三维各向同性超材料、其制造方法、以及具备该超材料的太赫兹区域光学元件

1.本发明涉及三维各向同性超材料。更详细而言，涉及三维各向同性超材料、具备该三维各向同性超材料的太赫兹区域光学元件和三维各向同性超材料的制造方法。


背景技术：

2.太赫兹波是频率为0.1thz～10thz左右的电磁波，具有物质固有的指纹谱和高透射性，对生物体的影响小，因此被认为可用于安保及医疗方面的传感，近年来正在积极进行研究。例如，有报道称，根据太赫兹波的透射光谱的差异，成功判断了信封中的药物(optics express,11卷,2549～2554,2003；非专利文献1)。
3.但是，太赫兹区域的传感技术尚不发达。其理由可以举出：在太赫兹波段可用作光学元件的低损耗材料为表1所示的程度，设计自由度较小。
4.【表1】
5.表1：太赫兹元件用材料的折射率
6.材料名太赫兹波段中的折射率聚甲基戊烯(tpx)1.456
±
0.001(1～10thz)聚乙烯1.52
±
0.02(1～8thz)cop(tsurupica)1.56金刚石2.383
±
0.002(4.25～6.3thz)硅单晶(si)3.4175
±
0.0001(0.5～4.5thz)ptfe(特氟龙)1.44～1.48(1.5～6thz)
7.因此，作为能够控制透射或折射等光学特性的材料，提出了由波长较小的微小金属构成的人工结构体即超材料。在太赫兹区域，已经表明通过在聚合物膜上制作金属制线的图案，在特定频率下可获得现有材料的2倍以上的折射率(infrared milli terahz waves,38卷,1130～1139,2017；非专利文献2)，期待用于小型化且高性能的透镜及棱镜等中。图1所示的开口谐振环(split ring resonator；以下简称为srr)在环的一部分设有间隙，可以视为将间隙部分作为电容的lc谐振电路，原则上能够在谐振频率附近改变折射率(optics letters,30卷,1348～1350,2005；非专利文献3)。
8.非专利文献2和3中记载的超材料均为平面周期结构，响应仅限于特定的入射方向。但是，实际上需要对所有入射方向均以相同方式响应的结构。另外，为了充分确保与电磁波的相互作用距离，还需要毫米(mm)数量级以上的厚度结构。
9.为了解决该课题，需要具有由于微细结构而具有各向同性的光学特性的三维结构的超材料。但是，通常使用的平版印刷法难以制作具有厚度的结构，需要新的方法。
10.作为三维超材料，迄今为止提出了在树脂壁面制作srr的方法(adv.mater.22卷,5053～5057,2010；非专利文献4)。该方法在基板平面外构筑一个层，可制作的厚度具有界限。另外，已报道了一种超材料，其在基板上重叠了将srr图案化的层(nature materials,7
卷,31～37,2008；非专利文献5)。根据非专利文献5，可制作的厚度没有限制，但srr的朝向存在限制，具有特性随方向变化的问题。因此，目前尚未实现具有完全的各向同性的超材料。
11.现有技术文献
12.非专利文献
13.非专利文献1：optics express,11卷,2549～2554(2003)
14.非专利文献2：infrared milli terahz waves,38卷,1130～1139(2017)
15.非专利文献3：optics letters,30卷,1348～1350(2005)
16.非专利文献4：adv.mater.,22卷,5053～5057(2010)
17.非专利文献5：nature materials,7卷,31～37(2008)


技术实现要素：

18.发明所要解决的课题
19.本发明的课题在于提供一种超材料及其制造方法，该超材料中，srr等超原子(超材料单元结构)不依赖于方向而以分散的方式立体地埋设在透明介质(树脂)中，并且，验证所制作的超材料具有所期望的光学特性(各向同性、折射率控制性)。
