JP2012123327A - Circular dichroic element - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a circular dichroic element which has a degree of circular dichroism σ of 0.75 or more and an efficiency factor ε of 25 or more and has a thickness smaller than a wavelength of an incident plane wave and is capable of controlling a polarization state of a transmitted plane wave into linearly polarized light or light polarized circularly in the same direction as incident circularly polarized light or in the opposite direction.SOLUTION: A circular dichroic element 101 is used. The circular dichroic element 101 has a laminate structure of a quarter-wave plate 1 and an anisotropic transmission plate 2 and has a sub-wavelength thickness, and the quarter-wave plate is capable of converting circularly polarized light of one plane wave 5 selected from a wavelength region from 400 to 1600 nm into linearly polarized light, and the anisotropic transmission plate 2 has a high transmission axis in a linear polarization direction of the one plane wave 5.

Description

本発明は、電磁波に円二色性を生じさせる円二色性素子に関する。 The present invention relates to a circular dichroic element that causes circular dichroism in electromagnetic waves.

円二色性は、入射平面波が右回り、左回り円偏光であるときの透過率をそれぞれTR、TLと表記した場合、TR=TLのときは円二色性なしと、それ以外の場合、すなわち、TR>TLまたはTR<TLのときに円二色性があると定義される。
円二色性素子とは、円二色性を呈する素子のことである。
円二色性素子として機能する入射平面波の波長を円二色性素子の動作波長と呼ぶ。
Circular dichroism means that the transmittance when the incident plane wave is clockwise and counterclockwise circularly polarized light is expressed as TR and TL, respectively, when TR = TL, there is no circular dichroism, and otherwise, That is, it is defined that there is circular dichroism when TR> TL or TR <TL.
A circular dichroic element is an element exhibiting circular dichroism.
The wavelength of the incident plane wave that functions as a circular dichroic element is called the operating wavelength of the circular dichroic element.

任意に固定したある時間における平面波の電場ベクトルが、進行方向を規定する波数ベクトルの周りを円状の回転分布を形成するとき、その平面波は円偏光であると定義される。ここで、平面波とは、電磁波でその分布が関数 exp(ik・r−iωt)で表されるものをいう。ただし、iは虚数単位、kは電磁波の波数ベクトル、rは3次元ユークリッド空間座標、ωは電磁波の角振動数、tは時間を表す。 A plane wave is defined as circularly polarized when an electric field vector of a plane wave at an arbitrarily fixed time forms a circular rotational distribution around a wave vector defining the traveling direction. Here, the plane wave is an electromagnetic wave whose distribution is represented by a function exp (ik · r−iωt). However, i is an imaginary unit, k is a wave vector of electromagnetic waves, r is a three-dimensional Euclidean space coordinate, ω is an angular frequency of electromagnetic waves, and t is time.

図23は、左回り円偏光の一例を示す概念図である。
図23に示すように、波数ベクトル14に対して任意に固定した瞬間の電場ベクトル15が左ネジ状の分布を形成するとき、平面波は左回り円偏光と定義される。波数ベクトル14は平面波の進行方向を表すベクトルである。図23では光の1波長分の電場ベクトル15の変化を8ステップで表示している。
FIG. 23 is a conceptual diagram showing an example of counterclockwise circularly polarized light.
As shown in FIG. 23, when the electric field vector 15 at an instant fixed with respect to the wave vector 14 forms a left-handed screw-like distribution, the plane wave is defined as counterclockwise circularly polarized light. The wave vector 14 is a vector representing the traveling direction of the plane wave. In FIG. 23, the change of the electric field vector 15 for one wavelength of light is displayed in 8 steps.

図24は、右回り円偏光の一例を示す概念図である。
図24に示すように、波数ベクトル16に対して任意に固定した瞬間の電波ベクトル17が右ネジ状の分布を形成するとき、平面波は右回り円偏光と定義される。平面波の進行方向を表す波数ベクトル16から電場ベクトル17が発せられる。図24では光の1波長分の電場ベクトル17の変化を8ステップで表示している。
FIG. 24 is a conceptual diagram showing an example of clockwise circularly polarized light.
As shown in FIG. 24, when the instantaneous radio wave vector 17 arbitrarily fixed with respect to the wave vector 16 forms a right-handed distribution, the plane wave is defined as clockwise circularly polarized light. An electric field vector 17 is generated from a wave vector 16 representing the traveling direction of a plane wave. In FIG. 24, changes in the electric field vector 17 for one wavelength of light are displayed in 8 steps.

図25は、円二色性の一例を示す概念図であって、円二色性が顕著な状況を模式的に表している。
円二色性素子18に、波数ベクトル19の入射平面波が右回り円偏光20であるとし、波数ベクトル21で入射する光が左回り円偏光22とするとき、波数ベクトル23で表される透過平面波の透過率TRが50%以上であるのに対して、波数ベクトル24で表される透過平面波の透過率TLが1%以下である場合を示している。
FIG. 25 is a conceptual diagram showing an example of circular dichroism, and schematically shows a situation where circular dichroism is remarkable.
When it is assumed that the incident plane wave of the wave vector 19 is clockwise circularly polarized light 20 and the light incident on the wave vector 21 is counterclockwise circularly polarized light 22 on the circular dichroic element 18, the transmitted plane wave represented by the wave vector 23 is used. This shows a case where the transmittance TR of the transmission plane wave represented by the wave number vector 24 is 1% or less, whereas the transmittance TR of is 50% or more.

円二色性の度合いは、(TR−TL)/(TR+TL)で規定される円二色性度σにより、定量的に表わされる。
円二色性なしのとき、σ=0となる。また、円二色性があるときにはつねにσ≠0である。特に、左回り円偏光の透過率が0%、つまり、TL=0のときには、σ=1である。図25で示した状況はこの場合に対応している。一方、右回り円偏光の透過率が0%、つまり、TR=0のときには、σ=−1である。以上のように最大限に大きな円二色性は、|σ|=1として表される。
The degree of circular dichroism is quantitatively represented by the degree of circular dichroism σ defined by (TR−TL) / (TR + TL).
When there is no circular dichroism, σ = 0. When there is circular dichroism, σ ≠ 0 is always satisfied. In particular, when the transmittance of counterclockwise circularly polarized light is 0%, that is, when TL = 0, σ = 1. The situation shown in FIG. 25 corresponds to this case. On the other hand, when the transmittance of clockwise circularly polarized light is 0%, that is, TR = 0, σ = −1. As described above, the maximum circular dichroism is expressed as | σ | = 1.

円二色性素子は、max(TR,TL)×|σ|で規定される効率因子εにより、評価できる。
ここで、max(TR,TL)はTR、TLの大きい方の値を表す。この効率因子εが大きい値をとるほど、円二色性素子として優れている。ε=100が理想的な円二色性素子である。ε≧60ならば性能の高い円二色性素子、ε≧25ならば実用に資する円二色性素子と評価される。
A circular dichroic element can be evaluated by an efficiency factor ε defined by max (TR, TL) × | σ |.
Here, max (TR, TL) represents the larger value of TR and TL. The larger the efficiency factor ε, the better the circular dichroic element. ε = 100 is an ideal circular dichroic element. If ε ≧ 60, it is evaluated as a high-performance circular dichroic element, and if ε ≧ 25, it is evaluated as a circular dichroic element that contributes to practical use.

また、円二色性素子は、λ/dで規定される構造の効率化因子αでも、評価できる。
ここで、λは光の真空中の波長、dは円二色性素子の厚さを表す。構造の効率化因子αは、円二色性素子がどれくらい薄いサイズで実現できるかを定量的に表すための指標である。例えば、波長λが500nmの光に対して、厚さdが250nmの円二色性素子の構造の効率化因子αは2となる。つまり、構造の効率化因子α≧1のとき、照射する平面波の波長よりも厚さが薄いサイズ(以下、サブ波長サイズの厚さ)の円二色性素子が実現できていることを意味し、構造の効率化因子αが大きいほど、より薄いサイズで円二色性素子を実現できていることを意味する。
円二色性素子は、円二色性度σと効率因子ε、構造の効率化因子αによって、多面的に、かつ、総合的に評価できる。
In addition, the circular dichroic element can be evaluated by an efficiency factor α having a structure defined by λ / d.
Here, λ represents the wavelength of light in vacuum, and d represents the thickness of the circular dichroic element. The structural efficiency factor α is an index for quantitatively expressing how thin a circular dichroic element can be realized. For example, the efficiency factor α of the structure of a circular dichroic element having a thickness d of 250 nm is 2 for light having a wavelength λ of 500 nm. In other words, when the structural efficiency factor α ≧ 1, it means that a circular dichroic element having a size smaller than the wavelength of the plane wave to be irradiated (hereinafter referred to as a sub-wavelength size) can be realized. This means that the larger the structure efficiency factor α, the thinner the circular dichroic element can be realized.
The circular dichroic element can be evaluated in a multifaceted and comprehensive manner by the circular dichroism degree σ, the efficiency factor ε, and the structural efficiency factor α.

円二色性に関しては、絶縁体材料または半導体材料における固有の円二色性や、それらに磁性イオンを微量ドープした固体媒体における円二色性に関して多くの研究例がある。しかし、円二色性度σが0.5を超えるようなコントラストの大きな円二色性素子に関する研究例はほとんどない。 Regarding the circular dichroism, there are many research examples regarding the circular dichroism inherent in an insulator material or a semiconductor material and the circular dichroism in a solid medium in which a magnetic ion is slightly doped. However, there are almost no studies on circular dichroic elements having a large contrast such that the circular dichroism σ exceeds 0.5.

また、センチメートルオーダーまで厚くした円二色性素子の研究例は多く、例えば、波長λが500×10−9mの光に対する厚さdが1×10−2mの円二色性素子であって、構造の効率化因子αが5×10−5と極めて小さな値をとり、光の波長に比べてはるかに厚い。一方で円二色性素子の研究例はあるが、厚さをサブ波長サイズに薄くした円二色性素子の研究例はほとんどない。
光デバイスの極小化を進めて、マイクロチップ等へ組み込んで、多機能、低消費電力なマイクロ光デバイスを実現するために、光の波長より薄い円二色性素子の実現が求められている。
In addition, there are many research examples of circular dichroic elements that are thick to the centimeter order. For example, a circular dichroic element having a thickness d of 1 × 10 −2 m for light having a wavelength λ of 500 × 10 −9 m. Therefore, the efficiency factor α of the structure takes a very small value of 5 × 10 −5 and is much thicker than the wavelength of light. On the other hand, there are research examples of circular dichroic elements, but there are few research examples of circular dichroic elements in which the thickness is reduced to the sub-wavelength size.
In order to achieve miniaturization of optical devices and incorporate them into microchips to realize multifunctional and low power consumption micro optical devices, it is required to realize circular dichroic elements thinner than the wavelength of light.

更に、−100℃以下の極低温で行われた円二色性の研究例は多いが、室温の実用環境下では円二色性が見いだしにくく、特に、可視光、近赤外光域を含む光学波長域において、実用に資する円二色性素子に関する研究例はほとんどない。 Furthermore, there are many research examples of circular dichroism performed at an extremely low temperature of −100 ° C. or lower, but circular dichroism is difficult to be found in a practical environment at room temperature, and particularly includes visible light and near infrared light regions. There are few research examples on circular dichroic elements that contribute to practical use in the optical wavelength region.

円二色性素子としては、例えば、特許文献1に記載の素子がある。
特許文献1は、「円二色性を持つ媒体測定表面プラズモン共鳴センサー、円二色性測定法及び測定装置」に関するものであり、異方的なプラズモン共鳴を利用した円二色性素子の発明が開示されている。発明の対象は、透過配置ではなく、反射配置での円二色性が主である。一般に、プラズモン共鳴はサブ波長サイズの素子作製に関連づけられるが、特許文献1では実証的な数値計算または実験による裏づけがなく、実効性は明らかでない。また、開示の素子は円二色性度が0.2以下と見積もることができ、円二色性素子としての機能が小さい。
As a circular dichroic element, there is an element described in Patent Document 1, for example.
Patent Document 1 relates to “medium measurement surface plasmon resonance sensor having circular dichroism, circular dichroism measurement method and measurement apparatus”, and invention of a circular dichroic element using anisotropic plasmon resonance Is disclosed. The subject of the invention is mainly circular dichroism in a reflective arrangement, not a transmissive arrangement. In general, plasmon resonance is related to the fabrication of sub-wavelength sized devices, but Patent Document 1 does not have proof by numerical calculations or experiments, and its effectiveness is not clear. Further, the disclosed element can be estimated to have a circular dichroism degree of 0.2 or less, and its function as a circular dichroic element is small.

非特許文献4には、サブ波長サイズの波長板を可能にする構造体が記載されている。屈折率が極端に大きな異方性をもつ電磁波媒体で、このようなサブ波長サイズの波長板を可能にすることを示している。この波長板は、実施例の円二色性素子を実現するための一要素である。
とくに1/4波長板が円偏光に対しては有用である。1/4波長板とは、入射円偏光を透過させたのちに直線偏光に変換する素子のことである。
非特許文献4で示したようなサブ波長サイズの1/4波長板は、入射波長に対して前記定義を満たすように厚さを最適化することによって得られる。したがって、1/4波長板の厚さは入射円偏光を透過させたのちに直線偏光に変換する最適な厚さに定まる。
通常の1/4波長板は光学結晶を板状に切り出し、光学研磨することによって作製され、可視光(典型的な波長は500nm)用の1/4波長板は厚さが1mm以上である。
また、1/4波長板では、厚さがサブ波長であるか否かにかかわらず、面内に電磁波の位相速度が最も早い軸(先進軸)と最も遅い軸(遅延軸)が存在し、互いに直交する。前記性質を表す式は実施形態で後述する式(4)と式(5)であり、式(3)で示すジョーンズ行列が1/4波長板を表している。
1/4波長板においては、入射光が右回り、左回り円偏光のいずれである場合にも透過率は同じであり、透過光はともに直線偏光になり、互いに直交する偏光の向きを示す。円二色性度σの値は0になり、1/4波長板は円二色性のない素子である。
Non-Patent Document 4 describes a structure that enables a sub-wavelength sized wave plate. It shows that a wave plate having such a sub-wavelength size is made possible by an electromagnetic wave medium having an extremely large anisotropy in refractive index. This wave plate is one element for realizing the circular dichroic element of the embodiment.
In particular, a quarter wave plate is useful for circularly polarized light. A quarter-wave plate is an element that transmits incident circularly polarized light and then converts it to linearly polarized light.
A quarter-wave plate having a sub-wavelength size as shown in Non-Patent Document 4 can be obtained by optimizing the thickness so as to satisfy the above definition with respect to the incident wavelength. Therefore, the thickness of the quarter wave plate is determined to be an optimum thickness for transmitting incident circularly polarized light and then converting it to linearly polarized light.
A normal quarter-wave plate is produced by cutting an optical crystal into a plate shape and optically polishing, and a quarter-wave plate for visible light (typical wavelength is 500 nm) has a thickness of 1 mm or more.
In addition, in the quarter-wave plate, regardless of whether the thickness is a sub-wavelength, the axis with the fastest phase velocity (advanced axis) and the slowest axis (delay axis) exist in the plane, Orthogonal to each other. The formulas representing the properties are formulas (4) and (5) described later in the embodiment, and the Jones matrix represented by formula (3) represents a quarter-wave plate.
In the quarter-wave plate, the transmittance is the same regardless of whether the incident light is clockwise or counterclockwise circularly polarized light, and the transmitted light is both linearly polarized light, indicating the directions of polarized light orthogonal to each other. The value of the circular dichroism σ is 0, and the quarter wave plate is an element having no circular dichroism.

非特許文献5には、螺旋状の金属コイルをマイクロメートルサイズで作製してなる円二色性素子が記載されている。具体的には、金の螺旋型構造を周期的に並べて作った円二色性素子であって、赤外光域においてはマイクロ波領域で発見された構造を使って素子を構成することができるという経験則にもとづいて構造設計を行い、作製されたものである。金属の誘電率が赤外光とは大きく異なるため、この構造は可視光、近赤外光域で円二色性を有効に発現させることはできず、透過平面波の偏光操作性も有しない。 Non-Patent Document 5 describes a circular dichroic element formed by producing a spiral metal coil in a micrometer size. Specifically, it is a circular dichroic element formed by periodically arranging gold spiral structures, and the element can be configured using a structure found in the microwave region in the infrared light region. Based on this empirical rule, the structure was designed and produced. Since the dielectric constant of the metal is significantly different from that of infrared light, this structure cannot effectively exhibit circular dichroism in the visible light and near infrared light regions, and does not have the polarization operability of transmitted plane waves.

この円二色性素子は、波長3μm以上の赤外光域の入射円偏光の回転向きによって共鳴状態を励起する・しないことを選択できる。共鳴状態を励起する入射円偏光の場合には光はコイルに吸収されて透過せず、共鳴状態を励起しない入射円偏光の場合には光が素通りして、90%程度の透過率が得られる。これにより、円二色性度σが1に近い円二色性素子とすることができる。 This circular dichroic element can select whether or not to excite a resonance state depending on the rotation direction of incident circularly polarized light in an infrared light region having a wavelength of 3 μm or more. In the case of incident circularly polarized light that excites the resonance state, light is absorbed by the coil and does not pass through. In the case of incident circularly polarized light that does not excite the resonance state, light passes through and a transmittance of about 90% is obtained. . Thereby, a circular dichroic element having a circular dichroism degree σ close to 1 can be obtained.

