TWI506270B - 光裝置及分析裝置 - Google Patents

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Jun Amako
Kohei Yamada
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Description

光裝置及分析裝置
本發明係關於一種光元件及分析裝置等。
近年來，用於檢查醫療診斷或食品飲料等之感測器之需求增大，要求開發出高靈敏度且小型之感測器。為了順應此種要求，以電化學方法為代表對各種類型之感測器進行研究。該等感測器之中，由於可積體化、以及低成本、不選擇測定環境等原因，使用表面電漿共振之感測器受到較多的關注。
例如，專利文獻1中揭示有一種藉由金屬週期構造而使光耦合於表面電漿子極化聲子之表面電漿共振感測器。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2007-240361號公報
然而，該感測器中，表面電漿子之共振條件對光之入射角度之選擇性較大，因此僅特定之入射角之光耦合於表面電漿子極化聲子。因此，存在如下問題：僅由物鏡聚光之光之一部分耦合於表面電漿子極化聲子，無法獲得充分之感測靈敏度。
根據本發明之幾個態樣，可提供一種可提高光與表面電漿子極化聲子之耦合效率之光元件。
本發明之一態樣係關於一種光元件，其包含沿著相對於假想平面平行之方向排列有導電體之突起的突起群，上述突起群中之上述突起之排列週期至少包含第1週期及與上述第1週期不同之第2週期，上述第1週期及上述第2週期為較入射光之波長λ1短之週期。
根據本發明之一態樣，導電體之突起群係沿著相對於假想平面平行之方向而排列。該突起群之排列週期中，至少包含較入射光之波長λ1短之第1週期及第2週期。藉此，可提高光與表面電漿子極化聲子之耦合效率等。
又，本發明之一態樣中，亦可為上述突起群包含以上述第1週期排列之第1突起群、及以上述第2週期排列之第2突起群，上述第1突起群設置於第1區域，上述第2突起群設置於與上述第1區域鄰接之第2區域。
又，本發明之一態樣中，亦可為上述突起群包含：第1突起群，其以自上述第1週期起階段性地增加或減少之第1可變週期排列；及第2突起群，其以自上述第2週期起階段性地增加或減少之第2可變週期排列；上述第1突起群設置於第1區域，上述第2突起群設置於與上述第1區域鄰接之第2區域。
又，本發明之一態樣中，亦可為自上述第1區域至上述第2區域，上述第1突起群及上述第2突起群之週期階段性地增加或減少。
根據該等本發明之一態樣，能以至少包含第1週期及與第1週期不同之第2週期之週期而排列突起群。
又，本發明之一態樣中，亦可為上述入射光包含：相對於朝向上述假想平面之垂線以第1角度入射之光；及相對於朝向上述假想平面之垂線以與上述第1角度不同之第2角度入射之光；以上述第1角度入射之光入射至以上述第1週期排列之突起，以上述第2角度入射之光入射至以上述第2週期排列之突起，並且上述突起群之材質、上述第1週期、上述第2週期、上述第1角度及上述第2角度可設定為使以上述第1週期排列之突起中之上述表面電漿共振之共振波長與以上述第2週期排列之突起中之上述表面電漿共振之共振波長成為上述波長λ1。
據此可使以第1週期排列之突起中之上述表面電漿共振之共振波長、與以第2週期排列之突起中之表面電漿共振之共振波長成為與入射光之波長λ1相同之波長。藉此，可將第1入射角度之入射光與第2入射角度之入射光耦合於表面電漿子極化聲子。
又，本發明之一態樣中，上述第1週期亦可為較上述第2週期更長之週期。
又，本發明之一態樣中，上述第1週期亦可為較上述第2週期短之週期。
根據該等本發明之一態樣，可設定第1週期與第2週期之大小關係。藉此，可調整表面電漿子極化聲子之傳播方向。
又，本發明之一態樣中，上述突起群亦可排列於相同之排列方向。
又，本發明之一態樣中，亦可為上述突起群排列成條紋狀，上述突起群之排列方向係遍及條紋狀排列之整體而為同一直線方向。
又，本發明之一態樣中，亦可為上述突起群排列成同心圓狀，上述突起群之排列方向為同心圓狀排列之徑向方向。
根據該等本發明之一態樣，可使突起群沿著與基材之表面平行之方向，排列於相同之排列方向。
又，本發明之一態樣中，上述突起群之排列方向亦可為與上述入射光之偏光方向相同之方向。
又，本發明之一態樣中，亦可為上述入射光為直線偏光，上述突起群之排列方向為與上述直線偏光之偏光方向相同之方向。
又，本發明之一態樣中，亦可為上述入射光為徑向偏光，上述突起群之排列方向為與上述徑向偏光之偏光方向相同之方向。
根據該等本發明之一態樣，可使突起群沿著與入射光之偏光方向相同之方向而排列。
又，本發明之一態樣中，亦可為於上述突起群之頂面包含藉由導電體而形成之第1小突起群，上述第1小突起群中之突起之間的間隔較上述突起群中之上述突起之排列週期短。
據此可於突起群之突起之頂面形成第1小突起群。藉此，可於第1小突起群激發局域型之表面電漿子。
又，本發明之一態樣中，亦可為，於與上述假想平面平行之面且係上述突起群之相鄰的突起之間，包含藉由導電體而形成之第2小突起群，上述第2小突起群中之突起之間的間隔較上述突起群中之上述突起之排列週期短。
