JP2010281756A

JP2010281756A - 磁気センサ及び光スイッチ

Info

Publication number: JP2010281756A
Application number: JP2009136780A
Authority: JP
Inventors: Tetsuji Mori; 哲司守; Hiroaki Fukuda; 浩章福田; Shin Saito; 伸齊藤; Ken Takahashi; 高橋　　研
Original assignee: Tohoku University NUC; Ricoh Co Ltd
Current assignee: Tohoku University NUC; Ricoh Co Ltd
Priority date: 2009-06-08
Filing date: 2009-06-08
Publication date: 2010-12-16
Anticipated expiration: 2029-06-08
Also published as: JP5624287B2

Abstract

【課題】本発明は、微弱な磁気光学信号を高感度に検出できる磁気センサ、並びに磁気光学を用いた高速処理が可能な光スイッチを提供する。
【解決手段】本発明の磁気センサは、少なくとも、光源、偏光子、貴金属薄膜層が反射面に形成された透明光学部材及び光検出器を有している。そして、本発明の磁気センサによれば、光源から出射された光が透明光学部材の入射面を介して貴金属薄膜層に入射したときに貴金属薄膜層で発生する表面プラズモン共鳴にて入射光の反射率が減少する条件で光源からの光を照射し、貴金属薄膜層からの反射光の少なくとも一部を光検出器によって検出し、発生磁界と比例関係となる光検出器の出力である磁気光学信号から磁界を換算する。よって、磁気光学信号を高感度に検出できる磁気センサを提供することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は磁気センサ及び光スイッチに関し、詳細には貴金属、プラズモンを用いた、磁気光学方式による磁気センサ及び光スイッチに関する。

近年、生体情報など、正確にかつ迅速に情報を取得、伝達する用途が求められている。磁性を保持する微小物の検出は、生体情報など急を要する用途に不可欠である。一方、光分野では高速に光を制御するデバイスが求められている。光の情報の一つとして偏光情報がある。磁性体に磁場をかけた際に直線偏光の偏光面が回転する効果が磁気光学効果であり、透過光へ影響を及ぼす場合をファラデー効果、反射光に影響を及ぼす場合を磁気カー効果として知られている。磁気光学信号としては、回転角、楕円率があり、磁気光学信号を得るには、通常、大きな磁気光学効果をもつ強磁性体を利用する。

表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance：SPR）はＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌなどの貴金属特有に見られる共鳴現象であり、光の電場の増強効果が見られる。伝搬型表面プラズモンを用いた全反射減衰法（Attenuated Total Reflection method：ATR法）としてよく知られるものに、三角柱形状や半円筒形状のプリズムを介して光の共鳴現象を生じさせるクレッチマン配置型のものやオットー配置型が知られている。プラズモン共鳴角にて、貴金属面にてタンパク質やＤＮＡといった生体分子の相互作用に基づく屈折率変化を信号として検出するものとして、バイオセンサなどに応用されている。例えば、特許文献１、２が知られている。

また、貴金属と磁性体薄膜を組み合わせたものとしては以下の非特許文献１〜３が知られている。詳細には、非特許文献１ではＣｏ／Ａｕの構造により通常のバイオセンサと比較して３倍感度を増加させたことを報告している。また、非特許文献２ではＡｕ／Ｃｏ／Ａｕの微小構造体にて局在表面プラズモン共鳴により磁気光学効果を増大させることが可能であることを示している。

ここで、ナノメートルからマイクロメートルスケールの大きさの構造体（以下、微小構造体と称す）においては、局在型表面プラズモン共鳴が生じることがわかっている。また、磁性体においては、貴金属薄膜との積層構成、貴金属ナノ粒子との複合材料構成とすることで、磁気光学効果が増大すると期待されている。

しかしながら、貴金属と磁性体の積層構成からなる微小構造体の研究は非特許文献２のように究めて近年に始まり、いずれの先行技術文献においても具体的に実用に耐えうる光デバイスとしてのデバイス構成についての提案はされていなかった。また、貴金属の微細構造を用いた例としては、例えば非特許文献４が知られているが、より高感度なセンサが要求されるため実用化が難しい。更に、誘電体媒体の屈折率変化を検出するデバイスとして、金属層に強磁性材料を含むものもが特許文献３に提案されているが、強磁性体材料を用いるために一般的に比較的強磁場を必要とする。

