JP2008525838A - 放射状偏向放射線を用いた、小開口を通る光の透過性を向上させる機器および方法 - Google Patents

Abstract

放射線の透過性を高める機器であって、少なくとも一つの放射線源（12）と、第1（20）および第2の（22）表面を有する金属板（18）であって、該金属板（18）に設けられ、前記第1の表面（20）から前記第2の表面（22）まで延伸する少なくとも一つの開口（24）を備える金属板と、を有し、前記金属板（18）は、前記第1（20）および前記第2の（22）表面のうち少なくとも一つに設置された、周期的な表面凹凸構造（26）を有し、前記放射線源（12）から進行し、前記金属板（18）の前記一つの表面に入射された放射線（13）は、前記金属板（18）の少なくとも一つの前記表面（20、22）上で表面プラズモンモードと相互作用し、これにより、前記金属板（18）の前記少なくとも一つの開口（24）を通る放射線の透過性が高められる。光透過性を高める当該機器は、放射状偏向放射線（16）を発生する手段（15）を有し、前記放射状偏向放射線は、表面凹凸構造（26）を有する前記金属板（18）の前記表面（20、22）の一方に入射され、前記放射線の、前記プラズモンに対する効率的な結合がなされ、これにより、前記光透過性がさらに向上する。

Description

本発明は、請求項1のプリアンブル部に示すような光透過性を高める機器に関する。

また本発明は、請求項19に記載の光記憶媒体の読み取り／記録ヘッド、請求項20に記載の近接場光学走査顕微鏡、および請求項21に記載の高輝度放射線源に関する。

さらに本発明は、請求項22に記載の光の透過性を向上させる方法に関する。

例えば近接場走査顕微鏡および光データ記憶媒体のような近接場光学装置では、通常、装置の解像度を向上させる際に、サブ波長の機器が使用されることが知られている。

平坦金属板であっても、サブ波長開口、を通る透過放射線、すなわちスループットは、極めて少ない。開口を透過する光パワーの効率は、使用放射線の波長よりも開口の半径が小さくなると（すなわちd≪λ）、ベスの式(λ／d)⁴により制限される。この式において、λは、放射線の波長であり、dは、開口の孔直径である。

従って、サブ波長の開口を通る光の透過性が、開口の直径によって大きく制限されることは明らかである。

近接場光学顕微鏡または光データ記憶媒体装置の読み取り／記録ヘッドのような、近接場で使用される装置の場合、得られる放射線の強度は、多くの用途には不十分であり、記録担体の走査（読み取りおよび／または記録）または近接場光学顕微鏡での観測時間に、極めて長い時間が必要となる。

これらの装置において、入射放射線を表面プラズモンと結合させることにより、すなわち表面プラズモンポラリトンの形成により、開口のような小さな孔を通るスループットが高められることは、一般的に知られている。結合が共振する場合、すなわちこれは、放射線の波長が表面プラズモンの波長と整合することを意味するが、この場合、電界が強められ、高い透過性が得られるようになる。

いくつかの特許出願および特許が知られており、例えば米国特許出願第2003／0173501A1号、欧州特許出願第1008870A1号、米国欧州特許出願第1128372A2号および米国特許第6,236,033号には、開口を有し、放射線源と対向する側の面が規則構造化された板を用いて、そのようなサブ波長の開口を通る光の透過性を高めることが示されている。

米国特許出願第2003／01 73501A1号には、放射線の透過性を向上させる機器が示されている。この機器は、第1の表面および第2の表面を有する金属板を有し、金属膜内には、少なくとも一つの開口が設けられ、この開口は、第1の表面から第2の表面に延伸する。

少なくとも一つの開口は、金属膜の第1の表面上に設置された入口部と、金属膜の第2の表面に設置された出口部とを有し、各部は、対応する金属膜表面の平面に断面積を有し、入口部の断面積は、出口部の断面積とは異なっている。金属膜の第1および第2の表面の少なくとも一つには、周期的表面凹凸構造が設置され、この周期的表面凹凸構造は、複数の表面特徴物を有する。

表面構造の一つは、「蛇の目模様」と呼ばれ、これは、単一の開口の周囲に同心円状に配置された、凹状の同心円状リングを有する。同心円環状リングからなる表面特徴物は、放射線源と対向する表面に配置され、一方、第2の表面には、単一の開口のみが設置される。放射線が同心円環状リングを有する表面に入射されると、高められた強度を有する出力放射線が、第2の表面の開口から放射される。

光透過性向上の機構は、表面プラズモンが蛇の目の波形で励起され、これらの表面プラズモンが開口を介してエネルギーを輸送することに基づいて説明される。

さらに、光透過性を高める機器は、国際公開WO03／019249A2号に記載されている。この機器では、方向性および発散の制御は、金属板の表面に、表面凹凸構造を配置することにより行われ、この板により出力放射線が誘導される。一方、米国特許出願第2003／0173501A1号に記載の機器の場合、透過放射線の角度分布は、等方性であり、国際公開第WO03／019245A2号に記載の実施例では、透過放射線の角度分布は、非等方性である。

透過放射線の非等方性の角度分布は、光透過性の更なる改善につながる。この光透過性の向上は、表面特徴物の構造と開口の構造とを適合させることにより得られる。しかしながら表面特徴物の構造がより複雑となり、金属板の両表面を構造化しなければならないという問題がある。

