JP2008196992A - Electric field enhancing structure of surface plasmon - Google Patents

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Kazuyoshi Kurihara
一嘉 栗原
Atsushi Shoji
篤 東海林
Akira Otomo
明 大友
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electric field enhancing structure of surface plasmon, capable of properly and fully providing electric field enhancement of the surface plasmon, in the traveling direction of exciting light, in the surface of the neighborhood of the top end of a metal body in which a tapered hollow space is formed in the depth direction. <P>SOLUTION: The electric field enhancing structure 100 of surface plasmon comprises an optical coupling unit 17, configured so that radial polarization light 15 is entered in dielectric 12 in a tapered hollow space 14 in the depth direction divided by the metal body 11 and can be optical coupled with the surface plasmon SP that is localized in the metal body 11, in which the surface plasmon SP is excited by the optical coupling between the radial polarization light 15 and the plasmon itself; and an electric field so as to be enhanced in the traveling direction of light 15 in the surface of a metal body 11, corresponding to the neighborhood of the top end of the dielectric 12. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、表面プラズモンの電場増強構造に関する。   The present invention relates to an electric field enhancement structure for surface plasmons.

表面プラズモンポラリトン波(以下、「表面プラズモン」と略す)とは、金属の表面に局在化された自由電子の集団振動であり、金属に光が照射された際に、電気分極を伴う波が光の電場と結合して形成された連成波である。空間を伝搬する光は、通常、位相速度が一致せず表面プラズモンとは相互作用(カップリング)しないのに対し、物質の境界面近傍に存在する伝搬しない光である近接場光とはカップリングする。   A surface plasmon polariton wave (hereinafter abbreviated as “surface plasmon”) is a collective oscillation of free electrons localized on the surface of a metal. When a metal is irradiated with light, a wave accompanied by electric polarization is generated. It is a coupled wave formed by combining with the electric field of light. Light that propagates in space usually does not interact (couple) with surface plasmons because the phase velocities do not match, whereas it does not couple with near-field light that is non-propagating light that exists near the boundary surface of matter. To do.

金属表面での特殊な条件により表面プラズモンと電磁波(光)とのカップリングに基づいて表面プラズモン共鳴励起が起こると、表面近傍での電場強度が増強されるため、従来から、これを利用した表面増強ラマン散乱(SERS)現象が研究されている。例えば、金属表面の微小構造(例えば金属表面の凹凸構造)により局所的な表面プラズモンが励起され、このことが、表面増強ラマン散乱を引き起こす原因の一つと考えられている。   When surface plasmon resonance excitation occurs based on the coupling between surface plasmons and electromagnetic waves (light) due to special conditions on the metal surface, the electric field strength near the surface is enhanced. The enhanced Raman scattering (SERS) phenomenon has been studied. For example, local surface plasmons are excited by a microstructure on the metal surface (for example, a concavo-convex structure on the metal surface), which is considered to be one of the causes of surface-enhanced Raman scattering.

しかしながら、この場合、表面プラズモンによる電場増強がどの場所に起こるかは、偶然に任され、このような偶発的に起こる表面プラズモンによる電場増強は、光カプラや光集積回路などの光デバイスのような、表面プラズモンの電場増強が空間的に制御されることを前提とする技術の応用には適していない。   However, in this case, the place where the electric field enhancement due to the surface plasmon occurs is left to chance, and such an accidental electric field enhancement due to the surface plasmon is caused by an optical device such as an optical coupler or an optical integrated circuit. However, it is not suitable for the application of the technology on the premise that the electric field enhancement of the surface plasmon is spatially controlled.

そこで、深さ方向に先細り(例えばテーパ状)の窪み空間が形成された金属体(以下、「テーパ金属構造」と略す)により、この窪み空間の先端近傍に対応する金属体の表面(金属面)において表面プラズモンの電場増強が起こると理論的に予測されていることから、表面プラズモンの電場増強を空間的に制御する試みの一環として、このようなテーパ金属構造による表面プラズモンの電場増強に向けた取り組みがなされている。   Therefore, the surface of the metal body corresponding to the vicinity of the tip of the hollow space (metal surface) is formed by a metal body (hereinafter abbreviated as “tapered metal structure”) in which a hollow space tapered (for example, tapered) in the depth direction is formed. ) Is theoretically predicted that surface plasmon electric field enhancement will occur, and as part of an attempt to spatially control the surface plasmon electric field enhancement, we aim to enhance the surface plasmon electric field by such a tapered metal structure. Efforts are being made.

例えば、このようなテーパ金属構造の一例としての、円錐形状の光プリズム(以下、「円錐プリズム」と略す)の側面に、AuやAg等の金属薄膜が蒸着された従来構造がある(特許文献1参照)。言い換えれば、この従来構造は、深さ方向に先細りの円錐形状の窪み空間が形成された金属体(金属薄膜)と、この窪み空間に配設された円錐プリズムと、を備えている。   For example, as an example of such a tapered metal structure, there is a conventional structure in which a metal thin film such as Au or Ag is vapor-deposited on the side surface of a conical light prism (hereinafter referred to as “conical prism”) (Patent Document). 1). In other words, this conventional structure includes a metal body (metal thin film) in which a conical recess space tapered in the depth direction is formed, and a conical prism disposed in the recess space.

また、この従来構造の表面プラズモンの光励起(レーザ光と表面プラズモンとの間のカップリング)には、円錐プリズムと金属薄膜との境界で光を全反射させ、その境界面にある金属薄膜内にエバネッセント波を形成するというクレッチマン光学配置が用いられている。よって、この従来構造によれば、レーザ光を円錐プリズムの底面から円錐プリズム内(窪み空間内)に入射させることにより、円錐プリズムの頂点で表面プラズモンが局在化され、これにより、円錐プリズムの頂点で、表面プラズモンの電場増強が得られるとされている。
特開2002−116149号公報(図2)
In addition, for the optical excitation of the surface plasmon of this conventional structure (coupling between the laser beam and the surface plasmon), the light is totally reflected at the boundary between the conical prism and the metal thin film, and is reflected in the metal thin film at the boundary surface. A Kretschmann optical arrangement that forms an evanescent wave is used. Therefore, according to this conventional structure, the surface plasmon is localized at the apex of the conical prism by causing the laser light to enter the conical prism (in the hollow space) from the bottom surface of the conical prism. It is said that the electric field enhancement of surface plasmons can be obtained at the apex.
JP 2002-116149 A (FIG. 2)

ところで、上述の特許文献1記載によれば、円錐プリズムにより表面プラズモンを励起させる目的で、Arレーザから直線偏光のレーザ光(励起光)が円錐プリズムの底面から円錐プリズム内に入射されている(例えば、特許文献1の段落〔0014〕参照)。なお、直線偏光の光とは、光波の電場の振動方向が一方向である光を指す。   By the way, according to the above-mentioned Patent Document 1, linearly polarized laser light (excitation light) is incident on the conical prism from the bottom surface of the conical prism for the purpose of exciting surface plasmons by the conical prism ( For example, see paragraph [0014] of Patent Document 1. Note that linearly polarized light refers to light in which the vibration direction of the electric field of the light wave is one direction.

これに対し、本件発明者等は、テーパ金属構造(例えば、上述の円錐プリズムの側面に金属薄膜を蒸着した構造)の先端近傍の金属薄膜の表面において、光の進行方向に電場増強を適切かつ充分に起こすには、ラジアル偏光の光を用いることが必須要件であると考えている。この理由については、後述する。なお、ラジアル偏光の光とは、電場の振動方向が放射状分布である光を指す。   On the other hand, the inventors of the present invention appropriately increase the electric field in the light traveling direction on the surface of the metal thin film in the vicinity of the tip of the tapered metal structure (for example, the structure in which the metal thin film is deposited on the side surface of the conical prism). We believe that using a radially polarized light is an indispensable requirement in order to get enough. The reason for this will be described later. Note that the radially polarized light refers to light whose electric field vibration direction is a radial distribution.

よって、端的に言えば、特許文献1に記載された従来構造は、表面プラズモンによる巨大な電場増強を図る観点から見て最適な設計とは言い難く、中途半端な技術であり、未だ改善の余地がある。   Therefore, in short, the conventional structure described in Patent Document 1 is not an optimal design from the viewpoint of enlarging a large electric field by surface plasmons, is a halfway technology, and there is still room for improvement. There is.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、深さ方向に先細りの窪み空間が形成された金属体の先端近傍の表面において、光の進行方向に表面プラズモンの電場増強を適切かつ充分に行える表面プラズモンの電場増強構造を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and appropriately enhances the electric field enhancement of the surface plasmon in the light traveling direction on the surface near the tip of the metal body in which the tapered hollow space is formed in the depth direction. An object of the present invention is to provide a surface plasmon electric field enhancement structure which can be sufficiently performed.

上記課題を解決するため、本発明は、金属体により区画された深さ方向に先細りの窪み空間内の誘電体に、その深さ方向に向けて入射されたラジアル偏光の光が、前記金属体で局在化された表面プラズモンと光カップリング可能なように構成されている光カップリング手段を備え、
前記表面プラズモンは、前記ラジアル偏光の光との間の前記光カップリングにより励起され、前記誘電体の先端近傍に対応する前記金属体の表面において、前記光の進行方向に電場増強される、表面プラズモンの電場増強構造を、提供する。
In order to solve the above problems, the present invention is directed to a method in which a radially polarized light incident in a depth direction on a dielectric in a hollow space tapered in a depth direction defined by a metal body is the metal body. Comprising optical coupling means configured to be capable of optical coupling with surface plasmons localized at
The surface plasmon is excited by the optical coupling with the radially polarized light, and the electric field is enhanced in the traveling direction of the light on the surface of the metal body corresponding to the vicinity of the tip of the dielectric. Provides an electric field enhancement structure of plasmons.

つまり、本発明の表面プラズモンの電場増強構造では、ラジアル偏光の光の進行方向の電場の振動成分が重なり合い、この方向に大きな電場の振動成分をもつ光の場が形成される。   That is, in the electric field enhancement structure of the surface plasmon according to the present invention, the vibration components of the electric field in the traveling direction of the radially polarized light overlap, and a light field having a large vibration component of the electric field is formed in this direction.

