WO2009110595A1 - 偏光素子 - Google Patents

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WO2009110595A1
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light
polarizing element
irradiated
wavelength
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寿明 曽根原
義從 三浦
精一 横山
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Hoya株式会社
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3025—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state
    • G02B5/3058—Polarisers, i.e. arrangements capable of producing a definite output polarisation state from an unpolarised input state comprising electrically conductive elements, e.g. wire grids, conductive particles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/008—Surface plasmon devices

Definitions

  • the present invention relates to a polarizing element, and more particularly to a polarizing element utilizing a difference in light absorption efficiency due to shape anisotropy of metal fine particles.
  • the polarizing element refers to an optical element having a function of transmitting a linearly polarized wave having an electric field vibration plane in a specific direction and blocking the transmission of the linearly polarized wave having an electric field vibration surface in a direction orthogonal to the specific direction (hereinafter, referred to as “polarizing element”).
  • polarizing element the electric field oscillation direction of the transmitted light is referred to as “transmission axis”, and the direction orthogonal to the transmission axis is referred to as “extinction axis”).
  • the characteristics of a polarizing element are the loss that a linearly polarized wave having an electric field oscillation plane in a direction parallel to the transmission axis of the element passes through the polarizing element (hereinafter referred to as “insertion loss”), the extinction axis
  • insertion loss a linearly polarized wave having an electric field vibration plane parallel to the transmission element
  • extinction ratio The value obtained by dividing (hereinafter, this value is referred to as “extinction ratio”).
  • a polarizing element having good characteristics means an element having a small insertion loss and a high extinction ratio.
  • a polarizing element using metal fine particles there is known a polarizing glass in which needle-like metal fine particles made of silver or copper are dispersed in a glass substrate so that the longitudinal direction thereof is oriented in a specific direction (hereinafter referred to as the above-mentioned)
  • the polarizing element is referred to as “metal fine particle dispersed polarizing glass”).
  • a method for producing a metal fine particle-dispersed polarizing glass is described in detail, for example, in JP-A-5-208844, and the main points are as follows.
  • metallic copper having a short diameter of 20 to 75 nm, a long diameter of 120 to 350 nm, and an aspect ratio (a quotient obtained by dividing the long diameter of the acicular particles by the short diameter) in the base glass: 2.5 to 10 It describes that a metal fine particle-dispersed polarizing glass in which acicular fine particles are dispersed is produced.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a polarizing element having high shape controllability and high productivity.
  • the first means provided by the present invention is as follows: It includes an assembly of metal pieces arranged in an island shape on a substrate that is transparent to light of a predetermined wavelength, and the plasmon resonance wavelength of the metal pieces is irradiated to the metal pieces.
  • the plasmon resonance wavelength in a predetermined direction of the metal element is the wavelength of light irradiated on the polarizing element.
  • the second means provided by the present invention is as follows: In the polarizing element according to the first means, the assembly of the metal pieces is covered with a dielectric having transparency to light of a desired wavelength, The third means provided by the present invention is as follows: In the polarizing element according to the first and second means, the shape of the metal piece is a substantially rectangular parallelepiped shape, and the longest side of the substantially rectangular parallelepiped is aligned in a substantially constant direction in the assembly of the metal piece.
  • a polarizing element characterized in that The fourth means provided by the present invention is as follows:
  • the shape of the metal element is a substantially elliptic cylinder shape, and the major axis of the ellipse is aligned in a substantially constant direction.
  • the fifth means provided by the present invention is a polarizing element according to any of the first to fourth means,
  • the surface of the metal piece in a direction parallel to the propagation direction of the irradiated light is 1/10 or less of the wavelength of the irradiated light and is orthogonal to the propagation direction of the irradiated light
  • the polarizing element is characterized in that the dimension of the metal piece inside is 1 ⁇ m or less
  • the sixth means provided by the present invention includes A polarizing element according to any one of the first to fifth means, The polarizing element is characterized in that the metal constituting the metal piece is Al or an alloy containing Al as a main component.
  • the polarizing element according to the present invention can be manufactured by a process mainly composed of normal nanoimprint lithography, has high productivity, and has the controllability and reproducibility of the shape and size of the metal fine particles. It is superior to the dispersion-type polarizing glass, and as a result, stable production can be achieved.
  • the metal is made into fine particles of a few tens of nanometers, which are sufficiently smaller than the wavelength of light, the movement of free electrons is limited by the boundary determined by the shape, so that the metal fine particles are similar to a dielectric that is uniformly polarized. It can be handled.
  • a counter electric field is formed inside depending on the shape of the fine particles, which affects the response to an externally applied electric field (hereinafter referred to as “external electric field”).
  • external electric field an externally applied electric field
  • the response to the external electric field is expressed as a so-called dielectric response, ⁇ ( ⁇ ), and is given by the following equation (1).
  • Equation (1) ⁇ is the angular frequency of the irradiated light
  • ⁇ * ( ⁇ ) is the complex dielectric constant at the angular frequency of the metal constituting the fine particle: ⁇
  • ⁇ a is the dielectric constant of the surrounding medium of the metal fine particle
  • the counter electric field coefficient is a coefficient determined only by the shape without depending on the material of the fine particles, and can be analytically obtained only in the case of a spheroid shape including a sphere.
  • the counter electric field coefficient in the case of a sphere is 1/3, and in the case of a spheroid with an aspect ratio of about 3, the value in the major axis direction is 0.108.
  • n a is the refractive index of the surrounding medium of the fine metal particles, lambda vacuum wavelength of the irradiated light, epsilon 'and epsilon''are each angular frequency omega (wavelength: lambda) complex permittivity in (epsilon * Real part and imaginary part of ( ⁇ )).