20.用于解决课题的手段
21.本发明人通过具体实施方式的项(后述)中说明的方法对三维各向同性太赫兹区域用超材料结构进行三维模型的设计(计算与响应)、制作和实验，通过利用有限积分法(fit)的计算示出具有随机结构的三维超材料的有用性，确立了srr不依赖于方向而分散于环烯烃聚合物(cop)中的三维超材料，对所制造的超材料测定光学特性(各向同性、折射率控制性)，验证并确认了所制作的三维超材料与平面的周期结构相比消除了偏振光依赖性。并且，确认所制作的三维超材料在0.35thz波段实现了1.50～1.60的折射率，在0.7thz波段实现了1.43～1.60的折射率，由此完成了本发明。
22.即，本发明提供下述[1]～[14]的三维各向同性超材料、其制造方法以及具备该超材料的物品。
[0023]
[1]一种三维各向同性超材料，其特征在于，其在透明树脂体中包含将超原子埋设到透明树脂中而成的超原子块片的集聚体。
[0024]
[2]如前项1所述的三维各向同性超材料，其中，超原子为srr。
[0025]
[3]如前项2所述的三维各向同性超材料，其在透明树脂体中包含将srr埋设到透明树脂体的中央部或其附近而成的srr块片集聚体。
[0026]
[4]如前项2或3所述的三维各向同性超材料，其中，srr块的尺寸为：环宽w为1μm以上，平均半径r为1μm～500μm，周期(一片)a为3μm～3000μm。
[0027]
[5]如前项4所述的三维各向同性超材料，其中，srr由导电性材料(导电体)构成。
[0028]
[6]如前项5所述的三维各向同性超材料，其中，上述导电体为选自由金属材料、透明导电性氧化物和碳材料组成的组中的至少一种。
[0029]
[7]如前项1～6中任一项所述的三维各向同性超材料，其中，透明树脂体的材料是对太赫兹区域的光为透明的非导电性材料。
[0030]
[8]一种三维各向同性超材料的制造方法，其特征在于，包括下述工序：工序(p1)，
在透明树脂膜(1a)上形成导电体膜，通过蚀刻形成超原子块集合体；工序(p2)，在上述超原子块集合体上涂布透明树脂溶液后，贴合透明树脂膜(1b)；工序(p3)，干燥后，将上述透明树脂膜(1a)与基板片(2)接合；工序(p4)，将超原子块集合体切割(dicing)成规定尺寸后，作为在透明树脂(1)中埋设有超原子的块片从基板片(2)剥离；工序(p5)，在模型(模具)内将超原子埋设块片均匀分散到透明树脂溶液中后进行固化，将固化成型体从模具中取出。
[0031]
[9]如前项8所述的三维各向同性超材料的制造方法，其中，超原子块为srr块。
[0032]
[10]如前项9所述的三维各向同性超材料的制造方法，其中，srr块的尺寸为：环宽w为1μm以上，平均半径r为1μm～500μm，周期(一片)的长度a为3μm～3000μm。
[0033]
[11]如前项8～10中任一项所述的三维各向同性超材料的制造方法，其中，上述导电体为选自由金属材料、透明导电性氧化物和碳材料组成的组中的至少一种。
[0034]
[12]如前项8～11中任一项所述的太赫兹区域光学元件用三维各向同性超材料的制造方法，其中，透明树脂膜和透明树脂溶液的树脂材料是对太赫兹区域的光为透明的非导电性材料。
[0035]
[13]一种物品，其具备前项1～7中任一项所述的三维各向同性超材料。
[0036]
[14]如前项13所述的物品，其中，上述物品为太赫兹区域光学元件。
[0037]
发明的效果
[0038]
通过本发明的三维各向同性超材料和具备该三维各向同性超材料的太赫兹区域光学元件的实现，使具有物质固有的指纹谱和高透射性、对生物体的影响小的太赫兹波(频率0.1～10thz)的电磁波的利用成为现实。对于三维各向同性超材料来说，太赫兹区域光的应用领域没有特别限定，例如，可以举出没有角度依赖性的滤光器、薄型透镜、使用棱镜的光谱仪等应用。
