JP2000097837A - 波長可変光源 - Google Patents

波長可変光源

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JP2000097837A
JP2000097837A JP10271993A JP27199398A JP2000097837A JP 2000097837 A JP2000097837 A JP 2000097837A JP 10271993 A JP10271993 A JP 10271993A JP 27199398 A JP27199398 A JP 27199398A JP 2000097837 A JP2000097837 A JP 2000097837A
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needle
atomic
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light source
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JP10271993A
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Akira Sakurai
井 亮 櫻
Masakazu Aono
野 正 和 青
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RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01JELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J63/00Cathode-ray or electron-stream lamps
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 光の波長域を容易かつ柔軟に変化させること
が可能な波長可変光源を提供する。 【解決手段】 基材1の表面1aと針状部材2との間に
所定電圧を印加すると、針状部材2の先端から基材1の
表面1aに形成された原子スケールの構造物にトンネル
電流が流れ、基材1の表面1aのうち原子スケールの構
造物が形成された局所的な領域または針状部材2から所
定波長の光Lが放出される。ここで、可変電源3により
基材1の表面1aと針状部材2との間に印加される電圧
を変化させると、基材1の表面1aに形成された原子ス
ケールの構造物から放出される光Lの波長域が変化す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は波長可変光源に係
り、とりわけ光の波長域を容易かつ柔軟に変化させるこ
とが可能な波長可変光源に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の光源としては例えば、半導体レー
ザや発光ダイオード、固体レーザ等が知られている。こ
れらの光源は一般に、基材の材料等に応じて特定の波長
域の光を放出させる波長固定光源であるが、例えば固体
レーザ等においては材料の結晶構造(フォノン終準位
等)を利用して光の波長を所定の範囲(波長可変域)に
わたって変化させることが可能な波長可変光源も提案さ
れている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の光源(波長可変光源)では、基材として複雑
な結晶構造の材料を用いる必要があり、また可視光域に
おいて十分な広さの波長可変域を確保することが難し
い。
【0004】本発明はこのような点を考慮してなされた
ものであり、光の波長域を容易かつ柔軟に変化させるこ
とが可能な波長可変光源を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明は、表面に原子ス
ケールの構造物が形成された基材と、前記基材の表面に
真空または透明な絶縁体を介して局所的に電圧を印加し
て前記原子スケールの構造物にトンネル電流を流すため
の針状部材と、前記基材の表面と前記針状部材との間に
可変電圧を印加するための可変電源とを備え、前記可変
電源により前記基材の表面と前記針状部材との間に印加
される電圧を変化させることにより、前記基材の表面の
前記原子スケールの構造物または前記針状部材から放出
される光の波長域を変化させることを特徴とする波長可
変光源を提供する。
【0006】本発明によれば、基材の表面と針状部材と
の間に印加される電圧を変化させることにより、基材の
表面から放出される光の波長域を変化させることができ
るので、光の波長域を容易かつ柔軟に変化させることが
可能な波長可変光源を提供することが可能となる。ま
た、基材の表面のうち原子スケールの構造物が形成され
た局所的な領域から光を放出させることができるので、
原子スケールレベルの微小な波長可変光源を提供するこ
とが可能となる。
【0007】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態について説明する。図1(a)(b)および図
2は本発明による波長可変光源の第1および第2の実施
の形態を説明するための図である。
【0008】第1の実施の形態 まず、図1(a)(b)により、本発明による波長可変
光源の第1の実施の形態について説明する。図1(a)
に示すように、本発明の第1の実施の形態に係る波長可
変光源は、表面1aに原子スケールの構造物(図示せ
ず)が形成された基材1と、基材1の表面1aに局所的
