JP2011242308A - Near-field light probe - Google Patents

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嘉津夫 田中
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PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low cost, simple structured near-field light probe which does not require the preparation of a complicated structured probe in order to generate large intensity near-field light and with which linearly polarized light can also be used.SOLUTION: A near-field light probe for generating near-field light includes a cone body or a polygonal pyramid-shape body that is made of a dielectric and that is coated with a plasmon active material. Linearly polarized light enters from the bottom surface of the probe and near-field light with large intensity electric field vector generates at the probe tip. The probe meets one or more demands described below: (a) the vertex of the cone body or the polygonal pyramid-shape body is displaced from the central axis of the bottom surface; (b) the incident light enters in an oblique direction; (c) one portion of the bottom surface is protected from light; (d) the plasmon active material is asymmetrically coated; and (e) one portion of the cone body or the polygonal pyramid-shape body is unitarily formed on a dielectric substrate such that the probe tip of the cone body or the polygonal pyramid-shape body is placed over the dielectric substrate.

Description

本発明は、先鋭化したプローブの先端に励起光を照射して表面プラズモン共鳴によりプローブ先端近傍に近接場光を発生させる近接場光プローブに関する。また、本発明は、近接場光の強度を効果的に増強させる方法に係わる。   The present invention relates to a near-field optical probe that irradiates a sharpened probe tip with excitation light and generates near-field light in the vicinity of the probe tip by surface plasmon resonance. The present invention also relates to a method for effectively increasing the intensity of near-field light.

プラズモンとは、金属中の自由電子が集団的に振動して擬似的な粒子として振る舞っている状態を指す。電荷の振動にともなって電磁場の振動が誘起され、電磁場の振動は、電荷の振動に影響するので、両者の振動が結合した系をつくる。固体表面では、固体中のプラズモンと異なり表面での境界条件を満たす別の集団振動が存在する(塚田捷:表面の電子励起(丸善,1996))。これを表面プラズモンと呼ぶ。中でも金コロイドなどの金属ナノ粒子では、可視〜近赤外域の光電場とプラズモンがカップリングして光吸収が起こり、鮮やかな色調を呈する。この現象が表面プラズモン共鳴(Surface Plasmon Resonance:SPR)であり、局所的に著しく増強された電場も発生する。つまり、光エネルギーが表面プラズモンに変換されることにより、金属ナノ粒子表面に光のエネルギーが蓄えられるばかりでなく、光の回折限界より小さな領域での光制御が可能となることを意味する。また、粒子形や周囲媒質の誘電率に依存した共鳴波長がある。このような金属ナノ粒子と光との相互作用が近年の光科学技術の分野で注目されているのである(ウィキペディア フリー百科事典)。   Plasmon refers to a state in which free electrons in a metal vibrate collectively and behave as pseudo particles. The vibration of the electromagnetic field is induced by the vibration of the electric charge, and the vibration of the electromagnetic field affects the vibration of the electric charge, so that a system in which both vibrations are combined is formed. On the solid surface, unlike plasmons in the solid, there is another collective oscillation that satisfies the boundary condition at the surface (Tsukada Jun: Surface electronic excitation (Maruzen, 1996)). This is called surface plasmon. In particular, metal nanoparticles such as gold colloids have a vivid color tone due to light absorption caused by coupling between a visible to near-infrared photoelectric field and plasmons. This phenomenon is surface plasmon resonance (SPR), and an electric field that is significantly enhanced locally is also generated. That is, by converting light energy into surface plasmons, not only is light energy stored on the surface of the metal nanoparticles, but also light control in a region smaller than the light diffraction limit becomes possible. There is also a resonance wavelength depending on the particle shape and the dielectric constant of the surrounding medium. Such interaction between metal nanoparticles and light has attracted attention in the field of optical science and technology in recent years (Wikipedia Free Encyclopedia).

ところで、電磁波で表面プラズモンを励起するためには、電磁波の位相速度が表面プラズモンの位相速度に一致しなければならない。しかし、通常の媒質を伝搬する電磁波を表面に入射しても、両者の位相速度が一致するような条件は得られない。そこで、電磁波が境界面で全反射する時に発生するエバネッセント波が用いられている。屈折率の高い媒質から低い媒質に電磁波が入射する場合、入射角をある臨界角以上にすると電磁波は全反射するが、その際には波数の境界面に対する垂直成分が虚数になっている為に1波長程度まで低媒質側の内部に電磁波が浸透することになる。前記条件において媒質内部に浸透した電磁波はエバネッセント場と呼ばれ、そこから放出される電磁波をエバネッセント波という。このエバネッセント波を用いれば、その位相速度を表面プラズモンの位相速度に一致させることができ、表面プラズモンを共鳴的に励起することができる(永島圭介:表面プラズモンの基礎と応用(J.Plasma Fusion Res.Vol.84,No.1 2008))。   By the way, in order to excite surface plasmons with electromagnetic waves, the phase velocity of electromagnetic waves must match the phase velocity of surface plasmons. However, even if an electromagnetic wave propagating through a normal medium is incident on the surface, the condition that the phase velocities of the two coincide with each other cannot be obtained. Therefore, an evanescent wave generated when the electromagnetic wave is totally reflected at the boundary surface is used. When an electromagnetic wave is incident on a low medium from a medium with a high refractive index, the electromagnetic wave is totally reflected when the incident angle is set to a certain critical angle or more. In this case, the vertical component of the wave number boundary surface is an imaginary number. Electromagnetic waves penetrate inside the low medium up to about one wavelength. An electromagnetic wave that has penetrated into the medium under the above conditions is called an evanescent field, and an electromagnetic wave emitted therefrom is called an evanescent wave. If this evanescent wave is used, its phase velocity can be matched with that of surface plasmons, and surface plasmons can be excited resonantly (Keisuke Nagashima: Surface plasmon fundamentals and applications (J. Plasma Fusion Res Vol.84, No.1 2008)).

