(57)【要約】【課題】光照射により励起されるプラズモンに基づく光の増強度の大きく、ＨＳＤも高い光学素子を備えた分析装置を提供する。【解決手段】本発明に係る分析装置は、金属層と、金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含む光学素子と、第１方向と同じ方向の直線偏光光の入射光を光学素子に照射する光源と、光学素子から放射される光を検出する検出器と、を備え、光学素子の金属粒子の配置は、下記式（１）の関係を満たす。      Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）［ここで、Ｐ１は第１の間隔、Ｐ２は第２の間隔、Ｑは、金属粒子列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、金属層の周辺の誘電率をε、真空中の光速をｃ、入射光の照射角であって前記透光層の厚さ方向からの傾斜角をθ、として、下記式（２）で与えられる回析格子の間隔を表す。］（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含む光学素子と、
前記第１方向と同じ方向の直線偏光光の入射光を前記光学素子に照射する光源と、
前記光学素子から放射される光を検出する検出器と、
を備え、
前記光学素子の前記金属粒子の配置は、下記式（１）の関係を満たす、分析装置。
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は前記第１の間隔、Ｐ２は前記第２の間隔、Ｑは、前記金属粒子列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記金属層の周辺の誘電率をε、真空中の光速をｃ、前記入射光の照射角であって前記透光層の厚さ方向からの傾斜角をθ、として、下記式（２）で与えられる回析格子の間隔を表す。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
【請求項２】
請求項１において、
前記間隔Ｐ２は、６０ｎｍ≦Ｐ２≦１３１０ｎｍの関係を満たす、分析装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記間隔Ｐ２は、６０ｎｍ≦Ｐ２≦６６０ｎｍの関係を満たす、分析装置。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、
前記間隔Ｐ１は、６０ｎｍ≦Ｐ１≦１２０ｎｍの関係を満たす、分析装置。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、
前記金属粒子の前記第１方向の大きさＤは、
３０ｎｍ≦Ｄ≦７２ｎｍの関係を満たす、分析装置。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、
前記金属粒子の高さ方向の大きさＴは、
４ｎｍ≦Ｔ≦２０ｎｍの関係を満たす、分析装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、
前記透光層は、前記金属粒子の高さ方向を厚さ方向とする誘電体層であって、
前記誘電体層の厚さＧは、
２０ｎｍ≦Ｇ≦６０ｎｍの関係を満たす、分析装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、
前記検出器は、前記光学素子によって増強されたラマン散乱光を検出する、分析装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、
前記光源は、前記光学素子に、前記金属粒子の前記高さ方向の大きさＴおよび前記第１方向の大きさＤよりも、大きい波長を有する前記入射光を照射する、分析装置。
【請求項１０】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の分析装置に設けられた光学素子であって、前記第１方向と同じ方向の直線偏光光が照射される、光学素子。
【請求項１１】
光学素子に入射光を照射し、前記入射光の照射に応じて前記光学素子から放射される光を検出して、光学素子表面に付着させた対象物を分析する分析方法であって、
前記光学素子は、金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含み、
前記光学素子の前記金属粒子は、下記式（１）の関係を満たすように配置され、
前記１方向と同じ方向の直線偏光光の前記入射光を前記光学素子に照射する、分析方法。
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は前記第１の間隔、Ｐ２は前記第２の間隔、Ｑは、前記金属粒子列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記金属層の周辺の誘電率をε、真空中の光速をｃ、前記入射光の照射角であって前記透光層の厚さ方向からの傾斜角をθ、として、下記式（２）で与えられる回析格子の間隔を表す。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
【請求項１２】
金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含む光学素子の設計方法であって、
前記金属粒子を、下記式（１）の関係を満たすように配置する、設計方法。
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は前記第１の間隔、Ｐ２は前記第２の間隔、Ｑは、前記金属粒子列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記金属層の周辺の誘電率をε、真空中の光速をｃ、前記入射光の照射角であって前記透光層の厚さ方向からの傾斜角をθ、として、下記式（２）で与えられる回析格子の間隔を表す。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
【請求項１３】
金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含む光学素子の設計方法であって、
局在型プラズモンおよび伝播型プラズモンが生じるように、前記第１方向および前記第２方向に、マトリックス状に前記金属粒子を配置する、設計方法。
【請求項１４】
請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の分析装置と、前記検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、前記健康医療情報を記憶する記憶部と、前記健康医療情報を表示する表示部と、を備えた電子機器。
【請求項１５】
請求項１４において、前記健康医療情報は、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも１種の生体関連物質、または、無機分子および有機分子から選択される少なくとも１種の化合物の、有無若しくは量に関する情報を含む、電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分析装置、分析方法、これらに用いる光学素子および電子機器、並びに光学素子の設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療・健康分野をはじめ、環境、食品、公安等の分野において、微量の物質を高感度、高精度、迅速かつ簡便に検知するセンシング技術が求められている。センシングの対象となる微量の物質は非常に多岐にわたっており、例えば、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、各種抗原・抗体などの生体関連物質や、無機分子、有機分子、高分子を含む各種の化合物がセンシングの対象となる。従来、微量物質の検知は、サンプリング、分析、解析を経て行われているが、専用の装置が必要で、検査作業者の熟練を要するため、その場での分析は困難な場合が多かった。そのため、検査結果を得るまでに長期間（数日以上）を要している。センシング技術において、迅速かつ簡便であることの要求は非常に強く、その要求に応えることのできるセンサーの開発が望まれている。
【０００３】
例えば、集積化が比較的容易で、検査・測定環境に影響を受けにくいとの期待から、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を利用するセンサーや、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を利用したセンサーの関心が高まっている。
【０００４】
そして、より高感度なセンシングを目的として、局在型プラズモン（ＬＳＰ：Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ）と伝播型プラズモン（ＰＳＰ：Ｐｒｏｐａｇｅｔｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ）の両モードを同時に共鳴させるハイブリッドモードを実現する構造を備えたセンサー素子の一例として、非特許文献１には、ＧＳＰＰ（Ｇａｐ  ｔｙｐｅ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）と称するものが提案されている。また、非特許文献２には、ＬＳＰおよびＰＳＰの電磁的結合（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）の基礎的事項が述べられ、ＬＳＰとＰＳＰとを建設的に干渉させる構成を有する素子が開示されている（特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開２００９／００２５２４号
