(57)【要約】  非常に強い縦場を作り出すのに用いられ得るユニークな焦点特性を有する特別な偏光状態が生成される。表面プラズモン励起と組合せると、これらの偏光状態は、無開口近接場スキャニング光学顕微鏡検査システムにおいて用いられ得る。ラジアル偏光ビームが、金属コーティングされる、テーパが設けられた無開口チップを含むプラズモン生成光学ファイバの中に方向付けされる。無開口チップは、ラジアル偏光ビームがプラズモン生成光学ファイバに沿って伝播すると、表面プラズモン波を励起し、当該表面プラズモン波をチップに方向付けする。対物レンズがこの無開口の近傍に位置決めされる試料からの近接場光学信号を収集する。無開口ＮＳＯＭの潜在的な空間分解能は１０ｎｍを超え得る。このような強い場の増強により、１０ｎｍを超える分解能で、試料の機械的および化学的組成を計測し得る信頼性のあるナノラマンシステムの開発を可能にする。
2009541742.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーム生成アセンブリと、光学顕微鏡アセンブリと、信号検出アセンブリとを含む光学システムであって、
前記ビーム生成アセンブリはレーザ源を含むとともに、前記レーザ源からのレーザ出力を、前記光学顕微鏡アセンブリへの入力としてラジアル偏光ビームに変換するよう構成され、
前記光学顕微鏡アセンブリはプラズモン生成光学ファイバと対物レンズとを含み、前記ビーム生成アセンブリは、前記ラジアル偏光ビームを前記光学顕微鏡アセンブリの前記プラズモン生成光学ファイバの中に方向付けするよう構成され、
前記プラズモン生成光学ファイバは、尖部を規定する金属コーティングされた、テーパが設けられた無開口チップを含み、
前記無開口チップは、ラジアル偏光ビームが前記ビーム生成アセンブリから前記チップの前記尖部の方向に前記プラズモン生成光学ファイバに沿って伝播すると、表面プラズモン波を励起するとともに前記チップの前記尖部に対して前記表面プラズモン波を方向付けするよう構成され、
前記対物レンズは前記無開口チップの前記尖部の近傍に位置決めされる試料から近接場光学信号を収集するとともに、前記近接場光学信号を前記信号検出アセンブリに方向付けするよう構成される、光学システム。
【請求項２】
前記信号検出アセンブリは、検出装置、結像分光計、光子計数システム、またはそれらの組合せを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
画像処理および表示のための装置をさらに含み、
前記信号検出アセンブリは、前記検出装置、結像分光計、および光子計数システムの出力を、画像処理および表示のための前記装置に送るよう構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記信号検出アセンブリの検出器は、光電子倍増管、単一光子計数アバランシェ光ダイオード、電荷結合素子アレイ検出器、またはそれらの組合せを含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記信号検出アセンブリはさらに、高速スペクトル取得および結像のための電荷結合素子を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記光学顕微鏡アセンブリはさらに、ハロゲンバルブ源と、広視野の観察および記録のための電荷結合素子カメラとを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記金属コーティングされた、テーパが設けられた無開口チップは、約３０ｎｍから約１００ｎｍの間の厚みを有する銀の層でコーティングされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記金属コーティングされた、テーパが設けられた無開口チップの形状は、前記光学システムの場の増強因子に影響を与えるよう構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記金属コーティングされた、テーパが設けられた無開口チップは、音叉に搭載されるよう構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記音叉は、ディザリングピエゾによって機械的に駆動されるよう構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記光学顕微鏡アセンブリは、せん断力音叉フィードバックを用いて、前記試料に近づくよう構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記試料のトポグラフィ情報は、ｚピエゾ電圧および前記音叉フィードバックから得られるよう構成される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
金属コーティングされた、テーパが設けられた無開口チップは、原子間力顕微鏡プローブである、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記金属コーティングされた、テーパが設けられた無開口チップと前記試料との間の距離は、音叉フィードバックの振幅を監視することにより調整されるよう構成される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記光学顕微鏡アセンブリはさらに、試料スキャニングのための低プロファイルナノポジショナをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記光学顕微鏡アセンブリは、反射モードにおいて、透過した信号を収集するよう構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記光学顕微鏡アセンブリは、透過モードにおいて、透過した信号を収集するよう構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記対物レンズは、無限補正油浸レンズである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記光学顕微鏡アセンブリはさらに、ラマン分光法システムを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記光学顕微鏡アセンブリは、透過モードにおいて、透過したラマン分光法信号を収集するよう構成される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記信号検出アセンブリは、ラマン分光法データを処理するよう構成される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
ビーム生成アセンブリと、光学顕微鏡アセンブリと、信号検出アセンブリとを含む光学システムであって、
前記ビーム生成アセンブリはレーザ源を含むとともに、前記レーザ源からのレーザ出力を、前記光学顕微鏡アセンブリへの入力として円偏光渦ビームに変換するよう構成され、
前記光学顕微鏡アセンブリはプラズモン生成光学ファイバと対物レンズとを含み、前記ビーム生成アセンブリは、前記円偏光渦を前記光学顕微鏡アセンブリの前記プラズモン生成光学ファイバの中に方向付けするよう構成され、
前記プラズモン生成光学ファイバは、尖部を規定する金属コーティングされた、テーパが設けられた無開口チップを含み、
前記無開口チップは、円偏光渦ビームが前記ビーム生成アセンブリから前記チップの前記尖部の方向に前記プラズモン生成光学ファイバに沿って伝播すると、表面プラズモン波を励起するとともに前記チップの前記尖部に対して前記表面プラズモン波を方向付けするよう構成され、
前記対物レンズは前記無開口チップの前記尖部の近傍に位置決めされる試料から近接場光学信号を収集するとともに、前記近接場光学信号を前記信号検出アセンブリに方向付けするよう構成される、光学システム。
【請求項２３】
エバネッセントベッセルビームを生成するためのシステムであって、ビーム生成アセンブリと、浮遊レンズと、誘電／金属基板と、屈折率整合材料と、薄い金属フィルムとを含み、
前記ビーム生成アセンブリは、レーザ源を含み、かつ前記レーザ源からのレーザ出力をラジアル偏光ビームに変換するとともに、前記ラジアル偏光ビームで前記浮遊レンズの瞳面を照射するよう構成され、
前記浮遊レンズは、前記ラジアル偏光ビームを集束球面波出力に変換するとともに、前記集束球面波出力を前記誘電／金属基板の界面に集光し、表面プラズモン波を励起するよう構成され、誘電／金属の界面は、前記浮遊レンズの焦点に位置し、
前記誘電／金属基板の底面は、前記薄い金属フィルムでコーティングされ、前記エバネッセントベッセルビームは前記薄い金属フィルムを通った後で生成され、
前記屈折率整合材料は、前記浮遊レンズと前記誘電／金属基板との間の空間を満たすよう構成され、前記屈折率整合材料の屈折率は、前記誘電／金属基板としての屈折率と整合する、システム。
【請求項２４】
前記薄い金属フィルムは、銀の５０ｎｍの層を含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記ラジアル偏光ビームは、ドーナツ型のエバネッセントベッセルビームを生成するアジマス偏光照射である、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
円筒ベクトルビームを生成するシステムであって、レーザビーム源と、ラジアルアナライザと、ｅビーム書込螺旋位相要素と、二重の１／２波長板偏光回転子とを含み、
前記レーザビーム源は、前記ラジアルアナライザへの入力としてレーザビーム出力を作り出すよう構成され、前記ラジアルアナライザの出力は、位相におけるレーザビームの円筒対称を壊すよう構成され、
前記ｅビーム書込螺旋位相要素は、位相遅延を導入することにより、前記ラジアルアナライザからの前記出力のベリー位相について補償を行なうよう構成され、
前記二重の１／２波長板偏光回転子は、前記ｅビーム書込螺旋位相要素の出力の偏光を、所望の円筒対称パターンへと回転し、前記円筒ベクトルビームを作り出すよう構成される、システム。
【請求項２７】
前記レーザビーム出力はラジアル偏光ビームである、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記レーザビーム出力は円偏光渦ビームである、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２９】
前記ｅビーム書込螺旋位相要素は、近屈折率整合流体に浸される、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３０】
前記ｅビーム書込螺旋位相要素の前記位相遅延は、１回の完全な旋回で３６０°に到達するよう構成される、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３１】
前記円筒ベクトルビームは、浮遊レンズを用いて集光され、レンズの焦点に向かって集束する球面波を作り出し得、捕捉されることになる粒子が前記浮遊レンズの焦点に存在する、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３２】
前記浮遊レンズの照射瞳開口部を調整することにより、平頂集光が達成される、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
円偏光の光を螺旋位相要素に通すことにより、円偏光渦ビームをさらに生成する、請求
項２６に記載のシステム。
【請求項３４】