に電圧を印加して原子スケールの構造物にトンネル電流
を流すための先端の尖った針状部材2と、基材1の表面
1aと針状部材2との間に可変電圧を印加するための可
変電源3とを備えている。ここで、基材1の表面1aと
針状部材2との間は真空状態に保たれている。また、基
材1の表面1aに形成される原子スケールの構造物とし
ては、基材1の表面1aに形成されたシリコンダングリ
ングボンドや、基材1の表面1aに形成された金属原
子、有機分子、半金属原子または無機分子等が用いられ
る。なお、本明細書でいう「原子スケール」とは、トン
ネル電流により光が放出される程度の構造物の大きさを
意味し、オングストロームスケールから数100nmま
でをも含む広い概念である。
【0009】図1(a)において、基材1の表面1aと
針状部材2との間に所定電圧を印加すると、針状部材2
の先端から基材1の表面1aに形成された原子スケール
の構造物にトンネル電流が流れ、基材1の表面1aのう
ち原子スケールの構造物が形成された局所的な領域また
は針状部材2から所定波長の光Lが放出される。ここ
で、可変電源3により基材1の表面1aと針状部材2と
の間に印加される電圧を±0〜±30Vの範囲で変化さ
せると、基材1の表面1aに形成された原子スケールの
構造物から放出される光Lの波長域が200〜1500
nmの範囲で変化する。
【0010】このように本発明の第1の実施の形態によ
れば、基材1の表面1aと針状部材2との間に印加され
る電圧を変化させることにより、基材1の表面1aから
放出される光Lの波長域を変化させることができるの
で、光Lの波長域を容易かつ柔軟に変化させることが可
能な波長可変光源を提供することが可能となる。また、
基材1の表面1aのうち原子スケールの構造物が形成さ
れた局所的な領域から光Lを放出させることができるの
で、原子スケールレベルの微小な波長可変光源を提供す
ることが可能となる。
【0011】なお、上述した第1の実施の形態において
は、基材1の表面1aと針状部材2との間は真空状態に
保たれるようにしているが、これに限らず、例えば図1
(b)に示すように、基材1の表面1aのうち少なくと
も原子スケールの構造物を覆うよう透明な絶縁体シート
4を配置するようにしてもよい。
【0012】第2の実施の形態 次に、図2(a)(b)(c)により、本発明による波
長可変光源の第2の実施の形態について説明する。本発
明の第2の実施の形態は、基材および針状部材が絶縁性
基台の表面にパターンとして形成される点を除いて、他
は図1に示す第1の実施の形態と略同一である。本発明
の第2の実施の形態において、図1に示す第1の実施の
形態と同一の機能を果たす部分には同一の符号を付して
詳細な説明は省略する。
【0013】図2(a)に示すように、基材1および針
状部材2は、絶縁性基台5の表面にパターンとして形成
されている。ここで、基材1の表面のうち針状部材2の
先端(先が尖った領域)に対向する表面1aには原子ス
ケールの構造物(図示せず)が形成されている。なお、
基材1の表面1aと針状部材2との間は真空状態に保た
れている。
【0014】図2(a)において、基材1の表面1aと
針状部材2との間に所定電圧を印加すると、針状部材2
の先端から基材1の表面1aに形成された原子スケール
の構造物にトンネル電流が流れ、基材1の表面1aのう
ち原子スケールの構造物が形成された局所的な領域から
所定波長の光Lが放出される。ここで、可変電源3によ
り基材1の表面1aと針状部材2との間に印加される電
圧を±0V〜±30Vの範囲で変化させると、基材1の
表面1aに形成された原子スケールの構造物から放出さ
れる光Lの波長域は200nm〜1500nmの範囲で
変化する。
【0015】このように本発明の第2の実施の形態にお
いても、基材1の表面1aと針状部材2との間に印加さ
れる電圧を変化させることにより、基材1の表面1aの
原子スケールの構造物から放出される光Lの波長域を変
化させることができるので、上述した第1の実施の形態
と同一の作用効果を奏することができる。
【0016】なお、上述した第2の実施の形態におい
て、絶縁性基台5の表面に形成される基材1および針状
部材2のパターンは任意に選択することができ、例えば
図2(b)に示すようなパターンとすることも可能であ
る。
【0017】また、上述した第2の実施の形態において
は、基材1の表面1aと針状部材2との間の空間は真空
状態に保たれるようにしているが、これに限らず、図2
(c)に示すように、基材1の表面1aのうち少なくと
も原子スケールの構造物を覆うように透明な絶縁体シー
ト4を配置するようにしてもよい。
【0018】
【実施例】次に、図1に示す波長可変光源の具体的実施
例について述べる。実施例1 まず、図3および図4により、図1に示す波長可変光源
の第1の実施例について述べる。ここで、図3は図1に
示す波長可変光源の特性を調べるための実験装置を示す
図、図4は基材(Si(001)-(2×1)-D)の表面に
形成されたダングリングボンドから放出された光の波長
域と電圧との関係を示す図である。
【0019】図3に示すように、本実施例では、図1に
示す基材1として、重水素原子(D)で終端されたシリ
コン結晶(Si(001)-(2×1)-D)の表面から局所
的に重水素原子(D)を引き抜いて所定領域(14×1
4nm2の矩形領域)を占めるダングリングボンド領域
を形成した試料11を用いた。また、図1に示す針状部
材2として、走査型トンネル顕微鏡10の探針12を用
いた。
【0020】ここで、走査型トンネル顕微鏡10は、試
料11を収容する真空チャンバ14と、試料11の表面
11aに局所的に電圧を印加してダングリングボンド領
