態を制御するプラズマ分布制御手段とを備えることを特徴とする電磁波制御装置。
【請求項１１】
請求項１から８の何れか１項に記載の電磁波制御素子と、
前記プラズマを生成するために電離対象となるガスの圧力を制御するガス圧力制御手段とを備えることを特徴とする電磁波制御装置。
【請求項１２】
２次元又は３次元的に周期的に分布するプラズマを生成し、前記プラズマに電磁波を通過させるとともに、前記プラズマの配置を調整することにより、前記電磁波の伝播状態を制御することを特徴とする電磁波制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、電磁波を制御するための電磁波制御素子及びこれを備えた電磁波制御装置、並びに電磁波を制御するための電磁波制御プラズマ及び電磁波制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  電磁波は、情報通信分野での情報伝達媒体として、また各種物質の創成・改質手段として、その役割の数々は枚挙に暇がない。したがって、電磁波を制御する素子には、それら利用分野での必要性に応じて、常に様々な改良が加えられている。【０００３】  特に、マイクロ波からテラヘルツ帯にわたる電磁波は、まだ産業的に十分利用されておらず、しかも今後その技術的・市場的進展が広く見込まれる周波数帯であり、それに適した制御デバイスの研究開発が望まれている。【０００４】  電磁波の制御素子としては、分岐素子、減衰器、共振器、周波数フィルタ、レンズ等が様々な物質の様々な構造により実現されている。【０００５】  近年では、フォトニック結晶と呼ばれる屈折率変化の周期構造をもつ構造体が、電波〜光波（テラヘルツ帯（波長０．１ｍｍ程度）及びこれよりも長波長の電磁波を「電波」と称し、電波よりも短波長の電磁波を「光波」と称する。）の領域の制御素子として脚光を浴びており、様々な応用を見据えた研究開発が盛んである（例えば、非特許文献１参照）。すなわち、これまでの単独物質では実現不可能な機能が、２次元あるいは３次元の周期構造をとることにより実現可能となってきている。【０００６】  フォトニック結晶は、これまで誘電体又は金属の周期構造によりその機能を実現してきた。誘電体を使用する場合は、周期構造の形状、周期構造の周期長及び周期内構造の寸法に加え、誘電体の誘電率及び屈折率が重要な制御パラメータである。また、金属を使用する場合は、当該金属は、誘電体と見なした場合の誘電率が負であり、内部を電磁波が伝播不可能な媒質といえる。【０００７】  以上のような物質を用いて作成されたフォトニック結晶において、これまで様々な機能が実現されている。実現されている機能の一例としては、周波数フィルタ、光路制御器（導波路）、共振器、レンズ、面発光レーザ等が挙げられる。【０００８】  一般に、プラズマは導電性とともに誘電性を有する媒質として知られている。そして、非特許文献２では、プラズマの上記特性を用いることにより、ミリ波帯からサブミリ波帯の電磁波を制御することや、フォトニック結晶のような機能を持たせる構成（いわゆる「プラズマフォトニック結晶」）についての可能性を指摘している。【０００９】  一方、非特許文献３には、誘電体の周期構造を２次元的に配置することにより、一様なプラズマ中にプラズマの存在しない部分を周期的に形成することにより、ミリ波帯の電磁波の伝播方向を制御するための研究が開示されている。なお、非特許文献３においても、「プラズマフォトニック結晶」という用語が用いられている。
【非特許文献１】野田  進  著「二次元・三次元フォトニック結晶の現状と将来展望」応用物理  第７４巻  第２号（２００５年）１４７〜１５９頁
【非特許文献２】Ｋ．Ｔａｃｈｉｂａｎａ，ｅｔ．ａｌ．″Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ  ｏｆ  ｍｉｃｒｏｄｉｓｃｈａｒｇｅ−ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｐｌａｓｍａ  ｓｏｕｒｃｅｓ  ｆｏｒ  ｄｉｓｐｌａｙ  ａｎｄ  ｍａｔｅｒｉａｌｓ  ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ″，Ｐｌａｓｍａ  Ｐｈｙｓ．Ｃｏｎｔｒｏｌ．Ｆｕｓｉｏｎ，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．５Ａ（２００５）ｐｐ．Ａ１６７−Ａ１７７．
【非特許文献３】内田  直人他  著「２次元プラズマフォトニック結晶における電磁波伝搬シミュレーション」日本物理学会講演概要集  第６０巻  第１号  第２分冊（２００５年）  ２６３頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  しかしながら、従来研究開発されてきたフォトニック結晶は、以下のような問題点を有している。【００１１】  従来のフォトニック結晶は、誘電体又は金属といった固体材料を使用しているため、上記非特許文献３のプラズマフォトニック結晶を除き、一旦構造物を作製するとその屈折率や誘電率を変化させることは容易ではない。すなわち、電磁波の周波数に対するフォトニック結晶の応答特性は、フォトニック結晶そのものを交換しない限りは変化させることは困難である。【００１２】  つまり、フォトニック結晶はこれまで存在した電磁波制御素子では実現できない様々な機能を実現可能であるものの、一旦作製したフォトニック結晶の機能はほぼ１つに限定されてしまう。【００１３】  一方、上記非特許文献３のプラズマフォトニック結晶の場合では、誘電体の周期構造の間隙がプラズマによって満たされていることから、プラズマの特性を変化させることによって上記間隙の誘電率を変化させることは可能である。【００１４】  しかしながら、上記プラズマフォトニック結晶では、周期的に誘電体が設けられておりその他の部分がプラズマによって満たされているため、プラズマ中でのエネルギーの減衰が著しくなり（特にプラズマの比誘電率を負の値に設定した場合）、プラズマフォトニック結晶中を電磁波が伝播することが困難になることから、実際にはプラズマフォトニック結晶の応答特性を広く変化させることは困難である。【００１５】  また、上記プラズマフォトニック結晶では、一様なプラズマの使用を前提としているため、プラズマの部分部分を制御することができず、プラズマフォトニック結晶の応答特性を広く制御することが困難である。【００１６】  さらに、上記非特許文献２には、いわゆる「プラズマフォトニック結晶」の具体的構成やこれを作製するための具体的内容については何ら開示はなされていない。【００１７】  本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電磁波の制御状態を容易に変更することができる電磁波制御素子及び電磁波制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】  本発明に係る電磁波制御素子は、２次元又は３次元的に周期的に分布するプラズマを生成するプラズマ生成手段を備え、前記プラズマに電磁波を通過させることにより、当該電磁波の伝播状態を制御することを特徴としている。【００１９】  上記構成では、プラズマ生成手段によって２次元又は３次元的に周期的に分布するプラズマを生成する。プラズマが生成された部分ではその屈折率が周囲とは異なる。したがって、２次元又は３次元的に周期的に分布するプラズマを生成することによって、従来のフォトニック結晶と同じように、屈折率の周期的変化を形成することができ、これによって電磁波の伝播状態を制御することができる。【００２０】  従来のフォトニック結晶では、フォトニック結晶の材質や形状を決定すると、屈折率の周期的変化が定まることから、電磁波の制御状態も定まることになる。