JP5504418B2 - プラズモン評価方法およびプラズモン評価装置 - Google Patents
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Description
本発明は、近接場であるプラズモンの評価方法、プラズモン評価装置、プラズモン導波路システムおよび光ピックアップに関する。
近年、ナノフォトニクス分野の研究開発が活発化し、各種近接場光デバイスが提案されてきている。特に表面プラズモン関係では回折限界を大きく超える効果や近接場相互作用が強い点から各種発表が多くなされている。例えば、特許文献１では、金属からなるナノメータサイズの構造体（以下、金属ナノ構造体とも云う）におけるプラズモン効果を用いた小型の偏光板が出願されている。
近接場光として有効なプラズモンは、表面プラズモン、あるいは表面プラズモンポラリトンである。金属ナノ構造体に光を照射すると光の電場により金属ナノ構造体の自由電子が振動する。金属ナノ構造体の表面においては自由電子が光電場の振動に従い、金属ナノ構造体（原子核結晶体）の表面位置から外側へでたり、内側へ入ったりする。その場合、金属ナノ構造体における電気的中性条件が崩れ、分極が発生する。その分極が表面プラズモンの起源である。この場合、電子は一つ一つ別々の位相で振動するよりも集団で同位相の振動運動をすることがエネルギー的に安定であり、集団で同位相の振動運動は、素励起の一つである。
このため、このような金属構造体内のプラズモン状態を評価し測定することは近接場光デバイスの設計、作製プロセス開発には重要となってくる。金属ナノ構造体内のプラズモン状態を測定する方法はいくつか報告例がある。
まず、第１の測定方法として、二光子励起で金のナノロッド等を励起し、プラズモン発光を近接場光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）で観測する方法が知られている（例えば、非特許文献１参照）。この第１の測定方法では、プラズモン発光強度はプラズモン密度に依存する。
第２の測定方法として、二光子で電子を励起し、飛び出した電子を光電子分光で観測する方法が知られている（例えば、非特許文献２参照）。この第２の測定方法においては、光電子強度はプラズモン密度に依存する。
第３の測定方法として、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）で金属試料との間にプラズモン励起に相当する電圧を印加してプラズモンを励起し、発光を観測する方法が知られている（例えば、非特許文献３参照）。この第３の測定方法においては、空間分解能はＳＴＭのプローブサイズに依存する。
第４の測定方法として、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による電子線照射でプラズモンを励起し、発光を観測する方法が知られている（例えば、非特許文献４参照）。
また、近接場光デバイスは各種考えられるが、例えば、特許文献１に記載された偏光板のようなデバイスを考えれば、プラズモンの励起は偏光板への入射光でなくてはならず、プラズモン評価法により、入射光の波長等が限定されてはならない。また、研究、試作においては有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）シミュレーションを用いることが良くあるが、設計したデバイスの構造と試作した構造が同一であるかどうかは重要である。特許文献１に記載の偏光板ではプラズモンが機能媒体として働くため、どの程度の許容誤差範囲内での同一性が必要かについては、プラズモンにとって同一となる範囲であれば良い。この意味では、機能させるプラズモンの密度等の状況評価をするのが最も良い。したがって、一光子励起でプラズモンが励起され、そのプラズモンを評価するような手法でなくてはならず、上記第１乃至第４の測定方法は使用することができない。
また、近年開発が進められている１μｍ以下のプラズモン導波路においては、集積化した場合、プラズモン導波路の幅と伝播光導波路の幅が大きく異なることから、１本の伝播光導波路と複数のプラズモン導波路が組になることが考えられるが、この場合、複数のプラズモン導波路の中から、選択したプラズモン導波路の信号を取り出し、伝播光に変換することが必要となる。
K. Imura, T. Nagahara ,and H. Okamoto, APPL. PHYS. LETT. 88, 023104,(2006)
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Y. Uehara, T. Fujita, and S. Ushioda, Phys. Rev. Lett. 83, 2445 (1999)
N. Yamamoto, A. Toda and K. Axaya , Journal of Electron Microscopy 45 64 (1996)
本発明は、上記事情を考慮してなされたものであって、金属ナノ構造体内において特定の波長で励起したプラズモンの密度分布を評価することのできるプラズモン評価方法およびプラズモン評価装置を提供するとともに、サブミクロンからナノメートルのオーダーの選択したプラズモン導波路のプラズモン導波信号を検出することのできるあるいはこのプラズモン導波信号を伝播光導波路内への伝播光信号に変換することのできるプラズモン導波路システムを提供し、更にレイリー散乱光を検出する光ピックアップを提供することを目的とする。
本発明の第１の態様によるプラズモン評価方法は、励起光が照射されると発光するかまたはラマン散乱光を発生する光発生膜が金属構造体上に形成された試料の表面に第１照射光を照射して前記金属構造体の表面にプラズモンを励起するとともに、第２照射光を照射して前記光発生膜から光を発光させるかまたは前記ラマン散乱光を発生させ、かつ金属粒子が先端に設けられたプローブで前記試料の表面を走査するステップと、前記プローブで走査しながら前記光発生膜から出射した光を受光するステップと、受光した光の画像を取得するステップと、を備えていることを特徴とする。
また、本発明の第２の態様によるプラズモン評価方法は、金属構造体からなる試料の表面にプラズモンを励起する第１照射光を照射するとともに、第２の照射光が照射されると発光するかまたはラマン散乱光を発生する光発生膜によって覆われた金属粒子が先端に設けられたプローブで前記試料の表面を走査しかつ前記第２照射光を前記試料の表面に照射するステップと、前記プローブで走査しながら前記光発生膜から出射した光を受光するステップと、受光した光の画像を取得するステップと、を備えていることを特徴とする。
また、本発明の第３の態様によるプラズモン評価方法は、励起光が照射されると発光するかまたはラマン散乱光を発するとともにプラズモンが励起される金属構造体を含む試料に前記光を照射するとともに金属粒子が先端に設けられたプローブで前記試料の表面を走査するステップと、前記金属からの出射した光を受光するステップと、受光した前記光の画像を取得するステップと、を備えていることを特徴とする。
また、本発明の第４の態様によるプラズモン評価装置は、金属構造体の表面にプラズモンを励起する第１照射光を発生する第１照射光発生部と、第２照射光を発生する第２照射光発生部と、前記金属構造体上に、前記第２照射光が照射されると発光するかまたはラマン散乱光を発生する光発生膜が形成された試料の表面を走査し、金属粒子が先端に設けられたプローブと、前記第１および第２照射光を前記試料の表面に集光させるとともに前記光発生膜から出射された光を分光する光学系と、前記光学系を介して前記光発生膜から出射された光を受光する受光部と、受光した光を画像化する画像化装置と、を備えていることを特徴とする。