しかし、この設計は次の2点で可視光、近赤外光域では有効でない。第1に、コイルを作る金属(非特許文献5では金)の誘電率が光吸収成分を多く含み、どの入射円偏光に対しても光が吸収されてしまう。第2に、コイル構造の共鳴状態にはカットオフ(波長の下限)があるため、金属コイルをより小さなサイズで作ることで共鳴状態が起こる波長を可視光や近赤外光域にもってくることができない。 However, this design is not effective in the visible light and near infrared light regions in the following two points. First, the dielectric constant of the metal forming the coil (gold in Non-Patent Document 5) contains a large amount of light absorption components, and light is absorbed for any incident circularly polarized light. Secondly, since the resonance state of the coil structure has a cutoff (lower limit of wavelength), the wavelength at which the resonance state occurs can be brought into the visible light or near infrared light region by making the metal coil with a smaller size. I can't.

非特許文献6には、近赤外光域における円二色性素子が記載されている。
この素子は十字形の同じ形状の微小金属片を直接接しないように薄膜層をサンドイッチ状に挟んで、ねじり角をつけて積層する構造を有している。前記薄膜層を挟みながら十字状の同じ構造物を重ねる際に、ねじり角をつけることで円二色性の発現を可能にしている。
Non-Patent Document 6 describes a circular dichroic element in the near-infrared light region.
This element has a structure in which thin film layers are sandwiched so as not to directly contact fine metal pieces having the same shape in a cross shape and laminated with a twist angle. When the same cross-shaped structure is stacked with the thin film layer interposed therebetween, circular dichroism can be expressed by providing a twist angle.

非特許文献6の円二色性度σは最大0.4であり、そのときの透過率が7%であり、効率因子εは2.8と非常に小さく、実用には向かない。実際、円二色性素子としては暗い。
また、透過平面波の偏光は入射平面波とほぼ同じ円偏光であり、直線偏光や入射平面波の円偏光と反対回りにする操作はできず、微小金属片の共鳴状態を使っているので、光吸収が大きく、透過率を大きくすることは望めない難点がある。
The circular dichroism degree σ of Non-Patent Document 6 is a maximum of 0.4, the transmittance at that time is 7%, and the efficiency factor ε is as small as 2.8, which is not suitable for practical use. In fact, it is dark as a circular dichroic element.
Also, the polarization of the transmitted plane wave is almost the same as the incident plane wave and cannot be rotated in the opposite direction to the linearly polarized wave or the incident plane wave. Large, there is a difficulty that can not be expected to increase the transmittance.

このように、従来の円二色性素子は、0.75以上の円二色性度σかつ25以上の効率因子εを有すること、円二色性素子の厚さを光の波長よりも薄くすること、透過平面波の偏光状態を直線偏光または右回り若しくは左回りの円偏光に制御することが困難であるという課題があった。 Thus, the conventional circular dichroic element has a circular dichroism degree σ of 0.75 or more and an efficiency factor ε of 25 or more, and the thickness of the circular dichroic element is thinner than the wavelength of light. Therefore, there is a problem that it is difficult to control the polarization state of the transmitted plane wave to linearly polarized light or clockwise or counterclockwise circularly polarized light.

特開2009−210495号公報JP 2009-210495 A

L.Li,“New formulation of the Fourier modal method for crossed surface−relief gratings,”J.Opt.Soc.Am.A,Vol.14,p.2758-2767(1997).L. Li, "New formulation of the Fourier modal method for crossed surface-relief gratings," J. Opt. Soc. Am. A, Vol. 14, p. 2758-2767 (1997). L.Li,“Formulation and comparison of two recursive matrix algorithm for modeling layered diffraction gratings,”J.Opt.Soc.Am.A,Vol.13,p.1024-1035(1996).L. Li, “Formation and comparison of two recursive matrix algorithm for layered diffractive gratings,” J. Am. Opt. Soc. Am. A, Vol. 13, p. 1024-1035 (1996). A.D.Rakic,A.B.Djurusic,J.M.Elazar,and M.L.Majewski,“Optical properties of metallic films for vertical−cavity optoelectronic devices,”Appl.Opt.,Vol.37,5271-5283(1988).A. D. Rakic, A .; B. Djurusic, J.A. M.M. Elazar, and M.M. L. Majewski, “Optical properties of metallic films for vertical-cavity optoelectronic devices,” Appl. Opt. , Vol. 37, 5271-5283 (1988). M.Iwanaga,“Ultracompact waveplates:Approach from metamaterials,”Appl.Phys.Lett.,Vol.92,153102(2008).M.M. Iwanaga, “Ultracompact waveplates: Approach from materials,” Appl. Phys. Lett. , Vol. 92, 153102 (2008). J.K.Gansel,M.Thiel,M.S.Decker,K.Bade,V.Saile,G.von Freymann,S.Linden,and M.Wegener,“Gold Helix Photonic Metamaterial as Broadband Circular Polarizer,”Science,Vol.325,p.1513-1515(2009).J. et al. K. Gansel, M.M. Thiel, M.M. S. Decker, K.M. Bade, V .; Sail, G. et al. von Freymann, S.M. Linden, and M.M. Wegener, “Gold Helix Photometric Material as Broadband Circular Polarizer,” Science, Vol. 325, p. 1513-1515 (2009). M.Decker,M.Ruther,C.E.Kriegler,J.Zhou,C.M.Soukoulis,S.Linden,and M.Wegener,“Strong optical activity from twisted−cross photonic metamaterials,”Opt.Lett.,Vol.34,p.2501-2503(2009).M.M. Decker, M.M. Ruther, C.I. E. Kriegler, J. et al. Zhou, C.I. M.M. Soukoulis, S .; Linden, and M.M. Wegener, “Strong optical activity from twisted-cross photomaterials,” Opt. Lett. , Vol. 34, p. 2501-2503 (2009). M.Iwanaga,A.S.Vengurlekar,T.Hatano,and T.Ishihara,“Reciprocal transmittances and reflectances:An elementary proof,” Am.J.Phys.Vol.75,p.899−903(2007).M.M. Iwanaga, A .; S. Vengurkar, T .; Hatano, and T.M. Ishihara, “Reciprocal transmitters and references: An elementary profile,” Am. J. et al. Phys. Vol. 75, p. 899-903 (2007). M.Iwanaga,“Polarization−selective transmission in stacked two−dimensional complementary plasmonic crystal slabs,” Appl.Phys.Lett.Vol.96,083106(2010).M.M. Iwanaga, “Polarization-selective transmission in stacked two-dimensional complementary complementary slabs,” Appl. Phys. Lett. Vol. 96,083106 (2010). E.D.Palik,Handbook of Optical Constants of Solids II,Academic Press,San Diego,1991.E. D. Palik, Handbook of Optical Constants of Solids II, Academic Press, San Diego, 1991.

本発明は、0.75以上の円二色性度σかつ25以上の効率因子εを有し、入射平面波の波長よりも薄い厚さであって、透過平面波の偏光状態を直線偏光または入射円偏光と反対回り若しくは同じ回りの円偏光に制御可能な円二色性素子を提供することを課題とする。 The present invention has a circular dichroism degree σ of 0.75 or more and an efficiency factor ε of 25 or more, a thickness smaller than the wavelength of the incident plane wave, and the polarization state of the transmitted plane wave is linearly polarized or incident circle. It is an object of the present invention to provide a circular dichroic element which can be controlled to circularly polarized light opposite to or in the same direction as polarized light.

電磁気学に関する現象を正確に表す方程式として認知されているマクスウェル方程式の解は周期的構造体における電磁現象ついても正確に再現できることはすでに周知である。
電磁波が周期構造体を透過するときの透過率、透過平面波の偏光ベクトルを算出することが本発明における重要な手法であるから、以下、文献について述べる。
周期的な配列からなる構造体におけるマクスウェル方程式をフーリエ変換した形に書き換えて解くことが適している。例えば、非特許文献1には、具体的にマクスウェル方程式をフーリエ変換した形に書き換えた表式が記載されており、書き換えた方程式を数値的に高速・高精度に解くためのアルゴリズムが記載されている。この方法を用いることによって、入射平面波を周期構造体に照射したときに誘起される固有モードのマクスウェル方程式の解を正確に知ることができる。
また、非特許文献2には、周期的な配列からなる層におけるマクスウェル方程式の解が求められたとき、その解を用いて、積層構造体の透過率や反射率を安定的に数値計算する散乱行列法のアルゴリズムと具体的な表式が系統的に記載されている。
非特許文献1,2の方法を組み合わせることにより、周期的な配列からなる層が任意に積層した構造体の透過率、反射率をマクスウェル方程式からの直接の帰結として算出することが可能になる。したがって、これらの方法から算出した結果は電磁気学において最も信頼できる結果であり、多数の実験との比較からそれらの結果の妥当性もすでに周知の事実である。
とくに、金属を含む周期構造体の平面電磁波に対する透過率の実験値を再現性よく、前記計算方法によって示した文献として、たとえば非特許文献7、8が挙げられる。非特許文献7、8には、金属を含む周期的構造体の透過率に関する実験値と前記方法による計算値があり、周期構造体の周期長が入射平面波の波長に対してサブ波長である範囲において、±5%以下の誤差の範囲内で一致している。よって、本願の構成で得られた計算値も、同様の誤差の範囲内の実験値が得られると推察される。実験値との誤差の主な原因は実際に作製する構造が加工精度に応じて、設計からずれていることであると考えられている。
前記計算方法で得た透過平面波の任意に定めた時間における電場ベクトルを進行方向に沿って、算出することにより、透過平面波の偏光ベクトルが得られる。この方法については、非特許文献4にもすでに記載がある。
また、非特許文献3には、実験的に測定された銀の誘電率をBrendel−Bardenモデルによって統一的にフィッティングして広い波長域にわたる誘電率が記載されている。
It is well known that the solution of the Maxwell equation, which is recognized as an equation that accurately represents phenomena related to electromagnetism, can be accurately reproduced even for electromagnetic phenomena in periodic structures.
Since calculating the transmittance when electromagnetic waves pass through the periodic structure and the polarization vector of the transmitted plane wave is an important technique in the present invention, the literature will be described below.
It is suitable to rewrite Maxwell's equations in a structure consisting of a periodic array into a form obtained by Fourier transform. For example, Non-Patent Document 1 describes a table expression in which Maxwell's equations are specifically rewritten into a Fourier transform, and describes an algorithm for solving the rewritten equations numerically at high speed and with high accuracy. Yes. By using this method, it is possible to accurately know the solution of the Maxwell equation of the eigenmode induced when the periodic plane body is irradiated with the incident plane wave.
In Non-Patent Document 2, when a solution of Maxwell's equations in a layer composed of a periodic array is obtained, scattering is used to stably calculate the transmittance and reflectance of the laminated structure using the solution. Matrix algorithm and specific expressions are described systematically.
By combining the methods of Non-Patent Documents 1 and 2, it becomes possible to calculate the transmittance and reflectance of a structure in which layers having a periodic arrangement are arbitrarily stacked as a direct result from the Maxwell equation. Therefore, the results calculated from these methods are the most reliable results in electromagnetics, and the validity of these results is already well known from comparison with many experiments.
In particular, Non-Patent Documents 7 and 8 are cited as documents showing experimental values of transmittance with respect to a plane electromagnetic wave of a periodic structure including a metal with good reproducibility by the calculation method. Non-Patent Documents 7 and 8 have experimental values related to the transmittance of periodic structures containing metal and values calculated by the above method, and the range in which the periodic length of the periodic structures is a subwavelength with respect to the wavelength of the incident plane wave In FIG. 5, the values agree within an error range of ± 5% or less. Therefore, it is presumed that the calculated value obtained with the configuration of the present application can also be obtained as an experimental value within the same error range. It is considered that the main cause of the error from the experimental value is that the structure actually produced deviates from the design according to the processing accuracy.
By calculating an electric field vector at an arbitrarily determined time of the transmitted plane wave obtained by the calculation method along the traveling direction, a polarization vector of the transmitted plane wave can be obtained. This method has already been described in Non-Patent Document 4.
Non-Patent Document 3 describes a dielectric constant over a wide wavelength range by fitting the dielectric constant of silver measured experimentally by the Brendel-Barden model.

本願発明者は、非特許文献1、2に記載の計算及び非特許文献3に記載の銀の誘電率を利用して、前記課題を解決できる可能性があることに発見して、本発明を完成した。本発明は、以下の構成を有する。   The inventor of the present application has discovered that there is a possibility that the above problem can be solved by using the calculations described in Non-Patent Documents 1 and 2 and the dielectric constant of silver described in Non-Patent Document 3. completed. The present invention has the following configuration.

本発明の円二色性素子は、1/4波長板と異方的透過板との積層構造を有し、サブ波長の厚さの円二色性素子であって、前記1/4波長板が400nm以上1600nm以下の波長領域から選択される一の平面波の円偏光を直線偏光に変換可能であり、前記異方的透過板が前記一の平面波の直線偏光方向に高透過率軸を有していることを特徴とする。 The circular dichroic element of the present invention is a circular dichroic element having a laminated structure of a quarter-wave plate and an anisotropic transmission plate and having a sub-wavelength thickness, wherein the quarter-wave plate Can convert circular polarization of one plane wave selected from a wavelength region of not less than 400 nm and not more than 1600 nm into linear polarization, and the anisotropic transmission plate has a high transmittance axis in the linear polarization direction of the one plane wave. It is characterized by.

本発明の円二色性素子は、前記異方的透過板の高透過率軸が、前記1/4波長板の先進軸に対して45度の角度をなしていることが好ましい。
本発明の円二色性素子は、前記1/4波長板が電磁波透過部材と負誘電率部材とからなり、前記1/4波長板の一面側で、前記負誘電率部材が平行かつ間隔を一定にして配置された複数のラインを形成しており、前記ラインの延伸方向が前記1/4波長板の先進軸方向とされていることが好ましい。
In the circular dichroic element of the present invention, it is preferable that the high transmittance axis of the anisotropic transmission plate forms an angle of 45 degrees with respect to the advanced axis of the quarter wavelength plate.
In the circular dichroic element of the present invention, the quarter wavelength plate is composed of an electromagnetic wave transmitting member and a negative dielectric constant member, and the negative dielectric constant member is parallel and spaced apart on one side of the quarter wavelength plate. It is preferable that a plurality of lines arranged in a constant manner are formed, and the extending direction of the lines is the advanced axis direction of the quarter-wave plate.

本発明の円二色性素子は、前記異方的透過板が、電磁波透過部材と負誘電率部材とからなり、前記異方的透過板の一面側で、前記負誘電率部材が同一の大きさの複数の四角形状であり、隣接する前記負誘電率部材の頂角同士を近接させ、一方向に並べて配置して形成した複数のラインが、それぞれ平行かつ間隔を一定にして配置されていること、または、前記異方的透過板の一面側で、前記負誘電率部材が平行かつ間隔一定にして配置された複数のラインを形成して配置されていることが好ましい。
本発明の円二色性素子は、前記負誘電率部材が金属であることが好ましい。
本発明の円二色性素子は、前記電磁波透過部材が、前記一の平面波の透過率が70%以上の材料であることが好ましい。
In the circular dichroic element of the present invention, the anisotropic transmission plate includes an electromagnetic wave transmission member and a negative dielectric constant member, and the negative dielectric constant member has the same size on one side of the anisotropic transmission plate. The plurality of lines formed by arranging the apex angles of the adjacent negative dielectric constant members close to each other and arranging them in one direction are arranged in parallel and at a constant interval. In addition, it is preferable that the negative dielectric constant member is arranged on one side of the anisotropic transmission plate so as to form a plurality of lines arranged in parallel and at constant intervals.
In the circular dichroic element of the present invention, the negative dielectric constant member is preferably a metal.
In the circular dichroic element of the present invention, the electromagnetic wave transmitting member is preferably a material having a transmittance of 70% or more for the one plane wave.

本発明の円二色性素子は、前記異方的透過板の前記1/4波長板の反対側の面に別の1/4波長板が積層されていることが好ましい。
本発明の円二色性素子は、前記1/4波長板及び前記別の1/4波長板の先進軸が平行となるように、前記別の1/4波長板が積層されていることが好ましい。
本発明の円二色性素子は、前記1/4波長板及び前記別の1/4波長板の先進軸が直交するように、前記別の1/4波長板が積層されていることが好ましい。
In the circular dichroic element of the present invention, it is preferable that another quarter-wave plate is laminated on the opposite surface of the anisotropic transmission plate to the quarter-wave plate.
In the circular dichroic element of the present invention, the other quarter-wave plate may be laminated such that the advanced axes of the quarter-wave plate and the other quarter-wave plate are parallel to each other. preferable.
In the circular dichroic element of the present invention, the other quarter-wave plate is preferably laminated such that the advanced axes of the quarter-wave plate and the other quarter-wave plate are orthogonal to each other. .

