(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の波長より小さい、非等方性形状の磁気共振器を含む光学素子の製造方法であって、
前記磁気共振器を、ホスト媒質中に分散させる第１の工程と、
前記第１の工程の後に、前記ホスト媒質に外部磁場を印加する第２の工程と、
前記第２の工程の後に、前記ホスト媒質を硬化させる第３の工程と、
を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記第１の工程でホスト媒質中に分散させる前記磁気共振器は、少なくとも一部が金属で形成された磁気共振器であり、
前記第２の工程での前記ホスト媒質への外部磁場の印加に当たり、外部磁場である外部交流磁場と、該外部交流磁場と周波数の等しい外部交流電場をそれぞれ直交させて印加することにより、
前記磁気共振器の向きを揃えることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記外部交流磁場と前記外部交流電場とを、前記光学素子の入射面に略平行に印加することを特徴とする請求項２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記第１の工程でホスト媒質中に分散させる前記磁気共振器は、少なくとも一部が磁性体材料で形成された磁気共振器であり、
前記第２の工程において前記磁性体材料による磁気共振器が分散されたホスト媒質に外部磁場を印加することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
【請求項５】
前記磁性体材料が反磁性体材料であり、前記外部磁場を前記光学素子の入射面に略平行に印加することを特徴とする請求項４に記載の光学素子の製造方法。
【請求項６】
前記磁性体材料が常磁性体または強磁性体であり、前記外部磁場を前記光学素子の入射面に略垂直に印加することを特徴とする請求項４に記載の光学素子の製造方法。
【請求項７】
前記第２の工程において、磁気共振器が分散されたホスト媒質に印加する外部磁場を、前記ホスト媒質の場所により、異なる前記外部磁場の向きや大きさで印加することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子の製造方法に関し、特に、内部に磁気共振器を有することで有効透磁率を人工的に変化させる光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、金属、誘電体、磁性体などを人工的に、入射光の波長以下の構造で形成し、媒質の誘電率や透磁率を人工的に変化させる材料（メタマテリアル）が提案されている。
このメタマテリアルを用いて、例えば、誘電率と透磁率をともに負の値に構成すれば、負の屈折率が得られる。
負の屈折率を用いて、回折限界を超えた結像（完全結像）など新たな光学現象を得ることができる。
また、誘電率と透磁率を独立して制御することで、インピーダンスを任意に制御できるため、完全反射や反射率を低減させた構造などが得られる。この他にも、誘電率と透磁率を制御し、自然界にない新たな光学特性をもつ応用が提案されている。
【０００３】
この透磁率を人工的に制御する構造として、分割リング共振器（Ｓｐｌｉｔ  Ｒｉｎｇ  Ｒｅｓｏｎｅｔｏｒ）などの磁気共振器が提案されている。
磁気共振器は、入射した光波の磁場成分を共鳴させることで、透磁率を変化させる。
この磁気共振器を光学素子の内部に含有させることで、光学素子の有効透磁率を変化させることができる。
磁気共振器を含む光学素子の作製方法として、通常、電子ビームリソグラフィなどのリソグラフィによって、金属などの材料を微細加工する方法が用いられている（非特許文献１）。
また、媒質中に分散された金属錯イオン分散体に、レーザ光を集光し金属を析出させる方法が提案されている（特許文献１）。
いずれの方法においても、基板の上面から加工し、磁気共振器を含む１層を作製し、この層を積層することにより、図１１に示すような光学素子１０が作製されていた。
このように、基板１１の上面から加工し作製するため、磁気共振器１２である分割リングと基板１１とが平行となる。