また、得られる強度は、サブ波長開口の多くの用途に対して、未だ十分ではない。
米国特許出願公開第2003／0173501A1号公報 欧州特許出願公開第1008870A1号公報 米国特許第6,236,033号明細書

従って、本発明の課題は、最初に示したタイプの機器を提供することであり、これにより前述の問題が軽減される。特に、本発明の課題は、通常のサブ波長機器を用いて、光透過性がさらに向上する機器を提供することである。

本発明では、光透過性の更なる向上は、最初に示したタイプの機器によって得られ、この機器は、放射状偏向放射線を発生する手段を有し、前記放射状偏向放射線は、表面凹凸構造を有する金属板の表面の一方に入射され、前記放射線の、プラズモンに対する効率的な結合がなされ、これにより、前記光透過性がさらに向上することを特徴とする。

本発明の機器は、表面プラズモンの性質を考慮したものである。

金属中の表面プラズモンは、金属イオンのコアの周囲で振動する電子ガス密度の振動モードである。表面プラズモンは、電荷が金属表面に閉じ込められた、特別な状態を表している。この場合、電界は、金属表面の平面内で最大となる。平面に閉じ込められたプラズモンは、光を放射しない。しかしながら、局部的な対称性が妨げられた場合、プラズモンによる放射が可能になる。金属表面内の欠陥からの表面プラズモンの放射は、いくつかの文献に示されよく知られており、これ以上は説明しない。表面凹凸構造の周期的パターンは、表面特徴物と呼ばれ、これにより、エネルギーおよび運動量の保存が維持される場合、入射放射線が表面プラズモンモードと結合する。次に、孔、開口の周囲での、電界の共振の増強によって、ベスの式から予想されるものとは大きく異なる放射線の向上された透過強度が得られる。表面プラズモンは、表面と平行な波動ベクトルk_spの成分を有する。その結果、表面に垂直に入射する放射線のみが、表面プラズモンとより効率的に結合する。

放射状偏向放射線では、電界は、放射線ビームの中心対称軸を通って延伸する線に沿って配向される。放射状偏向放射線を使用することにより、電界ベクトルは、常に表面特徴物、特に金属板の溝に対して垂直となる。

開口を有する金属板の表面特徴物に対して垂直な偏向方向を有する、放射状偏向放射線は、プラズモンと最も効率的に結合され、これらのプラズモンを励起する。均一な偏向放射線に対して、放射状偏向放射線は、100％の放射線が表面プラズモンの励起に適した電界を有するという利点を有する。

全ての放射線が適切な偏向を有することにより、光透過性の効率を、従来の直線偏向放射線の2倍に向上させることができる。

光透過性を向上させる機器の作動原理を実証するためのサブ波長開口の適用例は、以下に示されている。

光透過性を向上させる機器の構成は、近接場走査顕微鏡を一例として説明される。近接場走査顕微鏡は、放射線源と、放射状偏向放射線を発生する装置と、第1の表面および第2の表面を有する金属板とを有し、サブ波長の寸法を有する開口は、第1の表面から第2の表面まで延伸する。

少なくとも一つの表面には、周期的な表面凹凸構造が設けられる。これらは、本発明の光透過性を高める機器の主要部材である。通常、この機器は、高解像度で高い光透過性が必要となる各装置内に設置され、例えば、近接場顕微鏡または高密度光データ記憶装置、またはそのような機器が使用される他の装置に、設置される。

金属板は、純粋な固体金属で構成されても、金属膜を有しても良い。金属膜を有する材料は、いかなる導電性材料であっても良く、これに限られる必要はないが、いかなる金属であっても良い。例えば、金属板は、ドープされた半導体を有しても良く、好ましくは、アルミニウム、銀、または金である。特定の実施例は、厚さが約300nmの自立式Ni膜であり、片側に100nmのAg層がコーティングされる。これらの全ての実施例には、金属板に関する以下の記載が含まれる。金属板は、少なくとも一つの開口または孔を有する。少なくとも一つの開口は、入口部と出口部とを有する。開口の入口部は、金属板の放射線が入射される表面側に設置され、放射線は、入口部を介して開口に入り、出口部を介して開口から放出される。金属板の少なくとも一つの表面は、以下に示すように、周期的表面凹凸構造を有する。

開口は、数十から数百nmのサブ波長の寸法を有する。例えば、放射線源としてネオンレーザが使用される場合、これは633nmの波長を有するため、好ましい開口寸法は、215nmである。また金属板には、第1の表面および第2の表面の両表面に、表面凹凸構造が設置される。

周期的表面凹凸構造を有する表面は、実質的に平坦な表面とは対照的な、凸状領域および／または凹状領域を有するいかなる表面であっても良く、そのような領域は、周期的にまたは規則的な繰り返しパターンで配置される。表面凹凸構造の一実施例は、図2に示されており、これは以降に説明される。複数の表面構造は、凹凸構造として理解され、特に、複数の円筒状または半球状凹部（ディンプル）が設置された表面であって、ディンプルが表面に周期的なパターンで配置された表面；複数の円筒状または半球状凸部が設置された表面であって、半球状突起が表面に周期的なパターンで配置された表面；複数の曲面状または直線状凹部溝が設置された表面であって、溝が表面に周期的なパターンで配置された表面；複数の曲面状または直線状凸状リブが設置された表面であって、リブが表面に周期的パターンで配置された表面；複数の凹状または凸状リングが設置された表面であって、リングが表面に周期的パターンで（通常、同心円状に）配置された表面、およびこれらのあらゆる組み合わせとして理解される。

