JP2015078904A - Optical element, analyzer, and electronic equipment - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical element that can confine light propagating in a dielectric layer and a propagated surface plasmon propagated on an interface between the dielectric layer and a metal layer, within an irradiation region of incident light and a nearby region, and can efficiently use energy for enhancing an electric field.SOLUTION: The optical element includes a metal layer, a dielectric layer formed on the metal layer, and a metal particle layer formed on the dielectric layer and receiving incident light, in which a periodical structure is formed in the dielectric layer located in a periphery of the metal particle layer in a plan view.

Description

本発明は、光学素子、分析装置、及び電子機器に関する。   The present invention relates to an optical element, an analyzer, and an electronic apparatus.

近年、医療診断や食物の検査等における需要がますます増大し、小型で高速なセンシング技術の開発が求められている。電気化学的な手法をはじめさまざまなタイプのセンサーが検討されているが、集積化が可能、低コスト、そして、測定環境を選ばないといった理由から、表面プラズモン共鳴(SPR:Surface Plasmon Resonance)を用いたセンサーに対する関心が高まっている。   In recent years, demand for medical diagnosis, food inspection, and the like has been increasing, and development of a small and high-speed sensing technology has been demanded. Various types of sensors, including electrochemical techniques, have been studied. However, surface plasmon resonance (SPR) is used because it can be integrated, is low-cost, and does not choose the measurement environment. There is growing interest in sensors.

例えば、全反射型プリズム表面に設けた金属薄膜に発生させたSPRを用いて、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、物質の吸着の有無を検出するものが知られている。この手法は、SPRによる消光波長が、検出対象分子の吸着前後でシフトするのを検出することで、検出対象分子の存在をセンシングする。   For example, there is known one that detects the presence or absence of substance adsorption, such as the presence or absence of antigen adsorption in an antigen-antibody reaction, using SPR generated on a metal thin film provided on the surface of a total reflection prism. This technique senses the presence of a molecule to be detected by detecting that the extinction wavelength by SPR shifts before and after the adsorption of the molecule to be detected.

また、低濃度の分子を検出する高感度分光技術の1つとして、SPR を利用した表面増強ラマン分光(SERS:Surface Enhanced Raman Scattering)が注目されている。SERSとはナノメートルスケールの凸凹構造を持つ金属表面でラマン散乱光が102〜1014倍に増強される現象である。 Further, as one of highly sensitive spectroscopic techniques for detecting a low concentration of molecules, attention is focused on surface enhanced Raman scattering (SERS) using SPR. SERS is a phenomenon in which Raman scattered light is enhanced by 10 2 to 10 14 times on a metal surface having a nanometer scale uneven structure.

レーザーなどの単一波長の励起光を分子に照射すると、励起光の波長から分子の振動エネルギー分だけ僅かにずれた波長の光(ラマン散乱光)が散乱される。この散乱光を分光処理すると、分子種に固有のスペクトル(指紋スペクトル)が得られる。この指紋スペクトルの形状を分析することで、分子を同定することが可能となる。   When a molecule such as a laser is irradiated with excitation light having a single wavelength, light having a wavelength slightly shifted from the wavelength of the excitation light by the vibration energy of the molecule (Raman scattered light) is scattered. When the scattered light is spectrally processed, a spectrum (fingerprint spectrum) unique to the molecular species is obtained. By analyzing the shape of this fingerprint spectrum, it becomes possible to identify the molecule.

このようなセンサーの構造として、例えば、特許文献1には、導体上に誘電体層を介して形成された金属ナノ構造が形成され、伝搬型表面プラズモン(PSP:Propagated Sureface Plasmon)と局在型表面プラズモン(LSP:Localized Surface Plasmon)を併用したホットスポット密度(HSD:Hot Spot Density)の大きい表面増強ラマンセンサーチップが提案されている。   As a structure of such a sensor, for example, in Patent Document 1, a metal nanostructure formed on a conductor via a dielectric layer is formed, and a propagating surface plasmon (PSP) and a localized type are formed. A surface-enhanced Raman sensor chip having a large hot spot density (HSD) using a surface plasmon (LSP) is proposed.

特開2013−007614号公報JP 2013-007614 A

しかしながら、特許文献1に開示されたセンサーチップでは、金属ナノ構造に対する入射光の照射領域の誘電体層と、入射光の照射されない領域の誘電体層において、構造上の差異がなかった。そのため、基板の平面方向に伝搬するPSPが照射領域以外の領域に伝搬して散逸してしまい、エネルギーロスが生じて、理論上期待される電場の増強度を得ることは困難であった。   However, in the sensor chip disclosed in Patent Document 1, there is no structural difference between the dielectric layer in the incident light irradiation region on the metal nanostructure and the dielectric layer in the region not irradiated with the incident light. For this reason, the PSP propagating in the plane direction of the substrate propagates to and dissipates in a region other than the irradiation region, resulting in energy loss, and it is difficult to obtain the theoretically expected electric field enhancement.

本発明の幾つかの態様に係る目的の1つは、誘電体層を伝搬する光、および誘電体層と金属層の界面を伝搬する伝搬型表面プラズモンを、入射光の照射領域近傍に閉じ込め、エネルギーをより効率的に電場増強に利用することのできる光学素子、並びに、これを備え
た分析装置及び電子機器を提供することにある。
One of the objects according to some aspects of the present invention is to confine light propagating through the dielectric layer and propagating surface plasmons propagating through the interface between the dielectric layer and the metal layer in the vicinity of the irradiation region of the incident light, It is an object of the present invention to provide an optical element capable of more efficiently using energy for electric field enhancement, and an analysis apparatus and electronic apparatus equipped with the optical element.

本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するために為されたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following aspects or application examples.

本発明に係る光学素子の一態様は、金属層と、前記金属層の上に形成された誘電体層と、前記誘電体層の上に形成され、入射光が入射される金属粒子層と、を含み、平面視において、前記金属粒子層の周囲に位置する前記誘電体層に周期構造が形成されている。   One aspect of the optical element according to the present invention includes a metal layer, a dielectric layer formed on the metal layer, a metal particle layer formed on the dielectric layer, and incident light is incident thereon, A periodic structure is formed in the dielectric layer located around the metal particle layer in plan view.

このような光学素子によれば、光学素子の金属粒子層に入射光が照射された場合、周囲の誘電体層に光が存在することが許されない周期構造が形成されているため、誘電体層を伝搬する光、および誘電体層と金属層の界面を伝搬する伝搬型表面プラズモンを、入射光の照射領域近傍に閉じ込めることができる。これにより、電場の増強のためのエネルギーの流失が低減され、高い電場増強効果を得ることができる。   According to such an optical element, when incident light is irradiated on the metal particle layer of the optical element, a periodic structure in which light is not allowed to exist in the surrounding dielectric layer is formed. And propagating surface plasmons propagating through the interface between the dielectric layer and the metal layer can be confined in the vicinity of the incident light irradiation region. Thereby, the loss of energy for enhancing the electric field is reduced, and a high electric field enhancing effect can be obtained.

本発明に係る光学素子において、前記周期構造は、前記入射光の波長において、前記誘電体層内、及び前記金属層と前記誘電体層との界面を、TM偏光光が伝搬しないフォトニックバンドギャップを示すものであってもよい。   In the optical element according to the present invention, the periodic structure has a photonic band gap in which TM polarized light does not propagate in the dielectric layer and at the interface between the metal layer and the dielectric layer at the wavelength of the incident light. May be shown.

このような光学素子によれば、金属粒子層の周囲に形成される誘電体層に、TM偏光光が存在できないフォトニックバンドギャップを有する周期構造が形成されるため、TM偏光である伝搬型表面プラズモンが当該周期構造に存在し得なくなる。これにより、伝搬型表面プラズモンが、周期構造の領域によって反射されて金属粒子層の領域に集められる。そのため、電場の増強のためのエネルギーをより効率よく集中させることができるので、さらに高い電場増強効果を得ることができる。   According to such an optical element, a periodic structure having a photonic band gap in which TM polarized light cannot exist is formed in the dielectric layer formed around the metal particle layer. Plasmons cannot exist in the periodic structure. Thereby, the propagation type surface plasmon is reflected by the region of the periodic structure and collected in the region of the metal particle layer. Therefore, the energy for enhancing the electric field can be concentrated more efficiently, so that a higher electric field enhancing effect can be obtained.

本発明に係る光学素子において、前記周期構造は、前記入射光の入射によって前記光学素子内に生じるTM偏光光を反射するように配置されていてもよい。   In the optical element according to the present invention, the periodic structure may be arranged so as to reflect TM polarized light generated in the optical element upon incidence of the incident light.

このような光学素子によれば、金属粒子層の周囲に形成される誘電体層の周期構造によって、TM偏光である伝搬型表面プラズモンのうち、当該周期構造よりも外側へ拡散しようとする伝搬型表面プラズモンが、当該周期構造の内側に向って反射されて戻される。これにより、散逸するエネルギーが回収され、さらに高い電場増強効果を得ることができる。   According to such an optical element, of the propagation surface plasmons that are TM polarized light, the propagation type that is intended to diffuse outward from the periodic structure by the periodic structure of the dielectric layer formed around the metal particle layer. Surface plasmons are reflected back toward the inside of the periodic structure. Thereby, the dissipating energy is recovered and a higher electric field enhancement effect can be obtained.

本発明に係る光学素子において、前記平面視において、前記周期構造に囲まれた領域の面積が、前記入射光が照射される領域の面積と、前記入射光が照射される領域の外側の、前記誘電体層内及び前記金属層と前記誘電体層との界面を伝搬する伝搬型表面プラズモンが伝搬する領域の面積と、の和よりも小さくてもよい。   In the optical element according to the present invention, in the plan view, the area of the region surrounded by the periodic structure is the area of the region irradiated with the incident light and the outside of the region irradiated with the incident light. The area may be smaller than the sum of the area of the propagation type surface plasmon propagating in the dielectric layer and the interface between the metal layer and the dielectric layer.

このような光学素子によれば、金属粒子層の周囲に形成される誘電体層の周期構造によって、TM偏光である伝搬型表面プラズモンのうち、当該周期構造よりも外側へ拡散しようとする伝搬型表面プラズモンが、当該周期構造の内側に向って反射されて戻される。これにより、散逸するエネルギーが回収され高い電場増強効果を得ることができる。   According to such an optical element, of the propagation surface plasmons that are TM polarized light, the propagation type that is intended to diffuse outward from the periodic structure by the periodic structure of the dielectric layer formed around the metal particle layer. Surface plasmons are reflected back toward the inside of the periodic structure. Thereby, the dissipated energy is recovered and a high electric field enhancement effect can be obtained.

本発明に係る光学素子において、前記平面視において、前記周期構造に囲まれた領域の半径は、前記入射光が照射される領域の半径と、前記誘電体層内及び前記金属層と前記誘電体層との界面を前記入射光が照射される領域の外側に向って伝搬型表面プラズモンが伝搬する距離と、の和よりも小さくてもよい。   In the optical element according to the present invention, in the plan view, the radius of the region surrounded by the periodic structure is the radius of the region irradiated with the incident light, the inside of the dielectric layer, the metal layer, and the dielectric. It may be smaller than the sum of the distance that the propagation type surface plasmon propagates toward the outside of the region irradiated with the incident light on the interface with the layer.

このような光学素子によれば、金属粒子層の周囲に形成される誘電体層の周期構造によって、TM偏光である伝搬型表面プラズモンのうち、当該周期構造よりも外側へ拡散しようとする伝搬型表面プラズモンが、当該周期構造の内側に向って反射されて戻される。これにより、散逸するエネルギーが回収され高い電場増強効果を得ることができる。   According to such an optical element, of the propagation surface plasmons that are TM polarized light, the propagation type that is intended to diffuse outward from the periodic structure by the periodic structure of the dielectric layer formed around the metal particle layer. Surface plasmons are reflected back toward the inside of the periodic structure. Thereby, the dissipated energy is recovered and a high electric field enhancement effect can be obtained.

本発明に係る分析装置の一態様は、上述の光学素子と、前記光学素子に前記入射光を照射する光源と、前記光学素子から放射される光を検出する検出器と、を備える。   One aspect of the analysis apparatus according to the present invention includes the above-described optical element, a light source that irradiates the optical element with the incident light, and a detector that detects light emitted from the optical element.

このような分析装置によれば、高い電場増強効果を有する光学素子を備えるため、プラズモンに基づく光の増強度が非常に大きく、分析対象となる物質を極めて高感度に分析することができる。   According to such an analyzer, since the optical element having a high electric field enhancement effect is provided, the intensity of light based on plasmons is very large, and the substance to be analyzed can be analyzed with extremely high sensitivity.

本発明に係る電子機器の一態様は、上述の分析装置と、前記検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、前記健康医療情報を記憶する記憶部と、前記健康医療情報を表示する表示部と、を備える。   One aspect of the electronic device according to the present invention includes the above-described analyzer, a calculation unit that calculates health and medical information based on detection information from the detector, a storage unit that stores the health and medical information, and the health A display unit for displaying medical information.

このような電子機器によれば、プラズモンに基づく光の増強度の大きい光学素子を備えており、微量物質の検出を容易に行うことができ、高精度な健康医療情報を提供することができる。   According to such an electronic device, an optical element having a large light intensity based on plasmon is provided, and a trace amount substance can be easily detected, and highly accurate medical information can be provided.

本発明の電子機器において、前記健康医療情報は、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、及び抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも1種の生体関連物質、又は、無機分子及び有機分子から選択される少なくとも1種の化合物の、有無若しくは量に関する情報を含んでもよい。   In the electronic device of the present invention, the health care information is selected from at least one biological substance selected from the group consisting of bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, and antigens / antibodies, or inorganic molecules and organic molecules. Information on the presence or amount of at least one compound may be included.

このような電子機器によれば、有用な健康医療情報を提供することができる。   According to such an electronic device, useful health care information can be provided.

