JPWO2012102350A1 - 表面プラズモンセンサ、及び屈折率の測定方法 - Google Patents
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Abstract
Description
上述したように吸収角θspは、反射率ρが急激に減少する角度であるため、吸収角θspを測定するには最小点検出を行わなければならず、測定が複雑であるという問題があった。
本発明の第1実施形態に係る表面プラズモンセンサ1を説明する。図1は、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ1の概略を示す図である。
図1の表面プラズモンセンサ1は、周期構造を有する金属層10を備える反射板11と、反射板11上に入射光を照射する光源12と、反射板で反射した反射光を受光する受光部13と、反射光の楕円率の変動から反射板11上に配置された試料の屈折率nを測定する計測部14と、を備える。
反射板11は、例えばシリコン等の基板15と、基板15上に積層された例えばアルミニウム等の金属層10と、を有する。
反射板11の上には屈折率nの測定対象となる試料16や、試料16の屈折率n測定の基準となる基準物質等が配置される。
図4を用いて、受光部13が受光する反射光について説明する。図4(a)に示すように、反射光には入射面S1に対して平行なp波成分と、垂直なs波成分とに分けられる。光を進行方向から見るとp波とs波との位相差δに応じて、光の電界ベクトルは、図4(b)のように楕円状に旋回しているように見える。このとき長軸の長さをa、短軸の長さをbとすると楕円率tanχは、tanχ=b/aで求められる。また、光の電界ベクトルが成す楕円の長軸がx方向に対して成す角を楕円の傾き角ψと呼ぶことにする。
受光部13は、入射光が試料16を介して反射板11で反射した光(反射光)を受光する(S103)。
光源12は照射する入射光の入射角θを変更し、θ+Δθとする(S105)。
のシミュレーション結果を示す。ここでは、試料16として空気を用い、反射板11としてホログラフィックアルミ格子を用いている。格子の溝の深さをH=72nm、格子の周期dを、d=556nm、方位角φをφ=30°、波長λをλ=670nmとし、入射角
θを10°<θ<15°の範囲で変化させた。
ρsを示している。実線で示すグラフは、p波及びs波の反射率ρs、ρpを合わせた反射光の反射率ρを示している。
「1.0003」、破線が「1.0004」の入射角特性を示している。
次に、反射板11に屈折率nを測定したい試料16を配置し、基準物質と同様の手順に従って楕円率tanχがゼロとなる吸収角θ’0を測定する。
測定した吸収角の差Δθ0(=θ’0−θ0)から基準物質の屈折率nsと、試料16の屈折率nの差Δn(=n−ns)を測定する。
本発明の第2実施形態に係る表面プラズモンセンサ2を説明する。図13は表面プラズモンセンサ2の概略を示す図である。本実施形態に係る表面プラズモンセンサ2は反射板21の金属層20が図2(c)に示す一次元薄膜周期構造を有している点及び基板25側から入射光を入射している点で図1の表面プラズモンセンサ1と異なる。
本発明の第3実施形態に係る表面プラズモンセンサ3を説明する。図14は、表面プラズモンセンサ3の概略を示す図である。本実施形態に係る表面プラズモンセンサ3は、入射角θ及び波長λを一定とし、反射板31の方位角φを変動させながら楕円率tanχの変動を測定する点で図1の表面プラズモンセンサ1と異なる。
計測部34は、受光部13が受光した反射光の楕円率の変動を測定する。計測部34は、測定した楕円率がゼロとなる方位角φ0(以下、吸収方位角φ0と称する。)を測定する。計測部34は、反射板11上に基準物質が配置された場合の吸収方位角φ0と、試料16が配置された場合の吸収方位角φ’0との差Δφ0(=φ’0−φ0)から試料16と基準物質との屈折率の差Δnを測定する。
そのほかの構成は図1に示す表面プラズモンセンサ1と同様であるため説明を省略する。
、「1.0001」である試料16における反射光の楕円率tanχの方位角特性を示す。実線が屈折率「1.0001」、破線が「1.0003」、一点鎖線が「1.00039」の方位角特性を示している。なお、図16では、入射角θをθ=11.3°とし、波長
λをλ=670nmとした場合の空気の楕円率tanχの変動を計測したシミュレーション結果を示している。
次に、反射板31に屈折率nを測定したい試料16を配置し、基準物質と同様の手順に従って楕円率tanχがゼロとなる吸収方位角φ’0を測定する。
測定した吸収方位角の差Δφ0(=φ’0−φ0)から基準物質の屈折率nsと、試料16の屈折率nの差Δn(=n−ns)を測定する。
本発明の第4実施形態に係る表面プラズモンセンサ4を説明する。図17は、表面プラズモンセンサ4の概略を示す図である。本実施形態に係る表面プラズモンセンサ4は、入射角θ及び方位角φを一定とし、入射光の波長λを変動させながら楕円率tanχの変動を測定する点で図1の表面プラズモンセンサ1と異なる。
そのほかの構成は図1に示す表面プラズモンセンサ1と同様であるため説明を省略する。
次に、反射板11に屈折率nを測定したい試料16を配置し、基準物質と同様の手順に従って楕円率tanχがゼロとなる吸収波長λ’0を測定する。