したがって、磁気共振器１２の共鳴方向１３は、基板１１に対して垂直の方向となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−３５０２３２号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ．３１、ＰＰ．１２５９、２００６年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記図１１に示される従来例の光学素子１０では、入射する光波１４の磁場成分を磁気共振器１２に共鳴させるには、光波１４の磁場成分が入射方向と直交するため、光波１４を基板１１に平行となるように入射させなければならない。
したがって、このような従来例の光学素子１０においては、入射面１５は基板１１の側面側となり、光学素子１０の入射断面積が小さいという課題を有していた。
すなわち、入射断面積が小さい光学素子は、プレーナー型導波路など限られた用途にしか使えない。
仮に、入射断面積の大きな光学素子を作製しようとすれば、積層数を増やさなければならず、作製が困難となる。
例えば、１層１μｍであれば、１ｍｍ厚さの入射面を得るのに１０００層程度は必要であり、１ｃｍ厚さの入射面を得るのに１００００層程度必要となる。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑み、入射光の入射断面積を大きくすることが可能となる、有効透磁率を人工的に変化させる光学素子の製造方法を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、つぎのように構成した光学素子の製造方法および光学素子を提供するものである。
本発明の光学素子の製造方法は、入射光の波長より小さい、非等方性形状の磁気共振器を含む光学素子の製造方法であって、
前記磁気共振器を、ホスト媒質中に分散させる第１の工程と、
前記第１の工程の後に、前記ホスト媒質に外部磁場を印加する第２の工程と、
前記第２の工程の後に、前記ホスト媒質を硬化させる第３の工程と、
を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、入射光の入射断面積を大きくすることが可能となる、有効透磁率を人工的に変化させる光学素子の製造方法を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１における光学素子の製造方法を説明する図。
【図２】本発明の実施例１における磁気共振器の概略構成を示す図。
【図３】本発明の実施例１における磁気共振器の透磁率特性を示す図。
【図４】本発明の実施例１における磁気共振器の向きを揃えて製造する必要性と、磁気共振器の分布密度を用いた光学素子の有効透磁率の制御に関して説明する図。
【図５】本発明の実施例１における光学素子の製造方法の第２の工程で磁気共振器の向きを揃える際に用いられる方法について説明する図。
【図６】本発明の実施例１における光学素子の製造方法の第２の工程で光学素子の入射面内で磁気共振器の向き、分布密度を制御する方法に関して説明する図。
【図７】本発明の実施例２における光学素子の製造方法を説明する図。
【図８】本発明の実施例２における光学素子の製造方法を説明する図。
【図９】本発明の実施例３における光学素子の製造方法を説明する図。
【図１０】本発明の実施例３における光学素子の製造方法を説明する図。
【図１１】従来例における光学素子を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明における光学素子の製造方法の実施の形態を、以下の実施例により図を用いて説明する。
なお、以下の各実施例の説明では、全図において同一の機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【実施例】
【００１２】
［実施例１］
図１を用いて、本発明の実施例１における入射光の波長より小さい、非等方性形状の磁気共振器を含む光学素子を製造する方法について説明する。
