(57)【要約】      （修正有）【課題】ホットスポットが光学素子の表面に露出し、且つプラズモン増強効果が高い分析装置を提供する。【解決手段】分析装置は、第２金属層３０が、第１方向に、第１のピッチで複数並んで第１金属列３１を構成し、第１金属列が、第１方向と交差する第２方向に第２のピッチで並んで配置される光学素子１００と、照射光により、光学素子からの放射光を検出する検出器と、を備え、光学素子の前記第２金属層の配置は、式（１）の関係を満たす。Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１・・・（１）［Ｐ１、Ｐ２は第１、２のピッチ、Ｑは、第２金属層の列に励起される局在型プラズモンで、式（２）で表す。]（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ（ｍ＝±１，±２，，）・・・（２）[局在型プラズモンの角振動数をω、金属の誘電率をε（ω）、金属周辺の誘電率をε、真空中の光速をｃ、入射光の傾斜角をθ、とする。]【選択図】図１
2015055482.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１金属層と、前記第１金属層を貫通している誘電体柱の上に配置され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層が、第１方向に、第１のピッチで複数並んで第１金属列を構成し、前記第１金属列が、前記第１方向と交差する第２方向に第２のピッチで並んで配置されている、光学素子と、
前記光学素子に入射光を照射する光源と、
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第２金属層の配置は、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のピッチ、Ｐ２は前記第２のピッチ、Ｑは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記第１金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記第１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第１金属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ピッチを表す。］
（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】
第１金属層と、前記第１金属層の上に形成された誘電体柱の上に配置され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層が、第１方向に、第１のピッチで複数並んで第１金属列を構成し、前記第１金属列が、前記第１方向と交差する第２方向に第２のピッチで並んで配置されている、光学素子と、
前記光学素子に入射光を照射する光源と、
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第２金属層の配置は、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のピッチ、Ｐ２は前記第２のピッチ、Ｑは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記第１金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記第１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第１金属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ピッチを表す。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記第２金属層が前記第１方向に第３のピッチで複数並んで構成された第２金属列を含み、
前記第２金属列は、前記第２方向に前記第２のピッチで並び、前記第１金属列と交互に並んで配置されている、分析装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記第１のピッチと前記第３のピッチとは同じであり、
前記第１金属列に属する第２金属層と、前記第２金属列に属する第２金属層とは、形状、寸法、及び位置する高さが同じである、分析装置。
【請求項５】
請求項３において、
前記第１金属列に属する第２金属層と、前記第２金属列に属する第２金属層とは、形状、寸法、及び位置する高さの少なくとも一種が異なる、分析装置。
【請求項６】
請求項１又は請求項２において、
前記第２金属層が前記第１方向に第３のピッチで複数並んで構成された第２金属列と、前記第２金属層が前記第１方向に第４のピッチで複数並んで構成された第３金属列と、を含み、
前記第２金属列及び前記第３金属列は、それぞれ、前記第２方向に前記第２のピッチで並び、前記第１金属列と交互に並んで配置され、
前記第１金属列、前記第２金属列及び前記第３金属列のぞれぞれに属する第２金属層は、形状、寸法、及び位置する高さの少なくとも一種が互いに異なる、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、
前記入射光は、前記第１方向と同じ方向の直線偏光光である、分析装置。
【請求項８】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、
前記入射光は、前記第２方向と同じ方向の直線偏光光である、分析装置。
【請求項９】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、
前記入射光は、円偏光光である、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１１】
第１金属層と、前記第１金属層を貫通している誘電体柱の上に配置され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層が、第１方向に、第１のピッチで複数並んで第１金属列を構成し、前記第１金属列が、前記第１方向と交差する第２方向に第２のピッチで並んで配置されている、光学素子であって、
前記第２金属層の配置は、下記式（１）の関係を満たす、光学素子。
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は前記第１のピッチ、Ｐ２は前記第２のピッチ、Ｑは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記第１金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記第１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第１金属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ピッチを表す。］
（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】
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、第１金属層と、前記第１金属層を貫通して形成された誘電体柱の上に配置され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層が、第１方向に、第１のピッチで複数並んで第１金属列を構成し、前記第１金属列が、前記第１方向と交差する第２方向に第２のピッチで並んで配置されており、
前記光学素子の前記第２金属層は、下記式（１）の関係を満たすように配置されている、分析方法。
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は前記第１のピッチ、Ｐ２は前記第２のピッチ、Ｑは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記第１金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記第１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第１金属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ピッチを表す。］
（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】
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、第１金属層と、前記第１金属層の上に形成された誘電体柱の上に配置され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層が、第１方向に、第１のピッチで複数並んで第１金属列を構成し、前記第１金属列が、前記第１方向と交差する第２方向に第２のピッチで並んで配置されており、
前記光学素子の前記第２金属層は、下記式（１）の関係を満たすように配置されている、分析方法。
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は前記第１のピッチ、Ｐ２は前記第２のピッチ、Ｑは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記第１金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記第１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第１金属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ピッチを表す。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
【請求項１４】
請求項１ないし請求項１０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、及び抗原・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、又は、無機分子及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及び電子機器に関する。
【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。例えば、空港等における、嘔吐、下痢、発熱を呈する患者の診断は、感染拡大を防ぐためにも喫緊を要する。また、感染症検査は、細菌かウィルスかで処置が異なり、更に感染経路を絶つためにも細菌やウィルスの種類を迅速に同定することが重要である。
【０００３】
このような要請から、近年、電気化学的な手法をはじめさまざまなタイプのセンサーが検討されているが、集積化が可能、低コスト、そして、測定環境を選ばないといった理由から、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を用いたセンサーに対する関心が高まっている。例えば、全反射型プリズム表面に設けた金属薄膜に発生させたＳＰＲを用いて、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、物質の吸着の有無を検出するものが知られている。また、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）を用い、センサー部位に付着した物質のラマン散乱を検出し付着物質の同定を行うなどの方法も検討されている。
【０００４】
このようなセンサーの構造として、例えば、非特許文献１、２等に、可能性のある幾つかの構造が提案されている。非特許文献１には、Ｇａｐ  ｔｙｐｅ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｌａｓｍｏｎ  ｐｏｌａｒｉｔｏｎ（ＧＳＰＰ）モデルが示す局在型プラズモン（ＬＳＰ）に加え、ＸＹ方向（基板面に平行な方向）に伝搬型プラズモン（ＰＳＰ）を起こすハイブリッド構造が提案されている。非特許文献２には、ホットスポット密度（ＨＳＤ）を高めた構造として、Ｄｉｓｋ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｏｔｓ−ｏｎ−ｐｉｌｌａｒ  ａｎｔｅｎｎａ  ｍｏｄｅｌ（Ｄ２ＰＡモデル）が提案されている。
【０００５】
非特許文献２に開示された構造では、ＳｉＯ２で形成されたピラーの側面に成長させた金のナノ粒子の間のギャップ（ナノギャップ）に生じる局在型プラズモン（ＬＳＰ）を利用する方式を採用している。当該文献のＦｉｇ．４をみると、ナノ粒子がない場合には、電場の増強度は、｜Ｅ４／Ｅ０４｜〜１０５、すなわち、｜Ｅ｜〜１７．８｜Ｅ０｜となっており、ナノ粒子がピラーの側面に存在する場合には、｜Ｅ４／Ｅ０４｜〜１０７、すなわち、｜Ｅ｜〜５６．２｜Ｅ０｜となっている。
【０００６】
一方、特許文献１には、基体の上に直接、金属構造体を形成した標的物質検出装置が開示されている。同文献の装置では、金属構造体がマトリックス状に配置され、マトリックスの一方の方向の金属構造体間の間隔のほうが、他方の方向の金属構造体間の間隔よりも小さくなるように配置されている。そして、狭い方の間隔が、共鳴波長の１／１０以下であり、当該間隔の狭い方向の偏光光を入射し、広い方の間隔が、共鳴波長の１／４から共鳴波長までの範囲となっている。また同文献の段落０００８には、金属構造体の距離を小さくすると電場増強度を大きくできるが、吸収スペクトルのピーク幅が広がってしまう旨
の課題が記載されており、同文献段落００１８等に、係る課題を解決するために基体の屈折率と金属構造体周辺の媒質の屈折率を近づける等の手段が記載されている。同文献の段落００４７には、係る手段により基体と金属構造体界面のプラズモン共鳴条件が近づき、吸収スペクトルのピーク幅を狭くすることができる旨の記載がある。また、同文献の段落００３１には、狭い方の間隔を広げると電場増強度が小さくなる、との記載があり、同文献に記載された装置では、局在型プラズモンを利用していることが示唆される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−０８５７２４号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】OPTICS LETTERS,Vol.34,No.3,2009,244-246
【非特許文献２】OPTICS EXPRESS,Vol.19,No.5,2011,3925-3936