また、本発明の第５の態様によるプラズモン評価装置は、金属構造体からなる試料の表面にプラズモンを励起する第１照射光を発生する第１照射光発生部と、第２照射光を発生する第２照射光発生部と、前記第２照射光が照射されると発光するかまたはラマン散乱光を発生する光発生膜で覆われた金属粒子が先端に設けられたプローブと、前記第１および第２照射光を前記試料の表面に集光させるとともに前記光発生膜から出射された光を分光する光学系と、前記光学系を介して前記光発生膜から出射された光を受光する受光部と、受光した光を画像化する画像化装置と、を備えていることを特徴とする。
また、本発明の第６の態様によるプラズモン導波路システムは、プラズモン信号を導波するプラズモン導波路と、前記プラズモン導波路に近接して配置され、励起光が照射されると発光するかまたはラマン散乱光を発生する光発生膜と、前記光発生膜に対して前記プラズモン導波路と反対側に設けられ印加される電圧に応じて前記光発生膜側に金属相と絶縁相のいずれかが生じる半導体層と、前記半導体層に前記電圧を印加するための一対の電極と、前記励起光を発生する励起光発生部と、前記半導体層に対して前記光発生膜と反対側に設けられ、前記プラズモン信号を伝播光に変換して伝播する伝播光導波路と、を備えていることを特徴とする。
本発明の第７の態様によるプラズモン評価方法は、金属構造体からなる試料の裏面側からプラズモンを励起する励起光を、偏光子を介して前記試料に照射するステップと、前記試料の表面側に設けられたプローブを用いて前記試料の表面を所定のタッピング周波数でタッピングするステップと、前記励起光が照射されたときに前記試料から出射されるレイリー散乱光を、前記偏光子の偏光方向とクロスニコル配置である偏光方向を有する検光子を介して受光し電気信号に変換するステップと、前記電気信号を前記タッピング周波数に同期して増幅し、取り込むステップと、を備えていることを特徴とする。
また、本発明の第８の態様によるプラズモン評価装置は、金属構造体からなる試料にプラズモンを励起する励起光を出射する光源と、前記試料の裏面側に設けられ、前記光源からの励起光を偏光し、この偏光した励起光を前記試料の裏面から照射する偏光子と、前記試料の表面側に設けられ、前記試料の表面を所定のタッピング周波数でタッピングするプローブと、前記励起光が照射されたときに前記試料から出射されるレイリー散乱光を、前記偏光子の偏光方向とクロスニコル配置である偏光方向に偏光する検光子と、前記検光子によって偏光されたレイリー散乱光を受光し電気信号に変換する受光器と、前記電気信号を前記タッピング周波数に同期して増幅し、取り込む増幅器と、を備えていることを特徴とする。
また、本発明の第９の態様によるプラズモン評価方法は、金属構造体からなる試料にプラズモンを励起する励起光を偏光子によって偏光するステップと、前記偏光された励起光を偏光ビームスプリッタによって反射することにより前記試料に照射するステップと、前記試料の表面側に設けられたプローブを用いて前記試料の表面を所定のタッピング周波数でタッピングするステップと、前記励起光が照射されたときに前記試料から出射されるレイリー散乱光を、前記偏光ビームスプリッタによって偏光するステップと、前記偏光ビームスプリッタによって偏光されたレイリー散乱光を、前記偏光子の偏光方向とクロスニコル配置である偏光方向を有する検光子を介して受光し電気信号に変換するステップと、前記電気信号を前記タッピング周波数に同期して増幅し、取り込むステップと、を備えていることを特徴とする。
また、本発明の第９の態様によるプラズモン評価装置は、金属構造体からなる試料にプラズモンを励起する励起光を出射する光源と、前記光源からの励起光を偏光する偏光子と、
前記試料に表面側に設けられ、前記試料の表面を所定のタッピング周波数でタッピングするプローブと、前記偏光子によって偏光された励起光を反射することにより前記試料に照射するとともに、前記励起光が照射されたときに前記試料から出射されるレイリー散乱光を偏光する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタによって偏光されたレイリー散乱光を、前記偏光子の偏光方向とクロスニコル配置である偏光方向に偏光する検光子と、前記検光子によって偏光されたレイリー散乱光を受光し電気信号に変換する受光器と、前記電気信号を前記タッピング周波数に同期して増幅し、取り込む増幅器と、を備えていることを特徴とする。
前記試料に表面側に設けられ、前記試料の表面を所定のタッピング周波数でタッピングするプローブと、前記偏光子によって偏光された励起光を反射することにより前記試料に照射するとともに、前記励起光が照射されたときに前記試料から出射されるレイリー散乱光を偏光する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタによって偏光されたレイリー散乱光を、前記偏光子の偏光方向とクロスニコル配置である偏光方向に偏光する検光子と、前記検光子によって偏光されたレイリー散乱光を受光し電気信号に変換する受光器と、前記電気信号を前記タッピング周波数に同期して増幅し、取り込む増幅器と、を備えていることを特徴とする。
また、本発明の第１０の態様による光ピックアップは、光記録媒体の表面を所定のタッピング周波数でタッピングするプローブと、前記光記録媒体に照射される再生光を出射する再生光源と、前記再生光源からの再生光を偏光する偏光子と、前記偏光子によって偏光された再生光を同心円状のパターンに成形する第１空間フィルタと、前記第１空間フィルタによって成形された再生光を反射することにより前記光記録媒体に照射するとともに、前記再生光が照射されたときに前記光記録媒体から反射される再生光および前記光記録媒体から出射されるレイリー散乱光を偏光する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタと、前記光記録媒体との間に設けられた１／４波長板と、前記偏光ビームスプリッタによって偏光された再生光を通過させず、前記偏光ビームスプリッタによって偏光されたレイリー散乱光を通過させる第２空間フィルタと、前記第２空間フィルタを通過したレイリー散乱光を、前記偏光子の偏光方向とクロスニコル配置である偏光方向に偏光する検光子と、前記検光子によって偏光されたレイリー散乱光を受光し電気信号に変換する受光器と、前記電気信号を前記タッピング周波数に同期して増幅し、取り込む増幅器と、を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、金属ナノ構造体内において特定の波長で励起したプラズモンの密度分布を評価することのできるプラズモン評価方法および評価装置を提供することができる。
また、サブミクロンからナノメートルのオーダーの選択したプラズモン導波路のプラズモン導波信号を検出することのできるまたはこのプラズモン導波信号を伝播光導波路内への伝播光信号に変換することのできるプラズモン導波路システムを提供することができる。
また、レイリー散乱光を検出することが可能な光ピックアップを提供することができる。
まず、本発明の実施形態を説明する前に、本発明に至った経緯および本発明の原理を説明する。
プラズモンの密度分布を評価するためには、プラズモン密度に影響を与えられて変化する物性値およびサブミクロンの空間分解能を持つ物性測定方法が必要である。そこで、本発明者達は、プラズモン密度に影響を与えられて変化する物性値としては、ラマン散乱光強度、発光強度が有効であることを見出した。また、本発明者達は、サブミクロンの空間分解能を持つ物性測定方法としては、ナノメートルサイズの金属プローブによる増強効果を用いることが有効であることを見出した。これを以下に図１を参照して説明する。
まず、プラズモン密度に影響を与えられる物性値を得るために、金属ナノ構造体に有機あるいは無機のラマン散乱体、あるいは発光体を均一に塗布した。そして、この金属ナノ構造体に光を照射し、金属ナノ構造体内のプラズモン密度を反映したラマン散乱あるいは発光を生じさせた。ラマン散乱光あるいは発光光はプラズモンの状態を評価するモニター光である。このモニター光を、先端に金属ナノ粒子が設けられ金属ナノ構造体に近接して配置されたプローブで走査することにより、プラズモン密度を反映した画像を取得した。
