(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
テラヘルツ波入射ビームの直径を波長の半分以下に絞って透過させるテラヘルツ波用光学素子であって、
テラヘルツ波に対して透過性を有する基材と、
前記基材の片側表面を覆いテラヘルツ波を遮光可能な導電性を有する被膜とを備え、
前記被膜は、円状の領域内に設けられた開口と、
前記被膜の表面に設けられ、前記円状の領域と中心が同じで、半径が一定長さ毎増加する複数のリング状溝を有し、
前記円状の領域には、前記円状の領域の半径と、曲率半径が等しい円弧を有する４個以上の扇形突起部が、前記円状の領域の外周に前記円弧が接した状態で円中心に向かって等間隔かつ接触せずに配置され、
前記扇形突起部は全て同形状をしていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記円状の領域内に存在する前記突出部の数が６個以上３２０個以下であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記突出部先端の開き角度をαとしたとき、１．１５°≦α≦４０°であることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記基板がシリコン、水晶、サファイア、テラヘルツ波透過性樹脂のポリエチレン、ポリプロピレン、テフロン（登録商標）、ポリメチルメンテン、あるいは、テラヘルツ波透過性ガラスから選択されるいずれかの物質からなることを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記被膜はＡｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ、あるいは、Ｎｉのいずれかの金属、又は、前記金属の合金からなることを特徴とする請求項１から４いずれか１項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記円状の領域の半径をＲａとしたときに、０．００３ｍｍ≦Ｒａ≦０．３ｍｍであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記突出部の先端部同士の最短の間隔が０．１μｍ以上１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から６いずれか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
前記円状の領域が、前記被膜の中央部に位置することを特徴とする請求項１から７いずれか１項に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一面側に入射したテラヘルツ波を高透過率で他面側から出射する微小な開口を有する光学素子に関する。更に詳しくは、特殊な開口形状を有することにより、口径を拡大することなく、テラヘルツ波を高効率で透過する光学素子に関する。
本願は、２０１１年７月１３日に、日本に出願された特願２０１１−１５４４３２号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
本発明において、テラヘルツ波とは周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（１ＴＨｚ＝１０１２Ｈｚ）の領域、したがって波長が０．０３ｍｍ〜３ｍｍの電磁波を意味する。【０００３】
テラヘルツ波は、セキュリティや情報通信、医療、非破壊検査、分子構造解析、電波天文学など幅広い分野での応用が期待されている。テラヘルツ波は、可視光では透過できない物質を透過することができ、材料によっては材料固有のスペクトルを検出できる。そのため、テラヘルツ波を用いたイメージング技術や分光分析技術は、人体などの生体検査や、化学物質の同定や損傷検出といった材料検査の分野で極めて有用な手法となりうると期待されている。【０００４】