  • FIG. 3 shows the influence of the demagnetizing field coefficient on the absorption coefficient spectrum in the case of silver fine particles, calculated using equation (2).
  • 31 is a spectrum in the case where the decoelectric coefficient is 0.065
  • 32 is a spectrum in which the decoelectric coefficient is 0.108
  • 33 is a spectrum in the case where the decoelectric coefficient is 0.1867.
  • the refractive index of the surrounding medium of the silver fine particles is 1.45 (dielectric constant: 2.1025)
  • the irradiation light is a linearly polarized wave having an electric field vibration plane in a direction parallel to the major axis direction of the spheroid. .
  • the irradiation light is a linearly polarized wave having an electric field vibration plane in a direction parallel to the major axis direction of the spheroid.
  • the absorption coefficient becomes maximum at a specific wavelength in any case of the counter electric field coefficient.
  • Such maximum is because the vibration of free electrons in the silver fine particles resonates with the vibration of the external electric field (corresponding to the vibration of the electric field component of the irradiation light), and is generally known as a plasmon resonance phenomenon (hereinafter referred to as “plasmon resonance phenomenon”).
  • the wavelength of light at which plasmon resonance occurs is referred to as “plasmon resonance wavelength”).
  • the plasmon resonance wavelength varies depending on the depolarization coefficient of the irradiated metal fine particle, more precisely, the depolarization coefficient in the direction parallel to the electric field oscillation direction of the irradiation light. Shift to long wavelength side.
  • the depolarization coefficient in the major axis direction is smaller than that in the minor axis direction, and the plasmon resonance wavelength is different in both directions.
  • the anti-electric field coefficient that is, the aspect ratio of the needle-like fine particles is set so that the plasmon resonance wavelength in the longitudinal direction of the needle-like metal fine particles substantially coincides with the desired light wavelength. It has been established.
  • the coercive electric field coefficient is a factor determined by the shape of the fine particles.
  • the coercive electric field coefficient is not limited to the spheroid, but also in a general shape, Exists. However, only when the shape is a spheroid including a sphere, it is only expressed by an analytical expression. That is, for a general shape, the de-electric field coefficient can be obtained by using a numerical analysis method. In other words, even when the shape of the fine particles is a rectangular parallelepiped shape, it is possible to realize the above-described de-electric field coefficient of 0.065 or the like by appropriately selecting the dimensional ratio of the vertical, horizontal, and height. .
  • the magnitude of the absorption coefficient ⁇ shown in FIG. 3 is proportional to the extinction ratio of the “absorptive polarizer”.
  • the absorption coefficient ⁇ is about 3
  • the intensity of light after passing through the rectangular parallelepiped fine particles is exp ( ⁇ 60), and an extinction ratio of about ⁇ 260 dB is obtained.
  • the extinction ratio greatly exceeds the required specification value regardless of the application field of the polarizing element.
  • a polarizer having such a configuration is referred to as a “rectangular fine particle-arranged polarizing element”.
  • the rectangular fine particle-arranged polarizing element according to the present invention will be specifically described.
  • FIG. 4 is a perspective view showing an example of the configuration of a rectangular microparticle-arranged polarizing element according to the present invention.
  • 41 is an optically transparent substrate
  • 42 is a surface of the substrate 41
  • 43 is a rectangular parallelepiped metal piece
  • 44 is an optically transparent dielectric film.
  • the rectangular fine particle-arranged polarizing element according to the present invention is formed on a surface 42 of a substrate 41 made of a single crystal such as quartz glass or the like, or a single crystal such as sapphire.
  • a plurality of rectangular parallelepiped metal pieces 43 having dimensions on the order of several tens of nanometers to several hundreds of nanometers are arranged in an island shape, and the pieces have light transmittance at a desired wavelength such as SiO 2.
  • the structure is covered with a dielectric film.
  • the plasmon resonance wavelength of the metal piece 43 is determined by the dielectric constant and the counter electric field coefficient of the metal that is the material.
  • the decoupling electric field coefficient in the long side direction of the metal piece 43 is set so that plasmon resonance is generated with respect to the wavelength of the irradiation light, and the decoupling electric field coefficient in the short side direction of the metal piece 43 is shifted therefrom.
  • it is set to.
  • such a relationship between the decoelectric field coefficients is realized by appropriately setting the dimensional ratio of each side of the rectangular parallelepiped.
  • FIG. 5 shows the relationship between the area occupancy and the attenuation when the metal species is Ti.
  • the shape of the Ti piece is a substantially rectangular parallelepiped shape, and the dimensions of the long side, the short side, and the height (thickness from the substrate surface, hereinafter the same) are 95 nm, 25 nm, and 20 nm, respectively.
  • the substrate is quartz glass, and the dielectric film is SiO 2 .
  • FIG. 8 schematically shows the planar shape (shape in a plane substantially orthogonal to the propagation direction of irradiation light) of the metal piece.
  • the “substantially rectangular parallelepiped shape” means a shape in which a rectangular parallelepiped is rounded, and the long side and the short side in this case refer to l and w in the drawing, respectively.
  • the plasmon resonance wavelength in the long side direction of the Ti piece is 630 to 650 nm.
  • the area occupancy was changed by changing the repetition pitch of Ti pieces having the same shape.
  • the attenuation amount is expressed in decibels as a ratio of transmitted light intensity and irradiated light intensity when a linearly polarized wave having an electric field vibration plane is irradiated in a direction parallel to the long side direction of the Ti piece.
