WO2004029595A1 - 表面プラズモン励起装置とそれを含む顕微鏡 - Google Patents

表面プラズモン励起装置とそれを含む顕微鏡 Download PDF

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surface plasmon
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metal thin
excitation device
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Tetsuo Saeki
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Sharp Kabushiki Kaisha
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons

Definitions

  • the present invention relates to an improvement in a device for surface excitation and a microscope including the surface plasmon excitation device.
  • FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a basic device for generating surface plasmon resonance.
  • This device includes a light source 101, light converging means 102 for converging light emitted from the light source, a triangular prism 103 formed of a transparent dielectric, and a triangular prism. It includes a metal thin film 104 formed on the surface, and a photodetector 105 for detecting light reflected by the metal thin film.
  • the p-polarized light emitted from the light source 101 is converged by the light converging means 102, passes through the triangular prism 103, and is condensed on the metal thin film 104 at an incident angle ⁇ Is done.
  • the p-polarized light means linearly polarized light in which the vibration direction of the electric vector of light incident on the surface of the object is included in a plane including the normal to the surface and the traveling direction of the light.
  • the light condensed on the metal thin film 104 has some light that satisfies the resonance conditions on the surface: It resonates to generate an evanescent field 106 enhanced on the free surface side of the metal thin film 104, and the other light is reflected and detected by the photodetector 105.
  • the graph shown in FIG. 7 is obtained.
  • the horizontal axis represents the light incident angle ⁇
  • the vertical axis represents the reflectance (%).
  • the amount of light received by the photodetector 105 is minimal at a specific angle of incidence ⁇ s, and at this angle of incidence, it can be seen that part of the convergent light resonates with the surface plasmon. .
  • FIG. 8 is a schematic sectional view of a basic microscope using surface plasmons.
  • a light source 201 a beam expander (lenses 202, 203) that expands the parallel light emitted from the light source, and a collimated light expanded by the beam expander
  • a light converging means 204 for converting light a prism 205 for coupling light, a metal thin film 206 formed on one surface of the prism 205, and a gap between the metal thin film and an immersion oil.
  • Pulse stage 210 is included.
  • the parallel light emitted from the light source 201 is expanded by the beam expanders 202 and 203, converted into convergent light by the light converging means 204, and transmitted through the prism 205 to the metal.
  • the light is focused on the thin film 206.
  • the light with a specific angle of incidence determined by the film thickness and refractive index of the metal thin film 206, the image layer 207, and the measurement sample 208 excites surface plasmons .
  • the light reflected by the metal thin film 206 without exciting the surface plasmon is observed by the photodetector 209. Coordinates whose amount of reflected light has decreased due to excitation of surface plasmons are detected on the photodetector 209, and the excitation angle of the surface plasmons is determined from the coordinates to obtain the refractive index of the sample 208. The change can be measured. Further, by running the measurement sample 208 using the XY pulse stage 210, it becomes possible to measure the two-dimensional refractive index distribution of the sample.
  • the device of FIG. 6 or FIG. 8 surface plasmons are excited. Area depends on the spot size of the collected light. For example, in FIG. 6, when the wavelength of the light source 101 is 65 O nm and the NA (numerical aperture) of the light converging means 102 is 0.6, the light beam can be emitted only up to a diameter of about 1 / m. I can't squeeze. Therefore, the microscope shown in Fig. 8 can only obtain a resolution of about 1 m. In other words, the resolution limit of the microscope is determined by the diffraction limit of the light emitted from the light source.
  • an object of the present invention is to provide a device capable of exciting surface plasmons in a minute region and a high-resolution microscope using the device.
  • the surface plasmon excitation device includes: a light irradiating unit; a light-transmitting substrate having a protrusion; a metal layer covering side and peripheral portions of the protrusion; and a metal thin film formed on a top surface of the protrusion.
  • An evanescent wave caused by light transmitted through the metal thin film from the light irradiation means via the light-transmitting substrate can excite surface plasmons to a metal thin J] smell.
  • the projection of the substrate is formed in a belt shape, and the light irradiated by the light irradiating means is preferably linearly polarized in a plane including the longitudinal direction and the normal direction of the top surface of the belt-shaped projection. . Further, the light irradiated by the light irradiation means is preferably convergent light.
