JP3021643B2 - 光学装置 - Google Patents
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- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N21/552—Attenuated total reflection
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- G01N21/554—Attenuated total reflection and using surface plasmons detecting the surface plasmon resonance of nanostructured metals, e.g. localised surface plasmon resonance
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- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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Description
【発明の詳細な説明】 この発明は、光学センサに係り、とくに、表面ブラズ
モン−ポラリトン（surface plasmon−polaritons,SP
P）と導波モードとを、直交する放射モード（orthogona
l radiation modes）と結合するために使用することを
応用するセンサに関する。
モン−ポラリトン（surface plasmon−polaritons,SP
P）と導波モードとを、直交する放射モード（orthogona
l radiation modes）と結合するために使用することを
応用するセンサに関する。
SPPを支持している金属上の薄い層が誘電率または厚
さのいずれかを変化させるので、SPPに基いた光学セン
サはSPP共鳴の変化を検出するという原理により動作す
る。
さのいずれかを変化させるので、SPPに基いた光学セン
サはSPP共鳴の変化を検出するという原理により動作す
る。
一般に、SPP共鳴の監視（モニタリング）には２つの
方法があり、 （ａ）入射角（光子の運動量、モーメンタム）の関数と
しての反射率の変化と （ｂ）波長（光子のエネルギー）の関数としての反射率
の変化との監視である。
方法があり、 （ａ）入射角（光子の運動量、モーメンタム）の関数と
しての反射率の変化と （ｂ）波長（光子のエネルギー）の関数としての反射率
の変化との監視である。
典型的な装置は、金又は銀の不透明層でコートされた
回折格子（グレーテング）が用いられ、このシステム
は、検出器がＲ対θまたはＲ対λにおける急な勾配の領
域、すなわち共鳴のエッジを検査するように設定され
る。そこでSPP共鳴にシフトがあると、受けた強度の変
化として記録がされる。
回折格子（グレーテング）が用いられ、このシステム
は、検出器がＲ対θまたはＲ対λにおける急な勾配の領
域、すなわち共鳴のエッジを検査するように設定され
る。そこでSPP共鳴にシフトがあると、受けた強度の変
化として記録がされる。
我々は、SPP共鳴のミニマム（最小）でななくマキシ
マム（最大となるところ）の検出を行うことに基いて装
置が構成されることの利点を見つけ出した。
マム（最大となるところ）の検出を行うことに基いて装
置が構成されることの利点を見つけ出した。
これは、回折格子を入射面に関して45゜回転させ、ク
ロス（交差）した入力偏光子及び出力偏光子を用いるこ
とにより達成される。
ロス（交差）した入力偏光子及び出力偏光子を用いるこ
とにより達成される。
TM偏光を有する入射ビームは、入射角（モーメンタ
ム）または波長（エネルギー）が回折格子面上のSPPの
励起に一致したときを除いて、TEに設定された検出器へ
の出力がゼロとなうようにする。回折格子の溝は、入射
面に対して45℃の角度であるので、TMからTEへの強い変
換が起こり、最適深さをもつ回折格子で50％以上の変換
がすぐに達成される。よって、装置は、弱いバックグラ
ウンド（背景）上に大きい信号を検出すると共に、信号
のこの変化をモニタリングするという原理に基くことが
できる。
ム）または波長（エネルギー）が回折格子面上のSPPの
励起に一致したときを除いて、TEに設定された検出器へ
の出力がゼロとなうようにする。回折格子の溝は、入射
面に対して45℃の角度であるので、TMからTEへの強い変
換が起こり、最適深さをもつ回折格子で50％以上の変換
がすぐに達成される。よって、装置は、弱いバックグラ
ウンド（背景）上に大きい信号を検出すると共に、信号
のこの変化をモニタリングするという原理に基くことが
できる。
光源を変調すると、SN比を増加する変調周波数で検出
ができる。
ができる。
金属／空気の境界で光子とSPPとを直接接合させると
めに必要なる余分の運動量は、回折格子というSPPが付
いている面により用意される。その理由は回折格子が入
射面から外へ回転されると、回折格子がｐ（AT）放射を
ｓ（TE）放射に変換することもできるからであり、そこ
でSPPは偏光による回折格子の配向を適切に選ぶことに
より結合される。光音響（photoacoustic）技術を用い
て、入射面に垂直な方向と回折の溝との間の角度である