本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、微弱な磁気光学信号を高感度に検出できる磁気センサ、並びに磁気光学を用いた高速処理が可能な光スイッチを提供することを目的とする。

前記問題点を解決するために、本発明の磁気センサは、少なくとも、光源、偏光子、貴金属薄膜層が反射面に形成された透明光学部材及び光検出器を有している。そして、本発明の磁気センサによれば、光源から出射された光が透明光学部材の入射面を介して貴金属薄膜層に入射したときに貴金属薄膜層で発生する表面プラズモン共鳴にて入射光の反射率が減少する条件で光源からの光を照射し、貴金属薄膜層からの反射光の少なくとも一部を光検出器によって検出し、発生磁界と比例関係となる光検出器の出力である磁気光学信号から磁界を換算することに特徴がある。よって、磁気光学信号を高感度に検出できる磁気センサを提供することができる。

また、本発明の磁気センサは、少なくとも、光源、偏光子、貴金属薄膜層が反射面に形成された透明光学部材、磁場印加機構及び光検出器を有している。そして、本発明の磁気センサによれば、光源から出射された光が透明光学部材の入射面を介して貴金属薄膜層に入射したときに貴金属薄膜層で発生する表面プラズモン共鳴にて入射光の反射率が減少する条件で磁場印加機構によって磁場を印加する。そして、貴金属薄膜層の一部に磁性を保持する微小物体が付着し、発生磁界と比例関係となる光検出器の出力である磁気光学信号が変化することに基づいて磁界を換算する。よって、微弱な磁気光学信号を高感度に検出できる。

更に、貴金属薄膜層は複数の微小構造体で構成する。また、貴金属薄膜層の材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌもしくはこれらの合金であることが好ましい。

また、別の発明としての光スイッチは、少なくとも、光源、偏光子、貴金属薄膜層が反射面に形成された透明光学部材、磁場印加機構及び光検出器を有している。そして、本発明の光スイッチは、光源から出射された光が透明光学部材の入射面を介して貴金属薄膜層に入射したときに貴金属薄膜層で表面プラズモン共鳴が発生する条件で、光源からの光を照射して磁場印加機構によって印加される磁場の向き又は磁界の値を制御することにより反射された光の磁気光学信号を変化させてスイッチングを行う。よって、磁場印加を用いた簡易な光スイッチを提供できる。

本発明の磁気センサは、貴金属薄膜層からの反射光の少なくとも一部を光検出器によって検出し、発生磁界と比例関係となる光検出器の出力である磁気光学信号から磁界を換算する。よって、微弱な磁気光学信号を高感度に検出できる。

本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサの構成を示す構成図である。本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの構成を示す構成図である。貴金属薄膜に磁界を印加した際の磁気光学特性を示す特性図である。本発明の原理を示す特性図である。貴金属薄膜にＴｉを用いたときの磁気光学特性を示す特性図である。波長−分光反射率の関係を示す特性図である。本発明の第３の実施の形態に係る磁気センサの構成を示す構成図である。別の発明の一実施の形態に係る光スイッチの構成を示す構成図である。入射角別の磁気光学特性を示す特性図である。微小構造体の一例を示す断面図である。微小構造体の他の例を示す断面図である。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る磁気センサの構成を示す構成図である。同図に示す本実施の形態の磁気センサ１０は、例えば波長６３３ｎｍの単色光をＰ偏光として出射するＨｅ−Ｎｅレーザ１１と、透明光学部材である三角柱形状のガラスプリズム（４５°直角プリズム）１２−１と、当該ガラスプリズム１２−１の裏面に例えばＡｕの４０ｎｍを成膜する貴金属薄膜１２−２とを含んで構成されている光照射部１２と、該光照射部１２からの反射光を受光する光検出器１３と、光の進行面内にて図中矢印Ｈで示す磁界の方向に印加させる電磁石１４と、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１１からの光がガラスプリズム１２−１に入射する入射角θを調整するために光照射部１２全体を回転させる回転ステージ１５とを含んで構成されている。なお、ブラントムソンプリズムなどの偏光子を用いて消光比を向上させ、Ｓ偏光をほとんど含まないようにすることが好ましい。また、ガラスプリズム１２−１と貴金属薄膜１２−２の間には密着性を高めるためにＴｉが２ｎｍ成膜されているが、必ずしも必要としない。