  • the dimensions and shape of the protrusion, its refractive index, and the metal layer are set so that the light irradiated to the protrusion by the light irradiation means reaches the metal thin film in a region smaller than the width of the protrusion. Is preferred.
  • the metal layer is formed of a good conductor, and the metal thin film is formed of any of gold, silver, copper, and aluminum.
  • the surface plasmon microscope according to the present invention includes the above-described surface plasmon excitation device, A photodetector that receives light reflected by the metal thin film and the metal layer included in the device described in (1), a sample moving means for arranging the surface of the measurement sample in proximity to the metal thin film and scanning the sample surface; Contains. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
  • FIG. 1 is a schematic sectional view showing a surface plasmon excitation device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a schematic perspective view showing the surface plasmon excitation device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a region where light can exist in the surface plasmon excitation device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between the depth of the metal groove and the intensity of the reflected light in the surface plasmon excitation device according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a schematic sectional view showing a surface plasmon microscope according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing a conventional surface plasmon excitation device.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the incident angle of light and the reflectance in a conventional surface plasmon excitation device.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing a conventional surface plasmon microscope. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
  • FIG. 1 A cross-sectional view of FIG. 1 and a perspective view of FIG. 2 schematically illustrate a surface plasmon excitation device according to an embodiment of the present invention.
  • Fig. 1 corresponds to the cross section of the XZ plane in Fig. 2.
  • the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.
  • This surface plasmon excitation device includes a light irradiating means 1, a light-transmitting substrate 2 having a band-shaped protrusion, a metal layer 3 formed so as to cover the side surface of the protrusion and the periphery thereof, and a top surface of the protrusion. And a metal thin film 4 formed thereon.
  • the metal layer 3 and the metal thin film 4 have little change over time and shorten the propagation distance of surface plasmon. Can be preferably used.
  • the metal thin film 4 is formed to have a thickness such that incident light is transmitted through the metal thin film 4 to generate an evanescent field in order to excite surface plasmons.
  • the convergent light radiated from the light irradiation means 1 and linearly polarized in the X-z plane passes through the substrate 2 and enters the projection.
  • the light emitted from the light irradiating means 1 is set so as to be incident at an angle ss at which the surface plasmon is excited in the metal thin film 4 formed on the top surface of the protrusion.
  • the dimensions and shape of the cross section of the projection formed in a strip shape, and the materials of the metal layer 3 and the metal thin film 4 are set so that the incident light reaches the minute area on the metal thin film 4.
  • the light that reaches the minute region of the metal thin film 4 formed on the top surface of the protrusion and is linearly polarized in the X-z plane generates an evanescent wave 5 emphasized by surface plasmon resonance.
  • the evanescent wave propagates along the air-side surface of the metal thin film 4 in the 1X direction.
  • FIG. 3 shows a region where light can exist in the protrusion when hatched light linearly polarized in the X- Z plane is incident on the substrate 2 by hatching.
  • the metal layer is located near the side a of the metal layer.
  • An electric field parallel to side a cannot exist.
  • a region where light can exist decreases.
  • the height d of the projection is larger than a certain value, the light cannot reach the middle of the projection and can penetrate.
  • the refractive index n of the substrate is 1.58, the width of the metal groove is 250 nm, the medium forming the metal groove is gold, and the wavelength of the incident light; I is 650 nm.
  • the NA of the objective lens is 0.6 and the angle of incidence of light on the bottom of the metal groove is 0 ° (that is, perpendicular to the substrate surface)
  • the incident light can be reduced to a metal thin film. It is possible to form a projection that reaches only the minute region w1 of 4. In this example, the case where the incident angle is 0 ° is shown. However, even when the incident angle is set to 0 s, it is possible to form a projection that allows the incident light to reach only the minute area w1 of the metal thin film 4. It is.
  • surface plasmons having a width smaller than the width of the protrusion can be excited regardless of the size of the incident light.
  • the resolution can be increased.
  • FIG. 5 illustrates a surface plasmon microscope according to another embodiment of the present invention.
  • a light irradiating means 1 a substrate 2 having a strip-shaped protrusion, a metal layer 3 formed so as to cover a side surface of the protrusion, and a metal thin film 4 formed on the top surface of the protrusion are shown.
