WO2023195345A1 - 光学素子、光学セル、分析装置、及び光学素子の設計方法 - Google Patents

光学素子、光学セル、分析装置、及び光学素子の設計方法 Download PDF

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WO2023195345A1
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light
optical element
output
phase
optical
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PCT/JP2023/011373
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English (en)
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健太郎 岩見
基揚 原
雄一郎 矢野
哲也 井戸
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国立研究開発法人情報通信研究機構
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • G01N21/03—Cuvette constructions
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/02—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of crystals, e.g. rock-salt, semi-conductors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings

Definitions

  • the present invention relates to an optical element, an optical cell, an analysis device, and a method for designing an optical element for utilizing optical properties of substances.
  • Spectroscopic analysis based on the optical properties of the sample is used when analyzing the components of a highly fluid trace sample (sample) such as gas or liquid.
  • a highly fluid trace sample such as gas or liquid.
  • sample such as gas or liquid.
  • light such as a laser beam is output from a large light source, the light is focused through a lens system like a microscope, and the light is irradiated onto a sample placed in a microscopic area.
  • the characteristics of a sample are analyzed by spectrally analyzing the light emitted from the sample (for example, see Non-Patent Document 1).
  • an optical cell containing the sample may be used as an optical device that inputs light into the sample and utilizes the properties of the output excitation light.
  • Patent Document 1 discloses that an oscillator of an atomic clock is constructed by inputting light into an optical cell containing cesium vapor as a sample and utilizing the optical characteristics such as the frequency of the output excitation light. is listed.
  • the optical cell described in Patent Document 1 includes an accommodating section in which a flow path for accommodating a sample is formed, and a transparent substrate that covers the accommodating section.
  • the optical cell is provided with a light source that inputs light such as a laser beam into the housing section, and a detection section that detects the light that has passed through the sample.
  • the housing portion of this optical cell is formed of a silicon substrate.
  • a channel is formed in the silicon substrate using wet etching when viewed in cross section.
  • a first inclined surface and a second inclined surface are formed opposite to each other on both sides of the flow path. The angle between the first inclined surface and the second inclined surface is approximately 55 degrees.
  • This optical cell forms an optical path in the longitudinal direction of the flow channel by reflecting light input from the transparent substrate side at the first and second inclined surfaces and outputting light to the transparent substrate side. are doing.
  • a diffraction grating is provided on the transparent substrate in order to reflect the light input to the transparent substrate on the first inclined surface and output the light reflected on the second inclined surface from the transparent substrate.
  • incident light is diffracted and split using a diffraction grating provided on a transparent substrate, and diffracted at an appropriate angle using a partition plate formed of a metal film. Only light is input into the flow path to form an optical path.
  • An object of the present invention is to provide an optical element, an optical cell, an analysis device, and a method for designing an optical element that has arbitrary polarization direction, light focusing ability, and polarization state while improving light transmission efficiency.
  • One aspect of the present invention includes a plurality of columnar bodies formed of a material having a predetermined dielectric constant and arranged in a matrix on a flat surface of a transparent substrate through which light can pass, and each of the columnar bodies includes: Based on the dielectric constant, the cross-sectional shape in a direction parallel to the plane, and the length in the normal direction to the plane, the input light is transmitted and the output light is outputted, and the phase is adjusted. and adjusts a deflection characteristic in the normal direction, a lens characteristic for condensing light in the normal direction, and a polarization characteristic in the normal direction, and outputs the output light having an arbitrary polarization state.
  • This is an optical element that is formed to do this.
  • the optical element can be designed to have any polarization direction, light focusing ability, and polarization state while improving the light detection efficiency of the optical element.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing the configuration of an optical cell according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram showing the configuration of a detection device using an optical cell.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of an optical element.
  • FIG. 3 is a diagram showing a phase distribution based on a first function.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the width of a columnar body, transmittance, and phase delay amount.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between columnar body width and phase delay amount.
  • FIG. 3 is a perspective view showing an arrangement state of a plurality of columnar bodies. It is a figure which shows the calculation result of electromagnetic field analysis of several columnar bodies.
  • FIG. 3 is a block diagram showing the configuration of a detection device using an optical cell.
  • FIG. 2 is a perspective view showing the configuration of an optical element.
  • FIG. 3 is a diagram showing a phase distribution based on a first function.
  • FIG. 3 is a
  • FIG. 3 is a diagram showing diffraction angles based on a plurality of columnar bodies. It is a figure which shows the phase distribution based on a 2nd function.
  • FIG. 3 is a diagram showing a phase distribution based on a phase distribution function.
  • FIG. 3 is a diagram showing calculation results of electromagnetic field analysis of an optical element formed on a quarter-wave plate. It is a figure which shows the calculation result of electromagnetic field analysis of the several columnar body formed in the 1/4 wavelength plate.
  • 3 is a flowchart showing the flow of processing executed in the optical element design method.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of an optical cell according to a modified example. It is a figure which shows the transmittance when the length and width of a columnar body are adjusted.
  • FIG. 7 is a diagram showing the amount of phase delay when adjusting the length and width of a columnar body.
  • the optical cell 1 includes a substrate 2 formed of a material that transmits light, and a first optical element layer 4 formed of an optical element 3 disposed at a first position P1 of the substrate 2. , a second optical element layer 5 formed by the optical element 3 disposed at a second position P2 of the substrate 2, and a flow path laminated on the substrate 2 and containing a sample M to be inspected and a substance serving as an oscillation source. 11 is formed.
  • the first position P1 and the second position P2 coincide in the layer thickness direction of the substrate 2.
  • the substrate 2 is formed into a rectangular plate-like body, for example, from a transparent glass material.
  • One surface 2A side of the substrate 2 is exposed to the outside.
  • One surface 2A side and the other surface 2B side of the substrate 2 may be coated to form an antireflection film to prevent reflection of light.
  • a light source L that outputs light Q is arranged at a first position P1 on one surface 2A side of the substrate 2.
  • the light source L inputs the light Q to the first position P1.
  • One surface 2A side of the substrate 2 and the light source L may be in contact with each other or may be separated from each other.
  • the light source L is composed of a device that outputs light, such as a semiconductor laser device that outputs laser light or a light emitting diode (LED) device.
  • LED light emitting diode
  • a detection unit D that detects the output light output from the second position P2 is arranged.
  • the detection unit D is composed of a light detecting element such as a photodiode, for example.
  • the one surface 2A side of the substrate 2 and the detection part D may be in contact with each other or may be separated from each other.
  • a first optical element layer 4 formed of an optical element 3 having predetermined optical characteristics is provided at a first position P1 on the other surface 2B side of the substrate 2.
  • the optical element 3 has a metasurface structure formed so as to output light having an arbitrary polarization state. The configuration of the optical element 3 will be described later.
  • the first optical element layer 4 receives the light inputted from the light source L and transmitted through the substrate 2 at the first position P1, and is formed so as to be able to adjust the phase of the output light that is output after the inputted light is transmitted therethrough. ing.
  • the first optical element layer 4 receives the light inputted from the light source L and transmitted through the substrate 2 at the first position P1, and has a deflection characteristic in the normal direction to the output light transmitted through the inputted light and outputted. is formed to be adjustable.
  • the first optical element layer 4 receives the light inputted from the light source L and transmitted through the substrate 2 at the first position P1, and is oriented in the normal direction to the output light transmitted through the inputted light and outputted. It is formed so that the collimating lens characteristics can be adjusted.
  • the first optical element layer 4 receives the light input from the light source L and transmitted through the substrate 2 at the first position P1, and polarizes the input light in the normal direction to the output light that is transmitted and output. It is formed so that its characteristics can be adjusted.
  • the first optical element layer 4 may be formed to be able to adjust polarization characteristics so as to condense light to a focal point.
  • a second optical element layer 5 formed of an optical element 3 having predetermined optical characteristics is provided at a second position P2 on the other surface 2B side of the substrate 2.
  • the second optical element layer 5 receives the light that has passed through the sample M at the second position P2, and is formed to be able to adjust the phase of the output light that is transmitted through the input light and output to the substrate 2.
  • the second optical element layer 5 inputs the light that has passed through the sample M at the second position P2, and adjusts the deflection characteristics in the normal direction to the output light that is transmitted through the input light and output to the substrate 2. possible.
  • the second optical element layer 5 inputs the light that has passed through the sample M at the second position P2, and focuses the input light in the normal direction to the output light that is transmitted and output to the substrate 2.
  • the lens characteristics are adjustable.
  • the second optical element layer 5 receives the light that has passed through the sample M at the second position P2, and has polarization characteristics in the direction normal to the output light that is transmitted through the input light and output to the substrate 2. is formed to be adjustable.