実施形態の光学素子の金属粒子層が形成された領域を模式的に示す斜視図。The perspective view which shows typically the area | region in which the metal particle layer of the optical element of embodiment was formed. 実施形態の光学素子の金属粒子層が形成された領域を金属層の厚さ方向から平面的に見た模式図。The schematic diagram which looked at the area | region in which the metal particle layer of the optical element of embodiment was formed planarly from the thickness direction of the metal layer. 実施形態の光学素子の金属粒子層が形成された領域の第1方向に垂直な断面の模式図。The schematic diagram of the cross section perpendicular | vertical to the 1st direction of the area | region in which the metal particle layer of the optical element of embodiment was formed. 実施形態の光学素子の金属粒子層が形成された領域の第2方向に垂直な断面の模式図。The schematic diagram of the cross section perpendicular | vertical to the 2nd direction of the area | region in which the metal particle layer of the optical element of embodiment was formed. MIM構造の一例を示す模式図。The schematic diagram which shows an example of a MIM structure. MIM構造を仮定した場合の絶縁体の有効屈折率とPSPの伝搬距離の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the effective refractive index of the insulator at the time of assuming a MIM structure, and the propagation distance of PSP. 実施形態に係る光学素子の一例を示す斜視図。The perspective view which shows an example of the optical element which concerns on embodiment. 実施形態に係る周期構造の一例を平面的に見た模式図。The schematic diagram which looked at an example of the periodic structure which concerns on embodiment planarly. 実施形態に係る周期構造の一例のブリユアンゾーン。The Brillouin zone as an example of the periodic structure according to the embodiment. 実施形態に係る周期構造の一例のフォトニックバンド図。The photonic band figure of an example of the periodic structure which concerns on embodiment. 実施形態に係る光学素子の一例を示す斜視図。The perspective view which shows an example of the optical element which concerns on embodiment. 実施形態に係る周期構造の一例のブリユアンゾーン。The Brillouin zone as an example of the periodic structure according to the embodiment. 実施形態に係る周期構造の一例を平面的に見た模式図。The schematic diagram which looked at an example of the periodic structure which concerns on embodiment planarly. 実施形態に係る周期構造の一例のブリユアンゾーン。The Brillouin zone as an example of the periodic structure according to the embodiment. 実施形態に係る周期構造の一例のフォトニックバンド図。The photonic band figure of an example of the periodic structure which concerns on embodiment. 実施形態に係る光学素子の、金属粒子層、入射光の照射領域、及び誘電体層の周期構造が形成された領域の関係を平面的に示す模式図。The schematic diagram which shows planarly the relationship of the area | region in which the periodic structure of the metal particle layer, incident light irradiation area | region, and dielectric layer of the optical element which concerns on embodiment was formed. 実施形態に係る分析装置を模式的に示す図。The figure which shows typically the analyzer which concerns on embodiment. 実施形態に係る電子機器を模式的に示す図。1 is a diagram schematically illustrating an electronic apparatus according to an embodiment.

以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。   Several embodiments of the present invention will be described below. Embodiment described below demonstrates an example of this invention. The present invention is not limited to the following embodiments, and includes various modified embodiments that are implemented within a range that does not change the gist of the present invention. Note that not all of the configurations described below are essential configurations of the present invention.

1.光学素子
図1は、本発明に係る光学素子の一例である本実施形態の光学素子100の金属粒子層30が形成されている領域を模式的に示す斜視図である。図2は、本実施形態の光学素子100の金属粒子層30が形成されている領域を平面的に見た(金属層10の厚さ方向から見た)図である。図3及び図4は、本実施形態の光学素子100の金属粒子層30が形成されている領域の断面の模式図である。本実施形態の光学素子100は、金属層10と、誘電体層20と、金属粒子層30と、を含む。
1. Optical Element FIG. 1 is a perspective view schematically showing a region where a metal particle layer 30 of an optical element 100 according to this embodiment which is an example of an optical element according to the present invention is formed. FIG. 2 is a plan view of the region where the metal particle layer 30 of the optical element 100 of this embodiment is formed (viewed from the thickness direction of the metal layer 10). 3 and 4 are schematic views of a cross section of a region where the metal particle layer 30 of the optical element 100 of the present embodiment is formed. The optical element 100 according to this embodiment includes a metal layer 10, a dielectric layer 20, and a metal particle layer 30.

1.1.金属層
本実施形態の光学素子100は、金属層10を有する。金属層10は、光を透過しない金属の表面を提供するものであれば、特に限定されず、例えばフィルム、板、層又は膜の形状とすることができる。金属層10は、例えば基板1の上に設けられてもよい。この場合の基板1としては、特に限定されないが、金属層10に励起される伝搬型表面プラズモンに影響を与えにくいものが好ましい。基板1としては、例えば、ガラス基板、シリコン基板、樹脂基板などが挙げられる。基板1の金属層10が設けられる面の形状も特に限定されない。金属層10の表面に所定の構造を形成する場合にはその構造に対応する表面を有してもよいし、金属層10の表面を平面とする場合には、対応する部分の表面を平面としてもよい。図1〜図4の例では、基板1の表面(平面)の上に層状の金属層10が設けられている。
1.1. Metal Layer The optical element 100 according to this embodiment includes a metal layer 10. The metal layer 10 is not particularly limited as long as it provides a metal surface that does not transmit light. For example, the metal layer 10 may have a film, plate, layer, or film shape. The metal layer 10 may be provided on the substrate 1, for example. The substrate 1 in this case is not particularly limited, but a substrate that does not easily affect the propagation surface plasmon excited by the metal layer 10 is preferable. Examples of the substrate 1 include a glass substrate, a silicon substrate, and a resin substrate. The shape of the surface on which the metal layer 10 of the substrate 1 is provided is not particularly limited. When a predetermined structure is formed on the surface of the metal layer 10, it may have a surface corresponding to the structure. When the surface of the metal layer 10 is a flat surface, the surface of the corresponding portion is a flat surface. Also good. In the example of FIGS. 1 to 4, a layered metal layer 10 is provided on the surface (plane) of the substrate 1.

本明細書では、金属層10の厚さ方向を、厚み方向、高さ方向等と称する場合がある。本実施形態では、金属層10の厚さ方向とは、後述の誘電体層20及び金属粒子層30の厚さ方向と一致している。また、金属層10が基板1の表面に設けられる場合には、基板1の表面の法線方向を厚さ方向、厚み方向又は高さ方向と称する場合がある。さらに、基板1からみて、金属層10側の方向を上、又は上方と表現し、その逆方向を下、又は下方と表現する場合がある。また、本明細書において、例えば、「部材Aの上に部材Bが設けられる」との表現は、部材Aの上に接して部材Bが設けられる場合と、部材Aの上に他の部材又は空間を介して部材Bが配置される場合と、を含む意味である。   In this specification, the thickness direction of the metal layer 10 may be referred to as a thickness direction, a height direction, or the like. In the present embodiment, the thickness direction of the metal layer 10 coincides with the thickness directions of a dielectric layer 20 and a metal particle layer 30 described later. When the metal layer 10 is provided on the surface of the substrate 1, the normal direction of the surface of the substrate 1 may be referred to as a thickness direction, a thickness direction, or a height direction. Furthermore, when viewed from the substrate 1, the direction on the metal layer 10 side may be expressed as “up” or “up”, and the opposite direction may be expressed as “down” or “down”. In addition, in this specification, for example, the expression “the member B is provided on the member A” includes the case where the member B is provided on the member A and another member or the member A on the member A. And the case where the member B is disposed through the space.

金属層10は、例えば、蒸着、スパッタ、鋳造、機械加工等の手法により形成することができる。金属層10が薄膜状に基板1の上に設けられる場合には、基板1の上面全体に設けられてもよいし基板1の一部に設けられてもよい。金属層10の厚さは、金属層10に伝搬型表面プラズモンが励起され得るかぎり特に限定されず、例えば、10nm以上1mm以下、好ましくは20nm以上100μm以下、より好ましくは30nm以上1μm以下とすることができる。   The metal layer 10 can be formed, for example, by a technique such as vapor deposition, sputtering, casting, or machining. When the metal layer 10 is provided on the substrate 1 in a thin film shape, it may be provided on the entire upper surface of the substrate 1 or may be provided on a part of the substrate 1. The thickness of the metal layer 10 is not particularly limited as long as propagating surface plasmons can be excited on the metal layer 10. For example, the thickness is 10 nm to 1 mm, preferably 20 nm to 100 μm, more preferably 30 nm to 1 μm. Can do.

金属層10は、入射光iにより与えられる電場と、その電場によって誘起される分極とが逆位相で振動するような電場が存在しうる金属、すなわち、特定の電場が与えられた場合に、誘電関数の実数部が負の値を有し(負の誘電率を有し)、虚数部の誘電率が実数部の誘電率の絶対値よりも小さい誘電率を有することのできる金属によって構成される。可視光領域におけるこのような誘電率を有しうる金属の例としては、銀、金、アルミニウム
、銅、白金、及びそれらの合金等を挙げることができる。また、金属層10の表面(厚さ方向の端面)は、特定の結晶面であってもなくてもよい。また、金属層10は、平面視において、誘電体層20の外側まで形成されてもよい。
The metal layer 10 is a metal that can have an electric field in which the electric field given by the incident light i and the polarization induced by the electric field oscillate in opposite phases, that is, when a specific electric field is given, The real part of the function has a negative value (has a negative dielectric constant) and is composed of a metal that can have a dielectric constant whose imaginary part has a dielectric constant smaller than the absolute value of the dielectric constant of the real part . Examples of metals that can have such a dielectric constant in the visible light region include silver, gold, aluminum, copper, platinum, and alloys thereof. Further, the surface (end surface in the thickness direction) of the metal layer 10 may or may not be a specific crystal plane. Further, the metal layer 10 may be formed to the outside of the dielectric layer 20 in a plan view.

金属層10は、本実施形態の光学素子100において伝搬型表面プラズモン(PSP)を発生させる機能を有している。特定の条件下では、金属層10に光が入射することにより、金属層10の表面(厚さ方向の端面)近傍に伝搬型表面プラズモンが発生する。本明細書では、金属層10の表面付近の電荷の振動と電磁波とが結合した振動の量子を、表面プラズモン・ポラリトン(SPP:Surface Plasmon Plariton)と称することがある。係る金属層10に発生した伝搬型表面プラズモンを、後述の金属粒子層30に発生する局在型表面プラズモンと相互作用させてもよい。   The metal layer 10 has a function of generating a propagation surface plasmon (PSP) in the optical element 100 of the present embodiment. Under certain conditions, when light enters the metal layer 10, propagation-type surface plasmons are generated in the vicinity of the surface (end surface in the thickness direction) of the metal layer 10. In the present specification, the quantum of vibration in which the vibration of electric charges near the surface of the metal layer 10 and the electromagnetic wave are combined may be referred to as surface plasmon polariton (SPP). Propagation-type surface plasmons generated in the metal layer 10 may interact with localized surface plasmons generated in the metal particle layer 30 described later.

1.2.誘電体層
本実施形態の光学素子100は、金属層10と金属粒子層30(金属粒子40)とを電気的に隔てる誘電体層20を有する。誘電体層20は、図1、3、4に示すように、金属層10の上に設けられる。これにより、金属層10と金属粒子層30内に含まれる金属粒子40とを隔てることができる。誘電体層20は、フィルム、層又は膜の形状を有することができる。
1.2. Dielectric Layer The optical element 100 of the present embodiment includes a dielectric layer 20 that electrically separates the metal layer 10 and the metal particle layer 30 (metal particles 40). The dielectric layer 20 is provided on the metal layer 10 as shown in FIGS. Thereby, the metal layer 10 and the metal particle 40 contained in the metal particle layer 30 can be separated. The dielectric layer 20 can have the shape of a film, layer or film.

誘電体層20は、正の誘電率を有すればよく、例えば、SiO2、Al23、TiO2、高分子、ITO(Indium Tin Oxide)などで形成することができる。また誘電体層20は、材質の互いに異なる複数の層から構成されてもよい。これらのうち、誘電体層20の材質としては、SiO2であることがより好ましい。このようにすれば、400nm以上の波長λiの入射光を用いて、試料を測定する際に、入射光i及びラマン散乱光sの両者をより容易に増強することができる。 The dielectric layer 20 only needs to have a positive dielectric constant, and can be formed of, for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , polymer, ITO (Indium Tin Oxide), or the like. The dielectric layer 20 may be composed of a plurality of layers made of different materials. Of these, the material of the dielectric layer 20 is more preferably SiO 2 . In this way, both incident light i and Raman scattered light s can be more easily enhanced when measuring a sample using incident light having a wavelength λ i of 400 nm or longer.

誘電体層20は、屈折率neffを有する。誘電体層20が複数層で構成される場合や複数の材質を含んで構成される場合には、誘電体層20の全体としての実効屈折率を屈折率neffとする。誘電体層20の厚さは、光学素子100に照射される入射光iの波長λi、波長λiの光を入射した際のラマン散乱光の波長λs等を考慮して設計される。入射光iの詳細は後述する。 The dielectric layer 20 has a refractive index n eff . When the dielectric layer 20 is composed of a plurality of layers or includes a plurality of materials, the effective refractive index of the entire dielectric layer 20 is defined as a refractive index n eff . The thickness of the dielectric layer 20 is designed in consideration of the wavelength λ i of the incident light i irradiated on the optical element 100, the wavelength λ s of Raman scattered light when the light having the wavelength λ i is incident, and the like. Details of the incident light i will be described later.

誘電体層20は、例えば、蒸着、スパッタ、CVD、各種コーティング等の手法により形成することができる。誘電体層20は、金属層10の表面の全面に設けられてもよいし金属層10の表面の一部に設けられてもよい。誘電体層20は、少なくとも金属粒子層30の下に設けられ、さらに、金属粒子層30の存在しない位置にも設けられる。すなわち、誘電体層20は、光学素子100の厚さ方向から見た場合、金属粒子層30の位置と、金属粒子層30よりも外側の位置とに設けられる。換言すると、誘電体層20は、平面視において、金属粒子層30を包含するように設けられる。あるいは、誘電体層20は、平面視において、金属粒子層30の外側の領域まで設けられる。そして、平面視において、少なくとも金属粒子層30の周囲に位置する誘電体層20に、周期構造が形成される。係る周期構造についての詳細は後述する。   The dielectric layer 20 can be formed by, for example, techniques such as vapor deposition, sputtering, CVD, and various coatings. The dielectric layer 20 may be provided on the entire surface of the metal layer 10 or may be provided on a part of the surface of the metal layer 10. The dielectric layer 20 is provided at least under the metal particle layer 30 and further provided at a position where the metal particle layer 30 does not exist. That is, the dielectric layer 20 is provided at a position of the metal particle layer 30 and a position outside the metal particle layer 30 when viewed from the thickness direction of the optical element 100. In other words, the dielectric layer 20 is provided so as to include the metal particle layer 30 in a plan view. Alternatively, the dielectric layer 20 is provided up to a region outside the metal particle layer 30 in plan view. In a plan view, a periodic structure is formed at least in the dielectric layer 20 located around the metal particle layer 30. Details of the periodic structure will be described later.