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の非特許文献１に開示された構造では、表面プラズモンのホットスポット（ＨＳ）が数ナノメートル以下と非常に局部的となり、ウィルス等の５ｎｍ以上のサイズの試料検査には必ずしも好適とは言えない。すなわち、ＧＳＰＰモデルをハイブリッド化することは、（１）ホットスポットにおける増強度を高めることはできるものの、金属粒子（金粒子）のアレイにおける配列のピッチが、励起波長にほぼ等しい７８０ｎｍ（ＰＳＰが生じる条件）であるため、ホットスポット密度を高めることが難しいこと、（２）ホットスポットが形成される位置が、金属粒子（金粒子）と下地のＳｉＯ２の接点付近となるため、センシングの対象となる物質（分子）が入り込みにくい（接近しにくい）狭い領域となること、（３）センサー構造を形成するための製造プロセスが複雑となること、などの問題があった。
【００１０】
また、非特許文献２に開示された技術では、ナノ粒子を蒸着によって形成することから、ナノギャップのコントロールが困難であり、同文献にも、そのばらつきによるＳＥＲＳ増強の均一性は、２２．４％と大きな値となることが報告されている。また、同文献のナノギャップは、５ｎｍ以下と狭いため、非特許文献１の構造と同様に、センシング物質（測定対象となる物質）のサイズが、例えば直径５ｎｍ以上と大きい場合には、ナノギャップに生じるホットスポットにセンシング物質が入り込むことできないため、ＳＥＲＳ効果を十分に高めることができないという問題があった。
【００１１】
さらに、上記特許文献１の標的物質検出装置では、基板に直接金属構造体を格子状に並べ、配列が密な方向に電場を振った偏光光を用いている。したがって、係る金属構造体を一列に並べた回折格子は、Ｗｏｏｄのアノマリ（Wood’s anomalies）の機能を利用するものである。そのため、同文献では、局在型プラズモンと金属構造体が作るスリットを通過する透過光量と、金属構造体の存在確率とによって現象が説明されている。また、係る装置では、金属構造体の下地に金属層等は存在しておらず、伝搬型プラズモンを利用するものではないため、格別に大きな増強効果を期待することはできず、ＳＥＲＳに適用することは難しかった。
【００１２】
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、ホットスポットが光学素子の表面に露出し、且つプラズモン増強効果が高い分析装置、分析方法、これらに用いる光学素子及び電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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、以下の態様または適用例として実現することができる。
【００１４】
本発明に係る分析装置の一態様は、第１金属層と、前記第１金属層を貫通している誘電体柱の上に配置され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層が、第１方向に、第１のピッチで複数並んで第１金属列を構成し、前記第１金属列が、前記第１方向と交差する第２方向に第２のピッチで並んで配置されている、光学素子と、前記光学素子に入射光を照射する光源と、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第２金属層の配置は、下記式（１）の関係を満たす。
【００１５】
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は前記第１のピッチ、Ｐ２は前記第２のピッチ、Ｑは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記第１金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記第１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第１金属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ピッチを表す。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
【００１６】
このような分析装置によれば、第２金属層の上面及び下面の端部が、いずれも測定対象に接触可能な構造となっている光学素子を備えており、ホットスポットが素子表面に露出している。したがって、分析対象となる物質がホットスポットに位置しやすい。さらに、第１金属層が第２金属層の近傍に配置されているため、局在型プラズモン及び伝搬型プラズモンの共鳴効果を生じさせることができる。そのためプラズモンに基づく光の増強度が非常に大きく、分析対象となる物質を極めて高感度に分析することができる。
【００１７】
本発明に係る分析装置の一態様は、第１金属層と、前記第１金属層の上に形成された誘電体柱の上に配置され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層が、第１方向に、第１のピッチで複数並んで第１金属列を構成し、前記第１金属列が、前記第１方向と交差する第２方向に第２のピッチで並んで配置されている、光学素子と、
前記光学素子に入射光を照射する光源と、
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第２金属層の配置は、下記式（１）の関係を満たす。
【００１８】
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は前記第１のピッチ、Ｐ２は前記第２のピッチ、Ｑは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記第１金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記第１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第１金属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ピッチを表す。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
【００１９】
このような分析装置によれば、第２金属層の上面及び下面の端部が、いずれも測定対象に接触可能な構造となっている光学素子を備えており、ホットスポットが素子表面に露出している。したがって、分析対象となる物質がホットスポットに位置しやすい。さらに、
第１金属層が第２金属層の近傍に配置されているため、局在型プラズモン及び伝搬型プラズモンの共鳴効果を生じさせることができる。そのためプラズモンに基づく光の増強度が非常に大きく、分析対象となる物質を極めて高感度に分析することができる。
【００２０】
本発明の分析装置において、前記第２金属層が前記第１方向に第３のピッチで複数並んで構成された第２金属列を含んでもよく、前記第２金属列は、前記第２方向に前記第２のピッチで並び、前記第１金属列と交互に並んで配置されていてもよい。
【００２１】
このような分析装置によれば、ホットスポット密度を高めることができる。
【００２２】
本発明の分析装置において、前記第１のピッチと前記第３のピッチとは同じであってもよく、前記第１金属列に属する第２金属層と、前記第２金属列に属する第２金属層とは、形状、寸法、及び位置する高さが同じであってもよい。
【００２３】
このような分析装置によれば、分析対象となる物質に依存する散乱光の波長に対して、光学素子の増強度プロファイルを調整する際の自由度を高め、ホットスポット密度を高めることができる。
【００２４】
本発明の分析装置において、前記第１金属列に属する第２金属層と、前記第２金属列に属する第２金属層とは、形状、寸法、及び位置する高さの少なくとも一種が異なってもよい。
【００２５】
このような分析装置によれば、分析対象となる物質に依存する散乱光の波長に対して、光学素子の増強度プロファイルを調整する際の自由度を高めることができる。これにより、広範な分析対象に対して、十分に高いプラズモン増強効果を得ることができる。
【００２６】
本発明の分析装置において、前記第２金属層が前記第１方向に第３のピッチで複数並んで構成された第２金属列と、前記第２金属層が前記第１方向に第４のピッチで複数並んで構成された第３金属列と、を含んでもよく、前記第２金属列及び前記第３金属列は、それぞれ、前記第２方向に前記第２のピッチで並び、前記第１金属列と交互に並んで配置され、前記第１金属列、前記第２金属列及び前記第３金属列のぞれぞれに属する第２金属層は、形状、寸法、及び位置する高さの少なくとも一種が互いに異なってもよい。
【００２７】
このような分析装置によれば、分析対象となる物質に依存する散乱光の波長に対して、光学素子の増強度プロファイルを調整する際の自由度を高めることができる。これにより、広範な分析対象に対して、十分に高いプラズモン増強効果を得ることができる。
【００２８】
本発明の分析装置において、前記入射光は、前記第１方向と同じ方向の直線偏光光であってもよい。
【００２９】
本発明の分析装置において、前記入射光は、前記第２方向と同じ方向の直線偏光光であってもよい。
【００３０】
本発明の分析装置において、前記入射光は、円偏光光であってもよい。
【００３１】
これらの分析装置によれば、光学素子のプラズモンに基づく光の増強度プロファイルを広くとれるため、広範な微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。
【００３２】
本発明の分析装置において、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。
【００３３】
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を備えているため、ラマン散乱光を十分に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。
【００３４】
本発明に係る光学素子の一態様は、第１金属層と、前記第１金属層を貫通している誘電体柱の上に配置され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層が、第１方向に、第１のピッチで複数並んで第１金属列を構成し、前記第１金属列が、前記第１方向と交差する第２方向に第２のピッチで並んで配置されている、光学素子であって、前記第２金属層の配置は、下記式（１）の関係を満たす。
【００３５】
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は前記第１のピッチ、Ｐ２は前記第２のピッチ、Ｑは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記第１金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記第１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第１金属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ピッチを表す。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
【００３６】
このような光学素子によれば、第２金属層の上面及び下面の端部が、いずれも測定対象に接触可能な構造となっており、ホットスポットが素子表面に露出している。したがって、分析対象となる物質がホットスポットに位置しやすい。さらに、第１金属層が第２金属層の近傍に配置されているため、局在型プラズモン及び伝搬型プラズモンの共鳴効果を生じさせることができる。そのためプラズモンに基づく光の増強度を大きくとることができる。
【００３７】
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、第１金属層と、前記第１金属層を貫通している誘電体柱の上に配置され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層が、第１方向に、第１のピッチで複数並んで第１金属列を構成し、前記第１金属列が、前記第１方向と交差する第２方向に第２のピッチで並んで配置されており、前記光学素子の前記第２金属層は、下記式（１）の関係を満たすように配置されている。
【００３８】
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は前記第１のピッチ、Ｐ２は前記第２のピッチ、Ｑは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記第１金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記第１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第１金属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ピッチを表す。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
【００３９】
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、分析対象となる物質を極めて高感度に分析することができる。
【００４０】
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、第１金属層と、前記第１金属層の上に形成された誘電体柱の上に配置され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層が、第１方向に、第１のピッチで複数並んで第１金属列を構成し、前記第１金属列が、前記第１方向と交差する第２方向に第２のピッチで並んで配置されており、前記光学素子の前記第２金属層は、下記式（１）の関係を満たすように配置されている。
【００４１】
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は前記第１のピッチ、Ｐ２は前記第２のピッチ、Ｑは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記第１金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記第１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第１金属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ピッチを表す。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
【００４２】
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、分析対象となる物質を極めて高感度に分析することができる。