  • the ⁇ mark indicates the actually obtained attenuation, and the relationship between the area occupancy and the attenuation indicated by the broken line assumes that the attenuation is simply proportional to the area occupancy.
  • I 0 is the intensity of the irradiation light intensity
  • I t is the light transmitted through the Ti piece
  • s is the area occupancy of the segment.
  • the amount of attenuation increases as the area occupancy increases, and the value almost coincides with the amount of attenuation simply calculated from the area occupancy, Igeo.
  • the attenuation amount is about 1 dB regardless of the area occupation ratio.
  • FIG. 6 shows the relationship between the area occupancy and the attenuation amount similar to FIG. 5 when the metal species is Cr.
  • the shape of the Cr piece is a rectangular parallelepiped, and the dimensions of the long side, the short side, and the height are 250 nm, 26 nm, and 20 nm, respectively.
  • the substrate and the dielectric film are quartz glass and SiO 2 as in the case of the Ti piece.
  • the plasmon resonance wavelength in the long side direction of the Cr piece is 630 to 650 nm.
  • the area occupancy was changed by changing the repeated pitch of Cr pieces having the same shape.
  • the ⁇ mark is the actually obtained attenuation amount, and the relationship between the area occupancy and the attenuation indicated by the broken line is similar to FIG. 5, assuming that the attenuation is simply proportional to the area occupancy. It is calculated.
  • the amount of attenuation at the same area occupancy is large and the difference from the amount of attenuation indicated by the broken line is also larger than in the case of the Ti piece.
  • the attenuation amount is about 1 dB regardless of the area occupancy.
  • FIG. 7 shows the relationship between the area occupancy and the attenuation amount as in FIGS. 5 and 6 when the metal species is Al.
  • the shape of the Al piece is a rectangular parallelepiped, and the dimensions of the long side, the short side, and the height are 180 nm, 25 nm, and 20 nm, respectively.
  • the substrate and the dielectric film are quartz glass and SiO 2 as in the case of Ti and Cr pieces.
  • the plasmon resonance wavelength in the long side direction of the Al piece is 630 to 650 nm.
  • the area occupancy was changed by changing the repeated pitch of Al pieces having the same shape.
  • the asterisk marks indicate the actually obtained attenuation, and the relationship between the area occupancy and the attenuation indicated by the broken line is simply proportional to the area occupancy as in FIGS. It is calculated as In the case of an Al piece, the amount of attenuation at the same area occupancy is large and the difference from the amount of attenuation indicated by a broken line is also larger than in the case of Ti and Cr pieces. When the electric field vibration surface of the irradiated light was parallel to the short side direction of the Al piece, the attenuation amount was 0.5 to 0.7 dB regardless of the area occupation ratio.
  • FIG. 2 shows a diagram summarizing the relationship between the area occupancy ratio and the attenuation amount for each metal element shown in FIGS. At the same area occupancy rate, the attenuation amount is larger in the order of Ti, Cr, and Al, and the difference between the actually obtained attenuation amount and the attenuation amount simply calculated from the area ratio increases in accordance with this order.
  • the amount of attenuation (corresponding to the extinction ratio) in the polarizing element with rectangular fine particles is largely dependent not only on the absorption characteristics of the metal piece, but also on such “suction efficiency”. It became clear.
  • Equation (4) V is the volume of the metal piece, and other parameters are the same as in equation (3) described above.
  • FIG. 1 shows the change in attenuation with respect to the ratio of the sum of the absorption cross-section area, Cabs, obtained from Equation (4) and the area of the irradiation region, for each metal piece in the light irradiation region.
  • the meaning of the ratio of the sum of the absorption cross-sectional area, Cabs, and the area of the irradiation region is not necessarily limited to the region irradiated with light, for example, compared with the region irradiated with light.
  • the metal piece is arranged in a sufficiently wide area in the same manner as the irradiation part, it means the sum of the absorption cross-sectional areas and the ratio of the area for the area.
  • the attenuation shown in the figure almost corresponds to the extinction ratio.
  • the extinction ratio required for the polarizing element varies depending on the field in which it is used, but its lowest value is about 10 dB. From FIG. 1, this extinction ratio is achieved when the ratio of the sum of the absorption cross sections and the irradiation area is 5 or more.
  • the height of the metal piece is preferably 1/10 or less of the wavelength of the irradiation light.
  • a uniform electric field is applied to the surface.
  • the ratio of the long side to the short side is determined so as to coincide with the plasmon resonance wavelength of the metal piece, there is no restriction on the size.
  • these dimensions are preferably 1 ⁇ m or less.
  • An Al thin film having a thickness of 20 nm was formed on a 1-inch square quartz glass substrate by vacuum deposition. Thereafter, a metal element group composed of an Al film having a long side and a short side of 180 nm and 25 nm, respectively, was formed in a region of about 5 mm ⁇ 5 mm by using nano-implement lithography and reactive ion etching. Thereafter, the metal piece group was covered with a SiO 2 film having a thickness of about 400 nm.
  • the plasmon resonance wavelength in the long side direction of the metal piece is 630 to 650 nm regardless of the geometric area occupancy.
  • the transmission loss and extinction ratio of each polarizing element were measured using a semiconductor laser having a wavelength of 630 nm and a beam diameter of about 1 mm.
  • the transmission loss was constant in the range of 0.5 to 0.7 dB regardless of the geometric area occupancy.
  • Table 1 shows the measured extinction ratio and the ratio of the sum of the absorption cross sections of the metal pieces in the region (5 mm ⁇ 5 mm) where the metal piece groups are formed and the area ratio of the region (the sum of the absorption cross sections). ) / (Area of irradiated region).