誘電体層20の厚さは、特に限定されず、例えば、10nm以上2000nm以下、好ましくは20nm以上500nm以下、より好ましくは20nm以上300nm以下とすることができる。   The thickness of the dielectric layer 20 is not particularly limited, and can be, for example, 10 nm to 2000 nm, preferably 20 nm to 500 nm, more preferably 20 nm to 300 nm.

誘電体層20のうち、金属層10と金属粒子層30とに挟まれた領域は、金属粒子層30を1つの層と捉えれば、MIM(Metal−Insurator−Metal)構造のInsulator(絶縁層)とみなすことができる(図5参照)。そしてこの場合、
誘電体層20は、上下の金属によって境界が規定された導波路と考えることができる。したがって、誘電体層20内(平面方向:誘電体層20と平行な方向)に光を伝搬させることができる。また、誘電体層20は、誘電体層20と金属層10との界面近傍に発生する伝搬型表面プラズモン(PSP)を、誘電体層20内(平面方向)に伝搬させることができる。
Of the dielectric layer 20, the region sandwiched between the metal layer 10 and the metal particle layer 30 is an MIM (Metal-Insulator-Metal) Insulator (insulating layer) if the metal particle layer 30 is regarded as one layer. (See FIG. 5). And in this case
The dielectric layer 20 can be considered as a waveguide whose boundary is defined by upper and lower metals. Therefore, light can be propagated in the dielectric layer 20 (plane direction: a direction parallel to the dielectric layer 20). Further, the dielectric layer 20 can propagate the propagation type surface plasmon (PSP) generated in the vicinity of the interface between the dielectric layer 20 and the metal layer 10 in the dielectric layer 20 (plane direction).

また、金属粒子層30を1つの層とみなす場合、金属層10及び金属粒子層30によって、両端で光が反射される構造の共振器とみなすことができ、誘電体層20は、その共振器の光路に相当する。このような共振器では、入射光iと反射光との重ね合わせを起すことができる。誘電体層20の厚さは、入射光iと反射光との重ね合わせにより生じる定在波の腹が、金属粒子層30の厚さ方向の中央付近(図5の一点鎖線を参照)となるように設定されることにより、金属粒子層30に生じるLSPの強度をさらに高めることができる。このような点を考慮して誘電体層20の厚さを設定することもできる。誘電体層20の厚さは、このような点を考慮する場合を例示すると、入射光iの波長が633nmのとき230nmとすることが挙げられるがこれに限定されない。   Further, when the metal particle layer 30 is regarded as one layer, the metal layer 10 and the metal particle layer 30 can be regarded as a resonator having a structure in which light is reflected at both ends, and the dielectric layer 20 includes the resonator. This corresponds to the optical path. In such a resonator, the incident light i and the reflected light can be superposed. As for the thickness of the dielectric layer 20, the antinodes of the standing wave generated by the superposition of the incident light i and the reflected light are near the center in the thickness direction of the metal particle layer 30 (see the one-dot chain line in FIG. 5). By setting as described above, the strength of the LSP generated in the metal particle layer 30 can be further increased. In consideration of such points, the thickness of the dielectric layer 20 can also be set. The thickness of the dielectric layer 20 may be 230 nm when the wavelength of the incident light i is 633 nm, but is not limited to this, taking such points into consideration.

1.3.金属粒子層
金属粒子層30は、誘電体層20の上に設けられる。平面視において、金属粒子層30は、誘電体層20が形成された領域内に形成される。したがって、平面視において、金属粒子層30の外側に誘電体層20が存在し、当該外側の誘電体層20の部分は、金属粒子層30を取囲むように配置される。
1.3. Metal Particle Layer The metal particle layer 30 is provided on the dielectric layer 20. In plan view, the metal particle layer 30 is formed in the region where the dielectric layer 20 is formed. Accordingly, the dielectric layer 20 exists outside the metal particle layer 30 in a plan view, and the portion of the outer dielectric layer 20 is disposed so as to surround the metal particle layer 30.

金属粒子層30は、金属粒子40を含む。金属粒子層30に含まれる金属粒子40の数、大きさ(寸法)、形状、配列等については、特に限定されない。また、金属粒子層30は、金属粒子40以外に気体(空間)、誘電体等を含んでもよい。   The metal particle layer 30 includes metal particles 40. The number, size (dimension), shape, arrangement, and the like of the metal particles 40 included in the metal particle layer 30 are not particularly limited. Further, the metal particle layer 30 may include a gas (space), a dielectric, and the like in addition to the metal particles 40.

金属粒子層30は、誘電体層20の上面から、金属粒子40の誘電体層20から離れた側の上端に接する面との間の部分と定義する(図3、4参照)。例えば、金属粒子層30の上面及び下面は、金属粒子層30に金属粒子40と気体(空間)が含まれている場合には、仮想的な面となり、金属粒子層30には、金属粒子40の側方に配置された気体も含まれるものとする。   The metal particle layer 30 is defined as a portion between an upper surface of the dielectric layer 20 and a surface in contact with the upper end of the metal particle 40 on the side away from the dielectric layer 20 (see FIGS. 3 and 4). For example, the upper and lower surfaces of the metal particle layer 30 are virtual surfaces when the metal particle layer 30 includes the metal particles 40 and a gas (space), and the metal particle layer 30 includes the metal particles 40. The gas arrange | positioned at the side of is also included.

金属粒子層30の平面的な形状は、特に限定されず、矩形、多角形、円形、楕円形等、任意の形状とすることができる。また、金属粒子層30の平面的な形状は、入射光iの照射領域の形状と相似的な形状とすると、入射光iのエネルギーをより効率的に電場増強に充てることができる場合がある。例えば、入射光iの照射領域の形状が円形となる場合には、金属粒子層30の平面的な形状を、入射光iの照射領域と中心を共有する円形の形状(同心円)とすることにより、エネルギー効率を高めることができる場合がある。   The planar shape of the metal particle layer 30 is not particularly limited, and may be an arbitrary shape such as a rectangle, a polygon, a circle, an ellipse or the like. Further, when the planar shape of the metal particle layer 30 is similar to the shape of the irradiation region of the incident light i, the energy of the incident light i may be more efficiently used for electric field enhancement. For example, when the shape of the irradiation region of the incident light i is circular, the planar shape of the metal particle layer 30 is a circular shape (concentric circle) sharing the center with the irradiation region of the incident light i. , May be able to increase energy efficiency.

金属粒子層30に含まれる金属粒子40は、入射光iの照射により、局在型表面プラズモンを発生することができれば、その数、大きさ(寸法)、形状、配列等について、特に限定されない。   The number, size (dimension), shape, arrangement, and the like of the metal particles 40 included in the metal particle layer 30 are not particularly limited as long as localized surface plasmons can be generated by irradiation with incident light i.

図1〜図4は、金属粒子層30に含まれる金属粒子40の一例を示している。この例では金属粒子層30は、金属粒子40が、第1方向にピッチP1で複数並んだ金属粒子列41を有し、かつ、金属粒子列41が、第1方向と交差する第2方向に、ピッチP2で複数並んだ構造を有している。   1 to 4 show an example of the metal particles 40 included in the metal particle layer 30. In this example, the metal particle layer 30 has a metal particle row 41 in which a plurality of metal particles 40 are arranged at a pitch P1 in the first direction, and the metal particle row 41 is in a second direction intersecting the first direction. , A plurality of lines are arranged at the pitch P2.

以下この例を用いて金属粒子層30、金属粒子40について説明する。図3、4に示すように、金属粒子層30は、金属粒子40を含む層であるが、金属粒子40以外の部分に
は、誘電体等の他の物質が配置されてもよく、好ましくは気体(空間)が配置される。
Hereinafter, the metal particle layer 30 and the metal particles 40 will be described using this example. As shown in FIGS. 3 and 4, the metal particle layer 30 is a layer including the metal particles 40, but other substances such as dielectrics may be disposed on portions other than the metal particles 40, preferably Gas (space) is arranged.

(金属粒子)
金属粒子40は、誘電体層20の存在により、金属層10から厚さ方向に離間して設けられる。金属粒子40は、金属層10の上に誘電体層20を介して配置される。本実施形態の図1〜図4の例では、金属層10の上に誘電体層20が設けられ、その上に金属粒子40が形成されているが、誘電体層20は層状でなくても、金属層10と金属粒子40とが厚さ方向で離間して配置されていればよい。
(Metal particles)
The metal particles 40 are provided away from the metal layer 10 in the thickness direction due to the presence of the dielectric layer 20. The metal particles 40 are disposed on the metal layer 10 via the dielectric layer 20. In the example of FIGS. 1 to 4 of the present embodiment, the dielectric layer 20 is provided on the metal layer 10 and the metal particles 40 are formed thereon, but the dielectric layer 20 may not be layered. The metal layer 10 and the metal particles 40 only need to be spaced apart in the thickness direction.

金属粒子40の形状は、特に限定されず、例えば、金属層10又は誘電体層20の厚さ方向に投影した場合に(厚さ方向からの平面視において)円形、楕円形、多角形、不定形又はそれらを組合わせた形であることができ、厚さ方向に直交する方向に投影した場合にも円形、楕円形、多角形、不定形又はそれらを組合わせた形状であることができる。図1〜図4の例では金属粒子40は、いずれも誘電体層20の厚さ方向に中心軸を有する円柱状の形状で描かれているが、金属粒子40の形状はこれに限定されず、例えば、角柱状、楕円柱状、半球状、球状、錐状、錐台状等であってもよい。   The shape of the metal particles 40 is not particularly limited. For example, when projected in the thickness direction of the metal layer 10 or the dielectric layer 20 (in a plan view from the thickness direction), a circle, an ellipse, a polygon, an irregular shape, and the like. The shape may be a fixed shape or a combination thereof, and even when projected in a direction orthogonal to the thickness direction, the shape may be a circle, an ellipse, a polygon, an indefinite shape, or a combination thereof. 1 to 4, the metal particles 40 are all drawn in a cylindrical shape having a central axis in the thickness direction of the dielectric layer 20, but the shape of the metal particles 40 is not limited to this. For example, a prismatic shape, an elliptical columnar shape, a hemispherical shape, a spherical shape, a cone shape, a frustum shape, or the like may be used.

金属粒子40の高さ方向(誘電体層20の厚さ方向)の大きさTは、高さ方向に垂直な平面によって金属粒子40を切ることができる区間の長さを指し、1nm以上300nm以下とすることができる。また、金属粒子40の高さ方向に直交する第1方向の大きさは、第1方向に垂直な平面によって金属粒子40を切ることができる区間の長さを指し、5nm以上300nm以下とすることができる。例えば、金属粒子40の形状が高さ方向を中心軸とする円柱である場合には、金属粒子40の高さ方向の大きさ(円柱の高さ)は、1nm以上300nm以下、好ましくは2nm以上100nm以下、より好ましくは3nm以上50nm以下、さらに好ましくは4nm以上40nm以下とすることができる。また金属粒子40の形状が高さ方向を中心軸とする円柱である場合には、金属粒子40の第1方向の大きさ(円柱底面の直径)は、10nm以上300nm以下、好ましくは20nm以上200nm以下、より好ましくは25nm以上180nm以下としてもよい。   The size T in the height direction of the metal particles 40 (thickness direction of the dielectric layer 20) refers to the length of a section in which the metal particles 40 can be cut by a plane perpendicular to the height direction. It can be. The size in the first direction orthogonal to the height direction of the metal particles 40 refers to the length of a section in which the metal particles 40 can be cut by a plane perpendicular to the first direction, and is 5 nm or more and 300 nm or less. Can do. For example, when the shape of the metal particles 40 is a cylinder having the height direction as a central axis, the size of the metal particles 40 in the height direction (the height of the cylinder) is 1 nm or more and 300 nm or less, preferably 2 nm or more. The thickness can be 100 nm or less, more preferably 3 nm to 50 nm, and still more preferably 4 nm to 40 nm. When the shape of the metal particle 40 is a cylinder having the height direction as the central axis, the size of the metal particle 40 in the first direction (diameter of the bottom surface of the cylinder) is 10 nm to 300 nm, preferably 20 nm to 200 nm. Hereinafter, more preferably, it may be 25 nm or more and 180 nm or less.

金属粒子40の形状、材質は、入射光iの照射によって、局在型表面プラズモン(LSP)を生じうる限り任意である。可視光付近の光によって局在型表面プラズモンを生じうる材質としては、金、銀、アルミニウム、銅、白金、及びそれらの合金等を挙げることができる。これらの中でも、金属粒子40の材質としては、Au又はAgであることがより好ましい。このようにすれば、より強いLSPが得られ、素子全体の増強度を強めることができる。   The shape and material of the metal particles 40 are arbitrary as long as localized surface plasmon (LSP) can be generated by irradiation with incident light i. Examples of materials that can generate localized surface plasmons by light in the vicinity of visible light include gold, silver, aluminum, copper, platinum, and alloys thereof. Among these, the material of the metal particles 40 is more preferably Au or Ag. In this way, a stronger LSP can be obtained and the enhancement of the entire device can be increased.

金属粒子40は、例えば、スパッタ、蒸着等によって薄膜を形成した後にパターニングを行う方法、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法などによって形成することができる。また、金属粒子40は、コロイド化学的手法によって形成することができ、これを適宜の手法によって誘電体層20上に配置してもよい。   The metal particles 40 can be formed by, for example, a patterning method after forming a thin film by sputtering, vapor deposition, or the like, a microcontact printing method, a nanoimprinting method, or the like. The metal particles 40 can be formed by a colloidal chemical technique, and may be disposed on the dielectric layer 20 by an appropriate technique.