[0039]
此外，在用于太赫兹区域光学元件的情况下，可以举出例如太赫兹用隐形斗篷、隐身技术搭载产品(太赫兹波反射
·
吸收抑制技术)、无线电干扰消除技术搭载产品(操作太赫兹波的方向)、高灵敏度超小型天线、ic标签、高角度光束扫描天线、近场显微镜装置、高效探测器、太赫兹波段光波导
·
光纤、危险品检查装置、机场用安保检查装置、人体扫描仪(用于金融
·
信息终端室
·
机场等)、药品检查装置、生物体认证装置(用于金融
·
信息终端室
·
机场等)、食品品质安全检查装置、食品品质管理装置、农作物检查装置、医药品检查装置、生物芯片
·
dna分析装置、癌症诊断装置、半导电体晶片评价装置、lsi缺陷检查装置、大气环境分析装置等应用相关的物品或系统、装置等。
附图说明
[0040]
图1是srr的工作原理图(a)和srr的等效电路图(b)。
[0041]
图2示出二维模型的单位晶格(unit cell)。
[0042]
图3示出三维模型的单位晶格。
[0043]
图4是srr的电响应(1)和磁响应(2)工作的说明图。
[0044]
图5示出srr的电响应(1)和磁响应(2)的透射特性。
[0045]
图6示出srr块的尺寸例。
[0046]
图7示出由srr的周期变化引起的响应频移。
[0047]
图8示出使srr相对于y轴旋转90
°
的二维模型。
[0048]
图9示出使srr相对于x轴旋转的透射特性的变化。
[0049]
图10示出使srr相对于y轴旋转的透射特性的变化。
[0050]
图11示出使srr相对于z轴旋转的透射特性的变化。
[0051]
图12是srr的正交配置的说明图。
[0052]
图13是srr的旋转的说明图。
[0053]
图14示出三维模型例。
[0054]
图15示出平均化的透射特性。
[0055]
图16示出三维模型(3层)的折射率特性。
[0056]
图17示出由srr的密度变化引起的透射特性的变化。
[0057]
图18示出由srr的尺寸变化引起的透射特性的变化。
[0058]
图19示出改变srr的层数时的层数与最小透射率、最大折射率和最小折射率的关系。
[0059]
图20示出二维模型的透射率的入射角依赖性。
[0060]
图21示出二维模型的透射率的偏振光依赖性。
[0061]
图22示出三维模型的透射率的入射角依赖性。
[0062]
图23示出三维模型的透射率的偏振光依赖性。
[0063]
图24示出三维超材料制作流程。
[0064]
图25示出三维超材料制作工艺的1例。
[0065]
图26示出所制作的srr图案的1例。
[0066]
图27示出所切割的srr块的1例。
[0067]
图28示出块内部的srr。
[0068]
图29是取出的srr块集合体的照片。
[0069]
图30是(图3.21)研磨后的超材料例的照片。
[0070]
图31是使焦点位置从表面附近(1)变深到(4)的三维超材料的显微镜照片。
[0071]
图32是在cop膜上制作的srr图案(a＝125μm)的图像。
[0072]
图33是由2种不同尺寸的srr块制作的三维超材料的照片。
[0073]
图34是棱柱形状的三维超材料的照片。
[0074]
图35示出srr膜中的偏振光x的电磁场的方向。
[0075]
图36示出srr膜的透射特性(r＝46μm)。
[0076]
图37示出srr膜的折射率特性(r＝46μm)。
[0077]
图38示出三维超材料中的偏振光x的电磁场的方向。
[0078]
图39示出三维超材料的透射特性(a＝200μm,r＝46μm)。
[0079]
图40示出三维超材料的折射率特性(a＝200μm,r＝46μm)。
[0080]