據此可於突起群之相鄰之突起之間形成第2小突起群。藉此，可於第2小突起群激發局域型之表面電漿子。
又，本發明之其他態樣係關於一種分析裝置，其包含：光源；如上述任一項之光元件；第1光學系統，其將來自上述光源之上述波長λ1之光朝向上述突起群而聚光，使至少包含相對於朝向上述假想平面之垂線以第1角度入射之成分、及以與上述第1角度不同之第2角度入射之成分的入射光，朝向上述突起群入射；第2光學系統，其自藉由上述光元件之上述繞射光柵而散射或反射之光之中，取出拉曼散射光；及檢測器，其檢測經由上述第2光學系統而接收到之上述拉曼散射光。
以下，對本發明之較佳之實施形態進行詳細說明。再者，以下所說明之本實施形態並非對申請專利範圍所記載之本發明之內容進行不合理的限定，而且，並非本實施形態中所說明之所有構成皆必需作為本發明之解決手段。
1.比較例
如上所述，於使用有金屬週期構造之表面電漿共振感測器中，存在表面電漿共振對入射光之入射角選擇性較大之問題。關於此點，使用圖1(A)~圖4具體說明。
圖1(A)、圖1(B)表示本實施形態之感測器晶片(光元件)之比較例。圖1(A)係感測器晶片之俯視圖，圖1(B)係感測器晶片之剖面圖。如圖1(A)所示，於該感測器晶片SC中，形成有由一維之凹凸構成之金屬週期構造(陰影部分表示週期構造之突起部)。具體而言，如圖1(B)所示，於沿著感測器晶片SC之基材KB之平面之方向，以週期Pa排列有突起群TK。
該感測器晶片SC中，藉由金屬週期構造，使光向表面電漿子極化聲子(SPP，Surface Plasmon Polariton)耦合。該經激發之表面電漿子極化聲子於金屬週期構造之表面附近生成增強電場，該增強電場作用於附著於感測器表面之目標物，從而產生表面增強拉曼散射。繼而，藉由獲取該表面增強拉曼散射之散射光光譜，來進行目標物(特定物質)之檢知。
如圖2所示，將由物鏡LN聚光之雷射光LB作為入射光照射於感測器晶片SC。如此，由物鏡LN聚光時，光線以各種角度入射至雷射光LB之照射區域IA。例如，於光軸上光線以θa1=0°入射，於照射區域IA之外周上光線以θa2≠θa1入射。此時，上述感測器晶片SC中，因金屬週期構造之表面電漿共振(SPR，Surface Plasmon Resonance)之光入射角選擇性較大，故而僅具有特定之角度成分(例如θa1=0°)之光耦合於表面電漿子極化聲子。關於此點，利用圖3、圖4進行說明。
圖3係比較例中之表面電漿共振之示意性的說明圖。如圖3所示，波數為ka之光以θa1=0°、θa2>0°入射至週期為Pa之金屬光柵。如此，根據金屬光柵之繞射條件，對θa1=0°之入射光產生波數為2π/Pa之消散波(Evanescent Wave)，且對θa2>0°之入射光產生波數為2π/Pa±kax之消散波。此處，kax=ka‧sinθa2。
例如，使波數為2π/Pa之消散波耦合於表面電漿子極化聲子。如此，藉由θa1=0°之入射光激發波數為2π/Pa之表面電漿子(SP，Surface Plasmon)。另一方面，若為θa2>0°之入射光，則波數為2π/Pa±kax之消散波不與表面電漿子極化聲子耦合，表面電漿子未激發。
圖4表示比較例中之表面電漿子極化聲子之分散曲線。A1為分散曲線，A2為光線(light line)，A3為表示θa1=0°之情形時之繞射條件之直線，A4與A5為表示θa2>0°之情形時之繞射條件之直線。共振條件係藉由表示繞射條件之直線A3~A5與分散曲線A1之交點來表示。即，於θa1=0°之情形時，於頻率為ω0之入射光下共振，於θa2>0°之情形時，於頻率為ω1、ω2≠ω0之入射光下共振。因此，若雷射光LB為單一頻率ω0，則僅特定之入射角度θa1=0°之入射光與波數2π/Pa之表面電漿子極化聲子耦合。
如此，比較例之感測器晶片中，因僅以特定之角度(例如，垂直入射θa1=0°)入射之光耦合於表面電漿子極化聲子，故而，僅於感測器晶片之一部分產生表面電漿共振。因此導致光與表面電漿子極化聲子之耦合效率變得極低，從而，於以高靈敏度感測微弱之拉曼散射光之方面存在問題。
2.構成例
因此，本實施形態中，藉由對應於入射光之入射角度而形成週期不同之金屬光柵，來提高入射光與表面電漿子極化聲子之耦合效率，從而提高表面增強拉曼散射等之感測靈敏度。利用圖5(A)~圖7，對本實施形態之感測器晶片(光元件、金屬光柵)進行說明。再者，以下，為了使各構成要素為圖式上可識別之程度之尺寸，適當地使各構成要素之尺寸或比率與實際上之尺寸或比率不同。
因此，以下對將感測器晶片用於表面增強拉曼散射分光之情形進行說明，但本實施形態並不限定於此情形，可將感測器晶片之增強電場用於各種分光方法中。又，以下，以感測器晶片為由金屬形成之金屬光柵之情形為例進行說明，但本實施形態並不限定於此情形。即，感測器晶片可為藉由導電體形成之光柵，亦可為例如藉由半導體(例如多晶矽)形成之光柵。
圖5(A)係本實施形態之感測器晶片之構成例之俯視圖。該感測器晶片係用於利用表面電漿共振及表面增強拉曼散射來檢測目標物(目標物質、目標分子)者，且包含基材100(基板)、第1突起群110、第2突起群120。該感測器晶片係具有一維之週期構造之繞射光柵。
