WO2012102350A1 - 表面プラズモンセンサ、及び屈折率の測定方法 - Google Patents

表面プラズモンセンサ、及び屈折率の測定方法 Download PDF

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WO2012102350A1
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surface plasmon
refractive index
plasmon sensor
incident
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松田豊稔
小田川裕之
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独立行政法人国立高等専門学校機構
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Definitions

  • the present invention relates to a surface plasmon sensor and a refractive index measurement method using the surface plasmon sensor.
  • a surface plasmon sensor is known as a sensor for optically measuring the refractive index of a liquid or the like.
  • the incident angle characteristics (absorption curve) of the reflectance ⁇ when the incident light of wavelength ⁇ is irradiated on the metal surface, the reflectance ⁇ decreases rapidly at a specific incident angle (hereinafter referred to as the absorption angle ⁇ sp ).
  • This phenomenon is called plasmon resonance absorption and is caused by electromagnetic wave coupling between incident light and surface plasmons existing on the metal surface.
  • the reflected light is reflected. Strength decreases.
  • the surface plasmon sensor is a sensor that measures the refractive index of a sample such as a liquid using plasmon resonance absorption.
  • Some surface plasmon sensors have a prism disposed on a metal surface, and others have a periodic structure in which grooves are cut at equal intervals on a metal surface as disclosed in Patent Document 1, for example.
  • the surface plasmon sensor, pre refractive index n s is to previously obtain the absorption angle theta sp known reference material, the difference ⁇ between the absorption angle theta sp absorption angle theta 'sp and the reference material sample measured refractive index n
  • the absorption angle ⁇ sp is an angle at which the reflectance ⁇ decreases rapidly. Therefore, the minimum point must be detected to measure the absorption angle ⁇ sp , and the measurement is complicated. there were.
  • the present invention has been made in view of the above points, and provides a surface plasmon sensor capable of easily measuring a refractive index and a method for measuring a refractive index.
  • a surface plasmon sensor includes a reflector having a metal layer having a periodic structure, a sample disposed thereon, a light source that irradiates the reflector with incident light, and the reflector.
  • a light receiving unit that receives the reflected light reflected, and a measurement unit that measures the refractive index of the sample based on phase difference information of two types of waves having different polarization directions included in the reflected light that is transmitted through and reflected by the sample. It is characterized by providing.
  • the refractive index measurement method is a refractive index measurement method using a surface plasmon sensor that measures the refractive index of a sample disposed on a reflector having a metal layer having a periodic structure.
  • the step of irradiating the reflecting plate with incident light, the step of receiving the reflected light reflected by the reflecting plate with a light receiving unit, and the two types of waves having different polarization directions included in the reflected light received by the light receiving unit Measuring the refractive index of the sample based on phase information.
  • the refractive index can be easily measured.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a surface plasmon sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • 1 is a schematic diagram of a surface plasmon sensor according to a first embodiment of the present invention.
  • variation of the ellipticity of the reflected light which concerns on 1st Embodiment of this invention The figure which shows the phase of the reflected light which concerns on 1st Embodiment of this invention.
  • Schematic of the surface plasmon sensor which concerns on 2nd Embodiment of this invention Schematic of the surface plasmon sensor which concerns on 3rd Embodiment of this invention.
  • variation of the ellipticity which concerns on 3rd Embodiment of this invention The figure which shows the azimuth angle characteristic of the ellipticity which concerns on 3rd Embodiment of this invention. Schematic of the surface plasmon sensor which concerns on 4th Embodiment of this invention. The figure explaining the measuring method of the fluctuation
  • strength characteristic which concerns on 8th Embodiment of this invention The figure explaining the measuring method of the received light intensity which concerns on 8th Embodiment of this invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing an outline of a surface plasmon sensor 1 according to the present embodiment.
  • a surface plasmon sensor 1 in FIG. 1 includes a reflecting plate 11 having a metal layer 10 having a periodic structure, a light source 12 that irradiates incident light on the reflecting plate 11, and a light receiving unit 13 that receives reflected light reflected by the reflecting plate. And a measuring unit 14 that measures the refractive index n of the sample placed on the reflecting plate 11 from the fluctuation of the ellipticity of the reflected light.
  • the reflecting plate 11 includes a substrate 15 such as silicon and a metal layer 10 such as aluminum laminated on the substrate 15.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating an example of the metal layer 10.
  • irregularities are periodically formed at intervals d that are about the wavelength of light.
  • the metal layer 10 has a periodic structure with a period d.
  • a direction in which the uneven shape is repeatedly formed is referred to as a periodic direction.
  • the periodic structure is formed on the surface of the metal layer 10 that is not in contact with the substrate 15, and the irregular shape is periodically formed in one direction (the x direction in FIG. 2A).
  • the formed periodic structure is called a one-dimensional periodic structure.
  • the periodic direction is the x direction.
  • a periodic structure is formed on the surface of the metal layer 10 that is not in contact with the substrate 15 and is periodically uneven in two directions (x and y directions in FIG. 2B).
  • the periodic structure in which the shape is formed is called a two-dimensional periodic structure.
  • the periodic directions are the x direction and the y direction.
  • the periodic structure in which the periodic structure is formed on both the surface in contact with the surface 15 and the surface facing the surface 15 and the concavo-convex shape is periodically formed in one direction is a one-dimensional thin film. It is called a periodic structure. In this case, the periodic direction is the x direction.
  • the substrate of the metal layer 10 is used.
  • the periodic structure is formed on both the surface in contact with the surface 15 and the surface opposite to the surface, and the periodic structure in which irregularities are periodically formed in two directions (x and y directions in FIG. 2D). This is called a dimensional thin film periodic structure.
  • the periodic directions are the x direction and the y direction.
  • the periodic structure is formed on both surfaces of the metal layer 10, but the periodic structure may be formed only on one surface facing the substrate 15.
  • a plurality of periodic structures can be formed on the surface of the metal layer 10 depending on the direction in which the uneven shape is repeatedly formed.
  • the metal layer 10 of the present embodiment may have any of the above-described periodic structures, but here, it will be described as having a one-dimensional periodic structure with the x direction as the periodic direction.
  • the reflecting plate 11 is referred to as a periodic direction (x direction) of the metal layer 10 and a surface S1 on which incident light emitted from the light source 12 is incident (hereinafter referred to as an incident surface S1. Details will be described later. ) And are arranged obliquely so as not to be orthogonal to each other. In this way, the arrangement of the reflecting plate 11 so that the incident surface S1 and the periodic direction are not orthogonal is called a conical mount. An angle formed by the incident surface S1 and the periodic direction is referred to as an azimuth angle ⁇ .
  • the reflector 11 of the present embodiment is arranged so that ⁇ ⁇ 0 ° and 90 °.
  • the wave number vectors of incident light and zero-order diffracted light (hereinafter referred to as reflected light) exist in the incident plane.
  • a sample 16 to be measured for the refractive index n a sample 16 to be measured for the refractive index n, a reference material to be a reference for measuring the refractive index n of the sample 16, and the like are arranged.
  • the light source 12 is composed of a light receiving element such as a semiconductor laser or a light emitting diode. Incident light having p waves is emitted from the light source 12.
  • the light source 12 irradiates incident light while changing the angle ⁇ (hereinafter referred to as incident angle ⁇ ; see FIG. 3) for irradiating incident light.
  • the light source 12 includes a driving device (not shown) necessary for changing the incident angle ⁇ .
  • the incident angle may be optically changed by using, for example, a laser diode array.
  • the light receiving unit 13 is configured by, for example, a photodiode.
  • the light receiving unit 13 receives reflected light having p waves and s waves.
  • the light receiving unit 13 includes a driving device for receiving reflected light in conjunction with fluctuations in the incident angle ⁇ of incident light.
  • the light receiving unit 13 may also optically change the reflection angle of the reflected light from the light receiving unit 13 by using a photodiode array.
  • the measuring unit 14 measures the ellipticity of the reflected light received by the light receiving unit 13 and measures the variation of the ellipticity.
  • the measurement unit 14 measures an incident angle ⁇ 0 (hereinafter referred to as an absorption angle ⁇ 0 ) at which the ellipticity is zero from the measured variation in ellipticity.
  • the refractive index n of the sample 16 is measured.
  • the reflected light received by the light receiving unit 13 will be described with reference to FIG.
  • the reflected light is divided into a p-wave component parallel to the incident surface S1 and a vertical s-wave component.
  • the electric field vector of the light appears to rotate in an elliptical shape as shown in FIG. 4B according to the phase difference ⁇ between the p wave and the s wave.
  • the angle formed by the long axis of the ellipse formed by the electric field vector of the light with respect to the x direction is referred to as an ellipse tilt angle ⁇ .
  • phase difference ⁇ between the p wave and the s wave is smaller than zero, that is, when the s wave is delayed as compared with the p wave, the light turns left in an elliptical shape as viewed from the traveling direction, as shown in FIG. ing. This is called left elliptical polarization. At this time, the ellipticity tan ⁇ is smaller than zero.
  • phase difference ⁇ between the p wave and the s wave is zero, that is, the phases of the p wave and the s wave are the same, the light vibrates linearly as seen from the traveling direction, as shown in FIG. This is called linearly polarized light.
  • the ellipticity tan ⁇ at this time is zero.
  • phase difference ⁇ between the p wave and the s wave is greater than zero, that is, when the s wave is ahead of the p wave, as shown in FIG. It is turning. This is called right elliptical polarization. At this time, the ellipticity tan ⁇ is larger than zero.
  • the ellipticity tan ⁇ of the reflected light depends on the phase of the p wave and the s wave. Therefore, the phase relationship between the p wave and the s wave can be known by measuring the ellipticity tan ⁇ of the reflected light with the measuring unit 14.
  • the ellipticity of the sample 16 a method for measuring the fluctuation of the ellipticity of the reflected light (hereinafter referred to as the ellipticity of the sample 16) when the sample 16 is arranged on the reflecting plate 11 will be described with reference to FIG.
  • the variation of the ellipticity of the sample 16 when the incident angle ⁇ of the incident light is changed is measured.
  • a sample 16 is placed on the reflecting plate 11 (S101), and incident light having an incident angle ⁇ and a wavelength ⁇ is irradiated from the light source 12 (S102).
  • the light source 12 emits p-wave incident light.
  • the light receiving unit 13 receives light (reflected light) of incident light reflected by the reflecting plate 11 via the sample 16 (S103).
  • the measurement unit 14 measures the ellipticity of the reflected light from the reflected light (S104).