φの関数として、SPPに結合される強さが研究された。
対称性の拘束条件より、φ＝０ではｐ偏光光のみがSPP
に結合され、φ＝π/2のときはｓ偏光光のみが結合され
る。
めに必要なる余分の運動量は、回折格子というSPPが付
いている面により用意される。その理由は回折格子が入
射面から外へ回転されると、回折格子がｐ（AT）放射を
ｓ（TE）放射に変換することもできるからであり、そこ
でSPPは偏光による回折格子の配向を適切に選ぶことに
より結合される。光音響（photoacoustic）技術を用い
て、入射面に垂直な方向と回折の溝との間の角度である
φの関数として、SPPに結合される強さが研究された。
対称性の拘束条件より、φ＝０ではｐ偏光光のみがSPP
に結合され、φ＝π/2のときはｓ偏光光のみが結合され
る。
この実際の例では、φが０からπ/2に変化されるとき
に、SPPの発生を介してｐからｓへの変換が調べられ
る。これらの２つの極限ではｐ−ｓ変換が行われず、φ
＝45゜のとき、ｐ−ｓ変換は最大の66％が可能となる。
このｐ−ｓ変換はすでに、傾いた（チルトした）単一軸
又は複数軸層を有するプラナーシステムで記憶され、ま
た、導波モードの研究により光テンソルを完全にに特徴
付けるために用いられている。対称性破壊（symmetry b
reaking）は回折格子溝により作られ、面外の光軸に対
向している。一般的なSPP共鳴についての光技術による
と、最小の反射率がプラズモン角で記録されるのである
がが、我々は最大値を記録することとした。
に、SPPの発生を介してｐからｓへの変換が調べられ
る。これらの２つの極限ではｐ−ｓ変換が行われず、φ
＝45゜のとき、ｐ−ｓ変換は最大の66％が可能となる。
このｐ−ｓ変換はすでに、傾いた（チルトした）単一軸
又は複数軸層を有するプラナーシステムで記憶され、ま
た、導波モードの研究により光テンソルを完全にに特徴
付けるために用いられている。対称性破壊（symmetry b
reaking）は回折格子溝により作られ、面外の光軸に対
向している。一般的なSPP共鳴についての光技術による
と、最小の反射率がプラズモン角で記録されるのである
がが、我々は最大値を記録することとした。
この発明によると、最大の表面プラズモン−ポラリト
ン共鳴を検出する手段を有する装置が提供されている。
ン共鳴を検出する手段を有する装置が提供されている。
この発明は、添付された図面を参照して記述され、 図１ SPPでの計測を達成されるために用いられる装
置の概略図を示し； 図２ 発散性源とスプリット検出器と用いて、SPP最
大の角度を検出するプロトライブを示し； 図３ 多色性源とスプリット波長検出器を用いてSPP
最大の波長を検出するプロトタイプを示し； 図４ 55.4nmの溝の深さの回折格子について、入射角
の差φの関数としての、ｐからｓへのカップリングRps
を示し； 図５ 55.4nmの溝の深さの回折格子について、入射角
の差φの関数としての、Rpsのピークの高さを示し； 図６ 回折角子の溝の深さの関数としてのRps（φ＝4
5゜のとき）の最大値を示し； 図７ 等式１に適合する直線を示し； 図8a）と8b ガス検出器として用いられるこの発明の
他の実施例を示し； 図９ ガスクロマトグラフィでの長範囲の表面プラズ
モンの使用を示し； 図10 SPP応用の電圧制御モノクロメータを示し； 図11 電圧制御モノクロメータの他の形態を示し： 図12 磁気テープの光学リーダ（光読取り器）を示
し； 図13 図３の装置により得られる計測結果を示したグ
ラフであり： 図14〜22 別の実験結果のグラフィカルな描写であ
る。
置の概略図を示し； 図２ 発散性源とスプリット検出器と用いて、SPP最
大の角度を検出するプロトライブを示し； 図３ 多色性源とスプリット波長検出器を用いてSPP
最大の波長を検出するプロトタイプを示し； 図４ 55.4nmの溝の深さの回折格子について、入射角
の差φの関数としての、ｐからｓへのカップリングRps
を示し； 図５ 55.4nmの溝の深さの回折格子について、入射角
の差φの関数としての、Rpsのピークの高さを示し； 図６ 回折角子の溝の深さの関数としてのRps（φ＝4
5゜のとき）の最大値を示し； 図７ 等式１に適合する直線を示し； 図8a）と8b ガス検出器として用いられるこの発明の
他の実施例を示し； 図９ ガスクロマトグラフィでの長範囲の表面プラズ
モンの使用を示し； 図10 SPP応用の電圧制御モノクロメータを示し； 図11 電圧制御モノクロメータの他の形態を示し： 図12 磁気テープの光学リーダ（光読取り器）を示
し； 図13 図３の装置により得られる計測結果を示したグ
ラフであり： 図14〜22 別の実験結果のグラフィカルな描写であ
る。
ホログラフ技術に用いる回折格子置が生産された。ク
リーンなガラスディスクは、フォトレジスト（シプレイ
社,Shipley 1400−17）によりスピンコートがされ、60
゜Ｃで30分間ベーキングされた。これらのコートされた
ディスクは、ある範囲の露光時間でアルゴンイオンレー
ザ（457.9nm）からの２つの交差するコヒーレントビー
ムで露光された。露光後、フィルムは現像され、リンス
され、30分間紫外線ランプの下にさらされてフオトレジ
ストが完全に硬化された。溝の深さは、ほぼタリーステ
ップスタイラス（Talystep stylus）計測機器を用いて
その後計測された。
リーンなガラスディスクは、フォトレジスト（シプレイ