【特許文献２】国際公開２００５／１１４２９８号
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】OPTICS LETTERS,Vol.34,No.3,2009,244-246
【非特許文献２】OPTICS LETTERS,Vol.30,N0.24,2005,3404-3406
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に開示されたセンサーは、誘電体からなる基板上に形成されたナノ粒子が格子状に規則的に配列された層を有している。そしてその粒子層は、粒子のサイズが２ｎｍ〜２００ｎｍであり、正方格子状に配列された場合には５０ｎｍ〜数μｍの粒子間間隔で配置され、回折格子を形成するように配置された場合には、行内において１ｎｍ〜１０ｎｍの粒子間間隔で配置され行間の間隔が０．１μｍ以上としたアレイとなっている。
【０００８】
また、上記特許文献２に開示されたセンサーは、基板上に形成された共鳴ミラーと称する２００ｎｍ〜５００ｎｍ厚みの銀、金又はアルミニウムからなる蒸着層を有する。そしてその蒸着層の上に形成された透光層と称する５０ｎｍ未満の厚みの誘電体層、該誘電体層の上に形成されたナノ粒子層と称する金、銀等の粒子が配置された粒子層を有している。当該粒子層は、粒子のサイズが５０ｎｍ〜２００ｎｍであり、入射光の波長より小さい間隔から、粒子サイズに０ｎｍ〜２０ｎｍを加えた間隔までの間の粒子間間隔で、粒子が等間隔に規則的に配置されたアレイとなっている。
【０００９】
しかしながら、特許文献１、２に開示されたセンサーでは、入射光の波長や偏光状態と、アレイの配列との関係が考慮されていないことが一因となって、必ずしも十分な信号増幅度が得られていない。
【００１０】
また、非特許文献１、２には、局在型プラズモンと伝播型プラズモンとの相互作用を利用した方式が提案されているが、これらの方式では、Ｈｏｔ  Ｓｐｏｔ  Ｄｅｎｓｉｔｙ（ＨＳＤ）が低いという課題があった。
【００１１】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するために為されたものであり、その幾つかの態様に係る目的の１つは、光照射により励起されるプラズモンに基づく光の増強度が大きく、ＨＳＤも高い光学素子、およびその設計方法を提供することにある。また、本発明の幾つかの態様に係る目的の１つは、そのような光学素子を備えた分析装置および電子機器並びに分析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る分析装置の一態様は、
金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含む光学素子と、
前記第１方向と同じ方向の直線偏光光の入射光を前記光学素子に照射する光源と、
前記光学素子から放射される光を検出する検出器と、
を備え、
前記光学素子の前記金属粒子の配置は、下記式（１）の関係を満たす。
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は前記第１の間隔、Ｐ２は前記第２の間隔、Ｑは、前記金属粒子列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記金属層の周辺の誘電率をε、真空中の光速をｃ、前記入射光の照射角であって前記透光層の厚さ方向からの傾斜角をθ、として、下記式（２）で与えられる回析格子の間隔を表す。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
【００１３】
このような分析装置によれば、プラズモンに基づく光の増強度の大きく、ＨＳＤも高い光学素子を備えることにより、微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。
【００１４】
本発明に係る分析装置において、
前記間隔Ｐ２は、６０ｎｍ≦Ｐ２≦１３１０ｎｍの関係を満たしてもよい。
【００１５】
このような分析装置によれば、プラズモンに基づく光の増強度のさらに大きい光学素子を備えているため、微量物質の検出、測定をさらに容易に行うことができる。
【００１６】
本発明に係る分析装置において、
前記間隔Ｐ２は、６０ｎｍ≦Ｐ２≦６６０ｎｍの関係を満たしてもよい。
【００１７】
このような分析装置によれば、プラズモンに基づく光の増強度のさらに大きい光学素子を備えているため、微量物質の検出、測定をさらに容易に行うことができる。
【００１８】
本発明に係る分析装置において、
前記間隔Ｐ１は、６０ｎｍ≦Ｐ１≦１２０ｎｍの関係を満たしてもよい。
【００１９】
このような分析装置によれば、プラズモンに基づく光の増強度のさらに大きい光学素子を備えているため、微量物質の検出、測定をさらに容易に行うことができる。
【００２０】
本発明に係る分析装置において、
前記金属粒子の前記第１方向の大きさＤは、３０ｎｍ≦Ｄ≦７２ｎｍの関係を満たしてもよい。
【００２１】
このような分析装置によれば、プラズモンに基づく光の増強度のさらに大きい光学素子を備えているため、微量物質の検出、測定をさらに容易に行うことができる。
【００２２】
本発明に係る分析装置において、
前記金属粒子の高さ方向の大きさＴは、４ｎｍ≦Ｔ≦２０ｎｍの関係を満たしてもよい。
【００２３】
このような分析装置によれば、プラズモンに基づく光の増強度のさらに大きい光学素子を備えているため、微量物質の検出、測定をさらに容易に行うことができる。
【００２４】
本発明に係る分析装置において、
前記透光層は、前記金属粒子の高さ方向を厚さ方向とする誘電体層であって、
前記誘電体層の厚さＧは、２０ｎｍ≦Ｇ≦６０ｎｍの関係を満たしてもよい。
【００２５】
このような分析装置によれば、プラズモンに基づく光の増強度のさらに大きい光学素子を備えているため、微量物質の検出、測定をさらに容易に行うことができる。
【００２６】
本発明に係る分析装置において、
前記検出器は、前記光学素子によって増強されたラマン散乱光を検出してもよい。
【００２７】
このような分析装置によれば、プラズモンに基づく光の増強度のさらに大きい光学素子を備えているため、ラマン散乱光を増強することができ、微量物質の同定を容易に行うことができる。
【００２８】
本発明に係る分析装置において、
前記光源は、前記光学素子に、前記金属粒子の前記高さ方向の大きさＴおよび前記第１方向の大きさＤよりも、大きい波長を有する前記入射光を照射してもよい。
【００２９】
このような分析装置によれば、プラズモンに基づく光の増強度の大きい光学素子の能力をさらに引出すことができるため、微量物質の検出、測定等をさらに容易に行うことができる。
【００３０】
本発明に係る光学素子の一態様は、
本発明に係る分析装置に設けられた光学素子であって、前記第１方向と同じ方向の直線偏光光が照射される。
【００３１】
このような光学素子は、プラズモンに基づく光の増強度が大きい。
【００３２】
本発明に係る分析方法の一態様は、
光学素子に入射光を照射し、前記入射光の照射に応じて前記光学素子から放射される光を検出して、光学素子表面に付着させた対象物を分析する分析方法であって、
前記光学素子は、金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含み、
前記光学素子の前記金属粒子は、下記式（１）の関係を満たすように配置され、
前記１方向と同じ方向の直線偏光光の前記入射光を前記光学素子に照射する。
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は前記第１の間隔、Ｐ２は前記第２の間隔、Ｑは、前記金属粒子列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記金属層の周辺の誘電率をε、真空中の光速をｃ、前記入射光の照射角であって前記透光層の厚さ方向からの傾斜角をθ、として、下記式（２）で与えられる回析格子の間隔を表す。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
【００３３】
このような分析方法によれば、プラズモンに基づく増強度が大きく、ＨＳＤも高い光学素子を用いるため、微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。
【００３４】
本発明に係る光学素子の設計方法の一態様は、
金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含む光学素子の設計方法であって、
前記金属粒子を、下記式（１）の関係を満たすように配置する。
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は前記第１の間隔、Ｐ２は前記第２の間隔、Ｑは、前記金属粒子列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記金属層の周辺の誘電率をε、真空中の光速をｃ、前記入射光の照射角であって前記透光層の厚さ方向からの傾斜角をθ、として、下記式（２）で与えられる回析格子の間隔を表す。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
【００３５】
このような設計方法によれば、プラズモンに基づく光の増強度が大きく、ＨＳＤも高い光学素子を設計することができる。
