(57)【要約】【課題】Ｓ波及びＰ波の両方に共鳴を生じさせスペクトル幅の狭い電磁波を放射する電磁波放射装置を提供する。【解決手段】電磁波放射体が加熱機構に加熱され、電磁波放射体の放射面から電磁波が放射される。放射面には周期構造が露出する。周期構造においては、単位構造が周期方向に周期的に配列される。単位構造の各々は、負誘電率部及び正誘電率部を備える。負誘電率部の複素比誘電率の実部は負である。正誘電率部の複素比誘電率の実部は正である。負誘電率部及び正誘電率部は周期方向に交互に配列される。放射面における実効的な波長λeが周期構造の周期Ｐに一致する電磁波を考え負誘電率部の表皮厚Δを当該電磁波の電界の法線方向振動成分の強度が表面の１／１０に低下するまでの厚さと定義した場合に正誘電率部の幅Ｔがλe／２≦Ｔ≦Ｐ−Δを満たす。【選択図】図１
2013020714.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波放射装置であって、
電磁波を放射する放射面を有し、周期構造が前記放射面に露出し、前記周期構造において単位構造が周期方向に周期的に配列され、複素比誘電率の実部が負である負誘電率部及び複素比誘電率の実部が正である正誘電率部を前記単位構造の各々が備え、前記負誘電率部及び前記正誘電率部が前記周期方向に交互に配列され、前記放射面における実効的な波長λeが前記周期構造の周期Ｐに一致する電磁波を考え前記負誘電率部の表皮厚Δを前記電磁波の電界の法線方向振動成分の強度が表面の１／１０に低下するまでの厚さと定義した場合に前記正誘電率部の幅Ｔがλe／２≦Ｔ≦Ｐ−Δを満たす電磁波放射体と、
前記電磁波放射体を加熱する加熱機構と、
を備える電磁波放射装置。
【請求項２】
請求項１の電磁波放射装置において、
前記正誘電率部の各々により共振器が形成され、前記周期構造の周期が前記共振器の共鳴周波数の電磁波の前記放射面における実効的な波長に一致する。
電磁波放射装置。
【請求項３】
請求項２の電磁波放射装置において、
前記電磁波放射体は、
複素比誘電率の実部が負である基体部、
をさらに備え、
前記負誘電率部は、前記基体部から突出し前記周期方向に垂直な方向へ延在する線状突起であり、
前記正誘電率部は、前記周期方向に垂直な方向に延在し、前記共鳴周波数の電磁波が共鳴する幅及び深さを持つ線状溝であり、
２個の前記負誘電率部及び前記基体部により囲まれた前記正誘電率部の各々により前記共振器が形成される
電磁波放射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁波放射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属等からなる構造物が加熱された場合は、黒体放射により構造物の表面から電磁波が放射される。放射される電磁波の波長は、プランクの法則に従って広範囲に分布する。この電磁波の放射は、赤外線ランプ、白熱電球等において利用される。
【０００３】
しかし、特許文献１及び２に示すように、周期構造が構造物の表面に露出する場合は、周期構造により電磁波の共振器が形成され、周期構造の周期の自然数分の１の波長を持つ電磁波が共振器に共鳴する。このため、周期構造が表面に露出する構造物が加熱された場合は、周期構造に共鳴する波長のスペクトル幅が狭い電磁波が構造物の表面から放射される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−３２４１２６号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／１３９０２２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の技術においては、Ｓ波及びＰ波の両方に共鳴を生じさせることが困難である。
【０００６】
本発明は、この問題を解決するためになされる。本発明の目的は、Ｓ波及びＰ波の両方に共鳴を生じさせスペクトル幅の狭い電磁波を放射する電磁波放射装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、電磁波放射装置に向けられる。
【０００８】
本発明の第１の局面においては、電磁波放射体が加熱機構に加熱され、電磁波放射体の放射面から電磁波が放射される。放射面には周期構造が露出する。周期構造においては、単位構造が周期方向に周期的に配列される。単位構造の各々は、正誘電率部及び負誘電率部を備える。正誘電率部の複素比誘電率の実部は正である。負誘電率部の複素比誘電率の実部は負である。負誘電率部及び正誘電率部は周期方向に交互に配列される。放射面における実効的な波長λeが周期構造の周期Ｐに一致する電磁波が考えられ、負誘電率部の表皮厚Δが当該電磁波の電界の法線方向振動成分の強度が表面の１／１０に低下するまでの厚さと定義される。この場合は、正誘電率部の幅Ｔがλe／２≦Ｔ≦Ｐ−Δを満たす。