通常の場合、周期的表面凹凸構造には、金属板に設けられた開口は含まれない。必要な場合、そのような複数の開口が提供され得る。

以下の「表面構造物」という用語は、これらの表面凹凸構造を、金属板の厚さ全体を介して延伸する開口と区別するために使用される。これらの表面特徴物は、開口のように金属板の厚さを貫通するまでは延伸しない、表面の突起および窪みを表すために使用される。例えば、ディンプル、半球状突起、溝、リングおよびスプリングは、表面特徴物である。また、一つの表面または両方の表面のいずれかに、前述のものとは異なる表面特徴物を有する金属板が含まれる。

また開口の形状には、入口部と出口部に同じ直径の開口を有する場合、または入口部と出口部で異なる直径の開口を有する場合が含まれる。これは、入口部が出口部よりも大きな直径を有すること、または逆のことを意味する。

金属板の少なくとも一つの表面の表面構造に合わせて、表面に入射される放射線によって、表面プラズモンが励起され、このプラズモンは、開口を介して放射線のエネルギーを輸送する。放射状偏向放射線を用いることにより、放射線の電界ベクトルは、常に表面に対して垂直となる。

表面プラズモンは、表面と平行な波動ベクトルを有し、これは、金属板を取り囲む材料内の放射線の波動ベクトルよりも大きい。その結果、表面に垂直に入射する放射線において、表面に平行な波動ベクトルの大きな成分が抽出される。従って100％の放射線が、金属板の表面と同じ方向となり、換言すれば、励起された表面プラズモンの波動ベクトルと同じ方向となる。

表面に対して垂直な電界ベクトル方向を有する放射線の使用によって、表面に垂直な方向に入射される放射線が半分にしか過ぎない無秩序に偏向された放射線に比べて、開口を通る光の透過性が2倍となる。

本発明の好適実施例では、放射状偏向放射線を発生する手段は、直線偏向放射線であることが好ましい放射線ビームを放射する放射線源と、直線偏向放射線を放射状偏向放射線に変更する装置とを有する。

放射線源は、装置に必要な波長の放射線を放射する半導体レーザであることが好ましいが、機器内に設置されても良い。通常、波長は、480nmから780nmの間である。偏向放射線を発生する装置は、機器の光路のうち放射線源の後方に配置される。

放射状偏向放射線は、放射線ビームの対称中心を通って延伸する直線に沿って配向された電界ベクトルを有する。装置は、偏向放射線ビームを発生させるいくつかの想定される方法で使用されることが有意である。

別の実施例では、機器は、放射状偏向放射線を形成するため、リー型2次格子を有する。

この場合、放射線源から伝播する放射線は、開口に入る前に、リー型2次格子と呼ばれるサブ波長の格子を通る。通常の場合、リー型2次格子は、10nmのTiおよび60nmのAuの金属ストリップを有し、これらのストリップは、写真リソグラフィー法および剥離技術によって、500μｍの厚さのGaAsウェハ上に設置される。そのような装置を形成するための両方の技術は、これらが公知であるため有意である。

本発明の別の実施例では、放射源から伝播する放射線は、1／4波長板を通り、放射状偏向放射線が形成される。

そのような1／4波長板に、直線偏向放射線が入射されると、放射状偏向放射線ビームが形成される。直線偏向放射線の偏向は、1／4波長板の光学軸と電界の方向の間の角度θを用いた場合、2θだけ回転されることに留意する必要がある。4つの1／4波長板の使用により、ほぼ放射状に偏光が分布するようになり、例えば、2つの直交直線偏向ビームの組み合わせが得られる。

本発明の別の実施例では、放射線は、1／4波長板および位相板を通り、放射状偏向放射線が形成される。

位相板を用いることは、しばしば放射状偏向ビームに、位相板によって除去され得る、特異な位相が得られる点で有意である。

本発明の別の実施例では、放射線は、開口の表面に入射される前に、液晶装置を通る。

液晶装置を用いて、放射状および方位偏向放射線を形成することができる。液晶装置は、新しい光学部材の設計の際に自由度がある。液晶装置に入射される直線偏向放射線の配向に応じて、放射状または方位偏向放射線のいずれかが生じる。

通常、液晶装置は、電極を有する2つの板を有し、板と、複屈折材料として機能する液晶分子の層との間に電界が生じる。電界を印加することにより、液晶分子は、整列される。従って、液晶装置は、偏向器となり、放射分析器として機能する。