円筒ベクトルビームを光学ファイバに入射させるシステムであって、レーザビーム源と、ラジアルアナライザと、ｅビーム書込螺旋位相要素と、レンズと、光学ファイバとを含み、
前記レーザビーム源は、前記ラジアルアナライザへの入力として円偏光レーザビームを作り出すよう構成され、前記ラジアルアナライザの出力は、位相における前記円偏光レーザビームの円筒対称を壊すよう構成され、
前記ｅビーム書込螺旋位相要素は、位相遅延を導入することにより、前記ラジアルアナライザからの前記出力のベリー位相について補償を行なうよう構成され、
前記レンズは、ｅビーム書込螺旋位相要素からの偏光出力を前記光学ファイバに集光するよう構成される、システム。
【請求項３５】
結像レンズと、電荷結合素子とをさらに含み、
前記結像レンズは前記光学ファイバから前記偏光出力を受取り、かつ前記偏光出力を表示のための電荷結合装置に集光するよう構成される、請求項３４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、偏光設計の方法および光学近接場結像におけるそれらの適用例に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光は光の興味深い特性の１つである。光のベクトルの性質および物質とのその相互作用により多くの光学装置が可能になり、光学システム設計において、より大きな自由が提供される。偏光伝播および材料との相互作用は、光学検査および計測学、表示技術、データ記憶、光学通信、天文学、ならびに生物学において広範囲に研究されている。過去のほとんどの研究では、偏光の空間的に均一な状態が扱われた。
【０００３】
作り出される特別な偏光状態は、非常に強い縦場を作り出すよう用いられ得るユニークな焦点特性を有する。光ビームの偏光を意図的かつ慎重に空間的に配することにより、機能を拡張し得るとともに光学システムの能力を増強し得る新しい効果が期待され得る。このタイプの設計された偏光は、空間的に不均一な偏光または空間的に変動した偏光と呼ばれ得る。
【０００４】
この空間的に不均一な偏光の一例は、図１に示されるように、偏光において円筒対称を有する光である。これらのいわゆる円筒ベクトル（cylindrical vector；ＣＶ）ビームは、振幅および位相の両方において円筒対称に従うマックスウェルの方程式（Maxwell's equations）の解である。図１ａはラジアル偏光を示し、図１ｂはアジマス偏光を示し、図１ｃは作り出される円筒偏光を示す。
【０００５】
ベッセルビームは、回折拡散に苦慮していない、マックスウェルの方程式に対する他の解である。これら非回折ビームは、ダーニン（Durnin）らによって最初に提案された。このコンセプトの導入時から、ベッセルビームは継続的な関心を引いている。研究の多くが伝播スカラベッセルビームを取扱っている。ダーニンらが指摘したように、振幅Ｕ（ｒ，ｚ）＝ｅｘｐ（ｉｋzＺ）Ｊ0（ｋrｒ）であって、Ｊ0（ｋrｒ）は０次のオーダの第一種ベッセル関数である波は、ヘルムホルツの方程式（Helmoholtz equation）に対する解である。条件ｋr＜ｎｋ0が満たされる場合、伝播ｚ軸に沿ったすべての横断面において自身の強度分布Ｊ02（ｋrｒ）を維持する非回折ビームが得られ得る。伝播ベッセルビームは、錘面上に存在する波ベクトルに平面波の組を重畳することによって示され得、それはアキシコンタイプの装置によって実現され得る。マックスウェルの方程式に対するエバネッセントベッセルビームの解（ｋr＞ｎｋ0とする）も最近提案および研究されている。軸方向の対称性が必要とされるため、ラジアル偏光を有する伝播ベッセルビームは典型的には全内部反射と組合されて用いられ、これにより、このようなエバネッセント非回折ビームを生成する。近接場光学顕微鏡における仮想チップとしてのそれらの適用例は、チップと試料との間の厳しい近接要件を避けるよう研究されている。しかしながら、提案される形状はかなり複雑であり、実現するのが困難であった。
【０００６】
したがって、表面プラズモン励起を介してエバネッセントベッセルビームの生成のための単純な構成についての必要性が存在する。この方法は、ラジアル偏光対称と、表面プラズモン共鳴（surface plasmon resonance；ＳＰＲ）の角度選択性とを用いる。ＳＰＲによって与えられる選択性および場の増強により、この技術は、近接場光学結像および感知用途における仮想プローブとして用いられ得るエバネッセントベッセルビームを生成するための魅力的な方策となる。
【０００７】
ナノサイエンスおよびナノテクノロジにおける最近の急速な進歩は、ナノメートルの尺
度での構造の製造、計測、および操作を可能にする新しい機器の発明によって大きく突き動かされている。光学技術は本質的に非破壊的であり、材料診断および特徴評価において幅広く用いられている。回折のため、通常の光学結像システムは、サブ波長横方向寸法の分解特性に困難を有する。近接場スキャニング光学顕微鏡検査（near-field scanning optical microscopy；ＮＳＯＭ）のような近接場光学技術がこの限界を乗り越えるよう研究されている。ＮＳＯＭは、サブ波長分解能を提供することができる光学技術であり、ナノフォトニックス、バイオフォトニックス、および材料診断における多くの適用例を見出している。この技術の最も一般的な実施では、ナノ開口部を有する金属コーティングされた、テーパが設けられたファイバチップを用いる。このナノ開口部を通って光が伝わり、試料を局所的に励起する。回折限界をはるかに超える分解能を与えるのは、ナノ開口部の閉じ込めである。しかしながら、この開口部は非常に低い光のスループット（〜１０-6）も引起し、これはこの技術の１つの重大な欠点を示す。チップ上にナノ開口部を作り、スループットを向上させるには細かい製造処置が必要とされる。これらの欠点は、実際には、ナノ開口ＮＳＯＭの達成可能な空間分解能を約１００ｎｍにまで制限することである。
【０００８】
したがって、これらの欠点を克服する無開口ＮＳＯＭ技術について必要性が存在する。無開口ＮＳＯＭでは、非常に鋭い誘電性の半導体または金属チップがレイリー散乱プローブとして用いられる。この無開口プローブの半径は開口プローブよりもはるかに小さく作られ得、これにより良好な空間分解能を提供する。１ｎｍの空間分解能が達成され得る。加えて、金属プローブが用いられるならば、プローブチップでの表面プラズモンの局所的な励起により著しい局所的な場の増強が与えられる。この局所的な場の増強効果は、単分子検出、二光子顕微鏡検査法、およびラマン分光法などのような多くの用途において用いられ得る。
【０００９】
長年にわたって、ラマン分光法は分子振動および回転の検査のための強力なツールである。ラマン散乱は、材料の分子に対する入射光の非弾性的な衝突であるとみなされ得る。入射光と分子の振動／回転エネルギとの間の相互作用により、散乱光においてスペクトルシフトが引起される。特定の分子は、このスペクトルシフトにおいて自身の際立った特徴または「指紋（fingerprint）」を有する。ラマンシフトを検査することにより、試料の化学組成についての情報が識別され得る。材料のマイクロメカニカル特性および局所的な変形もこのシフトに影響を与える。したがって、ラマンシフト画像を計測することにより、試料における応力／歪みの分布のマッピングが提供され得る。従来のラマン分光法技術は占有面積の大きいレーザビームを用いており、これにより達成可能な空間分解能が制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
空間的に分解された材料の特性を得るよう、材料診断における適用例のために、高開口数の対物レンズを用いるマイクロラマン技術についての必要性が存在する。約数ミクロンの典型的な空間分解能は、マイクロラマン技術を用いて達成され得る。しかしながら、それよりもはるかに高い分解能が、現在のナノ材料およびナノ製造技術による今なお続く特性サイズの減少によって与えられる困難さに対処するために必要とされる。信頼性のあるナノラマン計測の実現は、ラマン分光法のコミュニティにおいて「聖杯（holy grail）」であると考えられる。無開口ＮＳＯＭの強い場の増強により、ラマン信号は著しく増強され、これによりナノ材料の信頼性のある包括的な特性評価が可能になる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に従えば、ビーム生成アセンブリと、光学顕微鏡アセンブリと、信号検出アセンブリとを含む光学システムが提供される。ビーム生成アセンブリはレーザ源を含むとともに、レーザ源からのレーザ出力を、光学顕微鏡アセンブリへの入力としてラジアル偏光
ビームに変換するよう構成される。光学顕微鏡アセンブリはプラズモン生成光学ファイバと対物レンズとを含む。ビーム生成アセンブリは、ラジアル偏光ビームを光学顕微鏡アセンブリのプラズモン生成光学ファイバの中に方向付けするよう構成される。プラズモン生成光学ファイバは、尖部を規定する金属コーティングされた、テーパが設けられた無開口チップを含む。無開口チップは、ラジアル偏光ビームがビーム生成アセンブリからチップの尖部の方向にプラズモン生成光学ファイバに沿って伝播すると、表面プラズモン波を励起するとともにチップの尖部に対して表面プラズモン波を方向付けするよう構成される。対物レンズは無開口チップの尖部の近傍に位置決めされる試料から近接場光学信号を収集するとともに、近接場光学信号を信号検出アセンブリに方向付けするよう構成される。
【００１２】
この発明の一実施例に従うと、集光された偏光ビームが金属コーティングされた光学ファイバチップに投入され、光源を作り出す。この光源は、無開口近接場スキャニング光学顕微鏡検査（ＮＳＯＭ）およびラマン分光法適用例において用いられ得る。
【００１３】
この発明の別の実施例に従うと、エバネッセントベッセルビームは、表面プラズモン励起を介して生成され、近接場光学結像および感知適用例において仮想プローブとして用いられる。
【００１４】
この発明のさらに別の実施例に従うと、円筒ベクトルおよび円偏光渦ビームが生成および集光される。
【００１５】
したがって、この発明の実施例の特徴は、無開口近接場スキャニング光学顕微鏡検査（ＮＳＯＭ）およびラマン分光法において用いられる光源を有することである。
【００１６】
この発明の実施例の別の特徴は、円筒ベクトル（ＣＶ）ビームを生成および集光することである。
【００１７】
この発明の実施例のさらに別の特徴は、円偏光渦（ＣＰＶ）ビームを生成および集光することである。
【００１８】
この発明の実施例のさらに別の特徴は、エバネッセントベッセルビームを生成することである。この発明の実施例の他の特徴は、ここで実施されるこの発明の記載に鑑みると明らかになるであろう。
【００１９】
この発明の具体的な実施例の以下の詳細な説明は、以下の図面に関連して読まれると最もよく理解され得、当該図面において同様の構造は同様の参照番号で示される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】円筒ベクトルビームの例を示す図である。
【図２ａ】この発明の実施例に従った円筒ビーム生成を示す図である。
【図２ｂ】この発明の実施例に従った光学ファイバの中に入射する実験的な円筒ベクトルビームを示す図である。
【図３】この発明の実施例に従ったラジアル偏光の生成ための形状を示す図である。
【図４】この発明の実施例に従った特定の開口数での場の分布のグラフの図である。
【図５】この発明の実施例に従った高く集光されたラジアル偏光の軸成分のグラフの図である。
【図６】この発明の実施例に従った、チャージがｍ＝０である場合の高く集光された左円偏光渦ビームについての二次元の場の分布を示す図である。