しかし、テラヘルツ波は波長が０．０３ｍｍ〜３ｍｍであり、可視光の波長０．０００３６ｍｍ〜０．０００８３ｍｍ（＝３６０ｎｍ〜８３０ｎｍ）と比較して非常に長い。電磁波によるイメージングにおける空間分解能は、回折限界により波長の半分に制限されることから、可視光などによる画像と比べ分解能が低いという問題がある。【０００５】
これに対し、電磁波の波長以下の微小な開口に、電磁波を照射して透過させ、開口の大きさと同程度の微小な光スポットを得る素子が開発されている（例えば特許文献１、非特許文献１を参照）。この素子を利用すれば、光スポットの大きさと同程度の空間分解能を実現でき、高分解能イメージングや高分解能分光分析にとって極めて有用である。【０００６】
しかし、より微小な光スポットを得るために、開口の大きさを小さくさせていくと電磁波の透過率は、開口半径の４乗に反比例して劇的に低下していく。このために、より微小な光スポットを利用するためには、透過率を高めることが課題となる。【０００７】
特許文献２、非特許文献２では、金属板の中央に円状の開口を有し、その周囲に、この円開口と中心を同じくし、半径が一定長さずつ異なる複数のリング状溝を形成した光学素子について述べており、リング状溝が無い場合と比べ、光の透過率が上昇することを報告している。彼らの研究では、中央部開口はただの円であるが、複数のリング溝を付与することにより透過率が上昇するという重要な情報を提供している。中央円孔直径ｄと入射電磁波の波長λの比、ｄ／λが０．２５の場合で、透過率０．００１（＝０．１％）を達成している。【０００８】
更に、非特許文献１では、中央部の開口形状を円状ではなく蝶ネクタイ型とし、その周囲にリング状溝加工を施すことにより透過率が増強されることが示されており、中央部の開口形状が透過率に大きな影響を与えることを明らかにしている。中央部開口形状が、単なる円状開口の場合と比較して、透過率を５倍向上させている。【０００９】
本発明者らは、これまでに特殊形状を有する微小開口を、一定間隔毎に周期的に多数配置したアレイ型のテラヘルツ波フィルターを発明した（非特許文献３を参照）。このテラヘルツ波フィルターでは、開口の形状、開口配置の周期性に依存して、特定周波数成分のみを選択的に増強して透過させることに成功している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００９−２６３６０号公報
【特許文献２】米国特許第６６４９９０１号
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】K. Ishihara, K. Ohashi, T. Ikari, H. Minamide, H. Yokoyama, J. Shikata, H. Ito, “Terahertz-wave near-field imaging with subwavelength resolution using surface-wave-assisted bow-tie aperture”, Applied Physics Letters 89 (2006) 201120.
【非特許文献２】T. Thio, H.J. Lezec, T. W. Ebbesen, K.M. Pellerin, G.D. Lewen, A. Nahata, R.A. Linke, “Giant optical transmission of sub-wavelength apertures: physics and applications”, Nanotechnology 13 (2002) 429-432.
【非特許文献３】B.S. Dmitry, M. Watanabe, M. Shiwa, “Highly-efficient aperture array terahertz band-pass filtering”, Optics Express, 18 (2010) 25250-25255.
【非特許文献４】Bethe, H.A., “Theory of diffraction by small holes”, Physical Review, 66 (1944) 163-182.