よって、この表面プラズモンは、このようなラジアル偏光の光との間の光カップリングにより励起された場合には、誘電体の先端近傍に対応する金属体の表面において、光の進行方向に適切かつ充分に電場増強できる。   Therefore, when the surface plasmon is excited by such optical coupling with the radially polarized light, the surface plasmon is appropriate in the light traveling direction on the surface of the metal body corresponding to the vicinity of the tip of the dielectric. The electric field can be sufficiently enhanced.

なお、ここで、前記誘電体の相対する部分が、前記誘電体の頂点を通り、かつ前記誘電体の底面に垂直に引いた仮想直線に対して対称的に直線状に傾斜してもよい。   Here, the opposing portions of the dielectric may be inclined linearly symmetrically with respect to an imaginary straight line that passes through the apex of the dielectric and is perpendicular to the bottom surface of the dielectric.

これにより、表面プラズモンの共鳴励起が起こった際の優れたエネルギー効率が発揮され好適である。   Thereby, excellent energy efficiency is exhibited when surface plasmon resonance excitation occurs, which is preferable.

また、前記誘電体の相対する部分が、前記誘電体の頂点を通り、かつ前記誘電体の底面に垂直に引いた仮想直線に対して対称的に弓状に傾斜してもよい。   The opposing portions of the dielectric may be inclined in an arcuate shape symmetrically with respect to an imaginary straight line that passes through the apex of the dielectric and is perpendicular to the bottom surface of the dielectric.

これにより、表面プラズモンの共鳴励起が起こるラジアル偏光の光の入射方向の角度依存性が緩和され、この光の入射方向の調整作業を効率化できるという利点がある。よって、上述の表面プラズモンの電場増強構造は、簡易的に表面プラズモンの共鳴励起を図りたいという場合に有益である。   Thereby, the angle dependency of the incident direction of the light of the radially polarized light in which the resonance excitation of the surface plasmon occurs is relaxed, and there is an advantage that the adjustment operation of the incident direction of the light can be made efficient. Therefore, the electric field enhancement structure of the surface plasmon described above is useful when it is desired to easily achieve resonance excitation of the surface plasmon.

また、前記光は、光強度のピークがドーナツ状に分布しているラゲールガウシアンビームであることが好ましい。そして、この場合、前記誘電体が円錐形状であり、前記誘電体の底面の円周に沿うよう、前記ラゲールガウシアンビームの光強度が円環状に分布していることが好ましい。   Further, the light is preferably a Laguerre Gaussian beam in which light intensity peaks are distributed in a donut shape. In this case, it is preferable that the dielectric has a conical shape, and the light intensity of the Laguerre Gaussian beam is distributed in an annular shape so as to follow the circumference of the bottom surface of the dielectric.

このようにして、ラジアル偏光のラゲールガウシアンビームが、その円環状の光強度ピークの分布を誘電体の底面の円周に沿うように集光されると、このビームの光エネルギーを、表面プラズモンの集束効果により集中させて、効率良く利用でき好適ある。   In this way, when the radially polarized Laguerre Gaussian beam is condensed so that the distribution of the annular light intensity peak is along the circumference of the bottom surface of the dielectric, the light energy of this beam is converted to the surface plasmon. It is preferable that it can be used efficiently by being concentrated by the focusing effect.

ここで、クレッチマン光学配置を用いる前記光カップリング手段は、前記誘電体としての光プリズムと、前記光プリズムの側面に直接に接触してなる前記金属体としての金属薄膜と、を備えており、
前記光プリズムと前記金属薄膜との間の境界で前記ラジアル偏光の光が全反射されることにより、前記表面プラズモンは、前記ラジアル偏光の光との間で光カップリングしてもよい。
Here, the optical coupling means using the Kretschmann optical arrangement includes an optical prism as the dielectric, and a metal thin film as the metal body that is in direct contact with a side surface of the optical prism,
The surface plasmon may be optically coupled with the radially polarized light by totally reflecting the radially polarized light at a boundary between the optical prism and the metal thin film.

これにより、後述のオット光学配置を用いる光カップリング手段よりも構成が簡単な光カップリング手段を実現でき好適である。   Accordingly, it is possible to realize an optical coupling unit having a simpler configuration than an optical coupling unit using an Otto optical arrangement described later.

一方、オット光学配置を用いる前記光カップリング手段は、前記金属体との間に隙間を挟んで対向され、前記窪み空間内の前記誘電体としての光プリズムと、前記隙間に存在する、前記誘電体よりも屈折率が低い誘電層と、を備え、
前記光プリズムと前記誘電層との間の境界で前記ラジアル偏光の光が全反射されることにより、前記表面プラズモンは、前記ラジアル偏光の光との間で光カップリングしてもよい。
On the other hand, the optical coupling means using an Otto optical arrangement is opposed to the metal body with a gap therebetween, and the optical prism as the dielectric in the hollow space and the dielectric existing in the gap. A dielectric layer having a lower refractive index than the body,
The surface plasmon may be optically coupled with the radially polarized light by totally reflecting the radially polarized light at a boundary between the optical prism and the dielectric layer.

これにより、薄膜金属に限らず、バルク状の金属体であっても表面プラズモンを励起でき有益な場合がある。   Thereby, not only a thin-film metal but a bulk metal body can excite surface plasmons and may be beneficial.

前記誘電層は空気から構成される層であってもよい。   The dielectric layer may be a layer composed of air.

これにより、誘電層を簡便に形成できる。   Thereby, a dielectric layer can be formed easily.

また、本発明の表面プラズモンの電場増強構造は、金属体により区画された深さ方向に先細りの窪み空間に、その深さ方向に向けて入射され、かつラジアル偏光の光が、前記金属体で局在化された表面プラズモンと光カップリング可能なように構成されている光カップリング手段を備えるものであって、
前記光カップリング手段は、前記金属体に形成された回折格子を更に備え、
前記表面プラズモンは、前記ラジアル偏光の光の波長の前記回折格子による選択に基づく前記ラジアル偏光の光との間の光カップリングより励起され、前記誘電体の先端近傍に対応する前記金属体の表面において、前記光の進行方向に電場増強されるように、構成されてもよい。
Further, the electric field enhancement structure of the surface plasmon according to the present invention is incident in the depth direction into the hollow space tapered in the depth direction defined by the metal body, and the radially polarized light is incident on the metal body. Comprising optical coupling means configured to be capable of optical coupling with localized surface plasmons,
The optical coupling means further includes a diffraction grating formed on the metal body,
The surface plasmon is excited by optical coupling with the radially polarized light based on the selection by the diffraction grating of the wavelength of the radially polarized light, and the surface of the metal body corresponding to the vicinity of the tip of the dielectric The electric field may be enhanced in the traveling direction of the light.

このような回折格子を採用することにより、薄膜金属に限らず、バルク状の金属体であっても表面プラズモンを励起できるとともに、光学プリズムを必要とせず、有益な場合がある。   By adopting such a diffraction grating, not only a thin film metal but also a bulk metal body can excite surface plasmons and does not require an optical prism, which may be beneficial.

また、この場合も、上述のとおり、前記光は、光強度のピークがドーナツ状に分布しているラゲールガウシアンビームであることが好ましい。   Also in this case, as described above, the light is preferably a Laguerre Gaussian beam in which light intensity peaks are distributed in a donut shape.

また、前記窪み空間が円錐に区画されており、前記窪み空間の裾の円周に沿うよう、前記ラゲールガウシアンビームの光強度が円環状に分布していることが好ましい。   Moreover, it is preferable that the said hollow space is divided into cones and the light intensity of the said Laguerre Gaussian beam is distributed circularly so that the circumference of the bottom of the said hollow space may be followed.

このようにして、ラジアル偏光のラゲールガウシアンビームが、その円環状の光強度ピークの分布を窪み空間の裾の円周に沿うように集光されると、このビームの光エネルギーを、表面プラズモンの集束効果により集中させて、効率良く利用でき好適ある。   In this way, when the radially polarized Laguerre Gaussian beam is condensed so that the distribution of the annular light intensity peak is along the circumference of the bottom of the hollow space, the light energy of this beam is converted to the surface plasmon. It is preferable that it can be used efficiently by being concentrated by the focusing effect.

本発明によれば、深さ方向に先細りの窪み空間が形成された金属体の先端近傍の表面において、光の進行方向に表面プラズモンの電場増強を適切かつ充分に行える表面プラズモンの電場増強構造が得られる。   According to the present invention, there is provided a surface plasmon electric field enhancement structure capable of adequately and sufficiently enhancing the electric field of surface plasmons in the light traveling direction on the surface near the tip of the metal body in which a tapered hollow space is formed in the depth direction. can get.

以下、本発明を実施するための実施形態について、図面を参照しながら説明する。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1実施形態)
まず、本発明の第1実施形態による表面プラズモンの電場増強構造の構成について述べる。
(First embodiment)
First, the configuration of the electric field enhancement structure for surface plasmons according to the first embodiment of the present invention will be described.

図1は、本実施形態による表面プラズモンの電場増強構造の一構成例を模式的に示した断面図である。なお、以下の説明の便宜上、図1(後述の図4も同じ)において、表面プラズモンSPを励起させる目的のラジアル偏光のドーナツ状(円環状)のラゲールガウシアンビーム15(Laguerre-Gaussian Beam;以下「ラジアル偏光LGビーム15」と略す)の進行方向を「Z方向」とし、この「Z方向」に垂直かつ紙面に沿った方向を「X方向」としている。なお、ラジアル偏光LGビーム15の詳細な内容については後述する。   FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of an electric field enhancing structure for surface plasmons according to the present embodiment. For the convenience of the following description, in FIG. 1 (the same applies to FIG. 4 described later), a radially polarized donut-shaped (annular) Laguerre Gaussian beam 15 (Laguerre-Gaussian Beam; The advancing direction of the radially polarized LG beam 15) is defined as “Z direction”, and the direction perpendicular to the “Z direction” and along the paper surface is defined as “X direction”. The detailed contents of the radially polarized LG beam 15 will be described later.

表面プラズモンSPの電場増強構造100は、図1に示したように、光カップリング手段17と、ラジアル偏光LGビーム15を、この光カップリング手段17に向けて入射させる公知のラジアル偏光LGビーム形成用の光学系16と、を備える。   As shown in FIG. 1, the electric field enhancement structure 100 of the surface plasmon SP has a known radial polarization LG beam formation in which the optical coupling means 17 and the radially polarized LG beam 15 are incident on the optical coupling means 17. Optical system 16.