  • the light source 12 changes the incident angle ⁇ of the incident light to be irradiated to ⁇ + ⁇ (S105).
  • the process returns to step S102.
  • the ellipticity tan ⁇ is measured in the entire range of the incident angle ⁇ to be measured (Yes in S106)
  • the measurement of the ellipticity variation of the sample 16 is finished.
  • FIG. 8 shows a simulation result of the variation of the ellipticity tan ⁇ at each incident angle ⁇ measured by the measurement unit 14.
  • FIG. 8 is a diagram showing a tan ⁇ - ⁇ characteristic curve of air, which is the sample 16, measured according to the ellipticity variation measurement flowchart of FIG.
  • a holographic aluminum lattice is used as the reflecting plate 11.
  • the wavelength ⁇ 670 nm
  • the incident angle ⁇ is in the range of 3 ° ⁇ ⁇ 15 °. It was changed with.
  • the tan ⁇ - ⁇ characteristic curve changes from positive to negative before and after the absorption angle ⁇ 0 where the ellipticity tan ⁇ becomes zero.
  • FIG. 9 shows the phases ⁇ p and ⁇ s and the phase difference ⁇ at each incident angle ⁇ measured by the measurement unit 14.
  • the simulation results are shown.
  • air is used as the sample 16 and a holographic aluminum lattice is used as the reflecting plate 11.
  • the incident angle ⁇ is 10 ° ⁇ ⁇ 15 °. Varyed in range.
  • the graph indicated by the solid line in FIG. 9 indicates the change in the phase ⁇ p of the p wave, and the graph indicated by the dashed line indicates the phase ⁇ s of the s wave.
  • phase ⁇ p of the p-wave of the reflected light varies abruptly when the incident angle ⁇ ranges from 13 ° to 14 °, and the phase ⁇ s of the s-wave varies smoothly.
  • the phase [delta] incident angle phase difference [delta] is zero angle of incidence p and s-wave phase [delta] s intersects ⁇ is the p-wave and s-wave ⁇ of p-wave in FIG. 9, ellipticity tan ⁇ is zero
  • the absorption angle ⁇ 0 is as follows.
  • the phase difference ⁇ of the reflected light changes from positive to negative or from negative to positive before and after the absorption angle ⁇ 0 .
  • the ellipticity tan ⁇ of the reflected light changes from positive to negative or from negative to positive before and after the absorption angle ⁇ 0 . Therefore, by measuring tan ⁇ , the absorption angle ⁇ 0 at which the phase difference ⁇ becomes zero can be measured.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a simulation result of the reflectance ⁇ measured by the measurement unit 14.
  • a graph indicated by a broken line indicates the reflectance ⁇ p of the p wave
  • a graph indicated by a dashed line indicates the reflectance ⁇ s of the s wave.
  • the graph shown by the solid line shows the reflectance ⁇ of the reflected light combining the reflectances ⁇ s and ⁇ p of the p wave and the s wave.
  • the reflectance of the reflected light ⁇ is the smallest angle of incidence is absorbed angle theta sp.
  • a surface plasmon sensor that measures the refractive index n using the reflectance ⁇ of reflected light measures the fluctuation of the reflectance ⁇ of the p wave while varying the incident angle, and detects the minimum point to detect the absorption angle ⁇ . Measure sp .
  • the variation of the ellipticity tan ⁇ is measured instead of the variation of the reflectance ⁇ , and the absorption angle ⁇ 0 is measured by detecting the zero point at which the ellipticity tan ⁇ becomes zero. .
  • the absorption angle ⁇ 0 of the ellipticity tan ⁇ and the absorption angle ⁇ sp of the reflectance ⁇ are not necessarily the same value, but are very close to each other. Therefore, in the surface plasmon sensor 1 according to the present embodiment, the reflectance ⁇
  • the refractive index n of the sample 16 is measured using the absorption angle ⁇ 0 of the ellipticity tan ⁇ instead of the absorption angle ⁇ sp of .
  • FIG. 11 shows the incident angle characteristics of the ellipticity tan ⁇ of the reflected light of the sample 16 having the refractive indexes n of “1.0002”, “1.0003”, and “1.0004”, respectively, and the incident angle characteristics of the reflectance ⁇ .
  • FIG. 11 and FIG. 12 both show simulation results. 11 and 12, the incident angle characteristics near the absorption angles ⁇ 0 and ⁇ sp are enlarged.
  • the solid lines in FIGS. 11 and 12 indicate the incident angle characteristics of the refractive index “1.0002”, the dashed line “1.0003”, and the broken line “1.0004”.
  • the incident angle characteristic of each refractive index n is substantially linear. Since the ellipticity tan ⁇ is an incident angle at which the ellipticity tan ⁇ becomes zero, the absorption angle ⁇ 0 of the ellipticity tan ⁇ can be measured by detecting the zero point of each incident angle characteristic. Zero point detection can be easily and accurately measured.
  • the incident angle characteristic of each refractive index n is non-linear drawing a downwardly convex gentle curve.
  • Absorption angle theta sp reflectance ⁇ since the reflectance ⁇ is the angle of incidence which minimizes the absorption angle theta sp reflectance ⁇ be performed minimal point detection of the incident angle characteristics can be measured.
  • the difference between the refractive indexes n is small and the Q value of the incident angle characteristic is small, it seems that the minimum points overlap as shown in FIG. 12, and it is difficult to measure the absorption angle ⁇ sp with high accuracy. .
  • the incident angle characteristic of the ellipticity tan ⁇ is substantially linear in the vicinity of the absorption angle ⁇ 0 , even if the difference between the refractive indexes n is small, the difference can be detected as the difference in the absorption angle ⁇ 0 .
  • the surface plasmon sensor 1 of the present embodiment the reference material refractive index n s is known and disposed on the reflective plate 11 first as a sample 16, the variation of the ellipticity tan ⁇ of the reflected light in accordance with the procedure shown in FIG. 7 Measure the absorption angle ⁇ 0 .
  • a sample 16 whose refractive index n is to be measured is placed on the reflector 11, and the absorption angle ⁇ ′ 0 at which the ellipticity tan ⁇ becomes zero is measured according to the same procedure as that for the reference material.
  • the absorption angle ⁇ 0 of the reference material is measured.
  • the measurement may be omitted.
  • the measuring unit 14 may acquire the incident angle ⁇ from the light source 12 every time the ellipticity tan ⁇ of the reflected light is measured, and acquire the incident angle ⁇ when the ellipticity tan ⁇ becomes zero from the light source 12. May be.
  • the measurement unit 14 may obtain the incident angle when the ellipticity tan ⁇ is measured from the range of the incident angle ⁇ and the change in the incident angle ( ⁇ in step S105).
  • the measurement unit 14 may control the light source 12 to execute the above-described method of measuring the refractive index n, or a control unit (not shown) may be provided and each unit may be controlled by the control unit.
  • the surface plasmon sensor 1 measures the refractive index n of the sample 16 from the fluctuation of the ellipticity tan ⁇ , specifically the absorption angle ⁇ 0 where the ellipticity tan ⁇ becomes zero.
  • Entrance angularity of ellipticity tan ⁇ since a substantially linear near the absorption angle theta 0, because the absorption angle theta 0 ellipticity tan ⁇ becomes zero can be measured by performing a zero-point detection, complex, such as a minimum point detection Detection becomes unnecessary, and the absorption angle ⁇ 0 can be measured easily and with high accuracy. For this reason, the refractive index n can be measured even with a substance having a small difference in the refractive index n such as gas.
  • FIG. 13 is a diagram showing an outline of the surface plasmon sensor 2.
  • the metal layer 20 of the reflector 21 has the one-dimensional thin film periodic structure shown in FIG. 2C and the incident light is incident from the substrate 25 side. Different from the surface plasmon sensor 1 of FIG.
  • the reflection plate 21 includes a substrate 25 that transmits light, such as a silicon substrate, and a metal layer 20 having a one-dimensional thin film periodic structure.
  • the reflector 21 is laminated in the order of the substrate 25 and the metal layer 20 from the side closer to the light source 12, and the sample 16 is disposed on the surface of the metal layer 20 facing the substrate 25.
  • the metal layer 20 of this embodiment has a periodic structure on both surfaces, you may make it have a periodic structure only in the surface where the sample 16 is arrange
  • the refractive index n of the sample 16 is the same as in the first embodiment. Can be measured.
  • FIG. 14 is a diagram showing an outline of the surface plasmon sensor 3.
  • the surface plasmon sensor 3 according to the present embodiment is the same as the surface plasmon sensor 1 of FIG. 1 in that the incident angle ⁇ and the wavelength ⁇ are constant and the variation of the ellipticity tan ⁇ is measured while varying the azimuth angle ⁇ of the reflector 31. Different.
  • the reflection plate 31 has a driving device (not shown) and rotates so that the azimuth angle ⁇ varies.
  • the measuring unit 34 measures the variation in ellipticity of the reflected light received by the light receiving unit 13.
  • the measuring unit 34 measures an azimuth angle ⁇ 0 at which the measured ellipticity is zero (hereinafter referred to as an absorption azimuth angle ⁇ 0 ).
  • Steps up to step S104 are the same as those in FIG.
  • the reflector 31 changes the azimuth angle ⁇ to ⁇ + ⁇ (S305). If the ellipticity tan ⁇ has not been measured at all azimuth angles ⁇ for measuring the variation of the ellipticity (no in S306), the process returns to step S102. On the other hand, when the ellipticity tan ⁇ is measured at all azimuth angles ⁇ (Yes in S306), the measurement of the sample 16 is finished.
  • the refractive indexes n are “1.0003” and “1.00039”, respectively.
  • the solid line represents the azimuth angle characteristic with the refractive index “1.0001”, the broken line “1.0003”, and the alternate long and short dash line “1.00039”.
  • the azimuth characteristics of each refractive index n are substantially linear. Therefore, the absorption azimuth angle ⁇ 0 at which the ellipticity tan ⁇ becomes zero can be easily and accurately measured even if the azimuth angle characteristic is used as in the incident angle characteristic of the first embodiment.
  • the reference material refractive index n s is known and disposed on the reflective plate 31, the ellipticity tan ⁇ when changing the azimuth angle according to the procedure shown in FIG. 15 The fluctuation is measured, and the absorption azimuth angle ⁇ 0 at which the ellipticity tan ⁇ becomes zero is measured.