社,Shipley 1400−17）によりスピンコートがされ、60
゜Ｃで30分間ベーキングされた。これらのコートされた
ディスクは、ある範囲の露光時間でアルゴンイオンレー
ザ（457.9nm）からの２つの交差するコヒーレントビー
ムで露光された。露光後、フィルムは現像され、リンス
され、30分間紫外線ランプの下にさらされてフオトレジ
ストが完全に硬化された。溝の深さは、ほぼタリーステ
ップスタイラス（Talystep stylus）計測機器を用いて
その後計測された。
必要な際には、適切な金属層をコートするために真空
チャンバ内に置かれるまで、このような回折格子は、ク
リーンな環境で貯蔵された。約100nmの厚さの不透明な
銀の層が、10-4Paの真空内で99.999％の純銀の蒸着で堆
積された。用いられた回折格子のピッチλｇは、回折次
数の角度により決定され、用いられた回折格子の全ては
842.5±0.5nmであった。
チャンバ内に置かれるまで、このような回折格子は、ク
リーンな環境で貯蔵された。約100nmの厚さの不透明な
銀の層が、10-4Paの真空内で99.999％の純銀の蒸着で堆
積された。用いられた回折格子のピッチλｇは、回折次
数の角度により決定され、用いられた回折格子の全ては
842.5±0.5nmであった。
これらのメタライズされた回折格子の反射率を調べる
ための実験装置は図１に模式的に示されている。回折格
子Ｇは、0.01゜ステップの分解能を有する角度（θ）ス
キャンを行えるテーブル（図示しない）に固定された。
アジマス角（方位角）φは±0.1゜の確度で設定するこ
とができた。ｐ−偏光（TM）ヘリウムネオン（HeNe）レ
ーザ放射Ｌ（λ＝632.8nm）は、機械的に1.7KHzでチョ
ップされ、ビームスプリッタBSと偏光子P1とを通って回
折格子に直接入射された。ビームのｓ成分を通過させる
ように第２偏光子P2を通った後、回折格子Ｇからのゼロ
オーダ（鏡面反射ビーム）は、フォトダイオード（回折
格子の２倍レート回転する）とロックイン（lock−in）
増幅器により検出された。２つの偏光子の消滅比は、20
0,000:1より大きかった。基準検出器RDは、ビーム内に
置かれたガラス板ビームスプリッタBSの４％反射で入力
ビームを監視した。この基準信号は、入力強度Rpsの変
動について出力信号を補正するために用いられた。Rps
は、差φ値について繰り返してスキャンされるθの関数
として計測された。Agフィルムのオーバレイヤのゴミの
影響を減少させるために、反射率計測は銀が堆積された
30分間以内に行われた。
ための実験装置は図１に模式的に示されている。回折格
子Ｇは、0.01゜ステップの分解能を有する角度（θ）ス
キャンを行えるテーブル（図示しない）に固定された。
アジマス角（方位角）φは±0.1゜の確度で設定するこ
とができた。ｐ−偏光（TM）ヘリウムネオン（HeNe）レ
ーザ放射Ｌ（λ＝632.8nm）は、機械的に1.7KHzでチョ
ップされ、ビームスプリッタBSと偏光子P1とを通って回
折格子に直接入射された。ビームのｓ成分を通過させる
ように第２偏光子P2を通った後、回折格子Ｇからのゼロ
オーダ（鏡面反射ビーム）は、フォトダイオード（回折
格子の２倍レート回転する）とロックイン（lock−in）
増幅器により検出された。２つの偏光子の消滅比は、20
0,000:1より大きかった。基準検出器RDは、ビーム内に
置かれたガラス板ビームスプリッタBSの４％反射で入力
ビームを監視した。この基準信号は、入力強度Rpsの変
動について出力信号を補正するために用いられた。Rps
は、差φ値について繰り返してスキャンされるθの関数
として計測された。Agフィルムのオーバレイヤのゴミの
影響を減少させるために、反射率計測は銀が堆積された
30分間以内に行われた。
図２は、装置の実際の実施例を示している。CWレーザ
ダイオード20は入力ビームIBのための放射源として機能
し、この入力ビームIBはTM偏光子21を通ると共に、サン
プルチャンバ24への窓として機能するガラスレンズ23に
より回折格子上へフオーカスされた。出力ビームOBはレ
ンズＬ及びTE偏光子25を通過してスプリット検出器26へ
導かれ、このスプリット検出器26は最大値の角度位置を
解明した。格子ピッチは、〜10゜入射をSPPに与えるよ
うに設計されている。
ダイオード20は入力ビームIBのための放射源として機能
し、この入力ビームIBはTM偏光子21を通ると共に、サン
プルチャンバ24への窓として機能するガラスレンズ23に
より回折格子上へフオーカスされた。出力ビームOBはレ
ンズＬ及びTE偏光子25を通過してスプリット検出器26へ
導かれ、このスプリット検出器26は最大値の角度位置を
解明した。格子ピッチは、〜10゜入射をSPPに与えるよ
うに設計されている。
図３は、装置の他の形態を示し、図２のレーザに代わ
って光放出ダイオード30が用いられている。LEDの波長
の広がりは〜±50nmである。検出器36は、λ差応答をも
つ２つのダイオードによるスプリットλ検出器である。
この出力は、λが最大の位置では、非常にリニアであ
る。回折格子ピッチは、〜10゜入射のSPPを与えるよう
に設計されている。
って光放出ダイオード30が用いられている。LEDの波長
の広がりは〜±50nmである。検出器36は、λ差応答をも
つ２つのダイオードによるスプリットλ検出器である。
この出力は、λが最大の位置では、非常にリニアであ
