(57)【要約】【課題】  電気伝導体を含む系の電磁場をマクスウエルの解法に準じて計算する処理を行い、電気伝導体を含む材料系の光電場特性などの電磁場特性を評価することのできる電磁場特性評価システムを提供する。【解決手段】  電磁場特性評価システムは、時間領域差分法を用いてマクスウエルの方程式を解く場合に、磁場変化が電場に与える影響を表す式における２係数を、通常方法で導かれる係数に代わって、緩和を表す式によって置き代えた式を用いる。時間領域差分法によるマクスウエルの方程式から導かれた計算式の演算処理において、金属等の電気伝導度がゼロでない物質、あるいは複素誘電率の実部が負の物資がある場合には、物質パラメータと配置に関する情報を入力することにより演算処理を行い、材料系内の光電場などの電磁場特性を評価するためのデータを得る。【選択図】  図６
2005293035.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電場成分，磁場成分，磁場変化が電場に与える影響成分，電場変化が磁場に与える影響成分および境界条件をそれぞれ計算する演算処理モジュールと、前記演算処理モジュールに対して演算処理のための電場および磁場のパラメータを設定するパラメータ設定処理モジュールと、前記演算処理モジュールおよび前記パラメータ設定処理モジュールを制御して演算処理を実行させる制御処理モジュールとを備え、時間領域差分法を用いたマクスウエルの方程式を解く演算処理を行い、評価対象材料における電磁場特性を評価する電磁場特性評価システムであって、
前記パラメータ設定処理モジュールは、前記演算処理モジュールに対してパラメータを設定する処理において、
時間領域差分法を用いてマクスウエルの方程式を解く場合に、磁場変化が電場に与える影響を表す式における２係数を、通常方法で導かれる係数に代わって、緩和を表す式によって置き代えた式を用いることを特徴とする電磁場特性評価システム。
【請求項２】
請求項１に記載の電磁場特性評価システムにおいて、
磁場変化が電場に与える影響を表す式とは次式
【数１】
2005293035.tif 000025
であり、Ｅｎは時刻ｎにおける電場、Ｅｎ−１は時刻ｎ−１における電場、Ｈｎ−（１／２）は時刻ｎ−（１／２）における磁場、σは電気伝導度、εは誘電率である
ことを特徴とする電磁場特性評価システム。
【請求項３】
請求項１に記載の電磁場特性評価システムにおいて、通常方法で導かれる２係数とは、それぞれ次式
【数２】
2005293035.tif 000026
【数３】
2005293035.tif 000027
であり、
緩和を表す式とは、
【数４】
2005293035.tif 000028
であり、ここでΓは緩和係数であり、Δｔ時間後の減衰緩和の割合を表す式である。
であることを特徴とする電磁場特性評価システム。
【請求項４】
請求項１に記載の電磁場特性評価システムにおいて、
磁場変化が電場に与える影響を表す式として、次式
【数５】
2005293035.tif 000029
を用いる
ことを特徴とする電磁場特性評価システム。
【請求項５】
請求項４に記載の電磁場特性評価システムにおいて、
ΓΔｔは、exp(−ΓΔｔ)部分をテーラー展開して得られる次式
【数６】
2005293035.tif 000030
で両係数あるいは一方のみを置き代えた式も含まれる。
ことを特徴とする電磁場特性評価システム。
【請求項６】
請求項５に記載の電磁場特性評価システムにおいて、
両係数を置き代えた式とは次式
【数７】
2005293035.tif 000031
であることを特徴とする電磁場特性評価システム。
【請求項７】
請求項４または請求項６に記載の電磁場特性評価システムにおいて、
電気伝導度σが０の場合、式の第２項の係数をΔｔ／εとする
ことを特徴とする電磁場特性評価システム。
【請求項８】
請求項１に記載の電磁場特性評価システムにおいて、
評価対象材料の電磁場特性の評価は、評価対象材料の物質パラメータとして、誘電率、誘磁率、電気伝導度、減衰緩和係数のパラメータを入力し、物質の配置情報を入力して、評価対象材料の電磁場特性を評価する
ことを特徴とする電磁場特性評価システム。
【請求項９】
請求項８に記載の電磁場特性評価システムにおいて、