したがって、電磁波の制御状態を変更しようとすると、フォトニック結晶の材質や形状を変更する必要があり、このことはフォトニック結晶そのものを交換することになる。【００２１】  一方、プラズマは、当該プラズマにおける電子密度や当該プラズマを生成するために電離対象となるガスの圧力を変更することによって当該プラズマの屈折率を変化させることができる。したがって、上記構成では、プラズマにおける電子密度や電離対象となるガスの圧力を変更することによって制御パラメータである屈折率を容易に変更することができ、電磁波の制御状態も変更することができる。【００２２】  このように、上記構成では、電磁波の制御状態を変更することができる電磁波制御素子を実現することができる。【００２３】  また、本発明に係る電磁波制御プラズマは、２次元又は３次元的に周期的に分布することにより、通過する電磁波の伝播状態を制御することを特徴としている。また、本発明に係る電磁波制御方法は、２次元又は３次元的に周期的に分布するプラズマを生成し、前記プラズマに電磁波を通過させることにより、当該電磁波の伝播状態を制御することを特徴としている。これらによっても、上記電磁波制御素子と同じく、電磁波の制御状態を容易に変更することができる。【００２４】  前記プラズマ生成手段は、前記プラズマを生成する電力を供給する電極と、前記プラズマを生成するために電離対象となるガスを内部に保持するとともに制御対象となる電磁波を透過するガス保持手段とを備えることによって構成することができる。【００２５】  また、前記電極は周期的に配置されており、当該電極の周期的配置に応じて前記プラズマの周期的分布を形成される構成とすることもできる。【００２６】  また、前記ガス保持手段は周期的に形成された複数の空孔を有しており、当該空孔内にプラズマが生成されることにより前記プラズマの周期的分布が形成される構成とすることもできる。【００２７】  上記構成では、ガス保持手段の空孔内にプラズマを生成するので、ガス保持手段の内部にプラズマを閉じ込めることができ、プラズマの境界面を明確に定めることができる。そうすると、この境界面における電子密度の差を大きくとることができ、プラズマの周期的分布による影響をより顕在化することができる。【００２８】  また、前記ガス保持手段は、前記複数の��孔が形成された誘電体からなっている構成とすることもできる。【００２９】  上記構成では、上記空孔以外の部分が誘電体によって埋められることになる。これにより、境界面における電子密度の差を大きくとることができることに加えて、境界面における比誘電率の差をより大きくとることができる。その結果、プラズマの周期的分布による影響をさらに顕在化することができる。【００３０】  また、前記プラズマ生成手段は、前記ガス保持手段の内部に露出し、周囲よりも２次電子放出係数の高い材質からなる電子放出手段をさらに備え、前記電子放出手段は周期的に配置されており、当該電子放出手段の周期的配置に応じて前記プラズマの周期的分布が形成される構成とすることもできる。【００３１】  また、前記プラズマ生成手段は、前記周期的なプラズマを取り囲み、かつ、当該プラズマとは電子密度の異なるプラズマをさらに生成する構成としてもよい。【００３２】  上記構成では、周期的なプラズマ部分と、これを取り囲む部分、すなわち、周期的なプラズマとは電子密度の異なるプラズマ部分との両方の屈折率を変化させることができるので、より柔軟に電磁波に対する制御状態を変更することができる。【００３３】  また、前記プラズマ生成手段は、前記電極によって生成されたプラズマを引き出すための電圧を印可する引出電極を備える構成としてもよい。【００３４】  上記構成では、予備放電によって生成されたプラズマを引き出すことによってプラズマの長さを調節することができる。【００３５】  本発明に係る電磁波制御装置は、上記何れかの電磁波制御素子と、前記プラズマ生成手段によってプラズマを生成するための電力を制御する電力制御手段とを備えることを特徴としている。【００３６】  上記構成では、電力制御手段によってプラズマを生成するための電力を制御することにより、プラズマにおける電子密度を制御することができる。これにより、制御パラメータである屈折率を制御することができ、電磁波の制御状態も変更することができる。【００３７】  本発明に係る電磁波制御装置は、上記何れかの電磁波制御素子と、前記プラズマ生成手段によって生成されるプラズマの分布状態を制御するプラズマ分布制御手段とを備えることを特徴としている。【００３８】  上記構成では、プラズマ分布制御手段によってプラズマの分布状態を制御することができるので、屈折率変化の周期構造を変更することができる。これにより、より柔軟に電磁波の制御状態を変更することができる。【００３９】  本発明に係る電磁波制御装置は、上記何れかの電磁波制御素子と、前記プラズマを生成するために電離対象となるガスの圧力を制御するガス圧力制御手段とを備えることを特徴としている。【００４０】  上記構成では、電離対象となるガスの圧力を制御することにより、プラズマにおける電子密度を制御することができる。これにより、制御パラメータである屈折率を制御することができ、電磁波の制御状態も制御することができる。
【発明の効果】
【００４１】  本発明に係る電磁波制御素子は、以上のように、２次元又は３次元的に周期的に分布するプラズマを生成するプラズマ生成手段を備え、前記プラズマに電磁波を通過させることにより、当該電磁波の伝播状態を制御する構成である。【００４２】  上記構成では、プラズマにおける電子密度や電離対象となるガスの圧力を変更することによって制御パラメータである屈折率を容易に変更することができ、電磁波の制御状態も変更することができる。【００４３】  このように、上記構成では、電磁波の制御状態を変更することができる電磁波制御素子を実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の第１実施形態の電磁波制御装置を示す断面図である。
【図２】図１の電磁波制御装置のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図３】プラズマの分布状態を示す、図１の電磁波制御装置のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図４】プラズマの他の分布状態を示す、図１の電磁波制御装置のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図５】プラズマのさらに他の分布状態を示す、図１の電磁波制御装置のＡ−Ａ線矢視断面図である。
【図６】図１の電磁波制御装置における電磁波制御素子の変形例を示す断面図である。
【図７】図１の電磁波制御装置における電磁波制御素子の他の変形例を示す断面図である。
【図８】図１の電磁波制御装置における電磁波制御素子のさらに他の変形例を示す断面図である。
【図９】本発明の第２実施形態の電磁波制御装置を示す断面図である。
【図１０】本発明の第３実施形態の電磁波制御装置を示す断面図である。
【図１１】本発明の第４実施形態の電磁波制御装置を示す断面図である。
【図１２】図１１の電磁波制御装置のＢ−Ｂ線矢視断面図である。
【図１３】本発明の第５実施形態の電磁波制御装置を示す断面図である。
【図１４】２次元プラズマアレイ内を伝播する電磁波の分散関係を示す図である。
【図１５】２次元プラズマアレイ内を伝播する電磁波の２次元波数平面上の等周波数線の分布を示す図である。
【符号の説明】
【００４５】    １    電磁波制御装置
２    電磁波制御素子
３    電力制御システム（電力制御手段、プラズマ分布制御手段）
４    ガス制御システム（ガス圧力制御手段）
２１    筐体（プラズマ生成手段、ガス保持手段）
２２ａ  電極（プラズマ生成手段）
２２ｂ  電極（プラズマ生成手段）
２３    筒部材（プラズマ生成手段、ガス保持手段）
２４    誘電部材（プラズマ生成手段、ガス保持手段）