【０００９】
本発明の第２の局面は、本発明の第１の局面にさらなる事項を付加する。本発明の第２の局面においては、正誘電率部の各々により共振器が形成される。周期構造の周期は、共振器の共鳴周波数の電磁波の放射面における実効的な波長に一致する。
【００１０】
本発明の第３の局面は、本発明の第２の局面にさらなる事項を付加する。本発明の第３の局面においては、電磁波放射体が基体部をさらに備える。基体部の複素比誘電率の実部は負である。負誘電率部は、基体部から突出し周期方向に垂直な方向へ延在する線状突起である。正誘電率部は、周期方向に垂直な方向に延在する線状溝である。線状溝は、共鳴周波数の電磁波が共鳴する幅及び深さを持つ。２個の負誘電率部及び基体部により囲まれた正誘電率部の各々により共振器が形成される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、Ｓ波及びＰ波の両方が正誘電率部に侵入し、Ｓ波及びＰ波の両方に共鳴が生じ、スペクトル幅が狭い電磁波が放射される。
【００１２】
本発明の第２及び第３の局面によれば、周期構造及び正誘電率部の各々により形成される共振器の両方に電磁波が共鳴し、スペクトル幅が狭い電磁波が放射される。
【００１３】
これらの及びこれら以外の本発明の目的、特徴、局面及び利点は、添付図面とともに考慮されたときに下記の本発明の詳細な説明によってより明白となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】電磁波放射装置の斜視図である。
【図２】電磁波放射装置の断面図である。
【図３】電磁波放射体の断面図である。
【図４】電磁波放射体の断面図である。
【図５】電磁波の進行方向、電界方向及び磁界方向を示す断面図である。
【図６】電磁波の進行方向、電界の分布及び電界の節を示す断面図である。
【図７】共鳴の形を示す模式図である。
【図８】電磁波放射体の断面図である。
【図９】電磁波放射体の設計の手順を示すフローチャートである。
【図１０】共鳴スペクトルを示すグラフである。
【図１１】共鳴スペクトルを示すグラフである。
【図１２】共鳴周波数の深さ依存性を示すグラフである。
【図１３】共鳴スペクトルを示すグラフである。
【図１４】共鳴スペクトルを示すグラフである。
【図１５】スペクトル幅の深さ依存性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
（電磁波放射装置の概略）
図１及び図２の模式図は、電磁波放射装置の望ましい実施形態を示す。図１は斜視図である。図２は断面図である。図３の模式図は、電磁波放射体の断面を示す。
【００１６】
図１及び図２に示すように、電磁波放射装置１０００は、電磁波放射体１００２及び加熱機構１００４を備える。電磁波放射装置１０００は「輻射光源」「波長選択エミッター」等とも呼ばれる。
【００１７】
（電磁波放射体）
電磁波放射体１００２は、電磁波を放射する構造物である。図１から図３までに示すように、電磁波放射体１００２の放射面１００６には、周期構造１００８が露出する。周期構造１００８においては、単位構造１０１０が周期方向Ｄ１に周期的に配列され、１次元格子が形成される。単位構造１０１０の各々は、負誘電率部１０１２及び正誘電率部１０１４を備える。負誘電率部１０１２は負の誘電率を持つ。正誘電率部１０１４は正の誘電率を持つ。負誘電率部１０１２の各々の内部における誘電率は、典型的には均一であるが、不均一であってもよい。正誘電率部１０１４の各々の内部における誘電率は、典型的には均一であるが、不均一であってもよい。周期構造１００８は、典型的には平面に形成されるが、円周面等の非平面に形成されてもよい。例えば、白熱電球のフィラメントの表面に周期構造１００８が形成されてもよい。
【００１８】
負誘電率部１０１２は、基体部１０１６から突出し周期方向Ｄ１に垂直な方向Ｄ２に延在する線状突起である。正誘電率部１０１４は、方向Ｄ２に延在する線状溝である。基体部１０１６は、負の誘電率を持つ。負誘電率部１０１２の材質及び基体部１０１６の材質は、典型的には同じであるが、異なってもよい。基体部１０１６は、周期方向Ｄ１及び方向Ｄ２に平行に面状に広がる。
【００１９】
負誘電率部１０１２及び正誘電率部１０１４は、周期方向Ｄ１に交互に配列される。正誘電率部１０１４は、隣接する２個の負誘電率部１０１２の間隙である。間隙が誘電体で満たされ、誘電体で満たされた間隙が正誘電率部１０１４とされてもよい。誘電体は、気体、液体及び固体のいずれでもよい。２個以上の負誘電率部が単位構造の各々に設けられてもよい。２個以上の正誘電率部が単位構造の各々に設けられてもよい。
【００２０】
（負の誘電率及び正の誘電率）
複素比誘電率εcは、屈折率ｎ及び消衰定数κを用いて、式（１）であらわされる。
【００２１】
【数１】
2013020714.tif 000003