  • the gap between the photodetector 5 that detects light reflected by the metal layer 3 and the metal thin film 4 and the metal thin film 4 is filled with a matching oil (not shown).
  • a measurement sample 6 and a moving stage 7 for scanning the measurement sample are shown.
  • the convergent light emitted from the light irradiation means 1 passes through the substrate 2 and is focused on the metal thin film 4.
  • the condensed light light at a specific incident angle determined by the thickness and refractive index of the metal thin film 4, the immersion oil, and the measurement sample 6 excites surface plasmons.
  • the light reflected by the metal layer 3 and the metal thin film 4 without exciting the surface plasmon is observed by the photodetector 5.
  • the coordinates at which the amount of reflected light is reduced by exciting the surface plasmon are detected on the photodetector 5 and the excitation angle of the surface plasmon is determined from the coordinates, whereby the refractive index of the measurement sample 6 can be measured. .
  • a two-dimensional refractive index distribution can be measured. For example, when there is a minute region 6a having a locally different refractive index in the sample 6, the position of the minute region having a different refractive index can be detected. At this time, the area of the surface plasmon excited by the surface plasmon excitation device is limited to an area smaller than the width of the projection due to the structure of the projection, so that the resolution is improved compared to the conventional microscope. be able to.
  • the surface plasmon excitation device including the band-shaped protrusion is described.
  • a protrusion whose length is limited in the X direction such as an information pit of an optical disk, may be used.
  • the propagation distance of the surface plasmon (or the enhanced evanescent wave) can be limited, so that the region where the surface plasmon is excited can be further reduced in the X direction.
  • the size of the region where light reaches the metal thin film formed on the top surface of the protrusion is controlled by changing the height d of the protrusion having a rectangular cross section.