まず、第１の工程において、磁気共振器１２０を、樹脂１１０で形成したホスト媒質中に分散させる（図１（ａ））。
このとき、磁気共振器１２０はランダムな向き、または、特定の方向に偏って配置される。
次に、第２の工程において、外部磁場１３０を印加して、磁気共振器１２０の向きや分布密度を制御する（図１（ｂ））。
続いて、第３の工程において、外部磁場１３０を印加した状態、または、印加後に樹脂１１０を硬化させて光学素子１００を得る（図１（ｃ））。
但し、ここでの樹脂は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂、等を用いることができる。
熱可塑性樹脂を用いた場合には、加熱し軟化させた状態で第２の工程を行い、その後、冷却し硬化（第３の工程）させる。
また、熱硬化性樹脂、あるいは光硬化性樹脂を用いた場合には、未硬化樹脂の状態で第２の工程を行い、その後、熱や光により硬化（第３の工程）させる。
以上、第１の工程から第３の工程を行うことで、磁気共振器１２０の向きを任意に揃え、分布密度を制御して光学素子１００を製造することが可能となる。
【００１３】
つぎに、磁気共振器の向き、あるいは分布密度が光学素子の有効透磁率にどのように影響するかを磁気共振器１２０の特性と共に説明する。
図２の概略図に示されるように、本実施例の磁気共振器１２０は、少なくとも一部が金属で形成されている。
例えば、金または銀から成る分割リング１２１で形成された１重分割リング共振器で構成される。
これらは、例えば、可視域で動作させようとする場合には、分割リングの直径を１０ｎｍから１００ｎｍ程度で作製すればよい。
また、近赤外域で動作させようとする場合には、直径を１００ｎｍから５００ｎｍ程度で作製すればよい。
大きさは、分割リング１２１の材料、膜厚、形状により、また、分割リング１２１と隣接する材料などを含めた電磁場解析により求める。
この磁気共振器１２０に共鳴周波数の光波１４０を入射させると、光波１４０の磁場成分１４１と自由電子の運動１４２により発生した磁場１４３とが相互作用する。
【００１４】
このとき、光波の磁場成分１４１と磁気共振器１２０中での磁束密度との関係は、透磁率を用いて表され、図３のような周波数応答を示す。
図３は光波の周波数（横軸）に対する透磁率の大きさ（縦軸）を示し、一般に、透磁率は複素数であるため、実数部を実線、虚数部を点線で示した。
共鳴周波数ω０付近で透磁率が大きく変化し、領域Ｉの周波数帯域を用いれば、１より大きな正の透磁率が得られる。
また、領域ＩＩの周波数帯域を用いれば、負の透磁率が得られる。また、領域ＩＩＩの周波数帯域を用いれば、１より小さな正の透磁率が得られる。
磁気共振器１２０を含有させた光学素子１００は、磁気共振器１２０の特性を含めて平均化した有効透磁率μｅｆｆをもつ。
この有効透磁率μｅｆｆは、光波の磁場成分と磁場共鳴の総和により変化した磁束密度で決まり、磁場Ｈの線積分と磁束密度Ｂの面積分により以下の式で表される。
0005414435.tif 000002
【００１５】
図４（ａ）に示すように、磁気共振器１２０の向きがランダムに配置されると、各磁気共振器１２０の共鳴方向１２２がバラバラな方向を向き、磁気共鳴はそれぞれ互いに打ち消しあう。
このため、光波１４０に対して光学素子１００は磁場共鳴が生じず、または、共鳴が小さくなる。
したがって、磁気共振器１２０を用いた効果が小さくなり、光学素子の有効透磁率はホスト媒質である樹脂１１０と同程度の値となる。
一方、図４（ｂ）に示すように、磁気共振器の共鳴方向１２２が一方向に揃っていると、磁気共鳴が強め合い、光学素子内部での磁束密度が大きく変化する。
このため、光学素子１００の有効透磁率は、図３で示した磁気共振器の透磁率とホスト媒質の透磁率によって決まる。
このように、有効透磁率を人工的に変更させる光学素子を得るためには、磁気共振器１２０の向きを揃えて製造する必要がある。
また、図４（ｃ）に示すように、光学素子に含まれる磁気共振器１２０の分布密度が大きくなると、磁気共振器により、より大きな磁束密度の変化が生じる。
このため、図４（ｂ）に比べ、光学素子の有効透磁率は磁気共振器の透磁率に近い値となる。