  • the sample 16 whose refractive index n is to be measured is placed on the reflector 31 and the absorption azimuth angle ⁇ ′ 0 at which the ellipticity tan ⁇ becomes zero is measured according to the same procedure as that for the reference material.
  • the absorption azimuth angle ⁇ 0 of the reference material is measured.
  • the refractive index n s and the absorption azimuth angle ⁇ 0 of the reference material are known, the measurement may be omitted.
  • the measuring unit 34 may acquire the azimuth angle ⁇ of the reflecting plate 31 from the reflecting plate 31 every time the ellipticity tan ⁇ of the reflected light is measured, and reflects the azimuth angle ⁇ when the ellipticity tan ⁇ becomes zero. You may make it acquire from the board 31.
  • the measurement unit 34 may obtain the azimuth angle ⁇ when the ellipticity tan ⁇ is measured from the range of the azimuth angle ⁇ and the change in the azimuth angle ⁇ ( ⁇ in step S305).
  • the measurement unit 34 may control the reflecting plate 31 to execute the above-described method of measuring the refractive index n, or a control unit (not shown) may be provided and each unit may be controlled by the control unit. Good.
  • the ellipticity varies when the azimuth angle ⁇ is varied even if the incident angle ⁇ is constant, so that the refraction of the sample 16 does not occur without varying the incident angle ⁇ .
  • the rate n can be measured easily and with high accuracy.
  • FIG. 17 is a diagram showing an outline of the surface plasmon sensor 4.
  • the surface plasmon sensor 4 according to this embodiment is different from the surface plasmon sensor 1 of FIG. 1 in that the incident angle ⁇ and the azimuth angle ⁇ are constant and the variation of the ellipticity tan ⁇ is measured while varying the wavelength ⁇ of the incident light. .
  • the light source 42 is composed of, for example, a semiconductor laser.
  • the semiconductor laser can change the wavelength of incident light by receiving a control signal from a control unit (not shown).
  • the light source 42 may include the control unit.
  • the light source 42 irradiates incident light while changing the wavelength ⁇ of the incident light.
  • the measuring unit 44 measures the variation in ellipticity of the reflected light received by the light receiving unit 13.
  • the measuring unit 44 measures a wavelength ⁇ 0 (hereinafter referred to as an absorption wavelength ⁇ 0 ) at which the measured ellipticity is zero.
  • ⁇ n the refractive index difference between the sample 16 and the reference material. Since the other structure is the same as that of the surface plasmon sensor 1 shown in FIG. 1, description is abbreviate
  • Steps up to step S104 are the same as those in FIG.
  • the light source 42 changes the irradiating wavelength ⁇ to ⁇ + ⁇ (S405). If the ellipticity tan ⁇ has not been measured at all wavelengths for measuring the variation in ellipticity (no in S406), the process returns to step S102. On the other hand, when the ellipticity tan ⁇ is measured at all wavelengths (Yes in S406), the measurement of the sample 16 is finished.
  • FIG. 19 shows the wavelength characteristics of the ellipticity tan ⁇ of the reflected light in the sample 16 whose refractive index n is “1.0003”, “1.00039”, and “1.0001”, respectively.
  • the broken line indicates the wavelength characteristic of the refractive index “1.0001”, the solid line indicates “1.0003”, and the dashed line indicates “1.00039”.
  • the wavelength characteristic of each refractive index n is substantially linear. Therefore, the absorption wavelength ⁇ 0 at which the ellipticity tan ⁇ becomes zero can be easily and accurately measured even when the wavelength characteristic is used in the same manner as the incident angle characteristic of the first embodiment.
  • the reference material refractive index n s is known and disposed on the reflective plate 11, variations in the ellipticity tan ⁇ when changing the wavelength in accordance with the procedure shown in FIG. 18 And the absorption wavelength ⁇ 0 at which the ellipticity tan ⁇ becomes zero is measured.
  • a sample 16 whose refractive index n is to be measured is placed on the reflector 11, and the absorption wavelength ⁇ ′ 0 at which the ellipticity tan ⁇ becomes zero is measured according to the same procedure as that for the reference material.
  • the absorption wavelength ⁇ 0 of the reference material is measured.
  • the measurement may be omitted if the refractive index n s and the absorption wavelength ⁇ 0 of the reference material are known.
  • the measuring unit 44 may acquire the wavelength ⁇ of the incident light from the light source 42 every time the ellipticity tan ⁇ of the reflected light is measured, and acquire the wavelength ⁇ when the ellipticity tan ⁇ becomes zero from the light source 42. You may do it.
  • the measurement unit 44 may obtain the wavelength ⁇ when the ellipticity tan ⁇ is measured from the range of the wavelength ⁇ and the change in the wavelength ⁇ ( ⁇ in step S405).
  • the measurement unit 44 may control the light source 42 to execute the above-described method of measuring the refractive index n.
  • a control unit (not shown) may be provided and each unit may be controlled by the control unit. .
  • the ellipticity varies when the wavelength ⁇ is varied even when the incident angle ⁇ is constant. Therefore, the refractive index of the sample 16 is not varied without varying the incident angle ⁇ . n can be measured easily and with high accuracy. Since it is not necessary to change the incident angle ⁇ , the light source 42 does not require a driving device, and the surface plasmon sensor 4 can be downsized.
  • the surface plasmon sensor 5 according to the fifth embodiment will be described with reference to FIG.
  • the surface plasmon sensor 5 according to the present embodiment includes a control unit 57 that controls the wavelength ⁇ of incident light emitted from the light source 52 based on the ellipticity tan ⁇ measured by the measurement unit 54.
  • the light source 52 controls a semiconductor laser (not shown) based on a control signal input from the control unit 57 and irradiates incident light having a wavelength ⁇ .
  • the measuring unit 54 measures the ellipticity tan ⁇ from the reflected light received by the light receiving unit 13.
  • the measuring unit 54 outputs the ellipticity tan ⁇ to the control unit 57.
  • the control unit 57 generates a control signal based on the ellipticity tan ⁇ input from the measurement unit 54 so that the light source 52 emits incident light having a wavelength ⁇ at which the ellipticity tan ⁇ becomes zero.
  • the control unit 57 outputs a control signal to the light source 52.
  • the information input from the measurement unit 54 to the control unit 57 may be information that allows the control unit 57 to identify whether or not the ellipticity tan ⁇ is zero, even if it is not the ellipticity tan ⁇ itself. For example, information such as the phase difference ⁇ between the p wave and the s wave and which phase is advanced may be input from the measurement unit 54 to the control unit 57.
  • Steps up to step S104 are the same as those in FIG.
  • the measuring unit 54 measures the ellipticity tan ⁇ (step S104), and outputs the measured ellipticity tan ⁇ to the control unit 57. If the ellipticity tan ⁇ is not zero (no in step S506), the control unit 57 changes the wavelength ⁇ and generates a control signal so as to be ⁇ + ⁇ (step S507). When the control unit 57 passes the control signal to the light source 52, the control unit 57 returns to Step S102. On the other hand, if the ellipticity is zero (yes in step S506), the ellipticity variation measurement is terminated.
  • the ellipticity tan ⁇ when the wavelength characteristic of the ellipticity tan ⁇ near the absorption wavelength ⁇ 0 is substantially linear with a positive slope, when the wavelength ⁇ is changed in step S507, the ellipticity tan ⁇ is The wavelength ⁇ may be shortened when positive, and may be increased when negative. Note that the wavelength characteristic of the ellipticity tan ⁇ may be substantially linear with a negative slope near the absorption wavelength ⁇ 0 . In this case, the wavelength ⁇ may be shortened when the ellipticity tan ⁇ is negative, and may be changed so as to be longer when the ellipticity tan ⁇ is positive.
  • the reference material refractive index n s is known and disposed on the reflective plate 11, variations in the ellipticity tan ⁇ when changing the wavelength in accordance with the procedure shown in FIG. 21 And the absorption wavelength ⁇ 0 at which the ellipticity tan ⁇ becomes zero is measured.
  • a sample 16 whose refractive index n is to be measured is placed on the reflector 11, and the absorption wavelength ⁇ ′ 0 at which the ellipticity tan ⁇ becomes zero is measured according to the same procedure as that for the reference material.
  • the refractive index n of the sample 16 is measured from the absorption wavelengths ⁇ 0 and ⁇ ′ 0 as in the fourth embodiment.
  • the measurement of the refractive index n may be performed by the measurement unit 54 as in the fourth embodiment, or may be performed by the control unit 57.
  • the control unit 57 may be configured to have the function of the measurement unit 54, and the measurement unit 54 may be omitted.
  • the measurement unit 54 feeds back the ellipticity tan ⁇ so that the wavelength ⁇ of the light source 52 can be changed according to the measured ellipticity tan ⁇ . Become. Thereby, the absorption wavelength ⁇ 0 can be measured in a short time, and the refractive index measurement time of the sample 16 can be shortened.
  • the wavelength ⁇ of the light source 52 is changed according to the measured ellipticity tan ⁇ , but the incident angle ⁇ may be changed instead of the wavelength ⁇ to measure the absorption angle ⁇ 0 , The angle ⁇ may be changed and the absorption azimuth angle ⁇ 0 may be measured.
  • the control unit 57 controls the reflector 11 instead of the light source 52.
  • the surface plasmon sensor 6 according to the sixth embodiment will be described with reference to FIG.
  • the surface plasmon sensor 6 according to the present embodiment is different from the surface plasmon sensor 5 according to the fourth embodiment in the method of measuring the refractive index n in the measurement unit 64. Since the other configuration is the same, the description thereof is omitted.
  • the absorption wavelength ⁇ 0 of the reference material is measured. Since this is measured in the same manner as in the fifth embodiment, description thereof is omitted.
  • the sample 16 whose refractive index n is to be measured is placed on the reflecting plate 11, and incident light whose wavelength ⁇ is the absorption wavelength ⁇ 0 of the reference material is irradiated from the light source 52.
  • the measuring unit 64 measures the ellipticity tan ⁇ of the reflected light received by the light receiving unit 13.
  • the refractive index of the sample 16 placed on the reflection plate 11 changes from n s to n s + [Delta] n
  • the incident angle characteristic of the ellipticity tan ⁇ also theta + to ⁇ changes.
  • the change ⁇ in the absorption angle theta 0 ellipticity tan ⁇ becomes zero, but may be measured change ⁇ n in refractive index n s, constant wavelength lambda 0 and the incident by measuring the change in ellipticity tan ⁇ at the corners theta 0 (arrow in FIG. 23)
  • the change ⁇ n in refractive index n s may be measured.
