(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属薄膜の上に発光物質層、その反対側に光透過媒質からなる光結合器を配置し、励起光により発光物質層を励起して金属薄膜と発光物質層界面に分布したエネルギーの表面プラズモンを励起し、表面プラズモンと光結合器の共鳴で選択的な出射角度で色光分離された発光を前記光結合器を通して得ることを特徴とする色光選択の方法。
【請求項２】
金属薄膜の上に発光物質層、その反対側に光透過媒質からなる光結合器を配置した構成とし、励起光により励起された発光物質層の分布したエネルギーにより、金属薄膜と発光物質層界面で分布したエネルギーを持つ表面プラズモンを励起し、その分布した表面プラズモンのエネルギーを前記配置の光結合器によって光に変換し、光結合器を通して光波長に依存する選択的な出射角度で色光分離された指向性を有する発光を得るように構成したことを特徴とする発光素子。
【請求項３】
前記発光物質層に接する金属薄膜の膜厚を、取り扱う光波長の１０〜２０分の１程度に薄くし、前記金属薄膜をはさんで発光物質層と反対側に光透過媒質を置き、発光物質層と金属薄膜の界面で、励起された分布したエネルギーを持つ表面プラズモンの発光が可能となるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求項１、２のいずれか１項に記載の色光選択の方法又は発光素子。
【請求項４】
前記金属薄膜は銀層とし、その上の前記発光物質層はローダミン層とし、その反対側の前記光透過媒質はＢＫ７ガラス製の半円柱プリズムとして、銀薄膜の厚さは励起光波長の１０〜２０分の１程度とし、前記発光物質層と前記金属薄膜界面で励起された表面プラズモンの発光が可能となるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求項３記載の色光選択の方法又は発光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、発光体から所望の色光を分離し選択して特定の色光を、単一にあるいは複数同時に得る方法及びそれを指向性の光あるいは色光分離した光、または表示等として利用できる発光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
発光素子の発光スペクトルから色光を分離するには、周知のようにプリズムの屈折率の波長依存性を利用したり、光共振器構造や導波路構造、あるいは回折格子等を用いて特定の波長を選択する方法等、光を光学的に分離する方法が取られている。
【０００３】
また、金属薄膜の上に発光物質層、その反対側に光透過媒質からなる光結合器を配置した構成で、励起光により発光物質層を励起すると、金属薄膜と発光物質層界面に表面プラズモンが励起され、光透過媒質からの発光現象が認められた。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、金属薄膜の上に発光物質層、その反対側に光透過媒質からなる光結合器を配置した構成で、励起した発光物質が直接エネルギー的に分布した表面プラズモンを同時に励起して光が放射される場合、これを用いて指向性発光素子及び色光分離発光素子を構築できる可能性がある。
【０００５】
ここで、金属薄膜の厚さを扱う光波長程度以上に厚くした場合や発光物質が金属薄膜から光波長程度離れている場合、発光物質の発光スペクトルが鋭い単一のピークを示す場合、あるいは光透過媒質を置かない場合や光透過媒質の屈折率が１程度の場合、分布したエネルギーを持つ表面プラズモンが励起されず、あるいは励起された分布したエネルギーを持つ表面プラズモンの発光が得られず、光透過媒質から選択的な出射角度で色光分離した発光を得ることが不可能である。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑み、励起された発光物質が発光物質と金属薄膜の界面で分布したエネルギーを持つ表面プラズモンを励起して光透過媒質から選択的な出射角度で色光分離された発光が得られる方法及び指向性発光素子及び色光分離発光素子を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
添付図面を参照して本発明の要旨を説明する。
【０００８】
金属薄膜の上に発光物質層、その反対側に光透過媒質からなる光結合器を配置し、励起光により発光物質層を励起して金属薄膜と発光物質層界面に分布したエネルギーの表面プラズモンを励起し、表面プラズモンと光結合器の共鳴で選択的な出射角度で色光分離された発光を前記光結合器を通して得ることを特徴とする色光選択の方法に係るものである。