１０１    電磁波制御装置
１０２    電磁波制御素子
１０３    電力制御システム（電力制御手段）
１２２ａ  電極（プラズマ生成手段）
１２２ｂ  電極（プラズマ生成手段）
１２３ａ  電子放出部材（プラズマ生成手段、電子放出手段）
１２３ｂ  電子放出部材（プラズマ生成手段、電子放出手段）
２０１    電磁波制御装置
２０２    電磁波制御素子
２０３    電力制御システム（電力制御手段、プラズマ分布制御手段）
２２３ａ  電極（プラズマ生成手段）
２２３ｂ  電極（プラズマ生成手段）
３０１    電磁波制御装置
３０２    電磁波制御素子
３０３    電力制御システム（電力制御手段）
３２２ａ  電極（プラズマ生成手段）
３２２ｂ  電極（プラズマ生成手段）
３２３    電極（プラズマ生成手段）
４０１    電磁波制御装置
４０２    電磁波制御素子
４０３    電力制御システム（電力制御手段、プラズマ分布制御手段）
Ｐ        プラズマ
Ｒ        電磁波
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】  〔実施形態１〕
本発明の実施の一形態について図１から図８に基づいて説明すると以下の通りである。【００４７】  本実施形態の電磁波制御素子では、電磁波の制御のためにプラズマを用いる。そこで、まず、プラズマの性質について説明する。【００４８】  一般に、プラズマが発生すると、その部分を通過する電磁波に対する比誘電率εｒは次の式（１）によって表されることが知られている。【００４９】
【数１】
0004613321.tif 000002
【００５０】  ここで、ωｐｅ／２πは電子プラズマ周波数（「電子プラズマ振動数」ともいう。以下では単に「プラズマ周波数」という。）、ω／２πはプラズマを通過する電磁波の周波数であり、比誘電率εｒと屈折率ｎとの間の関係は、ｎ＝εｒ１／２である。【００５１】  式（１）より、比誘電率εｒは、１よりも小さな値をもち、かつ、ωがωｐｅよりも大きい場合には正の値をとる。したがって、ωがωｐｅよりも大きい場合には、プラズマは誘電体と見なしうる。【００５２】  また、式（１）より、ωがωｐｅよりも小さい場合には、比誘電率εｒは負の値となり、電磁波はプラズマ中には表皮厚さと呼ばれるごく薄い領域にしか侵入できなくなるため、電磁波はプラズマ中をほぼ伝播不可能とみなすことができる。したがって、ωがωｐｅよりも小さい場合には、プラズマは金属と同様に振舞う。【００５３】  したがって、プラズマを発生させたり消滅させたりすると、その場所での比誘電率εｒは大きく変化する。また、プラズマが存在している状態でも、そのωｐｅを変化させることにより、電磁波がプラズマ中を伝播できる状態とほとんど伝播できない状態とを切り換えることができる。【００５４】  なお、ωｐｅはプラズマ中の電子密度（プラズマ強度）の関数であり、電子密度の１／２乗に比例する。より具体的には、電子密度とプラズマ周波数との関係は次の式（２）によって表される。【００５５】
【数２】
0004613321.tif 000003
【００５６】  ここで、ｎｅは電子密度、ｅは素電荷量、ｍｅは電子の質量、ε０は真空中の誘電率である。また、電子密度とプラズマ周波数との関係を具体的数値例によって示すと、次の表１のようになる。【００５７】
【表１】
0004613321.tif 000004
【００５８】  したがって、プラズマの電子密度を変化させることにより、電磁波がプラズマ中を伝播できる状態とほとんど伝播できない状態とを切り換えることができる。【００５９】  このことは、従来のフォトニック結晶との比較でいうと、電子密度を変化させることにより、電磁波に対して誘電体相当のものから金属相当のものまで、様々な屈折率を設定可能であるといえる。【００６０】  このようなプラズマの屈折率の制御は、次のようにして行うことができる。プラズマ中の電子密度は、プラズマの生成用電力を制御することによってその調整が可能である。したがって、プラズマの生成用電力を制御することによって、プラズマ中の電子密度を制御することができ、その結果としてプラズマの屈折率を制御することができる。【００６１】  また、比誘電率εｒは、より正確には、プラズマ部に存在する中性粒子とプラズマ中の電子との間での衝突周波数（以下、単に「衝突周波数」という）νｍを考慮することにより、複素数として次の式（３）によって表現される。【００６２】
【数３】
0004613321.tif 000005
【００６３】  中性粒子と電子との間での衝突がある程度頻繁になって衝突性プラズマという領域になると、ωがωｐｅよりも小さい場合であっても表皮厚さが厚くなり、電磁波はある程度プラズマ中に侵入するようになる。【００６４】  ここで、本発明の発明者らは、衝突性プラズマにおいてωがωｐｅよりも小さい場合に、ｄｎ／ｄωが負となるいわゆる異常分散と呼ばれる状態となることを見出した。この異常分散を示すプラズマにおいては、その中を通過する電磁波の位相速度と郡速度が逆向きとなり、電磁波がプラズマ表面に斜めに入射するとき、プラズマ内では逆向きに折り返す（屈折する）現象が見出され、通常の誘電体面への入射よりも大きな光路変化を起こすことができる。【００６５】  このことから、プラズマ中の中性粒子密度を変化させて衝突周波数を変化させることによっても、プラズマの屈折率を制御することができることになる。プラズマ中の中性粒子密度は、プラズマを生成するために電離対象となるガスの圧力によって制御でき、このガス圧力は、ガスを閉空間に充填するときの量を調整することによって容易に制御可能である。【００６６】  本実施形態の電磁波制御素子は、フォトニック結晶における屈折率変化の周期構造に相当する構成を、上記のようなプラズマの特性を利用して実現するものである。これにより、プラズマ中の電子密度や衝突周波数の調整、すなわち供給電力やガス圧力の調整を行うことによってプラズマの屈折率等の物性値を大きく変化させることができ、電磁波制御素子としての機能を随時制御可能となる。【００６７】  ここで、２次元的に周期的にプラズマを配列させることにより構成された２次元プラズマアレイに電磁波を透過させることにより、その電磁波の伝播状態を様々に制御可能であることを説明する。【００６８】  ２次元プラズマアレイの一例として、正方格子状にプラズマを配列させた構成、より具体的には、格子間隔距離（格子定数）が２．５ｍｍの各格子点に、直径１．０ｍｍの柱状（その軸方向は格子平面に垂直）のプラズマがそれぞれ生成されている構成を想定する。なお、各プラズマの電子密度は１×１０１３ｃｍ−３（プラズマ周波数ωｐｅ／２π＝２８ＧＨｚ）、プラズマを生成するための電離対象となるガス圧力は３０ｋＰａ、ガス種はヘリウムとする。また、制御対象となる電磁波は、電磁波モードがＴＥモード（電界の方向が格子面に平行）、伝播方向が格子面に平行であるものとする。【００６９】  このときの電磁波の分散関係を理論的に導出すると、その理論曲線は図１４のようになる。この分散関係は設定するパラメータによって大きく変化するが、以下に説明する特性は、定性的にはパラメータに依存しない共通の内容である。【００７０】  まず、プラズマ周波数（２８ＧＨｚ）よりも低周波数側には、「フラットバンド領域」と呼ばれるごく狭い周波数帯に、波数に対してほぼ一定の周波数をとる伝播モードが現れる。この伝播モードの存在する領域は、先に述べたプラズマの金属的振舞いと異常分散とが生じる領域にほぼ対応している。したがって、プラズマ中のこれらの現象とプラズマ自体が２次元周期構造をとることとに由来して上記伝播モードが生じることになる。このように、２次元プラズマアレイ内に���ける屈折率変化が大きくなることによって上記伝播モードが生じることにより、２次元プラズマアレイを透過する電磁波の量を大きく増加させたり減少させたりすることができるものと考えられる。