【非特許文献５】M.J. Lockyear, A.P. Hibbins, J.R. Sambles, C.R. Lawrence, “Surface-topography-induced enhanced transmission and directivity of microwave radiation through a subwavelength circular metal aperture”, Applied Physics Letters, 84 (2004) 2040-2042.
【非特許文献６】G.A.Valaskovic, M.Holton，G.H.Morrison，”Parameter control, characterization, and optimization in the fabrication of optical fiber near-field probes” 1995 Applied Optics, 34(1995) 1215-1218.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
上述した従来の素子では、入射電磁波と透過電磁波の強度の割合である透過率は１％未満である。このため、極僅かな電気的ノイズや機械的ノイズにより、透過電磁波を検出できなくなるという問題がある。テラヘルツ波は、光学素子を透過した段階で極めて微弱な電磁波となっており、更に、観察対象物内へ入射させ透過させる場合には、対象物内での減衰により透過した電磁波の検出がより困難となる。対象物内での減衰は、対象物の種類や、厚さに依存するため、観察できる材料やその大きさが制限されてしまうという問題がある。【００１３】
本発明は、上述した問題点を解決するためのものである。すなわち、本発明の目的は、テラヘルツ波の波長半分以下の大きさの微小な開口を利用し、かつ、１％にも満たない従来素子の透過率に対し、２．５％以上という高い透過率を有するテラヘルツ波光学素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
この発明の第１の態様は、テラヘルツ波入射ビームの直径を波長の半分以下に絞って透過させるテラヘルツ波用光学素子であって、テラヘルツ波に対して透過性を有する基材と、前記基材の片側表面を覆いテラヘルツ波を遮光可能な導電性を有する被膜とを備え、前記被膜は、円状の領域内に設けられた開口と、前記被膜の表面に設けられ、前記円状の領域と中心が同じで、半径が一定長さ毎増加する複数のリング状溝を有し、前記円状の領域には、前記円状の領域の半径と、曲率半径が等しい円弧を有する４個以上の扇形突起部が、前記円状の領域の外周に前記円弧が接した状態で円中心に向かって等間隔かつ接触せずに配置され、前記扇形突起部は全て同形状をしていることを特徴とする光学素子である。
上記、第１の態様にかかるテラヘルツ波用光学素子において、前記円状の領域内で、前記扇状突起部で覆われていない部分が開口を構成する。前記扇状の突起部は、テラヘルツ波を遮光可能な導電性を有する材料からなることが好ましい。この材料は、前記被膜を構成する材料と同じものであってもよい。前記被膜と、前記突出部は、一体に形成されていてもよい。
【００１５】
本発明の第２の態様は、前記円状の領域内に、存在する前記突出部の数が６個以上３２０個以下であることを特徴とする光学素子である。
【００１６】
本発明の第３の態様は、前記第１または第２の態様にかかる光学素子であって、前記突出部先端の開き角度をαとしたとき、１．１５°≦α≦４０°であることを特徴とする光学素子である。
【００１７】
本発明の第４の態様は、前記第１から第３のいずれかの態様にかかる光学素子であって、前記基材がシリコン、水晶、サファイア、テラヘルツ波透過性樹脂のポリエチレン、ポリプロピレン、テフロン（登録商標）、ポリメチルメンテン、あるいは、テラヘルツ波透過性ガラスから選択されるいずれかの物質からなることを特徴とする光学素子である。
【００１８】
本発明の第５の態様は、前記第１から第４のいずれかの態様にかかる光学素子であって、前記被膜はＡｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ、あるいは、Ｎｉのいずれかの金属、又は、前記金属の合金からなることを特徴とする光学素子である。
