(57)【要約】      （修正有）【課題】複数の波長の入射光の光強度を増強するとともに、設計のコストを下げることが可能な光学素子を提供する。【解決手段】第１および第２の波長を有する電磁波の光強度を増強する光学素子であって、第１の複素誘電率を有する第１の領域と、第２の複素誘電率を有する第２および第３の領域と、を含み、第２の領域は第１の格子形状を成すように第１の周期で配列され、第３の領域は第１の格子形状とは異なる第２の格子形状を成すように第１の周期とは異なる第２の周期で配列されており、第１の周期は、第１の波長と第１および第２の複素誘電率とに基づいて決定され、第２の周期は、第２の波長と第１および第２の複素誘電率とに基づいて決定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の波長を有する電磁波の光強度を増強する光学素子であって、
第１の複素誘電率を有する第１の領域と、第２の複素誘電率を有する第２および第３の領域と、を含み、
前記第２の領域は第１の格子形状を成すように第１の周期で配列され、前記第３の領域は前記第１の格子形状とは異なる第２の格子形状を成すように前記第１の周期とは異なる第２の周期で配列されており、
前記第１の周期は、前記第１の波長と前記第１および第２の複素誘電率とに基づいて決定され、
前記第２の周期は、前記第２の波長と前記第１および第２の複素誘電率とに基づいて決定されることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記第１の周期をＰ１、前記第２の周期をＰ２、前記第１の波長をλ１、第１の波長の補正量をλ１Ｓ、前記第２の波長をλ２、第２の波長の補正量をλ２Ｓ、前記第１の複素誘電率をε１、前記第２の複素誘電率をε２、ｉ，ｊ，ｍ，ｎを整数、Ａ０〜Ａ３およびＢ０〜Ｂ３を実数としたとき、前記第１および第２の周期は、
【数１】
2015211751.tif 000009
に基づいて決定されることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１の格子形状は、Ａ０〜Ａ３の組み合わせによって決定し、
前記第２の格子形状は、Ａ０〜Ａ３の組み合わせとは異なるＢ０〜Ｂ３の組み合わせによって決定することを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２および第３の領域の形状は、穴形状であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記穴形状の半径は、前記光学素子の厚み方向に応じて、変化することを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
前記第２の領域の形状の半径は、１００ｎｍ以上であって、前記第１の波長より小さく、
前記第３の領域の形状の半径は、１００ｎｍ以上であって、前記第２の波長より小さいことを特徴とする請求項４または５に記載の光学素子。
【請求項７】
前記第１の領域は、導電性物質から成ることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の光学素子。
【請求項８】
第１の波長および第２の波長を有する電磁波を射出する照明手段と、
前記電磁波の光強度を増強する光学素子と、を有し、
前記光学素子は、第１の複素誘電率を有する第１の領域と、第２の複素誘電率を有する第２および第３の領域と、を含み、
前記第２の領域は第１の格子形状を成すように第１の周期で配列され、前記第３の領域は前記第１の格子形状とは異なる第２の格子形状を成すように前記第１の周期とは異なる第２の周期で配列されており、
前記第１の周期は、前記第１の波長と前記第１および第２の複素誘電率とに基づいて決定され、
前記第２の周期は、前記第２の波長と前記第１および第２の複素誘電率とに基づいて決定されることを特徴とする光学機器。
【請求項９】
前記第１の周期をＰ１、前記第２の周期をＰ２、前記第１の波長をλ１、第１の波長の補正量をλ１Ｓ、前記第２の波長をλ２、第２の波長の補正量をλ２Ｓ、前記第１の複素誘電率をε１、前記第２の複素誘電率をε２、ｉ，ｊ，ｍ，ｎを整数、Ａ０〜Ａ３およびＢ０〜Ｂ３を実数としたとき、前記第１および第２の周期は、
【数２】
2015211751.tif 000010
に基づいて決定されることを特徴とする請求項８に記載の光学機器。
【請求項１０】
前記第１の波長の補正量λ１Ｓは、０＜λ１Ｓ≦λ１／４であり、