このような電磁波の透過量の制御は、誘電体のフォトニック結晶では実現し得ない、２次元プラズマアレイに特有の特性である。【００７１】  次に、フラットバンド領域とプラズマ周波数（２８ＧＨｚ）に相当する周波数との間には、伝播モードが存在しない禁制帯が生じる。この禁制帯では、無限に大きな２次元プラズマアレイを考えた場合、電磁波はこの２次元プラズマアレイ内を伝播できず、この２次元プラズマアレイによって遮断されることになる。有限の大きさの２次元プラズマアレイの場合は、プラズマ密度（すなわち透過する電磁波の周波数に対する屈折率）と２次元プラズマアレイの大きさとに応じて、透過する電磁波の減衰量が決まることになる。このような電磁波の透過量の制御も、誘電体のフォトニック結晶では実現し得ない、２次元プラズマアレイに特有の特性である。【００７２】  さらに、プラズマ周波数が上がって、（プラズマ周波数×格子定数／光速）＝０．５となる条件、つまり、格子定数が電磁波の波長の１／２となる条件よりも少し高い周波数側にも禁制帯が生じる。この禁制帯においても、無限に大きな２次元プラズマアレイを考えた場合、電磁波はこの２次元プラズマアレイ内を伝播できず、この２次元プラズマアレイによって遮断されることになる。有限の大きさの２次元プラズマアレイの場合は、プラズマ密度（すなわち透過する電磁波の周波数に対する屈折率）と２次元プラズマアレイの大きさとに応じて、透過する電磁波の減衰量が決まることになる。この現象は、誘電体のフォトニック結晶と同様の禁制帯の発現現象である。ただし、２次元プラズマアレイの場合は、先に述べたように、プラズマ密度を時間的にかつ空間的に制御できるので、禁制帯が生じる時間や周波数を容易に制御できる。【００７３】  また、２次元プラズマアレイ内における電磁波の伝播を解析してみると、以下のような内容も明らかとなった。上記において想定した２次元プラズマアレイの電磁波及びプラズマパラメータに関して、プラズマ周波数（２８ＧＨｚ）よりもやや高周波数側の電磁波の伝播を、２次元波数平面上の等周波数線の分布として図示すると図１５のようになった。なお、図１５中「Ｘ方向波数」及び「Ｙ方向波数」の「Ｘ方向」及び「Ｙ方向」は、２次元プラズマアレイの格子の配列方向（行方向及び列方向）を意味する。【００７４】  通常の電磁波の伝播では、２次元波数平面上では周波数が同心円状に変化するが、電磁波の周波数がプラズマ周波数に近づくと等周波数線が歪められ、群速度（ｄω／ｄｔ）の異方性が生じる（なお、群速度の方向は、等周波数線上の任意の点における法線方向に一致している）。すなわち、図１５に示すように、群速度はＸ方向及びＹ方向への指向性を有することになる。【００７５】  電磁波のエネルギーは概ね群速度方向に流れるので、上記のように等周波数線が歪められた電磁波については、そのエネルギーはＸ方向及びＹ方向への指向性が付与されることになる。したがって、進行方向がほぼＸ方向に向くようにして電磁波を２次��プラズマアレイに入射させると、その電磁波は、２次元プラズマアレイが存在しない場合には幾分発散しながら伝播するのに対して、２次元プラズマアレイが存在する場合にはエネルギーの流れがよりＸ方向を向くように指向性が付与されることになり、その結果、２次元プラズマアレイを透過する電磁波の量が増大すると考えられる。このような電磁波の透過量の制御も、誘電体のフォトニック結晶では実現し得ない、２次元プラズマアレイに特有の特性である。【００７６】  次に、本実施形態の電磁波制御素子及びこれを用いた電磁波制御装置の構成について説明する。本実施形態の電磁波制御装置１の全体構成を図１に示し、図１におけるＡ−Ａ線矢視断面図を図２に示す。【００７７】  電磁波制御装置１は、電磁波制御素子２と、電磁波制御素子２への供給電力を制御する電力制御システム３と、電磁波制御素子２内のガスを制御するガス制御システム４とを備えている。【００７８】  電磁波制御素子２は、筐体２１と、筐体２１内部に配置された多数の電極２２ａ・２２ｂとを備えている。【００７９】  筐体２１は、直方体の外形を有する箱状の容器であり、内部に所定のガスを保持できるように、ガス供給口２１ａ及びガス排出口２１ｂを除いて密封された構造となっている。【００８０】  筐体２１の内部上面には、多数の電極２２ａが正方格子状（行列状）に配置されているとともに、筐体２１の内部下面にも、電極２２ａにそれぞれ対向するように多数の電極２２ｂが正方格子状に配置されている。【００８１】  電力制御システム３は、電力を発生する電源３１と、電源３１からの電力の供給を制御する電力制御器３２と、電源３１と電力制御器３２と電磁波制御素子２との間を接続する電気配線とを備えている。【００８２】  電源３１は、正弦波や矩形波の波形を有する交流電力を発生する。電源３１によって発生された電力は、電力制御器３２に供給される。【００８３】  電力制御器３２は、電源３１から供給された電力を調整し、かつ、選択的に電極２２ａに供給する。すなわち、電力制御器３２は、電極２２ａに印加する電圧（なお、電極２２ｂは接地されている）を調整することにより供給する電力を調整するとともに、多数の電極２２ａの中から選択されたものに対して調整された電力を供給する。電力を供給すべき電極２２ａは予め設定されており、その設定は変更可能である。【００８４】  ガス制御システム４は、真空ポンプ４１と、ガスボンベ４２と、排気弁４３ａと、吸気弁４３ｂと、吸排気制御器４４と、これらと電磁波制御素子２のガス供給口２１ａ及びガス排出口２１ｂとをつなぐ配管とを備えている。【００８５】  このガス制御システム４により、電磁波制御素子２内部のガスの排気、所定ガスの充填、ガス圧力の調整を行うことができる。【００８６】  以上のような構成を有する電磁波制御装置１による電磁波の制御動作について説明する。【００８７】  初期状態では電磁波制御素子２内部に空気が充填されており、この空気を真空ポンプ４１により排気する。これにより真空状態となった電磁波制御素子２内部に、ガスボンベ４２より所定のガス（例えばヘリウム）を送り込むことによって電磁波制御素子２内部にこのガスを充填する。電磁波制御素子２内部に��けるガス圧力は、吸排気制御器４４によって排気弁４３ａ及び吸気弁４３ｂの開閉を制御することによって調整する。【００８８】  そして、電源３１からの電力の供給を開始し、電力制御器３２によって所定の電極２２ａに所定の電圧を印加する。これにより、電圧が印加された電極２２ａとこれに対向する電極２２ｂとの間においてプラズマＰを生成する。【００８９】  図１及び図２では、全ての電極２２ａに対して電圧を印加することにより、全ての電極２２ａと電極２２ｂとの間にプラズマＰを生成した状態を示している。このとき、電磁波制御素子２内部には２次元的に周期的にプラズマＰが分布することになる。【００９０】  そして、外部より電磁波制御素子２に対して、プラズマＰの配列に沿った方向に制御対象となる電磁波Ｒを入射させる。入射された電磁波Ｒは、電磁波制御素子２内部において、プラズマＰによって実現される屈折率変化の周期構造の影響を受け、その伝播状態が制御される。【００９１】  なお、電磁波制御素子２の筐体２１における電磁波Ｒが入射される入射部２１ｃ、及び電磁波Ｒが出射される出射部２１ｄは、電磁波Ｒを透過する材質によって構成されている。【００９２】  電磁波Ｒの伝播状態の制御には、電磁波Ｒの集束又は発散状態の制御、進行方向の制御、減衰（透過）の制御、共振の制御が含まれる。このとき、電磁波制御素子２はそれぞれレンズ、光路制御器（導波路）、周波数フィルタ、共振器として機能する。【００９３】  これらの制御は、上述したプラズマ中の電子密度や衝突周波数の調整に加えて、プラズマＰの配置の調整（プラズマの分布状態の制御）によって実現することができる。【００９４】  図３から図５に基づいて、プラズマＰの配置の調整例についてついて説明する。図３に示すように、電極２２ｂの１行１列おきにプラズマＰを発生させることにより、プラズマＰの分布する周期を長くすることができる。また、図４に示すように、電極２２ｂの行方向及び列方向に交互にプラズマＰを発生させることにより、プラズマＰを三角格子状に分布させることもできる。さらに、図５に示すように、プラズマＰの周期構造の中に線欠陥ＬＤ又は点欠陥ＰＤを形成することもできる。【００９５】  このようなプラズマＰの配置の調整は、上述したように、電力制御器３２によって電力を供給する電極２２ａを選択することによって実現することができる。従来のフォトニック結晶の場合でも、当該フォトニック結晶を構成する部材の形状を設定することによって屈折率変化の周期構造を設定することはできるが、従来のフォトニック結晶の場合には一旦形状を決定するとその形状を変更することは困難である。これに対して、電磁波制御装置１では、電力制御器３２によるプラズマＰの配置の変更によって屈折率変化の周期構造を容易に変更することができる。【００９６】  （実施例１）