上記画像を解析した結果、プローブ増強効果が出現しており、このプローブ増強効果には二つあることが分かった。一つはプラズモン密度が高くなっている部分の近傍ではラマン散乱体のラマン散乱光強度、あるいは発光体の発光光強度が増強されていた。この増強度は数倍〜１０６倍程度であった。また、プローブ先端に設けられたナノメートルサイズの金あるいは銀球（以下、金属ナノ粒子とも云う）の近傍でも、ラマン散乱体のラマン散乱光強度、あるいは発光体の発光光強度は増強されることが本発明者達によって見出された。これも増強度は数倍〜１０６倍程度であった。また、金属ナノ構造体と金属ナノ粒子に挟まれたことによる増強効果も起こっていることがわかった。
また、先端に金属球がなくとも、観測手段をレイリー散乱光とするとプラズモン評価におけるＳ／Ｎや空間分解能が高くなることが判明した。
以下に本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態によるプラズモン評価方法を図２乃至図５を参照して説明する。
本発明の第１実施形態によるプラズモン評価方法を図２乃至図５を参照して説明する。
まず図２に示すように、Ｉｎが一部析出したＩｎリッチのＩｎＧａＮ基板２に、例えば直径が１００ｎｍの銀または金からなる金属ナノ粒子１２が先端に設けられたプローブ１０を近づけ、ＩｎＧａＮ基板２に波長が５３２ｎｍの励起光３０を照射したプローブと基板との間は原子間力の働く距離に設定する。すると、ＩｎＧａＮ基板２から、波長が６００ｎｍ程度のフォトルミネセンス４０を観測した。ここで金属ナノ粒子１２のサイズが小さければ空間分解能は向上するが、増強空間が小さくなるため、Ｓ／Ｎ比は小さくなる。
また、逆に金属ナノ粒子１２のサイズが大きければＳ／Ｎ比は大きくなるが、空間分解能は悪化する。双方を鑑み、金属ナノ粒子１２の直径は５０ｎｍ〜２００ｎｍが利用しやすい範囲であった。ただし、空間分解能が必要なければ、金属ナノ粒子１２のサイズを大きくすればよく、上記範囲に限定する必要はない。
励起光３０の照射を、ＩｎＧａＮ基板２上を走査して、フォトルミネセンス４０の強度を観測し、解析を行った。この観測によるフォトルミネセンス強度の分布を図３に示す。
その解析の結果、ＩｎＧａＮ基板２中でＩｎが析出した部分に金属ナノ粒子１２が接近した時にフォトルミネセンス強度が増強されていることが判明した。この領域を原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）で調べた。ＡＦＭでの走査結果を図４に示す。図４からわかるように、特に隆起等は観測されない場所であった。これは励起光３０によって、ＩｎＧａＮ基板２において析出したＩｎのナノドット中にプラズモンが励起され、そのプラズモンの増強効果と、金属ナノ粒子１２を有するプローブ増強効果と、プラズモンのギャップモードが反映した結果であると考えられる。
本実施形態のプラズモン評価方法を実施するプラズモン評価装置を図５に示す。このプラズモン評価装置は、金属ナノ粒子１２が先端に設けられたプローブ１０と、励起光３０を発生する励起光発生装置６０と、励起光発生装置６０から発生された励起光を、試料２０（本実施形態ではＩｎＧａＮ基板２）に集光させ、試料２０から発生されるフォトルミネセンス４０を分光する光学系５０と、この光学系５０を介して得られるフォトルミネセンス４０を受光し、電気信号に変換する受光装置７０と、この受光装置７０の出力である電気信号を画像化する画像化装置８０とを備えている。
光学系５０は、励起光発生装置６０から発生された励起光３０を所望の波長の光のみを通過させるバンドパスフィルタ５２と、このバンドパスフィルタ５２を通過した光を反射し、フォトルミネセンス４０を通過させるビームスプリッタ５４と、ビームスプリッタ５４によって反射された励起光３０を試料２０に集光する対物レンズ５６と、対物レンズ５６およびビームスプリッタ５４を介して得られる試料２０からのフォトルミネセンス４０を、所望の周波数成分のみを通過させ、他の周波数成分を減衰させるノッチフィルタ５８と、を備えている。なお、本実施形態においては、対物レンズ５６によって集光される励起光の径は１μｍ程度であり、ノッチフィルタ５８を通過したフォトルミネセンス４０は６００ｎｍを含むある範囲の波長を有している。
受光装置７０は、ノッチフィルタ５８を通過したフォトルミネセンスのみを受光し、電気信号に変換する。この受光装置７０として、フォトダイオード、光電子増倍管等が用いられる。この受光装置７０の出力である電気信号は、画像化装置８０によって画像化され、例えば図３に示す画像が得られる。図３に示す画像は、フォトルミネセンス強度の分布を表しており、このフォトルミネセンス強度の分布は、析出したＩｎのナノドット中におけるプラズモン密度分布に反映したものとなる。
以上説明したように、本実施形態によれば、金属ナノ構造体内において特定の波長で励起したプラズモンの密度分布を評価することができる。
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態によるプラズモン評価方法を、図６を参照して説明する。
次に、本発明の第２実施形態によるプラズモン評価方法を、図６を参照して説明する。
本実施形態のプラズモン評価方法に用いられる試料２００としては、図６に示すように、例えば、横方向の長さが１０００ｎｍで縦方向の長さが４００ｎｍのＳｉ基板２０２上に膜厚が４０ｎｍのＡｕ膜２０４が形成され、このＡｕ膜２０４上に膜厚が１００ｎｍのＡｌｑ３(Tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum)膜（光発生膜）２０６が形成された構造を有している。なお、これらのＡｕ膜２０４およびＡｌｑ３膜２０６の形成は蒸着によって行う。
この試料２００上に、プラズモン定在波励起用の波長が８１０ｎｍでパワー密度が５００ｍＷ／ｃｍ２の励起光３２と、Ａｌｑ３励起用の波長が５３２ｎｍでパワー密度２０ｍＷ／ｃｍ２の励起光３４を照射した。励起光３２は、図示しない励起光発生装置から発生され、励起光３４は図示しない他の励起光発生装置から発生される。これらの励起光は図示しない光学系（例えば、図５に示す光学系５０）を介して、試料２００に照射される。
そして、上記励起光３２、３４を試料２００上に照射するとともに、直径が１００ｎｍの例えば銀からなる金属ナノ粒子１２が先端に設けられたプローブ１０を用いて試料２００の表面を走査した。プローブと基板との間は原子間力の働く距離に設定する。そして、この走査により得られる、試料２００から発生された波長が５００ｎｍ〜６００ｎｍのスペクトルを、図示しない光学系（例えば、図５に示す光学系５０）を介して、図示しない受光装置（例えば、図５に示す受光装置）により取得した。
本実施形態において、Ａｌｑ３膜２０６の励起光として用いた光の波長は５３２ｎｍであった。別途、ガラス基板上に蒸着したＡｌｑ３膜の膜厚を変化させたサンプルを作成し、これらのサンプルに波長が５３２ｎｍの光を照射し、Ａｌｑ３膜からの発光強度を測定した。その測定結果を図７に示す。図７からわかるように、Ａｌｑ３の膜厚が厚くなるにしたがって、測定された発光強度も増強した。このため、本実施形態において、受光装置によって測定されたフォトルミネセンスは、Ａｌｑ３からの発光と判断できた。観測された５８０ｎｍのフォトルミネセンス強度において、図示しない画像化装置（例えば、図５に示す画像化装置８０）によって得られた画像を解析した結果、プラズモンの定在波が観測された。また、５７４ｎｍのラマン散乱光強度でも同じ定在波形状が観測できた。これは、プラズモンの定在波を反映していると考えると理解できる。
