JP2006258641A - 光学計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】表面プラズモンの伝播距離を高感度で計測可能な光学計測方法を提供する。
【解決手段】一表面上に金属膜７を備えた第１のプリズム３に対し、第１のプリズム３側からｐ偏光の第１の入射光４を入射して金属膜７に照射し、金属膜７に近接して配置された第２のプリズム２３を介し、第２のプリズム２３側からｐ偏光の第２の入射光２４を金属膜７に照射し、金属膜７からの第１のプリズム３を介した反射光６及び／または金属膜７からの第２のプリズム２３を介した反射光２６における、入射光４，２４の入射方向に沿ったゆがみを検出し、ゆがみに基づいて、金属膜７の表面における表面プラズモン８，２８の伝播距離を求める。
【選択図】 図３

Description

本発明は、光学的な計測方法に関し、特に、表面プラズモンの計測に適した光学計測方法に関する。

表面プラズモンは、光を代表とする電磁波との相互作用により金属表面を伝播する自由電子の疎密波である。表面プラズモンを用いたデバイスは、バイオセンサとして実用化されており、さらに光ＩＣ（集積回路）、光変調デバイス、表示デバイス、光電変換素子、太陽電池等への応用が期待されている。

表面プラズモンの計測法として、斎木敏治、成田貴人、「近接場光学顕微鏡による空間分解分光法の進展」、応用物理、第７０巻、第６号、第６５３頁〜第６５９頁、２００２年、応用物理学会発行（非特許文献１）に示された走査型近接場光顕微鏡を用いるものがある。この方法は、光を照射した金属表面から数十ｎｍの距離を保ちながら、鋭利な先端を有する光ファイバを用いてこの金属表面を走査し、金属表面を伝播する表面プラズモンからの変換光を検出しようとするものである。

特開２００１−２５５２６７号公報（特許文献１）には、被測定物質に接する金属薄膜を表面に有するプリズムを用い、プリズム側から光を入射させて金属薄膜で反射した光を測定することにより、表面プラズモンを測定できることが開示されている。この方法は、プリズム及び金属薄膜の誘電率によって決まるある特定の入射角における反射率の低下が表面プラズモンとの共鳴吸収であることを利用しており、プリズムに対して入射角を変化させながら光を入射させその反射率を測定することにより、表面プラズモンを測定する。

図４は、表面プラズモンの共鳴吸収によって表面プラズモンを測定する従来の光学計測装置の構成を示している。

三角柱状のプリズムの一つの面に、薄い金属膜７が設けられている。光源１から出て偏光子２によりｐ偏光とされた入射光をプリズム３に入射させ、金属膜７で反射させ、その反射光６の強度を光センサ５２で計測する。入射角θを変えながら反射光の強度を測定し、入射角θに対する反射率の依存性を求めると、図４においてグラフ５５で示すように、ある特定の入射角において反射率が極小となる。この入射角においては表面プラズモンの共鳴吸収が起きており、このとき、図示矢印で示すように、表面プラズモン８が金属膜７を伝播する。
特開２００１−２５５２６７号公報 斎木敏治、成田貴人、「近接場光学顕微鏡による空間分解分光法の進展」、応用物理、第７０巻、第６号、第６５３頁〜第６５９頁、２００２年、応用物理学会発行

しかしながら、非特許文献１に開示されたような走査型近接場光顕微鏡を用いて表面プラズモンを測定する場合、光ファイバなどのプローブを表面プラズモンの場に近づけることによって場が乱されるので、正確な表面プラズモンの計測をすることはできない。また表面プラズモンから発生する光は非常に弱く、光ファイバ先端の微小開口からの取り込み損失、光ファイバーとの接合損失、およびファイバー中の導波損失などからさらに強度は減少し、感度は非常に悪くなる。

一方、特許文献１に記載されたような表面プラズモンの共鳴入射角を計測する方法では、表面プラズモンの伝播特性などを計測することは困難であり、また表面プラズモン共鳴により反射率が極小になることから、反射光を計測すること自体も困難となる。