誘電率と電気伝導度は複素屈折率の実部と虚部から算出し、減衰緩和係数は電気伝導度または複素誘電率から算出し、物質パラメータとして誘電率と誘磁率を入力し、
て、評価対象材料の電磁場特性を評価する
ことを特徴とする電磁場特性評価システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の電磁場特性評価システムにおいて、
電気伝導度と減衰緩和係数は実験値を入力して、より精度の高い評価のデータを得る
ことを特徴とする電磁場特性評価システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、時間領域差分法（ＦＤＴＤ法：Finite Difference Time Domain method）により電気伝導体を評価する電磁場特性評価システムに関し、更に、詳細には、被解析対象の材料構造内に金属等の電気伝導性の材料が含まれる場合や負の誘電率を示す材料が含まれていても発散することなく、安定に精度良く時間領域差分法の計算処理が実行されて被解析対象の評価データが得られる電磁場特性評価システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザーダイオードの高性能化と相まって、高度情報社会を目指した研究開発が積極的に進められており、また、情報処理分野のみならず多方面に渡る光技術の応用が進んでいる。一方、近年のコンピュータの目覚ましい発展により、光技術の開発研究現場にもコンピュータ・シミュレーションに代表される計算科学の浸透が進んでいる。中でも、時間領域差分法は、手軽に材料構造内における電磁波の振る舞いを評価できることから、重要な開発研究手段として欠かせないものとなっており、時間領域差分法が、光や電磁波の応用を目指した技術開発において、材料構造内における電磁波の振る舞いを解析する手軽な手段として、近年多用されるようになっている。
【０００３】
時間領域差分法では、被解析対象の材料が電気を通さない誘電体のみで構成される場合は問題なく計算できるが、金属等の電気伝導性の材料が含まれる場合は、そのままでは計算値が無限大へと発散し、計算処理が実行できない。これに対する簡易な解決方法は、完全伝導体と仮定する方法で、完全伝導体内部の電場をゼロと置いてしまう方法である。この方法では、金属の種類の違いによる材料の詳細な解析評価が出来ない。
【０００４】
これまでの多くの市販ソフトウェアが用いる発散防止法は、電気伝導度をゼロとしてしまう方法である。即ち、マクスウエルの方程式を解く場合に、電場を計算する電場の項の第１係数を“１”とする方法である。事実、係数を“１”と置くことの影響は小さい。第２係数の電気伝導度は場合に応じて考慮される。しかし、多くの金属材料の評価処理で起こることであるが、複素屈折率の虚数部が実数部より大きい場合、複素誘電率の実数部が負となり、第２係数が負となるので、多くの場合計算値が発散する。この場合、理論的根拠は無いが、実効性を重んじて、誘電率の絶対値を取って解決する方法などが採られる。
【０００５】
これらの困難点を克服する方法として、ＲＣ法（recursive convolution method）が提案されている。このＲＣ方法は、誘電率の分散を導入する手法である。これまでに、例えば、ローレンツ（Lorentz）型線形分散モデルを導入する方法（非特許文献１）が提案され、多用されている。
【非特許文献１】「J. Opt. Soc. Am. A」第１２巻、第９号、１９７４ページ（１９９５年）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、ＲＣ法は、展開式がかなり複雑化することと共に、強引な定数への置き代えや定数値の固定化が見られ、理論的妥当性には異論が残る方法といえる。近年、近接場光応用技術、微少光学素子技術、高密度情報記録技術、ナノテクノロジー分野等々で金属微粒子や金属薄膜の光学的性質を利用した研究開発が盛んになってきており、従前の計算法を用いたプログラムでは、これらを含む材料構造の解析計算が出来ないとか、出来たとしてもその妥当性に疑問が残るという問題点がある。
【０００７】