る。回折格子ピッチは、〜10゜入射のSPPを与えるよう
に設計されている。
図13は、図３の装置の断面図である。イソプロパノー
ルの少量（＜１ Torr）がチャンバに加えられていると
き、凝縮が金属表面上に発生し、波長検出器の出力の変
化の原因となる。チャンバの気体を抜くと、液体が再蒸
発され、表面が最初の状態に戻される。
ルの少量（＜１ Torr）がチャンバに加えられていると
き、凝縮が金属表面上に発生し、波長検出器の出力の変
化の原因となる。チャンバの気体を抜くと、液体が再蒸
発され、表面が最初の状態に戻される。
φに対するRpsの形での反射データが、各々同じピッ
チではあるが異なった溝の深さであるような10個の異な
った回折格子について記録された。図４は、記録結果で
あり、とくに、55.4nmの溝の深さの格子の設定について
のものである。φ＝０及び90゜のとき、例えば、入射面
に平行又は直角である溝のとき、Rpsは検出されない。
中間のφの値の全てにおいて、表面ブラズモンθsppの
励起に一致した入射角の共鳴ピークがある。φに対応す
るθsppの動き明きらかである。図５は、φに対応するR
psのピーク値のバリエーションを示している。最大値ｐ
からｓへの変換は、この回折格子では、φ＝45゜のとき
発生され、ｐ放出のほぼ45％SPP吸収及び再放出により
ｓ放射に変換される。φに依存するデータは、電界成分
によりすぐに説明される単純なsin2φcos2φ（＝sin22
φ）実線に従う。ｐ一偏光された入力放射はcosφとし
て変化される溝に垂直なＥ−ベクトル成分を有する。こ
れは、交互にsinφとして変化する入射ベクトルに垂直
な成分を有する。これらの成分の積は、二乗されて強度
が得られる。
チではあるが異なった溝の深さであるような10個の異な
った回折格子について記録された。図４は、記録結果で
あり、とくに、55.4nmの溝の深さの格子の設定について
のものである。φ＝０及び90゜のとき、例えば、入射面
に平行又は直角である溝のとき、Rpsは検出されない。
中間のφの値の全てにおいて、表面ブラズモンθsppの
励起に一致した入射角の共鳴ピークがある。φに対応す
るθsppの動き明きらかである。図５は、φに対応するR
psのピーク値のバリエーションを示している。最大値ｐ
からｓへの変換は、この回折格子では、φ＝45゜のとき
発生され、ｐ放出のほぼ45％SPP吸収及び再放出により
ｓ放射に変換される。φに依存するデータは、電界成分
によりすぐに説明される単純なsin2φcos2φ（＝sin22
φ）実線に従う。ｐ一偏光された入力放射はcosφとし
て変化される溝に垂直なＥ−ベクトル成分を有する。こ
れは、交互にsinφとして変化する入射ベクトルに垂直
な成分を有する。これらの成分の積は、二乗されて強度
が得られる。
全ての回折格子について、φ＝45゜のときのRpsの最
大値が決定され、図６に示されるように、溝の深さの二
乗にたいする結果がプロットされている。記録された最
大変換は、94.7nmの大きさでの回折格子からの約66％で
ある。（これにたいして、２つの交差する偏光子の間で
角度φで置かれた偏光子は、同じようにsin22φの強度
依存性を有する最大12.5％を与える。図６に示された実
線は以下の形式の曲線である； Rps（max）＝Ａ［１−exp（−Bh2）］２ （１） 係数ＡとＢとはそれぞれ、2/3、及び（251±10）／λ２
（Ｂは８π3/λ１と区別できない）。ＡとＢとのこれら
の値についての、（h/λ）２に対するln（１−（Rps/
A）1/2））に適合する直線は図７に示されている。メタ
ライズされた回折格子上のSPP波への放射の結合による
ｐからｓへの変換の計測では、溝の深さと、回折格子の
溝の方向及び入射面の間の角度とについての変換効率の
依存性は、ともに最も深い回折格子にたいする2/3の最
大変換効率をもつ非常に簡単な経験的な形をもってい
る。
大値が決定され、図６に示されるように、溝の深さの二
乗にたいする結果がプロットされている。記録された最
大変換は、94.7nmの大きさでの回折格子からの約66％で
ある。（これにたいして、２つの交差する偏光子の間で
角度φで置かれた偏光子は、同じようにsin22φの強度
依存性を有する最大12.5％を与える。図６に示された実
線は以下の形式の曲線である； Rps（max）＝Ａ［１−exp（−Bh2）］２ （１） 係数ＡとＢとはそれぞれ、2/3、及び（251±10）／λ２
（Ｂは８π3/λ１と区別できない）。ＡとＢとのこれら
の値についての、（h/λ）２に対するln（１−（Rps/
A）1/2））に適合する直線は図７に示されている。メタ
ライズされた回折格子上のSPP波への放射の結合による
ｐからｓへの変換の計測では、溝の深さと、回折格子の
溝の方向及び入射面の間の角度とについての変換効率の
依存性は、ともに最も深い回折格子にたいする2/3の最
大変換効率をもつ非常に簡単な経験的な形をもってい
る。
SP変換により、回折格子は、鏡面のモノクロメータと
して働き、よって、ｐ偏光平行白色がもし回折格子に照
射さると（φ＝45゜）、第２偏光子から見たときに、反
射されるビームは、純粋にθに依存する色（colour）を
有する。SPP共鳴が狭くなればなるほど、出力ビームの
波長分解能がシャープとなり、色が金属面のSPPモード
により示される。しかし、強い変換を得るためには、SP
P共鳴をより広くする大きい溝の深さを用いることが必