本発明の円二色性素子は、1/4波長板と異方的透過板との積層構造を有し、サブ波長の厚さの円二色性素子であって、前記1/4波長板が400nm以上1600nm以下の波長領域から選択される一の平面波の円偏光を直線偏光に変換可能であり、前記異方的透過板が前記一の平面波の直線偏光方向に高透過率軸を有している構成なので、400nm以上1600nm以下の波長領域から選択される一の平面波を入射・透過させて透過平面波に円二色性を生じさせることができ、0.75以上の円二色性度σかつ25以上の効率因子εを有し、透過平面波の偏光状態を直線偏光または入射円偏光と反対回り若しくは同じ回りの円偏光に制御可能な円二色性素子を提供することができる。また、サブ波長の厚さの円二色性素子とする構成なので、マイクロチップ等に組み込みが容易となり、光―光変換デバイス、光―電気変換デバイス、電気―光変換デバイス等をより小型化、多機能化、低消費電力化することができる。 The circular dichroic element of the present invention is a circular dichroic element having a laminated structure of a quarter-wave plate and an anisotropic transmission plate and having a sub-wavelength thickness, wherein the quarter-wave plate Can convert circular polarization of one plane wave selected from a wavelength region of not less than 400 nm and not more than 1600 nm into linear polarization, and the anisotropic transmission plate has a high transmittance axis in the linear polarization direction of the one plane wave. Therefore, one plane wave selected from a wavelength region of 400 nm or more and 1600 nm or less can be incident and transmitted to generate circular dichroism in the transmitted plane wave, and a circular dichroism degree σ of 0.75 or more. In addition, it is possible to provide a circular dichroic element having an efficiency factor ε of 25 or more and capable of controlling the polarization state of the transmitted plane wave to circularly polarized light opposite to or the same as linearly polarized light or incident circularly polarized light. In addition, since it is a circular dichroic element with a sub-wavelength thickness, it can be easily incorporated into microchips, etc., and light-to-light conversion devices, light-to-electric conversion devices, and electricity-to-light conversion devices can be made smaller. Multifunctionality and low power consumption can be achieved.

本発明の円二色性素子の一例を示す図であって、2層型円二色性素子の概略図である。It is a figure which shows an example of the circular dichroic element of this invention, Comprising: It is the schematic of a two-layer type circular dichroic element. 図1に示す円二色性素子の側面図である。It is a side view of the circular dichroic element shown in FIG. 1/4波長板の単位面の平面図である。It is a top view of the unit surface of a quarter wavelength plate. 異方的透過板の単位面の平面図である。It is a top view of the unit surface of an anisotropic transmission board. 本発明の円二色性素子の別の一例を示す図であって、第1の3層型円二色性素子の概略図である。It is a figure which shows another example of the circular dichroic element of this invention, Comprising: It is the schematic of a 1st 3 layer type | mold circular dichroic element. 本発明の円二色性素子の更に別の一例を示す図であって、第2の3層型円二色性素子の概略図である。It is a figure which shows another example of the circular dichroic element of this invention, Comprising: It is the schematic of a 2nd 3 layer type | mold circular dichroic element. 別の1/4波長板の単位面の平面図である。It is a top view of the unit surface of another quarter wavelength plate. 2層型円二色性素子の透過スペクトルの計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the transmission spectrum of a two-layer type circular dichroic element. 2層型円二色性素子の円二色性度スペクトルの計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the circular dichroism degree spectrum of a two-layer type circular dichroic element. 2層型円二色性素子の透過平面波の偏光状態の計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the polarization state of the transmission plane wave of a two layer type circular dichroic element. 直線偏光下における異方的透過板(厚さ210nm)単層の透過スペクトルの計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the transmission spectrum of an anisotropic transmission board (thickness 210nm) single layer under linearly polarized light. 第1の3層型円二色性素子の透過スペクトルの計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the transmission spectrum of a 1st 3 layer type circular dichroic element. 第1の3層型円二色性素子の円二色性度スペクトルの計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the circular dichroism degree spectrum of a 1st 3 layer type | mold circular dichroism element. 第1の3層型円二色性素子の透過平面波の偏光状態の計算結果を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the calculation result of the polarization state of the transmission plane wave of a 1st 3 layer type | mold circular dichroism element. 第1の3層型円二色性素子の透過平面波の偏光状態の計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the polarization state of the transmission plane wave of the 1st 3 layer type circular dichroism element. 第2の3層型円二色性素子の透過スペクトルの計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the transmission spectrum of the 2nd 3 layer type circular dichroism element. 第2の3層型円二色性素子の円二色性度スペクトルの計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the circular dichroism degree spectrum of the 2nd 3 layer type circular dichroic element. 第2の3層型円二色性素子の透過平面波の偏光状態の計算結果を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the calculation result of the polarization state of the transmission plane wave of the 2nd 3 layer type circular dichroic element. 異方的透過板の単位面の平面図である。It is a top view of the unit surface of an anisotropic transmission board. 異方的透過板の単位面の平面図である。It is a top view of the unit surface of an anisotropic transmission board. 単位面31をもつ層構造が厚さ100nmのときの透過平面波の偏光状態の計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the polarization state of a transmission plane wave when the layer structure which has the unit surface 31 is 100 nm in thickness. 厚さが最適化されていない2層型円二色性素子の透過スペクトルである。It is a transmission spectrum of a two-layer type circular dichroic element whose thickness is not optimized. 左回り円偏光の定義を示す概略図である。It is the schematic which shows the definition of counterclockwise circularly polarized light. 右回り円偏光の定義を示す概略図である。It is the schematic which shows the definition of clockwise rotation polarization | polarized-light. 円二色性の一例を示す概念図である。It is a conceptual diagram which shows an example of circular dichroism.

(本発明の第1の実施形態:2層型円二色性素子)
まず、本発明の第1の実施形態である円二色性素子について説明する。
本発明の2層型素子が入射円偏光を透過した後、直線偏光にする機能発現機構は以下のようにジョーンズ行列を使って示すことができる。
ジョーンズ行列法は、透過光学素子の性質を表現する方法として、光学の中で既に確立されたものである。特に、素子に対して垂直に光が入射する場合に適した方法である。
直交座標xyz軸が与えられたときに、素子の入射面がxy平面と平行で、入射光の進行方向が−z軸向きであるように素子と入射光を設定する。
光の電場成分(Ex,Ey)を基底ベクトルにとり、これをジョーンズベクトルと呼ぶ。この基底ベクトルによって、光学素子の透過特性を2×2行列として表現することができ、これをジョーンズ行列と呼ぶ。光の位相も含めて表現するために、ジョーンズベクトル、ジョーンズ行列ともに複素数値である。
(First embodiment of the present invention: two-layer circular dichroic element)
First, the circular dichroic element which is the 1st Embodiment of this invention is demonstrated.
The function manifestation mechanism for making linearly polarized light after the two-layer element of the present invention transmits incident circularly polarized light can be shown using the Jones matrix as follows.
The Jones matrix method has already been established in optics as a method for expressing the properties of transmissive optical elements. In particular, this method is suitable when light is incident perpendicular to the element.
When the orthogonal coordinate xyz axis is given, the element and the incident light are set so that the incident surface of the element is parallel to the xy plane and the traveling direction of the incident light is the -z axis.
An electric field component (Ex, Ey) of light is taken as a basis vector, which is called a Jones vector. With this basis vector, the transmission characteristics of the optical element can be expressed as a 2 × 2 matrix, which is called the Jones matrix. Both the Jones vector and the Jones matrix are complex values to represent the light phase.

まず、右回り円偏光のジョーンズベクトルJは式(1)のように表すことができる。同様に、左回り円偏光のジョーンズベクトルJは式(2)のように表すことができる。ここで、虚数単位はiと表すとともに、ジョーンズベクトルは絶対値の大きさが1に規格化されている(以下、同じ)。 First, Jones vector JR of clockwise circular polarization can be expressed as shown in Equation (1). Similarly, Jones vector J L of the left-handed circularly polarized light can be expressed by the equation (2). Here, the imaginary unit is represented by i, and the Jones vector is standardized to have an absolute value of 1 (hereinafter the same).

次に、1/4波長板の先進軸がx軸と平行、遅延軸がy軸と平行になるように配置するとき、対応するジョーンズ行列Lは式(3)と表される。 Next, when the advanced axis of the quarter-wave plate is arranged so that it is parallel to the x-axis and the delay axis is parallel to the y-axis, the corresponding Jones matrix L 1 is expressed as equation (3).

一般に、ジョーンズ行列にジョーンズベクトルをかけると、積の結果は透過光のジョーンズベクトルを表す。かけたジョーンズベクトルが入射光の偏光を表している。
式(3)が1/4波長板を表すジョーンズ行列であることはつぎのように確認できる。前記のように、1/4波長板の定義は円偏光を直線偏光に変換することである。ジョーンズ行列Lに右回り円偏光のジョーンズベクトルJ及び左回り円偏光のジョーンズベクトルJをかけると、式(4)及び式(5)から分かるように、それぞれ直線偏光に変換する。なお、式(4)の右辺は(1,1)方向に直線偏光したジョーンズベクトルを表し、式(5)の右辺は(−1,1)方向に直線偏光したジョーンズベクトルを表している。2つの1次独立なジョーンズベクトルJとJに対して、式(4)と式(5)を満たすジョーンズ行列は一意に決まり、その表式が式(3)である。以上のように、式(3)は1/4波長板を表すジョーンズ行列である。
また、右回り円偏光、左回り円偏光が1/4波長板によって変換されて得られた直線偏光は互いに直交することが式(4)と式(5)から分かる。
In general, when the Jones matrix is multiplied by the Jones matrix, the product result represents the Jones vector of transmitted light. The applied Jones vector represents the polarization of the incident light.
It can be confirmed as follows that Expression (3) is a Jones matrix representing a quarter-wave plate. As described above, the definition of the quarter wave plate is to convert circularly polarized light into linearly polarized light. When the Jones matrix L 1 applying a Jones vector J L of the right-handed circularly polarized light of the Jones vector J R and the left-handed circularly polarized light, as can be seen from equation (4) and (5), is converted into linearly polarized light, respectively. The right side of Expression (4) represents a Jones vector linearly polarized in the (1, 1) direction, and the right side of Expression (5) represents a Jones vector linearly polarized in the (-1, 1) direction. Against two linearly independent Jones vector J R and J L, Jones matrix satisfying Equation (4) Equation (5) is uniquely determined, the table type is an expression (3). As described above, Equation (3) is a Jones matrix that represents a quarter-wave plate.
It can also be seen from the equations (4) and (5) that the linearly polarized light obtained by converting the clockwise circularly polarized light and the counterclockwise circularly polarized light by the quarter wavelength plate is orthogonal to each other.

次に、異方的透過板を表すジョーンズ行列Lは式(6)と表される。ただし、高透過率軸がベクトル(1,1)と平行、低透過率軸がベクトル(−1,1)と平行になるように配置するものとする。 Next, the Jones matrix L 2 representing the anisotropic transparent plate is expressed by equation (6). However, it is assumed that the high transmittance axis is parallel to the vector (1, 1) and the low transmittance axis is parallel to the vector (-1, 1).

式(6)が異方的透過板であることを以下のように確認できる。式(6)のジョーンズ行列に(1,1)方向の直線偏光を表すジョーンズベクトルを作用させると、式(7)から分かるように、入射偏光と同じジョーンズベクトルが透過平面波の偏光状態を表す。つまり、(1,1)方向が高透過率軸であり、その透過率は100%である。一方、式(8)は入射平面波が直線偏光であり、(−1,1)方向のときに対応しており、その透過平面波はゼロベクトル、つまり透過率0%であることを表している。したがって、(−1,1)方向が低透過率軸である。2つの1次独立なジョーンズベクトルに対して、式(7)と式(8)を満たす行列成分の比は式(6)で表される行列に一意に定まることから、式(6)が異方的透過板を表すジョーンズ行列であることが確かめられた。 It can be confirmed that the expression (6) is an anisotropic transmission plate as follows. When a Jones vector representing linearly polarized light in the (1, 1) direction is applied to the Jones matrix of Equation (6), as can be seen from Equation (7), the same Jones vector as the incident polarized light represents the polarization state of the transmitted plane wave. That is, the (1, 1) direction is the high transmittance axis, and the transmittance is 100%. On the other hand, equation (8) corresponds to the case where the incident plane wave is linearly polarized light and is in the (−1, 1) direction, and indicates that the transmitted plane wave is a zero vector, that is, a transmittance of 0%. Therefore, the (-1, 1) direction is the low transmittance axis. Since the ratio of matrix components satisfying Equations (7) and (8) is uniquely determined by the matrix represented by Equation (6) for two first-order independent Jones vectors, Equation (6) is different. It was confirmed to be a Jones matrix representing a rectangular transmission plate.

以上説明したように、1/4波長板、異方的透過板はそれぞれジョーンズ行列L、ジョーンズ行列Lに対応する効果を有することが明らかになった。
なお、ジョーンズ行列L、ジョーンズ行列Lは、定性的な性質を明示的に示すために、理想化されている。現実の円二色性素子は、反射損失や吸収損失がともない、透過率が100%ではないこともありうるが、円二色性素子の動作原理は定性的に同様に説明できる(以下の説明に関しても同様)。
As described above, it has been clarified that the quarter-wave plate and the anisotropic transmission plate have effects corresponding to the Jones matrix L 1 and the Jones matrix L 2 , respectively.
Note that the Jones matrix L 1 and the Jones matrix L 2 are idealized in order to explicitly show qualitative properties. An actual circular dichroic element has a reflection loss and an absorption loss, and the transmittance may not be 100%, but the operating principle of the circular dichroic element can be explained qualitatively in the same way (the following explanation) The same applies to).

次に、1/4波長板と、異方的透過板を積層した2層型円二色性素子のジョーンズ行列Mは、ジョーンズ行列Lに左からLをかけることで得られる。ジョーンズ行列の積は層構造の積層に対応している。ジョーンズ行列Mの具体的な表現は式(9)で示している。 Next, a Jones matrix M 2 of a two-layer circular dichroic element in which a quarter-wave plate and an anisotropic transmission plate are stacked is obtained by multiplying the Jones matrix L 1 by L 2 from the left. The Jones matrix product corresponds to a layered stack. Concrete expression Jones matrix M 2 is shown in equation (9).

式(9)が2層型円二色性素子101を表すジョーンズ行列であることは次のように確認できる。式(10)及び式(11)でそれぞれ右回り円偏光のジョーンズベクトルJ、左回り円偏光のジョーンズベクトルJをそれぞれ作用させると、右回り円偏光に対して透過率100%、左回り円偏光に対して透過率0%となる。2つの1次独立なジョーンズベクトルに対して、式(10)と式(11)を満たす行列成分の比は式(9)で表される行列に一意に定まることから、式(9)が2層型円二色性素子101を表すジョーンズ行列であることが確かめられた。
また、式(10)から分かるように、右回り円偏光下での透過平面波の偏光状態は(1,1)方向の直線偏光である。
It can be confirmed as follows that Expression (9) is a Jones matrix representing the two-layer circular dichroic element 101. When the Jones vector J R of clockwise circular polarization and the Jones vector J L of counterclockwise circular polarization are respectively applied in the expressions (10) and (11), the transmittance is 100% and the counterclockwise rotation with respect to the clockwise circular polarization. The transmittance is 0% for circularly polarized light. Since the ratio of the matrix components satisfying the equations (10) and (11) is uniquely determined by the matrix represented by the equation (9) with respect to two primary independent Jones vectors, the equation (9) is expressed as 2 It was confirmed that the Jones matrix representing the layered circular dichroic element 101 was obtained.
Further, as can be seen from the equation (10), the polarization state of the transmitted plane wave under clockwise circularly polarized light is linearly polarized light in the (1, 1) direction.

以上説明したように、式(9)のジョーンズ行列Mで表される2層型円二色性素子(本発明の円二色性素子101)は、入射円偏光のうち右回り円偏光のみを透過し、透過波を直線偏光にする。
とくに、前記ジョーンズ行列で示した過程では、1/4波長板、異方的透過板の内部構造に依存していない。つまり、本発明の第1の実施形態である2層型円二色性素子は各層が1/4波長板、異方的透過板であるという条件を満たせば成立する普遍的な性質であることが明らかになった。
As described above, Equation (9) 2-layer circular dichroism element represented by the Jones matrix M 2 of (circular dichroism element 101 of the present invention), right-handed circularly polarized light of incident circularly polarized light only And the transmitted wave is converted into linearly polarized light.
In particular, the process shown by the Jones matrix does not depend on the internal structure of the quarter-wave plate or the anisotropic transmission plate. That is, the two-layer circular dichroic element according to the first embodiment of the present invention has a universal property that is established if the conditions that each layer is a quarter-wave plate and an anisotropic transmission plate are satisfied. Became clear.