  • it can also be controlled by changing the width w of the protrusion, the metal medium, the cross-sectional shape of the protrusion, and the like.
  • the area in which surface plasmons are generated can be reduced, so that it is possible to perform sensing in a micro area by applying to a sensor for measuring a change in refractive index, for example. Furthermore, by arranging the projections in an array and correspondingly arranging the samples in an array, it becomes possible to measure the refractive index change of a very large number of samples in a very small area. In addition, By applying the light to a device that measures the fluorescence reaction, such as a biochip, it becomes possible to detect the fluorescence of the measurement target that is densely arranged in a very small area like a sensor. Industrial applicability
  • the present invention it is possible to provide a device capable of exciting surface plasmons in a minute region and a high-resolution microscope using the device.

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Abstract

　表面プラズモン励起装置は、光照射手段（１）と、突起部を有する透光性基板（２）と、突起部の側面部および周辺部を覆う金属層（３）と、突起部の頂面上に形成された金属薄膜（４）とを含み、光照射手段（１）から透光性基板（２）を介して金属薄膜（４）を透過した光によるエバネッセント波（５）が金属薄膜（４）に表面プラズモンを励起し得る。

Description

明細書 励起装置とそれを含む顕微鏡 技術分野
本発明は、 表面 励起する装置とその表面プラズモン励起装置を含 む顕微鏡との改善に関するものである。 背景技術
従来の光学技術分野においては、 光の回折限界によって、 集光スポットサイズ が制限されていた。 し力 し、 近年では、 この制限を越え得る近接場光が注目され ており、 ナノオーダーサイズの対象物を観察し得る走査型近接場光顕微鏡 ( S N OM： scanning near field optical microscope) をはしめ、 あらゆる分野で 近接場光を応用した研究が盛んに行われている。 そして、 近接場光の応'用の中で も、 入射光の何十倍もの電界強度を得ることができる表面ブラズモン共鳴が特に 注目 浴びている。 ここでいう表面プラズモン共鳴とは、 金属表面に外部電磁波 が印加された際にその金属表面に局所的に生じる自由電子のプラズマ振動とその 外部電磁波とが共鳴する現象を意味している。
表面プラズモン共鳴を発生させる装置としては、 特開平 1一 1 3 8 4 4 3号に 開示されたものがある。 図 6は、 表面プラズモン共鳴を発生させる基本的な装置 を模式的な断面図で示している。 この装置は、 光源 1 0 1と、 その光源から放射 された光を収束させる光収束手段 1 0 2と、 透光性の誘電体により形成された三 角プリズム 1 0 3と、 その三角プリズムの表面に形成された金属薄膜 1 0 4と、 その金属薄膜で反射された光を検出する光検出器 1 0 5とを含んでいる。
光源 1 0 1から放射された p偏光の光は、 光収束手段 1 0 2により収束光にさ れ、 三角プリズム 1 0 3を透過した後に、 入射角度 Θで金属薄膜 1 0 4上に集光 される。 なお、 p偏光とは、 物体表面に入射する光の電気ベクトルの振動方向が その表面の法線と光の進行方向を含む面内に含まれる直線偏光を意味する。 金属 薄膜 1 0 4上に集光された光は、 共鳴条件を満たす一部の光が表面： 共鳴して金属薄膜 1 0 4の自由表面側に強調されたエバネッセント場 1 0 6を発 生させ、 他の残りの光は反射されて光検出器 1 0 5で検出される。
この場合に、 金属薄膜 1 0 4に光が入射する角度 0を変化させていけば、 図 7 に示すグラフが得られる。 このグラフにおいて、 横軸は光の入射角 Θを表わし、 縦軸は反射率 （％) を表わしている。 図 7において、 光検出器 1 0 5で受光され る光量は特定の入射角 Θ sで極小になっており、 この入射角で収束光の一部が表 面プラズモンと共鳴していることが分かる。