液晶装置は、いくつかの光学装置に使用され、容易かつ低コストで製造することができる。

また本発明の課題は、最初に示した機器を有する、光データ記憶媒体用の読み取り／記録ヘッドによって達成される。この機器は、放射線源と、第1および第2の表面を有する金属膜と、前記金属膜に設けられ、第1の表面から第2の表面まで延伸する、少なくとも一つの開口と、金属膜の第1および第2の表面のうち少なくとも一つに設置された周期的な表面凹凸構造とを有し、放射線源から伝播する放射線は、金属膜の一つの表面に入射し、金属膜の少なくとも一つの表面上で、表面プラズモンモードと相互作用し、読み出し／記録ヘッドは、放射状偏向放射線を発生させる手段を備える機器を有する。

読み出し／記録ヘッドには、良好な解像度が必要であるが、これは、サブ波長の寸法の開口とともに、光記録担体を走査するわずかに高い強度を有する放射線ビームを用いることにより得られる。その結果、放射状偏向放射線を発生させる手段を有する機器を用いることにより、放射線ビームのさらなる透過性の改善が、有意に得られる。

さらに本発明の課題は、近接場光学走査顕微鏡によって達成され、この顕微鏡は、放射線源と、第1および第2の表面を有する金属膜と、前記金属膜内に設けられ、第1の表面から第2の表面まで延伸する少なくとも一つの開口と、金属膜の第1および第2の表面のうちの少なくとも一つに設置された周期的表面凹凸構造と、を有し、放射線源から伝播する放射線は、金属膜の第1および第2の表面の一つに入射し、金属膜の少なくとも一つの表面でプラズモンモードと相互作用し、これにより金属膜の少なくとも一つの開口を通る放射線の透過性が高められ、近接場光学走査顕微鏡は、金属膜の一つの表面に入射する放射状偏向放射線を生じさせる手段を有し、放射線の透過性の更なる向上が得られる。

近接場顕微鏡では、放射線ビームは、ある程度の強度と良好な解像度とを有する必要がある。従って、放射状偏向放射線を、表面特徴物を有する開口と組み合わせて、サブ波長の開口を通る光の透過性を向上させる手段を利用することが有意である。励起された表面プラズモンの数が増大し、開口に入射される放射線の2倍以上が透過されるようになる。

近接場光学顕微鏡の主要な問題は、極めて簡単な方法で、小さな解像度で、同時に透過性を得ることであるため、これは有意である。この問題は、放射線を放射状偏向放射線に変換する追加手段によって解決される。

また、本発明の課題は、放射状偏向放射線を用いて、これを表面特徴物を有するサブ波長の開口に入射させ、励起表面プラズモンの数を増加させる方法によって達成される。

ナノメートル領域の放射線を用いて、サブ波長の開口を有する装置内での放射線ビームの光透過性を向上させる方法は、表面特徴物を有する金属板に入射される放射状偏向放射線を使用して、前記金属板に入射される前記放射線ビームからの各光子によって、プラズモンを励起することができるため有意である。

前述の特徴および以下に示す特徴は、所与の組み合わせで利用される他、本発明の範囲から逸脱しないで、他の組み合わせでまたは単独で使用されても良いことを理解する必要がある。

本発明のこれらのおよび他の課題ならびに利点は、添付図面を参照した以下の記載からより明らかとなろう。

図1には、光透過性を高める機器10の概略図を示す。この機器10は、放射状偏向放射線ビームを発生させる手段を有し、特に、放射線ビーム13を放射する放射線源12と、放射状偏向放射線16を発生させる装置14と、第1の表面20および第2の表面22を有する金属板18とを有する。金属板18の開口24は、第1の表面20から第2の表面22まで延伸している。表面20および22の少なくとも一方は、周期的表面凹凸構造26を有する。これらは、本発明による光透過を高める機器10の主要部材である。通常の場合、この機器10は、高解像度で高い光透過性が必要となる、例えば近接場顕微鏡、高密度光データ記憶装置、またはそのような機器10の設置が有益な他の装置各装置に組み込まれる。

本発明の特定の実施例を示す前に、本発明を理解する上で重要ないくつかの事項について、特に、開口24を有する金属板18、および放射状偏向放射線16を発生する装置14について、明らかにしておくことは有益である。金属板18は、純粋な固体金属で構成されても良く、あるいは金属膜を有しても良い。金属膜を有する材料は、例えば金属のような、いかなる導電性の材料であっても良いが、必ずしも金属である必要はない。例えば、金属板18は、ドープされた半導体を有しても良い。金属板18は、アルミニウム、銀または金を有することが好ましい。特定の実施例では、これは、片側に100nmの銀層がコーティングされた、厚さが300nmの自立式Ni膜である。これらの全ての実施例には、金属板18に関する説明が含まれる。金属板18は、少なくとも一つの開口または孔24を有する。少なくとも一つの開口24は、入口部28および出口部30を有する。開口入口部28は、金属板18の放射線が入射する表面側に設置され、放射線は、入口部28を介して開口24に入り、出口部30を介して開口24から放出される。金属板18の少なくとも一つの表面は、以下に示す周期的表面凹凸構造26を有する。

開口24は、数十乃至数百nmのサブ波長の寸法を有する。例えば、放射線源12として、ネオンレーザを使用した場合、これの波長は633nmであるため、好適な開口寸法は、215nmである。また金属板18には、第1の表面20および第2の表面22の両方の表面に、表面凹凸構造が設置されても良い。