【図７】この発明の実施例に従った、チャージがｍ＝−１である場合の高く集光された左円偏光渦ビームについての二次元の場の分布を示す図である。
【図８】この発明の実施例に従った、チャージがｍ＝−１である場合の高く集光された左円偏光渦ビームでの平頂集光を示す図である。
【図９】この発明の実施例に従った、チャージがｍ＝−２である場合の高く集光された左円偏光渦ビームについての二次元の場の分布を示す図である。
【図１０】この発明の実施例に従ったエバネッセントベッセルビーム生成のための構成を示す図である。
【図１１】この発明の実施例に従った、反射および透過係数の計算された度合いと、誘電／金属界面上に入射するｐ偏光の光についての入射角度とを対比したものを示す図である。
【図１２】この発明の実施例に従った、反射の後の対物レンズの後方の焦点面でのシミュレートされた強度分布を示す図である。
【図１３】この発明の実施例に従った、ベクトル回折理論を用いた数値シミュレーション結果を示す図である。
【図１４】この発明の実施例に従った、ビームの主なローブの形状がほとんど一定のままであることを示す図である。
【図１５】この発明の実施例に従った有限要素方法シミュレーション結果を示す図である。
【図１６】この発明の実施例に従った音叉せん断力無開口近接場スキャニング光学顕微鏡検査を示す図である。
【図１７】この発明の実施例に従った、ラジアル偏光励起を用いた垂直力音叉無開口近接場スキャニング光学顕微鏡検査を示す図である。
【図１８】この発明の実施例に従った、マイクロレンズを有する無開口近接場スキャニング光学顕微鏡プローブを示す図である。
【図１９】この発明の実施例に従った、無開口近接場スキャニング光学顕微鏡検査に基づくナノラマンシステムの実現例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
実施例の以下の詳細な説明において、そのある部分を形成する添付の図面に対して参照がなされ、当該図面は例示および限定を用いて示されるとともに、この発明が実施されてもよい具体的な実施例が示される。他の実施例が用いられてもよく、この発明の精神および範囲から逸脱することがなければ、論理的、機械的、および電気的な変更がなされてもよいということは理解されるべきである。
【００２２】
円筒偏光の生成
最初に図２ａを参照すると、円偏光レーザビーム２１０がラジアルアナライザ２２０への入力として用いられる。ラジアルアナライザ２２０を用いて、単純な円筒ベクトル（ＣＶ）ビーム生成および操作技術が実験的に実施され得る。ラジアルアナライザ２２０は、ラジアル方向に沿って位置合わせされた偏光透過軸を有する偏光装置である。ラジアルアナライザ２２０の後の場
【００２３】
【数１】
2009541742.tif 000003
【００２４】
は、付加的な螺旋ベリー位相によりラジアル偏光される。このヘリシティは、位相の円筒対称を壊し、ｅビームが書込まれた螺旋位相要素（spiral phase element；ＳＰＥ）２３０を挿入することによりこの構成において反対のヘリシティで補償される必要がある。このようなＳＰＥ２３０はさらに、たとえば、グレースケールリソグラフィまたは多光子ポリマライゼーションプロセスのような他の超微細加工技術を用いて製造され得る。それはさらに、空間光変調器（spatial light modulator；ＳＬＭ）で実現され得る。ＳＰＥ２
３０の位相遅延は、方位角で線形に成長しなければならない。ＣＶビームを生成するよう、位相遅延は１つの完全な旋回で３６０°に到達すべきである。空気中において用いられることが意図されるとともに、その周囲において単一波長位相変化とともに高い表面品質を有するこの種の光学部品を製造することは非常に困難なことである。さらに、このような光学部品は単一波長位相変化を単一の波長にてのみ有することになる。したがって、ＳＰＥ２３０は、近屈折率整合（near-index-matching；ＮＩＭ）流体に浸され得るように製造され得る。
【００２５】
屈折率がｎ2であり、屈折率がｎ1の媒体に浸され、かつ全体の厚みがｄである材料からなるＳＰＥ２３０を考える。全波遅延を示すこの厚みについて、Δｎ＝ｎ2−ｎ1＝λ／ｄであり、λは用いられる光の波長である。言い換えると、ｄ＝λ／Δｎである。したがって、たとえば、Δｎ＝０．０１の場合、ｄは１００λとなり得、５λの表面の粗さは、空気中において用いられることになる光学部品の場合のλ／２０の表面の粗さと均等である。したがって、このような光学部品は、空気中で用いられることを意図するものよりもはるかに容易に製造され得る。なお、ＮＩＭ流体の組成を変更することにより、Δｎは任意の所与の波長について容易に調整され得る。さらに、幅広い範囲の波長についてｄ＝λ／Δｎ（λ）となるようにＮＩＭ流体の分散が選ばれ得るならば、当該光学部品は事実上無色となる。超高速のレーザパルスの帯域幅にわたってこの目標を達成することは確かに可能であり、適切に選択されたＮＩＭ流体を用いて動作範囲をかなりさらに延ばすことが可能となる。
【００２６】
ＳＰＥ２３０は、ラジアルアナライザ２２０の後でベリー位相を補償するよう適切に配置されるべきである。このようなベリー位相は、入射円偏光のハンドネス（handness）（左または右）に依存して、異なる符号（「＋」または「−」）のトポロジカルチャージを有し得る。単純にＳＰＥ２３０を反転させることにより、ＳＰＥ２３０によって導入されたトポロジカルチャージの符号は切替えられる。このように、ベリー位相の補償は、ＳＰＥ２３０を正確に方向付けることにより達成され得る。ファラデー回転子の機能を模倣する二重の１／２波長板偏光回転子２４０が当該偏光を所望の円対称のパターンに回転する。この偏光パターンは、異なる方向で、線形偏光子の後で強度パターンを観察することにより確認された。遠距離場のパターンが観察され、このようなＣＶビームの生成が実証された。偏光における円筒対称により、遠距離場は暗い中空の中心を有する。図２（ａ）の差込図において示される実験結果は、この方法を用いて円筒ビームが生成され得ることを実証している。
【００２７】
円筒偏光モードはさらに光学ファイバの中へと方向付けされ得る。マルチモードステップインデックス光学ファイバが、円筒偏光対称を有する横電場（ＴＥ01）および横磁場（ＴＭ01）環状モードをサポートし得るということは公知である。ＴＥ01モードはアジマス偏光され、ＴＭ01モードはラジアル偏光される。弱く導く近似のもとで、これらのモードは、基本モードであるＨＥ11を除く他のすべてのモードよりも低い同じ遮断パラメータを有する。一般的には、まずこの基本モードを励起することなく、ファイバにおいてこれらのモードを励起することは難しい。強い基本モードの存在により、円筒形偏光の純粋さが損なわれる。
【００２８】
図２（ｂ）に示されるように、以前に生成されたＣＶビームは、光学ファイバ２６０においてこれらのモードを励起するよう用いられ得る。約１メートルの長さであるファイバ２６０が、基本モードおよび環状モードのみをサポートするように慎重に選ばれた。入力偏光を行なうことにより、基本モードへの結合が最小限になり、高い効率性を有する２次のオーダの環状モードが生成され得る。ラジアル偏光モードが図２（ｂ）の差込図に示される。偏光対称が、ファイバ２６０と結像レンズ２７０との間に偏光子２６５を挿入することにより観察され得る。異なる偏光子の方向についての強度パターンが記録および実証
され、ファイバ２６０においてラジアル偏光モードが正常に開始される。現在、この効率性は約１０％である。ＳＰＥ２３０の位相不連続性からの回折損失を低減するとともにさらに効率性を向上させるよう、熱リフロープロセスが用いられてもよい。アジマス偏光モードおよびハイブリッドモードも、光学ファイバ２６０をねじることにより励起された。光学ファイバ２６０におけるねじりは、当該ファイバにおいて複屈折率を誘発する。均一にねじられたファイバは、旋光能を示す媒体のように動作するということが示され得る。したがって、それは偏光制御の簡便な手段を提供する。
【００２９】
円偏光渦ビームの生成
ＣＶビームの生成および操作に加えて、ＣＶビームと円偏光渦（circularly polarized
vortex；ＣＰＶ）ビームとの間の関係が示され得る。光学的特異性が最近大きな興味を引いている。これらの特異性は、場の位相または振幅が規定されないか、または急速に変化する点または線にて起こる。ほとんどの過去の研究は、均一に偏光された光波（スカラ特異性）における位相特異性に対して捧げられてきた。スカラ特異性の１つの部類はスカラ渦である。スカラ渦は、位相が規定されない特異点の周りの螺旋位相波面を有する。トポロジカルチャージ、
【００３０】
【数２】
2009541742.tif 000004
【００３１】
は、スカラ渦を特性評価するのに用いられる。最近、不均一に偏光された波について、回位を伴うベクトル渦が研究されている。回位は、横ベクトル場のパターンまたは方向における特異性の点または線である。このような例の１つは、ビームの中心で偏光特異性を有するＣＶビームのためのベクトル渦である。
【００３２】
ＣＰＶビームは、螺旋位相波面を有する円偏光ビームである。このタイプのビームは、上述したように、円偏光された光をＳＰＥに通すことにより生成され得る。円筒座標系において、平坦な波面を有する左円偏光（left-hand circularly；ＬＨＣ）ビームは以下のように示され得る。
【００３３】
【数３】
2009541742.tif 000005
【００３４】
Ｐ（ｒ）はビームの軸方向に対称な振幅の分布である。単純さのため、ビームについて振幅が単一であることが前提とされる。たとえば、Ｐ（ｒ）＝１である。同様に、右円偏光（right-hand circular；ＲＨＣ）については、
【００３５】
【数４】
2009541742.tif 000006
【００３６】
である。ｍのチャージを有するＬＨＣ渦ビームが考慮されるならば、場は、
【００３７】
【数５】
2009541742.tif 000007
【００３８】
である。スカラ渦が、円筒偏光ベースにおいて、２つのベクトル渦の線形重ね合わせへと分解されることが示され得る。トポロジカル・パンチャラトナム・チャージ（topological Pancharatnam charge）は、
【００３９】
【数６】
2009541742.tif 000008
【００４０】
として規定され、ラジアル偏光成分についてのパンチャラトナム位相は、
【００４１】
【数７】
2009541742.tif 000009
【００４２】
によって与えられる。ｌp,rは、トポロジカル・パンチャラトナム・チャージを示す。トポロジカル・パンチャラトナム位相Φp,aおよびアジマス偏光ｌp,aについてのチャージとは同様に導かれ得る。単位エネルギごとの伝播方向における全角運動量は以下のように与えられる。
【００４３】
【数８】
2009541742.tif 000010
【００４４】
単位エネルギごとの伝播方向における全角運動量は、円筒偏光成分のトポロジカルチャージの合計によって与えられるようであるが、それは線形偏光ベースにおいては明らかになされ得ない。別の重要な点は、ヘリシティ（円偏光について±１）がトポロジカルチャージに分解される。これは、ｍ＝０のチャージを有する左円偏光によってほとんど明確に示される。したがって、円筒形ベースの分解を通じて、ヘリシティ（スピンのような光子特性）と軌道角運動量との間の関係が確立される。円筒偏光分解の文脈において、ヘリシティは、相互作用がビームの断面のある部分とだけなされるのでなければ、軌道角運動量の寄与とまったく変わらない。光学ビームの全角運動量は、ラジアルおよびアジマス成分のトポロジカル・パンチャラトナム・チャージの単純な代数加算および減算を用いて計算され得、それは電子の角運動量特性と明らかに異なる。