上記構成の電磁波制御装置１を用いた電磁波制御の具体例を以下に示す。電磁波制御装置１における各制御パラメータの具体的な値は以下の通りである。【００９７】  電磁波制御素子２に入射させる電磁波Ｒ、つまり制御対象となる電磁波Ｒは、周波数帯が１０〜１００ＧＨｚであり、電磁波モードがＴＥモード（電界の方向がプラズマＰの周期的配列面に平行）である。プラズマＰの電子密度は２〜３×１０１３ｃｍ−３（ωｐｅ／２π＝４０〜４９ＧＨｚ）、筐体２１内のガス圧力は３０〜１００ｋＰａ、筐体２１内のガス種はヘリウムである。筐体２１は８ｍｍ（図１における縦方向）×５０ｍｍ（図１における奥行き方向）×７０ｍｍ（図１における横方向）であり、入射部２１ｃ及び出射部２１ｄは８ｍｍ×５０ｍｍである。電極２２ａ・２２ｂの正方格子状の配置における格子間距離は２．１ｍｍ（図２における縦及び横方向）であり、電極２２ａ・２２ｂは直径１．４ｍｍのものをそれぞれ２０個（電磁波Ｒの進行方向）×２０個（電磁波Ｒの幅方向）配置した。また、各プラズマＰの直径は約１．４ｍｍとなった。【００９８】  次に、制御パラメータを上記のとおり設定した電磁波制御装置１の電磁波の制御特性を説明する。【００９９】  電磁波制御素子２に入射される電磁波Ｒの周波数を変化させたところ、周波数が３５ＧＨｚ以上では電磁波制御素子２から出射される電磁波Ｒの出射部２１ｄ中央でのエネルギー密度が約３０％減少するのに対し、周波数が３５ＧＨｚ以下ではエネルギー密度が約４００％まで増大した。つまり、この場合の電磁波制御素子２は入射される電磁波Ｒを集光するレンズとして機能することが確認できた。【０１００】  この集光現象は、衝突性プラズマの表皮深さ部におけるω＜ωｐｅのときの異常分散その他の効果により説明できる。【０１０１】  通常電磁波は、ややその伝播断面を広げながら電磁波制御素子２を通過していく。そして、衝突性プラズマによりそのエネルギーの一部が消費されて出射される。これが、周波数が３５ＧＨｚ以上の場合に相当するものと考えられる。【０１０２】  一方、ω＜ωｐｅのとき、電磁波はプラズマＰの異常分散に影響されて、その伝播断面を狭めながら伝播する。そして、衝突性プラズマによるエネルギー消費がありながらも、プラズマＰの間隙ではそのようなエネルギー消費も無く、結果として出射部２１ｄ中央ではエネルギー密度が上昇する。これが、周波数が３５ＧＨｚ以下の場合に相当するものと考えられる。【０１０３】  以上は、プラズマの異常分散の効果を中心に説明したが、屈折率の２次元周期的変化によって生じる集光効果（例えば、Ｐ．Ｖ．Ｐａｒｉｍｉ，Ｗ．Ｔ．Ｌｕ，Ｐ．Ｖｏｄｏ，ａｎｄ  Ｓ．Ｓｒｉｄｈａｒ，Ｎａｔｕｒｅ，ｖｏｌ．４２６（２００３），ｐ．４０４参照）もこの結果に寄与しているものと考えられる。【０１０４】  あるいは、下記のような２次元プラズマアレイに独特の異常伝播現象もこの結果に寄与していると考えられる。すなわち、上記電磁波Ｒの周波数帯１０〜１００ＧＨｚのうち、伝播している周波数帯は、プラズマ周波数（ωｐｅ／２π＝４０〜４９ＧＨｚ）よりもやや低い周波数帯であり、これは図１４を用いて説明したフラットバンド領域に相当する。すなわち、観測され���電磁波信号の増大は、フラットバンド領域に起因する屈折率の変化による透過量の増大も、原因の一つである。以上のように、この電磁波信号の増大現象はこれら複数の効果が重なり合ったものと考えられ、２次元プラズマアレイにより初めて実現される現象である。【０１０５】  この現象は、ＴＥモードに対して特徴的に現れる。これは、ＴＥモードはω＜ωｐｅのときでもプラズマＰの長手方向（図１における縦方向）に沿った電界成分を持たず、遮断されにくいことに起因している。【０１０６】  この集光現象は、プラズマＰの生成用電力を弱くすることにより消失した。このことは、プラズマＰの電子密度の調整により、上記現象を発現させるかどうかを制御可能であることを示している。【０１０７】  また、別の周波数帯においても電磁波信号の増大現象が観測された。周波数が４３ＧＨｚから４５ＧＨｚにわたり、電磁波信号が１１０〜１５０％に増加した。この現象が生じた理由は、下記のような２次元プラズマアレイに独特の異常伝播現象が寄与していると考えられる。すなわち、伝播している電磁波は、プラズマ周波数（ωｐｅ／２π＝４０〜４９ＧＨｚ）と同じかやや高い周波数の領域であり、この領域では、図１５に示したように群速度の異方性が生じる。これに伴い、電磁波のエネルギーは、より電磁波の進行方向に向かって流れるように指向性が付与され、出射部２１ｄにおいて観測される電磁波量が増大したものと考えられる。【０１０８】  逆に、プラズマＰをアーク放電により生成して電子密度を高くすることにより、制御対象となる電磁波の周波数帯を変化させることができる。例えば、アーク放電を用いることにより電子密度として３×１０１６ｃｍ−３程度のプラズマを得ることができ、そのときにはω＝ωｐｅとなる条件が１ＴＨｚ程度となり、その周波数帯が制御対象となる。このようにして、電子密度を変化させることにより、様々な周波数帯の電磁波の制御に有効に作用する。【０１０９】  なお、プラズマＰ間の距離を変化させると、その変化に対して制御対象の周波数が逆比例的に変化する。また、プラズマＰの直径を変化させると、直径の拡大によって制御対象の周波数帯が拡大する。【０１１０】  また、本実施例においては、プラズマＰを周期構造体の構成要素として用いる種々の効果に加えて、電磁波制御素子２の外形は単純な平板構造であることから、製造や配置が容易になるという効果を有している。従来の誘電体物質により形成される凸構造を持ったレンズは、レンズ曲面の磨きだしが必要となるため製造が困難であり、また、外形が凸構造であることから配置の制約を受けやすい。【０１１１】  本実施例のようなレンズ機能は、レーダーの出力部に用いることができる。レーダーの出力部では、出力する電磁波に集束性をもたせるために、通常は誘電体レンズが使用されており、この誘電体レンズに代えて上記電磁波制御装置１を設けることができる。これにより、対応周波数及び指向性を変更でき、かつ、凸構造ではなく平板構造であることから製造しやすく簡易構造のレンズを実現することができる。【０１１２】  また、本実施例のようなレンズ機能は、前述のアーク放電等による高電子密度のプラズマＰを用いることにより、テラヘルツ帯の周波数を有���る電磁波においても活用できる。すなわち、テラヘルツ分光イメージング法においてサンプルの透過光を観測する場合、サンプルへの入射光やサンプルからの透過光を集光する必要が生じるが、そのときに本実施例のような可変レンズ機能が有効である。【０１１３】  （実施例２）