このような表面プラズモンを利用して金属円錐体(以下、「プローブ」という)先端に大強度でナノメートルサイズの広がりを有する近接場光を生成することができる。近接場光は走査型近接場光顕微鏡(Scanning Near field Optical Microscopy;以下、「SNOM」という)、ナノ領域光センサー、DVD光ヘッドなど多くの応用が期待されている。例えばSNOMによって、光の波長よりも小さいものを光でみることができる。試料近傍に近接場光を発生させ、プローブで操作することにより、画像化することができるというもので、光学分解能の限界を超えた光学的観察が可能となるため、真空中での観測や試料への金属箔蒸着という処理を必要とせず、不導体でも大気中で非破壊的に観察することができるのである。また、近接場光をDVD光ヘッドに応用すれば、記憶容量を10000倍に増大できる可能性がある。   By using such surface plasmons, near-field light having a high intensity and a nanometer-sized spread can be generated at the tip of a metal cone (hereinafter referred to as “probe”). Near-field light is expected to be used in many applications such as a scanning near-field optical microscope (hereinafter referred to as “SNOM”), a nano-area optical sensor, a DVD optical head, and the like. For example, with SNOM, an object smaller than the wavelength of light can be seen with light. By generating near-field light in the vicinity of the sample and operating it with a probe, it can be imaged. Optical observation beyond the limit of optical resolution is possible, so observation in a vacuum or sample No metal foil vapor deposition is required, and non-conductors can be observed non-destructively in the atmosphere. Moreover, if near-field light is applied to a DVD optical head, the storage capacity may be increased 10,000 times.

表面プラズモンを利用してプローブ先端にナノメートルサイズの微小スポットサイズを持つ大強度の近接場光を生成する方法としては、様々な提案がなされている。例えば、多角錘の形状をした光透過性のある突起からなり、側面のうちの1面が金属の膜で覆われ、かつその他の面が先端の光波長以下の領域を除いて金属膜で覆われたことを特徴とする近接場光プローブ(特許文献1)、先鋭化されたプローブの最先端面近傍に金属領域を有し、金属領域は最先端面に露出するか、金属領域の外側に励起光波長の1/20以下の膜厚の誘電体薄層が形成された近接場光プローブ(特許文献2)、突起部の外面を金属被膜で覆われ、頂点部は金属被膜が形成されず開口部となっている近接場光プローブ(特許文献3)、金属ピラミッド構造に頂部からI字型の幅狭部を有する溝を形成したプローブ(特許文献4)などがある。これらのプローブについては非常に微小な領域において金属被覆域と金属が被覆されていない領域とを作り分ける必要があり、製造方法が難しいという課題があった。   Various proposals have been made as a method for generating high-intensity near-field light having a nanometer-sized micro spot size at the probe tip using surface plasmons. For example, it consists of a light-transmitting protrusion in the shape of a polygonal pyramid, one of the side surfaces is covered with a metal film, and the other surface is covered with a metal film except for the region below the light wavelength at the tip. Near field optical probe (Patent Document 1) characterized by having a metal region in the vicinity of the most advanced surface of the sharpened probe, and the metal region is exposed to the most advanced surface or outside the metal region A near-field optical probe (Patent Document 2) in which a dielectric thin layer having a thickness of 1/20 or less of the excitation light wavelength is formed, the outer surface of the protrusion is covered with a metal film, and the metal film is not formed at the apex portion. There are a near-field optical probe having an opening (Patent Document 3), a probe in which a groove having an I-shaped narrow portion from the top is formed in a metal pyramid structure (Patent Document 4). With respect to these probes, it is necessary to make a metal-coated region and a region not covered with metal in a very small region, and there is a problem that a manufacturing method is difficult.

また、現在有望と考えられているプローブは、中心軸回りに回転対称を持つ誘電体円錐の表面に金のようなプラズモン活性物質をコーティングしたものがある。この構造により誘電体内部に入射した光の側面での全反射を利用して、コーティングした金薄膜に表面プラズモンが効率よく励起できるからである。しかし、このプローブ先端に微小(ナノメートルサイズ)スポットサイズを持つ大強度近接場を生成するためには、入射光として半径方向に偏光した特殊な光ビームを用いる必要があり、直線偏光したレーザー光源を直接使用することはできなかった。従って、直線偏光から半径方向偏光に変換するための構成を必要としていたのである。   In addition, a probe that is currently considered promising is a probe in which a surface of a dielectric cone having rotational symmetry about a central axis is coated with a plasmon active substance such as gold. This is because surface plasmons can be efficiently excited in the coated gold thin film by utilizing total reflection at the side surface of the light incident on the inside of the dielectric. However, in order to generate a high-intensity near field with a small (nanometer size) spot size at the probe tip, it is necessary to use a special light beam polarized in the radial direction as the incident light. Could not be used directly. Therefore, a configuration for converting linearly polarized light into radially polarized light is required.

特開2002−221478号公報JP 2002-221478 A 特開2005−195500号公報JP 2005-195500 A 特開2003−14608号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-14608 特開2004−109965号公報JP 2004-109965 A

前記の通り、微小スポットサイズを持つ大強度近接場光を生成するために、複雑な構造のプローブを用意することなく、また、直線偏光した光が利用できる、低コスト、簡易構造の近接場光プローブを提供することを目的とする。   As described above, low-cost, simple-structure near-field light that can use linearly polarized light without preparing a probe with a complicated structure to generate high-intensity near-field light with a small spot size. An object is to provide a probe.

前記課題を解決し、所期の目的を達成するために鋭意検討を行った結果、従来のプローブが対称性を維持するようにして用いられている点に着目し、これを敢えて非対称性にすることによって、直線偏光した光が利用できることを見いだした。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems and achieve the intended purpose, it is noted that conventional probes are used to maintain symmetry, and this is intentionally made asymmetric. As a result, it was found that linearly polarized light can be used.

すなわち、本発明は、誘電体で構成される円錐体・多角錘体構造物にプラズモン活性物質をコーティングし、底面から直線偏光した光を入射させてプローブ先端に、微小スポットサイズを持つ大強度電界ベクトルを持つ近接場光生成のためのプローブであって、円錐体・多角錘体の頂点が、底面の中心軸からずれていることを特徴とする。従来の円錐誘電体に金属薄膜をコーティングした近接場光プローブは、底面の中心軸上に円錐の頂点があった。そのため特殊な光ビームを使用する必要があったが、この頂点位置を敢えてずらすことにより直線偏光した光を利用することができるようになった。具体的には頂点位置が底面の中心から、垂直(中心軸)方向に対してほぼ10°程度の傾きを有する位置にあることが好ましい。   That is, the present invention provides a high-intensity electric field having a minute spot size at the probe tip by coating a plasmon active substance on a cone-polyhedral structure composed of a dielectric, and making linearly polarized light incident from the bottom surface. A probe for generating near-field light having a vector, characterized in that the apex of the cone / polyhedron is deviated from the center axis of the bottom surface. A conventional near-field optical probe in which a metal thin film is coated on a conical dielectric has a cone apex on the central axis of the bottom surface. Therefore, it was necessary to use a special light beam, but by deviating this apex position, it became possible to use linearly polarized light. Specifically, the apex position is preferably at a position having an inclination of about 10 ° with respect to the vertical (center axis) direction from the center of the bottom surface.