Ａｌｑ３膜２０６の膜厚は４０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲でも効果を確認することができた。また、Ａｕ膜２０４の代わりに、Ａｌ、Ａｇ、Ｃｕのいずれかからなる金属膜を用いても同様の効果を確認できた。
また、Ｓｉ基板２０２の代わりに石英ガラス基板を用い、プラズモン励起光３４を下から照射した場合でも同様の結果を得た。
更にＡｌｑ３の代わりに、ＰＭＭＡ(polymethylmethacylate)乳酸エチル溶液をスピンコートし、ラマン散乱光の増強像を画像化しても同様の結果を得た。発光体の場合、プラズモン励起光の波長は発光体が励起されない波長の方が望ましいが、透明なラマン散乱体の場合、そのプラズモン励起波長の制限が無くなる。
また、金属ナノ粒子１２の直径が５０ｎｍ〜２００ｎｍであっても同じ効果を得ることができた。
以上説明したように、本実施形態によれば、金属ナノ構造体内において特定の波長で励起したプラズモンの密度分布を評価することができる。
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態によるプラズモン評価方法を、図８を参照して説明する。
次に、本発明の第３実施形態によるプラズモン評価方法を、図８を参照して説明する。
本実施形態のプラズモン評価方法に用いられる試料２００Ａとしては、図８に示すように、例えば、横方向の長さが１０００ｎｍで縦方向の長さが４００ｎｍのＳｉ基板２０２上に膜厚が４０ｎｍのＡｕ膜２０４が形成された構造を有している。一方、プローブ１０としては、プローブ１０の先端に設けられた例えば直径が８０ｎｍのＡｕからなる金属ナノ粒子１２の表面がＰＭＭＡの薄膜１４で覆われた構成を有している。このＰＭＭＡの薄膜１４は、プローブ１０の先端に設けられたＡｕからなる金属粒子１２を乳酸エチル中に溶かしたＰＭＭＡ溶液中に一度つけた後、乾燥することによって形成される。ＰＭＭＡの薄膜１４の膜厚はＳ／Ｎ比や空間分解能の見地から４０ｎｍ〜２００ｎｍ程度が望ましかった。
この試料２００上に、プラズモン定在波励起用の波長が８１０ｎｍでパワー密度が５００ｍＷ／ｃｍ２の励起光３２と、波長が５３２ｎｍでパワー密度２０ｍＷ／ｃｍ２の励起光３４を照射した。励起光３２は、図示しない励起光発生装置から発生され、励起光３４は図示しない他の励起光発生装置から発生される。これらの励起光は図示しない光学系（例えば、図５に示す光学系５０）を介して、試料２００に照射される。
そして、上記励起光３２、３４を試料２００上に照射するとともに、直径が１００ｎｍの例えば銀からなる金属ナノ粒子１２が先端に設けられたプローブ１０を試料２００の表面を走査した。プローブと基板との間は原子間力の働く距離に設定する。この走査により得られる、試料２００から発生された波長が５００ｎｍ〜６００ｎｍのスペクトルを、図示しない光学系（例えば、図５に示す光学系５０）を介して、図示しない受光装置（例えば、図５に示す受光装置）により取得した。
本実施形態において、約３０００ｃｍ−１のメチル基の伸縮振動のモードで画像を取得したところ、プラズモン定在波の像が取得できた。
Ｓｉ基板２０２の代わりにガラス基板を使用し、ガラス基板側からプラズモンを励起する光を照射しても同様の像を得ることができた。
また、金属ナノ粒子１２の直径が５０ｎｍ〜２００ｎｍであっても同じ効果を得ることができた。
以上説明したように、本実施形態によれば、金属ナノ構造体内において特定の波長で励起したプラズモンの密度分布を評価することができる。
（第４実施形態）
次に、本発明の第４実施形態によるプラズモン導波路システムを、図９を参照して説明する。
次に、本発明の第４実施形態によるプラズモン導波路システムを、図９を参照して説明する。
従来の技術では、例えば、数１００ｎｍ幅の複数のプラズモン導波路が接近して配置されている場合、プラズモン導波路からのプラズモン導波信号を選択して伝播光に変換させることは難しかった。しかし、本実施形態のプラズモン導波路システムはこのようなプラズモン導波路を選択し、光取り出しを可能にしたものである。
本実施形態のプラズモン導波路システムは、並列に配置された複数のプラズモン導波路１０２１〜１０２５と、接地される電極１０４と、励起光３２が照射されると発光する電気的絶縁材料（例えば、Ａｌｑ３）からなる光励起発光絶縁層１０６と、複数のプラズモン導波路１０２１〜１０２５に対応して設けられた複数のｎ型Ｓｉ層１０８１〜１０８５と、励起光３２を透過する電気的絶縁材料（例えば、ＳｉＯ２）からなる絶縁層１１０と、ｎ型Ｓｉ層１０８１〜１０８５に対応して設けられた複数の透明な電極材料（例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide））からなる電極１１２１〜１１２５と、伝播光導波路１２０と、を備えている。
プラズモン導波路１０２１〜１０２５のそれぞれの一端は、光励起発光絶縁層１０６の第１の面に接するように設けられている。そして、光励起発光絶縁層１０６の上記第１の面の、プラズモン導波路１０２１〜１０２５の一端が接する領域以外の領域に電極１０４が設けられている。各プラズモン導波路１０２ｉ（ｉ＝１，・・・，５）に対応するｎ型Ｓｉ層１０８ｉの一端が光励起発光絶縁層１０６を挟んで、プラズモン導波路１０２ｉの上記一端と対向し、かつ光励起発光絶縁層１０６の上記第１の面と反対側の第２の面に接するように設けられている。各ｎ型Ｓｉ層１０８ｉ（ｉ＝１，・・・，５）の他端は絶縁層１１０の第１の面に接するように設けられている。各電極１１２ｉ（ｉ＝１，・・・，５）は、対応するｎ型Ｓｉ層１０８ｉの他端と絶縁層１１０を挟んで対向し、かつ絶縁層１１０の上記第１の面と反対側の第２の面に接するように設けられている。したがって、電極１１２ｉ（ｉ＝１，・・・，５）と、アースされた電極１０４との間に電圧を印加すれば、この電圧から電極１１２ｉに対応するｎ型Ｓｉ層１０８ｉに光励起発光絶縁層１０６および絶縁層１１０に印加される分圧を引いた電圧が印加されることになる。なお、本実施形態においては、プラズモン導波路１０２１〜１０２５のそれぞれの一端は、光励起発光絶縁層１０６は接していたが、近接して配置されていてもよい。プローブと基板との間は原子間力の働く距離に設定する。
伝播光導波路１２０は、複数の電極１１２１〜１１２５に近接して設けられている。なお、伝播光導波路１２０と、透明電極１１２１〜１１２５との距離は信号光の収集効率を考えれば１００μｍ以下が望ましい。
プラズモン導波路１０２１〜１０２５の材料として、直径約１０ｎｍのＡｇナノ粒子をＳｎシード法によってＳｉＯ２中に析出させたものを用いた。リソグラフィーはＲＩＥで行った。体積的にプラズモンポラリトンを導波させる導波路ではこのような金属ナノ粒子が分散した構造が適している。この構造の代わりに、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、およびＡｌのいずれかからなる金属ナノ細線を用いてもよい。この場合、金属ナノ細線の表面でのみプラズモンポラリトンが導波するため効率は、上記構造に比べて劣ることになる。
このように構成された本実施形態のプラズモン導波路システムにおいては、電極１１２ｉ（ｉ＝１，・・・，５）と、アースされた電極１０４との間の電圧を変化させることによってｎ型Ｓｉ層１０８ｉ中のプラズモン導波路１０２ｉの末端側を絶縁相にしたり、金属相にしたりすることが可能とる。これはＭＯＳトランジスタのチャネル生成におけるＯＮ−ＯＦＦと同じ原理である。
そして、光励起発光絶縁層１０６を励起するための光３２を照射し、印加する電圧を調整することにより、ｎ型Ｓｉ層１０８ｉ中の光励起発光絶縁層１０６の側に金属相を生成すると、プローブ増強効果と同じ効果が得られ、プラズモン導波信号がある時と無い時でルミネセンス強度の変化に差がみられた。