そこで本発明は、表面プラズモンの伝播特性を高感度で計測できる光学計測方法及び装置を提供することにある。

本発明の第１の光学測定方法は、表面プラズモンを測定する光学測定方法であって、一表面上に金属膜を備えたプリズムに対し、プリズム側からｐ偏光の入射光を入射して金属膜に照射し、金属膜からの反射光を検出し、反射光における、入射光の入射方向に沿ったゆがみを検出し、ゆがみに基づいて、金属膜の表面における表面プラズモンの伝播距離を求める。

本発明の第２の光学計測方法は、表面プラズモンを測定する光学測定方法であって、一表面上に金属膜を備えたプリズムに対し、プリズム側からｐ偏光の入射光を入射して金属膜に照射し、金属膜に関しプリズムとは反対側から、金属膜からの散乱光を検出し、散乱光における、入射光の入射方向に沿ったゆがみを検出し、ゆがみに基づいて、金属膜の表面における表面プラズモンの伝播距離を求める。

本発明の第３の光学計測方法は、表面プラズモンを測定する光学測定方法であって、一表面上に金属膜を備えた第１のプリズムに対し、第１のプリズム側からｐ偏光の第１の入射光を入射して金属膜に照射し、金属膜に近接して配置された第２のプリズムを介し、第２のプリズム側からｐ偏光の第２の入射光を金属膜に照射し、金属膜からの第１のプリズムを介した反射光及び／または金属膜からの第２のプリズムを介した反射光における、入射光の入射方向に沿ったゆがみを検出し、ゆがみに基づいて、金属膜の表面における表面プラズモンの伝播距離を求める。

本発明の第４の光学計測方法は、基板上に配置された試料に発生する表面プラズモンを測定する光学測定方法であって、一表面が基板に接触するプリズムに対し、プリズム側からｐ偏光の入射光を入射して試料に照射し、試料からの反射光を検出し、反射光における、入射光の入射方向に沿ったゆがみを検出し、ゆがみに基づいて、試料に発生する表面プラズモンの伝播距離を求める。

本発明の第５の光学計測方法は、基板上に配置された試料に発生する表面プラズモンを測定する光学測定方法であって、一表面が基板に接触するプリズムに対し、プリズム側からｐ偏光の入射光を入射して試料に照射し、基板に関しプリズムとは反対側から、試料からの散乱光を検出し、散乱光における、入射光の入射方向に沿ったゆがみを検出し、ゆがみに基づいて、試料に発生する表面プラズモンの伝播距離を求める。

本発明の第６の光学計測方法は、基板上に配置された試料に発生する表面プラズモンを測定する光学測定方法であって、一表面が基板に接触する第１のプリズムに対し、第１のプリズム側からｐ偏光の第１の入射光を入射して試料に照射し、基板に近接して配置された第２のプリズムを介し、第２のプリズム側からｐ偏光の第２の入射光を試料に照射し、試料からの第１のプリズムを介した反射光及び／または試料からの第２のプリズムを介した反射光における、入射光の入射方向に沿ったゆがみを検出し、ゆがみに基づいて、試料に発生する表面プラズモンの伝播距離を求める。

本発明において、一つの面が金属膜で被覆されたプリズムに光を照射すると、特に共鳴入射角において、照射光は金属膜表面を伝播する表面プラズモンに変換される。このとき表面プラズモンは照射方向に伝播しふたたび光に変換されるので、反射光のビーム形状は表面プラズモン伝播方向にゆがむ。このゆがみ量を計測することにより表面プラズモンの伝播距離を計測することができる。また入射面と反対側の面から観察することにより、反射率の少ない表面プラズモン共鳴入射角においても、金属膜表面を伝播する表面プラズモンからの散乱光を観察することができ、散乱光の分布を測定することにより高感度で表面プラズモンの伝播距離を計測することができる。またさらに、一つの面が金属膜で被覆された第１のプリズムに光を照射すると同時に、第１のプリズムと対向して第２のプリズムを接近させてこの第２のプリズムにも光を照射すると、金属膜の表面に同時に表面プラズモンが励起されるが、双方の表面プラズモンの位相は一致するので、反射光の強度は増加し、高感度に表面プラズモンおよびその伝播特性を計測することができる。

バイオセンサなどの用途では、金属膜の表面に被測定物質を配置すればよい。

プリズムに金属膜を設ける代わりに、基板上に試料を配置し、この基板をプリズムに接触させるとともに試料を入射光で照射することによっても、同様のメカニズムによって、試料に発生する表面プラズモンの伝播距離を計測することができる。