【００２２】
物が負の誘電率を持つとは、その物の複素比誘電率εcの実部ｎ2−κ2が負であることを意味する。消衰係数κが屈折率ｎより大きい場合に複素比誘電率εcの実部は負になる。
【００２３】
負の誘電率を持つ物質は、金属、合金等の導電体である。望ましくは、負の誘電率を持つ金属として金（Ａｕ）が用いられる。金には、酸化されにくいという利点がある。金に代えて、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）又は銀（Ａｇ）が用いられてもよい。これらの金属には、導電性が良好であり、理想金属に近いという利点がある。金に代えて、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、イリジウム（Ｉｒ）又はオスミウム（Ｏｓ）が用いられてもよい。これらの金属には、熱的性質及び化学的性質が良好であり、高温でも酸化されにくく、接触する物と反応しにくいという利点がある。
【００２４】
物が正の誘電率を持つとは、その物の複素比誘電率εcの実部ｎ2−κ2が正であることを意味する。消衰係数κが屈折率ｎより小さい場合に複素比誘電率εcの実部は正になる。
【００２５】
正の誘電率を持つ物質は、空気等の透明な誘電体である。真空の誘電率は１であり、真空は正の誘電率を持つ。空気の誘電率は、ほぼ１とみなしてよい。空気及び真空は、全ての波長帯において、正の誘電率を持つ望ましい物質である。望ましくは、正の誘電率を持つ物質として、赤外域においてはＳｉ（屈折率３．４８）、ＳｉＯx（屈折率１．４〜３．４８）又はＡｌ2Ｏ3（屈折率１．８）が用いられ、波長４００〜８００ｎｍの可視域においてはＧａＡｓ（屈折率３．３）、Ｓｉ（屈折率３．７）、Ｔａ2Ｏ5（屈折率２．５）又はＳｉＯx（屈折率１．４〜３．７）が用いられる。これらに代えて、ダイヤモンド、III-V族半導体、II-VI族半導体、炭化シリコン（ＳｉＣ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ）、窒化シリコン（Ｓｉ3Ｎ4）又は酸化チタン（ＴｉＯ2）が用いられてもよい。ダイヤモンドは、可視域の全体において用いられる。III-V族半導体には、ＡｌＧａＡＳ、ＧａＮ、ＧａＡｓＰ、ＧａＰ、ＩｎＧａＮ、ＡｌＧａＩｎＰ等がある。ＡｌＧａＡＳは、近赤外域及び赤色域において用いられる。ＧａＮは、緑色域及び青色域において用いられる。ＧａＡｓＰは、赤色域、橙色域及び青色域において用いられる。ＧａＰは、赤色域、黄色域及び緑色域において用いられる。ＩｎＧａＮは、青緑色域及び青色域において用いられる。ＡｌＧａＩｎＰは、橙色域、黄緑色域、黄色域及び緑色域において用いられる。II-VI族半導体には、ＺｎＳｅ等がある。ＺｎＳｅは、青色域において用いられる。屈折率の選択の範囲を広げるために、ＴｉＯ2、ＳｉＮ、ＺｎＳ等の複数の物質が組み合わされて用いられてもよく、フォトニック結晶構造を持つ材料が用いられてもよい。間隙も正誘電率部１０１４となりうる。間隙は、真空であってもよく、外部に開放されて空気（大気）に満たされてもよく、空気以外の物質で満たされてもよい。
【００２６】
（実効的な波長）
電磁波の実効的な波長λeは、電磁波が存在する場所の屈折率により決まる。また、電磁波が周期構造１００８に共鳴する場合は、正誘電率部１０１４及び放射面１００６の近傍に共鳴する電磁波の大部分が存在する。このため、実効的な波長λeは、正誘電率部１０１４の屈折率、放射面１００６の近傍の屈折率及び正誘電率部１０１４が周期構造１００８に占める割合に依存する。
【００２７】
例えば、電磁波放射体１００２が真空中に設置され、正誘電率部１０１４が真空の間隙であり、放射面１００６の近傍が真空である場合は、実効的な波長λeは、真空中の波長λ0に一致する。
【００２８】
電磁波放射体１００２が空気中に設置され、正誘電率部１０１４が空気で満たされた間隙であり、放射面１００６の近傍が空気で満たされる場合は、実効的な波長λeは、真空中の波長λ0に一致するとみなしてよい。
【００２９】
図４の模式図（断面図）に示すように放射面１００６が屈折率ｎの被覆物１０１８で被覆され、正誘電率部１０１４が屈折率ｎの被覆物１０１８で満たされた間隙であり、放射面１００６の近傍が屈折率ｎの被覆物１０１８で満たされる場合は、実効的な波長λeは、真空中の波長λ0を屈折率ｎで除する（λ0／ｎ）ことにより得られる。電磁波放射体１００２が屈折率ｎの気体中又は液体中に設置される場合も同じである。
【００３０】
フォトニック結晶構造等の微細構造が放射面１００６に設けられ、実効的な波長λeが真空中の波長λ0からずれる場合もある。この場合は、放射面１００６における実効的な屈折率ｎが数値計算等により求められる。実効的な波長λeは、真空中の波長λ0を実効的な屈折率ｎで除する（λ0／ｎ）ことにより得られる。
【００３１】
（周期構造の周期）