前記第２の波長の補正量λ２Ｓは、０＜λ２Ｓ≦λ２／４であることを特徴とする請求項８または９に記載の光学機器。
【請求項１１】
前記光学素子に入射後の前記電磁波が入射された試料から射出されたラマン散乱光を計測する計測手段を更に有することを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の光学機器。
【請求項１２】
前記計測手段は、前記光学素子に入射後の前記電磁波のうち、前記光学素子を透過した前記電磁波が入射された試料から射出されたラマン散乱光を計測することを特徴とする請求項１１に記載の光学機器。
【請求項１３】
前記第１および第２の波長は、近赤外域の波長であることを特徴とする請求項８から１２のいずれか１項に記載の光学機器。
【請求項１４】
第１および第２の波長を有する電磁波の光強度を増強する光学素子の製造方法であって、第１の複素誘電率を有する第１の領域と、第２の複素誘電率を有する第２および第３の領域と、を含み、前記第２の領域は第１の格子形状を成すように第１の周期で配列され、前記第３の領域は前記第１の格子形状とは異なる第２の格子形状を成すように前記第１の周期とは異なる第２の周期で配列されており、前記第１の周期は、前記第１の波長と前記第１および第２の複素誘電率とに基づいて決定され、前記第２の周期は、前記第２の波長と前記第１および第２の複素誘電率とに基づいて決定され、
前記製造方法は、
前記第１および第２の格子形状を決定する第１の決定ステップと、
前記第１および第２の周期を決定する第２の決定ステップと、
前記第１および第２の波長における光強度を算出する算出ステップと、
前記光強度が所定の光強度よりも大きいかを判定する判定ステップと、を有することを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項１５】
前記第１の周期をＰ１、前記第２の周期をＰ２、前記第１の波長をλ１、第１の波長の補正量をλ１Ｓ、前記第２の波長をλ２、第２の波長の補正量をλ２Ｓ、前記第１の複素誘電率をε１、前記第２の複素誘電率をε２、ｉ，ｊ，ｍ，ｎを整数、Ａ０〜Ａ３およびＢ０〜Ｂ３を実数としたとき、前記第１および第２の周期は、
【数３】
2015211751.tif 000011
に基づいて決定され、
前記製造方法は、
前記第１および第２の波長の補正量を設定する設定ステップと、
前記判定ステップにおいて、前記光強度が前記所定の光強度よりも小さい場合に、前記光強度が前記所定の光強度よりも大きくなるように前記第１および第２の波長の補正量を変更する変更ステップと、を有することを特徴とする請求項１４に記載の光学素子の製造方法。
【請求項１６】
前記第１の決定ステップにおいて、前記第１の格子形状はＡ０〜Ａ３の組み合わせによって、決定され、前記第２の格子形状はＡ０〜Ａ３の組み合わせとは異なるＢ０〜Ｂ３の組み合わせによって決定されることを特徴とする請求項１５に記載の光学素子の製造方法。
【請求項１７】
前記所定の光強度は、前記電磁波が空気中を伝播する場合の光強度であることを特徴とする請求項１４から１６のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子、光学機器および光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療の基礎研究や診断用途において、生体が発するラマン散乱光を計測することで生体を構成する分子情報が得られるラマン散乱計測装置が知られている。ラマン散乱は一般に散乱強度が微弱であるため、ラマン散乱光を増強する技術の１つとして、表面プラズモンによる電場増強効果が用いられている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。  表面プラズモンとは、金属のように自由電荷（電子）を持つ素子に電磁波を入射した際に生じる素子表面での電子の集団振動のことをいう。表面プラズモンの発生により、素子表面の電子が入射電磁場と協調的に振動（共鳴）し、素子表面の光強度が増強される。表面プラズモンは、照射する電磁波の波長と素子表面との間に適切な境界条件（共鳴条件）が成り立つ場合に発生する。共鳴条件は、素子の形状や大きさに依存する。例えば、入射波長未満の金属微粒子の大きさを変化させることで共鳴条件を制御することができる。また、素子表面に入射波長未満の構造を作ることでも制御することができる。このため、効果的に光強度が増強できるように様々な構造が提案されている。