また、 上述のような表面プラズモンを励起する装置を顕微鏡に利用した例が、 特開平 5— 2 4 0 7 8 7号に開示されている。 図 8は、 表面プラズモンを利用す る基本的な顕微鏡を模式的な断面図で示している。 この図において、 光源 2 0 1 と、 その光源から放射された平行光を拡大するビームェクスパンダー (レンズ 2 0 2、 2 0 3 ) と、 そのビームェクスパンダーにより拡大された平行光を収束光 にする光収束手段 2 0 4と、 光を結合するプリズム 2 0 5と、 プリズム 2 0 5の 1面に形成された金属薄膜 2 0 6と、 その金属薄膜との間隙をイマ一ジョンオイ ル 2 0 7により埋められた測定試料 2 0 8と、 金属薄膜 2 0 6で反射された反射 光を検出する光検出器 2 0 9と、 測定試料 2 0 8を間欠的に移動させる X— Yパ ルスステージ 2 1 0が含まれている。
光源 2 0 1から放射された平行光は、 ビームェクスパンダー 2 0 2、 2 0 3で 拡大され、 光収束手段 2 0 4で収束光に変換され、 プリズム 2 0 5を透過して金 属薄膜 2 0 6上に集光される。 集光された光のうち、 金属薄膜 2 0 6、 ィマージ ョンオイノレ 2 0 7、 および測定試料 2 0 8の膜厚と屈折率で決定される特定の入 射角度の光が、 表面プラズモンを励起する。
表面プラズモンを励起せずに金属薄膜 2 0 6で反射された光は光検出器 2 0 9 で観測される。 表面プラズモンを励起したことにより反射光量が減少している座 標を光検出器 2 0 9上で検出し、 その座標から表面プラズモンの励起角度を求め ることによって、 測定試料 2 0 8の屈折率変化を測定することができる。 さらに、 X— Yパルスステージ 2 1 0を用いて、 測定試料 2 0 8を走查することによって、 試料の 2次元的屈折率分布を測定することが可能になる。
しかしながら、 図 6または図 8の装置においては、 表面プラズモンが励起され る領域は、 集光した光のスポットサイズに依存してしまう。 たとえば、 図 6にお いて光源 1 0 1の波長が 6 5 O n mで、 光収束手段 1 0 2の NA (開口数） が 0 . 6である場合、 1 / m径程度までしか光ビームを絞ることができない。 したがつ て、 図 8の顕微鏡では、 1 m程度の解像度しか得られないことになる。 すなわ ち、 光源から照射される光の回折限界によって、 顕微鏡の解像限界が決定される ことになる。
他方、 光源を短波長化しかつ光収束手段の NAを大きくすることによって、 ス ポットサイズをある程度小さくすることは可能である。 しかし、 n mオーダーサ ィズまで小さな光スポットを得ることは非常に困難であり、 表面プラズモンを利 用した従来の顕微鏡の解像度は限界に達している感がある。 発明の開示
上述のような従来技術の状況に鑑み、 本発明は、 微小領域で表面プラズモンを 励起し得る装置とその装置を利用した高解像度の顕微鏡を提供することを目的と している。
本発明による表面プラズモン励起装置は、 光照射手段と、 突起部を有する透光 性基板と、 突起部の側面部および周辺部を覆う金属層と、 突起部の頂面上に形成 された金属薄膜とを含み、 光照射手段から透光性基板を介して金属薄膜を透過し た光によるエバネッセント波が金属薄 J]臭に表面ブラズモンを励起し得る。
なお、 基板の突起部は帯状に形成され、 光照射手段により照射された光は、 そ の帯状突起部の長手方向と頂面の法線方向を含む面内に直線偏光していることが 好ましい。 また、 光照射手段により照射される光は、 収束光であることが好まし い。
突起部の寸法形状とその屈折率および金属層は、 光照射手段によりその突起部 に照射された光が、 突起部の幅よりも小さい領域で金属薄膜に到達するように設 定されていることが好ましい。
金属層は良導体で形成され、 かつ金属薄膜は金、 銀、 銅、 およびアルミニウム のいずれかで形成されていることが好ましい。
本発明による表面プラズモン顕微鏡は、 上述の表面プラズモン励起装置と、 そ の装置に含まれる金属薄膜および金属層によって反射された光を受光する光検出 器と、 その金属薄膜に近接して測定試料の表面を配置しかつその試料表面を走査 するための試料移動手段とを含んでいる。 図面の簡単な説明
図 1は、 本発明の実施形態に係る表面プラズモン励起装置を示す模式的な断面 図である。
図 2は、 本発明の実施形態に係る表面プラズモン励起装置を示す模式的な斜視 図である。
図 3は、 本発明の実施形態に係る表面プラズモン励起装置において、 光が存在 し得る領域を示す模式的な断面図である。
図 4は、 本発明の実施形態に係る表面プラズモン励起装置において、 金属溝深 さと反射光強度の関係を示すグラフである。
図 5は、 本発明の実施形態に係る表面プラズモン顕微鏡を示す模式的な断面図 である。
図 6は、 従来の表面プラズモン励起装置を示す断面図である。
図 7は、 従来の表面プラズモン励起装置における光の入射角と反射率の関係を 示すグラフである。