図1は、本発明の第1の実施形態である円二色性素子の一例を示す概略図である。サブ波長サイズの厚さで円二色性素子を実現するために必要な内部構造まで含めて概略を示している。
図1に示すように、円二色性素子101は、直方体平板状の2層が積層して構成されている円二色性素子である。平面視略矩形状の1/4波長板1と平面視略矩形状の異方的透過板2が積層されることで概略構成されている。異方的透過板2の内部構造が見えるように2つの層の大きさを変えて図示している。
FIG. 1 is a schematic view showing an example of a circular dichroic element according to the first embodiment of the present invention. An outline is shown including an internal structure necessary for realizing a circular dichroic element with a thickness of a sub-wavelength size.
As shown in FIG. 1, the circular dichroic element 101 is a circular dichroic element configured by stacking two rectangular parallelepiped flat layers. The ¼ wavelength plate 1 having a substantially rectangular shape in plan view and the anisotropic transmission plate 2 having a substantially rectangular shape in plan view are stacked to form a schematic configuration. The two layers are shown in different sizes so that the internal structure of the anisotropic transmission plate 2 can be seen.

図1では座標xyzを定義している。1/4波長板1の先進軸、遅延軸が、xy軸に一致するように座標を設定する。このとき、xy面に垂直に入射する平面波は−z向きに進行することになる。前記入射平面波の進行方向を規定するベクトルが波数ベクトル5である。
図2では+x側から円二色性素子101のyz断面を見る配置で1/4波長板1と異方的透過板2を示している。入射平面波が照射する順にxy平面と平行な1/4波長板1の一面1a、他面1bとする。異方的透過板2の一面2a、他面2bとする。1/4波長板1の他面1bと異方的透過板2の一面2aは接するように積層している。
In FIG. 1, coordinates xyz are defined. The coordinates are set so that the advanced axis and delay axis of the quarter-wave plate 1 coincide with the xy axis. At this time, the plane wave incident perpendicularly to the xy plane travels in the −z direction. A vector defining the traveling direction of the incident plane wave is a wave vector 5.
In FIG. 2, the quarter-wave plate 1 and the anisotropic transmission plate 2 are shown in an arrangement in which the yz section of the circular dichroic element 101 is viewed from the + x side. One surface 1a and the other surface 1b of the quarter-wave plate 1 are parallel to the xy plane in the order in which the incident plane wave is irradiated. One side 2a and the other side 2b of the anisotropic transmission plate 2 are used. The other surface 1b of the quarter-wave plate 1 and the one surface 2a of the anisotropic transmission plate 2 are laminated so as to contact each other.

図1において、1/4波長板1は負誘電率部材3aと電磁波透過部材3bとからなり、負誘電率部材3aと電磁波透過部材3bは交互に配列され、界面がy軸と平行になるように配置されている。負誘電率部材3aと電磁波透過部材3bの配列方向はx軸と一致している。
1/4波長板1の一面側で、負誘電率部材3aは平行かつ間隔を一定にして配置された複数のラインを形成している。
In FIG. 1, a quarter-wave plate 1 includes a negative dielectric constant member 3a and an electromagnetic wave transmission member 3b. The negative dielectric constant members 3a and the electromagnetic wave transmission member 3b are alternately arranged so that the interface is parallel to the y-axis. Is arranged. The arrangement direction of the negative dielectric constant member 3a and the electromagnetic wave transmission member 3b coincides with the x axis.
On one surface side of the quarter-wave plate 1, the negative dielectric constant member 3a forms a plurality of lines arranged in parallel and at constant intervals.

図3において、1/4波長板1のxy断面の部分拡大図、とくに単位面31を示している。ここで、単位面とは、xy断面から抽出され、xy面内において隙間なく、かつ重なりなく単位面を隣接して繰り返しならべることにより、元のxy断面全体を構成できる単位のことを言う。
図3の単位面は横lx、縦lyの長さをもち、内部に負誘電率部材3a、電磁波透過部材3bを含んでいる。負誘電率部材3aのx軸方向の長さはtxとされている。単位面31で表される1/4波長板1の内部構造は、各部材の比を、長さtxを変えることで変更できる。図3では、1/4波長板1の先進軸3c、遅延軸3dも示している。前記ラインの延伸方向は、1/4波長板1の先進軸3c方向とされている。
In FIG. 3, a partial enlarged view of the xy section of the quarter-wave plate 1, particularly a unit surface 31 is shown. Here, the unit plane refers to a unit that can be extracted from the xy cross section and can form the entire original xy cross section by repeating the unit planes adjacent to each other without gaps and without overlapping in the xy plane.
The unit surface of FIG. 3 has a length of horizontal lx and vertical ly, and includes a negative dielectric constant member 3a and an electromagnetic wave transmitting member 3b inside. The length of the negative dielectric constant member 3a in the x-axis direction is tx. The internal structure of the quarter-wave plate 1 represented by the unit surface 31 can be changed by changing the length tx. In FIG. 3, the advanced axis 3c and the delay axis 3d of the quarter-wave plate 1 are also shown. The extending direction of the line is the direction of the advanced axis 3 c of the quarter-wave plate 1.

図4において、異方的透過板2のxy断面に関する単位面41を示している。図4の単位面は縦lx、横lyの長さをもち、内部に負誘電率部材4a1、4a2、4a3、4a4、4a5、4a6及び電磁波透過部材4bを含んでいる。負誘電率部材4a1から4a6は平面視四角形状の同一の形状で横sx、縦syの長さをもつ。
図4では、異方的透過板2の高透過率軸4c、低透過率軸4dも示している。
異方的透過板2の高透過率軸4cは、1/4波長板1の先進軸3cに対して45度の角度をなしている。
In FIG. 4, the unit surface 41 regarding the xy cross section of the anisotropic transmission board 2 is shown. The unit surface of FIG. 4 has a length of lx and a width of ly, and includes negative dielectric constant members 4a1, 4a2, 4a3, 4a4, 4a5, 4a6 and an electromagnetic wave transmitting member 4b. The negative dielectric constant members 4a1 to 4a6 have the same shape in a square shape in plan view and have a length of horizontal sx and vertical sy.
In FIG. 4, the high transmittance axis 4c and the low transmittance axis 4d of the anisotropic transmission plate 2 are also shown.
The high transmittance axis 4 c of the anisotropic transmission plate 2 forms an angle of 45 degrees with respect to the advanced axis 3 c of the quarter-wave plate 1.

単位面41で表される異方的透過板2の内部構造は、配列の負誘電率部材4a1から4a6の個数、形状に変更の自由度がある。異方的透過板2の配列の負誘電率部材は同一形状に限定されるわけではない。例えば、正方形の大きさが大小違うものが一列に配列しているようなものでも異方的透過板2になり得る。 The internal structure of the anisotropic transmission plate 2 represented by the unit surface 41 has a degree of freedom in changing the number and shape of the negative dielectric constant members 4a1 to 4a6 in the arrangement. The negative dielectric constant members of the array of anisotropic transmission plates 2 are not limited to the same shape. For example, an anisotropic transmission plate 2 can be formed even if squares having different sizes are arranged in a line.

異方的透過板2は、単位面41がxy平面に周期的に隣接して並んで形成され、負誘電率部材4a1、4a2、4a3、4a4、4a5、4a6が斜めに一直線状となるように配列されている。これにより、ライン状の負誘電率部材4aが形成されている。また、ライン状の負誘電率部材4aは互いに平行に、かつ、配列間隔が等間隔となるように配置されている。
このような規則的構造を有することにより、異方的透過板2は、入射平面波として直線偏光の波を用いた場合、任意の直線偏光の方向の透過率を高くすることができるとともに、その方向から90°回転させた直線偏光の方向の透過率を低くすることができる。例えば、xy面内でベクトル(1,1)と平行な直線偏光の方向の透過率高くすることができるとともに、ベクトル(−1,1)と平行な直線偏光の方向の透過率を低くすることができる。
The anisotropic transmission plate 2 is formed so that the unit surfaces 41 are periodically adjacent to the xy plane, and the negative dielectric constant members 4a1, 4a2, 4a3, 4a4, 4a5, 4a6 are obliquely aligned in a straight line. It is arranged. Thereby, the line-shaped negative dielectric constant member 4a is formed. The line-shaped negative dielectric constant members 4a are arranged in parallel to each other and at equal intervals.
By having such a regular structure, the anisotropic transmission plate 2 can increase the transmittance in the direction of an arbitrary linearly polarized light when a linearly polarized wave is used as the incident plane wave. The transmittance in the direction of linearly polarized light rotated by 90 ° can be lowered. For example, in the xy plane, the transmittance in the direction of linearly polarized light parallel to the vector (1, 1) can be increased, and the transmittance in the direction of linearly polarized light parallel to the vector (-1, 1) can be decreased. Can do.

負誘電率部材3a及び負誘電率部材4a1、4a2、4a3、4a4、4a5、4a6は金属からなることが好ましい。前記金属の種類は、入射波長と誘電率を考慮して決定することが好ましい。金属材料を含むことにより、サブ波長の薄さで円二色性素子を作製することに有利に働く。
使用可能な金属の例として、Ag、Al、Au、Pt等を挙げることができ、とくに可視光域ではAg、Alが好ましい。Ptは、入射平面波として可視光を用いたときは光吸収による損失が大きく好ましくない。赤外光域、マイクロ波域においてはCuを金属部材として使用することができる。
The negative dielectric constant member 3a and the negative dielectric constant members 4a1, 4a2, 4a3, 4a4, 4a5 and 4a6 are preferably made of metal. The metal type is preferably determined in consideration of an incident wavelength and a dielectric constant. By including a metal material, it is advantageous to manufacture a circular dichroic element with a thin sub-wavelength.
Examples of metals that can be used include Ag, Al, Au, and Pt. Ag and Al are particularly preferable in the visible light region. Pt is not preferable because the loss due to light absorption is large when visible light is used as the incident plane wave. Cu can be used as a metal member in the infrared light region and the microwave region.

金属材料の誘電率は、入射平面波の波長に依存し、長波長の極限では負の値をとり、波長が短くなるに従い、0に向かって単調に増加し、現実の金属材料に対して便宜的に、誘電率が0になる波長が実効的なプラズマ波長と定義されている。
単位面31の負誘電率部材3aの面内割合を減らすことにより、実効的なプラズマ波長を長波長側にシフトさせることができる。よって、入射平面波として、実効的なプラズマ波長より短波長側の波長域の平面波を用いることにより、1/4波長板1の透過率を高くすることができる。
The dielectric constant of the metal material depends on the wavelength of the incident plane wave, takes a negative value in the limit of the long wavelength, and monotonically increases toward 0 as the wavelength becomes shorter, which is convenient for an actual metal material. In addition, the wavelength at which the dielectric constant becomes 0 is defined as the effective plasma wavelength.
By reducing the in-plane ratio of the negative dielectric constant member 3a of the unit surface 31, the effective plasma wavelength can be shifted to the long wavelength side. Therefore, the transmittance of the quarter-wave plate 1 can be increased by using a plane wave in the wavelength region shorter than the effective plasma wavelength as the incident plane wave.

電磁波透過部材3b及び電磁波透過部材4bは、入射平面波の透過率は70%以上が好ましく、90%以上がより好ましい。入射平面波の透過率が大きい材料の例としては、絶縁体または半導体からなることが挙げられる。例えば、可視光領域の波長の入射平面波に対しては、透明な絶縁体であるSiO、Al、MgF等を用いることができる。 The electromagnetic wave transmitting member 3b and the electromagnetic wave transmitting member 4b have a transmittance of incident plane waves of preferably 70% or more, and more preferably 90% or more. Examples of the material having a high transmittance of the incident plane wave include an insulator or a semiconductor. For example, for an incident plane wave having a wavelength in the visible light region, a transparent insulator such as SiO 2 , Al 2 O 3 , or MgF 2 can be used.

例えば、銀やアルミニウムのプラズマ波長は紫外光域にある。したがって、銀とSiOの組み合わせ、またはアルミニウムとSiOの組み合わせで、図3に示した単位面31を形成することができる。
単位面31に占める金属の面内割合を減らすことにより、実効的なプラズマ波長は紫外光域から可視光域、近赤外光域へと移動することができる。
これにより、サブ波長サイズの1/4波長板1の動作波長を紫外光域から可視光域、近赤外光域まで移動することができる。
For example, the plasma wavelength of silver or aluminum is in the ultraviolet region. Therefore, the unit surface 31 shown in FIG. 3 can be formed by a combination of silver and SiO 2 or a combination of aluminum and SiO 2 .
By reducing the in-plane ratio of the metal occupying the unit surface 31, the effective plasma wavelength can be moved from the ultraviolet light region to the visible light region and the near infrared light region.
Thereby, the operating wavelength of the quarter wavelength plate 1 of the sub-wavelength size can be moved from the ultraviolet light region to the visible light region and the near infrared light region.

更に、1/4波長板1の板厚を考慮して、入射平面波の波長を選択することにより、サブ波長サイズ以下の板厚とされた円二色性素子とすることができる。
なお、1/4波長板1は、単独でサブ波長サイズの1/4波長板になりうることが報告されている(非特許文献4)。
Further, by considering the thickness of the quarter-wave plate 1 and selecting the wavelength of the incident plane wave, a circular dichroic element having a thickness equal to or smaller than the sub-wavelength size can be obtained.
In addition, it has been reported that the quarter wavelength plate 1 can become a quarter wavelength plate of a subwavelength size alone (Non-patent Document 4).

次に、本発明の第1の実施形態である2層型の円二色性素子101の偏光効果について説明する。
まず、図1に示すように、入射平面波を1/4波長板1の一面1aに垂直な方向(−z方向)に入射させる。
特定の波長の電磁波に依存しないジョーンズ行列を用いて先述したように、紫外光からマイクロ波にわたる広範な波長領域の電磁波から入射平面波を選んで用いることが可能であり、入射平面波の波長に対応した部材を用いることにより、同様の偏光効果を得ることができる。なお、波長域は紫外光より長波長以上の範囲(波長400nm以上)とすることが好ましい。波長を可視光より短くすると、光吸収損失のすくない負誘電率部材がこれまで見つかっていないために単位面31で例示するような1/4波長板が構成困難であるからである。
Next, the polarization effect of the two-layer circular dichroic element 101 according to the first embodiment of the present invention will be described.
First, as shown in FIG. 1, an incident plane wave is incident in a direction (−z direction) perpendicular to one surface 1 a of the quarter-wave plate 1.
As described above using the Jones matrix that does not depend on the electromagnetic wave of a specific wavelength, it is possible to select and use an incident plane wave from electromagnetic waves in a wide wavelength range from ultraviolet light to microwaves, corresponding to the wavelength of the incident plane wave. By using the member, the same polarization effect can be obtained. In addition, it is preferable to make a wavelength range into the range (wavelength 400nm or more) longer than ultraviolet light. This is because, when the wavelength is shorter than visible light, a negative dielectric constant member that does not have a light absorption loss has not been found so far, so that it is difficult to construct a quarter wavelength plate as exemplified by the unit surface 31.

入射平面波は、1/4波長板1の内部で円偏光から直線偏光に変換される。
なお、右回り円偏光と左回り円偏光は、互いに向きが直交する直線偏光に変換される。
The incident plane wave is converted from circularly polarized light to linearly polarized light inside the quarter wavelength plate 1.
The clockwise circularly polarized light and the counterclockwise circularly polarized light are converted into linearly polarized light whose directions are orthogonal to each other.

次に、直線偏光とされた入射平面波は、異方的透過板2の内部へ入射される。
異方的透過板2は、その高透過率軸と向きの直線偏光を透過率高く透過させる一方、高透過率軸と直交する方向、すなわち、低透過率軸と向きの直線偏光を透過率低く透過させる。
そのため、異方的透過板2の他面2bから出射される2つの直線偏光は、透過率が異なり、円二色性が発現される。なお、これらの透過率から、円二色性度σ及び効率因子εが算出される。
以上により、本発明の第1の実施形態である円二色性素子101は、右回りのまたは左回りの一方の入射円偏光のみを透過させ、直線偏光に変換して、円二色性の効率因子εを大きくして出射することができる。
Next, the incident plane wave converted into the linearly polarized light is incident on the inside of the anisotropic transmission plate 2.
The anisotropic transmission plate 2 transmits linearly polarized light having a high transmittance axis and direction with high transmittance, while transmitting linearly polarized light in a direction orthogonal to the high transmittance axis, that is, low transmittance axis and direction, with low transmittance. Make it transparent.
Therefore, the two linearly polarized lights emitted from the other surface 2b of the anisotropic transmission plate 2 have different transmittances and exhibit circular dichroism. From these transmittances, the circular dichroism degree σ and the efficiency factor ε are calculated.
As described above, the circular dichroic element 101 according to the first embodiment of the present invention transmits only one of the clockwise or counterclockwise incident circularly polarized light and converts it into linearly polarized light. The efficiency factor ε can be increased and emitted.

(本発明の第2の実施形態:第1の3層型円二色性素子)
次に、本発明の第2の実施形態である円二色性素子について説明する。最初に、ジョーンズ行列を用いて機能発現機構を示す。第1の3層型円二色性素子のジョーンズ行列M (1)は、2つの1/4波長板が平行な先進軸をもつように積層するから、式(12)のように積Lで表される。
(Second embodiment of the present invention: first three-layer circular dichroic element)
Next, the circular dichroic element which is the 2nd Embodiment of this invention is demonstrated. First, the function expression mechanism is shown using the Jones matrix. In the Jones matrix M 3 (1) of the first three-layer circular dichroic element, the two quarter-wave plates are stacked so that they have parallel advanced axes. It is represented by 1 L 2 L 1 .

