JP2018138985A - Optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学素子に関するものである。 The present invention relates to an optical element.
近年、右回りおよび左回りの円偏光に対して透過率および吸収率が異なる円二色性を有する光学素子が開発されている。例えば、1/波長板および異方的透過板との積層構造を有し、円二色性度の高い円二色性素子が提案されている(特許文献1参照)。 In recent years, optical elements having circular dichroism having different transmittance and absorptivity for clockwise and counterclockwise circularly polarized light have been developed. For example, a circular dichroic element having a laminated structure of a 1 / wavelength plate and an anisotropic transmission plate and having a high degree of circular dichroism has been proposed (see Patent Document 1).
特許文献1で提案されている円二色性素子において、1/4波長板および異方的透過板を形成する負誘電率部材および電磁波透過部材のサイズおよび配置などは複雑であり、高い精度で製造することは困難であった。
In the circular dichroic element proposed in
従って、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされた本開示の目的は、比較的簡易な構成で円二色性を有する光学素子を提供することにある。 Accordingly, an object of the present disclosure made in view of the above-described problems of the prior art is to provide an optical element having circular dichroism with a relatively simple configuration.
上述した諸課題を解決すべく、第1の観点による光学素子は、
平板状の透明な誘電体である基材と、
前記基材に二次元配列され、二次元配列の平面において非2回回転対称性および該二次元配列の平面上の第1の方向に対して垂直な方向に非鏡映対称性を有する形状の金属製の構造体と、を備え、
前記第1の方向を軸に傾斜した第2の方向から光線が入射される。
In order to solve the problems described above, the optical element according to the first aspect is
A substrate that is a flat transparent dielectric,
A shape two-dimensionally arranged on the substrate and having a non-rotational symmetry in the plane of the two-dimensional array and a non-mirror symmetry in a direction perpendicular to the first direction on the plane of the two-dimensional array A metal structure, and
Light rays are incident from a second direction inclined about the first direction.
上記のように構成された本開示に係る光学素子によれば、比較的簡易な構成で円二色性を有し得る。 The optical element according to the present disclosure configured as described above can have circular dichroism with a relatively simple configuration.
以下、本発明を適用した光学素子の実施形態について、図面を参照して説明する。 Embodiments of an optical element to which the present invention is applied will be described below with reference to the drawings.
図1に示すように、本開示の一実施形態に係る光学素子10を含む光源ユニット11は、光学素子10および光源12を含んで構成されている。
As illustrated in FIG. 1, a light source unit 11 including an
図2に示すように、光学素子10は、基材13および構造体14を含んで構成されている。
As shown in FIG. 2, the
基材13は、可視光に対して透明で誘電性を有する部材によって平板状に形成されている。基材13に適用される部材は、例えば、可視光全域における複素屈折率の虚部の値が略ゼロである誘電体であって、例えば可視光に対して透明なアクリル樹脂およびポリカーボネート樹脂などの透明な樹脂、および二酸化ケイ素などの硝材であってよい。複素屈折率の虚部は、光の吸収を表わす消光係数である。複素屈折率の虚部の値が略ゼロとであることは、厳密にゼロでなくても基材13が殆ど光を吸収せず、その用途に応じた透明性を備えると認められるならば非ゼロの消光係数が許容されることを意味する。
The