【００４５】
非常に強い縦場の生成
ＣＶビームは、その焦点特性について広範囲に研究される。最適なスポットにレーザビームを集光することは、多くの適用例がある興味深い研究トピックである。超小型の焦点スポット、延長焦点深度を有する焦点、平頂プロファイルを有する焦点、および円筒偏光の特別な一ケースであるラジアル偏光を用いる光学チェーンを作り出すことができるということが示されている。これらの適用例の多くにおいて、非常に強い縦場成分（すなわち伝播方向に沿って向いている電場）が必要とされ、重要な役割を果たす。以前のセクションにおいて生成されたＣＶビームについて、このような強い縦場の生成が示され得る。円偏光渦ビームの焦点特性が研究され、円偏光のハンドネスと位相特異性のチャージとの適
切な組合せにより、ラジアル偏光の焦点特性に似た焦点特性を達成することが可能であるということが示される。
【００４６】
ＣＶビームの焦点特性
ラジアル偏光を有するレーザビームへの関心が増大している。特定の関心が、これらのビームの高開口数（ＮＡ）の焦点特性と、高分解能プローブとしてのそれらの適用例とに対して与えられている。偏光対称のため、ラジアル偏光ビームの焦点での電場は非常に強い軸成分を有し、当該軸成分の横方向のサイズは横方向の成分のサイズよりもはるかに小さい。この特性により、高分解能顕微鏡検査、マイクロリソグラフィ、計測学、非線形光学部品などにおける適用例が発見され得る。
【００４７】
高く集光された偏光ビームの焦点の近くの場の分布が、リチャーズ−ウルフ（Richards-Wolf）ベクトル回折法により分析される。問題の形状が図３に示される。照射は、瞳にわたって平坦な波面を有するラジアル偏光ビーム３００である。浮遊レンズ３１０が、レンズの焦点に向かって集束する球面波を作り出す。捕捉されることになる粒子は、屈折率がｎ1である環境に浸されるとする。単純さのため、対物側の屈折率はこの環境と同じであるとする。焦点場は以下のように書かれ得る。
【００４８】
【数９】
2009541742.tif 000011
【００４９】
【数１０】
2009541742.tif 000012
【００５０】
は、ラジアルおよび軸方向に沿った単位ベクトルである。２つの直交成分Ｅr，Ｅzの振幅は以下のように表わされ得る。
【００５１】
【数１１】
2009541742.tif 000013
【００５２】
θmaxは対物レンズのＮＡによって与えられる最大の角度であり、Ｐ（θ）は瞳アポダイゼーション関数であり、ｋ1は環境媒体における波数であり、Ｊn（ｘ）はオーダｎを有する第一種のベッセル関数であり、Ａ＝ｎ1πｆ／λであり、ｆは焦点距離である。高分解能結像のような多くの適用例の場合、各場の成分の相対的な強さが単純に計算されるのに十分である。しかしながら、放射力の定量化には、所与のビームパラメータを有する絶対的な場の強さの計算が必要である。この計算において、λ＝１．０４７μｍ，ｎ1＝１．３３であり、単純な環瞳アポダイゼーション関数は以下のように選ばれた。
【００５３】
【数１２】
2009541742.tif 000014
【００５４】
Ｐ0は、一定の振幅因子であり、ＮＡは環の外径とｎ1とによって決定されるレンズの開口
数である。ＮＡは０．９５ｎ1となるよう選択される。ＮＡ1は、変数である環の内径に対応する。レーザビーム出力は１００ｍＷであるとする。ＮＡ1が変動すると、それにしたがって振幅Ｐ0が出力レベルを維持するよう調整される。一例として、図４において、ＮＡ1＝０．６の場合の場の分布が示される。図４は、高く集光されるラジアル偏光についての計算された集光面のエネルギ分布の線のスキャンを示す。
【００５５】
図４から、場の強さの全体の分布が、軸成分によって占められ、よりコンパクトな焦点が与えられるということが分かり得る。比較のために、線形偏光入射についての結果も示される。このように、集光されたラジアル偏光は、焦点の中心に向かって金属粒子を引きつける、より強い勾配の力を提供する。このような焦点場の別の重要な特徴は、強い軸成分が非伝播場であり、伝播方向に沿ったエネルギの流れに寄与しないことである。結果として、光学軸に沿った時間平均ポインティングベクトル（time averaged Poynting vector）
【００５６】
【数１３】
2009541742.tif 000015
【００５７】
は中心で０になる。これを実証するよう、対応する時間平均ポインティングベクトルが計算され、その軸方向成分が図５に示される。図５(ａ)は、焦点の近くの二次元の分布を示し、図５(ｂ)は焦点での（ａ）の線スキャンを示す。磁場が、電場計算のやり方と似たやり方で計算される。瞳面での磁場はアジマス方向に沿って位置合わせされるとする。図５から、光学軸の近くの軸方向ポインティングベクトルが実質的に０であるということが明らかである。これは、光ピンセットにおいて捕捉される金属粒子にとって重要な意味を持つ。
【００５８】
円偏光渦ビームの集光
同じ焦点構成を用いる円偏光渦ビームの焦点特性が検査される。たとえば、チャージがｍである左円偏光渦ビームについての焦点場分布が、リチャーズ−ウルフベクトル回折モデルおよびベッセル識別を用いて導出され得る。
【００５９】
【数１４】
2009541742.tif 000016
【００６０】
式中、αはＮＡ＝ｓｉｎαによって与えられ、Ａは焦点距離および波長に関係付けられる定数であり、Ｊm（ｘ）はオーダｍを有する第一種ベッセル関数である。偏光を無視するスカラ渦の場合、場は、トポロジカルチャージｍ≠０である限り、焦点の中心では常に０である。円偏光渦ビームについては、それは異なる。０ではない軸上の場の強さを焦点面に有するよう、式（７）−（９）におけるベッセル関数の少なくとも１つは０次のオーダである必要がある。そうでなければ、全体の場は、焦点の中心で０になる。式（７）−（９）から、これはｍ＝０，−１，−２の場合に起こるということは明らかである。ｍ＝０の場合、これは円偏光にとって自明な場合である。焦点場のための式はデバイ積分結果に要約される。このような例の１つが図６に示される。図６は、チャージがｍ＝０である高
く集光された左円偏光渦ビームについて、計算された二次元の分布｜Ｅ｜2を示す。図６（ａ）は全体の場を示し、図６（ｂ）は縦成分｜Ｅz｜2を示し、図６（ｃ）は横成分｜Ｅt｜2を示し、図６（ｄ）は焦点の線スキャンを示す。図６に示されるように、焦点は横場によって占められる。予想されるように、左円偏光の焦点は、横場成分によって、０ではない軸上の場を有する。
【００６１】
ビームがｍ＝−１のチャージを有するＬＨＣスカラ渦ビームの場合、左円偏光渦ビームについての式は、
【００６２】
【数１５】
2009541742.tif 000017
【００６３】
となり、これは単にラジアルおよびアジマス偏光の線形重ね合わせである。ラジアル偏光成分は、その実証されたユニークな集光特性のため、特に興味深いものである。高いＮＡ対物レンズで集光すると、取り囲むようなドーナツ型の焦点場がアジマス成分によって作られる状態で、ラジアル成分が強い縦焦点場に寄与する（図７参照）。図７は、チャージがｍ＝−１である高い集光された左円偏光渦ビームについての計算された二次元の分布｜Ｅ｜2を示す。図７（ａ）は全体の場を示し、図７（ｂ）は縦成分｜Ｅz｜2を示し、図７（ｃ）は横成分｜Ｅt｜2を示し、図７（ｄ）は焦点の線スキャンを示す。図７に示されるように、渦ビームのラジアル成分によって強い縦場が生成される。このようなユニークな縦場を確実に発生するよう、円偏光のハンドネスおよびチャージが慎重に選ばれなければならない。
【００６４】
右円偏光が用いられる場合、ｍ＝＋１のチャージがこの強い縦場を達成するのに必要とされる。より興味深いことに、ｍ＝−１の場合についての平頂集光は、照射瞳開口部を調整することによってただ達成され得る。このような結果の１つが図８に示される。図８は、ｍ＝−１のチャージを有する高い集光された左円偏光渦ビームでの平頂集光を示す。図８（ａ）は全体の場を示し、図８（ｂ）は縦成分｜Ｅz｜2を示し、図８（ｃ）は横成分｜Ｅt｜2を示し、図８（ｄ）は平頂集光が得られ得ることを示す焦点の線スキャンを示す。この平頂状態は、対物レンズの瞳の開口部の中心の７５．６％をブロックすることにより達成される。
【００６５】
ｍ＝−２のチャージを有するＬＨＣスカラ渦ビームの場合、場は、
【００６６】
【数１６】
2009541742.tif 000018
【００６７】
である。これは、アジマス成分がπだけ位相がずれるということを除いて、円筒偏光ベースにおけるＲＨＣについての式とほとんど同一である。したがって、焦点場の強さは、集光されたＲＨＣのそれと同一であるはずであり、さらに図６に示されるＬＨＣについての結果と同一であるはずであるということは明らかである。図９は、チャージがｍ＝−２である高く集光された左円偏光渦ビームについて、計算された二次元の分布｜Ｅ｜2を示す。図９（ａ）は全体の場を示し、図９（ｂ）は縦成分｜Ｅz｜2を示し、図９（ｃ）は横成分｜Ｅt｜2を示し、図９（ｄ）は焦点の線スキャンを示す。図９における場の強さの分布は図６のそれと同一であることがわかり得る。このビームとＲＨＣとの間の他の類似点は、それらが光子ごとに、
【００６８】
【数１７】
2009541742.tif 000019
【００６９】
である等しい全角運動量密度を有するということである。これは、光学ビームの角運動量である対象点に繋がる。
【００７０】
これらのビームの集光特性は、高空間分解能結像、フォトリソグラフィ、材料処理および特性評価、ならびに光学ピンセットにおける適用例を有し得る。特に、強い縦成分を用いるこれらの適用例の場合、円偏光渦ビームはより単純な代替例として用いられ得る。
【００７１】
仮想チップへの適用例
エバネッセントベッセルビームの生成のための提案される構成が図１０に示される。浮遊レンズ１０２０（ＮＡ＝０．９５）の瞳面を照射するラジアル偏光ビーム１０１０は、焦点面に位置する誘電／金属基板１０４０界面に向かって集束する球面波１０２５を作り出す。固体または液体の浸漬材料１０３０が、誘電基板１０４０の屈折率と整合するよう用いられる。一実施例では、浸漬材料１０３０と基板１０４０との屈折率は、ｎ1＝１．５になるよう選ばれる。λ0＝４８８ｎｍの波長が完全に用いられる。銀（４８８ｎｍでは、ε＝−７．９＋０．７３６ｉ）の５０ｎｍの薄い金属フィルム１０５０が誘電基板１０４０の底部に配される。銀の層の下の媒体は、ｎ2＝１を有する空気であるよう選択される。強く集光されたラジアル偏光照射の場合、全体のビームはこの多層界面に対してｐ偏光される。
【００７２】
図１１に示されるように、反射（図１１（ａ））および透過（図１１（ｂ））係数曲線と誘電／金属界面上に入射するｐ偏光の光についての入射角度とを対比したものが、この界面について計算される。表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）条件が、θxp＝４５．４５°で満たされることがわかり得る。図１２は、反射の後、対物レンズの後方焦点面でのシミュレートされた強度分布を示す。この構成におけるラジアル方向の対称性により、ＳＰＲ励起は対物レンズの後方焦点面における暗いリングに対応する。
【００７３】
焦点の近傍における電場は、リチャーズ−ウルフのベクトル回折理論で計算され得る。銀の層の下の媒体における場の成分は以下のように表わされ得る。
【００７４】
【数１８】
2009541742.tif 000020
【００７５】