次に、上記構成の電磁波制御装置１を用いた電磁波制御の他の具体例を以下に示す。電磁波制御装置１における各制御パラメータの具体的な値は以下の通りである。【０１１４】  電磁波制御素子２に入射させる電磁波Ｒ、つまり制御対象となる電磁波Ｒは、周波数帯が１０〜１００ＧＨｚであり、電磁波モードがＴＭモード（電界の方向がプラズマＰの周期的配列面に垂直）である。プラズマＰの電子密度は２〜３×１０１３ｃｍ−３（ωｐｅ／２π＝４０〜４９ＧＨｚ）、筐体２１内のガス圧力は３０〜１００ｋＰａ、筐体２１内のガス種はヘリウムである。筐体２１は８ｍｍ（図１における縦方向）×５０ｍｍ（図１における奥行き方向）×７０ｍｍ（図１における横方向）であり、入射部２１ｃ及び出射部２１ｄは８ｍｍ×５０ｍｍである。電極２２ａ・２２ｂの正方格子状の配置における格子間距離は５．０ｍｍ（図２における縦及び横方向）であり、電極２２ａ・２２ｂは直径２．０ｍｍのものをそれぞれ２０個（電磁波Ｒの進行方向）×２０個（電磁波Ｒの幅方向）配置した。また、各プラズマＰの直径は約２．０ｍｍとなった。【０１１５】  次に、制御パラメータを上記のとおり設定した電磁波制御装置１の電磁波の制御特性を説明する。【０１１６】  電磁波制御素子２に入射される電磁波Ｒの周波数を変化させたところ、周波数が４５ＧＨｚ以上では電磁波制御素子２から出射される電磁波Ｒの出射部２１ｄ中央でのエネルギー密度が約３０％減少するのに対し、周波数が４０〜４５ＧＨｚではエネルギー密度が約９０％減少した。つまり、この場合の電磁波制御素子２は入射される所定の周波数帯の電磁波Ｒを遮断するフィルタとして機能することが確認できた。【０１１７】  この遮断現象は、電磁波がＴＭモードであり周波数がω＜ωｐｅであることにより説明できる。つまり、ＴＭモードの電磁波はプラズマＰの長手方向に沿った電界成分しか持たないため、プラズマＰの生成により電界が存在できなくなり、多くの電磁波が遮断されることに起因しているものと考えられる。【０１１８】  より詳しくは、多数のプラズマＰが２次元周期構造となっている効果により説明できる。すなわち、プラズマＰ内部では、式（１）又は式（３）で示される比誘電率εｒがプラズマＰの周囲の部分とは異なるため、フォトニック結晶と同じ原理でいわゆる禁制帯構造が生じたためであるものと考えられる。【０１１９】  この遮断現象は、プラズマＰの生成用電力を弱くすることにより消失した。このことは、プラズマＰの電子密度の調整により、上記現象を発現させるかどうかを制御可能であることを示している。【０１２０】  なお、プラズマＰ間の距離を変化させると、その変化に対して制御対象の周波数が逆比例的に変化する。また、プラズマＰの直径を変化させると、直径の拡大によって制御対象の周波数帯が拡大する。【０１２１】  本実施例のようなフィルタ機能は、一般の電磁波送信部（発信源、フィルタ、増幅器及びアンテナ）、又は受信部（アンテナ、増幅器、フィルタ、自己ヘテロダインミクサ及び出力端子）におけるフィルタの代わりに用いることができる。この場合、対応周波数を変更することができるので、今後発展が見込まれるＵＷＢ（ウルトラワイドバンド）対応機器におけるフィルタとして最適である。【０１２２】  また、本実施例のようなレンズ機能は、前述のアーク放電等による高電子密度のプラズマＰを用いることにより、テラヘルツ帯の周波数を有する電磁波においても活用できる。すなわち、様々な周波数の電磁波が混在するテラヘルツ波において、特定波長の抽出を行う必要が生じることがあり、そのときに本実施例のような可変フィルタ機能が有効である。【０１２３】  （実施例３）
次に、上記構成の電磁波制御装置１を用いた電磁波制御の他の具体例を以下に示す。電磁波制御装置１における各制御パラメータの具体的な値は以下の通りである。【０１２４】  電磁波制御素子２に入射させる電磁波Ｒ、つまり制御対象となる電磁波Ｒは、周波数帯が１０〜１００ＧＨｚであり、電磁波モードがＴＥモード（電界の方向がプラズマＰの周期的配列面に平行）である。プラズマＰの電子密度は１×１０１３ｃｍ−３（ωｐｅ／２π＝２８ＧＨｚ）、筐体２１内のガス圧力は３０ｋＰａ、筐体２１内のガス種はヘリウムである。筐体２１は８ｍｍ（図１における縦方向）×５０ｍｍ（図１における奥行き方向）×７０ｍｍ（図１における横方向）であり、入射部２１ｃ及び出射部２１ｄは８ｍｍ×５０ｍｍである。電極２２ａ・２２ｂの正方格子状の配置における格子間距離は２．５ｍｍ（図２における縦及び横方向）であり、電極２２ａ・２２ｂをそれぞれ３０個（電磁波Ｒの進行方向）×２０個（電磁波Ｒの幅方向）配置した。また、各プラズマＰの直径は約１．０ｍｍとなった。【０１２５】  次に、制御パラメータを上記のとおり設定した電磁波制御装置１の電磁波の制御特性を説明する。【０１２６】  電磁波制御素子２に入射される電磁波Ｒの周波数を変化させたところ、周波数が６１〜６３ＧＨｚの間で透過電磁波量が約１５％まで減少した。この理由としては、電磁波Ｒの周波数と２次元プラズマアレイの格子間距離との関係がほぼ、周波数×格子定数／光速＝０．５となることから、上記６１〜６３ＧＨｚの周波数帯は２次元プラズマアレイにより生じた禁制帯に相当するためと考えられる。【０１２７】  ついで、格子間距離を２．１ｍｍに変化させると、同様の透過電磁波量の減少が７４〜７６ＧＨｚで生じた。さらに、格子間距離を１．５ｍｍに変化させると、同様の透過電磁波量の減少が１０３〜１０５ＧＨｚで生じた。これらの結果はすべてほぼ、周波数×格子定数／光速＝０．５の条件下において生じていることになり、２次元プラズマアレイの空間的な配列を変化させることによって周波数可変のフィルタを実現できることがわかった。【０１２８】  （変形例）
電磁波制御装置１は、以下に説明するように種々の変形が可能である。【０１２９】  電磁波制御装置１では、ガス制御システム４によって電磁波制御素子２内部のガス圧力を調整できる構成をとっているが、ガス圧力の調整を行わない場合には、予め電磁波制御素子２内部に所定のガスを所定の圧力で封入しておくことにより、ガス制御システム４を省くことができる。【０１３０】  また、電磁波制御装置１では、電力制御器３２によって供給電力やプラズマＰの配置を調整できる構成をとっているが、供給電力及び／又はプラズマＰの配置の調整を行わない場合には、電力制御器３２においてこれらが固定的に設定されていてもよい。また、電力制御器３２は、供給電力やプラズマＰの配置を時間的に変更するものであってもよい。【０１３１】  また、電極２２ａ・２２ｂの配置として６行７列配置を図示したが、これに対して種々の変更（例えば、行数及び／又は列数の変更、行間隔及び／又は列間隔の変更、三角格子状のように他の配置パターンへの変更など）を施すことができる。【０１３２】  また、電極２２ａ・２２ｂの形状として円板形状のものを図示したが、その形状についても種々の変更を施すこともできる。例えば、矩形の板状のものに変更してもよく、図６に示すように針状の電極２２ａ’・２２ｂ’に変更してもよい。さらに、これら電極の面積を変更することによってプラズマＰの断面積（長手方向に直交する面で切ったときの断面積）を変更することもできる。【０１３３】  また、図７に示すように、互いに対向する電極２２ａと電極２２ｂとの間に、電極２２ａ・２２ｂの平面形状とほぼ同一の内面形状を有し、かつ、電磁波Ｒを透過する材料からなる筒部材２３（例えば円筒部材）を設けてもよい。【０１３４】  一般に、プラズマはその外周において荷電粒子が外部に向かって拡散するため、プラズマの境界面は曖昧になる。したがって、図１のような構成では、隣り合うプラズマＰ同士が連続する場合もある。このような場合であっても、各プラズマＰにおいては中心から外周に向かって電子密度の勾配が生じるので、プラズマの周期的分布は維持されることになるが、電子密度の差が小さくなるため、周期構造の影響も低減されることになる。【０１３５】  これに対して、筒部材２３を設ける構成では、筒部材２３の内部にプラズマＰを閉じ込めることができるので、プラズマＰの境界面を明確に定めることができ、この境界面における電子密度の差を大きくとることができる。その結果、プラズマの周期的分布による影響をより顕在化することができる。