  • An encasing layer 10 is provided on the other surface 2B side of the substrate 2.
  • the encasing layer 10 is made of, for example, a silicon single crystal material.
  • One surface 10A of the encasing layer 10 is in contact with the other surface of the substrate 2.
  • a groove-shaped channel 11 is formed on the one surface 10A side of the encasing layer 10, which is recessed from the one surface 10A side when viewed in cross section.
  • the flow path 11 is formed, for example, by etching one surface 10A of the encasing layer 10.
  • the flow path 11 is covered with the substrate 2 to form a housing space that accommodates a sample to be inspected and a substance to be an oscillation source.
  • the flow path 11, for example, contains a substance in a sealed manner.
  • the flow path 11 is not completely sealed, and may be configured to accommodate a fluid substance in a flowing state.
  • the plurality of reflectors include, for example, a first reflector 12 provided corresponding to the first position P1 and a second reflector 13 provided corresponding to the second position P2.
  • the first reflection plate 12 is formed at an inclination angle ⁇ such that the width of the flow path 11 increases from the bottom of the flow path 11 toward the opening on the one surface 10A side of the encasing layer 10 when viewed in cross section.
  • the first reflecting plate 12 is formed by the crystal plane of the substrate 2.
  • the inclination angle ⁇ is, for example, 54.7 degrees.
  • the first reflection plate 12 reflects, for example, the first output light Q1 output from the first optical element layer 4, and reflects it in a direction along the width direction of the flow path 11 (X-axis direction in the figure).
  • the first reflection plate 12 reflects the first output light Q1 along the width direction, which has a longer optical path length than the depth direction of the flow path 11 (Z-axis direction in the figure).
  • a second reflecting plate 13 is arranged in the width direction of the flow path 11 so as to face the first reflecting plate 12 .
  • the second reflecting plate 13 is formed line-symmetrically with the first reflecting plate 12 in the width direction of the flow path 11.
  • the second reflection plate 13 is formed at an inclination angle ⁇ such that the width of the flow path 11 increases from the bottom of the flow path 11 toward the opening on the one surface 10A side of the encasing layer 10 when viewed in cross section.
  • the second reflecting plate 13 is formed by the crystal plane of the substrate 2.
  • the inclination angle ⁇ is, for example, 54.7 degrees.
  • the second reflection plate 13 reflects, for example, the first output light Q1 reflected by the first reflection plate 12, and inputs the reflected light to the second optical element layer 5.
  • the second optical element layer 5 inputs the first output light Q1, imparts a predetermined polarization state to the first output light Q1, and outputs a second output light Q2 (also simply referred to as output light).
  • the second output light Q2 passes through the substrate 2 and is input to the detection section D.
  • FIG. 2 shows the configuration of an analysis device 100 using the optical cell 1.
  • the analysis device 100 is, for example, a device that analyzes the characteristics of the sample M based on the optical characteristics of the sample M accommodated in the optical cell 1.
  • the analyzer 100 includes, for example, an optical cell 1 containing a sample M, a light source L that inputs light Q to a first position P1 of the optical cell 1, and a second light Q that is output from a second position P2 of the optical cell 1.
  • Comprising a detection section D that detects the output light Q2, and a calculation device 50 that controls the light source L acquires the detection results of the detection section D, and determines the characteristics of the sample M based on calculations using the detection results.
  • the detection unit D is configured to detect a desired optical physical quantity of the sample M. By changing the configuration of the detection unit D, the analysis device 100 may be used as a spectrometer, a resonance line acquisition device, a spectrophotometer, or the like.
  • the arithmetic device 50 is configured by, for example, an information processing terminal device such as a personal computer.
  • the computing device 50 may be a server device connected to the light source L and the detection unit D via a network.
  • the calculation device 50 includes, for example, a control unit 52 that controls the light source L and outputs a predetermined calculation result, a storage unit 54 that stores data related to the calculation, and a display unit 56 that displays information based on the calculation result. It is equipped with
  • the storage unit 54 is configured of a non-temporary storage medium such as an SSD or a flash memory, for example.
  • the display unit 56 includes a display device such as a liquid crystal display or an organic electro-luminescence (EL) display. The display unit 56 displays the display image generated by the control unit 52.
  • EL organic electro-luminescence
  • the control unit 52 acquires the detection data acquired by the detection unit D, performs predetermined calculations using the detection results, and outputs the calculation results regarding the predetermined physical characteristics of the sample M.
  • the control unit 52 generates a display image showing the calculation result and displays it on the display unit 56.
  • the control unit 52 described above is realized by, for example, a hardware processor such as a CPU (Central Processing Unit) executing a program (software). Some or all of these components are hardware (circuit parts) such as LSI (Large Scale Integration), ASIC (Application Specific Integrated Circuit), FPGA (Field-Programmable Gate Array), and GPU (Graphics Processing Unit). (including circuitry), or may be realized by collaboration between software and hardware.
  • the program may be stored in advance in a storage device such as an HDD (Hard Disk Drive) or flash memory included in the storage unit 54, or may be stored in a removable storage medium such as a DVD or CD-ROM.
  • a storage device such as an HDD (Hard Disk Drive) or flash memory included in the storage unit 54
  • the installation may be performed by loading the medium into a drive device.
  • the optical element 3 creates a phase gradient when light propagates through an interface between two different materials with different light propagation velocities, and arbitrarily controls the deflection angle and polarization characteristics of the light caused by the difference in propagation velocities. It is configured as follows.
  • the optical element 3 has, for example, a metasurface structure in which a periodic structure of metal or dielectric is formed at the interface of two different materials with different light propagation velocities, and the period is smaller than the product of wavelength and refractive index. ing.
  • the metasurface structure may be formed not only of metal or dielectric material, but also of a material that is transparent in the wavelength band of the laser used.
  • a metasurface deflector an element that refracts and deflects light based on a metasurface structure.
  • the light source L inputs the light Q along the normal direction (Z-axis direction in the figure) perpendicular to the surface of the substrate 2 at the first position P1.
  • the light Q travels through the substrate 2, is input to the optical element 3 (first optical element layer 4) on the other surface 10B of the substrate 2, and is output as the first output light Q1 into the channel 11 filled with the sample M. be done.
  • the optical element 3 (first optical element layer 4) disposed at the first position P1 transmits the light Q input from the light source L in the plane direction of the substrate 2 to the substrate 2 and the sample M based on the metasurface structure.
  • the optical element 3 disposed at the first position P1 has a function of collimating the diffused light Q input from the light source L in the plane direction of the substrate 2 and outputting it as parallel light based on the metasurface structure.
  • the optical element 3 disposed at the second position P2 has a function of inputting parallel light and outputting the light so as to condense the light to a focal point at a predetermined position based on the metasurface structure.
  • the optical element 3 is formed into a metasurface structure including a plurality of minute columnar bodies 3T arranged in a matrix.
  • FIG. 3 shows unit elements of the metasurface structure.
  • the distance H between adjacent columnar bodies 3T is, for example, several hundred nm.
  • the optical element 3 is formed of a material having a predetermined dielectric constant by etching or the like on the plane of the transparent substrate 2 through which light can pass. It is desirable that the columnar bodies 3T are made of a material with a high refractive index.
  • the material of the columnar body 3T is, for example, single crystal silicon.
  • the material of the columnar body 3T Ge, amorphous silicon, GaN, TiO 2 , SiN, ZrO 2 or the like may be used.
  • the material of the columnar body 3T may be any other material as long as it has similar optical properties.
  • Each columnar body 3T functions as a waveguide that guides light.
  • Each columnar body 3T transmits input light and outputs output light by adjusting parameters such as dielectric constant, cross-sectional shape in the direction parallel to the plane, and length in the normal direction to the plane. It is formed so as to perform phase adjustment (also referred to as phase delay) with respect to.
  • phase adjustment also referred to as phase delay
  • the columnar body 3T according to the embodiment has its length direction set to a predetermined value.
  • Non-Patent Document 5 the following equation (1) is established between the incident angle ⁇ i, the deflection angle ⁇ t, the incident side refractive index ni, the outgoing side refractive index nt, the phase gradient d ⁇ /dx, and the wavelength ⁇ . Indicated by relationships.
  • the optical element 3 when the light is output from the substrate 2, the optical element 3 It is necessary to provide a predetermined deflection angle ⁇ t at (see FIG. 1).
  • the optical element 3 is formed, for example, to impart a phase gradient to the input light when it is output, and to impart a deflection angle of a predetermined deflection angle ⁇ t to the output light.
  • Equation (2) is a first function indicating the distribution of phase gradient that the metasurface structure of the optical element 3 gives to light.
  • the plurality of columnar bodies are designed based on a first function ⁇ D (x) that indicates the phase distribution of output light in plan view.