ｔp（θ）は入射角θでのｐ偏光についての透過係数であり、Ａは定数であり、Ｐ（θ）は瞳アポダイゼーション関数であり、Ｊm（ｘ）は第一種のｍ次のオーダのベッセル関数であり、θmax＝ｓｉｎ-1（ＮＡ）は対物レンズの開口数（ＮＡ）によって与えられ、ｋ1およびｋ2はそれぞれ銀の層の上および下に存在する媒体における波のベクトルである。図１２に示される結果から、ＳＰＲ励起は、アキシコンの透過した場に類似した透過した場についての角フィルタ機能を実行するということがわかり得る。この角フィルタの効果を示すよう、ＳＰＲ励起について非常に狭い角の幅とすると、透過曲線がデルタ関数
【００７６】
【数１９】
2009541742.tif 000021
【００７７】
によって近似される。次いで、式（１）および（２）が以下に要約される。
【００７８】
【数２０】
2009541742.tif 000022
【００７９】
ＳＰＲ条件のもとでは、ｋ22−ｋ12ｓｉｎ2θsp＜０であり、したがって明らかにラジアル成分および縦成分の両方がｚ方向に沿ってエバネッセントになる。さらに、両成分は自身の横方向のプロファイルを維持する。縦成分の場合、それは０次のオーダのエバネッセントベッセルビームであり、横成分は１次のオーダ（ドーナツ型）のエバネッセントベッセルビームの波である。エバネッセントベッセルビームはしたがって、このかなり単純な構成を用いて生成され得る。
【００８０】
式（１０）および式（１１）によって与えられるベクトル回折モデルを用いる数値シミュレーションが図１３に示される。エバネッセントの性質を強調するよう、
【００８１】
【数２１】
2009541742.tif 000023
【００８２】
である臨界角を下回る角部分に対応する照射の中央部分がブロックされる。図１３（ａ）は、銀の層の底部で生成されるエバネッセントベッセルビームの場の強さ｜Ｅ｜2を示す。良好かつ均一なスポットがラジアル偏光照射によって作り出される。対照的に、線形偏光照射が用いられる場合（図１３（ｂ）に示す）、同じ場の分布は非均一になり、かなり弱くなる。これにより、結像および感知用途には好適ではなくなる。場の強さの横方向のプロファイルが図１３（ｃ）に示される。全体の場に寄与する２つの成分、すなわちラジアル成分および縦成分が存在することが分かり得る。縦成分は非常により強く、全体の場の分布を占める。横方向のプロファイルから、主なローブの半値幅（full-width-half-maximum；ＦＷＨＭ）のスポットサイズが計算され、約０．３４３λ0となる。縦成分については、ＦＷＨＭは約０．３０３λ0である。ビームのエバネッセント遅延性質は図１３（ｄ）において示され、ｚ軸に沿って１／ｅ2の点を見つけ出すことにより、約０．２８５λ0に伝播距離が推測される。銀の層から異なる距離にある場の強さの横方向のプロファイルが図１４（ａ）にプロットされる。非回折特性を示すよう、これらの距離での標準化された横方向のプロファイルも図１４（ｂ）にプロットされる。すべての主なローブほとんど互いに重畳し、提案された単純な構成で確かにエバネッセントベッセルビームが生成され得ることがわかり得る。主なローブの形状におけるわずかな逸脱はＳＰＲ励起についての有限角幅に起因する。
【００８３】
ＳＰＲ励起がその環境に対して非常に敏感であり、強い場の増強を与え得、近接場光学結像および感知用途にとって魅力的であるということは周知である。ＳＰＲを用いる仮想プローブが提案および研究されている。提案された方法で生成されたエバネッセントベッセルビームは、多くの他の近接場光学プローブの近似要件（数十ナノメートル以内が典型
的）を緩和し得るとともに、非線形近接場光学結像において場の増強特性が用いられる場合に特に妥当な空間分解能を与える仮想プローブのための良好な候補である。たとえば、二光子結像が考慮される場合、ＦＷＨＭは０．２１９λ0となる。銀の薄いフィルムに対して３００ｎｍの照射の波長が用いられる場合、これは約６６ｎｍの空間分解能を与え得、これは生物医学的結像および半導体計測用途のためには十分である。
【００８４】
したがって、エバネッセントベッセルビームの生成のための単純な方法が提供される。ラジアル偏光ビームが誘電／金属界面に強く集光されると、表面プラズモン波が励起される。ＳＰＲの励起はアキシコンの機能に類似する。結果として、エバネッセントベッセルビームは、金属の薄いフィルムの後に生成される。ＳＰＲの感度および場の増強により、非回折エバネッセント波が近接場光学結像および感知のための理想的な仮想チップとなる。さらに、ラジアル偏光の代わりに、ハンドネスおよびトポロジカルチャージの適切な組合せを有する円偏光渦ビームも照射のためのより単純な代替例として用いられ得るということも指摘する価値がある。
【００８５】
一般的に、このような構成で生成される仮想チップの有効ＮＡは、表面プラズモン共振条件により、１よりも若干上回ることになる。これは、最も小さい達成可能なスポットサイズ（空間分解能）を制限することとなる。さらに小さいスポットサイズを作り出すよう、金属層を多層誘電材料スタックに置換えてもよい。これらのスタックの例は、ハウス（Haus）らによって記載される１Ｄフォトニックバンドギャップ構造（photonic band gap；ＰＢＧ）を含んだ。適切な入射および出射媒体とともにこのタイプの１Ｄ  ＰＢＧスタックを用いると、ＴＭ偏光の光について非常に大きな場の増強効果が達成され得るとともに、出射媒体における場がエバネッセントに確実になり得る。有効ＮＡは、１よりもはるかに高く増大し得る。ラジアル偏光照射と組合せて、非常に閉じ込めおよび増強されたエバネッセントベッセルビームが生成され得る。さらに、この１Ｄ  ＰＢＧ構造も、ＳＰＲ法と対称的に、ＴＥ偏光の光で動作する。アジマス偏光照射を用いると、ドーナツ形状を有する閉じ込めおよび増強されたエバネッセントベッセルビームを生成し得る。この種のビームは、粒子捕捉および操作のような適用例を有する。
【００８６】
無開口近接場スキャニング光学顕微鏡検査（ＮＳＯＭ）への適用例
場の増強のシミュレーション
ファイバにおいて円偏光モードを励起する能力とともに、従来のＮＳＯＭの構造を維持し、開口が除去される無開口ＮＳＯＭが製造され得る。一方、それは、強力な場の増強効果と、無開口金属チップＮＳＯＭに類似した高空間分解能とを与える。ラジアル偏光ＴＭ01モードがファイバの中で伝播し、テーパが設けられたチップ端部に近づくと、当該モードは遮断点を通過し、エバネッセントになる。表面プラズモン波が励起され、チップ端部に伝播する。表面プラズモンの１つの興味深い特性は、その強力な場の増強効果である。表面プラズモンの励起は、照射面に存在する電場を有するＴＭ偏光の光に関連付けられる。ラジアル偏光モードが金属コーティングされた光学ファイバチップに入ると、全ビームがファイバの誘導／金属界面に対してＴＭ偏光され、これにより表面プラズモンを作り出す非常に効率的な方法を提供する。この構成のラジアル対称性が、これらの表面プラズモンの建設的干渉へと繋がり、これによりチップの近くで非常に強力な局在化された場を作り出す。この強い局在化された場は、高空間分解能プローブとして用いられる。
【００８７】
この場の増強効果は、ＣＯＭＳＯＬマルチフィジックス（multiphysics）、すなわち有限要素法（finite-element-method；ＦＥＭ）ソフトウェアを用いる数値モデリングで検証されている。図１５は、ラジアル偏光照射のもとで、１つの完全に金属化されたチップについて、ＦＥＭによってシミュレートされた結果を示す。上部のプロットは場の分布の二次元断面、三次元スライス、および三次元メッシュプロットを示す。強い局在化した場がチップの尖部に現れることが分かり得る。底部のプロットは、チップの尖部から１０ｎ
ｍでの線スキャンを示す。１０ｎｍより小さいＦＷＨＭが得られ得る。チップのコアは、屈折率が１．５のシリカであるとする。当該チップは、４０ｎｍの銀のコーティングで完全に金属化され得る。チップ上のこの銀のコーティングは約３０ｎｍから約１００ｎｍの厚みを有し得る。チップの端部は半径が５ｎｍである。６３３ｎｍの波長を有するラジアル偏光ビームがこのシミュレーションのために用いられる。２５０より大きい場の増強因子がこのようなチップ設計において得ることができるとわかった。強度は６２５００倍増強されることになる。チップの尖部から１０ｎｍ離れたところの場の分布は、１０ｎｍの半値幅（ＦＷＨＭ）を有する。シミュレーションから、増強因子はチップの形状および照射に強く依存するということがわかった。たとえば、増強はチップの尖部の角度、チップの長さ、およびチップへの入口でのラジアル偏光ビームのサイズに依存する。何百もの場の増強が得られ得る場合もあるが、同様にただ約１つの場の増強が得られ得る場合もある。しかしながら、ラジアル偏光では常に場の増強がある。増強を最適化する単純な方法は、チップへの入口での照射サイズの調整による。これは、照射経路に絞りを挿入することと、照射光学部品の有効ＮＡを調節することとによってなされ得る。
【００８８】
上記のシミュレーションでは、ラジアル偏光が用いられた。別の実施例では、ハンドネスおよびトポロジカルチャージの適切な組合せを有する円形偏光渦ビームが、同じ表面プラズモンおよび場の増強効果を作り出す、より単純な代替例として用いられ得る。線形偏光子またはＳＰＥ方向を反転させた後、１／４波長板を回転させることによって正しい組合せが達成され得る。この場合、場の増強因子は、ラジアル偏光が用いられる場合の約５０％である。しかしながら、円偏光渦ビームを用いる構成ははるかに単純であり、動作が容易である。
【００８９】
音叉ベースの無開口ＮＳＯＭシステム
標準的な音叉せん断力フィードバックを用いて、無開口ＮＳＯＭを構成することができる。無開口ＮＳＯＭ設計が図１６に示される。ハロゲンバルブおよびＣＣＤカメラが広視野の結像のために取付けられる。無開口ＮＳＯＭチップが差込図に示される。金属コーティングの開口は必要とされない。透過モードが示されているが、反射モードも容易に実現され得る。この機器はＣＶビーム生成ブロック、倒立光学顕微鏡ブロック、および信号検出ブロックにグループ分けされる。ＣＶビーム生成ブロックは、レーザ出力をラジアル偏光に変換する。無開口ＮＳＯＭブロックは、ラジアル偏光ビームを、金属コーティングされたテーパが設けられた無開口チップを有する光学ファイバの中に結合する。当該チップは、せん断力音叉フィードバックを用いて試料に近づく。透過した信号が倒立顕微鏡の無限補正油浸対物レンズによって集められ、検出ブロックに送られる。倒立顕微鏡ブロックは、試料の位置決めと、複数の光経路照射および検出とを補助するのに必要とされる。音叉および無開口チップは、ＸＹＺピエゾスキャナおよびディザリングピエゾを有するスキャニングヘッド（図１６参照）上に取付けられ得る。トポグラフィ情報がｚピエゾ電圧および音叉フィードバックから得られる。高分解能画像がラスタースキャニングを通じて得られる。低プロファイルのナノポジショナが、試料スキャニングのために倒立顕微鏡の台の上に搭載される。試料スキャニングのために、ＸＹＺスキャンが切離され得る。ｚピエゾを有するスキャニングヘッドはトポグラフィを作り出すことを担うことになる。試料は、二次元のマッピングを担うことになるＸＹスキャナ上に搭載される。ＣＶビーム生成ブロックからの出力も、倒立顕微鏡の１つの照射ポートの中に結合され得るとともに、他の用途のために油浸レンズによって試料へと集光され得る。光電子増倍管（photomultiplier tube；ＰＭＴ）、単一光子計数アバランシェ光ダイオード検出器（avalanche photodiode detector；ＡＰＤ）、およびＴＥ冷却電荷結合素子（charge coupled device；ＣＣＤ）アレイ検出器を含むさまざまなタイプの検出器が、結像分光計と組合されて用いられる。ＰＭＴ／ＡＰＤからの出力は光子計数システムに接続される。ＣＣＤアレイは高速スペクトル取得および結像のために用いられる。レーザビームは、裁断されてもよく、ロックイン検出がノイズ除去のために用いられ得る。ハロゲンバルブ源およびＣＣＤカメラも、
