JP2012063154A - 検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 検出装置は、複数の光源A〜Dを有する第1の光源群1と、複数の光源A〜Dを切り替え、複数の光源A〜Dのいずれか1つを有効にさせる切り替え部6と、切り替え部6により有効になった光源Bからの光を光デバイス4の電気伝導体に入射させる第1の光学系2,3と、電気伝導体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検出する検出器5とを含む。第1の光源群の複数の光源A〜Dの各々は、有効な状態で、互いに異なる偏光方向を有する光を放射可能である。
【選択図】 図1
Description
前記複数の光源を切り替え、前記複数の光源のいずれか1つを有効にさせる切り替え部と、
前記切り替え部により有効になった光源からの光を光デバイスの電気伝導体に入射させる第1の光学系と、
前記電気伝導体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検出する検出器とを含み、
前記第1の光源群の前記複数の光源の各々は、有効な状態で、互いに異なる偏光方向を有する光を放射可能であることを特徴とする検出装置に関係する。
複数の光源を有する第2の光源群をさらに含んでもよく、
前記第2の光源群の前記複数の光源の各々は、前記第1の光源群の前記複数の光源のいずれか1つに対応してもよく、
前記第2の光源群の前記複数の光源の各々は、有効な状態で、前記第1の光源群の前記複数の光源のうちの対応する1つの光源の偏光方向と等しい偏光方向を有する光を放射可能であってもよく、
前記切り替え部が前記第1の光源群の前記複数の光源の中から前記第2の光源を有効にさせ、且つ前記検出部が前記所与の強度以下で前記ラマン散乱光を検出する場合、前記切り替え部は、前記第2の光源を有効に保ち、前記第2の光源群の前記複数の光源の中から第3の光源を有効にさせてもよく、
前記電気伝導体に向かう前記第2の光源からの光が有する偏光方向は、前記電気伝導体に向かう前記第3の光源からの光が有する偏光方向と等しくてもよい。
前記第1の突起群の前記複数の突起の各々は、前記電気伝導体の仮想平面に対して平行な方向に沿って、第1の周期で配列されてもよく、
前記切り替え部により有効になった前記光源からの前記光が有する偏光方向の前記仮想平面に平行な成分と前記第1の突起群の配列方向とが平行になるように、前記第1の光学系は、前記切り替え部により有効になった前記光源からの前記光を前記第1の突起群に入射させてもよい。
前記第1の突起群の前記複数の突起のいずれか1つに対応する前記第2の突起群の複数の突起の各々は、前記仮想平面に平行な前記方向に沿って、前記第1の周期よりも短い第2の周期で配列されてもよい。
前記第3の突起群の複数の突起の各々は、前記第1の突起群の前記隣り合う突起間で、前記仮想平面に平行な前記方向に沿って、前記第1の周期よりも短い第3の周期で配列されてもよい。
前記第1の突起群の前記複数の突起の各々は、前記電気伝導体の仮想平面に対して平行な方向に沿って、第1の周期で配列されてもよく、
前記切り替え部により有効になった前記光源からの前記光の進行方向を前記仮想平面に向かう垂線に対して傾斜させた場合の表面プラズモン共鳴が、第1の共鳴ピーク波長と第2の共鳴ピーク波長の各々で生じてもよく、
前記第1の共鳴ピーク波長を有する第1の共鳴ピーク波長帯域は、
前記表面プラズモン共鳴に起因する表面増強ラマン散乱における励起波長を有してもよく、
前記第2の共鳴ピーク波長を有する第2の共鳴ピーク波長帯域は、
前記表面増強ラマン散乱におけるラマン散乱波長を有してもよい。
前記ラマン散乱光を前記検出器に導く第2の光学系をさらに含んでもよく、
前記検出器は、前記第2の光学系を介して前記ラマン散乱光を受光してもよい。
1.1.基本構成
図1(A)、図1(B)、図1(C)、図1(D)は、本実施形態の検出装置の構成例を示す。図1(A)に示すように、検出装置は、光源群1と、切り替え部6と、光学系と、検出器5とを含む。光学系(第1の光学系)は、例えばハーフミラー2及び対物レンズ3で構成される。光源群1(第1の光源群)は、複数の光源A〜Dを有する。複数の光源A〜Dの各々は、有効な状態で、互いに異なる偏光方向を有する光を放射可能である。光源群1は、図1(A)の例に限定されず、2つの光源を有してもよく、3つの光源を有してもよく、5つ以上の光源を有してもよい。なお、光源は、指向性を有することができ、光源は、高い指向性を有する光源(例えば、レーザー)で構成することが好ましい。