基材13の厚みは、入射光が境界面による反射で干渉を起こさない程度の十分な厚みがあれば、任意に選択可能である。例えば、基材13の厚みは数百μm程度であれば、作成も容易である。
The thickness of the
図1に示すように、複数の構造体14が、基材13に二次元配列されている。なお、後述するように、構造体14の寸法は微小であり、肉眼での直接の視認は困難であるが、図1においては、説明のために、構造体14が大きく描かれている。
As shown in FIG. 1, the plurality of
複数の構造体14は、例えば基材13の板面に二次元配列、または基材13の内部に埋設されている。なお、複数の構造体14は、基材13の内部に埋設される構成においては、板面に対して平行または傾斜した平面に二次元配列されていてよい。
The plurality of
なお、複数の構造体14を基材13に埋設させる構成において、光を入射させる側からの構造体14を埋設させる深さは、入射光が境界面による反射で干渉を起こさない程度の十分な厚みがあれば、任意に選択可能である。例えば、基材13の厚みは数百μm程度であれば、作成も容易である。
In the configuration in which the plurality of
図3に示すように、構造体14は、例えば、二次元配列される平面上の異なる2方向に所定の間隔dで配列されている。所定の間隔dは、光源12が放射する光線の波長をλ、基材13の屈折率をN、当該光線の光学素子10の表面への入射角度をθinとすると、(1)式を満たすことが好ましい。なお、本実施形態において、複数の構造体14は当該異なる2方向に所定の間隔dで配列されているが、2方向毎に異なる所定の間隔で配列されてもよい。
As shown in FIG. 3, the
構造体14は、プラズマ周波数が光源12から放射する光線の波長λより短い導体、例えば金、銀、銅、アルミニウムなどの金属によって形成されている。構造体14の厚みは、10nm以上かつ100nm未満であることが好ましい。
The
構造体14の寸法は、可視光の波長より小さい。構造体14の寸法とは、二次元配列される平面における長さが最も長くなる方向の長さである。また、可視光の波長より小さいことは、光源12から放射する光線の波長λより小さく、さらには可視光の帯域の下限である約360nmより小さいことを意味する。
The size of the
構造体14は、二次元配列される平面において非2回回転対称性を有している。言換えると、図1に示すように、構造体14において、二次元配列される平面の垂線plに対して180°回転させた形状は、元の形状と一致していない。また、構造体14は、二次元配列される平面上のいずれかの方向である第1の方向に対して垂直な方向に非鏡映対称性を有している。言換えると、構造体14は、二次元配列される平面において、第1の方向に垂直な、線対称となる軸線を有していない。このような構造体14の形状としては、例えば、二次元空間群17種の中で、非2回回転対称性を有するP1、Pm、Pg、Cm、P3、P3m1、P31mが挙げられる。
The
また、図3に示すように、構造体14は、二次元配列される平面の重心cgから第1の方向側に切欠き15が形成されることが好ましい。また、図1に示すように、構造体14は、二次元配列される平面に垂直かつ第1の方向に平行な平面p1に対して鏡映対称性を有していることが好ましい。このような、構造体14の形状は、列記した二次元空間群17種の中で、さらに二次元配列される平面に垂直かつ第1の方向に平行な平面p1に対して鏡映対称となるPm、Cm、P3m1、P31mであることが好ましい。また、構造体14の形状は、これらの中で、さらに製造上の観点から直行する線のみで製造可能なPm、Cmであることがさらに好ましい。
In addition, as shown in FIG. 3, the
図3に示すように、例えば、構造体14は、二次元配列する平面において、矩形の管状、言い換えると略環状の、一辺を切欠いた形状を有している。構造体14の重心cgから切欠き側に向かう方向が第1の方向となるように定められる。
As shown in FIG. 3, for example, the
構造体14は、基材13上に、一般的なEB(Electron Beam)リソグラフィを用いて作成され得る。EBリソグラフィは、蒸着、スパッタリング、エッチングなどを用いたプロセスである。
The
図1に示すように、光源12は、ビーム状の光線を光学素子10に向けて放射する。光源12は、光学素子10の板面に対して第1の方向を軸に傾斜した第2の方向から光線が入射されるように、配置される。
As shown in FIG. 1, the light source 12 emits a beam of light toward the
以上のような構成の本実施形態の光学素子10では、非2回回転対称性、および第1の方向に対して垂直な方向に非鏡映対称性を有する形状の構造体14が基材13に二次元配列され、第1の方向を軸に傾斜した第2の方向から光線が入射される。上述の構成を有することにより、以下に説明するように、光学素子10は円二色性を有する。
In the
本実施形態の光学素子10において構造体14は、二次元配列される平面上で非2回回転対称性を有する形状なので、反転中心を有さない。2回回転対称性および反転中心の関連について以下に説明する。
In the
一般的な構造体が配置される二次元平面上で直行する座標軸をx軸およびy軸、当該平面を原点として当該平面に垂直な座標軸をz軸として、当該平面において2回回転対称性を有するとき、構造体に対して(2)式が成立する。 A coordinate axis orthogonal to a two-dimensional plane on which a general structure is arranged is an x-axis and a y-axis, the plane is the origin, and a coordinate axis perpendicular to the plane is a z-axis. (2) holds for the structure.