光カップリング手段17は、表面プラズモンSPの電場増強構造100の主要な構成をなしており、これは、図1に示すように、深さ方向(Z方向)に先細り(例えばテーパ状)の窪み空間14が形成された金属薄膜からなる金属体11と、金属体11の傾斜内面11a(金属面)により区画された窪み空間14の全域を占めるよう、かつ上述の金属体11の傾斜内面11aに接触するように設けられた高屈折率ガラスからなる誘電体12とを備える。   The optical coupling means 17 constitutes the main structure of the electric field enhancement structure 100 of the surface plasmon SP, which is a tapered (for example, tapered) depression in the depth direction (Z direction) as shown in FIG. In the inclined inner surface 11a of the metal body 11 so as to occupy the whole area of the hollow space 14 defined by the metal body 11 formed of the metal thin film in which the space 14 is formed and the inclined inner surface 11a (metal surface) of the metal body 11. And a dielectric 12 made of a high refractive index glass provided so as to be in contact with each other.

なお、金属体11より外側の外部領域13は、通常は、大気空間(空気層)であるが、この外部領域13を、誘電体12よりも屈折率が低い誘電部材で構成してもよい。   The external region 13 outside the metal body 11 is normally an atmospheric space (air layer), but the external region 13 may be formed of a dielectric member having a refractive index lower than that of the dielectric 12.

このように、光カップリング手段17は、傾斜内面11aにより区画された深さ方向に先細りの窪み空間14を占める誘電体12内に、その深さ方向(Z方向)に向けて入射され、かつラジアル偏光LGビーム15が、金属体11で局在化された表面プラズモンSPと光カップリング可能なように構成されている。   In this way, the optical coupling means 17 is incident in the depth direction (Z direction) into the dielectric 12 occupying the hollow space 14 tapered in the depth direction defined by the inclined inner surface 11a, and The radially polarized LG beam 15 is configured to be capable of optical coupling with the surface plasmon SP localized by the metal body 11.

なお、表面プラズモンSPを、光学プリズム(ここでは誘電体12)を用いて励起する方法には、誘電体と金属薄膜とをわずかな隙間に存在する誘電層(例えば、空気層)を挟んで対向させたオット(Otto)光学配置を採用することもあるが、本実施形態では、上述のとおり、誘電体12の側面12aに金属薄膜を直接付けたクレッチマン(Kretschmann)光学配置が用いられている。これにより、オット光学配置を用いる光カップリング手段よりも構成が簡単な光カップリング手段を実現でき好適である。   In the method of exciting the surface plasmon SP using an optical prism (here, the dielectric 12), the dielectric and the metal thin film are opposed to each other with a dielectric layer (for example, an air layer) present in a slight gap. In this embodiment, as described above, a Kretschmann optical arrangement in which a metal thin film is directly attached to the side surface 12a is used. Thereby, it is possible to realize an optical coupling means having a simpler configuration than the optical coupling means using the Otto optical arrangement, which is preferable.

なお、オット光学配置を用いた表面プラズモンの電場増強構造については、後述の第2実施形態において述べる。   The electric field enhancement structure for surface plasmons using the Otto optical arrangement will be described in a second embodiment to be described later.

上述の金属体11は、表面プラズモンSPを形成できる薄膜化可能な材料を用いて製作され、金属体11の材料例としては、金、銀、アルミニウム、銅およびプラチナがある。その中でも、金は、空気中で酸化され難く好適である。   The metal body 11 described above is manufactured using a material capable of forming a thin film that can form the surface plasmon SP. Examples of the material of the metal body 11 include gold, silver, aluminum, copper, and platinum. Among these, gold is suitable because it is difficult to be oxidized in the air.

誘電体12は、例えば、公知の光学ガラス材料から構成された光学プリズムであり、その3次元形状は、深さ方向に向かって先鋭化(角度θ)する形であれば如何なる形状であってもよいが、ここでは、図1に示すように、誘電体12の相対する側面12aの部分が、誘電体12の頂点Pを通り、かつ誘電体12の底面に垂直に引いた仮想直線Lに対して対称的に傾斜するテーパ状になっている。このような3次元形状を例示すると、円錐形状や正四角錐形状がある。しかし、これに限らず、誘電体12は、三角錐形状や正四角錐形状以外の四角錐形状であってもよく、更には、5角以上の多角錐形状であってもよい。但し、本実施形態のように、ドーナツ状(円環状)のラゲールガウシアンビームを、金属体11の表面の表面プラズモンSPを励起させる励起光として用いる場合には、金属体11の傾斜内面11a(誘電体12の底面の周囲)が、ラゲールガウシアンビームのドーナツ状の光強度ピークに沿うように、誘電体12の形状は円錐であることが好ましい。そして、この場合には、表面プラズモンSPの電場増強構造100は、エッチングによる上述の円錐形状の誘電体12の形成と、この誘電体12の側面12a(円錐面)の略全域についての、適宜の真空プロセス(真空蒸着やスパッタリング)に基づく金属薄膜からなる金属体11のコーティング形成と、によって、極めて簡便に製作することができる。   The dielectric 12 is, for example, an optical prism made of a known optical glass material, and its three-dimensional shape is any shape as long as it sharpens (angle θ) in the depth direction. However, here, as shown in FIG. 1, with respect to an imaginary straight line L drawn by the opposite side surface 12 a of the dielectric 12 through the apex P of the dielectric 12 and perpendicular to the bottom surface of the dielectric 12. The taper is inclined in a symmetrical manner. Examples of such a three-dimensional shape include a conical shape and a regular quadrangular pyramid shape. However, the present invention is not limited to this, and the dielectric 12 may be a quadrangular pyramid shape other than a triangular pyramid shape or a regular quadrangular pyramid shape, and may be a polygonal pyramid shape having five or more corners. However, when the doughnut-shaped (annular) Laguerre Gaussian beam is used as excitation light for exciting the surface plasmon SP on the surface of the metal body 11 as in this embodiment, the inclined inner surface 11a (dielectric) of the metal body 11 is used. The shape of the dielectric 12 is preferably a cone so that the periphery of the bottom surface of the body 12 follows the donut-shaped light intensity peak of the Laguerre Gaussian beam. In this case, the electric field enhancing structure 100 of the surface plasmon SP is formed by appropriately forming the above-described conical dielectric 12 by etching and substantially the entire side surface 12a (conical surface) of the dielectric 12. It can be manufactured very simply by coating the metal body 11 made of a metal thin film based on a vacuum process (vacuum deposition or sputtering).

よって、以下の説明では、窪み空間14が円錐状に区画されるものとし、これを必要に応じて円錐空間14と呼び、誘電体12が円錐状の窪み空間14にぴったり嵌まった円錐状であるものとし、これを必要に応じて円錐プリズム12(円錐頂角θ)と呼ぶ。   Therefore, in the following description, it is assumed that the hollow space 14 is partitioned into a conical shape, and this is referred to as a conical space 14 as necessary, and the dielectric 12 has a conical shape that fits closely into the conical hollow space 14. It is assumed that this is called a conical prism 12 (conical apex angle θ) as necessary.

次に、本実施形態の特徴部である表面プラズモンSPを励起されるラジアル偏光LGビーム15の内容について説明する。   Next, the contents of the radially polarized LG beam 15 that excites the surface plasmon SP, which is a feature of the present embodiment, will be described.

図2は、ラジアル偏光LGビームの光強度分布および偏光について模式的に示した図である。   FIG. 2 is a diagram schematically showing the light intensity distribution and the polarization of the radially polarized LG beam.

図2のハッチング部分は、ラジアル偏光LGビーム15の光強度の強い部分を示している。また、図2の矢印は、ラジアル偏光LGビーム15の偏光方向(電場の振動方向)を示している。なお、図2では、電場ベクトルが外側に最も大きくなったラジアル偏光LGビーム15の様子と、電場ベクトルが内側に最も大きくなったラジアル偏光LGビーム15の様子と、を、代表的に図示している。   The hatched portion in FIG. 2 indicates a portion where the light intensity of the radially polarized LG beam 15 is high. Moreover, the arrow of FIG. 2 has shown the polarization direction (vibration direction of an electric field) of the radially polarized LG beam 15. FIG. In FIG. 2, the state of the radially polarized LG beam 15 having the largest electric field vector on the outside and the state of the radially polarized LG beam 15 having the largest electric field vector on the inside are representatively illustrated. Yes.

図2のハッチング部分に示したように、ラジアル偏光LGビーム15の光強度のピークは、円環状(ドーナツ状)に分布している。このため、円錐プリズム12に向けて入射されるラジアル偏光LGビーム15の光強度のピークが、円錐プリズム12の底面の外周に沿うように、ラジアル偏光LGビーム15の光強度分布を調整すれば、ラジアル偏光LGビーム15の光エネルギーを効率的に表面プラズモンSPに与えることができ好適である。   As shown in the hatched portion of FIG. 2, the light intensity peak of the radially polarized LG beam 15 is distributed in an annular shape (doughnut shape). Therefore, if the light intensity distribution of the radially polarized LG beam 15 is adjusted so that the peak of the light intensity of the radially polarized LG beam 15 incident on the conical prism 12 is along the outer periphery of the bottom surface of the conical prism 12, It is preferable because the light energy of the radially polarized LG beam 15 can be efficiently applied to the surface plasmon SP.

また、図2の矢印に示したように、ラジアル偏光LGビーム15の電場の振動方向は、この円環の動径方向であり、各々の電場ベクトルの大きさは同じである。つまり、ラジアル偏光LGビーム15は、端的には、方位角(アジミュサル)対称の動径方向(ラジアル)偏光ビームである。   As indicated by the arrows in FIG. 2, the vibration direction of the electric field of the radially polarized LG beam 15 is the radial direction of the ring, and the magnitudes of the electric field vectors are the same. That is, the radial polarization LG beam 15 is a radial direction (radial) polarization beam that is symmetrical with respect to the azimuth angle (azimuthal).

このようなラジアル偏光のビームは、これを上述の光カップリング手段17と組み合わせた場合には、従来構造(特許文献1)で用いられた直線偏光のビームと比べて、以下に述べる特別の効果を発揮する。   Such a radially polarized beam, when combined with the above-described optical coupling means 17, has the following special effects compared to the linearly polarized beam used in the conventional structure (Patent Document 1). Demonstrate.

