JP2009223123A - 偏光制御素子、偏光制御装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】支持体上または支持体内部に、入射光の波長より小さなサイズの複数個の金属構造体と、入射光の波長より小さなサイズの複数個の開口部を有する金属膜を少なくとも有し、金属膜の開口部と、2個以上の金属構造体からなるユニットを、2次元的に配置するとともに、該ユニットに含まれる2個以上の金属構造体は、同一形状ならびに同一の大きさであり、該金属構造体の大きさよりも近接して配置することを特徴とする偏光制御素子。
【選択図】図1
Description
また、特許文献2(特開2000−171631号公報)も類似の技術を利用したものである。
また、特許文献4(特許第386219号公報)も類似の技術を利用したものである。
特許文献10(特開2006−330105号公報)には、耐熱性および耐光性に優れ、光の透過率または反射率の高い偏光制御素子を提供するとともに、設計自由度の高い偏光制御素子を提供することを目的とし、図32(a)に示すように、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体6を、支持基板上に形成し、近接場光による相互作用が働くような構成により光の透過率が高く、十分な位相差を与えることの可能な、設計自由度が高く、耐熱性や耐光性に優れた偏光制御素子とすることが記載されている。
特許文献1、2および5は、本発明の偏光制御素子と同様に、金属微細構造を有するものであるが、金属微細構造の形状の異方性を利用して、2つの直交する偏光成分のうちの一方を選択的に透過するものあり、偏光素子の一要素である位相シフト効果を実現したものではない。また、偏光成分の50%は反射光として損失してしまうため、光利用効率が低い。
請求項1、2の目的は、偏光制御効率を向上させるための、偏光制御素子の構成を提供することにある。
また、請求項3、4、5の目的は、本発明の偏光制御素子における金属膜の開口部の具体的な形状を提供することにある。
また、請求項6の目的は、外的な損傷に強い偏光制御素子を実現するとともに、動作波長帯域の調整が可能である偏光制御素子の構成を提供することにある。また、偏光特性の調整が可能である偏光制御素子の構成を提供することにある。
また、請求項7の目的は、本発明の偏光制御素子を反射型素子として利用するための、具体的な構成を提供することにある。
また、請求項8の目的は、本発明の偏光制御素子の具体的な構成を提供することにある。
また、請求項9、10の目的は、本発明の偏光制御素子を能動素子として機能させるための、偏光制御素子および偏光制御装置の構成を提供することにある。
さらに請求項11の目的は、本偏光制御素子の具体的な構成を提供することにある。
(1)「支持体上または支持体内部に、入射光の波長より小さなサイズの複数個の金属構造体と、入射光の波長より小さなサイズの複数個の開口部を有する金属膜を少なくとも有し、金属膜の開口部と、2個以上の金属構造体からなるユニットを、2次元的に配置するとともに、該ユニットに含まれる2個以上の金属構造体は、同一形状ならびに同一の大きさであり、該金属構造体の大きさよりも近接して配置することを特徴とする偏光制御素子」、
(2)「前記金属膜の開口部および/または開口部近傍の金属膜が、入射光のエネルギーを開口部に集中する構造を有することを特徴とする前記第(1)項に記載の偏光制御素子」、
(3)「前記金属膜の開口部近傍の形状が、対向する金属先鋭構造を有していることを特徴とする前記第(1)項又は第(2)項に記載の偏光制御素子」、
(4)「前記金属膜の開口部近傍の形状が、開口部中心から同心円状の凹凸構造を有していることを特徴とする前記第(1)項又は第(2)項に記載の偏光制御素子」、
(5)「前記金属膜の開口部の開口面積が、入射光の進行方向に対して変化していることを特徴とする前記第(1)項乃至第(4)項のいずれかに記載の偏光制御素子」、
(6)「前記支持体が、2種類以上の誘電体材料からなる膜であることを特徴とする前記第(1)項に記載の偏光制御素子」、
(7)「前記支持体の一方の端面に、反射層を設けることを特徴とする前記第(1)項に記載の偏光制御素子」、
(8)「金属構造体を2次元的に配置した層および/または開口部を有する金属膜を複数段有することを特徴とする前記第(1)項に記載の偏光制御素子」、
(9)「前記金属構造体を被覆、または前記金属構造体に接し、外部制御手段により光学特性を変化させる機能性膜を有することを特徴とする前記第(1)項に記載の偏光制御素子」、
(10)「前記第(9)項に記載の偏光制御素子と、電気的、光学的、形状変化により、前記機能性膜の光学特性を変化させる外部制御手段を備えることを特徴とする偏光制御装置」、
(11)「前記ユニットの2次元配置に周期性をもたせたことを特徴とする前記第(1)項に記載の偏光制御素子」。
