JP4292295B2 - Electromagnetic field characteristic evaluation system - Google Patents
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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。 The present invention relates to an electromagnetic field characteristic evaluation system for evaluating an electric conductor by a time domain difference method (FDTD method), and more specifically, electric conduction of a metal or the like in a material structure to be analyzed. Even if a material with negative characteristics or a material with a negative dielectric constant is included, the calculation process of the time domain difference method is executed stably and accurately without obtaining divergence, and the evaluation data of the analysis target is obtained The present invention relates to an electromagnetic field characteristic evaluation system.
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。 In recent years, coupled with higher performance of laser diodes, research and development aimed at an advanced information society has been actively promoted, and application of optical technology not only in the information processing field but also in various fields is progressing. On the other hand, due to the remarkable development of computers in recent years, the penetration of computational science represented by computer simulation is also progressing in the field of optical technology development and research. Above all, the time domain difference method is indispensable as an important development research tool because it can easily evaluate the behavior of electromagnetic waves in the material structure, and the time domain difference method aims at the application of light and electromagnetic waves. In recent technological development, it has been frequently used as an easy means for analyzing the behavior of electromagnetic waves in a material structure.
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。 In the time domain difference method, if the material to be analyzed is composed only of a dielectric material that does not conduct electricity, it can be calculated without any problem. However, if an electrically conductive material such as metal is included, the calculated value is unchanged. It diverges to infinity and cannot perform calculation processing. A simple solution to this is a method that assumes a perfect conductor, and puts the electric field inside the perfect conductor at zero. With this method, detailed analysis and evaluation of materials due to differences in metal types cannot be performed.
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。 The divergence prevention method used by many commercial softwares up to now is a method of reducing the electric conductivity to zero. That is, in solving Maxwell's equation, the first coefficient of the electric field term for calculating the electric field is set to “1”. In fact, the effect of setting the coefficient to “1” is small. The electrical conductivity of the second coefficient is taken into account depending on the case. However, as occurs in many metal material evaluation processes, when the imaginary part of the complex refractive index is larger than the real part, the real part of the complex dielectric constant is negative and the second coefficient is negative. If the calculated value diverges. In this case, there is no theoretical basis, but a method of solving the problem by taking the absolute value of the dielectric constant with importance on effectiveness is adopted.
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。
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。 However, the RC method can be said to be a method in which the expansion formula is considerably complicated, the replacement with a forcible constant and the constant value are fixed, and the objection remains in the theoretical validity. In recent years, research and development utilizing the optical properties of metal fine particles and metal thin films has become active in fields such as near-field light application technology, micro optical element technology, high-density information recording technology, and nanotechnology fields. There is a problem that in the program using, it is impossible to analyze and calculate the material structure including these, or even if it is possible, the validity remains.
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。 The present invention has been made under such circumstances, and the object of the present invention is to reduce the negative dielectric constant when an electrically conductive material such as a metal is included in the material structure to be analyzed. To provide an electromagnetic field characteristic evaluation system that can perform stable evaluation without performing divergence even if the indicated materials are included and can be evaluated without including logical contradictions throughout the entire evaluation system. It is in.
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。 Another object of the present invention is that the evaluation of electrical conductors can be made up of only those parameters that can be obtained experimentally, even if there is no experimental data. It is an object of the present invention to provide an electromagnetic field characteristic evaluation system that can be calculated from calculations using constants established in the above and is expected to obtain highly accurate evaluation.
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。 As a result of extensive research, the present inventors have not been bound by the form of the expansion formula when solving Maxwell's equation using the time domain difference method, but the physical meaning of the coefficient of the first term of the formula. Rethinking it, expressing it as it is, and substituting that expression into the coefficient of the second term, it can be summarized into a clean expression, it can be found that various problems can be solved at once. The invention has been completed.
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。 That is, the electromagnetic field characteristic evaluation system according to the present invention includes an arithmetic processing module that calculates an electric field component, a magnetic field component, an influencing component that the magnetic field change has on the electric field, an influencing component that the electric field change has on the magnetic field, and the boundary condition, and the arithmetic processing module. A parameter setting processing module for setting electric field and magnetic field parameters for arithmetic processing, and a control processing module for controlling the arithmetic processing module and the parameter setting processing module to execute arithmetic processing, in a time domain An electromagnetic field characteristic evaluation system that performs an arithmetic processing to solve Maxwell's equation using a finite difference method and evaluates an electromagnetic field characteristic in an evaluation target material, wherein the parameter setting processing module sets a parameter for the arithmetic processing module Time domain difference method in processing When solving Maxwell's equations, the two coefficients in the formula representing the effect of the change in the magnetic field on the electric field are replaced by a formula representing relaxation instead of a coefficient derived by a normal method. To do.