したがって、例えば、図８に示すように、電極１１２３に印加する電位を負にし、他の電極１１２１、１１２２、１１２４、１１２５に印加する電位を正にして、光励起発光絶縁層１０６を励起するための光３２を照射すると、ｎ型Ｓｉ層１０８３のみに、光励起発光絶縁層１０６の側に金属相が生成され、このｎ型Ｓｉ層１０８３の近傍の光励起発光絶縁層１０６にプローブ増強効果と同じ効果が現れる。しかし、他のｎ型Ｓｉ層１０８１、１０８２、１０８４、１０８５の光励起発光絶縁層１０６の側は、絶縁相となっているので、この他のｎ型Ｓｉ層１０８１、１０８２、１０８４、１０８５の光励起発光絶縁層１０６には、プローブ増強効果と同じ効果は現れない。すなわち、この場合、プラズモン導波路１０２１、１０２２、１０２３、１０２４、１０２５にそれぞれ第１アドレス、第２アドレス、第３アドレス、第４アドレス、第５アドレスを割り当てると、第３アドレスのプラズモン導波路１０２３を伝播してきたプラズモン導波信号のみが選択されて、伝播光導波路１２０に伝播され、伝播光に変換されて伝播光導波路１２０を伝播する。
本実施形態のプラズモン導波路システムは、複数のサブミクロンメートルからナノメートルのオーダーのプラズモン導波路から、一つのプラズモン導波路を選択し、この選択したプラズモン導波路からプラズモン導波信号を取得し、伝播光に変換することができる。
（第５実施形態）
次に、本発明の第５実施形態によるプラズモン導波路システムを、図１０および図１１を参照して説明する。
次に、本発明の第５実施形態によるプラズモン導波路システムを、図１０および図１１を参照して説明する。
第４実施形態のプラズモン導波路システムにおいては、電極１０４、光励起発光絶縁層１０６、ｎ型Ｓｉ層１０８１〜１０８５、絶縁層１１０、および電極１１２１〜１１２５は、プラズモン導波路１０２１〜１０２５の一端側に、すなわち、プラズモン導波信号の伝播する方向に設けられていた。
これに対して図１０に示すように、本実施形態のプラズモン導波路システムにおいては、電極１０４、光励起発光絶縁層１０６、ｎ型Ｓｉ層１０８、絶縁層１１０、および電極１１２は、プラズモン導波路１０２上に設けた、すなわちプラズモン導波信号が伝播する方向と略直交する方向に設けた構成となっている。なお、図１０において、矢印１３０はプラズモン導波信号の伝播方向を示す。
本実施形態においては、プラズモン導波路１０２の外壁上に、光励起発光絶縁層１０６が設けられ、この光励起発光絶縁層１０６の側部を取り囲むように、アースされる電極１０４が設けられている。光励起発光絶縁層１０６上にｎ型Ｓｉ層１０８が設けられ、このｎ型Ｓｉ層１０８上に透明電極１１０が設けられた構成となっている。なお、本実施形態においては、プラズモン導波路１０２の外壁に光励起発光絶縁層１０６は接していたが、近接して配置されていてもよい。プローブと基板との間は原子間力の働く距離に設定する。
本実施形態において、電極１１０に印加する電圧を調整してｎ型Ｓｉ層１０８の光励起発光絶縁層１０６側を金属相にし、励起光３２を光励起発光絶縁層１０６に照射すると、図１１に示すように、プラズモン導波路１０２を伝播するプラズモン導波信号に同期した光励起発光絶縁層１０６からの発光が観測された。電圧差を変え、ｎ型Ｓｉ層１０８における金属相の位置を光励起発光絶縁層１０６から遠ざけた時は、ルミネセンス強度は小さくなり、観測感度以下まで減少した。
図１０に示すプラズモン導波路システムを、並列に配置された複数のプラズモン導波路を有するシステムに適用することができる。この場合も、第４実施形態と同様に、複数のプラズモン導波路から、一つのプラズモン導波路を選択し、この選択したプラズモン導波路からプラズモン導波信号を取得し、伝播光に変換することができる。
なお、光励起発光絶縁層１０６のフォトルミネセンス励起として、プラズモン導波路を伝播するプラズモン導波信号を用いることもできるが、その場合、プラズモン導波信号が減衰する。このため、プラズモン導波信号では、励起できない物質を、光励起発光絶縁層１０６に用いることが好ましい。
（実施例１）
次に、本発明の実施例１として、第１乃至第５実施形態に用いられる、Ａｌｑ３の膜厚の最適値を求める実験を行った。
次に、本発明の実施例１として、第１乃至第５実施形態に用いられる、Ａｌｑ３の膜厚の最適値を求める実験を行った。
まず、ガラス基板上にＡｕとＡｌｑ３をこの順序で塗布し、Ａｌｑ３の膜厚を４０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍと変えるとともにＡｕの膜厚を０ｎｍ、２０ｎｍ、４３ｎｍと変えたときの、発光強度の膜厚依存性を調べる実験を行った。この実験は、５３２ｎｍの光で励起し、５８０ｎｍのフォトルミネセンス強度を測定した。この測定結果を図１２に示す。
Ａｕの膜厚が４３ｎｍ、Ａｌｑ３が１００ｎｍ程度の場合、Ａｕがない場合の２０倍〜５０倍の発光強度の増加が得られた。
（実施例２）
本発明の実施例２として、図１３に示すように、６００本／ｍｍ（ピッチ１．６７μｍ）の回折格子および１８００本／ｍｍの回折格子（ピッチ０．５６μｍ）上にＡｕを４０ｎｍ、Ａｌｑ３を１００ｎｍ蒸着した試料を作成し、これらの試料について、顕微発光観測と、図５に示したプラズモン評価装置を用いて、ルミネセンス強度の観測を行った。６００本／ｍｍおよび１８００本／ｍｍの回折格子の顕微発光観測の結果を図１４（ａ）、（ｂ）に示し、ルミネセンス強度の観測を図１４（ｃ）、（ｄ），（ｅ）、（ｆ）に示す。
本発明の実施例２として、図１３に示すように、６００本／ｍｍ（ピッチ１．６７μｍ）の回折格子および１８００本／ｍｍの回折格子（ピッチ０．５６μｍ）上にＡｕを４０ｎｍ、Ａｌｑ３を１００ｎｍ蒸着した試料を作成し、これらの試料について、顕微発光観測と、図５に示したプラズモン評価装置を用いて、ルミネセンス強度の観測を行った。６００本／ｍｍおよび１８００本／ｍｍの回折格子の顕微発光観測の結果を図１４（ａ）、（ｂ）に示し、ルミネセンス強度の観測を図１４（ｃ）、（ｄ），（ｅ）、（ｆ）に示す。
図１４（ｃ）、（ｄ）は、６００本／ｍｍおよび１８００本／ｍｍの回折格子をプローブ（チップ）なしで、顕微鏡の対物レンズを通して観測した結果を示すマッピング像であり、図１４（ｅ）、（ｆ）は、６００本／ｍｍおよび１８００本／ｍｍの回折格子を試料と顕微鏡の対物レンズとの相対位置を変化させずにチップのみをスキャンした場合の観測結果を示すマッピング像である。
図１４（ｅ）に示すように顕微発光では６００本／ｍｍの回折格子では表面増強発光効果が見られた。しかしながら、顕微発光の分解能は光の回折限界である約１μｍであるため、１８００本／ｍｍの回折格子の増強発光効果は観察できなかった（図１４（ｆ））。
この状態でルミネセンス強度の画像の観測を行ったところ、空間分解能が金属ナノ粒子１２の先端径である約１５０ｎｍに向上し、Ｓ／Ｎ比も向上した構造が観測された。これはＦＤＴＤシミュレーションで計算した回折格子上のプラズモン分布と一致した。
顕微発光による観察は表面増強効果（プラズモン密度による増強効果）を観測していることになる。６００本／ｍｍの回折格子では、高い空間分解能が必要ではないため、顕微装置でも観測できている。チップをスキャンして観測したマッピング像と比べても構造に違いはほとんどなく、Ｓ／Ｎが向上しているのみである。従って、チップが存在することによる影響は見られなかった。また、１８００本／ｍｍの回折格子では、顕微発光による観測では空間分解能が足りず構造が観測できないが、チップを用いることにより、空間分解能とＳ／Ｎが向上し、構造が観測できるようになった。また、チップを用いることによりＡＦＭのトポグラフィー像が同時に観測できるため、凹凸の構造とプラズモン密度が容易に対応づけられる。
（実施例３）
次に、本発明の実施例３として、プローブ（チップ）によって増強されたラマン散乱（以下、プローブ増強ラマン散乱（チップ増強ラマン散乱）ともいう）について説明する。
次に、本発明の実施例３として、プローブ（チップ）によって増強されたラマン散乱（以下、プローブ増強ラマン散乱（チップ増強ラマン散乱）ともいう）について説明する。