広視野の観察および記録のために倒立顕微鏡に取付けられる。
【００９０】
金属コーティングされた無開口ファイバが音叉に搭載され得る。ディザリングピエゾが、当該音叉を機械的に駆動するよう用いられる。音叉の動きは、クウォーツにおいて誘発された応力によって作り出された圧電電流によって監視される。チップ−試料の距離は、チップ−試料の相互作用によって誘発される共振位相または振幅変化を監視することにより調整される。垂直力および音叉を用いるせん断力検出の両方が報告されている。この無開口ＮＳＯＭにおいては、せん断力モードが用いられる。力の検出のための音叉の利用により、余計なレーザ源の必要性と撮像前の面倒な位置合わせ処置とが取除かれる。信号は、反射モード（集光光学素子が試料に対して照射の同じ側にある）か、または透過モード（試料が所望の信号に対して透明であるならば）のいずれかで集められ得る。倒立顕微鏡が、試料の位置決めおよび光学信号の収集のために用いられ得る。それは、複数の光学入力／出力ポートを有し、これにより、異なるレーザ源および検出を促進する。それはさらに、高い信号対雑音比の、５０ｎｍ未満の分解能のＮＳＯＭを達成するのに重要である迷光除去光学設計および振動のない機械設計を特徴とする。
【００９１】
しかしながら、高度な照射形状が、チップ上にて局在化されるモードを励起するのに必要とされる。効率性は照射の偏光に強く依存し、照射の非常に慎重な位置合せを必要とする。既存のＮＳＯＭ技術と比較すると、提案される無開口ＮＳＯＭは以下の利点を有する。すなわち、１）開口ＮＳＯＭの単純な構造を維持していることと、２）細かい開口部の開口要件を除去していることと、３）おおよそ１桁分、ＮＳＯＭの空間分解能を向上させることと、４）金属チップ無開口ＮＳＯＭに匹敵する局所的な場の増強を与えることと、５）無開口金属チップＮＳＯＭにおいて必要とされる細かい位置合せが避けられることとである。
【００９２】
カンチレバ／音叉ハイブリッド無開口ＮＳＯＭ
ファイバチップベースのＮＳＯＭの幅広い応用を妨げる欠点の１つは、光学ファイバチップそれ自体の傷つきやすさおよび壊れやすさであり、これには経験豊富な人材および非常に慎重な取扱が要求される。対照的に、原子間力顕微鏡（atomic force microscope；ＡＦＭ）プローブはそれよりも強固であり、チップの半径は非常に小さく作られ得る。金属化されたＡＦＭチップを用いる無開口ＮＳＯＭは、良好な空間分解能および良好な場の増強効果を行なった。しかしながら、最適な場の増強を達成するためには、集光されたレーザビームの偏光はチップに対して平行である必要がある。これは横側の照射か、または焦点の中心からのチップの若干の変位のいずれかを必要とする。集光されたレーザスポットおよびチップの非常に慎重な位置合せが必要とされる。さらに、チップ−試料距離を調節し、かつトポグラフィカルイメージを生成するよう、典型的にはレーザビームがカンチレバ上に位置合わせされ、位置感知検出器上に反射される。レーザビームの位置合せはしばしば時間がかかるものであり、非常に面倒であるとともに、画像の感度および品質に著しく影響を与える。したがって、これらの無開口ＮＳＯＭの動作は非常に時間がかかり、それらの結果は強く経験に依存する。
【００９３】
この難問を解決するよう、高く集光されたラジアル偏光を用いるカンチレバベースの音叉垂直力無開口ＮＳＯＭが提供される。その設計が図１７に示される。金属コーティングされたＡＦＭプローブは、１００ｋＨｚ音叉センサの１つのプロングに貼り付けられる。ＡＦＭプローブの取付は、所望の反対称共鳴モードに必要な、２つのプロングの間の質量非対称を作り出す。チップ−試料間距離は、音叉フィードバック信号の振幅または位相のずれを監視することにより調整される。音叉フィードバックにより、レーザダイオードをカンチレバに位置合せする面倒がなくなり、これにより、よりユーザフレンドリーであるとともに経験に依存しない動作を可能にする。金属化されたＡＦＭプローブのチップは、倒立顕微鏡から、強く集光されたラジアル偏光によって照射される（図１６）。ラジアル
偏光の利用により、無開口ＮＳＯＭにおける場の増強にとって重要である、チップと平行な非常に強い縦場が作り出される。比較として、集光された線形偏光およびラジアル偏光の両方の縦成分が計算および比較される。両方の偏光は同じ出力を有し、同じ状況下で集光される。ラジアル偏光は、場の増強効果を担う少なくとも４倍強い縦成分を与える。非常に高い信号対雑音比（ＳＮＲ）の向上が非線形光学分光法において得られ得る。線形偏光と対照的に、集光されたラジアル偏光の縦成分は焦点の中心にピークがある。したがって、チップを励起場に位置合せすることが、以前のチップ増強無開口ＮＳＯＭよりもはるかに容易になる。
【００９４】
動作の別のモードでは、強力に集光されたラジアル偏光が、金属化されたＡＦＭプローブを上部から照らし得る。ＳｉまたはＳｉＮベースのＡＦＭプローブのほとんどについて、透明である波長を選ぶ必要がある。これらの波長は、近赤外線の中にある。市場で入手可能なＡＦＭプローブは、ＳＰＲをサポートし得る金属（たとえば銀、金、およびアルミニウムなど）で単純にコーティングされ得る。ラジアル偏光がチップに結合されると、無開口ＮＳＯＭプローブとして用いられ得る強い場がチップの尖部に生成されることになる。これは、無開口ＮＳＯＭプローブを作り出す単純な方法を提供する。さらに、結合効率を向上させるよう、マイクロレンズをＡＦＭプローブカンチレバ上に製造することが可能である（図１８）。
【００９５】
既存のＮＳＯＭ技術と比較して、提案される無開口ＮＳＯＭは以下の著しい利点を有する。すなわち、１）より強固なチップと、２）細かい位置合せ要件を取除くことによるユーザフレンドリーで容易な動作と、３）１０ｎｍよりも良好なところまでＮＳＯＭの空間分解能を向上させることと、４）最も高い局在的な場の増強を提供し、結果としてより早い画像取得を与えることとである。
【００９６】
カンチレバベースの無開口ＮＳＯＭシステム
低スループットの欠点を解消するよう、カンチレバベースのナノ開口部プローブがＮＳＯＭのために開発されている。典型的には、これらのプローブはＡＦＭ／スキャニングプローブ顕微鏡（ＳＰＭ）プラットホームと互換性がある。これらのカンチレバベースの開口ＮＳＯＭは、ラジアル偏光を用いる無開口ＮＳＯＭに変換され得る。これらの開口ＮＳＯＭを修正するために、照射をラジアル偏光（または円偏光渦ビーム）に偏光し、当該プローブを完全に金属化された無開口プローブに変更することが必要になる。無開口プローブは、これらのカンチレバベースの開口プローブから、完全な金属化によって作られ得る。そうでなければ、前のセクションにおいて記載された無開口プローブが用いられ得る。これにより、開口ＮＳＯＭおよび／またはＡＦＭとしての元々の機能を保ちつつ、無開口ＮＳＯＭを開発する経済的な方法が与えられ、実に汎用性があり、かつ多機能なツールが与えられる。
【００９７】
無開口ＮＳＯＭを用いるナノラマン
ナノラマンシステムが、前のセクションにおいて記載された無開口ＮＳＯＭとラマン分光法とを組合せることにより構築され得る。強い場の増強および非常に高い分解能により、非常に局所化された領域からの信頼性のあるラマンスペクトルが得られ得る。このようなナノラマンシステムについての１つの例示的な図が図１９に示される。ラマン分光法システムは、無開口ＮＳＯＭシステムに取付られ、構造特性および試料の化学組成についての情報が、当該ラマンスペクトルの特徴を観察することにより分析され得る。無開口ＮＳＯＭ技術と組合せて、試料の非常に制限された領域からのラマンスペクトルが取得および分析され得る。このナノラマンプローブは、空間的に分解されたマイクロメカニカル特性および材料の化学組成を識別および分析するのに有望なツールであり、これにより１０ｎｍを下回る空間分解能で、材料のトポグラフィカル、マイクロメカニカル、およびマイクロケミカル特性の包括的なナノ特性評価を与える。
【００９８】
ＡＦＭおよびＮＳＯＭのようなスキャニングプローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、ラマン分光法と組合されて用いられ、ナノメートルの範囲へと空間分解能をさらに向上させ得る。はるかに高い空間分解能に加えて、ナノラマン分光法は、マイクロラマンおよび従来のラマン分光法と比較すると、根本的な違いを有する。スキャニングプローブの近傍における大きな場の勾配により、ナノラマン分光法はマイクロラマン技術よりもはるかに多くの情報を与える。
【００９９】
加えて、ラマン信号は、透過モードを通じて収集されるならば、さらに向上され得る。ラマン信号がダイポール放射に由来すると考えると、界面の近くまたは界面におけるダイポール放射が高屈折率基板に強く結合されることになるということは周知である。ラマン信号の主な部分は、収集されず、反射モード検出で検出される。信号のこの部分は単純に、透過モードで検出され得ない。なぜならば、それらの光子は、全内部反射角度を超えており、修正なしには後側から発することはないからである。しかしながら、固体油浸レンズおよび表面下結像のために開発されている技術は、これらの「失われた」光子を集めるのに用いられ得る。これらの技術を用いると、ラマン信号の強さおよび収集効率が著しく向上した。基本的に、基板の屈折率に整合するレンズキャップが用いられ得る。当該レンズキャップは、レンズキャップと基板とが半球レンズまたはスーパーＳＩＬを形成するように設計される。次いで、それらの「失われた」光子は、基板に結合され得るとともに検出器に到達し得る。このような設計の１つが図１９に示される。図１９では、円偏光渦（ＣＰＶ）ビームが、強く局在化された表面プラズモンを励起する照射として用いられる。螺旋位相要素（ＳＰＥ）、１／４分波長板、および偏光子が回転台上に搭載される。偏光子および１／４波長板の方向は、円偏光を作り出すよう設定される。ＳＰＥは、ＣＰＶビームが集光されると強い縦成分が生成され得るように方向付けされる。透過モードが示される。反射モードも当該図において破線で示される。信号処理ユニットが、電子制御フィードバックとラマン分光法データとの両方を処理した。照射経路における絞りは、チップ尖部での最適化された増強効果を作り出すよう調整可能である。このプローブは、異なる材料からなり得、レーザの波長と反射または透過モードが用いられるかどうかとに依存する。このプローブ材料は照射波長に対して透明であるべきである。このプローブは金属（銀、金、またはアルミニウムなど）の薄いフィルムで完全にコーティングされる。信号の強さおよび収集効率をさらに向上させるよう試料基板の屈折率と整合した固体油浸レンズキャップも破線で示される。これは、信頼性のある分光法分析についてのナノラマンの別の著しい向上である。１つの例示的な適用例は、シリコン基板を有する試料のためのものである。この場合、１．０６ミクロンの波長のような近赤外線（ＮＩＲ）励起が用いられてもよい。次いで、ラマンバンドが基板に対して透明であり、信号を向上させる提案されたレンズキャップ技術を用いて収集され得る。他の波長も、対象となるラマンバンドが試料に対して透明である限り用いられ得る。
【０１００】