周期的な表面凹凸構造を有する表面は、実質的に平坦な表面とは対照的な、凸状および／または凹状領域を有する、いかなる表面であっても良く、そのような領域は、周期的にまたは規則的な繰り返しパターンで配置される。表面凹凸構造の一実施例は、図2に示されており、この例について以下説明する。通常想定される全ての表面凹凸構造について、説明する。「表面凹凸構造」という用語は：
1. 複数の円筒状または半球状凹部（ディンプル）が設置された表面であって、ディンプルが表面に周期的なパターンで配置された表面；
2. 複数の円筒状または半球状凸部が設置された表面であって、半球状突起が表面に周期的なパターンで配置された表面；
3. 複数の曲面状または直線状凹部溝が設置された表面であって、溝が表面に周期的なパターンで配置された表面；
4. 複数の曲面状または直線状凸状リブが設置された表面であって、リブが表面に周期的パターンで配置された表面；
5. 複数の凹状または凸状リングが設置された表面であって、リングが表面に周期的パターンで（例えば、同心円状に）配置された表面、および
6. 前述のいかなる組み合わせ
を含む。

通常の場合、周期的な表面凹凸構造は、金属板18に設けられた開口24を含まない。必要な場合、複数のそのような開口が設置されても良い。

本願において、「表面特徴物」27という用語は、表面凹凸構造を、金属板18の厚さを貫通して延伸する開口24と区別するために使用される。これらの表面特徴物27は、開口のように金属板の厚さを貫通するまでは延伸しない、表面の突起および窪みを表すために使用される。例えば、ディンプル、半球状突起、溝、リングおよびスプリングは、表面特徴物である。また、一つの表面または両方の表面のいずれかに、前述のものとは異なる表面特徴物を有する金属板18が含まれる。

開口24の形状には、同じ寸法の入口部および出口部を有する開口、または入口部と出口部で異なる寸法を有する開口24が含まれても良い。これは、入口部分が出口部分よりも大きな直径を有すること、またはその逆であることを意味する。

以下、挿入部分32で示されている放射状偏向放射線を発生する装置14を参照して説明する。装置14は、図3、4および5に示されているいくつかの実施例を含む。本発明に関しては、装置14を通過した後の放射線が、以下に示す放射状偏向放射線の全ての特徴を有することのみが重要である。放射状偏向放射線16は、以下の特徴を有する：
−電界および磁界は、電波方向に関係した、半径方向に対称の所定の軸を有する；
−対称軸上では、強度は、ゼロであり、図3に示すように、対称軸から別の距離R₀、R₁、…において、最大強度を有する；ただしxは、対称軸からの距離である。

対称軸に垂直な平面では、放射線の位相は、全ての点で同じ値であり、これは、対称軸から同じ距離を有する。そのようなフィールド場分布は、例えば、2つの直交する偏光TEM_0m−TEM_m0−モード（m=1）を重畳することにより、発生させることができる。図3には、2つの偏光TEM₁₀−TEM₀₁−モードの重畳結果を示す。TEM₁₀は、x偏光モードのものであり、TEM₀₁は、y偏光モードのものである。放射状偏向放射線を発生する装置5の特定の実施例は、以降に示す図4および図5に示されている。

本発明の高光放射線透過性は、以下のように実現される（図1）。レーザであることが好ましく、特に波長λ=633nmのHeNeレーザであることが好ましい、放射線源Aから放射された放射線ビーム13は、装置14によって、放射状偏向放射線ビーム18に変調される。この放射線ビーム18は、金属板18の表面20に照射される。

次に、放射線は、開口24の入口部28に誘導され、金属板18の第2の表面22の開口24の出口部30から、高められた強度I_outputを有する出力放射線として透過される。表面20または22上に表面特徴物26が配置された金属板18を介した光透過性の向上にとって、これは、重要ではないことに留意する必要がある。また、表面特徴物26は、金属板18の両側、すなわち表面20および22の側に配置されても良い。透過性の向上は、放射線が入射される表面20上の表面プラズモンの共振の発生によるものである。相互作用は、格子モーメントを介しての結合によってなされ、これは、運動量保存則に従う：

ここで、k_spは、表面プラズモン波動ベクトルであり、k_xは、金属板18の平面内にある入射波動ベクトルであり、G_xおよびG_yは、｜±G_x｜=｜±G_y｜=2π／a₀の正方格子に対する逆格子ベクトルであり、i、j、は、整数である。波動ベクトルk_spは、

で表され、ここでε_lおよびε_mは、それぞれ、周囲の誘電体および金属の誘電率であり、金属の誘電率ε_mは、負で、絶対値は、ほとんどの誘電体に比べて著しく大きい。表面プラズモンは、表面に平行な波動ベクトルk_spの成分を有し、これは、金属板18を取り囲む誘電体での放射線の波動ベクトルよりも大きい。

金属板18の表面20に入射する放射状偏向放射線が、表面に対して垂直な場合、この放射線は、大きなモーメントk_spを取り入れ、プラズモンを励起する。これは、表面構造物の溝に対して垂直な放射線のみが、プラズモンを励起し得ることを意味する。溝に対して垂直な状態で、表面構造物に入射される放射線が多くなるほど、より多くのプラズモンが励起され、金属板を通る透過がより多くなる。無秩序に偏向された放射線を使用した場合、半分の放射線のみが、適正に偏向され、僅かのプラズモンしか励起されない。無秩序に偏向された放射線を使用した場合、全ての放射線は、適正に偏向され、プラズモンが励起される。これにより、予想される光透過性は、約2倍に向上する。