本発明は、反射光の形状から表面プラズモンの伝播距離を測定することができ、表面プラズモンの伝播距離を簡単に求めるできるという効果がある。また、入射面と反対側の面からの散乱光の形状から表面プラズモンの伝播距離を測定することができ、反射光量の少ない表面プラズモン共鳴入射角においても高感度に表面プラズモンの伝播距離を測定することができる、という効果がある。さらに一つの面が金属膜で被覆されたプリズムと対向するように別のプリズムを近づけ、両方のプリズムを介してから光を照射することにより、金属膜からの反射光を増強させ高感度で表面プラズモンの伝播距離を測定することができる、という効果がある。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態の光学計測方法を実行するための光学計測装置の構成を示している。

石英からなる三角柱状のプリズム３の一つの面には、金属膜７として、銀（Ａｇ）が厚さ３００ｎｍで設けられている。光源１からは、プリズム３の残りの２面のうちの１つの面に、入射光４が、金属膜７に対する入射角をθとして入射する。この入射光４は、予め、半波長板からなる偏光子２を通過することによって、ｐ偏光としてプリズム３に入射して金属膜７を照射する。金属膜７が照射されたことによる反射光６は、プリズム３の残りの１面を経て、光センサ５に入射して検出される。光センサ５は、単に光強度を測定できるだけでなく、入射するビーム（反射光６）におけるビーム形状を測定できる２次元光センサである。この光学計測装置は、入射角θを可変制御できるように構成されている。

このような配置においては、入射光４によって、特に入射角θが共鳴吸収の条件を満たすときに、金属膜７に表面プラズモン８が励起される。この表面プラズモン８は金属膜７の表面を伝播し、光に再変換され、再変換された光は反射光６に含まれて光センサ５によって検出される。表面プラズモン８は、入射光４の照射する方向と同方向に伝播するので、その結果、反射光６のビーム形状５０は、図示するように、ビーム中心５１に対して、入射光４の入射方向にゆがむことになる。具体的には、入射光４の照射方向の前方に向かってビーム形状５０は引き延ばされることになる。そこで、入射光４の照射方向に対する、ビーム形状５０における前方の端部からビーム中心５１までの距離Ｒと、ビーム形状５０における後方の端部からビーム中心５１までの距離Ｌを、光センサ５によって検出する。距離Ｒから距離Ｌを引いた長さすなわちＲ−Ｌが、表面プラズモン８の伝播距離として計測される。

次に、本発明の第２の実施形態の光学計測方法について説明する。

上述した第１の実施形態では、入射光４の入射角θが、表面プラズモンによる共鳴吸収が起こる条件を満たす場合、反射光６の強度が極めて弱くなり、このような条件では、表面プラズモンの伝播距離を計測することが難しくなる。すなわち第１の実施形態の構成では、共鳴吸収によって発生した表面プラズモンの伝播距離の計測が難しくなる。そこで、第２の実施形態では、散乱光を観測することによって、表面プラズモンによる共鳴吸収が起きている状態でも、表面プラズモンの伝播距離を計測できるようにしている。

図２は、本発明の第２の実施形態の光学計測方法を実行するための光学計測装置の構成を示している。

第１の実施形態の場合と同様に、プリズム３の一つの面には、金属膜７として、銀が厚さ３００ｎｍで設けられている。光源１からは、プリズム３の残りの２面のうちの１つの面に、ｐ偏光とされた入射光４が、金属膜７に対する入射角をθとして入射する。金属膜７で反射されたことによる反射光６を検出するための光センサ５も設けられている。さらにこの計測装置では、金属膜７を挟んでプリズム３とは反対側に、金属膜７が入射光４によって照射されたことによる散乱光９を検出する光センサ１２が設けられている。この光センサ１２も２次元光センサである。金属膜７からの散乱光９は、レンズ１１で集光されて光センサ１２に入射するようになっている。なおこの光学計測装置は、入射角θを可変制御できるように構成されている。