なお、f(x、y、z)は、構造体の軌跡を表わす関数であり、例えば、その座標に構造体が存在するときに1を、構造体が存在しないとき0を返す。 Note that f (x, y, z) is a function representing the trajectory of the structure. For example, 1 is returned when the structure exists at the coordinates, and 0 is returned when the structure does not exist.
(2)式を満たす構造体を、x軸を回転軸として角度θで回転させるとき、(2)式は(3)式に変形する。 When a structure satisfying equation (2) is rotated at an angle θ about the x axis as a rotation axis, equation (2) is transformed into equation (3).
(3)式は、構造体が反転対称性を有することを示しており、2回回転対称性を有する形状は反転中心を有することと同義である。したがって、非2回回転対称性を有する形状は反転対称性を有さない。 Equation (3) indicates that the structure has inversion symmetry, and a shape having two-fold rotational symmetry is synonymous with having an inversion center. Accordingly, a shape having non-two-fold rotational symmetry does not have inversion symmetry.
また、本実施形態の光学素子10において、第2の方向から光線が入射されるので、構造体14には入射光に垂直な鏡映面が存在しない。
Further, in the
また、本実施形態の光学素子10において、第1の方向に対して垂直な方向に非鏡映対称性を有する形状なので、構造体14には入射光に平行な鏡映面が存在しない。第1の方向に対して垂直な方向への非鏡映対称性および入射光に平行な鏡映面の関連について説明する。
In the
上述のxyz座標系において、第1の方向をx軸に平行にして、第1の方向に垂直なyz平面を鏡映面とする鏡映対称性を有するとき、構造体に対して(4)式が成立する。 In the above xyz coordinate system, when having a mirror symmetry with the first direction parallel to the x-axis and the yz plane perpendicular to the first direction as the mirror plane, (4) The formula holds.
(4)式を満たす構造体を、x軸を回転軸として角度θで回転させるとき、(4)式は(5)式に変形する。 When a structure satisfying equation (4) is rotated at an angle θ about the x axis as a rotation axis, equation (4) is transformed into equation (5).
(5)式は、構造体がyz平面を鏡映面として有することを示している。入射光は第1の方向を軸に傾斜させた第2の方向から入射することから、第2の方向はyz平面に平行である。それゆえ、構造体がyz平面を鏡映面として有するということは、入射光に平行な鏡映面を有することと同義である。したがって、第1の方向に対して垂直な方向に非鏡映対称性を有する形状は、入射光に平行な鏡映面が存在しない。 Equation (5) indicates that the structure has the yz plane as a mirror surface. Since the incident light is incident from a second direction inclined with respect to the first direction as an axis, the second direction is parallel to the yz plane. Therefore, having the yz plane as a mirror surface of the structure is synonymous with having a mirror surface parallel to the incident light. Therefore, a shape having non-mirror symmetry in a direction perpendicular to the first direction does not have a mirror surface parallel to the incident light.