放射線源12から放射される放射線ビームを、放射状偏向ビーム16に変換するためのいくつかの装置14、特に、リー型2次格子は、図には示されていない。詳細は、文献から得られる：Ze’ev Bomzonら、オプティクスレター（Optics Letters）、26巻、18号、1424ページ、2001年。また、図4に示されている1／4波長板が、装置14に設置されても良い。さらに、直線偏向放射線を放射状偏向放射線に変換することが可能である限り、示されていない装置14を使用することも可能である。

図2には、図1と同様の参照符号が示されており、同一の部品には、同じ参照符号が付されている。

図2aには、米国特許出願第2003／0173501A1号に記載の表面構造物26の断面図を示す。この表面構図は、蛇の目構造と呼ばれる。通常この構造は、集束イオンビーム法（SIB）によって製作される。表面構造物は、銀（Ag）膜上に形成され、溝の周期は、500nmであり、溝の深さは、60nmである。構造の中央には、開口13が認められ、この開口の直径は、250nmである。全体の厚さは、300nmである。この図は、Tineke、Thio、Optics Letters、26巻、24号、1972ページ、12月15日、2001年から引用したものである。

周期的表面凹凸構造は、一組の同心円状凹状リングで構成され、平均半径は、K_k=kP（P=750nm、k=1，2）で与えられる。Pは、周期的表面凹凸構造の周期であり、リングの数を表す。この表面特徴物構造は、蛇の目模様として知られており、何人かの研究者によって研究されている。蛇の目構造は、金属板18の表面特徴物26の一例に過ぎない。他の表面特徴物を使用したプラズモンの励起によって、金属板18を介した透過性向上についての同様の効果を得ても良い。

また、本発明は、他の表面特徴物26を含み、これらは、例えば、米国特許出願第2003／0173501号、およびTineke、Thio、Optics Letters、26巻、24号、1972ページ、12月15日、2001年に示されている。表面特徴物は、金属板18の両方の側に配置されても良いことに留意する必要がある。蛇の目構造の断面において、山34と谷36は、長方形状である必要はなく、三角形状であっても良く、あるいは谷36と山34間の移り変わりは、平滑であっても良い。

図3には、x平面での放射状偏向ビーム16を示す。電界ベクトルは、図3aの矢印38で示されている。図3bには、図3aのx方向の関数としての強度分布を示す。これから、放射状偏向ビームは、対称軸40からある距離で、最大強度分布を有することがわかる。この距離は、図3bにおいてR₀で示されている。

図3cには、x方向に偏向された一つのTEM₁₀-モードと、y方向に偏向された一つのTEM₀₁-モードとの重ね合わせを示すが、これにより、電界ベクトル38と対称軸40を有する放射状ビーム21が得られる。

図4には、1／4波長板42を通る直線偏向放射線ビーム13を示す。この1／4波長板は、放射状偏向ビーム16を発生させる装置14の一部である。この1／4波長板42は、偏向変換器とも呼ばれ、4つの1／4波長板44、46、48および50を有する。参照符号13は、1／4波長板42を通る前の、y方向の偏向を有する放射線ビームを示しており、参照符号16は、1／4波長板42の出口での放射状偏向ビームを示している。矢印44、46、48および50は、異なる配向を示しており、矢印51は、角度θ=0゜に、矢印45は、角度θ=45゜に、矢印47は、角度θ=90゜に、矢印49は、角度θ=135゜に対応する。角度θは、光学軸の挿入図57に示されている。これは、光学軸が1／4波長板42にわたって変化することを意味する。1／4波長板の光学軸と電界方向の間の角度θを用いた場合、直線偏向放射線の偏向は、2θ回転されることに留意する必要がある。4つの1／4波長板の使用により、ほぼ放射状の偏向分布が得られ、例えば、2つの直交する直線偏向ビームの組み合わせが得られる。またこの実施例では、装置14は、位相板56を有し、この位相板は、しばしば放射状偏向ビームによって搬送される特異な位相を除去する。本願では、特異な位相とは、放射線の位相が、対称中心、すなわち軸の周囲での回転の間に、2πの倍数で増大または減少することを意味することを理解する必要がある。位相板56は、複数のセクタ58を有し、このセクタは、異なる高さ60を有する。高さ60は、入射放射線の波長に対して調整する必要がある。特異位相を除去するため、ステップにわたる位相差、すなわち高さ60は、2πにする必要がある。

図5には、放射状偏向放射線を発生する装置14の別の実施例を示す。図5aには、Φセル64からなる実施例を示すが、このセルは、参照符号66で示された直線偏向放射線を、矢印68で示された放射状偏向放射線に変換する。Φセルの実施例では、直線偏向放射線64は、矢印68で示された放射状偏向放射線に変化する。