【００３６】
本発明に係る光学素子の設計方法の一態様は、
金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含む光学素子の設計方法であって、
局在型プラズモンおよび伝播型プラズモンが生じるように、前記第１方向および前記第２方向に、マトリックス状に前記金属粒子を配置する。
【００３７】
このような設計方法によれば、プラズモンに基づく光の増強度の大きい光学素子を設計することができる。
【００３８】
本発明に係る電子機器の一態様は、
本発明に係る分析装置と、前記検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、前記健康医療情報を記憶する記憶部と、前記健康医療情報を表示する表示部と、を備える。
【００３９】
このような電子機器によれば、プラズモンに基づく光の増強度の大きい光学素子を備えており、微量物質の検出を容易に行うことができ、高精度な健康医療情報を提供することができる。
【００４０】
本発明に係る電子機器において、
前記健康医療情報は、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも１種の生体関連物質、または、無機分子および有機分子から選択される少なくとも１種の化合物の、有無若しくは量に関する情報を含んでもよい。
【００４１】
このような電子機器によれば、有用な健康医療情報を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図。
【図２】実施形態の光学素子を透光層の厚さ方向から見た模式図。
【図３】実施形態の光学素子の第１方向に垂直な断面の模式図。
【図４】実施形態の光学素子の第２方向に垂直な断面の模式図。
【図５】実施形態の光学素子を透光層の厚さ方向から見た模式図。
【図６】入射光および金の分散曲線を示す分散関係のグラフ。
【図７】Ａｇの誘電率と波長の関係を示すグラフ。
【図８】金属の分散曲線、局在型プラズモンおよび入射光の分散関係を示すグラフ。
【図９】実施形態の変形例の光学素子を透光層の厚さ方向から見た模式図。
【図１０】実施形態の分析装置の概略図。
【図１１】実施形態の電子機器の概略図。
【図１２】実験例に係るモデルの一例を示す模式図。
【図１３】実験例に係るモデルの一例を示す模式図。
【図１４】実験例に係るハイブリッドプラズモンの励起波長依存性を示すグラフ。
【図１５】実験例に係る分散関係のグラフ。
【図１６】実験例に係る増強度と間隔Ｐ２との関係を示すグラフ。
【図１７】実験例に係る分散関係のグラフ。
【図１８】実験例に係るラマン散乱増強度と間隔Ｐ２との関係を示すグラフ。
【図１９】実験例に係る増強度と間隔Ｐ２との関係を示すグラフ。
【図２０】実験例に係るラマン散乱増強度と間隔Ｐ２との関係を示すグラフ。
【図２１】実験例に係るモデルの一例を示す模式図。
【図２２】第１方向に偏光した場合のホットスポット強度分布を示す図。
【図２３】第２方向に偏光した場合のホットスポット強度分布を示す図。
【図２４】実験例に係る増強度とＡｇ粒子数との関係を示すグラフ。
【図２５】実験例に係るラマン散乱増強度とＡｇ粒子数との関係を示すグラフ。
【図２６】実験例に係る増強度とＡｇ粒子数との関係を示すグラフ。
【図２７】実験例に係るラマン散乱増強度とＡｇ粒子数との関係を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。
【００４４】
１．光学素子
図１は、本実施形態の光学素子１００の断面の模式図である。図２は、本実施形態の光学素子１００を平面的に見た（透光層の厚さ方向から見た）模式図である。図３および図４は、本実施形態の光学素子１００の断面の模式図である。図５は、本実施形態の光学素子１００を透光層の厚さ方向から見た模式図である。本実施形態の光学素子１００は、金属層１０と金属粒子２０と透光層３０とを含む。
【００４５】
１．１．金属層
金属層１０は、光を透過しない金属の表面を提供するものであれば、特に限定されず、例えば、厚板状であってもよいし、フィルム、層または膜の形状を有してもよい。金属層１０は、例えば基板１の上に設けられてもよい。この場合の基板１としては、特に限定されないが、金属層１０に励起される伝播型プラズモンに影響を与えにくいものが好ましい。基板１としては、例えば、ガラス基板、シリコン基板、樹脂基板などが挙げられる。基板１の金属層１０が設けられる面の形状も特に限定されない。金属層１０の表面に規則構造を形成する場合にはその規則構造に対応する表面を有してもよいし、金属層１０の表面を平面とする場合には平面としてもよい。図１〜図５の例では、基板１の表面（平面）の上に金属層１０が設けられている。
【００４６】
ここで、平面との表現を用いているが、係る表現は、表面が、わずかの凹凸もなく平坦（スムース）な数学的に厳密な平面を指すものではない。例えば、表面には、構成する原子に起因する凹凸や、構成する物質の二次的な構造（結晶、粒塊、粒界等）に起因する凹凸などが存在する場合が有り、微視的にみれば厳密な平面ではない場合がある。しかし、そのような場合でも、より巨視的な視点でみれば、これらの凹凸は目立たなくなり、表面を平面と称しても差し支えない程度に観測される。したがって、本明細書では、このようなより巨視的な視点でみた場合に平面と認識できれば、これを平面と称することとする。
【００４７】
また、本実施形態では、金属層１０の厚さ方向は、後述の透光層３０の厚さ方向と一致している。本明細書では、金属層１０の厚さ方向または透光層３０の厚さ方向を、後述する金属粒子２０について述べる場合などにおいて、厚み方向、高さ方向等と称する場合がある。また、例えば、金属層１０が基板１の表面に設けられる場合には、基板１の表面の法線方向を厚さ方向、厚み方向または高さ方向と称する場合がある。
【００４８】
金属層１０は、例えば、蒸着、スパッタ、鋳造、機械加工等の手法により形成することができる。金属層１０が基板１の上に設けられる場合には、基板１の表面の全面に設けられてもよいし基板１の表面の一部に設けられてもよい。金属層１０の厚みは、金属層１０に伝播型プラズモンが励起され得るかぎり特に限定されず、例えば、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以上１μｍ以下とすることができる。
【００４９】
金属層１０は、入射光により与えられる電場と、その電場によって誘起される分極とが逆位相で振動するような電場が存在する金属、すなわち、特定の電場が与えられた場合に、誘電関数の実数部が負の値を有し（負の誘電率を有し）、虚数部の誘電率が実数部の誘電率の絶対値よりも小さい誘電率を有することのできる金属によって構成される。可視光領域におけるこのような誘電率を有しうる金属の例としては、金、銀、アルミニウム、銅、白金、およびそれらの合金等を挙げることができる。また、金属層１０の表面（厚さ方向の端面）は、特定の結晶面であってもなくてもよい。
【００５０】
金属層１０は、本実施形態の光学素子１００において伝播型プラズモンを発生させる機能を有している。金属層１０に後述する条件で光を入射することにより、金属層１０の表面（厚さ方向の端面）近傍に伝播型プラズモンが発生する。また、本明細書では、金属層１０の表面付近の電荷の振動と電磁波とが結合した振動の量子を、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｐｌａｒｉｔｏｎ）と称する。金属層１０に発生した伝播型プラズモンは、後述の金属粒子２０に発生する局在型プラズモンと、一定の条件下で相互作用（ハイブリッド）することができる。
【００５１】
１．２．金属粒子
金属粒子２０は、金属層１０から厚さ方向に離間して設けられる。金属粒子２０は、金属層１０と空間的に離間して配置されていればよく、金属粒子２０と金属層１０との間には、絶縁体、誘電体、半導体などの他の物質が単層または複数層介在してもよい。本実施形態の図１〜図５の例では、金属層１０の上に透光層３０が設けられ、その上に金属粒子２０が形成されることにより、金属層１０と金属粒子２０とが透光層の厚さ方向で離間して配置されている。
【００５２】
金属粒子２０の形状は、特に限定されない。例えば、金属粒子２０の形状は、金属層１０または透光層３０の厚さ方向に投影した場合に（厚さ方向からの平面視において）円形、楕円形、多角形、不定形またはそれらを組合わせた形であることができ、厚さ方向に直交する方向に投影した場合にも円形、楕円形、多角形、不定形またはそれらを組合わせた形状であることができる。図１〜図５の例では金属粒子２０は、いずれも透光層３０の厚さ方向に中心軸を有する円柱状の形状で描かれているが、金属粒子２０の形状はこれに限定されない。
【００５３】
金属粒子２０の高さ方向の大きさＴは、高さ方向に垂直な平面によって金属粒子２０を切ることができる区間の長さを指し、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。また、金属粒子２０の高さ方向に直交する第１方向の大きさは、第１方向に垂直な平面によって金属粒子２０を切ることができる区間の長さを指し、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。例えば、金属粒子２０の形状が高さ方向を中心軸とする円柱である場合には、金属粒子２０の高さ方向の大きさ（円柱の高さ）は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは３ｎｍ以上３０ｎｍ以下、さらに好ましくは４ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。また金属粒子２０の形状が高さ方向を中心軸とする円柱である場合には、金属粒子２０の第１方向の大きさ（円柱底面の直径）は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、より好ましくは２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以上７２ｎｍ以下である。