  • the predetermined deflection angle ⁇ t is 19.48°
  • the first function ⁇ D (x) is calculated by the following equation (3) based on equations (1) and (2). ).
  • the first function ⁇ D (x) represents a phase distribution in a two-dimensional plane in which input light is diffracted at a predetermined deflection angle ⁇ t.
  • the remainder obtained by dividing the first function ⁇ D (x) by 2 ⁇ is shown in consideration of the periodicity of the phase.
  • the plurality of columnar bodies 3T based on the first function have a first width in a first direction along the plane and a width in a second direction (Y-axis direction) perpendicular to the first direction (X-axis direction) along the plane. It is formed in a cross-sectional shape with two widths adjusted.
  • the first width and the second width are set to satisfy a cross-sectional shape that provides the phase closest to the remainder of the first function with respect to 2 ⁇ .
  • the plurality of columnar bodies 3T are sequentially arranged along the first direction and the second direction in the order of the size of the cross-sectional area of the cross-sectional shape, and have a phase gradient so that the output light has an arbitrary deflection angle with respect to the normal direction.
  • the deflection characteristics are adjusted so that The structure of the optical element 3 having such a phase gradient can be calculated based on electromagnetic field analysis.
  • FIG. 5 shows the optical characteristics of a columnar body 3T formed using single crystal silicon as a material.
  • the columnar bodies 3T have, for example, a square cross section and a height of 400 nm.
  • the amount of change in transmittance and phase is calculated when the width w of one side of the square cross-sectional shape is changed. According to the calculation results, it can be seen that the columnar body 3T has a high transmittance of 80% or more, and a phase change of 0-2 ⁇ is obtained.
  • FIG. 6 shows the calculation result of the relationship between the phase change from 0 to 2 ⁇ and the width of one side in steps of 1/4 ⁇ .
  • FIG. 8 shows a state in which input light is input from the bottom of the columnar body 3T and output light is emitted from the top.
  • a periodic boundary condition exists around the columnar body 3T.
  • the optical element 3 is a light deflection element formed in a metasurface structure in which unit elements made of a plurality of columnar bodies 3T are further arranged in a matrix, and whose output light has an arbitrary deflection angle with respect to the normal direction. functions as
  • the optical element 3 may be designed not only as a light deflection element but also to have other polarization properties. For example, in the optical cell 1, since the light output from the light source L generally has a divergence angle, it is necessary to use a collimating lens to convert it into parallel light (see FIG. 1).
  • the optical element 3 may be formed as a lens element having the function of a convex lens that converts diverging input light into parallel light and outputs it. Equation (4) is, for example, a second function indicating the phase distribution of the collimating lens.
  • FIG. 10 shows the remainder of the phase distribution based on the second function with respect to 2 ⁇ .
  • a plurality of columnar bodies 3T are designed based on a second function indicating the phase distribution of output light in a plane.
  • the first width and second width of each columnar body 3T in the cross-sectional area are adjusted so that the phase gradient in the coordinates corresponds to the second function.
  • the first width and the second width are set to satisfy a cross-sectional shape that provides the phase closest to the remainder of the second function with respect to 2 ⁇ .
  • the optical element 3 designed in this way has unit elements made up of a plurality of columnar bodies 3T having a phase distribution based on the second function arranged in a matrix, so that the output light can be focused at an arbitrary point in the normal direction. It functions as a lens element whose phase is adjusted so that it has a focus at a distance and whose lens characteristics are adjusted. According to the optical element 3 formed in the lens element, when arranged as the first optical element layer 4 at the first position P1, the light output from the light source L with a divergence angle can be converted into parallel light and output. (See Figure 1).
  • the optical element 3 formed in the lens element when placed as the second optical element layer 5 at the second position P2, the parallel light reflected by the second reflection plate 13 is input, and the output light is condensed. can be input to the detection unit D (see FIG. 1).
  • optical elements 3 having different polarization characteristics described above may be stacked to combine their functions.
  • the optical element 3 may be designed based on a composite function that is a composite of a first function and a second function that are set to have different polarization characteristics.
  • the optical element 3 may be formed based on the phase distribution function shown in equation (5), which is a combination of the first function and the second function.
  • FIG. 11 shows the remainder of the phase distribution with respect to 2 ⁇ based on the phase distribution function obtained by combining the first function and the second function.
  • the first width and second width of the plurality of columnar bodies 3T are set to satisfy a cross-sectional shape that gives the phase closest to the remainder of 2 ⁇ of the phase distribution function that is a composite of the first function and the second function.
  • the optical element 3 designed based on the phase distribution function it is possible to design a metasurface structure in which functions that produce different polarization characteristics are superimposed, and the functions of both a polarizing element or a polarizer and a metalens are combined in one layer. This can be achieved by
  • the optical characteristics of the sample M may be desirable for the optical characteristics of the sample M to convert the light output from the light source L from linearly polarized light to circularly polarized light (see FIG. 1).
  • the optical element 3 may be formed, for example, into a quarter-wave plate that is a retardation plate. Equation (6) is, for example, a third function indicating the phase distribution of a quarter-wave plate.
  • a plurality of columnar bodies 3T are designed based on a third function indicating the phase distribution of output light in a plane.
  • the first width and second width of each columnar body 3T in the cross-sectional area are adjusted so that the phase gradient in the coordinates corresponds to the third function.
  • the first width and second width of the plurality of columnar bodies 3T are set so as to satisfy a cross-sectional shape that provides the phase closest to the remainder of the third function with respect to 2 ⁇ .
  • Each columnar body 3T generates a phase difference of ⁇ /2 between the first phase of the output light in the first direction and the second phase in the second direction orthogonal to the first direction, so that the output light The light is adjusted so that it becomes circularly polarized light with respect to the direction.
  • the optical element 3 formed as a quarter-wave plate can constitute a metasurface having polarization dependence of phase, that is, birefringence, by changing the cross-sectional shape of the columnar body 3T from a square to a rectangle, for example.
  • the function of a quarter-wave plate can be realized by selecting a pillar that satisfies the phase relationship equation (6) similar to the quarter-wave plate.
  • FIG. 12 shows the results of electromagnetic field analysis of the optical element 3 formed on the quarter-wave plate.
  • the electromagnetic field analysis calculations were performed by fixing the height of the columnar body 3T formed of Si single crystal to 800 nm and changing the widths wx and wy in the x and y directions, for example.
  • the solid lines in the figure show the contour lines of ⁇ x, the broken lines show the contour lines of ⁇ y, and the black dots show ( ⁇ x, ⁇ y) that satisfy the design solution.
  • FIG. 13 shows an example of electromagnetic field analysis using the design solution indicated by black dots in FIG. 12.
  • FIG. 13(A) shows the electric field distribution of x-polarized light
  • FIG. 13(B) shows the electric field distribution of y-polarized light.
  • ⁇ y is delayed by 90° compared to ⁇ x.
  • the optical element 3 designed in this way is adjusted to have a phase difference of 1/4 wavelength, that is, ⁇ /4, between the vertically polarized wave component and the horizontally polarized wave component with respect to the traveling direction of light. Functions as a 1/4 wavelength plate.
  • ⁇ /4 a phase difference between the vertically polarized wave component and the horizontally polarized wave component with respect to the traveling direction of light.
  • the optical element 3 formed as a quarter-wave plate when placed as the second optical element layer 5 at the second position P2, the circularly polarized light reflected at the second reflection plate 13 is input, and the output light is can be converted into linearly polarized light and input to the detection section D (see FIG. 1).
  • the optical element 3 formed on the 1/4 wavelength plate by polarizing the light into circularly polarized light, it is possible to utilize the difference in optical characteristics of the sample M with respect to circularly polarized light.
  • the phase difference in the third function may be set arbitrarily.
  • the optical element 3 may adjust the phase difference in the third function, and may be formed as a left-handed 1/4 wavelength plate or a right-handed 1/4 wavelength plate.
  • the optical element 3 may be a 1/2 wavelength plate by adjusting the phase difference in the third function.
  • the third function may be superimposed on the first function and the second function to design the optical element 3.
  • the optical element 3 designed in this way generates a phase difference between the first phase of the output light in the first direction and the second phase of the output light in the second direction, so that the output light can be adjusted arbitrarily with respect to the normal direction. It is adjusted to have polarization characteristics of .
  • FIG. 14 shows the processing flow of each step executed in the method for designing the optical element 3.
  • the optical element 3 is designed using, for example, an information processing terminal device such as a personal computer.
  • a plurality of columnar bodies 3T formed of a material having a predetermined dielectric constant are arranged in a matrix on the plane of the other surface 2B of the substrate 2 having transparency through which light input from the surface 2A is transmitted (step S100).