ここで、「金属膜の開口部と、2個以上の金属構造体からなるユニットを、2次元的に配置する」とは、典型的には例えば、後述の具体例から理解されるように、該開口部を金属膜に周期的に設け、かつ、それぞれの開口部に対して、2個以上の金属構造体からなるユニット群を、2次元的に配置して開口部と2個以上の金属構造体との組合せを構成することを意味する。
また、本発明の請求項1〜3にかかる偏光制御素子は、金属構造体に隣接する金属膜の開口部に、金属先鋭構造を設けたことにより、金属構造体近傍に強く集中した電場を介して効率よく偏光制御が行われ、透過率を向上するとともに、且つ、高い偏光制御効率を有する偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。
また、本発明の請求項1,2,4にかかる偏光制御素子は、金属構造体に隣接する金属膜の開口部近傍に、開口部中心から同心円状の凹凸構造を設けたことにより、金属構造体近傍に強く集中した電場を介して効率よく偏光制御が行われ、透過率を向上するとともに、高い偏光制御効率を有する偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。
また、本発明の請求項1〜4にかかる偏光制御素子は、金属構造体に隣接する金属膜の開口部を、開口面積が入射光の進行方向に対して変化する構造としたことにより、入射光のエネルギーを透過面側に効率よく伝達することができ、透過率を向上するとともに、高い偏光制御効率を有する偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。
また、本発明の請求項1〜5にかかる偏光制御素子は、金属構造体に隣接する金属膜の開口部を、開口面積が入射光の進行方向に対して変化する構造としたことにより、入射光のエネルギーを透過面側に効率よく伝達することができ、透過率を向上するとともに、高い偏光制御効率を有する偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。
また、本発明の請求項1〜6にかかる偏光制御素子は、金属構造体および開口部を有する金属膜を支持する支持体として、2種類以上の誘電体材料を用いることにより、偏光異方性および動作波長の調整が可能な偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。また、金属構造体または/および開口部を有する金属膜を誘電体材料で被覆することにより、外部損傷に強い偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。
また、本発明の請求項1〜7にかかる偏光制御素子は、支持体上または支持体内部に金属構造体および開口部を有する金属膜を配するともに、支持体の一方の端面に反射層を設けることにより、反射型の偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。
また、本発明の請求項1〜8にかかる偏光制御素子は、支持体上または支持体内部に金属構造体および開口部を有する金属膜を複数段配置することにより、高い偏光制御効率を有する偏光を有する偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。
また、本発明の請求項1〜10にかかる偏光制御素子は、支持体上または支持体内部に金属構造体および開口部を有する金属膜を配置するとともに、外部制御手段により変調が可能な機能性膜を設けることより、偏光状態を能動的に変化させることのできる偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。また、偏光制御装置を提供することができるという効果を奏する。
また、本発明の請求項1〜11にかかる偏光制御素子は、金属膜の開口部と2個以上の金属構造体からなるユニットの2次元配置に周期性をもたせることにより、回折現象による効果を乗じた偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。