また、前記直線偏光した光を利用する場合でも、光が円錐体・多角錘体の底面に対して垂直方向と所定の角度を持って入射するように構成することによって、微小スポットサイズを持つ大強度電界ベクトルを持つ近接場光を生成することができる。直線偏光した光をそのまま従来の円錐体に入射させるとプローブ先端部分でz方向の電界がキャンセルされる。そこで、具体的には底面の垂直方向に対して約25°の角度で斜めに入射させればよい。   In addition, even when the linearly polarized light is used, a large spot size can be obtained by making the light incident at a predetermined angle with respect to the bottom of the cone / polygonal body. Near-field light having a strong electric field vector can be generated. When linearly polarized light is directly incident on a conventional cone, the electric field in the z direction is canceled at the probe tip. Therefore, specifically, it may be incident obliquely at an angle of about 25 ° with respect to the vertical direction of the bottom surface.

さらに、円錐体・多角錘体の底面の一部を遮光して、直線偏光した光の入射を一部遮ることによっても微小スポットサイズを持つ大強度電界ベクトルを持つ近接場光を生成することができる。遮光部分は例えば円錐体底面の場合、半円状に遮光することが可能である。   Furthermore, it is possible to generate near-field light having a high-intensity electric field vector with a minute spot size by shielding part of the bottom surface of the cone / polygonal cone and partially intercepting linearly polarized light. it can. For example, in the case of the bottom of the cone, the light shielding portion can be shielded in a semicircular shape.

また、回転対称を持つ円錐体・多角錘体であっても、側面にプラズモン活性物質を非対称な分布にコーティングすれば、微小スポットサイズを持つ大強度電界ベクトルを持つ近接場光を生成することができる。例えば円錐体側面の一部にコーティングをしなければ、非対称なコーティング分布を作成することができる。   In addition, even with cones and polygonal cones having rotational symmetry, if the plasmon active substance is coated on the side surface in an asymmetric distribution, near-field light having a high intensity electric field vector with a minute spot size can be generated. it can. For example, if a portion of the cone side is not coated, an asymmetric coating distribution can be created.

その他、円錐体・多角錘体の一部を、それら先端が誘電体基盤上に存在するように作成し、その円錐体・多角錘体全体・一部にプラズモン活性物質をコーティングすれば、微小スポットサイズ大強度電界べクトルを持つ近接場光を誘電体基盤上に生成することができる。例えば円錐体半分を誘電体基盤上に作成し、円錐部にプラズモン活性物質をコーティングすれば、円錐体頂点と誘電体基盤が交差する基盤上に、微小スポットサイズ大強度電界べクトルを持つ近接場光を生成することができる。このようにすれば、誘電体基盤上の指定された位置に被測定物を置くことができ、プローブ・非測定物体間の距離を容易に制御することができる。   In addition, if a part of a cone / polygonal body is made so that the tip thereof exists on the dielectric substrate, and the plasmon active substance is coated on the whole / part of the cone / polygonal body, a minute spot Near-field light having a large size electric field vector can be generated on a dielectric substrate. For example, if a half of a cone is created on a dielectric substrate and a plasmon active material is coated on the cone, a near field with a small spot size and a high-intensity electric field vector on the substrate where the cone apex and the dielectric substrate intersect. Light can be generated. In this way, the object to be measured can be placed at a specified position on the dielectric substrate, and the distance between the probe and the non-measuring object can be easily controlled.

なお、上記のうち何れか二つ以上を組み合わせてプローブを構成することも可能である。例えば、円錐体のプローブについて底面の中心から垂直方向に対してほぼ10°程度の傾きを有する位置に頂点が形成され、そこに底面の垂直方向に対して約15°の角度で斜めに入射させるように構成することもできる。さらに、上記のようなプローブ形状、コーティング分布、入射条件、が非対称であれば、入射波が直線偏光している場合だけでなく、任意の方向に偏光している光に対しても同じ効果を得ることができる。すなわち任意の偏光に対応することができる。   It is also possible to configure a probe by combining any two or more of the above. For example, the apex of the cone probe is formed at a position having an inclination of about 10 ° with respect to the vertical direction from the center of the bottom surface, and is incident obliquely at an angle of about 15 ° with respect to the vertical direction of the bottom surface. It can also be configured as follows. Furthermore, if the probe shape, coating distribution, and incident conditions as described above are asymmetric, the same effect can be obtained not only when the incident wave is linearly polarized, but also for light polarized in an arbitrary direction. Obtainable. That is, any polarized light can be handled.

本発明のプローブは、簡易な構成なので低コストかつ複雑な設備を必要とすることなく製造することができる。また、直線偏光した光を利用できるので、例えばプローブを備える走査型近接場光顕微鏡の装置全体の構成も簡略化できる。しかも、高効率で微小スポットサイズを持つ大強度の近接場光を発現するプローブが提供できるため近接場光を応用した各種検査機器、記録機器の新たな用途への展開がより加速される。   Since the probe of the present invention has a simple configuration, it can be manufactured at low cost and without requiring complicated equipment. Further, since linearly polarized light can be used, for example, the configuration of the entire apparatus of a scanning near-field light microscope including a probe can be simplified. In addition, since a probe that expresses high-intensity near-field light having a fine spot size with high efficiency can be provided, the development of various inspection devices and recording devices using near-field light to new applications is further accelerated.