【００１９】
本発明の第６の態様は、前記第１から第５のいずれかの態様にかかる光学素子であって、前記円状の領域の半径をＲａとしたときに、０．００３ｍｍ≦Ｒａ≦０．３ｍｍであることを特徴とする光学素子である。
【００２０】
本発明の第７の態様は、前記第１から第６のいずれかの態様にかかる光学素子であって、前記突出部の先端部同士の最短の間隔が０．１以上１０μｍ以下であることを特徴とする光学素子である。
本発明の第８の態様は、前記第１から第７のいずれかの態様にかかる光学素子であって、前記円状の領域が、前記被膜の中央部に位置することを特徴とする光学素子である。
【発明の効果】
【００２１】
本発明で発明した特殊デザインに基づく光学素子であれば、例えば、開口領域の直径を小さく（例えば５０μｍ）しても、テラヘルツ波に対し非常に高い透過率（例えば数％）を有しており、高分解能テラヘルツ顕微鏡の開発や、高感度の化学センサーとしての利用が期待できる。更に、基材にシリコン等の剛質の基板を利用することにより、従来のような金属膜のみを加工したものと比べ、非常に剛性が高く、取り扱いがはるかに容易な光学素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態であるテラヘルツ波光学素子全体の外観と、入射波に対する配置を示す図である。基材側のA面より入射し、マスク部表面のB面側より射出する。
【図２】本発明の一実施形態にかかる開口部パターンの模式図（突出部数Ｎｔ＝４の場合）である。
【図３】本発明の一実施形態にかかる光学素子のマスク部表面側（図１のＢ面）から見た平面図（Ａ）と、開口を通る面での断面形状模式図（Ｂ）。
【図４】実施例１の光学素子全体の形状と入射波に対する配置を示す図である。
【図５】実施例１の光学素子のマスク部表面側からみたリング状溝全体図（左）と開口部拡大図（右）。
【図６】作製した光学素子のマスク部開口部の電子顕微鏡写真。
【図７】光学素子のテラヘルツ波透過率の評価に用いた光学系の概略図。
【図８】透過率測定に用いられた入射波の周波数特性。
【図９】光学素子を透過したテラヘルツ波の周波数に対する透過率の変化。
【図１０】波長に対する開口部実効直径の比を横軸、透過率を縦軸として、本発明の実施例の結果を、公知文献において報告されている結果と対比した図である。白丸は本発明の実施例を、黒菱は非特許文献１による数値を、黒四角は非特許文献２による数値を、黒丸は非特許文献６による数値を示す。実線と破線は、非特許文献４による理論式の数値を示しており、実線はＤ＝５λの場合、破線はＤ＝６λの場合を示す。
【図１１】光学素子を入射電磁波に垂直な面内でスキャンさせ、空間における電場を可視化する測定方法を説明する概略図である。円形の領域は入射波のスポットを示す。左右で折り返しながら、左上から右下まで引かれた実線は、光学素子をスキャンした軌跡を示す。
【図１２】光学素子を用いて図１１の手法により、可視化された入射電磁波の透過強度分布図であり、入射電磁波に垂直な面内において素子を２０μｍ毎に移動させ、各点で素子を透過した電磁波を検出し、得られたスキャン断面における空間上の電場分布を示している。したがって、この画像の最小ピクセルサイズは２０×２０μｍ２となっている。Ａは、各測定点における透過波の最大強度の分布図、Ｂは、各点における周波数0.2894 THz成分の強度分布図、Ｃは各点における周波数0.6367 THz成分の強度分布図、Ｄは各点における周波数1.968 THz成分の強度分布図である。
【図１３】開口形状の例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる光学素子を示す斜視図である。本実施形態の光学素子１００は、図１に示すように、二種類の材料から構成される平板状の形状を有し、所定の材料（材料１）からなる平板状の基板２０に、導電性の材料（材料２）からなるマスク部（被膜）３０が製膜されている。基板２０を構成する材料は、テラヘルツ波に対し透過性を有し、マスク部を構成する材料は、テラヘルツ波を遮光する。マスク部３０には、基板２０の一部を露出させる開口部４０が設けられており、開口部４０は、円状の領域（開口部領域）内に形成される。開口部４０の周囲には、円状の開口部領域と同心状に複数のリング状の溝が設けられている。光学素子１００は、基板（基材）表面（A面）側から入射したテラヘルツ波を高い透過率をもってマスク部表面（B面）側へ出射する。