图41示出三维超材料的透射特性(a＝200μm,r＝86μm)。
[0081]
图42示出三维超材料的折射率特性(a＝200μm,r＝86μm)。
[0082]
图43示出三维超材料的透射特性(a＝100μm,r＝46μm)。
[0083]
图44示出三维超材料的折射率特性(a＝100μm,r＝46μm)。
[0084]
图45是利用棱镜的折射角验证的示意图。
[0085]
图46示出折射角的频率特性(r＝86μm,a＝200μm)。
[0086]
图47示出折射角的频率特性(r＝46μm,a＝100μm)。
具体实施方式
[0087]
对于本发明的三维各向同性太赫兹超材料的结构，按照三维模型的设计(计算与响应)、制作和实验结果的顺序进行说明。
[0088]
首先，通过有限积分法进行用于预测所制作的超材料的响应的计算。首先，将1种srr在xy方向进行周期排列而作为二维模型，作为对于电磁波的基本响应，假设在随机配置下大部分的srr相对于入射波倾斜配置，调查了倾斜srr时的响应(图2)。然后，使srr的朝向为6种，在z方向上配置3层而作为三维模型(图3)，预测随机结构的响应。在确定计算方法后，调查对于垂直入射的基本响应，改变srr的尺寸、周期来调查在配置随机、无周期性的情况下是否在设计的频带显示出响应，最后调查是否消除了偏振光依赖、入射角依赖。
[0089]
对开口环(srr)的基本工作进行说明。在入射波的电场分量沿间隙或磁场分量垂直于环平面且磁场穿透环时，srr基本上以特定频率显示出响应。显示出电场响应、磁场响应时的透射特性示于图4和图5。在0.7thz附近观察到共通的响应(一阶偶极子谐振中对应于lc谐振的响应)，但具有依赖于srr形状参数、周期性的影响小的特征。关于该响应与其他频率的响应，可知在改变周期(srr彼此的间隔)时一阶谐振的响应频率基本上没有位移(图6和图7)。
[0090]
接着，调查了srr相对于垂直入射倾斜时的响应(图8～图11)。图8中示出使srr相对于y轴旋转90
°
时的二维模型。在x轴旋转时，间隙和电场始终平行，响应分量未损失，因此响应几乎没有变化(图9)。关于y轴(图10)、z轴(图11)旋转，由于引起lc谐振的分量缓慢减少，因此响应减弱，但没有频移。由以上内容可知，只要存在少量对电场或磁场有响应的分量，就以一定频率显示出响应。
[0091]
接着，通过模拟预测了所制作的srr随机配置的三维超材料的响应。将srr配置成与各轴正交的情况下，考虑了图12的(1)～(6)所示的6种朝向。在该配置下，对于任何入射方向，任一种srr均会做出响应。以该基本配置为基础，使各srr沿x轴、y轴方向旋转θ而倾斜配置以形成随机配置结构，使所有srr对垂直入射做出响应(图13)，将其配设成3层且相同朝向的srr不重叠而作为三维模型(图14)。对于该模型，对改变了旋转角的图案进行模拟并平均化，由此预测随机的三维超材料结构的特性。
[0092]
若对改变角度计算的7个透射特性进行平均，可知在0.7太赫兹附近透射大幅下降(图15)。由此可以预测，即便随机地配置srr，也在与周期结构相同的频带显示出响应。关于折射率，也在对应的频带观察到变动(图16)。
[0093]
接着，通过模拟调查改变了周期和srr的尺寸的响应的变化。首先，将周期从120μm变化至280μm，光谱形状改变，但响应频带没有变化(图17)。若将srr的尺寸(平均半径)从46μm变化为86μm，则响应向低频侧位移(图18)。由于即使改变周期、响应也无变化，若改变srr的平均半径则响应位移，因此认为三维模型的响应不取决于周期性，而取决于srr本身的特性。
[0094]
对于srr 3层配置的上述三维模型，调查改变层数时的响应的变化。由该计算认为，超材料的厚度越增加，则透射的下降越大(图19)。
[0095]