図1は、従来のプローブの断面および表面プラズモンを模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section and a surface plasmon of a conventional probe. 図2は、偏光した光ビームの電界ベクトル分布を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an electric field vector distribution of a polarized light beam. 図3は、本発明のプローブの一実施形態を模式的に示す図である。FIG. 3 is a diagram schematically showing an embodiment of the probe of the present invention. 図4は、図3のプローブ形状の設計について模式的に示す図である。FIG. 4 is a diagram schematically showing the probe shape design of FIG. 図5は、図3のプローブの断面および表面プラズモンを模式的に示す図である。FIG. 5 is a diagram schematically showing a cross section and a surface plasmon of the probe of FIG. 図6は、図3の実施形態における、プローブ先端の近接場光強度と角度Aとの関係を示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the near-field light intensity at the probe tip and the angle A in the embodiment of FIG. 図7は、本発明のプローブの他の実施形態を模式的に示す図である。FIG. 7 is a diagram schematically showing another embodiment of the probe of the present invention. 図8は、図6のプローブについて断面および表面プラズモンを模式的に示す図である。FIG. 8 is a diagram schematically showing a cross section and a surface plasmon of the probe shown in FIG. 図9は、図6の実施形態における、プローブ先端の近接場光強度と入射角度Bとの関係を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the near-field light intensity at the probe tip and the incident angle B in the embodiment of FIG. 図10は、本発明のプローブの他の実施形態を模式的に示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically showing another embodiment of the probe of the present invention. 図11は、図10のプローブについて断面および表面プラズモンを模式的に示す図である。FIG. 11 is a diagram schematically showing a cross section and a surface plasmon of the probe shown in FIG. 図12は、本発明のプローブの他の実施形態を模式的に示す図である。FIG. 12 is a diagram schematically showing another embodiment of the probe of the present invention. 図13は、図12のプローブについて断面および表面プラズモンを模式的に示す図である。FIG. 13 is a diagram schematically showing a cross section and a surface plasmon of the probe shown in FIG. 図14は、本発明のプローブの他の実施形態を模式的に示す図である。FIG. 14 is a diagram schematically showing another embodiment of the probe of the present invention. 図15は、図14のプローブについて断面および表面プラズモンを模式的に示す図である。FIG. 15 is a diagram schematically showing a cross section and a surface plasmon of the probe shown in FIG. 図16は、本発明のプローブを走査型近接場光顕微鏡に利用した状態を示す概念図である。FIG. 16 is a conceptual diagram showing a state in which the probe of the present invention is used in a scanning near-field light microscope. 図17は、本発明のプローブを光学型記録再生ヘッドに利用した状態を示す概念図である。FIG. 17 is a conceptual diagram showing a state in which the probe of the present invention is used in an optical recording / reproducing head. 図18は、本発明の実施例1および比較例における近接場光の生成をシミュレーションした図である。FIG. 18 is a diagram simulating generation of near-field light in Example 1 of the present invention and a comparative example. 図19は、本発明の実施例2における近接場光の生成をシミュレーションした図である。FIG. 19 is a diagram simulating the generation of near-field light in Example 2 of the present invention. 図20は、本発明の実施例3における近接場光の生成をシミュレーションした図である。FIG. 20 is a diagram simulating generation of near-field light in Example 3 of the present invention.

以下、本発明のプローブについて図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1には底面の中心軸(Z軸)の回りに回転対称を持つ従来型の円錐体のプローブ10が示されている。このプローブの断面形状は二等辺三角形であり、底辺方向をX軸、高さ方向をZ軸とすると、図1ではX軸方向に直線偏光した光(入射光)20がZ軸方向に誘電体30に入射している状態、すなわち入射光の進行方向が底面に対して垂直な状態を示している。プローブは二等辺三角形の斜辺に金属薄膜40がコーティングされているので、入射光は全反射し、金属薄膜(斜辺)には矢印で示す表面プラズモン50が励起されている。図1において表面プラズモンは左側面金属薄膜と右側面金属薄膜で励起され、電界ベクトルは同じ大きさと同じ方向を持っている。この表面プラズモンは、プローブの左側面と右側面とで同じ距離を伝搬するので、表面プラズモンがプローブ先端に到達するとプローブ構造の対称性から、Z軸方向の電界ベクトルは、プローブ先端で大きさが同じで反対方向になるため互いに打ち消しあうこととなる。従って、プローブ先端にはZ方向電界ベクトルを持つ大強度近接場光は生成されないのである。
Hereinafter, the probe of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a conventional cone probe 10 having rotational symmetry about the central axis (Z axis) of the bottom surface. The cross-sectional shape of this probe is an isosceles triangle, and assuming that the base direction is the X axis and the height direction is the Z axis, in FIG. 1, light (incident light) 20 linearly polarized in the X axis direction is a dielectric in the Z axis direction. 30 shows a state of being incident on the light beam 30, that is, a state in which the traveling direction of incident light is perpendicular to the bottom surface. Since the probe is coated with the metal thin film 40 on the hypotenuse of the isosceles triangle, the incident light is totally reflected, and the surface plasmon 50 indicated by the arrow is excited on the metal thin film (the hypotenuse). In FIG. 1, surface plasmons are excited by the left side metal thin film and the right side metal thin film, and the electric field vectors have the same magnitude and the same direction. Since this surface plasmon propagates the same distance on the left and right sides of the probe, when the surface plasmon reaches the probe tip, the electric field vector in the Z-axis direction has a magnitude at the probe tip due to the symmetry of the probe structure. Because they are the same and opposite directions, they will cancel each other. Therefore, high intensity near-field light having a Z-direction electric field vector is not generated at the probe tip.

図1に示す従来のプローブにZ軸方向電界ベクトルを持つ大強度近接場光を生成するためには、プローブの底面における左側面金属薄膜と右側面金属薄膜のそれに励起される表面プラズモンの電界ベクトルは反対方向を持たせる必要がある。そのため入射光は図2(a)で示すような半径方向に偏光した光ビームという特殊なものでなければならない。つまり、図2(b)に示すような直線偏光した光ビームを入射させても、前記したようにプローブの先端でZ方向の電界ベクトルが互いに打ち消し有ってしまうのである。(なお、図に示す直線矢印は電界ベクトルを模式的に表したものである。)   In order to generate high-intensity near-field light having a Z-axis direction electric field vector in the conventional probe shown in FIG. 1, the electric field vector of the surface plasmon excited to that of the left side metal thin film and the right side metal thin film on the bottom surface of the probe Need to have the opposite direction. Therefore, the incident light must be a special light beam that is polarized in the radial direction as shown in FIG. That is, even when a linearly polarized light beam as shown in FIG. 2B is made incident, the electric field vectors in the Z direction cancel each other at the tip of the probe as described above. (The straight arrows shown in the figure schematically represent the electric field vectors.)