図 8は、 従来の表面プラズモン顕微鏡を示す断面図である。 発明を実施するための最良の形態
図 1の断面図と図 2の斜視図によって、 本発明の一実施形態による表面プラズ モン励起装置が模式的に図解されている。 図 1は、 図 2中の X— Z面の断面に対 応している。 また、 本願の図面において、 同一の参照符号は同一部分または相当 部分を表わしている。
この表面プラズモン励起装置は、 光照射手段 1と、 帯状の突起部を有する透光 性基板 2と、 突起部の側面およびその周辺を覆うように形成された金属層 3と、 突起部の頂面上に形成された金属薄膜 4とを含んでいる。 ここで、 金属層 3と金 属薄膜 4には、 経時変化が少なくて、 表面プラズモンの伝搬距離を短くすること ができる金が好ましく用いられ得る。 また、 金属薄膜 4は、 表面プラズモンを励 起するために、 入射した光がその金属薄膜 4を透過してエバネッセント場を生じ るような厚みに形成される。
光照射手段 1から放射されて X— z面内に直線偏光している収束光は、 基板 2 を透過して突起部内に入射する。 この時、 光照射手段 1から放射された光は、 突 起部の頂面上に形成された金属薄膜 4において表面ブラズモンが励起される角度 Θ sで入射するように設定される。 また、 帯状に形成された突起部の断面の寸法 形状、 および金属層 3と金属薄膜 4の材料は、 入射された光が金属薄膜 4上の微 小領域に到達するように設定される。 突起部の頂面上に形成された金属薄膜 4の 微小領域に到達して X— z面内に直線偏光している光は、 表面プラズモン共鳴に よつて強調されたェパネッセント波 5を生じ、 このエバネッセント波は金属薄膜 4の空気側の面に沿って一 X方向に伝搬していく。
ここで、 突起部の寸法形状の決定方法について具体的に説明する。 図 3は、 X 一 Z面内に直線偏光した光を基板 2内に入射させた場合に、 突起部内において光 が存在し得る領域を斜線の影付によって示している。 この図に示されているよう に、 X— z面内に直線偏光した光が金属層 3に側面が覆われた突起部内に入射す る場合、 その金属層側面 aの近傍では、 その金属層側面 aに平行な電界は存在で きない。 そして、 金属層側面 aの近傍では、 光が一 z方向に侵入するにつれて、 光が存在し得る領域が減少する。 さらには、 突起部の高さ dがある一定値よりも 大きくなれば、 光は突起部の途中までし力侵入することができなくなる。
このような現象は、 次のような解析により確認することができる。 図 4のダラ フは、 基板の屈折率 nが 1 . 5 8、 金属溝の幅が 2 5 0 n m、 金属溝を形成して いる媒質が金、 入射光の波長； Iが 6 5 0 n m、 対物レンズの N Aが 0 . 6、 そし て金属溝底面に対する光の入射角が 0 ° (すなわち基板面に対して垂直） である 場合に、 入射偏光に対する金属溝の深さと反射光量との関係を示している。 すな わち、 このグラフの横軸は; i Z nで規格化された溝深さを表わし、 縦軸は入射光 強度で規格化された反射光強度を表わしている。 なお、 図 4では金属溝を形成し ている媒質として金が用いられたが、 たとえば銀、 銅、 アルミニウム等の他の金 属を用いても、 グラフの傾向は変化しない。 図 4を参照すれば、 溝側面に垂直な方向に偏光した光 （グラフ中の♦印） の場 合、 入射光の電界が金属溝側面近傍に存在可能なので、 溝深さに対応して溝上部 力 らの反射光と溝底部からの反射光との相対的な位相差が生じ、 その結果として 光が干渉して反射光量が変化する。 他方、 金属溝側面に平行な方向に偏光した光 (グラフ中の画印） の場合では、 溝深さが 0 . 3 λ Ζ ηより深くなれば反射光量 はほとんど変化しないことが分かる。 すなわち、 金属溝側面に平行な偏光の光は、 金属溝が深くなった場合に、 0 . 3 λ , η程度の溝深さまでしか侵入しないこと が分かる。
したがって、 たとえば、 光照射手段 1の波長 λを 6 5 0 n mにして、 突起部の 高さ dを 0 . 3 λ / ηおよび幅 wを 2 5 0 n mにすることにより、 入射光が金属 薄膜 4の微小領域 w 1にのみ到達するような突起部を形成することが可能となる。 この例では入射角が 0 ° の場合について示したが、 入射角を 0 sとした場合でも、 入射光が金属薄膜 4の微小領域 w 1にのみ到達するような突起部を形成すること が可能である。
したがって、 x _ z面内に偏光した光を入射させた場合、 所望の突起部の高さ dの位置でかつ突起部の幅より小さい領域において、 金属薄膜 4に表面ブラズモ ンを励起させることが可能となる。 しかし、 X— z面に垂直に偏光した光を入射 させた場合は、 その光が突起部の頂面上の金属薄膜 4の全幅域に到達してしまう ので、 突起部の幅よりも小さい領域で金属薄膜 4に表面プラズモンを励起させる ことができないことになる。
以上から理解されるであろうように、 本発明によれば、 入射光の大きさにかか わらず突起部の幅よりも小さレ、幅の表面プラズモンを励起することができるので、 これをたとえば表面プラズモン顕微鏡に応用した場合に、 その解像度を上げるこ とが可能となる。