なお、このラジアル偏光のビームの好適な一例が、上述のラジアル偏光LGビーム15であるが、以下に述べる効果については、ラゲールガウシアンビーム(ドーナツ状ビーム)には限定されず、他のラジアル偏光のビーム、例えば、ガウシアン分布のラジアル偏光ビームであっても奏する。   A preferred example of the radially polarized beam is the above-described radially polarized LG beam 15. However, the effects described below are not limited to the Laguerre Gaussian beam (donut-shaped beam), and other radial polarized beams may be used. Even a beam, for example, a radially polarized beam having a Gaussian distribution, can be obtained.

図3は、表面プラズモンを励起させる光のフォーカシング時の電場ベクトルの様子を模式的に描いた図である。図3(a)は、本実施形態で使用されるラジアル偏光のビームの電場ベクトルを示した図であり、図3(b)は、従来構造(特許文献1)で使用される直線偏光のビームの電場ベクトルを示した図である。   FIG. 3 is a diagram schematically illustrating an electric field vector during focusing of light that excites surface plasmons. 3A is a diagram showing an electric field vector of a radially polarized beam used in the present embodiment, and FIG. 3B is a linearly polarized beam used in the conventional structure (Patent Document 1). It is the figure which showed electric field vector.

図3(a)に示したように、ラジアル偏光のビームの電場ベクトルの合成により、ラジアル偏光ビームのZ方向(光の進行方向)の電場の振動成分が重なり合い(X方向の電場の振動成分は打ち消し合う)、Z方向に大きな電場の振動成分をもつ光の場が作られる。このため、ラジアル偏光のビームにより励起される表面プラズモンSPは、円錐プリズム12の先端近傍の金属体11の表面(傾斜外面11b)においてZ方向に電場増強される。   As shown in FIG. 3A, by combining the electric field vectors of the radially polarized beam, the vibration components of the electric field in the Z direction (light traveling direction) of the radially polarized beam overlap (the vibration component of the electric field in the X direction is A field of light having a large electric field vibration component in the Z direction is created. Therefore, the surface plasmon SP excited by the radially polarized beam is enhanced in the electric field in the Z direction on the surface of the metal body 11 (inclined outer surface 11 b) near the tip of the conical prism 12.

図7は、円錐形状の誘電体の先端近傍の金属体の表面における表面プラズモンの電場増強の様子を電気力線で表した図である。なお、図中のスケールは、波長寸法により規格化されている。   FIG. 7 is a diagram showing the electric field enhancement of the surface plasmon on the surface of the metal body in the vicinity of the tip of the conical dielectric. Note that the scale in the figure is normalized by the wavelength dimension.

図7に示した電気力線は、誘電体の物性条件(誘電率)として空気の誘電率を採用して、金属体の物性条件(誘電率)として金の誘電率を採用した際の、誘電体12の円錐頂角を10°に設定した場合について、準変数分離法というテーパ状の表面プラズモンの現象を解析的に理解するために開発された偏微分方程式の手法により、磁場のMaxwell方程式を数値計算で解いて得られた結果である。なお、ここでは、上述の解析手法の詳細な説明は省略する。   The electric lines of force shown in FIG. 7 are obtained when the dielectric constant of air is adopted as the physical property condition (dielectric constant) of the dielectric, and the dielectric constant of gold is adopted as the physical property condition (dielectric constant) of the metal body. For the case where the cone apex angle of the body 12 is set to 10 °, the Maxwell equation of the magnetic field is obtained by the partial differential equation method developed to analytically understand the phenomenon of the tapered surface plasmon called the quasi-variable separation method. It is the result obtained by solving by numerical calculation. Here, detailed description of the above analysis method is omitted.

図7によれば、円錐形状の誘電体の先端に行くほど、電気力線が密になることが分かり、これにより、誘電体の先端において電場増強がなされることが裏付けられている。また、誘電体の先端の電気力線の様子から、ここでの電場が、Z方向の成分だけになっていることも理解できる。   According to FIG. 7, it can be seen that the electric lines of force become denser toward the tip of the conical dielectric, and this confirms that the electric field is enhanced at the tip of the dielectric. It can also be understood from the state of the electric lines of force at the tip of the dielectric that the electric field here is only the component in the Z direction.

一方、図3(b)に示したように、直線偏光のビームの電場ベクトルの合成により、直線偏光ビームのX方向(励起光の進行方向に垂直な方向)の電場の振動成分が重なり合い(Z方向の電場の振動成分は打ち消し合う)、X方向に大きな電場の振動成分をもつ光の場が作られる。このため、直線偏光のビームにより励起される表面プラズモンSPは、円錐プリズム12の先端近傍の金属体11の表面(傾斜外面11b)においてX方向に電場増強される。   On the other hand, as shown in FIG. 3B, the vibration component of the electric field in the X direction (direction perpendicular to the traveling direction of the excitation light) overlaps (Z The vibration component of the electric field in the direction cancels out, and a light field having a large vibration component of the electric field in the X direction is created. For this reason, the surface plasmon SP excited by the linearly polarized beam is enhanced in the electric field in the X direction on the surface (inclined outer surface 11 b) of the metal body 11 near the tip of the conical prism 12.

ところで、ラジアル偏光のビームによる電場が重なり合う方向(Z方向)は、光の進行方向であることから、このようなラジアル偏光のビームにより増強される表面プラズモンSPの電場の振動は縦波であり、横波の光と再びカップリングし難いのに対し、直線偏光のビームによる電場が重なり合う方向(X方向)は、光の進行方向に垂直な方向であることから、このような直線偏光のビームにより増強される表面プラズモンSPの電場の振動は横波であり、横波の光と再びカップリングし易い。   By the way, since the direction in which the electric fields due to the radially polarized beam overlap (Z direction) is the traveling direction of the light, the vibration of the electric field of the surface plasmon SP enhanced by such a radially polarized beam is a longitudinal wave. Although it is difficult to re-couple with transverse light, the direction in which the electric field of the linearly polarized beam overlaps (X direction) is perpendicular to the traveling direction of the light. The vibration of the electric field of the surface plasmon SP is a transverse wave, and is easily coupled again with the light of the transverse wave.

そうすると、上述の従来構成のような直線偏光のビームに基づいて増強された表面プラズモンSPの電場の振動エネルギーは、光放射モードとして外部に放出され易く、直線偏光のビームにより励起される表面プラズモンSPは、適切かつ充分に電場を増強できないと危惧される。   Then, the vibration energy of the electric field of the surface plasmon SP enhanced based on the linearly polarized beam as in the above-described conventional configuration is easily emitted to the outside as a light emission mode, and the surface plasmon SP excited by the linearly polarized beam. Is feared that the electric field cannot be increased appropriately and sufficiently.

これに対し、本実施形態のラジアル偏光のビームに基づいて増強された表面プラズモンSPの電場の振動エネルギーは、光放射モードとして外部に放出され難く、ラジアル偏光のビームにより励起される表面プラズモンSPは、適切かつ充分に電場を増強できると期待される。   On the other hand, the vibration energy of the electric field of the surface plasmon SP enhanced based on the radially polarized beam of this embodiment is unlikely to be emitted to the outside as a light emission mode, and the surface plasmon SP excited by the radially polarized beam is It is expected that the electric field can be appropriately and sufficiently enhanced.

更に、ラジアル偏光のビームを用いる場合には、円錐プリズム12の先端近傍の金属体11の表面からZ方向に隙間を開けて適宜の金属部材(図示せず)を配置すると、Z方向に電場増強された表面プラズモンSPが、当該金属部材との間の相互作用で更に増強(ギャップモード励起)され、これにより、表面プラズモンSPの電場増強がより積極的に図れて好適である。   Further, when a radially polarized beam is used, if an appropriate metal member (not shown) is arranged with a gap in the Z direction from the surface of the metal body 11 near the tip of the conical prism 12, an electric field is enhanced in the Z direction. The surface plasmon SP thus obtained is further enhanced (gap mode excitation) by the interaction with the metal member, and this is preferable because the electric field of the surface plasmon SP can be more actively enhanced.

次に、本実施形態の表面プラズモンSPの電場増強構造100の動作の一例を、図1を参照しながら説明する。   Next, an example of the operation of the electric field enhancement structure 100 of the surface plasmon SP of the present embodiment will be described with reference to FIG.

まず、光学系16から出射されたラジアル偏光LGビーム15(図2参照)が、その円環状の光強度ピークの分布を円錐プリズム12の底面の円周に沿うように集光され、所定の入射角で光カップリング手段17の円錐プリズム12内に入射する。これにより、ラジアル偏光LGビーム15の光エネルギーを、表面プラズモンSPの集束効果により集中させて、効率良く利用できる。   First, the radially polarized LG beam 15 (see FIG. 2) emitted from the optical system 16 is condensed so that the distribution of the annular light intensity peak is along the circumference of the bottom surface of the conical prism 12, and a predetermined incident angle is obtained. The light enters the conical prism 12 of the optical coupling means 17 at an angle. As a result, the light energy of the radially polarized LG beam 15 can be concentrated and concentrated due to the focusing effect of the surface plasmon SP.

ラジアル偏光LGビーム15の入射角は、円錐プリズム12の円錐頂角θとの関係から、表面プラズモンSPの共鳴励起が起こる共鳴角に設定されている。共鳴角は、ラジアル偏光LGビーム15が、円錐プリズム12の側面12aと金属体11の傾斜内面11aとの間の境界で全反射できる角度の範囲内に存在しているが、このような共鳴角は、公知であり、ここでは、詳細な説明は省く。   The incident angle of the radially polarized LG beam 15 is set to a resonance angle at which resonance excitation of the surface plasmon SP occurs from the relationship with the cone apex angle θ of the cone prism 12. The resonance angle exists within the range of the angle at which the radially polarized LG beam 15 can be totally reflected at the boundary between the side surface 12a of the conical prism 12 and the inclined inner surface 11a of the metal body 11. Are well known and will not be described in detail here.

ラジアル偏光LGビーム15が、上述の境界で全反射すると、これにより生じたエバネッセント波(図示せず)が、金属体11にしみ出し、その結果、表面プラズモンSPが共鳴励起される。   When the radially polarized LG beam 15 is totally reflected at the above-described boundary, an evanescent wave (not shown) generated thereby oozes out to the metal body 11, and as a result, the surface plasmon SP is resonantly excited.