Φセル64の詳細は、図5bに示されている。層70および72は、ネマチックLCが充填され、一方向および一環状方向に研磨された配列層で構成される。一方向配列層は、セル軸と称される軸を定める。直線と環の対称性のこの組み合わせのため、LCセルは、Φセルと呼ばれる。このΦセル内の局部的なLC配向は、ねじれセルであり、この場合、局部的な配列層によって定まるねじれ角度は、変化し得る。

図5の第2の部分である、図5cには、上部から見た、Φセル64内の液晶分子の配向が示されている。2つの層70および72は、LC分子を有する。液晶は、参照符号74で表されている。ねじれ角度は、常に±Φよりも小さく、弾性ねじれエネルギーが最小となる。上部から見たΦセル内のLC分子の配向は、図5cに示されている。

2つの放射状の不完全線があり、これらの線は、参照符号76および78で示されている反対のねじれ領域を分離する。不完全線は、セル軸に対して平行であり、これらは、対象中心に接近した位置に起点を有し、ともに1本の直線を形成する。未定形のLC配向を有する通常の中心領域の直径は、20μｍである。図5aからわかるように、入射偏向放射線66は、最初に直線整列層70と接し、次に放射状配向層72と接する。

放射状偏向放射線を発生する装置14には、他の実施例（図示されていない）が含まれることに留意する必要がある。

図6には、放射状偏向放射線を放射するレーザ80を示す。この実施例では、放射線源12、および放射状偏向放射線を発生する装置14は、一つの装置で構成される。レーザ放射放射状偏向放射線ビームの詳細は、オロン（R. Oron）ら、「純方位または放射状偏向を有するレーザビームの形成」、アップライドフィジックスレター（Appl. Phys. Lett.）、77巻、21号、3322ページ、2000年に示されている。従って、本願では、レーザの詳細については説明しない。レーザは、ゲイン媒体82と、放射状偏向ビーム16を結合する窓84とを有する。ゲイン媒体は、比較的等方性であることに留意する必要がある。

図7には、光記憶媒体用の読み取り／記録ヘッド100の断面図を示す。端部に蛇の目構造を有するテーパ状光ファイバ上に、記録担体が置載される。読み取り／記録ヘッドは、導波管102を有し、この導波管は、記録担体106と対向する側に端面104を有する。通常の場合、端面104は、規則的な谷34と山36の表面特徴物26を有する。通常、放射状偏光を発生する手段は、放射線源12と、放射線源12から放射される放射線を、放射状偏向放射線16に変換する装置14とを有する。

放射状偏向放射線16は、表面特徴物を有する金属板18に入射され、そこで表面プラズモンが励起される。放射状偏向放射線は、開口24を通る光透過性を向上する。

図8には、読み取り／記録ヘッド100を有する光学式ピックアップユニット内の、光路の一例の概略図を示す。この図には、特に図6に示したようなLCセルのような、装置14が示されており、この装置は、放射状偏向放射線を発生する。また、開口を有する金属板18が示されている。

放射線源12は、直線偏向放射線ビームを放射し、このビームは、光学レンズ108を通る。放射状偏向放射線を発生する装置14は、光学レンズの後方に配置され、放射状偏向放射線ビーム16が形成される。放射線ビーム16は、ビーム分割素子110を通り、レンズ112によって集束され、表面特徴物を有する金属板18を有する読み取り／記録ヘッド100に入射される。記録担体106は、読み取り／記録ヘッド100に対向するようにして設置される。反射放射線ビームは、ビーム分割器110およびレンズ114を通り、検出素子116によって検出される。

記録担体106を走査する（読み取り／記録）放射線ビームとして使用される放射状偏向放射線ビーム16は、従来の光学式ピックアップユニットに比べて強度が向上する。

本発明の基本的な思想は、放射状偏向放射線と、表面特徴物26および開口24を有する金属板とを組み合わせ、この開口を放射状偏向放射線で通過させることである。本発明の課題は、放射状偏向放射線16を用いることにより、金属板18のこの開口を通る放射線の光透過性を高めることである。光透過性は、適当な偏光を用いて、表面プラズモンを励起することにより増大する。本願では、適当な偏光とは、放射線の偏向ベクトルが、金属板18の表面特徴物26の溝に対して、常に垂直であることを意味することを理解する必要がある。本発明は、放射状偏向放射線を発生させるためのいくつかの実施例と、異なる表面特徴物26を有する金属板18の別の実施例とを含む。

本発明の光路の例を概略的に示した図である。 蛇の目構造の平面図である。 蛇の目構造の概略断面図である。 放射状偏向ビームの概略的特徴を示す図である。 放射状偏向ビームの概略的特徴を示す図である。 放射状偏向ビームの概略的特徴を示す図である。 1／4波長板の配置を示す図である。 位相板の配置を示す図である。 放射状偏向放射線を発生させる液晶（LC）セルの概略図である。 放射状偏向放射線を発生させる液晶（LC）セルの概略図である。 放射状偏光を放射するレーザの概略図である。 蛇の目構造を有するテーパ状の光ファイバ上に設置された、読み取り／記録ヘッドの断面図と、蛇の目構造の平面図である。 図7に示す実施例による読み取り／記録ヘッドを有する光学ピックアップユニットの光路を示す図である。

Claims (23)