具體而言，基材100包含金屬(廣義上為導體)，形成為例如圓形或四邊形之平板狀。第1突起群110係形成於第1區域R1，且沿著與基材100之平面(廣義上為面)平行之第1方向D1、以週期P1配置。第2突起群120係形成於第2區域R2，且沿著方向D1、以與週期P1不同之週期P2(P1>P2、或P1<P2)配置。此處，所謂基材100之平面，係指與形成有突起群之側之基材100之表面130平行的面。例如，於俯視基材100時，第1突起群110與第2突起群120係形成為與正交於方向D1之第2方向D2平行之條紋狀。
圖5(B)係本實施形態之感測器晶片之構成例之剖面圖。該剖面圖之剖面係與基材100之平面垂直之面，且係與突起群110、120之排列方向D1平行之面。如圖5(B)所示，將基材100之平面之法線方向設為方向D3。
基材100係於玻璃基板140之上方形成有金屬薄膜150者。第1突起群110係藉由第1材質之金屬而形成，第2突起群120係藉由第2材質之金屬而形成。藉由該等金屬薄膜150、第1突起群110、第2突起群120而構成金屬光柵160。第1、第2材質之金屬係例如與金屬薄膜150相同之材質之金屬，可使用Ag(銀)或Au(金)、Pt(鉑)、Cu(銅)、Al(鋁)等，或者其等之合金。第1突起群110與第2突起群120之剖面形狀為自基材100之表面130起高度為H之凸形狀。凸形狀例如為矩形(包含大致矩形)，或者亦可為梯形、圓弧等。作為金屬光柵160之製造方法，可利用電子束微影法或奈米壓印法。
再者，上述構成例中，係以週期不同之2個金屬凹凸構造配置於分割成同心圓狀之區域R1、R2之情形為例進行了說明，但本實施形態中，並不限定於如圖5(A)所示般之區域R2包圍在區域R1之周圍之情形。例如，本實施形態中，亦可沿著方向D1配置有2個區域R2，於該2個區域R2之間配置有區域R1。
3.週期P1、P2之設定方法
其次，對本實施形態中之週期P1、P2之設定方法進行說明。首先，對本實施形態之感測器晶片之功能進行說明。圖6係P1>P2之情形時之表面電漿共振之示意性的說明圖。再者，以下以P1>P2之情形為例進行說明，但亦可如圖14等所示般為P1<P2。
如圖6所示，入射光之波數為ki，入射光以θ1=0°入射至週期P1之光柵，入射光以θ2>0°入射至週期P2之光柵。如此，根據金屬光柵之繞射條件，週期P1之光柵中產生波數為2π/P1之消散波，週期P2之光柵中產生波數為2π/P2±kix之消散波。此處，kix=ki‧sinθ2。又，所謂入射光之入射角度，係指基材平面之法線方向D3之相反方向(朝向基材平面之垂線)與入射光所成的角度。
本實施形態中，將週期P1、P2設定為滿足2π/P2-kix=2π/P1。又，將週期P1設定為，使波數2π/P1之消散波耦合於表面電漿子極化聲子。如此，入射角θ1、θ2之雙方之入射光與表面電漿子極化聲子耦合，由週期P1、P2之雙方之光柵激發波數2π/P1之表面電漿子。再者，如圖6所示，於較物鏡之焦點更物鏡側配置有感測器晶片(圖17所示之位置A)，當P1>P2之情形時，表面電漿子極化聲子耦合於感測器晶片之自內側起朝向外側之波數之消散波。因此，表面電漿子極化聲子自感測器晶片之內側朝向外側傳播。
如此，本實施形態之感測器晶片中，藉由形成於晶片表面之金屬凹凸構造使入射光耦合於表面電漿子極化聲子。而且，藉由該表面電漿子極化聲子，於金屬凹凸構造之表面附近產生較強之局部電場。感測器晶片內側之週期P1之金屬凹凸構造係使垂直及具有其附近之角度成分的光強力地耦合於表面電漿子極化聲子。另一方面，外側之週期P2之金屬凹凸構造係使具有傾斜的角度成分之光強力地耦合於表面電漿子極化聲子。如此，與上述比較例相比，可使更多之對金屬凹凸構造入射之光能量耦合於表面電漿子極化聲子。
其次，對週期P1、P2之設定方法進行說明。圖7表示本實施形態中之表面電漿子極化聲子之分散曲線。B1為分散曲線，B2為光線(light line)，B3為表示θ1=0°之情形時之繞射條件之直線，B4與B5為表示θ2>0°之情形時之繞射條件之直線。
首先，藉由嚴密耦合波解析(RCWA，Rigorous Coupled Wave Analysis)求出分散曲線B1(L. Li及C. W. Haggans,J. Opt. Soc. Am.,A10,1184-1189(1993))。分散曲線B1係金屬之種類或介質之種類或金屬光柵之剖面形狀所固有之曲線。其次，以直線B3經過入射光之頻率ω=ω0(角頻率)與分散曲線B1之交點B6之方式設定週期P1。藉此，藉由週期P1之光柵可對入射角度θ1之入射光產生表面電漿共振。其次，以直線B4(或直線B5)經過交點B6之方式設定週期P2。即，將週期P2設定為滿足2π/P2-kix=2π/P1(或2π/P2+kix=2π/P1)。藉此，藉由週期P2之光柵，可對入射角θ2之入射光產生表面電漿共振。如此，可使兩個金屬凹凸構造中具有相同之共振波長。
然而，如上所述，於使用有金屬週期構造之表面電漿共振感測器中，因表面電漿共振對入射光之入射角選擇性較大，故而存在僅由物鏡聚光之光之一部分與表面電漿子極化聲子耦合之問題。