このような構成を有する本実施の形態の磁気センサ１０では、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１１からのＰ偏光の光は入射角約４４．２°にてガラスプリズム１２−１に入射させる。ここで、ガラス内部では厳密には入射角θは異なるが、ここでは実際に角度調整するため回転ステージ１５を回動させる。また、当該入射角θはレーザ光とステージの相対角度である。本実施の形態の磁気センサ１０では、入射角θが４４．２°を中心に表面プラズモン共鳴が生じる。このときに電磁石１４によって磁場を印加し、その結果の反射光の回転角（カー回転角）を光検出器１３によって光強度分布として測定する。その結果、約−０．５５°であった。この回転角の値から換算して発生した磁界は約１ｋＯｅであると測定できた。

このように、本実施の形態の磁気センサによれば、レーザなどの光源と三角柱形状のガラスプリズムの裏面に貴金属薄膜を形成してプラズモン共鳴が生じる配置をクレッチマン配置とし、貴金属と磁性体薄膜の構成にした上で、貴金属薄膜のみに磁界を印加する磁界印加機構を設けることにより、磁気光学信号を高感度に検出することができる。

図２は本発明の第２の実施の形態に係る磁気センサの構成を示す構成図である。同図において、図１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の磁気センサ２０では、図１の第１の実施の形態の磁気センサ１０と比して異なる構成要素として、ガラス基板２１の一方の面に貴金属薄膜１２−２を形成し、透明光学部材であるガラスプリズム１２−１がガラス基板２１の他方の面（成膜面の逆側）に屈折率調整オイル２２により接着されて光照射部２３が構成されている。なお、屈折率調整オイル２２を用いずに、ガラスプリズム１２−１の面に直接成膜してもよい。回転ステージ１５を回転させ、試料への入射角θを変化させ、その際に光検出器１３により光強度分布を得る。光弾性変調器もしくはファラデーセルを試料の前もしくは後ろに配置することにより、磁気光学信号として取り出すことができる。透明光学部材であるガラスプリズム１２−１は表面プラズモン共鳴を生じさせるために用いており、４５°直角プリズムのほか、円筒面平凸レンズを用いてもよい。

次に、表面プラズモン条件として貴金属薄膜に磁界を印加した際の特異な磁気光学特性について説明する。図３に測定された磁気光学特性を示す。光源波長は６３３ｎｍのほか、４２０ｎｍ、入射波長８２４ｎｍ、９９１ｎｍにて測定した。なお、図３の（ａ），(ｂ)の横軸は光の入射角θであり、図３の（ａ）の縦軸は回転角θ_Ｋを磁界値Ｈで割った値で、図３の(ｂ)の縦軸は楕円率η_Ｋを磁界値Ｈで割った値である。図３に示すように、各波長にて回転角及び楕円率特性が特異な特性を示していることがわかる。この磁気光学特性をもとに発生している磁界を測定することができる。

図４は本発明の原理を示す特性図である。図４の（ａ）は強磁性材料に磁界を印加した際のヒステリシス曲線の例である。通常では、図４の（ａ）に示すように、強磁性材料の磁気モーメントの向きによって磁気光学信号が異なることを用いて発生磁界を求めることができる。一方、貴金属薄膜において単位磁場当りに生じる磁気光学信号の特性図である図４の（ｂ）に示すように、本発明においては、特に表面プラズモン条件の入射角近傍における、磁界Ｈと磁気光学信号がほぼ比例関係となり、本発明の磁気センサではこのことを利用している。貴金属以外の表面プラズモンが生じない材料においては、単位磁場当りに生じる磁気光学信号はほぼ０となる。

よって、具体例として、図５に示すように、貴金属薄膜にＴｉを用い、予め単位磁場当りに生じる磁気光学信号がわかっている場合には、磁気光学信号から、印加磁場、すなわち生じている磁場を知ることができる。また、同様の原理にて、電磁石を配置している場合においても、単位磁場当りに生じる磁気光学信号の入射角依存性が変化した場合には電磁石以外からの新たな磁場が発生していると判断でき、磁気センサとしての役割を果たす。