本発明は、このような事情のもとでなされたものであり、本発明の目的は、被解析対象の材料構造内に金属等の電気伝導性の材料が含まれる場合や負の誘電率を示す材料が含まれていても発散することなく安定に演算処理が行えて評価でき、かつ評価システム全体に渡って論理矛盾点を含まないで評価を行うことのできる電磁場特性評価システムを提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、電気伝導体の評価が、評価に必要なパラメータは全て実験的に取得可能なものだけで構成でき、実験データが無い場合でも、他の実験データと理論的に確立された常数を用いた計算からも算出できて、高精度な評価を得ることが期待できる電磁場特性評価システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者らは、鋭意研究を重ねた結果、時間領域差分法を用いてマクスウエルの方程式を解くに場合に、展開式の形に囚われるのでなく、式の第１項の係数の物理学的意味を考え直し、それをそのまま式表現し、さらにその表現を第２項の係数にも代入することで、すっきりとした式にまとめることができ、種々問題点も一気に解消することができることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
すなわち、本発明による電磁場特性評価システムは、電場成分，磁場成分，磁場変化が電場に与える影響成分，電場変化が磁場に与える影響成分および境界条件をそれぞれ計算する演算処理モジュールと、前記演算処理モジュールに対して演算処理のための電場および磁場のパラメータを設定するパラメータ設定処理モジュールと、前記演算処理モジュールおよび前記パラメータ設定処理モジュールを制御して演算処理を実行させる制御処理モジュールとを備え、時間領域差分法を用いたマクスウエルの方程式を解く演算処理を行い、評価対象材料における電磁場特性を評価する電磁場特性評価システムであって、前記パラメータ設定処理モジュールは、前記演算処理モジュールに対してパラメータを設定する処理において、時間領域差分法を用いてマクスウエルの方程式を解く場合に、磁場変化が電場に与える影響を表す式における２係数を、通常方法で導かれる係数に代わって、緩和を表す式によって置き代えた式を用いることを特徴とするものである。
【００１１】
上記のような特徴を有する本発明の電磁場特性評価システムによれば、上記の式に対して、計算に必要な物質パラメータは、励起電場の緩和係数もしくは寿命、電気伝導度、複素誘電率もしくは複素屈折率である。いずれも実験により測定可能な値であるが、実験が比較的難しい緩和係数もしくは寿命については、電気伝導度と理論的に決められた係数値から高い精度で見積もることが可能であり、電気伝導度と複素誘電率もしくは複素屈折率のみで計算できることになる。なお、緩和係数は寿命の逆数であり、複素誘電率は複素屈折率から、また複素屈折率は複素誘電率から互いに導くことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の電磁場特性評価システムにおいては、上記のような式を用いることにより、計算値が無限大に発散することなく安定して解が得られ、必要とする入力データは最小限で少なく、それらデータは実験的に得られるもので、現実に近いデータを用いることで高い計算精度が期待できる評価システムが提供される。
【００１３】
近接場光を応用した高密度の情報記録再生方法の研究の一環として、金属微粒子を介在させる研究においては、これらの電磁場解析が可能な計算機プログラムの開発を行う必要があるが、その場合に、従前既知の式展開や方法を種々用いたプログラミングでは、いずれの方法においても上記のような問題点があったが、本発明による電磁場特性評価システムを用いることにより解決される。本発明による電磁場特性評価システムは、種々プログラミングや個々の事例を通じての検証において特性の評価を仔細に調べることにより、被解析対象の材料構造内に金属等の電気伝導性の材料が含まれる場合や負の誘電率を示す材料が含まれていても発散することなく安定に評価できることが検証でき、かつ評価システム全体に渡って論理矛盾点を含まないで評価を行うことが確認できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施する場合の一形態について、図を参照して説明する。図１７は、本発明による電磁場特性評価システムのハードウェア構成を説明する図であり、図１８は、本発明による電磁場特性評価システムの主要部の演算処理モジュールの構成を示すブロック図である。