此點，本實施形態之感測器晶片(光元件)中，將目標物配置於形成於基材100上之金屬光柵160，利用表面電漿共振及表面增強拉曼散射來檢測目標物。金屬光柵160(導電體光柵)具有藉由金屬(導電體)而形成之突起群110、120。該突起群110、120沿著與基材100之表面130(廣義上為假想平面)平行之方向(例如方向D1或徑向方向)，以較入射光之波長λ1短之週期排列。該突起群之週期至少包含第1週期P1及與第1週期P1不同之第2週期P2(P2≠P1)。
再者，上述內容中，係以感測器晶片包含金屬光柵160之情形為例進行了說明，但本實施形態並不限定於此，感測器晶片只要包含突起群110、120即可。即，金屬光柵160為由突起群110、120構成之週期構造之一例，但本實施形態中，感測器晶片未必形成為光柵。
此處，所謂至少包含週期P1、P2之突起群之週期，既可為僅包含週期P1、P2之週期，亦可為更包含與週期P1、P2不同之其他週期的週期。又，所謂假想平面，係指成為突起群110、120之排列方向或入射光之入射角度θ1、θ2等之基準的平面，例如為與基材100之平面(例如基材100之表面130)平行之面。
藉此，可提高入射光與表面電漿子極化聲子之耦合效率。即，如上所述，突起群之週期包含週期P1與P2，藉此，能以相同之共振波長λ1(頻率ω0)使不同之入射角度θ1、θ2之入射光與表面電漿子極化聲子耦合。
具體而言，本實施形態中，如圖5(A)等所示，金屬光柵160包含第1區域R1及與第1區域R1鄰接之第2區域R2。於第1區域R1中設置有以第1週期P1排列之第1突起群110，於第2區域R2中設置有以第2週期P2排列之第2突起群120。
如此，可於區域R1、R2以特定之週期P1、P2排列突起群。藉此，能以至少包含週期P1及與P1不同之週期P2之週期排列突起群。
又，本實施形態中，亦可於第1區域R1中設置以自第1週期P1起階段性地增加或減少之第1可變週期而排列之第1突起群，於第2區域R2中設置以自第2週期P2起階段性地增加或減少之第2可變週期而排列之第2突起群。例如，亦可自第1區域R1至第2區域R2，於區域之邊界使週期不急遽地變化(遵從與區域內相同之規則性)，第1突起群及第2突起群之週期階段性地增加或減少。
如此，可於區域R1、R2中以自週期P1、P2起階段性地變化之可變週期而排列突起群。藉此，能以至少包含週期P1及與P1不同之週期P2之週期而排列突起群。
此處，所謂週期階段性地增加或減少，係指週期每隔一個週期或每隔複數個週期而增加或減少。例如，增加為單調遞增，減少為單調遞減。更具體而言係指，當使可變週期設為Pj(j為自然數)，使對週期為Pj之突起之入射光的入射角度設為θj，且θ1=0°時，以滿足2π/Pj-ki‧sinθj=2π/P1(或2π/Pj+ki‧sinθj=2π/P1)之方式週期Pj增加或減少。
又，本實施形態中，如圖6等所示，入射光包含相對於朝向基材100之平面之垂線以第1角度θ1入射之光、及以與第1角度θ1不同之第2角度θ2入射之光。以第1角度θ1入射之光入射至第1突起群110(以第1週期P1排列之突起)，以第2角度θ2入射之光入射至第2突起群120(以第2週期P2排列之突起)。並且，如圖7等所示，以第1突起群110與第2突起群120中之表面電漿共振之共振頻率(共振波長)成為相同之頻率ω0(波長λ1)之方式，設定突起群之材質、週期P1及週期P2。
如此，能以使不同之入射角度θ1、θ2之入射光以相同之共振頻率ω0(共振波長λ1)耦合於表面電漿子極化聲子之方式來設定突起群之材質、週期P1及週期P2。
又，本實施形態中，如圖6等所示，第1週期P1為較第2週期P2更長之週期(P1>P2)。又，本實施形態中，如圖14等所示，第1週期P1亦可為較第2週期P2短之週期(P1<P2)。
如此，藉由調換感測器晶片之內側之週期P1與外側之週期P2之長短，可使表面電漿子極化聲子之傳播方向成為相反方向。例如，如圖9或圖11所示，於表面電漿子極化聲子自感測器晶片之內側向外側傳播之情形時，可獲得於感測器晶片整個面無偏離之增強電場。就稀薄之目標物而言，無法預測目標物之附著位置，但藉由無偏離之增強電場可進行不依靠附著位置之感測。再者，如圖17所示，亦可藉由改變感測器晶片之配置，而調換表面電漿子極化聲子之傳播方向。
又，本實施形態中，突起群排列於相同之排列方向。例如，如圖5(A)所示，突起群排列成條紋狀(直線之條紋狀)，其排列方向遍及條紋狀排列之整體為同一直線方向D1。或者，亦可如圖11所示，為突起群排列成同心圓狀，其排列方向為同心圓狀排列之徑向方向(半徑方向)。
如此，可沿著與基材100之表面平行之方向，以至少包含第1週期P1及與第1週期P1不同之第2週期P2(P2≠P1)之週期而排列突起群。再者，本實施形態中，金屬光柵160並不限定於一維週期構造，亦可為二維週期構造。
又，本實施形態中，突起群之排列方向係與入射光之偏光方向相同之方向。例如，如圖10所示，入射光為直線偏光，突起群之排列方向為與直線偏光之偏光方向相同之方向D1。或者，亦可如圖12所示，入射光為徑向偏光，突起群之排列方向為與徑向偏光之偏光方向相同之方向(同心圓之半徑方向)。