金属粒子40は、本実施形態の光学素子100において局在型表面プラズモン(LSP)を発生させる機能を有している。金属粒子40に、特定の条件で入射光iを照射することにより、金属粒子40の周辺に局在型表面プラズモンを発生させることができる。金属粒子40に発生した局在型表面プラズモンが、金属層10と誘電体層20との界面近傍に発生する伝搬型表面プラズモンと相互作用できるように入射光iの波長λi、誘電体層20の厚さ、金属粒子40の配列等を設定してもよい。 The metal particles 40 have a function of generating localized surface plasmons (LSP) in the optical element 100 of the present embodiment. By irradiating the metal particles 40 with incident light i under specific conditions, localized surface plasmons can be generated around the metal particles 40. The wavelength λ i of the incident light i , the dielectric layer 20 so that the localized surface plasmon generated in the metal particle 40 can interact with the propagating surface plasmon generated in the vicinity of the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20. The thickness, the arrangement of the metal particles 40, and the like may be set.

光学素子100には、金属粒子層30側から入射光iが照射される。そして、入射光iは、金属粒子層30、誘電体層20、及び金属層10と、回折、屈折、反射等の各種の相
互作用をして入射光iの照射された領域及びその近傍にて、プラズモン共鳴を生じ、高い電場増強効果を示すことができる。
The optical element 100 is irradiated with incident light i from the metal particle layer 30 side. The incident light i interacts with the metal particle layer 30, the dielectric layer 20, and the metal layer 10 in various regions such as diffraction, refraction, and reflection, and in the vicinity of the region irradiated with the incident light i. Plasmon resonance can be generated and a high electric field enhancement effect can be exhibited.

(金属粒子の配置)
図1〜図4に示す例では、金属粒子40は、複数が並んで金属粒子列41を構成している。金属粒子40は、金属粒子列41において、金属層10の厚さ方向と直交する第1方向に並んで配置される。言換えると金属粒子列41は、金属粒子40が高さ方向と直交する第1方向に複数並んだ構造を有する。1つの金属粒子列41に並ぶ金属粒子40の数は、複数であればよく、好ましくは10個以上である。
(Arrangement of metal particles)
In the example shown in FIGS. 1 to 4, a plurality of metal particles 40 constitute a metal particle row 41. The metal particles 40 are arranged side by side in a first direction orthogonal to the thickness direction of the metal layer 10 in the metal particle array 41. In other words, the metal particle row 41 has a structure in which a plurality of metal particles 40 are arranged in a first direction orthogonal to the height direction. The number of the metal particles 40 arranged in one metal particle row 41 may be plural, and is preferably 10 or more.

ここで金属粒子列41内における第1方向の金属粒子40の重心間の距離をピッチP1と定義する(図2〜図4参照)。金属粒子列41内における2つの金属粒子40の粒子間距離は、金属粒子40が金属層10の厚さ方向を中心軸とする円柱である場合には、ピッチP1から円柱の直径を差引いた長さに等しい。この粒子間距離が小さいと、粒子間に働く局在型表面プラズモンの強度が増大する傾向がある。粒子間距離は、1nm以上530nm以下であり、好ましくは5nm以上200nm以下、より好ましくは5nm以上150nm以下とすることができる。   Here, the distance between the centers of gravity of the metal particles 40 in the first direction in the metal particle array 41 is defined as a pitch P1 (see FIGS. 2 to 4). The distance between the two metal particles 40 in the metal particle array 41 is a length obtained by subtracting the diameter of the cylinder from the pitch P1 when the metal particle 40 is a cylinder having the thickness direction of the metal layer 10 as a central axis. Equal to When the distance between the particles is small, the strength of the localized surface plasmon acting between the particles tends to increase. The interparticle distance is 1 nm or more and 530 nm or less, preferably 5 nm or more and 200 nm or less, more preferably 5 nm or more and 150 nm or less.

金属粒子列41内における第1方向の金属粒子40のピッチP1は、例えば、6nm以上535nm以下であり、好ましくは10nm以上400nm以下、より好ましくは20nm以上350nm以下とすることができる。   The pitch P1 of the metal particles 40 in the first direction in the metal particle row 41 is, for example, 6 nm to 535 nm, preferably 10 nm to 400 nm, more preferably 20 nm to 350 nm.

金属粒子列41は、第1方向にピッチP1で並ぶ複数の金属粒子40によって構成されるが、金属粒子40に発生される局在型表面プラズモンの分布・強度等は、この金属粒子40の配列にも依存する。したがって、金属層10に発生する伝搬型表面プラズモンと相互作用する局在型表面プラズモンは、単一の金属粒子40に発生する局在型表面プラズモンだけでなく、金属粒子列41における金属粒子40の配列を考慮した局在型表面プラズモンである。   The metal particle array 41 is composed of a plurality of metal particles 40 arranged at a pitch P1 in the first direction. The distribution / strength of localized surface plasmons generated on the metal particles 40 is determined by the arrangement of the metal particles 40. Also depends on. Therefore, the localized surface plasmon that interacts with the propagating surface plasmon generated in the metal layer 10 is not only the localized surface plasmon generated in the single metal particle 40 but also the metal particle 40 in the metal particle array 41. This is a localized surface plasmon considering the arrangement.

図1〜図4に示す例では、金属粒子列41は、金属層10の厚さ方向及び第1方向と交差する第2方向にピッチP2で並んで配置されている。金属粒子列41が並ぶ数は、複数であればよく、好ましくは5列以上である。ここで、隣合う金属粒子列41の第2方向における重心間の距離をピッチP2と定義する。ピッチP2は、金属粒子列41が、複数の列から構成される場合には、複数の列の第2方向における重心の位置と、隣の金属粒子列41の複数の列の第2方向における重心の位置と、の間の距離を指す。   In the example shown in FIGS. 1 to 4, the metal particle rows 41 are arranged side by side with a pitch P <b> 2 in the thickness direction of the metal layer 10 and the second direction intersecting the first direction. The number of the metal particle rows 41 may be a plurality, and is preferably 5 rows or more. Here, the distance between the centroids in the second direction of the adjacent metal particle rows 41 is defined as the pitch P2. When the metal particle row 41 is composed of a plurality of rows, the pitch P2 is the position of the center of gravity in the second direction of the plurality of rows and the center of gravity in the second direction of the plurality of rows of the adjacent metal particle row 41. And the distance between.

金属粒子列41間のピッチP2は、例えば、10nm以上10μm以下であり、好ましくは100nm以上2μm以下、より好ましくは300nm以上1900nm以下、さらに好ましくは400nm以上1850nm以下、特に好ましくは480nm以上1840nm以下とすることができる。   The pitch P2 between the metal particle rows 41 is, for example, 10 nm or more and 10 μm or less, preferably 100 nm or more and 2 μm or less, more preferably 300 nm or more and 1900 nm or less, further preferably 400 nm or more and 1850 nm or less, and particularly preferably 480 nm or more and 1840 nm or less. can do.

図1〜図4の例では、金属粒子層30の金属粒子40が規則的な配列となっている例であるが、本実施形態の光学素子100では、金属粒子40の配列は、規則性を有する必要はなく、ランダムな配置であってもよく、また部分的に規則性を有する配置であってもよい。   1 to 4 are examples in which the metal particles 40 of the metal particle layer 30 are regularly arranged. In the optical element 100 of the present embodiment, the arrangement of the metal particles 40 is regular. It is not necessary to have, and a random arrangement | positioning may be sufficient and the arrangement | positioning which has regularity partially may be sufficient.

またなお、金属粒子層30を図1〜図4のような配置とした場合、ピッチP1及びピッチP2を、
P1<P2≦Q+P1
[ここで、P1は第1のピッチ、P2は第2のピッチ、Qは、第2金属層の列に励起され
る局在型表面プラズモンの角振動数をω、金属層を構成する金属の誘電率をε(ω)、金属層の周辺の誘電率をε、真空中の光速をc、入射光iの照射角であって金属層の厚さ方向からの傾斜角をθ、として、下記式で与えられる回析格子のピッチを表す。](ω/c)・{ε・ε(ω)/(ε+ε(ω))}1/2=ε1/2・(ω/c)・sinθ+2mπ/Q (m=±1,±2,,)
なる関係を満たすように設定すれば局在型表面プラズモンと伝搬型表面プラズモンとの良好な相互作用を生じさせることができ、さらに高い電場増強効果を得ることができる。
In addition, when the metal particle layer 30 is arranged as shown in FIGS. 1 to 4, the pitch P1 and the pitch P2 are
P1 <P2 ≦ Q + P1
[Where P1 is the first pitch, P2 is the second pitch, Q is the angular frequency of localized surface plasmons excited by the rows of the second metal layer ω, and the metal constituting the metal layer Assuming that the dielectric constant is ε (ω), the dielectric constant around the metal layer is ε, the speed of light in vacuum is c, the incident angle of the incident light i and the inclination angle from the thickness direction of the metal layer is θ, It represents the pitch of the diffraction grating given by the equation. ] (Ω / c) · {ε · ε (ω) / (ε + ε (ω))} 1/2 = ε 1/2 · (ω / c) · sin θ + 2 mπ / Q (m = ± 1, ± 2,. )
If the relationship is set so as to satisfy this relationship, a favorable interaction between the localized surface plasmon and the propagating surface plasmon can be generated, and a higher electric field enhancement effect can be obtained.

1.4.入射光
光学素子100には、上述の金属粒子層30側から入射光iが照射される。光学素子100に入射される入射光iの波長λiは、金属層10の表面(誘電体層20との界面)近傍に伝搬型表面プラズモンを生じさせることができる限り、限定されず、紫外光、可視光、赤外光を含む、電磁波とすることができる。また、入射光iは偏光光であってもなくてもよい。
1.4. Incident light The optical element 100 is irradiated with incident light i from the metal particle layer 30 side. The wavelength λ i of the incident light i incident on the optical element 100 is not limited as long as a propagation type surface plasmon can be generated in the vicinity of the surface of the metal layer 10 (interface with the dielectric layer 20). , And electromagnetic waves including visible light and infrared light. Further, the incident light i may or may not be polarized light.

入射光iの波長λiは、例えば、400nm以上1070nm以下、好ましくは500nm以上1070nm以下、より好ましくは630nm以上1070nm以下とすることができる。 The wavelength λ i of the incident light i can be, for example, 400 nm to 1070 nm, preferably 500 nm to 1070 nm, more preferably 630 nm to 1070 nm.

入射光iは、光学素子100の金属粒子層30が形成された領域に入射される。入射光iは、平面的に見て、金属粒子層30の全体に入射(照射)されてもよいし、金属粒子層30の一部に入射されてもよい。さらに、入射光iは、平面的に見て金属粒子層30が形成された領域よりも広い領域に照射されてもよい。   Incident light i is incident on the region of the optical element 100 where the metal particle layer 30 is formed. The incident light i may be incident (irradiated) on the entire metal particle layer 30 or may be incident on a part of the metal particle layer 30 in a plan view. Further, the incident light i may be applied to a region wider than the region where the metal particle layer 30 is formed in plan view.

入射光iの照射領域とは、金属粒子層30の上面における領域のことを指し、入射光iが金属粒子層30に進入する領域である。入射光iは、レンズ等で集光されるなどして照射されてもよい。入射光iの照射領域の大きさは、いわゆるスポットサイズに相当する。なお、入射光iは、レンズ等によって集光されていてもいなくてもよい。また、入射光iの照射領域は、平面的に見て、円形、楕円形であってもよいし、アパーチャー等を用いて任意の形状としてもよい。さらに、レンズ等を用いる場合には、入射光iに収差等が生じていてもよい。   The irradiation region of the incident light i refers to a region on the upper surface of the metal particle layer 30 and is a region where the incident light i enters the metal particle layer 30. Incident light i may be irradiated by being condensed by a lens or the like. The size of the irradiation area of the incident light i corresponds to a so-called spot size. The incident light i may or may not be collected by a lens or the like. In addition, the irradiation area of the incident light i may be circular or elliptical when viewed in plan, or may have an arbitrary shape using an aperture or the like. Further, when a lens or the like is used, aberration or the like may occur in the incident light i.

金属粒子層30の上面における照射領域(スポット)を円形とした場合、収差を無視できる程度のレンズであって、開口数NAのレンズで集光した時の光のスポット半径w0は近似的に式(1)で表される。 When the irradiation area (spot) on the upper surface of the metal particle layer 30 is circular, the aberration is negligible, and the spot radius w 0 of the light when condensed by a lens with a numerical aperture NA is approximately It is represented by Formula (1).

ここで、波長λを633nmとし、開口数NA=0.25の対物レンズ(金属粒子層30に対して光を出射するレンズ)を想定すると、w0〜1.5μmとなる。また、入射光iの集光と、散乱光sの集光を同一の対物レンズで行う場合、散乱光sを集光できる面積の半径も、式(1)式に従うため、その半径は約1.5μmとなる。 Here, assuming that the wavelength λ is 633 nm and an objective lens having a numerical aperture NA = 0.25 (a lens that emits light to the metal particle layer 30), w 0 to 1.5 μm. Further, when the incident light i and the scattered light s are collected by the same objective lens, the radius of the area where the scattered light s can be collected also follows the formula (1), and therefore the radius is about 1 .5 μm.

入射光iの照射領域の大きさは、使用するレンズの開口数NA、レンズの口径、レンズから金属粒子層30までの距離などを変更することによって調節することができる。   The size of the irradiation region of the incident light i can be adjusted by changing the numerical aperture NA of the lens to be used, the aperture of the lens, the distance from the lens to the metal particle layer 30, and the like.

1.5.伝搬型表面プラズモン(PSP)の伝搬距離
光学素子100に対して、金属粒子層30側から入射光iが入射されると、金属層10
と誘電体層20との界面近傍に伝搬型表面プラズモン(PSP)が生成される。PSPは、局在型表面プラズモンと異なり、速度を有し、金属層10の上面付近を平面方向に移動するプラズモンであり、分散関係のグラフにプロットすると傾きを有するプラズモンである。
1.5. Propagation distance of propagation type surface plasmon (PSP) When incident light i enters the optical element 100 from the metal particle layer 30 side, the metal layer 10
Propagation type surface plasmon (PSP) is generated near the interface between the dielectric layer 20 and the dielectric layer 20. Unlike localized surface plasmons, PSP is a plasmon that has a velocity and moves in the plane direction in the vicinity of the upper surface of the metal layer 10, and is a plasmon having an inclination when plotted on a graph of a dispersion relationship.