【００１５】
図１７を用いて、電磁場特性評価システムのハードウェア構成について説明する。電磁場特性評価システムのハードウェア構成は、通常のコンピュータ装置が用いられる。電磁場特性評価システムの全体のハードウェア構成は、情報入力部、情報記録部、演算部、情報表示部からなり、全体の動作はプログラムにより制御され、電磁場特性評価の解析演算がプログラム処理される。すなわち、具体的なハードウェア構成としては、中央演算装置（ＣＰＵ）１０１と、システムメモリ（ＲＯＭ）１０２とワークメモリ（ＲＡＭ）１０３と、データメモリとして使われる記憶領域を提供するＨＤＤ（ハードディスクドライブ）１０４およびＨＤ（ハードディスク）１０５と、外部記憶領域を提供するＦＤＤ（フレキシブルディスクドライブ）１０６およびＦＤ（フレキシブルディスク）１０７と、ディスプレイ１０８と、Ｉ／Ｆ（インターフェース）１０９と、キーボード１１０と、マウス１１１と、スキャナ１１２と、プリンタ１１３などを備えており、これらは、バス１００によってそれぞれ接続されている。
【００１６】
ＣＰＵ１０１は、全体の制御および計算処理のデータ処理を行う。ＲＯＭ１０２は、ブートプログラムなどのプログラムを記憶している。ＲＡＭ１０３は、ＣＰＵ１０１のワークエリアとして使用される。ＨＤＤ１０４は、ＣＰＵ１０１の制御にしたがってＨＤ１０５に対するデータのリード／ライトを制御する。ＨＤ１０５は、ＨＤＤ１０４の制御で書き込まれたデータを記憶する。
【００１７】
ＦＤＤ１０６は、ＣＰＵ１０１の制御にしたがってＦＤ１０７に対するデータのリード／ライトを制御する。ＦＤ１０７は、ＦＤＤ１０６の制御で書き込まれたデータを記憶したり、ＦＤ１０７に記憶されたデータを読み取らせたりする。着脱可能な記録媒体として、ＦＤ１０７のほか、ＣＤ−ＲＯＭ（ＣＤ−Ｒ、ＣＤ−ＲＷ）、ＭＯ、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）、メモリーカードなどであってもよい。ディスプレイ１０８は、カーソル、アイコンあるいはツールボックスをはじめ、文書、画像、機能情報などのデータを表示する。このディスプレイ１０８は、たとえば、ＣＲＴ、ＴＦＴ液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ等を用いる。
【００１８】
Ｉ／Ｆ１０９は、通信回線を通じてインターネットなどのネットワークに接続され、このネットワークを介して他の装置に接続される。そして、Ｉ／Ｆ１０９は、ネットワークと内部のインターフェースを司り、外部装置からのデータの入出力を制御する。Ｉ／Ｆ１０９には、たとえば、モデムやＬＡＮアダプタなどを用いる。
【００１９】
キーボード１１０は、文字、数字、各種指示などの入力のためのキーを備え、データの入力をおこなう。また、タッチパネル式の入力パッドやテンキーなどであってもよい。マウス１１１は、カーソルの移動や範囲選択、あるいはウィンドウの移動やサイズの変更などをおこなう。ポインティングデバイスとして同様に機能を備えるものであれば、トラックボールやジョイスティックなどであってもよい。
【００２０】
スキャナ１１２は、画像を光学的に読み取る。また、プリンタ１１３は、画像データや文書データを印刷する。プリンタ１１３には、たとえば、レーザプリンタやインクジェットプリンタを用いる。
【００２１】
図１８は、本発明による電磁場特性評価システムにおける演算処理モジュールの主要部の構成を示すブロック図となっており、ここでの演算処理がデータの流れで示されるものとなっている。矩形のブロックは、電磁場特性評価を行うデータ処理のためのそれぞれのパラメータ設定を行うパラメータ設定処理モジュールを示しており、楕円のブロックは、設定されたパラメータにしたがって電磁場特性評価のための演算処理を行う演算処理モジュールを示している。図示されていないが、電場成分を計算する演算処理モジュール、磁場成分を計算する演算処理モジュール、演算処理モジュールおよびパラメータ設定処理モジュールを制御して演算処理を実行させる制御処理モジュールなどが備えられている。
【００２２】