図 5の模式的な断面図は、 本発明の他の実施形態による表面プラズモン顕微鏡 を図解している。 この図において、 光照射手段 1と、 帯状の突起部を有する基板 2と、 突起部の側面を覆うように形成された金属層 3と、 突起部の頂面上に形成 された金属薄膜 4と、 金属層 3および金属薄膜 4で反射された光を検出する光検出器 5と、 マッチングオイル （図示せず） にて金属薄膜 4との間隙を埋められた 測定試料 6と、 測定試料を走査する移動ステージ 7が示されている。
光照射手段 1から放射された収束光は、 基板 2を透過して金属薄膜 4上に集光 される。 集光された光のうち、 金属薄膜 4、 イマ一ジョンオイル、 および測定試 料 6の膜厚と屈折率で決定される特定の入射角度の光が、 表面ブラズモンを励起 する。 表面プラズモンを励起せずに金属層 3および金属薄膜 4で反射された光は 光検出器 5で観測される。 表面ブラズモンを励起したことにより反射光量が減少 している座標を光検出器 5上で検出し、 その座標から表面プラズモンの励起角度 を求めることによって、 測定試料 6の屈折率を測定することができる。
さらに、 移動ステージ 7を用いて測定試料 6を走査することによって、 2次元 の屈折率分布を測定することが可能となる。 たとえば、 試料 6において局所的に 屈折率が異なる微小領域 6 aが存在する場合、 その屈折率が異なる微小領域の位 置を検知することができる。 この時、 表面プラズモン励起装置によって励起され た表面プラズモンは、 突起部の構造によってその発生する領域が突起部の幅より も狭い領域に制限されているので、 従来の顕微鏡と比較して解像度を高めること ができる。
なお、 上述の実施形態では帯状の突起部を含む表面プラズモン励起装置ついて 説明したが、 光ディスクの情報ピットのように X方向に長さが制限されている突 起が利用されてもよい。 このような場合には、 表面プラズモン （または強調され たエバネッセント波） の伝搬距離を制限することができるので、 表面ブラズモン が励起される領域を X方向に対してさらに小さくすることができる。
また、 上述の実施形態では、 矩形状断面の突起部の高さ dを変化させることに よって突起部の頂面上に形成された金属薄膜に光が到達する領域の大きさを制御 しているが、 突起部の幅 w、 金属媒質、 突起部の断面形状などを変えることによ つても制御することが可能である。
さらに、 本発明によれば、 表面プラズモンを発生させる領域を小さくすること ができるので、 たとえば屈折率変化を測定するセンサ等に応用することにより微 小領域のセンシングを行うことが可能となる。 さらには、 アレイ状に突起部を配 置してそれに応じて試料もァレイ状に配置することによって、 非常に多くの試料 の屈折率変化を微小領域について測定することができるようになる。 また、 本発 明をバイオチップのような蛍光反応を測定する装置に応用することによって、 セ ンサと同様に非常に小さな領域に高密度に配置された測定対象の蛍光を検出でき るようになる。 産業上の利用可能性
以上のように、 本発明によれば、 微小領域で表面プラズモンを励起し得る装置 とその装置を利用した高解像度の顕微鏡を提供することができる。

Claims

請求の範囲
1. 光照射手段 （1) と、 突起部を有する透光性基板 （2) と、 前記突起部の 側面部および周辺部を覆う金属層 （3) と、 前記突起部の頂面上に形成された金 属薄膜 （4) とを含み、 前記光照射手段 （1) から前記透光性基板 （2) を介し て前記金属薄膜 （4) を透過した光によるエバネッセント波 （5) が前記金属薄 膜 （4) に表面プラズモンを励起し得る表面プラズモン励起装置。
2. 前記基板 （2) の前記突起部は帯状に形成されており、 前記光照射手段 (1) により照射された光は、 帯状に形成された前記突起部の長手方向と頂面の 法線方向を含む面内に直 f泉偏光している請求項 1に記載の表面プラズモン励起装
' 置。
3. 前記光照射手段 (1) により照射された光は収束光である請求項 1に記載 の表面ブラズモン励起装置。
4. 前記突起部の寸法形状とその屈折率および前記金属層 （3) は、 前記光照 射手段 （1) により前記突起部に照射された光が、 前記突起部の幅よりも小さい 領域で前記金属薄膜 （4) に到達するように設定されている請求項 1に記載の表 面プラズモン励起装置。
5. 前記金属層 （3) は良導体で形成され、 かつ前記金属薄膜 （4) は金、 銀、 銅、 およびアルミニウムのいずれかで形成されている請求項 1に記載の表面プラ ズモン励起装置。
6. 請求項 1に記載された表面プラズモン励起装置と、 前記金属薄膜 （4) お よび前記金属層 （3) によって反射された光を受光する光検出器 （5) と、 前記 金属薄膜 （4) に近接して測定試料 (6) の表面を配置しかつその試料表面を走 査するための試料移動手段 （7) とを含む表面プラズモン顕微鏡。
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