接着，将偏振光依赖性、入射角度依赖性与平面结构进行比较(图20和图21)。在改
变入射波的偏振光时，平面结构每倾斜45
°
、90
°
则响应发生变化，但三维模型中均表现出相似的特性。可知，即使将入射角度倾斜至40
°
也无变化，在0.7thz附近显示出响应(图22和图23)。由上述结果认为，通过随机配置srr，能消除方向依赖性。
[0096]
由上述计算结果可预测，所制作的超材料无论周期性如何，均以特定频率响应，该响应不依赖于太赫兹波的入射方向。若能实现该特性，则应该能消除现有的滤光器中存在的方向依赖性。
[0097]
[三维超材料的制作]
[0098]
图24中示出制作三维超材料的工艺的概要的流程图。制作在环烯烃聚合物(cop)膜中排列有srr的样品，按照1个1个地分割srr的方式进行切分，使其为块状，将块状物集聚并成型，使srr块三维分散在cop的块中。
[0099]
(图25)(a)～(k)中示出制作工艺的1例的详细情况(工序)。
[0100]
在透明树脂膜(cop膜)(1a)上形成金属膜(au膜)，通过光刻法蚀刻au膜，形成srr环宽w(μm)、平均半径r(μm)、周期(一片)的长度a(μm)的srr块集合体(a)，在srr块集合体上涂布树脂溶液(cop溶液)(1b)后(b)，贴合透明树脂膜(cop膜)(1b)(c)。此处，代替树脂膜的贴合，也可以利用旋涂、溅射或cvd等技术将透明树脂材料成膜。需要说明的是，如图6中所示，平均半径r(μm)相当于至srr环宽w(μm)的中心的半径。
[0101]
接着，在真空干燥后(d)，将cop膜(1c)接合到带状基板(2)上(e)。将srr块集合体切割成单独的srr块(f)，将srr埋设块从带状基板(2)剥离(g)，得到srr埋设块集合体。将该srr埋设块的集合体放入模型(模具)(3)中(h)，注入透明树脂(cop)(1b)溶液而使块均匀分散后(i)，进行干燥固化(j)。得到作为固化成型体的三维超材料(4)(k)。
[0102]
溅射使用sanyu electron co.,ltd.制造的quick coater sc
‑
701hmcii。光刻使用了suss对准器。srr块的设计尺寸为平均半径r＝46μm、srr环宽w＝15μm、间隙g＝10μm、周期(一片)的长度a＝200μm。考虑到通过切割(dicing)所切分(cut)的宽度，srr彼此的间隔(周期)设为225μm。cop膜使用zeon corporation制造的厚度100μm的zeonor film(注册商标)zf14。此处，切断成块片的方法不限于切割，也可以为按压刀片的切断方法、如切分器那样进行切分的方法、按压模具的模具压制加工、利用线锯的切断、使用切削刀具(bite)等切削工具的精密机械加工等。
[0103]
需要说明的是，srr图案的绘制范围为6cm
×
6cm(每一张膜相当于srr70756个)。图26中示出所制作的srr图案的显微镜照片。如表2所示，能够以足够的精度在cop膜上制作srr。
[0104]
cop溶液的制备使用zeon corporation制造的cop粒料(商品名；zeonex)。在二甲苯中加入zeonex并搅拌，使其完全溶解，得到cop溶液。对cop的溶液进行旋涂，贴合相同的膜。
[0105]
【表2】
[0106]
表2：srr的设计尺寸与制作尺寸
[0107] 设计值[μm]制作尺寸[μm]平均半径r4646.1环宽w1514.6间隙g1010.3
[0108]
[srr块的制作]
[0109]
将所切割的srr块示于图27。以良好的精度得到了一边尺寸为200μm的块。可以确认在块内部包含srr(图28)。切割后，将切割带的粘合部分溶解于溶剂(丙酮)中，取出块，用异丙醇(ipa)清洗并在烘箱中干燥。如图29所示，得到了粉末状的srr块集合体。在放大照片(未图示)中确认到cop块内包含srr。