図２に示すように、前記円状領域内には、縁部（円状の領域の外周）から中心方向に向けて先細り形状とされた突出部５０が複数備えられている。突出部５０は、４個以上、３２０個以下であることが好ましい。突出部５０は、奇数個設けられていてもよく、偶数個設けられていてもよい。前記突出部５０の先端部５０eの開き角度αは、１．１５°以上４０°以下であることが好ましい。また、対向配置される先端同士の最短の間隔は、０．１〜１０μｍであることが好ましい。
前記突出部５０は、前記円状の領域の半径と、曲率半径が等しい円弧と、前記円弧の両端から延びる直線状の二辺に囲まれた扇形の形状を有するものであってもよい。この場合、先端部５０ｅの開き角度αは、前記二辺がなす角度に実質的に等しい。前記扇形の突出部５０は、前記二辺の長さは実質的に等しいものであってもよい。
【００２４】
図２はマスク部３０に形成された開口領域の一例を表しており、灰色部は材料２からなるマスク部３０、白い部分が開口部４０である。前記突出部５０はマスク部３０と同じ導電性の材料２で構成されている。円状の領域内において、突出部５０で覆われていない部分が開口４０を構成する。突出部５０は全て同形状をしており、隣り合う突出部間の角度（図２中のθ）は、全て等しく、３６０°／Ｎｔで表される。Ｎｔは突出部の数を意味する。ここで、隣り合う突出部間の角度とは、隣り合う突出部の各先端から円状の領域の中心に引いた線がなす角度である。言い換えれば、隣り合う突出部間の角度は、隣りあう突出部の各円弧の中心から円状の領域の中心に引いた線がなす角度である。
【００２５】
開口部４０が形成される円状の領域の直径（図２中の２Ｒａ）が小さいほど、透過波のスポットサイズは小さくなる。上記円状の領域の直径は、入射波の波長λの１／５以下とする。例えば、周波数１ＴＨｚの入射波（波長λ＝３００μｍ）には、開口部直径２Ｒａを６０μｍ以下とする。テラヘルツ波の波長が０．０３ｍｍ〜３ｍｍの範囲にあることから、Ｒａの範囲は、０．００３ｍｍ≦Ｒａ≦０．３ｍｍとなることが好ましい。
図１に示す実施形態では、開口部４０が形成される円状の領域はマスク部３０の中央部に位置しているが、開口部４０を形成する位置は、光学素子の形状や用途に応じて選択できる。
【００２６】
前記突出部５０の開き角度αが４０°より大きくなると、突出部先端５０ｅでの電磁場増強効果が低下し、２．５％以上の透過率を実現できない。このため、開き角度αは４０°以下とすることが好ましい。
【００２７】
前記突出部５０の先端部同士（対向する突出部５０の先端同士）の最短距離２ｒａは、突起先端の曲率半径をｒｔとして、ｒｔ≦ｒａ≦５ｒｔの関係を満足することが、突出部先端に生じる電磁場の干渉を最大化し、透過波の強度を高めるうえで好ましい。
【００２８】
更に、突出部５０の数Ｎｔは、前記開き角度αをα＝２ａｒｃｓｉｎ[ｒｔ／（ｒｔ+ｒａ）]として、４≦Ｎｔ≦３６０°／αを満足することが望ましい。一方で、集束イオンビームなどによる利用可能なビームスポットの大きさから、Ｎｔの値は、ＦＩＢによる加工精度としてｒｔ＝５０ｎｍ、ｒａ＝５０００ｎｍとすると、α≒０．０２（ｒａｄ）≒１．１５°となり、最大３２０程度に制限される。
【００２９】
図３の上図Ａは、光学素子をマスク部表面側から見た平面図、下図Ｂは開口４０を通る断面での断面図を示している。
図３の断面図Ｂに示すように、リング状溝６０は、基材（基板２０）表面にリング状の溝を形成した後に、基材表面に、マスク部３０を形成することにより構成される。
【００３０】