  • the absorption cross-sectional area of the metal element was obtained using Equation (4).
  • the production method of the rectangular fine particle-arranged polarizing element in this example is basically the same as that in Example 1, but in this example, the film thickness of Al formed by vacuum deposition is 15 nm, and The lengths of the long side and the short side of the substantially rectangular parallelepiped shape were 140 nm and 26 nm, respectively.
  • the plasmon resonance wavelength in the long side direction of the metal piece is 620 to 650 nm regardless of the geometric area occupancy. there were. Therefore, transmission loss and extinction ratio were measured in the same manner as in Example 1. The transmission loss was constant in the range of 0.3 to 0.6 dB regardless of the geometric area occupancy.
  • the metal piece is made of Al and the shape thereof is a substantially rectangular parallelepiped shape has been described in detail using the embodiment.
  • the effect of the present invention is that, as long as the plasmon resonance wavelength in a specific direction of the metal piece satisfies the requirement that it is substantially the same as the wavelength of the irradiation light, the shape of the other metal piece, For example, it is obvious that it can be obtained in an ellipsoidal column shape or an oval shape, and needless to mention again.
  • the polarizing element according to the present invention can be widely applied to optical devices such as liquid crystal projectors.

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Abstract

　金属素片のプラズモン共鳴波長が、該金属素片に照射される光の偏光方向により異なることを利用して、該金属素片の、該照射される光の伝搬方向に対して略直交する面内における幾何学的な断面積の総和が該光の照射領域の面積に比べて小さく、かつ該金属素片のプラズモン共鳴波長における吸収断面積の総和が、該照射領域の面積に比べて５倍以上である金属素片の集合体からなる偏光子とすることにより実現する。

Description

偏光素子
　本発明は偏光素子、特に金属微粒子の形状異方性に起因する光吸収効率の差を利用した偏光素子に関する。
　偏光素子とは、ある特定方向に電界振動面を有する直線偏光波を透過し、これと直交する方向に電界振動面を有する直線偏光波の透過を阻止する機能を有する光学素子を云う（以下、偏光素子において、透過する光の電界振動方向を「透過軸」、透過軸と直交する方向を「消光軸」と記す）。　
　偏光素子の特性は、素子の透過軸と平行な方向に電界振動面をもつ直線偏光波が偏光素子を透過する際に受ける損失（以下、当該損失を「挿入損失」と記す）と、消光軸と平行な電界振動面を有する直線偏光波が偏光素子を透過したときの電界強度を、透過軸と平行な方向を有する電界振動面を有する直線偏光波が偏光素子を透過したときの電界強度で除した値（以下、当該値を「消光比」と記す）とで評価される。良好な特性を有する偏光素子とは、挿入損失が小さく、かつ消光比が高い素子を意味する。
　金属微粒子を用いた偏光素子として、銀あるいは銅からなる針状金属微粒子が、ガラス基体中にその長手方向が特定の方向に配向するように分散された偏光ガラスが知られている（以下、当該偏光素子を「金属微粒子分散型偏光ガラス」と記す）。金属微粒子分散型偏光ガラスの製造方法は、例えば特開平５－２０８８４４号公報に詳細に記載されており、その要点は以下に示すようなものである。
　〈１〉塩化第一銅を含むガラス材料を所望の組成になるように調合し、それらを約１４５０℃で溶融した後、室温まで徐冷する。〈２〉その後、熱処理を施すことにより、塩化第一銅の微粒子をガラス中に析出させる。〈３〉塩化第一銅微粒子を析出させた後、機械加工により適当な形状を有するプリフォームを作成する。〈４〉プリフォームを所定の条件で延伸し、塩化第一銅の針状粒子を得る。〈５〉延伸された塩化第一銅を水素雰囲気中で還元することにより、針状の金属銅微粒子を得る。
