JP2011237376A - 光デバイス及び分析装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光デバイスは、電気伝導体の突起を仮想平面に対して平行な方向D1に沿って配列した突起群110、120を含む。突起群110、120における突起の配列周期は、第1の周期P1及び第1の周期P1とは異なる第2の周期P2(P2≠P1)を少なくとも含む。第1の周期P1及び第2の周期P2は、入射光の波長λ1よりも短い周期である。
【選択図】図5
Description
上述のように、金属周期構造を用いた表面プラズモン共鳴センサーでは、表面プラズモン共鳴が入射光の入射角に対して選択性が大きいという課題がある。この点について、図1(A)〜図4を用いて具体的に説明する。
そこで、本実施形態では、入射光の入射角度に応じて周期が異なる金属格子を形成することで、入射光と表面プラズモンポラリトンの結合効率を向上し、表面増強ラマン散乱等のセンシング感度を向上する。図5(A)〜図7を用いて、この本実施形態のセンサーチップ(光デバイス、金属格子)について説明する。なお、以下では、各構成要素を図面上で認識し得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際のものとは適宜に異ならせている。
次に、本実施形態における周期P1、P2の設定手法について説明する。まず、本実施形態のセンサーチップの機能を説明する。図6は、P1>P2の場合の表面プラズモン共鳴の模式的な説明図である。なお、以下ではP1>P2の場合を例に説明するが、図14等に示すようにP1<P2であってもよい。
図8(A)〜図10を用いて、センサーチップの詳細な構成例について説明する。
上述の実施形態では、金属凹凸構造が縦縞状に配列される場合について説明したが、本実施形態では、周期が異なる金属凹凸構造が同心円状に配列されてもよい。図11に、このようなセンサーチップの第2の構成例を示す。
上記実施形態では、P1>P2>P3の場合について説明したが、本実施形態では、図13に示すようにP1<P2<P3であってもよい。この場合、太矢印で示すように、表面プラズモンポラリトンは同心円の外側から中心点BPに向かって方向Drに沿って伝搬する。
上記実施形態では、突起群により伝搬型の表面プラズモンが励起されるが、本実施形態では、回折格子が、局在型の表面プラズモンを励起する他の突起群を含んでもよい。図15は、このセンサーチップの第3の構成例の断面図である。
図16に、本実施形態のセンサーチップを含む分析装置の構成例を示す。この分析装置(広義には分光装置)は、センサーチップ300(光デバイス)、レーザー光源310(広義には光源)、コリメーターレンズ320、偏光制御素子330、対物レンズ350(第1光学系)、ダイクロイックミラー340、集光レンズ360、エタロン370(広義には、340と360と370は第2光学系)光検出器380(検出器)、搬送部420、支持部430を含む。なお、本実施形態の分析装置は図16の構成に限定されず、その構成要素の一部(例えば搬送部)を省略したり、他の構成要素を追加したりする等の種々の変形実施が可能である。
上述の分析装置では、センサーチップ300を着脱式にすることが可能である。その場合、センサーチップ300の表面を集光ビームの集光面(焦点からずれた位置)に合わせるために、オートフォーカス等の付加的な機構が必要となってしまう。
140 ガラス基板、150 金属薄膜、160 金属格子、170 第3の突起群、
200 第1の小突起群、210 第2の小突起群、220 突起群の頂面、
230 突起群の突起間の底面、300 センサーチップ、310 レーザー光源、
320 コリメーターレンズ、330 偏光制御素子、
340 ダイクロイックミラー、350 対物レンズ、360 集光レンズ、
370 エタロン、380 光検出器、400 搬入口、410 排出口、
420 搬送部、430 支持部、
D1 第1の方向、D2 第2の方向、D3 法線方向、Dr ラジアル方向、
IA 入射領域、ki 入射光の波数、LB 入射ビーム、P1 第1の周期、
P2 第2の周期、P3 第3の周期、PS1 第1の短周期、
PS1 第2の短周期、R1 第1の領域、R2 第2の領域、R3 第3の領域、
θ1 第1の角度、θ2 第2の角度、λ1 共鳴波長、ω0 共鳴周波数
Claims (16)
- 電気伝導体の突起を仮想平面に対して平行な方向に沿って配列した突起群を含み、
