(57)【要約】【課題】誘電体層を伝搬する光、および誘電体層と金属層の界面を伝搬する伝搬型表面プラズモンを、入射光の照射領域近傍に閉じ込め、エネルギーをより効率的に電場増強に利用することのできる光学素子を提供する。【解決手段】本発明に係る光学素子は、金属層と、前記金属層の上に形成された誘電体層と、前記誘電体層の上に形成され、入射光が入射される金属粒子層と、を含み、平面視において、前記金属粒子層の周囲に位置する前記誘電体層には、周期構造が形成されている。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属層と、
前記金属層の上に形成された誘電体層と、
前記誘電体層の上に形成され、入射光が入射される金属粒子層と、
を含み、
平面視において、前記金属粒子層の周囲に位置する前記誘電体層には、周期構造が形成されている、光学素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記周期構造は、前記入射光の波長において、前記誘電体層内、及び前記金属層と前記誘電体層との界面を、ＴＭ偏光光が伝搬しないフォトニックバンドギャップを示す、光学素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記周期構造は、前記入射光の入射によって前記光学素子内に生じるＴＭ偏光光を反射するように配置されている、光学素子。
【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、
前記平面視において、前記周期構造に囲まれた領域の面積が、前記入射光が照射される領域の面積と、前記入射光が照射される領域の外側の、前記誘電体層内及び前記金属層と前記誘電体層との界面を伝搬する伝搬型表面プラズモンが伝搬する領域の面積と、の和よりも小さい、光学素子。
【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、
前記平面視において、前記周期構造に囲まれた領域の半径は、前記入射光が照射される領域の半径と、前記誘電体層内及び前記金属層と前記誘電体層との界面を前記入射光が照射される領域の外側に向って伝搬型表面プラズモンが伝搬する距離と、の和よりも小さい、光学素子。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記光学素子に前記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、
を備えた、分析装置。
【請求項７】
請求項６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８】
請求項７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、光学素子、分析装置、及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療診断や食物の検査等における需要がますます増大し、小型で高速なセンシング技術の開発が求められている。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：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を用いたセンサーに対する関心が高まっている。
【０００３】
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。この手法は、ＳＰＲによる消光波長が、検出対象分子の吸着前後でシフトするのを検出することで、検出対象分子の存在をセンシングする。
【０００４】
また、低濃度の分子を検出する高感度分光技術の１つとして、SPR を利用した表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）が注目されている。ＳＥＲＳとはナノメートルスケールの凸凹構造を持つ金属表面でラマン散乱光が１０2〜１０14倍に増強される現象である。
【０００５】
レーザーなどの単一波長の励起光を分子に照射すると、励起光の波長から分子の振動エネルギー分だけ僅かにずれた波長の光（ラマン散乱光）が散乱される。この散乱光を分光処理すると、分子種に固有のスペクトル（指紋スペクトル）が得られる。この指紋スペクトルの形状を分析することで、分子を同定することが可能となる。
【０００６】
このようなセンサーの構造として、例えば、特許文献１には、導体上に誘電体層を介して形成された金属ナノ構造が形成され、伝搬型表面プラズモン（ＰＳＰ：Ｐｒｏｐａｇａｔｅｄ  Ｓｕｒｅｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ）と局在型表面プラズモン（ＬＳＰ：Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ）を併用したホットスポット密度（ＨＳＤ：Ｈｏｔ  Ｓｐｏｔ  Ｄｅｎｓｉｔｙ）の大きい表面増強ラマンセンサーチップが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１３−００７６１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示されたセンサーチップでは、金属ナノ構造に対する入射光の照射領域の誘電体層と、入射光の照射されない領域の誘電体層において、構造上の差異がなかった。そのため、基板の平面方向に伝搬するＰＳＰが照射領域以外の領域に伝搬して散逸してしまい、エネルギーロスが生じて、理論上期待される電場の増強度を得ることは困難であった。
【０００９】
本発明の幾つかの態様に係る目的の１つは、誘電体層を伝搬する光、および誘電体層と金属層の界面を伝搬する伝搬型表面プラズモンを、入射光の照射領域近傍に閉じ込め、エネルギーをより効率的に電場増強に利用することのできる光学素子、並びに、これを備え
た分析装置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】
【００１０】
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。
【００１１】
本発明に係る光学素子の一態様は、金属層と、前記金属層の上に形成された誘電体層と、前記誘電体層の上に形成され、入射光が入射される金属粒子層と、を含み、平面視において、前記金属粒子層の周囲に位置する前記誘電体層に周期構造が形成されている。
【００１２】
このような光学素子によれば、光学素子の金属粒子層に入射光が照射された場合、周囲の誘電体層に光が存在することが許されない周期構造が形成されているため、誘電体層を伝搬する光、および誘電体層と金属層の界面を伝搬する伝搬型表面プラズモンを、入射光の照射領域近傍に閉じ込めることができる。これにより、電場の増強のためのエネルギーの流失が低減され、高い電場増強効果を得ることができる。
【００１３】
本発明に係る光学素子において、前記周期構造は、前記入射光の波長において、前記誘電体層内、及び前記金属層と前記誘電体層との界面を、ＴＭ偏光光が伝搬しないフォトニックバンドギャップを示すものであってもよい。
【００１４】
このような光学素子によれば、金属粒子層の周囲に形成される誘電体層に、ＴＭ偏光光が存在できないフォトニックバンドギャップを有する周期構造が形成されるため、ＴＭ偏光である伝搬型表面プラズモンが当該周期構造に存在し得なくなる。これにより、伝搬型表面プラズモンが、周期構造の領域によって反射されて金属粒子層の領域に集められる。そのため、電場の増強のためのエネルギーをより効率よく集中させることができるので、さらに高い電場増強効果を得ることができる。
【００１５】
本発明に係る光学素子において、前記周期構造は、前記入射光の入射によって前記光学素子内に生じるＴＭ偏光光を反射するように配置されていてもよい。
【００１６】