図2(A)、図2(B)、図2(C)、図2(D)は、ラマン散乱光の検出原理の説明図を示す。図2(A)の例では、ラマン分光について説明され、標的分子(広義には標的物)に入射光(振動数ν)が照射されると、一般に、入射光の多くは、レイリー散乱光として散乱され、レイリー散乱光の振動数ν又は波長は変化しない。入射光の一部は、ラマン散乱光として散乱され、ラマン散乱光の振動数(ν−ν’及びν+ν’)又は波長は、標的分子の振動数ν’(分子振動)が反映される。入射光の一部は、標的分子を振動させてエネルギーを失うが、標的分子の振動エネルギーがラマン散乱光の振動エネルギー又は光エネルギーに付加されることもある。このような振動数のシフト(ν’)をラマンシフトと呼ぶ。
2.1.全体構成
図3は、本実施形態の検出装置の具体的な構成例を示す。以下では、図1等で説明した構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。図3に示される検出装置は、センサーチップ300(広義には光デバイス4)及び誘導部420(搬送部)を含む。標的物は、吸引口400(搬入口)から誘導部420の内部に導入され、排出口410から誘導部420の外部に排出される。図3の例では、検出装置は、ファン450(広義には吸引部)を排出口410付近に有し、ファン450を作動させると、誘導部420の吸引流路421、センサーチップ300付近の流路422及び排出流路423内の圧力(気圧)が低下する。これにより、標的物(気体試料)が誘導部420に吸引される。標的物は、吸引流路421を通り、センサーチップ300付近の流路422を経由して排出流路423から排出される。このとき、標的物の一部が、センサーチップ300の表面(電気伝導体)に付着する。
図5は、垂直共振器面発光レーザーの構造例を示す。図5の例では、n型GaAs基板の上にn型DBR(Diffracted Bragg Reflector)層が形成される。n型DBR(Diffracted Bragg Reflector)層の中央部に活性層及び酸化狭窄層が設けられる。活性層及び酸化狭窄層の上にp型DBR層が設けられる。p型DBR層及びn型DBR層の上に絶縁層を設け、絶縁層の上に電極を形成する。n型GaAs基板の裏側にも電極を形成する。図5の例では、n型DBR層とp型DBR層との間に活性層が介在し、活性層で発生した光がn型DBR層とp型DBR層との間で共振する垂直共振器が形成される。なお、垂直共振器面発光レーザーは、図5の例に限定されず、例えば酸化狭窄層を省略してもよい。
図8(A)、図8(B)、図8(C)、図8(D)、図8(E)は、フォトリソグラフィー法の概要説明図を示す。図8(A)の例では、紫外レーザーを利用した光干渉露光装置の概要を示され、光源として、例えば波長266nm、出力200mWを有する連続発振(CW:Contimuous Wave)レーザー用いることができる。紫外レーザーからの光は、シャッターを経由してミラーで折り返し、ハーフミラーで両側に分岐する。ハーフミラーから分岐される2つの光の各々は、ミラーで折り返し対物レンズ及びピンホールを経由し、これにより、光のビーム径が広がる。ビーム径が広がった紫外レーザーからの光をマスクに照射させることで露光パターンを作り、レジストを塗布した基板100に露光パターンを照射させることができる。この時、両側のマスクからの露光パターンが互いに干渉することにより、干渉パターンをレジスト(基板100)に形成することが可能になる。また、露光パターンを例えばハーフミラー及びCCDカメラを介してモニタで確認することもできる。
例えば図10(A)等に示される光デバイス4の金属ナノ構造(広義には電気伝導体)に光Lin(入射光)を照射する時、一般には、ブロードな表面プラズモン共鳴ピークがひとつしか存在しないため、励起波長(レイリー散乱波長と等しい)とラマン散乱波長に対して、共鳴ピークの位置を適切な位置に設定する必要がある。そのため、共鳴ピーク波長を励起波長とラマン散乱波長の間に設定すれば、励起過程とラマン散乱過程の両方で電場増強効果を期待できる。しかしながら、共鳴ピークがブロードであるため、個々の過程では共鳴の強さが弱くなり、過程全体の増強度は十分とは言えないこともある。そこで、光デバイス4に入射光を斜めに入射して共鳴ピークを2つ生じさせ、その2つの共鳴ピークを励起波長とラマン散乱波長に設定することで、検出感度又はセンサー感度を向上させることができる。
α=αray×αram (1)