このように通常の(図2(b)に示す)レーザー光源からでた直線偏光した光をそのまま利用することはできず、さらに(図2(a)に示す)ビーム中心とプローブ中心軸(Z軸)との位置合わせが必要のためコストが掛かってしまうという課題があったのである。   Thus, the linearly polarized light emitted from the normal laser light source (shown in FIG. 2B) cannot be used as it is, and the beam center and the probe center axis (Z shown in FIG. 2A) are also used. There is a problem that it is costly because alignment with the shaft) is necessary.

そこで、本発明では、図3に示すようにプローブ11に対称性を持たせない形状を提案した。このプローブ11は、誘電体基盤32の上に底面の中心軸回りに非対称な円錐体誘電体構造を作成しその表面にプラズモン活性媒質(例えば金などの金属)をコーティングを施した構造である。そして誘電体31の下方からプローブ内部に直線偏光した光を入射する。   Therefore, the present invention has proposed a shape that does not give symmetry to the probe 11 as shown in FIG. The probe 11 has a structure in which a conical dielectric structure that is asymmetric about the center axis of the bottom surface is formed on a dielectric substrate 32, and the surface is coated with a plasmon active medium (for example, a metal such as gold). Then, linearly polarized light enters the probe from below the dielectric 31.

プローブ11は、例えば以下のようにして製造することができる。図3に示すようなプローブ形状を成形するための凹部を有する金型に、誘電体を溶融状態で流し込み、冷却する。固化した誘電体を金型から取り出して、表面にプラズモン活性物質をコーティングする。このとき、プローブ先端を先鋭化するために必要ならば電子ビーム、イオンビームなどで尖らせれば良い。前記誘電体としてはガラス、プラスチック、透明半導体などが挙げられ、好ましくはガラスである。また、プラズモン活性物質としては金、銀、銅、アルミニウム、プラチナ、パラジウムなどの金属が用いられる。また、これらの活性物質は例えば、スパッタ、蒸着、CVD、めっき等の成膜方法によりコーティングすることができる。   The probe 11 can be manufactured as follows, for example. A dielectric is poured in a molten state into a mold having a recess for forming a probe shape as shown in FIG. 3 and cooled. The solidified dielectric is removed from the mold and the surface is coated with a plasmon active material. At this time, if necessary to sharpen the probe tip, it may be sharpened with an electron beam, an ion beam or the like. Examples of the dielectric include glass, plastic, transparent semiconductor, and the like, preferably glass. As the plasmon active substance, metals such as gold, silver, copper, aluminum, platinum and palladium are used. Further, these active substances can be coated by a film forming method such as sputtering, vapor deposition, CVD, or plating.

図4には、図3に示すプローブの底面からZ軸に平行に入射した直線偏光した光が、金属薄膜41をコーティングしたプローブ側面で全反射を起こすようなプローブ形状の設計に関する説明を示している。入射波と反射波のプローブ側面方向の位相速度Vpは図4から、Vp=c÷(n×cosθ)で与えられる(n:プローブ内部のガラスの屈折率、c:光速度、θ:入射方向と円錐体側面とのなす角度)。コーティングの厚みは10〜50nm、プローブの高さは1000〜2000nm、底面の半径は2000〜4000nmとなっている。また、先端15の角度は20〜60°で設計される。 FIG. 4 shows an explanation of the probe shape design in which linearly polarized light incident in parallel to the Z axis from the bottom surface of the probe shown in FIG. 3 causes total reflection on the side surface of the probe coated with the metal thin film 41. Yes. The phase velocity V p in the probe side direction of the incident wave and the reflected wave is given by V p = c ÷ (n × cos θ) from FIG. 4 (n: refractive index of glass inside the probe, c: light velocity, θ: The angle between the incident direction and the side of the cone. The thickness of the coating is 10 to 50 nm, the height of the probe is 1000 to 2000 nm, and the radius of the bottom surface is 2000 to 4000 nm. The angle of the tip 15 is designed to be 20 to 60 °.

プローブ側面にコーティングされた金属薄膜をプローブ先端方向に進む表面プラズモンの位相速度Vplasmonは、真空中の光の速度cよりも小さい。従って、プローブ側面の角度を調整してプローブ側面の一部でVpをVplasmonに合致させることが可能である。VpがVplasmonに合致すると、図5に示すように表面プラズモンを高効率で励起することができる。さらに、円錐体にコーティングされた金属薄膜41と誘電体基盤(図3、32)とのエッジ境界からも表面プラズモンが金属薄膜41に沿って励起される。表面プラズモンは、プローブ側面を先端方向に伝搬するにつれ、伝搬方向に垂直な断面が減少するため、その強度は大きく増強され、プローブ先端に微小スポットサイズを持つ大強度近接場光が生成されるのである。 Phase velocity V plasmon surface plasmon traveling coated metal thin film probe side to the probe tip direction is smaller than the speed of light c in vacuum. Therefore, it is possible to adjust V p to V plasmon at a part of the probe side surface by adjusting the angle of the probe side surface. When V p matches the V plasmon, it is possible to excite surface plasmons at a high efficiency as shown in FIG. Further, surface plasmons are excited along the metal thin film 41 also from the edge boundary between the metal thin film 41 coated with the cone and the dielectric substrate (FIGS. 3 and 32). As surface plasmons propagate along the probe side in the tip direction, the cross section perpendicular to the propagation direction decreases, so the intensity of the surface plasmon is greatly enhanced, and high-intensity near-field light with a small spot size is generated at the probe tip. is there.