ここで、図６にガラス基板にＴａを５ｎｍ、Ａｕを４０ｎｍ、それぞれ成膜した試料の同様に三角ガラスプリズムを用いて測定した分光反射率を示す。分光透過率としてディップが見られる波長は表面プラズモン共鳴波長である。すなわち、光源として白色光を用いた場合にもディップを判別するようにしておけば磁気光学特性を制御することにより発生磁界を読み取ることができる。

図７は本発明の第３の実施の形態に係る磁気センサの構成を示す構成図である。同図において、図２と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の磁気センサ３０は、液体セル３１にて一方向から液体が液体入口３２から注入され、液体出口３３から取り出される仕組みになっている。また、液体中には磁性トナーが存在している。そして、Ｈｅ−Ｎｅレーザ１１からの光は偏光子３４を通され、得られたｐ偏光（ＴＭ偏光）がガラスプリズム１２−１を介して貴金属薄膜１２−２に入射される。表面プラズモン共鳴が生じた反射光は、電磁石１４によって磁場を印加したことで変化し、かつファラデーセル３５によって変調された直線偏光が、検光子３６を通過する際に、透過光のうちある方向に回転した偏光成分を遮断し、透過光のうち逆方向に回転した偏光成分を透過させて得られた光強度分布が光検出器１３によって測定される。この光検出器１３にて得られた光強度から磁気光学信号が求められる。ファラデーセル３５は、光信号の変調成分から磁気光学信号を取り出すために利用する。

このような構成を有する本実施の形態の磁気センサ３０によれば、貴金属薄膜１２−２として４０ｎｍのＡｕを用い、液体に水を用いた場合には入射角θが約７２°にて表面プラズモン共鳴により反射率低下が生じる。液体中の磁性トナーが付着した際の磁界変化を読み取り、磁性トナーの磁気光学特性を調べることができる。なお、液体（流体）を用いる場合には貴金属の中でも特に化学的安定性からＡｕが好ましい。

図８は別の発明の一実施の形態に係る光スイッチの構成を示す構成図である。同図において、図７と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す本実施の形態の光スイッチ４０は、磁気モーメントの向きを変化させることができる磁界印加部４１を含んで構成され、磁界印加部４１によって印加磁場を可変することにより光のオン・オフを制御する。例えば、正方向の磁界が印加されたときに正の磁気光学信号（回転角もしくは楕円率を単位磁界で割った値、仮に＋θｋ１／Ｈとする）、負方向の磁界が印加されたときに負の磁気光学信号となる（仮に−θｋ２／Ｈ）ように制御することにより、検光子３６の偏光透過面が＋θｋ／Ｈに設定されているとすると＋θｋ１／Ｈのカー回転した光は透過するが（ＯＮの状態）、−θｋ２／Ｈの回転をした光は透過しない（ＯＦＦの状態）ように検光子３６を配置する。したがって、磁界の向き、もしくは磁界の値を制御することで、光のオン・オフを制御できる。

図９に示す磁気光学特性より、入射角により磁気光学特性が異なることから、印加する磁場を変化することにより磁気光学特性を変化させることができる。また、本実施の形態の光スイッチにおける磁化の変化はナノ秒で生じるため、従来例にない高速なスイッチングスピードを可能とする。

次に、図１０及び図１１に示すように、プリズム裏面にＡｕからなる微小構造体５１を配置した。図１０の（ａ）の微小構造体５１の断面は正方形となり、一つの微小構造体の幅は１００ｎｍ、周期は２００ｎｍである。このような形状は加工が容易である。また、図１０の（ｂ）に示すように微小構造体５１の断面が円形となってもよい。また、図１１に示すように、断面が長方形や楕円になるような微小構造体５１を作製し、局在表面プラズモンモードの選択や図１０の（ｃ）に示すようなコノ字型の形状からも増強された磁気光学信号を得ることができる。局在表面プラズモンにおいても同様に、薄膜の場合と同様に、表面プラズモン条件にて単位磁場あたりの磁気光学特性（θ／Ｈ，η／Ｈ）は入射角度に対して０とはならない。この磁気特性を利用して磁気センサが可能である。また、微小構造体により生じる局在型表面プラズモン共鳴は、伝搬型表面プラズモン共鳴と異なり、光の入射角は限定されないため、光を基板に対して垂直に入射させ、効果を出すことも可能である。更に、上述のように、反射光の一部を取り出すこととしたが、表面プラズモン共鳴により磁気光学特性がより良好な場合には反射角を比較的大きくしてもよい。微小構造体の利用では、透明光学部材は、三角プリズムのほか平板型も利用できる。