要であり、よって分解能を制限する。
して働き、よって、ｐ偏光平行白色がもし回折格子に照
射さると（φ＝45゜）、第２偏光子から見たときに、反
射されるビームは、純粋にθに依存する色（colour）を
有する。SPP共鳴が狭くなればなるほど、出力ビームの
波長分解能がシャープとなり、色が金属面のSPPモード
により示される。しかし、強い変換を得るためには、SP
P共鳴をより広くする大きい溝の深さを用いることが必
要であり、よって分解能を制限する。
誘電オーバ層の導波モードは、回折格子でのｐからｓ
へ結合する。図８は、φ＝45゜のときのRpsのデータを
示している。サンプルは銀の上にスピンされたフォトレ
ジストの薄い層を有するが、前の例（溝の深さ53.6nm）
で用いられているのと同様な銀がコートされた回折格子
である。注意深くオーバレイヤを加えることにより、こ
のモードは十分なｐからＰへの結合を与え、0.1゜HHFW
の狭いモードを達成できる。
へ結合する。図８は、φ＝45゜のときのRpsのデータを
示している。サンプルは銀の上にスピンされたフォトレ
ジストの薄い層を有するが、前の例（溝の深さ53.6nm）
で用いられているのと同様な銀がコートされた回折格子
である。注意深くオーバレイヤを加えることにより、こ
のモードは十分なｐからＰへの結合を与え、0.1゜HHFW
の狭いモードを達成できる。
２つの広いタイプの装置は表面ブラズモンの原理に基
いている。これらは； （ａ）固定波長による広いモーメンタムに基いている装
置。
いている。これらは； （ａ）固定波長による広いモーメンタムに基いている装
置。
（ｂ）固定モーメンタムによる広い波長に基いている装
置。
置。
前者は、１つがモノクロマティク（単色）の光源を必
要とする。できれば、レーザダイオードと位置センサ。
要とする。できれば、レーザダイオードと位置センサ。
後者は、１つがポリクロマティク（多色）の光源を必
要とする。できれば、LEDと波長センサ（デュアルダイ
オード検出器）。
要とする。できれば、LEDと波長センサ（デュアルダイ
オード検出器）。
さらに細かく２つに分けられ； （１）表面ブラズモンを支持するメタライズされた回折
格子。
格子。
（２）導波モードを支持する誘電層がコートされた回折
格子。
格子。
第１のカテゴリーは、薄いオーバコーティングにたい
して感度がよく、センシング層がオーバコートされてい
てもよい。
して感度がよく、センシング層がオーバコートされてい
てもよい。
第２のカテゴリーは、誘電層の光学特性を変化させる
のに感度がよい。
のに感度がよい。
ガスセンサとしてのこの発明の実施例が図9a）9bに示
されている。これは、ラングミュア−ブロジェット（La
ngmuir−Blodgett）（LB）フィルム92を支持する金の層
91がコートされた回折格子をもつ基板90を有している。
ガスＧがこのフィルム上に流される。回折格子は角度分
散をもつ（図9a）モノクロマッティックな光、またはコ
リメートされたポリクロマティックな光入射ビームIBで
交番に照射される。この装置は、LBフィルムによるガス
吸収のためにガスセンサとして働き、これは検出される
SPP共鳴を変化させる。
されている。これは、ラングミュア−ブロジェット（La
ngmuir−Blodgett）（LB）フィルム92を支持する金の層
91がコートされた回折格子をもつ基板90を有している。
ガスＧがこのフィルム上に流される。回折格子は角度分
散をもつ（図9a）モノクロマッティックな光、またはコ
リメートされたポリクロマティックな光入射ビームIBで
交番に照射される。この装置は、LBフィルムによるガス
吸収のためにガスセンサとして働き、これは検出される
SPP共鳴を変化させる。
ガスクロマトグラフィにおける長範囲の表面プラズモ
ン（LRSP）の使用が図10に示されている。ガスは、金層
102に支持された浸透性（ポーラス）層101内に入り、誘
電率εを局部的に変化させる。これは、ｓを検出する信
号のイメージとして見られる。
ン（LRSP）の使用が図10に示されている。ガスは、金層
102に支持された浸透性（ポーラス）層101内に入り、誘
電率εを局部的に変化させる。これは、ｓを検出する信
号のイメージとして見られる。
図11は、SPPに基づく電圧制御されるモノクロメータ
の一形態を示している。白色光の入射ビームIBは、透明
インジウム−スズ酸化層111がコートされた回折格子に
直接照射される。これがつぎに電圧に敏感なポリマー層
112を付けていて、このポリマー層112は、銀又は金層11
3がコートされている。電源114によりポリマー層112を
通って与えられる電圧の変化は、誘電率εを変化させる
原因となり、この誘電率εはｓ出力の色変化をおこさせ
る。変換効率は、60％のオーダである。スペクトル分解
能は、ビームのコリメーションおよび共鳴の鋭さにより
表現される。
の一形態を示している。白色光の入射ビームIBは、透明
インジウム−スズ酸化層111がコートされた回折格子に
直接照射される。これがつぎに電圧に敏感なポリマー層
112を付けていて、このポリマー層112は、銀又は金層11
3がコートされている。電源114によりポリマー層112を
通って与えられる電圧の変化は、誘電率εを変化させる
原因となり、この誘電率εはｓ出力の色変化をおこさせ
る。変換効率は、60％のオーダである。スペクトル分解
能は、ビームのコリメーションおよび共鳴の鋭さにより