周期構造１００８は、特定の波長の電磁波と共鳴する共振器となる。周期構造１００８の周期Ｐは、目標とする発光ピーク周波数Ｆの電磁波の放射面における実効的な波長λeに一致させられる。これにより、電磁波放射体１００２が加熱された場合は、発光ピーク周波数Ｆにおいて分光放射輝度が極大になるスペクトル幅が狭い電磁波が放射面１００６から放射される。
【００３２】
（微小共振器）
正誘電率部１０１４の各々は、放射面１００６に向けて開かれた開口１０２０と基体部１０１６により閉鎖された底１０２２とを有し、２個の負誘電率部１０１２に挟まれる。基体部１０１６とは称しがたい構造物により底１０２２が閉塞されてもよい。２個の負誘電率部１０１２及び基体部１０１６に三方を囲まれ負の誘電率を持つ壁体に囲まれる正誘電率部１０１４の各々は、特定の周波数の電磁波を閉じ込め特定の周波数の電磁波と共鳴する共振器（以下では「微小共振器」という。）となる。望ましくは、微小共振器の共鳴周波数Ｆresは発光ピーク周波数Ｆに一致させられる。これにより、発光ピーク周波数Ｆの電磁波が周期構造１００８及び微小共振器の両方に共鳴し、スペクトル幅が狭い電磁波が放射される。ただし、微小共振器の共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致しない場合もスペクトル幅が狭い電磁波を放射するという電磁波放射装置１０００の効用が完全に失われるわけではない。
【００３３】
（正誘電率部の幅）
図５の模式図は、電磁波の進行方向、電界の方向及び磁界の方向を示す。図６の模式図は、電磁波の進行方向、電界の分布及び電界の節となる波面を示す。図５及び図６は、断面図である。
【００３４】
放射面１００６から放射される電磁波は、Ｓ波及びＰ波に分類される。周期構造１００８への電磁波の共鳴を強くするためには、Ｓ波及びＰ波の両方を正誘電率部１０１４へ侵入させることが望まれる。
【００３５】
図５には、放射面１００６となす角がθである方向Ｄ３へ電磁波が進行する場合のＳ波及びＰ波の電界Ｅ及び磁界Ｈの方向が示される。図５に示すように、Ｓ波の電界Ｅ及びＰ波の電界Ｅは、いずれも、放射面１００６に平行な接線方向振動成分を含みうる。
【００３６】
一方、負誘電率部１００２の内部においては電子が容易に振動するので、電磁波が周期構造１００８に安定して共鳴するためには、負誘電率部１００６の表面において電磁波の電界が接線方向振動成分を含まないことが求められる。
【００３７】
このため、放射面１００６の近傍に電磁波が存在するためには、放射面１００６の近傍の誘電率の振動の位相と電界の振動の位相とが整合しなければならず、電界の節となる波面１１００の位置が図６に示すように微小共振器の表面の位置（負の誘電率を持つ壁体の内面の位置）に一致しなければならない。
【００３８】
電界の振動の周期は、放射面１００６における実効的な波長λeに一致し、波面１１００が放射面１００６となす角は０〜９０°の範囲内にある。したがって、電界Ｅの節となる波面１１００の位置が微小共振器の表面の位置に一致する条件は、０以上の整数ｍを用いて、式（２）であらわされる。
【００３９】
【数２】
2013020714.tif 000004
【００４０】
式（３）の条件が満たされる場合は、特定のなす角θで放射面１００６の近傍の誘電率の振動の位相と電界の振動の位相とが整合し、Ｓ波及びＰ波の両方が正誘電率部１００４へ侵入しやすくなり、電磁波の周期構造１００８及び微小共振器への共鳴が強くなる。
【００４１】
【数３】
2013020714.tif 000005
【００４２】
また、正誘電率部１０１４に電界が閉じ込められるためには、正誘電率部１０１４を挟む負誘電率部１０１２の幅Ｐ−Ｔが表皮厚Δ以上でなければならない。表皮厚Δは、光学分野において慣用されているように、電磁波の電界の法線方向振動成分の強度が負誘電率部１０１２の表面の１／１０に低下するまでの厚さと定義される。
【００４３】
表皮厚Δは、負誘電率部１０１２の消衰係数κを用いて、式（４）であらわされる。
【００４４】
【数４】
2013020714.tif 000006
【００４５】
発光ピーク周波数Ｆ及び負誘電率部１０１２の材質が決定された場合は、式（４）から表皮厚Δが求められる。例えば、発光ピーク周波数Ｆが６０ＴＨｚであり、負誘電率部１０１２が金からなる場合を考える。この場合は、真空中の波長λ0が５μｍであり、金の複素比誘電率εcが−１２８４＋ｉ２５２であることため、式（４）から表皮厚Δは２５ｎｍであると求められる。
【００４６】
式（３）及び負誘電率部１０１２の幅Ｗ＝Ｐ−Ｔが表皮厚Δ以上でなければならないことから、Ｓ波及びＰ波の両方が正誘電率部１０１４に侵入する条件は、式（５）であらわされる。
【００４７】
【数５】
2013020714.tif 000007
【００４８】
式（５）の条件が満たされる場合は、Ｓ波及びＰ波の両方が正誘電率部１０１４へ侵入し、Ｓ波及びＰ波の両方のスペクトル幅が狭くなる。