なお、貴金属として、Ａｕ，Ａｇ，Ｃｕ，Ａｌのほか、これらの合金など表面プラズモン共鳴を生じることが可能な材料であれば問題がない。また、上記実施の形態として、クレッチマン配置を示したが、オットー配置でも磁気センサ、光スイッチとしての機能を生じることができる。また、表面プラズモン共鳴を用いるものであれば、単色のレーザやＬＥＤを用いる方法のほか、白色光を用いて表面プラズモン共鳴が生じる波長での透過率低下を用いる方法などもある。

また、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。

１０，２０，３０；磁気センサ、１１；Ｈｅ−Ｎｅレーザ、
１２，２３；光照射部、１２−１；ガラスプリズム、
１２−２；貴金属薄膜、１３；光検出器、１４；電磁石、
１５；回転ステージ、２１；ガラス基板、２２；屈折率調整オイル、
３１；液体セル、３２；液体入口、３３；液体出口、
３４；偏光子、３５；ファラデーセル、３６；検光子、
４０；光スイッチ、４１；磁界印加部、５１；微小構造体。

国際公開第２００５／０７８４１５号パンフレット特開２００４−０２０８２２号公報特表２００８−５０１９６５号公報特開２００７−２１３００４号公報特開２００４−３０９７００号公報

Opt. Lett., Vol. 31, No.8, p1085-1087 (2006), B. Sepulveda et al., Highly sensitive detection of biomolecules with the magneto-optic surface-plasmon-resonance sensor' small, Vol. 4, No.2, p202-205 (2008), Juan B. Gonzalez-Diaz et al., Plasmonic Au/Co/Au nanosandwiches with enhanced magneto-optical activity' Journal of magnetism and magnetic materials, Vol.310, p947-e949 (2007), L.G.C.Melo et al., Optimization of the TMOKE response using the ATR configuration' Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 47, No.9, p7420-7427 (2008), T. Matsushita, Localized surface plasmon resonance sensor based on fabricating nano-period structure for high throughput by polymer'

Claims

少なくとも、光源、偏光子、貴金属薄膜層が反射面に形成された透明光学部材及び光検出器を有し、
前記光源から出射された光が前記透明光学部材の入射面を介して前記貴金属薄膜層に入射したときに前記貴金属薄膜層で発生する表面プラズモン共鳴にて入射光の反射率が減少する条件で、前記光源からの光を照射し、前記貴金属薄膜層からの反射光の少なくとも一部を前記光検出器によって検出し、発生磁界と比例関係となる前記光検出器の出力である磁気光学信号から磁界を換算することを特徴とする磁気センサ。
少なくとも、光源、偏光子、貴金属薄膜層が反射面に形成された透明光学部材、磁場印加機構及び光検出器を有し、
前記光源から出射された光が前記透明光学部材の入射面を介して前記貴金属薄膜層に入射したときに前記貴金属薄膜層で発生する表面プラズモン共鳴にて入射光の反射率が減少する条件で、前記磁場印加機構によって印加される磁場により前記貴金属薄膜層の一部に磁性を保持する微小物体が付着することにより発生磁界と比例関係となる前記光検出器の出力である磁気光学信号の変化をもとに磁界を換算することを特徴とする磁気センサ。
前記貴金属薄膜層は、複数の微小構造体で構成することを特徴とする請求項１又は２に記載の磁気センサ。
前記貴金属薄膜層の材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌもしくはこれらの合金であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の磁気センサ。
少なくとも、光源、偏光子、貴金属薄膜層が反射面に形成された透明光学部材、磁場印加機構及び光検出器を有し、
前記光源から出射された光が前記透明光学部材の入射面を介して前記貴金属薄膜層に入射したときに前記貴金属薄膜層で表面プラズモン共鳴が発生する条件で、前記光源からの光を照射し、前記磁場印加機構によって印加される磁場の向き又は磁界の値を制御することにより反射された光の磁気光学信号を変化させてスイッチングを行うことを特徴とする光スイッチ。
前記貴金属薄膜層は、複数の微小構造体で構成することを特徴とする請求項５記載の光スイッチ。
前記貴金属薄膜層の材料は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌもしくはこれらの合金であることを特徴とする請求項５又は６に記載の光スイッチ。