  • the dielectric constant of each columnar body 3T is set (step S102).
  • the length of each columnar body in the normal direction to the plane is set (step S104).
  • the cross-sectional shape of each columnar body in a direction parallel to the plane is set (step S106).
  • step S106 the cross-sectional shape is adjusted in the normal direction by adjusting the phase of the input light that is input through the substrate and the output light that is output after passing through the substrate, based on the phase distribution that realizes the desired polarization characteristics. Adjustments are made so that output light having arbitrary polarization characteristics is output based on the polarization characteristics for the polarization, the lens characteristics for condensing light in the normal direction, and the polarization characteristics for the normal direction.
  • the optical cell 1 described above may be applied to, for example, a spectroscopic device that performs spectroscopic analysis.
  • the optical cell 1 may be applied to a microfluidic device to integrate spectroscopic analysis functions.
  • Micro-TAS Micro-Total Analysis Systems
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • Micro TAS is an analytical device that has minute open-circuit channels, reaction chambers, and mixing chambers on a chip, and analyzes various liquids and gases with a single device.
  • the optical cell 1 by incorporating the light source L and the detection section D into a micro TAS in one chip, it is possible to configure an inexpensive spectroscopic analysis device with increased versatility.
  • it when applied to a microfluidic device, it can be used as an analysis device by configuring a metasurface that takes into consideration the refractive index of the medium flowing through the flow path.
  • the optical cell 1 may be applied to, for example, a gas cell for an atomic clock to reduce the size of the device configuration.
  • the optical cell 1 may be applied not only to the open-circuit type device described above, but also to a closed system such as a gas cell of an atomic clock.
  • the optical cell 1 when the channel 11 is configured as a sealed gas cell, the interference length with the gas is increased, and the light source L such as a laser chip and the detection part D such as a photodetector can be mounted on one side on the substrate 2. can.
  • the optical cell 1 when the optical cell 1 is applied to a gas cell for an atomic clock, the elements of the light source L and the detection section D can be integrated into one chip.
  • the optical cell 1 When the optical cell 1 is applied to a gas cell for an atomic clock, light is input into the optical cell containing cesium vapor, and the optical characteristics such as the frequency of the output excitation light are used to configure the oscillator of the atomic clock. At the same time, it is possible to significantly reduce the size and height of the quantum interference section of the atomic clock.
  • the optical element 3 has a metasurface structure in which a plurality of columnar bodies 3T are arranged in a matrix, so that the optical element 3 has optical characteristics that exhibit arbitrary polarization direction, light focusing ability, and polarization state. can be realized.
  • the optical element 3 by adjusting the cross-sectional area of each columnar body 3T, the polarization characteristics, lens characteristics, and polarization characteristics can be adjusted, and output light having arbitrary polarization characteristics can be output. can be formed.
  • the phase distribution can be adjusted based on the first function, and the polarization characteristics such as the deflection angle can be adjusted.
  • the optical element 3 light can be deflected only in one direction, and the light transmission efficiency can be improved compared to a diffraction grating that diffracts light in two directions.
  • the optical cell 1 when the optical cell 1 is applied to a gas cell for an atomic clock, by using the optical element 3, the light transmission efficiency is higher than that of the gas cell for an atomic clock of Patent Document 1, which has a diffraction grating that diffracts light in two directions. can be significantly improved.
  • lens characteristics such as light condensing can be adjusted based on the second function.
  • the polarization characteristics of the phase plate etc. can be adjusted based on the third function.
  • the optical element 3 by adjusting the shape and arrangement of each columnar body 3T based on a phase distribution function that is an arbitrary combination of functions indicating phase distribution such as a first function, a second function, and a third function, An optical element having arbitrary polarization direction, light focusing ability, and polarization state can be constructed from one layer.
  • the first function, second function, and third function described above are examples, and a phase distribution function having desired polarization characteristics may be used.
  • the first optical element layer 4 and the second optical element layer 5 of the optical cell 1A may be provided on the one surface 2A side of the substrate 2.
  • the polarization angle ⁇ t of the optical element 3 needs to satisfy the condition of the following equation (7), where the refractive index of the glass is nt.
  • the polarization angle ⁇ t of the optical element 3 needs to satisfy the condition of the following equation (8).
  • phase gradient required for the optical element 3 is expressed by the following equation (9).
  • Equation (9) is the same as Equation (3) and does not depend on the refractive index nt. Therefore, the optical cell 1A can be configured to have the same effect as the optical cell 1 even if the optical element 3 used in the optical cell 1 is placed on the one surface 2A side of the substrate 2.
  • the optical element 3 may be provided on any side of the first surface 2A or the other surface 2B of the substrate 2 in the first optical element layer 4 and the second optical element layer 5.
  • the optical element 3 can be disposed on the one surface 2A side of the substrate 2, and a degree of freedom in design can be provided.
  • the columnar body 3T of the optical element 3 was designed to have a fixed length.
  • the columnar body 3T may be designed using the length as a parameter.
  • the transmittance of the columnar body 3T changes periodically by adjusting the length in a region exceeding a predetermined width.
  • the amount of phase delay of the columnar body 3T changes periodically by adjusting the length in a region exceeding a predetermined width.
  • the transmittance of the optical element 3 may be adjusted by arranging columnar bodies 3T of different lengths. Further, the optical element 3 may generate interference light by arranging columnar bodies 3T having different lengths.
  • the cross-sectional shape of the columnar body 3T may be not only a rectangular cross-section but also an elliptical cross-section. In the etching process for forming the columnar body 3T, corners of the rectangular cross section are not formed, and the shape is close to an ellipse.
  • the cross-sectional shape may be deformed into an ellipse in advance and corrected to have desired polarization characteristics.
  • an optical element 3 for adjustment may be separately laminated.

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Abstract

光が透過する透明性を有する基板の平面上に所定の誘電率を有する材料により形成され、マトリクス状に配置された複数の柱状体を備え、各前記柱状体は、前記誘電率と、前記平面に平行な方向における断面形状と、前記平面に対する法線方向の長さ、に基づいて、入力される前記光が透過して出力される出力光に対して位相調整を行い、前記法線方向に対する偏向特性と、前記法線方向に対して集光するレンズ特性と、前記法線方向に対する偏波特性とを調整し、任意の偏光特性を有する前記出力光を出力するように形成されている光学素子である。

Description

光学素子、光学セル、分析装置、及び光学素子の設計方法
　本発明は、物質の光学特性を利用するための光学素子、光学セル、分析装置、及び光学素子の設計方法に関する。本願は、２０２２年４月５日に日本国に出願された特願２０２２－０６２９０８号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　ガスや液体などの流動性の高い微量サンプル（試料）を成分分析する場合、試料の光学特性に基づく分光解析が用いられる。例えば一般的な分光解析は、大型の光源からレーザ光等の光を出力し、顕微鏡のようなレンズ系を介して光を集束し、微小領域に配置された試料に光を照射し、励起された試料から放射される光を分光し、スペクトル解析することで試料の特性を分析することが行われている（例えば、非特許文献１参照）。
　試料の光学特性が判明している場合、試料が収容された光学セルは、試料に光を入力し、出力された励起光の特性を利用する光学デバイスとして用いられる場合がある。例えば、特許文献１には、試料となるセシウム蒸気が収容された光学セルに光を入力し、出力された励起光が有する周波数等の光学特性を利用し、原子時計の振動子を構成することが記載されている。
　特許文献１に記載された光学セルは、試料を収容する流路が形成された収容部と、収容部を覆う透明基板とを備えている。光学セルには、収容部にレーザ光等の光を入力する光源と、試料を透過した光を検出する検出部とが設けられている。この光学セルの収容部は、シリコン基板により形成されている。シリコン基板には、断面視してウェットエッチングを用いて流路が形成されている。流路の両側には、対向して第１傾斜面と第２傾斜面とが形成されている。第１傾斜面と第２傾斜面との角度の大きさは、約５５度である。この光学セルは、透明基板側から入力された光が第１傾斜面及び第２傾斜面において反射して透明基板側に出力光が出力されることで、流路の長手方向に光学パスを形成している。
　特許文献１に記載された光学セルによれば、透明基板に入力する光を第１傾斜面において反射させると共に第２傾斜面において反射した光を透明基板から出力させるために、透明基板に回折格子を設けている。特許文献１に記載された光学セルによれば、透明基板に設けられた回折格子を用いて入射光を回折・スプリットさせ、金属膜で形成される仕切り板を用いて、適切な角度で回折した光だけを流路内に入力し光学パスを形成している。
米国特許第9488962号明細書
R.G. Messerschmidt, and M. Harthcock, "Infrared Microspectroscopy," Mercel Dekkar, New York (1988). S. Sun et al., "High-efficiency broadband anomalous reflection by gradient meta-surfaces.," Nano Lett., vol. 12, no. 12, pp. 6223-9, Dec. 2012. Z. Zhou et al., "Efficient Silicon Metasurfaces for Visible Light," ACS Photonics, vol. 4, no. 3, pp. 544-551, 2017.