まず、Ｓｉ基板上に成長させた、直径が２００ｎｍで高さが４０ｎｍのＧｅ量子ドットに５３２ｎｍの励起光を入射し、Ｓｉのプローブ増強ラマン散乱光のスペクトルのマッピング測定を行った。観測したラマンモード（波数）はＧｅではなくＳｉ基板の５２０ｃｍ−１のラマンモードを用いて観測を行った。図１５（ａ）に、Ｇｅ量子ドットのＡＦＭ像を示す、図１５（ｂ）にチップ増強ラマン散乱像を示す。図１５（ａ）、１５（ｂ）からわかるように、増強したラマン強度のうち、Ｇｅ量子ドット上Ｓｉのラマン散乱の増強度が減少したイメージングが取得できた。
（第６実施形態）
次に、本発明の第６実施形態を説明する。上記第１乃至第５実施形態においては、プラズモンの評価に、試料に励起光を照射したときに出射される発光またはラマン散乱光を用いていた。本実施形態によるプラズモンの評価方法は、レイリー散乱光を用いたものである。
次に、本発明の第６実施形態を説明する。上記第１乃至第５実施形態においては、プラズモンの評価に、試料に励起光を照射したときに出射される発光またはラマン散乱光を用いていた。本実施形態によるプラズモンの評価方法は、レイリー散乱光を用いたものである。
まず、プラズモンの評価に、レイリー散乱光を用いる理由について説明する。
近接場分布が非開口型の近接場光学顕微鏡で観察できることをHwanらが報告している（Zee Hwan Kim and Stephen R. Leone, OPTICS EXPRESS 16, 1733 (2008)）。また、偏光変換するナノ構造近接場効果（例えば、特開２００７−２７２０１６号公報、特開２００７−２７２０１７号公報、特開２００７−２７２０１８号公報、および特開２００７−２７２０１９号公報参照）を評価するためには、入射光の偏光と偏光変換された出射光の偏光に依存する近接場ポテンシャルのみを抽出すると解析しやすい。
出射光には、レイリー散乱光、透過光、ラマン散乱光、ブリリアン散乱光、発光等々混ざっているが、ここで重要なことは、レイリー散乱光の情報である。レイリー散乱光は光の波長よりも小さいサイズの構造からの光の散乱である。見方を変えれば、ラマン散乱光はフォノンやボンドの振動エネルギー分だけ波長がシフトするが、レイリー散乱光はシフト量がないと考えることができる（図１６参照）。これは、波数ベクトルは保存せずエネルギーのみが保存した状態である。レイリー散乱光にはエネルギーのシフトが無いため、散乱強度は大きく、レイリー散乱光の測定時におけるＳ／Ｎ比は高くなる。Ｓ／Ｎ比が高くなれば、プラズモンの評価に用いるプローブの先端のサイズが小さくても評価することができるということになる。そして、金属ナノ構造体の表面の近接場ポテンシャルは表面プラズモンのポテンシャルであるので、プラズモン状態を評価する際に、プローブ増強ラマン散乱を用いる代わりにプローブ増強レイリー散乱を用いることが可能となる。
偏光変換するナノ構造近接場効果の評価、すなわち金属ナノ構造体における偏光変換に関するプラズモン状態を評価する場合に、第２乃至第５実施形態で説明した、プローブ増強ラマン散乱を用いることもできるが、プローブ増強レイリー散乱を用いたほうが、Ｓ／Ｎ比を高くすることができるという長所がある。このため、レイリー散乱光を測定することが、金属ナノ構造体における偏光変換に関するプラズモン状態を評価する上で重要となる。
しかし、レイリー散乱光の測定を妨げるものとして、透過光や反射光がある。反射光や透過光は偏光を保存するため、入射光を直線偏光とし、入射光の直線偏光と直交する偏光方向を有する検光子を受光器の前に配置することにより、反射光や透過光を受光器が受光しないようにすることができる。
また、レイリー散乱光は同心球状に放射されるのに対し、透過光や反射光は入射光の方向性に強く依存しているため、光学系を工夫し、透過光あるいは反射光が進まない方向に受光器を設けることが重要である。また、発光や、ラマン散乱光、ブリリアン散乱光を、受光器が受光しないためには、波長的に分離することが効果的であり、干渉フィルタや分光器等でレイリー散乱光の波長のみを透過させるような構成とする。ただし、増強効果としては、プローブの振動方向が有効となるため、振動方向に検光子の偏光方向を合わせる必要がある。
したがって、本実施形態の評価方法としては、図１７に示すように、図示しない光源から出射された励起光３４０は金属ナノ構造体３００に入射し、この励起光（入射光）３４０の偏光方向を、プローブ３１０の振動を偏光子３２０の入射面３２１に射影した方向に対して垂直にし、検光子３３０の偏光方向はプローブ３１０の振動を観測面３３２に射影した方向に対して平行とする。入射光３４０は、偏光子３２０を介して金属ナノ構造体３００の裏面に入射し、金属ナノ構造体３３０を透過した透過光３５０は所定の方向に伝播する。レイリー散乱光３６０は、同心球状に放射し、検光子３３０を介して受光器（図示せず）に送られる。また、図１８に示すように、プローブ３１０は圧電変換器（ＰＺＴ）３９５によって所定の周波数（タッピング周波数）で振動するように駆動される。なお、図１８においては、金属ナノ構造体３００からのレイリー散乱光３６０は、対物レンズ３７０を介して受光器３８０に送られ、電気信号に変換される。受光器３８０からの出力（電気信号）は、タッピング周波数と同期したロックインアンプ３９０で増幅して、その増幅された電気信号をプローブ３１０の位置と対応させて画像の取り込み（イメージング）を行う。イメージング中は、移動させるのはプローブ３１０または観測試料３００のみであり、光学系は動かさない。プローブ３１０が金属ナノ構造体３００に近づいた時には、プローブ３１０の先端のプラズモン増強効果により、プローブ近傍のレイリー散乱光３６０の強度が増強し、空間分解能が向上することとなる。なお、図１８においては、図１７に示した偏光子３２０および検光子３３０を図示していない。図１７に示す本実施形態においては、励起光を金属ナノ構造体３００の裏面側がら照射するので、金属ナノ構造体３００の厚みは、５ｎｍ〜５００ｎｍであることが好ましく、２０ｎｍ〜３００ｎｍであることが更に好ましい。
レイリー散乱光は強度が強いため、プローブ３１０のサイズが小さくてもＳ／Ｎが十分取れ、ＡＦＭ（原子力間顕微鏡）用の標準カンチレバータイプのプローブでも使用することができる。空間分解能はプローブの先端のサイズで決まり、プローブ増強ラマン散乱やプローブ増強発光では、Ｓ／Ｎ比の観点からプローブの先端に金属球が設けられ、この金属球のサイズは１００ｎｍ前後となるから、空間分解能は１００ｎｍ前後となる。しかし、プローブ増強レイリー散乱では、プローブの先端には金属球を設ける必要がなく、またＡＦＭ用のプローブが使用できるので、プローブの先端を３０ｎｍ〜４０ｎｍ程度とすることにより、３０ｎｍ〜４０ｎｍ程度の空間分解能が確保できる。例えば、図１７に示すように、偏光子３２０によって偏光された入射光３４０は金属ナノ構造体３００の表面に対して斜めから入射することになるので、偏光子３２０の偏光方向も金属ナノ構造体３００の表面に対して傾斜したものとなる。また、検光子３３０によって偏光されるレイリー散乱光３６０を受光する受光器の受光面が、金属ナノ構造体３００の表面に対して斜めに配置されているので、検光子３３０の偏光方向も金属ナノ構造体３００の表面に対して傾斜したものとなる。
次に、本実施形態の比較例として、図１９に示す光学系（プラズモン評価装置）を用いて、ナノサイズ（例えば高さが１００ｎｍ）の金ロッドからなる金属ナノ構造体３０２のレイリー散乱像およびＡＦＭ像を測定した。なお、図１９に示す光学系には、図示されていないが、図１８に示す、プローブ３１０、圧電変換器３９５、およびロックインアンプ３９０が設けられている。この光学系においては、光源４２０から出射された励起光（入射光）は偏光子３２０によって偏光された入射光３４０となり、その後、ハーフミラー３８５、対物レンズ３７０を介して金属ナノ構造体３０２に入射し、金属ナノ構造体３０２からのレイリー散乱光３６０は、対物レンズ３７０、ハーフミラー３８５、および図示しない検光子３３０を通って受光器３８０によって受光される。ＡＦＭ像およびレイリー散乱像の測定結果を図２０（ａ）、２０（ｂ）にそれぞれ示す。レイリー散乱像はＡＦＭ像とほぼ同じ形状、サイズを反映しており、空間分解能が高いことが分かる。