式(12)が3層型円二色性素子102を表すジョーンズ行列であることは次のように確認できる。式(13)及び式(14)でそれぞれ右回り円偏光のジョーンズベクトルJ、左回り円偏光のジョーンズベクトルJをそれぞれ作用させると、式(13)のように右回り円偏光に対して透過率100%、式(14)のように左回り円偏光に対して透過率0%となる。2つの1次独立なジョーンズベクトルに対して、式(13)と式(14)を満たす行列成分の比は式(12)で表される行列に一意に定まることから、式(12)が3層型円二色性素子102を表すジョーンズ行列であることが確かめられた。
式(13)と式(14)から、右回り円偏光のみを透過して、式(13)から、透過平面波は入射円偏光と反対回り、つまり左回り円偏光になることが示された。
It can be confirmed that the equation (12) is a Jones matrix representing the three-layer circular dichroic element 102 as follows. When the Jones vector J R of the clockwise circular polarization and the Jones vector J L of the counterclockwise circular polarization are respectively applied in the expressions (13) and (14), the clockwise circular polarization is expressed as shown in the expression (13). The transmittance is 100%, and the transmittance is 0% for counterclockwise circularly polarized light as shown in the equation (14). Since the ratio of the matrix components satisfying the equations (13) and (14) is uniquely determined by the matrix represented by the equation (12) with respect to the two first-order independent Jones vectors, the equation (12) is expressed as 3 It was confirmed that the Jones matrix representing the layered circular dichroic element 102 was obtained.
From Expressions (13) and (14), it was shown that only clockwise circularly polarized light is transmitted, and from Expression (13), the transmitted plane wave is opposite to the incident circularly polarized light, that is, left-handed circularly polarized light.

式(13)は入射平面波が右回り円偏光であった場合で、透過平面波は左回り円偏光になっており、入射円偏光と逆回り円偏光の透過平面波を表している。
なお、入射平面波が左回り円偏光で透過平面波が右回り円偏光になる円二色性素子は異方的透過板を90度回転すれば得られる。
以上の導出によって、円二色性素子は、個別的な場合だけでなく、1/4波長板、異方的透過板、1/4波長板の3層積層構造であれば、各層の構造の子細に依らず、普遍的に実現できる。
Expression (13) is a case where the incident plane wave is clockwise circularly polarized light, and the transmitted plane wave is counterclockwise circularly polarized light, and represents the transmitted plane wave of circularly polarized light that is counterclockwise to the incident circularly polarized light.
A circular dichroic element in which the incident plane wave is counterclockwise circularly polarized and the transmission plane wave is clockwise circularly polarized light can be obtained by rotating the anisotropic transmission plate by 90 degrees.
As a result of the above derivation, the circular dichroic element is not only an individual case but also a three-layer laminated structure of a quarter-wave plate, an anisotropic transmission plate, and a quarter-wave plate. It can be realized universally regardless of the details.

図5は、本発明の第2の実施形態である円二色性素子の一例を示す概略図である。サブ波長サイズの厚さで円二色性素子を実現するために必要な内部構造まで含めて概略を示している。
図5に示すように、円二色性素子102は3層型であって、異方的透過板2の他面2b側に平面視略矩形状の別の1/4波長板6が積層されている他は、本発明の第1の実施形態である2層型の円二色性素子101と同様の構成とされている。
FIG. 5 is a schematic view showing an example of a circular dichroic element according to the second embodiment of the present invention. An outline is shown including an internal structure necessary for realizing a circular dichroic element with a thickness of a sub-wavelength size.
As shown in FIG. 5, the circular dichroic element 102 is a three-layer type, and another quarter wavelength plate 6 having a substantially rectangular shape in plan view is laminated on the other surface 2 b side of the anisotropic transmission plate 2. Other than this, the configuration is the same as that of the two-layer circular dichroic element 101 according to the first embodiment of the present invention.

なお、図5では、異方的透過板2と別の1/4波長板6の内部構造を示すため、1/4波長板1及び異方的透過構造板2の一端側が削除して描かれている。本発明の第1の実施形態と同様の構成であるとともに、異方的透過板2と別の1/4波長板6の接する面積は等しく、互いに重なり合うように積層されている。 In FIG. 5, in order to show the internal structure of the anisotropic transmission plate 2 and another quarter wavelength plate 6, one end side of the quarter wavelength plate 1 and the anisotropic transmission structure plate 2 is deleted. ing. The structure is the same as that of the first embodiment of the present invention, and the area where the anisotropic transmission plate 2 and the other quarter-wave plate 6 are in contact with each other is the same, and they are stacked so as to overlap each other.

図5に示すように、別の1/4波長板6は、負誘電率部材7aと電磁波透過部材7bを有している。別の1/4波長板6は、1/4波長板1と同様に、負誘電率部材7aと電磁波透過部材7bがx軸方向に交互に配列し、y軸方向に一様である構造を有する。
本発明の第1の実施形態で述べたのと同様に、負誘電率部材7aに金属を用いることで別の1/4波長板6はサブ波長の薄さにすることが可能になる。
As shown in FIG. 5, another quarter-wave plate 6 has a negative dielectric constant member 7a and an electromagnetic wave transmitting member 7b. Similar to the quarter-wave plate 1, the other quarter-wave plate 6 has a structure in which negative dielectric constant members 7a and electromagnetic wave transmitting members 7b are alternately arranged in the x-axis direction and are uniform in the y-axis direction. Have.
As described in the first embodiment of the present invention, by using a metal for the negative dielectric constant member 7a, the other quarter-wave plate 6 can be made thin with a sub-wavelength.

次に、本発明の第2の実施形態である第1の3層型円二色性素子102の偏光効果について説明する。
図5に示すように、入射平面波が、1/4波長板1の一面に垂直な方向(−z方向)に入射される。
入射平面波は、1/4波長板1の内部で円偏光から直線偏光に変換される。
なお、右回り円偏光と左回り円偏光は、互いに向きが直交する直線偏光に変換される。
Next, the polarization effect of the first three-layer circular dichroic element 102 according to the second embodiment of the present invention will be described.
As shown in FIG. 5, the incident plane wave is incident in a direction (−z direction) perpendicular to one surface of the quarter-wave plate 1.
The incident plane wave is converted from circularly polarized light to linearly polarized light inside the quarter wavelength plate 1.
The clockwise circularly polarized light and the counterclockwise circularly polarized light are converted into linearly polarized light whose directions are orthogonal to each other.

次に、直線偏光とされた入射平面波は、異方的透過板2の内部へ入射される。
異方的透過板2は、その高透過率軸と向きの直線偏光を透過率高く透過させる一方、高透過率軸と直交する方向、すなわち、低透過率軸と向きの直線偏光を透過率低く透過させる。
Next, the incident plane wave converted into the linearly polarized light is incident on the inside of the anisotropic transmission plate 2.
The anisotropic transmission plate 2 transmits linearly polarized light having a high transmittance axis and direction with high transmittance, while transmitting linearly polarized light in a direction orthogonal to the high transmittance axis, that is, low transmittance axis and direction, with low transmittance. Make it transparent.

次に、別の1/4波長板6の先進軸が、1/4波長板1の先進軸と一致するように配置されているので、異方的透過板2から出射された直線偏光は、入射円偏光と逆回りの円偏光に変換される。以上の過程を経て、別の1/4波長板6の他面から、−z方向に出射される。 Next, since the advanced axis of another quarter wavelength plate 6 is arranged so as to coincide with the advanced axis of the quarter wavelength plate 1, the linearly polarized light emitted from the anisotropic transmission plate 2 is It is converted into circularly polarized light that is reverse to the incident circularly polarized light. Through the above process, the light is emitted in the −z direction from the other surface of another quarter-wave plate 6.

以上により、本発明の第2の実施形態である円二色性素子102は、右回りの入射円偏光のみを透過させ、左回りの円偏光に変換して出射するか、または、左回りの入射円偏光のみを透過させ、右回りの円偏光に変換して出射することができる。最終的に透過された光の透過率の比が円二色性となる。これらの透過率の比から、円二色性度σ及び効率因子εが算出される。 As described above, the circular dichroic element 102 according to the second embodiment of the present invention transmits only the clockwise incident circularly polarized light and converts it to the left-handed circularly polarized light, or emits it in the counterclockwise direction. Only incident circularly polarized light can be transmitted, converted into clockwise circularly polarized light, and emitted. The ratio of the transmittance of the finally transmitted light becomes circular dichroism. From the ratio of these transmittances, the circular dichroism degree σ and the efficiency factor ε are calculated.

(本発明の第3の実施形態:第2の3層型円二色性素子)
本発明の第3の実施形態である円二色性素子について説明する。第3の実施形態である3層型円二色性素子を表すジョーンズ行列M (2)は、3層型円二色性素子102において、別の1/4波長板6をxy平面内で90度回転した配置なので、式(15)のように表される。
(Third embodiment of the present invention: second three-layer circular dichroic element)
A circular dichroic element according to a third embodiment of the present invention will be described. The Jones matrix M 3 (2) representing the three-layer circular dichroic element according to the third embodiment is different from the three-layer circular dichroic element 102 in that the other quarter-wave plate 6 is placed in the xy plane. Since it is an arrangement rotated by 90 degrees, it is expressed as equation (15).

式(15)が3層型円二色性素子103を表すジョーンズ行列であることは次のように確認できる。式(16)及び式(17)で示すようにそれぞれ右回り円偏光のジョーンズベクトルJ、左回り円偏光のジョーンズベクトルJをそれぞれ作用させると、式(16)のように右回り円偏光に対して透過率100%、式(17)のように左回り円偏光に対して透過率0%となる。2つの1次独立なジョーンズベクトルに対して、式(16)と式(17)を満たす行列成分の比は式(15)で表される行列に一意に定まることから、式(15)が3層型円二色性素子103を表すジョーンズ行列であることが確かめられた。
式(16)と式(17)から、右回り円偏光のみを透過して、式(17)から、透過平面波は入射円偏光と同じ向きの円偏光になることが示された。
なお、この円二色性素子の異方的透過板をxy面内で90度回転すれば、入射平面波が左回り円偏光で、透過平面波も左回り円偏光とする円二色性素子が得られる。
It can be confirmed as follows that Expression (15) is a Jones matrix representing the three-layer circular dichroic element 103. When the Jones vector J R of clockwise circular polarization and the Jones vector J L of counterclockwise circular polarization are respectively acted as shown in the equations (16) and (17), the clockwise circular polarization is obtained as shown in the equation (16). The transmittance is 100%, and the transmittance is 0% for counterclockwise circularly polarized light as shown in equation (17). Since the ratio of the matrix components satisfying the equations (16) and (17) is uniquely determined by the matrix represented by the equation (15) with respect to two primary independent Jones vectors, the equation (15) is expressed as 3 It was confirmed that the Jones matrix representing the layered circular dichroic element 103 was obtained.
From equations (16) and (17), it was shown that only clockwise circularly polarized light is transmitted, and from equation (17), the transmitted plane wave becomes circularly polarized light in the same direction as the incident circularly polarized light.
If the anisotropic transmission plate of this circular dichroic element is rotated 90 degrees in the xy plane, a circular dichroic element in which the incident plane wave is counterclockwise circularly polarized and the transmission plane wave is also counterclockwise circularly polarized is obtained. It is done.

本発明の実施形態である3つの円二色性素子は、式(1)〜式(17)を用いた一般的な証明に基づき、設計されたものである。 The three circular dichroic elements according to the embodiment of the present invention are designed based on general proof using the equations (1) to (17).

図6は、本発明の第3の実施形態である円二色性素子の一例を示す概略図である。サブ波長サイズの厚さで円二色性素子を実現するために必要な内部構造まで含めて概略を示している。
図6では、別の1/4波長板8の先進軸を、1/4波長板1の先進軸と直交する向きに配置することにより、透過平面波の偏光が入射平面波の円偏光と同じ向きの円偏光となる円二色性が可能になる。
FIG. 6 is a schematic view showing an example of a circular dichroic element according to the third embodiment of the present invention. An outline is shown including an internal structure necessary for realizing a circular dichroic element with a thickness of a sub-wavelength size.
In FIG. 6, by arranging the advanced axis of another quarter wavelength plate 8 in a direction orthogonal to the advanced axis of the quarter wavelength plate 1, the polarization of the transmitted plane wave is the same as the circular polarization of the incident plane wave. Circular dichroism that becomes circularly polarized light becomes possible.

図7は、別の1/4波長板8のxy断面図の部分拡大図であり、xy面内の単位面71を示している。図7の単位面71は図3の単位面31をxy面内で90度回転したものと一致する。
負誘電率部材9aに金属を用いることで、別の1/4波長板8はサブ波長の薄さの1/4波長板となることができる。
図7では、1/4波長板の先進軸9c、遅延軸9dを示している。
FIG. 7 is a partially enlarged view of an xy sectional view of another quarter wavelength plate 8 and shows a unit surface 71 in the xy plane. The unit surface 71 in FIG. 7 coincides with the unit surface 31 in FIG. 3 rotated 90 degrees in the xy plane.
By using a metal for the negative dielectric constant member 9a, the other quarter-wave plate 8 can be a quarter-wave plate having a thin sub-wavelength.
In FIG. 7, the advanced axis 9c and the delay axis 9d of the quarter wavelength plate are shown.

本発明の実施形態である円二色性素子101、102、103は、1/4波長板1と異方的透過板2との積層構造を有し、サブ波長の厚さの円二色性素子であって、1/4波長板1が400nm以上1600nm以下の波長領域から選択される一の平面波5の円偏光を直線偏光に変換可能であり、異方的透過板2が一の平面波5の直線偏光方向に高透過率軸を有している構成なので、0.75以上の円二色性度σかつ25以上の効率因子εを有し、透過平面波の偏光状態を直線偏光または入射円偏光と逆回りまたは同じ回りの円偏光に制御可能な円二色性素子を提供することができる。また、サブ波長の厚さの円二色性素子を提供することにより、マイクロチップ等に組み込みが容易となり、光―光変換デバイス、光―電気変換デバイス、電気―光変換デバイス等をより小型化、多機能化、低消費電力化することができる。 The circular dichroic elements 101, 102, 103 according to the embodiment of the present invention have a laminated structure of a quarter-wave plate 1 and an anisotropic transmission plate 2, and have a sub-wavelength thickness of circular dichroism. In the element, the quarter wave plate 1 can convert circularly polarized light of one plane wave 5 selected from a wavelength region of 400 nm to 1600 nm into linearly polarized light, and the anisotropic transmission plate 2 has one plane wave 5. Therefore, it has a circular dichroism σ of 0.75 or more and an efficiency factor ε of 25 or more, and the polarization state of the transmitted plane wave is linearly polarized or incident circle. It is possible to provide a circular dichroic element that can be controlled to be circularly polarized light in the reverse direction or the same direction as the polarized light. In addition, by providing a circular dichroic element with a sub-wavelength thickness, it can be easily incorporated into a microchip, etc., and light-to-light conversion devices, light-to-electric conversion devices, and electricity-to-light conversion devices can be made smaller. Multi-function and low power consumption can be achieved.

本発明の実施形態である円二色性素子101、102、103は、異方的透過板2の高透過率軸が、1/4波長板1の先進軸に対して45度の角度を有している構成なので、入射平面波5の偏光状態を変更して、透過平面波の偏光状態を直線偏光または入射円偏光と逆回りまたは同じ回りの円偏光にすることができる。異方的透過板2を加えることにより、円二色性を発現させることができる。1/4波長板1は前述のとおり、円二色性のない素子であるから、本発明の円二色性素子101、102、103における円二色性の発現効果は異方的透過板2にその起源がある。 In the circular dichroic elements 101, 102, and 103 according to the embodiment of the present invention, the high transmittance axis of the anisotropic transmission plate 2 has an angle of 45 degrees with respect to the advanced axis of the quarter-wave plate 1. With this configuration, the polarization state of the incident plane wave 5 can be changed to change the polarization state of the transmission plane wave to a circularly polarized light that is opposite or the same as the linearly polarized light or the incident circularly polarized light. By adding the anisotropic transmission plate 2, circular dichroism can be developed. Since the quarter-wave plate 1 is an element having no circular dichroism as described above, the effect of the circular dichroism in the circular dichroic elements 101, 102, 103 according to the present invention is the anisotropic transmission plate 2. Has its origin.