【００５４】
金属粒子２０の形状、材質は、入射光の照射によって、局在型プラズモンを生じうる限り任意であるが、可視光付近の光によって局在型プラズモンを生じうる材質としては、金、銀、アルミニウム、銅、白金、およびそれらの合金等を挙げることができる。
【００５５】
金属粒子２０は、例えば、スパッタ、蒸着等によって薄膜を形成した後にパターニングを行う方法、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法などによって形成することができる。また、金属粒子２０は、コロイド化学的手法によって形成することができ、これを適宜の手法によって金属層１０から離間した位置に配置してもよい。
【００５６】
金属粒子２０は、本実施形態の光学素子１００において局在型プラズモンを発生させる機能を有している。金属粒子２０に、後述する条件で入射光を照射することにより、金属粒子２０の周辺に局在型プラズモンを発生させることができる。金属粒子２０に発生した局在型プラズモンは、上述の金属層１０に発生する伝播型プラズモンと、一定の条件下で相互作用（ハイブリッド）することができる。
【００５７】
１．３．金属粒子の配置
図１〜図５に示すように、金属粒子２０は、複数が並んで金属粒子列２１を構成している。金属粒子２０は、金属粒子列２１において、金属層１０の厚さ方向と直交する第１方向に並んで配置される。言換えると金属粒子列２１は、金属粒子２０が高さ方向と直交する第１方向に複数並んだ構造を有する。金属粒子２０が並ぶ第１方向は、金属粒子２０が長手を有する形状の場合（異方性を有する形状の場合）、その長手方向とは一致しなくてもよい。１つの金属粒子列２１に並ぶ金属粒子２０の数は、複数であればよく、好ましくは１０個以上である。
【００５８】
ここで金属粒子列２１内における第１方向の金属粒子２０の間隔を間隔Ｐ１と定義する（図２〜図５参照）。間隔Ｐ１は、第１方向における２つの金属粒子２０の重心間の距離（ピッチ）を指す。なお、金属粒子列２１内における２つの金属粒子２０の粒子間距離は、金属粒子２０が金属層１０の厚さ方向を中心軸とする円柱である場合には、間隔Ｐ１から円柱の直径を差引いた長さに等しい。この粒子間距離が小さいと、粒子間に働く局在型プラズモンの効果が増大し、増強度は大きくなる傾向がある。粒子間距離は、５ｎｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることができる。
【００５９】
金属粒子列２１内における第１方向の金属粒子２０の間隔Ｐ１は、１０ｎｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは２０ｎｍ以上８００ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以上７８０ｎｍ未満、さらに好ましくは５０ｎｍ以上７００ｎｍ未満とすることができる。
【００６０】
金属粒子列２１は、第１方向に間隔Ｐ１で並ぶ複数の金属粒子２０によって構成されるが、金属粒子２０に発生される局在型プラズモンの分布・強度等は、この金属粒子２０の配列にも依存する。したがって、金属層１０に発生する伝播型プラズモンと相互作用する局在型プラズモンは、単一の金属粒子２０に発生する局在型プラズモンだけでなく、金属粒子列２１における金属粒子２０の配列を考慮した局在型プラズモンである。
【００６１】
図１〜図５に示すように、金属粒子列２１は、金属層１０の厚さ方向および第１方向と交差する第２方向に間隔Ｐ２で並んで配置される。金属粒子列２１が並ぶ数は、複数であればよく、好ましくは１０列以上である。
【００６２】
ここで、隣合う金属粒子列２１の第２方向における間隔を間隔Ｐ２と定義する。間隔Ｐ２は、第２方向における２つの金属粒子列２１の重心間の距離（ピッチ）を指す。また、間隔Ｐ２は、金属粒子列２１が、複数の列２２から構成される場合には、複数の列２２の第２方向における重心の位置と、隣の金属粒子列２１の複数の列２２の第２方向における重心の位置と、の間の距離を指す（図９参照）。
【００６３】
金属粒子列２１間の間隔Ｐ２は、以下の「１．３．１．伝播型プラズモンおよび局在型プラズモン」で述べる条件に従い設定されるが、例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下であり、好ましくは２０ｎｍ以上２μｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、さらに好ましくは６０ｎｍ以上１３１０ｎｍ以下、特に好ましくは６０ｎｍ以上６６０ｎｍ以下とすることができる。
【００６４】
なお、金属粒子列２１の伸びる第１方向の線と、隣合う金属粒子列２１にそれぞれ属する２つの金属粒子２０であって、互いに最も近接する２つの金属粒子２０を結ぶ線と、がなす角は、特に限定されず、直角であってもなくてもよい。例えば、図２に示すように、両者がなす角が直角であってもよいし、図５に示すように、両者がなす角が直角でなくてもよい。すなわち、厚さ方向から見た金属粒子２０の配列を、金属粒子２０の位置を格子点とした二次元格子とみなした場合に、既約基本単位格子は、長方形の形状であっても、平行四辺形の形状であってもよい。また、金属粒子列２１の伸びる第１方向の線と、隣合う金属粒子列２１にそれぞれ属する２つの金属粒子２０であって、互いに最も近接する２つの金属粒子２０を結ぶ線と、がなす角が直角でない場合には、隣合う金属粒子列２１にそれぞれ属する２つの金属粒子２０であって、互いに最も近接する２つの金属粒子２０の間の間隔を間隔Ｐ２としてもよい。
【００６５】
１．３．１．伝播型プラズモンおよび局在型プラズモン
まず、伝播型プラズモンについて説明する。図６は、入射光および金の分散曲線を示す分散関係のグラフである。通常は、金属層１０に光を０〜９０度の入射角（照射角θ）で入射しても伝播型プラズモンは発生しない。例えば、金属層１０がＡｕからなる場合には、図６に示すように、ライトライン（ＬｉｇｈｔＬｉｎｅ）とＡｕのＳＰＰの分散曲線が交点を持たないからである。また、光が通過する媒体の屈折率が変化しても、ＡｕのＳＰＰも周辺の屈折率に応じて変化するため、やはり交点を持たないことになる。交点を持たせ伝播型プラズモンを起こさせるためには、クレッチマン配置のようにプリズム上に金属層を設け、プリズムの屈折率により入射光の波数を増加させる方法や、回折格子によりライトラインの波数を増加させる方法がある。なお図６はいわゆる分散関係を示すグラフ（縦軸を角振動数［ω（ｅＶ）］、横軸を波数ベクトル［ｋ（ｅＶ／ｃ）］としたもの）である。
【００６６】
また、図６のグラフの縦軸の角振動数ω（ｅＶ）は、λ（ｎｍ）＝１２４０／ω（ｅＶ）の関係があり、波長に換算することができる。また、同グラフの横軸の波数ベクトルｋ（ｅＶ／ｃ）は、ｋ（ｅＶ／ｃ）＝２π・２／［λ（ｎｍ）／１００］の関係がある。したがって、例えば、λ＝６００ｎｍのとき、ｋ＝２．０９（ｅＶ／ｃ）となる。また、照射角は、入射光の照射角であって、金属層１０若しくは透光層３０の厚さ方向、または金属粒子２０の高さ方向からの傾斜角である。
【００６７】
図６にはＡｕのＳＰＰの分散曲線を示したが、一般には、金属層１０に入射される入射光の角振動数をω、真空中の光速をｃ、金属層１０を構成する金属の誘電率をε（ω）、周辺の誘電率をεとしたとき、その金属のＳＰＰの分散曲線は、式（３）
ＫＳＰＰ＝ω／ｃ［ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））］１／２  ・・・（３）
で与えられる。
【００６８】
一方、入射光の照射角であって金属層１０若しくは透光層３０の厚さ方向、または金属粒子２０の高さ方向からの傾斜角をθとし、間隔Ｑを有する仮想的な回折格子を通過した入射光の波数Ｋは、式（４）
Ｋ＝ｎ・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋ｍ・２π／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（４）
で表すことができ、この関係は、分散関係のグラフ上には、曲線ではなく直線で現れる。
【００６９】
なお、ｎは、周辺屈折率であり、消光係数をκとすれば、光の振動数における比誘電率εの実数部ε’と虚数部ε”は、それぞれ、ε’＝ｎ２−κ２、ε”＝２ｎκで与えられ、周辺の物質が透明であれば、κ〜０であるから、εは実数で、ε＝ｎ２となり、ｎ＝ε１／２で与えられる。
【００７０】
分散関係のグラフにおいて、金属のＳＰＰの分散曲線（上記式（３））と回折光の直線（上記式（４））とが交点を有する場合に、伝播型プラズモンが励起される。すなわち、ＫＳＰＰ＝Ｋの関係が成立すると、金属層１０に伝播型プラズモンが励起される。
【００７１】
したがって、上記式（３）および式（４）から、以下の式（２）が得られ、
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
この式（２）の関係を満たせば、金属層１０に伝播型プラズモンが励起されることが理解される。この場合、図６のＡｕのＳＰＰの例でいえば、θおよびｍを変化させることにより、ライトラインの傾きおよび／または切片を変化させることができ、ＡｕのＳＰＰの分散曲線に対してライトラインの直線を交差させることができる。