[0110]
[srr块的成型]
[0111]
将所制作的srr块放入铝制的模具中，利用cop溶液成型。即，实施下述工序：将srr块放入模具中后，注入cop溶液并使其干燥。使用musashino denshi,inc.制造的automatic lapping polishing machine ma
‑
200d对成型后的超材料的两面进行研磨。研磨后的超材料示于图30。所得到的超材料厚为1.6mm，相当于集聚了8层200μm的srr块。
[0112]
[三维超材料的制作结果]
[0113]
对所制作的三维超材料进行显微镜观察。对于超材料上的1处，改变聚焦深度进行观察，将照片示于图31。若焦点位置从表面附近的(1)变深到(4)，则观察到不同的srr，srr不依赖于方向，srr的位置随机是三维的，确认是srr随机分散在cop中的三维超材料。关于图31的各图像，测定srr彼此的距离所得到的平均值为226.5μm。由该结果预测，cop中的srr密度为约86个/mm3。srr块是一边为200μm的立方体，最密填充时每1mm3为125个。可知制作超材料的密度相对于最密填充密度为约三分之二。代替r＝46μm的上述srr而将srr的尺寸变更为r＝86μm来尝试制作三维超材料，即使环径为86μm也制作成功。
[0114]
[改变块尺寸时的制作]
[0115]
制作一边为100μm的srr块，同样地进行三维超材料的制作。将在cop膜上制作出srr图案的图像示于图32。将利用该100μm正方形块制造的三维超材料与利用200μm正方形块制造的三维超材料一起示于图33中。可知：利用100μm方形块制造的超材料比利用200μm方形块制造的超材料金色更深、密度更高。srr密度预测为约647个/mm3。
[0116]
[使用三维超材料的棱镜的制作]
[0117]
通过上述制作方法制作出棱柱形状的超材料。设计尺寸为r＝86μm、w＝15μm、g＝10μm、a＝200μm。这是因为，通过后述测定，得到了比r＝46μm时更大的折射率变化。准备棱柱形状的成型用模具，与上述超材料同样地进行成型和研磨。所制作的超材料示于图34。可以与图30所示的圆形三维超材料同样地成型。通过棱镜的内部和侧面的显微镜观察能够确认srr随机分散的情况，关于srr配置，确认到没有方向依赖性。
[0118]
实验例
[0119]
[太赫兹时域光谱法(thz
‑
tds)]
[0120]
通过太赫兹时域光谱法(terahertz time
‑
domain spectroscopy：thz
‑
tds)测定了所制作的三维超材料的光学特性。需要说明的是，thz
‑
tds为下述方法：照射太赫兹波，测定透过试样时的电磁波的波形和无试样时的电磁波的波形，由各波形的傅利叶变换光谱比得到太赫兹波段中的吸收光谱(terahertz spectroscopy,j.phys.chem.,106卷,7146～7159,2002、c.r.acad sci.,4卷,983～988,2001)。
[0121]
[超材料的测定]
[0122]
调查对超材料的样品垂直入射太赫兹波时的透射特性。作为比较对象，使用通过图25所示的制作工艺结束膜接合并使其干燥的样品。srr的尺寸如上述表2所示，srr的间隔
a为225μm。关于srr膜，如图35所示，将电场分量与间隙平行的情况作为偏振光x，将使偏振光变化90
°
的情况作为偏振光y来进行测定。将此时的透射特性与以制作尺寸制成的二维模型的计算结果一起示于图36。偏振光x在0.7thz附近观察到透射的下降，但偏振光y未观察到该响应。关于折射率特性，如图37所示，也仅偏振光x在0.7thz附近观察到响应。由此可知，作为二维排列有srr的周期结构的srr膜具有偏振光依赖性。在偏振光x下观察到透射下降的频率与计算结果充分一致。