このような光学素子によれば、金属粒子層の周囲に形成される誘電体層の周期構造によって、ＴＭ偏光である伝搬型表面プラズモンのうち、当該周期構造よりも外側へ拡散しようとする伝搬型表面プラズモンが、当該周期構造の内側に向って反射されて戻される。これにより、散逸するエネルギーが回収され、さらに高い電場増強効果を得ることができる。
【００１７】
本発明に係る光学素子において、前記平面視において、前記周期構造に囲まれた領域の面積が、前記入射光が照射される領域の面積と、前記入射光が照射される領域の外側の、前記誘電体層内及び前記金属層と前記誘電体層との界面を伝搬する伝搬型表面プラズモンが伝搬する領域の面積と、の和よりも小さくてもよい。
【００１８】
このような光学素子によれば、金属粒子層の周囲に形成される誘電体層の周期構造によって、ＴＭ偏光である伝搬型表面プラズモンのうち、当該周期構造よりも外側へ拡散しようとする伝搬型表面プラズモンが、当該周期構造の内側に向って反射されて戻される。これにより、散逸するエネルギーが回収され高い電場増強効果を得ることができる。
【００１９】
本発明に係る光学素子において、前記平面視において、前記周期構造に囲まれた領域の半径は、前記入射光が照射される領域の半径と、前記誘電体層内及び前記金属層と前記誘電体層との界面を前記入射光が照射される領域の外側に向って伝搬型表面プラズモンが伝搬する距離と、の和よりも小さくてもよい。
【００２０】
このような光学素子によれば、金属粒子層の周囲に形成される誘電体層の周期構造によって、ＴＭ偏光である伝搬型表面プラズモンのうち、当該周期構造よりも外側へ拡散しようとする伝搬型表面プラズモンが、当該周期構造の内側に向って反射されて戻される。これにより、散逸するエネルギーが回収され高い電場増強効果を得ることができる。
【００２１】
本発明に係る分析装置の一態様は、上述の光学素子と、前記光学素子に前記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、を備える。
【００２２】
このような分析装置によれば、高い電場増強効果を有する光学素子を備えるため、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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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】
【００２７】
【図１】実施形態の光学素子の金属粒子層が形成された領域を模式的に示す斜視図。
【図２】実施形態の光学素子の金属粒子層が形成された領域を金属層の厚さ方向から平面的に見た模式図。
【図３】実施形態の光学素子の金属粒子層が形成された領域の第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金属粒子層が形成された領域の第２方向に垂直な断面の模式図。
【図５】ＭＩＭ構造の一例を示す模式図。
【図６】ＭＩＭ構造を仮定した場合の絶縁体の有効屈折率とＰＳＰの伝搬距離の関係を示すグラフ。
【図７】実施形態に係る光学素子の一例を示す斜視図。
【図８】実施形態に係る周期構造の一例を平面的に見た模式図。
【図９】実施形態に係る周期構造の一例のブリユアンゾーン。
【図１０】実施形態に係る周期構造の一例のフォトニックバンド図。
【図１１】実施形態に係る光学素子の一例を示す斜視図。
【図１２】実施形態に係る周期構造の一例のブリユアンゾーン。
【図１３】実施形態に係る周期構造の一例を平面的に見た模式図。
【図１４】実施形態に係る周期構造の一例のブリユアンゾーン。
【図１５】実施形態に係る周期構造の一例のフォトニックバンド図。
【図１６】実施形態に係る光学素子の、金属粒子層、入射光の照射領域、及び誘電体層の周期構造が形成された領域の関係を平面的に示す模式図。
【図１７】実施形態に係る分析装置を模式的に示す図。
【図１８】実施形態に係る電子機器を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
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。
【００２９】
１．光学素子
図１は、本発明に係る光学素子の一例である本実施形態の光学素子１００の金属粒子層３０が形成されている領域を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施形態の光学素子１００の金属粒子層３０が形成されている領域を平面的に見た（金属層１０の厚さ方向から見た）図である。図３及び図４は、本実施形態の光学素子１００の金属粒子層３０が形成されている領域の断面の模式図である。本実施形態の光学素子１００は、金属層１０と、誘電体層２０と、金属粒子層３０と、を含む。
【００３０】
１．１．金属層
本実施形態の光学素子１００は、金属層１０を有する。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、板、層又は膜の形状とすることができる。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に励起される伝搬型表面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の表面に所定の構造を形成する場合にはその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、対応する部分の表面を平面としてもよい。図１〜図４の例では、基板１の表面（平面）の上に層状の金属層１０が設けられている。
【００３１】
本明細書では、金属層１０の厚さ方向を、厚み方向、高さ方向等と称する場合がある。本実施形態では、金属層１０の厚さ方向とは、後述の誘電体層２０及び金属粒子層３０の厚さ方向と一致している。また、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、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。また、本明細書において、例えば、「部材Ａの上に部材Ｂが設けられる」との表現は、部材Ａの上に接して部材Ｂが設けられる場合と、部材Ａの上に他の部材又は空間を介して部材Ｂが配置される場合と、を含む意味である。
【００３２】
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が薄膜状に基板１の上に設けられる場合には、基板１の上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。金属層１０の厚さは、金属層１０に伝搬型表面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。
【００３３】
金属層１０は、入射光ｉ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、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。また、金属層１０は、平面視において、誘電体層２０の外側まで形成されてもよい。
【００３４】
金属層１０は、本実施形態の光学素子１００において伝搬型表面プラズモン（ＰＳＰ）を発生させる機能を有している。特定の条件下では、金属層１０に光が入射することにより、金属層１０の表面（厚さ方向の端面）近傍に伝搬型表面プラズモンが発生する。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）と称することがある。係る金属層１０に発生した伝搬型表面プラズモンを、後述の金属粒子層３０に発生する局在型表面プラズモンと相互作用させてもよい。
【００３５】
１．２．誘電体層