伝搬型表面プラズモンの平面方向への伝搬距離は、主として誘電体層20の材質及び厚さに依存する。伝搬型表面プラズモンの平面方向への伝搬距離は、誘電体層20にSiO2を採用した場合には、当該誘電体層20の厚さが200nmとすると、約5μmほどにも及ぶ。すなわち、一様な材質、構造の誘電体層20であると、入射光iの照射領域内で生じたPSPは、当該照射領域の端から外側に向って、入射光iが照射されていない領域に向って約5μm伝搬する。 The propagation distance of the propagation type surface plasmon in the plane direction mainly depends on the material and thickness of the dielectric layer 20. The propagation distance of the propagation type surface plasmon in the plane direction reaches about 5 μm when the thickness of the dielectric layer 20 is 200 nm when SiO 2 is employed for the dielectric layer 20. That is, when the dielectric layer 20 has a uniform material and structure, the PSP generated in the irradiation region of the incident light i is a region where the incident light i is not irradiated from the end of the irradiation region to the outside. Propagated by about 5 μm.

スポット半径が1.5μmであって、PSPの伝搬距離が5μmである場合には、計算上、PSPの存在領域の面積は、入射光iの照射領域の面積の約19倍となることがわかる。したがって、入射光iの外側の領域にPSPとして、入射光iのエネルギーが広がっていることが理解されよう。   When the spot radius is 1.5 μm and the propagation distance of the PSP is 5 μm, the area of the PSP existing region is calculated to be about 19 times the area of the irradiation region of the incident light i. . Therefore, it will be understood that the energy of the incident light i spreads as a PSP in a region outside the incident light i.

本実施形態の光学素子100の構造のうち、金属層10と金属粒子層30とによって誘電体層20が挟まれた領域は、MIM構造とみなすことができる。この構造を模式的に示すと図5のようになる。係る構造では、入射光iと、各界面で生じた反射波の重ね合わせた定在波の腹が金属粒子層30の中央付近(図5中、一点鎖線部分)に存在するように、誘電体層20の膜厚を設定することで、プラズモン共鳴波長を設定できる。このとき、構造パラメータとプラズモン共鳴波長の関係として近似的に式(2)が与えられる。   Of the structure of the optical element 100 of the present embodiment, a region where the dielectric layer 20 is sandwiched between the metal layer 10 and the metal particle layer 30 can be regarded as an MIM structure. This structure is schematically shown in FIG. In such a structure, the dielectric is formed so that the antinode of the standing wave obtained by superimposing the incident light i and the reflected wave generated at each interface is present in the vicinity of the center of the metal particle layer 30 (the dashed line portion in FIG. 5). By setting the film thickness of the layer 20, the plasmon resonance wavelength can be set. At this time, equation (2) is approximately given as the relationship between the structural parameter and the plasmon resonance wavelength.

ここでλはプラズモン共鳴波長、mは整数である。また、nparticle及びdparticleは、それぞれ金属粒子層30の屈折率及び膜厚、ngap及びdgapは、それぞれ誘電体層20の屈折率及び膜厚、φmirrorは、誘電体層20と金属層10との界面で反射する際に生じる位相変化量[rad]である。金属層10が単層の金属膜の場合、φmirrorは次式で与えられる。 Here, λ is a plasmon resonance wavelength, and m is an integer. Further, n particle and d particle are the refractive index and film thickness of the metal particle layer 30 respectively, n gap and d gap are the refractive index and film thickness of the dielectric layer 20 respectively, and φ mirror is the dielectric layer 20 and the metal. This is the amount of phase change [rad] generated when the light is reflected at the interface with the layer 10. When the metal layer 10 is a single-layer metal film, φ mirror is given by the following equation.

ここでnmirror及びκmirrorは、それぞれ金属層10の屈折率及び消衰係数である。また、誘電体層20が複数の層からなる場合、各誘電体層20において式(2)を満たすことが望ましい。この時、式(2)の右辺第2項(2ngap・dgap)は誘電体層20を形成する各層の屈折率と膜厚との積の総和として計算される。 Here, n mirror and κ mirror are the refractive index and extinction coefficient of the metal layer 10, respectively. In addition, when the dielectric layer 20 is composed of a plurality of layers, it is preferable that each dielectric layer 20 satisfies the formula (2). At this time, the second term (2n gap · d gap ) on the right side of Expression (2) is calculated as the sum of the products of the refractive index and the film thickness of each layer forming the dielectric layer 20.

図5に示すような、薄い誘電体層20が2枚の金属の間に挟まれている金属−絶縁体−金属(MIM)導波路を考えると、誘電体層20中を伝搬するTM偏光光と結合して、金属層10と誘電体層20との間の界面に伝搬型表面プラズモンが生じ、係る伝搬型表面プラズモンが平面方向に伝搬する。   Considering a metal-insulator-metal (MIM) waveguide in which a thin dielectric layer 20 is sandwiched between two metals, as shown in FIG. 5, TM polarized light propagating in the dielectric layer 20. In combination, the propagation type surface plasmon is generated at the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20, and the propagation type surface plasmon propagates in the plane direction.

このとき、伝搬型表面プラズモンの波数kgspは次式で与えられる。 At this time, the wave number kgsp of the propagation type surface plasmon is given by the following equation.

ここで、k0は真空中での光の波数で、εd及びεmは、それぞれ、入射光iの波長における誘電体層20の誘電率及び金属層10の誘電率である。また、導波路(誘電体層20)の実効的な屈折率neff、及び、伝搬型表面プラズモンの伝搬距離Lは次式で与えられる。 Here, k 0 is the wave number of light in vacuum, and ε d and ε m are the dielectric constant of the dielectric layer 20 and the dielectric constant of the metal layer 10 at the wavelength of the incident light i, respectively. The effective refractive index n eff of the waveguide (dielectric layer 20) and the propagation distance L of the propagation surface plasmon are given by the following equations.

ここで、波長を、例えば、633nmとした場合、式(5)、式(6)から、実効的な屈折率neffの実数部、及び伝搬距離Lを、誘電体層20(ここではSiO2とする。)の厚みtに対してプロットすると、図6のようになる。図6の特に伝搬型表面プラズモン(PSP)の伝搬距離Lに注目すると、誘電体層20の厚さが増すにつれて、伝搬距離Lが伸びていることがわかる。また、既に述べたとおり、図6をみると、SiO2が、約200nmの時、伝搬距離は5μmにも及ぶことがわかる。 Here, when the wavelength is, for example, 633 nm, the real part of the effective refractive index n eff and the propagation distance L are expressed by the dielectric layer 20 (here, SiO 2 ) from the equations (5) and (6). When plotted against the thickness t of FIG. Focusing on the propagation distance L of the propagation type surface plasmon (PSP) in FIG. 6, it can be seen that the propagation distance L increases as the thickness of the dielectric layer 20 increases. Further, as already described, it can be seen from FIG. 6 that the propagation distance reaches 5 μm when SiO 2 is about 200 nm.

光学素子100において、誘電体層20を伝搬する伝搬型表面プラズモンの伝搬距離Lが長いことは、金属粒子層30に存在する、より多くの金属粒子40と相互作用を生じさせることが出来ることを示している。これにより、増強電場を生じる領域を広範囲とすることができ、SERSもまた広範囲から発生させることができる。   In the optical element 100, the fact that the propagation distance L of the propagation type surface plasmon propagating through the dielectric layer 20 is long, can cause interaction with more metal particles 40 existing in the metal particle layer 30. Show. Thereby, the region where the enhanced electric field is generated can be wide, and SERS can also be generated from a wide range.

しかしながら、この場合、単位面積当たりの増強度は、伝搬距離Lが長くなるほど、小さくなってしまう。また、この場合、金属粒子層30(金属粒子40)に吸着した試料(目的物質)を検出するには、広範囲から発生されるSERS光を、レンズを介して集光し、分光処理部へ導く必要がある。したがって集光するために用いるレンズの径の大型化などが必要となる。   However, in this case, the enhancement per unit area becomes smaller as the propagation distance L becomes longer. In this case, in order to detect the sample (target substance) adsorbed on the metal particle layer 30 (metal particle 40), the SERS light generated from a wide range is collected through a lens and guided to the spectroscopic processing unit. There is a need. Therefore, it is necessary to increase the diameter of the lens used for condensing light.

これに対して、本実施形態に係る光学素子100では、平面的に見て、金属粒子層30の周囲に位置する誘電体層20に周期構造が形成されるため、誘電体層20を伝搬する伝搬型表面プラズモンの伝搬距離Lが長くても、単位面積当たりの増強度を高く維持することができる。   On the other hand, in the optical element 100 according to the present embodiment, since the periodic structure is formed in the dielectric layer 20 located around the metal particle layer 30 in a plan view, the optical element 100 propagates through the dielectric layer 20. Even if the propagation distance L of the propagation type surface plasmon is long, the enhancement per unit area can be kept high.

1.6.周期構造
本実施形態の光学素子100では、平面的に見て、金属粒子層30の周囲に位置する誘電体層20に周期構造が形成される。周期構造は、誘電体層20を構成する材料によって形成されてもよいし、他の材料によって形成されてもよい。周期構造は、例えば、半導体製造において汎用されるフォトリソグラフィ技術、エッチング技術等を用いてパターニングして形成することができる。
1.6. Periodic Structure In the optical element 100 of the present embodiment, a periodic structure is formed in the dielectric layer 20 located around the metal particle layer 30 when viewed in plan. The periodic structure may be formed of a material constituting the dielectric layer 20 or may be formed of another material. The periodic structure can be formed by patterning using, for example, a photolithography technique, an etching technique or the like widely used in semiconductor manufacturing.

周期構造は、当該構造内に、TM偏光光が存在できなくなる態様で形成される。したがって、周期構造内には、PSPのようなTM偏光光が存在することができない。周期構造の具体的な構造は、特に限定されず、以下に例示するような柱状体や孔が二次元的に規則的に配列するような構造でもよいし、ランダムな構造であってもよい。   The periodic structure is formed in such a manner that TM polarized light cannot be present in the structure. Therefore, TM-polarized light such as PSP cannot exist in the periodic structure. The specific structure of the periodic structure is not particularly limited, and may be a structure in which columnar bodies and holes as exemplified below are regularly arranged two-dimensionally or a random structure.

誘電体層20に形成される周期構造の例を、図7〜図15を用いて説明する。図7、図11は、それぞれ、本実施形態の光学素子100の一例を示す斜視図である。図8は、図7の例の誘電体層に形成される周期構造を平面的に見た模式図である。図9及び図12は、それぞれ、図7及び図11の例の誘電体層に形成される周期構造のブリユアンゾーンを示す。図10は、図7の例の誘電体層に形成される周期構造のフォトニックバンド図を示す。図13は、本実施形態の光学素子100の誘電体層に形成される周期構造の他の例を平面的に見た模式図である。図14は、図13の例の誘電体層に形成される周期構造のブリユアンゾーンを示す。図15は、図13の例の誘電体層に形成される周期構造のフォトニックバンド図である。   An example of the periodic structure formed in the dielectric layer 20 will be described with reference to FIGS. 7 and 11 are perspective views showing an example of the optical element 100 of the present embodiment, respectively. FIG. 8 is a schematic view of the periodic structure formed in the dielectric layer in the example of FIG. 9 and 12 show the Brillouin zone of the periodic structure formed in the dielectric layer of the example of FIGS. 7 and 11, respectively. FIG. 10 shows a photonic band diagram of a periodic structure formed in the dielectric layer of the example of FIG. FIG. 13 is a schematic view of another example of the periodic structure formed in the dielectric layer of the optical element 100 of the present embodiment when viewed in plan. FIG. 14 shows a Brillouin zone having a periodic structure formed in the dielectric layer of the example of FIG. FIG. 15 is a photonic band diagram of a periodic structure formed in the dielectric layer of the example of FIG.

図7、図8に示す例は、金属粒子層30の周囲に、正方配列の誘電体からなる円柱を格子状に配列した例である。係る例における、光学素子100は、金属層10と、金属層10の上に形成された誘電体層20と、誘電体層20のの上に形成された金属粒子層30とを含んでおり、平面視において、金属粒子層30の周囲に位置する誘電体層20が、複数の円柱21が残るように成形され、係る円柱21が平面的に見て正方配列され、これにより周期構造領域23が形成されている。   The example shown in FIGS. 7 and 8 is an example in which cylinders made of a dielectric having a square arrangement are arranged around the metal particle layer 30 in a lattice shape. In such an example, the optical element 100 includes a metal layer 10, a dielectric layer 20 formed on the metal layer 10, and a metal particle layer 30 formed on the dielectric layer 20. In plan view, the dielectric layer 20 positioned around the metal particle layer 30 is formed so that a plurality of cylinders 21 remain, and the cylinders 21 are arranged in a square shape when viewed in a plan view, whereby the periodic structure region 23 is formed. Is formed.

図8には、係る正方配列された誘電体からなる円柱21の格子を模式的に平面的にみた図を示す。図8中、aはピッチ、rは円柱21の半径であり、矢印は単位ベクトルを示す。図9は、正方配列のブリユアンゾーンであり、伝搬方位を図9に描くように定義する。   FIG. 8 shows a schematic plan view of the lattice of the cylinders 21 made of dielectrics arranged in a square pattern. In FIG. 8, a is a pitch, r is a radius of the cylinder 21, and an arrow indicates a unit vector. FIG. 9 is a square array Brillouin zone, and the propagation direction is defined as depicted in FIG.

係る例の周期構造において、円柱21の内部誘電率を5.9(TiO2を想定)、外部誘電率を1(空気を想定)、半径r/a=0.25とすると、フォトニックバンド図は、図10のようになる。 In the periodic structure of such an example, when the internal dielectric constant of the cylinder 21 is 5.9 (assuming TiO 2 ), the external dielectric constant is 1 (assuming air), and the radius r / a = 0.25, the photonic band diagram Is as shown in FIG.

図10をみると、ωa/(2πc)=0.356〜0.437のとき、フォトニックバンドが開いていることが分かる。したがって、ωa/(2πc)=0.356〜0.437のときには、係る周期構造が形成された周期構造領域23の中(誘電体層20の中)には、いずれの方向にも光の存在が許されない。そのため、平面視において、誘電体層20の周期構造領域23によって囲まれた領域の内側に存在する光又はPSPは、周期構造領域23に進入することができず、反射されて内側の誘電体層20に戻されることになる。   FIG. 10 shows that the photonic band is open when ωa / (2πc) = 0.356 to 0.437. Therefore, when ωa / (2πc) = 0.356 to 0.437, light is present in any direction in the periodic structure region 23 (in the dielectric layer 20) where the periodic structure is formed. Is not allowed. Therefore, in plan view, light or PSP existing inside the region surrounded by the periodic structure region 23 of the dielectric layer 20 cannot enter the periodic structure region 23 and is reflected and reflected on the inner dielectric layer. It will be returned to 20.