【００７２】
次に、局在型プラズモンについて説明する。
【００７３】
金属粒子２０に局在型プラズモンを生じさせる条件は、誘電率の実数部により、
Ｒｅａｌ［ε（ω）］＝−２ε  ・・・（５）
で与えられる。周辺の屈折率ｎを１とするとε＝ｎ２−κ２＝１なので、Ｒｅａｌ［ε（ω）］＝−２、となる。
【００７４】
図７は、Ａｇの誘電率と波長の関係を示すグラフである。例えば、Ａｇの誘電率は、図７のようであり、約４００ｎｍ以上の波長で局在型プラズモンが励起されることになるが、複数のＡｇ粒子がナノオーダーで近づく場合や、Ａｇ粒子と金属層１０（Ａｕ膜等）が透光層３０（ＳｉＯ２等）によって隔てられて配置された場合には、そのギャップの影響により、局在型プラズモンの励起ピーク波長はレッドシフト（長波長側へシフト）する。このシフト量は、Ａｇ径、Ａｇ厚み、Ａｇ粒子間隔、透光層厚み等のディメンジョンに依るが、例えば５００ｎｍ〜９００ｎｍに局在型プラズモンがピークとなる波長特性を示すことになる。
【００７５】
また、局在型プラズモンは、伝播型プラズモンと異なり、速度を持たず、移動しないプラズモンであり、分散関係のグラフにプロットすると、傾きがゼロ、すなわち、ω／ｋ＝０となる。
【００７６】
図８は、金属の分散曲線、局在型プラズモンおよび入射光の分散関係を示すグラフである。本実施形態の光学素子１００は、伝播型プラズモンと局在型プラズモンを電磁的に結合（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）させることにより、電場の極めて大きい増強度を得るものである。すなわち、本実施形態の光学素子１００は、分散関係のグラフにおいて、回折光の直線と金属のＳＰＰの分散曲線との交点を、任意の点とするのではなく、金属粒子２０（金属粒子列２１）に生じる局在型プラズモンにおいて最大または極大の増強度を与える点の近傍で両者を交差させることを特徴の一つとしている（図８参照）。
【００７７】
換言すると、本実施形態の光学素子１００では、分散関係のグラフにおいて、金属のＳＰＰの分散曲線と、金属粒子２０（金属粒子列２１）に生じる局在型プラズモンにおいて最大または極大の増強度を与える入射光の角振動数（図８の分散関係のグラフ上で、ＬＳＰと付した横軸に平行な線）との交点の近傍を、回折光の直線が通過するように設計される。
【００７８】
ここで、交点の近傍とは、波長に換算した場合に、入射光の波長の±１０％程度の長さの波長の範囲内であり、または、入射光の波長の±Ｐ１（金属粒子２０の金属粒子列２１内における間隔）程度の長さの波長の範囲内である。
【００７９】
上記式（３）、式（４）および式（２）では、金属層１０に入射される入射光の角振動数をωとして、伝播型プラズモンの励起される条件を示したが、局在型プラズモンと伝播型プラズモンとのハイブリッド（相互作用）を生じさせるためには、本実施形態の光学素子１００では、上記式（３）、式（４）および式（２）におけるωは、金属粒子２０（金属粒子列２１）に生じる局在型プラズモンにおいて最大または極大の増強度を与える入射光の角振動数もしくはその近傍の角振動数となる。
【００８０】
したがって、金属粒子列２１に励起される局在型プラズモンの角振動数をωとした場合に、上記式（２）を満たせば、局在型プラズモンと伝播型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができる。
【００８１】
よって、間隔Ｐ１で金属粒子２０が並んだ金属粒子列２１に発生する局在型プラズモンの角振動数をωとし、分散関係のグラフにおいて、金属のＳＰＰの分散曲線のωの位置の近傍に、照射角θで間隔Ｑの仮想的な回折格子に入射して回折された回折光（次数ｍ）の直線が通るようにすれば（式（２）を満足させれば）、局在型プラズモンと伝播型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができ、極めて大きい増強度を得ることができる。言換えると、図８に示す分散関係のグラフにおいて、ライトラインの傾きおよび／または切片を変化させて、ＳＰＰとＬＳＰとの交点の近傍を通るようにライトラインを変化させることにより、局在型プラズモンと伝播型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができ、極めて大きい増強度を得ることができる。
【００８２】
１．３．２．間隔Ｐ２
金属粒子列２１の間の間隔Ｐ２は、次のように設定される。垂直入射（入射角θ＝０）で、かつ、１次の回折光（ｍ＝０）を用いる場合には、間隔Ｐ２を間隔Ｑとすれば式（２）を満たすことができる。しかし、選択する入射角θおよび回折光の次数ｍにより、式（２）を満たすことのできる間隔Ｑは、幅を有することになる。なお、この場合の入射角θは、厚さ方向から第２方向への傾斜角であることが好ましいが、第１方向の成分を含む方向への傾斜角としてもよい。
【００８３】
したがって、上記の交点近傍であること（±Ｐ１の幅）を考慮して、局在型プラズモンと伝播型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることのできる列間隔Ｐ２の範囲は、式（６）、
Ｑ−Ｐ１≦Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（６）
となる。
【００８４】
一方、間隔Ｐ２は、金属粒子列２１間の第２方向の間隔であるが、隣合う金属粒子列２１に属する２つの金属粒子２０の間の間隔は、２つの金属粒子２０の選び方によって、これらを結ぶ線は第２方向に対して傾けることができる。すなわち、間隔Ｐ２よりも長い間隔を有するように、隣合う金属粒子列２１に属する２つの金属粒子２０を選ぶことができる。図２には、このことを説明する補助線が描かれており、第２方向に対して傾いた方向に沿って、間隔Ｐ２よりも長い距離で離間した２つの金属粒子２０を、隣合う金属粒子列２１から選択することができる。既に述べたように、隣合う金属粒子列２１は、互いに同じ金属粒子列２１であるため、厚さ方向から見た金属粒子２０の配列を、金属粒子２０の位置を格子点とした二次元格子とみなすことができる。そうすると、この二次元格子には、間隔Ｐ２よりも長い間隔（回折格子）が存在することになる。
【００８５】
したがって、間隔Ｐ１および間隔Ｐ２で配列された金属粒子２０のマトリックスは、その間隔Ｐ２よりも大きい間隔を有する回折格子による回折光が期待できる。そのため、上記式（６）の左側の不等式は、Ｐ１＜Ｐ２とすることができる。換言すると、式（６）において、列間隔Ｐ２が、Ｑ−Ｐ１よりも小さい場合でも、式（２）を満たすことのできる間隔Ｑを有する回折格子が存在しうるため、局在型プラズモンと伝播型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができる。したがって間隔Ｐ２は、Ｑ−Ｐ１よりも小さい値であってもよく、Ｐ１＜Ｐ２の関係を満たせばよいことになる。
【００８６】
以上のことから、本実施形態の光学素子１００における金属粒子列２１の間の間隔Ｐ２は、下記式（１）の関係を満たせば、局在型プラズモンと伝播型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができることになる。
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
【００８７】
１．４．透光層
本実施形態の光学素子１００は、金属層１０と金属粒子２０とを隔てるための透光層３０を有する。図１、３、４には、透光層３０が描かれている。透光層３０は、フィルム、層または膜の形状を有することができる。透光層３０は、金属層１０の上に設けられる。これにより、金属層１０と金属粒子２０とを隔てることができる。
【００８８】
透光層３０は、例えば、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、各種コーティング等の手法により形成することができる。透光層３０は、金属層１０の表面の全面に設けられてもよいし金属層１０の表面の一部に設けられてもよい。透光層３０の厚みは、金属層１０の伝播型プラズモンと、金属粒子２０の局在型プラズモンとが相互作用できるかぎり、特に限定されず、また高次の干渉効果を利用した厚いギャップ構造でも、効果を得ることができ、例えば、１ｎｍ以上１μｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは１５ｎｍ以上８０ｎｍ以下、特に好ましくは２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下とすることができる。
【００８９】
透光層３０は、正の誘電率を有すればよく、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、高分子、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）などで形成することができる。また、透光層３０は、誘電体からなることができる。さらに、透光層３０は、材質の互いに異なる複数の層から構成されてもよい。
【００９０】
透光層３０を設ける場合には、金属粒子２０に生じる局在型プラズモンの励起ピーク周波数がシフトする場合があるため、間隔Ｐ２の設定の際に、局在型プラズモンのピーク励起波長を求める際には、これを考慮すべき場合がある。
【００９１】
１．５．その他の構成および変形
１．５．１．被覆層