表現される。
図12は、電圧か制御されるモノクロメータの他の実施
例を示し、表面プラズモン回折格子及びガラス板121の
間の位置に液晶が用いられている。このガラス板121
は、図12bに示されているように、インジウム−スズ酸
化層及びシリカ層122を整列して支持している。
例を示し、表面プラズモン回折格子及びガラス板121の
間の位置に液晶が用いられている。このガラス板121
は、図12bに示されているように、インジウム−スズ酸
化層及びシリカ層122を整列して支持している。
図13は、LRSPに用いられる磁気情報の光リーダを示
し、このLRSPはシリカ基板130、及び磁気オーバレイヤ1
32備えている金回折格子層131を有している。テープ133
からの磁界は磁気オーバレイヤを再整列し、LRSPを変化
させる。よって、磁界情報が直接光情報に変換される。
磁気オーバレイヤへのプラスチックコーティング134
は、テープの流れのためにスペーサおよび潤滑材として
機能する。
し、このLRSPはシリカ基板130、及び磁気オーバレイヤ1
32備えている金回折格子層131を有している。テープ133
からの磁界は磁気オーバレイヤを再整列し、LRSPを変化
させる。よって、磁界情報が直接光情報に変換される。
磁気オーバレイヤへのプラスチックコーティング134
は、テープの流れのためにスペーサおよび潤滑材として
機能する。
ｐからｓへの変換放射は、メタライズされた回折格子
の誘電オーバレイヤ内での導波モードを介しても起すこ
とができる。図14は、同一真空の下で回折格子（ピッチ
＝801.5nm、深さ＝21.2nm）に蒸着された100nmの銀上の
320nmのマグネシウムフッ化物からなるサンプルから
（φ＝０における）の反射率RppおよびRssを示してい
る。
の誘電オーバレイヤ内での導波モードを介しても起すこ
とができる。図14は、同一真空の下で回折格子（ピッチ
＝801.5nm、深さ＝21.2nm）に蒸着された100nmの銀上の
320nmのマグネシウムフッ化物からなるサンプルから
（φ＝０における）の反射率RppおよびRssを示してい
る。
Rppプロットは、SPP（〜42゜における）と、（〜13゜
における）導波TM0モード（最も低いオーダの横磁界）
とを示している。この導波モードはその界の殆どが非吸
収誘電体の中にあるとSPPをより狭くする。Rssプロット
はTE0の導波モードを示している。
における）導波TM0モード（最も低いオーダの横磁界）
とを示している。この導波モードはその界の殆どが非吸
収誘電体の中にあるとSPPをより狭くする。Rssプロット
はTE0の導波モードを示している。
回折格子がφ45に回転されると、図15に示されたRsp
プロットが得られる。ガイドされたモードは、SPPより
もより大きく混合されている。図４のSPPと類似のやり
かたでより高い角度に全てのモードが動かされている。
φ＝０゜からφ＝90゜において、導波モードのピークの
高さが計測され、その曲線が図16に示されている。導波
モードのこれらの曲線は、２つの重要な点で（SPPにつ
いて）図５に示されたものとは異なる。各曲線の最大値
は、ここではφ＞45゜であり、これらは、φ＝90゜でゼ
ロではない。同一のピッチであるが異なった溝の深さの
２つの別の回折格子上に同じ層が堆積された。表１は、
２つの導波モードのピークの高さと、φ＝45゜（導波モ
ードにたいしては、これは最適なφではない）での３つ
の全ての回折格子のSPPとを示している。SPP混合は、銀
のみコートされた回折格子の前の結果と互換性がある。
プロットが得られる。ガイドされたモードは、SPPより
もより大きく混合されている。図４のSPPと類似のやり
かたでより高い角度に全てのモードが動かされている。
φ＝０゜からφ＝90゜において、導波モードのピークの
高さが計測され、その曲線が図16に示されている。導波
モードのこれらの曲線は、２つの重要な点で（SPPにつ
いて）図５に示されたものとは異なる。各曲線の最大値
は、ここではφ＞45゜であり、これらは、φ＝90゜でゼ
ロではない。同一のピッチであるが異なった溝の深さの
２つの別の回折格子上に同じ層が堆積された。表１は、
２つの導波モードのピークの高さと、φ＝45゜（導波モ
ードにたいしては、これは最適なφではない）での３つ
の全ての回折格子のSPPとを示している。SPP混合は、銀
のみコートされた回折格子の前の結果と互換性がある。
これらの結果は、導波モードがとりわけ溝の深さの小
さいSPPよりも、より大きく混合されるこを示してい
る。これらは、また、より狭くなると、検出モード、す
なわちシフトをの検出する感度がより高くなることを示
している。メタライズされた回折格子の誘電体コーティ
ングをすると、図２、３に示された検出器はコーティン
グの厚さ及び屈折率の変化に感度をもつようになる。こ
の層の選択は、何の物質が検出されるかを決定する。例
えば、複数の層はある特定のガスのみを検出し、抗体
（antiboby）の層は対応する抗原（antigens）にのみ結
合されて存在する。これらの２つの場合には、主にこの
層の屈折率が変形されている。
さいSPPよりも、より大きく混合されるこを示してい
る。これらは、また、より狭くなると、検出モード、す
なわちシフトをの検出する感度がより高くなることを示
している。メタライズされた回折格子の誘電体コーティ
ングをすると、図２、３に示された検出器はコーティン