　特許文献１に記載された光学セルによれば、光源から入力された光は、回折格子により２方向にスプリットされるので、光強度の５０％以上が減衰するという課題がある。
　本発明は、光の透過効率を向上させつつ、任意の偏向方向・集光性・偏光状態を有する光学素子、光学セル、分析装置、及び光学素子の設計方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様は、光が透過する透明性を有する基板の平面上に所定の誘電率を有する材料により形成され、マトリクス状に配置された複数の柱状体を備え、各前記柱状体は、前記誘電率と、前記平面に平行な方向における断面形状と、前記平面に対する法線方向の長さ、に基づいて、入力される前記光が透過して出力される出力光に対して位相調整を行い、前記法線方向に対する偏向特性と、前記法線方向に対して集光するレンズ特性と、前記法線方向に対する偏波特性とを調整し、任意の偏光状態を有する前記出力光を出力するように形成されている光学素子である。
　本発明によれば、光学素子の光の検出効率を向上させつつ、任意の偏向方向・集光性・偏光状態を有するように設計することができる。
実施形態に係る光学セルの構成を示す断面図である。 光学セルを用いた検出装置の構成を示すブロック図である。 光学素子の構成を示す斜視図である。 第１関数に基づく位相分布を示す図である。 柱状体の幅と透過率及び位相遅延量との関係を示す図である。 柱状体幅と位相遅延量との関係を示す図である。 複数の柱状体の配列状態を示す斜視図である。 複数の柱状体を電磁場解析した算出結果を示す図である。 複数の柱状体に基づく回折角を示す図である。 第２関数に基づく位相分布を示す図である。 位相分布関数に基づく位相分布を示す図である。 １／４波長板に形成された光学素子を電磁場解析した計算結果を示す図である。 １／４波長板に形成された複数の柱状体を電磁場解析した計算結果を示す図である。 光学素子の設計方法において実行される処理の流れを示すフローチャートである。 変形例に係る光学セルの構成を示す断面図である。 柱状体の長さと幅とを調整した場合の透過率を示す図である。 柱状体の長さと幅とを調整した場合の位相遅延量を示す図である。
　図１に示されるように、光学セル１は、光を透過する材質により形成された基板２と、基板２の第１位置Ｐ１に配置された光学素子３により形成された第１光学素子層４と、基板２の第２位置Ｐ２に配置された光学素子３により形成された第２光学素子層５と、基板２に積層され検査対象となる試料Ｍや発振源となる物質を収容する流路１１が形成された収容層１０とを備えている。ここで、第１位置Ｐ１及び第２位置Ｐ２は、基板２の層厚方向において一致する。
　基板２は、例えば、透明なガラス材料により矩形の板状体に形成されている。基板２の一面２Ａ側は、外部に露出している。基板２の一面２Ａ側と他面２Ｂ側は、光の反射を防止するための反射防止膜を形成するようにコーティング処理されていてもよい。基板２の一面２Ａ側の第１位置Ｐ１には、光Ｑを出力する光源Ｌが配置されている。光源Ｌは、第１位置Ｐ１に対して光Ｑを入力する。基板２の一面２Ａ側と光源Ｌとは、接触していてもよいし離間していてもよい。光源Ｌは、例えば、レーザ光を出力する半導体レーザ素子やＬＥＤ（Light Emitting Diode）素子等の光を出力する素子により構成されている。基板２の一面２Ａ側の第１位置Ｐ１と異なる位置の第２位置Ｐ２には、第２位置Ｐ２から出力される出力光を検出する検出部Ｄが配置されている。検出部Ｄは、例えば、フォトダイオード等の光を検出する素子により構成されている。基板２の一面２Ａ側と検出部Ｄとは、接触していてもよいし離間していてもよい。
　基板２の他面２Ｂ側の第１位置Ｐ１には、所定の光学特性を有する光学素子３により形成された第１光学素子層４が設けられている。光学素子３は、任意の偏光状態を有する光を出力するように形成されているメタサーフェス構造を有する。光学素子３の構成については後述する。第１光学素子層４は、第１位置Ｐ１において光源Ｌから入力され基板２を透過した光を入力し、入力される光が透過して出力される出力光に対して位相調整可能に形成されている。第１光学素子層４は、第１位置Ｐ１において光源Ｌから入力され基板２を透過した光を入力し、入力される光が透過して出力される出力光に対して法線方向に対する偏向特性を調整可能に形成されている。
　第１光学素子層４は、第１位置Ｐ１において光源Ｌから入力され基板２を透過した光を入力し、入力される光が透過して出力される出力光に対して法線方向に対してコリメートするレンズ特性を調整可能に形成されている。第１光学素子層４は、第１位置Ｐ１において光源Ｌから入力され基板２を透過した光を入力し、入力される光が透過して出力される出力光に対して法線方向に対する偏波特性を調整可能に形成されている。第１光学素子層４は、焦点に光を集光するように偏波特性を調整可能に形成されていてもよい。
　基板２の他面２Ｂ側の第２位置Ｐ２には、所定の光学特性を有する光学素子３により形成された第２光学素子層５が設けられている。第２光学素子層５は、第２位置Ｐ２において試料Ｍを透過した光を入力し、入力される光が透過して基板２に出力される出力光に対して位相調整可能に形成されている。第２光学素子層５は、第２位置Ｐ２において試料Ｍを透過した光を入力し、入力される光が透過して基板２に出力される出力光に対して法線方向に対する偏向特性を調整可能に形成されている。
　第２光学素子層５は、第２位置Ｐ２において試料Ｍを透過した光を入力し、入力される光が透過して基板２に出力される出力光に対して法線方向に対して集光を調整するレンズ特性を調整可能に形成されている。第２光学素子層５は、第２位置Ｐ２において試料Ｍを透過した光を入力し、入力される光が透過して基板２に出力される出力光に対して法線方向に対する偏波特性を調整可能に形成されている。
　基板２の他面２Ｂ側には、収容層１０が設けられている。収容層１０は、例えば、シリコン単結晶の材料により形成されている。収容層１０の一面１０Ａ側は、基板２の他面側に接触している。収容層１０の一面１０Ａ側には、断面視して一面１０Ａ側から窪んだ溝状の流路１１が形成されている。流路１１は、例えば、収容層１０の一面１０Ａ側をエッチング処理することにより形成されている。流路１１は、基板２に覆われることにより、検査対象となる試料や発振源となる物質を収容する収容空間に形成されている。流路１１は、例えば、物質を密閉して収容する。流路１１は、完全に密閉されるものではなく、流体である物質が流通する状態で収容可能に構成されていてもよい。
　流路１１内の両側には、断面視して第１位置に設けられた第１光学素子層４から出力される第１出力光Ｑ１を反射して基板２の第２位置Ｐ２に出力するように複数の反射板が形成されている。複数の反射板は、例えば、第１位置Ｐ１に対応して設けられた第１反射板１２と、第２位置Ｐ２に対応して設けられた第２反射板１３とを含む。
　第１反射板１２は、断面視して流路１１の底部から収容層１０の一面１０Ａ側の開口に向かうほど流路１１の幅が増大する傾斜角θに形成されている。第１反射板１２は、基板２の結晶面により形成されている。傾斜角θは、例えば、５４．７度である。第１反射板１２は、例えば、第１光学素子層４から出力された第１出力光Ｑ１を反射し、流路１１の幅方向（図のＸ軸方向）に沿った方向に反射させる。第１反射板１２は、流路１１の深さ方向（図のＺ軸方向）に比して長い光路長となる幅方向に沿って第１出力光Ｑ１を反射させる。流路１１の幅方向には、第１反射板１２に対向して第２反射板１３が配置されている。
　第２反射板１３は、流路１１の幅方向において第１反射板１２と線対称に形成されている。第２反射板１３は、断面視して流路１１の底部から収容層１０の一面１０Ａ側の開口に向かうほど流路１１の幅が増大する傾斜角θに形成されている。第２反射板１３は、基板２の結晶面により形成されている。傾斜角θは、例えば、５４．７度である。第２反射板１３は、例えば、第１反射板１２において反射された第１出力光Ｑ１を反射し、第２光学素子層５に入力させる。第２光学素子層５は、第１出力光Ｑ１を入力し、第１出力光Ｑ１に所定の偏光状態を与え第２出力光Ｑ２（単に出力光ともいう）を出力する。第２出力光Ｑ２は、基板２を透過し、検出部Ｄに入力される。
　図２には、光学セル１を用いた分析装置１００の構成が示されている。分析装置１００は、例えば、光学セル１に収容された試料Ｍの光学特性に基づいて試料Ｍの特性を分析する装置である。分析装置１００は、例えば、試料Ｍが収容された光学セル１と、光学セル１の第１位置Ｐ１に光Ｑを入力する光源Ｌと、光学セル１の第２位置Ｐ２から出力される第２出力光Ｑ２を検出する検出部Ｄと、光源Ｌを制御すると共に、検出部Ｄの検出結果を取得し、検出結果を用いた演算に基づいて試料Ｍの特性を判定する演算装置５０とを備えている。検出部Ｄは、試料Ｍの所望の光学的な物理量を検出するように構成されている。検出部Ｄの構成を変更することにより、分析装置１００は、分光装置、共鳴線取得装置、分光光度計等として用いられてもよい。