上述した無開口ＮＳＯＭおよびナノラマンシステムは、高分解能の光学結像を必要とする、半導体製造、材料研究および開発、生物科学、ならびに多くの他の研究領域における数多くの適用例を有する。ラジアル偏光対称および表面プラズモン励起から得られる強い場の増強が、ナノスケールの分解能での多くの線形および非線形（たとえば、第二高調波結像、第三高調波結像など）光学結像に対するドアをさらに開く。このような新しい結像能力は確かに、上述した範囲を超える多くの他の研究領域および応用に利益をもたらす。さらに、ＣＶビームおよび円偏光渦ビームの焦点特性は、ナノ粒子捕捉、操作、および高分解能結像における適用例を有する。以下に、上述したツールの潜在的な応用の例をいくつか提供する。
【０１０１】
目視検査のための光学顕微鏡、表面分析のための白色光干渉計から、複雑な薄いフィルムの特性評価のための分光エリプソメータまで、光学計測技術は半導体製造ラインにおい
て強力なツールであるとともに幅広く用いられている。しかしながら、ナノリソグラフィおよびマイクロファブリケーションにおける著しい進歩により、光学計測技術の能力が大幅に引伸ばされている。国際半導体技術ロードマップ（International Technology Roadmap for Semiconductors；ＩＴＲＳ）によると、４５ｎｍのノードおよびそれを超えるもののためであって、次の数年で解決策が早急に必要とされる重要な計測分野の１つは、装置寸法での構造および要素の分析である。「材料特性評価および計測方法は、装置寸法に対して、界面の層、ドーパントの位置、および原子濃度の制御のために必要とされる。」前のセクションにおいて記載されたナノラマンシステムは、これらの技術的な困難さに対する非常に有望な解決策である。材料マイクロメカニカル特性、局所的な変形、および組成がラマンシフトに影響を与える。したがって、ラマンシフトイメージを計測することで、試料についての構造的（応力／歪み）および要素的な情報が与えられ得る。１０ｎｍより良好な分解能で、我々のナノラマンシステムは、半導体産業に対して、装置レベルの構造的および要素的計測への実行可能な解決策を与え得る。成熟しているＮＳＯＭ技術とともに、無開口ＮＳＯＭおよびナノラマンは、インライン計測のために半導体製造ラインに統合されてもよく、歩留まりを改善する。
【０１０２】
それらのユニークなメカニカル、熱、電気、光学特性および量子閉じ込め効果により、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）が、１９９０年代初頭におけるそれらの発見から集中的に研究されている。それらの光学特性の中で、ラマン「シグニチャ」が、単一壁カーボンナノチューブ（single wall carbon nano tube；ＳＷＣＮＴ）を特性評価するのにしばしば用いられる。ラマン分光法は、分子振動および回転の検査のための強力なツールである。特定の分子は、スペクトルシフトにおいて自身の際立った特徴または「指紋（fingerprints）」を有する。このラマンシフトを観察することにより、試料についての豊富な情報が得られ得る。ＳＷＣＮＴについて、ラマンスペクトルのいくつかの異なるモードが識別され、それらの異なる特性と関連付けられている。たとえば、いわゆるラジアル・ブリージングモード（radial breathing mode；ＲＢＭ，〜１００−３００波数）が、チューブの直径、キラリティ、構造、および導電性（金属または半導体的）を特徴評価するのに用いられ、Ｄバンド（〜１３００波数）が、不具合について特性評価するのに用いられ得る。ＳＷＣＮＴのほとんどの分光法研究は、分解能の欠如のために、アンサンブル平均された計測である。最近、チップ増強されたＮＳＯＭを有する個々のＳＷＣＮＴのナノスケールのラマンが成功したことが報告されている［３５］。信頼性のあるナノラマン計測の実現は、ラマン分光法コミュニティにおいて「聖杯」として考えられている。我々の新しい無開口ＮＳＯＭの強力な場の増強により、ラマン信号は著しく増強され、これによりＳＷＣＮＴの信頼性のある包括的な特性評価を可能にする。この研究の主な目標の１つは、合成されたＳＷＣＮＴを特徴評価し、それらの成長プロセスを完了させることである。加えて、近接場ラマン分光法は、遠距離場ラマン分光法とは異なる際立った特徴を有し得る［３６］。これは、チップの尖部の近くの強い場の勾配によって引起される選択ルールの変更によるものである。しかしながら、このような違いは、ＳＷＣＮＴのラマン観察においては観察されていない。これはおそらく、以前の研究における利用可能な信号レベルが低いためであろう。我々は、この違いを実証し、ＳＷＣＮＴおよび他のナノ材料特徴評価におけるその応用の探索を試みることにする。今のところ研究されていないＣＮＴの１つの特性は、プラズモン特性である。ナノ金属粒子の連なりを用いるプラズモンガイドが報告され、強い光子閉じ込めについて展開されている多くの適用例が開発されている。ＳＷＣＮＴおよびＣＮＴバンドルは非常に伝導性が高くなり得るということが公知である。「ＳＷＣＮＴバンドルのＳＷＣＮＴにおいてプラズモンを励起および伝播することが可能であろうか？」「プラズモンはどれぐらい強くガイドされ得るか？」「伝播ロスはなんであろうか？」これらは、答えられる必要がある興味深い根本的な質問のほんのいくつかである。我々はこの新しい無開口ＮＳＯＭを用いた際に報告された実験と類似した実験を設計し、ＣＮＴのプラズモン特性を探索することにする。成功すれば、これはセンサおよびフォトニック／プラズモニック回路網におけるＣＮＴの多くの潜在的な応用に対する機会を開
くかもしれない。
【０１０３】
細胞を区分化する機能に加えて、細胞膜も、代謝、信号伝達、および細胞輸送のような多くの重要なプロセスに含まれる。さらに、多くの脂質の代謝産物が、炎症、生殖、睡眠−覚醒サイクルの調整および老化に関連する生理学的事象の局所仲介物質として作用するということが発見されている。これらの細胞のプロセスに含まれる膜間相互作用を理解することにより、さまざまな人間の病と闘う根本的に新しい機会が可能になる。多くの注目を集めている膜生物学の特定の局面は、アラキドン酸カスケードである。ポリ飽和アラキドン酸（３）の代謝により、広範囲にわたる生理学的効果を有する多くの潜在的な局所仲介物質の生成がなされる。これらの代謝産物の多くは、炎症反応に伴われることが公知である。しかしながら、膜結合型のアラキドン酸の非酵素で触媒された酸化を介して作り出されたイソプロスタンについてはほとんど知られていない。酸化ストレスの信頼性のある表示として機能するのに加えて、多くのイソプロスタンは、炎症事象に関係付けられる潜在的な生物学的活動を示している。提案された偏光増強顕微鏡技術は、前例のない空間分解能および感度で、それらの脂質酸化生成物の相互作用および機能を識別および観察する新しい分光技術をもたらす多大な機会を開く。これらの技術は、膜および膜間の観察について理想的に好適である。Ｃｙ５およびＢＯＤＩＰＹ  Ｒ６Ｇスクシンイミジルエステルのような蛍光ラベルが、これらの脂質の代謝産物の膜の相互作用を調べるのに用いられ得る。金のナノ粒子およびラマン分光法も、これらの相互作用のラベルのない検出のために適用されてもよい。活性したラベル付けされたイソプロスタニル（isoprostanyl）リン脂質は、代謝体の位置、寿命、分布、および細胞膜の二次元の制約内での関連性を調べるのに用いられ得る。潜在的には、単一の分子レベルでの情報が、無開口ＮＳＯＭ、表面プラズモン顕微鏡、およびレーザ捕捉ＮＳＯＭを用いて達成可能であるかもしれない。さらに、膜の生物物理学的特性における変化に対する洞察がこれらの技術を用いてさらに発見されるかもしれない。脂質の酸化は、細胞膜の生理化学的特性を大幅に変更し得るということが既知である。この新しい技術は、細胞膜内における酸化したリン脂質の凝集状態および位置を含む脂質の分布のより正確な評価を可能にする。これらの脂質酸化副産物の寿命、分布、相互作用、および物理効果に対する重大な洞察が、提案された研究を通じて利用可能になる。これらの研究はさらに、酸化ストレスの背後にあるメカニズム、ならびに糖尿病のような、酸化によるダメージを含む他の病および状態に関係する有用な情報を与え得る。
【０１０４】
「好ましく」、「一般的には」、および「典型的には」といった用語は、特許請求された発明の範囲を限定、またはある特徴がクレームされた発明の構造または機能に対して重大、必須、または重要であるということを示すようにはここでは用いられてはいない。そうではなく、これらの用語は単に、この発明の特定の実施例において用いられても用いられなくてもよい代替的または付加的な特徴を強調するよう意図される。
【０１０５】
この発明を説明および規定する目的で、「実質的に」という用語は、任意の量的な比較、値、計測、または他の表現によるものとなり得る不確実性の固有の程度を示すよう用いられる。「実質的に」という用語はさらに、ここでは、量的な表現が、問題の主題の基本的な機能において変化を起こすことなく、述べられた参照値から変動し得る程度を示すよう用いられる。
【０１０６】
本明細書において、特定のやり方、または特定の特性もしくは機能を実施する「構成される」という、この発明のある構成要素についての表現は、意図する使用の表現とは対照的に、構造的な表現である。たとえば、特定の態様でレーザビームを変換するよう「構成されている」ビーム生成アセンブリおよび倒立光学顕微鏡アセンブリに対する本明細書での参照は、当該ビーム生成アセンブリおよび倒立光学顕微鏡アセンブリの存在する物理的状態を示し、したがって、構造的特性の明確な表現として解釈されるべきである。
【０１０７】
この発明を詳細に記載し、その具体的な実施例に対して参照することにより、特許請求の範囲において規定されるこの発明の範囲から逸脱することがなければ修正および変形が可能であるということは明らかであろう。より具体的には、この発明のいくつかの局面は、本明細書中において好ましいかまたは特に有利であると識別されるが、この発明は、この発明のこれらの好ましい局面に必ずしも限定されないということを意図する。
【図１Ａ】
2009541742.tif 000024
【図１Ｂ】
2009541742.tif 000025
【図１Ｃ】
2009541742.tif 000026
【図３】
2009541742.tif 000027
【図４】
2009541742.tif 000028
【図５】
2009541742.tif 000029
【図１０】
2009541742.tif 000030
【図１１】
2009541742.tif 000031
【図１２】
2009541742.tif 000032
【図１３Ａ】
2009541742.tif 000033
【図１３Ｂ】
2009541742.tif 000034
【図１３Ｃ】
2009541742.tif 000035
【図１３Ｄ】
2009541742.tif 000036
【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
2009541742.tif 000039
2009541742.tif 000040
【図１６】
2009541742.tif 000041
【図１７】
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【図１８】
2009541742.tif 000043
【図１９】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
2009541742.tif 000046
【図６】
2009541742.tif 000047
【図７】
2009541742.tif 000048
【図８】
2009541742.tif 000049
【図９】
2009541742.tif 000050
【手続補正書】