【００４９】
（微小共振器への共鳴）
方向Ｄ２に垂直な断面における正誘電率部１０１４の断面形状（以下では単に「断面形状」という。）が矩形である場合は、正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤ、光速ｃ、正誘電率部１０１４の屈折率ｎ、幅方向の共鳴次数ｍ、深さ方向の共鳴次数ｌ並びに開放端の補正項Δφを用いて、微小共振器の共鳴周波数Ｆresは、式（６）であらわされる。正誘電率部１０１４の幅Ｄは、周期方向Ｄ１についての正誘電率部１０１４の寸法である。正誘電率部１０１４の深さＤは、周期方向Ｄ１及び方向Ｄ２に垂直な方向についての正誘電率部１０１４の寸法である。正誘電率部１０１４の深さＤは、開口１０２０から底１０２２までの距離である。
【００５０】
【数６】
2013020714.tif 000008
【００５１】
式（６）は、負誘電率部１０１２及び基体部１０１６の表面において電界の接線方向成分が零になること及び開口１０２０の近傍に電界の腹が位置するという共鳴条件から導かれる。共鳴次数ｍ及びｌによって共鳴の形は定義される。補正項Δφは、開口１０２０からの電界の腹の実効的なずれを反映し、数値計算により求められる。
【００５２】
正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤは、共鳴次数ｍ及びｌの組み合わせのいずれかにおいて共鳴周波数Ｆresが目標とする発光ピーク周波数Ｆに一致するように決定される。
【００５３】
（共鳴の形）
図７の模式図は、共鳴次数ｍが０又は１であり、共鳴次数ｌが１又は２である場合の共鳴の形を示す。図７には、電界の腹が明るい部分になり電界の節が暗い部分になるように正誘電率部１０１４の内部における電界の分布が描かれる。
【００５４】
（正誘電率部の幅及び深さ）
図８の模式図（断面図）に示すように正誘電率部１０１４の断面形状が台形であってもよい。正誘電率部１０１４の断面形状が台形である場合は、正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の深さＤが定義される。正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の深さＤは、共鳴次数ｍ及びｌの組み合わせのいずれかにおいて共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致するように決定される。
【００５５】
より一般的には、正誘電率部１０１４の幅が一定でない場合は正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の深さＤが定義される。正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の深さＤは、共鳴次数ｍ及びｌの組み合わせのいずれかにおいて共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致するように決定される。
【００５６】
正誘電率部１０１４の深さが一定でない場合は正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の平均的な深さＤが定義される。正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の平均的な深さＤは、共鳴次数ｍ及びｌの組み合わせのいずれかにおいて共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致するように決定される。
【００５７】
正誘電率部１０１４の幅及び深さが一定でない場合は正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の平均的な深さＤが定義される。正誘電率部１０１４の平均的な幅Ｔ及び正誘電率部１０１４の平均的な深さＤは、共鳴次数ｍ及びｌの組み合わせのいずれかにおいて共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致するように決定される。
【００５８】
正誘電率部１０１４の断面形状が与えられた場合の微小共振器の共鳴周波数Ｆresは、例えば、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ）法等により計算される。
【００５９】
（加熱機構）
加熱機構１００４は、電磁波放射体１００２に熱エネルギーを与え、電磁波放射体１００２を加熱する。加熱機構１００４は、セラミックヒーター、加熱コイル、レーザー加熱機構、マイクロ波加熱機構等である。加熱機構１００４が、電磁波放射体１００２に電流を流し電磁波放射体１００２を発熱させる機構であってもよい。電磁波放射体１００２は、望ましくは、プランクの法則から導かれる分光放射輝度が極大になる周波数が発光ピーク周波数Ｆに近づく温度にまで加熱され、さらに望ましくは、プランクの法則から導かれる分光放射輝度が極大になる周波数が発光ピーク周波数Ｆに一致する温度にまで加熱される。