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。 According to the electromagnetic field characteristic evaluation system of the present invention having the above-described characteristics, the material parameters necessary for the calculation are the relaxation coefficient or lifetime of the excitation electric field, electrical conductivity, complex dielectric constant or complex Refractive index. Both values are measurable by experiment, but the relaxation coefficient or lifetime that is relatively difficult to experiment can be estimated with high accuracy from the coefficient of electric conductivity and the theoretically determined coefficient. And the complex dielectric constant or the complex refractive index. The relaxation coefficient is the reciprocal of the lifetime, the complex dielectric constant can be derived from the complex refractive index, and the complex refractive index can be derived from the complex dielectric constant.
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。 In the electromagnetic field characteristic evaluation system of the present invention, by using the above formula, a stable solution can be obtained without the calculated value diverging infinitely, and the required input data is minimal and these Data can be obtained experimentally, and an evaluation system that can expect high calculation accuracy by using data that is close to reality is provided.
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。 As part of research on high-density information recording and reproducing methods using near-field light, it is necessary to develop a computer program that can analyze these electromagnetic fields in research involving metal fine particles. In the programming using various formula expansions and methods that have been known in the past, the above-described problems have been encountered in any of the methods, but the problem can be solved by using the electromagnetic field characteristic evaluation system according to the present invention. The electromagnetic field characteristic evaluation system according to the present invention is a case where an electrically conductive material such as a metal is included in the material structure to be analyzed by examining the characteristic evaluation in various programming and verification through individual cases. Even if a material exhibiting a negative dielectric constant is included, it can be verified that stable evaluation can be performed without divergence, and it can be confirmed that the evaluation is performed without including logical contradiction throughout the entire evaluation system.
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。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 17 is a diagram illustrating the hardware configuration of the electromagnetic field characteristic evaluation system according to the present invention, and FIG. 18 is a block diagram showing the configuration of the arithmetic processing module of the main part of the electromagnetic field characteristic evaluation system according to the present invention.
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。
The hardware configuration of the electromagnetic field characteristic evaluation system will be described with reference to FIG. As a hardware configuration of the electromagnetic field characteristic evaluation system, an ordinary computer device is used. The entire hardware configuration of the electromagnetic field characteristic evaluation system includes an information input unit, an information recording unit, a calculation unit, and an information display unit. The entire operation is controlled by a program, and an analysis calculation of electromagnetic field characteristic evaluation is processed by a program. Specifically, the specific hardware configuration includes a central processing unit (CPU) 101, a system memory (ROM) 102, a work memory (RAM) 103, and an HDD (hard disk drive) that provides a storage area used as a data memory. 104 and HD (hard disk) 105, FDD (flexible disk drive) 106 and FD (flexible disk) 107 for providing an external storage area,
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。
The
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。
The FDD 106 controls reading / writing of data with respect to the
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。
The I /
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。
The
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。
The
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。 FIG. 18 is a block diagram showing a configuration of a main part of the arithmetic processing module in the electromagnetic field characteristic evaluation system according to the present invention, and the arithmetic processing here is shown by a data flow. A rectangular block indicates a parameter setting processing module for setting each parameter for data processing for performing electromagnetic field characteristic evaluation. An elliptical block indicates a calculation process for electromagnetic field characteristic evaluation according to the set parameters. An arithmetic processing module to be performed is shown. Although not shown, an arithmetic processing module for calculating the electric field component, an arithmetic processing module for calculating the magnetic field component, a control processing module for controlling the arithmetic processing module and the parameter setting processing module to execute the arithmetic processing are provided. .
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。 The outline of the processing will be explained here. In this case, the arithmetic processing for solving Maxwell's equations using the time domain difference method is performed. In this case, the control processing module controls the arithmetic processing to calculate the magnetic field component and the electric field component. Repeat the calculation while updating the time. For the calculation of the electric field component, first, the parameter setting processing module performs the parameter setting process of the electric field and the magnetic field based on the initial setting, performs the first time update (calculation blocks 201 and 202), and based on the set parameter, Calculate the electric field component. Here, the electric field component is calculated by the arithmetic processing module. In that case, the relaxation calculation is performed on the calculated calculation result, and then the calculation process of the boundary condition of the electric field boundary is performed (calculation blocks 203 to 203). 206). Thereby, parameters for calculating the magnetic field components are obtained, and parameters for calculating the electric field and the magnetic field at the next time are obtained.