円二色性を発現するための構造体の条件として、対称性の観点から一般的に、構造体にn回回映軸が存在しないこと、または反転中心が存在せずかつ入射光に垂直または平行な鏡映面が存在しないことのいずれかであることが知られている。本実施形態の光学素子10は、上述のように、反転中心が存在せず、かつ入射光に垂直または平行な鏡映面が存在しないので、円二色性を有する。
As a condition of a structure for expressing circular dichroism, in general, from the viewpoint of symmetry, the structure does not have an n-th reflection axis, or has no inversion center, and is perpendicular or parallel to incident light. It is known that there is no special mirror surface. As described above, the
また、本実施形態の光学素子10では、構造体14が、重心cgから第1の方向側の一部を切欠いた環状の形状を有している。このような構成を有することにより、以下に説明するように、光学素子10は、構造体14が共振器として機能することにより、特定の波長の光に対する円二色性をより向上させ得る。
In the
金属構造体に斜方から光が入射するとき、当該光には二次元配列される平面に平行な方向および垂直な方向に電磁波成分が存在する。微小な金属構造体の電磁波に対する応答を考える場合、金属構造体は、形状によって決まるインダクタンスL、キャパシタンスC、および抵抗Rを有する回路とみなされ得る。金属構造体はLC共振回路としてふるまうため、金属構造体の挙動は(6)式の回路方程式で表わされ得る。 When light is incident on the metal structure from an oblique direction, an electromagnetic wave component exists in the light in a direction parallel to and perpendicular to a two-dimensionally arranged plane. When considering the response of a minute metal structure to electromagnetic waves, the metal structure can be regarded as a circuit having an inductance L, a capacitance C, and a resistance R determined by the shape. Since the metal structure behaves as an LC resonance circuit, the behavior of the metal structure can be represented by the circuit equation (6).
(6)式において、Vは回路に外部から与えられる起電力であり、(7)式によって表わされる。 In the equation (6), V is an electromotive force given to the circuit from the outside, and is expressed by the equation (7).
(7)式において、+は左円偏光、−は右円偏光、E1は金属構造体の二次元配列される平面に対して平行な電場成分、B2は金属構造体の二次元配列される平面に対して垂直な磁場成分、Sは磁場変化によって電圧が誘起される面積である。 In Equation (7), + is left circularly polarized light,-is right circularly polarized light, E 1 is an electric field component parallel to a plane in which the metal structure is two-dimensionally arranged, and B 2 is two-dimensionally arranged in the metal structure. The magnetic field component perpendicular to the plane, S is the area where the voltage is induced by the magnetic field change.
(6)式の方程式の平面波解は(8)式である。 The plane wave solution of equation (6) is equation (8).
ただし、(8)式において
(8)式を微分して、電流成分を算出すると、電磁波成分は(9)式で表わされる。 When the current component is calculated by differentiating the equation (8), the electromagnetic wave component is expressed by the equation (9).
したがって、損失IR2は、(10)式で表わされる。 Therefore, loss IR 2 is expressed by the equation (10).