  • the ellipticity Tankai of Sample 16 Tankai a linear portion of the incident angle characteristics of ellipticity Tankai - intended to be from Tankai + range.
  • the measurement unit 64 measures the wavelength ⁇ 0 at which the ellipticity tan ⁇ of the reference material becomes zero at a constant incident angle ⁇ , and the ellipticity tan ⁇ of the sample 16 at the incident angle ⁇ and wavelength ⁇ 0. Measure.
  • the measuring unit 64 measures the change ⁇ n in the refractive index n of the sample 16 from the measured ellipticity tan ⁇ of the sample 16.
  • the wavelength ⁇ 0 where the ellipticity tan ⁇ of the reference material is zero is measured by changing the wavelength ⁇ with the incident angle constant, but the reference angle can be changed by changing the incident angle ⁇ while keeping the wavelength constant.
  • the ellipticity tan ⁇ of the sample 16 may be measured at an incident angle ⁇ 0 and a wavelength ⁇ at which the ellipticity tan ⁇ of the substance becomes zero. Further, even when the wavelength ⁇ and the incident angle ⁇ are constant and the azimuth angle ⁇ is changed, the ellipticity tan ⁇ of the sample 16 is measured at the incident angle ⁇ and azimuth angle ⁇ 0 where the ellipticity tan ⁇ of the reference material becomes zero. Good.
  • the refractive index n of the sample 16 is measured by using the change in the linear part of the incident angle characteristic of the ellipticity tan ⁇ accompanying the refractive index change of the sample 16.
  • the ellipticity of the sample 16 can be measured only once. Thereby, measurement time can be shortened significantly.
  • the refractive index n can be measured with higher accuracy even if the difference in the refractive index n is small, such as gas.
  • the surface plasmon sensor 7 according to the seventh embodiment will be described with reference to FIG.
  • the surface plasmon sensor 7 according to the present embodiment is different from the surface plasmon sensor 1 in that the measurement sensitivity of the refractive index n is improved by adjusting the reflecting plate 71. Since the other configuration is the same, description thereof is omitted.
  • FIG. 25 shows the incident angle characteristics of the ellipticity tan ⁇ when the azimuth angle ⁇ of the reflecting plate 71 and the shape of the grating grooves (here, the groove depth H) are changed.
  • FIG. 25 is a diagram illustrating a simulation result when air is used as the sample 16. The method for measuring the variation of the ellipticity tan ⁇ is the same as in FIG.
  • the inclination of the ellipticity tan ⁇ near the absorption angle ⁇ 0 is changed by changing the azimuth angle ⁇ of the reflecting plate 71 and the groove shape (here, the groove depth H).
  • the absorption angle ⁇ 0 can be obtained with higher accuracy when the inclination of the ellipticity tan ⁇ is larger. Therefore, in the surface plasmon sensor 7 according to the present embodiment, the inclination of the ellipticity tan ⁇ around the absorption angle ⁇ 0 is adjusted by adjusting the azimuth angle ⁇ of the reflecting plate 71 and the groove shape (for example, the groove depth H). The variation of the ellipticity tan ⁇ is measured so as to be the largest.
  • the adjustment method of the reflecting plate 71 while changing the shape of the azimuthal angle ⁇ and the groove of the reflector 71 to measure the incident angle characteristics of the ellipticity Tankai, the inclination of the ellipticity Tankai near the absorption angle theta 0 is largest
  • the azimuth angle ⁇ of the reflector 71 and the groove shape may be determined.
  • the ellipticity tan ⁇ approaches ⁇ 1
  • the inclination of the ellipticity tan ⁇ before and after the absorption angle ⁇ 0 increases. Therefore, while changing the groove shape and the azimuth angle ⁇ , the phase difference ⁇ and the reflectance of the p wave and the s wave of the reflected light are measured, and the inclination of the ellipticity tan ⁇ around the absorption angle ⁇ 0 is the largest.
  • the azimuth angle ⁇ of 71 and the shape of the groove may be determined. It is sufficient to adjust the reflection plate 71 once before measuring the refractive index n.
  • the surface plasmon sensor 7 can increase the inclination of the ellipticity tan ⁇ near the absorption angle ⁇ 0 by adjusting the reflecting plate 71 before measuring the refractive index n. .
  • the absorption angle ⁇ 0 can be measured with high accuracy, and the measurement sensitivity of the refractive index n can be improved.
  • the reflection plate of the surface plasmon sensor 1 is adjusted, but the measurement sensitivity of the refractive index n can be improved by adjusting the reflection plates of the surface plasmon sensors 2 and 4 to 6 in the same manner. Good. Further, the inclination of the ellipticity tan ⁇ near the absorption angle theta 0 and adjust the shape of the groove of the reflector of the surface plasmon sensor 3 is increased, it may be to improve the measurement sensitivity of the absorption angle theta 0.
  • FIG. 26 is a diagram showing an outline of the surface plasmon sensor 8.
  • the surface plasmon sensor 8 according to the present embodiment is different from the surface plasmon sensor according to each of the embodiments described above in that the refractive index is measured based on the phase information that is the basis of the above-described ellipticity tan ⁇ calculation.
  • the p-wave phase ⁇ p and the s-wave phase ⁇ s of the reflected light change from positive to negative or from negative to positive before and after the absorption angle ⁇ 0.
  • the phase difference ⁇ of the reflected light also changes from positive to negative or from negative to positive before and after the absorption angle ⁇ 0 .
  • the phase difference ⁇ by measuring the ellipticity tan ⁇ had to identify the angle of incidence is zero absorption angle theta 0.
  • the eighth embodiment by using a polarizing plate, a value corresponding to the phase difference ⁇ between the p wave and the s wave of the reflected light is measured, and the incident angle (absorption angle ⁇ ) at which the phase difference ⁇ becomes zero. 0 ) can be measured.
  • the absorption angle ⁇ 0 can be specified without measuring the ellipticity tan ⁇ , and thus the refractive index n can be specified. That is, a device such as a polarimeter for measuring the ellipticity tan ⁇ becomes unnecessary.
  • the surface plasmon sensor 8 includes a splitter 87, polarizing plates 88a and 88b, and two light receiving portions 83a and 83b.
  • the other configuration is the same as that of the surface plasmon sensor 1 shown in FIG.
  • the splitter 87 is disposed on the path of the reflected light reflected by the reflecting plate 11, divides the light beam of the reflected light into two, makes one light beam enter the light receiving unit 83a, and makes the other light beam receive the light receiving unit 83b. To enter.
  • the polarizing plate 88a is disposed on the path of one light beam divided by the splitter 87, and selectively passes a component polarized in a specific direction in the light beam.
  • the polarizing plate 88b is disposed on the path of the other light beam divided by the splitter 87, and selectively passes a component polarized in a specific direction in the light beam.
  • the light receiving units 83a and 83b receive the reflected light polarized in a specific direction, respectively.
  • the direction of the transmission axis of the polarizing plate 88a and the polarizing plate 88b is adjusted so as to pass components polarized in different directions.
  • the polarizing plate 88a is adjusted so as to selectively pass light polarized in the same direction as the inclination angle ⁇ of the ellipse of the reflected light
  • the polarizing plate 88b is Adjustment is made so that light polarized in the direction orthogonal to the inclination angle ⁇ of the ellipse of the reflected light is selectively transmitted. In this way, the increase and decrease of the phase difference ⁇ of the reflected light can be measured by allowing each polarizing plate to selectively pass light having an elliptical inclination angle of 90 °.
  • At least one of the polarizing plates 88a and 88b is adjusted so that a part of the light polarized in the direction orthogonal to the direction of the inclination angle ⁇ of the ellipse of the reflected light can pass.
  • at least one of the light receiving units measures the increasing / decreasing tendency of the phase difference ⁇ of the reflected light, and the measuring unit 84 can measure the absorption angle ⁇ 0 at which the phase difference ⁇ becomes zero.
  • the measuring unit 84 measures the intensity fluctuation of the reflected light received by the light receiving units 83a and 83b via the polarizing plates 88a and 88b. And the measurement part 84 can measure absorption angle (theta) 0 based on the intensity
  • FIG. 27 is a diagram showing the relationship between the incident angle ⁇ and the inclination angle ⁇ of the ellipse. This figure shows the result of simulating the variation of the inclination angle ⁇ of the ellipse at each incident angle ⁇ .
  • a holographic aluminum lattice is used as the reflecting plate 11.
  • the wavelength ⁇ 670 nm
  • the incident angle ⁇ is in the range of 3 ° ⁇ ⁇ 15 °. It was changed with.
  • the inclination angle ⁇ of the ellipse has a peak centered on the absorption angle ⁇ 0 .
  • the incident angle theta 1, theta 2 is offset from the absorption angle theta 0, but within a few ° from the absorption angle theta 0.
  • FIG. 28 is a diagram showing a simulation result showing the received light intensity measured by the measurement unit 84 with the inclination angle ⁇ of the ellipse of incident light being 30 °.
  • a holographic aluminum lattice is used as the reflecting plate 11.
  • the wavelength ⁇ 670 nm
  • the incident angle ⁇ is in the range of 3 ° ⁇ ⁇ 15 °. It was changed with.
  • the light receiving intensity Ea of the light receiving portion 83a is indicated by a one-dot chain line
  • the light receiving intensity Eb of the light receiving portion 83b is indicated by a two-dot chain line
  • a difference Ea-Eb of the light receiving intensity is indicated by a dotted line.
  • the received light intensities Ea and Eb and the difference Ea ⁇ Eb change linearly within a predetermined range with the incident angle ⁇ 1 as the center. Therefore, by measuring or simulating a linear change in this predetermined range with a reference sample, and using the measurement result or simulation result as calibration data, the fluctuation of the incident angle ⁇ 1 accompanying the fluctuation of the refractive index n is measured. can do.
  • FIG. 29 is a flowchart showing a procedure for measuring the refractive index n according to this embodiment.
  • the fluctuation of the intensity of reflected light from the sample 16 (hereinafter referred to as reflected light intensity I) when the sample 16 is arranged on the reflector 11 is measured.
  • the sample 16 is placed on the reflecting plate 11 (S201), and incident light having an incident angle ⁇ and a wavelength ⁇ is irradiated from the light source 12 (S202).
  • the light source 12 emits p-wave incident light.
  • the incident angle ⁇ of the incident light is an angle within a predetermined range with the above-described incident angle ⁇ 1 as a center.