測定した吸収波長の差Δλ0(=λ’0−λ0)から基準物質の屈折率nsと、試料16の屈折率nの差Δn(=n−ns)を測定する。
図20を用いて第5実施形態に係る表面プラズモンセンサ5を説明する。本実施形態に係る表面プラズモンセンサ5は、計測部54が計測する楕円率tanχに基づいて光源52が照射する入射光の波長λを制御する制御部57を備える。
制御部57は、楕円率tanχがゼロでない場合(ステップS506のno)、波長λを変更しλ+Δλとなるよう制御信号を生成する(ステップS507)。制御部57は、制御信号を光源52に渡すとステップS102に戻る。一方、楕円率がゼロの場合(ステップS506のyes)、楕円率変動測定を終了する。
次に、反射板11に屈折率nを測定したい試料16を配置し、基準物質と同様の手順に従って楕円率tanχがゼロとなる吸収波長λ’0を測定する。吸収波長λ0、λ’0から第4実施形態と同様に試料16の屈折率nを測定する。
図22を用いて第6実施形態に係る表面プラズモンセンサ6を説明する。
本実施形態に係る表面プラズモンセンサ6は、計測部64での屈折率nの測定方法が第4実施形態に係る表面プラズモンセンサ5と異なる。それ以外の構成は同じであるため説明は省略する。
図24を用いて第7実施形態に係る表面プラズモンセンサ7を説明する。
本実施形態に係る表面プラズモンセンサ7は、反射板71を調整することで屈折率nの測定感度を向上させている点で表面プラズモンセンサ1と異なる。それ以外の構成は同じであるため説明を省略する。
本発明の第8実施形態に係る表面プラズモンセンサ8を説明する。図26は、表面プラズモンセンサ8の概略を示す図である。本実施形態に係る表面プラズモンセンサ8は、上述した楕円率tanχ算出の元となる位相情報に基づいて屈折率を測定する点で上述した各実施形態に係る表面プラズモンセンサと異なる。
スプリッタ87は、反射板11が反射する反射光の経路上に配置されており、反射光の光束を2つに分割し、一方の光束を受光部83aへ入射させ、他方の光束を受光部83bへ入射させる。
図27は、入射角θと楕円の傾き角ψの関係を示す図である。同図には、各入射角θにおける楕円の傾き角ψの変動をシミュレーションした結果を示してある。ここでは、反射板11としてホログラフィックアルミ格子を用いている。格子の溝の深さをH=72nm、格子の周期dをd=556nm、方位角φをφ=30°、波長λをλ=670nmとし、入射角θを3°<θ<15°の範囲で変化させた。同図に示すように、楕円の傾き角ψは吸収角θ0を中心とするピークを有している。
受光部83a,83bは、入射光が試料16を介して反射板11にて反射された反射光を受光する(S203)。
このようにして測定された反射光強度Iに基づいて、計測部84は、上述した校正データを参照しつつ反射光強度Iの校正データからの変動量ΔIを特定する。そして、計測部84は、変動量ΔIに基づいて基準物質の屈折率nsと試料16の屈折率の差Δn(=n−ns)を測定する。
本発明の第9実施形態に係る表面プラズモンセンサ9を説明する。図31は、表面プラズモンセンサ9の概略を示す図である。本実施形態に係る表面プラズモンセンサ9は、スプリッタを備えず、偏光板と受光部を1つずつ備える点で、上述した第8実施形態に係る表面プラズモンセンサ8と異なる。
、吸収角θspを測定するには最小点検出を行わなければならず、測定が複雑であるという問題があった。
[0006]
本発明は、上述の点を鑑みてなされたものであり、容易に屈折率を測定できる表面プラズモンセンサ、及び屈折率の測定方法を提供する。
課題を解決するための手段
[0007]
上記課題を解決するため、本発明に係る表面プラズモンセンサは、周期構造を有する金属層を備え、試料が配置された反射板と、前記反射板にコニカルマウントでp偏光又はs偏光の入射光を照射する光源と、前記反射板で反射した反射光を受光する受光部と、前記光源が前記反射板に照射する前記入射光の入射角と、前記入射光の入射面が前記周期構造の周期方向に対して成す方位角と、前記光源が入射する前記入射光の波長の何れか1つをパラメータとして変化させながら、前記反射光の楕円率がゼロになる前記パラメータに基づいて前記試料の屈折率を測定する計測部と、を備えることを特徴とする。
[0008]
また、本発明に係る屈折率の測定方法は、周期構造を有する金属層を備える反射板に配置された試料の屈折率を測定する表面プラズモンセンサを用いた屈折率の測定方法であって、光源から前記反射板にコニカルマウントでp偏光又はs偏光の入射光を照射するステップと、前記反射板で反射した反射光を受光部で受光するステップと、前記光源が前記反射板に照射する前記入射光の入射角と、前記入射光の入射面が前記周期構造の周期方向に対して成す方位角と、前記光源が入射する前記入射光の波長の何れか1つをパラメータとして変化させながら、前記反射光の楕円率がゼロになる前記パラメータに基づいて前記試料の屈折率を測定するステップと前記受光部で受光した反射光に含まれる偏光方向の異なる2種類の波の位相情報に基づいて前記試料の屈折率を測定するステップと、を備えることを特徴とする。
発明の効果
[0009]
本発明によれば、容易に屈折率を測定することができる。
図面の簡単な説明
[0010]