（第７実施形態）
次に、本発明の第７実施形態によるプラズモン評価方法について図２１を参照して説明する。本実施形態の評価方法は、第６実施形態において、偏光変換試料（金属ナノ構造体）として、例えば高さが６０ｎｍのワイヤーグリッド４００を用いたものであり、図２１に示す光学系（プラズモン評価装置）が用いられる。偏光子３２０に入射する励起光３４０は、光源４２０から出射される。偏光子３２０と検光子３３０の偏光方向をクロスニコル配置（偏光方向が直交する配置）にすると、光は透過しない。しかし、偏光子３２０と検光子３３０との間に、偏光板（例えば、ワイヤーグリッド４００）を斜めに配置すると光が透過する。これは、偏光子３２０と検光子３３０との間に配置した偏光板（例えば、ワイヤーグリッド４００）が偏光変換の機能を果たしていることになる。ただし、偏光板（例えば、ワイヤーグリッド４００）の偏光方向が偏光子３２０あるいは検光子３３０と同じ偏光方向となる配置では、その機能は無くなる。
次に、本発明の第７実施形態によるプラズモン評価方法について図２１を参照して説明する。本実施形態の評価方法は、第６実施形態において、偏光変換試料（金属ナノ構造体）として、例えば高さが６０ｎｍのワイヤーグリッド４００を用いたものであり、図２１に示す光学系（プラズモン評価装置）が用いられる。偏光子３２０に入射する励起光３４０は、光源４２０から出射される。偏光子３２０と検光子３３０の偏光方向をクロスニコル配置（偏光方向が直交する配置）にすると、光は透過しない。しかし、偏光子３２０と検光子３３０との間に、偏光板（例えば、ワイヤーグリッド４００）を斜めに配置すると光が透過する。これは、偏光子３２０と検光子３３０との間に配置した偏光板（例えば、ワイヤーグリッド４００）が偏光変換の機能を果たしていることになる。ただし、偏光板（例えば、ワイヤーグリッド４００）の偏光方向が偏光子３２０あるいは検光子３３０と同じ偏光方向となる配置では、その機能は無くなる。
そこで、図２１に示すような配置で、偏光板として、偏光機能を持つワイヤーグリッド４００を用い、評価を行った。ワイヤーグリッド４００の偏光方向が偏光子３２０の偏光方向と成す角度（ワイヤーグリッド角度ともいう）を、０°、４５°、９０°として測定を行った。ワイヤーグリッド角度が０°であることはワイヤーグリッド４００の偏光方向が偏光子３２０の偏光方向と同じであることを意味し、ワイヤーグリッド角度が９０°であることはワイヤーグリッド４００の偏光方向が検光子３３０の偏光方向と同じであることを意味する。その結果、図２２（ａ）、２２（ｃ）に示すように、ワイヤーグリッド角度０°と、ワイヤーグリッド角度９０°では信号が得られず、図２２（ｂ）に示すように、ワイヤーグリッド角度４５°の配置において斜めの筋を有する画像が得られた。この筋の画像は、表面プラズモンが発生し、その分布を表している。
（第８実施形態）
次に、本発明の第８実施形態のプラズモン評価方法について図２３を参照して説明する。
次に、本発明の第８実施形態のプラズモン評価方法について図２３を参照して説明する。
本実施形態のプラズモン評価方法は、図２３に示す光学系（プラズモン評価装置）を用いることにより行われる。図２３に示す光学系には、図１９に示す光学系において、ハーフミラー３６０を偏光ビームスプリッタ４３０に変えるとともに、受光器３８０の前段に検光子３３０を設けた構成となっている。なお、図２３に示す光学系には、図示されていないが、図１８に示す、プローブ３１０、圧電変換器３９５、およびロックインアンプ３９０が設けられている。光源４２０から出射された励起光は、偏光子３２０によって偏光された入射光３４０となり、偏光ビームスプリッタ４３０に送られる。この偏光ビームスプリッタ４３０は、偏光子３２０によって偏光された入射光３４０を反射して対物レンズ３７０を通して、ナノサイズの金ロッドからなる金属ナノ構造体（金ナノロッドともいう）３０２に入射する。そして、一部の光は反射され、金ナノロッド３０２で生じたレイリー散乱光は対物レンズ３７０を通って偏光ビームスプリッタ４３０に送られる。偏光ビームスプリッタ４３０によって偏光変換されたレイリー散乱光３６０のみが偏光ビームスプリッタ４３０を透過して検光子３３０を通って受光器３８０に送られて、受光される。一方偏光変換されないレイリー散乱光３６０ａは、偏光ビームスプリッタ４３０によって反射され、偏光子３２０に送られる。
図２３に示す本光学系を用いて、第７実施形態で説明したワイヤーグリッド４００を測定した結果、第７実施形態と同じ結果を得ることができた。
（実施例１）
次に、第８実施形態によるプラズモン評価方法の実施例１として、標準試料としてＳｉ基板上に作製した金ナノロッドを観測した。金ナノロッドのサイズは高さ１００ｎｍ、幅１００ｎｍ、長さ４００ｎｍである。ナノロッドの長軸を入射光方向に対して４５°に配置した。励起光の波長を５３２ｎｍとして、レイリー散乱光のイメージングを取得した。レイリー散乱光はタッピング周波数の高調波成分を含んでいて、その二倍波の周波数を、ロックインアンプに同期させて検出した。プローブは金をコートしたものを使用した。その検出結果を、図２４（ｂ）に示す。励起光の偏光方向を金ナノロッドの長軸と平行にした場合には、金ナノロッド内に周期的な線状の筋みが現われたが、金ナノロッドの長軸と垂直な方向に偏光にしたときは、線状の筋は現われなかった。この結果は、プローブのコート材質が銀であってもプラチナであっても変わらなかった。これは金ナノロッドの表面に表面プラズモンが発生した分布を表している。また、どちらの画像にもシリコン基板部に１μｍ間隔の模様が現われたが、これは、金ナノロッドの配置の周期性を反映した効果であると考えられる。また、同時に取得したＡＦＭ像を図２４（ａ）に示す。
次に、第８実施形態によるプラズモン評価方法の実施例１として、標準試料としてＳｉ基板上に作製した金ナノロッドを観測した。金ナノロッドのサイズは高さ１００ｎｍ、幅１００ｎｍ、長さ４００ｎｍである。ナノロッドの長軸を入射光方向に対して４５°に配置した。励起光の波長を５３２ｎｍとして、レイリー散乱光のイメージングを取得した。レイリー散乱光はタッピング周波数の高調波成分を含んでいて、その二倍波の周波数を、ロックインアンプに同期させて検出した。プローブは金をコートしたものを使用した。その検出結果を、図２４（ｂ）に示す。励起光の偏光方向を金ナノロッドの長軸と平行にした場合には、金ナノロッド内に周期的な線状の筋みが現われたが、金ナノロッドの長軸と垂直な方向に偏光にしたときは、線状の筋は現われなかった。この結果は、プローブのコート材質が銀であってもプラチナであっても変わらなかった。これは金ナノロッドの表面に表面プラズモンが発生した分布を表している。また、どちらの画像にもシリコン基板部に１μｍ間隔の模様が現われたが、これは、金ナノロッドの配置の周期性を反映した効果であると考えられる。また、同時に取得したＡＦＭ像を図２４（ａ）に示す。
次に、励起光の波長が４０５ｎｍとした場合の、レイリー散乱光による検出結果を図２５（ｂ）に示し、同時に取得したＡＦＭ像を図２５（ａ）に示す。励起光の波長が４０５ｎｍとした場合も、励起光の偏光方向を金ナノロッドの長軸と平行にした場合には、金ナノロッド内に周期的な線状の筋みが現われたが、金ナノロッドの長軸と垂直な方向に偏光にしたときは、線状の筋は現われなかった。
（実施例２）