如此，可將突起群排列於與入射光之偏光方向相同之方向。藉此，藉由入射光而使自由電子電漿之壓縮波於沿著偏光方向之方向感應，可激發沿著突起群之排列方向傳播之表面電漿子。再者，本實施形態中，入射光只要包含與突起群之排列方向相同之偏光方向之直線偏光或徑向偏光即可。即，並不限定於僅自與突起群之排列方向相同之偏光方向而成之入射光，入射光只要包含與突起群之排列方向相同之偏光方向之成分，則亦可包含其他偏光方向之偏光。
又，本實施形態中，如圖15所示，於突起群(例如第1突起群110與第2突起群120)之頂面220，亦可包含藉由金屬形成之第1小突起群200。該第1小突起群係沿著與基材100之平面平行之方向(方向D1或徑向方向)，以較至少包含第1週期P1及第2週期P2之突起群之週期短的第1短週期PS1而排列。
又，本實施形態中，如圖15所示，於突起群之相鄰之突起之間的底面230(與假想平面平行之面且突起群110、120之相鄰之突起之間)，亦可包含藉由金屬形成之第2小突起群210。該第2小突起群210係沿著與基材100之平面平行之方向(方向D1或徑向方向)，以較至少包含第1週期P1及第2週期P2之突起群之週期短的第2短週期PS2而排列。
再者，上述內容中，係以第1小突起群200以第1短週期PS1排列、第2小突起群210以第2短週期PS2排列之情形為例進行了說明，但本實施形態並不限定於此。即，第1小突起群200或第2小突起群210未必要具有週期性，例如各個群中之突起之大小上亦可存在多少之分佈。
如此，藉由突起群110、120激發傳播型之表面電漿子，藉由該傳播型之表面電漿子於第1小突起群200或第2小突起群210激發局域型之表面電漿子。藉此，可更提高表面電漿共振之電場增強度。
4.詳細之構成例
利用圖8(A)~圖10對感測器晶片之詳細之構成例進行說明。
圖8(A)表示感測器晶片之對應於光入射角度之反射光強度之特性例。如圖8(B)所示，金屬凹凸構造之素材為Ag，剖面形狀為矩形，凹凸之高度為45 nm，激發波長為633 nm，偏光方向為與金屬凹凸構造之溝槽正交之方向。金屬凹凸構造之週期為590 nm、550 nm、500 nm、450 nm時，入射角度於0°~30°之範圍內變化。
如圖8(A)所示，可確認，當週期為590 nm時，在光入射角度為0°之條件下產生表面電漿共振。又，可確認，當週期為550 nm、500 nm、450 nm時，分別在光入射角度為5°、12°、20°之條件下產生表面電漿共振。
因此，圖5(A)所示之感測器晶片中，若設定為P1=590 nm、P2=500 nm，則可使具有大約±15度之入射角度寬之聚光光束耦合於表面電漿子極化聲子。其相當於使用NA=0.2(NA為數值孔徑)之透鏡形成聚光光束之情形。又，如圖9所示，亦可將金屬凹凸構造群之群數增加一個，將第3突起群170以週期P3排列之第3區域R3設置於第2區域R2之外側。而且，若設定為P1=590 nm、P2=500 nm、P3=450 nm，則可使具有大約±25度之入射角度寬之聚光光束耦合於表面電漿子極化聲子。其相當於使用NA=0.4之透鏡形成聚光光束之情形。如圖9之粗箭頭所示，於P1>P2>P3之情形時，表面電漿子極化聲子自內側之區域R1起朝向外側之區域R3沿著方向D1傳播。
再者，圖8(A)所示之角度特性中之共振峰值之寬度之寬窄係依賴於金屬凹凸構造之高度。存在如下傾向：當構造較淺之情形時，共振峰值變得尖且深，而當構造較深之情形時，共振峰值變得寬且淺。只有亦考慮到此點，決定所配置之金屬凹凸構造之個數(區域之個數、週期之變化幅度)即可。入射聚光光束之角度寬越寬(聚光光學系統之NA變得越大)，則構造之個數越增加。
圖10表示突起群排列成條紋狀之情形時之聚光光束之偏光方向的示例。如圖10所示，直線偏光之聚光光束LB入射至感測器晶片300。該直線偏光係於入射光束LB之入射區域IA之整個面向相同之偏光方向D1偏光。如圖9等所示，偏光方向D1為與突起群之排列方向D1相同之方向。如此，藉由於偏光方向振動之電場，使金屬光柵中之自由電子搖晃，於方向D1傳播之表面電漿子得以激發。
5.第2構成例
上述實施形態中，係對金屬凹凸構造排列成縱條紋狀之情形進行了說明，但本實施形態中，亦可使週期不同之金屬凹凸構造排列成同心圓狀。圖11表示此種感測器晶片之第2構成例。
該感測器晶片之金屬光柵包含沿著半徑方向Dr(徑向方向)排列成同心圓狀之第1突起群110、第2突起群120、第3突起群170。第1突起群110係以第1週期P1而排列於包含同心圓之中心點BP(基準點)之第1區域R1。第2突起群120係以第2週期P2而排列於區域R1之外側之第2區域R2。第3突起群170係以第3週期P3而排列於區域R2之外側之第3區域R3。該等突起群之各突起形成為以中心點BP為中心之圓形，且半徑方向Dr上之剖面形狀例如為矩形。再者，如圖11之粗箭頭所示，於P1>P2>P3之情形時，經激發之表面電漿子極化聲子自同心圓之中心點BP起朝向外側沿著方向Dr傳播。