　斯かる製造方法により、母材ガラス中に、短径：２０～７５ｎｍ、長径：１２０～３５０ｎｍ、アスペクト比（針状粒子の長径を短径で除した商）：２．５～１０の金属銅針状微粒子が分散された金属微粒子分散型偏光ガラスが製造される旨が記載されている。
特開平５－２０８８４４号公報
　前述した、従来の金属微粒子分散型偏光ガラスにおいては、０．１ｄＢ以下の挿入損失と、３０ｄＢ以上の消光比が達成されており、実用上、ほぼ問題の無い性能が得られている。しかしながら、前述したようにその製造工程が析出・延伸・還元といった煩雑なものであるため、粒子形状の再現性が必ずしも良好ではなく、その結果、所望の消光比が得られない場合もあり、安定した生産を図る上で問題があった。
　本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、形状制御性が高く、かつ生産性の高い偏光素子を提供することを目的とする。
　前述した課題を解決するために、本願発明によって提供される第１の手段は、
　所定の波長の光に対して透過性を有する基体上に、島状に配設された金属素片の集合体を含み、かつ該金属素片のプラズモン共鳴波長が、該金属素片に照射される光の偏光方向により異なることを利用して、所望の偏光特性を発現せしめる偏光素子に於いて、該金属素片の所定の方向におけるプラズモン共鳴波長が、該偏光素子に照射される光の波長と略同一であり、かつ該偏光素子に照射される光の照射領域における、該金属素片の、該照射される光の伝搬方向に対して略直交する面内における幾何学的な断面積の総和が該光の照射領域の面積に比べて小さく、かつ該金属素片のプラズモン共鳴波長における吸収断面積の総和が、該照射領域の面積に比べて５倍以上であることを特徴とする偏光素子であり、
　また、本願発明によって提供される第２の手段は、
　第１の手段に係る偏光素子において、該金属素片の集合体が、所望の波長の光に対して透過性を有する誘電体で被覆されていることを特徴とする偏光素子であり、
　また、本願発明によって与えられる第３の手段は、
　第１及び第２の手段に係る偏光素子において、金属素片の形状が略直方体形状であり、かつ該金属素片の集合体において該略直方体の最も長い辺が、略一定の方向に揃っていることを特徴とする偏光素子であり、
　また、本願発明によって提供される第４の手段は、
　第１若しくは第２の手段に係る偏光素子において、該金属素片の形状が略楕円柱形状であり、楕円の長軸が、略一定の方向に揃っていることを特徴とする偏光素子であり、
　また、本願発明によって提供される第５の手段は
　第１乃至第４の手段のいずれかに係る偏光素子であって、
　該金属素片の、該照射される光の伝搬方向と平行方向の長さが、該照射される光の波長の１／１０以下であり、かつ該照射される光の伝搬方向と直交する面内における該金属素片の寸法が１μｍ以下であることを特徴とする偏光素子であり、
　更に、本願発明によって提供される第６の手段は、
　第１乃至第５の手段のいずれかに係る偏光素子であって、
　該金属素片を構成する金属がＡｌ、若しくはＡｌを主成分とする合金であることを特徴とする偏光素子である。
　本発明により成る偏光素子は、通常のナノインプリントリソグラフィを主体とするプロセスで製造することが可能であり、生産性が高く、かつ金属微粒子の形状及び寸法の制御性・再現性も、従来の金属微粒子分散型偏光ガラスに対して優れており、結果として、安定した生産を図ることができる。
　金属を数十ｎｍ程度の、光の波長より十分小さな微粒子にすると、その形状により決定される境界によって自由電子の移動が制限されるため、その金属微粒子を一様に分極した誘電体と同様に取り扱うことができる。このとき、微粒子の形状に依存してその内部に反電界が形成され、外部から印加される電界（以下、「外部電界」と記す）に対する応答に影響を与える。特に外部電界に対する応答が遅れるとエネルギー損失が発生し、ある特定の周波数で光を共鳴的に吸収するようになる。外部電界に対する応答は、所謂誘電応答、ε（ω）、として表され、以下に示す（１）式によって与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式（１）において、ωは照射光の角振動数、ε*（ω）は微粒子を構成する金属の角振動数：ωにおける複素誘電率、εａは金属微粒子の周辺媒質の誘電率、Ｌは微粒子の形状によって定まる反電界係数である。
　反電界係数は、微粒子の材質に依存せず、形状のみによって定まる係数であり、球を含めた回転楕円体形状の場合にのみ、解析的に求められる。例えば、球の場合の反電界係数は１／３となり、またアスペクト比が約３の回転楕円体の場合、その長径方向の値は０．１０８となる。
　また、単一微粒子による光の吸収係数、α、は、以下に示す（２）式によって与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　式（２）において、ｎａは金属微粒子の周辺媒質の屈折率、λは照射光の真空波長、ε’　とε’’は、各々角振動数ω（波長：λ）における複素誘電率（ε*（ω））の実部と虚部である。
　図３に、式（２）を用いて計算された、銀微粒子の場合について反電界係数が吸収係数のスペクトルに及ぼす影響を示す。図中３１は反電界係数が０．０６５の場合のスペクトル、３２は反電界係数が０．１０８のスペクトル、３３は反電界係数が０．１８６７の場合のスペクトルである。計算に際して、銀微粒子の周辺媒質の屈折率は１．４５（誘電率：２．１０２５）とし、照射光は回転楕円体の長軸方向に平行な方向に電界振動面を有する直線偏光波とした。図３に示したように、いずれの反電界係数の場合においても、吸収係数は特定の波長で極大となる。斯かる極大は、銀微粒子中の自由電子の振動が外部電界の振動（照射光の電界成分の振動に対応）と共鳴するためであり、一般的にプラズモン共鳴現象として知られている（以下、プラズモン共鳴が発生する光の波長を「プラズモン共鳴波長」と記す）。プラズモン共鳴波長は、照射される金属微粒子の反電界係数、正確には照射光の電界振動方向と平行な方向の反電界係数に依存して変化し、反電界係数の減少と共に、プラズモン共鳴波長は長波長側にシフトする。