【０００９】
また、金属薄膜の上に発光物質層、その反対側に光透過媒質からなる光結合器を配置した構成とし、励起光により励起された発光物質層の分布したエネルギーにより、金属薄膜と発光物質層界面で分布したエネルギーを持つ表面プラズモンを励起し、その分布した表面プラズモンのエネルギーを前記配置の光結合器によって光に変換し、光結合器を通して光波長に依存する選択的な出射角度で色光分離された指向性を有する発光を得るように構成したことを特徴とする発光素子に係るものである。
【００１０】
また、前記発光物質層に接する金属薄膜の膜厚を、取り扱う光波長の１０〜２０分の１程度に薄くし、前記金属薄膜をはさんで発光物質層と反対側に光透過媒質を置き、発光物質層と金属薄膜の界面で、励起された分布したエネルギーを持つ表面プラズモンの発光が可能となるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求項１、２のいずれか１項に記載の色光選択の方法又は発光素子に係るものである。
【００１１】
また、前記金属薄膜は銀層とし、その上の前記発光物質層はローダミン層とし、その反対側の前記光透過媒質はＢＫ７ガラス製の半円柱プリズムとして、銀薄膜の厚さは励起光波長の１０〜２０分の１程度とし、前記発光物質層と前記金属薄膜界面で励起された表面プラズモンの発光が可能となるように前記光結合器を構成したことを特徴とする請求項３記載の色光選択の方法又は発光素子に係るものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
好適と考える本発明の実施の形態（発明をどのように実施するか）を、図面に基づいてその作用効果を示して簡単に説明する。
【００１３】
本発明者は、発光物質層に接する金属薄膜の膜厚を、取り扱う光波長の１０〜２０分の１程度に薄くし、さらに金属薄膜をはさんで前記発光物質層と反対側に前記光透過媒質を配置して、表面プラズモンの励起を可能にした光結合器を構成し、発光物質を励起光で励起し発光物質の励起エネルギーが分布したエネルギーを持つ表面プラズモンを励起することで、光透過媒質から選択的な出射角度で色光分離された発光を得ることができるとの知見を得た。このような知見に基づき本発明がなされたものである。ここで、あるエネルギーを持つ表面プラズモンは、表面プラズモンの共鳴条件に基づいて光結合器からの出射角度が決まるため、分布したエネルギーを持つ表面プラズモンは出射角度に対し色光分離されることとなる。これは、表面プラズモン共鳴法において、光波長によって共鳴角度が異なることと同様の原理に基づいている。
【００１４】
すなわち、請求項１に記載の発明は、励起光により発光物質層を励起して金属薄膜と発光物質層界面に分布したエネルギーの表面プラズモンを励起し、表面プラズモンと光結合器の共鳴で選択的な出射角度で色光分離された発光を得る方法についてものである。
【００１５】
また、請求項２に記載の発明は、金属薄膜と発光物質層界面で励起された表面プラズモンの分布したエネルギーを前記配置の光結合器を通して光波長に依存する選択的な出射角度で色光分離された指向性を有する発光を得る発光素子についてのものである。
【００１６】
さらに、請求項３、４の発明は、金属薄膜は例えば銀層でその上の発光物質層はローダミン層であり、その反対側の光透過媒質はＢＫ７ガラス製の半円柱プリズムであり、銀薄膜の厚さは励起光波長の１０〜２０分の１程度として、金属薄膜と発光物質層界面で表面プラズモンの励起を用いた色光選択の方法並びに発光素子についてのものである。
【００１７】
請求項１に記載の発明においては、励起光により発光物質層を励起すると金属薄膜界面に分布したエネルギーの表面プラズモンが励起され、この表面プラズモンによって光結合器の光透過媒質側で選択的な出射角度を持つ色光分離された発光を発生する。
【００１８】
請求項２に記載の発明においては、例えば励起光波長の１０〜２０分の１程度の厚さの金属薄膜とその上の発光物質層、そしてその反対側の光透過媒質で構成する光結合器で励起された分布したエネルギーの表面プラズモンを介する発光は、光波長に依存する表面プラズモンの共鳴条件によって選択的な出射角度で色光分離されて指向性を有している。
【００１９】
【実施例】
本発明の具体的な実施例について図面に基づいて説明する。
【００２０】