図5にはこのプローブ11に対して、図1に示すのと同様のX軸方向の直線偏光した光20がZ軸方向に誘電体31に入射している状態が断面図で示されている。このプローブは、円錐体の頂点15が底面の中心軸(Z軸)から角度Aだけ図において右側にずれており、三角形の斜辺には金薄膜41がコーティングされ、入射光が全反射して金薄膜周辺に直線矢印で示す表面プラズモン51が励起されている。そしてプローブ左側面と右側面ではプローブ先端までの表面プラズモンの伝搬距離が異なるので、プローブ先端のZ方向電界ベクトルは、右側面を伝搬してきた表面プラズモンと、左側面を伝搬してきた表面プラズモンとで大きさ・方向が異なり図1のように互いに打ち消しあうことはない。従って、プローブ先端において左右側面を伝搬する表面プラズモンのZ方向電界ベクトルを最大かつ同じ向きになるようにプローブ形状を調整すれば、プローブ先端にZ方向電界を持つ微小スポットサイズ大強度近接場光が生成させることができるのである。   FIG. 5 is a sectional view showing a state in which linearly polarized light 20 in the X-axis direction similar to that shown in FIG. 1 is incident on the dielectric 31 in the Z-axis direction. . In this probe, the apex 15 of the cone is shifted from the center axis (Z axis) of the bottom surface to the right side in the figure by an angle A, and the gold thin film 41 is coated on the hypotenuse of the triangle so that the incident light is totally reflected and the gold is reflected. Surface plasmons 51 indicated by straight arrows are excited around the thin film. Since the surface plasmon propagation distance to the probe tip is different between the probe left side and the right side, the Z direction electric field vector at the probe tip is different between the surface plasmon propagating on the right side and the surface plasmon propagating on the left side. They are different in size and direction and do not cancel each other as shown in FIG. Therefore, if the probe shape is adjusted so that the Z direction electric field vector of the surface plasmon propagating on the left and right side surfaces at the probe tip is maximum and in the same direction, a minute spot size high intensity near-field light having a Z direction electric field at the probe tip It can be generated.

このプローブ11については、円錐体の場合だけでなく三角錘や四角錐などの多角錘であっても同様に底面の中心軸から頂点位置をずらすことが必要で、より具体的には角度Aとして示すと4〜30°、好ましくは8〜15°であり、最も好ましくは10°である。なお、図6には、プローブ先端の近接場光強度と角度Aとの関係が示されている。   For the probe 11, it is necessary to shift the apex position from the center axis of the bottom surface in a similar manner, not only in the case of a cone but also in a polygonal pyramid such as a triangular pyramid and a quadrangular pyramid. As shown, it is 4 to 30 °, preferably 8 to 15 °, and most preferably 10 °. FIG. 6 shows the relationship between the near-field light intensity at the probe tip and the angle A.

次ぎに、プローブが対称性を有している場合でも、入射光を調整して直線偏光した光から微小スポットサイズ大強度近接場光を生成することができるように構成されたプローブについて説明する。図7には、図1にて説明した従来型のプローブ10の底面に垂直方向と有限の角度Bを持って直線偏光した光21を入射するように構成されている。そしてこのような斜め入射の場合にプローブ先端でZ方向電界が増強される状態を模式的に図8に示す。図8に示すように金属薄膜40近傍に発生した表面プラズモン52は左側面と右側面で図1のようなZ軸に対する対称性を有さないので、プローブ先端において大強度近接場光を生成することができるのである。   Next, a probe configured to generate a minute spot size high-intensity near-field light from linearly polarized light by adjusting incident light even when the probe has symmetry will be described. 7 is configured so that linearly polarized light 21 having a finite angle B with the vertical direction is incident on the bottom surface of the conventional probe 10 described in FIG. FIG. 8 schematically shows a state where the Z-direction electric field is enhanced at the probe tip in the case of such oblique incidence. As shown in FIG. 8, the surface plasmon 52 generated in the vicinity of the metal thin film 40 does not have symmetry with respect to the Z axis as shown in FIG. 1 on the left side surface and the right side surface. It can be done.

図9には、前記実施形態における、プローブ先端の近接場光強度と入射角度Bとの関係を示す。このときの斜め入射の角度は、より具体的には図7に示す入射角度Bにおいて10〜50°、好ましくは20〜40°であり、最も好ましくは25°である。   FIG. 9 shows the relationship between the near-field light intensity at the probe tip and the incident angle B in the embodiment. More specifically, the angle of oblique incidence at this time is 10 to 50 °, preferably 20 to 40 °, and most preferably 25 ° at an incident angle B shown in FIG.

さらに、前記同様プローブが対称性を有している場合でも、入射光の一部を遮断することによっても大強度近接場光を生成することができる。図10には、入射光20を遮断する不透明材料17がプローブ底面に設けられている。入射光の一部を遮光することによって図1に示されたようなZ方向電界ベクトルが打ち消しあうことなく、プローブ先端に大強度近接場が生成される。その状態を示したのが、図11である。図11に示すように金属薄膜40近傍に発生した表面プラズモン53は、図に示す断面においては、左側面と右側面で対称性を有さない。当該断面を90°回転した状態では、図1に示す通りの状況を呈するので、先に例示したプローブよりは近接場光の強度は低下する傾向があるが、従来の対称性プローブのように完全に打ち消しあうことはない。   Furthermore, even when the probe has symmetry as described above, high-intensity near-field light can be generated by blocking a part of incident light. In FIG. 10, an opaque material 17 that blocks incident light 20 is provided on the bottom surface of the probe. By blocking a part of the incident light, a high-intensity near field is generated at the probe tip without canceling out the Z-direction electric field vector as shown in FIG. FIG. 11 shows this state. As shown in FIG. 11, the surface plasmon 53 generated in the vicinity of the metal thin film 40 has no symmetry between the left side surface and the right side surface in the cross section shown in the figure. In the state where the section is rotated by 90 °, the situation as shown in FIG. There will be no cancellation.

このような遮光の程度については、底面の面積の5〜20%であり、対称性を持って遮光するのではなく、例えば円錐体であれば、遮光部が半円形または扇形になるように光を遮ることが好ましい。   The degree of such light shielding is 5 to 20% of the area of the bottom surface, and light is not shielded symmetrically. For example, in the case of a cone, the light is shielded so that the light shielding part is semicircular or fan-shaped. It is preferable to block.