  • the light receivers 83a and 83b receive the reflected light of the incident light reflected by the reflecting plate 11 through the sample 16 (S203).
  • FIG. 30 is a diagram illustrating a simulation result indicating the received light intensity measured by the measurement unit 84 with the inclination angle ⁇ of the ellipse of incident light set to 70 °.
  • a holographic aluminum lattice is used as the reflecting plate 11.
  • the incident angle ⁇ is in the range of 3 ° ⁇ ⁇ 15 °. It was changed with.
  • the received light intensity Ea of the light receiving unit 83a is indicated by a one-dot chain line
  • the received light intensity Eb of the light receiving unit 83b is indicated by a two-dot chain line
  • the difference Ea-Eb of the received light intensity is indicated by a dotted line.
  • the received light intensities Ea and Eb and the difference Ea ⁇ Eb change linearly within a predetermined range with the incident angle ⁇ 2 as the center, so that the incident angle can be obtained by using calibration data in the predetermined range. Variations in ⁇ 2 can be measured.
  • the surface plasmon sensor 8 can measure the refractive index n using a value corresponding to the phase difference ⁇ obtained using the polarizing plate. That is, since it is not necessary to measure the ellipticity tan ⁇ , the refractive index n can be measured without using an expensive and complicated device for measuring the ellipticity tan ⁇ such as a polarimeter.
  • FIG. 31 is a diagram showing an outline of the surface plasmon sensor 9.
  • the surface plasmon sensor 9 according to the present embodiment is different from the surface plasmon sensor 8 according to the eighth embodiment described above in that it does not include a splitter but includes one polarizing plate and one light receiving unit.
  • the surface plasmon sensor 9 includes a polarizing plate 98 and a light receiving portion 93.
  • the polarizing plate 98 is disposed on the path of the reflected light, and selectively transmits a component polarized in a specific direction in the reflected light. Thus, the polarizing plate 98 receives the reflected light polarized in a specific direction.
  • the measuring unit 94 can measure the intensity fluctuation of the reflected light received by the light receiving unit 93 via the polarizing plate 98. And the measurement part 94 can measure an incident angle (absorption angle (theta) 0 ) based on the intensity
  • Other configurations are the same as those of the surface plasmon sensor 8 shown in FIG.
  • the method for measuring the refractive index n is the same as the method for measuring the refractive index based on the received light intensities Ea and Eb in the eighth embodiment, and the description thereof will be omitted.
  • the surface plasmon sensor 9 can measure the refractive index n by obtaining a value corresponding to the phase difference ⁇ using a pair of polarizing plates and a light receiving unit.
  • the reflectors of the surface plasmon sensors 3 to 9 according to the third to ninth embodiments may be configured so that incident light is incident from the substrate 25 side as in the second embodiment.
  • the refractive index n can also be measured using ⁇ 0 , the absorption azimuth angle ⁇ 0 , and the absorption wavelength ⁇ 0 .

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Abstract

屈折率を測定する表面プラズモンセンサにおいて、吸収曲線に依存せず屈折率を高精度かつ容易に測定する。 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、周期構造面からの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計測部と、を備えることを特徴とする。

Description

表面プラズモンセンサ、及び屈折率の測定方法
　本発明は、表面プラズモンセンサ、及び該表面プラズモンセンサを用いた屈折率の測定方法に関する。
　液体等の屈折率を光学的に測定するセンサとして表面プラズモンセンサが知られている。金属表面に波長λの入射光を照射したときの反射率ρの入射角特性（吸収曲線）を測定すると、特定の入射角（以下、吸収角θｓｐと呼ぶ）で反射率ρが急激に減少する。この現象は、プラズモン共鳴吸収と呼ばれ、入射光と金属表面に存在する表面プラズモンとの電磁波結合によって生じる現象であり、入射光の電力が金属表面に捕捉（共鳴吸収）された結果、反射光強度が減少する。
　表面プラズモンセンサは、プラズモン共鳴吸収を利用して液体等の試料の屈折率を測定するセンサである。表面プラズモンセンサには、金属表面にプリズムを配置したものや、例えば特許文献１に開示されるように金属表面に等間隔に溝を刻んだ周期構造を有するものがある。
特開２００８－２１６０５５号公報
　表面プラズモンセンサでは、予め屈折率ｎｓが既知の基準物質の吸収角θｓｐを求めておき、屈折率ｎを測定した試料の吸収角θ’ｓｐと基準物質の吸収角θｓｐとの差Δθｓｐ（＝θｓｐ－θ’ｓｐ）から試料の屈折率ｎ（＝ｎｓ＋Δｎ）を求める。
　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。
　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。
　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。
　本発明によれば、容易に屈折率を測定することができる。
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。 本発明の第１実施形態に係る金属層を示す図。 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。 本発明の第１実施形態に係る反射光を説明する図。 本発明の第１実施形態に係る反射光を説明する図。 本発明の第１実施形態に係る反射板を示す図。 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。 本発明の第１実施形態に係る反射光の楕円率の変動を示す図。 本発明の第１実施形態に係る反射光の位相を示す図。 本発明の第１実施形態に係る反射光の反射率を示す図。 本発明の第１実施形態に係る楕円率の入射角特性を示す図。 本発明の第１実施形態に係る反射率の入射角特性を示す図。 本発明の第２実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。 本発明の第３実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。 本発明の第３実施形態に係る楕円率の変動の測定方法を説明する図。 本発明の第３実施形態に係る楕円率の方位角特性を示す図。 本発明の第４実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。 本発明の第４実施形態に係る楕円率の変動の測定方法を説明する図。 本発明の第４実施形態に係る楕円率の波長特性を示す図。 本発明の第５実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。 本発明の第５実施形態に係る楕円率の変動の測定方法を説明する図。 本発明の第６実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。 本発明の第６実施形態に係る楕円率の入射角特性を示す図。 本発明の第７実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。 本発明の第７実施形態に係る楕円率の入射角特性を示す図。 本発明の第８実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。 本発明の第８実施形態に係る入射角－楕円の傾き角特性を示す図。 本発明の第８実施形態に係る受光強度特性を示す図。 本発明の第８実施形態に係る受光強度の測定方法を説明する図。 本発明の第８実施形態に係る受光強度特性を示す図。 本発明の第９実施形態に係る表面プラズモンセンサの概略図。
（第１実施形態）
　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。
　各部の詳細を説明する。
　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。