本実施形態の光学素子１００は、必要に応じて被覆層を有してもよい。図示しないが、被覆層は、金属粒子２０を覆うように形成されることができる。また、被覆層は、金属粒子２０を露出させて、その他の構成を被覆するように形成されてもよい。
【００９２】
被覆層は、例えば、金属粒子２０やその他の構成を環境から、機械的、化学的に保護する機能を有する。被覆層は、例えば、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、各種コーティング等の手法により形成することができる。被覆層の厚みは、特に限定されない。被覆層の材質は、特に制限はなく、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２等の絶縁体だけでなく、ＩＴＯ、Ｃｕ、Ａｌなどの金属、および高分子、などで形成することができるが、厚みは数ｎｍ以下と薄いことが望ましい。
【００９３】
被覆層を設ける場合には、上記の透光層３０と同様に、金属粒子２０に生じる局在型プラズモンの励起ピーク周波数がシフトする場合があるため、列間隔Ｐ２の設定の際に、局在型プラズモンのピーク励起波長を求める際には、これを考慮すべき場合がある。
【００９４】
１．５．２．変形
図９は、変形例に係る光学素子２００を厚さ方向から見た模式図である。金属粒子列２１は、複数の列２２から構成されてもよい。列２２は、複数の金属粒子２０が第１方向に間隔Ｐ１で並んで配置されたものであり、上述の金属粒子列２１と同様である。したがって、複数の列２２は、いずれも第１方向に平行である。同一の列２２の隣合う２つの金属粒子２０を結ぶ第１方向の線と、隣合う列２２に属する金属粒子２０で最も近接する金属粒子２０を結ぶ線とがなす角は、特に限定されず、直角であってもなくてもよい。図示の例では、両者がなす角が直角である場合を示している。
【００９５】
ここで隣合う列２２の間隔を間隔Ｐ３と定義する（図９参照）。間隔Ｐ３は、第２方向における２つの列２２の重心間の距離（ピッチ）を指す。間隔Ｐ３は、金属粒子２０の第１方向の間隔Ｐ１との間に、Ｐ３≦Ｐ１の関係を有してもよい。
【００９６】
金属粒子列２１が、ａ本の列２２（ａは、２以上の整数。）から構成される場合には、金属粒子列２１は、第２方向に、（ａ−１）・Ｐ３、最大で（ａ−１）・Ｐ１の幅を有することになる。したがって、この場合には、間隔Ｐ２の最小値に制限が生じ、ａ・Ｐ３＜Ｐ２となる。図示の例では、２本の列２２から構成されており、金属粒子列２１は、第２方向に最大でＰ１の幅を有しており、間隔Ｐ２の最小値は、２・Ｐ３＜Ｐ２となる。
【００９７】
このような変形例に係る光学素子２００においても、上述の光学素子１００と同様に、光照射により励起されるプラズモンに基づき、光を非常に高い増強度で増強することができる。
【００９８】
１．６．光学素子の設計方法
本実施形態の光学素子１００は、上述した構造を有するが、以下に光学素子の設計方法についてより具体的に述べる。
【００９９】
まず、光学素子は、分散関係のグラフ（縦軸を角振動数［ω（ｅＶ）］、横軸を波数ベクトル［ｋ（ｅＶ／ｃ）］としたもの）における、金属層１０を構成する金属の分散曲線と、間隔Ｐ１で並ぶ金属粒子２０（金属粒子列２１）に励起される局在型プラズモンのピークを与える光の角振動数［ω（ｅＶ）］との交点近傍に、金属粒子列２１に生じる局在型プラズモンの回折光の直線を交差させるように、間隔Ｐ２を選ぶこと、を含んで設計される（図８参照）。
【０１００】
本実施形態の光学素子の設計方法は、以下に述べる工程を含む。
【０１０１】
金属粒子２０（金属粒子列２１）における局在型プラズモンの励起波長依存性を調べ、金属粒子２０に局在型プラズモンの最大、または極大を発生させる波長（本明細書では、これをピーク励起波長ということがある。）を把握する。既述のように、局在型プラズモンは、金属粒子２０の材質、形状、配置、他の構成の有無等により変化するが、ピーク励起波長は、実測または計算により求めることができる。
【０１０２】
金属層１０を構成する金属の分散曲線を把握する。この曲線は、金属層１０の材質により、文献等から得ることができる他、計算によって求めることもできる。なお、式（２）の左辺から、金属層１０の周辺屈折率εにより、分散関係が変化することが理解される。
【０１０３】
必要に応じて、求められたピーク励起波長および分散曲線を、分散関係のグラフ（縦軸を角振動数［ω（ｅＶ）］、横軸を波数ベクトル［ｋ（ｅＶ／ｃ）］としたもの）にプロットする。このとき、局在型プラズモンのピーク励起波長は、グラフ上では横軸に平行な線となる。既に述べたが、局在型プラズモンは、速度を有さず移動しないプラズモンであるため、分散関係のグラフにプロットする場合には、傾き（ω／ｋ）はゼロとなる。
【０１０４】
入射光の入射角θおよび用いる回折光の次数ｍを定めて、式（２）から、Ｑの値を求め、間隔Ｐ２を、式（１）の条件を満たすように選んで金属粒子列２１を配置する。
【０１０５】
少なくとも以上の工程を行って、間隔Ｐ１、間隔Ｐ２を設定すれば、ＬＳＰとＰＳＰとが相互作用（ハイブリッド）状態となるため、非常に大きな増幅度を有する光学素子を設計することができる。
【０１０６】
１．７．増強度
ＦＤＴＤ計算のメッシュ位置により、Ｘ方向（第１方向）の電場ＥｘとＺ方向（厚さ方向）の電場Ｅｚの大きさの関係、つまりベクトルが変化する。Ｘ方向の直線偏光光を励起光として用いた場合、Ｙ方向（第２方向）の電場Ｅｙはほとんど無視できる。そのため、増強度はＥｘとＥｚの二乗和の平方根、即ちＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）を用いて把握することができる。このようにすれば、局所電場のスカラーとして互いに比較することができる。
【０１０７】
また、ＳＥＲＳ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）効果は、ＳＥＲＳ  ＥＦ（Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  Ｆａｃｔｏｒ）として、励起光の波長における電場増強度をＥｉ、ラマン散乱後の波長における電場増強度をＥｓとし、ホットスポット密度（ＨＳＤ）を用いて、下記式（ａ）
ＳＥＲＳ  ＥＦ＝Ｅｉ２・Ｅｓ２・ＨＳＤ  ・・・（ａ）
で表される。
【０１０８】
ここで、例えば、６００ｎｍの励起波長で、１０００ｃｍ−１以下のストークス散乱は、散乱波長が６３８ｎｍと、励起波長との差が４０ｎｍ以下であるため、
Ｅｉ２・Ｅｓ２≒Ｅｍａｘ４
と近似することができる（Ｅｍａｘは最大増強度である。）。
従って、式（ａ）は、下記式（ｂ）
ＳＥＲＳ  ＥＦ＝Ｅｍａｘ４・ＨＳＤ  ・・・（ｂ）
と置くことができる。
【０１０９】
つまり、ＳＥＲＳ（表面増強ラマン散乱）は、プラズモンによる電場増強度の４乗にホットスポットの密度を乗じたものと考えることができる。
【０１１０】
なお、後述の実験例においては、上記式（ｂ）に関し、ＨＳＤを規格化して、式（ｃ）ＳＥＲＳ  ＥＦ＝（Ｅｘ４＋Ｅｚ４）／単位面積  ・・・（ｃ）
を定義して図示している。
【０１１１】
光学素子１００の増強度ｓを考える場合には、いわゆるホットスポット密度（ＨＳＤ）を考慮する必要がある。すなわち、光学素子１００による光の増強度は、光学素子１００の単位面積あたりの金属粒子２０の数に依存する。
【０１１２】
本実施形態の光学素子１００においては、上述の式（１）、式（２）の関係が満たされるように間隔Ｐ１、間隔Ｐ２が配置される。しかし、ＨＳＤを考慮すると、光学素子１００のＳＥＲＳ増強度は、（Ｅｘ４＋Ｅｚ４）／（Ｐ１・Ｐ２）に比例することになる。
【０１１３】
１．８．入射光
光学素子１００に入射される入射光の波長は、局在型プラズモンを生じ、かつ、上述の式（２）の関係を満足させることができる限り、限定されず、紫外光、可視光、赤外光を含む、電磁波とすることができる。本実施形態では、入射光は、直線偏光光である。本実施形態では、入射光は、電場が光学素子１００の第１方向（金属粒子列２１の伸びる方向）と同じ方向の直線偏光光である（図１〜図５参照）。このようにすれば、光学素子１００によって非常に大きい光の増強度を得ることができる。
【０１１４】
本実施形態の光学素子１００は、以下の特徴を有する。
【０１１５】
本実施形態の光学素子１００は、光照射により励起されるプラズモンに基づき、光を非常に高い増強度かつ高いＨＳＤで増強することができる。本実施形態の光学素子１００は、高い増強度を有するため、例えば、医療・健康、環境、食品、公安等の分野において、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、各種抗原・抗体などの生体関連物質や、無機分子、有機分子、高分子を含む各種の化合物を高感度、高精度、迅速かつ簡便に検知するためのセンサーに用いることができる。例えば、本実施形態の光学素子１００の金属粒子２０に抗体を結合してこのときの増強度を求めておき、該抗体に抗原が結合した場合の増強度の変化に基づいて抗原の有無や量を調べることができる。また、本実施形態の光学素子１００の光の増強度を利用して、微量物質のラマン散乱光の増強に用いることができる。
【０１１６】
２．分析装置
図１０は、本実施形態の分析装置１０００の要部を模式的に示す図である。
【０１１７】
本実施形態の分析装置１０００は、上述の光学素子１００と、第１方向と同じ方向の直線偏光光の入射光を光学素子１００に照射する光源３００と、光学素子１００から放射される光を検出する検出器４００と、を備える。本実施形態の分析装置１０００は、図示せぬその他の適宜な構成を備えてもよい。
【０１１８】
２．１．光学素子