したがって、磁気共振器が同じ方向に揃っていれば、磁気共振器の分布密度によって光学素子の有効透磁率を制御できる。
以上、磁気共振器の向きを揃えて製造する必要性と、磁気共振器の分布密度を用いた光学素子の有効透磁率の制御に関して説明した。
【００１６】
つぎに、第１の工程において、樹脂１１０に分散させるために用いられる磁気共振器１２０の製造方法について説明する。
まず、基板に分離層を成膜する。
続いて、分離層上に磁気共振器の材料である金または銀を成膜する。
その後、リソグラフィ技術、または、インプリント技術を用いて分割リング形状を作製する。
最後に、分離層をウェットエッチングし溶解させ、磁気共振器である分割リング形状を分離し、磁気共振器１２０を作製する。
尚、磁気共振器１２０は上記作製方法に限られるものではなく、自己組織的に作製してもよい。
【００１７】
つぎに、図５を用いて、第２の工程において磁気共振器１２０の向きを揃える際に用いられる方法について説明する。
この第２の工程での磁気共振器１２０の向きを揃える際には、つぎのようにローレンツ力が利用される。
図５（ａ）で示すように、外部磁場である外部交流磁場と、該外部交流磁場と周波数の等しい外部交流電場をそれぞれ直交させて印加する。
このとき、外部交流電場１３２により、磁気共振器１２０中の自由電子が運動し、交流電流１３３が発生する。
この交流電流１３３と外部交流磁場１３１により、交流電流１３３と外部交流磁場１３１の外積方向にローレンツ力１３４が生じる。
このローレンツ力１３４を利用し、磁気共振器１２０の向きを揃える。
図５（ｂ）で示すように、外部交流磁場１３１と外部交流電場１３２を、光学素子１００の入射面１５０に略平行となるように印加する。
このとき、ローレンツ力１３４は入射面１５０に垂直な方向に働き、磁気共振器１２０の共鳴方向が入射面１５０と平行となるように磁気共振器１２０の向きが揃う。
尚、外部交流磁場１３１の大きさは、樹脂１１０の粘性に比べ、ローレンツ力１３４が打ち勝つように、０．０１〜数テスラ程度の値を用いる。
磁場発生源は、１テスラ程度までは永久磁石を用いればよく、１テスラ以上になると超伝導コイルなどを用いればよい。
但し、外部交流磁場の大きさは、樹脂の粘性や場所、磁気共振器材料の電気伝導率、外部交流電場などの大きさによって適宜変更させる。
【００１８】
続いて、上記第２の工程で、光学素子の入射面１５０内で磁気共振器１２０の向き、あるいは分布密度を制御する方法に関して説明する。
図６に示すように、外部磁場１３０を光学素子の入射面１５０内で空間的に変化させる。このため、磁気共振器１２０の向き、あるいは分布密度が光学素子の入射面内で任意に制御できる。
尚、本実施例では磁気共振器１２０として１重分割リング構造を用いたが、２重分割リング構造でもよいし、その他、金属ドット間共鳴などどのような磁気共振器でもよい。
以上、第１の工程から第３の工程により、入射断面積の大きな有効透磁率を人工的に制御した光学素子を製造することができる。
【００１９】
［実施例２］
実施例２では、外部磁場１３０を印加して、磁気共振器１２０の向きを揃える第２の工程に関し、実施例１とは異なる方法について説明をする。
尚、光学素子１００を構成する磁気共振器１２０と樹脂１１０は実施例１と同じ構造とし説明を省く。
本実施例では、第２の工程において、図７に示されるように、外部磁場が金または銀などの反磁性体材料に働く斥力によって向きを揃える方法が用いられる。
反磁性体材料からなる磁気共振器１２０は外部磁場により磁化が生成される。
このとき、磁気共振器１２０は非等方性形状であるため、外部磁場１３５が生成された磁化に対して、安定した状態になるように力１３６が働く。
この力１３６を利用し、磁気共振器１２０の向きを揃える。
【００２０】
外部磁場１３５を、光学素子１００の入射面１５０に略平行となるように印加すると、磁気共振器１２０の共鳴方向が入射面１５０と平行となるように磁気共振器１２０の向きが揃う。
このとき、外部磁場１３５の大きさは、樹脂１１０の粘性に比べ、力１３６が打ち勝つように決める。
尚、本実施例では、金または銀から成る反磁性体材料を用いて磁気共振器１２０を構成した。