本発明の実施形態である円二色性素子101、102、103は、1/4波長板1が負誘電率部材3aと電磁波透過部材3bとからなり、前記1/4波長板の一面側で、前記負誘電率部材が平行かつ間隔を一定にして配置された複数のラインを形成しており、前記ラインの延伸方向が1/4波長板1の先進軸方向とされている構成なので、入射平面波5の偏光状態を変更して、透過平面波の偏光状態を直線偏光または入射円偏光と逆回りまたは同じ回りの円偏光にすることができる。負誘電率部材3aを使用することにより、1/4波長板1の厚さをサブ波長サイズに小さくする効果がある。 In the circular dichroic elements 101, 102, 103 according to the embodiment of the present invention, the quarter wavelength plate 1 is composed of a negative dielectric constant member 3a and an electromagnetic wave transmission member 3b, and on one side of the quarter wavelength plate. The negative dielectric constant member forms a plurality of lines arranged in parallel and at constant intervals, and the extending direction of the lines is the advanced axis direction of the quarter-wave plate 1, By changing the polarization state of the plane wave 5, the polarization state of the transmitted plane wave can be changed to a circularly polarized light that is opposite or the same as the linearly polarized light or the incident circularly polarized light. By using the negative dielectric constant member 3a, there is an effect of reducing the thickness of the quarter wavelength plate 1 to the sub-wavelength size.

本発明の実施形態である円二色性素子101、102、103は、異方的透過板2が電磁波透過部材4bと負誘電率部材4aとからなり、異方的透過板2の一面側で、負誘電率部材4aが同一の大きさの複数の四角形状であり、隣接する前記負誘電率部材の頂角同士を近接させ、一方向に並べて配置して形成した複数のラインが、それぞれ平行かつ間隔を一定にして配置されている、または、前記異方的透過板の一面側で、前記負誘電率部材が平行かつ間隔一定にして配置された複数のラインを形成して配置されている構成なので、入射平面波の偏光状態を変更して、透過平面波の偏光状態を直線偏光または入射円偏光と逆回りまたは同じ回りの円偏光にすることができる。異方的透過板2が部材4a、4bからなる線状構造を有することにより、単位面41内に異方的な構造を形成し、透過率に関する異方性を導くことが可能になる。 In the circular dichroic elements 101, 102, 103 according to the embodiment of the present invention, the anisotropic transmission plate 2 includes an electromagnetic wave transmission member 4b and a negative dielectric constant member 4a. The negative dielectric constant member 4a has a plurality of quadrangular shapes of the same size, and a plurality of lines formed by arranging the apex angles of adjacent negative dielectric constant members close to each other and arranging them in one direction are parallel to each other. In addition, the negative dielectric constant members are arranged in parallel and at a constant interval on one surface side of the anisotropic transmission plate. Since it is a structure, the polarization state of an incident plane wave can be changed, and the polarization state of a transmission plane wave can be made into the circular polarization of the reverse or the same rotation as a linearly polarized light or incident circularly polarized light. Since the anisotropic transmission plate 2 has a linear structure composed of the members 4a and 4b, an anisotropic structure can be formed in the unit surface 41, and anisotropy related to the transmittance can be derived.

本発明の実施形態である円二色性素子101、102、103は、負誘電率部材3a、4aが金属である構成なので、0.75以上の円二色性度σかつ25以上の効率因子εを有し、入射平面波の波長よりも薄い厚さであって、透過平面波の偏光状態を直線偏光または入射円偏光と逆回りまたは同じ回りの円偏光に制御可能な円二色性素子を提供することができる。負誘電率部材3a、4aに金属を用いることにより、金属のプラズモン共鳴を引き起こすことが可能になり、円二色性素子の厚さをサブ波長サイズの薄さにすることに有利に働く。 Since the circular dichroic elements 101, 102, 103 according to the embodiment of the present invention have a configuration in which the negative dielectric constant members 3a, 4a are metal, the circular dichroism degree σ is 0.75 or more and the efficiency factor is 25 or more. Provided is a circular dichroic element that has ε and is thinner than the wavelength of the incident plane wave, and can control the polarization state of the transmitted plane wave to circularly polarized light that is opposite or the same as linearly polarized light or incident circularly polarized light. can do. By using a metal for the negative dielectric constant members 3a and 4a, it becomes possible to cause plasmon resonance of the metal, which is advantageous in reducing the thickness of the circular dichroic element to a sub-wavelength size.

本発明の実施形態である円二色性素子101、102、103は、電磁波透過部材3b、4bが、一の平面波5の透過率が70%以上である材料である構成なので、0.75以上の円二色性度σかつ25以上の効率因子εを有し、入射平面波の波長よりも薄い厚さであって、透過平面波の偏光状態を直線偏光または入射円偏光と逆回りまたは同じ回りの円偏光に制御可能な円二色性素子を提供することができる。透過率が70%以上と大きな部材を用いることにより、電磁波が効率的に透過する領域を単位面31、41、71、191、201内に確保することができる。 In the circular dichroic elements 101, 102, and 103 according to the embodiment of the present invention, the electromagnetic wave transmitting members 3b and 4b are composed of a material having a transmittance of one plane wave 5 of 70% or more, and thus 0.75 or more. Having a circular dichroism σ of 25 and an efficiency factor ε of 25 or more, and having a thickness smaller than the wavelength of the incident plane wave, the polarization state of the transmitted plane wave is opposite or the same as that of linearly polarized light or incident circularly polarized light. A circular dichroic element that can be controlled by circularly polarized light can be provided. By using a member having a transmittance as high as 70% or more, a region through which electromagnetic waves are efficiently transmitted can be secured in the unit surfaces 31, 41, 71, 191, and 201.

本発明の実施形態である円二色性素子102、103は、異方的透過板2の1/4波長板1の反対側の面に別の1/4波長板6、8が積層されている構成なので、0.75以上の円二色性度σかつ25以上の効率因子εを有し、透過平面波の偏光状態を直線偏光または入射円偏光と逆回りまたは同じ回りの円偏光に制御可能な円二色性素子を提供することができる。別の1/4波長板6、8を積層することにより、異方的透過板を透過直後の直線偏光に近い平面波をさらに円偏光に変換する効果がある。別の1/4波長板6、8を加えることで、円二色性素子102、103を透過平面波の偏光を円偏光にすることができる。 In the circular dichroic elements 102 and 103 according to the embodiment of the present invention, other quarter-wave plates 6 and 8 are laminated on the opposite surface of the anisotropic transmission plate 2 to the quarter-wave plate 1. Because of this configuration, it has a circular dichroism degree σ of 0.75 or more and an efficiency factor ε of 25 or more, and the polarization state of the transmitted plane wave can be controlled to be linearly polarized light or circularly polarized light that is opposite or the same as the incident circularly polarized light. A circular dichroic element can be provided. By laminating the other quarter-wave plates 6 and 8, there is an effect of further converting a plane wave close to linearly polarized light immediately after being transmitted through the anisotropic transmission plate into circularly polarized light. By adding other quarter-wave plates 6 and 8, the circular dichroic elements 102 and 103 can be converted into circularly polarized light from the transmitted plane wave.

本発明の実施形態である円二色性素子102は、1/4波長板1及び別の1/4波長板6の先進軸が平行となるように、別の1/4波長板6が積層されている構成なので、1/4波長板1が、入射平面波の偏光状態を変更して、透過平面波の偏光状態を直線偏光または入射円偏光と逆回りまたは同じ回りの円偏光に制御してから、別の1/4波長板6により、透過平面波の円偏光の回り向きを入射平面波の円偏光に対して、同じ回りか逆回りかのいずれか指定できる。 In the circular dichroic element 102 according to the embodiment of the present invention, another quarter-wave plate 6 is laminated so that the advanced axes of the quarter-wave plate 1 and the other quarter-wave plate 6 are parallel to each other. Since the quarter wave plate 1 changes the polarization state of the incident plane wave and controls the polarization state of the transmission plane wave to the circularly polarized light that is opposite or the same as the linearly polarized light or the incident circularly polarized light. With the other quarter-wave plate 6, the direction of the circular polarization of the transmitted plane wave can be designated as the same or the reverse direction with respect to the circular polarization of the incident plane wave.

本発明の実施形態である円二色性素子103は、1/4波長板1及び別の1/4波長板8の先進軸が直交するように、別の1/4波長板8が積層されている構成なので、1/4波長板1が、入射平面波の偏光状態を変更して、透過平面波の偏光状態を直線偏光または入射円偏光と逆回りまたは同じ回りの円偏光に制御してから、別の1/4波長板8により、透過平面波の円偏光の回り向きを入射平面波の円偏光に対して、同じ回りか逆回りかのいずれか指定できる。 In the circular dichroic element 103 according to the embodiment of the present invention, another quarter-wave plate 8 is laminated so that the advanced axes of the quarter-wave plate 1 and the other quarter-wave plate 8 are orthogonal to each other. Since the quarter wave plate 1 changes the polarization state of the incident plane wave and controls the polarization state of the transmission plane wave to circularly polarized light that is opposite or the same as the linearly polarized light or the incident circularly polarized light, With another quarter wave plate 8, the direction of the circularly polarized light of the transmitted plane wave can be designated as the same or the reverse direction with respect to the circularly polarized light of the incident plane wave.

本発明の実施形態である円二色性素子は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で、種々変更して実施することができる。本実施形態の具体例を以下の実施例で示す。しかし、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 The circular dichroic element which is an embodiment of the present invention is not limited to the above embodiment, and can be implemented with various modifications within the scope of the technical idea of the present invention. Specific examples of this embodiment are shown in the following examples. However, the present invention is not limited to these examples.

(実施例1:2層型円二色性素子)
まず、図1〜図4に示す1/4波長板と異方的透過板とを積層した2層型円二色性素子の実施例を示す。ここで、部材3a、4aは金属(銀)、部材3b、4bは絶縁体(SiO)と設定した。これにより、図3における単位面31内における屈折率の異方性が大きくできる。
また、単位面31と単位面41の大きさl×lは300×300nmとした。負誘電率部材の幅tは30nmの厚さとした。このとき、先進軸がx軸と一致し、遅延軸がy軸と一致する。また、単位面41における電磁波透過部材4a1〜4a6は、大きさs×sが50×50nmの正方形の領域を対角線上に6個連続して配置した。前記正方形の領域は、xy面内でベクトル(−1,1)方向に角を接して並べた。高透過率軸をベクトル(1,1)向き、低透過率軸をベクトル(−1,1)の向きに生じさせる。
以上の設定のもとで、入射平面波が855nmのとき、1/4波長板の厚さは284nmである。異方的透過板の厚さは210nmとした。
次に、前記2層型円二色性素子の入射面(xy面)に垂直に入射平面波を入射した場合の、透過スペクトルの計算結果を算出した。
(Example 1: Two-layer type circular dichroic element)
First, an example of a two-layer circular dichroic element in which a quarter-wave plate and an anisotropic transmission plate shown in FIGS. Here, the members 3a and 4a were set as metal (silver), and the members 3b and 4b were set as insulators (SiO 2 ). Thereby, the anisotropy of the refractive index in the unit surface 31 in FIG. 3 can be increased.
The size l x × l y unit surface 31 and the unit surface 41 was set to 300 × 300 nm 2. The width t x of the negative dielectric constant member was 30 nm. At this time, the advanced axis coincides with the x axis, and the delay axis coincides with the y axis. Further, the electromagnetic wave transmitting member 4a1~4a6 at unit surface 41, the size s x × s y placed the area of 50 × 50 nm 2 square six consecutive diagonally. The square areas were arranged in the xy plane with the corners in the vector (-1, 1) direction. The high transmittance axis is generated in the direction of vector (1, 1), and the low transmittance axis is generated in the direction of vector (-1, 1).
Under the above settings, when the incident plane wave is 855 nm, the thickness of the quarter wavelength plate is 284 nm. The thickness of the anisotropic transmission plate was 210 nm.
Next, the calculation result of the transmission spectrum when the incident plane wave was incident perpendicularly to the incident surface (xy plane) of the two-layer circular dichroic element was calculated.

先に記載した透過率、透過平面波の偏光状態を算出する方法において、本発明に関する具体的な数値計算に関しては、フーリエ展開するときに使用した振動子の次数をx、y方向に対してそれぞれ±17次以上とることにより、計算精度は±1%に抑えた。
なお、本願における円二色性素子は空気中または真空中に存在している場合に対して、数値計算を実施した。また、この数値計算のための円二色性素子を構成する物質パラメータとして、銀の比誘電率は非特許文献3から得た。また、SiOの比誘電率は、対象としている波長域において周知の値である2.13を用いた。(以下、同じ)
In the above-described method for calculating the transmittance and the polarization state of the transmitted plane wave, with respect to specific numerical calculations related to the present invention, the orders of the vibrators used for Fourier expansion are ±± in the x and y directions, respectively. By taking the 17th order or more, the calculation accuracy was suppressed to ± 1%.
In addition, numerical calculation was implemented with respect to the case where the circular dichroic element in this application exists in the air or a vacuum. Further, as a material parameter constituting the circular dichroic element for this numerical calculation, the relative dielectric constant of silver was obtained from Non-Patent Document 3. The relative dielectric constant of SiO 2 was 2.13, which is a well-known value in the target wavelength range. (same as below)

図8は、実施例1の円二色性素子の透過スペクトルの計算結果を示すグラフである。実線は右回り円偏光を入射したときの透過スペクトルの計算結果であり、点線は左回り円偏光を入射したときの透過スペクトルの計算結果である。
図8に示すように、左回り円偏光のときに855nmで透過率が最小になり、1.1%まで低下した。一方、右回り円偏光のときは855nmで透過率82.4%であった。
つまり、図1で全体像を示した2層構造は、入射平面波の波長が855nmのとき、円二色性素子として機能することが明らかになった。なお、前記透過スペクトルの計算結果は、先に述べた方法により求めた(以下、この配置や計算方法は同様)。
FIG. 8 is a graph showing the calculation results of the transmission spectrum of the circular dichroic element of Example 1. The solid line is the calculation result of the transmission spectrum when the clockwise circular polarized light is incident, and the dotted line is the calculation result of the transmission spectrum when the counterclockwise circular polarized light is incident.
As shown in FIG. 8, the transmissivity was minimum at 855 nm when it was counterclockwise circularly polarized light and decreased to 1.1%. On the other hand, in the case of clockwise circular polarization, the transmittance was 855 nm and the transmittance was 82.4%.
That is, it has been clarified that the two-layer structure shown in FIG. 1 functions as a circular dichroic element when the wavelength of the incident plane wave is 855 nm. The calculation result of the transmission spectrum was obtained by the method described above (hereinafter, this arrangement and calculation method are the same).

次に、前記透過スペクトルから円二色性度を算出した。図9中の実線は、前記透過スペクトルから直接算出した円二色性度である。波長855nmにおいて円二色性度σが最大値0.97であり、この値は円二色性度の上限値1に近かった。
効率因子ε=82.4×0.97=80となった。また、構造に関する効率化因子α=855/(284+210)=1.73となり、サブ波長サイズとなった。
Next, the degree of circular dichroism was calculated from the transmission spectrum. The solid line in FIG. 9 is the degree of circular dichroism calculated directly from the transmission spectrum. At a wavelength of 855 nm, the circular dichroism σ was a maximum value of 0.97, and this value was close to the upper limit 1 of the circular dichroism.
The efficiency factor ε = 82.4 × 0.97 = 80. Also, the efficiency factor α for the structure was α = 855 / (284 + 210) = 1.73, which was the sub-wavelength size.

次に、2層型円二色性素子の透過平面波の偏光状態を算出した。
図10は、2層型円二色性素子に右回り円偏光の入射平面波を入射し、出射される透過平面波の偏光状態の計算結果であって、入射偏光ベクトルの大きさを1に規格化して表示したものである(以下、同様の規格化を行った)。
ここで、横軸がx成分の電場Ex、縦軸がy成分の電場Eyを表し、電場成分(Ex,Ey)を平面上に射影した。光の1周期分をプロットすると、xy面内でベクトル(1,1)方向(図10中の矢印方向)に電場が変化した。つまり、透過平面波はベクトル(1,1)方向の直線偏光であった。
Next, the polarization state of the transmitted plane wave of the two-layer circular dichroic element was calculated.
FIG. 10 is a calculation result of the polarization state of the transmitted plane wave that is incident on the two-layered circular dichroic element with the clockwise circularly polarized incident plane wave, and the incident polarization vector is normalized to 1. (Hereafter, the same standardization was performed).
Here, the horizontal axis represents the electric field Ex of the x component, the vertical axis represents the electric field Ey of the y component, and the electric field components (Ex, Ey) were projected onto the plane. When one period of light was plotted, the electric field changed in the vector (1, 1) direction (the arrow direction in FIG. 10) in the xy plane. That is, the transmitted plane wave was linearly polarized light in the vector (1, 1) direction.