本実施形態の分析装置１０００は、光学素子１００を備える。光学素子１００は、上述の光学素子１００と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【０１１９】
光学素子１００は、分析装置１０００において、光を増強する作用、および／または、センサーとしての作用を担う。光学素子１００は、分析装置１０００の分析の対象となる試料に接触させて用いられてもよい。分析装置１０００における光学素子１００の配置は、特に制限されず、設置角度等の調節可能なステージ等に設置されてもよい。
【０１２０】
２．２．光源
本実施形態の分析装置１０００は、光源３００を備える。光源３００は、光学素子１００に対して入射光を照射する。光源３００は、光学素子１００の第１方向（金属粒子２０の並ぶ方向であって、金属粒子列２１の伸びる方向）に直線偏光した光（第１方向と同じ方向の直線偏光光）を照射できるように配置される（図１０参照）。光源３００から照射される入射光の入射角θは、光学素子１００の表面プラズモンの励起条件に応じて適宜変化させることができるようにしてもよい。光源３００は、ゴニオメーター等に設置されてもよい。
【０１２１】
光源３００が照射する光は、光学素子１００の表面プラズモンを励起することができれば、特に限定されず、紫外光、可視光、赤外光を含む、電磁波とすることができる。また、光源３００が照射する光は、コヒーレントな光であってもなくてもよい。具体的には、光源３００としては、半導体レーザー、気体レーザー、ハロゲンランプ、高圧水銀灯、キセノンランプなどに、適宜、波長選択素子、フィルター、偏光子などを設けたものを例示することができる。
【０１２２】
光源３００からの光が入射光となって、光学素子１００から増強された光が放射される。これにより、試料のラマン散乱光の増幅や、光学素子１００と相互作用した物質の検出を行うことができる。
【０１２３】
２．３．検出器
本実施形態の分析装置１０００は、検出器４００を備える。検出器４００は、光学素子１００から放射された光を検出する。検出器４００としては、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）、光電子増倍管、フォトダイオード、イメージングプレートなどを用いることができる。
【０１２４】
検出器４００は、光学素子１００から放射される光を検出できる位置に設けられればよく、光源３００との位置関係も特に制限はない。また、検出器４００は、ゴニオメーター等に設置されてもよい。
【０１２５】
２．４．分析方法
本実施形態の分析方法は、上述の光学素子１００に入射光を照射し、該入射光の照射に応じて光学素子１００から放射される光を検出して、光学素子１００表面に付着させた対象物を分析する分析方法であって、光学素子１００に、その第１方向（金属粒子２０の並ぶ方向であって、金属粒子列２１の伸びる方向）と同じ方向の直線偏光光の入射光を照射して行われる。
【０１２６】
３．電子機器
本実施形態の電子機器２０００は、上述の分析装置１０００と、検出器４００からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部２０１０と、健康医療情報を記憶する記憶部２０２０と、健康医療情報を表示する表示部２０３０と、を備える。
【０１２７】
図１１は、本実施形態の電子機器２０００の構成の概略図である。分析装置１０００は、「２．分析装置」で上述した分析装置１０００であり、詳細な説明を省略する。
【０１２８】
演算部２０１０は、例えば、パーソナルコンピューター、携帯情報端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）であり、検出器４００から送出される検出情報（信号等）を受取り、これに基づく演算を行う。また、演算部２０１０は、分析装置１０００の制御を行ってもよい。例えば、演算部２０１０は、分析装置１０００の光源３００の出力、位置等の制御や、検出器４００の位置の制御などを行ってもよい。演算部２０１０は、検出器４００からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算することができる。そして、演算部２０１０によって演算された健康医療情報は、記憶部２０２０に記憶される。
【０１２９】
記憶部２０２０は、例えば、半導体メモリー、ハードディスクドライブ等であり、演算部２０１０と一体的に構成されてもよい。記憶部２０２０に記憶された健康医療情報は、表示部２０３０に送出される。
【０１３０】
表示部２０３０は、例えば、表示板（液晶モニター等）、プリンター、発光体、スピーカー等により構成される。表示部２０３０は、演算部２０１０によって演算された健康医療情報等に基づいて、ユーザーがその内容を認識できるように、表示または発報する。
【０１３１】
健康医療情報としては、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも１種の生体関連物質、または無機分子および有機分子から選択される少なくとも１種の化合物の有無若しくは量に関する情報を含むことができる。
【０１３２】
４．実験例
以下に実験例を示し、本発明をさらに説明するが、本発明は以下の例によってなんら限定されるものではない。以下の例は、計算機によるシミュレーションである。
【０１３３】
４．１．計算モデル
図１２は、シミュレーションに用いるモデルの基本構造を示す模式図である。
【０１３４】
実験例の計算に用いたモデルは、いずれも、光が透過しない程度に十分厚いＡｕ（金属層）上に誘電体層（ＳｉＯ２）膜を形成したものである。誘電体層の厚みは、２０ｎｍ、５０ｎｍまたは６０ｎｍに固定した。誘電体層の上に配置される金属粒子はＡｇとし、誘電体層（ＳｉＯ２）の厚さ方向を中心軸とする円柱とし、円柱の大きさ（底面の直径）を３０ｎｍ、３２ｎｍまたは７２ｎｍ、高さを４ｎｍまたは２０ｎｍとした。
【０１３５】
計算はサイバネットシステム株式会社のＦＤＴＤ  ｓｏｆｔ  Ｆｕｌｌｗａｖｅを用いた。また、用いたメッシュの条件は、１ｎｍ最小メッシュとし、計算時間ｃＴは１０μｍとした。
【０１３６】
また、周辺屈折率ｎは１とし、入射光は、金属層または透光層の厚さ方向（Ｚ）からの垂直入射で、第１方向（Ｘ）に同じ方向の直線偏光光とした。
【０１３７】
なお、Ａｇ粒子を６０ｎｍ間隔で第２方向（Ｘ）に１列に並べたモデルにおいて、Ａｇ粒子の下であってＳｉＯ２膜の上面で、近接場特性を計算したところ、ＹｅｅＣｅｌｌの配置により、電場ベクトルが大きく変化することがわかった。そこで、電場をスカラーで表記すると、ＹｅｅＣｅｌｌの位置の影響が少なくなり、ほぼ最大増強位置（ホットスポット）における値が、Ｘ方向とＺ方向でほぼ等しくなることが判明したため、本実験例では、増強度は、ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）で表すこととする。ここで、Ｅｘは、入射光の偏光方向（第１方向）の電場強度を示し、Ｅｚは、厚さ方向の電場強度を示す。なお、この場合には第２方向の電場強度は小さいので考慮していない。
【０１３８】
４．２．実験例１
図１３は、実験例１に用いたモデルを模式的に示す図である。
【０１３９】
誘電体層の厚みを５０ｎｍ、円柱形状のＡｇ粒子の円柱の大きさ（底面の直径）を３０ｎｍとし、第１方向のＡｇ粒子の間隔Ｐ１を６０ｎｍと固定し、第２方向のＡｇ粒子列の間隔Ｐ２を、６０ｎｍ、４８０ｎｍ、５４０ｎｍ、６００ｎｍ、６６０ｎｍ、７２０ｎｍと変化させて、近接場（Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ）の励起波長依存性を調べた。ここでは、Ａｇ粒子の底面の直径は３０ｎｍとした。その結果を図１４に示す。
【０１４０】
図１４を見ると、間隔Ｐ２が４８０ｎｍ、５４０ｎｍ、６００ｎｍ、６６０ｎｍ、７２０ｎｍのいずれであっても、ピーク励起波長は６１０ｎｍであることが判明した。また、それぞれの場合の増強度は、１００．９、１０１．８、１０１．１、９５．１、９４．４であった。
【０１４１】
これに対して、間隔Ｐ２が６０ｎｍである場合（すなわちＰ１＝Ｐ２）には、ピーク励起波長が約６２０ｎｍであり、増強度が５８．７程度であることが判明した。なお、この場合にピーク励起波長が６２０ｎｍとなる理由は、第２方向のＡｇ粒子間距離が６０ｎｍであるため、局在型プラズモンの影響を受けてレッドシフトしたものと考えられる。
【０１４２】
これらのことから、間隔Ｐ２が、４８０ｎｍ、５４０ｎｍ、６００ｎｍ、６６０ｎｍ、７２０ｎｍのいずれの場合も、６０ｎｍである場合よりも顕著に大きい増強度を示すことが判明した。また、間隔Ｐ２が、４８０ｎｍ〜７２０ｎｍである場合の中でも、５４０ｎｍおよび６００ｎｍである場合により大きい増強度を示す理由は、分散関係のグラフ（図１５）により説明することができる。
【０１４３】
すなわち、間隔Ｐ２が５４０ｎｍおよび６００ｎｍであると、図１５の分散関係のグラフにおいて、Ａｇ粒子の局在型プラズモンのピーク励起波長（６１０ｎｍ）と、ＡｕのＳＰＰとの交点により近いためであると考えられる。
【０１４４】
本実験例により、間隔Ｐ２が変化しても局在型プラズモンのピーク励起波長が変化しないこと、および、間隔Ｐ２の大きさによって、Ａｕ層の伝播型プラズモンとのハイブリッドが達成され、高い増強度が得られることが判明した。
【０１４５】
４．３．実験例２
誘電体層の厚みを６０ｎｍ、円柱形状のＡｇ粒子の円柱の大きさ（底面の直径）を３２ｎｍとした以外は、実験例１と同様にしてシミュレーションを行った。
【０１４６】
このモデルによると、ピーク励起波長は６３３ｎｍであった。このときのＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）は、６７．９であった。以下、上記実験例１で示されたように、ピーク励起波長が、間隔Ｐ２により変化しないことから、ピーク励起波長を６３３ｎｍに固定し、間隔Ｐ２を変数とした。