【００４３】
本発明に係る電子機器の一態様は、上述の分析装置と、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、を備える。
【００４４】
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。
【００４５】
本発明の電子機器において、前記健康医療情報は、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、及び抗原・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、又は、無機分子及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。
【００４６】
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】
【００４７】
【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第１金属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第１金属層の厚さ方向から見た模式図。
【図６】入射光及並びに金及び銀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、局在型プラズモン及び入射光の分散関係を示すグラフ。
【図９】実施形態の光学素子の要部を、ＧＳＰＰモデルと比較して示す模式図。
【図１０】第２金属列の一例を示す平面的な模式図。
【図１１】第２金属列の一例を示す平面的な模式図。
【図１２】実施形態の分析装置の概略図。
【図１３】実施形態の電子機器の概略図。
【図１４】実験例に係るモデルの一例を示す模式図。
【図１５】実験例に係るモデル及び反射率特性を示す模式図。
【図１６】実験例に係るモデルの反射率特性及び増強度プロファイルを示すグラフ。
【図１７】実験例に係るモデルの反射率特性を示すグラフ。
【図１８】実験例に係るモデルのホットスポットの分布を示す図。
【図１９】実験例に係るモデルのホットスポットの分布を示す図。
【図２０】実験例に係るモデルを模式的に示す図。
【図２１】実験例に係るモデルを模式的に示す図。
【図２２】実験例に係るモデルのホットスポットの位置依存性を示すグラフ。
【図２３】実験例に係るモデルを模式的に示す図。
【図２４】実験例に係るモデルの反射率特性及び増強度プロファイルを示すグラフ。
【図２５】実験例に係るモデルの規格化された反射率特性を示すグラフ。
【図２６】実験例に係る分散関係のグラフ。
【図２７】実験例に係るモデルの増強度プロファイル及びラマン散乱増強度を示すグラフ。
【図２８】実験例に係る分散関係のグラフ。
【図２９】実験例に係るモデルの反射率特性を示すグラフ。
【図３０】実験例に係る分散関係のグラフ。
【図３１】実験例に係るモデルの一例を示す模式図。
【図３２】実験例に係るモデルの模式図及び反射率特性を示すグラフ。
【図３３】実験例に係るモデルの例を示す模式図。
【図３４】実験例に係るモデルの模式図及び反射率特性を示すグラフ。
【図３５】実験例に係るモデルの例を示す模式図。
【図３６】実験例に係るモデルの反射率特性を示すグラフ。
【図３７】実験例に係るモデルの反射率特性及び増強度プロファイルを示すグラフ。
【図３８】実験例に係るモデルの例を示す模式図。
【図３９】実験例に係るモデルの反射率特性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００４８】
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。
【００４９】
１．光学素子
図１は、本実施形態の光学素子１００の斜視図である。図２は、本実施形態の光学素子１００を平面的に見た（第１金属層１０の厚さ方向から見た）模式図である。図３及び図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の他の態様の例を第１金属層１０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、第１金属層１０と、第１金属層１０の表面を貫通して形成された誘電体柱２０の上に配置された第２金属層３０と、を含む。
【００５０】
１．１．第１金属層
第１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、例えばフィルム、層又は膜の形状とすることができる。第１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、第１金属層１０に励起される伝搬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の第１金属層１０が設けられる面の形状も特に限定されない。第１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、第１金属層１０の表面を平面とする場合には、対応する部分の表面を平面としてもよい。図１〜図５の例では、基板１の表面（平面）の上に第１金属層１０が設けられている。
【００５１】
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。
【００５２】
また、本実施形態では、第１金属層１０の厚さ方向は、後述の第２金属層３０の厚さ方向と一致していてもよい。本明細書では、第１金属層１０の厚さ方向を、後述する誘電体柱２０、第２金属層３０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、第１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、厚み方向又は高さ方向と称する場合がある。さらに、基板１からみて、第１金属層１０側の方向を上、又は上方と表現し、その逆方向を下、又は下方と表現する場合がある。
【００５３】
第１金属層１０は、後述する誘電体柱２０によって、少なくとも表面が貫通される。表面が貫通されるとは、第１金属層１０が薄い場合に、第１金属層１０が誘電体柱２０によって貫通される場合と、第１金属層１０が厚い場合に、第１金属層１０の表面側に誘電体柱２０の下部が埋込まれる場合と、を含む。
【００５４】
第１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。また、第１金属層１０は、後述の第２金属層３０と同一の工程で形成されてもよい。第１金属層１０が薄膜状に基板１の上に設けられる場合には、誘電体柱２０を除く基板１の平面全体に設けられてもよいし基板１の一部に設けられてもよい。第１金属層１０の厚みは、第１金属層１０に伝搬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。
【００５５】
第１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しうる金属、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、銀、金、アルミニウム、銅、白金、及びそれらの合金等を挙げることができる。また、第１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。
【００５６】
第１金属層１０は、本実施形態の光学素子１００において伝搬型プラズモンを発生させる機能を有している。第１金属層１０に後述する条件で光を入射することにより、第１金属層１０の表面（厚さ方向の端面）近傍に伝搬型プラズモンが発生する。また、本明細書では、第１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）と称することがある。第１金属層１０に発生した伝搬型プラズモンは、後述の第２金属層３０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。
【００５７】
１．２．誘電体柱
誘電体柱２０は、第１金属層１０の表面を貫通して設けられる。そして、誘電体柱２０の上に第２金属層３０が配置される。したがって、第１金属層１０と第２金属層３０とは
、空間的に隔てて配置されることとなる。
【００５８】
誘電体柱２０の形状は、第１金属層１０の上側表面から突出する形状であって、誘電体柱２０の上に第２金属層３０を配置できる形状であれば、特に限定されない。誘電体柱２０の形状としては、例えば、柱状、錐台状、逆錐台状、こぶ（ｂｕｍｐ）状などが挙げられる。誘電体柱２０を基板１の表面に平行な面で切った断面の形状（輪郭形状）は、円、楕円、多角形又はそれらを組み合わせたものとすることができ、係る断面の形状や大きさ（寸法：サイズ）は、基板１の表面からの当該断面の位置に依存して変化してもよい。
【００５９】
誘電体柱２０は、第１金属層１０が薄膜である場合に、基板１と一体的に形成されてもよい。図１ないし図５の例では、誘電体柱２０は、基板１と一体的に形成されている。また、誘電体柱２０は、第１金属層１０の厚みが大きい場合には、第１金属層１０の上面に形成された穴に埋込まれてもよい。誘電体柱２０の材質は、基板１と同じでも異なってもよい。
【００６０】
誘電体柱２０は、例えば、基板１を成形する際に形成されてもよい。また、誘電体柱２０は、例えば、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、各種コーティング等と、フォトリソグラフィーの手法を組合わせる方法、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法等にて形成されてもよい。また、誘電体柱２０は、第１金属層１０が形成された後に、フォトリソグラフィー等によって第１金属層１０に貫通または非貫通の穴を形成し、当該穴に埋込まれるように形成されてもよい。誘電体柱２０は、第１金属層１０を形成する前に形成されてもよい。誘電体柱２０が第１金属層１０の形成前に形成される場合には、第１金属層１０と、第２金属層３０とを一の工程で形成することができる場合があり、光学素子１００の製造を効率的に行うことができる場合がある。
【００６１】
誘電体柱２０の高さ（第１金属層１０の「下面」の位置から、第２金属層３０の下面の位置までの、第１金属層１０の厚さ方向における距離）は、第１金属層１０の伝搬型プラズモンと、第２金属層３０の局在型プラズモンとが相互作用できるかぎり、特に限定されない。
【００６２】
誘電体柱２０の高さは、高次の干渉効果を利用できる高さとしてもよい。誘電体柱２０の高さは、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、前記相互作用や干渉効果を得ることができるように設定される。
【００６３】
なお、本明細書では、第１金属層１０の「上面」の位置から、第２金属層３０の下面の位置までの、第１金属層１０の厚さ方向における距離のことを「ギャップ」と称する場合があり、図面等において「Ｇ」と表示する場合がある。
【００６４】
誘電体柱２０の平面的な大きさ（寸法）（誘電体柱２０の高さ方向に直交する方向の大きさ）は、誘電体柱２０をその高さ方向に平行な平面によって切ることができる特定方向の区間の長さを指し、例えば、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。例えば、誘電体柱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、誘電体柱２０の大きさ（円柱の直径）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。さらに、誘電体柱２０の上面の平面的な大きさ（寸法）は、後述の第２金属層３０の平面的な大きさよりも大きくてもよい。
【００６５】
なお、本明細書では、誘電体柱２０の形状が高さ方向を中心軸とする円柱である場合に
、当該誘電体柱２０の直径のことを、図面等において「Ｄ」と表示する場合がある。
【００６６】
誘電体柱２０は、正の誘電率を有すればよく、例えば、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ２、高分子（樹脂）、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、又はそれらの複合体で形成することができる。また、誘電体柱２０は、誘電体を含んでなることができるし、誘電体を含まなくてもよく、いずれの場合も誘電体柱２０と称することとする。さらに、誘電体柱２０は、材質の互いに異なる複数の部分（例えば積層構造）から構成されてもよい。
【００６７】
誘電体柱２０の大きさや高さによっては、第２金属層３０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、後述するピッチＰ２の設定等において、局在型プラズモンのピーク励起波長を求める際に、これを考慮すべき場合がある。
【００６８】
１．３．第２金属層
第２金属層３０は、第１金属層１０から厚さ方向に離間して設けられる。第２金属層３０は、第１金属層１０と空間的に離間して配置されていればよい。本実施形態の図１〜図５の例では、第１金属層１０を貫通する誘電体柱２０の上に第２金属層３０が形成されることにより、第１金属層１０と第２金属層３０とが誘電体柱２０の高さ方向で空間的に離間して配置されている。
【００６９】
第２金属層３０の形状は、特に限定されない。例えば、第２金属層３０の形状は、第１金属層１０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、不定形又はそれらを組み合わせた形であることができる。また、第２金属層３０の形状は、第１金属層１０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）、第１金属層１０と重なりを有しても有さなくてもよい。
【００７０】
第２金属層３０の形状は、第１金属層１０の厚さ方向に直交する方向に投影した場合（側面視の場合）には、誘電体柱２０の上面に沿った形状となる部分が存在するが、円形、楕円形、多角形、不定形又はそれらを組み合わせた形状であることができる。図１〜図５の例では第２金属層３０は、いずれも第１金属層１０の厚さ方向に中心軸を有する円柱状（円盤状（ディスク状））の形状が例示され、側面視では矩形となっている。
【００７１】
第２金属層３０の高さ方向の大きさＴ（薄膜状である場合には厚みＴ）は、高さ方向に垂直な平面によって第２金属層３０を切ることができる高さ方向の区間の長さを指し、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以下である。第２金属層３０の高さ方向の大きさ（厚み）は、第１金属層１０の厚みと同じでも異なってもよい。
【００７２】