本実施形態の光学素子１００は、金属層１０と金属粒子層３０（金属粒子４０）とを電気的に隔てる誘電体層２０を有する。誘電体層２０は、図１、３、４に示すように、金属層１０の上に設けられる。これにより、金属層１０と金属粒子層３０内に含まれる金属粒子４０とを隔てることができる。誘電体層２０は、フィルム、層又は膜の形状を有することができる。
【００３６】
誘電体層２０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。また誘電体層２０は、材質の互いに異なる複数の層から構成されてもよい。これらのうち、誘電体層２０の材質としては、ＳｉＯ2であることがより好ましい。このようにすれば、４００ｎｍ以上の波長λiの入射光を用いて、試料を測定する際に、入射光ｉ及びラマン散乱光ｓの両者をより容易に増強することができる。
【００３７】
誘電体層２０は、屈折率ｎeffを有する。誘電体層２０が複数層で構成される場合や複数の材質を含んで構成される場合には、誘電体層２０の全体としての実効屈折率を屈折率ｎeffとする。誘電体層２０の厚さは、光学素子１００に照射される入射光ｉの波長λi、波長λiの光を入射した際のラマン散乱光の波長λs等を考慮して設計される。入射光ｉの詳細は後述する。
【００３８】
誘電体層２０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。誘電体層２０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。誘電体層２０は、少なくとも金属粒子層３０の下に設けられ、さらに、金属粒子層３０の存在しない位置にも設けられる。すなわち、誘電体層２０は、光学素子１００の厚さ方向から見た場合、金属粒子層３０の位置と、金属粒子層３０よりも外側の位置とに設けられる。換言すると、誘電体層２０は、平面視において、金属粒子層３０を包含するように設けられる。あるいは、誘電体層２０は、平面視において、金属粒子層３０の外側の領域まで設けられる。そして、平面視において、少なくとも金属粒子層３０の周囲に位置する誘電体層２０に、周期構造が形成される。係る周期構造についての詳細は後述する。
【００３９】
誘電体層２０の厚さは、特に限定されず、例えば、１０ｎｍ以上２０００ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。
【００４０】
誘電体層２０のうち、金属層１０と金属粒子層３０とに挟まれた領域は、金属粒子層３０を１つの層と捉えれば、ＭＩＭ（Ｍｅｔａｌ−Ｉｎｓｕｒａｔｏｒ−Ｍｅｔａｌ）構造のＩｎｓｕｌａｔｏｒ（絶縁層）とみなすことができる（図５参照）。そしてこの場合、
誘電体層２０は、上下の金属によって境界が規定された導波路と考えることができる。したがって、誘電体層２０内（平面方向：誘電体層２０と平行な方向）に光を伝搬させることができる。また、誘電体層２０は、誘電体層２０と金属層１０との界面近傍に発生する伝搬型表面プラズモン（ＰＳＰ）を、誘電体層２０内（平面方向）に伝搬させることができる。
【００４１】
また、金属粒子層３０を１つの層とみなす場合、金属層１０及び金属粒子層３０によって、両端で光が反射される構造の共振器とみなすことができ、誘電体層２０は、その共振器の光路に相当する。このような共振器では、入射光ｉと反射光との重ね合わせを起すことができる。誘電体層２０の厚さは、入射光ｉと反射光との重ね合わせにより生じる定在波の腹が、金属粒子層３０の厚さ方向の中央付近（図５の一点鎖線を参照）となるように設定されることにより、金属粒子層３０に生じるＬＳＰの強度をさらに高めることができる。このような点を考慮して誘電体層２０の厚さを設定することもできる。誘電体層２０の厚さは、このような点を考慮する場合を例示すると、入射光ｉの波長が６３３ｎｍのとき２３０ｎｍとすることが挙げられるがこれに限定されない。
【００４２】
１．３．金属粒子層
金属粒子層３０は、誘電体層２０の上に設けられる。平面視において、金属粒子層３０は、誘電体層２０が形成された領域内に形成される。したがって、平面視において、金属粒子層３０の外側に誘電体層２０が存在し、当該外側の誘電体層２０の部分は、金属粒子層３０を取囲むように配置される。
【００４３】
金属粒子層３０は、金属粒子４０を含む。金属粒子層３０に含まれる金属粒子４０の数、大きさ（寸法）、形状、配列等については、特に限定されない。また、金属粒子層３０は、金属粒子４０以外に気体（空間）、誘電体等を含んでもよい。
【００４４】
金属粒子層３０は、誘電体層２０の上面から、金属粒子４０の誘電体層２０から離れた側の上端に接する面との間の部分と定義する（図３、４参照）。例えば、金属粒子層３０の上面及び下面は、金属粒子層３０に金属粒子４０と気体（空間）が含まれている場合には、仮想的な面となり、金属粒子層３０には、金属粒子４０の側方に配置された気体も含まれるものとする。
【００４５】
金属粒子層３０の平面的な形状は、特に限定されず、矩形、多角形、円形、楕円形等、任意の形状とすることができる。また、金属粒子層３０の平面的な形状は、入射光ｉの照射領域の形状と相似的な形状とすると、入射光ｉのエネルギーをより効率的に電場増強に充てることができる場合がある。例えば、入射光ｉの照射領域の形状が円形となる場合には、金属粒子層３０の平面的な形状を、入射光ｉの照射領域と中心を共有する円形の形状（同心円）とすることにより、エネルギー効率を高めることができる場合がある。
【００４６】
金属粒子層３０に含まれる金属粒子４０は、入射光ｉの照射により、局在型表面プラズモンを発生することができれば、その数、大きさ（寸法）、形状、配列等について、特に限定されない。
【００４７】
図１〜図４は、金属粒子層３０に含まれる金属粒子４０の一例を示している。この例では金属粒子層３０は、金属粒子４０が、第１方向にピッチＰ１で複数並んだ金属粒子列４１を有し、かつ、金属粒子列４１が、第１方向と交差する第２方向に、ピッチＰ２で複数並んだ構造を有している。
【００４８】
以下この例を用いて金属粒子層３０、金属粒子４０について説明する。図３、４に示すように、金属粒子層３０は、金属粒子４０を含む層であるが、金属粒子４０以外の部分に
は、誘電体等の他の物質が配置されてもよく、好ましくは気体（空間）が配置される。
【００４９】
（金属粒子）
金属粒子４０は、誘電体層２０の存在により、金属層１０から厚さ方向に離間して設けられる。金属粒子４０は、金属層１０の上に誘電体層２０を介して配置される。本実施形態の図１〜図４の例では、金属層１０の上に誘電体層２０が設けられ、その上に金属粒子４０が形成されているが、誘電体層２０は層状でなくても、金属層１０と金属粒子４０とが厚さ方向で離間して配置されていればよい。
【００５０】
金属粒子４０の形状は、特に限定されず、例えば、金属層１０又は誘電体層２０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、不定形又はそれらを組合わせた形状であることができる。図１〜図４の例では金属粒子４０は、いずれも誘電体層２０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４０の形状はこれに限定されず、例えば、角柱状、楕円柱状、半球状、球状、錐状、錐台状等であってもよい。
【００５１】
金属粒子４０の高さ方向（誘電体層２０の厚さ方向）の大きさＴは、高さ方向に垂直な平面によって金属粒子４０を切ることができる区間の長さを指し、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。また、金属粒子４０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４０を切ることができる区間の長さを指し、５ｎｍ以上３００ｎｍ以下とすることができる。例えば、金属粒子４０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４０の高さ方向の大きさ（円柱の高さ）は、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは３ｎｍ以上５０ｎｍ以下、さらに好ましくは４ｎｍ以上４０ｎｍ以下とすることができる。また金属粒子４０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４０の第１方向の大きさ（円柱底面の直径）は、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、より好ましくは２５ｎｍ以上１８０ｎｍ以下としてもよい。