　図２は、金属層１０の一例を示す図である。金属層１０の基板と対向する面には、光の波長程度の間隔ｄで、凹凸形状が周期的に形成されている。金属層１０は、周期ｄの周期構造を有する。この凹凸形状が繰り返し形成される方向を周期方向と称する。
　図２（ａ）に示すように、金属層１０の基板１５と接していない面に周期構造が形成されており、かつ一方向（図２（ａ）ではｘ方向）に周期的に凹凸形状が形成された周期構造を一次元周期構造と呼ぶ。この場合、周期方向は、ｘ方向となる。
　図２（ｂ）に示すように、金属層１０の基板１５と接していない面に周期構造が形成されており、かつ二方向（図２（ｂ）ではｘ、ｙ方向）に周期的に凹凸形状が形成された周期構造を二次元周期構造と呼ぶ。この場合、周期方向は、ｘ方向及びｙ方向となる。
　図２（ｃ）に示すように、金属層１０が、図２（ａ）、（ｂ）より薄い、例えば数ｎｍ～数十ｎｍの金属薄膜で形成されている場合に、金属層１０の基板１５と接する面及びこれに対向する面の両面に周期構造が形成されており、かつ一方向（図２（ｃ）ではｘ方向）に周期的に凹凸形状が形成された周期構造を一次元薄膜周期構造と呼ぶ。この場合、周期方向は、ｘ方向となる。
　図２（ｄ）に示すように、金属層１０が、図２（ａ）、（ｂ）より薄い、例えば数ｎｍ～数十ｎｍの金属薄膜で形成されている場合に、金属層１０の基板１５と接する面及びこれに対向する面の両面に周期構造が形成されており、かつ二方向（図２（ｄ）ではｘ、ｙ方向）に周期的に凹凸形状が形成された周期構造を二次元薄膜周期構造と呼ぶ。この場合、周期方向は、ｘ方向及びｙ方向となる。
　なお、図２（ｃ）、（ｄ）では、金属層１０の両面に周期構造を形成しているが、基板１５と対向する片面のみに周期構造を形成してもよい。
　このように、凹凸形状が繰り返し形成される方向によって、金属層１０の表面には複数の周期構造が形成され得る。本実施形態の金属層１０は、上述したどの周期構造を有していてもよいが、ここではｘ方向を周期方向とする一次元周期構造を有するものとして説明する。
　図３に示すように、反射板１１は、金属層１０の周期方向（ｘ方向）と、光源１２から出射される入射光が入射する面Ｓ１（以下、入射面Ｓ１と呼ぶ。詳細は後述。）と、が直交しないように斜めに配置される。このように、入射面Ｓ１と周期方向とが直交しないような反射板１１の配置をコニカルマウントと呼ぶ。入射面Ｓ１と周期方向とのなす角を方位角φと呼ぶ。本実施形態の反射板１１は、φ≠０°，９０°となるように配置される。入射光と０次回折光（以下、反射光と呼ぶ）の波数ベクトルは、入射面内に存在する。
　図１に戻る。
　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。
　光源１２は、例えば半導体レーザや発光ダイオードなどの受光素子で構成される。光源１２からはｐ波を有する入射光が照射される。光源１２は、入射光を照射する角度θ（以下、入射角θと呼ぶ。図３を参照。）を変化させながら入射光を照射する。光源１２には、入射角θを変動させるために必要な駆動装置（図示せず）を含む。なお、図示しない駆動装置以外にも、例えばレーザダイオードアレイを用いるなどして光学的に入射角度を変化させてもよい。
　受光部１３は、例えばフォトダイオードなどで構成される。受光部１３は、ｐ波及びｓ波を有する反射光を受光する。受光部１３は、入射光の入射角θの変動に連動して反射光を受光するための駆動装置を含む。なお、受光部１３もフォトダイオードアレイを用いるなどして光学的に受光部１３の反射光の反射角を変えるようにしてもよい。
　計測部１４は、受光部１３が受光した反射光の楕円率を測定し、楕円率の変動を測定する。計測部１４は、測定した楕円率の変動から、楕円率がゼロとなる入射角θ０（以下、吸収角θ０と称する。）を測定する。計測部１４は、反射板１１に基準物質が配置された場合の吸収角θ０と、試料１６が配置された場合の吸収角θ’０との差Δθ０（＝θ’０－θ０）から試料１６の屈折率ｎを測定する。
　次に、試料１６の屈折率ｎを測定する方法を説明する。
　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。
　ｐ波とｓ波との位相差δがゼロより小さい、即ちｐ波に比べｓ波が遅れている場合、図５（ａ）に示すように、光は進行方向から見て楕円状に左旋回している。これを左楕円偏光と呼ぶ。このときの楕円率ｔａｎχはゼロより小さくなる。
　ｐ波とｓ波との位相差δがゼロ、即ちｐ波及びｓ波の位相が同じ場合、図５（ｂ）に示すように、光は進行方向から見て直線状に振動している。これを直線偏光と呼ぶ。このときの楕円率ｔａｎχはゼロとなる。
　ｐ波とｓ波との位相差δがゼロより大きい、即ちｐ波に比べｓ波が進んでいる場合、図５（ｃ）に示すように、光は進行方向から見て楕円状に右旋回している。これを右楕円偏光と呼ぶ。このときの楕円率ｔａｎχはゼロより大きくなる。
　このように反射光の楕円率ｔａｎχは、ｐ波及びｓ波の位相に依存している。従って計測部１４で反射光の楕円率ｔａｎχを測定することでｐ波及びｓ波の位相関係を知ることができる。
　図６に示すように、反射板１１をコニカルマウントとした場合、ｐ波の入射光を反射板１１に入射すると、ｐ波及びｓ波の反射光が得られる。
　次に、図７を用いて反射板１１上に試料１６を配置した場合の反射光の楕円率（以下、試料１６の楕円率と呼ぶ）の変動を測定する方法について説明する。本実施形態では、入射光の入射角θを変更した場合の試料１６の楕円率の変動を計測する。
　反射板１１上に試料１６を配置し（Ｓ１０１）、入射角θ、波長λの入射光を光源１２から照射する（Ｓ１０２）。光源１２は、ｐ波の入射光を照射する。
　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）。
　計測部１４は、反射光から反射光の楕円率を測定する（Ｓ１０４）。
　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）。
　楕円率を測定したい範囲の入射角θ全てで楕円率ｔａｎχを測定していない場合（Ｓ１０６のｎｏ）は、ステップＳ１０２に戻る。一方、測定したい入射角θの範囲全てで楕円率ｔａｎχを測定した場合（Ｓ１０６のｙｅｓ）は、試料１６の楕円率変動測定を終了する。
　図８に、計測部１４が測定した各入射角θにおける楕円率ｔａｎχの変動のシミュレーション結果を示す。図８は、図７の楕円率変動測定のフローチャートに従って測定した試料１６である空気のｔａｎχ－θ特性曲線を示す図である。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。 
　図８に示すように、ｔａｎχ－θ特性曲線は、楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収角θ０の前後で正から負へと変化する。
　次に、図９に、計測部１４が測定した各入射角θにおける位相δｐ、δｓ及び位相差δ
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。
　図９の実線で示すグラフがｐ波の位相δｐの変化を示しており、一点破線で示すグラフがｓ波の位相δｓを示している。破線で示すグラフは、ｐ波とｓ波との位相差δ＝δｓ－δｐを示している。
　反射光のｐ波の位相δｐは、入射角θが１３°から１４°の範囲で急激に変動し、ｓ波の位相δｓは滑らかに変動している。図９のｐ波の位相δｐとｓ波の位相δｓとが交差する入射角θがｐ波とｓ波との位相差δがゼロとなる入射角θであり、楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収角θ０である。反射光の位相差δは、吸収角θ０の前後で正から負、又は負から正へと変化する。つまり、反射光の楕円率ｔａｎχは、吸収角θ０の前後で正から負、又は負から正へと変化する。従って、ｔａｎχを測定することで位相差δがゼロとなる吸収角θ０を測定することができる。
　図１０は、計測部１４が測定した反射率ρのシミュレーション結果を示す図である。破線で示すグラフがｐ波の反射率ρｐを示しており、一点破線で示すグラフがｓ波の反射率
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。
　図１０に示すように、反射光の反射率ρが最も小さくなる入射角が吸収角θｓｐとなる。一般に反射光の反射率ρを用いて屈折率ｎの測定を行う表面プラズモンセンサは、入射角を変動させながらｐ波の反射率ρの変動を測定し、最小点検出を行うことで吸収角θｓｐを測定する。一方、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ１では、反射率ρの変動ではなく楕円率ｔａｎχの変動を測定し、楕円率ｔａｎχがゼロになるゼロ点検出を行うことで吸収角θ０を測定する。楕円率ｔａｎχの吸収角θ０と反射率ρの吸収角θｓｐは、必ずしも同じ値となるわけではないが、非常に近い値となるため本実施形態に係る表面プラズモンセンサ１では、反射率ρの吸収角θｓｐではなく楕円率ｔａｎχの吸収角θ０を用いて試料１６の屈折率ｎを測定する。
　次に、図１１、図１２を用いて本実施形態に係る表面プラズモンセンサ１が高精度に屈折率ｎを測定できる点について説明する。屈折率ｎがそれぞれ「１．０００２」、「１．０００３」、「１．０００４」である試料１６の反射光の楕円率ｔａｎχの入射角特性を図１１に、反射率ρの入射角特性を図１２に示す。図１１、図１２ともにシミュレーション結果を示す図である。なお、図１１、図１２ともに吸収角θ０、θｓｐ付近の入射角特性を拡大して示している。図１１、図１２の実線が屈折率「１．０００２」、一点破線が
「１．０００３」、破線が「１．０００４」の入射角特性を示している。
　図１１では、各屈折率ｎの入射角特性が略線形となっている。楕円率ｔａｎχがゼロになる入射角であるため、楕円率ｔａｎχの吸収角θ０は、各入射角特性のゼロ点検出を行うことで測定できる。ゼロ点検出は容易にかつ高精度に測定できる。図１１の各屈折率ｎにおける吸収角θ０は、屈折率「１．０００２」で吸収角θ０＝１１．３４９°、屈折率「１．０００３」で吸収角θ０＝１１．３４２°、屈折率「１．０００４」で吸収角θ０＝１１．３３４°となる。
　一方、図１２では、各屈折率ｎの入射角特性が下に凸の緩やかなカーブを描く非線形となっている。反射率ρの吸収角θｓｐは、反射率ρが最小となる入射角であるため、各入射角特性の最小点検出を行えば反射率ρの吸収角θｓｐは測定できる。しかしながら各屈折率ｎの差が小さく、かつ入射角特性のＱ値が小さい場合、図１２に示すように最小点が重なっているようにみえ、吸収角θｓｐを高精度に測定することが難しい。
　上述したように楕円率ｔａｎχの入射角特性は吸収角θ０付近で略線形となるため、各屈折率ｎの差が小さくても、その差を吸収角θ０の差として検出できる。
　そこで、本実施形態の表面プラズモンセンサ１では、まず試料１６として屈折率ｎｓが既知である基準物質を反射板１１上に配置し、図７に示す手順に従って反射光の楕円率ｔａｎχの変動を測定し、吸収角θ０を測定する。
　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。
　なお、上述した測定方法では、基準物質の吸収角θ０を測定しているが、基準物質の屈折率ｎｓ及び吸収角θ０が既知の場合は測定を省略してもよい。
　計測部１４は、入射角θを反射光の楕円率ｔａｎχを測定する毎に光源１２から取得してもよく、楕円率ｔａｎχがゼロになった時の入射角θを光源１２から取得するようにしてもよい。あるいは、計測部１４は、入射角θの範囲と入射角の変化分（ステップＳ１０５のΔθ）から楕円率ｔａｎχを測定した時の入射角を求めるようにしてもよい。このように、計測部１４が光源１２を制御し上述した屈折率ｎの測定方法を実行するようにしてもよく、図示しない制御部を設け、制御部によって各部を制御するようにしてもよい。
　以上のように、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ１は、楕円率ｔａｎχの変動、具体的には楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収角θ０から試料１６の屈折率ｎを測定する。楕円率ｔａｎχの入射角特性は、吸収角θ０付近で略線形となるため、楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収角θ０はゼロ点検出を行えば測定できるため、最小点検出のような複雑な検出が不要となり、吸収角θ０を容易かつ高精度に測定することができる。そのため、例えば気体のように屈折率ｎの差が微小な物質でも屈折率ｎを測定することができる。
（第２実施形態）
　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。