　演算装置５０は、例えば、パーソナルコンピュータ等の情報処理用端末機器により構成されている。演算装置５０は、ネットワーク経由にて光源Ｌや検出部Ｄと接続されたサーバ装置であってもよい。演算装置５０は、例えば、光源Ｌを制御すると共に、所定の演算結果を出力する制御部５２と、演算に関するデータが記憶された記憶部５４と、演算結果に基づく情報を表示する表示部５６とを備えている。記憶部５４は、例えば、ＳＳＤ、フラッシュメモリ等の非一時的な記憶媒体により構成されている。表示部５６は、液晶ディスプレイ、有機ＥＬ（Organic Electro-Luminescence）ディスプレイなどの表示装置により構成されている。表示部５６は、制御部５２により生成された表示画像を表示する。
　制御部５２は、検出部Ｄにより取得された検出データを取得し、検出結果を用いて所定の演算を行い、試料Ｍの所定の物理的特性に関する演算結果を出力する。制御部５２は、演算結果を示す表示画像を生成し、表示部５６に表示させる。上述した制御部５２は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのハードウェアプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。これらの構成要素のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などのハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予め記憶部５４が有するＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリなどの記憶装置に格納されていてもよいし、ＤＶＤやＣＤ－ＲＯＭなどの着脱可能な記憶媒体に格納されており、記憶媒体がドライブ装置に装着されることでインストールされてもよい。
　次に、光学素子３の構成及び原理について説明する。光学素子３は、光の伝搬速度が異なる二種類の異種材料の界面を光が伝搬する際に位相に勾配を持たせ、伝搬速度の差から生じる光の偏向角や偏光特性を任意に制御するように構成されている。光学素子３は、例えば、光の伝搬速度が異なる二種類の異種材料の界面に金属または誘電体の周期構造を形成し、その周期が波長と屈折率の積より小さくするメタサーフェス構造を有している。メタサーフェス構造は金属または誘電体で形成されるだけでなく、使用するレーザの波長帯において透過性を有する材料で形成されていてもよい。ここで、メタサーフェス構造に基づいて、光を屈折・偏向させる素子をメタサーフェス偏向器と呼ぶ（例えば、非特許文献２及び非特許文献３参照）。
　図１に示されるように、光源Ｌは、第１位置Ｐ１において基板２の面に直交する法線方向（図のＺ軸方向）に沿って光Ｑを入力する。光Ｑは、基板２内を進行し、基板２の他面１０Ｂにおいて光学素子３（第１光学素子層４）に入力され、試料Ｍが充満した流路１１内に第１出力光Ｑ１として出力される。第１位置Ｐ１に配置された光学素子３（第１光学素子層４）は、メタサーフェス構造に基づいて、光源Ｌから基板２の平面方向に対して入力される光Ｑを基板２と試料Ｍとの界面となる基板２の他面２Ｂの位置において法線方向（図のＺ軸方向）に対して所定の偏向角θｔ＝１９．４８°で屈折させ第１出力光Ｑ１として出力する機能を有する。また、第１位置Ｐ１に配置された光学素子３は、メタサーフェス構造に基づいて、光源Ｌから基板２の平面方向に対して入力され、拡散する光Ｑをコリメートし平行光として出力する機能を有する。
　同様に第２位置Ｐ２に配置された光学素子３（第２光学素子層５）は、メタサーフェス構造に基づいて、第２反射板１３において法線方向に対して所定の偏向角θｔ＝１９．４８°で入力された光を基板２の平面方向に対して垂直方向に屈折させ第２出力光Ｑ２として出力する機能を有する。第２位置Ｐ２に配置された光学素子３は、メタサーフェス構造に基づいて、平行光を入力し、所定位置の焦点に集光するように光を出力する機能を有する。
　図３に示されるように、光学素子３は、マトリクス状に配置された微小な複数の柱状体３Ｔを備えるメタサーフェス構造に形成されている。図３には、メタサーフェス構造の単位要素が示されている。隣接する柱状体３Ｔ間の距離Ｈは、例えば、数１００ｎｍである。光学素子３は、光が透過する透明性を有する基板２の平面上において所定の誘電率を有する材料によりエッチング処理等を用いて形成されている。柱状体３Ｔは、屈折率が高い材料により形成されていることが望ましい。柱状体３Ｔの材料は、例えば、単結晶シリコンである。柱状体３Ｔの材料は、Ｇｅ、アモルファスシリコン、ＧａＮ、ＴｉＯ２、ＳｉＮ、ＺｒＯ２等が用いられてもよい。柱状体３Ｔの材料は、同様の光学特性を有していれば他のものであってもよい。
　各柱状体３Ｔは、光を導波する導波路として機能する。各柱状体３Ｔは、誘電率と、平面に平行な方向における断面形状と、平面に対する法線方向の長さ等のパラメータを調整することにより、入力される光が透過して出力される出力光に対して位相調整（位相遅延ともいう）を行うように形成されている。異なる位相調整量を有する柱状体３Ｔを所定の配列方法に基づいてマトリクス状に配列することにより、任意の偏光特性を有する出力光を出力する光学素子３が形成される。例えば、入力された入力光を所定の偏向角θｔに偏向させる光学素子３の設計方法について説明する。実施形態に係る柱状体３Ｔは、長さ方向を所定値に設定している。非特許文献５によれば、光の入射角θｉ，偏向角θｔ，入射側屈折率ｎｉ，出射側屈折率ｎｔ，位相勾配ｄφ／ｄｘおよび波長λの間には、以下の式（１）の関係により示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式（１）において、光が垂直に入力され、出力側の媒質がガスと仮定した場合、θｉ＝０，ｎｔ＝１である。本実施形態に係る光学素子３においては、基板２の垂直方向に入射された光が第１反射板１２に所定の入射角において入射されるように、基板２から出力される際に光学素子３において所定の偏向角θｔの偏向角を与える必要がある（図１参照）。光学素子３は、例えば、入力された光が出力される際に、位相勾配を与え、出力光に所定の偏向角θｔの偏向角を与えるように形成されている。式（２）は、光学素子３のメタサーフェス構造が光に与える位相勾配の分布を示す第１関数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　式（２）に基づいて、複数の柱状体は、平面視した出力光の位相分布を示す第１関数φＤ（ｘ）に基づいて設計されている。ここで、本実施形態において所定の偏向角θｔは、１９．４８°であるので、第１関数φＤ（ｘ）は、式（１）と式（２）に基づいて、以下の式（３）により示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　図４に示されるように、第１関数φD(x)は、入力光を所定の偏向角θｔ回折する２次元平面における位相分布を示す。図４では、位相の周期性を考慮して、第１関数φD(x)を２πで割った剰余を表示している。第一関数に基づく複数の柱状体３Ｔは、平面に沿った第１方向における第１幅と、平面に沿った第１方向（Ｘ軸方向）に直交する第２方向（Ｙ軸方向）における第２幅とが調整された断面形状に形成されている。第１幅と第２幅は、第１関数の２πに対する剰余に最も近い位相を与える断面形状を満たすように設定される。第１幅と第２幅とを調整し、断面積を調整することにより、柱状体３Ｔを透過する光の位相の遅延量が変化する。複数の柱状体３Ｔは、断面形状の断面積の大きさの順に第１方向及び第２方向に沿って順次配列され、出力光が法線方向に対して任意の偏向角を有するように位相勾配が付されるように偏向特性が調整されている。電磁場解析に基づいて、このような位相勾配を有する光学素子３の構造を算出することができる。
　図５には、単結晶シリコンを材料に用いて形成された柱状体３Ｔの光学特性が示されている。柱状体３Ｔは、例えば、正方形断面を有し、高さを４００ｎｍに設定されている。計算においては、正方形断面形状の一辺の幅ｗを変化させた場合の透過率と位相の変化量が算出されている。算出結果によれば、柱状体３Ｔは、８０％以上の高い透過率を有しつつ、０－２πの位相変化が得られていることが分かる。図６には、０－２πまでの位相変化と一辺の幅との関係の算出結果が１／４πのステップにより示されている。
　図７に示されるように、算出結果に基づいて断面形状が異なる８種類の柱状体３Ｔを配置し、柱状体３Ｔの周囲に生じる電磁場の変化をシミュレーションするための電磁場解析を行う。８種類の柱状体３Ｔは、断面積の大きさに従って配列されている。