【００５２】
金属粒子４０の形状、材質は、入射光ｉの照射によって、局在型表面プラズモン（ＬＳＰ）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表面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、及びそれらの合金等を挙げることができる。これらの中でも、金属粒子４０の材質としては、Ａｕ又はＡｇであることがより好ましい。このようにすれば、より強いＬＳＰが得られ、素子全体の増強度を強めることができる。
【００５３】
金属粒子４０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４０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誘電体層２０上に配置してもよい。
【００５４】
金属粒子４０は、本実施形態の光学素子１００において局在型表面プラズモン（ＬＳＰ）を発生させる機能を有している。金属粒子４０に、特定の条件で入射光ｉを照射することにより、金属粒子４０の周辺に局在型表面プラズモンを発生させることができる。金属粒子４０に発生した局在型表面プラズモンが、金属層１０と誘電体層２０との界面近傍に発生する伝搬型表面プラズモンと相互作用できるように入射光ｉの波長λi、誘電体層２０の厚さ、金属粒子４０の配列等を設定してもよい。
【００５５】
光学素子１００には、金属粒子層３０側から入射光ｉが照射される。そして、入射光ｉは、金属粒子層３０、誘電体層２０、及び金属層１０と、回折、屈折、反射等の各種の相
互作用をして入射光ｉの照射された領域及びその近傍にて、プラズモン共鳴を生じ、高い電場増強効果を示すことができる。
【００５６】
（金属粒子の配置）
図１〜図４に示す例では、金属粒子４０は、複数が並んで金属粒子列４１を構成している。金属粒子４０は、金属粒子列４１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４１は、金属粒子４０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。１つの金属粒子列４１に並ぶ金属粒子４０の数は、複数であればよく、好ましくは１０個以上である。
【００５７】
ここで金属粒子列４１内における第１方向の金属粒子４０の重心間の距離をピッチＰ１と定義する（図２〜図４参照）。金属粒子列４１内における２つの金属粒子４０の粒子間距離は、金属粒子４０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、ピッチ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表面プラズモンの強度が増大する傾向がある。粒子間距離は、１ｎｍ以上５３０ｎｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以上２００ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上１５０ｎｍ以下とすることができる。
【００５８】
金属粒子列４１内における第１方向の金属粒子４０のピッチＰ１は、例えば、６ｎｍ以上５３５ｎｍ以下であり、好ましくは１０ｎｍ以上４００ｎｍ以下、より好ましくは２０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下とすることができる。
【００５９】
金属粒子列４１は、第１方向にピッチＰ１で並ぶ複数の金属粒子４０によって構成されるが、金属粒子４０に発生される局在型表面プラズモンの分布・強度等は、この金属粒子４０の配列にも依存する。したがって、金属層１０に発生する伝搬型表面プラズモンと相互作用する局在型表面プラズモンは、単一の金属粒子４０に発生する局在型表面プラズモンだけでなく、金属粒子列４１における金属粒子４０の配列を考慮した局在型表面プラズモンである。
【００６０】
図１〜図４に示す例では、金属粒子列４１は、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で並んで配置されている。金属粒子列４１が並ぶ数は、複数であればよく、好ましくは５列以上である。ここで、隣合う金属粒子列４１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。ピッチＰ２は、金属粒子列４１が、複数の列から構成される場合には、複数の列の第２方向における重心の位置と、隣の金属粒子列４１の複数の列の第２方向における重心の位置と、の間の距離を指す。
【００６１】
金属粒子列４１間のピッチＰ２は、例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下であり、好ましくは１００ｎｍ以上２μｍ以下、より好ましくは３００ｎｍ以上１９００ｎｍ以下、さらに好ましくは４００ｎｍ以上１８５０ｎｍ以下、特に好ましくは４８０ｎｍ以上１８４０ｎｍ以下とすることができる。
【００６２】
図１〜図４の例では、金属粒子層３０の金属粒子４０が規則的な配列となっている例であるが、本実施形態の光学素子１００では、金属粒子４０の配列は、規則性を有する必要はなく、ランダムな配置であってもよく、また部分的に規則性を有する配置であってもよい。
【００６３】
またなお、金属粒子層３０を図１〜図４のような配置とした場合、ピッチＰ１及びピッチＰ２を、
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１
［ここで、Ｐ１は第１のピッチ、Ｐ２は第２のピッチ、Ｑは、第２金属層の列に励起され
る局在型表面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ｉの照射角であって金属層の厚さ方向からの傾斜角をθ、として、下記式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，，）
なる関係を満たすように設定すれば局在型表面プラズモンと伝搬型表面プラズモンとの良好な相互作用を生じさせることができ、さらに高い電場増強効果を得ることができる。
【００６４】
１．４．入射光
光学素子１００には、上述の金属粒子層３０側から入射光ｉが照射される。光学素子１００に入射される入射光ｉの波長λiは、金属層１０の表面（誘電体層２０との界面）近傍に伝搬型表面プラズモンを生じ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。また、入射光ｉは偏光光であってもなくてもよい。
【００６５】
入射光ｉの波長λiは、例えば、４００ｎｍ以上１０７０ｎｍ以下、好ましくは５００ｎｍ以上１０７０ｎｍ以下、より好ましくは６３０ｎｍ以上１０７０ｎｍ以下とすることができる。
【００６６】
入射光ｉは、光学素子１００の金属粒子層３０が形成された領域に入射される。入射光ｉは、平面的に見て、金属粒子層３０の全体に入射（照射）されてもよいし、金属粒子層３０の一部に入射されてもよい。さらに、入射光ｉは、平面的に見て金属粒子層３０が形成された領域よりも広い領域に照射されてもよい。
【００６７】
入射光ｉの照射領域とは、金属粒子層３０の上面における領域のことを指し、入射光ｉが金属粒子層３０に進入する領域である。入射光ｉは、レンズ等で集光されるなどして照射されてもよい。入射光ｉの照射領域の大きさは、いわゆるスポットサイズに相当する。なお、入射光ｉは、レンズ等によって集光されていてもいなくてもよい。また、入射光ｉの照射領域は、平面的に見て、円形、楕円形であってもよいし、アパーチャー等を用いて任意の形状としてもよい。さらに、レンズ等を用いる場合には、入射光ｉに収差等が生じていてもよい。