其次，對該感測器晶片之功能進行說明。該感測器晶片係藉由形成於晶片表面之同心圓狀之金屬凹凸構造而使入射光耦合於表面電漿子極化聲子，藉由該表面電漿子極化聲子而使金屬凹凸構造之表面附近產生較強之局部電場。內側之區域R1之金屬凹凸構造係使垂直及具有其附近之角度成分之光強力耦合於表面電漿子極化聲子。另一方面，外側之區域R2、R3之金屬凹凸構造係使具有傾斜的角度成分之光強力耦合於表面電漿子極化聲子。如此，與上述比較例相比，可使更多對金屬凹凸構造入射之光能量耦合於表面電漿子極化聲子。又，藉由將突起群排列成同心圓狀，使得不依靠俯視時之旋轉方向(圖13所示之方向DΦ )而共振，因此可進一步提高感測靈敏度。
圖12中表示突起群排列成同心圓狀之情形時的聚光光束之偏光方向的示例。如圖12所示，徑向偏光之聚光光束LB入射至感測器晶片300。所謂徑向偏光，係指圍繞物鏡(第1光學系統)之光軸成對稱之偏光，於入射光束LB之入射區域IA中，向以同心圓之中心點BP為中心之半徑方向Dr偏光。偏光方向Dr係與突起群之排列方向Dr相同之方向。如此，藉由於偏光方向振動之電場使金屬光柵中之自由電子搖晃，於方向Dr傳播之表面電漿子得以激發。
6.變形例
上述實施形態中，對P1>P2>P3之情形進行了說明，但本實施形態中，如圖13所示，亦可為P1<P2<P3。於此情形時，如粗箭頭所示，表面電漿子極化聲子自同心圓之外側起朝向中心點BP沿著方向Dr傳播。
利用圖14對其傳播方向具體進行說明。圖14係P1<P2之情形時之表面電漿共振之示意性的說明圖。再者，以下為了簡化說明，僅對P1與P2進行說明。
如圖14所示，週期P1之光柵中產生波數為2π/P1之消散波，週期P2之光柵中產生波數為2π/P2±kix之消散波。當P1<P2之情形時，將週期P1、P2設定為滿足2π/P2+kix=2π/P1。如此，表面電漿子極化聲子耦合於自感測器晶片之外側起朝向內側之波數之消散波。因此，表面電漿子極化聲子自感測器晶片之外側朝向內側傳播。
7.第3構成例
上述實施形態中，藉由突起群激發傳播型之表面電漿子，但本實施形態中，繞射光柵亦可包含激發局域型之表面電漿子之其他突起群。圖15係該感測器晶片之第3構成例之剖面圖。
該感測器晶片包含基材100、第1突起群110、第2突起群120、第1小突起群200及第2小突起群210。再者，以下對與圖5(B)等所說明之構成要素相同的構成要素賦予相同之符號，適當省略說明。
如圖15所示，第1小突起群200係於第1突起群110與第2突起群120(以下稱為突起群)之頂面220、沿著突起群之排列方向D1(或方向Dr)週期性地排列。第2小突起群210係於突起群之突起之間的底面230、沿著突起群之排列方向D1(或方向Dr)週期性地配置。
更具體而言，第1小突起群200距頂面220之高度為H2，並且以較突起群之週期P1、P2短之第1短週期PS1排列。第2小突起群210距底面230之高度為H3，並且以較突起群之週期P1、P2短之第2短週期PS2排列。例如週期PS1或PS2較理想為設定為500 nm以下，高度H2或H3較理想為設定為200 nm以下。再者，高度H3既可為H3>H1，亦可為H3≦H1。
第1小突起群200與第2小突起群210(以下稱為小突起群)之各突起之剖面形狀係，於小突起群之排列方向D1上之剖面中，自頂面220與底面230起形成為凸形狀。該凸形狀係矩形或梯形、圓弧等。例如，如圖5(A)所示，當突起群形成為條紋狀之情形時，小突起群形成為與突起群平行之條紋狀。或者如圖11所示，於突起群形成為同心圓狀之情形時，小突起群形成為以突起群之中心點BP為中心之同心圓狀。該小突起群既可藉由與突起群相同之金屬形成，亦可藉由不同之金屬形成。
再者，上述內容中，使小突起群之排列方向與突起群之排列方向相同，但本實施形態中，小突起群之排列方向與突起群之排列方向亦可為不同方向。於此情形時，排列週期PS1或PS2成為方向D1上之排列週期。
其次，對該第3構成例之感測器晶片之表面增強拉曼散射進行說明。本實施形態中，使激發光聚光併入射至感測器晶片。如此，如上所述，藉由突起群而激發傳播型之表面電漿子。該表面電漿子沿著金屬光柵160之表面傳播，於小突起群激發局域型之表面電漿子。而且，該局域型之表面電漿子於小突起群之突起之間激發增強電場，並藉由該增強電場與目標物之相互作用而產生表面增強拉曼散射。此時，因小突起群之突起之間隔狹窄，故而，於突起之間激發較強之增強電場。因此，即便吸附於突起之間的目標物為一個~多個，亦可藉由該增強電場產生較強之表面增強拉曼散射。
8.分析裝置
圖16表示包含本實施形態之感測器晶片之分析裝置之構成例。該分析裝置(廣義上為分光裝置)包含：感測器晶片300(光元件)、雷射光源310(廣義上為光源)、準直透鏡320、偏光控制元件330、物鏡350(第1光學系統)、雙色鏡340、聚光透鏡360、標準具370(廣義上，340、360、370為第2光學系統)光檢測器380(檢測器)、搬送部420及支持部430。再者，本實施形態之分析裝置並不限定於圖16之構成，可進行如省略其構成要素之一部分(例如搬送部)、或追加其他構成要素等之各種變形實施。
雷射光源310出射激發表面電漿子之雷射光。雷射光之波長等於感測器晶片300之共振波長，例如為633 nm。自雷射光源310出射之雷射光藉由準直透鏡320而成為平行光，且藉由偏光控制元件330而成為直線偏光(或徑向偏光)。穿過偏光控制元件330之雷射光藉由雙色鏡340而導引至感測器晶片300之方向，由物鏡350聚光，入射至由支持部430支持之感測器晶片300。於感測器晶片300之表面形成有例如金屬光柵或檢測物質選擇機構。該金屬光柵之週期較雷射光之波長短。