図３の平面図Ａに示すように、開口と中心を共通とし、開口を囲むように形成するリング状溝は、４個以上であることが望ましい。各リングの幅Ｌ／２は等しく一定であり、その半径は最内側より等量Ｌずつ増加する関係にある。その場合、最内側のリングの内半径は、Ｌであることが、表面波の干渉が開口部で最大となるために望ましい。すなわち、最内側のリング状溝の内半径（内径）をLとする場合、各溝の幅がＬ／２であり、互いに隣接する溝の内半径の差はＬであることが好ましい。
【００３１】
リング状溝６０は、入射電磁波の照射される領域（スポット領域）全てに形成されていることが好ましい。入射波のスポット形状が円状として半径をＲｉとした場合、リング状溝６０の数Ｎｇは、（２Ｒｉ−Ｌ）／２Ｌ以上であることが好ましい。
【００３２】
また、前記基板２０の厚さは０．１〜３．０ｍｍであることが好ましい。厚さが０．１ｍｍ以下となると、開口４０による回折ピークだけでなく、基板内での多重反射の影響が大きくなる。逆に厚さが３．０ｍｍ以上となってくると基板内での透過強度が低下してくる。更に基板２０は平行平板であり、図３に示すようにその大きさは、最大リング状溝の外側半径（Ｎｇ＋１／２）Ｌよりも大きいことが必要である。
【００３３】
本発明の光学素子１００では、前記基板２０がＳｉ、水晶、サファイア、テラヘルツ波透過性樹脂（ポリエチレン、ポリプロピレン、テフロン（登録商標）、ポリメチルメンテンなど）又はテラヘルツ波透過性ガラスのいずれかからなることが好ましい。
【００３４】
本発明の光学素子１００では、前記マスク部３０の厚さは０．１〜１．０μｍであることが好ましい。厚さが０．１μｍ未満となると、電磁波の表皮深さよりも小さくなってくるため、マスク部３０の無開口部であっても透過できるようになり、前記突出部先端５０ｅでの増強効果が機能しなくなる。一方で厚さが１．０μｍを超えると透過率は飽和し、更に厚くすると透過率は減少していく。このため、マスク部３０の厚さが０．１〜１．０μｍであることが好ましい。本発明の素子１００は、前記マスク部３０が高い電気伝導度を有しているほど、表面電磁波の伝播距離を長くでき、リング状溝６０による共振ピークを大きくすることができ、また、開口内の突出部５０の電流密度を上げることもできる。この結果、透過電磁波の強度が大きくなる。このため、前記マスク部３０は金属又は合金からなることが好ましい。本発明の素子では、前記金属がＡｌ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｒ、又はＮｉのいずれかの金属又はこれらの合金であることが好ましい。
【００３５】
テラヘルツ波の照射により、前記マスク部表面（Ｂ面）を電磁表面波が伝播する。この際、マスク部表面に周期的なリング状溝が存在することで、このリング状溝６０の周期的間隔に対応して表面波の共振が生じ、リング状溝の凹凸の位置に依存して、電磁場の強弱が変化する状態となる（この現象については、非特許文献２，非特許文献５を参照）。各溝の幅および、内半径を上記のように調整し、最内側リング状溝の半径を前記のＬとした場合に、開口位置において最大の共振ピークを得ることができる。Ｌは、開口径であるＲａよりも大きい必要がある。
【００３６】
前記のリング状溝６０による表面波共振により開口部の電磁場は最大化されている。これに加えて、開口部領域内の突出部先端５０ｅでは、突出部５０が鋭角であればあるほど、断面積が小さくなることから、突出部５０の縁から先端に向かっての電流密度が高くなり、突出部先端５０eの極近傍に極めて高い電磁場を形成する。複数の突出部５０の先端５０ｅが近くに存在すると、それぞれの先端周辺の電磁場が干渉し、さらに増強される。この増強された電磁場は前記マスク部表面に入射したテラヘルツ波の周波数に対応して振動しており、この電磁場の振動により前記マスク部裏面（図１のＢ面）より電磁波を放出する。これが光学素子全体を透過した透過波として検出される。
【００３７】