本発明の第1の実施の形態にかかる偏光制御素子に関して、図1〜15を参照して説明する。図1は、本発明の第1の実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を説明する、入射光の進行方向に対して平行および垂直な方向の断面図である。本偏光制御素子は、入射光の波長より小さなサイズの複数個の金属構造体と、入射光の波長よりも小さなサイズの複数個の開口部を有する金属膜により構成され、図1の入射光と平行な方向の断面図(図1中の左側断面図)に示すように、2個以上の金属構造体からなるグループと、金属膜の各開口部との組合せを一つの金属構造体ユニットとして、金属構造体ユニットを2次元的に配置した構成を有する。図1の実施例では、金属構造体が支持体表面に形成され、開口部を有する金属膜が支持体内部に形成されているが、図2、図3の断面図にそれぞれ示すように、金属構造体が支持体内部に配置され、開口部を有する金属膜が支持体表面に配置された構成、金属構造体と開口部を有する金属膜がともに支持体内部に配置された構成であっても構わない。また、図4に示すように、金属構造体と開口部を有する金属膜の積層順序は、本偏光制御素子の入射側および出射側のいずれの側に配置しても構わない。ここで、金属膜の開口部は、透過する光を開口部に強く集中させる役割を担っている。また、金属構造体は、図1の実施例では、金属構造体ユニットに2個の金属構造体を有する構成を示しているが、この場合、金属構造体の配置に平行な方向(図1では右側下図の横軸方向(X軸方向))と垂直な方向(同縦軸方向(Y軸方向))で異方性を有することにより、偏光状態を変化させる役割を担っている。これは、例えば、λ/4板、つまり直線偏光−円偏光変換板として好適に用いることができる。
図1では、円柱形状の金属構造体を示したが、円柱形状のほか、球形状、半球形状、三角柱・四角柱形状、円錐形状、楕円柱形状などであっても構わない。各金属構造体のサイズは、出射する光を遠方で観測した際に、光強度の空間的な分布が現れないように、入射光の波長よりも小さくする必要がある。金属構造体のサイズは、形状が非対称になると一意に決めることができないため、その決め方を図5により説明する。
なお、FDTDシミュレーションは、マクスウェル方程式を時間領域と空間領域に差分化して近似的に計算する数値計算の手法で、近接場光のシミュレーション等で頻繁に利用される。マクスウェル方程式は誘電率εを式中に含むが、金属を用いる場合は、入射する波長によって誘電率の値が変わる。その変化の仕方(誘電関数)を、Drudeモデルや、Lorentzモデルの関数で置くことにより、数値シミュレーション中で、光の波長に応じた誘電率を扱えるようになる。Auの場合は、誘電関数が複雑なプロファイルを持つので単独のモデルではうまく表現できないため、DrudeモデルとLorentzモデルを足し合わせた関数で、誘電率の実測(文献)値に合うように近似している。
また、スペクトルの計算方法であるが、FDTDシミュレーションは時間領域のシミュレーションのため、周波数(スペクトル)へ変換する必要がある。通常、パルス状の光を入れると、これは全周波数成分を含んでいるために、フーリエ変換によりスペクトルに変換することができる。
以上の結果から、金属構造体の上部に開口部を有する金属膜を設けることにより、位相差を大きくシフトすることができ、且つ、透過率の向上も実現できることが確かめられた。
本発明の第2の実施の形態にかかる偏光制御素子に関して、図1〜4、6、9、10、16を参照して説明する。本偏光制御素子は、第1の実施例を説明した図1〜4と同様に、入射光の波長より小さなサイズの複数個の金属構造体と、入射光の波長より小さなサイズの開口部を有する金属膜により構成され、2個以上の近接した金属構造体と金属膜の開口部からなる金属構造体ユニットを2次元的に配置した構成を有している。金属構造体および開口部を有する金属膜は、光の入射側、出射側のいずれの側に配置されていても構わない。また、金属構造体ユニットは、2個以上の金属構造体の配置に異方性があればよく、図1に示す2個の金属構造体による対のほか、図6に示すように3個の金属構造体による構成や、4個以上の複数個の金属構造体を用いた構成であっても構わない。
本発明の第3の実施の形態にかかる偏光制御素子に関して、図1〜4、6、9、10、17を参照して説明する。本偏光制御素子は、第1の実施例を説明した図1〜4と同様に、入射光の波長より小さなサイズの複数個の金属構造体と、入射光の波長より小さなサイズの開口部を有する金属膜により構成され、2個以上の近接した金属構造体と金属膜の開口部からなる金属構造体ユニットを2次元的に配置した構成を有している。金属構造体および開口部を有する金属膜は、光の入射側、出射側のいずれの側に配置されていても構わない。また、金属構造体ユニットは、2個以上の金属構造体の配置に異方性があればよく、図1に示す2個の金属構造体による対のほか、図6に示すように3個の金属構造体による構成や、4個以上の複数個の金属構造体を用いた構成であっても構わない。
本発明の第4の実施の形態にかかる偏光制御素子に関して、図1、6、9、10、18を参照して説明する。図18は、本発明の第4の実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を説明する、入射光の進行方向に平行な方向の断面図である。本偏光制御素子は、複数個の入射光の波長より小さなサイズの金属構造体と、複数個の入射光の波長よりも小さなサイズの開口部を有する金属膜により構成され、金属構造体および開口部を有する金属膜を支持する支持体として、2種類以上の誘電体膜を有している。また、2個以上の金属構造体と金属膜の開口部を一つの金属構造体ユニットとし、金属構造体ユニットを2次元的に配置した構成を有する。開口部を有する金属膜の位置は、金属構造体の上部または下部のいずれであっても構わない。