グの厚さ及び屈折率の変化に感度をもつようになる。こ
の層の選択は、何の物質が検出されるかを決定する。例
えば、複数の層はある特定のガスのみを検出し、抗体
（antiboby）の層は対応する抗原（antigens）にのみ結
合されて存在する。これらの２つの場合には、主にこの
層の屈折率が変形されている。
表 １ 45゜で混合 溝の深さ（nm） TM0 TE0 SPP 211 0.115 0.326 0.033 376 0.359 0.496 0.159 719 0.508 0.559 0.277
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ブライアン ― ブラウン、ガイ・ピー ター イギリス国、テーエヌ21・８ワイエヌ、 イースト・サセックス、ヒースフィール ド、ザ・スピニイズ、マールバラ・ウエ イ 22 (56)参考文献 特開 平１−308946（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−292045（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−138443（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−118247（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/61 G11B 11/00 - 11/10
Claims (9)
- 【請求項１】表面プラズモン回折格子手段によりｓモー
ドとｐモードの間の放射を変換させる手段とともに、該
両モード間の変換の最大となるところを検出するように
構成された手段を備え、該ｓモードとｐモードの間の放
射を変換させる手段は表面プラズモン−ポラリトン（SP
P）についてかつ導波モードについてモード変換をさせ
るものであることを特徴とする光検出装置。 - 【請求項２】表面プラズモン回折格子手段によりｓモー
ドとｐモードの間の放射を変換させる手段とともに、該
両モード間の変換の最大となるところを検出するように
構成された手段とを備え、該ｓモードとｐモードの間の
放射を変換させる手段は表面プラズモン−ポラリトン
（SPP）についてモード変換をさせるものである光検出
装置であって、第１の面内に入射放射を偏光させる手段
（21）と、入射面に関してほぼ45゜に配向している回折
格子手段（22）と、交差している出力偏光子手段（25）
とを備えていることを特徴とする光検出装置。 - 【請求項３】さらに、入射放射の周波数を変調させる変
調手段と、上記変調された放射の出力を検出する検出手
段とを備えていることを特徴とする請求項１または２に
記載の光検出装置。 - 【請求項４】請求項１または２に記載の光学装置を有す
るガスセンサであって、 基板（90）を備え、該基板には前記回折格子手段が有
り、該回折格子手段は検知するガスと接する位置にラン
グミュア−ブロジェット（LB）フィルム（92）が付いて
いる金の層（91）がコートされていることを特徴とする
ガスセンサ。 - 【請求項５】ガスクロマトグラフィイで使用するための
請求項１または２に記載の光学装置であって、 前記回折格子手段の表面上には金の層（102）が付いて
いるポーラス層（101）があり、さらに該ポーラス層の
誘電率の局部的変化に起因するイメージを検出する手段
とを備えていることを特徴とする光学装置。 - 【請求項６】請求項１または２に記載の光学装置を有す
る電圧制御されたモノクロメータであって、 前記表面プラズモン回折格子手段には透明なインジウム
−スズ酸化層（111）と、金属（113）がコートされた電
圧検出物質の層（112）とがコートされており、さら
に、該表面プラズモン回折格子手段に白色光の入射ビー
ム（IB）を向けるための手段を備えていることを特徴と
する光学装置を有する電圧制御されたモノクロメータ。 - 【請求項７】請求項１または２に記載の光学装置を有す
る電圧制御されたモノクロメータであって、 さらに、インジウム−スズ酸化層及びシリカ層（122）
が付いているガラス板（121）と、前記表面ブラズモン
回折格子との間に置かれた液晶手段（123）を備えてい
ることを特徴とする光学装置を有する電圧制御されたモ
ノクロメータ。 - 【請求項８】請求項１または２に記載の光学装置を有す
る磁気情報を読み取る光読取装置であって、 シリカ基板（130）と、磁気オーバ層（132）に接触して
いる金の回折格子オーバ層（131）と、読み取られる磁
気媒体のためのスペーサとしてまた潤滑剤として作用す
るコーテング（134）とを備えていることを特徴とする
光学装置を有する磁気情報を読み取る光読取装置。 - 【請求項９】検出されることになる対象物を選択的に吸
収する手段と、請求項１または２に記載の光学装置とを
備え、該対象物は前記回折格子手段と接触しており、該
対象物が吸収されると、該吸収する手段は屈折率を変化
させることを特徴とする検出器。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB8916764.7 | 1989-07-21 | ||
| GB898916764A GB8916764D0 (en) | 1989-07-21 | 1989-07-21 | Surface plasmon optical sensor |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04506998A JPH04506998A (ja) | 1992-12-03 |
