フォノニック結晶の作製とその光学デバイスへの応用

声子晶体的制备及其在光学器件中的应用

基本信息

批准号：
21656080
负责人：
岩本敏
金额：
$ 1.92万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Exploratory Research
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2011
项目状态：
已结题

项目摘要

結晶を伝搬する音波などの弾性波は、散乱現象などを通して電子や光子と相互作用することにより、物質の光・電子物性を変化させる。弾性波の分散ゆあ空間閉じ込めの制御が可能となれば、関連する諸現象、特に光散乱や光弾性効果などの増強・制御が可能となりと期待できる。本研究では、弾性波の伝搬特性が制御された人工材料を構築し、その音響工学デバイスへの応用を目指す。具体的には、弾性率の異なる材料の周期構造で構成されたフォノニック結晶構造を利用して弾性波の低群速度状態や局在状態を実現し、位相変調器や偏向器などとして広く利用されている音響光学素子の性能向上を目指している。21年度には、理想的一次元フォノニック結晶(音波の進行方向と垂直方向のサイズは無限に大きい)を用いることで、一様材料に比べて、高い音響光学性能指数を実現できることを理論的にしめすとともに、その作製法を提案した。一方、実際の素子では、素子サイズの有限性を考慮した解析・設計が不可欠である。音響光学素子として用いようとする場合には、十分な光の回折効率を得るために、音波の波長に比べて大きな断面積を有する素子を作製する必要がある。この場合の一次元フォノニック結晶は弾性波のマルチモード導波路になるため、結晶内での歪および屈折率は複雑な分布を示し、音響光学素子としては好ましくない。今年度は、有限要素法を用いた数値解析によりこの問題を検討し、有限の断面積を持つ場合の一次元フォノニック結晶のバンド特性の解析と、弾性波モード分布の解析を行った。その結果、空間的に変調された弾性波励起源を用いることで理想系における歪および屈折率分布に近い空間分布を実現することができることを示すことができた。また、この励起方式を用いることにより、有限系においても低群速度領域で音響光学効果の明瞭な増強が生じることを示した。現在、これらの成果をまとめた学術論文の準備を進めている。

弹性波（例如通过晶体传播的声波）通过散射现象与电子和光子相互作用，以改变材料的光和电子特性。如果可以控制弹性波的分散体，则可以预期相关现象，尤其是光散射和光弹性效应。在这项研究中，我们旨在构建具有弹性波的受控传播特性的人造物质，并将其应用于声学工程设备。具体而言，目的是通过利用由具有不同弹性模量的材料的周期性结构组成的语音晶体结构来提高广泛用作相位调节器和偏转器的性能，以实现低组速度和弹性波的局部化状态，并提高使用量化型号的相位模块和分流器的声学元素的性能。在2011年，我们提出了一种理论方法的方法，即通过使用理想的一维语音晶体（声波旅行方向的大小在垂直于声波旅行方向的方向上大小无限大），与统一的材料和拟议的材料和制造方法相比，可以实现较高的声音功能图。另一方面，在实际设备中，考虑到设备尺寸的有限性是必不可少的。当用作声学元件时，必须制造具有大于声波波长的横截面区域的元件，以获得足够的光衍射效率。在这种情况下，一维的语音晶体成为弹性波的多模层波导，因此晶体内的失真和折射率表现出复杂的分布，使其作为声学元素不可避免。今年，我们使用有限元方法通过数值分析研究了这个问题，并分析了具有有限的横截面区域的一维音调晶体的频带特性，并分析了弹性波模式分布。结果，可以证明，通过使用空间调制的弹性波激发源，可以实现接近畸变和折射率分布的空间分布。此外，使用这种激发方法已被证明可以清楚地增强低组速度范围内的声学效应，即使在有限系统中也是如此。目前，我们正在准备总结这些结果的学术论文。