[0123]
接着，示出三维超材料的测定结果。关于三维超材料，srr的方向并不统一，但为了调查由偏振光引起的特性，将图38的偏振光的朝向定义为偏振光x。与此相对，使偏振光旋转90
°
而作为偏振光y。将利用这些偏振光的透射率的测定结果示于图39。图39中还示出重现了所制作的超材料的srr的制作尺寸、密度的测定值的模型的计算结果。可知：偏振光x、y均在0.7thz附近透射率下降，在所制作的三维超材料中，与膜状态相比，偏振光依赖性被消除。此时的折射率特性示于图40。偏振光x、y均在0.7thz附近观察到1.51～1.53的折射率变化(计算结果为1.48～1.56)。使srr的平均半径r为86μm而制作的三维超材料的透射率的测定结果示于图41。相较于r＝46时，响应频率向低频侧位移，在0.35thz附近透射率下降。偏振光x、y的响应充分一致。此外，此时的折射率特性示于图42。在0.35thz附近能够得到1.50～1.60(计算结果为1.41～1.72)这种更大的折射率变化。
[0124]
设r＝46μm、a＝100μm而制作的三维超材料的透射率的测定结果示于图43。可知：在0.7thz附近透射率大体降至0。此时的折射率特性示于图44。0.7thz附近的折射率变化为1.43～1.60(计算结果为1.40～1.76)，与利用200μm见方的块制作时相比得到了更大的折射率变化。由3种三维超材料的测定结果可知，响应频带根据srr的尺寸而变化，并且折射率变化的大小根据密度而变化。
[0125]
[利用棱镜的折射角验证]
[0126]
与图34所示的情况同样地，制作梯形棱柱形状的超材料，并通过下述方法调查了折射角。图45中示出示意图。从倾斜侧面的相反侧入射太赫兹波，一边改变检测器的位置，一边调查透过棱镜的太赫兹波的强度达到最大的位置，由此可以获知折射角δ。折射角δ可以利用下述式(1)计算。
[0127]
【数1】
[0128]
δ＝sin
‑1(n
2 sinα)
‑
α
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0129]
若使用设r＝86μm、a＝200μm而制作的图34所示的超材料的棱镜，则α＝25
°
，棱镜的折射率n2如图42所示。若棱镜具有图45的偏振光x时的折射率特性，则利用式(1)进行计算，由此得到图46的曲线图，可以预测δ在响应频带内变化为14.45
°
～17.63
°
。需要说明的是，仅利用cop制作相同形状的棱镜时，折射角δ为14.86
°
。另外，在设r＝46μm、a＝100μm而制作的相同形状的超材料的棱镜中，如图47所示，在0.7thz频带中δ变化为12.24
°
～17.40
°
，可以预测其变化量为5.16
°
。在表1所示之中，若利用太赫兹波段中的折射率变化最大的特氟龙制作相同形状的棱镜，则δ为12.49
°
～13.72
°
，其变化量为1.23
°
。由此，在由本发明提出的超材料制作的棱镜中，在特定的频率下，能够实现比现有材料明显更高的分辨率。
[0130]
如上所述，对于srr随机分散在cop中的三维超材料，本发明人对各向同性、折射率控制性进行了验证。通过利用有限积分法的计算提出的三维超材料与二维结构相比消除了
各向异性，能够通过尺寸参数控制响应频率或强度。另外，通过将埋设有1个srr的立方体的块集聚并成型的方法进行三维超材料的制作，通过thz
‑
tds测定所制作的三维超材料，评价了透射特性、折射率特性。
[0131]
通过二维模型的计算，与其他模式的谐振相比，与srr的lc谐振相对应的一阶偶极子谐振由周期性变化引起的频移小，对于制作没有周期性的随机结构有用。将相同的srr扩展到三维模型进行了计算，结果确认到与二维模型的响应频带对应的0.7thz附近的响应。改变srr的尺寸进行了计算，结果可知，srr的平均半径越大，则响应频带越向低频侧位移。另外，改变srr的密度进行了计算，结果可知，响应频带没有变化，但密度越高则透射的下降和折射率的变动越大。此外，可知在三维模型中消除了入射角度依赖性、偏振光依赖性。