【０１４７】
第１方向のＡｇ粒子の間隔Ｐ１を６０ｎｍと固定し、第２方向のＡｇ粒子列の間隔Ｐ２を変化させ、間隔Ｐ２に対する増強度の変化を求めた。その結果を図１６に示す。
【０１４８】
図１６をみると、間隔Ｐ２が６０ｎｍから大きくなるにつれ、ただちに増強度は増大し、６００ｎｍで増強度は最大値を示した。さらに、間隔Ｐ２が大きくなると、若干増強度が低下するものの、高い増強度を維持したまま増大し、間隔Ｐ２が１２００ｎｍにおいて２つめのピーク値を示した。
【０１４９】
このことから、Ａｇ粒子とＡｕ膜とが相互作用していることがわかる。また、間隔Ｐ２の大きさによって、Ａｕ層の伝播型プラズモンとのハイブリッドが達成され、高い増強度が得られることが判明した。
【０１５０】
また、図１６をみると、例えば間隔Ｐ２が１２０ｎｍ（９３．１）のような、間隔Ｐ２が小さい領域においても、６０ｎｍの場合の増強度（６７．９）よりも１．３７倍と、かなり大きい増強度が得られることがわかった。その理由は、ＡｕのＳＰＰと、ＬＳＰとの相互作用だけでなく、ホットスポット密度効果（ホットスポット密度が減るとその少ないホットスポットに電場が集中する効果）の２つの効果が複合されているためと考えられる。
【０１５１】
また、その他の理由として、隣合うＡｇ粒子列に属する２つのＡｇ粒子の間の間隔が、２つのＡｇ粒子の選び方によって、間隔Ｐ２よりも長い間隔を有するようにＡｇ粒子を選ぶことができるためと考えられる。したがって、間隔Ｐ２よりも長い格子間隔（回折格子）が存在し、その間隔を有する回折格子による回折光が生じているためと考えられる。具体的には、図２に示したように、斜め成分の回折格子間に生じた伝播型プラズモンが、回折格子の間隔が６００ｎｍを満足した場合に増強効果を示し、かつ、金属粒子の局在型プラズモンとの共鳴（ハイブリッド）を生じているものと考えられる。
【０１５２】
一方、本実験例についての分散関係のグラフを図１７に示す。図１７をみると、ＡｕのＳＰＰとの交点は、６００ｎｍ付近であり、増強度が間隔Ｐ２＝６００ｎｍで最大値をとることを十分に裏付けている。
【０１５３】
また、間隔Ｐ２＝１２００ｎｍで増強度のピークが見られるのは、１２００ｎｍに対応する波数２π／１２００の倍数が６００ｎｍに対応する波数２π／６００と等しくなる為であると考えられる。
【０１５４】
本実験例では、励起波長を６３３ｎｍとしたため間隔Ｐ２＝６００ｎｍとした場合に増強度が１３４．５と、６０ｎｍの場合の増強度（６７．９）の２倍近い最も高い値を示した。
【０１５５】
４．４．実験例３
ラマン散乱は、励起光のエネルギーと散乱光のエネルギーとの両者を活用すると、増強電場の４乗に比例する。つまりＥ４に比例すると言われている。したがって、実験例２の間隔Ｐ１＝６０ｎｍ、間隔Ｐ２＝６００ｎｍの場合には、（１３４．５／６７．９）４＝１５．３９となる。しかし、この場合には、単位面積あたりの金属粒子の数が、間隔Ｐ１＝６０ｎｍ、間隔Ｐ２＝６０ｎｍの場合に対して、１／１０になるため、ラマン散乱の増強度は、その１／１０の１．５４と見積ることができる。すなわち、上記実験例２では、５４％高いラマン散乱の増強度を得ることができる。
【０１５６】
そこで、実験例２の図１６の縦軸を、（Ｅｘ４＋Ｅｚ４）／（Ｐ１・Ｐ２）として、ホットスポット密度で規格化して図１８にプロットした。
【０１５７】
図１８のプロットから、ラマン効果を想定し、単位面積当たりの４乗和で比較すると、間隔Ｐ１＝６０ｎｍ、間隔Ｐ２＝６０ｎｍの場合に対して、６０ｎｍ＜Ｐ２≦６６０ｎｍの広い範囲で高い値となっていることが判明した。
【０１５８】
例えば、（Ｅｘ４＋Ｅｚ４）／（Ｐ１・Ｐ２）の値は、Ｐ１＝６０ｎｍ、Ｐ２＝６０ｎｍの場合では１７１３３７２９であり、Ｐ１＝６０ｎｍ、Ｐ２＝２４０ｎｍの場合では３５５２２０３９となった。
【０１５９】
４．５．実験例４
誘電体層の厚みを２０ｎｍ、円柱形状のＡｇ粒子の円柱の大きさ（底面の直径）を７２ｎｍ、高さを２０ｎｍとし、間隔Ｐ１を１２０ｎｍとした以外は、実験例１と同様にしてシミュレーションを行った。
【０１６０】
このモデルの局在型プラズモンのピーク励起波長は６３３ｎｍであった。図１９に示すように、実験例１および実験例２と同様に、間隔Ｐ２が大きくなると、増強度は増大した。本実験例においても、分散関係のグラフにおけるＡｕのＳＰＰとＬＳＰのピーク励起波長との交点となる波数に対応するＰ２＝６００ｎｍにおいて、増強度が最大となった。
【０１６１】
また、（Ｅｘ４＋Ｅｚ４）／（Ｐ１・Ｐ２）の値でプロットした結果（図２０）、間隔Ｐ１＝１２０ｎｍ、間隔Ｐ２＝１２０ｎｍの場合に対して、１２０ｎｍ＜Ｐ２≦８４０ｎｍの広い範囲で高い値となっていることが判明した。
【０１６２】
４．６．実験例５
金属粒子列が複数の列で構成される場合について、以下のモデルを用いてシミュレーションを行った。
【０１６３】
図２１に誘電体層の厚みを６０ｎｍ、円柱形状のＡｇ粒子の円柱の大きさ（底面の直径）を３２ｎｍ、高さを４ｎｍとし、間隔Ｐ１を６０ｎｍとした、計算モデルを示す。図２２には、Ａｇ粒子を１列除いた場合（図２１（ｂ））の近接場におけるホットスポット分布を示した。計算に用いた領域は、図中波線で示した。ピーク励起波長は６３３ｎｍである。
【０１６４】
図２２の左図が、間隔Ｐ２＝６００ｎｍとしたモデルのＥｘおよびＥｚである。９ラインモデルが生じる波数が、６００ｎｍピッチとなる。図２２の中央の図はホットスポットの強度分布である。図２２の右図は間隔Ｐ１＝６０ｎｍ、間隔Ｐ２＝６０ｎｍの場合の分布である。間隔Ｐ１＝間隔Ｐ２＝６０ｎｍのＥｘ（６４）およびＥｚ（２１）を、図２２の中央図に補助線として描いた。間隔Ｐ２＝６００ｎｍのモデルは、すべてのホットスポットで間隔Ｐ１＝間隔Ｐ２＝６０ｎｍの場合の値を超えていた。
【０１６５】
図２３に、３ラインモデルとした場合の、間隔Ｐ１＝６０ｎｍ間隔Ｐ２＝６００ｎｍである場合、および、間隔Ｐ１＝６００ｎｍ間隔Ｐ２＝６０ｎｍである場合を比較した結果を示す。励起光の偏光方向は、同じ第１方向である。すなわち、間隔Ｐ１＝６０ｎｍ間隔Ｐ２＝６００ｎｍである場合に、直線偏光光の偏光方向を第１方向にした場合、および、第２方向にした場合と同義である。
【０１６６】
図２２および図２３をみると、ホットスポットの位置による強度分布のばらつきが、第１方向の直線偏光とした場合に、非常に低減していることが判明した。そのため、このような光学素子であれば、濃度センサーとして良好に使用可能であることがわかる。
【０１６７】
また、Ａｇ粒子を除く数を増やしてシミュレーションしたところ、ホットスポット強度は、Ａｇ粒子を除かないモデルに比較していずれも強くなっていることが判明した。その結果をまとめたグラフを図２４に示した。図２４の棒グラフ上にあるエラーバーは、ホットスポットの位置による分布を表しており、１ラインおよび２ラインの場合には強度の分布がほとんど無いことが理解される。
【０１６８】
Ａｇ粒子を除外したことによるホットスポット密度（ＨＳＤ）の低下を考慮した単位面積当たりのラマン増強度を見積り、これをグラフ化した結果を図２５に示す。図２５を見ると、ラマン増強度は、Ａｇ粒子の除外数が２〜５付近で、最大となり、Ａｇ粒子を除かないモデルに比較して約２倍以上となっている。
【０１６９】
４．７．実験例６
誘電体層の厚みを２０ｎｍ、円柱形状のＡｇ粒子の円柱の大きさ（底面の直径）を７２ｎｍ、高さを２０ｎｍとし、Ａｇ粒子の配列数を５とした以外は、実験例５と同様にしてシミュレーションを行った。ピーク励起波長は６３３ｎｍである。
【０１７０】
その結果を、図２６、図２７に示す。図２６および図２７を見ると、Ａｇ粒子を除く数を増やしてシミュレーションしたところ、ホットスポット強度は、Ａｇ粒子を除かないモデルに比較していずれも強くなっていることが判明した。
【０１７１】
また、Ａｇ粒子を除外したことによるホットスポット密度（ＨＳＤ）の低下を考慮した単位面積当たりのラマン増強度を見積り、これをグラフ化した結果（図２７）から、ラマン増強度は、Ａｇ粒子の除外数が２で、最大となり、Ａｇ粒子を除かないモデルに比較して約３倍以上となることが判明した。
【０１７２】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１７３】
１…基板、１０…金属層、２０…金属粒子、２１…金属粒子列、２２…列、３０…透光層、１００，２００…光学素子、３００…光源、４００…検出器、１０００…分析装置、２０００…電子機器、２０１０…演算部、２０２０…記憶部、２０３０…表示部、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…間隔
【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６】
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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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図２１】
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【図７】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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