【００６８】
金属粒子層３０の上面における照射領域（スポット）を円形とした場合、収差を無視できる程度のレンズであって、開口数ＮＡのレンズで集光した時の光のスポット半径ｗ0は近似的に式（１）で表される。
【００６９】
【数１】
2015078904.tif 000003
ここで、波長λを６３３ｎｍとし、開口数ＮＡ＝０．２５の対物レンズ（金属粒子層３０に対して光を出射するレンズ）を想定すると、ｗ0〜１．５μｍとなる。また、入射光ｉの集光と、散乱光ｓの集光を同一の対物レンズで行う場合、散乱光ｓを集光できる面積の半径も、式（１）式に従うため、その半径は約１．５μｍとなる。
【００７０】
入射光ｉの照射領域の大きさは、使用するレンズの開口数ＮＡ、レンズの口径、レンズから金属粒子層３０までの距離などを変更することによって調節することができる。
【００７１】
１．５．伝搬型表面プラズモン（ＰＳＰ）の伝搬距離
光学素子１００に対して、金属粒子層３０側から入射光ｉが入射されると、金属層１０
と誘電体層２０との界面近傍に伝搬型表面プラズモン（ＰＳＰ）が生成される。ＰＳＰは、局在型表面プラズモンと異なり、速度を有し、金属層１０の上面付近を平面方向に移動するプラズモンであり、分散関係のグラフにプロットすると傾きを有するプラズモンである。
【００７２】
伝搬型表面プラズモンの平面方向への伝搬距離は、主として誘電体層２０の材質及び厚さに依存する。伝搬型表面プラズモンの平面方向への伝搬距離は、誘電体層２０にＳｉＯ2を採用した場合には、当該誘電体層２０の厚さが２００ｎｍとすると、約５μｍほどにも及ぶ。すなわち、一様な材質、構造の誘電体層２０であると、入射光ｉの照射領域内で生じたＰＳＰは、当該照射領域の端から外側に向って、入射光ｉが照射されていない領域に向って約５μｍ伝搬する。
【００７３】
スポット半径が１．５μｍであって、ＰＳＰの伝搬距離が５μｍである場合には、計算上、ＰＳＰの存在領域の面積は、入射光ｉの照射領域の面積の約１９倍となることがわかる。したがって、入射光ｉの外側の領域にＰＳＰとして、入射光ｉのエネルギーが広がっていることが理解されよう。
【００７４】
本実施形態の光学素子１００の構造のうち、金属層１０と金属粒子層３０とによって誘電体層２０が挟まれた領域は、ＭＩＭ構造とみなすことができる。この構造を模式的に示すと図５のようになる。係る構造では、入射光ｉと、各界面で生じた反射波の重ね合わせた定在波の腹が金属粒子層３０の中央付近（図５中、一点鎖線部分）に存在するように、誘電体層２０の膜厚を設定することで、プラズモン共鳴波長を設定できる。このとき、構造パラメータとプラズモン共鳴波長の関係として近似的に式（２）が与えられる。
【００７５】
【数２】
2015078904.tif 000004
ここでλはプラズモン共鳴波長、ｍは整数である。また、ｎparticle及びｄparticleは、それぞれ金属粒子層３０の屈折率及び膜厚、ｎgap及びｄgapは、それぞれ誘電体層２０の屈折率及び膜厚、φmirrorは、誘電体層２０と金属層１０との界面で反射する際に生じる位相変化量［ｒａｄ］である。金属層１０が単層の金属膜の場合、φmirrorは次式で与えられる。
【００７６】
【数３】
2015078904.tif 000005
ここでｎmirror及びκmirrorは、それぞれ金属層１０の屈折率及び消衰係数である。また、誘電体層２０が複数の層からなる場合、各誘電体層２０において式（２）を満たすことが望ましい。この時、式（２）の右辺第２項（２ｎgap・ｄgap）は誘電体層２０を形成する各層の屈折率と膜厚との積の総和として計算される。
【００７７】
図５に示すような、薄い誘電体層２０が２枚の金属の間に挟まれている金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）導波路を考えると、誘電体層２０中を伝搬するＴＭ偏光光と結合して、金属層１０と誘電体層２０との間の界面に伝搬型表面プラズモンが生じ、係る伝搬型表面プラズモンが平面方向に伝搬する。
【００７８】
このとき、伝搬型表面プラズモンの波数ｋgspは次式で与えられる。
【００７９】
【数４】
2015078904.tif 000006
ここで、ｋ0は真空中での光の波数で、εd及びεmは、それぞれ、入射光ｉの波長における誘電体層２０の誘電率及び金属層１０の誘電率である。また、導波路（誘電体層２０）の実効的な屈折率ｎeff、及び、伝搬型表面プラズモンの伝搬距離Ｌは次式で与えられる。
【００８０】
【数５】
2015078904.tif 000007
【００８１】
【数６】
2015078904.tif 000008
ここで、波長を、例えば、６３３ｎｍとした場合、式（５）、式（６）から、実効的な屈折率ｎeffの実数部、及び伝搬距離Ｌを、誘電体層２０（ここではＳｉＯ2とする。）の厚みｔに対してプロットすると、図６のようになる。図６の特に伝搬型表面プラズモン（ＰＳＰ）の伝搬距離Ｌに注目すると、誘電体層２０の厚さが増すにつれて、伝搬距離Ｌが伸びていることがわかる。また、既に述べたとおり、図６をみると、ＳｉＯ2が、約２００ｎｍの時、伝搬距離は５μｍにも及ぶことがわかる。
【００８２】
光学素子１００において、誘電体層２０を伝搬する伝搬型表面プラズモンの伝搬距離Ｌが長いことは、金属粒子層３０に存在する、より多くの金属粒子４０と相互作用を生じさせることが出来ることを示している。これにより、増強電場を生じる領域を広範囲とすることができ、ＳＥＲＳもまた広範囲から発生させることができる。
【００８３】
しかしながら、この場合、単位面積当たりの増強度は、伝搬距離Ｌが長くなるほど、小さくなってしまう。また、この場合、金属粒子層３０（金属粒子４０）に吸着した試料（目的物質）を検出するには、広範囲から発生されるＳＥＲＳ光を、レンズを介して集光し、分光処理部へ導く必要がある。したがって集光するために用いるレンズの径の大型化などが必要となる。
【００８４】
これに対して、本実施形態に係る光学素子１００では、平面的に見て、金属粒子層３０の周囲に位置する誘電体層２０に周期構造が形成されるため、誘電体層２０を伝搬する伝搬型表面プラズモンの伝搬距離Ｌが長くても、単位面積当たりの増強度を高く維持することができる。
【００８５】
１．６．周期構造
本実施形態の光学素子１００では、平面的に見て、金属粒子層３０の周囲に位置する誘電体層２０に周期構造が形成される。周期構造は、誘電体層２０を構成する材料によって形成されてもよいし、他の材料によって形成されてもよい。周期構造は、例えば、半導体製造において汎用されるフォトリソグラフィ技術、エッチング技術等を用いてパターニングして形成することができる。
【００８６】
周期構造は、当該構造内に、ＴＭ偏光光が存在できなくなる態様で形成される。したがって、周期構造内には、ＰＳＰのようなＴＭ偏光光が存在することができない。周期構造の具体的な構造は、特に限定されず、以下に例示するような柱状体や孔が二次元的に規則的に配列するような構造でもよいし、ランダムな構造であってもよい。
【００８７】
誘電体層２０に形成される周期構造の例を、図７〜図１５を用いて説明する。図７、図１１は、それぞれ、本実施形態の光学素子１００の一例を示す斜視図である。図８は、図７の例の誘電体層に形成される周期構造を平面的に見た模式図である。図９及び図１２は、それぞれ、図７及び図１１の例の誘電体層に形成される周期構造のブリユアンゾーンを示す。図１０は、図７の例の誘電体層に形成される周期構造のフォトニックバンド図を示す。図１３は、本実施形態の光学素子１００の誘電体層に形成される周期構造の他の例を平面的に見た模式図である。図１４は、図１３の例の誘電体層に形成される周期構造のブリユアンゾーンを示す。図１５は、図１３の例の誘電体層に形成される周期構造のフォトニックバンド図である。