1. 放射線の透過性を高める機器であって、
   少なくとも一つの放射線源と、
   第1および第2の表面を有する金属板であって、該金属板に設けられ、前記第1の表面から前記第2の表面まで延伸する少なくとも一つの開口を備える金属板と、
   を有し、
   前記金属板は、前記第1および前記第2の表面のうち少なくとも一つに設置された、周期的な表面凹凸構造を有し、
   前記放射線源から進行し、前記金属板の前記一つの表面に入射された放射線は、前記金属板の少なくとも一つの前記表面上で表面プラズモンモードと相互作用し、これにより、前記金属板の前記少なくとも一つの開口を通る放射線の透過性が高められ、
   光透過性を高める当該機器は、放射状偏向放射線を発生する手段を有し、前記放射状偏向放射線は、表面凹凸構造を有する前記金属板の前記表面の一方に入射され、前記放射線の、前記プラズモンに対する効率的な結合がなされ、これにより、前記光透過性がさらに向上することを特徴とする機器。
2. 前記放射状偏向放射線を発生する手段は、直線偏向放射線を放射する放射線源と、前記直線偏向放射線を、放射状偏向放射線に変換する装置とを有することを特徴とする請求項1に記載の機器。
3. 前記装置は、放射状偏向放射線を形成するリー型一次格子を有することを特徴とする請求項1または2に記載の機器。
4. 前記装置は、1／4波長板を有することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の機器。
5. 前記装置は、1／4波長板および位相板を有することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一つに記載の機器。
6. 前記装置は、液晶セル（LC）を有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一つに記載の機器。
7. 前記手段は、放射状偏向放射線を放射するレーザ放射線源を有することを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一つに記載の機器。
8. 前記金属板は、金属および／または半導体材料で構成された膜を有することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一つに記載の機器。
9. 前記金属板は、前記表面の一方または両方に、表面特徴物を有することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一つに記載の機器。
10. 前記表面特徴物は、少なくとも2つの突起状構造化および／または凹状構造化表面特徴物を有することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一つに記載の機器。
11. 前記表面凹凸構造は、前記開口を起点とした少なくとも一つの方向において、周期的にもしくは準周期的に配置されたディンプルおよび／または孔として形成された、複数の表面特徴物を有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一つに記載の機器。
12. 前記表面特徴物は、該表面特徴物の材料の屈折率とは異なる屈折率を有する材料で構成され、定形され、または充填されることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一つに記載の機器。
13. 前記表面凹凸構造を形成する前記表面特徴物は、前記開口の周囲に対称に配置されることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか一つに記載の機器。
14. 前記表面凹凸構造を形成する前記表面特徴物は、前記開口の周囲に非対称に配置されることを特徴とする請求項1乃至13のいずれか一つに記載の機器。
15. 前記第1の表面の前記表面凹凸構造および前記第2の表面の前記表面凹凸構造は、同一であることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか一つに記載の機器。
16. 前記第1の表面の前記表面凹凸構造の少なくとも一つの寸法パラメータおよび／または形状特性は、前記第2の表面の前記表面凹凸構造の少なくとも一つの対応する寸法パラメータおよび／または形状特性とは異なっていることを特徴とする請求項1乃至15のいずれか一つに記載の機器。
17. 前記第1の表面の表面凹凸構造の前記周期または準周期は、前記第2の表面の前記表面凹凸構造の前記周期または準周期とは異なっていることを特徴とする請求項1乃至16のいずれか一つに記載の機器。
18. 前記金属板は、放射線放射装置または放射線透過装置の出口表面に、もしくは出口表面の前方に、もしくは放射線放射装置または放射線透過装置の一部に、設置されることを特徴とする請求項1乃至17のいずれか一つに記載の機器。
19. 請求項1乃至18のいずれか一つに記載の機器を有する、光データ記憶媒体用の読み取り／記録ヘッド。
20. 請求項1乃至18のいずれか一つに記載の機器を有する、近接場光学走査顕微鏡。
21. 請求項1乃至20のいずれか一つに記載の機器を有することを特徴とする、高輝度放射線源。
22. ナノメートル領域の放射線およびサブ波長の開口を使用して、
    表面特徴物を有する金属板に入射される放射状偏向放射線を利用し、
    前記金属板に入射される前記放射線ビームからの各光子によって、プラズモンを励起することにより、装置内での放射線ビームの光透過性を向上させ、特に2倍に向上させる方法。
23. 光透過性を2倍に高める機器の使用であって、
    前記機器は、
    放射線源と、
    放射状偏向放射線ビームを発生する手段と、
    第1および第2の表面を有する金属板であって、該金属板に設けられ、前記第1の表面から前記第2の表面まで延伸する少なくとも一つの開口を備える金属板と、
    前記金属板の前記第1および前記第2の表面のうち少なくとも一つに設置された、周期的な表面凹凸構造と、
    を有し、
    前記放射線源から進行し、前記金属板の前記一つの表面に入射された放射線は、前記金属板の少なくとも一つの前記表面上で表面プラズモンモードと相互作用し、これにより、前記金属板の前記少なくとも一つの開口を通る放射線の透過性が高められ、前記金属板の前記表面特徴物に入射された前記放射線が、前記表面特徴物に対して垂直な電界ベクトルを有する放射状偏向放射線になることを特徴とする使用。
    

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