[0132]
通过thz
‑
tds进行了测定，结果所制作的三维超材料的响应与设计频率大体一致。设平均半径r＝46μm、块的一边a＝200μm而制作的超材料在0.7thz频带下透射下降，显示出1.51～1.53的折射率变化。另外，在使偏振光旋转90
°
的情况下也显示出同样的响应，与二维结构相比，确认到消除了偏振光依赖性。设r＝86μm、a＝200μm而制作的超材料在0.35thz频带下显示出透射下降，得到1.50～1.60的折射率变化。另外，与使偏振光旋转90
°
时的响应充分一致。设r＝46μm、a＝100μm而制作的超材料在0.7thz频带下与a＝200μm时相比透射大幅下降，得到了1.43～1.60的最大折射率变化。
[0133]
本发明中实现的1.60的折射率是远高于作为现有光学元件使用的树脂材料的折射率。
[0134]
如上所述，本发明的超材料在太赫兹区域实现了天然材料无法得到的折射率。根据本发明的超材料，能够自由地设定折射率，因此光学元件设计的自由度增大。作为能够应用本发明的超材料的具体例，可以举出没有角度依赖性的滤光器、薄型透镜、使用棱镜的太赫兹波的光谱仪等，但不限于这些。
[0135]
[超原子(超材料单元结构)]
[0136]
以上，对于本发明的三维各向同性超材料，作为太赫兹区域光学元件用对srr埋设块的方式进行了详细说明，但本发明的三维各向同性超材料不限于太赫兹区域，并且能够用于超材料的超原子不限于srr，可以适用于各种结构的超材料单元结构(超原子)。例如，可以考虑应用物理,第86卷,897～902(2017)中公开的pair cut wire、optic communications,283,2547～2551(2010)中公开的ω型超材料、ieee photonics journal,1卷,no.2,99～118,八月(2009)中公开的将双开口环与srr的情况同样地埋设到透明树脂体中而成的三维各向同性超材料。
[0137]
srr的材料只要是导电的材料即可，可以举出金属材料、透明电极等中使用的透明导电性氧化物(ito、izo、zno、igzo等)、石墨烯等碳材料。作为金属材料，代表例为金(au)、银(ag)、铜(cu)、铝(al)。
[0138]
[透明树脂材料]
[0139]
本发明中，埋设(内含)srr的透明树脂体的材料只要是对太赫兹区域的光为透明的非导电性材料就没有特别限定，可以举出例如聚甲基戊烯、聚乙烯、环烯烃聚合物(cop)、硅、聚四氟乙烯(特氟龙；注册商标)、sio2等。这些之中，优选cop。
[0140]
[埋设在透明树脂体中的srr的尺寸]
[0141]
本发明的超材料优选用于频率0.1thz～10thz(波长30μm～3000μm)的太赫兹区域
光学元件。因此，埋设在透明树脂材料中的srr的尺寸优选的是环宽w为1μm以上、平均半径r为1μm～500μm、周期(一片)a为3μm～3000μm，更优选的是w为5μm以上、r为2μm～400μm、a为10μm～2000μm，进一步优选的是在w为10μm以上、r为3μm～300μm、a为20μm～1000μm的范围使用。另外，由于周期的长度存在限制，因此本发明的超材料的环宽w在1500μm以下使用。
[0142]
符号说明
[0143]1ꢀꢀ
透明树脂(cop)
[0144]
1a、1c
ꢀꢀ
透明树脂(cop)膜
[0145]
1b
ꢀꢀ
透明树脂(cop)溶液
[0146]2ꢀꢀ
带状基板
[0147]3ꢀꢀ
模型(模具)
[0148]4ꢀꢀ
三维各向同性超材料