　反射板２１は、シリコン基板のように光を透過する基板２５と、一次元薄膜周期構造を有する金属層２０とを有する。反射板２１は、光源１２に近い方から基板２５、金属層２０との順に積層されており、金属層２０の基板２５と対向する面上に試料１６が配置される。
　これ以外の構成及び屈折率の測定方法は、第１実施形態に係る表面プラズモンセンサ１と同じであるため説明を省略する。なお、本実施形態の金属層２０は、両面に周期構造を有しているが、試料１６が配置される面のみに周期構造を有するようにしてもよい。
　以上のように、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ２は、光源１２と反射板２１との間に試料１６を配置できない場合であっても、第１実施形態と同様に試料１６の屈折率ｎを測定することができる。
（第３実施形態）
　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。
　反射板３１は、図示しない駆動装置を有しており、方位角φが変動するよう回転する。
　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。
　図１５を用いて反射板３１の方位角φを変化させる場合の反射光の楕円率ｔａｎχの変動を測定する方法を説明する。ステップＳ１０４までは図７と同じであるため説明を省略する。
　反射光から楕円率ｔａｎχを測定すると、反射板３１は方位角φを変更し、φ＋Δφとする（Ｓ３０５）。楕円率の変動を測定する全ての方位角φで楕円率ｔａｎχを測定していない場合（Ｓ３０６のｎｏ）は、ステップＳ１０２に戻る。一方、全ての方位角φで楕円率ｔａｎχを測定した場合（Ｓ３０６のｙｅｓ）は、試料１６の測定を終了する。
　図１６を用いて本実施形態に係る表面プラズモンセンサ３が屈折率ｎを測定できる点について説明する。図１６に、屈折率ｎがそれぞれ「１．０００３」、「１．０００３９」
、「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。
　図１６では、各屈折率ｎの方位角特性が略線形となっている。そのため、第１実施形態の入射角特性と同様に方位角特性を用いても楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収方位角φ０を容易にかつ高精度に測定することができる。
　本実施形態に係る表面プラズモンセンサ３では、まず、屈折率ｎｓが既知である基準物質を反射板３１上に配置し、図１５に示す手順に従い方位角を変化させた場合の楕円率ｔａｎχの変動を測定し、楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収方位角φ０を測定する。
　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。
　なお、上述した測定方法では、基準物質の吸収方位角φ０を測定しているが、基準物質の屈折率ｎｓ及び吸収方位角φ０が既知の場合は測定を省略してもよい。
　計測部３４は、反射板３１の方位角φを、反射光の楕円率ｔａｎχを測定する毎に反射板３１から取得してもよく、楕円率ｔａｎχがゼロになった時の方位角φを反射板３１から取得するようにしてもよい。あるいは、計測部３４は、方位角φの範囲と方位角φの変化分（ステップＳ３０５のΔφ）から楕円率ｔａｎχを測定した時の方位角φを求めるようにしてもよい。このように、計測部３４が反射板３１を制御し上述した屈折率ｎの測定方法を実行するようにしてもよく、図示しない制御部を設け、該制御部によって各部を制御するようにしてもよい。
　以上のように、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ３によると、入射角θを一定としても方位角φを変動させると楕円率が変動するため、入射角θを変動させずに試料１６の屈折率ｎを容易にかつ高精度に測定することができる。
（第４実施形態）
　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。
　光源４２は、例えば半導体レーザで構成される。半導体レーザは、図示しない制御部から制御信号が入力されることで、入射光の波長を変更することが可能である。光源４２が該制御部を備える構成としてもよい。光源４２は、入射光の波長λを変化させながら入射光を照射する。
　計測部４４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４４は、測定した楕円率がゼロとなる波長λ０（以下、吸収波長λ０と称する。）を測定する。計測部４４は、反射板１１上に基準物質が配置された場合の吸収波長λ０と、試料１６が配置された場合の吸収波長λ’０との差Δλ０（＝λ’０－λ０）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。
　図１８を用いて入射光の波長λを変化させる場合の反射光の楕円率ｔａｎχの変動を測定する方法を説明する。ステップＳ１０４までは図７と同じであるため説明を省略する。
　反射光から楕円率ｔａｎχを測定すると、光源４２は照射する波長λを変更し、λ＋Δλとする（Ｓ４０５）。楕円率の変動を測定する全ての波長で楕円率ｔａｎχを測定していない場合（Ｓ４０６のｎｏ）は、ステップＳ１０２に戻る。一方、全ての波長で楕円率ｔａｎχを測定した場合（Ｓ４０６のｙｅｓ）は、試料１６の測定を終了する。
　図１９を用いて本実施形態に係る表面プラズモンセンサ４が屈折率ｎを測定できる点について説明する。図１９に、屈折率ｎがそれぞれ「１．０００３」、「１．０００３９」、「１．０００１」である試料１６における反射光の楕円率ｔａｎχの波長特性を示す。破線が屈折率「１．０００１」、実線が「１．０００３」、一点破線が「１．０００３９」の波長特性を示している。図１９では、入射角θをθ＝１１．１９３°とし、方位角φをφ＝５°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。
　図１９では、各屈折率ｎの波長特性が略線形となっている。そのため、第１実施形態の入射角特性と同様に波長特性を用いても楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収波長λ０を容易にかつ高精度に測定することができる。
　本実施形態に係る表面プラズモンセンサ４では、まず、屈折率ｎｓが既知である基準物質を反射板１１上に配置し、図１８に示す手順に従い波長を変化させた場合の楕円率ｔａｎχの変動を測定し、楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収波長λ０を測定する。
　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。
　なお、上述した測定方法では、基準物質の吸収波長λ０を測定しているが、基準物質の屈折率ｎｓ及び吸収波長λ０が既知の場合は測定を省略してもよい。
　計測部４４は、入射光の波長λを、反射光の楕円率ｔａｎχを測定する毎に光源４２から取得してもよく、楕円率ｔａｎχがゼロになった時の波長λを光源４２から取得するようにしてもよい。あるいは、計測部４４は、波長λの範囲と波長λの変化分（ステップＳ４０５のΔλ）から楕円率ｔａｎχを測定した時の波長λを求めるようにしてもよい。このように、計測部４４が光源４２を制御し上述した屈折率ｎの測定方法を実行するようにしてもよく、図示しない制御部を設け、該制御部によって各部を制御するようにしてもよい。
　以上のように、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ４によると、入射角θを一定としても波長λを変動させると楕円率が変動するため、入射角θを変動させずに試料１６の屈折率ｎを容易にかつ高精度に測定することができる。入射角θを変動させる必要がないため、光源４２に駆動装置が不要となり、表面プラズモンセンサ４を小型化することができる。
（第５実施形態）
　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。
　光源５２は、制御部５７から入力される制御信号に基づき、半導体レーザ（図示せず）を制御し、波長λの入射光を照射する。計測部５４は、受光部１３が受光した反射光から楕円率ｔａｎχを測定する。計測部５４は、楕円率ｔａｎχを制御部５７に出力する。
　制御部５７は、計測部５４から入力された楕円率ｔａｎχに基づき、光源５２から楕円率ｔａｎχがゼロとなる波長λの入射光が照射されるように制御信号を生成する。制御部５７は、制御信号を光源５２に出力する。なお計測部５４から制御部５７に入力される情報は、楕円率ｔａｎχそのものでなくとも、制御部５７が楕円率ｔａｎχがゼロか否かを識別することができる情報であればよい。計測部５４から制御部５７に対しては、例えばｐ波とｓ波との位相差δやどちらの位相が進んでいるのかといった情報を入力してもよい。
　図２１を用いて本実施形態における楕円率ｔａｎχの変動を測定する方法を説明する。ステップＳ１０４までは図７と同じであるため説明を省略する。
　計測部５４は、楕円率ｔａｎχを測定（ステップＳ１０４）し、制御部５７に測定した楕円率ｔａｎχを出力する。
　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。
　図１９に示すように、吸収波長λ０付近の楕円率ｔａｎχの波長特性が、正の傾きを持つ略線形となっている場合に、ステップＳ５０７で波長λを変更するときは、楕円率ｔａｎχが正の場合は波長λを短くするように、負の場合は長くするように変更してもよい。なお、楕円率ｔａｎχの波長特性は、吸収波長λ０付近で負の傾きを持つ略線形となる場合もある。この場合は、楕円率ｔａｎχが負の場合は波長λを短くするように、正の場合は長くするように変更すればよい。
　このように楕円率ｔａｎχに応じて波長λを変更することで楕円率変動測定の繰り返しステップ数を短くすることができる。
　本実施形態に係る表面プラズモンセンサ５では、まず、屈折率ｎｓが既知である基準物質を反射板１１上に配置し、図２１に示す手順に従い波長を変化させた場合の楕円率ｔａｎχの変動を測定し、楕円率ｔａｎχがゼロとなる吸収波長λ０を測定する。
　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。
　なお、屈折率ｎの測定は、第４実施形態と同様に計測部５４が行ってもよく、また制御部５７が行ってもよい。制御部５７が計測部５４の機能を備えるように構成し、計測部５４を省略してもよい。
　以上のように、第５実施形態に係る表面プラズモンセンサ５によれば、計測部５４が楕円率ｔａｎχをフィードバックすることにより、測定した楕円率ｔａｎχに応じて光源５２の波長λを変更できるようになる。これにより、吸収波長λ０の測定を短時間で行うことができるようになり、試料１６の屈折率測定時間を短縮することができる。
　なお、ここでは測定した楕円率ｔａｎχに応じて光源５２の波長λを変更しているが、波長λの代わりに入射角θを変更し、吸収角θ０を測定するようにしてもよく、方位角φを変更し、吸収方位角φ０を測定するようにしてもよい。なお、方位角φを変更する場合、制御部５７は、光源５２ではなく反射板１１を制御する。
（第６実施形態）
　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。
　まず、基準物質の吸収波長λ０を測定する。これは第５実施形態と同様に測定するので説明を省略する。次に、屈折率ｎを測定したい試料１６を反射板１１上に配置し、光源５２から波長λが基準物質の吸収波長λ０である入射光を照射する。計測部６４は、受光部１３が受光した反射光の楕円率ｔａｎχを測定する。
　図２３に示すように、反射板１１上に配置した試料１６の屈折率がｎｓからｎｓ＋Δｎに変化すると、楕円率ｔａｎχの入射角特性もθ＋Δθ変化する。第１実施形態のように、楕円率ｔａｎχがゼロになる吸収角θ０の変化Δθを測定することで、屈折率ｎｓの変化Δｎを計測してもよいが、一定の波長λ０及び入射角θ０における楕円率ｔａｎχの変化（図２３中の矢印）を測定することで、屈折率ｎｓの変化Δｎを計測してもよい。ただし、試料１６の楕円率ｔａｎχは、楕円率ｔａｎχの入射角特性の直線部分であるｔａｎΧ－からｔａｎΧ＋の範囲にあるものとする。
　そこで、本実施形態では、計測部６４は、一定の入射角θで基準物質の楕円率ｔａｎχがゼロとなる波長λ０を測定し、該入射角θ及び波長λ０で試料１６の楕円率ｔａｎΧを測定する。計測部６４は、測定した試料１６の楕円率ｔａｎΧから試料１６の屈折率ｎの変化Δｎを測定する。
　なお、ここでは入射角を一定とし、波長λを変化させることで基準物質の楕円率ｔａｎχがゼロとなる波長λ０を測定したが、波長を一定とし、入射角θを変化させることで、基準物質の楕円率ｔａｎχがゼロとなる入射角θ０及び波長λで試料１６の楕円率ｔａｎχを測定してもよい。また、波長λ、入射角θを一定とし、方位角φを変化させることで基準物質の楕円率ｔａｎχがゼロとなる入射角θ及び方位角φ０で試料１６の楕円率ｔａｎχを測定してもよい。