したがって、入射光iの波長λiの角周波数ωiに対し、a及びrを上記のように設定することで、平面視における金属粒子層30が存在する領域(周期構造領域23の内側の誘電体層20)に、TM偏光光である伝搬型表面プラズモンを閉じ込めることができる。 Thus, for the angular frequency omega i of wavelength lambda i of the incident light i, a and r By setting as described above, the inner dielectric region (the periodic structure region 23 is present the metal particle layer 30 in plan view The body layer 20) can confine propagating surface plasmons which are TM polarized light.

なお、フォトニックバンド図は、平面波展開法を用いて固有方程式を導出し、これを解くことによって得られる。フォトニックバンド図は、例えば、Rsoft社製BandSOLVEなどの市販のソフトウェアを用いて計算することにより求めることができる。   The photonic band diagram is obtained by deriving an eigen equation using the plane wave expansion method and solving it. The photonic band diagram can be obtained by calculation using commercially available software such as BandSOLVE manufactured by Rsoft.

図11は、平面視において、金属粒子層30の周囲に位置する誘電体層20に、形状が円柱である円柱孔22を正方配列で格子状に設けた例である。この例では、円柱孔22は、誘電体層20が円柱の形状で除去された空間に相当する。円柱孔22の内部誘電率を1(空気を想定)、外部誘電率を5.9(TiO2を想定)とし、aはピッチ、rは円柱孔
22の内のり(内径)の半径とする(すなわち、図8において円柱21を円柱孔22と置換えた場合に相当する。)。係る例における、光学素子100は、金属層10と、金属層10の上に形成された誘電体層20と、誘電体層20の上に形成された金属粒子層30とを含んでおり、平面視において、金属粒子層30の周囲に位置する誘電体層20に、複数の円柱孔22が成形され、係る円柱孔22が平面的に見て正方配列され、これにより周期構造領域23が形成されている。
FIG. 11 is an example in which cylindrical holes 22 having a cylindrical shape are provided in a lattice pattern in a square arrangement in the dielectric layer 20 located around the metal particle layer 30 in plan view. In this example, the cylindrical hole 22 corresponds to a space from which the dielectric layer 20 is removed in a cylindrical shape. The internal dielectric constant of the cylindrical hole 22 is 1 (assuming air), the external dielectric constant is 5.9 (assuming TiO 2 ), a is the pitch, and r is the radius of the inner (inner diameter) of the cylindrical hole 22 (ie, This corresponds to the case where the column 21 is replaced with the column hole 22 in FIG. In this example, the optical element 100 includes a metal layer 10, a dielectric layer 20 formed on the metal layer 10, and a metal particle layer 30 formed on the dielectric layer 20. When viewed, a plurality of cylindrical holes 22 are formed in the dielectric layer 20 located around the metal particle layer 30, and the cylindrical holes 22 are squarely arranged in a plan view, thereby forming the periodic structure region 23. ing.

この例において、r/a=0.45とした場合のフォトニックバンド図を図12に示す。図12をみると、ωa/(2πc)=0.327〜0.354のとき、フォトニックバンドが開いていることが分かる。したがって、ωa/(2πc)=0.327〜0.354のときには、係る周期構造領域23の中(誘電体層20の中)には、いずれの方向にも光の存在が許されない。そのため、上述の例と同様に、平面視において、周期構造領域23によって囲まれた領域の内側に存在する光又はPSPは、周期構造領域23に進入することができず、反射されて内側の誘電体層20に戻されることができる。   In this example, a photonic band diagram in the case of r / a = 0.45 is shown in FIG. As can be seen from FIG. 12, when ωa / (2πc) = 0.327 to 0.354, the photonic band is open. Therefore, when ωa / (2πc) = 0.327 to 0.354, no light is allowed in any direction in the periodic structure region 23 (in the dielectric layer 20). Therefore, similarly to the above-described example, in plan view, the light or PSP existing inside the region surrounded by the periodic structure region 23 cannot enter the periodic structure region 23 and is reflected to be reflected by the inner dielectric. It can be returned to the body layer 20.

したがって、入射光iの波長λiの角周波数ωiに対し、a及びrを上記のように設定することで、平面視における金属粒子層30が存在する領域(周期構造領域23の内側の誘電体層20)に、TM偏光光である伝搬型表面プラズモンを閉じ込めることができる。 Thus, for the angular frequency omega i of wavelength lambda i of the incident light i, a and r By setting as described above, the inner dielectric region (the periodic structure region 23 is present the metal particle layer 30 in plan view The body layer 20) can confine propagating surface plasmons which are TM polarized light.

また、周期構造における円柱等の配列は、正方配列に限られない。図13は、金属粒子層30の周囲に、誘電体からなる円柱21を三角配列の格子状に配列した場合を模式的に表す平面図である。係る例における、光学素子100は、金属層10と、金属層10の上に形成された誘電体層20と、誘電体層20のの上に形成された金属粒子層30とを含んでおり、平面視において、金属粒子層30の周囲に位置する誘電体層20が、複数の円柱21が残るように成形され、係る円柱21が平面的に見て三角配列され、これにより周期構造領域23が形成されている。そして、図14は、三角配列のブリユアンゾーンであり、伝搬方位を図13に描くように定義する。   Moreover, the arrangement | sequence of the cylinder etc. in a periodic structure is not restricted to a square arrangement. FIG. 13 is a plan view schematically showing the case where the circular cylinders 21 made of a dielectric are arranged around the metal particle layer 30 in a triangular lattice pattern. In such an example, the optical element 100 includes a metal layer 10, a dielectric layer 20 formed on the metal layer 10, and a metal particle layer 30 formed on the dielectric layer 20. In plan view, the dielectric layer 20 positioned around the metal particle layer 30 is formed so that a plurality of cylinders 21 remain, and the cylinders 21 are arranged in a triangular pattern when viewed in a plan view, whereby the periodic structure region 23 is formed. Is formed. FIG. 14 shows a triangular array of Brillouin zones, and the propagation direction is defined as depicted in FIG.

円柱21の内部誘電率を5.9(TiO2を想定)、外部誘電率を1(空気を想定)とし、図13に示すようにaはピッチ、rは円柱21の半径とする。そして、本例において、半径r/a=0.1とした場合のフォトニックバンド図を図15に示す。 The internal dielectric constant of the cylinder 21 is 5.9 (assuming TiO 2 ), the external dielectric constant is 1 (assuming air), a is the pitch, and r is the radius of the cylinder 21 as shown in FIG. And in this example, the photonic band figure when radius r / a = 0.1 is shown in FIG.

図15をみると、ωa/(2πc)=0.537〜0.575のとき、フォトニックバンドが開いていることが分かる。ωa/(2πc)=0.537〜0.575の関係を満足すれば、係る周期構造領域23の中(誘電体層20の中)には、いずれの方向にも光の存在が許されない。そのため、上述の例と同様に、平面視において、周期構造領域23によって囲まれた領域の内側に存在する光又はPSPは、周期構造領域23に進入することができず、反射されて内側の誘電体層20に戻されることができる。   FIG. 15 shows that the photonic band is open when ωa / (2πc) = 0.537 to 0.575. If the relationship of ωa / (2πc) = 0.537 to 0.575 is satisfied, no light is allowed in any direction in the periodic structure region 23 (in the dielectric layer 20). Therefore, similarly to the above-described example, in plan view, the light or PSP existing inside the region surrounded by the periodic structure region 23 cannot enter the periodic structure region 23 and is reflected to be reflected by the inner dielectric. It can be returned to the body layer 20.

したがって、入射光iの波長λiの角周波数ωiに対し、a及びrを上記のように設定することで、平面視における金属粒子層30が存在する領域(周期構造領域23の内側の誘電体層20)に、TM偏光光である伝搬型表面プラズモンを閉じ込めることができる。 Thus, for the angular frequency omega i of wavelength lambda i of the incident light i, a and r By setting as described above, the inner dielectric region (the periodic structure region 23 is present the metal particle layer 30 in plan view The body layer 20) can confine propagating surface plasmons which are TM polarized light.

以上周期構造について例示的に説明したが、周期構造は、フォトニックバンドギャップを形成できる限り任意であり、適宜に設計することができる。また、上記の例では、周期構造は、周期構造領域内で一様な配列を例示しているが、周期構造は、その周期が位置によって変化してもよい。さらに、上述の例では、金属粒子層30の下の誘電体層20に周期構造領域が形成されていない例を示しているが、周期構造は、金属粒子層30の周囲に位置していれば、効果を奏することができるため、金属粒子層30の下方の誘電体層20に周期構造領域が形成されてもよい。   Although the periodic structure has been exemplarily described above, the periodic structure is arbitrary as long as the photonic band gap can be formed, and can be designed appropriately. Further, in the above example, the periodic structure exemplifies a uniform arrangement within the periodic structure region, but the period of the periodic structure may change depending on the position. Furthermore, in the above-described example, an example in which the periodic structure region is not formed in the dielectric layer 20 below the metal particle layer 30 is shown. However, if the periodic structure is located around the metal particle layer 30 Since the effect can be obtained, a periodic structure region may be formed in the dielectric layer 20 below the metal particle layer 30.

1.7.周期構造の配置
上記説明したように、誘電体層20に形成される周期構造は、その内側から外に向って伝搬しようとするPSPを反射して閉じこめる作用を有する。したがって、平面視において、PSPの存在しうる領域(伝搬距離Lを考慮した領域)よりも内側に周期構造が形成されることにより、その内側の領域における電場増強度を高めることができる。
1.7. Arrangement of Periodic Structure As described above, the periodic structure formed in the dielectric layer 20 has an action of reflecting and confining the PSP which is going to propagate from the inside to the outside. Therefore, when the periodic structure is formed inside the region where the PSP can exist (a region in consideration of the propagation distance L) in plan view, the electric field enhancement in the inner region can be increased.

図16は、幾つかの例に係る光学素子100を平面的に見た模式図である。以下図16を参照して、平面視における周期構造の配置について説明する。図16の各例において、光学素子100は、金属層10(図示せず)と、金属層10の上に形成された誘電体層20と、誘電体層20のの上に形成された金属粒子層30とを含んでおり、平面視において、金属粒子層30の周囲に位置する誘電体層20に、周期構造が形成されている。なお、図16中、誘電体層20において周期構造が形成されている領域を周期構造領域23として符号を付した。また、図16には、入射光iの照射領域を、スポット50として符号を付した。さらに、図16の例では、金属粒子層30、周期構造領域23(20)の端部、及び入射光iのスポット50は、いずれも円形で、同心円状に描いているが、このような配置には限定されないことは上述のとおりである。   FIG. 16 is a schematic view of the optical element 100 according to some examples as seen in a plan view. Hereinafter, the arrangement of the periodic structures in a plan view will be described with reference to FIG. In each example of FIG. 16, the optical element 100 includes a metal layer 10 (not shown), a dielectric layer 20 formed on the metal layer 10, and metal particles formed on the dielectric layer 20. The periodic structure is formed in the dielectric layer 20 located around the metal particle layer 30 in plan view. In FIG. 16, a region where the periodic structure is formed in the dielectric layer 20 is denoted as a periodic structure region 23. In FIG. 16, the irradiation area of the incident light i is denoted as a spot 50. Further, in the example of FIG. 16, the metal particle layer 30, the end of the periodic structure region 23 (20), and the spot 50 of the incident light i are all circular and concentrically drawn. It is as above-mentioned that it is not limited to.

図16(a)の例は、金属粒子層30の周囲に周期構造領域23が形成されており、金属粒子層30の全域ではなく、中央部分に入射光iの照射領域がある態様を示している。図16(a)においては、スポット50の位置において、金属層10(図示せず)と誘電体層20の界面近傍にPSPが発生する。係る位置で発生したPSPは、誘電体層20の材質、厚さ等に応じた伝搬距離Lで、スポット50の外側に伝搬する。そして、スポット50の外側の誘電体層20又は誘電体層20と金属層10との界面を伝搬したPSPは、周期構造領域23の内側の端部(破線)によって反射されて、金属粒子層30の存在する領域の誘電体層20内に戻される。これにより、金属粒子層30の存在する領域内におけるPSPの存在量を高めることができ、高い電場増強度を得ることができる。また、この例の場合、スポット50の半径と伝搬距離Lとの和が、周期構造領域23の内側の端を形成する円の半径よりも大きいほど、PSPの反射量が大きくなるため、電場増強効果をさらに高めることができる。すなわち、周期構造が、入射光iの入射によって光学素子100内に生じるTM偏光光(PSP)を反射するように配置されれば、電場増強効果をさらに高めることができる。   The example of FIG. 16A shows a mode in which the periodic structure region 23 is formed around the metal particle layer 30 and the irradiation region of the incident light i is not in the entire region of the metal particle layer 30 but in the central portion. Yes. In FIG. 16A, PSP is generated near the interface between the metal layer 10 (not shown) and the dielectric layer 20 at the position of the spot 50. The PSP generated at such a position propagates outside the spot 50 with a propagation distance L corresponding to the material, thickness, etc. of the dielectric layer 20. Then, the PSP that has propagated through the dielectric layer 20 outside the spot 50 or the interface between the dielectric layer 20 and the metal layer 10 is reflected by the inner end (broken line) of the periodic structure region 23, and the metal particle layer 30. Is returned to the dielectric layer 20 in the region where the Thereby, the abundance of PSP in the region where the metal particle layer 30 exists can be increased, and high electric field enhancement can be obtained. In the case of this example, the reflection amount of the PSP increases as the sum of the radius of the spot 50 and the propagation distance L is larger than the radius of the circle forming the inner end of the periodic structure region 23. The effect can be further enhanced. That is, if the periodic structure is arranged so as to reflect TM polarized light (PSP) generated in the optical element 100 by incidence of incident light i, the electric field enhancement effect can be further enhanced.