前記同様プローブが対称性を有している場合でも、図12のようにプローブ側面にプラズモン活性物質を非対称な分布にコーティングすれば、微小スポットサイズを持つ大強度電界スペクトルを持つ近接場光を生成することができる。その状態を示したのが図13である。図12に示すようにプローブ13は、誘電体円錐30の表面の一部は金属薄膜40がコーティングされていない、すなわち誘電体円錐表面において金属薄膜が非対象にコーティングされている。そうすると図13に示すように金属薄膜40近傍に発生した表面プラズモン54は、図に示す断面においては、左側面と右側面で対称性を有さない。したがって、プローブ先端において表面プラズモンは互いに打ち消しあうことなく、大強度近接場光を生成することができるのである。   Even when the probe has symmetry as described above, if a plasmon active substance is coated on the side of the probe in an asymmetric distribution as shown in FIG. 12, near-field light having a high intensity electric field spectrum with a minute spot size is generated. can do. This state is shown in FIG. As shown in FIG. 12, in the probe 13, a part of the surface of the dielectric cone 30 is not coated with the metal thin film 40, that is, the metal thin film is uncoated on the surface of the dielectric cone. Then, as shown in FIG. 13, the surface plasmon 54 generated in the vicinity of the metal thin film 40 has no symmetry between the left side surface and the right side surface in the cross section shown in the figure. Therefore, high-intensity near-field light can be generated without the surface plasmons canceling each other at the probe tip.

図14は、円錐体プローブの半分14を、その先端が誘電体基盤上33に存在するように作成し、半分に分割した誘電体円錐体34にプラズモン活性物質40をコーティングしたものである。こうすれば、微小スポットサイズ大強度電界強度を持つ近接場光を誘電体基盤上に生成することができる。その様子を示したのが図15である。誘電体基盤33の上に円錐の半分34が作成されており、その表面は金属薄膜40でコーティングされている。誘電体基盤33の表面に置かれた円錐中心軸(Z軸)と角度Cをなすようにして、プローブ底面に光22を入射する。このとき円錐体34の表面にコーティングされた金属薄膜40に沿って表面プラズモン55が励起される。この構造も非対称プローブであり、プローブ先端において表面プラズモンは互いに打ち消しあうことなく、微小スポットサイズ大強度近接場光を生成することができる。図15に示す構造から、誘電体基盤33の所定の位置とプローブ先端との位置関係を明確にすることができるので、非測定物体(例えばDNA構造)を、プローブ先端の微小スポットサイズ大強度近接場光で容易に照射することができる。このように構成することより、非測定物体の一部分だけの光学測定が可能になる。   In FIG. 14, half of the cone probe 14 is prepared so that its tip is on the dielectric substrate 33, and the dielectric cone 34 divided in half is coated with the plasmon active material 40. In this way, near-field light having a small spot size and high electric field strength can be generated on the dielectric substrate. This is shown in FIG. A conical half 34 is formed on the dielectric substrate 33, the surface of which is coated with a metal thin film 40. Light 22 is incident on the bottom surface of the probe so as to form an angle C with the conical central axis (Z axis) placed on the surface of the dielectric substrate 33. At this time, the surface plasmon 55 is excited along the metal thin film 40 coated on the surface of the cone 34. This structure is also an asymmetric probe, and it is possible to generate high intensity near-field light with a small spot size without the surface plasmons canceling each other at the probe tip. Since the positional relationship between a predetermined position of the dielectric substrate 33 and the probe tip can be clarified from the structure shown in FIG. 15, a non-measurement object (for example, a DNA structure) is placed close to the probe tip at a minute spot size with high intensity. It can be easily irradiated with field light. With this configuration, optical measurement of only a part of the non-measurement object becomes possible.

以上の様な本発明のプローブを使用して近接場顕微鏡(図16)および光学型記録再生ヘッド(図17)として構成した場合の簡単な概念図を示す。図16および図17は、図3に示すような頂点位置を偏位させたプローブに対して図7に示すような斜め方向から光を入射させた例であり、本発明においては前記のパターンを、それぞれ組み合わせて使用することも可能である。   A simple conceptual diagram in the case of using the probe of the present invention as described above to constitute a near-field microscope (FIG. 16) and an optical recording / reproducing head (FIG. 17) is shown. FIGS. 16 and 17 are examples in which light is incident from an oblique direction as shown in FIG. 7 on a probe whose apex position is deviated as shown in FIG. These can also be used in combination.

以下本発明をより具体的に明らかにするために、本発明に係る幾つかの実施例を示す。   In order to clarify the present invention more specifically, some examples according to the present invention are shown below.

図3に示すようなプローブを作成した。プローブの外形は、高さ1870nm、底面の半径1000nm、先端角約30°で、コーティング厚みは約20nmである。また、誘電体としてガラスを使用し、その屈折率は1.5、コーティングしたプラズモン活性物質は金(Au)を使用した。一方、比較として、高さ1870nm、底面の半径1000nm、先端角約32°で作成した他は、対称性を有する図1に示すようなプローブを作成し、それぞれに対して直線偏光をプローブ底面に垂直に入射させた場合の近接場光の光強度分布をシミュレーションした状態を図18に示す。   A probe as shown in FIG. 3 was prepared. The probe has a height of 1870 nm, a bottom surface radius of 1000 nm, a tip angle of about 30 °, and a coating thickness of about 20 nm. Glass was used as the dielectric, its refractive index was 1.5, and gold (Au) was used as the coated plasmon active material. On the other hand, for comparison, except that the probe was made with a height of 1870 nm, a bottom surface radius of 1000 nm, and a tip angle of about 32 °, a symmetrical probe as shown in FIG. FIG. 18 shows a state in which the light intensity distribution of the near-field light when it is vertically incident is simulated.

図18(a)は本発明例、図18(b)は比較例である。図において光強度が大きい程白く表されている。図から明らかなように本発明例はプローブ先端大強度の近接場光が発生していることが判る。なお比較例では、入射強度に対してプローブ先端の光強度は約0.5倍なのに対し、本発明例では、プローブ先端の光強度は約1600倍となった。   FIG. 18A shows an example of the present invention, and FIG. 18B shows a comparative example. In the figure, the larger the light intensity is, the more white it is shown. As is apparent from the figure, it can be seen that in the example of the present invention, near-field light with high intensity at the probe tip is generated. In the comparative example, the light intensity at the probe tip is about 0.5 times the incident intensity, whereas in the example of the present invention, the light intensity at the probe tip is about 1600 times.