処理の概要を説明すると、ここでは時間領域差分法を用いてマクスウェルの方程式を解く演算処理を行うが、その場合に、制御処理モジュールが演算処理の制御を行い、磁界成分の計算と電界成分の計算を、時間更新しながら繰り返して行う。電界成分の計算については、まず、パラメータ設定処理モジュールにより、初期設定に基づき電場と磁場のパラメータ設定の処理を行い、最初の時間更新を行い（演算ブロック２０１，２０２）、設定したパラメータに基づき、電界成分の計算を行う。ここでは、演算処理モジュールによって電界成分の計算を行うが、その場合に、計算された演算結果に対して、緩和演算を行い、続いて電場境界の境界条件の計算処理を行う（演算ブロック２０３〜２０６）。これにより、磁界成分の計算のためのパラメータが得られると共に、次の時刻における電場および磁場の計算のためのパラメータが得られる。
【００２３】
求められた演算結果にしたがい、電場のパラメータ設定を行い、続いて、磁界成分の計算を行い、計算された演算結果に対して、磁場境界の境界条件の計算処理を行う（演算ブロック２０７〜２１０）。これにより、次の時刻における電場および磁場の計算のためのパラメータが得られるので、磁界のパラメータ設定を行い、境界無反射条件の処理を行い、次の時刻における電場および磁場の計算のために、時間更新の処理を行って（演算ブロック２１１〜２１３）、演算ブロック２０２からの処理を繰り返し行うことにより、次の時刻における電場および磁場の計算を行う。
【００２４】
次に、本発明の電磁場特性評価システムにおけるそれぞれの演算処理モジュールを構成するため主要なプログラムと計算のための式展開について、図を参照して説明する。ここでの理解を容易とするため、演算処理モジュールを構成するプログラムがＦＯＲＴＲＡＮプログラムとしてコード化した場合を例示して説明する。図１には、電流源や磁流源が無い場合の純粋なマクスウェルの方程式に時間領域差分法を適用して、本発明による電磁場特性評価システムにおいて用いる基本式を得る式展開手順を示している。
【００２５】
時間領域差分法を用いてマクスウエルの方程式を解く場合に、磁場変化が電場に与える影響を表す式における２係数を、通常方法で導かれる係数に代わって、緩和を表す式によって置き代えた式を用いる。最後に得られた式の右辺第１項は減衰緩和を表すので、この係数を減衰緩和の式で置き換える。すなわち、
【数８】
2005293035.tif 000003
と置く。この関係を第２項の係数に当てはめると、
【数９】
2005293035.tif 000004
と書ける。結局式は次式となる。
【数１０】
2005293035.tif 000005
【００２６】
ΓΔｔは通常１よりもかなり小さいので、exp(−ΓΔｔ)部分をテーラー展開して得られる次式
【数１１】
2005293035.tif 000006
で両係数を近似表現すると、次式が得られる。
【数１２】
2005293035.tif 000007
特に、第２項の近似表現は、実際の計算において、元の式に比して計算結果が安定する。ただし、電気伝導度σが０の物質の場合、第１項は係数を“１”とし、第２項は元の表記を用いて、次式を用いる。
【数１３】
2005293035.tif 000008
ここでの第２項のベクトル演算は、次の数式で表される計算である。
【数１４】
2005293035.tif 000009
【００２７】
一つの単位セル内に電界と磁界を図２のように配置する。セルの設定の仕方によって、以下で述べる平均値の取り方などに差異が生じるが、本発明に関わる部分はほぼ同じ取り扱いとなる。
【００２８】
個々の電場成分について、詳細に書き下すと、例えばＥｘについては、
【数１５】
2005293035.tif 000010
となる。
【００２９】
ここでは、Ｅｘは単位セル４個の境界線上にあるので、Γの平均値を使って、第１項の係数は、次のようになる。
【数１６】
2005293035.tif 000011
【数１７】
2005293035.tif 000012
【００３０】
同様にして、第２項および第３項の係数は、単位セル４個の係数の平均で表され、個々の係数を計算してから、平均を求めることにより、
【数１８】
2005293035.tif 000013
【数１９】
2005293035.tif 000014
となる。
【００３１】
Ｅｙ、Ｅｚに関しても同様の式が得られる。また、磁場成分に関しては、従前の方法と変わりない。例えば、Ｈｘについては、次のようになる。