圖16所示之箭頭表示目標物之搬送方向。目標物係藉由控制風扇(省略圖示)之驅動而自搬入口400導入至搬送部420之內部，且自排出口410排出至搬送部420之外部。此時，經過搬送部420之目標物之一部分附著於由支持部430支持之感測器晶片300，於感測器晶片300之表面配置有目標物(省略圖示)。
若雷射光入射至金屬光柵表面，則伴隨著雷射光之振動，自由電子共振，於金屬光柵表面之附近經由表面電漿子極化聲子而產生極強之增強電場。若例如一個~多個目標物質接近於該金屬光柵表面，則自該目標物質產生表面增強拉曼散射。來自感測器晶片300之瑞利散射光與拉曼散射光穿過物鏡350，藉由雙色鏡340導引至光檢測器380之方向。該散射光由聚光透鏡360聚光，穿過標準具370(分光器)，入射至光檢測器380。繼而，藉由標準具370自散射光使拉曼散射光分光，由光檢測器380接收該拉曼散射光。如此，散射光經光譜分解，從而可獲得目標物之光譜資訊。
根據以上分析裝置，具備具有週期不同之金屬微細構造之感測器晶片300，藉此，可有效地耦合具有角度寬之入射聚光光束與表面電漿子極化聲子。藉此，可實現高效率且高靈敏度之表面電漿共振感測器，且可由表面增強拉曼散射光譜檢測出目標物之有無。又，因係高靈敏度，故亦可準確地對低濃度之被測定物質進行定性或定量。又，本實施形態之感測器晶片為薄膜型，可配置於狹窄之場所，因此可使分析裝置小型化。
再者，本實施形態之分析裝置可廣泛地應用於毒品或爆炸物之檢知、醫療或健康診斷、食品檢查中所使用之感測裝置中。又，可用作如抗原抗體反應中之抗原之吸附的有無等般檢測有無物質之吸附的親和型感測器(affinity sensor)等。
9.感測器晶片之配置位置
上述分析裝置中，可使感測器晶片300為可裝卸式。於此情形時，為了將感測器晶片300之表面對準聚光光束之聚光面(偏離於焦點之位置)，必需有自動調焦等附加機構。
關於此方面，如圖17所示，藉由於聚光光束之焦點之上下任一方設置差量(offset)，則可無需於每次裝卸時進行將感測器晶片300對準聚光面之操作。具體而言，感測器晶片300配置於較焦點(聚光點)更靠近物鏡350側之位置A、或較焦點更靠近物鏡350之相反側之位置B之任一處。藉此，可簡化分析裝置之構成。
又，藉由調換感測器晶片300之配置於位置A與位置B，即便為相同之週期構造之感測器晶片300，亦可改變表面電漿子極化聲子之傳播方向。例如，如圖11所示，於P1>P2>P3之金屬凹凸構造之情形時，若放置於焦點之前方之位置A，則所激發之表面電漿子極化聲子自中心起朝向外側傳播。另一方面，若放置於焦點之後方之位置B，則所激發之表面電漿子極化聲子自外側起朝向中心傳播。
金屬奈米構造之感測應用中，未必必需使表面電漿子極化聲子向感測器晶片300之中心彙聚，僅提高中心處之局部電場之強度。僅中心之局部電場增強之原因在於，存在與感測器晶片300之靈敏度均一性或感測之再現性相反之情形。較理想為，根據將哪種物質以哪種方式檢測等感測之用途，考慮表面電漿子極化聲子之傳播方向來決定金屬凹凸構造之構成與配置位置。
此處，如圖17所示，包含與物鏡350之光軸一致之光線的聚光光束入射至感測器晶片300。而且，物鏡350與感測器晶片300係以物鏡350之光軸經過感測器晶片300之區域R1(圖11等所示之區域R1)之方式配置。然而，本實施形態並不限定於此情形，只要使入射角度具有寬度之聚光光束入射至感測器晶片300即可。
再者，如上所述，已對本實施形態詳細進行了說明，但業者應當容易理解，可在實質上不脫離本發明之新穎事項及效果的範圍內進行多種變形。因此，如此之變形例均包含於本發明之範圍中。例如，於說明書或圖式中，至少一次與更廣義或同義的不同之術語(目標物、入射光、繞射光柵、導體等)一同記載之術語(目標物質、聚光光束、金屬光柵、金屬等)可於說明書或圖式之任一處中替換為該不同之術語。又，光元件、分析裝置等之構成、動作亦不限定於本實施形態中所說明者，而可實施各種變形。
100．．．基材
110．．．第1突起群
120．．．第2突起群
130．．．基材之表面
140．．．玻璃基板
150．．．金屬薄膜
160．．．金屬光柵
170．．．第3突起群
200．．．第1小突起群
210．．．第2小突起群
220．．．突起群之頂面
230．．．突起群之突起之間的底面
300．．．感測器晶片
310．．．雷射光源
320．．．準直透鏡
330．．．偏光控制元件
340．．．雙色鏡
350．．．物鏡
360．．．聚光透鏡
370．．．標準具
380．．．光檢測器
400．．．搬入口
410．．．排出口
420．．．搬送部
430．．．支持部
A1、B1．．．分散曲線
A2、B2．．．光線(light line)
A3、B3．．．表示θa1=0°之情形時之繞射條件之直線
A4、A5、B4、B5．．．表示θa2>0°之情形時之繞射條件之直線
B6．．．交點
BP．．．中心點