【０１３６】  また、図８に示すように、電磁波制御素子２内部に、電磁波Ｒを透過する誘電体からなり、互いに対向する電極２２ａと電極２２ｂとの間に電極２２ａ・２２ｂの平面形状とほぼ同一の内面形状を有する空孔が形成された誘電部材２４を設けてもよい。この構成では、電磁波制御素子２内部が上記空孔を除いて誘電部材２４によって埋められることになる。【０１３７】  この構成では、上記筒部材２３を設ける構成と同じく、境界面における電子密度の差を大きくとることができることに加えて、境界面における比誘電率の差をより大きくとることができる。なぜなら、上述したようにプラズマＰの比誘電率εｒは���よりも小さな値をもつ一方、誘電部材２４は誘電体ゆえに１よりも大きな比誘電率（通常、誘電体の比誘電率は２よりも大きい）をもつことから、誘電部材２４の代わりにガス（ガスの比誘電率はほぼ１）が存在する場合と比較して境界面における比誘電率の差は大きくなるからである。これにより、プラズマの周期的分布による影響をさらに顕在化することができる。【０１３８】  なお、図８の構成においてプラズマＰと誘電部材２４とを逆転させる、つまり、円柱状の誘電体を周期的に配置してその周囲をプラズマで満たすことも考えられるが、この場合には相対的に比誘電率の低い背景に対して相対的に比誘電率の高い周期構造が形成されることになる。そのため、図８の構成よりも制御対象となる電磁波はより短波長（高周波数）のものとなり、電波（テラヘルツ帯（波長０．１ｍｍ程度）及びこれよりも長波長の電磁波）を制御するには不向きとなる。【０１３９】  さらに、円柱状の誘電体を周期的に配置してその周囲をプラズマで満たす構成では、比誘電率の差を大きくとるためにプラズマの比誘電率を負の値に設定した場合、電磁波制御素子２内部では電磁波のエネルギーの減衰が著しくなりほとんど伝播できなくなってしまう。これに対して、図８の構成では、電磁波のエネルギーの減衰を抑えつつ伝播状態を効果的に制御することができる。【０１４０】  電磁波制御素子２において、電極２２ａ・２２ｂ及び電極２２ａ’・２２ｂ’と、筐体２１、筒部材２３及び誘電部材２４とは、２次元的に周期的に分布するプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。また、筐体２１、筒部材２３及び誘電部材２４は、プラズマを生成するために電離対象となるガスを内部に保持するとともに制御対象となる電磁波を透過するガス保持手段として機能する。特に、筒部材２３及び誘電部材２４は、周期的に形成された複数の空孔を有しており、この空孔内にプラズマが生成されることによりプラズマの周期的分布を実現する。また、誘電部材２４は、上記複数の空孔が形成された誘電体からなっている。【０１４１】  また、電力制御システム３は、プラズマを生成するための電力を制御する電力制御手段として機能し、プラズマの分布状態を制御するプラズマ分布制御手段としても機能する。そして、ガス制御システム４は、電離対象となるガスの圧力を制御するガス圧力制御手段として機能する。【０１４２】  〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について図９に基づいて説明すると以下の通りである。【０１４３】  本実施形態の電磁波制御素子及びこれを用いた電磁波制御装置の構成について説明する。本実施形態の電磁波制御装置１０１の全体構成を図９に示す。なお、実施形態１において説明した構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一符号を用いることとし、その説明を省略する。【０１４４】  電磁波制御装置１０１を構成する電磁波制御素子１０２は、筐体２１の外部に平行平板をなす電極１２２ａ・１２２ｂを備え、筐体２１の内部には、実施形態１の電磁波制御装置１において電極２２ａ・２２ｂが形成されていた部分に、筐体２１の内面よりも２次電子放出係数の高い材質からなる電子放出部材１２３ａ・１２３ｂを備えている点が実施形態１における電磁波制御装置１の電磁波制御素子２とは異なっている。【０１４５】  また、電磁波制御装置１０１を構成する電力制御システム１０３は、電力制御器１３２において、各プラズマＰに対して個別に電力を供給するのではなく、上記電極１２２ａ・１２２ｂに電力を供給することによって全プラズマＰに対して包括的に電力を供給する点が実施形態１における電磁波制御装置１の電力制御システム３とは異なっている。【０１４６】  この構成では、電極１２２ａ・１２２ｂを平行平板によって形成しているので、電力制御システム３からの給電が容易になる。そして、電子放出部材１２３ａ・１２３ｂを所定のパターンに形成することによって、そのパターンに応じたプラズマＰの周期的分布を形成することができる。また、電子放出部材１２３ａ・１２３ｂは筐体２１の内面よりも２次電子放出係数の高い材質からなっているので、プラズマＰが生成しやすくなる。【０１４７】  電子放出部材１２３ａ・１２３ｂの具体的材質としては、金属や酸化マグネシウムなどが好適である。なお、電子放出部材１２３ａ・１２３ｂの一方を省いたとしても、所望するパターンのプラズマＰの生成は可能である。【０１４８】  電磁波制御素子１０２において、電極１２２ａ・１２２ｂ及び電子放出部材１２３ａ・１２３ｂと筐体２１とは、２次元的に周期的に分布するプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。特に電子放出部材１２３ａ・１２３ｂは、筐体２１の内部に露出し、周囲よりも２次電子放出係数の高い材質からなる電子放出手段として機能する。また、筐体２１は、プラズマを生成するために電離対象となるガスを内部に保持するとともに制御対象となる電磁波を透過するガス保持手段として機能する。【０１４９】  また、電力制御システム１０３は、プラズマを生成するための電力を制御する電力制御手段として機能する。【０１５０】  〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について図１０に基づいて説明すると以下の通りである。【０１５１】  本実施形態の電磁波制御素子及びこれを用いた電磁波制御装置の構成について説明する。本実施形態の電磁波制御装置２０１の全体構成を図１０に示す。なお、実施形態１・２において説明した構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一符号を用いることとし、その説明を省略する。【０１５２】  電磁波制御装置２０１を構成する電磁波制御素子２０２は、筐体２１の内部に設けられた電極２２ａ・２２ｂに加えて、筐体２１の外部に平行平板をなす電極２２３ａ・２２３ｂを備えている点が実施形態１における電磁波制御装置１の電磁波制御素子２とは異なっている。【０１５３】  また、電磁波制御装置２０１を構成する電力制御システム２０３は、電力制御器２３２において、電極２２ａ・２２ｂに個別に電力を供給することに加えて、上記電極２２３ａ・２２３ｂにも電力を供給する点が実施形態１における電磁波制御装置１の電力制御システム３とは異なっている。【０１５４】  この構成では、実施形態１の電磁波制御素子２と同じく、電極２２ａ・２２ｂによって周期的に分布するプラズマＰを生成し、かつ、電極２２３ａａ・２２３ｂによって、上記プラズマＰの周囲を覆うようにして、プラズマＰとは電子密度の異なるプラズマＰ’を生成する。【０１５５】  したがって、周期的に分布するプラズマＰと、これを取り囲むプラズマＰ’との両方の屈折率を変化させることができるので、より柔軟に電磁波に対する制御状態を変更することができる。【０１５６】  電磁波制御素子２０２において、電極２２ａ・２２ｂと筐体２１とは、２次元的に周期的に分布するプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。特に電極２２３ａａ・２２３ｂは、周期的なプラズマを取り囲み、かつ、当該プラズマとは電子密度の異なるプラズマをさらに生成する。また、筐体２１は、プラズマを生成するために電離対象となるガスを内部に保持するとともに制御対象となる電磁波を透過するガス保持手段として機能する。【０１５７】  また、電力制御システム２０３は、プラズマを生成するための電力を制御する電力制御手段として機能し、プラズマの分布状態を制御するプラズマ分布制御手段としても機能する。【０１５８】  〔実施形態４〕