【００８８】
図７、図８に示す例は、金属粒子層３０の周囲に、正方配列の誘電体からなる円柱を格子状に配列した例である。係る例における、光学素子１００は、金属層１０と、金属層１０の上に形成された誘電体層２０と、誘電体層２０のの上に形成された金属粒子層３０とを含んでおり、平面視において、金属粒子層３０の周囲に位置する誘電体層２０が、複数の円柱２１が残るように成形され、係る円柱２１が平面的に見て正方配列され、これにより周期構造領域２３が形成されている。
【００８９】
図８には、係る正方配列された誘電体からなる円柱２１の格子を模式的に平面的にみた図を示す。図８中、ａはピッチ、ｒは円柱２１の半径であり、矢印は単位ベクトルを示す。図９は、正方配列のブリユアンゾーンであり、伝搬方位を図９に描くように定義する。
【００９０】
係る例の周期構造において、円柱２１の内部誘電率を５．９（ＴｉＯ2を想定）、外部誘電率を１（空気を想定）、半径ｒ／ａ＝０．２５とすると、フォトニックバンド図は、図１０のようになる。
【００９１】
図１０をみると、ωａ／（２πｃ）＝０．３５６〜０．４３７のとき、フォトニックバンドが開いていることが分かる。したがって、ωａ／（２πｃ）＝０．３５６〜０．４３７のときには、係る周期構造が形成された周期構造領域２３の中（誘電体層２０の中）には、いずれの方向にも光の存在が許されない。そのため、平面視において、誘電体層２０の周期構造領域２３によって囲まれた領域の内側に存在する光又はＰＳＰは、周期構造領域２３に進入することができず、反射されて内側の誘電体層２０に戻されることになる。
【００９２】
したがって、入射光ｉの波長λiの角周波数ωiに対し、ａ及びｒを上記のように設定することで、平面視における金属粒子層３０が存在する領域（周期構造領域２３の内側の誘電体層２０）に、ＴＭ偏光光である伝搬型表面プラズモンを閉じ込めることができる。
【００９３】
なお、フォトニックバンド図は、平面波展開法を用いて固有方程式を導出し、これを解くことによって得られる。フォトニックバンド図は、例えば、Ｒｓｏｆｔ社製ＢａｎｄＳＯＬＶＥなどの市販のソフトウェアを用いて計算することにより求めることができる。
【００９４】
図１１は、平面視において、金属粒子層３０の周囲に位置する誘電体層２０に、形状が円柱である円柱孔２２を正方配列で格子状に設けた例である。この例では、円柱孔２２は、誘電体層２０が円柱の形状で除去された空間に相当する。円柱孔２２の内部誘電率を１（空気を想定）、外部誘電率を５．９（ＴｉＯ2を想定）とし、ａはピッチ、ｒは円柱孔
２２の内のり（内径）の半径とする（すなわち、図８において円柱２１を円柱孔２２と置換えた場合に相当する。）。係る例における、光学素子１００は、金属層１０と、金属層１０の上に形成された誘電体層２０と、誘電体層２０の上に形成された金属粒子層３０とを含んでおり、平面視において、金属粒子層３０の周囲に位置する誘電体層２０に、複数の円柱孔２２が成形され、係る円柱孔２２が平面的に見て正方配列され、これにより周期構造領域２３が形成されている。
【００９５】
この例において、ｒ／ａ＝０．４５とした場合のフォトニックバンド図を図１２に示す。図１２をみると、ωａ／（２πｃ）＝０．３２７〜０．３５４のとき、フォトニックバンドが開いていることが分かる。したがって、ωａ／（２πｃ）＝０．３２７〜０．３５４のときには、係る周期構造領域２３の中（誘電体層２０の中）には、いずれの方向にも光の存在が許されない。そのため、上述の例と同様に、平面視において、周期構造領域２３によって囲まれた領域の内側に存在する光又はＰＳＰは、周期構造領域２３に進入することができず、反射されて内側の誘電体層２０に戻されることができる。
【００９６】
したがって、入射光ｉの波長λiの角周波数ωiに対し、ａ及びｒを上記のように設定することで、平面視における金属粒子層３０が存在する領域（周期構造領域２３の内側の誘電体層２０）に、ＴＭ偏光光である伝搬型表面プラズモンを閉じ込めることができる。
【００９７】
また、周期構造における円柱等の配列は、正方配列に限られない。図１３は、金属粒子層３０の周囲に、誘電体からなる円柱２１を三角配列の格子状に配列した場合を模式的に表す平面図である。係る例における、光学素子１００は、金属層１０と、金属層１０の上に形成された誘電体層２０と、誘電体層２０のの上に形成された金属粒子層３０とを含んでおり、平面視において、金属粒子層３０の周囲に位置する誘電体層２０が、複数の円柱２１が残るように成形され、係る円柱２１が平面的に見て三角配列され、これにより周期構造領域２３が形成されている。そして、図１４は、三角配列のブリユアンゾーンであり、伝搬方位を図１３に描くように定義する。
【００９８】
円柱２１の内部誘電率を５．９（ＴｉＯ2を想定）、外部誘電率を１（空気を想定）とし、図１３に示すようにａはピッチ、ｒは円柱２１の半径とする。そして、本例において、半径ｒ／ａ＝０．１とした場合のフォトニックバンド図を図１５に示す。
【００９９】
図１５をみると、ωａ／（２πｃ）＝０．５３７〜０．５７５のとき、フォトニックバンドが開いていることが分かる。ωａ／（２πｃ）＝０．５３７〜０．５７５の関係を満足すれば、係る周期構造領域２３の中（誘電体層２０の中）には、いずれの方向にも光の存在が許されない。そのため、上述の例と同様に、平面視において、周期構造領域２３によって囲まれた領域の内側に存在する光又はＰＳＰは、周期構造領域２３に進入することができず、反射されて内側の誘電体層２０に戻されることができる。
【０１００】
したがって、入射光ｉの波長λiの角周波数ωiに対し、ａ及びｒを上記のように設定することで、平面視における金属粒子層３０が存在する領域（周期構造領域２３の内側の誘電体層２０）に、ＴＭ偏光光である伝搬型表面プラズモンを閉じ込めることができる。
【０１０１】
以上周期構造について例示的に説明したが、周期構造は、フォトニックバンドギャップを形成できる限り任意であり、適宜に設計することができる。また、上記の例では、周期構造は、周期構造領域内で一様な配列を例示しているが、周期構造は、その周期が位置によって変化してもよい。さらに、上述の例では、金属粒子層３０の下の誘電体層２０に周期構造領域が形成されていない例を示しているが、周期構造は、金属粒子層３０の周囲に位置していれば、効果を奏することができるため、金属粒子層３０の下方の誘電体層２０に周期構造領域が形成されてもよい。
【０１０２】
１．７．周期構造の配置
上記説明したように、誘電体層２０に形成される周期構造は、その内側から外に向って伝搬しようとするＰＳＰを反射して閉じこめる作用を有する。したがって、平面視において、ＰＳＰの存在しうる領域（伝搬距離Ｌを考慮した領域）よりも内側に周期構造が形成されることにより、その内側の領域における電場増強度を高めることができる。
【０１０３】
図１６は、幾つかの例に係る光学素子１００を平面的に見た模式図である。以下図１６を参照して、平面視における周期構造の配置について説明する。図１６の各例において、光学素子１００は、金属層１０（図示せず）と、金属層１０の上に形成された誘電体層２０と、誘電体層２０のの上に形成された金属粒子層３０とを含んでおり、平面視において、金属粒子層３０の周囲に位置する誘電体層２０に、周期構造が形成されている。なお、図１６中、誘電体層２０において周期構造が形成されている領域を周期構造領域２３として符号を付した。また、図１６には、入射光ｉの照射領域を、スポット５０として符号を付した。さらに、図１６の例では、金属粒子層３０、周期構造領域２３（２０）の端部、及び入射光ｉのスポット５０は、いずれも円形で、同心円状に描いているが、このような配置には限定されないことは上述のとおりである。
【０１０４】