図１は、本発明の色光選択発光素子及び指向性発光素子の実施例における断面図を示している。１は金属薄膜である例えば厚さ約50nmの銀薄膜で、２は発光物質層である例えば厚さ約30nmのローダミン層、３は光透過媒質である例えばＢＫ７ガラス製の半径10mmの半円柱型のプリズム、４は励起光である例えば波長488nmのアルゴンレーザー、５は色光分離されて指向性を持つ放射光の例、６は光検出器で例えば光ファイバーや分光器を備えている。
【００２１】
銀薄膜１は表面プラズモン励起のために必要であり、その厚さが前項の厚さより50％程度薄い場合あるいは50％程度厚い場合でも表面プラズモンの励起が困難であり、銀の替わりの金属薄膜として金薄膜を用いる場合も同程度の膜厚でなければならないが、アルミニウムの場合では表面プラズモンの励起のための膜厚は約15nm程度である。
【００２２】
ローダミン層２は発光物質として機能し、アルゴンレーザーで励起された場合の発光スペクトルの例が図２であり、この分布したエネルギーが発光物質層と金属薄膜界面で分布したエネルギーの表面プラズモンを励起できるように金属薄膜上に発光物質層を配置する。
【００２３】
ＢＫ７の光透過媒質３は屈折率が1.52で、金属薄膜をはさんで発光物質層の反対側に配置することで、発光物質層と金属薄膜界面に表面プラズモンを励起し、励起された分布したエネルギーの表面プラズモンのエネルギーを光結合器から光波長に依存する選択的な出射角度で色光分離されて指向性を有する図３の発光を得ている。
【００２４】
図３の発光は、放射角θを変えて光検出器で測定した発光スペクトルの例で、放射角θで色光分離されたスペクトルが得られ、同時に各発光波長は特定の放射角を持ち指向性の発光が得られる。
【００２５】
光結合器は、図１の金属薄膜１及び発光物質層２、それに光透過媒質３とで構成されており、光透過媒質はＢＫ７の半円柱型プリズムである必要はなく、この構成で励起された表面プラズモンからの発光が可能であればよく、例えば屈折率が１よりもある程度高く光透過できる透明なプラスチック材料でも他のガラス材料でも良く、形状も半円柱である必要はなく板状や半球型、三角型、あるいは、そのような形状の小さいものが板の上に多数配置されてあっても良い。
【００２６】
なお、実施例の図１では、発光物質層にローダミン層２を用いているが、有機・無機物質に関係無く、分布した発光エネルギーを持つ他の発光物質を用いても良く、発光物質層の厚さも数ナノメートルと薄い場合から数ミクロンと厚い場合でも良い。
【００２７】
また、実施例の図１で励起光の入射角θiを90度としているが、θiを異なる角度に設定しても良い。
【００２８】
【発明の効果】
本発明は上述のように構成したから、本発明にかかる請求項１に記載の発明は、金属薄膜の上に発光物質層、その反対側に光透過媒質からなる光結合器を配置した構成で、励起光により発光物質層を励起して金属薄膜と発光物質層界面に分布したエネルギーの表面プラズモンを励起し、表面プラズモンを介して光透過媒質から発光を得ようとすることで選択的な出射角度で色光分離された発光を得ることができる。
【００２９】
また、請求項２に記載の発明は、励起光により励起された発光物質の分布したエネルギーにより金属薄膜と発光物質層界面で励起された分布したエネルギーの表面プラズモンのエネルギーを用いて指向性を示す発光素子を構成することができる。
【００３０】
また、請求項３に記載の発明は、発光物質層に接する金属薄膜の膜厚を取り扱う光波長の１０〜２０分の１程度に薄くすることで、金属薄膜をはさんで発光物質層と反対側に励起された分布したエネルギーの表面プラズモンの発光を可能とする光透過媒質を配置して、確実に前記作用・効果を発揮する極めて実用性に秀れた色光選択の方法並びに発光素子となる。
【００３１】
また、請求項４に記載の発明は、金属薄膜は銀層でその上の発光物質層はローダミン層であり、その反対側の光透過媒質はＢＫ７ガラス製の半円柱プリズムの配置としたので、更に確実に選択的な出射角度で色光分離された指向性の発光素子が得られる色光選択の方法並びに発光素子となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本実施例の概略構成説明図である。
【図２】  本実施例のローダミン層は発光物質として機能し、アルゴンレーザーで励起された場合の発光スペクトルの例を示す波長−光子数を示すグラフである。
【図３】  本実施例の発光物質と金属薄膜界面に励起された表面プラズモンからの放射光を色光分離して光波長に依存する選択的な出射角度で指向性を示す波長−光子数を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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