前記比較例と同様の外形のプローブを作成した。図7に示すように入射光を約25°の傾きでプローブ底面に入射させた場合(図19(a))と、底面の面積が20%となるように図10に示すような半円形状の遮光部をプローブの底面に形成した場合(図19(b))の、近接場光の光強度分布をシミュレーションした状態を示す。   A probe having the same outer shape as that of the comparative example was prepared. As shown in FIG. 7, when the incident light is incident on the bottom surface of the probe with an inclination of about 25 ° (FIG. 19A), a semicircular shape as shown in FIG. 10 so that the area of the bottom surface becomes 20%. This shows a state in which the light intensity distribution of near-field light is simulated when the light shielding portion is formed on the bottom surface of the probe (FIG. 19B).

図においては前記同様光強度が大きい程白く表されている。図から明らかなように、斜めに入射させた場合および遮光部を形成した場合ともにプローブ先端に、大きな光強度を有する近接場光が形成されている。なお、斜め入射させた場合のプローブ先端の光強度は、入射光の約6300倍であり、遮光部を設けた場合の光強度は、約1962倍であった。   In the figure, the larger the light intensity is, the more white the same as described above. As is apparent from the figure, near-field light having a large light intensity is formed at the probe tip both when obliquely incident and when the light shielding portion is formed. The light intensity at the probe tip when obliquely incident was about 6300 times that of the incident light, and the light intensity when the light shielding portion was provided was about 1962 times.

前記比較例と同様の外形のプローブを作成した。図12に示すようにプローブ側面の約30%を金属コーティングをせず、入射光をプローブ底面に入射させた場合(図20(a))と、図14に示すように誘電体基盤上に半分に分割された円錐プローブに金属コーティングを施し、約20°の傾きでプローブ底面に入射させた場合(図20(b))の、近接場光の光強度分布をシミュレーションした状態を示す。   A probe having the same outer shape as that of the comparative example was prepared. As shown in FIG. 12, about 30% of the side surface of the probe is not coated with metal and incident light is incident on the bottom surface of the probe (FIG. 20A), and half on the dielectric substrate as shown in FIG. A state in which the light intensity distribution of the near-field light is simulated when a metal coating is applied to the conical probe divided into two and incident on the bottom surface of the probe with an inclination of about 20 ° (FIG. 20B) is shown.

図においては前記同様光強度が大きい程白く表されている。図から明らかなように、金属薄膜を非対称にコーティングさせた場合および誘電体基盤上に半分に分割した金属コーティング円錐プローブの場合も、ともにプローブ先端に、微小スポットサイズを持ち大きな光強度を有する近接場光が形成されている。図20(a)の場合プローブ先端の光強度は、入射光の約1494倍であり、図20(b)の場合は876倍であった。   In the figure, the larger the light intensity is, the more white the same as described above. As is clear from the figure, both the asymmetrical coating of the metal thin film and the metal-coated conical probe divided in half on the dielectric substrate, both have a small spot size and a high light intensity at the probe tip. Field light is formed. In the case of FIG. 20A, the light intensity at the probe tip was about 1494 times that of the incident light, and in the case of FIG. 20B, it was 876 times.

本発明の近接場光プローブは、簡易な構造で、容易に製造することができるので、走査型近接場光顕微鏡、ナノ領域光センサー、DVD光ヘッドなど多くの応用が期待される。   Since the near-field optical probe of the present invention can be easily manufactured with a simple structure, many applications such as a scanning near-field optical microscope, a nano-region optical sensor, and a DVD optical head are expected.

10、11、12、13、14 近接場プローブ
20、21、22 入射光
30、31、34 誘電体(プローブ)
32、33 誘電体(基盤)
40、41 金属薄膜
50、51、52、53、54、55 表面プラズモン
10, 11, 12, 13, 14 Near-field probe 20, 21, 22 Incident light 30, 31, 34 Dielectric (probe)
32, 33 Dielectric (Base)
40, 41 Metal thin film 50, 51, 52, 53, 54, 55 Surface plasmon

Claims (4)

誘電体で構成される円錐体・多角錘体構造物にプラズモン活性物質をコーティングし、底面から任意の方向に偏光した光を入射させてプローブ先端に、大強度電界ベクトルを持つ近接場光生成のためのプローブであって、
(a)円錐体・多角錘体の頂点が、底面の中心軸からずれていること、
(b)前記光が底面に垂直方向と有限の角度を持って入射するように構成されたこと、
(c)底面における入射光の一部が阻止されるように構成されたこと、
(d)プラズモン活性物質が非対称にコーティングされていること、
(e)誘電体基盤の上に円錐体・多角錘体構造物のプローブ先端が載るように、前記円錐体・多角錘体構造物の一部が誘電体基盤と一体となって形成されていること、
のいずれかから選択される少なくとも一つであることを特徴とするプローブ。
A plasmon active material is coated on a cone-polyhedral structure composed of dielectric material, and light polarized in an arbitrary direction is incident from the bottom to generate near-field light having a high-intensity electric field vector at the probe tip. A probe for,
(A) The apex of the cone / polyhedron is displaced from the central axis of the bottom surface,
(B) The light is configured to enter the bottom surface at a finite angle with the vertical direction;
(C) that a part of incident light on the bottom surface is blocked;
(D) the plasmon active substance is asymmetrically coated;
(E) A part of the cone / polyhedral structure is formed integrally with the dielectric base so that the probe tip of the cone / polyhedral structure is placed on the dielectric base. thing,
A probe characterized by being at least one selected from any one of the above.
前記(a)の場合において、円錐体・多角錘体の頂点が、底面からの垂線に対して4〜30°の傾きを持ってずれていることを特徴とする請求項1に記載のプローブ。   2. The probe according to claim 1, wherein in the case of (a), the apexes of the cone and the polygonal pyramid are displaced with an inclination of 4 to 30 ° with respect to the perpendicular from the bottom surface. 前記(b)の場合において、入射角度が10〜50°であることを特徴とする請求項1に記載のプローブ。   2. The probe according to claim 1, wherein in the case of (b), the incident angle is 10 to 50 °. 前記(c)の場合において、5〜20%が遮光されていることを特徴とする請求項1に記載のプローブ。   The probe according to claim 1, wherein in the case of (c), 5 to 20% is shielded from light.
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