本発明の他の実施形態について図１１及び図１２に基づいて説明すると以下の通りである。【０１５９】  本実施形態の電磁波制御素子及びこれを用いた電磁波制御装置の構成について説明する。本実施形態の電磁波制御装置３０１の全体構成を図１１に示し、図１１におけるＢ−Ｂ線矢視断面図を図１２に示す。なお、実施形態１・２・３において説明した構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一符号を用いることとし、その説明を省略する。【０１６０】  電磁波制御装置３０１を構成する電磁波制御素子３０２は、筐体２１の内部に互いに近接して設けられた電極３２２ａ・３２２ｂを備えている。電極３２２ａ・３２２ｂは、同一形状のメッシュ状の電極であり、各電極３２２ａ・３２２ｂには正方格子状（行列状）に配列するように開口部（スリット）Ｓが形成されている。電極３２２ａ・３２２ｂは、それぞれの開口部Ｓが重なるようにして、所定の間隙を介して配置されている。また、電磁波制御素子３０２には、筐体２１の外部に平板状の電極３２３を備えている。なお、電極３２２ｂ、電極３２２ａ、電極３２３はこの順に配置されている。【０１６１】  また、電磁波制御装置３０１を構成する電力制御システム３０３は、電力制御器３３２において電極３２２ｂに電力を供給するとともに、電極３２２ａ・３２３を接地している。【０１６２】  この構成では、接地されている電極３２２ｂと、給電されている電極３２２ａとの間にプラズマが発生し、このプラズマは、接地されている電極３２３の電位によって、電極３２２ａの開口部Ｓを通って電極３２３側に引き出されることになる。この引き出されたプラズマＰは、開口部Ｓに応じた正方格子状に分布することになる。【０１６３】  このように、比較的近い距離に配置された電極３２２ａ・３２２ｂによってプラズマを生成することにより、電極３２２ａ・３２２ｂ間の電界強度を大きくとることができるので、プラズマを容易に生成することができる。【０１６４】  電磁波制御素子３０２において、電極３２２ａ・３２２ｂ及び電極３２３と筐体２１とは、２次元的に周期的に分布するプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。また、筐体２１は、プラズマを生成するために電離対象となるガスを内部に保持するとともに制御対象となる電磁波を透過するガス保持手段として機能する。また、電力制御システム３０３は、プラズマを生成するための電力を制御する電力制御手段として機能する。【０１６５】  〔実施形態５〕
本発明の他の実施形態について図１３に基づいて説明すると以下の通りである。【０１６６】  本実施形態の電磁波制御素子及びこれを用いた電磁波制御装置の構成について説明する。本実施形態の電磁波制御装置４０１の全体構成を図１３に示す。なお、実施形態１・２・３・４において説明した構成要素と同等の機能を有する構成要素については、同一符号を用いることとし、その説明を省略する。【０１６７】  電磁波制御装置４０１を構成する電磁波制御素子４０２は、実施形態１における電磁波制御素子２を積み重ねた構成である。これにより、互いに対向する電極２２ａ・２２ｂの対が３次元的に配置されることになり、この間に発生するプラズマＰも３次元的に分布することになる。【０１６８】  また、電磁波制御装置４０１を構成する電力制御システム４０３では、図１３では図示を一部省略しているが、各電極２２ａは電力制御器４３２に接続されており、各電極２２ｂは接地されている。そして、電力制御器４３２は、３次元的に配置された電極２２ａの中から選択されたものに対して調整された電力を供給する。【０１６９】  この構成では、プラズマＰを３次元的に周期的に分布させることができるので、いわゆる完全バンドギャップを実現することができ、上下左右任意の方向から電磁波制御素子４０２に対して入射する電磁波に対してフィルタ効果を発揮することができる。【０１７０】  また、固体材料によって構成される従来のフォトニック結晶では、製造上の問題に起因して、３次元構造を実現するための制約が多いが、電磁波制御素子４０２では、比較的容易に３次元周期構造を実現することができる。【０１７１】  電磁波制御素子４０２において、電極２２ａ・２２ｂと筐体２１とは、３次元に周期的に分布するプラズマを生成するプラズマ生成手段として機能する。また、筐体２１は、プラズマを生成するために電離対象となるガスを内部に保持するとともに制御対象となる電磁波を透過するガス保持手段として機能する。また、電力制御システム４０３は、プラズマを生成するための電力を制御する電力制御手段として機能し、プラズマの分布状態を制御するプラズマ分布制御手段としても機能する。【０１７２】  なお、本実施形態では実施形態１の電磁波制御素子２を積み重ねることにより電磁波制御素子４０２を構成したが、実施形態２〜４において説明した電磁波制御素子１０２・２０２・３０２を積み重ねることにより電磁波制御素子４０２を構成してもよい。【０１７３】  以上のように、本発明によると、外部からの信号印加により機能を動的にかつ広範囲にコントロール可能な電磁波制御素子及びこれを用いた電磁波制御装置を実現することができる。本発明による電磁波制御装置は、各種電磁波の制御に好適に用いることができ、特に１０ＧＨｚからテラヘルツ帯の電磁波の制御に好適に用いることができる。【０１７４】  なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。【０１７５】  本発明の電磁波制御素子は、多数のプラズマＰ（個々のプラズマＰを「プラズマ体」���も称す。）を２次元的又は３次元的な周期構造をなすように生成するものである。この多数のプラズマ体が配置される空間のガス圧力を調整可能な機能を備えていてもよい。上記多数のプラズマ体を誘電体内に配置してもよい。上記多数のプラズマ体を、同じく周期構造をなす円筒中空の管内に配置してもよい。上記多数のプラズマ体を、それらとは電子密度の異なるプラズマ内に配置してもよい。上記多数のプラズマ体を、アーク放電により生成してもよい。上記多数のプラズマ体の配置位置を制御可能な機能を備えていてもよい。上記多数のプラズマ体の配置位置の制御機能を、プラズマ体の一部の予備放電の発生制御により実現してもよい。上記多数のプラズマ体の配置位置の制御機能を、プラズマ体端部接触部の材質の設定により実現してもよい。上記プラズマ体の生成用電力の供給手段を備え、かつ該生成用電力が時間的に可変となっていてもよい。
【産業上の利用可能性】
【０１７６】  本発明は、例えば通信分野や計測分野における電磁波の制御に好適に利用することができる。
【図１】
0004613321.tif 000006
【図２】
0004613321.tif 000007
【図３】
0004613321.tif 000008
【図４】
0004613321.tif 000009
【図５】
0004613321.tif 000010
【図６】
0004613321.tif 000011
【図７】
0004613321.tif 000012
【図８】
0004613321.tif 000013
【図９】
0004613321.tif 000014
【図１０】
0004613321.tif 000015
【図１１】
0004613321.tif 000016
【図１２】
0004613321.tif 000017
【図１３】
0004613321.tif 000018
【図１４】
0004613321.tif 000019
【図１５】
0004613321.tif 000020