　図８には、柱状体３Ｔの下側から入力光を入射し、上から出力光を出射する状態が示されている。柱状体３Ｔの周囲は周期境界条件となっている。図９に示されるように、複数の柱状体３Ｔは、所定の偏向角θｔ＝１９．４８°の方向に強い放射が得られるように設計されている。光学素子３は、このような複数の柱状体３Ｔからなる単位要素が更にマトリクス状に配列されたメタサーフェス構造に形成され、出力光が法線方向に対して任意の偏向角を有する光偏向素子として機能する。
　光学素子３は、光偏向素子だけでなく他の偏光特性を有するように設計されてもよい。例えば、光学セル１において、光源Ｌから出力される光は一般的には発散角を持つため、コリメートレンズを用いて平行光にする必要がある（図１参照）。光学素子３は、発散する入力光を平行光にして出力する凸レンズの機能を有するレンズ素子として形成されていてもよい。式（４）は、例えば、コリメートレンズの位相分布を示す第２関数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　図１０には、第２関数に基づく位相分布の2πに対する剰余が示されている。光学素子３は、平面における出力光の位相分布を示す第２関数に基づいて、複数の柱状体３Ｔが設計される。各柱状体３Ｔは、第２関数に対応する座標における位相勾配となるように、断面積において第１幅と、第２幅とが調整される。ここで、第１幅と第２幅は、第２関数の２πに対する剰余に最も近い位相を与える断面形状を満たすように設定される。このように設計された光学素子３は、第２関数に基づく位相分布を有する複数の柱状体３Ｔからなる単位要素をマトリクス状に配列することにより、出力光が法線方向に対して任意の焦点距離に焦点を有するように位相調整され、レンズ特性が調整されているレンズ素子として機能する。レンズ素子に形成された光学素子３によれば、第１位置Ｐ１において第１光学素子層４として配置すると、光源Ｌから発散角を持って出力される光を平行光にして出力することができる（図１参照）。また、レンズ素子に形成された光学素子３によれば、第２位置Ｐ２において第２光学素子層５として配置すると、第２反射板１３において反射された平行光を入力し、出力光を集光して検出部Ｄに入力することができる（図１参照）。
　上述した異なる偏光特性を有する光学素子３は、積層されてその機能を合成させてもよい。また、異なる偏光特性を有するように設定された第１関数、第２関数を合成した合成関数に基づいて光学素子３を設計してもよい。例えば、光学素子３は、第１関数と第２関数を合成した式（５）に示される位相分布関数に基づいて形成されていてもよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　図１１には、第１関数と第２関数を合成した位相分布関数に基づく位相分布の2πに対する剰余が示されている。ここで、複数の柱状体３Ｔの第１幅と第２幅は、第１関数と第２関数を合成した位相分布関数の２πに対する剰余に最も近い位相を与える断面形状を満たすように設定される。位相分布関数に基づいて設計された光学素子３によれば、異なる偏光特性を生じさせる機能を重畳したメタサーフェス構造を設計することができ、偏向素子または偏光器とメタレンズの両方の機能を１層により実現できる。
　また、光学セル１において、用途によっては光源Ｌから出力される光を直線偏光から円偏光に変換した方が試料Ｍの光学特性において望ましい場合もある（図１参照）。光学素子３は、例えば、位相差板である１／４波長板に形成されていてもよい。式（６）は、例えば、１／４波長板の位相分布を示す第３関数である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
　光学素子３は、平面における出力光の位相分布を示す第３関数に基づいて、複数の柱状体３Ｔが設計される。各柱状体３Ｔは、第３関数に対応する座標における位相勾配となるように、断面積において第１幅と、第２幅とが調整される。ここで、複数の柱状体３Ｔの第１幅と第２幅は、第３関数の２πに対する剰余に最も近い位相を与える断面形状を満たすように設定される。各柱状体３Ｔは、出力光の第１方向における第１位相と、第１方向に直交する第２方向における第２位相との間にπ/２の位相差を生じさせ、出力光が法線方向に対して円偏光となるように調整される。
　１／４波長板に形成された光学素子３は、例えば、柱状体３Ｔの断面形状を正方形から長方形に変えることにより、位相の偏光依存性、すなわち複屈折を有するメタサーフェスを構成できる。１／４波長板同様の位相関係式（６）を満たす柱を選択することにより、１／４波長板の機能を実現することができる。
　図１２には、１／４波長板に形成された光学素子３を電磁場解析した結果が示されている。電磁場解析において、例えば、Ｓｉ単結晶により形成された柱状体３Ｔの高さを８００ｎｍに固定し、ｘ、ｙ方向の幅ｗｘ，ｗｙを変えて計算が行われた。図上の実線はφｘ，破線はφｙの等高線を示しており、黒点は設計解をみたす（φｘ，φｙ）を表示している。
　図１３には、図１２において黒点で示した設計解を用いて電磁場解析した例が示されている。図１３（Ａ）はｘ偏光の電場分布を示し、図１３（Ｂ）は、ｙ偏光の電場分布を示している。図示するように、入力側における位相はほぼ等しいのに対し、出力側における位相は、φｙがφｘに比して９０°遅れていることが分かる。
　このように設計された光学素子３は、光の進行方向に対する垂直偏波成分と水平偏波成分との間に１／４波長、即ち、π／４の位相差を有するように調整されている１／４波長板として機能する。１／４波長板に形成された光学素子３によれば、第１位置Ｐ１において第１光学素子層４として配置すると、光源Ｌから出力される直線偏光の光を円偏光にして出力することができる（図１参照）。また、１／４波長板に形成された光学素子３によれば、第２位置Ｐ２において第２光学素子層５として配置すると、第２反射板１３において反射された円偏光を入力し、出力光を直線偏光に変換して検出部Ｄに入力することができる（図１参照）。
　１／４波長板に形成された光学素子３によれば、円偏光に偏光することにより、試料Ｍの円偏光に対する光学特性の違いを利用することができる。第３関数における位相差は、任意に設定されていてもよい。例えば、光学素子３は、第３関数における位相差を調整し、左旋回の１／４波長板や右旋回の１／４波長板に形成されていてもよい。また、光学素子３は、第３関数における位相差を調整し、１／２波長板にしてもよい。また、上述したように、第３関数は、第１関数及び第２関数に重畳して光学素子３を設計してもよい。このように設計された光学素子３は、出力光の第１方向における第１位相と、第２方向における第２位相との間に位相差を生じさせ、出力光が法線方向に対して任意の偏波特性を有するように調整される。
　図１４には、光学素子３の設計方法において実行される各工程の処理の流れが示されている。光学素子３は、例えば、パーソナルコンピュータ等の情報処理端末装置を用いて設計される。一面２Ａ側から入力される光が透過する透明性を有する基板２の他面２Ｂ側の平面上に所定の誘電率を有する材料により形成された複数の柱状体３Ｔをマトリクス状に配置する（ステップＳ１００）。各柱状体３Ｔの誘電率を設定する（ステップＳ１０２）。各柱状体の平面に対する法線方向の長さを設定する（ステップＳ１０４）。各柱状体の平面に平行な方向における断面形状を設定する（ステップＳ１０６）。
　ステップＳ１０６において断面形状は、所望の偏光特性を実現する位相分布に基づいて、基板を透過して入力される入力光が透過して出力される出力光に対して位相調整を行い、法線方向に対する偏向特性と、法線方向に対して集光するレンズ特性と、法線方向に対する偏波特性とに基づいて、任意の偏光特性を有する出力光を出力するように調整する。
　上述した光学セル１は、例えば、分光分析を行う分光装置に適用されてもよい。光学セル１は、微小流体デバイスに適用し、分光分析機能を集積化するようにしてもよい。微量の試料を効率よく混合、反応させるシステムとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を利用して微細な流路を複雑に集積化したマイクロＴＡＳ（Micro-Total Analysis Systems）の技術が知られている。マイクロＴＡＳは、チップ上に微小な開路型の流路や反応室、混合室を設け、一つのデバイスでさまざまな液体や気体を分析する分析デバイスである。光学セル１によれば、マイクロTASに光源Ｌ及び検出部Ｄと共にワンチップに組み込むことにより、より汎用性を高めた安価な分光分析装置を構成することができる。なお、微小流体デバイスに適用する場合は、流路に流す媒体の屈折率等を考慮したメタサーフェスの構成とすることで、分析装置とすることができる。