また、第２金属層３０の高さ方向に直交する方向の大きさは、高さ方向に平行な平面によって第２金属層３０を切ることができる特定の方向の区間の長さを指し、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。例えば、第２金属層３０の形状が高さ方向を中心軸とする円盤状である場合には、第２金属層３０の第１方向の大きさ（円盤の直径）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。
【００７３】
なお、本明細書では、第２金属層３０の形状が高さ方向を中心軸とする円盤である場合に、当該第２金属層３０の直径のことを、図面等において「Ｄ」と表示する場合がある。
【００７４】
第２金属層３０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。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、銀
、金、アルミニウム、銅、白金、及びそれらの合金等を挙げることができる。
【００７５】
第２金属層３０は、例えば、スパッタ、蒸着（必要に応じて傾斜する態様を含む）によって形成することができ、さらに必要に応じて係る工程の後にパターニングを行う方法や、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、第２金属層３０は、コロイド化学的手法によって形成してもよく、コロイド微粒子を適宜の手法によって誘電体柱２０上に配置してもよい。
【００７６】
第２金属層３０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。第２金属層３０に、後述するように入射光を照射することにより、第２金属層３０の周辺に局在型プラズモンを発生させることができる。第２金属層３０に発生した局在型プラズモンは、上述の第１金属層１０に発生する伝搬型プラズモンと、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。
【００７７】
１．４．第２金属層の配置
図１〜図５に示すように、第２金属層３０は、誘電体柱２０とともに、第１方向に第１のピッチＰ１で複数並んで第１金属列３１を構成する。そして当該第１金属列３１が第１方向と交差する第２方向に第２のピッチＰ２で複数並んで配置される。なお、第１方向に複数並ぶ配置の並び方としては、第１方向に沿って第２金属層３０が連なればよく、例えば千鳥配置のように、第１金属列３１が特定できる程度であれば、隣合う第２金属層３０が第２方向にある程度ずれてもよい。図示の例では、第１金属列３１における第２金属層３０は、第１方向に直線状に並んでいる。
【００７８】
第２金属層３０は、第１金属列３１において、第１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。したがって、上述の誘電体柱２０が第１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、その上の第２金属層３０が高さ方向と直交する第１方向に複数並んで第１金属列３１を構成している。第２金属層３０が並ぶ第１方向は、第２金属層３０が平面視において長手を有する形状の場合（異方性を有する形状の場合）、その長手方向とは必ずしも一致しなくてよい。１つの第１金属列３１に並ぶ第２金属層３０の数は、複数であればよく、好ましくは１０個以上である。また、第１金属列３１に属する第２金属層３０の大きさ（寸法：サイズ）、形状及び位置する高さ（ギャップ）の少なくとも１種は、第２金属層３０に生ずる局在型プラズモンのピーク波長がほぼ一致していれば、互いに同じでも異なってもよい。
【００７９】
ここで第１金属列３１内における第１方向の第２金属層３０の平面視における重心間の距離をピッチＰ１と定義する（図２、４、５参照）。また、第１金属列３１内における２つの第２金属層３０の間の間隔は、第２金属層３０が金属層１０の厚さ方向を中心軸とする円盤状である場合には、ピッチＰ１から円盤の直径を差引いた長さに等しい。この間隔が小さくなると、粒子間に働く局在型プラズモンの効果が増大し、増強度を大きくできる場合がある。第１方向における第２金属層３０の間の間隔は、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。
【００８０】
第１金属列３１内における第１方向の第２金属層３０のピッチ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。
【００８１】
第１金属列３１は、第１方向にピッチＰ１で並ぶ複数の第２金属層３０によって構成されるが、第１金属列３１の第２金属層３０に発生される局在型プラズモンの分布・強度等は、この第２金属層３０の配列にも依存する。したがって、第１金属層１０に発生する伝
搬型プラズモンと相互作用する局在型プラズモンは、単一の第２金属層３０に発生する局在型プラズモンだけでなく、第２金属層３０の第１金属列３１における配列を考慮した局在型プラズモンである。
【００８２】
図１〜図５に示すように、第１金属列３１は、第１金属層１０の厚さ方向及び第１方向と交差する第２方向にピッチＰ２で並んで配置される。第１金属列３１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。
【００８３】
ここで、隣合う第１金属列３１の第２方向における重心間の距離をピッチＰ２と定義する（図２、３、５等を参照）。第１金属列３１間のピッチＰ２は、以下の「１．３．１．伝搬型プラズモン及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。
【００８４】
なお、第１金属列３１の伸びる第１方向に沿う線と、隣合う第１金属列３１にそれぞれ属する２つの第２金属層３０であって、互いに最も近接する２つの第２金属層３０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、厚さ方向から見た第２金属層３０の配列を、第２金属層３０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、第１金属列３１の伸びる第１方向に沿う線と、隣合う第１金属列３１にそれぞれ属する２つの第２金属層３０であって、互いに最も近接する２つの第２金属層３０を結ぶ線と、がなす角が直角でない場合には、隣合う第１金属列３１にそれぞれ属する２つの第２金属層３０であって、互いに最も近接する２つの第２金属層３０の間のピッチをピッチＰ２と設定してもよい。
【００８５】
１．４．１．伝搬型プラズモン及び局在型プラズモン
まず、伝搬型プラズモンについて説明する。図６は、入射光、銀、金の分散曲線を示す分散関係のグラフである。通常は、第１金属層１０に光を０〜９０度の入射角（照射角θ）で入射しても伝搬型プラズモンは発生しない。例えば、第１金属層１０がＡｇからなる場合には、図６に示すように、ライトライン（ＬｉｇｈｔＬｉｎｅ）とＡｇのＳＰＰの分散曲線が交点を持たないからである（周辺屈折率が同じもの同士の場合）。また、光が通過する媒体の屈折率が変化しても、Ａｇ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。交点を持たせ伝搬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。
【００８６】
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、第１金属層１０の厚さ方向、又は第２金属層３０の高さ方向からの傾斜角である。
【００８７】
図６にはＡｇ及びＡｕのＳＰＰの分散曲線を示したが、一般には、第１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、第１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。
【００８８】
一方、入射光の照射角であって第１金属層１０の厚さ方向、又は第２金属層３０の高さ方向からの傾斜角をθとし、ピッチ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。
【００８９】
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。
【００９０】
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、伝搬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、第１金属層１０に伝搬型プラズモンが励起される。
【００９１】
したがって、上記式（３）及び式（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、第１金属層１０に伝搬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ＡｇのＳＰＰの例でいえば、θ及びｍを変化させることにより、ライトラインの傾き及び／又は切片を変化させることができ、Ａｇ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。
【００９２】
次に、局在型プラズモンについて説明する。第２金属層３０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。
【００９３】
図７は、一例として、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構造体がナノオーダーで近づく場合や、Ａｇ構造体と第１金属層１０（Ａｇ膜等）が誘電体柱２０（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構造体の大きさ、厚み、間隔、ピッチ、誘電体柱２０の高さ（ギャップ）等のディメンジョンに依存するが、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。
【００９４】
また、局在型プラズモンは、伝搬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。
【００９５】
図８は、周辺屈折率が１であるときの金属（Ａｇ，Ａｕ）の分散曲線、局在型プラズモン及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、伝搬型プラズモンと局在型プラズモンを電磁的に結合（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｕ
ｐｌｉｎｇ）させることにより、極めて大きい電場の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、第２金属層３０（第１金属列３１）に生じる局在型プラズモンにおいて最大又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２８参照）。
【００９６】
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、第２金属層３０（第１金属列３１）に生じる局在型プラズモンにおいて最大又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。
【００９７】
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、又は、入射光の波長の±Ｐ１（第２金属層３０の第１金属列３１内におけるピッチＰ１の幅）程度の長さの波長の範囲内である。
【００９８】
上記式（３）、式（４）及び式（２）では、第１金属層１０に入射される入射光の角振動数をωとして、伝搬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搬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）及び式（２）におけるωは、第２金属層３０（第１金属列３１）に生じる局在型プラズモンにおいて最大又は極大の増強度を与える入射光の角振動数若しくはその近傍の角振動数となる。
【００９９】
したがって、第１金属列３１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搬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。
【０１００】
よって、ピッチＰ１で第２金属層３０が並んだ第１金属列３１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でピッチ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搬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及び／又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搬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。
【０１０１】
１．４．２．ピッチＰ２
第１金属列３１の間のピッチ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、ピッチＰ２をピッチ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及び回折光の次数ｍにより、式（２）を満たすことのできるピッチ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。
【０１０２】
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搬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ピッチＰ２の範囲は、式（６）、
Ｑ−Ｐ１≦Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（６）
となる。
【０１０３】
一方、ピッチＰ２は、第１金属列３１間の第２方向のピッチであるが、隣合う第１金属列３１に属する２つの第２金属層３０の間のピッチは、２つの第２金属層３０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、ピッチＰ２よりも長い間隔を有するように、隣合う第１金属列３１に属する２つの第２金属層３０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、ピッチＰ２よりも長い距離で離間した２つの第２金属層３０を、隣合う第１金属列３１から選択することができる。既に述べたように、隣合う第１金属列３１は、互いに同じ第１金属列３１であるため、厚さ方向から見た第２金属層３０の配列を、第２金属層３０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、ピッチＰ２よりも長い間隔（回折格子）が存在することになる。