【提出日】平成21年2月24日(2009.2.24)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ビーム生成アセンブリと、光学顕微鏡アセンブリと、信号検出アセンブリとを含む光学システムであって、
前記ビーム生成アセンブリはレーザ源を含むとともに、前記レーザ源からのレーザ出力を、前記光学顕微鏡アセンブリへの入力としてラジアル偏光ビームに変換するよう構成され、
前記光学顕微鏡アセンブリはプラズモン生成光学ファイバと対物レンズとを含み、前記ビーム生成アセンブリは、前記ラジアル偏光ビームを前記光学顕微鏡アセンブリの前記プラズモン生成光学ファイバの中に方向付けするよう構成され、
前記プラズモン生成光学ファイバは、尖部を規定する金属コーティングされた、テーパが設けられた無開口チップを含み、
前記無開口チップは、ラジアル偏光ビームが前記ビーム生成アセンブリから前記チップの前記尖部の方向に前記プラズモン生成光学ファイバに沿って伝播すると、表面プラズモン波を励起するとともに前記チップの前記尖部に対して前記表面プラズモン波を方向付けするよう構成され、
前記対物レンズは前記無開口チップの前記尖部の近傍に位置決めされる試料から近接場光学信号を収集するとともに、前記近接場光学信号を前記信号検出アセンブリに方向付けするよう構成される、光学システム。
【請求項２】
前記信号検出アセンブリは、検出装置、分光計、光子計数システム、またはそれらの組合せを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
画像処理および表示のための装置をさらに含み、
前記信号検出アセンブリは、前記検出装置、分光計、および光子計数システムの出力を、画像処理および表示のための前記装置に送るよう構成される、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記信号検出アセンブリの検出器は、光電子倍増管、単一光子計数アバランシェ光ダイオード、電荷結合素子アレイ検出器、またはそれらの組合せを含む、請求項２に記載のシ
ステム。
【請求項５】
前記信号検出アセンブリはさらに、高速スペクトル取得および結像のための電荷結合素子を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記光学顕微鏡アセンブリはさらに、ハロゲンバルブ源と、広視野の観察および記録のためのカメラとを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記金属コーティングされた、テーパが設けられた無開口チップは、約３０ｎｍから約１００ｎｍの間の厚みを有する銀の層でコーティングされる、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記金属コーティングされた、テーパが設けられた無開口チップの形状は、前記光学システムの場の増強因子に影響を与えるよう構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記金属コーティングされた、テーパが設けられた無開口チップは、音叉に搭載されるよう構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記音叉は、ディザリングピエゾによって機械的に駆動されるよう構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記光学顕微鏡アセンブリは、せん断力音叉フィードバックを用いて、前記試料に近づくよう構成される、請求項９に記載のシステム。
【請求項１２】
前記試料のトポグラフィ情報は、ｚピエゾ電圧および前記音叉フィードバックから得られるよう構成される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
金属コーティングされた、テーパが設けられた無開口チップは、原子間力顕微鏡プローブである、請求項９に記載のシステム。
【請求項１４】
前記金属コーティングされた、テーパが設けられた無開口チップと前記試料との間の距離は、音叉フィードバックの振幅を監視することにより調整されるよう構成される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記光学顕微鏡アセンブリはさらに、試料スキャニングのための低プロファイルナノポジショナをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記光学顕微鏡アセンブリは、反射モードにおいて、透過した信号を収集するよう構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記光学顕微鏡アセンブリは、透過モードにおいて、透過した信号を収集するよう構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記対物レンズは、無限補正油浸レンズである、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記光学顕微鏡アセンブリはさらに、ラマン分光法システムを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記光学顕微鏡アセンブリは、透過モードにおいて、透過したラマン分光法信号を収集するよう構成される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記信号検出アセンブリは、ラマン分光法データを処理するよう構成される、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
ビーム生成アセンブリと、光学顕微鏡アセンブリと、信号検出アセンブリとを含む光学システムであって、
前記ビーム生成アセンブリはレーザ源を含むとともに、前記レーザ源からのレーザ出力を、前記光学顕微鏡アセンブリへの入力として円偏光渦ビームに変換するよう構成され、
前記光学顕微鏡アセンブリはプラズモン生成光学ファイバと対物レンズとを含み、前記ビーム生成アセンブリは、前記円偏光渦を前記光学顕微鏡アセンブリの前記プラズモン生成光学ファイバの中に方向付けするよう構成され、
前記プラズモン生成光学ファイバは、尖部を規定する金属コーティングされた、テーパが設けられた無開口チップを含み、
前記無開口チップは、円偏光渦ビームが前記ビーム生成アセンブリから前記チップの前記尖部の方向に前記プラズモン生成光学ファイバに沿って伝播すると、表面プラズモン波を励起するとともに前記チップの前記尖部に対して前記表面プラズモン波を方向付けするよう構成され、
前記対物レンズは前記無開口チップの前記尖部の近傍に位置決めされる試料から近接場光学信号を収集するとともに、前記近接場光学信号を前記信号検出アセンブリに方向付けするよう構成される、光学システム。
【請求項２３】
エバネッセントベッセルビームを生成するためのシステムであって、ビーム生成アセンブリと、浮遊レンズと、誘電／金属基板と、屈折率整合材料と、薄い金属フィルムとを含み、
前記ビーム生成アセンブリは、レーザ源を含み、かつ前記レーザ源からのレーザ出力をラジアル偏光ビームに変換するとともに、前記ラジアル偏光ビームで前記浮遊レンズの瞳面を照射するよう構成され、
前記レンズは、前記ラジアル偏光ビームを集束球面波出力に変換するとともに、前記集束球面波出力を前記誘電／金属基板の界面に集光し、表面プラズモン波を励起するよう構成され、誘電／金属の界面は、前記浮遊レンズの焦点に位置し、
前記誘電／金属基板の底面は、前記薄い金属フィルムでコーティングされ、前記エバネッセントベッセルビームは前記薄い金属フィルムを通った後で生成され、
前記屈折率整合材料は、前記浮遊レンズと前記誘電／金属基板との間の空間を満たすよう構成され、前記屈折率整合材料の屈折率は、前記誘電／金属基板としての屈折率と整合する、システム。
【請求項２４】
前記薄い金属フィルムは、銀の５０ｎｍの層を含む、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記ラジアル偏光ビームは、ドーナツ型のエバネッセントベッセルビームを生成するアジマス偏光照射である、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２６】
円筒ベクトルビームを生成するシステムであって、レーザビーム源と、ラジアルアナライザと、螺旋位相要素と、二重の１／２波長板偏光回転子とを含み、
前記レーザビーム源は、前記ラジアルアナライザへの入力としてレーザビーム出力を作り出すよう構成され、前記ラジアルアナライザの出力は、位相におけるレーザビームの円筒対称を壊すよう構成され、
前記螺旋位相要素は、位相遅延を導入することにより、前記ラジアルアナライザからの前記出力のベリー位相について補償を行なうよう構成され、
前記二重の１／２波長板偏光回転子は、前記螺旋位相要素の出力の偏光を、所望の円筒対称パターンへと回転し、前記円筒ベクトルビームを作り出すよう構成される、システム
。
【請求項２７】
前記レーザビーム出力はラジアル偏光ビームである、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２８】
前記レーザビーム出力は円偏光渦ビームである、請求項２６に記載のシステム。
【請求項２９】
前記螺旋位相要素は、近屈折率整合流体に浸される、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３０】
前記ｅビーム書込螺旋位相要素の前記位相遅延は、１回の完全な旋回で３６０°に到達するよう構成される、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３１】
前記円筒ベクトルビームは、浮遊レンズを用いて集光され、レンズの焦点に向かって集束する球面波を作り出し得、捕捉されることになる粒子が前記浮遊レンズの焦点に存在する、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３２】
前記浮遊レンズの照射瞳開口部を調整することにより、平頂集光が達成される、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
円偏光の光を螺旋位相要素に通すことにより、円偏光渦ビームをさらに生成する、請求項２６に記載のシステム。
【請求項３４】
円筒ベクトルビームを光学ファイバに入射させるシステムであって、レーザビーム源と、ラジアルアナライザと、ｅビーム書込螺旋位相要素と、レンズと、光学ファイバとを含み、
前記レーザビーム源は、前記ラジアルアナライザへの入力として円偏光レーザビームを作り出すよう構成され、前記ラジアルアナライザの出力は、位相における前記円偏光レーザビームの円筒対称を壊すよう構成され、
前記ｅビーム書込螺旋位相要素は、位相遅延を導入することにより、前記ラジアルアナライザからの前記出力のベリー位相について補償を行なうよう構成され、
前記レンズは、ｅビーム書込螺旋位相要素からの偏光出力を前記光学ファイバに集光するよう構成される、システム。
【請求項３５】
結像レンズと、電荷結合素子とをさらに含み、
前記結像レンズは前記光学ファイバから前記偏光出力を受取り、かつ前記偏光出力を表示のための電荷結合装置に集光するよう構成される、請求項３４に記載のシステム。
【国際調査報告】
2009541742.tif 000051
2009541742.tif 000052
2009541742.tif 000053
2009541742.tif 000054
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