【数２０】
2005293035.tif 000015
【００３２】
なお、Ｈｘは単位セル２個の境界面上にあるので、関係するセル２個の誘磁率μの平均を使って、係数
【数２１】
2005293035.tif 000016
【００３３】
Ｈｙ、Ｈｚに関しても同様の式が得られる。ここでの表現に現れる
【数２２】
2005293035.tif 000017
などは、プログラム中では全てセル（ｉ，ｊ，ｋ）に関する成分として、配列（ｉ，ｊ，ｋ）に格納する。
【００３４】
これまでに説明した式展開をＦＯＲＴＲＡＮによりプログラム化した例を、図３から図５に示している。係数の平均の取り方には、ここで示した例の他にも種々変則形が考えられるが、本発明の本質には関わりのない部分であり、適宜に選択すればよい。
【００３５】
本発明の時間領域差分法における電磁場特性評価システムにおいては、被解析対象の材料構造内に金属等の電気伝導性の材料が含まれる場合や負の誘電率を示す材料が含まれていても発散することなく安定に計算でき、かつ式展開に論理矛盾点を含まない方法で、特性評価を得ることができる。
【００３６】
次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は、これらの例によってなんら限定されるものではない。
【００３７】
［実施例１］
基本例として、金属微粒子の表面近傍の２次元電磁場特性評価を実施した例について、説明する。３０ナノメートルの金属（アルミニューム、金、銀、銅、等）の微粒子が空気中にあり、それに横波（ＴＥ波）が入射する場合を評価する。
【００３８】
まず、計算に必要な係数のうち緩和係数Γの求め方を検討する。金属の電子状態に関するＤｒｕｄｅモデルを用いた理論計算から得られた式、
【数２３】
2005293035.tif 000018
において、ｒｓは自由電子の半径、ａ0はBohr半径で、ｒs／ａ0はほとんどの場合“２”ないし“３”の値をとり、多くの教科書に載っている。例えば、Al=2.07，Au=3.01，Ag=3.02，Cu=2.67である。σは電気伝導度でΩ-1ｍ-1の単位で表された数値を用いる。
【００３９】
電気伝導度は実験値がデータブックから得られる。例えば２５℃の値として、Al=3527.6，Au=4402.7，Ag=5890.2，Cu=5592.8である。いずれも単位はΩ-1ｍ-1である。
【００４０】
これらの数値を代入して緩和係数Γを求めると、Al=0.14528E+15、Au=0.37858E+14、Ag=0.28017E+14、Cu=0.42698E+14が得られた。単位はいずれも（sec-1）である。この値の信憑性を探るため、非特許文献１に記載されている緩和係数Γに関する次の式
【数２４】
2005293035.tif 000019
からの値、Al=0.159323E+15、Au=0.415347E+14、Ag=0.262161E+14、Cu=0.571739E+14と比較すると、かなり良い一致が見られる。緩和係数を実験的に求めるには、フェムト秒の超短パルスレーザーなどの設備が必要であるが、とりあえずは、計算値で代用可能と考えられる。
【００４１】
銀の場合の計算結果を図６に示している。銀の屈折率を実部(0.13)、虚部(5.3)とした。図６では、一周期分の電磁波の大きさを平均化して高さで表現している。波長７８０ｎｍの横波平面波が奥から手前に向かって進んでくる時、金属表面近傍で表面プラズモンによる増強の様子が見られる。金属微粒子表面を用いる表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Surface Enhanced Raman Scattering）や表面プラズモン励起蛍光の解析に応用できると考えられる。
【００４２】
電磁波の大きさの表現法は、前述したように、前記の高さで表す他にも、等高線で表す方法、色付けで表す方法などを用いることができる。目的に応じて選択して用いる。また、一周期分の電磁波の大きさを平均化して表すのでなく、時々刻々の変化を順次表示することにより動きのあるアニメーションとして表示することもできる。
【００４３】
［実施例２］