図11は、図1の異方的透過板2が単独で存在するときに、サブ波長の薄さの異方的透過板であるかどうかを検証するため、透過スペクトルの計算を行った結果を示している。異方的透過板2の厚さは210nmとした。実線は入射平面波が(1,1)方向の直線偏光のときの透過スペクトルの計算結果であり、点線は入射平面波が(−1,1)方向の直線偏光のときの透過スペクトルの計算結果である。
入射平面波の直線偏光が(1,1)方向のとき、入射平面波の波長800から950nmの範囲の透過率は80%を超えて大きかった。一方で入射平面波の直線偏光が(−1,1)方向のとき、同透過率は2%以下と小さかった。したがって、異方的透過板2が単独で存在するとき、実際にサブ波長の薄さの異方的透過板であることが明らかになった。
なお、1/4波長板1がサブ波長の薄さの1/4波長板になることは非特許文献4と同様に検証できるから、ここでは省略する。
図11に示した例では異方的透過板の厚さを210nmとして計算を実行した。異方的透過板の厚さとしては、円二色性素子全体の厚さをサブ波長の厚さに保つ範囲のなかで、入射平面波の波長の1/5以上の厚さにすることが好ましい。その際に、入射平面波の波長において高透過率と低透過率の比が70以上に大きく、なおかつ、高透過率が80%以上であることを満たすように留意する。
FIG. 11 shows the result of calculation of the transmission spectrum in order to verify whether the anisotropic transmission plate 2 of FIG. 1 is an anisotropic transmission plate having a sub-wavelength thinness alone. Show. The thickness of the anisotropic transmission plate 2 was 210 nm. The solid line is the calculation result of the transmission spectrum when the incident plane wave is linearly polarized light in the (1, 1) direction, and the dotted line is the calculation result of the transmission spectrum when the incident plane wave is linearly polarized light in the (-1, 1) direction. .
When the linearly polarized light of the incident plane wave is in the (1, 1) direction, the transmittance in the wavelength range of 800 to 950 nm of the incident plane wave was greater than 80%. On the other hand, when the linearly polarized light of the incident plane wave is in the (-1, 1) direction, the transmittance was as small as 2% or less. Therefore, it has been clarified that when the anisotropic transmission plate 2 exists alone, the anisotropic transmission plate is actually an anisotropic transmission plate having a thin sub-wavelength.
In addition, since it can verify similarly to the nonpatent literature 4 that the quarter wavelength plate 1 turns into a quarter wavelength plate of the sub wavelength thinness, it abbreviate | omits here.
In the example shown in FIG. 11, the calculation was performed with the thickness of the anisotropic transmission plate being 210 nm. The thickness of the anisotropic transmission plate is preferably 1/5 or more of the wavelength of the incident plane wave within the range in which the thickness of the entire circular dichroic element is maintained at the sub-wavelength. . At that time, attention should be paid to satisfy that the ratio of the high transmittance to the low transmittance is 70 or more at the wavelength of the incident plane wave and the high transmittance is 80% or more.

(実施例2:第1の3層型円二色性素子)
異方的透過板の他面側に別の1/4波長板を積層した他は実施例1と同様にして、図5に示す第1の3層型円二色性素子の実施例を示す。
図5に示すように、第1の3層型円二色性素子の計算モデルは、入射平面波の透過する順に、厚さ284nmの1/4波長板、厚さ210nmの異方的透過構造板及び厚さ255nmの別の1/4波長板を積層したものである。
ここで、別の1/4波長板6の厚さが1/4波長板1の厚さと10%程度異なる理由は、異方的透過板を透過してきた直後の電磁波が近接場成分を含んで、理想的な平面波ではないためである。別の1/4波長板6の厚さに関しては、透過平面波を円偏光にするための最適化が必要である。
1/4波長板と別の1/4波長板の単位面は、図3に示した同一の単位面とした。また、異方的透過板の単位面は、図4の単位面と同一とした。
次に、図5に示す波数ベクトル5の向き、つまり、−z向きに進行する入射平面波を、3層型円二色性素子の入射面(xy面)に垂直に入射した場合の、透過スペクトルの計算結果を算出した。
(Example 2: First three-layer circular dichroic element)
An example of the first three-layer circular dichroic element shown in FIG. 5 is shown in the same manner as in Example 1 except that another quarter-wave plate is laminated on the other side of the anisotropic transmission plate. .
As shown in FIG. 5, the calculation model of the first three-layer circular dichroic element is a 284-nm-thick quarter-wave plate and a 210-nm-thick anisotropic transmission structure plate in the order in which incident plane waves are transmitted. In addition, another quarter-wave plate having a thickness of 255 nm is laminated.
Here, the reason why the thickness of another quarter-wave plate 6 differs from the thickness of the quarter-wave plate 1 by about 10% is that the electromagnetic wave immediately after passing through the anisotropic transmission plate contains a near-field component. This is because it is not an ideal plane wave. As for the thickness of the other quarter-wave plate 6, it is necessary to optimize the transmission plane wave to circularly polarized light.
The unit surface of the quarter wavelength plate and another quarter wavelength plate was the same unit surface as shown in FIG. The unit surface of the anisotropic transmission plate is the same as the unit surface of FIG.
Next, a transmission spectrum in the case where an incident plane wave traveling in the direction of the wave vector 5 shown in FIG. 5, that is, in the −z direction, is perpendicularly incident on the incident surface (xy plane) of the three-layer circular dichroic element. The calculation result of was calculated.

図12は、実施例2の円二色性素子の透過スペクトルの計算結果を示すグラフである。実線は入射平面波が右回り円偏光のときの透過スペクトルの計算結果であり、点線は左回り円偏光のときの透過スペクトルの計算結果である。
図12に示すように、850nm付近において、左回り円偏光下の透過スペクトルは数%以下と小さかった。一方で右回り円偏光下では70%を超える透過率を示した。したがって、第1の3層型円二色性素子が850nm付近で円二色性を有することが明らかになった。
FIG. 12 is a graph showing the calculation results of the transmission spectrum of the circular dichroic element of Example 2. The solid line is the calculation result of the transmission spectrum when the incident plane wave is clockwise circularly polarized light, and the dotted line is the calculation result of the transmission spectrum when it is counterclockwise circularly polarized light.
As shown in FIG. 12, near 850 nm, the transmission spectrum under counterclockwise circularly polarized light was as small as several percent or less. On the other hand, the transmittance exceeded 70% under clockwise circularly polarized light. Therefore, it was revealed that the first three-layer circular dichroic element has circular dichroism around 850 nm.

図13は、円二色性度σを示すグラフであり、円二色性度σが90%を超える波長域が50nm以上の幅の波長領域に存在し、大きな円二色性度が実現できた。
波長855nmにおいて、TR=71.9%、TL=1.0%で、σ=0.97と上限値に近かった。このとき、円二色性素子としての効率因子ε=70であり、実用に資する効率であった。また、厚さに関する効率化因子α=855/(284+210+255)=1.1であり、サブ波長サイズの薄さであることも明らかになった。
FIG. 13 is a graph showing the circular dichroism degree σ. A wavelength range in which the circular dichroism degree σ exceeds 90% exists in a wavelength range of 50 nm or more, and a large circular dichroism degree can be realized. It was.
At a wavelength of 855 nm, TR = 71.9%, TL = 1.0%, and σ = 0.97, close to the upper limit. At this time, the efficiency factor ε = 70 as a circular dichroic element, which is an efficiency that contributes to practical use. In addition, the efficiency factor α related to the thickness α = 855 / (284 + 210 + 255) = 1.1, and it was also revealed that the sub-wavelength size was thin.

図14は、波長855nmの入射平面波が右回り円偏光であるとき、ある時間における透過平面波の電場ベクトル分布、つまり、偏光状態を3次元的に示したものであり、−zの向きに進む透過平面波の任意の時間における位置に対応する電場ベクトルの向きと大きさを示している。 FIG. 14 shows the electric field vector distribution of the transmitted plane wave at a certain time, that is, the polarization state in a three-dimensional manner when the incident plane wave with a wavelength of 855 nm is clockwise circularly polarized light. The direction and magnitude of the electric field vector corresponding to the position of the plane wave at an arbitrary time are shown.

図15は、3層型円二色性素子に右回り円偏光の入射平面波を入射し、出射される透過平面波の偏光状態の計算結果であって、入射偏光の強度を1に規格化するとともに、電場ベクトルをxy面上に射影したものである。図15中の矢印は、光の進行方向に沿って、電場ベクトルが回転する向きである。
図14、図15に示すように、透過平面波は、左回り円偏光であった。
以上から、図5で示した3層構造は、右回り円偏光の入射平面波のみを、効率的に透過し、なおかつ、円偏光の向きを反対回りに変換して、左回り円偏光の透過平面波として出射する円二色性素子であることが明らかになった。
FIG. 15 shows the calculation result of the polarization state of the transmitted plane wave that is incident on the three-layered circular dichroic element with the incident plane wave of clockwise circularly polarized light, and the intensity of the incident polarized light is normalized to 1. The electric field vector is projected onto the xy plane. The arrows in FIG. 15 indicate the direction in which the electric field vector rotates along the light traveling direction.
As shown in FIGS. 14 and 15, the transmitted plane wave was counterclockwise circularly polarized light.
From the above, the three-layer structure shown in FIG. 5 efficiently transmits only the clockwise circularly polarized incident plane wave, and converts the direction of the circularly polarized light to the opposite direction, thereby transmitting the counterclockwise circularly polarized transmitted plane wave. It was clarified that the circular dichroic element emits as

(実施例3:第2の3層型円二色性素子)
次に、別の1/4波長板の向きをxy面内で90°回転させた以外は実施例2と同様の構成として、図6に示す、第2の3層型円二色性素子の計算モデルを作成した。
図6に示すように、負誘電率部材9a、電磁波透過部材9bはx軸に平行な方向に一様に伸び、y軸方向に交互に分布している。
(Example 3: Second three-layer circular dichroic element)
Next, the second three-layer circular dichroic element shown in FIG. 6 is configured as shown in FIG. 6 except that the direction of another quarter-wave plate is rotated by 90 ° in the xy plane. A calculation model was created.
As shown in FIG. 6, the negative dielectric constant member 9a and the electromagnetic wave transmitting member 9b extend uniformly in the direction parallel to the x axis and are alternately distributed in the y axis direction.

次に、入射平面波を3層型円二色性素子の入射面(xy面)に垂直に入射したときの透過スペクトルの計算結果を算出した。
図16は、実施例3の円二色性素子の透過スペクトルの計算結果を示すグラフであって、実線は入射平面波が右回り円偏光のときの透過スペクトルであり、点線は左回り円偏光のときの透過スペクトルである。
図16に示すように、左回り円偏光の透過スペクトルは、波長860nm付近で透過スペクトルが数%以下の小さな値をとり、一方で右回り円偏光の透過スペクトルは50%を超える透過率を示した。また、波長855nmでのTR=63.7%,TL=1.1%であり、σ=0.96であり、σの上限値1に近かった。また、効率因子ε=61であり、実用に資する円二色性素子であった。波長855nmでの構造の効率化因子α=1.1であり、サブ波長サイズの薄さであった。
図17は、円二色性度σであり、波長860nm付近で円二色性度σは95%を超える最大値をとった。
Next, the calculation result of the transmission spectrum when the incident plane wave was incident perpendicularly to the incident surface (xy plane) of the three-layer circular dichroic element was calculated.
FIG. 16 is a graph showing the calculation results of the transmission spectrum of the circular dichroic element of Example 3. The solid line is the transmission spectrum when the incident plane wave is clockwise circularly polarized light, and the dotted line is the counterclockwise circularly polarized light. Is the transmission spectrum.
As shown in FIG. 16, the transmission spectrum of counterclockwise circularly polarized light takes a small value of several percent or less near the wavelength of 860 nm, while the transmission spectrum of clockwise circularly polarized light shows a transmittance exceeding 50%. It was. Further, TR at a wavelength of 855 nm was TR = 63.7%, TL = 1.1%, σ = 0.96, and it was close to the upper limit value 1 of σ. Further, the efficiency factor ε = 61, and it was a circular dichroic element useful for practical use. The efficiency factor α of the structure at a wavelength of 855 nm was 1.1, and the sub-wavelength size was thin.
FIG. 17 shows the circular dichroism degree σ, and the circular dichroism degree σ takes a maximum value exceeding 95% near the wavelength of 860 nm.

図18は、波長855nmの入射平面波が右回り円偏光であるとき、ある時間における透過平面波の電場ベクトル分布、つまり、偏光状態を3次元的に示したものであり、−z向きに進む透過平面波の任意の時間における電場ベクトルの軌跡を示した図である。
図18に示すように、右回り円偏光の入射平面波は、透過平面波になったときも右回り円偏光のままであった。図6で示した3層型円二色性素子は、右回り円偏光のみを効率的に透過し、円偏光の向きを入射平面波と同じ右回り円偏光のままとする機能を有することが明らかになった。
FIG. 18 shows the electric field vector distribution of a transmission plane wave at a certain time, that is, the polarization state three-dimensionally when the incident plane wave with a wavelength of 855 nm is clockwise circular polarization, and the transmission plane wave traveling in the −z direction. It is the figure which showed the locus | trajectory of the electric field vector in arbitrary time.
As shown in FIG. 18, the incident plane wave of the clockwise circularly polarized light remains the clockwise circularly polarized light even when it becomes a transmitted plane wave. It is clear that the three-layer circular dichroic element shown in FIG. 6 has a function of efficiently transmitting only clockwise circularly polarized light and keeping the direction of circularly polarized light to the same clockwise circularly polarized light as the incident plane wave. Became.

(実施例4:第2の2層型円二色性素子)
入射平面波の波長460nmに対する2層型の円二色性素子の実施例を示す。前記円二色性素子は、図3の単位面31を有し、厚さ118nmの1/4波長板と図19の単位面191を有し、厚さ30nmの異方的透過板の2層積層構造からなる。なお、単位面31、191の大きさlx×lyは150×150nmとし、単位面31におけるtxは30nmとし、単位面191におけるpx、pyともに50nmとした。また、単位面31、191における負誘電率部材は金属(銀)とし、電磁波透過部材は絶縁体(SiO)とした。異方的透過板における高透過率軸は単位面191内において(1,1)方向であり、低透過率軸は(−1,1)方向である。
この第2の2層型円二色性素子は円二色性度σが0.78、効率因子εが26であり、円二色性が示された。
本実施例における入射波長460nmは、実施例1と比べて短波長であり、銀の誘電率の虚部が増加して吸収損失が増大する。その結果、効率因子などの低下を招くと考察した。
(Example 4: second two-layer circular dichroic element)
An example of a two-layered circular dichroic element for an incident plane wave wavelength of 460 nm is shown. The circular dichroic element has the unit surface 31 of FIG. 3, the quarter-wave plate having a thickness of 118 nm and the unit surface 191 of FIG. 19, and two layers of an anisotropic transmission plate having a thickness of 30 nm. It consists of a laminated structure. The unit surfaces 31 and 191 have a size lx × ly of 150 × 150 nm 2 , tx on the unit surface 31 is 30 nm, and both px and py on the unit surface 191 are 50 nm. Moreover, the negative dielectric constant member in the unit surfaces 31 and 191 was a metal (silver), and the electromagnetic wave transmitting member was an insulator (SiO 2 ). The high transmittance axis in the anisotropic transmission plate is the (1, 1) direction in the unit surface 191, and the low transmittance axis is the (-1, 1) direction.
This second two-layer circular dichroic element had a circular dichroism degree σ of 0.78 and an efficiency factor ε of 26, indicating a circular dichroism.
The incident wavelength of 460 nm in this example is shorter than that in Example 1, and the imaginary part of the dielectric constant of silver is increased to increase the absorption loss. As a result, it was considered that the efficiency factor and the like were reduced.

(実施例5:第3の2層型円二色性素子)
入射平面波の波長1500nmに対する2層型の円二色性素子の実施例を示す。前記円二色性素子は、図3の単位面31を有し、厚さ176nmの1/4波長板と図20の単位面201を有し、厚さ340nmの異方的透過板の2層積層構造からなる。なお、単位面31、191の大きさlx×lyは250×250nmとし、単位面31におけるtxは50nmとし、単位面201におけるwx、wyともに50nmとした。5つの正方形12a1、12a2、12a3、12a4,12a5はすべて同形である。また、単位面31、201における負誘電率部材は金属(銀)とし、電磁波透過部材は半導体(Si)とした。異方的透過板における高透過率軸は単位面201内において(1,1)方向であり、低透過率軸は(−1,1)方向である。
この第2の2層型円二色性素子は円二色性度σが0.92、効率因子εが44であり、円二色性が示された。本実施例における入射波長1500nmでは、電磁波透過部材Siの誘電率が大きいために反射損失が増加するために透過率が相対的に減少する。その結果、実施例1と比較して、効率因子などの低下を招いていると考察した。なお、本実施例におけるSiの誘電率は非特許文献9の値を引用した。
(Example 5: Third two-layer circular dichroic element)
An example of a two-layered circular dichroic element for an incident plane wave wavelength of 1500 nm is shown. The circular dichroic element has the unit surface 31 of FIG. 3, the quarter-wave plate having a thickness of 176 nm and the unit surface 201 of FIG. 20, and two layers of an anisotropic transmission plate having a thickness of 340 nm. It consists of a laminated structure. The unit surfaces 31 and 191 have a size lx × ly of 250 × 250 nm 2 , tx of the unit surface 31 is 50 nm, and both wx and wy of the unit surface 201 are 50 nm. The five squares 12a1, 12a2, 12a3, 12a4, 12a5 are all the same shape. Moreover, the negative dielectric constant member in the unit surfaces 31 and 201 was metal (silver), and the electromagnetic wave transmitting member was semiconductor (Si). The high transmittance axis in the anisotropic transmission plate is the (1, 1) direction in the unit surface 201, and the low transmittance axis is the (-1, 1) direction.
This second two-layer circular dichroism element had a circular dichroism degree σ of 0.92 and an efficiency factor ε of 44, indicating circular dichroism. At an incident wavelength of 1500 nm in the present embodiment, since the electromagnetic wave transmitting member Si has a large dielectric constant, reflection loss increases, and thus the transmittance relatively decreases. As a result, it was considered that the efficiency factors and the like were reduced as compared with Example 1. In addition, the value of the nonpatent literature 9 was quoted for the dielectric constant of Si in a present Example.