| JP3021643B2 true JP3021643B2 (ja) | 2000-03-15 |
Family
ID=10660449
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2510895A Expired - Fee Related JP3021643B2 (ja) | 1989-07-21 | 1990-07-23 | 光学装置 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5598267A (ja) |
| EP (1) | EP0483268B1 (ja) |
| JP (1) | JP3021643B2 (ja) |
| DE (1) | DE69023342T2 (ja) |
| GB (2) | GB8916764D0 (ja) |
| WO (1) | WO1991001489A1 (ja) |
Families Citing this family (57)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2248497B (en) * | 1990-09-26 | 1994-05-25 | Marconi Gec Ltd | An optical sensor |
| GB9414599D0 (en) * | 1994-07-20 | 1994-09-07 | Scient Generics Ltd | Biosensor |
| US5925878A (en) * | 1997-08-20 | 1999-07-20 | Imation Corp. | Diffraction anomaly sensor having grating coated with protective dielectric layer |
| US5955378A (en) * | 1997-08-20 | 1999-09-21 | Challener; William A. | Near normal incidence optical assaying method and system having wavelength and angle sensitivity |
| US5994150A (en) * | 1997-11-19 | 1999-11-30 | Imation Corp. | Optical assaying method and system having rotatable sensor disk with multiple sensing regions |
| US5986762A (en) * | 1998-06-15 | 1999-11-16 | Imation Corp. | Optical sensor having optimized surface profile |
| US6320991B1 (en) | 1998-10-16 | 2001-11-20 | Imation Corp. | Optical sensor having dielectric film stack |
| US6248395B1 (en) | 1999-05-24 | 2001-06-19 | Komag, Inc. | Mechanical texturing of glass and glass-ceramic substrates |
| US7167615B1 (en) * | 1999-11-05 | 2007-01-23 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Resonant waveguide-grating filters and sensors and methods for making and using same |
| US8111401B2 (en) * | 1999-11-05 | 2012-02-07 | Robert Magnusson | Guided-mode resonance sensors employing angular, spectral, modal, and polarization diversity for high-precision sensing in compact formats |
| GB9929752D0 (en) * | 1999-12-17 | 2000-02-09 | Secr Defence | Textured surface |
| AU2001281743A1 (en) | 2000-07-21 | 2002-02-05 | Micro Managed Photons A/S | Surface plasmon polariton band gap structures |
| US7371562B2 (en) | 2000-10-30 | 2008-05-13 | Sru Biosystems, Inc. | Guided mode resonant filter biosensor using a linear grating surface structure |
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