本発明の第5の実施の形態にかかる偏光制御素子に関して、図1、6、9、10、19〜21を参照して説明する。図19は、本発明の第5の実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を説明する、入射光の進行方向に平行および垂直な方向の断面図である。本偏光制御素子は、第1〜4の実施の形態の偏光制御素子を、反射型の偏光制御素子として利用するための構成を提供するものである。図19の入射光に平行な方向の断面図に示すように、本偏光制御素子は、支持体上または支持体内部に複数個の入射光の波長より小さなサイズの金属構造体と、複数個の入射光の波長よりも小さなサイズの開口部を有する金属膜を配し、支持体の一方の端面に反射層を設けた構成を有している。また、2個以上の金属構造体と金属膜の開口部を一つの金属構造体ユニットとし、金属構造体ユニットを2次元的に配置した構成を有している。
本発明の第6の実施の形態にかかる偏光制御素子に関して、図9〜11、22を参照して説明する。図22は、本発明の第6の実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を説明する、入射光の進行方向に平行な方向の断面図である。本偏光制御素子は、第1〜5の実施の形態の偏光制御素子と同様に、支持体上または支持体内部に複数個の入射光の波長より小さなサイズの金属構造体と、複数個の入射光の波長よりも小さなサイズの開口部を有する金属膜を有し、金属膜の開口部および開口部近傍に位置する複数の金属構造体を一つの金属構造体ユニットとし、金属構造体ユニットを2次元的に配置した構成を有している。また、金属構造体および開口部を有する金属膜を被覆またはこれらに接する誘電体膜を配した構成であってもよい。本発明の偏光制御素子では、金属構造体を含む層または/および開口部を有する金属膜が複数段積層することを特徴としている。図22(a)は、金属膜の開口部の上部および下部に第1および第2の金属構造体の層がある構成であり、金属構造体が偏光異方性をもたらすことから、偏光制御効率が向上する。図22(b)および(c)は、開口部を有する金属構造体の入射側または出射側の一方に、第1および第2の金属構造体が積層された構成であり、同様に、偏光制御効率が向上する。さらに、開口部を有する金属膜を複数段積層する構成も利用できる。
本発明の第7の実施の形態にかかる偏光制御素子ならびに偏光制御装置に関して、図9〜11、23を参照して説明する。図23は、本発明の第7の実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を説明する、入射光の進行方向に平行な方向の断面図である。本偏光制御素子は、第1〜6の実施の形態の偏光制御素子と同様に、支持体上または支持体内部に複数個の入射光の波長より小さなサイズの金属構造体と、複数個の入射光の波長よりも小さなサイズの開口部を有する金属膜を有し、金属膜の開口部および開口部近傍に位置する複数の金属構造体を一つの金属構造体ユニットとし、金属構造体ユニットを2次元的に配置した構成を有している。また、金属構造体および開口部を有する金属膜を被覆またはこれらに接する誘電体膜を配した構成であってもよい。さらに、本発明の偏光制御素子は、金属構造体を被覆し、または金属構造体に接する形態で非線形光学材料からなる膜を配した構成を有する。非線形光学材料からなる膜は、金属構造体間の近接場光を介した相互作用を変調する役割を担う。したがって、本偏光制御素子は、図23に示すように、偏光制御素子とともに、本偏光制御素子を駆動させる外部制御用光源を備える偏光制御装置の形態で利用する。
このような材料としては、Ga、In、Al、As、P、N、Sb、Zn、SeによるIII−V族、II−VI族半導体混晶が利用できる。非線形光学材料の加工および製膜は、研磨による方法や、スパッタ法を用いた堆積、CVDやエビタキシャル成長法といった結晶成長技術を用いた方法により行なう。