なお、表面プラズモンSPは、金属体11の表面(傾斜外面11b)近傍の外部領域13において、この表面に垂直な方向に電場振動主成分をもつ波であり、当該方向に電場振動する光(P偏光の光)が、表面プラズモンSPの励起光として機能するが、以上に述べた如く、ラジアル偏光LGビーム15は、この条件を満足している。   The surface plasmon SP is a wave having an electric field vibration main component in a direction perpendicular to the surface in the outer region 13 in the vicinity of the surface of the metal body 11 (inclined outer surface 11b). Polarized light) functions as the excitation light of the surface plasmon SP. As described above, the radially polarized LG beam 15 satisfies this condition.

このようにして、表面プラズモンSPとの間で位相整合条件を満たす局在化されたエバネッセント波を用いて、表面プラズモンSPはラジアル偏光ビームLGと光カップリングできる。その結果、ラジアル偏光LGビーム15により励起される表面プラズモンSPが、円錐プリズム12の先端近傍の金属体11の表面(傾斜外面11b)において光の進行方向(Z方向)に適切かつ充分に電場増強される。   In this way, the surface plasmon SP can be optically coupled with the radial polarization beam LG using the localized evanescent wave that satisfies the phase matching condition with the surface plasmon SP. As a result, the surface plasmon SP excited by the radially polarized LG beam 15 is appropriately and sufficiently enhanced in the light traveling direction (Z direction) on the surface of the metal body 11 (inclined outer surface 11b) in the vicinity of the tip of the conical prism 12. Is done.

以上に述べた如く、本実施形態の表面プラズモンの電場増強構造100は、金属体11の傾斜内面11aにより区画された先細りの円錐空間14を占める誘電体12内に、その深さ方向に向けて入射されたラジアル偏光LGビーム15が、金属体11で局在化された表面プラズモンSPと光カップリング可能なように構成されている光カップリング手段17を備える。このため、ラジアル偏光LGビーム15のZ方向(光の進行方向)の電場の振動成分が重なり合い、Z方向に大きな電場の振動成分をもつ光の場が形成される。よって、この表面プラズモンSPは、このようなラジアル偏光LGビーム15との間の光カップリングにより励起された場合には、誘電体12の先端近傍に対応する金属体11の表面(傾斜外面11b)において、光の進行方向(Z方向)に適切かつ充分に電場増強できる。   As described above, the surface plasmon electric field enhancement structure 100 of the present embodiment is directed toward the depth direction in the dielectric 12 occupying the tapered conical space 14 defined by the inclined inner surface 11 a of the metal body 11. The incident radial polarization LG beam 15 includes optical coupling means 17 configured to be capable of optical coupling with the surface plasmon SP localized by the metal body 11. For this reason, the vibration components of the electric field in the Z direction (light traveling direction) of the radially polarized LG beam 15 overlap, and a light field having a large electric field vibration component in the Z direction is formed. Therefore, when this surface plasmon SP is excited by such optical coupling with the radially polarized LG beam 15, the surface of the metal body 11 corresponding to the vicinity of the tip of the dielectric 12 (the inclined outer surface 11b). The electric field can be appropriately and sufficiently enhanced in the light traveling direction (Z direction).

また、本実施形態の表面プラズモンの電場増強構造100では、ドーナツ状(円環状)のラゲールガウシアンビームを、金属体11の表面の表面プラズモンSPを励起させる励起光として用いている。このため、ラジアル偏光LGビーム15が、その円環状の光強度ピークの分布を円錐プリズム12の底面の円周に沿うように集光されると、ラジアル偏光LGビーム15の光エネルギーを、表面プラズモンSPの集束効果により集中させて、効率良く利用できる。   In the surface plasmon electric field enhancement structure 100 of the present embodiment, a donut-shaped (annular) Laguerre Gaussian beam is used as excitation light for exciting the surface plasmon SP on the surface of the metal body 11. Therefore, when the radially polarized LG beam 15 is condensed so that the distribution of the annular light intensity peak is along the circumference of the bottom surface of the conical prism 12, the light energy of the radially polarized LG beam 15 is converted to surface plasmon. It can be used efficiently by being concentrated by the SP focusing effect.

〔変形例〕
ここまで、カップリング手段17の円錐形状の誘電体12では、図1に示すように、誘電体12の相対する側面12aの部分が、誘電体12の頂点Pを通り、かつ誘電体12の底面に垂直に引いた仮想直線Lに対して対称的に直線状に傾斜している例を述べたが、テーパ状の誘電体の構成は、これには限定されない。
[Modification]
Up to this point, in the conical dielectric 12 of the coupling means 17, as shown in FIG. 1, the part of the opposite side surface 12 a of the dielectric 12 passes through the apex P of the dielectric 12 and the bottom surface of the dielectric 12. Although an example in which the line is symmetrically inclined linearly with respect to the imaginary straight line L drawn perpendicularly to the above, the configuration of the tapered dielectric is not limited thereto.

図4は、第1実施形態の変形例による表面プラズモンの電場増強構造の一構成例を模式的に示した断面図である。   FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of an electric field enhancement structure for surface plasmons according to a modification of the first embodiment.

つまり、図4に示すように、テーパ状の誘電体の一変形例として、誘電体112の相対する側面112aの部分を、誘電体112の頂点Pを通り、かつ誘電体112の底面に垂直に引いた仮想直線Lに対して、その頂角θ’がθ’<θとなるように、窪み空間114の方向にゆるく弓状に湾曲するように対称的に傾斜させてもよい。この場合、この誘電体112の側面を覆っている金属体111も、当該側面112aと同程度の曲率、例えば同じ曲率、で湾曲する。このような誘電体112の構成により、本変形例の表面プラズモンSPの電場増強構造110は、以下のような効果を奏する。   That is, as shown in FIG. 4, as a modified example of the tapered dielectric, the portion of the opposite side surface 112 a of the dielectric 112 passes through the apex P of the dielectric 112 and is perpendicular to the bottom surface of the dielectric 112. With respect to the drawn virtual straight line L, it may be inclined symmetrically so as to be gently bowed in the direction of the hollow space 114 so that the apex angle θ ′ satisfies θ ′ <θ. In this case, the metal body 111 covering the side surface of the dielectric 112 is also curved with the same degree of curvature as the side surface 112a, for example, the same curvature. With such a configuration of the dielectric 112, the electric field enhancement structure 110 of the surface plasmon SP of the present modification has the following effects.

本実施形態(図1)で述べた円錐プリズム12の円錐頂角θは、上述の共鳴角を支配する角度であり、表面プラズモンSPの共鳴励起が逸れないよう、この円錐頂角θとの関係で、ラジアル偏光LGビーム15の入射方向を適切に調整する必要がある。しなしながら、この調整作業に不慣れな場合には、調整作業に手間取り、ラジアル偏光LGビーム15の最適な入射方向の調整が困難な場合もある。   The cone apex angle θ of the conical prism 12 described in the present embodiment (FIG. 1) is an angle that governs the above-described resonance angle, and the relationship with the cone apex angle θ so that the resonance excitation of the surface plasmon SP does not deviate. Therefore, it is necessary to appropriately adjust the incident direction of the radially polarized LG beam 15. However, if this adjustment work is unfamiliar, it may be difficult to adjust the optimal incident direction of the radially polarized LG beam 15 by taking time for the adjustment work.

そこで、本変形例の表面プラズモンSPの電場増強構造110では、図4に示したように、誘電体112の側面112aを窪み空間114側に向かってゆるく弓状に湾曲させることにより、ラジアル偏光LGビーム15(入射光)と金属体111との間の交差角を、窪み空間114の深さ方向に沿って連続的に変化させることができる。よって、本変形例の表面プラズモンSPの電場増強構造110には、表面プラズモンSPの共鳴励起が起こるラジアル偏光LGビーム15の入射方向の角度依存性が緩和され、ラジアル偏光LGビーム15の入射方向の調整作業を効率化できるという利点がある。反面、この場合、本実施形態(図1)で述べた円錐プリズム12に比べて、表面プラズモンSPの共鳴励起が起こった際のエネルギー効率は若干劣ることにもなる。   Therefore, in the electric field enhancement structure 110 of the surface plasmon SP of the present modification example, as shown in FIG. 4, the side surface 112a of the dielectric 112 is gently bent in an arcuate shape toward the hollow space 114, thereby causing radial polarization LG The crossing angle between the beam 15 (incident light) and the metal body 111 can be continuously changed along the depth direction of the hollow space 114. Therefore, in the electric field enhancement structure 110 of the surface plasmon SP of this modification, the angle dependency of the incident direction of the radially polarized LG beam 15 in which resonance excitation of the surface plasmon SP occurs is relaxed, and the incident direction of the radially polarized LG beam 15 is reduced. There is an advantage that the adjustment work can be made efficient. On the other hand, in this case, the energy efficiency when the resonance excitation of the surface plasmon SP occurs is slightly inferior to the conical prism 12 described in the present embodiment (FIG. 1).

つまり、本変形例の表面プラズモンSPの電場増強構造110は、表面プラズモンSPの共鳴励起のエネルギー効率を若干犠牲にしても、簡易的に表面プラズモンSPの共鳴励起を図りたいという場合に有益である。
(第2実施形態)
第1実施形態の表面プラズモンSPの電場増強構造100では、光カップリング手段17としてクレッチマン光学配置が採用されている。第2実施形態では、これに代えて、オット光学配置を用いる例を述べる。
That is, the electric field enhancement structure 110 of the surface plasmon SP according to the present modification is useful when it is desired to easily perform the resonance excitation of the surface plasmon SP even if the energy efficiency of the resonance excitation of the surface plasmon SP is slightly sacrificed. .
(Second Embodiment)
In the electric field enhancement structure 100 of the surface plasmon SP of the first embodiment, the Kretschmann optical arrangement is adopted as the optical coupling means 17. In the second embodiment, instead of this, an example using an otto optical arrangement will be described.

なお、光カップリング手段の構成以外の本実施形態の表面プラズモンSPの電場増強構造の構成は、第1実施形態の表面プラズモンSPの電場増強構造100の構成と同じであるので、ここでは、両者に共通する構成および動作の説明は省略する。   The configuration of the electric field enhancement structure of the surface plasmon SP of the present embodiment other than the configuration of the optical coupling means is the same as the configuration of the electric field enhancement structure 100 of the surface plasmon SP of the first embodiment. The description of the configuration and operation common to these is omitted.