(10)式より、光線を二次元配列する平面に対して斜めに入射することによりB2が増加する。当該成分の増加により、左円偏光成分に対して損失が増加し、右円偏光成分に対して損失が低減する。損失は光の吸収率に相当し、構造体14が共振器として機能することにより、透過率が左円偏光に対して小さく、右円偏光に対して大きくなる。
(10) from the equation, B 2 is increased by incident obliquely to the plane of arrangement of light two-dimensionally. As the component increases, the loss increases with respect to the left circularly polarized component, and the loss decreases with respect to the right circularly polarized component. The loss corresponds to the light absorptance, and when the
(10)式に基づいて横軸を入射する光の周波数として、左右円偏光によるジュール損失の差の関係を求めると、図4に示すように、共振周波数ω0の近傍で電流の分母が小さくなるため、損失差が相対的に増大する。損失差は共振周波数ω0で最大となり、共振周波数ω0から離れるに応じて損失の差は小さくなる。したがって、光学素子10は、共振周波数近傍の周波数の電磁波(光)を入射することにより、損失差を拡大し、その結果、円二色性をより向上させ得る。
When the relationship of the difference in Joule loss due to left and right circularly polarized light is obtained as the frequency of light incident on the horizontal axis based on the equation (10), the current denominator is small in the vicinity of the resonance frequency ω 0 as shown in FIG. Therefore, the loss difference relatively increases. The loss difference becomes maximum at the resonance frequency ω 0 , and the loss difference becomes smaller as the distance from the resonance frequency ω 0 is increased. Therefore, the
また、本実施形態の光学素子10において、構造体14は、第1の方向に平行な平面p1に対して鏡映対称性を有する形状である。このような構成により、以下に説明するように、光学素子10の板面のいずれの方向から光線を入射させても、右円偏光および左円偏光の光の透過率が等しい。
In the
前述のように、上述のxyz座標系において、第1の方向をx軸に平行にして、第1の方向に平行なxz平面を鏡映面とする鏡映対称性を有するとき、構造体に対して(11)式が成立する。 As described above, in the above-described xyz coordinate system, when the first body is parallel to the x axis and has a mirror symmetry with the xz plane parallel to the first direction as a mirror surface, the structure has On the other hand, Expression (11) is established.
(11)式を満たす構造体を、x軸を回転軸として角度θで回転させるとき、(11)式は(12)式に変形する。 When a structure satisfying equation (11) is rotated at an angle θ about the x axis as a rotation axis, equation (11) is transformed into equation (12).
(12)式は、(x、y、z)の(x、−y、−z)への座標変換を行っても系が変わらないことを示している。この座標変換で系が変わらないので、平板の両面からの入射光の各円偏光に対する透過率は等しい。それゆえ、光学素子10の板面のいずれの方向から光線を入射させても、右円偏光および左円偏光の光の透過率が等しい。
Expression (12) indicates that the system does not change even if coordinate conversion of (x, y, z) to (x, -y, -z) is performed. Since the system is not changed by this coordinate conversion, the transmittance of each incident light from both sides of the flat plate with respect to each circularly polarized light is equal. Therefore, the light transmittance of the right circularly polarized light and the left circularly polarized light is equal even if the light beam is incident from any direction of the plate surface of the
なお、光学素子10において、第1の方向に平行な平面p1に対して鏡映対称性を有する形状を構造体14に形成することにより、光学素子10の平板の一方の面および他方の面に光を入射させるときの右円偏光および左円偏光それぞれの透過率に差異を設けることもできる。
In the
また、本実施形態の光学素子10は、略環状の形状を有している。共振周波数ω0における損失は(13)式で表わされ、右円偏光および左円偏光の損失の差は(14)式で表わされる。
Moreover, the
(14)式から分かるように、損失差を拡大するためには、回路の面積Sが大きいことが好ましい。環状の形状は同じ周長の中で面積を最大化させる。それゆえ、本実施形態の光学素子10は、略環状の形状を有しているので、円二色性を一層向上させ得る。
As can be seen from the equation (14), in order to increase the loss difference, it is preferable that the circuit area S is large. The annular shape maximizes the area within the same circumference. Therefore, since the
また、本実施形態の光学素子10は、構造体14の寸法が可視光の波長より小さい。このような構成により、光学素子10は、透過光への回折の発生を低減させ得る。
In the
また、本実施形態の光学素子10では、構造体14はプラズマ周波数が光源12から放射する光線の波長λより短い導体で形成されている。このような構成により、プラズモン共鳴による片側円偏光の吸収作用を発生させ、上述のように構造体14を共振器として機能させ得る。
In the
また、本実施形態の光学素子10では、構造体14の厚みは10nm以上である。構造体14の厚みが10nm以上であれば、金属としての特性を発揮可能であり、光学素子10は上述の円二色性を発現し得る。また、構造体14の厚みが100nm未満なので、構造体14の厚みを構造体14の幅未満に抑えられ、光学素子10の製造が容易となる。
Moreover, in the
以下、実施例を挙げて本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, although an Example is given and embodiment of this invention is described, this invention is not limited to these Examples.