図16(b)の例は、金属粒子層30の周囲に周期構造領域23が形成されており、入射光iの照射領域が金属粒子層30よりも広い範囲である態様を示している。図16(b)においては、金属粒子層30の位置において、金属層10(図示せず)と誘電体層20の界面近傍にPSPが発生する。当該発生したPSPは、誘電体層20の材質、厚さ等に応じた伝搬距離Lで伝搬するが、図16(b)の例においては、PSPは金属粒子層30の領域の内側の誘電体層20にしか存在し得ないため、当該領域(周期構造領域23の内側の誘電体層20)内のPSPの存在量を高めることができ、高い電場増強度を得ることができる。   The example of FIG. 16B shows a mode in which the periodic structure region 23 is formed around the metal particle layer 30 and the irradiation region of the incident light i is wider than the metal particle layer 30. In FIG. 16B, PSP is generated near the interface between the metal layer 10 (not shown) and the dielectric layer 20 at the position of the metal particle layer 30. The generated PSP propagates at a propagation distance L corresponding to the material, thickness, etc. of the dielectric layer 20. In the example of FIG. 16B, the PSP is a dielectric inside the region of the metal particle layer 30. Since it can exist only in the layer 20, the abundance of PSP in the region (dielectric layer 20 inside the periodic structure region 23) can be increased, and high electric field enhancement can be obtained.

図16(c)の例は、金属粒子層30の周囲に周期構造領域23が形成されており、金属粒子層30の内側の領域(金属粒子層30の下の誘電体層20の一部)まで、周期構造領域23が形成されている。そして、金属粒子層30の全域ではない中央部分に入射光iの照射領域(スポット50)がある態様を示している。図16(c)においては、スポット50の位置において、金属層10(図示せず)と誘電体層20の界面近傍にPSPが発生する。係る位置で発生したPSPは、誘電体層20の材質、厚さ等に応じた伝搬距離Lで、スポット50の外側に伝搬する。そして、スポット50の外側の、誘電体層20又は誘電体層20と金属層10との界面を伝搬したPSPは、周期構造領域23の内側の端部
(この例では金属粒子層30の下に位置している(破線)。)によって反射されて、金属粒子層30下の誘電体層20であって周期構造が形成されていない領域内に集中される。これにより、周期構造領域23の内側におけるPSPの存在量を高めることができ、高い電場増強度を得ることができる。また、この例の場合、スポット50の半径と伝搬距離Lとの和が、周期構造領域23の内側の端を形成する円の半径よりも大きいほど、PSPの反射量が大きくなるため、電場増強効果をさらに高めることができる。すなわち、周期構造は、入射光iの入射によって光学素子100内に生じるTM偏光光(PSP)を反射するように配置されれば、電場増強効果をさらに高めることができる。
In the example of FIG. 16C, the periodic structure region 23 is formed around the metal particle layer 30, and the region inside the metal particle layer 30 (part of the dielectric layer 20 below the metal particle layer 30). Until this, the periodic structure region 23 is formed. And the aspect which has the irradiation area | region (spot 50) of the incident light i in the center part which is not the whole region of the metal particle layer 30 is shown. In FIG. 16C, PSP is generated near the interface between the metal layer 10 (not shown) and the dielectric layer 20 at the position of the spot 50. The PSP generated at such a position propagates outside the spot 50 with a propagation distance L corresponding to the material, thickness, etc. of the dielectric layer 20. Then, the PSP that has propagated through the dielectric layer 20 or the interface between the dielectric layer 20 and the metal layer 10 outside the spot 50 is inside the periodic structure region 23 (in this example, below the metal particle layer 30). Is located (broken line)) and is concentrated in a region of the dielectric layer 20 below the metal particle layer 30 where no periodic structure is formed. Thereby, the abundance of PSP inside the periodic structure region 23 can be increased, and high electric field enhancement can be obtained. In the case of this example, the reflection amount of the PSP increases as the sum of the radius of the spot 50 and the propagation distance L is larger than the radius of the circle forming the inner end of the periodic structure region 23. The effect can be further enhanced. That is, if the periodic structure is arranged so as to reflect TM polarized light (PSP) generated in the optical element 100 by the incidence of the incident light i, the electric field enhancement effect can be further enhanced.

図16(d)の例は、金属粒子層30の周囲に形成された周期構造領域23が、円環状に形成される点で異なる以外は、図16(a)の例と同様である。図16(d)においても、スポット50の位置において、金属層10(図示せず)と誘電体層20の界面近傍にPSPが発生する。係る位置で発生したPSPは、誘電体層20の材質、厚さ等に応じた伝搬距離Lで、スポット50の外側に伝搬する。そして、スポット50の外側の誘電体層20又は誘電体層20と金属層10との界面を伝搬したPSPは、既に述べているように、周期構造領域23には存在し得ないため、円環状に形成されている場合であっても、周期構造領域23の内側の端部(内側の破線)によって反射されて、金属粒子層30の存在する領域内に戻される。これにより、周期構造領域23の内側の誘電体層20内におけるPSPの存在量を高めることができ、高い電場増強度を得ることができる。また、この例の場合も同様に、スポット50の半径と伝搬距離Lとの和が、周期構造領域23の内側の端を形成する円の半径よりも大きいほど、PSPの反射量が大きくなるため、電場増強効果をさらに高めることができる。すなわち、周期構造は、入射光iの入射によって光学素子100内に生じるTM偏光光(PSP)を反射するように配置されれば、電場増強効果をさらに高めることができる。   The example of FIG. 16D is the same as the example of FIG. 16A except that the periodic structure region 23 formed around the metal particle layer 30 is formed in an annular shape. Also in FIG. 16D, PSP is generated in the vicinity of the interface between the metal layer 10 (not shown) and the dielectric layer 20 at the position of the spot 50. The PSP generated at such a position propagates outside the spot 50 with a propagation distance L corresponding to the material, thickness, etc. of the dielectric layer 20. Since the PSP that has propagated through the dielectric layer 20 outside the spot 50 or the interface between the dielectric layer 20 and the metal layer 10 cannot exist in the periodic structure region 23 as described above, Even in the case where the metal particle layer 30 is formed, it is reflected by the inner end portion (inner broken line) of the periodic structure region 23 and returned to the region where the metal particle layer 30 exists. Thereby, the abundance of PSP in the dielectric layer 20 inside the periodic structure region 23 can be increased, and high electric field enhancement can be obtained. Similarly, in the case of this example, the reflection amount of the PSP increases as the sum of the radius of the spot 50 and the propagation distance L is larger than the radius of the circle forming the inner end of the periodic structure region 23. In addition, the electric field enhancing effect can be further enhanced. That is, if the periodic structure is arranged so as to reflect TM polarized light (PSP) generated in the optical element 100 by the incidence of the incident light i, the electric field enhancement effect can be further enhanced.

また、平面視における各領域の面積の関係としては、周期構造領域23(20)に囲まれた領域の面積が、入射光iが照射される領域(スポット50)の面積と、スポット50の外側の、誘電体層内及び金属層と誘電体層との界面を伝搬する伝搬型表面プラズモンが伝搬する領域の面積と、の和よりも小さくすることにより、電場増強効果をさらに高めることができる。また、図16の例のようにスポット50が平面視において円形である場合、各領域の長さの関係として、周期構造23(20)に囲まれた領域の半径は、入射光iが照射される領域(スポット50)の半径と、誘電体層内及び金属層と誘電体層との界面をスポット50の外側に向かう伝搬型表面プラズモンの伝搬距離Lと、の和よりも小さくすることにより、電場増強効果をさらに高めることができる。   Further, regarding the relationship between the areas of the respective regions in plan view, the area of the region surrounded by the periodic structure region 23 (20) is the area of the region (spot 50) irradiated with the incident light i and the outside of the spot 50. The electric field enhancement effect can be further enhanced by making the area smaller than the sum of the areas of the propagation type surface plasmons propagating in the dielectric layer and the interface between the metal layer and the dielectric layer. In addition, when the spot 50 is circular in plan view as in the example of FIG. 16, the radius of the region surrounded by the periodic structure 23 (20) is irradiated with the incident light i as the relationship between the lengths of the regions. By reducing the radius of the region (spot 50) and the propagation distance L of the propagation type surface plasmon toward the outside of the spot 50 in the dielectric layer and the interface between the metal layer and the dielectric layer, The electric field enhancing effect can be further enhanced.

1.8.作用効果
本実施形態の光学素子100によれば、光学素子100の金属粒子層30に入射光iが照射された場合、平面的に見て周囲の誘電体層20に光が存在することが許されない周期構造が形成されているため、誘電体層20を伝搬する光、および誘電体層20と金属層10の界面を伝搬する伝搬型表面プラズモンを、内側の周期構造が形成されていない誘電体層20に閉じ込めることができる。これにより、電場の増強のためのエネルギーの流失が低減され、高い電場増強効果を得ることができる。当該周期構造は、入射光iの波長λiにおいて、TM偏光光が伝搬しないフォトニックバンドギャップを示すため、TM偏光である伝搬型表面プラズモンが当該周期構造が形成された位置に存在し得なくなる。これにより、電場の増強のためのエネルギーの散逸が低減され、高い電場増強効果を得ることができる。
1.8. Operational Effect According to the optical element 100 of the present embodiment, when the incident light i is irradiated on the metal particle layer 30 of the optical element 100, it is allowed that light exists in the surrounding dielectric layer 20 in plan view. Since the periodic structure is not formed, the light that propagates through the dielectric layer 20 and the propagation type surface plasmon that propagates through the interface between the dielectric layer 20 and the metal layer 10 are converted into the dielectric in which the inner periodic structure is not formed. It can be confined in layer 20. Thereby, the loss of energy for enhancing the electric field is reduced, and a high electric field enhancing effect can be obtained. Since the periodic structure exhibits a photonic band gap in which TM polarized light does not propagate at the wavelength λ i of the incident light i, the propagation surface plasmon that is TM polarized light cannot exist at the position where the periodic structure is formed. . Thereby, the dissipation of energy for enhancing the electric field is reduced, and a high electric field enhancing effect can be obtained.

また、周期構造を、入射光iの入射によって光学素子100内に生じるTM偏光光を反射するように配置すれば、TM偏光である伝搬型表面プラズモンのうち、当該周期構造よりも外側へ拡散しようとする伝搬型表面プラズモンが、当該周期構造の内側に向って戻さ
れので、散逸するエネルギーが回収されさらに高い電場増強効果を得ることができる。
Further, if the periodic structure is arranged so as to reflect TM polarized light generated in the optical element 100 by incidence of the incident light i, the propagating surface plasmon which is TM polarized light will diffuse outside the periodic structure. Since the propagating surface plasmon is returned toward the inside of the periodic structure, the dissipated energy is recovered and a higher electric field enhancement effect can be obtained.

2.分析装置
図17は、本実施形態に係る分析装置200を模式的に示す図である。分析装置200は、例えば、ラマン分光装置であり、以下分析装置200はラマン分光装置であるものとして説明する。分析装置200は、図17に示すように、気体試料保持部110と、検出部120と、制御部130と、検出部120および制御部130を収容している筐体140と、を含む。気体試料保持部110は、本発明に係る光学素子を含む。以下では、上述の光学素子100を含む例について説明する。
2. Analysis Device FIG. 17 is a diagram schematically illustrating an analysis device 200 according to the present embodiment. For example, the analysis device 200 is a Raman spectroscopic device, and the analysis device 200 will be described below as a Raman spectroscopic device. As shown in FIG. 17, the analysis device 200 includes a gas sample holding unit 110, a detection unit 120, a control unit 130, and a housing 140 that houses the detection unit 120 and the control unit 130. The gas sample holder 110 includes the optical element according to the present invention. Below, the example containing the above-mentioned optical element 100 is demonstrated.

気体試料保持部110は、光学素子100と、光学素子100を覆うカバー112と、吸引流路114と、排出流路116と、を有している。検出部120は、光源210と、レンズ122a,122b,122c,122dと、ハーフミラー124と、光検出器220と、を有している。制御部130は、光検出器220において検出された信号を処理して光検出器220の制御をする検出制御部132と、光源210などの電力や電圧を制御する電力制御部134と、を有している。制御部130は、図17に示すように、外部との接続を行うための接続部136と電気的に接続されていてもよい。   The gas sample holding unit 110 includes an optical element 100, a cover 112 that covers the optical element 100, a suction flow path 114, and a discharge flow path 116. The detection unit 120 includes a light source 210, lenses 122a, 122b, 122c, and 122d, a half mirror 124, and a photodetector 220. The control unit 130 includes a detection control unit 132 that processes a signal detected by the photodetector 220 and controls the photodetector 220, and a power control unit 134 that controls power and voltage of the light source 210 and the like. doing. As shown in FIG. 17, the control unit 130 may be electrically connected to a connection unit 136 for connection to the outside.

分析装置200では、排出流路116に設けられている吸引機構117を作動させると、吸引流路114および排出流路116内が負圧になり、吸引口113から検出対象となる標的物質を含んだ気体試料が吸引される。吸引口113には除塵フィルター115が設けられており、比較的大きな粉塵や一部の水蒸気などを除去することができる。気体試料は、吸引流路114および排出流路116を通り、排出口118から排出される。気体試料は、係る経路を通る際に、光学素子100の金属粒子層30と接触する。   In the analyzer 200, when the suction mechanism 117 provided in the discharge flow path 116 is operated, the suction flow path 114 and the discharge flow path 116 become negative pressure, and the target substance to be detected from the suction port 113 is contained. The gas sample is aspirated. The suction port 113 is provided with a dust removal filter 115, which can remove relatively large dust, some water vapor, and the like. The gas sample passes through the suction flow path 114 and the discharge flow path 116 and is discharged from the discharge port 118. The gas sample contacts the metal particle layer 30 of the optical element 100 when passing through such a path.

吸引流路114および排出流路116の形状は、外部からの光が光学素子100に入射しないような形状である。これにより、ラマン散乱光以外の雑音となる光が入射しないため、信号のS/N比を向上させることができる。流路114,116を構成する材料は、例えば、光を反射し難いような材料や色である。   The shapes of the suction channel 114 and the discharge channel 116 are such that light from the outside does not enter the optical element 100. Thereby, since the light which becomes noise other than a Raman scattered light does not inject, the S / N ratio of a signal can be improved. The material constituting the channels 114 and 116 is, for example, a material or a color that hardly reflects light.