【０１０４】
したがって、ピッチＰ１及びピッチＰ２で配列された第２金属層３０のマトリックスは、そのピッチ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、列ピッチ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ピッチ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搬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。したがってピッチ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。
【０１０５】
以上のことから、本実施形態の光学素子１００における第１金属列３１の間のピッチＰ２は、下記式（１）の関係を満たせば、局在型プラズモンと伝搬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）
【０１０６】
１．４．３．構造の特徴及びホットスポットの発生位置
図９は、本実施形態の光学素子１００の要部を、ＧＳＰＰモデルと比較しながら拡大して模式的に示す図である。図９（ａ）は本発明に係る光学素子の要部の構造を示し、図９（ｂ）は典型的なＧＳＰＰ構造の要部を示す模式図である。図９（ａ）に示すように、本実施形態の光学素子１００で、平面視における第２金属層３０の輪郭が、誘電体柱２０の輪郭と同じ場合には、第２金属層３０の平面視における端部であって、基板１側の下部（以下、当該部分を第２金属層３０の「ボトム端」と称することがある（図中、符号Ｂで示す。）。）は、測定対象となる物体Ｍに、図９（ｂ）に示すＧＳＰＰモデルの対応する位置と比較して、より接触しやすくなっている。
【０１０７】
すなわち、本実施形態の光学素子１００では、平面的に見て第２金属層３０の輪郭の外側であって、断面視における第２金属層３０の下側の領域に、誘電体等の構造体が存在しない。これに対してＧＳＰＰモデルでは、平面的に見てＡｇ粒子の輪郭の外側であって、断面視におけるＡｇ粒子の下側の領域に、誘電体層（ＳｉＯ２層）が存在している。したがって、測定対象となる物体Ｍ（ウィルスや化合物）が、第２金属層３０に接近した場合に、本実施形態の光学素子１００では、ボトム端Ｂに容易に接触することができるが、ＧＳＰＰモデルの場合には、Ａｇ粒子のボトム端に相当する位置には、ＳｉＯ２層が下に存在することにより接近するための通路が狭窄されて、入り込みにくいため、接触しにくくなっている。
【０１０８】
一方、第２金属層３０を上述の条件を満たす配置とした場合、１つの第２金属層３０近傍に発生するホットスポットＨＳ（高い電場増強度を呈する領域）は、ボトム端Ｂ及び第２金属層３０の平面視における端部であって、基板１から離れた側の上部（トップ端Ｔ）に発生する。ＧＳＰＰモデルにおいても、同様にＡｇ粒子のそれぞれボトム端及びトップ端に相当する位置に発生する（図９参照）。
【０１０９】
ホットスポットの強度は、ボトム端Ｂとトップ端Ｔとで、各種の条件により大小関係が生じることがあるが、本実施形態の光学素子１００ではこれら両方のホットスポットＨＳに、物体Ｍが接触できるため、ボトム端に相当する位置に物体Ｍが接触しにくいＧＳＰＰモデルに比較すると、総合的な電場増強度（トータル）として、より大きい値を得ることができる。
【０１１０】
よって、本実施形態の光学素子１００によれば、希ガス等ナノオーダーの小さな試料分析だけでなく、例えば直径２０−１００ｎｍのウィルス等、５ｎｍ以上の大きなサイズの被測定物質であっても正確に定性、定量することができる。
【０１１１】
１．５．変形及びその他の構成
１．５．１．変形
本実施形態の光学素子において、第２金属層３０が第１方向に第３のピッチＰ３で複数並んで構成された第２金属列３２をさらに含んでもよい。係る第２金属列３２は、第２方向に第２のピッチＰ２で並び、第１金属列３１と第２方向において交互に並んで配置される。
【０１１２】
第２金属列３２は、第１金属列３１と同じ構成であってもよいし、異なる構成であってもよい。第２金属列３２は、第１金属列３１に対して１列ずつ配置されてもよく、第１金属列３１に対して複数列ずつ配置されてもよい。さらに、第２金属列３２と第１金属列３１との間の第２方向の距離（ピッチＰ５）は、ピッチＰ２の１％以上５０％以下の大きさであることができる。またピッチＰ５は、第２金属層３０の第１方向のピッチＰ１とは無関係に設定することができる。
【０１１３】
そして、複数の第２金属列３２が配置される場合には、それらは互いにピッチＰ２の１％以上５０％以下の大きさ距離で第２方向に離間して配置されることができる。なお、第２金属列３２が、第１金属列３１と同様の構成である場合であって、第１金属列３１から第２方向に、ピッチＰ２の５０％離れた位置に配置される場合（ピッチＰ５がピッチＰ２の半分である場合）には、第１金属列３１がピッチＰ２の半分のピッチで配置された場合と同じとなるため、そのような配置となる第２金属列３２については、第１金属列３１とみなすこととする。
【０１１４】
第１金属列３１に属する第２金属層３０と、第２金属列３２に属する第２金属層３０とは大きさ（寸法：サイズ）、形状及び位置する高さの少なくとも１種は、第２金属層３０に生ずる局在型プラズモンのピーク波長がほぼ一致していれば、互いに同じでも異なってもよい。
【０１１５】
図１０及び図１１は、それぞれ第２金属列３２の一例を示す模式図である。図１０は、第２金属層３０が第１方向に、第１のピッチＰ１と同じ大きさの第３のピッチＰ３で複数並んで構成された第２金属列３２を含む光学素子２００の一例を示す模式図である。図１１は、第２金属層３０が第１方向に、第１のピッチＰ１と異なる大きさの第３のピッチＰ３で複数並んで構成された第２金属列３２を含む光学素子２５０の一例を示す模式図である。このようにピッチＰ３は、ピッチＰ１と同じでも異なってもよい。さらに複数の第２金属列３２が設けられる場合、各列におけるピッチＰ３は、互いに同じでも異なってもよい。
【０１１６】
このような変形例に係る光学素子２００、光学素子２５０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。また、このような光学素子を備えた分析装置によれば、分析対象
となる物質に依存する散乱光の波長に対して、光学素子の増強度プロファイルを調整する際の自由度を高めることができる。これにより、広範な分析対象に対して、十分に高いプラズモン増強効果を及ぼすことができる。
【０１１７】
図１０の例では、第２金属列３２は、第１金属列３１と同様の構成となっている。すなわち、第２金属列３２に属する第２金属層３０は、第１金属列３２に属する第２金属層３０と同じ形状であり、かつ、第１方向に並ぶピッチは、両者とも同じとなっている（すなわち、ピッチＰ１＝ピッチＰ３）。また、この例の場合、第１金属列３１の第２金属層３０と、第２金属列３２の第２金属層３０は、互いに最も接近するように（第１方向の位置を揃えて）配置されている。しかし、第２金属列３２に属する第２金属層３０と第１金属列３１に属する第２金属層３０は、第１方向における第２金属層３０の位置をずらして配置されてもよい。
【０１１８】
また、第１方向に第２金属層３０がピッチＰ１で並ぶ第１金属列３１と、第１方向に第２金属層３０がピッチＰ１で並ぶ第２金属列３２とを配置する場合には、第１金属列３１をピッチＰ２の半分のピッチで第２方向に配置した場合と類似の効果を得ることができる。すなわちこの場合、第１金属列３１と第２金属列３２の間の第２方向における離間距離にも依存するが、例えば、増強度は低下するが、ピーク波長特性がブロードになり、ホットスポット密度（ＨＳＤ）が２倍になるという効果が期待できる。
【０１１９】
また、図１１の例では、第２金属列３２は、第１金属列３１とは、形状、ピッチが異なる構成となっている。すなわち、第２金属列３２に属する第２金属層３０は、第１金属列３２に属する第２金属層３０と異なる形状であり、かつ、第１方向に並ぶピッチは、第１金属列３１のピッチＰ１と第２金属列３２のピッチＰ３とで互いに相違している（すなわち、ピッチＰ１＜ピッチＰ３）。
【０１２０】
なお、このような第２金属列３２が複数形成される場合の一態様である、第２金属列３２が２つ形成される場合（すなわち金属列が３つ存在する系）については、後述の「４．実験例」の項（図３３）でさらに説明する。
【０１２１】
図１０及び図１１に示した例は、いずれも一例を示すものであって、このような第２金属列３２は、例えば、照射される励起波長、ラマン散乱光の波長などを考慮して適宜に配置されることができる。
【０１２２】
１．５．２．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、第２金属層３０の上面を覆うように形成されることができる。また、被覆層は、第２金属層３０の側面、トップ端Ｔ及びボトム端Ｂ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。
【０１２３】
被覆層は、例えば、第２金属層３０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、必要に応じてパターニング技術を用いて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、及び高分子、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。
【０１２４】
被覆層を設ける場合には、第２金属層３０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、ピッチ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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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、第１金属層１０を構成する金属の分散曲線と、ピッチＰ１で並ぶ第２金属層３０（第１金属列３１）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、第１金属列３１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、ピッチＰ２を選ぶこと、を含んで設計される（図８参照）。
【０１２７】
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。
【０１２８】
第２金属層３０（第１金属列３１）における局在型プラズモンの励起波長依存性を調べ、第２金属層３０に局在型プラズモンの最大、又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、第２金属層３０の材質、形状、配置、第２金属列３２の有無、その他の構成により変化するが、ピーク励起波長は、実測又は計算により求めることができる。
【０１２９】
第１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、第１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、第１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。
【０１３０】
必要に応じて、求められたピーク励起波長及び分散曲線を、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。
【０１３１】
入射光の入射角θ及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、ピッチＰ２を、式（１）の条件を満たすように選んで第１金属列３１を配置する。
【０１３２】
少なくとも以上の工程を行い、ピッチＰ１、ピッチ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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
なお、本明細書の実験例や図等において、第１方向をＸ方向と称する場合があり、その方向のことを「Ｘ」なる表記によって表現する場合がある。また、第２方向をＹ方向と称する場合があり、その方向のことを「Ｙ」なる表記によって表現する場合がある。また、
素子の厚み方向をＺ方向と称する場合があり、その方向のことを「Ｚ」なる表記によって表現する場合がある。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。）。
【０１３７】
従って、式（ａ）は、下記式（ｂ）
ＳＥＲＳ  ＥＦ＝Ｅｍａｘ４・ＨＳＤ  ・・・（ｂ）
と置くことができる。
【０１３８】
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密度を乗じたものと考えることができる。
【０１３９】
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）
と定義して図示している。
【０１４０】
光学素子１００の増強度を考える場合には、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第２金属層３０の数に依存する。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ピッチＰ１、ピッチＰ２が配置される。したがって、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。
【０１４１】
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、直線偏光光であってもよい。また、入射光は、電場が光学素子１００の第１方向（第１金属列３１の伸びる方向）と同じ方向の直線偏光光であっても、電場が光学素子１００の第２方向（第１金属列３１の並ぶ方向）と同じ方向の直線偏光光であってもよい。また入射光は、円偏光光であってもよい。さらに、偏光の方向の異なる入射光を、適宜組合わせることにより、光学素子１００によって非常に大きい光の増強度を得るように設計することもできる。
【０１４２】
１．９．増強度プロファイルの設計
本実施形態の分析装置１０００において、光学素子１００をラマン散乱光の増強に使用する場合には、以下のように光学素子１００の金属粒子２０の配列を設定することが好ましい。
【０１４３】
ラマン散乱光の波長または波数は、一般に広い帯域に及ぶ。このような広い帯域は、光学素子１００に、特定の方向の直線偏光光の励起光のみを与えた場合には、その帯域全体