この場合も、第１の実施形態の場合と同様に、散乱光９の分布は、表面プラズモン８の伝播によってその伝播方向にひずむ。したがって第１の実施形態の場合と同様に距離Ｌ，Ｒを求め、Ｒ−Ｌを算出することによって、表面プラズモン８の伝播距離が計測される。

表面プラズモンによる共鳴吸収を生じる入射角θにおいては、反射光６の強度は極めて小さくなるが、反射光６の強度が最小の時に散乱光９の強度は最大となるから、本実施形態の方法によれば、共鳴吸収による表面プラズモンの伝播距離を高感度で計測することが可能になる。

次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図３は、本発明の第３の実施形態の光学計測方法を実行するための光学計測装置の構成を示している。

図３に示す構成は、図１に示した光学計測装置において、さらに、石英からなるもう１つのプリズム２３を用意し、金属膜７と対向するように、このプリズム２３をプリズム３に対して隙間３１を介して配置させたものである。プリズム２３には、金属膜は設けられていない。プリズム２３には、別の光源２１から、半波長板からなる偏光子２２を介してｐ偏光とされた入射光２４が入射する。この入射光２４はプリズム２３から出射して金属膜７を照射し、金属膜７で反射され、プリズム２３を再び通過して、反射光２６として光センサ２５に入射する。ここで、光源１から金属膜７に入射する入射光４の入射角をθ₁とし、光源２１から金属膜７に入射する入射光２４の入射角をθ₂とする。なお、表面プラズモン８、２８の伝播方向が一致するように、入射光４、２４の入射方向は、それらの入射方向を金属膜７が形成する平面に投影したときに、一致するようにすることが好ましい。共鳴吸収によって発生する表面プラズモンの伝播距離を計測する場合であれば、入射角θ₁及びθ₂は、そのような共鳴吸収が起こるような角度に設定する。なおこの光学計測装置は、入射角θ₁，θ₂を可変制御できるように構成されている。

光源２１からの入射光２４によっても金属膜７に表面プラズモン２８が励起される。この表面プラズモン２８は、入射光４により励起された表面プラズモン８と同位相となることでより強め合うこととなり、その結果、反射光６の強度が増すか、または表面プラズモンの伝播距離が長くなるので、表面プラズモンの計測が容易となる。反射光６の代わりに反射光２６を計測してもよく、あるいは、反射光６と反射光２６の両方について、入射光の入射方向に沿った反射光ビームのゆがみを計測し、表面プラズモンの伝播距離を計測してもよい。なお、隙間３１での金属膜７とプリズム２３との間隔は、金属膜７とプリズム２３とが接触しない限り、できるだけ小さい方が好ましいが、例えば、間隔を１００ｎｍ程度としても、十分な効果を得ることができる。

上述した各実施形態において、バイオセンサなどへの応用では、金属膜７の表面（プリズム３側でない表面）も被測定物質を配置し、被測定物質の有無や種類による表面プラズモン伝播距離の変化を検出することができる。用途によっては、上述した金属膜７をそのものを試料としたり、金属膜７の表面を試料によって修飾したりしてもよい。

以上、本発明の好ましい実施形態について、プリズム３の１つの面に形成された金属膜７で励起された表面プラズモンの伝播距離の計測を例に挙げて説明した。本発明で計測可能な表面プラズモンは、このような金属膜に励起されるものに限定されない。例えば、基板表面に、表面プラズモンの励起対象となる試料を設けておき、そのような基板表面とプリズム３とを接触させることによって、試料における表面プラズモンの伝播距離を計測することが可能になる。このような構成は、例えば、表面プラズモン現象を利用したバイオセンサに適用することができる。

また、本発明において、金属膜７としては、銀のほかに、金（Ａｕ）やアルミニウム（ｌ）、銅（Ｃｕ）なども使用できる。さらにプリズム３としては、石英以外に、ガラス、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、シリコン（Ｓｉ）など、使用する波長に準じた光学透明材料を用いることができる。

本発明によれば、表面プラズモンの伝播距離を計測することができる。現在、バイオセンサや、コンピュータの集積回路間または集積回路内の光配線、あるいは光ディスク用記録再生光ヘッドなどに、表面プラズモン素子を用いることが試みられている。本発明を用いることによって、表面プラズモン素子における表面プラズモンの伝播距離や強度などが計測可能となり、表面プラズモン素子の最適設計が可能となる。あるいは、センサなどでの応用では、センサが検出対象とする物理量や化学量の計測がより容易になる。