吸引流路114および排出流路116の形状は、気体試料に対する流体抵抗が小さくなるような形状である。これにより、高感度な検出が可能になる。例えば、流路114,116の形状を、できるだけ角部をなくし滑らかな形状にすることで、角部における気体試料の滞留をなくすことができる。吸引機構117としては、例えば、流路抵抗に応じた静圧、風量のファンモーターやポンプを用いる。   The shape of the suction channel 114 and the discharge channel 116 is such that the fluid resistance to the gas sample is reduced. Thereby, highly sensitive detection becomes possible. For example, retention of the gas sample at the corners can be eliminated by making the shapes of the channels 114 and 116 as smooth as possible by eliminating the corners. As the suction mechanism 117, for example, a fan motor or a pump having a static pressure and an air volume corresponding to the flow path resistance is used.

分析装置200では、光源210は、光学素子100に光(例えば波長633nmのレーザー光、入射光i)を照射する。光源210としては、例えば、半導体レーザー、気体レーザーを用いることができる。光源210から射出された光は、レンズ122aで集光された後、ハーフミラー124およびレンズ122bを介して、光学素子100に入射する。光学素子100からは、SERS光が放射され、該光は、レンズ122b、ハーフミラー124、およびレンズ122c,122dを介して、光検出器220に至る。すなわち、光検出器220は、光学素子100から放射される光を検出する。SERS光には、光源210からの入射波長と同じ波長のレイリー散乱光が含まれているので、光検出器220のフィルター126によってレイリー散乱光を除去してもよい。レイリー散乱光が除去された光は、ラマン散乱光として、光検出器220の分光器127を介して受光素子128にて受光される。受光素子128としては、例えば、フォトダイオードを用いる。   In the analyzer 200, the light source 210 irradiates the optical element 100 with light (for example, laser light having a wavelength of 633 nm, incident light i). As the light source 210, for example, a semiconductor laser or a gas laser can be used. The light emitted from the light source 210 is collected by the lens 122a and then enters the optical element 100 via the half mirror 124 and the lens 122b. SERS light is emitted from the optical element 100, and the light reaches the photodetector 220 via the lens 122b, the half mirror 124, and the lenses 122c and 122d. That is, the light detector 220 detects light emitted from the optical element 100. Since the SERS light includes Rayleigh scattered light having the same wavelength as the incident wavelength from the light source 210, the Rayleigh scattered light may be removed by the filter 126 of the photodetector 220. The light from which the Rayleigh scattered light has been removed is received by the light receiving element 128 through the spectroscope 127 of the photodetector 220 as Raman scattered light. For example, a photodiode is used as the light receiving element 128.

光検出器220の分光器127は、例えば、ファブリペロー共振を利用したエタロン等で形成されており、通過波長帯域を可変とすることができる。光検出器220の受光素子
128によって、標的物質に特有のラマンスペクトルが得られ、例えば、得られたラマンスペクトルと予め保持するデータとを照合することで、標的物質の信号強度を検出することができる。
The spectroscope 127 of the photodetector 220 is formed of, for example, an etalon using Fabry-Perot resonance, and the pass wavelength band can be made variable. The light receiving element 128 of the light detector 220 obtains a Raman spectrum peculiar to the target substance. For example, the signal intensity of the target substance can be detected by collating the obtained Raman spectrum with data stored in advance. it can.

なお、分析装置200は、光学素子100、光源210、および光検出器220を含み、光学素子100に標的物質を吸着させ、そのラマン散乱光を取得することができれば、上記の例に限定されない。   The analyzer 200 includes the optical element 100, the light source 210, and the photodetector 220, and is not limited to the above example as long as the target substance can be adsorbed on the optical element 100 and the Raman scattered light can be acquired.

また、上述した本実施形態に係るラマン分光法のように、レイリー散乱光を検出する場合は、分析装置200は、フィルター126を有さず、分光器によって、レイリー散乱光とラマン散乱光とを分光してもよい。   Further, in the case of detecting Rayleigh scattered light as in the Raman spectroscopy according to the present embodiment described above, the analysis apparatus 200 does not have the filter 126, and the Rayleigh scattered light and the Raman scattered light are detected by the spectrometer. Spectroscopy may be performed.

分析装置200では、上述の、電場の増強のためのエネルギーの流失が低減され、高い電場増強効果を得ることができる光学素子100を含む。そのため、ラマン散乱光の強度を大きくすることができる。したがって、分析装置200は、高い検出感度を有することができる。   The analysis apparatus 200 includes the optical element 100 that can reduce the loss of energy for the electric field enhancement described above and can obtain a high electric field enhancement effect. Therefore, the intensity of Raman scattered light can be increased. Therefore, the analyzer 200 can have high detection sensitivity.

3.電子機器
次に、本実施形態に係る電子機器300について、図面を参照しながら説明する。図18は、本実施形態に係る電子機器300を模式的に示す図である。電子機器300は、本発明に係るラマン分光装置を含むことができる。以下では、本発明に係るラマン分光装置として分析装置200を含む例について説明する。
3. Next, an electronic device 300 according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 18 is a diagram schematically illustrating the electronic apparatus 300 according to the present embodiment. The electronic device 300 can include a Raman spectroscopic device according to the present invention. Hereinafter, an example including the analysis apparatus 200 as a Raman spectroscopic apparatus according to the present invention will be described.

電子機器300は、図18に示すように、分析装置200と、光検出器220からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部310と、健康医療情報を記憶する記憶部320と、健康医療情報を表示する表示部330と、を含む。   As shown in FIG. 18, the electronic device 300 includes an analysis device 200, a calculation unit 310 that calculates health and medical information based on detection information from the photodetector 220, a storage unit 320 that stores health and medical information, And a display unit 330 that displays health care information.

演算部310は、例えば、パーソナルコンピューター、携帯情報端末(PDA:Personal Digital Assistance)であり、光検出器220から送出される検出情報(信号等)を受け取る。演算部310は、光検出器220からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する。演算された健康医療情報は、記憶部320に記憶される。   The calculation unit 310 is, for example, a personal computer or a personal digital assistant (PDA) and receives detection information (signals or the like) sent from the photodetector 220. The calculation unit 310 calculates health and medical information based on detection information from the photodetector 220. The calculated health and medical information is stored in the storage unit 320.

記憶部320は、例えば、半導体メモリー、ハードディスクドライブ等であり、演算部310と一体的に構成されてもよい。記憶部320に記憶された健康医療情報は、表示部330に送出される。   The storage unit 320 is, for example, a semiconductor memory, a hard disk drive, or the like, and may be configured integrally with the calculation unit 310. The health care information stored in the storage unit 320 is sent to the display unit 330.

表示部330は、例えば、表示板(液晶モニター等)、プリンター、発光体、スピーカー等により構成されている。表示部330は、演算部310によって演算された健康医療情報等に基づいて、ユーザーがその内容を認識できるように、表示または発報する。   The display unit 330 includes, for example, a display board (liquid crystal monitor or the like), a printer, a light emitter, a speaker, and the like. The display unit 330 displays or issues information based on the health and medical information calculated by the calculation unit 310 so that the user can recognize the contents.

健康医療情報としては、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも1種の生体関連物質、または、無機分子および有機分子から選択される少なくとも1種の化合物の有無若しくは量に関する情報を含むことができる。   The health care information includes at least one biological substance selected from the group consisting of bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, and antigens / antibodies, or at least one compound selected from inorganic molecules and organic molecules. Information about presence or absence or quantity can be included.

電子機器300では、容易に、プラズモン共鳴波長の変化に対応することができる分析装置200を含む。そのため、電子機器300では、微量物質の検出を容易に行うことができ、高精度な健康医療情報を提供することができる。   The electronic apparatus 300 includes an analyzer 200 that can easily cope with a change in plasmon resonance wavelength. Therefore, the electronic device 300 can easily detect a trace amount substance, and can provide highly accurate health care information.

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。   The above-described embodiments and modifications are merely examples, and the present invention is not limited to these. For example, it is possible to appropriately combine each embodiment and each modification.

例えば、本発明に係る光学素子は、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無などのように、物質の吸着の有無を検出するアフィニティー・センサーなどとして用いることもできる。アフィニティー・センサーは、該センサーに白色光を入射し、波長スペクトルを分光器で測定し、吸着による表面プラズモン共鳴波長のシフト量を検出することで、検出物質のセンサーチップへの吸収を高感度に検出することができる。   For example, the optical element according to the present invention can also be used as an affinity sensor that detects the presence or absence of substance adsorption, such as the presence or absence of antigen adsorption in an antigen-antibody reaction. The affinity sensor makes white light incident on the sensor, measures the wavelength spectrum with a spectroscope, and detects the amount of shift of the surface plasmon resonance wavelength due to adsorption, thereby making the absorption of the detection substance to the sensor chip highly sensitive. Can be detected.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, the present invention includes substantially the same configuration (for example, a configuration having the same function, method and result, or a configuration having the same purpose and effect) as the configuration described in the embodiment. In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. In addition, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.

1…基板、10…金属層、20…誘電体層、21…円柱、22…円柱孔、23…周期構造領域、30…金属粒子層、40…金属粒子、41…金属粒子列、50…スポット、100…光学素子、110…気体試料保持部、112…カバー、113…吸引口、114…吸引流路、115…除塵フィルター、116…排出流路、117…吸引機構、118…排出口、120…検出部、122a,122b,122c,122d…レンズ、124…ハーフミラー、126…フィルター、127…分光器、128…受光素子、130…制御部、132…検出制御部、134…電力制御部、136…接続部、140…筐体、200…ラマン分光装置、210…光源、220…光検出器、300…電子機器、310…演算部、320…記憶部、330…表示部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Substrate, 10 ... Metal layer, 20 ... Dielectric layer, 21 ... Cylinder, 22 ... Cylindrical hole, 23 ... Periodic structure area, 30 ... Metal particle layer, 40 ... Metal particle, 41 ... Metal particle row, 50 ... Spot DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Optical element 110 ... Gas sample holding part, 112 ... Cover, 113 ... Suction port, 114 ... Suction channel, 115 ... Dust filter, 116 ... Drain channel, 117 ... Suction mechanism, 118 ... Suction port, 120 Detecting unit, 122a, 122b, 122c, 122d ... lens, 124 ... half mirror, 126 ... filter, 127 ... spectroscope, 128 ... light receiving element, 130 ... control unit, 132 ... detection control unit, 134 ... power control unit, DESCRIPTION OF SYMBOLS 136 ... Connection part, 140 ... Housing | casing, 200 ... Raman spectroscopy apparatus, 210 ... Light source, 220 ... Photodetector, 300 ... Electronic device, 310 ... Calculation part, 320 ... Memory | storage part, 330 ... Display

Claims (8)

金属層と、
前記金属層の上に形成された誘電体層と、
前記誘電体層の上に形成され、入射光が入射される金属粒子層と、
を含み、
平面視において、前記金属粒子層の周囲に位置する前記誘電体層には、周期構造が形成されている、光学素子。
A metal layer,
A dielectric layer formed on the metal layer;
A metal particle layer formed on the dielectric layer and receiving incident light;
Including
An optical element in which a periodic structure is formed in the dielectric layer located around the metal particle layer in plan view.
請求項1において、
前記周期構造は、前記入射光の波長において、前記誘電体層内、及び前記金属層と前記誘電体層との界面を、TM偏光光が伝搬しないフォトニックバンドギャップを示す、光学素子。
In claim 1,
The optical element in which the periodic structure exhibits a photonic band gap in which TM polarized light does not propagate in the dielectric layer and the interface between the metal layer and the dielectric layer at the wavelength of the incident light.
請求項1又は請求項2において、
前記周期構造は、前記入射光の入射によって前記光学素子内に生じるTM偏光光を反射するように配置されている、光学素子。
In claim 1 or claim 2,
The said periodic structure is an optical element arrange | positioned so that the TM polarized light which arises in the said optical element by incidence of the said incident light may be reflected.
請求項1ないし請求項3のいずれか1項において、
前記平面視において、前記周期構造に囲まれた領域の面積が、前記入射光が照射される領域の面積と、前記入射光が照射される領域の外側の、前記誘電体層内及び前記金属層と前記誘電体層との界面を伝搬する伝搬型表面プラズモンが伝搬する領域の面積と、の和よりも小さい、光学素子。
In any one of Claims 1 thru | or 3,
In the plan view, the area of the region surrounded by the periodic structure is such that the area of the region irradiated with the incident light and the outside of the region irradiated with the incident light are within the dielectric layer and the metal layer. And an area of a region where a propagation type surface plasmon propagating through the interface between the dielectric layer and the dielectric layer propagates is smaller than the sum of the areas.
請求項1ないし請求項4のいずれか1項において、
前記平面視において、前記周期構造に囲まれた領域の半径は、前記入射光が照射される領域の半径と、前記誘電体層内及び前記金属層と前記誘電体層との界面を前記入射光が照射される領域の外側に向って伝搬型表面プラズモンが伝搬する距離と、の和よりも小さい、光学素子。
In any one of Claims 1 thru | or 4,
In the plan view, the radius of the region surrounded by the periodic structure is such that the radius of the region irradiated with the incident light and the interface between the metal layer and the dielectric layer in the dielectric layer and the incident light. An optical element that is smaller than the sum of the distance that the propagation type surface plasmon propagates toward the outside of the region irradiated with.
請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の光学素子と、
前記光学素子に前記入射光を照射する光源と、
前記光学素子から放射される光を検出する検出器と、
を備えた、分析装置。
An optical element according to any one of claims 1 to 5,
A light source for irradiating the optical element with the incident light;
A detector for detecting light emitted from the optical element;
Analytical device equipped with.
請求項6に記載の分析装置と、前記検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、前記健康医療情報を記憶する記憶部と、前記健康医療情報を表示する表示部と、を備えた電子機器。   7. The analyzer according to claim 6, a calculation unit that calculates health and medical information based on detection information from the detector, a storage unit that stores the health and medical information, and a display unit that displays the health and medical information. And electronic equipment. 請求項7において、前記健康医療情報は、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、及び抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも1種の生体関連物質、又は、無機分子及び有機分子から選択される少なくとも1種の化合物の、有無若しくは量に関する情報を含む、電子機器。   8. The health care information according to claim 7, wherein the health care information is at least one selected from the group consisting of bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, and antigens / antibodies, or at least selected from inorganic molecules and organic molecules. Electronic equipment containing information on the presence or amount of one compound.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114486816A (en) * 2022-01-20 2022-05-13 浙江大学嘉兴研究院 Method for exciting surface plasmon resonance of nano cavity by optical waveguide
US11408824B2 (en) * 2018-03-15 2022-08-09 Mitsubishi Electric Corporation Biological material measurement device

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