を高い増強度となるようにカバーすることができない場合が多い。また、そのような場合には、例えば、積算時間を長くしても、カバーされていない帯域では、高い増強度を得ることは難しい。
【０１４４】
本実施形態の光学素子１００では、第１方向と同じ方向の直線偏光光の入射光が入射されると、高い増強度が得られ、増強度プロファイルは、２つのピークとなるがラマン散乱光の帯域全体を増強することが困難となる場合がある。しかし、本実施形態の光学素子１００に対して、さらに、第２方向と同じ方向の直線偏光光の入射光を入射してもよい。第２方向と同じ方向の直線偏光光の入射光を用いる場合には、増強度プロファイルが２つのピークとなるが、ピーク波長が第１方向の直線偏光光の場合と異なるため、一定の増強度を得られる帯域を広くすることができることが多い。
【０１４５】
本実施形態の分析装置１０００において、第１方向および第２方向とそれぞれ同じ方向の直線偏光光による、２つの増強度プロファイルを重ねあわせることにより、より広い帯域で高い増強度を得ることができるように設定することができる。これら２つの増強度プロファイルは、例えば、光学素子１００における第２金属層３０の配置、材質、金属層１０の厚み、材質などにより調節することができる。
【０１４６】
同様に、本実施形態の光学素子１００に対して、円偏光した入射光を入射してもよい。円偏光光の入射光は、第１方向に沿う偏光成分と、第２方向に沿う偏光成分を含むため、増強度プロファイルの重ねあわせが生じ、広い帯域で高い増強度を得ることができる場合がある。
【０１４７】
本実施形態に係る光学素子１００では、以下のように増強度プロファイルを設計することができる。
【０１４８】
例えば、既知の物質の検出に本実施形態の分析装置１０００を用いる場合には、光学素子１００の、第１方向および第２方向それぞれの直線偏光光による２つの増強度プロファイルの重ねあわせが、当該物質のラマン散乱光の波長または波数の領域で大きくなるように設定する。このようにすれば、高感度で当該物質の検出を行うことができる。
【０１４９】
また、例えば、未知の物質の検出、同定に本実施形態の分析装置１０００を用いる場合には、光学素子１００の、第１方向および第２方向のそれぞれの直線偏光光による２つの増強度プロファイルの重ねあわせが、できるだけ広い帯域で大きくなるように設定する。このようにすれば、高感度で当該物質の検出、同定を行うことができる。
【０１５０】
以上説明した分析装置１０００によれば、光学素子のプラズモンに基づく光の増強度プロファイルを広く大きくとれるため、広範な微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。また、本実施形態の分析装置１０００は、筐体、入出力手段等、図示せぬその他の適宜な構成を備えてもよい。
【０１５１】
１．１１．光学素子の製造
本実施形態の光学素子１００は、一例として、Ｎｉの金型を用いて射出成形を行う工程を経て製造することができる。具体的には、シリコンウエハーを熱酸化処理し、表面にレジストをコートし、ＥＢ（電子ビーム）によって、誘電体柱２０に対応する位置に露光し、酸化シリコンをパターニングする。そして、表面に無電解Ｎｉメッキ又はスパッタ法でＮｉ膜をコートした上で、Ｎｉの電鋳を行う。そして、シリコンウエハーを剥離すると、誘電体柱２０の配置・形状に対応する凹部を備えたＮｉ金型を得ることができる。
【０１５２】
次いで、Ｎｉ金型を用いて、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸）やＰＣ（ポリカーボネイト
）を射出成形するか、ＵＶ硬化樹脂を成形して、基板上に誘電体柱２０が形成された構造体を作成する。
【０１５３】
次いで、誘電体柱２０が形成された基板上に、例えば、異方性の高いイオンビームスパッタ等を用い、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ等のプラズモンを生じうる金属薄膜を２０ｎｍ程度の厚みで形成すれば、本実施形態の光学素子を製造することができる。
【０１５４】
また、光学素子１００の製造方法には、一例として、ガラス基板に第一の厚みにレジストを一層コートし、ＥＢ（電子ビーム）によって、誘電体柱２０に対応する位置に露光し、エッチング及びポストベークを行うことも適用できる。そして、第二の厚みにレジストをコートし、誘電体柱２０に対応する位置に露光し、エッチングを行う。そうすると、二つの深さの凹部が形成され、このような工程を経た後に、上記と同様なプロセスで、誘電体柱２０の高さの異なる分析素子を製造することができる。
【０１５５】
これらの製造方法は、いずれも一例であり、光学素子１００は、その他の適宜の方法によって製造されることができる。また、上記例示の製造方法を用いる場合には、同一素子内に形状や高さの異なる誘電体柱２０や第２金属層３０が配置された光学素子１００を容易に製造することができる。
【０１５６】
１．１２．作用効果等
本実施形態の光学素子１００は、以下の特徴を有する。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。また、本実施形態の光学素子１００では、ホットスポットの発生する位置が、第２金属層３０のボトム端Ｂとトップ端Ｔとなり、これら両方のホットスポットに、測定対象とする物体Ｍが接触できるジオメトリを有する。そのため、ボトム端に物体Ｍが接触しにくいＧＳＰＰモデルに比較すると、総合的な電場増強度（トータル）として、より大きい値を得ることができる。
【０１５７】
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の第２金属層３０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。
【０１５８】
２．分析装置
図１２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。
【０１５９】
本実施形態の分析装置１０００は、上述の光学素子１００と、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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
光学素子１００は、分析装置１０００において、光を増強する作用、及び／又は、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。
【０１６２】
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（第２金属層３０の並ぶ方向であって、第１金属列３１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）、光学素子１００の第２方向（第１金属列３１の並ぶ方向であって、第１金属列３１の伸びる方向に交差する方向）に直線偏光した光（第２方向と同じ方向の直線偏光光）、または、円偏光光を照射することができる。
【０１６３】
すなわち、光源３００は、光学素子１００に対して、第１方向と同じ方向の直線偏光光及び／又は第２方向と同じ方向の直線偏光光を照射する態様、又は、光学素子１００に対して、円偏光光を照射する態様とすることができる。第１金属層１０の厚さ方向からの、光源３００から照射される入射光の傾斜角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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
さらに、光源３００が偏光子を備える場合には、偏光子は、公知のものを用いることができ、適宜回転させる機構を備えてもよい。光源３００からの光が励起光となって、光学素子１００に発生したプラズモンによる電場の集中、所謂ホットスポットが生じ、そのホットスポットに付着した物質の微弱なラマン光がホットスポットの電場により増強され物質の検出を行うことができる。
【０１６６】
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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
図１３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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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、表示又は発報する。
【０１７３】
健康医療情報としては、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、及び抗原・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、又は無機分子及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。
【０１７４】
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。
【０１７５】
４．１．計算の概要
計算はＲｓｏｆｔ社（現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、図中に記載なきものは、１ｎｍ最小メッシュとし、計算時間ｃＴは１０μｍとした。
【０１７６】
また、周辺屈折率ｎは１とした。入射光については、透光層の厚さ方向（Ｚ）からの垂直入射で、第１方向と同じ方向の直線偏光光、および、第２方向と同じ方向の直線偏光光とした場合について、別々に計算したプロット、または、透光層の厚さ方向（Ｚ）からの垂直入射で、円偏光光とした場合を計算したプロットを求めた。
【０１７７】
なお、以下の各実験例で示されるグラフには、凡例として例えば「Ｘ１２０Ｙ６００」、「Ｘ６００Ｙ１２０」などの表記を用いている。例えば、「Ｘ１２０Ｙ６００」は、第１方向（Ｘ方向）に１２０ｎｍピッチ（ピッチＰ１）、第２方向（Ｙ方向）に６００ｎｍピッチ（ピッチＰ２）で第２金属層３０が配置されることを意味する。
【０１７８】
計算上いずれもＸ方向の直線偏光光の入射光を用いており、「Ｘ１２０Ｙ６００」と付したものは、ピッチＰ１が１２０ｎｍ、ピッチＰ２が６００ｎｍである場合に、「第１方向」の直線偏光光の入射光による結果と等価であり、「Ｘ６００Ｙ１２０」と付したものは、ピッチＰ１が１２０ｎｍ、列ピッチＰ２が６００ｎｍである場合に、「第２方向」の直線偏光光の入射光による結果と等価である。
【０１７９】
また、説明の便宜上、Ｘ１２０Ｙ６００及びＸ６００Ｙ１２０のモデルを、どちらも１ラインモデルと称する。また、Ｘ１２０Ｙ１２０のモデルをベーシックモデル、Ｘ６００Ｙ６００のモデルをハイブリッドモデルと称する。さらに、１ラインモデルすなわちＸ１２０Ｙ６００にＸ方向（第１方向）に偏光した励起光を入射させた場合を「ＰＳＰ⊥ＬＳ
Ｐ」、Ｙ方向（第２方向）に偏光した励起光を入射させた場合を「ＰＳＰ‖ＬＳＰ」と表記する。
【０１８０】
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。
【０１８１】
４．２．実験例１（１ラインモデルにおける本発明の構造とＧＳＰＰの比較）
図１４は、本実験例のシミュレーションに用いたモデルを示す模式図である。本実験例のディメンジョンは、垂直入射した６３３ｎｍ近傍の励起波長を用いることを前提に設計された。本実験例のモデルは、凹状の表面が形成された金属の金型からＰＭＭＡ（ポリメタアクリル酸）やＰＣ（ポリカーボネート）等を射出成型又はＵＶ（紫外線）硬化樹脂を成形した基板を想定した。
【０１８２】
具体的には、ＰＭＭＡの凸部を、８０ｎｍＤ８０ｎｍＴ（Ｇ＋Ｔ）の形状（円柱状であって、直径が８０ｎｍ、高さが８０ｎｍである形状）で形成し、その凸部の側面にＡｇが付着しないよう、異方性の強い成膜方法でＡｇ層（第１金属層１０及び第２金属層３０）を厚み２０ｎｍＴで形成したものを想定した。この場合、Ａｇ層（第２金属層３０）のボトムと、Ａｇ層（第１金属層１０）のトップの高さの差（ギャップＧ）は６０ｎｍとなるので、このような系では図中、６０Ｇと表記するものとする。
【０１８３】
これに対して、ＧＳＰＰモデルは、１００ｎｍ以上の厚みのＡｕ膜の上にＳｉＯ２を２０ｎｍ形成し、更にその上に規則的に７２ｎｍＤ２０ｎｍＴのＡｇ円盤を形成したものを想定した。
【０１８４】
図１５は、本実験例のモデルの反射率特性を示すグラフである。図１５は、ファーフィールド（反射率）特性を各モデルにおいて比較した結果を示している。図１５中、Ｘ１２０Ｙ６００は、ＰＳＰ⊥ＬＳＰに、Ｘ６００Ｙ１２０は、ＰＳＰ‖ＬＳＰに、Ｘ６００Ｙ６００は、ハイブリッドにそれぞれ対応する。なお反射率特性は、センサーのプラズモン増強度が強くなると、反射光量が減るため低下する傾向がある。
【０１８５】
図１５をみると、実線で示したＰＳＰ⊥ＬＳＰの場合の１ラインモデルにおいて、顕著な差が確認された。すなわち、ＧＳＰＰの１ラインモデルのＰＳＰ⊥ＬＳＰの場合（実線）は、反射率の極小値が一つで、反射率は６１８ｎｍ励起波長で０．２４であるのに対し、本発明に係る構造の１ラインモデルのＰＳＰ⊥ＬＳＰの場合は、反射率の極小値が２つあり、それらの反射率の値は６０７ｎｍで０．１３、６５５ｎｍでほぼ０となることがわかった。
【０１８６】
（１ラインモデルにおける本発明に係る各種の構造のニアフィールド特性）
次に、反射率特性に対応したニアフィールド特性について調べた。本発明に係る各種の構造モデルで、ファーフィールドによる反射率波長特性と、ニアフィールドのＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）を比較した。なお、図中、ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）は、単にＳＱＲＴと表記する場合がある。
【０１８７】
図１６は、本発明に係る各種の構造モデルのファーフィールドとニアフィールドとの相関を示すグラフである。ニアフィールドは、Ｅｘ２＋Ｅｚ２の平方根（＝ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２））の値を示す。図１６において、第２金属層（Ａｇ円盤）のトップ端及びボトム端のＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）の値をそれぞれ▲及び■で示した。
【０１８８】
図１６をみると、反射特性を示すファーフィールドの極小値の波長特性と、近接場の強
度を示すニアフィールドの増強度の波長特性は良く一致していることが分かる。６００ｎｍの励起波長でＸ１２０Ｙ１２０のホットスポット密度（ＨＳＤ）の高いベーシックモデルは、励起波長６００ｎｍで、ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）＝１８であるのに対し、１ラインのＰＳＰ⊥ＬＳＰモデル（Ｘ１２０Ｙ６００）は、ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）＝６７と、３．７倍になっている。