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。
In accordance with the obtained calculation result, the electric field parameter is set, the magnetic field component is calculated, and the boundary condition of the magnetic field boundary is calculated for the calculated calculation result (calculation blocks 207 to 210). ). As a result, the parameters for calculating the electric field and magnetic field at the next time are obtained, so the parameter setting of the magnetic field is performed, the boundary non-reflection condition is processed, and the electric field and magnetic field at the next time are calculated. The time update process is performed (calculation blocks 211 to 213), and the process from the
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。 Next, a description will be given, with reference to the drawings, of main programs and formula development for calculation for constituting each arithmetic processing module in the electromagnetic field characteristic evaluation system of the present invention. In order to facilitate understanding here, a case where a program constituting the arithmetic processing module is coded as a FORTRAN program will be described as an example. FIG. 1 shows a formula expansion procedure for obtaining a basic formula used in an electromagnetic field characteristic evaluation system according to the present invention by applying the time domain difference method to a pure Maxwell equation in the absence of a current source or a magnetic current source. .
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、
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
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。 An electric field and a magnetic field are arranged in one unit cell as shown in FIG. Depending on how the cells are set, there is a difference in how to obtain the average value described below, but the portions related to the present invention are handled in the same manner.
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、
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。
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、
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。
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
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
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。 An example in which the formula expansion described so far is programmed by FORTRAN is shown in FIGS. In addition to the examples shown here, various irregular forms can be considered as the average of the coefficients, but this is a part not related to the essence of the present invention, and may be selected as appropriate.
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。 In the electromagnetic field characteristic evaluation system according to the time domain difference method of the present invention, the material structure to be analyzed diverges even when an electrically conductive material such as a metal is included or a material having a negative dielectric constant is included. Therefore, the characteristic evaluation can be obtained by a method that can be calculated stably without causing any logical contradiction in expression expansion.
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。 EXAMPLES Next, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited at all by these examples.
[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。
[Example 1]
As a basic example, an example in which a two-dimensional electromagnetic field characteristic evaluation in the vicinity of the surface of a metal fine particle is performed will be described. Evaluation is made on a case where fine particles of a metal of 30 nanometers (aluminum, gold, silver, copper, etc.) are in the air and a transverse wave (TE wave) is incident thereon.
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、
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。 The experimental value of electrical conductivity is obtained from the data book. For example, the values at 25 ° C. are Al = 3527.6, Au = 4402.7, Ag = 5890.2, and Cu = 5592.8. In either case, the unit is Ω −1 m− 1 .
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
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。
Substituting these values to obtain the relaxation coefficient Γ, Al = 0.14528E + 15, Au = 0.37858E + 14, Ag = 0.28017E + 14, and Cu = 0.42698E + 14 were obtained. The unit is (sec −1 ). In order to investigate the credibility of this value, the following equation regarding the relaxation coefficient Γ described in
Compared with the values from the following: Al = 0.159323E + 15, Au = 0.415347E + 14, Ag = 0.262161E + 14, Cu = 0.571739E + 14, there is a fairly good agreement. In order to obtain the relaxation coefficient experimentally, equipment such as a femtosecond ultrashort pulse laser is required, but for the time being, it is considered that the calculated value can be substituted.
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。 The calculation result in the case of silver is shown in FIG. The refractive index of silver was defined as the real part (0.13) and the imaginary part (5.3). In FIG. 6, the magnitude of the electromagnetic wave for one period is averaged and expressed in height. When a transverse plane wave having a wavelength of 780 nm travels from the back toward the front, an enhancement due to surface plasmons is observed in the vicinity of the metal surface. It can be applied to analysis of surface enhanced Raman scattering (SERS) using surface of metal fine particles and surface plasmon excitation fluorescence.
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。 As described above, in addition to the above-described height, the method of expressing the magnitude of the electromagnetic wave can be expressed by contour lines, coloring, or the like. Select and use according to the purpose. Also, instead of averaging the magnitude of the electromagnetic wave for one period, it can also be displayed as a moving animation by sequentially displaying the change every moment.