上式(1)より、励起過程における増強度とラマン散乱過程における増強度の両方を同時に高め、表面増強ラマン散乱過程における増強度を高めることができる。そのため例えば図11に示すように、励起波長及びラマン散乱波長の近傍だけに強い2つの共鳴ピークを発生させる。これにより、両散乱過程の相乗効果によって、局所電場の増強効果を高めることができる。
図19(A)、図19(B)は、センサーチップに入射光を傾斜させて入射させるための手法の説明図を示す。以下では、図1(B)等で説明した構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。図19(A)の例では、光源の光軸Lax1を対物レンズ3の光軸Lax2からずらすことで、センサーチップ300に対して入射光Linを傾斜させる。図19(B)の例では、光源の光軸Lax1を対物レンズ3の光軸Lax2と一致させ、対物レンズ3の光軸Lax2に対してセンサーチップ300を傾斜させて配置することで、センサーチップ300に対して入射光Linを傾斜させる。
図20(A)、図20(B)は、電気伝導体の製造方法の概要説明図を示す。例えば図8(A)等で示すフォトリソグラフィー法で作製する金属ナノ構造はトップダウン法とも言われ、金属ナノ構造は、規則的な配列構造を持ち、増強電場が形成される間隙部も揃っている。それに対して、蒸着によって形成される独立したアイランド状の金属ナノ構造は、大きさや形が均一ではなく、増強電場が形成される間隙部も均一にならない。つまり、増強電場の強いところと弱いところ、入射光Linの偏光方向も自由度がある。しかし、この蒸着による金属ナノ構造では、どこかに強い増強電場を形成する条件を含んでいるため、製造バラツキを吸収できるというメリットがある。
図21(A)、図21(B)、図21(C)は、ラマンスペクトルのピーク抽出の概要説明図を示す。図21(A)は、ある物質に励起レーザーを照射した時に検出されるラマンスペクトルを示し、ラマンシフトを波数で表している。図21(A)の例では、第1のピーク(883cm−1)と第2のピーク(1453cm−1)が特徴的と考えられる。得られたラマンスペクトルと予め保持するデータ(第1のピークのラマンシフト及び光強度、第2のピークのラマンシフト及び光強度等)と照合することで、標的物を特定することができる。
5 検出器、6 切り替え部、7 制御部、8 第2の光源群、15 光源ドライバー、
20 金属微粒子(金属ナノ粒子)、100 基板、101 レジスト、104 凹部、105 凸部、110,210,310 突起、115 突起群(第1の突起群)、
120 表面、130 ガラス基板、140 金属薄膜、150 金属格子、
205 第2の突起群、215 第3の突起群、220 頂面、230 底面、
300 センサーチップ、320 コリメーターレンズ、330 偏光制御素子、
360 集光レンズ、365 光フィルター、370 分光素子、
375 分光ドライバー、380 受光素子、385 受光回路、
400 吸引口(搬入口)、410 排出口、420 誘導部(搬送部)、
421 吸引流路、422 センサーチップ付近の流路、423 排出流路、
430 支持部、440 カバー、450 ファン、455 ファンドライバー、
460 処理部、461 CPU、462 RAM、463 ROM、
470 電力供給部、500 筐体、510 通信接続口、520 電源接続口、
530 インターフェース、540 表示部、550 操作部、A〜D 光源、
BW1,BW2 共鳴ピーク波長帯域、D1 第1の方向、D2 第2の方向、
D3 第3の方向、DA〜DD 偏光方向、Lax1 光源の光軸、
Lax2 対物レンズの光軸(光学系の光軸)、Lin 光源からの光(入射光)、
Lout 光デバイスからの光(散乱光、反射光)、H1 第1の高さ、
H2 第2の高さ、P1 第1の周期、P2 第2の周期、P3 第3の周期、
λ1 励起波長、λ2 ラマン散乱波長、λp1,λp2 共鳴ピーク波長、
θ 入射角度
Claims (12)
- 複数の光源を有する第1の光源群と、
前記複数の光源を切り替え、前記複数の光源のいずれか1つを有効にさせる切り替え部と、
前記切り替え部により有効になった光源からの光を光デバイスの電気伝導体に入射させる第1の光学系と、
前記電気伝導体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検出する検出器とを含み、
前記第1の光源群の前記複数の光源の各々は、有効な状態で、互いに異なる偏光方向を有する光を放射可能であることを特徴とする検出装置。 - 請求項1において、