　針状形状粒子の場合、葉巻型回転楕円体粒子と同様、長軸方向の反電界係数は短軸方向のそれに比べて小さく、両方向でプラズモン共鳴波長は異なることになる。前述した従来の金属微粒子分散型偏光ガラスにおいては、針状金属微粒子の長手方向のプラズモン共鳴波長が、所望の光の波長と略一致するように、反電界係数、すなわち針状微粒子のアスペクト比が定められている。斯かる場合に於いて、所望波長の直線偏光波を針状金属微粒子に照射した場合、その電界振動面が針状金属微粒子の長軸方向と一致するときには、金属微粒子による共鳴吸収のため、透過光の強度は大きく減衰する。これに対し、電界振動面が針状金属微粒子の短軸方向と一致する場合には、金属微粒子による共鳴吸収は起こらず、結果として、ほぼ減衰することなく針状金属微粒子を透過することになる。
　以上が、金属微粒子分散型偏光ガラスにおいて偏光効果が発現する機構であり、同偏光ガラスが“吸収型偏光素子”と云われる所以である。
　ところで、前述したように反電界係数は、微粒子の形状によって決定される因子であり、元来、回転楕円体に限らず、一般的な形状に於いても、その形状に特有の反電界係数が存在する。ただ、形状が球を含む回転楕円体の場合にのみ、解析的な数式で表現されるに過ぎない。すなわち、一般的な形状については、数値解析的な手法を用いることにより、反電界係数を求めることができる。換言すると、微粒子の形状が直方体形状の場合においても、その縦、横及び高さの寸法比を適当に選定することにより、前述した０．０６５等の反電界係数を実現することが可能である。
　一方、前述したように、図３に示した吸収係数、α、の大きさは、“吸収型偏光子”の消光比に比例する。例えば、厚さが２０ｎｍの直方体形状の微粒子を想定すると（ここで「厚さ」とは、照射される直線偏光平面波が伝搬する方向の長さ、を云う）、吸収係数、α、が約３の場合、当該直方体微粒子を透過した後の光の強度はｅｘｐ（－６０）になり、消光比として約－２６０ｄＢが得られることになる。当該消光比は、偏光素子の応用分野を問わず、その要求仕様値を大幅に超えるものである。
　発明者等は、以上の点に着目し、光学的に透明な基板上に、複数個の直方体形状の金属微粒子が島状に配設された構成の偏光素子の偏光特性について、鋭意検討を進めた結果、本願発明を完成するに至った（以下、斯かる構成の偏光子を「矩形微粒子配設型偏光素子」と記す）。
　以下、本願発明に係る矩形微粒子配設型偏光素子について、具体的に説明する。
　図４は、本願発明に係る矩形微粒子配設型偏光素子の構成の一例を示す斜視図である。図中、４１は光学的に透明な基板、４２は基板４１の表面、４３は直方体形状の金属素片、４４は光学的に透明な誘電体膜である。図に示したように、本願発明により成る矩形微粒子配設型偏光素子は、石英ガラス等の所望波長において光の透過性を有するガラス基板、あるいはサファイア等の単結晶から成る基板４１の表面４２上に、数十ｎｍから数百ｎｍオーダーの寸法を有する直方体形状の金属素片４３が、島状に複数個配設され、かつ当該素片は、ＳｉＯ２等の所望波長において光の透過性を有する誘電体膜で被覆された構成となっている。
　以下、矩形微粒子配設型偏光素子における偏光効果について説明する。
　前述したように、金属素片４３のプラズモン共鳴波長は、その材質である金属の誘電率と反電界係数によって決定される。例えば、照射光の波長に対してプラズモン共鳴を生じるように、金属素片４３の長辺方向の反電界係数が設定され、かつ金属素片４３の短辺方向の反電界係数が、それからずれるように設定されている場合を想定する。具体例については、実施例で説明するが、このような反電界係数の関係は、直方体の各辺の寸法比を適当に設定することにより実現される。
　斯かる構成において、基板表面４２の法線方向に略平行な方向から直線偏光波が照射された場合、当該直線偏光波の電界振動面が、直方体金属素片４３の長辺方向と平行であるときには、直方体金属素片４３の内部に誘発されるプラズモン共鳴により照射光のエネルギーは吸収され、透過光の強度は大きく減衰する。これに対して、照射される直線偏光波の電界振動面が直方体金属素片４３の短辺方向と平行である場合には、プラズモン共鳴によってそのエネルギーが損なわれることはない。
　以上が、矩形微粒子配設型偏光素子の動作原理である。
　発明者等は、斯かる着想に基づき、金属種、及び金属素片４３の基板表面４２における面積占有率が消光比に及ぼす影響について検討した結果、以下に述べる特異な現象が存在することを明らかにすると共に本願発明を完成するに至った。
　図５に、金属種がＴｉの場合について、面積占有率と減衰量との関係を示す。Ｔｉ素片の形状は、略直方体形状で、長辺、短辺、及び高さ（基板表面からの厚さの意、以下同様）の寸法は、各々、９５ｎｍ、２５ｎｍ、及び２０ｎｍである。基板は石英ガラスで、誘電体膜はＳｉＯ２である。
　ここで、本明細書における「略直方体形状」について説明する。図８は、金属素片の平面形状（照射光の伝搬方向に略直交する面内における形状）を模式的に示したものである。すなわち、「略直方体形状」とは、直方体の四角が丸みを帯びた形状を意味し、係る場合における長辺と短辺は、各々、図中のｌ、及びｗを云う。
　当該構成において、Ｔｉ素片の長辺方向のプラズモン共鳴波長は、６３０～６５０ｎｍとなる。面積占有率は、同一形状のＴｉ素片の繰り返しピッチを変えることにより変化させた。減衰量とは、Ｔｉ素片の長辺方向と平行な方向に電界振動面を有する直線偏光波を照射した場合の透過光強度と照射光強度の比をデシベルで表したものである。
　図中、●印は実際に得られた減衰量、破線で示された面積占有率と減衰量との関係は、減衰量は単純に面積占有率に比例するとして、以下の（３）式を用いて計算された減衰量、Ｉｇｅｏ、である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　式（３）において、Ｉ０は照射光強度、ＩｔはＴｉ素片を透過した光の強度、ｓは素片の面積占有率である。