DΦ ．．．方向
D1．．．第1方向
D2．．．第2方向
D3．．．法線方向
Dr．．．徑向方向
H1、H2、H3．．．高度
IA．．．入射區域
ka、ki．．．入射光之波數
KB．．．基材
LB．．．入射光束
LN．．．物鏡
P1．．．第1週期
P2．．．第2週期
P3．．．第3週期
Pa．．．週期
PS1．．．第1短週期
PS1．．．第2短週期
R1．．．第1區域
R2．．．第2區域
R3．．．第3區域
SC．．．感測器晶片
TK．．．突起群
θ1．．．第1角度
θ2．．．第2角度
θa1、θa2．．．角度
λ1．．．共振波長
ω0．．．共振頻率
圖1(A)、圖1(B)係感測器晶片之比較例。
圖2係有關入射光之入射角度之說明圖。
圖3係比較例中之表面電漿共振之示意性的說明圖。
圖4係比較例中之表面電漿子極化聲子之分散曲線。
圖5(A)係本實施形態之感測器晶片之構成例之俯視圖。
圖5(B)係本實施形態之感測器晶片之構成例之剖面圖。
圖6係P1>P2之情形時之表面電漿共振之示意性的說明圖。
圖7係表面電漿子極化聲子之分散曲線。
圖8(A)、圖8(B)係感測器晶片之對應於光入射角度之反射光強度的特性例。
圖9係感測器晶片之詳細之構成例。
圖10係將突起群排列成條紋狀之情形時之聚光光束之偏光方向的示例。
圖11係感測器晶片之第2構成例。
圖12係將突起群排列成同心圓狀之情形時之聚光光束之偏光方向的示例。
圖13係感測器晶片之變形例。
圖14係P1<P2之情形時之表面電漿共振之示意性的說明圖。
圖15係感測器晶片之第3構成例之剖面圖。
圖16係分析裝置之構成例。
圖17係有有關感測器晶片之配置位置之說明圖。
KB．．．基材
Pa．．．週期
SC．．．感測器晶片
TK．．．突起群

Claims (14)

  1. 一種光元件，其特徵在於：包含沿著相對於假想平面平行之方向排列有導電體之突起的突起群；上述突起群包括設置於第1區域且以第1週期排列之第1突起群、及設置於與上述第1區域鄰接之第2區域且以與上述第1週期不同之第2週期排列之第2突起群；上述第1週期及上述第2週期為較入射光之波長λ1短之週期；上述入射光包含：相對於朝向上述假想平面之垂線以第1角度入射之光，及相對於朝向上述假想平面之垂線以與上述第1角度不同之第2角度入射之光；以上述第1角度入射之光入射至以上述第1週期排列之突起，以上述第2角度入射之光入射至以上述第2週期排列之突起，上述突起群之材質、上述第1週期、上述第2週期、上述第1角度及上述第2角度係以上述第1週期排列之突起中之上述表面電漿共振之共振波長與以上述第2週期排列之突起中之上述表面電漿共振之共振波長成為上述波長λ 1之方式設定。
  2. 如請求項1之光元件，其中上述突起群包含： 第1突起群，其以自上述第1週期起階段性地增加或減少之第1可變週期排列；及第2突起群，其以自上述第2週期起階段性地增加或減少之第2可變週期排列；上述第1突起群設置於第1區域，上述第2突起群設置於與上述第1區域鄰接之第2區域。
  3. 如請求項2之光元件，其中自上述第1區域至上述第2區域，上述第1突起群及上述第2突起群之週期階段性地增加或減少。
  4. 如請求項1之光元件，其中上述第1週期為較上述第2週期長之週期。
  5. 如請求項1之光元件，其中上述第1週期為較上述第2週期短之週期。
  6. 如請求項1之光元件，其中上述突起群排列於相同之排列方向。
  7. 如請求項6之光元件，其中上述突起群排列成條紋狀，上述突起群之排列方向係遍及條紋狀排列之整體而為同一直線方向。
  8. 如請求項6之光元件，其中上述突起群排列成同心圓狀，上述突起群之排列方向為同心圓狀排列之徑向方向。
  9. 如請求項1之光元件，其中 上述突起群之排列方向為與上述入射光之偏光方向相同之方向。
  10. 如請求項9之光元件，其中上述入射光為直線偏光，上述突起群之排列方向係與上述直線偏光之偏光方向相同之方向。
  11. 如請求項9之光元件，其中上述入射光為徑向偏光，上述突起群之排列方向係與上述徑向偏光之偏光方向相同之方向。
  12. 如請求項1至11中任一項之光元件，其中於上述突起群之頂面，包含藉由導電體而形成之第1小突起群，上述第1小突起群中之突起之間的間隔較上述突起群中之上述突起之排列週期短。
  13. 如請求項12之光元件，其中在與上述假想平面平行之面上且於上述突起群之相鄰的突起之間，包含藉由導電體而形成之第2小突起群，上述第2小突起群中之突起之間的間隔較上述突起群中之上述突起之排列週期短。
  14. 一種分析裝置，其特徵在於包括：光源；如請求項1至11中任一項之光元件；第1光學系統，其將來自上述光源之上述波長λ1之光 朝向上述突起群而聚光，使至少包含相對於朝向上述假想平面之垂線以第1角度入射之成分、及以與上述第1角度不同之第2角度入射之成分的入射光，朝向上述突起群入射；第2光學系統，其自藉由上述光元件之上述繞射光柵而散射或反射之光之中，取出拉曼散射光；及檢測器，其檢測經由上述第2光學系統而接收到之上述拉曼散射光。
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