図5は、本実施形態の表面プラズモンの電場増強構造の光カップリング手段を模式的に示した断面図である。なお、図5では、光カップリング手段217以外の構成の図示は省略している。   FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the optical coupling means of the surface plasmon electric field enhancement structure of the present embodiment. In FIG. 5, the illustration of the configuration other than the optical coupling means 217 is omitted.

光カップリング手段217は、図5に示したように、深さ方向に先細り(例えばテーパ状)の窪み空間214が形成された金属体を備える。   As shown in FIG. 5, the optical coupling unit 217 includes a metal body in which a hollow space 214 that is tapered (for example, tapered) in the depth direction is formed.

上述の金属体は、図5に示した如く、金属基板211であっても良く、この場合には、適宜の穴あけ法(例えばフォーカスイオンビーム法)により窪み空間214が金属基板211の表面側から形成される。そして、この窪み空間214は、断面視において、金属基板211の裏面との間の一対のなす角φが同程度(好ましくは同一)になるように傾斜するテーパ状の金属基板211の傾斜面211aにより区画されている。   As shown in FIG. 5, the metal body may be a metal substrate 211. In this case, the hollow space 214 is formed from the surface side of the metal substrate 211 by an appropriate drilling method (for example, a focus ion beam method). It is formed. The hollow space 214 has an inclined surface 211a of the tapered metal substrate 211 that is inclined so that a pair of angles φ with the back surface of the metal substrate 211 are substantially the same (preferably the same) in a cross-sectional view. It is divided by.

また、金属体は、基材としての誘電基板(図示せず)を有しても良く、この場合には、この誘電基板に、適宜の穴あけ法(例えばフォーカスイオンビーム法)により窪み空間214と同じ類の穴(図示せず)が形成された後、表面プラズモンSPが局在化された金属として機能する金属薄膜(図示せず)が、この穴を区画する誘電基板の表面を覆うようにして真空蒸着形成または真空スパッタリング形成される。   In addition, the metal body may have a dielectric substrate (not shown) as a base material. In this case, the hollow space 214 is formed on the dielectric substrate by an appropriate drilling method (for example, a focus ion beam method). After the same kind of hole (not shown) is formed, a metal thin film (not shown) functioning as a metal in which the surface plasmon SP is localized covers the surface of the dielectric substrate that defines the hole. Vacuum deposition formation or vacuum sputtering formation is performed.

金属基板211や金属薄膜の材料例としては、金、銀、アルミニウム、銅およびプラチナがあるが、その中でも、金は、空気中で酸化され難く好適である。   Examples of materials for the metal substrate 211 and the metal thin film include gold, silver, aluminum, copper, and platinum. Among these, gold is suitable because it is difficult to be oxidized in air.

窪み空間214の3次元形状は、深さ方向に向かって先鋭化(角度θ)する形であれば如何なる形状であってもよいが、第1実施形態で述べた如く、表面プラズモンSPの励起光としてドーナツ状(円環状)のラゲールガウシアンビームを用いる場合には、円錐形状であることが好ましい。   The three-dimensional shape of the hollow space 214 may be any shape as long as it is sharpened (angle θ) in the depth direction, but as described in the first embodiment, the excitation light of the surface plasmon SP When a doughnut-shaped (annular) Laguerre Gaussian beam is used, a conical shape is preferable.

また、光カップリング手段217は、更に、金属体211の傾斜面211aとの間にわずかな隙間に存在する誘電層213を挟んで対向され、かつ窪み空間214に埋設された誘電体212を備える。   The optical coupling means 217 further includes a dielectric 212 that is opposed to the inclined surface 211a of the metal body 211 with a dielectric layer 213 present in a slight gap therebetween and embedded in the hollow space 214. .

誘電体212は、例えば、公知の光学ガラス材料から構成されており、これにより、誘電体212のうちの窪み空間214に埋設された部分は、光学プリズムとして機能する(以下、この部分を「誘電体212の光学プリズム部分」と略す)。つまり、この誘電体212の光学プリズム部分は、図5に示すように、相対する側面212aの部分が、誘電体212の光学プリズムの部分の頂点Pを通り、かつ金属板211の表面に垂直に引いた仮想直線Lに対して対称的に傾斜するテーパ状になっているが、ここでは、上述のとおり、この誘電体212の光学プリズム部分は、誘電層213を介して窪み空間214にぴったり嵌るように円錐状に形成されることが好ましい。   The dielectric 212 is made of, for example, a known optical glass material, whereby a portion of the dielectric 212 embedded in the hollow space 214 functions as an optical prism (hereinafter, this portion is referred to as “dielectric”). Abbreviated as "optical prism portion of the body 212"). That is, as shown in FIG. 5, the optical prism portion of the dielectric 212 is such that the portion of the opposite side surface 212a passes through the apex P of the optical prism portion of the dielectric 212 and is perpendicular to the surface of the metal plate 211. The taper is symmetrically inclined with respect to the drawn imaginary straight line L. Here, as described above, the optical prism portion of the dielectric 212 fits into the hollow space 214 via the dielectric layer 213. It is preferable to be formed in a conical shape.

誘電層213は、誘電体212よりも屈折率が低い誘電材料であれば如何なる材料を用いても形成してもよいが、このような誘電材料として空気を用いることが最も簡便であり好適である。   The dielectric layer 213 may be formed of any material as long as it has a lower refractive index than that of the dielectric 212. However, it is most convenient and preferable to use air as such a dielectric material. .

次に、本実施形態の光カップリング手段217の光カップリング動作の一例について図5を参照しながら説明する。   Next, an example of the optical coupling operation of the optical coupling means 217 of this embodiment will be described with reference to FIG.

まず、光学系(図示せず)からで射されたラジアル偏光LGビーム15(図2参照)が、その円環状の光強度ピークの分布を円錐状の窪み空間214の底面の円周に沿うように集光され、所定の入射角で光カップリング手段217の誘電体212の光学プリズム部分内に入射する。これにより、ラジアル偏光LGビーム15の光エネルギーを、表面プラズモンSPの集束効果により集中させて、効率良く利用できる。   First, the radially polarized LG beam 15 (see FIG. 2) emitted from an optical system (not shown) follows the circular light intensity peak distribution along the circumference of the bottom surface of the conical hollow space 214. And is incident on the optical prism portion of the dielectric 212 of the optical coupling means 217 at a predetermined incident angle. As a result, the light energy of the radially polarized LG beam 15 can be concentrated and concentrated due to the focusing effect of the surface plasmon SP.

ラジアル偏光LGビーム15の入射角は、窪み空間214(誘電体212の光学プリズム部分)の円錐頂角θとの関係から、表面プラズモンSPの共鳴励起が起こる共鳴角に設定されている。共鳴角は、ラジアル偏光LGビーム15が、誘電体212の光学プリズム部分と誘電層213との間の境界で全反射できる角度の範囲内に存在しているが、このような共鳴角は、公知であり、ここでは、詳細な説明は省く。   The incident angle of the radially polarized LG beam 15 is set to a resonance angle at which resonance excitation of the surface plasmon SP occurs from the relationship with the cone apex angle θ of the hollow space 214 (the optical prism portion of the dielectric 212). The resonance angle exists within an angle range in which the radially polarized LG beam 15 can be totally reflected at the boundary between the optical prism portion of the dielectric 212 and the dielectric layer 213. Such a resonance angle is known in the art. Therefore, detailed description is omitted here.

ラジアル偏光LGビーム15が、上述の境界で全反射すると、これにより生じたエバネッセント波(図示せず)が、誘電層213にしみ出し、その結果、表面プラズモンSPが共鳴励起される。なお、表面プラズモンSPは、金属体211の表面(傾斜面211a)近傍の誘電層213において、この表面に垂直な方向に電場振動主成分をもつ波であり、当該方向に電場振動する光(P偏光の光)が、表面プラズモンSPの励起光として機能するが、以上に述べた如く、ラジアル偏光LGビーム15(図2参照)は、この条件を満足している。   When the radially polarized LG beam 15 is totally reflected at the above-described boundary, an evanescent wave (not shown) generated thereby oozes out to the dielectric layer 213, and as a result, the surface plasmon SP is resonantly excited. The surface plasmon SP is a wave having a main component of electric field vibration in a direction perpendicular to the surface of the dielectric layer 213 in the vicinity of the surface (inclined surface 211a) of the metal body 211. Polarized light) functions as excitation light for the surface plasmon SP. As described above, the radially polarized LG beam 15 (see FIG. 2) satisfies this condition.

このようにして、表面プラズモンSPとの間で位相整合条件を満たす局在化されたエバネッセント波を用いて、表面プラズモンSPはラジアル偏光LGビームと光カップリングできる。そして、光カップリング手段217として、以上に述べたオット光学配置を採用することにより、薄膜金属に限らず、バルク状の金属基板211であっても表面プラズモンSPを励起でき有益な場合がある。
(第3実施形態)
上述の第1および第2実施形態の表面プラズモンSPの電場増強構造では、表面プラズモンSPを、光学プリズム(ここでは誘電体12、212)を用いて励起している。第3実施形態では、これに代えて、回折格子を用いて表面プラズモンSPを励起する方法について述べる。
In this manner, the surface plasmon SP can be optically coupled with the radially polarized LG beam using the localized evanescent wave that satisfies the phase matching condition with the surface plasmon SP. By adopting the Otto optical arrangement described above as the optical coupling means 217, the surface plasmon SP may be beneficial not only for the thin film metal but also for the bulk metal substrate 211.
(Third embodiment)
In the electric field enhancement structure of the surface plasmon SP of the first and second embodiments described above, the surface plasmon SP is excited using the optical prism (here, the dielectrics 12 and 212). In the third embodiment, instead of this, a method of exciting the surface plasmon SP using a diffraction grating will be described.

なお、光カップリング手段の構成以外の本実施形態の表面プラズモンSPの電場増強構造の構成は、第1実施形態の表面プラズモンSPの電場増強構造100の構成と同じであるので、ここでは、両者に共通する構成および動作の説明は省略する。   The configuration of the electric field enhancement structure of the surface plasmon SP of the present embodiment other than the configuration of the optical coupling means is the same as the configuration of the electric field enhancement structure 100 of the surface plasmon SP of the first embodiment. The description of the configuration and operation common to these is omitted.