次に、第８実施形態の実施例２として、図２６に示す、光記録媒体（光ディスク）の読み出し用ピックアップ光学系を作製した。このピックアップ光学系は、図２３に示す光学系において、偏光子３２０と偏光ビームスプリッタ４３０との間に空間フィルタとなるアパーチャ４５０を設け、偏光ビームスプリッタ４３０と検光子３３との間に空間フィルタとなるアパーチャ４７０を設け、偏光ビームスプリッタ４３０と対物レンズ３７０との間に１／４波長板４６０を設け、光源４２０として半導体レーザーを用い、受光器３８０としてフォトダイオードを用いた構成となっている。本実施例においても、光ディスク５００は、プローブ３１０によって所定のタッピング周波数でタッピングされる。
次に、第８実施形態の実施例２として、図２６に示す、光記録媒体（光ディスク）の読み出し用ピックアップ光学系を作製した。このピックアップ光学系は、図２３に示す光学系において、偏光子３２０と偏光ビームスプリッタ４３０との間に空間フィルタとなるアパーチャ４５０を設け、偏光ビームスプリッタ４３０と検光子３３との間に空間フィルタとなるアパーチャ４７０を設け、偏光ビームスプリッタ４３０と対物レンズ３７０との間に１／４波長板４６０を設け、光源４２０として半導体レーザーを用い、受光器３８０としてフォトダイオードを用いた構成となっている。本実施例においても、光ディスク５００は、プローブ３１０によって所定のタッピング周波数でタッピングされる。
再生光は、偏光子３２０によって偏光された後、同心円形状のアパーチャ４５０によってドーナツ状のパターンに成形される。この成形された再生光は、偏光ビームスプリッタ４３０によって反射されて、１／４波長板４６０、対物レンズ３７０を通って、光ディスク５００に入射する。すると、再生光は光ディスク５００によって反射されるとともに、レイリー散乱光が光ディスク５００から出射される。この反射された再生光と、レイリー散乱光は、対物レンズ３７０によって集光され、１／４波長板４６０を通って偏光ビームスプリッタ４３０に送られ、偏光ビームスプリッタ４３０によって偏光変換される。この偏光変換された再生光あるいは記録光は、ドーナツ形状のアパーチャ４７０によって遮断されるが、レイリー散乱光３６０のみがアパーチャ４７０を通過する。アパーチャ４７０を通過したレイリー散乱光３６０は、検光子３３０によって偏光され、受光器であるフォトダイオード３８０に入射する。そして、受光器３８０の出力は、図示しないロックインアンプによって、タッピング周波数に同期して増幅され、検出される。
再生光の波長は６５０ｎｍ、記録膜の材料はＧｅＳｂＴｅ（膜厚３０ｎｍ）を用いた。記録光のパワーは約４ｍＷ、再生光のパワーは０．５ｍＷとした。光記録媒体（光ディスク）５００の膜構成は、ＧｅＳｂＴｅ（膜厚３０ｎｍ）／金（膜厚５０ｎｍ）／ポリカーボネート基板（厚み１．２ｍｍ）とした。タッピング周波数は小型のＡＦＭカンチレバーを用いて２００ｋＨｚのものを使用した。
この光学系によって、光ディスク５００に記録、再生した結果を図２７に示す。図２７には、受光器３８０であるフォトダイオードの検出信号の強度と、光ディスク５００の対応する記録マーク５１０を示している。なお、記録マーク５１０はアモルファス状態であり、記録マーク以外の領域は結晶状態となっている。記録マーク５１０の長さが５０ｎｍまで、読み取りの判別ができた。
２ ＩｎＧａＮ基板
１０ プローブ
１２ 金属ナノ粒子
１４ ＰＭＭＡの薄膜
２０ 試料
３０ 励起光
３２ 励起光
３４ 励起光
４０ フォトルミネセンス
５０ 光学系
５２ バンドパスフィルタ
５４ ビームスプリッタ
５６ 対物レンズ
５８ ノッチフィルタ
６０ 励起光発生装置
７０ 受光装置
８０ 画像化装置
１０２ プラズモン導波路
１０２ｉ（ｉ＝１，・・・，５） プラズモン導波路
１０４ 電極
１０６ 光励起発光絶縁層
１０８ ｎ型Ｓｉ層
１０８ｉ（ｉ＝１，・・・，５） ｎ型Ｓｉ層
１１０ 絶縁層
１１２ 電極
１１２ｉ（ｉ＝１，・・・，５） 電極
１２０ 伝播光導波路
２００ 試料
２０２ Ｓｉ基板
２０２ Ａｕ層
２０４ Ａｌｑ３層
１０ プローブ
１２ 金属ナノ粒子
１４ ＰＭＭＡの薄膜
２０ 試料
３０ 励起光
３２ 励起光
３４ 励起光
４０ フォトルミネセンス
５０ 光学系
５２ バンドパスフィルタ
５４ ビームスプリッタ
５６ 対物レンズ
５８ ノッチフィルタ
６０ 励起光発生装置
７０ 受光装置
８０ 画像化装置
１０２ プラズモン導波路
１０２ｉ（ｉ＝１，・・・，５） プラズモン導波路
１０４ 電極
１０６ 光励起発光絶縁層
１０８ ｎ型Ｓｉ層
１０８ｉ（ｉ＝１，・・・，５） ｎ型Ｓｉ層
１１０ 絶縁層
１１２ 電極
１１２ｉ（ｉ＝１，・・・，５） 電極
１２０ 伝播光導波路
２００ 試料
２０２ Ｓｉ基板
２０２ Ａｕ層
２０４ Ａｌｑ３層
Claims (7)
- 励起光が照射されると発光するかまたはラマン散乱光を発生する光発生膜が金属構造体上に形成された試料の表面に第１照射光を照射して前記金属構造体の表面にプラズモンを励起するとともに、第２照射光を照射して前記光発生膜から光を発光させるかまたは前記ラマン散乱光を発生させ、かつ金属粒子が先端に設けられたプローブで前記試料の表面を走査するステップと、
前記プローブで走査しながら前記光発生膜から出射した光を受光するステップと、
受光した光の画像を取得するステップと、
を備えているプラズモン評価方法。 - 金属構造体からなる試料の表面にプラズモンを励起する第１照射光を照射するとともに、第２の照射光が照射されると発光するかまたはラマン散乱光を発生する光発生膜によって覆われた金属粒子が先端に設けられたプローブで前記試料の表面を走査しかつ前記第２照射光を前記試料の表面に照射するステップと、
前記プローブで走査しながら前記光発生膜から出射した光を受光するステップと、
受光した光の画像を取得するステップと、
を備えているプラズモン評価方法。 - 励起光が照射されると発光するかまたはラマン散乱光を発するとともにプラズモンが励起される金属構造体を含む試料に前記光を照射するとともに金属粒子が先端に設けられたプローブで前記試料の表面を走査するステップと、
前記金属からの出射した光を受光するステップと、
受光した前記光の画像を取得するステップと、
を備えているプラズモン評価方法。 - 前記プローブの前記金属粒子の粒径が５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲である請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズモン評価方法。
- 金属構造体の表面にプラズモンを励起する第１照射光を発生する第１照射光発生部と、
第２照射光を発生する第２照射光発生部と、
前記金属構造体上に、前記第２照射光が照射されると発光するかまたはラマン散乱光を発生する光発生膜が形成された試料の表面を走査し、金属粒子が先端に設けられたプローブと、
前記第１および第２照射光を前記試料の表面に集光させるとともに前記光発生膜から出射された光を分光する光学系と、
前記光学系を介して前記光発生膜から出射された光を受光する受光部と、
受光した光を画像化する画像化装置と、
を備えているプラズモン評価装置。 - 金属構造体からなる試料の表面にプラズモンを励起する第１照射光を発生する第１照射光発生部と、
第２照射光を発生する第２照射光発生部と、
前記第２照射光が照射されると発光するかまたはラマン散乱光を発生する光発生膜で覆われた金属粒子が先端に設けられたプローブと、
前記第１および第２照射光を前記試料の表面に集光させるとともに前記光発生膜から出射された光を分光する光学系と、
前記光学系を介して前記光発生膜から出射された光を受光する受光部と、
受光した光を画像化する画像化装置と、
を備えているプラズモン評価装置。 - 前記プローブの金属粒子の粒径が５０ｎｍ〜２００ｎｍの範囲である請求項５または６に記載のプラズモン評価装置。
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