[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。
[Example 2]
The inventors of the present invention have been researching and developing an ultra-high density information recording optical disk using near-field light called a super-lens (super-resolution near-field structure). An example of the electromagnetic field characteristic evaluation for the initial simplified model of Super-RENS will be described.
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。 FIG. 7 is a model configuration diagram of a TA-type Super-RENS in which a metal antimony is used for the functional layer and a transmission-type opening is formed in the light irradiation central portion, and FIG. 8 is a light irradiation central portion using silver oxide as the functional layer. It is a model block diagram of the LSC type Super-RENS which produces | generates a silver fine particle and makes it a light-scattering nucleus.
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。 Assuming a case where light having a wavelength of 635 nm is illuminated with a lens having a numerical aperture of 0.6, which is narrowed down to the diffraction limit, and an electromagnetic field characteristic change when the information recording mark portion is scanned by rotating the optical disk was evaluated.
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。 FIG. 9 and FIG. 10 show the results of evaluating the electromagnetic field characteristics when these two types of disks are rotationally scanned. These figures are actually moving images with motion animations. With the evaluation system according to the present invention, it is possible to accurately estimate the influence of metal antimony fine apertures and silver fine particles on light waves. In addition, it can be seen from this result that a larger signal can be obtained with the LSC type Super-RENS than with the TA type Super-RENS.
[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。
[Example 3]
Titanium dioxide, known as a photocatalyst, is a substance that exhibits a catalytic effect when exposed to ultraviolet light, and is usually white powder particles. As an application that focuses on bactericidal and deodorizing effects, it is often used in familiar products. It is also used to decompose and detoxify various environmental pollutants. A more excellent photocatalyst can be obtained by supporting a platinum promoter on the surface of titanium dioxide particles.
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。 FIG. 11 shows an example of evaluating the electromagnetic field characteristics when platinum ultrafine particles are brought into contact with the surface of titanium dioxide fine particles. This is a case where platinum ultrafine particles having a diameter of 30 nm are attached to the right lateral surface and the upper surface of the titanium particles. In addition to the electrochemical catalytic enhancement effect known as the Honda-Fujishima effect, it is expected that the electromagnetic field characteristics due to surface plasmon enhancement on the metal surface may be involved. The enhancement effect by itself was greater.
[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。
[Example 4]
Electromagnetic field analysis at the probe end of a probe used in a near-field scanning optical microscope (NSOM) is important for designing a probe shape and analyzing an obtained image.
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。 Similar to the super lens described in the second embodiment, the probes are roughly classified into an aperture type and a scattering type, and there are many cases involving metals such as a metal-coated aperture type probe and a scattering type probe using a metal tip. In either case, the surface plasmon effect in which the electromagnetic field on the metal surface is locally enhanced is effectively used.
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。 FIG. 12 shows an example of an electromagnetic field characteristic evaluation result of an aperture type probe coated with metal. This is an example of a case where an aperture type probe whose glass tip is coated with silver, an aperture of 100 nm diameter, and a glass beam is irradiated with a Gaussian light beam. FIG. 13 shows an example of an electromagnetic field characteristic evaluation result of a scattering probe using a metal tip. This is a case where the needle-shaped silver tip is irradiated with a Gaussian light beam from the side.
[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。
[Example 5]
Electromagnetic field characteristics of metal thin films also occupy a large position as a near-field light application field. Here, an example of the most classic and frequently used Kretschmann arrangement will be described.
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。 The Kretschmann arrangement is an optical arrangement shown in FIG. 14, and the light totally reflected on the prism surface excites the plasmon on the surface of the metal thin film, and the excited plasmon light is used to detect and identify the compound attached to the surface. And is known for its very high sensitivity.
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。 To detect the adhesion of a compound, a slight change in refractive index due to adhesion is detected from a change in incident angle (resonance angle) that optimally excites plasmon light. For identification of the attached compound, for example, fluorescence emission using plasmon light is used.
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。 FIG. 15 shows an example of generation of plasmon light excited by the Kretschmann arrangement. As shown in the figure, when 10 nm thick silver is applied to the glass surface and irradiated with a Gaussian beam from an oblique angle of 44 degrees, the resonance condition is not completely satisfied, but there is a sign of surface plasmon excitation. It is done.
[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。
[Example 6]
When a metal periodic structure, more specifically, a metal diffraction grating is irradiated with light having an incident angle that satisfies a resonance condition, surface plasmon light is excited on the diffraction grating.