しかしながら、磁気共振器を反磁性体材料でなく、少なくとも一部が常磁性体または強磁性体材料で形成されるようにしてもよい。
但し、常磁性体・強磁性体材料で磁気共振器を構成すると、外部磁場に対して磁気共振器は引力を受ける。
このため、図８に示されるように、外部磁場の向きを入射面と略垂直に印加すれば、磁気共振器の共鳴方向を入射面と平行となるように磁気共振器の向きを揃えることができる。
【００２１】
［実施例３］
図９を用いて、実施例３における光学素子について説明する。
光学素子１００は、入射光の波長より小さい、複数の非等方性形状の磁気共振器１２０が樹脂１１０からなる単層のホスト媒質中に分散され、該単層の上下面側を前記入射光の入射面１５０として構成されている。
この光学素子１００は、実施例１または実施例２の製造方法により作製することができる。
ここでは、複数の磁気共振器１２０が、上記ホスト媒質における入射面１５０に平行な面内方向に二次元状に配列される。
そして、磁気共振器における共鳴方向が、入射面１５０と平行となるように複数の磁気共振器１２０の向きが揃えられている。
このような本実施例の構成によれば、入射する光波１４０は、光波の磁場成分１４１が共鳴方向１２２と一致するように、入射面１５０に垂直に入射させることができる。
したがって、従来の光学素子に比べ（図１１）、光学素子１００の入射断面積を大きくすることができる。
但し、本実施例で用いた入射面１５０は平面として扱ってきたが、必ずしも平面である必要はなく、レンズ等のように曲率をもつ曲面であってもよい。
この場合、曲面の頂点に接する面を入射面１５０として考えればよい。
また、図１０に示すように、光学素子の厚さ方向に、上記二次元状に配列された複数の磁気共振器を複数段配列するように構成すれば、光学素子を厚く作製することができ、光学素子の深さ方向の有効透磁率を制御することが可能となる。
【００２２】
また、図６に示した方法によって、光学素子の入射面内で磁気共振器の分布密度、または、共鳴方向の向きを制御すれば、透磁率分布光学素子を作製できる。光学素子の屈折率は、透磁率と誘電率によって求まるため、透磁率分布光学素子は屈折率分布光学素子として作用し、光波の波面を制御することができる。
また、本実施例で用いた磁気共振器１２０は金または銀などの磁性体で形成される例について説明した。
このように、磁性体で形成することは、実施例２で説明した製造方法により、磁気共振器１２０の向き、分布密度を任意に制御できることから望ましい。
但し、磁気共振器１２０は磁性体で形成されることに限定されるものではない。磁気共振器１２０の共鳴方向が光学素子の入射面と平行となるように配置することができれば、例えば、実施例２で説明したように反磁性体によるものでもよい。
本実施例ではホスト媒質を樹脂で形成した。しかしながら、ホスト媒質は樹脂に限定されるものではなく、石英ガラスなど、使用波長において透明で熱や光などにより硬化、軟化できるものであれば良い。
但し、樹脂を用いることで、モールド成形などの技術を用いて容易に光学素子を作製できるため、これによるのが望ましい。
【符号の説明】
【００２３】
１００：光学素子
１１０：樹脂（ホスト媒質）
１２０：磁気共振器
１２１：分割リング
１３０：外部磁場
１３１：外部交流磁場
１３２：外部交流電場
１３３：交流電流
１３４：ローレンツ力
１３５：外部磁場
１３６：力
１４０：光波
１４１：磁場成分
１５０：入射面
【図１】
0005414435.tif 000003
【図２】
0005414435.tif 000004
【図３】
0005414435.tif 000005
【図４】
0005414435.tif 000006
【図５】
0005414435.tif 000007
【図６】
0005414435.tif 000008
【図７】
0005414435.tif 000009
【図８】
0005414435.tif 000010
【図９】
0005414435.tif 000011
【図１０】
0005414435.tif 000012
【図１１】
0005414435.tif 000013