リング状溝６０の間隔Ｌとすると、表面波の最大共振ピークを与える電磁波の波長λは、λ＝ｎｅｆｆLと与えられることが明らかにされている（非特許文献２を参照）。ｎｅｆｆは実効的な屈折率と定義され、ｎｅｆｆ＝［εｓεｍ／（εｓ＋εｍ）］１／２と表される。ここで、εｍはマスク部の誘電率実数部、εｓは基材の誘電率実数部である。金属マスク部のεｍの絶対値は基材のεｓよりはるかに大きいことから、結局、実効的な屈折率ｎｅｆｆは、基材の屈折率ｎｓを用いて、ｎｅｆｆ≒［εｓ］１／２≒ｎｓと書きなおすことができ、マスク部表面での共振を起こさせるのに必要なリング状溝６０の間隔Ｌは、Ｌ＝λ／ｎｓと書き直すことができる。この式より、基材の誘電率ｎｓと共振波長λを予め設定することにより、その共振を起こすのに必要なリング状溝６０の幅Ｌを決定することができる。したがって、このＬは、中央部開口領域径であるＲａよりも大きい必要があり、更にテラヘルツ波の波長域（３０μｍ〜３０００μｍ）に共振周波数を有するためには、Ｒａ＜Ｌ＜３ｍｍの範囲にあることが必要である。
【実施例１】
【００３８】
微小開口製造方法と、実施例として製造した光学素子の性能について説明する。
プロセスとして、リソグラフィー法により、以下のようにして基板にマスク部を形成した。
まず、図４に示すように、板厚３８０μｍ、大きさが縦３０ｍｍ、横３０ｍｍの両面が鏡面研磨された高抵抗単結晶Ｓｉ基板２１を用意し、まず、リング状溝部６０を次のようにして作製した。前記Ｓｉ基板２１の一面に、厚さ０．２５μｍのＮｉをスパッタにより成膜した。前記Ｎｉ膜の上に、1,1,1,3,3,3-ヘキサメチルジシラザンをスピンコーティングにより成膜し、更に、その上にフォトレジスト（東京応化（株）製OFPR800LB）をスピンコーティングにより成膜し、ホットプレート上で９０℃で１８０秒加熱した。前記フォトレジスト上に、所定のパターンが設けられた露光マスクを配置してから、強度１８ｍＷ／ｃｍ３の紫外線に１０秒さらした。その後、現像液(東京応化（株）製NMD3（テトラメチルアンモニウムヒドロキシドの２．３８重量％水溶液））により現像し、再びホットプレートにて１２０℃で１２０秒加熱した。【００３９】
次に、過硫酸アンモニウム水溶液を用いてＮｉをエッチングした後、剥離液によりフォトレジストを除去し、Ｓｉ基材上にＮｉによるマスクを描画した。これを5500秒プラズマエッチングすることによりＳｉ基材上にパターンを形成し、次に全てのＮｉを過硫酸アンモニウム水溶液により除去し、１０個のリング状溝を図５のように形成した。【００４０】
最後に、前記溝加工後のＳｉ基板上に、Ａｌをスパッタリングで０．４μｍ成膜し、リング状溝６０を有するマスク部３１とした。更に、開口部４０については、集束イオンビームにより、図５右図のデザインとなるようＡｌ部の除去を行い、図６に写真で示す開口形状を得た。すなわち、直径５０μｍの円状領域内に、３２°の開き角を有する突出部を８個形成した。対向する突出部の先端同士の間隔は１μｍであった。突出部で覆われていない白い部分が開口部であり、Ｓｉが露出している。図６左Ａが開口部４０および最内側リング状溝６０ａの写真であり、図６右Ｂが開口部４０の拡大写真である。図６において、突出部間の黒い部分が、Ａｌが除去されてＳｉ基材がむき出しとなっている部分である。【００４１】
図７に示すテラヘルツ時間領域分光装置（（株）先端赤外  ＩＲＳ−２０００）を用いて、本発明の実施例として製造した光学素子を透過するテラヘルツ波の透過率測定を行った。図７の装置で、０は二つの表面０a、０ｂを有するバンドパスフィルター、１はフェムト秒パルスレーザー、２はビームスプリッター、３はポンプ光、４ａ、４ｂはレンズ、５ａ、５ｂは光伝導性アンテナ、６は電圧計、７は軸外パラボラミラー、８ａ、８ｂはシリコンレンズ、９は電流計、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅはミラー、１１はプローブ光、１３はコーナー反射体、１４は記録システム、１５は電流アンプを示す。この装置では、図７中の記号０で示されるバンドパスフィルターの位置に試料を設置し、それを透過する電磁波を測定した。図８は、図７の評価装置において、試料を置かないで測定を行うことにより測定された入射波の周波数特性を示しており、この評価装置における入射テラヘルツ波は帯域０．２ＴＨｚ〜３．５ＴＨｚであることが示されている。【００４２】