【０１８９】
励起波長の増強度をＥｉとし、ラマン散乱後の散乱波長の増強度をＥｓ、ホットスポット密度をＨＳＤと標記したとき、ＳＥＲＳ（Ｓｕｒｆａｃｅ  ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  Ｒａｍａｎ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）効果（ラマンエンハンスメントファクター（ＲａｍａｎＥＦ））は、｜Ｅｉ２｜＊｜Ｅｓ２｜＊ＨＳＤ、に比例する。しかし、例えば、励起波長６３３ｎｍの場合の５００ｃｍ−１のラマン散乱波長は６５４ｎｍと２０ｎｍ程度のずれ量であり、その波長ずれ量における増強度の差は、ほとんど無いため｜Ｅｉ２｜＊｜Ｅｓ２｜＝｜Ｅｍａｘ４｜と置換えて、ＲａｍａｎＥＦが、｜Ｅｍａｘ４｜＊ＨＳＤ、に比例するものとして比較する。
【０１９０】
ベーシックモデルの密度を１とした場合、ベーシックモデルでは１８４＝１×１０５であり、１ラインモデルでは、１２０ｎｍ／６００ｎｍ＝１／５の密度となるため、１ラインモデルでは６７４／５＝４×１０６となる。したがって、本発明に係る１ラインモデルでは、ベーシックモデルの約４０倍のＳＥＲＳ効果が期待できる。
【０１９１】
なお、ハイブリッドモデルでは、ＨＳＤは、ベーシックモデルの（１２０×１２０）／（６００×６００）＝１／２５であり、Ａｇ（第２金属層３０）のボトム端の増強度（ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２））は７１．９、Ａｇ（第２金属層３０）のトップ端の増強度（ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２））は６３．７であり、それらの平均値は、６７．８となる。一方、ハイブリッドモデルのＲａｍａｎＥＦは、６７．８４／（５×５）＝２．１×１０７／２５＝８×１０５に比例するため、ベーシックモデルの８倍となるが、１ラインモデルに比較すると１／５程度となる。
【０１９２】
次に同じＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルの極小値を示した２点のニアフィールドを調べた。ＧＳＰＰモデルでは６２０ｎｍ、本発明に係るモデルでは６００ｎｍで極小値を示したため、これらの波長でニアフィールドを比較した。
【０１９３】
図１７は、ＧＳＰＰの１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルと、本発明の１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルのファーフィールド特性を示すグラフである。図１８は、ＧＳＰＰの１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルと、本発明の１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルのＡｇ層（第２金属層）のボトム端、トップ端近傍のＥｘの分布を示す図である。図１９は、ＧＳＰＰの１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルと、本発明の１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルのＡｇ層（第２金属層３０）のボトム端、トップ端近傍のＥｚの分布を示す図である。
【０１９４】
図２０には、本実験例の、本発明に係るモデル及びＧＳＰＰモデルのホットスポット強度の概念図を示す。図２０中、ホットスポットの位置及び強度は、破線の○の位置及び大きさでそれぞれ表示した。
【０１９５】
ＧＳＰＰモデルでは最も強度の大きいホットスポットがＡｇ粒子とその下のＳｉＯ２層との界面に存在している。その増強度は、ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）＝ＳＱＲＴ（８２．０２２＋１０３．７２）＝１３２．２と非常に大きい。しかし、Ａｇ粒子の上端部（本発明のトップ端に相当）では、ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）＝ＳＱＲＴ（４８．３２+５２．１２）＝７１と小さい値となった。ただし、ＸＹ方向に１ｎｍの均一なメッシュ、Ｚ方向に「１−５ｎｍ  ×１．２」グリッドグレーティングというメッシュを用いている。
【０１９６】
一方、本発明に係るモデルは、Ａｇ層（第２金属層３０）のトップ端とボトム端の２点に強度の大きいホットスポットが存在しボトム端では、ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）＝ＳＱＲＴ（６５２＋５９．９５２）＝８８．４、トップ端では、ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）＝ＳＱＲＴ（６５２＋６９．２３２）＝９５と、ボトム端及びトップ端でほぼ同じ値であり、かつ、それらは上記のＧＳＰＰモデルの値のほぼ中間の値を示している。
【０１９７】
図１７から分かるように、反射率特性は、ニアフィールドの積分値を反映する為、ホットスポットの積分値では本発明に係るモデル＞ＧＳＰＰモデルとなっていて、トータルの「ホットスポット強度×ホットスポット密度」において比較すると、本発明に係るモデルのほうが、より高いことがわかる。
【０１９８】
次に、本発明の１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデル及びＧＳＰＰの１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルに関し、Ａｇ（第２金属層３０）のトップ端及びボトム端の位置におけるＸ方向の増強度、ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）の分布を調べた。図２１は、測定位置を概念的に示す模式図である。図２２は、Ａｇ（第２金属層３０）の端部（ホットスポットの位置）をＸ＝０とした、Ｘ方向における増強度（ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２））の分布を示すグラフである（すなわちＸ方向の原点が、Ａｇ（第２金属層３０）と空気との界面となっている。）。
【０１９９】
図２２をみると、Ａｇ（第２金属層３０）のボトム端では、Ｘ＝４ｎｍ以下の領域で、ＧＳＰＰモデルのほうが、本発明に係るモデルよりも、増強度が大きくなっている。しかし、Ｘ＝４ｎｍを越えると、本発明に係るモデルのほうが、ＧＳＰＰモデルよりも、増強度が大きくなっている。また、Ａｇ構造体のトップ端では、Ｘの値にかかわらず、常に本発明に係るモデルのほうが、ＧＳＰＰモデルよりも、増強度が大きくなっている。
【０２００】
次に、図２３に一例として５ｎｍの直径を有する仮想的な試料（センシング物質）を想定した時の、物質の付着部位の増強度を示す。図に示すように、ＧＳＰＰ１ラインモデルのＡｇ粒子のボトムには、試料が接近できない。そのため、この部位のホットスポットの増強度であるＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）＝１３２という大きな値を利用することができず、試料が最もホットスポットに接近した場合でも、約２．５ｎｍ離れた部位に試料が付着することとなり、ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）＝４１程度の増強効果しか期待することができない。更に、ＧＳＰＰのＡｇ粒子のトップには、試料は付着することができるものの、係る位置におけるＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）は、高々７１であるため大きい増強効果を期待することは難しい。
【０２０１】
一方、本発明に係る１ラインモデルの場合は、トップ端及びボトム端の両方のホットスポットに試料が付着できるため、それぞれ９５及び８８という高い増強度を、効率よく利用することができることが分かる。
【０２０２】
４．３．実験例２（本発明に係る１ラインモデルにおけるＰＳＰ⊥ＬＳＰ、ＰＳＰ‖ＬＳＰの比較）
図２４は、本発明に係る１ラインモデルのＰＳＰ⊥ＬＳＰ（Ｘ１２０Ｙ６００）とＰＳＰ‖ＬＳＰ（Ｘ６００Ｙ１２０）のファーフィールド及びニアフィールドの波長特性を示すグラフである。すなわち、それぞれ、Ｘ方向に直線偏光した励起光を用いた場合のＸ１２０Ｙ６００とＸ６００Ｙ１２０のデータである。
【０２０３】
図２４をみると、同じセンシング素子で、５００ｎｍ近傍の励起波長でラマン散乱光を得たい場合には、Ｙ方向の直線偏光で励起させればよいことが分かる。また、６００ｎｍの波長で励起しラマンシフトが１５００ｃｍ−１の物質を調べたい場合には、ストークス散乱波長が６５９ｎｍとなり、Ｘ方向の直線偏光光による励起が最適となることが分かる
。また、円偏光の励起光を用いるとＸ方向の直線偏光の波長特性とＹ方向の直線偏光の波長特性を同時に満足する試料分析素子となることは理解されよう。
【０２０４】
４．４．実験例３（本発明に係る１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルのアンチクロシングビヘービアー（ＡｎｔｉＣｒｏｓｓｉｎｇ  ｂｅｈａｖｉｏｒ）の、Ｙ方向のピッチ（Ｐ２）依存性）
８０Ｄ２０Ｔ６０ＧのＡｇ（第２金属層３０）を、Ｘ方向に１２０ｎｍピッチ、Ｙ方向にそれぞれ３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、及び７００ｎｍピッチで配置したモデルについて、ファーフィールド特性を調べた。
【０２０５】
図２５は、各モデルの単位面積あたりで規格化した反射率の波長特性を示すグラフである。係るグラフは、本発明に係る１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルでＸ方向のピッチを１２０ｎｍとし、Ｙ方向のピッチを変数としたときの反射率特性を示している。なお、反射率は低い方が、増強度が高いといえる。
【０２０６】
非特許文献１（OPTICS LETTERS,Vol.34,No.3,2009,244-246）で開示されていることと同様に、ＰＳＰとＬＳＰの交点付近で、アンチクロシングビヘービアーが観測され、Ｙ＝４００ｎｍピッチから７００ｎｍピッチで高い増強度が期待できることが分かる。更にＹ方向のピッチが５００ｎｍと６００ｎｍで、最も低い反射率が観測された。
【０２０７】
図２６には、Ａｇのｎ＝１のＰＳＰ分散関係を破線で、ＡｇモデルのＬＳＰを直線で示した。図２６は、周辺屈折率ｎ＝１のＡｇの分散関係に、図２５のグラフから読取られた反射率の極小値を示す波長をＹ方向のピッチ毎にプロットした分散関係を示している。図２６の分散関係から、ＬＳＰピーク波長は６０８ｎｍと推定された。
【０２０８】
そこで、励起波長を６０８ｎｍとし、８０Ｄ２０Ｔ６０Ｇの形状を有するＡｇ（第２金属層３０）を、Ｘ方向の１２０ｎｍピッチを固定し、Ｙ方向のピッチを２００ｎｍから９００ｎｍの範囲で１００ｎｍ刻みで変化させた場合のニアフィールド特性を取得した。その結果を、図２７に示す。図２７は、励起波長を６０８ｎｍとしたときのＹ方向のピッチを、ベーシックモデルであるＹ＝１２０ｎｍから、徐々に大きくしていった時のＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）及びＲａｍａｎＥＦをプロットしたものである。
【０２０９】
Ｘ１２０Ｙ１２０のベーシック構造では、Ａｇ（第２金属層３０）のトップ端で、増強度ＳＱＲＴ（Ｅｘ２＋Ｅｚ２）＝１７．９であるのに対し、Ｙ方向のピッチを広げると、増強度は直線的に増加し、Ａｇ（第２金属層３０）のＬＳＰのピーク波長とＡｇ層（第１金属層１０）のＰＳＰとの交点を通るように設計されたＹピッチ＝６００ｎｍでほぼ最大となり、Ｙピッチ＝７００ｎｍで半減し、その後徐々に上昇することがわかる。このようなピッチ依存性を示す理由はＹ方向のピッチ＝６００ｎｍが、回折格子のｍ＝１の場合であり、ｍ＝２の場合が、Ｙ方向のピッチ＝１２００ｎｍであるからである。しかし、Ｙ方向のピッチが大きくなるにつれ、ホットスポット密度は低くなる為、ＲａｍａｎＥＦに関しては、図２７に示されるように、Ｙ方向のピッチが７００ｎｍよりも大きい領域で、ほぼ一定値になってしまう。
【０２１０】
ＰＳＰ⊥ＬＳＰ１ラインモデルが、Ｐ２＞１２０ｎｍの場合に、Ｐ１＝Ｐ２＝１２０ｎｍの場合よりも、増強度が大きくなる理由は、ＬＳＰが励起光の偏向方向に生じ、ＰＳＰが全方位に発生するためであり、Ｙ方向のピッチが、６００ｎｍより短い場合でも、ピッチが６００ｎｍとなる斜めに生じたＰＳＰがハイブリッド効果を示しているからである（図２を併せて参照）。
【０２１１】
以上のことから、垂直入射の場合はＰ１＝１２０ｎｍのとき、図２７より、１２０ｎｍ
＜Ｐ２＜８００ｎｍにおいて、ＲａｍａｎＥＦが、ベーシックモデルよりも大きくなることが判明した。つまり、Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１とすれば、高いＲａｍａｎＥＦを得ることができることが分った。
【０２１２】
なお、以上の実験は入射光が、基板に対して垂直に入射した場合である。以下、入射光が、基板に対して斜めに入射した場合について述べる。
【０２１３】
「１．４．１．伝搬型プラズモン及び局在型プラズモン」の項で述べたように、ある金属の分散関係式は金属の誘電率をε（ω）、周辺の誘電率をεとしたとき、
ＫＳＰＰ＝ω／ｃ［ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））］１／２  ・・・（３）
で与えられる。
【０２１４】
一方、回折格子ピッチＱを通過するエバネッセント光の波数Ｋは、
Ｋ＝ｎ・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋ｍ・２π／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（４）但し、誘電率はε＝ｎ２−ｋ２であり、絶縁体の場合はｋ＝０なので、周辺の屈折率ｎは周辺の誘電率の平方根ｎ＝ε１／２の関係がある。
【０２１５】
金属の分散関係の波数と入射波のエバネッセント波の波数が等しくなると伝搬型プラズモンが生じる。つまり、Kspp＝Kなので、（３）式と（４）式から
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝ε１／２・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
が成り立つピッチＱとなるように金属粒子を配置すると伝搬型プラズモンが励起される。
【０２１６】