(比較例1)
まず、単位面31をもつ層構造が単独で存在し、その厚さが100nmであるほかは、構造パラメータlx、ly、txは実施例1と同じである場合の透過平面波の偏光状態を調べた。入射平面波の波長は855nmである。図19にその結果を示しており、入射円偏光に対して、透過平面波の偏光状態は楕円偏光になっている。したがって、前記層構造が単独で存在するとき、偏光変換素子であることが分かる。しかし、1/4波長板であれば透過平面波は直線偏光になるので、前記層構造は1/4波長板ではない。
つぎに、厚さが100nmの前記層構造と異方的透過板を積層させた素子を比較例1とする。なお、前記素子は構造としては2層型円二色性素子101で偏光変換素子の厚さを変えた構造である。
図22は比較例1の2層型素子の透過スペクトルの計算結果である。実線は、右回り円偏光の入射平面波の場合であり、点線は、左回り円偏光の入射平面波の場合である。図22において波長855nmのとき、円二色性度σ=(72.7−14.7)/(72.7+14.7)=0.66であり、実施例1と比較して円二色性度は低下している。なお、効率因子ε=48である。
(Comparative Example 1)
First, the polarization state of the transmitted plane wave was investigated when the structure parameters lx, ly, and tx were the same as in Example 1 except that the layer structure having the unit surface 31 existed alone and the thickness was 100 nm. . The wavelength of the incident plane wave is 855 nm. FIG. 19 shows the result, and the polarization state of the transmitted plane wave is elliptically polarized with respect to the incident circularly polarized light. Therefore, it can be seen that when the layer structure is present alone, it is a polarization conversion element. However, if the ¼ wavelength plate is used, the transmitted plane wave becomes linearly polarized light, so the layer structure is not a ¼ wavelength plate.
Next, an element in which the layer structure having a thickness of 100 nm and the anisotropic transmission plate are stacked is referred to as Comparative Example 1. The element has a structure in which the thickness of the polarization conversion element is changed by the two-layer circular dichroic element 101.
FIG. 22 shows the calculation result of the transmission spectrum of the two-layer element of Comparative Example 1. The solid line indicates the case of an incident plane wave with clockwise circular polarization, and the dotted line indicates the case of an incident plane wave with counterclockwise circular polarization. In FIG. 22, when the wavelength is 855 nm, the circular dichroism σ = (72.7-14.7) / (72.7 + 14.7) = 0.66, and the circular dichroism as compared with Example 1. The degree is falling. Note that the efficiency factor ε = 48.

実施例1〜3の素子の円二色性度σが0.96以上あるのに対し、比較例1ではσが0.66であり、効率因子ε=48であった。比較例1の円二色性素子は、偏光変換素子の厚さが最適化されていないため、円二色性度が小さくなったと考察した。 While the circular dichroism degree σ of the elements of Examples 1 to 3 is 0.96 or more, in Comparative Example 1, σ is 0.66 and the efficiency factor ε = 48. It was considered that the circular dichroic element of Comparative Example 1 had a reduced degree of circular dichroism because the thickness of the polarization conversion element was not optimized.

(比較例2)
実施例1において、入射平面波の波長を500nmとした例である。この場合、図1の1に相当する層が円偏光の入射平面波を直線偏光に変換できないことから、1/4波長板ではない。したがって、波長500nmの入射平面波に対して2層型円二色性素子101は1/4波長板と異方的透過板の積層構造になっていない。この例における円二色性度σ=(27.2−56.3)/(27.2+56.3)=−0.35であり、効率因子ε=20である。
(Comparative Example 2)
In Example 1, the wavelength of the incident plane wave is 500 nm. In this case, since the layer corresponding to 1 in FIG. 1 cannot convert the circularly polarized incident plane wave into linearly polarized light, it is not a quarter wavelength plate. Therefore, the two-layer circular dichroic element 101 does not have a laminated structure of a quarter-wave plate and an anisotropic transmission plate with respect to an incident plane wave having a wavelength of 500 nm. In this example, the degree of circular dichroism σ = (27.2-56.3) / (27.2 + 56.3) = − 0.35, and the efficiency factor ε = 20.

(比較例3)
実施例1において、入射平面波の波長を1500nmとした例である。この場合、図1の1に相当する層が円偏光の入射平面波を直線偏光に変換できないことから、1/4波長板ではない。したがって、波長1500nmの入射平面波に対して2層型円二色性素子101は1/4波長板と異方的透過板の積層構造になっていない。この例における円二色性度σ=(44.6−28.5)/(44.6+28.5)=0.22であり、効率因子ε=9.8である。
(Comparative Example 3)
In Example 1, the wavelength of the incident plane wave is 1500 nm. In this case, since the layer corresponding to 1 in FIG. 1 cannot convert the circularly polarized incident plane wave into linearly polarized light, it is not a quarter wavelength plate. Therefore, the two-layer circular dichroic element 101 does not have a laminated structure of a quarter-wave plate and an anisotropic transmission plate with respect to an incident plane wave having a wavelength of 1500 nm. In this example, the degree of circular dichroism σ = (44.6-28.5) / (44.6 + 28.5) = 0.22, and the efficiency factor ε = 9.8.

(比較例4)
実施例1において、入射平面波の波長を2000nmとした例である。この場合、図1の1に相当する層が円偏光の入射平面波を直線偏光に変換できないことから、1/4波長板ではない。したがって、波長2000nmの入射平面波に対して2層型円二色性素子101は1/4波長板と異方的透過板の積層構造になっていない。この例における円二色性度σ=(44.1−30.4)/(44.1+30.4)=0.18であり、効率因子ε=8.1である。
(Comparative Example 4)
In Example 1, the wavelength of the incident plane wave is 2000 nm. In this case, since the layer corresponding to 1 in FIG. 1 cannot convert the circularly polarized incident plane wave into linearly polarized light, it is not a quarter wavelength plate. Accordingly, the two-layer circular dichroic element 101 does not have a laminated structure of a quarter-wave plate and an anisotropic transmission plate with respect to an incident plane wave having a wavelength of 2000 nm. In this example, the circular dichroism degree σ = (44.1-30.4) / (44.1 + 30.4) = 0.18, and the efficiency factor ε = 8.1.

(比較例5)
実施例1において、入射平面波の波長を350nmとした例である。この場合、素子の厚さが494nmであるから、サブ波長の厚さではない。図1の1に相当する層が円偏光の入射平面波を直線偏光に変換できないことから、1/4波長板ではない。したがって、波長350nmの入射平面波に対して2層型円二色性素子101は1/4波長板と異方的透過板の積層構造になっておらず、なおかつ素子の厚さは波長よりも大きい。この例における円二色性度σ=(17.6−12.4)/(17.6+12.4)=0.17であり、効率因子ε=3.0である。
(Comparative Example 5)
In Example 1, the wavelength of the incident plane wave is 350 nm. In this case, since the thickness of the element is 494 nm, it is not the thickness of the sub-wavelength. Since the layer corresponding to 1 in FIG. 1 cannot convert the circularly polarized incident plane wave into linearly polarized light, it is not a quarter wavelength plate. Therefore, the two-layer circular dichroic element 101 does not have a laminated structure of a quarter wavelength plate and an anisotropic transmission plate with respect to an incident plane wave having a wavelength of 350 nm, and the thickness of the element is larger than the wavelength. . In this example, the degree of circular dichroism σ = (17.6-12.4) / (17.6 + 12.4) = 0.17, and the efficiency factor ε = 3.0.

比較例2、3、4、5において、いずれの場合も入射円偏光を変換する1/4波長板に相当する層が厚さに関して最適化されていないため、円二色性度の絶対値が0.35以下と小さくなったと考察した。また、異方的透過板構造に相当する層が波長に対して適した単位面構造を有していないことから、効率因子が20以下に低下したと考察した。   In Comparative Examples 2, 3, 4, and 5, in any case, the layer corresponding to the quarter-wave plate that converts the incident circularly polarized light is not optimized with respect to the thickness, so the absolute value of the circular dichroism is It was considered that it became 0.35 or less. Further, since the layer corresponding to the anisotropic transmission plate structure does not have a unit surface structure suitable for the wavelength, it was considered that the efficiency factor decreased to 20 or less.

本発明の円二色性素子は、0.75以上の円二色性度σかつ25以上の効率因子εを有し、入射平面波の波長よりも薄い厚さであって、透過平面波の偏光状態を直線偏光または入射円偏光と逆回り若しくは同じ回りの円偏光に制御可能な円二色性素子に関するものであり、スピントロニクス材料などを用いた光デバイス産業等において利用可能性がある。 The circular dichroic element of the present invention has a circular dichroism degree σ of 0.75 or more, an efficiency factor ε of 25 or more, a thickness smaller than the wavelength of the incident plane wave, and the polarization state of the transmitted plane wave Is a circular dichroic element that can be controlled to be linearly polarized light or circularly polarized light that is opposite or the same as that of incident circularly polarized light, and can be used in the optical device industry using spintronic materials and the like.

1…1/4波長板、1a…一面、1b…他面、2…異方的透過板、2a…一面、2b…他面、3a…負誘電率部材、3b…電磁波透過部材、3c…先進軸、3d…遅延軸、4a、4a1、4a2、4a3、4a5、4a6…負誘電率部材、4b…電磁波透過部材、4c…高透過率軸、4d…低透過率軸、5…波数ベクトル、6…別の1/4波長板、7a…負誘電率部材、7b…電磁波透過部材、8…別の1/4波長板、9a…負誘電率部材、9b…電磁波透過部材、9c…先進軸、9d…遅延軸、10a、10b、10c…負誘電率部材、10d、10e…電磁波透過部材、11a…高透過率軸、11b…低透過率軸、12a1、12a2、12a3、12a4、12a5…負誘電率部材、12b1、12b2…電磁波透過部材、13a…高透過率軸、13b…低透過率軸、14…波数ベクトル、15…電場ベクトル、16…波数ベクトル、17…電場ベクトル、18…円二色性素子、19…波数ベクトル、20…右回り円偏光、21…波数ベクトル、22…左回り円偏光、23…右回り円偏光下の透過光波数ベクトル、24…左回り円偏光下の透過光波数ベクトル、31…1/4波長板の単位面、41…異方的透過板の単位面、71…別の1/4波長板の単位面、101…2層型円二色性素子、102…第1の3層型円二色性素子、103…第2の3層型円二色性素子、191…異方的透過板の単位面、201…異方的透過板の単位面。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... 1/4 wavelength plate, 1a ... One side, 1b ... Other side, 2 ... Anisotropic transmission plate, 2a ... One side, 2b ... Other side, 3a ... Negative dielectric constant member, 3b ... Electromagnetic wave transmission member, 3c ... Advanced Axis, 3d ... delay axis, 4a, 4a1, 4a2, 4a3, 4a5, 4a6 ... negative dielectric constant member, 4b ... electromagnetic wave transmitting member, 4c ... high transmittance axis, 4d ... low transmittance axis, 5 ... wave vector, 6 ... another quarter wave plate, 7a ... negative dielectric constant member, 7b ... electromagnetic wave transmission member, 8 ... another quarter wave plate, 9a ... negative dielectric constant member, 9b ... electromagnetic wave transmission member, 9c ... advanced shaft, 9d ... Delay axis, 10a, 10b, 10c ... Negative dielectric constant member, 10d, 10e ... Electromagnetic wave transmission member, 11a ... High transmittance axis, 11b ... Low transmittance axis, 12a1, 12a2, 12a3, 12a4, 12a5 ... Negative dielectric Rate member, 12b1, 12b2 ... electromagnetic wave transmitting member, 13a ... high Excess axis, 13b ... Low transmittance axis, 14 ... Wave vector, 15 ... Electric field vector, 16 ... Wave vector, 17 ... Electric field vector, 18 ... Circular dichroic element, 19 ... Wave vector, 20 ... Circularly circularly polarized light 21 ... wave vector, 22 ... counterclockwise circular polarization, 23 ... transmitted light wave vector under clockwise circular polarization, 24 ... transmitted light wave vector under counterclockwise circular polarization, 31 ... unit plane of quarter wave plate, 41: Unit plane of anisotropic transmission plate, 71: Unit plane of another quarter-wave plate, 101: Two-layer circular dichroic element, 102: First three-layer circular dichroic element, 103 2nd three-layer type circular dichroic element, 191 ... Unit surface of anisotropic transmission plate, 201 ... Unit surface of anisotropic transmission plate.

Claims (9)

1/4波長板と異方的透過板との積層構造を有し、サブ波長の厚さの円二色性素子であって、前記1/4波長板が400nm以上1600nm以下の波長領域から選択される一の平面波の円偏光を直線偏光に変換可能であり、前記異方的透過板が前記一の平面波の直線偏光方向に高透過率軸を有していることを特徴とする円二色性素子。 A circular dichroic element having a laminated structure of a quarter-wave plate and an anisotropic transmission plate and having a sub-wavelength thickness, wherein the quarter-wave plate is selected from a wavelength region of 400 nm to 1600 nm The circularly polarized light of one plane wave that can be converted into linearly polarized light, and the anisotropic transmission plate has a high transmittance axis in the direction of linear polarization of the one plane wave. Sex element. 前記異方的透過板の高透過率軸が、前記1/4波長板の先進軸に対して45度の角度をなしていることを特徴とする請求項1に記載の円二色性素子。 2. The circular dichroic element according to claim 1, wherein a high transmittance axis of the anisotropic transmission plate forms an angle of 45 degrees with respect to an advanced axis of the quarter-wave plate. 前記1/4波長板が負誘電率部材と電磁波透過部材とからなり、前記1/4波長板の一面側で、前記負誘電率部材が平行かつ間隔を一定にして配置された複数のラインを形成しており、前記ラインの延伸方向が前記1/4波長板の先進軸方向とされていることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の円二色性素子。 The quarter-wave plate is composed of a negative dielectric constant member and an electromagnetic wave transmitting member, and a plurality of lines in which the negative dielectric constant member is arranged in parallel and at a constant interval on one surface side of the quarter-wave plate. 3. The circular dichroic element according to claim 1, wherein the circular dichroic element is formed, and the extending direction of the line is an advanced axis direction of the quarter-wave plate. 前記異方的透過板が、電磁波透過部材と負誘電率部材とからなり、前記異方的透過板の一面側で、前記負誘電率部材が同一の大きさの複数の四角形状であり、隣接する前記負誘電率部材の頂角同士を近接させ、一方向に並べて配置して形成した複数のラインが、それぞれ平行かつ間隔を一定にして配置されていること、または、前記異方的透過板の一面側で、前記負誘電率部材が平行かつ間隔一定にして配置された複数のラインを形成して配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の円二色性素子。 The anisotropic transmission plate is composed of an electromagnetic wave transmission member and a negative dielectric constant member, and on one side of the anisotropic transmission plate, the negative dielectric constant member has a plurality of quadrangular shapes of the same size, adjacent to each other. A plurality of lines formed by arranging apex angles of the negative dielectric constant members close to each other and arranging them in one direction are arranged in parallel and at a constant interval, or the anisotropic transmission plate The circle according to any one of claims 1 to 3, wherein the negative dielectric constant member is arranged on one surface side so as to form a plurality of lines arranged in parallel and at constant intervals. Dichroic element. 前記負誘電率部材が金属であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の円二色性素子。   The circular dichroic element according to claim 1, wherein the negative dielectric constant member is a metal. 前記電磁波透過部材が、前記一の平面波の透過率が70%以上の材料であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の円二色性素子。   The circular dichroic element according to claim 1, wherein the electromagnetic wave transmitting member is made of a material having a transmittance of 70% or more for the one plane wave. 前記異方的透過板の前記1/4波長板の反対側の面に別の1/4波長板が積層されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の円二色性素子。   The circle according to any one of claims 1 to 6, wherein another quarter-wave plate is laminated on a surface of the anisotropic transmission plate opposite to the quarter-wave plate. Dichroic element. 前記1/4波長板及び前記別の1/4波長板の先進軸が平行となるように、前記別の1/4波長板が積層されていることを特徴とする請求項7に記載の円二色性素子。   The circle according to claim 7, wherein the other quarter-wave plate is laminated so that the advanced axes of the quarter-wave plate and the other quarter-wave plate are parallel to each other. Dichroic element. 前記1/4波長板及び前記別の1/4波長板の先進軸が直交するように、前記別の1/4波長板が積層されていることを特徴とする請求項7に記載の円二色性素子。

8. The second circular plate according to claim 7, wherein the another quarter-wave plate is laminated so that the advanced axes of the quarter-wave plate and the other quarter-wave plate are orthogonal to each other. Color element.

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