　以上のように、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ６では、試料１６の屈折率変化に伴う楕円率ｔａｎχの入射角特性の直線部分の変化を利用して試料１６の屈折率ｎを測定するため、試料１６の楕円率測定回数が１回で済む。これにより、計測時間を大幅に短縮することができる。また、図２３に示すように、楕円率ｔａｎχの入射角特性は楕円率ｔａｎχがゼロとなる付近で急峻となるため、屈折率のわずかな差が楕円率ｔａｎχの大きな変化となって現れやすい。従って、例えば気体のような屈折率ｎの差が小さい物質であってもより高精度に屈折率ｎを測定することができる。
　また、屈折率ｎを測定したい試料１６の楕円率ｔａｎχの測定回数が１回で済むため、実験の再現性が良くなり、試料気体の違いによりｔａｎχの値が変わるため、さらに高精度に屈折率ｎを測定することができる。
（第７実施形態）
　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。
　図２５に、反射板７１の方位角φ及び格子の溝の形状（ここでは、溝の深さＨ）を変化させた場合の楕円率ｔａｎχの入射角特性を示す。図２５は、試料１６として空気を用いた場合のシミュレーション結果を示す図である。楕円率ｔａｎχの変動を測定する方法は、図７と同じである。
　図２５に示すように、反射板７１の方位角φ及び溝の形状（ここでは溝の深さＨ）を変化させることで、吸収角θ０付近の楕円率ｔａｎχの傾きが変化していることがわかる。吸収角θ０は楕円率ｔａｎχの傾きが大きい方が高精度に求まる。そこで、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ７では、反射板７１の方位角φ及び溝の形状（例えば溝の深さＨ）を調整することで、吸収角θ０付近の楕円率ｔａｎχの傾きが最も大きくなるようにして楕円率ｔａｎχの変動を測定する。
　反射板７１の調整方法としては、反射板７１の方位角φ及び溝の形状を変化させながら楕円率ｔａｎχの入射角特性を測定し、吸収角θ０付近の楕円率ｔａｎχの傾きが最も大きくなる反射板７１の方位角φ及び溝の形状を決定してもよい。
　また、吸収角θ０の前後で反射光のp波とｓ波の位相差δを±９０°，反射率を同じ（ρｓ＝ρｐ）になるように溝の形状と方位角φを選べば、楕円率ｔａｎχが±１に近づき、楕円率ｔａｎχの吸収角θ０の前後の傾きが大きくなる。従って、溝の形状と方位角φを変化させながら、反射光のp波とｓ波の位相差δや反射率を測定し、吸収角θ０付近の楕円率ｔａｎχの傾きが最も大きくなる反射板７１の方位角φ及び溝の形状を決定してもよい。なお、反射板７１の調整は、屈折率ｎを測定する前に１度行えば十分である。
　以上のように、本実施形態に係る表面プラズモンセンサ７は、屈折率ｎを測定する前に反射板７１を調整することで、吸収角θ０付近の楕円率ｔａｎχの傾きを大きくすることができる。これにより、吸収角θ０を高精度に測定することができ、屈折率ｎの測定感度を向上させることができる。
　ここでは、表面プラズモンセンサ１の反射板を調整するようにしているが、表面プラズモンセンサ２、４～６の反射板を同様に調整することで屈折率ｎの測定感度を向上させるようにしてもよい。また、表面プラズモンセンサ３の反射板の溝の形状を調整し吸収角θ０付近の楕円率ｔａｎχの傾きを大きくし、吸収角θ０の測定感度を向上させるようにしてもよい。
（第８実施形態）： 
　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。
　上述した図９を参照して説明したように、反射光のｐ波の位相δｐ及びｓ波の位相δｓは、吸収角θ０の前後で正から負、又は負から正へと変化し、反射光の位相差δも、吸収角θ０の前後で正から負、又は負から正へと変化する。上述した例では、この特性を利用して吸収角θ０を測定するにあたり、楕円率ｔａｎχを測定することで位相差δがゼロとなる入射角を吸収角θ０に特定していた。
　これに対し、本第８実施形態では、偏光板を用いることで反射光のｐ波とｓ波の位相差δに相当する値を測定し、位相差δがゼロとなる入射角（吸収角θ０）を測定することができる。これにより、楕円率ｔａｎχの測定を行わずに吸収角θ０を特定し、ひいては屈折率ｎを特定することができる。すなわち、楕円率ｔａｎχを測定するポラリメータ等の機器が不要となる。
　図２６において、表面プラズモンセンサ８は、スプリッタ８７と、偏光板８８ａ，８８ｂと、２つの受光部８３ａ，８３ｂを備えている。なお、その他の構成は図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。
　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。
　偏光板８８ａは、スプリッタ８７にて分割された一方の光束の経路上に配置されており、この光束の中の特定方向に偏光した成分を選択的に通過させる。偏光板８８ｂは、スプリッタ８７にて分割された他方の光束の経路上に配置されており、この光束の中の特定方向に偏光した成分を選択的に通過させる。これにより、受光部８３ａ，８３ｂは、特定方向に偏光した反射光をそれぞれ受光する。
　偏光板８８ａと偏光板８８ｂは、異なる方向に偏光した成分を通過させるように透過軸の方向を調整されている。例えば、後述の図２８や図３０に示す例では、偏光板８８ａは、反射光の楕円の傾き角ψと同じ向きに偏光した光を選択的に通過させるように調整し、偏光板８８ｂは、反射光の楕円の傾き角ψと直交する向きに偏光した光を選択的に通過させるように調整する。このように、楕円の傾き角が９０°異なる光を各偏光板が選択的に通過することで、反射光の位相差δの増減を測定することができる。
　換言すると、偏光板８８ａ，８８ｂの少なくとも一方が、反射光の楕円の傾き角ψの向きと直交する方向に偏光した光の一部を通過可能に調整されていればよい。これにより、少なくとも一方の受光部が反射光の位相差δの増減傾向を測定することとなり、計測部８４は、位相差δが０になる吸収角θ０を測定することができる。
　計測部８４は、偏光板８８ａ，８８ｂを介して受光部８３ａ，８３ｂが受光した反射光の強度変動を測定する。そして、計測部８４は、反射光の強度変動に基づいて吸収角θ０を測定することができる。
　ここで、本実施形態における吸収角θ０の測定方法について説明する。
　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。
　同図において、θ１は楕円の傾き角ψ＝３０°における入射角を表し、θ２は楕円の傾き角ψ＝７０°における入射角を表す。入射角θ１，θ２は吸収角θ０からずれているが、吸収角θ０から数°の範囲内にある。
　図２８は、入射光の楕円の傾き角ψを３０°として計測部８４が測定した受光強度を示すシミュレーション結果を示す図である。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。同図において、受光部８３ａの受光強度Ｅａを一点鎖線で示し、受光部８３ｂの受光強度Ｅｂを二点鎖線で示し、受光強度の差分Ｅａ－Ｅｂを点線で示してある。
　受光強度Ｅａ，Ｅｂや差分Ｅａ－Ｅｂは、入射角θ１を略中心とする所定範囲において線形的に変化している。そこで、この所定範囲における線形的な変化を基準試料にて測定、又はシミュレーションし、その測定結果又はシミュレーション結果を校正データとして用いることにより、屈折率ｎの変動に伴う入射角θ１の変動を測定することができる。
　図２９は、本実施形態に係る屈折率ｎの測定手順を示すフローチャートである。同図に示す測定方法においては、反射板１１上に試料１６を配置した場合の試料１６からの反射光の強度（以下、反射光強度Ｉと呼ぶ。）の変動を測定する。
　まず、反射板１１上に試料１６を配置し（Ｓ２０１）、入射角θ、波長λの入射光を光源１２から照射する（Ｓ２０２）。ここでは、光源１２は、ｐ波の入射光を照射する。この入射光の入射角θは、上述した入射角θ１を略中心とする所定範囲内の角度である。
　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）。
　計測部８４は、反射光から反射光強度Ｉを測定する（Ｓ２０４）。
　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。
　なお、入射光の楕円の傾き角ψは３０°に限るものではなく、楕円の傾き角ψの取り得る角度の範囲内であれば様々に設定することができる。例えば、図３０は、入射光の楕円の傾き角ψを７０°として計測部８４が測定した受光強度を示すシミュレーション結果を示す図である。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。
　図３０において、受光部８３ａの受光強度Ｅａを一点鎖線で示し、受光部８３ｂの受光強度Ｅｂを二点鎖線で示し、受光強度の差分Ｅａ－Ｅｂを点線で示してある。同図においても、受光強度Ｅａ，Ｅｂや差分Ｅａ－Ｅｂは、入射角θ２を略中心とする所定範囲において線形的に変化しているため、この所定範囲の校正データを用いることにより入射角θ２の変動を測定することができる。
　以上のように、第８実施形態に係る表面プラズモンセンサ８は、偏光板を用いて得られる位相差δに相当する値を用いて屈折率ｎを測定することができる。すなわち、楕円率ｔａｎχの測定が不要であるため、ポラリメータ等のように楕円率ｔａｎχを測定する高価且つ複雑な機器を用いること無く、屈折率ｎを測定することができる。
（第９実施形態） 
　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。
　図３１において、表面プラズモンセンサ９は、偏光板９８と受光部９３を備える。偏光板９８は、反射光の経路上に配置されており、この反射光の中の特定方向に偏光した成分を選択的に通過させる。偏光板９８は、これにより、受光部９３は、特定方向に偏光した反射光を受光する。
　計測部９４は、偏光板９８を介して受光部９３が受光した反射光の強度変動を測定することができる。そして、計測部９４は、反射光の強度変動に基づいて入射角（吸収角θ０）を測定することができる。そのほかの構成は図２６に示す表面プラズモンセンサ８と同様であるため説明を省略する。また、屈折率ｎの測定方法も、第８実施形態における受光強度Ｅａ，Ｅｂに基づく屈折率の測定方法と同様であるため、説明を省略する。
　以上のように、第９実施形態に係る表面プラズモンセンサ９は、１組の偏光板と受光部を用いて位相差δに相当する値を取得して屈折率ｎを測定することができる。
　なお、第３～第９実施形態に係る表面プラズモンセンサ３～９の反射板を、第２実施形態と同様に基板２５側から入射光が入射されるように構成するようにしてもよい。
　また、第１～第７実施形態において、楕円率ｔａｎχの代わりに第８，９実施形態のように偏光板を用いて反射光の位相差δに相当する値を測定することにより測定した吸収角θ０や吸収方位角φ０、吸収波長λ０を用いて屈折率ｎを測定することもできる。
　最後に、上述した各実施形態の説明は本発明の一例であり、本発明は上述の実施の形態に限定されることはない。このため、上述した各実施の形態以外であっても、本発明に係る技術的思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能であることは勿論である。
１１，２１，３１，７１…反射板、１２，４２，５２…光源、１３，８３ａ，８３ｂ…受光部、１４，３４，４４，５４，６４，８４，９４…計測部、５７…制御部、８７…スプリッタ、偏光板…８８ａ，８８ｂ

Claims (14)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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。
  10. 　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。
  11. 　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。
  12. 　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。
  13. 　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。
  14. 　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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