本発明者らは、スーパーレンズ（Ｓｕｐｅｒ−ＲＥＮＳ：super resolution near-field structure）と呼ばれる近接場光を利用する超高密度情報記録光ディスクの開発研究を行っている。Ｓｕｐｅｒ−ＲＥＮＳの初期簡易モデルに対する電磁場特性評価の一例について説明する。
【００４４】
図７は、機能層に金属のアンチモンを用い光照射中央部に透過型開口を形成させるＴＡ型Ｓｕｐｅｒ−ＲＥＮＳのモデル構成図であり、図８は、酸化銀を機能層に用い光照射中央部に銀微粒子を生成させ光散乱核とするＬＳＣ型Ｓｕｐｅｒ−ＲＥＮＳのモデル構成図である。
【００４５】
波長６３５ｎｍの光を開口数０．６のレンズで回折限界まで絞り込んで照明した場合を想定し、かつ光ディスクを回転して情報記録マーク部をスキャンした場合の電磁場特性変化を評価した。
【００４６】
これら２種のディスクを回転スキャンした場合の電磁場特性評価結果を図９および図１０に示す。これらの図は実際には動画で、動きがアニメーション表示される。本発明による評価システムによって、金属のアンチモン微細開口や銀微粒子による光波への影響が精度良く見積れる。また、この結果から、ＴＡ型Ｓｕｐｅｒ−ＲＥＮＳよりＬＳＣ型Ｓｕｐｅｒ−ＲＥＮＳの方が大きな信号が得られることが判る。
【００４７】
［実施例３］
光触媒として知られる二酸化チタンは、紫外線が当たると触媒効果を発揮する物質で、通常白色の粉末微粒子である。殺菌作用や防臭作用に注目した応用として、身近な製品にも多く使われている。また、種々の環境汚染物質の分解・無害化にも使われている。二酸化チタン粒子表面に、白金助触媒を担持させることで、より優れた光触媒とすることが可能である。
【００４８】
二酸化チタン微粒子表面に、白金超微粒子を接触させた場合の電磁場特性評価を行った例を図１１に示している。チタン粒子の右横面と上面に３０ｎｍ径の白金超微粒子を付けた場合である。本田・藤嶋効果で知られる電気化学的な触媒作用の増強効果の他にも、金属表面での表面プラズモン増強による電磁場特性が関与している可能性が予想されたが、この例では二酸化チタン粒子そのものによる増強効果の方が大きかった。
【００４９】
［実施例４］
近接場顕微鏡（ＮＳＯＭ：Near-field Scanning Optical Microscope）に用いられるプローブのプローブ端における電磁場解析は、プローブ形状の設計にも、また得られる画像の解析にも重要である。
【００５０】
実施例２で述べたスーパーレンズと同様に、大別するとプローブには開口型と散乱型があり、金属被覆された開口型プローブや金属先端を使う散乱型プローブなど、金属が関わる事例が多い。いずれも金属表面の電磁界が局所的に増強する表面プラズモン効果を効果的に用いている。
【００５１】
図１２に金属被覆された開口型プローブの電磁場特性評価結果例を示している。ガラス先端を銀被覆した開口型プローブ、開口１００ｎｍ径、ガラス内をガウス型光束で照射した場合の例である。図１３に金属先端を用いる散乱型プローブの電磁場特性評価結果例を示している。針状の銀先端を横からガウス型光束で照射した場合である。
【００５２】
［実施例５］
金属薄膜の電磁場特性も近接場光応用分野として大きな位置を占める。ここでは最も古典的でかつ良く使われるＫｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ配置についての例を説明する。
【００５３】
Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ配置は、図１４に示される光学配置で、プリズム表面で全反射される光が金属薄膜表面のプラズモンを励起し、励起されたプラズモン光を利用して、表面に付着した化合物の検出や同定に用いられ、非常に高感度で知られる。
【００５４】
化合物の付着検出には、プラズモン光を最適に励起する入射角（共鳴角）の変化から、付着によるわずかな屈折率変化として検出する。付着した化合物の同定には、例えばプラズモン光による蛍光発光を用いる。
【００５５】
図１５に、Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ配置により励起されたプラズモン光の発生の例を示している。図に示すように、ガラス表面に１０ｎｍ厚の銀を付け、斜め下４４度の角度から、ガウス型光束で照射した場合、共鳴条件を完全には満たしていないが、表面プラズモン励起の予兆が見られる。