[図1]本発明の第1実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。
[図2]本発明の第1実施形態に係る金属層を示す図。
[図3]本発明の第1実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。
[図4]本発明の第1実施形態に係る反射光を説明する図。
[図5]本発明の第1実施形態に係る反射光を説明する図。
[図6]本発明の第1実施形態に係る反射板を示す図。
[図7]本発明の第1実施形態に係る楕円率の変動の測定方法を説明する図。
Claims (14)
- 周期構造を有する金属層を備え、試料が配置された反射板と、
前記反射板に入射光を照射する光源と、
前記反射板で反射した反射光を受光する受光部と、
前記試料を透過して反射した反射光に含まれる偏光方向の異なる2種類の波の位相差情報に基づいて前記試料の屈折率を測定する計測部と、を備えることを特徴とする表面プラズモンセンサ。 - 前記反射光に含まれる偏光方向の異なる2種類の波は、前記反射光に含まれるs波とp波であることを特徴とする請求項1に記載の表面プラズモンセンサ。
- 前記位相差情報は、前記反射光の楕円率の変動であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の表面プラズモンセンサ。
- 前記光源は、前記反射板に照射する入射角を変化させながら前記入射光を照射し、
前記計測部は、前記2種類の波の位相差がゼロになる前記入射角に基づいて前記試料の屈折率を測定することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の表面プラズモンセンサ。 - 前記反射板は、前記入射光の入射面が前記周期構造の周期方向に対する方位角を変化させながら前記入射光を反射し、
前記計測部は、前記2種類の波の位相差がゼロになる前記方位角に基づいて前記試料の屈折率を測定することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の表面プラズモンセンサ。 - 前記光源は、前記入射光の波長を変化させながら前記入射光を照射し、
前記計測部は、前記2種類の波の位相差がゼロになる前記波長に基づいて前記試料の屈折率を測定することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の表面プラズモンセンサ。 - 前記計測部が測定した前記2種類の波の位相差がゼロになるように前記周期構造の周期方向に対する方位角を変更するように前記反射板を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項又は請求項5に記載の表面プラズモンセンサ。
- 前記計測部が測定した前記2種類の波の位相差がゼロになるように前記入射角を変更するよう前記光源を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の表面プラズモンセンサ。
- 前記計測部が測定した前記2種類の波の位相差がゼロになるように前記波長を変更するよう前記光源を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項又は請求項6に記載の表面プラズモンセンサ。
- 前記光源は、屈折率測定の基準となる基準物質を反射板に配置したときの反射光に含まれる前記2種類の波の位相差がゼロとなる入射角及び波長を有する前記入射光を前記試料に照射し、
前記計測部は、前記反射光から得た位相情報に基づき前記試料の屈折率を測定することを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の表面プラズモンセンサ。 - 前記2種類の波の位相差がゼロとなる前後の前記楕円率の変動量が大きくなるように前記反射板の方位角及び格子の溝の深さを調整することを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の表面プラズモンセンサ。
- 入射面に対して前記反射光の平行な成分及び垂直な成分の位相差を略直角、前記反射光の反射率が前記平行な成分と前記垂直な成分とで略等しくなるように、前記反射板の方位角及び溝の形状を調整することを特徴とする請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の表面プラズモンセンサ。
- 前記光源は、前記反射板の前記金属層が設けられた面と対向する面から入射されるように前記入射光を照射し、
前記金属層は薄膜周期構造を有することを特徴とする請求項1乃至請求項12のいずれか1項に記載の表面プラズモンセンサ。 - 周期構造を有する金属層を備える反射板に配置された試料の屈折率を測定する表面プラズモンセンサを用いた屈折率の測定方法であって、
光源から前記反射板に入射光を照射するステップと、
前記試料を透過して前記反射板で反射した反射光を受光部で受光するステップと、
前記受光部で受光した反射光に含まれる偏光方向の異なる2種類の波の位相差情報に基づいて前記試料の屈折率を測定するステップと、を備えることを特徴とする屈折率の測定方法。
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