前記突起群における前記突起の配列周期は、
第1の周期及び前記第1の周期とは異なる第2の周期を少なくとも含み、
前記第1の周期及び前記第2の周期は、
入射光の波長λ1よりも短い周期であることを特徴とする光デバイス。 - 請求項1において、
前記突起群は、
前記第1の周期で配列される第1の突起群と、
前記第2の周期で配列される第2の突起群と、
を有し、
前記第1の突起群は、
第1の領域に設けられ、
前記第2の突起群は、
前記第1の領域に隣接する第2の領域に設けられることを特徴とする光デバイス。 - 請求項1において、
前記突起群は、
前記第1の周期から段階的に増加または減少する第1の可変周期で配列される第1の突起群と、
前記第2の周期から段階的に増加または減少する第2の可変周期で配列される第2の突起群と、
を有し、
前記第1の突起群は、
第1の領域に設けられ、
前記第2の突起群は、
前記第1の領域に隣接する第2の領域に設けられることを特徴とする光デバイス。 - 請求項3において、
前記第1の領域から前記第2の領域に亘って、前記第1の突起群及び前記第2の突起群の周期が段階的に増加又は減少することを特徴とする光デバイス。 - 請求項1乃至4のいずれかにおいて、
前記入射光は、
前記仮想平面に向かう垂線に対して第1の角度で入射する光と、
前記仮想平面に向かう垂線に対して、前記第1の角度とは異なる第2の角度で入射する光と、
を含み、
前記第1の周期で配列される突起には、前記第1の角度で入射する光が入射し、前記第2の周期で配列される突起には、前記第2の角度で入射する光が入射し、
前記第1の周期で配列される突起での前記表面プラズモン共鳴の共鳴波長と、前記第2の周期で配列される突起での前記表面プラズモン共鳴の共鳴波長とが、前記波長λ1となるように、前記突起群の材質と前記第1の周期と前記第2の周期と前記第1の角度と前記第2の角度が設定されることを特徴とする光デバイス。 - 請求項5において、
前記第1の周期は、
前記第2の周期よりも長い周期であることを特徴とする光デバイス。 - 請求項5において、
前記第1の周期は、
前記第2の周期よりも短い周期であることを特徴とする光デバイス。 - 請求項1乃至7のいずれかにおいて、
前記突起群は、
同一の配列方向に配列されることを特徴とする光デバイス。 - 請求項8において、
前記突起群は、
縞状に配列され、
前記突起群の配列方向は、
縞状配列の全体に亘って同じ一直線方向であることを特徴とする光デバイス。 - 請求項8において、
前記突起群は、
同心円状に配列され、
前記突起群の配列方向は、
同心円状配列のラジアル方向であることを特徴とする光デバイス。 - 請求項1乃至7のいずれかにおいて、
前記突起群の配列方向は、
前記入射光の偏光方向と同じ方向であることを特徴とする光デバイス。 - 請求項11において、
前記入射光は、
直線偏光であり、
前記突起群の配列方向は、
前記直線偏光の偏光方向と同じ方向であることを特徴とする光デバイス。 - 請求項11において、
前記入射光は、
ラジアル偏光であり、
前記突起群の配列方向は、
前記ラジアル偏光の偏光方向と同じ方向であることを特徴とする光デバイス。 - 請求項1乃至13のいずれかにおいて、
前記突起群の頂面に、電気伝導体により形成される第1の小突起群を含み、
前記第1の小突起群における突起間の間隔は、
前記突起群における前記突起の配列周期よりも短いことを特徴とする光デバイス。 - 請求項1乃至14のいずれかにおいて、
前記仮想平面に平行な面であって前記突起群の隣り合う突起間に、電気伝導体により形成される第2の小突起群を含み、
前記第2の小突起群における突起間の間隔は、
前記突起群における前記突起の配列周期よりも短いことを特徴とする光デバイス。 - 光源と、
請求項1ないし15のいずれかに記載の光デバイスと、
前記光源からの前記波長λ1の光を前記突起群に向けて集光し、前記仮想平面に向かう垂線に対して第1の角度で入射する成分と前記第1の角度とは異なる第2の角度で入射する成分とを少なくとも含む入射光を前記突起群に向けて入射させる第1光学系と、
前記光デバイスの前記回折格子により散乱または反射された光の中からラマン散乱光を取り出す第2光学系と、
前記第2光学系を介して受光された前記ラマン散乱光を検出する検出器と、
を含むことを特徴とする分析装置。
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