　また、光学セル１は、例えば、原子時計用ガスセルに適用し、装置構成を小型化してもよい。光学セル１は、上述した開路型のデバイスだけでなく、原子時計のガスセルのような閉じた系に適用してもよい。光学セル１において、流路１１を密閉したガスセルに構成した場合、ガスとの干渉長を増大させるとともに、レーザチップ等の光源Ｌとフォトディテクタ等の検出部Ｄを基板２上に片面実装することができる。さらに光学セル１を原子時計用ガスセルに適用した場合、光源Ｌと検出部Ｄとの素子をワンチップ化して構成することができる。光学セル１を原子時計用ガスセルに適用した場合、セシウム蒸気が収容された光学セルに光を入力し、出力された励起光が有する周波数等の光学特性を利用し、原子時計の振動子を構成すると共に、原子時計の量子干渉部を大幅に小型・低背化することができる。
　上述したように、光学素子３によれば、複数の柱状体３Ｔがマトリクス状に配置されたメタサーフェス構造を有することにより、任意の偏向方向・集光性・偏光状態を示す光学特性を有する素子を実現することができる。光学素子３によれば、各柱状体３Ｔの断面積を調整することにより、偏光特性と、レンズ特性と、偏波特性とを調整し、任意の偏光特性を有する出力光を出力するように形成することができる。光学素子３によれば、第１関数に基づいて位相分布を調整し偏向角等の偏光特性を調整することができる。光学素子３によれば、光を１方向にのみ偏向させることができ、光が２方向に回折する回折格子に比して光の透過効率を向上させることができる。特に、光学セル１を原子時計用ガスセルに適用した場合、光学素子３を用いることにより、光が２方向に回折する回折格子を有する特許文献１の原子時計用ガスセルに比して光の透過効率を大幅に向上させることができる。
　光学素子３によれば、第２関数に基づいて集光等のレンズ特性を調整することができる。光学素子３によれば、第３関数に基づいて位相板等の偏波特性を調整することができる。光学素子３によれば、第１関数、第２関数、第３関数等の位相分布を示す関数を任意に組み合わせた位相分布関数に基づいて各柱状体３Ｔの形状及び配列を調整することにより、任意の偏向方向・集光性・偏光状態を有する光学素子を１層により構成することができる。上記第１関数、第２関数、第３関数は一例であり、所望の偏光特性を有する位相分布関数が用いられてもよい。
　以下、光学素子３、光学セル１の変形例について説明する。以下の説明では、上記実施形態と同一の構成については同一の名称及び符号を用い、重複する説明は適宜省略する。
［変形例１］
　図１５に示されるように、光学セル１Ａの第１光学素子層４及び第２光学素子層５は、基板２の一面２Ａ側に設けられていてもよい。光学素子３と基板２（ガラス）の一面２Ａ側との境界においては、光学素子３の偏光角θｔは、ガラスの屈折率ｎｔとすると、以下の式（７）の条件を満たす必要がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
また、基板２の他面２Ｂ側と流路１１との境界においては、光学素子３の偏光角θｔは、以下の式（８）の条件を満たす必要がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
よって、光学素子３に必要な位相勾配は、以下の式（９）により示される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　式（９）は、式（３）と同一であり、屈折率ｎｔに依存しない。従って、光学セル１Ａは、光学セル１に用いられる光学素子３を基板２の一面２Ａ側に配置しても光学セル１と同じ効果を有するように構成することができる。光学素子３は、第１光学素子層４及び第２光学素子層５において、基板２の一面２Ａ側或いは他面２Ｂ側の任意の側に設けられていてもよい。上述したように、光学セル１Ａによれば、基板２の一面２Ａ側に光学素子３を配置することができ、設計の自由度を持たせることができる。
［変形例２］
　上記実施形態においては、光学素子３の柱状体３Ｔは、長さを固定して設計されていた。柱状体３Ｔは、長さをパラメータとして設計されてもよい。図１６に示されるように、柱状体３Ｔは、所定幅を超えた領域において長さを調整することにより、周期的に透過率が変化する。また、図１７に示されるように、柱状体３Ｔは、所定幅を超えた領域において長さを調整することにより、周期的に位相の遅延量が変化する。光学素子３は、異なる長さの柱状体３Ｔを配列することにより、透過率を調整してもよい。また、光学素子３は、異なる長さの柱状体３Ｔを配列することにより、干渉光を生成してもよい。
　以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。例えば、光学素子３において、柱状体３Ｔの断面形状は、矩形断面だけでなく楕円断面であってもよい。柱状体３Ｔを形成するためのエッチング処理においては、矩形断面の角部が形成されずに楕円形に近い形状となる。複数の柱状体３Ｔの位相分布を算出する場合、予め断面形状を楕円形に変形して所望の偏光特性を有するように補正してもよい。また、作成された光学素子３の偏光特性を調整するために、調整用の光学素子３を別途積層してもよい。
１、１Ａ　光学セル
２　基板
３　光学素子
３Ｔ　柱状体
４　第１光学素子層
５　第２光学素子層
１０　収容層
１１　流路
１００　分析装置
Ｄ　検出部
Ｌ　光源
Ｐ１　第１位置
Ｐ２　第２位置

Claims (7)

  1. 　光が透過する透明性を有する基板の平面上に所定の誘電率を有する材料により形成され、マトリクス状に配置された複数の柱状体を備え、
    　各前記柱状体は、前記誘電率と、前記平面に平行な方向における断面形状と、前記平面に対する法線方向の長さ、に基づいて、入力される前記光が透過して出力される出力光に対して位相調整を行い、前記法線方向に対する偏向特性と、前記法線方向に対するレンズ特性と、前記法線方向に対する偏波特性とを調整し、任意の偏光特性を有する前記出力光を出力するように形成されている、
    　光学素子。
  2. 　複数の前記柱状体は、前記平面における前記出力光の位相分布を示す第１関数に基づいて、前記断面形状において前記平面に沿った第１方向における第１幅と、前記平面に沿った前記第１方向に直交する第２方向における第２幅とが調整され、前記第１関数の2πに対する剰余に最も近い位相を与える断面形状を満たすように前記第１方向及び前記第２方向に沿って順次配列され、前記出力光が前記法線方向に対して任意の偏向角を有するように位相調整され前記偏光特性が調整されている、
    　請求項１に記載の光学素子。
  3. 　複数の前記柱状体は、前記平面における前記出力光の位相分布を示す第２関数に基づいて、前記断面積において前記第１幅と、前記第２幅とが調整され、前記出力光が前記法線方向に対して任意の焦点距離に焦点を有するように位相調整され前記レンズ特性が調整されている、
    　請求項２に記載の光学素子。
  4. 　複数の前記柱状体は、前記平面における前記出力光の位相分布を示す第３関数に基づいて、前記断面積において前記第１幅と、前記第２幅とが調整され、前記出力光の前記第１方向における第１位相と、前記第２方向における第２位相との間に位相差を生じさせ、前記出力光が前記法線方向に対して任意の前記偏波特性を有するように調整されている、
    　請求項３に記載の光学素子。
  5. 　前記光を透過する材質により形成された前記基板と、
    　請求項１に記載された光学素子により形成され、前記基板の第１位置に配置された第１光学素子層と、
    　検査対象となる物質を収容する収容空間が形成され、前記収容空間内に前記第１光学素子層から出力される前記出力光を反射して前記基板の第２位置に出力するように複数の反射板が形成された収容層と、
    　請求項１に記載された光学素子により形成され、前記第２位置に配置された第２光学素子層と、を備える、
    　光学セル。
  6. 　請求項５に記載された光学セルと、
    　前記基板の前記第１位置に光を入力するように設けられた光源と、
    　前記第２位置から出力される前記出力光を検出する検出部と、を備える、
    　分析装置。
  7. 　一面側から入力される光が透過する透明性を有する基板の他面側の平面上に所定の誘電率を有する材料により形成された複数の柱状体をマトリクス状に配置する工程と、
    　各前記柱状体の前記誘電率を設定する工程と、
    　各前記柱状体の前記平面に対する法線方向の長さを設定する工程と、
    　各前記柱状体の前記平面に平行な方向における断面形状を設定する工程と、を備え、　前記断面形状は、入力される入力光が透過して出力される出力光に対して位相調整を行い、前記法線方向に対する偏向特性と、前記法線方向に対するレンズ特性と、前記法線方向に対する偏波特性とに基づいて、任意の偏光特性を有する前記出力光を出力するように調整する、
    　光学素子の設計方法。
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