【００５６】
［実施例６］
金属による周期構造、より具体的には、金属の回折格子に対して共鳴条件を満たす入射角をもった光で照射すると回折格子上に表面プラズモン光が励起される。
【００５７】
実施例５で述べたプラズモン光の利用と同様に、例えば、表面に付着した化合物の高感度な検出や同定に用いることができる。図１６に金属の回折格子上に励起された表面プラズモン光の発生状況を解析した電磁場特性評価結果例を示している。図に示すように、格子間隔１ミクロンの銀回折格子表面を斜め下44度の角度から、ガウス型光束で照射した場合。共鳴条件を満たしていないが、表面プラズモン励起の予兆が見られる。
【００５８】
［実施例７］
電流源Ｊがある場合、マックスウェルの式は次式となる。
【数２５】
2005293035.tif 000020
したがって、請求項２に記載した式の代わりに次式となる。
【数２６】
2005293035.tif 000021
【００５９】
本発明を適用して減衰緩和の式で置き換える。すなわち、
【数２７】
2005293035.tif 000022
と置く。この関係を第２項、第３項の係数に当てはめると、
【数２８】
2005293035.tif 000023
と書ける。結局式は次式となる。
【数２９】
2005293035.tif 000024
【００６０】
このように第３項にも、本発明の置き換えが適用でき、若干のプログラム修正で、安定に評価解析できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】電流源や磁流源が無い場合についてマクスウェルの方程式に時間領域差分法を適用して本発明の説明に用いる基本式を得るまでの式展開手順を示した図である。
【図２】３次元ＦＤＴＤ単位セルの図である。
【図３】３次元ＦＤＴＤにおけるＦＯＲＴＲＡＮプログラムのパラメータの初期設定部の一部の例を示すである。
【図４】３次元ＦＤＴＤにおけるＦＯＲＴＲＡＮプログラムの電場の計算部の一部の例を示す図である。
【図５】３次元ＦＤＴＤにおけるＦＯＲＴＲＡＮプログラムの磁場の計算部の一部の例を示す図である。
【図６】空気中に置かれた銀微粒子に横波平面波が入射した場合の電磁波強度分布を高さ分布で示した２次元ＦＤＴＤによる計算結果の一例を示す図である。
【図７】機能層に金属のアンチモンを用い光照射中央部に透過型開口を形成させるＴＡ型Ｓｕｐｅｒ−ＲＥＮＳのモデル構成を示す図である。
【図８】酸化銀を機能層に用い光照射中央部に銀微粒子を生成させ光散乱核とするＬＳＣ型Ｓｕｐｅｒ−ＲＥＮＳのモデル構成を示す図である。
【図９】ＴＡ型Ｓｕｐｅｒ−ＲＥＮＳディスクを回転スキャンした場合の電磁場特性評価結果の一例を示す図である。
【図１０】ＬＳＣ型Ｓｕｐｅｒ−ＲＥＮＳディスクを回転スキャンした場合の電磁場特性評価結果の一例を示す図である。
【図１１】二酸化チタン粒子表面に白金超微粒子を接触させた場合の電磁場特性評価の一例を示す図である。
【図１２】金属被覆された開口型プローブの電磁場特性評価結果の一例を示す図である。
【図１３】金属先端を用いる散乱型プローブの電磁場特性評価結果例の一例を示す図である。
【図１４】Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎの光学配置を示す図である。
【図１５】Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ配置により励起されたプラズモン光の発生例の図である。
【図１６】金属の回折格子上に励起された表面プラズモン光の発生状況を解析した電磁場特性評価結果例の図である。
【図１７】本発明による電磁場特性評価システムのハードウェア構成を説明する図である。
【図１８】本発明による電磁場特性評価システムの主要部の演算処理モジュールの構成を示すブロック図である。
【図１】
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【図２】
2005293035.tif 000033
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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