　図に示したように、Ｔｉ素片の場合には、面積占有率の増加と共に減衰量は増大し、その値は、単純に面積占有率から計算された減衰量、Ｉｇｅｏ、とほぼ一致する。なお、照射光の電界振動面が、Ｔｉ素片の短辺方向と平行な場合、その減衰量は、面積占有率に依存せず約１ｄＢであった。
　図６に、金属種がＣｒの場合について、図５と同様の面積占有率と減衰量との関係を示す。Ｃｒ素片の形状は、直方体で、長辺、短辺、及び高さの寸法は、各々、２５０ｎｍ、２６ｎｍ、及び２０ｎｍである。基板、及び誘電体膜は、Ｔｉ素片の場合と同様、石英ガラス、及びＳｉＯ２である。当該構成において、Ｃｒ素片の長辺方向のプラズモン共鳴波長は、６３０～６５０ｎｍとなる。面積占有率は、同一形状のＣｒ素片の繰り返しピッチを変えることにより変化させた。
　図６において、■印が実際に得られた減衰量であり、破線で示された面積占有率と減衰量との関係は、図５と同様、減衰量は単純に面積占有率に比例するとして計算されたものである。Ｃｒ素片の場合、Ｔｉ素片の場合と比べて、同一面積占有率における減衰量は大きく、かつ破線で示された減衰量との差異も大きい。なお、照射光の電界振動面が、Ｃｒ素片の短辺方向と平行な場合、その減衰量は、面積占有率に依存せず約１ｄＢであった。
　図７に、金属種がＡｌの場合について、図５、６と同様の面積占有率と減衰量との関係を示す。Ａｌ素片の形状は、直方体で、長辺、短辺、及び高さの寸法は、各々、１８０ｎｍ、２５ｎｍ、及び２０ｎｍである。基板、及び誘電体膜は、Ｔｉ、Ｃｒ素片の場合と同様、石英ガラス、及びＳｉＯ２である。当該構成において、Ａｌ素片の長辺方向のプラズモン共鳴波長は、６３０～６５０ｎｍとなる。面積占有率は、同一形状のＡｌ素片の繰り返しピッチを変えることにより変化させた。
　図７において、◆印が実際に得られた減衰量であり、破線で示された面積占有率と減衰量との関係は、図５、６と同様、減衰量は単純に面積占有率に比例するとして計算されたものである。Ａｌ素片の場合、Ｔｉ、Ｃｒ素片の場合と比べて、同一面積占有率における減衰量は大きく、かつ破線で示された減衰量との差異も大きい。なお、照射光の電界振動面が、Ａｌ素片の短辺方向と平行な場合、その減衰量は、面積占有率に依存せず０．５～０．７ｄＢであった。
　図５から図７で示された結果において、特筆すべき現象は、程度の差こそあれ、いずれの金属種においても、実際に得られた減衰量が、単純に面積比率から計算される減衰量に比べて大きいことである。本結果は、その理論的根拠は不明であるが、図４において、金属素片４３に照射された光のみならず、金属素片が存在していない部分に照射された光の一部も、金属素片４３によって“吸い込まれ”、減衰していることを示唆しているものと解される。　図２に、図５から図７に示した各金属素片についての面積占有率と減衰量との関係を纏めた図を示す。同一面積占有率において、減衰量は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｌの順に大きく、かつこの順序に従って、実際に得られた減衰量と単純に面積比率から計算される減衰量との差異が拡大する。
　すなわち、発明者等の検討により、矩形微粒子配設型偏光素子における減衰量（消光比に対応）は、単に金属素片の吸収特性のみならず、斯かる“吸い込み効率”に大きく依存することが明らかとなった。
　そこで、発明者等は、プラズモン共鳴における“吸収断面積”なる概念に着目し、当該概念を導入することにより、前述した金属素片の“吸い込み”能力が考慮された、面積占有率と減衰量との関係が得られることを見出した。プラズモン共鳴における吸収断面積、Ｃａｂｓは、以下に示す（４）式によって与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　式（４）において、Ｖは金属素片の体積であり、他のパラメータは、前述した式（３）と同様である。式（４）と式（３）とを比較することにより、吸収断面積は、吸収係数、α、に、金属素片の体積、Ｖ、を乗じたものであることが判る。
　図１に各金属素片について、光の照射領域における、式（４）から得られた吸収断面積、Ｃａｂｓ、の総和と照射領域の面積との比率に対する減衰量の変化を示す。ここで、吸収断面積、Ｃａｂｓ、の総和と照射領域の面積との比率の意味は、必ずしも光が照射されている領域について限定されるものではなく、例えば、光が照射される領域に比べて充分広い領域に、金属素片が照射部と同様に配設されている場合には、当該領域についての吸収断面積の総和とその面積の比率を意味する。
　図に示したように、実際に得られた減衰量は、ほぼ一の曲線上に分布していることが判る。また、前述したように、照射される直線偏光波の電界振動面が、金属素片の短辺と平行な方向にある場合の減衰量は、金属素片の面積占有率に依らずほぼ１ｄＢであることを考慮すると、図に示された減衰量がほぼ消光比に対応する。
　偏光素子に求められる消光比は、その使用される分野によって異なるが、その最も低い値は約１０ｄＢ程度である。図１より、本消光比は、吸収断面積の総和と照射面積との比率が５以上で達成される。
　また、本願発明により成る矩形微粒子配設型偏光素子において、その偏光特性が発現するためには、構成する各金属素片に効率良くプラズモン共鳴が発生することが必要である。そのためには、照射光によって、各金属素片に一様な電界が印加されることが要件となる。このことから、金属素片の高さは、照射光の波長の１／１０以下が好適である。また、金属素片が配設されている基板表面が、照射光の伝搬方向と完全に直交している場合には、当該表面には一様な電界が印加されるため、照射光の波長が金属素片のプラズモン共鳴波長と一致するように、その長辺と短辺との比率が定められている限において、その寸法に係る制約はない。しかし、現実的には“完全に直交”することはあり得ないことから、これ等の寸法としては、１μｍ以下であることが好ましい。
　以下本願発明について、実施例を用いて、より詳細に説明する。