図１６（ａ）の例は、金属粒子層３０の周囲に周期構造領域２３が形成されており、金属粒子層３０の全域ではなく、中央部分に入射光ｉの照射領域がある態様を示している。図１６（ａ）においては、スポット５０の位置において、金属層１０（図示せず）と誘電体層２０の界面近傍にＰＳＰが発生する。係る位置で発生したＰＳＰは、誘電体層２０の材質、厚さ等に応じた伝搬距離Ｌで、スポット５０の外側に伝搬する。そして、スポット５０の外側の誘電体層２０又は誘電体層２０と金属層１０との界面を伝搬したＰＳＰは、周期構造領域２３の内側の端部（破線）によって反射されて、金属粒子層３０の存在する領域の誘電体層２０内に戻される。これにより、金属粒子層３０の存在する領域内におけるＰＳＰの存在量を高めることができ、高い電場増強度を得ることができる。また、この例の場合、スポット５０の半径と伝搬距離Ｌとの和が、周期構造領域２３の内側の端を形成する円の半径よりも大きいほど、ＰＳＰの反射量が大きくなるため、電場増強効果をさらに高めることができる。すなわち、周期構造が、入射光ｉの入射によって光学素子１００内に生じるＴＭ偏光光（ＰＳＰ）を反射するように配置されれば、電場増強効果をさらに高めることができる。
【０１０５】
図１６（ｂ）の例は、金属粒子層３０の周囲に周期構造領域２３が形成されており、入射光ｉの照射領域が金属粒子層３０よりも広い範囲である態様を示している。図１６（ｂ）においては、金属粒子層３０の位置において、金属層１０（図示せず）と誘電体層２０の界面近傍にＰＳＰが発生する。当該発生したＰＳＰは、誘電体層２０の材質、厚さ等に応じた伝搬距離Ｌで伝搬するが、図１６（ｂ）の例においては、ＰＳＰは金属粒子層３０の領域の内側の誘電体層２０にしか存在し得ないため、当該領域（周期構造領域２３の内側の誘電体層２０）内のＰＳＰの存在量を高めることができ、高い電場増強度を得ることができる。
【０１０６】
図１６（ｃ）の例は、金属粒子層３０の周囲に周期構造領域２３が形成されており、金属粒子層３０の内側の領域（金属粒子層３０の下の誘電体層２０の一部）まで、周期構造領域２３が形成されている。そして、金属粒子層３０の全域ではない中央部分に入射光ｉの照射領域（スポット５０）がある態様を示している。図１６（ｃ）においては、スポット５０の位置において、金属層１０（図示せず）と誘電体層２０の界面近傍にＰＳＰが発生する。係る位置で発生したＰＳＰは、誘電体層２０の材質、厚さ等に応じた伝搬距離Ｌで、スポット５０の外側に伝搬する。そして、スポット５０の外側の、誘電体層２０又は誘電体層２０と金属層１０との界面を伝搬したＰＳＰは、周期構造領域２３の内側の端部
（この例では金属粒子層３０の下に位置している（破線）。）によって反射されて、金属粒子層３０下の誘電体層２０であって周期構造が形成されていない領域内に集中される。これにより、周期構造領域２３の内側におけるＰＳＰの存在量を高めることができ、高い電場増強度を得ることができる。また、この例の場合、スポット５０の半径と伝搬距離Ｌとの和が、周期構造領域２３の内側の端を形成する円の半径よりも大きいほど、ＰＳＰの反射量が大きくなるため、電場増強効果をさらに高めることができる。すなわち、周期構造は、入射光ｉの入射によって光学素子１００内に生じるＴＭ偏光光（ＰＳＰ）を反射するように配置されれば、電場増強効果をさらに高めることができる。
【０１０７】
図１６（ｄ）の例は、金属粒子層３０の周囲に形成された周期構造領域２３が、円環状に形成される点で異なる以外は、図１６（ａ）の例と同様である。図１６（ｄ）においても、スポット５０の位置において、金属層１０（図示せず）と誘電体層２０の界面近傍にＰＳＰが発生する。係る位置で発生したＰＳＰは、誘電体層２０の材質、厚さ等に応じた伝搬距離Ｌで、スポット５０の外側に伝搬する。そして、スポット５０の外側の誘電体層２０又は誘電体層２０と金属層１０との界面を伝搬したＰＳＰは、既に述べているように、周期構造領域２３には存在し得ないため、円環状に形成されている場合であっても、周期構造領域２３の内側の端部（内側の破線）によって反射されて、金属粒子層３０の存在する領域内に戻される。これにより、周期構造領域２３の内側の誘電体層２０内におけるＰＳＰの存在量を高めることができ、高い電場増強度を得ることができる。また、この例の場合も同様に、スポット５０の半径と伝搬距離Ｌとの和が、周期構造領域２３の内側の端を形成する円の半径よりも大きいほど、ＰＳＰの反射量が大きくなるため、電場増強効果をさらに高めることができる。すなわち、周期構造は、入射光ｉの入射によって光学素子１００内に生じるＴＭ偏光光（ＰＳＰ）を反射するように配置されれば、電場増強効果をさらに高めることができる。
【０１０８】
また、平面視における各領域の面積の関係としては、周期構造領域２３（２０）に囲まれた領域の面積が、入射光ｉが照射される領域（スポット５０）の面積と、スポット５０の外側の、誘電体層内及び金属層と誘電体層との界面を伝搬する伝搬型表面プラズモンが伝搬する領域の面積と、の和よりも小さくすることにより、電場増強効果をさらに高めることができる。また、図１６の例のようにスポット５０が平面視において円形である場合、各領域の長さの関係として、周期構造２３（２０）に囲まれた領域の半径は、入射光ｉが照射される領域（スポット５０）の半径と、誘電体層内及び金属層と誘電体層との界面をスポット５０の外側に向かう伝搬型表面プラズモンの伝搬距離Ｌと、の和よりも小さくすることにより、電場増強効果をさらに高めることができる。
【０１０９】
１．８．作用効果
本実施形態の光学素子１００によれば、光学素子１００の金属粒子層３０に入射光ｉが照射された場合、平面的に見て周囲の誘電体層２０に光が存在することが許されない周期構造が形成されているため、誘電体層２０を伝搬する光、および誘電体層２０と金属層１０の界面を伝搬する伝搬型表面プラズモンを、内側の周期構造が形成されていない誘電体層２０に閉じ込めることができる。これにより、電場の増強のためのエネルギーの流失が低減され、高い電場増強効果を得ることができる。当該周期構造は、入射光ｉの波長λiにおいて、ＴＭ偏光光が伝搬しないフォトニックバンドギャップを示すため、ＴＭ偏光である伝搬型表面プラズモンが当該周期構造が形成された位置に存在し得なくなる。これにより、電場の増強のためのエネルギーの散逸が低減され、高い電場増強効果を得ることができる。
【０１１０】
また、周期構造を、入射光ｉの入射によって光学素子１００内に生じるＴＭ偏光光を反射するように配置すれば、ＴＭ偏光である伝搬型表面プラズモンのうち、当該周期構造よりも外側へ拡散しようとする伝搬型表面プラズモンが、当該周期構造の内側に向って戻さ
れので、散逸するエネルギーが回収されさらに高い電場増強効果を得ることができる。
【０１１１】
２．分析装置
図１７は、本実施形態に係る分析装置２００を模式的に示す図である。分析装置２００は、例えば、ラマン分光装置であり、以下分析装置２００はラマン分光装置であるものとして説明する。分析装置２００は、図１７に示すように、気体試料保持部１１０と、検出部１２０と、制御部１３０と、検出部１２０および制御部１３０を収容している筐体１４０と、を含む。気体試料保持部１１０は、本発明に係る光学素子を含む。以下では、上述の光学素子１００を含む例について説明する。
【０１１２】
気体試料保持部１１０は、光学素子１００と、光学素子１００を覆うカバー１１２と、吸引流路１１４と、排出流路１１６と、を有している。検出部１２０は、光源２１０と、レンズ１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄと、ハーフミラー１２４と、光検出器２２０と、を有している。制御部１３０は、光検出器２２０において検出された信号を処理して光検出器２２０の制御をする検出制御部１３２と、光源２１０などの電力や電圧を制御する電力制御部１３４と、を有している。制御部１３０は、図１７に示すように、外部との接続を行うための接続部１３６と電気的に接続されていてもよい。
【０１１３】
分析装置２００では、排出流路１１６に設けられている吸引機構１１７を作動させると、吸引流路１１４および排出流路１１６内が負圧になり、吸引口１１３から検出対象となる標的物質を含んだ気体試料が吸引される。吸引口１１３には除塵フィルター１１５が設けられており、比較的大きな粉塵や一部の水蒸気などを除去することができる。気体試料は、吸引流路１１４および排出流路１１６を通り、排出口１１８から排出される。気体試料は、係る経路を通る際に、光学素子１００の金属粒子層３０と接触する。