図5に示すように、平板状のPMMAの基材13に、アルミニウム製の複数の構造体14を平板の平面に平行な面に二次元配列されるように埋設させた、光学素子10を設計した。
As shown in FIG. 5, an
図6に示すように、設計における構造体14は、二次元配列される平面において、矩形の一辺を切欠いた環状形状に形成した。矩形の長辺が350nmであった。矩形の短辺が320nmであった。矩形の各辺の幅が100nmであった。図5に示すように、構造体14の、二次元配列した平面に対する高さは65nmであった。
As shown in FIG. 6, the
設計において、複数の構造体14は、二次元配列の平面において矩形の重心cgからの切欠き15の方向である第1の方向、および当該平面上の第1の方向に垂直な方向に、815nmの周期で配列された。
In the design, the plurality of
光学素子10の板面に垂直な方向に対して4°傾斜させた方向から、光線を放射するように、光学素子10に対して光源12を配置するように設定した。上記の想定条件に対して、光学素子10の透過特性をシミュレーションした。なお、シミュレーションには、Synopsis Inc.のシミュレーションソフト「Rsoft(登録商標)」を用いて、RCWA法を用いるDiffractMODのオプションを適用した。シミュレーションの結果を、図7に示した。なお、右円偏光および左円偏光の一方の向きを90°、他方の向きを270°で表わした。
The light source 12 was set to be disposed with respect to the
図7に示すように、270°向きの円偏光では、波長1310nmの光に対して90%程度の透過率が得られている。また、逆向きの90°向きの円偏光では、波長1310nmの光に対して10%程度の透過率が得られている。したがって、上述の想定の光学素子10では−10dB程度に光が分離されている。なお、より高い透過性を得るためには、例えば、上述の光学素子10を2枚重ねることにより、270°向きの円偏光で波長1310nmの光に対して80%程度の透過率、および逆向きの90°向きの円偏光で波長1310nmの光に対して1%程度の透過率を得ることも可能である。
As shown in FIG. 7, the circularly polarized light oriented at 270 ° has a transmittance of about 90% with respect to light having a wavelength of 1310 nm. Further, in the case of circularly polarized light oriented in the 90 ° direction, the transmittance of about 10% is obtained for light having a wavelength of 1310 nm. Therefore, in the assumed
本発明を諸図面および実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。 Although the present invention has been described based on the drawings and examples, it should be noted that those skilled in the art can easily make various variations and modifications based on the present disclosure. Therefore, it should be noted that these variations and modifications are included in the scope of the present invention.
10 光学素子
11 光源ユニット
12 光源
13 基材
14 構造体
15 切欠き
cg 重心
pl 垂線
p1 二次元配列される平面に垂直かつ第1の方向に平行な平面
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記基材に二次元配列され、二次元配列の平面において非2回回転対称性および該二次元配列の平面上の第1の方向に対して垂直な方向に非鏡映対称性を有する形状の金属製の構造体と、を備え、
前記第1の方向を軸に傾斜した第2の方向から光線が入射される
光学素子。 A substrate that is a flat transparent dielectric,
A shape two-dimensionally arranged on the substrate and having a non-rotational symmetry in the plane of the two-dimensional array and a non-mirror symmetry in a direction perpendicular to the first direction on the plane of the two-dimensional array A metal structure, and
An optical element that receives light from a second direction inclined with respect to the first direction.
前記構造体は、重心から前記第1の方向側の一部を切欠いた環状の形状である
光学素子。 The optical element according to claim 1,
The structure has an annular shape in which a part on the first direction side is cut away from a center of gravity.
前記構造体は、前記第1の方向に平行な平面に対して鏡映対称性を有する形状である
光学素子。
The optical element according to claim 1 or 2,
The structure has a shape having mirror symmetry with respect to a plane parallel to the first direction.
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