前記切り替え部が前記第1の光源群の前記複数の光源の中から第1の光源を有効にさせ、且つ前記検出部が所与の強度以下で前記ラマン散乱光を検出する場合、前記切り替え部は、前記第1の光源を無効にさせ、前記第1の光源群の前記複数の光源の中から第2の光源を有効にさせることを特徴とする検出装置。 - 請求項1又は2において、
前記切り替え部は、前記光デバイスと前記切り替え部により有効になった前記光源との相対位置を可変制御する制御部を有することを特徴とする検出装置。 - 請求項1又は2において、
前記切り替え部は、前記光デバイスと前記第1の光学系との相対位置を可変制御する制御部を有することを特徴とする検出装置。 - 請求項3又は4において、
前記制御部は、前記切り替え部により有効になった前記光源の光軸を前記第1光学系の光軸と一致させることを特徴とする検出装置。 - 請求項3又は4において、
前記制御部は、前記切り替え部により有効になった前記光源の光軸を前記第1光学系の光軸からずらすことを特徴とする検出装置。 - 請求項2において、
複数の光源を有する第2の光源群をさらに含み、
前記第2の光源群の前記複数の光源の各々は、前記第1の光源群の前記複数の光源のいずれか1つに対応し、
前記第2の光源群の前記複数の光源の各々は、有効な状態で、前記第1の光源群の前記複数の光源のうちの対応する1つの光源の偏光方向と等しい偏光方向を有する光を放射可能であり、
前記切り替え部が前記第1の光源群の前記複数の光源の中から前記第2の光源を有効にさせ、且つ前記検出部が前記所与の強度以下で前記ラマン散乱光を検出する場合、前記切り替え部は、前記第2の光源を有効に保ち、前記第2の光源群の前記複数の光源の中から第3の光源を有効にさせ、
前記電気伝導体に向かう前記第2の光源からの光が有する偏光方向は、前記電気伝導体に向かう前記第3の光源からの光が有する偏光方向と等しいことを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至7のいずれかにおいて、
前記光デバイスの前記電気伝導体は、複数の突起を有する第1の突起群を有し、
前記第1の突起群の前記複数の突起の各々は、前記電気伝導体の仮想平面に対して平行な方向に沿って、第1の周期で配列され、
前記切り替え部により有効になった前記光源からの前記光が有する偏光方向の前記仮想平面に平行な成分と前記第1の突起群の配列方向とが平行になるように、前記第1の光学系は、前記切り替え部により有効になった前記光源からの前記光を前記第1の突起群に入射させることを特徴とする検出装置。 - 請求項8において、
前記第1の突起群の前記複数の突起の各々は、前記第1の突起群の頂面で、電気伝導体により形成される第2の突起群を有し、
前記第1の突起群の前記複数の突起のいずれか1つに対応する前記第2の突起群の複数の突起の各々は、前記仮想平面に平行な前記方向に沿って、前記第1の周期よりも短い第2の周期で配列されることを特徴とする検出装置。 - 請求項8又は9において、
前記第1の突起群が配列される面であって前記第1の突起群の隣り合う突起間の面に、電気伝導体により形成される第3の突起群を有し、
前記第3の突起群の複数の突起の各々は、前記第1の突起群の前記隣り合う突起間で、前記仮想平面に平行な前記方向に沿って、前記第1の周期よりも短い第3の周期で配列されることを特徴とする検出装置。 - 請求項6において、
前記光デバイスの前記電気伝導体は、複数の突起を有する第1の突起群を有し、
前記第1の突起群の前記複数の突起の各々は、前記電気伝導体の仮想平面に対して平行な方向に沿って、第1の周期で配列され、
前記切り替え部により有効になった前記光源からの前記光の進行方向を前記仮想平面に向かう垂線に対して傾斜させた場合の表面プラズモン共鳴が、第1の共鳴ピーク波長と第2の共鳴ピーク波長の各々で生じ、
前記第1の共鳴ピーク波長を有する第1の共鳴ピーク波長帯域は、
前記表面プラズモン共鳴に起因する表面増強ラマン散乱における励起波長を有し、
前記第2の共鳴ピーク波長を有する第2の共鳴ピーク波長帯域は、
前記表面増強ラマン散乱におけるラマン散乱波長を有することを特徴とする検出装置。 - 請求項1乃至11のいずれかにおいて、
前記ラマン散乱光を前記検出器に導く第2の光学系をさらに含み、
前記検出器は、前記第2の光学系を介して前記ラマン散乱光を受光することを特徴とする検出装置。
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