【００６０】
（電磁波放射体の設計の手順）
図９のフローチャートは、電磁波放射体の設計の手順を示す。
【００６１】
（発光ピーク周波数の設定）
電磁波放射体１００２の設計においては、目標とする発光ピーク周波数Ｆが設定される（ステップＳ１０１）。発光ピーク周波数Ｆは、望ましくは、電磁波放射体１００２から放射される電磁波が赤外光又は可視光となるように設定される。
【００６２】
（実効的な波長の決定）
発光ピーク周波数Ｆが設定された後に、放射面１００６における発光ピーク周波数Ｆの光の実効的な波長λeが決定される（ステップＳ１０２)。
【００６３】
（周期の決定）
実効的な波長λeが決定された後に、周期Ｐが決定される（ステップＳ１０３）。周期Ｐは、実効的な波長λeに一致させられる。これにより、発光ピーク周波数Ｆの光が周期構造１００８に共鳴する。
【００６４】
（表皮厚の決定）
実効的な波長λeが決定された後に、表皮厚Δが決定される（ステップＳ１０４）。表皮厚は、式（４）から求められる。
【００６５】
（正誘電率部の幅の範囲の決定）
表皮厚Δが決定された後に、正誘電率部１０１４の幅Ｔの範囲が決定される（ステップＳ１０５）。正誘電率部１０１４の幅Ｔの範囲は、式（５）から求められる。
【００６６】
（正誘電率部の幅及び深さの決定）
正誘電率部１０１４の幅Ｔの範囲が決定された後に、微小共振器の共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致し正誘電率部１０１４の幅Ｔが決定された範囲内になるように正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤが決定される（ステップＳ１０６）。微小共振器の共鳴周波数Ｆresを発光ピーク周波数Ｆに一致させることが省略されてもよい。
【００６７】
正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤが与えられた場合の共鳴周波数Ｆresは、式（６）から求められる。より正確な共鳴周波数Ｆresを求めるために、数値計算が併用されてもよい。数値計算のみから共鳴周波数Ｆresが求められてもよい。
【００６８】
数値計算が併用される場合は、様々な周波数の光を含む広帯域光で１個の微小共振器が励振される数値計算モデルが作成され、共鳴が発生する周波数が特定される。数値計算法には、ＦＤＴＤ法、厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ）法、有限要素法等がある。また、式（６）から求められた結果を数値計算により求められた結果にフィッティングすることにより、補正項Δφが決定される。例えば、補正項Δφの候補値を変化させながら式（６）から求められた結果と数値計算により求められた結果とが比較され、式（６）から求められた結果と数値計算により求められた結果とが最も近づく候補値が補正項Δφの値として採用される。
【００６９】
望ましくは、正誘電率部１０１４の深さＤは、実効的な波長λeの１／２倍以上に決定される。これにより、正誘電率部１０１４に電磁波がさらに侵入しやすくなる。
【００７０】
この設計の手順により、Ｓ波及びＰ波の両方が正誘電率部１０１４に侵入し、Ｓ波及びＰ波の両方に共鳴が生じ、スペクトル幅の狭い電磁波が放射される。
【００７１】
（電磁波放射体の設計の変更の手順）
負誘電率部１０１２及び正誘電率部１０１４の材質が同一のまま正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤがγ倍になった場合は共鳴周波数Ｆresが１／γ倍になる。このことは、式（６）から導かれる。また、共鳴周波数Ｆresが１／γ倍になった場合は、実効的な波長λeはγ倍になる。したがって、発光ピーク周波数Ｆにおける設計が既に存在する場合は、正誘電率部１０１４の幅ＴをＴ／γへ置き換え、正誘電率部１０１４の深さＤをＤ／γへ置き換え、周期ＰをＰ／γへ置き換えることにより、発光ピーク周波数γＦにおける設計が完了する。より一般的には、発光ピーク周波数Ｆにおける設計が既に存在する場合は、周期構造１００８の断面形状を相似拡大又は相似縮小することにより、発光ピーク周波数γＦにおける設計が完了する。したがって、第１の発光ピーク周波数における設計が存在する場合は、第２の発光ピーク周波数における設計が第１の発光ピーク周波数における設計から容易に得られる。
【００７２】