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。 Similar to the use of plasmon light described in Example 5, for example, it can be used for highly sensitive detection and identification of a compound attached to the surface. FIG. 16 shows an example of an electromagnetic field characteristic evaluation result obtained by analyzing the generation state of surface plasmon light excited on a metal diffraction grating. As shown in the figure, when the surface of a silver diffraction grating with a grating interval of 1 micron is irradiated with a Gaussian beam from an oblique angle of 44 degrees. Although the resonance condition is not satisfied, there is a sign of surface plasmon excitation.
[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。
When there is a current source J, Maxwell's equation is:
本発明を適用して減衰緩和の式で置き換える。すなわち、
と書ける。結局式は次式となる。
Can be written. After all, the formula becomes the following formula.
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。
As described above, the replacement of the present invention can be applied to the third term, and the evaluation analysis can be stably performed with a slight program modification.
Claims (9)
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電磁場特性評価システムであって、
前記通常方法で導かれる2係数が、それぞれ次式
前記緩和を表す式が、
ことを特徴とする電磁場特性評価システム。 An electric field component, a magnetic field component, an influence component that the magnetic field change has on the electric field, an arithmetic processing module that calculates the influence component that the electric field change has on the magnetic field, and boundary conditions An operation for solving Maxwell's equations using a time-domain difference method, comprising: a parameter setting processing module for setting the parameters of the control unit; and a control processing module for controlling the arithmetic processing module and the parameter setting processing module to execute the arithmetic processing. It is an electromagnetic field characteristic evaluation system that performs processing and evaluates the electromagnetic field characteristics of the material to be evaluated.
The parameter setting processing module, in the process of setting parameters for the arithmetic processing module,
When solving Maxwell's equations using the time domain difference method, an equation that replaces the two coefficients in the equation representing the effect of the change in the magnetic field on the electric field with an equation representing relaxation instead of the coefficient derived by the normal method is An electromagnetic field characteristic evaluation system to be used,
The two coefficients derived by the normal method are respectively expressed by the following equations:
The formula representing the relaxation is
磁場変化が電場に与える影響を表す式とは次式
ことを特徴とする電磁場特性評価システム。 In the electromagnetic field characteristic evaluation system according to claim 1,
The expression that expresses the effect of magnetic field changes on the electric field is
磁場変化が電場に与える影響を表す式として、次式
ことを特徴とする電磁場特性評価システム。 In the electromagnetic field characteristic evaluation system according to claim 1,
The following equation expresses the effect of magnetic field changes on the electric field:
ΓΔtは、exp(−ΓΔt)部分をテーラー展開して得られる次式
ことを特徴とする電磁場特性評価システム。 In the electromagnetic field characteristic evaluation system according to claim 3,
ΓΔt is obtained by Taylor expansion of the exp (−ΓΔt) part.
An electromagnetic field characteristic evaluation system characterized by that.
両係数を置き代えた式とは次式
What replaces both coefficients is
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。 In the electromagnetic field characteristic evaluation system according to claim 3 or claim 5,
When the electrical conductivity σ is 0, the electromagnetic field characteristic evaluation system is characterized in that the coefficient of the second term of the formula is Δt / ε.
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。 In the electromagnetic field characteristic evaluation system according to claim 1,
The evaluation of the electromagnetic field characteristics of the evaluation target material is performed by inputting parameters of the dielectric constant, magnetic permittivity, electrical conductivity, and attenuation relaxation coefficient as substance parameters of the evaluation target material, inputting substance arrangement information, and An electromagnetic field characteristic evaluation system characterized by evaluating an electromagnetic field characteristic.
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。 In the electromagnetic field characteristic evaluation system according to claim 7,
The dielectric constant and electrical conductivity are calculated from the real part and imaginary part of the complex refractive index, the attenuation relaxation coefficient is calculated from the electrical conductivity or complex dielectric constant, and the dielectric constant and the magnetic inductivity are input as material parameters. An electromagnetic field characteristic evaluation system characterized by evaluating the electromagnetic field characteristic of a material.
電気伝導度と減衰緩和係数は実験値を入力して、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。 The electromagnetic field characteristic evaluation system according to claim 8,
Electrical conductivity and the attenuation relaxation factor inputs the experimental value, the electromagnetic field characteristics evaluation system, characterized in that to obtain the evaluation of the data.
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