図6は、本実施形態の表面プラズモンの電場増強構造の光カップリング手段を模式的に示した断面図である。なお、図6では、光カップリング手段317以外の構成の図示は省略している。   FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the optical coupling means of the surface plasmon electric field enhancement structure of the present embodiment. In FIG. 6, the illustration of components other than the optical coupling means 317 is omitted.

光カップリング手段317は、図6に示したように、深さ方向に先細り(例えばテーパ状)の窪み空間314が形成された金属体を備える。   As shown in FIG. 6, the optical coupling means 317 includes a metal body in which a hollow space 314 that is tapered (for example, tapered) in the depth direction is formed.

上述の金属体は、図6に示した如く、金属基板311であっても良く、この場合には、適宜の穴あけ法(例えばフォーカスイオンビーム法)により窪み空間314が金属基板311の表面側から形成される。そして、この窪み空間314は、断面視において、金属基板211の裏面との間の一対のなす角φが同程度(好ましくは同一)になるように傾斜するテーパ状の金属基板311の傾斜面311aにより区画されている。   The metal body may be a metal substrate 311 as shown in FIG. 6. In this case, the hollow space 314 is formed from the surface side of the metal substrate 311 by an appropriate drilling method (for example, a focus ion beam method). It is formed. The hollow space 314 has an inclined surface 311a of the tapered metal substrate 311 that is inclined so that a pair of angles φ formed with the back surface of the metal substrate 211 are approximately the same (preferably the same) in a cross-sectional view. It is divided by.

また、金属体は、基材としての誘電基板(図示せず)を有しても良く、この場合には、この誘電基板に、適宜の穴あけ法(例えばフォーカスイオンビーム法)により窪み空間314と同じ類の穴(図示せず)が形成された後、表面プラズモンSPが局在化された金属として機能する金属薄膜(図示せず)が、この穴を区画する誘電基板の表面を覆うようにして真空蒸着形成または真空スパッタリング形成される。   In addition, the metal body may have a dielectric substrate (not shown) as a base material. In this case, the metal substrate is provided with a hollow space 314 by an appropriate drilling method (for example, a focus ion beam method). After the same kind of hole (not shown) is formed, a metal thin film (not shown) functioning as a metal in which the surface plasmon SP is localized covers the surface of the dielectric substrate that defines the hole. Vacuum deposition formation or vacuum sputtering formation is performed.

金属基板311や金属薄膜の材料例としては、金、銀、アルミニウム、銅およびプラチナがあるが、その中でも、金は、空気中で酸化され難く好適である。   Examples of materials for the metal substrate 311 and the metal thin film include gold, silver, aluminum, copper, and platinum. Among them, gold is preferable because it is difficult to be oxidized in air.

窪み空間314の3次元形状は、深さ方向に向かって先鋭化(角度θ)する楔形であれば如何なる形状に区画されてもよいが、第1実施形態で述べた如く、表面プラズモンSPの励起光としてドーナツ状(円環状)のラゲールガウシアンビームを用いる場合には、円錐状に区画されることが好ましい。   The three-dimensional shape of the hollow space 314 may be divided into any shape as long as it has a wedge shape that sharpens (angle θ) in the depth direction. As described in the first embodiment, the excitation of the surface plasmon SP is performed. When a donut-shaped (annular) Laguerre Gaussian beam is used as the light, it is preferably partitioned in a conical shape.

また、光カップリング手段317は、更に、金属体311の傾斜面311aに一体的に形成された複数の回折格子301を備える。図6に例示した回折格子301は、傾斜面311aから突出する環状の突起であるが、これは環状の溝であってもよい。なお、回折格子301の配置や形状の設計は、ラジアル偏光LGビームの光の波長を適切に選択できるようになされているが、このような設計技術は公知であり、ここでは詳細な説明は省く。   The optical coupling means 317 further includes a plurality of diffraction gratings 301 formed integrally with the inclined surface 311a of the metal body 311. Although the diffraction grating 301 illustrated in FIG. 6 is an annular protrusion protruding from the inclined surface 311a, this may be an annular groove. The arrangement and shape of the diffraction grating 301 are designed so that the wavelength of the light of the radially polarized LG beam can be appropriately selected. However, such a design technique is well known, and detailed description thereof is omitted here. .

次に、本実施形態の光カップリング手段317の光カップリング動作の一例について図6を参照しながら説明する。   Next, an example of the optical coupling operation of the optical coupling means 317 of this embodiment will be described with reference to FIG.

まず、光学系(図示せず)からで射されたラジアル偏光LGビーム15(図2参照)が、その円環状の光強度ピークの分布を円錐状に区画された窪み空間314の裾の円周に沿うように集光され、所定の入射角で光カップリング手段317の窪み空間314内の回折格子301に向けて入射する。これにより、ラジアル偏光LGビーム15の光エネルギーを、表面プラズモンSPの集束効果により集中させて、効率良く利用できる。なお、表面プラズモンSPは、金属体311の表面(傾斜面311a)近傍の外部空間において、この表面に垂直な方向に電場振動主成分をもつ波であり、当該方向に電場振動する光(P偏光の光)が、表面プラズモンSPの励起光として機能するが、以上に述べた如く、ラジアル偏光LGビーム15(図2参照)は、この条件を満足している。   First, a radially polarized LG beam 15 (see FIG. 2) emitted from an optical system (not shown) has a circular light intensity peak distribution in the circumference of the bottom of a hollow space 314 partitioned conically. And is incident on the diffraction grating 301 in the hollow space 314 of the optical coupling means 317 at a predetermined incident angle. As a result, the light energy of the radially polarized LG beam 15 can be concentrated and concentrated due to the focusing effect of the surface plasmon SP. The surface plasmon SP is a wave having an electric field vibration principal component in a direction perpendicular to the surface in the external space near the surface (inclined surface 311a) of the metal body 311 and light that vibrates in that direction (P-polarized light). ) Functions as the excitation light of the surface plasmon SP. As described above, the radially polarized LG beam 15 (see FIG. 2) satisfies this condition.

このようにして、ラジアル偏光LGビーム15の波長が回折格子301により選択されることにより、表面プラズモンSPはラジアル偏光LGビーム15との間で光カップリングできる。そして、光カップリング手段317として、以上に述べた回折格子301を採用することにより、薄膜金属に限らず、バルク状の金属基板311であっても表面プラズモンSPを励起できるとともに、光学プリズムを必要とせず、有益な場合がある。   In this way, the surface plasmon SP can be optically coupled with the radially polarized LG beam 15 by selecting the wavelength of the radially polarized LG beam 15 by the diffraction grating 301. By adopting the diffraction grating 301 described above as the optical coupling means 317, the surface plasmon SP can be excited not only for the thin film metal but also for the bulk metal substrate 311 and an optical prism is required. Sometimes it is beneficial.

〔応用例〕
上述の各実施形態に述べた技術は、様々な用途への利用が想定されているが、ここでは、その一例として、第1実施形態の表面プラズモンSPの電場増強構造100についての光カプラへの応用例について説明する。
[Application example]
The technology described in each of the above embodiments is assumed to be used for various purposes. Here, as an example, the technology described in the first embodiment is applied to the optical coupler for the electric field enhancement structure 100 of the surface plasmon SP. An application example will be described.

図1に示した表面プラズモンSPの電場増強構造100において電場増強される先端部(金属体11の頂点)に、ナノサイズ(例えば光の1/10波長の直径;例えば600nmの赤色の可視光であれば、約60nm)の金属ワイヤを接続させることにより、この金属ワイヤに光を伝送させることができる。これにより、光導波路のサイズが光波長よりも小さくすることが困難であるという既存の光技術の限界を打破する超小型の光デバイスが実現される可能性がある。そして、この場合、上述の表面プラズモンSPの電場増強構造100は、ナノサイズの金属ワイヤに光エネルギーを注入する光カプラとして利用される。なお、このような金属ワイヤに代えて、上述の先端部に分子を配置させ、この分子を光エネルギーで励起するという分子デバイスへの応用も想定される。   In the electric field enhancing structure 100 of the surface plasmon SP shown in FIG. 1, nanotips (for example, a diameter of 1/10 wavelength of light; for example, 600 nm red visible light) If there is, a metal wire of about 60 nm) can be connected to transmit light to the metal wire. Thereby, there is a possibility of realizing an ultra-small optical device that breaks the limit of the existing optical technology that it is difficult to make the size of the optical waveguide smaller than the optical wavelength. In this case, the electric field enhancement structure 100 of the surface plasmon SP described above is used as an optical coupler that injects light energy into a nano-sized metal wire. In addition, it replaces with such a metal wire, and the application to the molecular device of arrange | positioning a molecule | numerator at the above-mentioned front-end | tip part and exciting this molecule | numerator with light energy is also assumed.

また、図1に示した表面プラズモンSPの電場増強構造100の他の応用形態として、表面プラズモンSPの電場増強構造100において電場増強される先端部を、完全に尖らせずに若干丸めた後、その状態でZ方向に延在させるように改変してもよい。例えば、この金属体11の先端部を、X方向の幅寸法として見た場合において光の1/3波長程度(例えば600nmの赤色の可視光であれば、約200nmの幅)に丸めると、この先端部は、表面プラズモンSPの電場増強が起こり始める状態に至ると考えられている。   Further, as another application form of the electric field enhancement structure 100 of the surface plasmon SP shown in FIG. 1, after slightly rounding the tip portion to be enhanced in the electric field enhancement structure 100 of the surface plasmon SP without completely sharpening, You may modify | change so that it may extend in a Z direction in the state. For example, when the tip of the metal body 11 is viewed as a width dimension in the X direction, when rounded to about 1/3 wavelength of light (for example, about 200 nm in the case of 600 nm red visible light), The tip is considered to reach a state where the electric field enhancement of the surface plasmon SP begins to occur.