より一般的に説明すると、負誘電率部１０１２及び正誘電率部１０１４の材質が決定された場合は、発光ピーク周波数Ｆと共鳴周波数Ｆresとが一致する正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤの比率が式（２）により決定される。設計の変更においては、当該比率が維持され、正誘電率部１０１４の幅Ｔ及び深さＤが倍率γで除される。また、周期Ｐも倍率γで除される。これにより、発光ピーク周波数Ｆがγ倍になる。
【００７３】
（設計例１）
設計例１は、上記の電磁波放射体の設計の手順に従った設計に関する。設計例１においては、共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致していない。
【００７４】
設計例１においては、発光ピーク周波数Ｆが６０ＴＨｚに設定される。設計例１においては、負誘電率部１０１２及び基体部１０１６が金からなり、電磁波放射体１００２が空気中に設置され、正誘電率部１０１４が空気で満たされた間隙であり、放射面１００６の近傍が空気で満たされる場合が検討される。
【００７５】
金の複素比誘電率εcは、６０ＴＨｚにおいて、−１２８４＋ｉ２５２である。金の複素比誘電率εcの虚部から理解されるように、金の導電率は６０ＴＨｚにおいて１×１０6Ｓ／ｍであり、金は６０ＴＨｚにおいて理想金属であるとみなしてよい。
【００７６】
６０ＴＨｚの光の真空中の波長λ0は５μｍである。
【００７７】
空気の複素比誘電率εcは、任意の周波数において、１であるとみなしてよい。また、電磁波放射体１００２が空気中に設置され、正誘電率部１０１４が空気で満たされた間隙であり、放射面１００６の近傍が空気で満たされる場合が検討されているので、放射面１００６における６０ＴＨｚの光の実効的な波長λeは５μｍに決定される。したがって、周期Ｐは５μｍに決定される。
【００７８】
表皮厚Δは、０．０２５μｍに決定され、正誘電率部の幅Ｔの範囲は２．５μｍ≦Ｔ≦５−０．０２５μｍに決定される。
【００７９】
正誘電率部の幅Ｔは、２．５μｍ≦Ｔ≦５−０．０２５μｍの範囲内から選択され、２．６μｍに決定される。また、正誘電率部の深さＤは、正誘電率部１０１４に電磁波を侵入しやすくするため、実効的な波長λeの１／２倍以上である５．２μｍに決定される。
【００８０】
図１０のグラフは、設計例１及び比較例のＳ波の共鳴スペクトルを示す。図１１は、設計例１のＰ波の共鳴スペクトルを示す。図１０及び図１１のグラフには、電磁波の強度（縦軸）の波長（横軸）への依存性が示される。比較例１においては、正誘電率部の幅Ｔが２．５μｍ≦Ｔ≦５−０．０２５μｍの範囲外の１．０μｍに変更されている。電磁波の強度は、ＲＣＷＡ法により計算される。電磁波の強度がＦＤＴＤ法、有限要素法等により求められた場合もほぼ同じ結果が得られる。
【００８１】
図１０に示すように、比較例においてはＳ波に共鳴が生じないが、設計例１においてはＳ波に共鳴が生じる。また、図１１に示すように、設計例１においてはＰ波にも明確な共鳴が生じる。すなわち、設計例１においてはＳ波及びＰ波の両方に共鳴が生じる。
【００８２】
（設計例２）
設計例２は、上記の電磁波放射体の設計の手順に従った設計に関する。設計例２は、正誘電率部１００４の深さＤが２．７μｍに変更され共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆに一致する点が設計例１と異なる。
【００８３】
設計例２においては、設計例１と同じように、発光ピーク周波数Ｆが６０ＴＨｚに設定される。また、光の実効的な波長λeが５μｍに決定され、周期Ｐが５μｍに決定される。さらに、表皮厚Δが０．０２５μｍに決定され、正誘電率部の幅Ｔの範囲が２．５μｍ≦Ｔ≦５−０．０２５μｍに決定される。
【００８４】
図１２のグラフは、共鳴周波数Ｆres（縦軸）の正誘電率部１０１４の深さＤ（横軸）への依存性を示す。図１２のグラフには、正誘電率部１０１４の幅Ｔが２．６μｍに固定され正誘電率部１０１４の深さＤが変化させられた場合の共鳴周波数Ｆresの変化が示される。図１２のグラフには、ＦＤＴＤ法により計算された共鳴周波数Ｆresが点で示され、式（６）から計算された共鳴周波数Ｆresが線で示される。式（６）から求められた共鳴周波数Ｆresは、ＦＤＴＤ法により求められた共鳴周波数Ｆresにフィッティングされ、補正項Δφは−１５０°に設定される。
【００８５】
図１２のグラフからは、正誘電率部１０１４の深さＤにより共鳴周波数Ｆresが制御されることが理解される。また、図１２のグラフからは、正誘電率部１０１４の幅Ｔが２．６μｍである場合は、共鳴周波数Ｆresを発光ピーク周波数の６０ＴＨｚに一致させることができる共鳴モードのひとつは、共鳴次数ｍが０であり共鳴次数ｌが２であるＦres［０，２］であることが理解される。さらに、図１２のグラフからは、正誘電率部１０１４の幅Ｔが２．６μｍである場合は、共鳴周波数Ｆresが発光ピーク周波数Ｆの６０ＴＨｚに一致するのは、正誘電率部１０１４の深さＤが２．７μｍである場合であることが理解される。したがって、正誘電率部１０１４の幅Ｔは２．６μｍに決定され、正誘電率部１０１４の深さＤは２．７μｍに決定される。