式（２）が金属層の伝搬型プラズモンの分散関係と直接又は間接的に周期的に配置された金属粒子がもたらす回折格子効果によるエバネッセント光との交点を示す一般式である。なお、シミュレーションに用いた垂直入射の時は、θ＝０であるので上記（２）式は、（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝１／２＝２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（７）
となり、金属層の分散関係と金属粒子がもたらす回折格子効果によるエバネッセント光との波数が一致する回折格子波数はｍ・２π/Ｑとなる。
【０２１７】
例えば、ｍ＝１、ｎ＝１で、３０度入射の場合、式（４）は、
Ｋ＝０．５・（ω／ｃ）＋２π／Ｑ・・・（８）
となり、ＬＳＰ＝６３３ｎｍでＡｇ分散関係との交点を通る３０度入射の場合の回折格子ピッチは１ｅＶ／ｃとなり、回折格子ピッチＱを１２５０ｎｍとすればよい。
【０２１８】
また、一方、θ＝−３０°（ｄｅｇ．）とすると、式（４）は、
Ｋ＝−０．５・（ω／ｃ）＋２π／Ｑ・・・（９）
となり、ＬＳＰとＡｇ（ｎ＝１）の分散関係の交点を通るには、２π／Ｑ＝３ｅＶ／ｃつまり、Ｑ＝４１８ｎｍとなる。
【０２１９】
図２８には、上述の３０度及び−３０度入射の励起光で回折格子ピッチを決めるための分散関係を示す。
【０２２０】
＋３０度入射も−３０度入射も、物理的には同じことであるため、入射角度が＋３０度の斜め入射光を用いた場合には、６３３ｎｍＬＳＰと、Ａｇ（ｎ＝１）の分散関係の交点を通るように回折格子のピッチを選択すると、回折格子ピッチは、Ｑ＝１２５０、４１８ｎｍとする２つの方法があることが分かる。
【０２２１】
結論として、斜め入射の場合にも、垂直入射の場合と同様に、
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
の関係を満たせば、ベーシックモデルよりも、ＲａｍａｎＥＦの大きい試料分析素子となることが分かる。
【０２２２】
４．５．実験例４（第２金属層の高さ及び形状）
本発明に係る１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルで、第２金属層３０の高さを６０Ｇから２０Ｇへと小さくした場合の実験を行った。図２９は、本発明に係る１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルで、Ｙ方向のピッチを５００、６００、７００ｎｍとした時のギャップＧが２０ｎｍと６０ｎｍの場合の反射率特性を示すグラフである。
【０２２３】
図２９に示すように、第２金属層３０の高さが低くなる（ギャップＧが小さくなる）と、第２金属層３０と第１金属層１０の間のＬＳＰの相互作用が強くなり、Ｙ方向のピッチ＝５００ｎｍ、６００ｎｍとした場合、共にＬＳＰのピーク波長は６０Ｇモデルに比べ、２０Ｇとした場合のほうがレッドシフトしている。
【０２２４】
図３０は、図２９のギャップ＝２０ｎｍの場合の反射率極小値波長をＡｇ（ｎ＝１）の分散関係のプロットである。分散関係にプロットした結果、ＬＳＰのピーク波長は、図３０より、６５５ｎｍと見積もることができた（６０Ｇの場合は６０８ｎｍ。）。
【０２２５】
４．６．実験例５（第２金属粒子列の影響）
次に、第２金属列３２を配置した場合の増強度について述べる。図３１は、第１金属列３１に属する第２金属層３０のギャップＧと異なるギャップＧで配置された第２金属層３０からなる第２金属列３２を有するモデルを模式的に示す。図３２は、ＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルで、２０ｎｍギャップの１ラインモデル、６０ｎｍギャップの１ラインモデル、並びに同一平面内に２０ｎｍギャップ及び６０ｎｍギャップの２つのギャップの金属粒子列を有したモデルの反射率特性を示している。
【０２２６】
図３２をみると、Ｘ１２０Ｙ６００で、２０Ｇと６０Ｇの２つの金属粒子列を並べた時のファーフィールド特性は、３つのピークが存在していることが分かる。この３つのピークのそれぞれは、２０Ｇの１ラインの反射率特性と６０Ｇの１ラインの反射率特性の合成であることが分かる。
【０２２７】
６０７ｎｍのピークは、全てのモデルで共通であり、Ｐ２＝６００ｎｍピッチで形成されたＰＳＰの主たるピークと考えられる。一方６４０ｎｍ以上に現れるそれぞれのピークは、２０Ｇと６０Ｇというギャップで形成されたＬＳＰの主たるピークと考えるのが妥当であり、６０Ｇよりも短い２０Ｇのモデルではレッドシフトしている。
【０２２８】
従って、ラマン励起波長を６０７ｎｍとし、６４３ｎｍと６９７ｎｍにラマン散乱波長が生じるような試料であれば、非常に高いＲａｍａｎＥＦを得られることが分った。
【０２２９】
また、図３３に示すように、第２金属層３０の平面視における直径Ｄを変えても、ＬＳＰのピーク波長は変化する。直径Ｄが大きくなると、ＬＳＰのピーク波長は、レッドシフトする。楕円や角柱、或いは三角や星状にすることも可能である。図３３の（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）ともに、ピッチＰ２を固定し、同一面内に円柱の直径や形状（楕円、角柱）を変えた各種のモデルを示した。
【０２３０】
図３３のいずれの例でも、円柱のＹ方向のピッチ、楕円のＹ方向ピッチ、角柱のＹ方向ピッチをＰＳＰが増強するピッチ（Ｐ２）としたとき、ハイブリッド効果により、それぞれの形状毎にＰＳＰの主たるピークとＬＳＰの主たるピークの２ピークが観測されるが、全ての形状の第２金属層３０がＹ方向にピッチＰ２で配置されているため、ＰＳＰの主た
るピークは、１つであって互いに同じである。
【０２３１】
一方、ＬＳＰの主たるピークについては、第２金属層３０のサイズ、間隔、ギャップ、形状が変化することによりピークが複数出現する場合がある。例えば、図３３（ａ）の例では、１つの励起波長と２つのラマン散乱波長とを利用する設計を行うことができ、図３３（ｂ）、（ｃ）の例では、１つの励起波長と３つのラマン散乱波長とを利用する設計を行うことができる。
【０２３２】
なお、図３３（ｂ）、（ｃ）に示す例では、第２金属列３２が２つ設けられており、このような態様では、金属列が３つ存在するとみなすことができる。例えば、第２金属列３２の一方を第２金属列３２とし、他方を第３金属列３３として考えることができる。そうすると、図３３（ｂ）、（ｃ）の例では、第２金属列３２と同様に、第３金属列３３は、第２方向に第２のピッチＰ２で並び、第１金属列３１と第２方向において交互に並んで配置されているということができる。
【０２３３】
このように考えると、図３３（ｂ）、（ｃ）では、第２金属層３０が第１方向に第３のピッチＰ３で複数並んで構成された第２金属列３２と、第２金属層３０が第１方向に第４のピッチＰ４で複数並んで構成された第３金属列３３と、を含み、第２金属列３２及び第３金属列３３が、それぞれ、第２方向に第２のピッチＰ２で並び、第１金属列３１と交互に並んで配置され、第１金属列３１、第２金属列３２及び第３金属列３３のぞれぞれに属する第２金属層３０の形状、寸法、及び位置する高さの少なくとも一種が互いに異なる、ということができる。
【０２３４】
図３３（ｂ）、（ｃ）のピッチＰ５及びピッチＰ６は、それぞれ第２金属列３２及び第３金属列３３と、第１金属列３１との間の第２方向におけるピッチを示している。第３金属列３３は、第１金属列３１と同じ構成であってもよいし、異なる構成であってもよい。第３金属列３３と第１金属列３１との間の第２方向の距離（ピッチＰ６）は、ピッチＰ２の１％以上５０％以下の大きさであることができる。またピッチＰ６は、第２金属層３０の第１方向のピッチＰ１とは無関係に設定することができる。さらにピッチＰ６は、ピッチＰ５と同じでも異なってもよい。
【０２３５】
なお、図３３（ｂ）、（ｃ）の例では、第２金属列３２におけるピッチＰ３と第３金属列３３におけるピッチＰ４とが、ほぼ同じとして描かれているが、既に述べた第２金属列３２におけるピッチＰ３と同様に、第３金属列３３におけるピッチＰ４は、第１金属列３１のピッチＰ１や第２金属列３２のピッチＰ３と、互いに同じでも異なってもよい。
【０２３６】
図３４は、２種の直径（Ｄ）の第２金属層３０を各々１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰに配置した時の反射率特性を示す。図３４のモデルでは、８０Ｄは、短波長側の極小値と長波長側の極小値がＰＳＰとＬＳＰのハイブリッドにより、アンチクロシングビヘービアーを起こしている。一方、１００Ｄのモデルは、短波長側の極小値はＰＳＰを主とするピークであり、長波長側のブロードな極小値はＬＳＰを主とする極小値と考えられる。１００Ｄモデルは第２金属層３０の間の間隔が２０ｎｍと小さいため、ＬＳＰのピーク波長がレッドシフトしている。いずれにしても、８０Ｄ、１００Ｄの混在モデルは、８０Ｄモデルと１００Ｄモデルの合成となり、４つの極小値を持っていることが分かった。
【０２３７】
試料のラマン散乱は、試料の分子の種類及び振動方向で、いくつものラマンシフトを起こす。つまり、ラマンシフト後の波長は、一つの試料で、数十ナノから数百ナノまで変化する。しかも、その波長シフトは複数となる。つまり散乱波長は複数となる。多数のラマンシフトを得ることで試料の同定確率は大幅に上昇する。そのため、本実験例から明らかなように、本発明の光学素子によれば、励起波長と複数の散乱波長に合わせた設計が容易
にでき、試料分析の精度を大幅に向上できる。
【０２３８】
４．７．実験例６（第２金属層と第１金属層の平面視における重なり）
例えば、第２金属層３０を、Ａｇ蒸着すること等により形成すると、図３５の右図に示すように、オーバーハングとなることがある。また、意図的にオーバーハングの態様を形成することもできる。オーバーハングの態様では、平面視において第２金属層３０と第１金属層１０とは重なりを有する。そこで、第２金属層３０のサイズを８０Ｄ２０Ｔと変えずに、誘電体柱を６０Ｄ４０Ｔとしたモデル（以下、ハットモデルということがある。）を計算し、本発明に係るモデル（以下、通常モデルということがある。）との違いを調べた。
【０２３９】
図３６は、通常モデルとハットモデルの反射率特性を示す。図３７は、通常モデルとハットモデルのファーフィールドとニアフィールドの相関を示す。
【０２４０】
図３６、３７をみると、ハットモデルは、通常モデルに比較して、１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデル及び１ラインＰＳＰ‖ＬＳＰモデルでＬＳＰピークの波長（長波長側のブロードな反射率特性）は、ブルーシフトした。ニアフィールド特性によると増強度はハットモデルのほうが通常モデルよりも大きい。しかし、これらの点を除けば、両者ともにほぼ同じ傾向を示した。従って、通常モデルが、例えば、Ａｇの成膜等におけるバラつきでハットモデルのようになったとしても、本発明の効果を失わないことが判明した。
【０２４１】
４．８．実験例７（第１金属層を貫通しない誘電体柱）
誘電体柱２０が第１金属層１０を貫通しない構造について、増強度を調べた。すなわち、本発明に係る構造（図３８の左図（通常モデル））と、第１金属層１０に穴の開いていない点のみが異なる構造の非貫通モデル（図３８の右図）を用いて増強度を調べた。非貫通モデルでは、第２金属層３０の下に誘電体柱２０及び第１金属層１０が存在する。図３８は、本発明に係る構造のモデルと非貫通モデルを模式的に示す。
【０２４２】
図３９は、本発明に係る構造のモデルと非貫通モデルのファーフィールド特性を示すグラフである。図３９をみると、反射率の極小値は、両モデルでほぼ同等であり、通常モデルに比較して、非貫通モデルの１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルで長波長側のブロードな反射率特性は、ブルーシフトしたが、これらの点を除けば、両者ともにほぼ同じ傾向を示した。また、図３９の非貫通モデルは図３６の上図のハットモデルとほぼ同じ反射率特性を示していることを鑑みると、平面視において第２金属層３０と第１金属層１０との重なりにより同じ物理現象を呈したと考えられる。
【０２４３】
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】
【０２４４】
１…基板、１０…第１金属層、２０…誘電体柱、３０…第２金属層、３１…第１金属列、３２…第２金属列、３３…第３金属列、１００，２００，２５０…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
【図１】
2015055482.tif 000003
【図２】
2015055482.tif 000004
【図３】
2015055482.tif 000005
【図４】
2015055482.tif 000006
【図５】
2015055482.tif 000007
【図８】
2015055482.tif 000008
【図９】
2015055482.tif 000009
【図１０】
2015055482.tif 000010
【図１１】
2015055482.tif 000011
【図１２】
2015055482.tif 000012
【図１３】
2015055482.tif 000013
【図１４】
2015055482.tif 000014
【図１５】
2015055482.tif 000015
【図１６】
2015055482.tif 000016
【図１７】
2015055482.tif 000017
【図２０】
2015055482.tif 000018
【図２１】
2015055482.tif 000019
【図２２】
2015055482.tif 000020
【図２３】
2015055482.tif 000021
【図２４】
2015055482.tif 000022
【図２５】
2015055482.tif 000023
【図２７】
2015055482.tif 000024
【図２９】
2015055482.tif 000025
【図３１】
2015055482.tif 000026
【図３２】
2015055482.tif 000027
【図３３】
2015055482.tif 000028
【図３４】
2015055482.tif 000029
【図３５】
2015055482.tif 000030
【図３６】
2015055482.tif 000031
【図３８】
2015055482.tif 000032
【図３９】
2015055482.tif 000033
【図６】
2015055482.tif 000034
【図７】
2015055482.tif 000035
【図１８】
2015055482.tif 000036
【図１９】
2015055482.tif 000037
【図２６】
2015055482.tif 000038
【図２８】
2015055482.tif 000039
【図３０】
2015055482.tif 000040
【図３７】
2015055482.tif 000041