本発明の第１の実施形態の光学計測方法を説明する図である。 本発明の第２の実施形態の光学計測方法を説明する図である。 本発明の第３の実施形態の光学計測方法を説明する図である。 従来の光学計測方法を実現するための光学計測装置の形態を示す図である。

符号の説明

１，２１ 光源
２，２２ 偏光子
３，２３ プリズム
４，２４ 入射光
５，１２，２５，５２ 光センサ
６，２６ 反射光
７ 金属膜
８，２８ 表面プラズモン
９ 散乱光
１１ レンズ
３１ 隙間
５０ 反射光ビーム形状
５１ 反射光ビーム中心
５３ 散乱光形状
５４ 散乱光中心

Claims (6)

1. 表面プラズモンを測定する光学測定方法であって、
   一表面上に金属膜を備えたプリズムに対し、前記プリズム側からｐ偏光の入射光を入射して前記金属膜に照射し、
   前記金属膜からの反射光を検出し、
   前記反射光における、前記入射光の入射方向に沿ったゆがみを検出し、
   前記ゆがみに基づいて、前記金属膜の表面における表面プラズモンの伝播距離を求める、光学計測方法。
2. 表面プラズモンを測定する光学測定方法であって、
   一表面上に金属膜を備えたプリズムに対し、前記プリズム側からｐ偏光の入射光を入射して前記金属膜に照射し、
   前記金属膜に関し前記プリズムとは反対側から、前記金属膜からの散乱光を検出し、
   前記散乱光における、前記入射光の入射方向に沿ったゆがみを検出し、
   前記ゆがみに基づいて、前記金属膜の表面における表面プラズモンの伝播距離を求める、光学計測方法。
3. 表面プラズモンを測定する光学測定方法であって、
   一表面上に金属膜を備えた第１のプリズムに対し、前記第１のプリズム側からｐ偏光の第１の入射光を入射して前記金属膜に照射し、
   前記金属膜に近接して配置された第２のプリズムを介し、前記第２のプリズム側からｐ偏光の第２の入射光を前記金属膜に照射し、
   前記金属膜からの第１のプリズムを介した反射光及び／または前記金属膜からの前記第２のプリズムを介した反射光における、前記入射光の入射方向に沿ったゆがみを検出し、
   前記ゆがみに基づいて、前記金属膜の表面における表面プラズモンの伝播距離を求める、光学計測方法。
4. 基板上に配置された試料に発生する表面プラズモンを測定する光学測定方法であって、
   一表面が前記基板に接触するプリズムに対し、前記プリズム側からｐ偏光の入射光を入射して前記試料に照射し、
   前記試料からの反射光を検出し、
   前記反射光における、前記入射光の入射方向に沿ったゆがみを検出し、
   前記ゆがみに基づいて、前記試料に発生する表面プラズモンの伝播距離を求める、光学計測方法。
5. 基板上に配置された試料に発生する表面プラズモンを測定する光学測定方法であって、
   一表面が前記基板に接触するプリズムに対し、前記プリズム側からｐ偏光の入射光を入射して前記試料に照射し、
   前記基板に関し前記プリズムとは反対側から、前記試料からの散乱光を検出し、
   前記散乱光における、前記入射光の入射方向に沿ったゆがみを検出し、
   前記ゆがみに基づいて、前記試料に発生する表面プラズモンの伝播距離を求める、光学計測方法。
6. 基板上に配置された試料に発生する表面プラズモンを測定する光学測定方法であって、
   一表面が前記基板に接触する第１のプリズムに対し、前記第１のプリズム側からｐ偏光の第１の入射光を入射して前記試料に照射し、
   前記基板に近接して配置された第２のプリズムを介し、前記第２のプリズム側からｐ偏光の第２の入射光を前記試料に照射し、
   前記試料からの第１のプリズムを介した反射光及び／または前記試料からの前記第２のプリズムを介した反射光における、前記入射光の入射方向に沿ったゆがみを検出し、
   前記ゆがみに基づいて、前記試料に発生する表面プラズモンの伝播距離を求める、光学計測方法。