【００８６】
図１３及び図１４のグラフは、設計例２の共鳴スペクトルを示す。図１３はＳ波の共鳴スペクトルを示す。図１４はＰ波の共鳴スペクトルを示す。図１３及び図１４のグラフには、吸収率（縦軸）の波長（横軸）への依存性が示される。吸収率は、ＲＣＷＡ法により計算される。ＲＣＷＡ法による吸収率の計算においては、無限個の単位構造１０１０が周期的に配列された電磁波放射体１００２の放射面１００６に垂直に様々な周波数の光を含む広帯域光が照射される数値計算モデルが作成され、方向Ｄ２に偏光する光の吸収率が計算される。
【００８７】
図１３に示すように、設計例２のＳ波の共鳴スペクトルにおいては、スペクトル波長幅（半値全幅）は１．８５μｍとなり、発光ピーク波長は５μｍとなった。図１４に示すように、設計例２のＰ波の共鳴スペクトルにおいては、スペクトル波長幅（半値全幅）は０．００５μｍとなり、発光ピーク波長は５μｍになった。
【００８８】
共鳴の鋭さは、発光ピーク波長をスペクトル波長幅で除した値であるＱ値で表される。設計例２のＳ波の場合は、Ｑ値は２．７である。設計例２のＰ波の場合は、Ｑ値は１０００である。
【００８９】
比較のために、国際公開第２００７／１３９０２２号の図５２から図５４までのグラフに示された共鳴スペクトルから求められたＱ値を表１に示す。
【００９０】
【表１】
2013020714.tif 000009
【００９１】
国際公開第２００７／１３９０２２号の電磁波放射体においては、Ｓ波の共鳴は生じない。また、表１に示すＰ波のＱ値は、１６〜３１であり、設計例２より著しく小さい。すなわち、設計例２においては、Ｓ波及びＰ波の両方に共鳴が生じる。
【００９２】
図１５のグラフは、Ｐ波のスペクトル幅Δλ（縦軸）の正誘電率部１０１４の深さＤ（横軸）への依存性を示す。図１５には、正誘電率部１０１４の深さＤを上記の２．７μｍからずらした場合のＰ波のスペクトル幅Δλが示される。
【００９３】
図１５に示すように、正誘電率部１０１４の深さＤが上記の２．７μｍからずらされた場合は、Ｐ波のスペクトル幅Δλが広くなる。
【００９４】
（設計例３〜７）
設計例３〜７は、上記の電磁波放射体の設計の手順に従った設計に関する。
【００９５】
表２は、発光ピーク周波数Ｆが３０〜７０ＴＨｚに設定された設計例３〜７の設計結果を示す。共鳴次数ｍは０とし、共鳴次数ｌは２とした。
【００９６】
【表２】
2013020714.tif 000010
【００９７】
設計例３〜７においても、Ｓ波及びＰ波の両方に共鳴が生じ、著しく大きいＱ値が得られ、スペクトル幅が狭い電磁波を放射する電磁波放射体１００２が得られる。
【００９８】
（設計例８〜１２）
設計例８〜１２は、上記の電磁波放射体１００２の設計の手順に従った設計の例に関する。
【００９９】
表３は、発光ピーク周波数Ｆが３０〜７０ＴＨｚに設定された設計例８〜１２の設計結果を示す。共鳴次数ｍは０とし、共鳴次数ｌは４とした。フィッティングから、補正項Δφは−１２０°に設定される。
【０１００】
【表３】
2013020714.tif 000011
【０１０１】
共鳴モードがＦres［０，４］へ変更された設計例８〜１２においても、Ｓ波及びＰ波の両方に共鳴が生じ、著しく大きいＱ値が得られ、スペクトル幅が狭い電磁波を放射する電磁波放射体１００２が得られる。
【０１０２】
この発明は詳細に説明されたが、上記の説明は、すべての局面において例示であり、この発明は上記の説明に限定されない。例示されない無数の変形例が、この発明の範囲から外れることなく想定されうる。
【符号の説明】
【０１０３】
１０００  電磁波放射装置
１００２  電磁波放射体
１００４  加熱機構
１００６  放射面
１００８  周期構造
１０１０  単位構造
１０１２  負誘電率部
１０１４  正誘電率部
【図１】
2013020714.tif 000012
【図２】
2013020714.tif 000013
【図３】
2013020714.tif 000014
【図４】
2013020714.tif 000015
【図５】
2013020714.tif 000016
【図６】
2013020714.tif 000017
【図８】
2013020714.tif 000018
【図９】
2013020714.tif 000019
【図１０】
2013020714.tif 000020
【図１１】
2013020714.tif 000021
【図１２】
2013020714.tif 000022
【図１３】
2013020714.tif 000023
【図１４】
2013020714.tif 000024
【図１５】
2013020714.tif 000025
【図７】
2013020714.tif 000026