本発明の第8の実施の形態にかかる偏光制御素子ならびに偏光制御装置に関して、図9〜11、24を参照して説明する。図24は、本発明の第8の実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を説明する、入射光の進行方向に平行な方向の断面図である。本偏光制御素子は、第1〜7の実施の形態の偏光制御素子と同様に、支持体上または支持体内部に複数個の入射光の波長より小さなサイズの金属構造体と、複数個の入射光の波長よりも小さなサイズの開口部を有する金属膜を有し、金属膜の開口部および開口部近傍に位置する複数の金属構造体を一つの金属構造体ユニットとし、金属構造体ユニットを2次元的に配置した構成を有している。また、金属構造体および開口部を有する金属膜を被覆またはこれらに接する誘電体膜を配した構成であってもよい。さらに、本発明の偏光制御素子は、金属構造体を被覆し、または金属構造体に接する形態で、電気的に光学特性の制御が可能である機能性膜を配した構成を有する。機能性膜は、金属構造体間の近接場光を介した相互作用を変調する役割を担う。したがって、本偏光制御素子は、図24に示すように、偏光制御素子とともに、本偏光制御素子を駆動させる電圧制御手段を備える偏光制御装置の形態で利用する。
1 偏光子
2 基板
3 偏光層
4 金属粒子層
4a 金属粒子
5 誘電体層
L1 入射光
L2 出射光
(図26について)
10 金属フィルム
10a 第1の表面
10b 第2の表面
12 開口
d 開口の直径
P 周期
(図27について)
14 基板
16 反射防止コーティング層
20 溝
22 ナノ構造
24a ナノ構造、機能層
24b ナノ構造、機能層
26 オーバーコート/保護層
34 エッチストップ層
40 エッチストップ層
(図28について)
1 近接場発生装置
2 光学素子
10 直線偏光光源(光学系)
11 集光機構
12 金属遮光膜(金属膜)
13a 微小開口(光学的開口、第1の光学的開口)
13b 微小開口(光学的開口、第2の光学的開口)
13c 微小開口(光学的開口)
15 光ビーム(直線偏光)
16 編光方向
17 集光スポット
(図29について)
10 光学素子
20 導電性薄膜
20a 第1の表面
20b 第2の表面
30 開口
40a 第1の周期的表面形状
40b 第2の周期的表面形状
P1 第1の周期的表面形状の周期長
P2 第2の周期的表面形状の周期長
d 直径
(図30について)
10 光学素子
20 導電性フィルム
20a 第1の表面
20b 第2の表面
30 開口
da 第1の表面の開口の直径
db 第2の表面の開口の直径
P 周期
(図31について)
1 金属板
2 開口
3 直径
4 近接する開口の中心間の距離
10 位相差板
20 円形開口
(図32aについて)
1 支持基板
2 金属微小構造体
4 入射光
5a 透過光
5b 反射光
6 金属複合構造体
(図32bについて)
1 ガラス基板
2 金属粒子
4 直線編光
5 楕円編光
10 編光制御素子
(図32cについて)
1 誘電体層
2 第1の金属粒子
3 第2の金属粒子
10 編光制御素子
(図32dについて)
1 ガラス基板
2 金属微小構造
4 直線編光
5 楕円編光
6 金属微小構造体
10 編光制御素子
Claims (11)
- 支持体上または支持体内部に、入射光の波長より小さなサイズの複数個の金属構造体と、入射光の波長より小さなサイズの複数個の開口部を有する金属膜を少なくとも有し、金属膜の開口部と、2個以上の金属構造体からなるユニットを、2次元的に配置するとともに、該ユニットに含まれる2個以上の金属構造体は、同一形状ならびに同一の大きさであり、該金属構造体の大きさよりも近接して配置することを特徴とする偏光制御素子。
- 前記金属膜の開口部および/または開口部近傍の金属膜が、入射光のエネルギーを開口部に集中する構造を有することを特徴とする請求項1に記載の偏光制御素子。
- 前記金属膜の開口部近傍の形状が、対向する金属先鋭構造を有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の偏光制御素子。
- 前記金属膜の開口部近傍の形状が、開口部中心から同心円状の凹凸構造を有していることを特徴とする請求項1又は2に記載の偏光制御素子。
- 前記金属膜の開口部の開口面積が、入射光の進行方向に対して変化していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の偏光制御素子。
- 前記支持体が、2種類以上の誘電体材料からなる膜であることを特徴とする請求項1に記載の偏光制御素子。
- 前記支持体の一方の端面に、反射層を設けることを特徴とする請求項1に記載の偏光制御素子。
- 金属構造体を2次元的に配置した層および/または開口部を有する金属膜を複数段有することを特徴とする請求項1に記載の偏光制御素子。
- 前記金属構造体を被覆、または前記金属構造体に接し、外部制御手段により光学特性を変化させる機能性膜を有することを特徴とする請求項1に記載の偏光制御素子。
- 請求項9に記載の偏光制御素子と、電気的、光学的、形状変化により、前記機能性膜の光学特性を変化させる外部制御手段を備えることを特徴とする偏光制御装置。
- 前記ユニットの2次元配置に周期性をもたせたことを特徴とする請求項1に記載の偏光制御素子。
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