域にトンネル電流を流すための探針12と、試料11の
表面11aと探針12との間に可変電圧を印加するため
の可変電源13とを有している。また、探針12の近傍
には、その一端で試料11の表面11aに形成されたダ
ングリングボンド領域から放出された光を捕集するガラ
スファイバ15と、ガラスファイバ15の他端に設けら
れガラスファイバ15の一端で捕集された光を外部に放
出するための出射部16とが設けられ、出射部16から
放出された光は集光レンズ17を介して光検出器18の
検出面18aに集光され、光検出器18により光のエネ
ルギー分布が計測されるようになっている。
【0021】本実施例においては、走査型トンネル顕微
鏡10の探針12が試料11のダングリングボンド領域
の上方に配置された状態で、可変電源13により試料1
1の表面11aと探針12との間に印加される電圧(試
料バイアス)Vs を−2.5V,−3.0V,−3.5
V,−4.0Vと変化させ、光検出器18により光のエ
ネルギー分布を計測した。なおここでは、試料11の表
面11aおよび探針12に流れるトンネル電流It を5
nAとし、光の強度を検出するための積算時間(ダング
リングボンド領域での探針12の滞在時間)Tを300
sとした。
【0022】その結果、図4に示すように、試料バイア
スVs を負の方向に大きくするにつれて波長の長さがよ
り短くなるよう光の波長域が変化することが確かめられ
た。
【0023】実施例2 次に、図3および図5により、図1に示す波長可変光源
の第2の実施例について述べる。ここで、図5は基材
(Si(001)-(2×1))の表面に形成された銀クラ
スタから放出された光の波長域と電圧との関係を示す図
である。なお、本実施例においても、図3に示す実験装
置を用いて実験を行った。
【0024】本実施例では、図1に示す基材1として、
シリコン結晶(Si(001)-(2×1))の表面に形成
されたダングリングボンドに銀原子(Ag)を吸着させ
て所定領域(直径2.5nmの円形領域)を占める銀ク
ラスタを形成した試料11を用いた。
【0025】そして、本実施例においては、走査型トン
ネル顕微鏡10の探針12が試料11の銀クラスタの上
方に配置された状態で、可変電源13により試料11の
表面11aと探針12との間に印加される電圧(試料バ
イアス)Vs を+2.2V,+2.5V,+2.7V,
+3.0V,+3.2V,+3.5Vと変化させ、光検
出器18により光のエネルギー分布を計測した。なおこ
こでは、試料11の表面11aおよび探針12に流れる
トンネル電流It を3nAとし、光の強度を検出するた
めの積算時間(銀クラスタでの探針12の滞在時間)T
を100sとした。
【0026】その結果、図5に示すように、試料バイア
スVs を正の方向に大きくするにつれて波長の長さが短
くなるよう光の波長域が変化することが確かめられた。
【0027】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、基
材の表面と針状部材との間に印加される電圧を変化させ
ることにより、基材の表面から放出される光の波長域を
変化させることができるので、光の波長域を容易かつ柔
軟に変化させることが可能な波長可変光源を提供するこ
とが可能となる。また、基材の表面のうち原子スケール
の構造物が形成された局所的な領域から光を放出させる
ことができるので、原子スケールレベルの微小な波長可
変光源を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による波長可変光源の第1の実施の形態
を示す図。
【図2】本発明による波長可変光源の第2の実施の形態
を示す図。
【図3】図1に示す波長可変光源の特性を調べるための
実験装置を示す図。
【図4】基材(Si(001)-(2×1)-D)の表面に形
成されたダングリングボンドから放出された光の波長域
と電圧との関係を示す図。
【図5】基材(Si(001)-(2×1))の表面に形成
された銀クラスタから放出された光の波長域と電圧との
関係を示す図。
【符号の説明】
1 基材 2 針状部材 3 可変電源 4 絶縁体シート
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青 野 正 和 東京都港区高輪4−10−31−310

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】表面に原子スケールの構造物が形成された
    基材と、 前記基材の表面に真空または透明な絶縁体を介して、局
    所的に電圧を印加して前記原子スケールの構造物にトン
    ネル電流を流すための針状部材と、 前記基材の表面と前記針状部材との間に可変電圧を印加
    するための可変電源とを備え、 前記可変電源により前記基材の表面と前記針状部材との
    間に印加される電圧を変化させることにより、前記基材
    の表面の前記原子スケールの構造物または前記針状部材
    から放出される光の波長域を変化させることを特徴とす
    る波長可変光源。
  2. 【請求項2】前記原子スケールの構造物は前記基材の表
    面に形成されたシリコンダングリングボンドからなるこ
    とを特徴とする請求項1記載の波長可変光源。
  3. 【請求項3】前記原子スケールの構造物は前記基材の表
    面に形成された金属原子、有機分子、半金属原子または
    無機分子からなることを特徴とする請求項1記載の波長
    可変光源。
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