【０１１４】
吸引流路１１４および排出流路１１６の形状は、外部からの光が光学素子１００に入射しないような形状である。これにより、ラマン散乱光以外の雑音となる光が入射しないため、信号のＳ/Ｎ比を向上させることができる。流路１１４，１１６を構成する材料は、例えば、光を反射し難いような材料や色である。
【０１１５】
吸引流路１１４および排出流路１１６の形状は、気体試料に対する流体抵抗が小さくなるような形状である。これにより、高感度な検出が可能になる。例えば、流路１１４，１１６の形状を、できるだけ角部をなくし滑らかな形状にすることで、角部における気体試料の滞留をなくすことができる。吸引機構１１７としては、例えば、流路抵抗に応じた静圧、風量のファンモーターやポンプを用いる。
【０１１６】
分析装置２００では、光源２１０は、光学素子１００に光（例えば波長６３３ｎｍのレーザー光、入射光ｉ）を照射する。光源２１０としては、例えば、半導体レーザー、気体レーザーを用いることができる。光源２１０から射出された光は、レンズ１２２ａで集光された後、ハーフミラー１２４およびレンズ１２２ｂを介して、光学素子１００に入射する。光学素子１００からは、ＳＥＲＳ光が放射され、該光は、レンズ１２２ｂ、ハーフミラー１２４、およびレンズ１２２ｃ，１２２ｄを介して、光検出器２２０に至る。すなわち、光検出器２２０は、光学素子１００から放射される光を検出する。ＳＥＲＳ光には、光源２１０からの入射波長と同じ波長のレイリー散乱光が含まれているので、光検出器２２０のフィルター１２６によってレイリー散乱光を除去してもよい。レイリー散乱光が除去された光は、ラマン散乱光として、光検出器２２０の分光器１２７を介して受光素子１２８にて受光される。受光素子１２８としては、例えば、フォトダイオードを用いる。
【０１１７】
光検出器２２０の分光器１２７は、例えば、ファブリペロー共振を利用したエタロン等で形成されており、通過波長帯域を可変とすることができる。光検出器２２０の受光素子
１２８によって、標的物質に特有のラマンスペクトルが得られ、例えば、得られたラマンスペクトルと予め保持するデータとを照合することで、標的物質の信号強度を検出することができる。
【０１１８】
なお、分析装置２００は、光学素子１００、光源２１０、および光検出器２２０を含み、光学素子１００に標的物質を吸着させ、そのラマン散乱光を取得することができれば、上記の例に限定されない。
【０１１９】
また、上述した本実施形態に係るラマン分光法のように、レイリー散乱光を検出する場合は、分析装置２００は、フィルター１２６を有さず、分光器によって、レイリー散乱光とラマン散乱光とを分光してもよい。
【０１２０】
分析装置２００では、上述の、電場の増強のためのエネルギーの流失が低減され、高い電場増強効果を得ることができる光学素子１００を含む。そのため、ラマン散乱光の強度を大きくすることができる。したがって、分析装置２００は、高い検出感度を有することができる。
【０１２１】
３．電子機器
次に、本実施形態に係る電子機器３００について、図面を参照しながら説明する。図１８は、本実施形態に係る電子機器３００を模式的に示す図である。電子機器３００は、本発明に係るラマン分光装置を含むことができる。以下では、本発明に係るラマン分光装置として分析装置２００を含む例について説明する。
【０１２２】
電子機器３００は、図１８に示すように、分析装置２００と、光検出器２２０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３１０と、健康医療情報を記憶する記憶部３２０と、健康医療情報を表示する表示部３３０と、を含む。
【０１２３】
演算部３１０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、光検出器２２０から送出される検出情報（信号等）を受け取る。演算部３１０は、光検出器２２０からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する。演算された健康医療情報は、記憶部３２０に記憶される。
【０１２４】
記憶部３２０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３１０と一体的に構成されてもよい。記憶部３２０に記憶された健康医療情報は、表示部３３０に送出される。
【０１２５】
表示部３３０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ている。表示部３３０は、演算部３１０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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
電子機器３００では、容易に、プラズモン共鳴波長の変化に対応することができる分析装置２００を含む。そのため、電子機器３００では、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。
【０１２８】
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
【０１２９】
例えば、本発明に係る光学素子は、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無などのように、物質の吸着の有無を検出するアフィニティー・センサーなどとして用いることもできる。アフィニティー・センサーは、該センサーに白色光を入射し、波長スペクトルを分光器で測定し、吸着による表面プラズモン共鳴波長のシフト量を検出することで、検出物質のセンサーチップへの吸収を高感度に検出することができる。
【０１３０】
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】
【０１３１】
１…基板、１０…金属層、２０…誘電体層、２１…円柱、２２…円柱孔、２３…周期構造領域、３０…金属粒子層、４０…金属粒子、４１…金属粒子列、５０…スポット、１００…光学素子、１１０…気体試料保持部、１１２…カバー、１１３…吸引口、１１４…吸引流路、１１５…除塵フィルター、１１６…排出流路、１１７…吸引機構、１１８…排出口、１２０…検出部、１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄ…レンズ、１２４…ハーフミラー、１２６…フィルター、１２７…分光器、１２８…受光素子、１３０…制御部、１３２…検出制御部、１３４…電力制御部、１３６…接続部、１４０…筐体、２００…ラマン分光装置、２１０…光源、２２０…光検出器、３００…電子機器、３１０…演算部、３２０…記憶部、３３０…表示部
【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１３】
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【図１７】
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【図１８】
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【図７】
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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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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