よって、金属体11の先端部を光の1/3波長程度のX方向の幅になるように丸め、金属体11をその幅で所定距離分、Z方向に延ばして、その後、この金属体をその先端で完全に尖らせてもよい。そうすると、この金属体が延在する部分については、表面プラズモンSPの電場増強の起こり始めに基づく光の伝送路として機能させることができ、金属体11の完全に尖った先端において、再び、電場増強がなされる。   Therefore, the tip of the metal body 11 is rounded so as to have a width in the X direction of about 1/3 wavelength of light, and the metal body 11 is extended in the Z direction by a predetermined distance by the width. The tip may be completely sharpened. Then, the portion where the metal body extends can function as a light transmission path based on the beginning of the electric field enhancement of the surface plasmon SP, and the electric field enhancement is again performed at the completely sharp tip of the metal body 11. Is made.

このような構成により、表面プラズモンSPの電場増強構造100を基板上にデバイス化し易くなると考えられる。   With such a configuration, it is considered that the electric field enhancement structure 100 of the surface plasmon SP can be easily formed as a device on the substrate.

本発明によれば、深さ方向に先細りの窪み空間が形成された金属体の先端近傍の表面において、光の進行方向に表面プラズモンの電場増強を適切かつ充分に行える表面プラズモンの電場増強構造が得られ、これにより、本発明の表面プラズモンの電場増強構造は、例えば、光カプラなどの光デバイスの用途に利用できる。   According to the present invention, there is provided a surface plasmon electric field enhancement structure capable of adequately and sufficiently enhancing the electric field of surface plasmons in the light traveling direction on the surface near the tip of the metal body in which a tapered hollow space is formed in the depth direction. Thus, the electric field enhancement structure of the surface plasmon of the present invention can be used for an optical device such as an optical coupler.

第1実施形態による表面プラズモンの電場増強構造の一構成例を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the example of 1 structure of the electric field enhancement structure of the surface plasmon by 1st Embodiment. ラジアル偏光LGビームの光強度分布および偏光について模式的に示した図である。It is the figure which showed typically about the light intensity distribution and polarization of a radial polarization LG beam. 表面プラズモンを励起させるレーザ光のフォーカシング時の電場ベクトルの様子を模式的に描いた図である。It is the figure which drawn typically the mode of the electric field vector at the time of focusing of the laser beam which excites surface plasmon. 第1実施形態の変形例による表面プラズモンの電場増強構造の一構成例を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the example of 1 structure of the electric field reinforcement structure of the surface plasmon by the modification of 1st Embodiment. 第2実施形態の表面プラズモンの電場増強構造の光カップリング手段を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the optical coupling means of the electric field enhancement structure of the surface plasmon of 2nd Embodiment. 第3実施形態の表面プラズモンの電場増強構造の光カップリング手段を模式的に示した断面図である。It is sectional drawing which showed typically the optical coupling means of the electric field enhancement structure of the surface plasmon of 3rd Embodiment. 円錐形状の誘電体の先端近傍の金属体の表面における表面プラズモンの電場増強の様子を電気力線で表した図である。It is the figure which represented the mode of the electric field reinforcement | strengthening of the surface plasmon in the surface of the metal body near the front-end | tip of a cone-shaped dielectric material with the electric force line.

符号の説明Explanation of symbols

11 金属体
11a 傾斜内面
11b 傾斜外面
12、112、212 誘電体
12a、112a 側面
13 外部領域
14、114、214 窪み空間
15 ラジアル偏光LGビーム
16 光学系
17、217、317 光カップリング手段
100、110 表面プラズモンの電場増強構造
211、311 金属基板
211a、311a 傾斜面
301 回折格子
SP 表面プラズモン
P 頂点
L 仮想直線
θ 円錐頂角
Φ なす角
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Metal body 11a Inclined inner surface 11b Inclined outer surface 12, 112, 212 Dielectric body 12a, 112a Side surface 13 External region 14, 114, 214 Indentation space 15 Radially polarized LG beam 16 Optical system 17, 217, 317 Optical coupling means 100, 110 Surface plasmon electric field enhancement structure 211, 311 Metal substrate 211a, 311a Inclined surface 301 Diffraction grating SP Surface plasmon P Vertex L Virtual straight line θ Conical apex angle φ Angle formed

Claims (11)

金属体により区画された深さ方向に先細りの窪み空間内の誘電体に、その深さ方向に向けて入射されたラジアル偏光の光が、前記金属体で局在化された表面プラズモンと光カップリング可能なように構成されている光カップリング手段を備え、
前記表面プラズモンは、前記ラジアル偏光の光との間の前記光カップリングにより励起され、前記誘電体の先端近傍に対応する前記金属体の表面において、前記光の進行方向に電場増強される、表面プラズモンの電場増強構造。
Radially polarized light incident in the depth direction on the dielectric in the hollow space tapered in the depth direction defined by the metal body is localized on the surface plasmon and the optical cup. An optical coupling means configured to be ringable,
The surface plasmon is excited by the optical coupling with the radially polarized light, and the electric field is enhanced in the traveling direction of the light on the surface of the metal body corresponding to the vicinity of the tip of the dielectric. Plasmon electric field enhancement structure.
前記誘電体の相対する部分が、前記誘電体の頂点を通り、かつ前記誘電体の底面に垂直に引いた仮想直線に対して対称的に直線状に傾斜している請求項1記載の表面プラズモンの電場増強構造。   2. The surface plasmon according to claim 1, wherein the opposing portions of the dielectric are linearly inclined symmetrically with respect to an imaginary straight line that passes through the apex of the dielectric and is perpendicular to the bottom surface of the dielectric. Electric field enhancement structure. 前記誘電体の相対する部分が、前記誘電体の頂点を通り、かつ前記誘電体の底面に垂直に引いた仮想直線に対して対称的に弓状に傾斜している請求項1記載の表面プラズモンの電場増強構造。   2. The surface plasmon according to claim 1, wherein opposing portions of the dielectric are inclined in an arcuate shape symmetrically with respect to an imaginary straight line that passes through the top of the dielectric and is perpendicular to the bottom surface of the dielectric. Electric field enhancement structure. 前記光は、光強度のピークがドーナツ状に分布しているラゲールガウシアンビームである請求項1記載の表面プラズモンの電場増強構造。   2. The surface plasmon electric field enhancement structure according to claim 1, wherein the light is a Laguerre Gaussian beam in which light intensity peaks are distributed in a donut shape. 前記誘電体が円錐形状であり、前記誘電体の底面の円周に沿うよう、前記ラゲールガウシアンビームの光強度が円環状に分布している請求項4記載の表面プラズモンの電場増強構造。   5. The electric field enhancement structure for surface plasmons according to claim 4, wherein the dielectric is conical, and the light intensity of the Laguerre Gaussian beam is distributed in an annular shape along the circumference of the bottom surface of the dielectric. 前記光カップリング手段は、前記誘電体としての光プリズムと、
前記光プリズムの側面に直接に接触してなる前記金属体としての金属薄膜と、
を備え、
前記光プリズムと前記金属薄膜との間の境界で前記ラジアル偏光の光が全反射されることにより、前記表面プラズモンは、前記ラジアル偏光の光との間で光カップリングする請求項1乃至5の何れかに記載の表面プラズモンの電場増強構造。
The optical coupling means includes an optical prism as the dielectric,
A metal thin film as the metal body in direct contact with the side surface of the optical prism;
With
6. The surface plasmon is optically coupled with the radially polarized light by total reflection of the radially polarized light at a boundary between the optical prism and the metal thin film. The electric field enhancing structure for surface plasmons according to any one of the above.
前記光カップリング手段は、前記金属体との間に隙間を挟んで対向され、前記窪み空間内の前記誘電体としての光プリズムと、
前記隙間に存在する、前記誘電体よりも屈折率が低い誘電層と、
を備え、
前記光プリズムと前記誘電層との間の境界で前記ラジアル偏光の光が全反射されることにより、前記表面プラズモンは、前記ラジアル偏光の光との間で光カップリングする請求項1乃至5の何れかに記載の表面プラズモンの電場増強構造。
The optical coupling means is opposed to the metal body with a gap therebetween, and an optical prism as the dielectric in the hollow space;
A dielectric layer that is present in the gap and has a lower refractive index than the dielectric;
With
6. The surface plasmon is optically coupled with the radially polarized light by total reflection of the radially polarized light at a boundary between the optical prism and the dielectric layer. The electric field enhancing structure for surface plasmons according to any one of the above.
前記誘電層は、空気から構成される層である請求項7記載の表面プラズモンの電場増強構造。   8. The surface plasmon electric field enhancement structure according to claim 7, wherein the dielectric layer is a layer made of air. 金属体により区画された深さ方向に先細りの窪み空間に、その深さ方向に向けて入射され、かつラジアル偏光の光が、前記金属体で局在化された表面プラズモンと光カップリング可能なように構成されている光カップリング手段を備えた表面プラズモンの電場増強構造であって、
前記光カップリング手段は、前記金属体に形成された回折格子を更に備え、
前記表面プラズモンは、前記ラジアル偏光の光の波長の前記回折格子による選択に基づく前記ラジアル偏光の光との間の光カップリングより励起され、前記誘電体の先端近傍に対応する前記金属体の表面において、前記光の進行方向に電場増強される、表面プラズモンの電場増強構造。
Light that is incident in the depth direction into the hollow space tapered in the depth direction defined by the metal body and that is radially polarized can be optically coupled to the surface plasmon localized in the metal body. A surface plasmon electric field enhancement structure with optical coupling means configured as follows:
The optical coupling means further includes a diffraction grating formed on the metal body,
The surface plasmon is excited by optical coupling with the radially polarized light based on the selection by the diffraction grating of the wavelength of the radially polarized light, and the surface of the metal body corresponding to the vicinity of the tip of the dielectric The electric field enhancement structure of surface plasmon, wherein the electric field is enhanced in the light traveling direction.
前記光は、光強度のピークがドーナツ状に分布しているラゲールガウシアンビームである請求項9記載の表面プラズモンの電場増強構造。   10. The surface plasmon electric field enhancement structure according to claim 9, wherein the light is a Laguerre Gaussian beam in which light intensity peaks are distributed in a donut shape. 前記窪み空間が円錐に区画されており、前記窪み空間の裾の円周に沿うよう、前記ラゲールガウシアンビームの光強度が円環状に分布している請求項10記載の表面プラズモンの電場増強構造。   11. The surface plasmon electric field enhancement structure according to claim 10, wherein the hollow space is partitioned into cones, and the light intensity of the Laguerre Gaussian beam is distributed in an annular shape along the circumference of the bottom of the hollow space.
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