　１インチ角の石英ガラス基板上に、真空蒸着法を用いて、２０ｎｍ厚のＡｌ薄膜を形成した。その後、ナノインプリトリソグラフィー及び反応性イオンエッチング法を用いて、長辺と短辺が、各々１８０、及び２５ｎｍのＡｌ膜から成る金属素片群を、約５ｍｍ×５ｍｍの領域に形成した。その後、約４００ｎｍ厚のＳｉＯ２膜で金属素片群を被覆した。
　本実施例においては、金属素片の繰り返しピッチを変化させることにより、表１に示すように、幾何学的な面積占有率が異なる矩形微粒子配設型偏光素子を作成した。
　分光器を用いて、前述した方法で作成した偏光素子の透過特性を測定した結果、幾何学的な面積占有率に依らず、金属素片の長辺方向のプラズモン共鳴波長は、６３０～６５０ｎｍであった。そこで、波長が６３０ｎｍ、ビーム径が約１ｍｍの半導体レーザを用いて、各偏光素子について透過損失と消光比を測定した。なお、透過損失に関しては、幾何学的な面積占有率に依らず、０．５～０．７ｄＢの範囲で一定であった。表１に、測定された消光比、及び金属素片群が形成された領域（５ｍｍ×５ｍｍ）における金属素片の吸収断面積の総和と当該領域の面積の比率を、（吸収断面積の総和）／（照射領域の面積）として示す。なお、金属素片の吸収断面積は式（４）を用いて求めた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　本実施例における矩形微粒子配設型偏光素子の作成方法は、基本的に実施例１と同様であるが、本実施例においては、真空蒸着法で形成されるＡｌの膜厚を１５ｎｍとし、かつ略直方体形状の長辺と短辺の長さを、各々１４０ｎｍ及び２６ｎｍとした。
　分光器を用いて、前述した方法で作成した偏光素子の透過特性を測定した結果、幾何学的な面積占有率に依らず、金属素片の長辺方向のプラズモン共鳴波長は、６２０～６５０ｎｍであった。そこで、実施例１と同様の方法で透過損失と消光比を測定した。なお、透過損失に関しては、幾何学的な面積占有率に依らず、０．３～０．６ｄＢの範囲で一定であった。
　表２に、測定された消光比、及び実施例１と同様、金属素片群が形成された領域（５ｍｍ×５ｍｍ）における金属素片の吸収断面積の総和と当該領域の面積の比率を、（吸収断面積の総和）／（照射領域の面積）として示す。なお、金属素片の吸収断面積は式（４）を用いて求めた。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　以上、実施例を用いて、金属素片がＡｌから構成され、かつその形状が略直方体形状の場合について詳細に説明した。前述したように、本願発明の効果は、金属素片のある特定方向のプラズモン共鳴波長が、照射光の波長と略同一であると云う要件を充足する限において、他の金属素片の形状、例えば楕円体柱形状、あるいは小判型形状等にいおいても得られることは明白であり、改めて言及するまでもない。
　本願発明により成る偏光素子は、液晶プロジェクタを始めとする光学機器に広く適用することが可能である。
各種金属素片について、光の照射領域における吸収断面積、Ｃａｂｓ、の総和と照射領域の面積との比率に対する減衰量の変化。 各種金属素片についての面積比率と減衰量との関係。 反電界係数が吸収係数のスペクトルに及ぼす影響。 本願発明に係る矩形微粒子配設型偏光素子の構成の一例を示す斜視図。 金属素片がＴｉの場合についての面積占有率と減衰量との関係。 金属素片がＣｒの場合についての面積占有率と減衰量との関係。 金属素片がＡｌの場合についての面積占有率と減衰量との関係。 略直方体形状の意義を説明するための概略図。
符号の説明
３１　反電界係数が０．０６５での場合の吸収係数のスペクトル
３２　反電界係数が０．１０８の場合の吸収係数のスペクトル
３３　反電界係数が０．１８６７の場合のス吸収係数のスペクトル
４１　光学的に透明な基板
４２　基板４１の表面
４３　直方体形状の金属素片
４３　光学的に透明な誘電体膜
 

Claims (6)

  1. 　所定の波長の光に対して透過性を有する基体上に、島状に配設された金属素片の集合体を含み、かつ該金属素片のプラズモン共鳴波長が、該金属素片に照射される光の偏光方向により異なることを利用して、所望の偏光特性を発現せしめる偏光素子に於いて、該金属素片の所定の方向におけるプラズモン共鳴波長が、該偏光素子に照射される光の波長と略同一であり、かつ該偏光素子に照射される光の照射領域における、該金属素片の、該照射される光の伝搬方向に対して略直交する面内における幾何学的な断面積の総和が該光の照射領域の面積に比べて小さく、かつ該金属素片のプラズモン共鳴波長における吸収断面積の総和が、該照射領域の面積に比べて５倍以上であることを特徴とする偏光素子。
  2. 　該金属素片の集合体が、所望の波長の光に対して透過性を有する誘電体で被覆されていることを特徴とする請求項１に記載された偏光素子。
  3. 　該金属素片の形状が略直方体形状であり、かつ該金属素片の集合体において該略直方体の最も長い辺が、略一定の方向に揃っていることを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載の偏光素子。
  4. 　該金属素片の形状が略楕円柱形状であり、楕円の長軸が、略一定の方向に揃っていることを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載の偏光素子。
  5. 　該金属素片の、該照射される光の伝搬方向と平行方向の長さが、該照射される光の波長の１／１０以下であり、かつ該照射される光の伝搬方向と直交する面内における該金属素片の寸法が１μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の偏光素子。
  6. 　該金属素片を構成する金属がＡｌ、若しくはＡｌを主成分とする合金であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の偏光素子。
     
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