この帯域は波長に換算すると８５．４μｍ〜１５００μｍである。このため、発明した素子の開口径５０μｍは、入射テラヘルツ波の波長よりも十分に小さい。図９に光学素子を透過した検出波について、周波数に対する透過率の変化を示す。シリコン基材内での多重反射により周期的なピークが生じており、最大の透過率は周波数０．６４ＴＨｚ、波長にして４７０μｍにて約２．８％となっている。最大の共振ピーク波長はλ＝ｎｅｆｆＬと表されると前述したが、作製した光学素子におけるリング状溝の間隔Ｌ=１３２μｍ、高抵抗単結晶シリコンの屈折率ｎｓｉの値として文献値３．４１７を用いると、予想される共振ピーク波長は、４５１μｍであり、図９の実測値４７０μｍと良い一致を示している。わずかなずれは、実際に使用したシリコン基板の屈折率の違いによるものと推定される。【００４３】
作成した開口４０の実際に電磁波が透過できる部分（図２円内の白い領域）の面積と同等な大きさを有する円の半径を実効開口半径ｒ実効と定義する。このｒ実効と同じ面積を持つ円状の開口の場合、透過率は理論的に算出可能であり、本実施例の光学素子との透過率の比は式１のように書くことができる (非特許文献４)。【００４４】
【数１】
0005594640.tif 000002
【００４５】
ここで、T実施例は本実施例の透過率、T円は円状開口の場合の透過率、Raは開口部が形成された円状領域の半径（図２参照）、raは突出部先端に囲まれる中央部空隙の半径（図２参照）、αは突出部先端の開き角度（図２参照）、λは最大の透過率を示した０．６４ＴＨｚでの波長（４７０μｍ）である。この結果、本発明の光学素子は、単なる円状の開口の場合と比べ、１０６倍の透過率を有することが明らかとなった。【００４６】
図１０には、これまでの公知文献（非特許論文１，２，４，６）で報告されているデータ及び理論式による推測値と、本実施例での透過率の結果を比較したものを示す。横軸は、対数スケールであり、開口部実効半径の２倍すなわち実効直径を電磁波の波長で除した値となっている。電磁波の透過率は、入射波の波長とともに、入射ビーム径Ｄに依存する。このため、本実施例ではＤ＝６λであったことから、同程度の入射ビーム径に対する結果をプロットしている。非特許文献６については、ビーム径の情報が記載されていなかったことから、不明である。また、非特許文献４では円状開口に対する理論式が提案されているため、Ｄ＝６λ及び５λについて解析結果を実線および点線で示している。本発明では、最大の透過率を示した波長４７０μｍ、開口部実効直径２６μｍにおいて、透過率２．８％であったことから、従来の報告例や理論から予測される傾向と比較して、はるかに小さい開口面積で極めて高い透過率を達成していることが分かる。【００４７】
更に、図１１の通り、入射ビームの入射方向に対して、垂直な面内において、発明した光学素子を２０μｍ毎に二次元スキャンさせた。スポット直径Ｄは約２８００μｍであるが、本素子の利用により図１２に示すような極めて鮮明な空間上を伝播する電磁波の断面プロファイルを得ることができた。本光学素子を用いることにより、テラヘルツ帯電磁波の波長（数１００μｍ〜数ｍｍ）による限界を超えた高い分解能を有する画像を得られることが示された。【００４８】
なお、本発明は、上述の実施例によって限定されない。例えば、図１３には、考えられる開口構造について二つ例を挙げている。左が突出部数が１０個の場合、右が６個の場合の例である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の光学素子を使用すれば、高分解能のテラヘルツ顕微鏡の製造が可能となり、高分子材料の分子構造分析やＤＮＡの構造分析装置が発明できる。さらに、従来のX線に変わり人体に悪影響の無い医療用透視診断装置や半導体チップの透視検査機器が発明できる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図６】
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【図１２】
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【図１３】
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