【０００３】
特許文献１では、口腔や胃、腸といった生体内部の計測に用いる内視鏡の先端に多数の金属微粒子を付け、表面プラズモンの効果で生体に照射する光強度を増強する技術が示されている。非特許文献１では、Ｎａｎｏ  Ｖｏｉｄと呼ばれる表面構造を持った金属素子によって、非線形ラマン散乱計測の１種であるＣＡＲＳ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ａｎｔｉ  Ｓｔｏｋｅｓ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）のラマン散乱光を増強している。非線形ラマン散乱計測にはＣＡＲＳの他にＳＲＳ（Ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）と呼ばれる手法もある。ＳＲＳ，ＣＡＲＳの両手法は、波長の異なる２つの電磁波（波長の短い電磁波をポンプ光、波長の長い電磁波をストークス光という）を試料に入射して、試料が発する信号光を計測する。ポンプ光の角振動数をωＰ、ストークス光の角振動数をωＳとしたとき、角振動数ωＰ−ωＳの振動モードを持つ分子結合を含んでいる生体試料にポンプ光とストークス光を同時に照射すると、非線形ラマン散乱現象が生じる。ＳＲＳの場合には、非線形ラマン散乱によるストークス光強度の増加またはポンプ光強度の減少を計測する。ＣＡＲＳの場合には、角振動数２ωＰ−ωＳを持つポンプ光のアンチストークス散乱光を計測する。ＳＲＳとＣＡＲＳにおいて、入射光強度（ポンプ光強度ＩＰとストークス光強度ＩＳ）とラマン散乱光の信号強度Ｒとは以下の関係式が成り立つ（例えば、非特許文献２参照）。
（ＳＲＳ）    Ｒ∝ＩＰ×ＩＳ
（ＣＡＲＳ）  Ｒ∝ＩＰ×ＩＰ×ＩＳ
上記関係式からポンプ光強度ＩＰとストークス光強度ＩＳの両方が増強されれば、ラマン散乱光の信号強度Ｒも増強されることが分かる。例えば、ＳＲＳの場合、ＩＰが３倍、ＩＳが２倍に増強されれば、ラマン散乱光の信号強度Ｒは６倍に増強される。ＣＡＲＳの場合、ＩＰが３倍、ＩＳが２倍に増強されれば、ラマン散乱光の信号強度Ｒは１８倍に増強される。
【０００４】
生体が持つ様々な分子あるいは分子結合を測定するためには、角振動数の差が様々な値を持つポンプ光とストークス光を生体に入射する必要がある。これは入射するポンプ光とストークス光の波長（または波数）の差を様々に変えることと同義である。ポンプ光とストークス光の波長の差が振動数表記で生体中の分子結合の共鳴振動数と一致したとき、そのときのポンプ光とストークス光の波数差をラマンシフトという。すなわち、ラマンシフトから生体中の分子結合の種類あるいは分子の種類を特定できる。このため、生体を対象とした非線形ラマン散乱においては、より多くの波長（または波数）の光強度を増強可能な素子が求められる。例えば、波数換算で、飽和脂質のＣ−Ｈ２伸縮のラマンシフトは２８４５ｃｍ−１、タンパク質のＣ−Ｈ３伸縮のラマンシフトは２９５０ｃｍ−１、不飽和脂質の（Ｃ＝）Ｃ−Ｈ伸縮のラマンシフトは３０１５ｃｍ−１である（例えば、非特許文献２参照）。すなわち、生体試料のラマンシフトは、３０００ｃｍ−１程度である。このため、約３０００ｃｍ−１のラマンシフトに応じたポンプ光とストークス光の両方の光強度を増強可能な素子が望ましい。
【０００５】
生体に照射する電磁波は、通常、可視光ではなく近赤外光が用いられる。生体試料中の水やヘモグロビンの吸収が可視域では大きく近赤外域では小さいためである。表面プラズモンによる光強度の増強は生体表面に限られるが、発生したラマン光が生体内部で吸収されないことが望ましく、近赤外光を用いることは有効である。近赤外域において３０００ｃｍ−１程度のラマンシフトに応じたＳＲＳのポンプ光とストークス光の波長の例を挙げると、それぞれ７３０ｎｍと９３５ｎｍとなる。７３０ｎｍから９３５ｎｍの波長の光強度を増強できればラマンシフトが３０００ｃｍ−１に及ぶ範囲の種々の分子結合種が発するラマン散乱光を増強することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第５８６４３９７号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ  Ｓｔｅｕｗｅ，  Ｃｌｅｍｅｎｓ  Ｆ．  Ｋａｍｉｎｓｋｉ，  ＪｅｒｅｍｙＪ．  Ｂａｕｍｂｅｒｇ，  ａｎｄ  Ｓｕｍｅｅｔ  Ｍａｈａｊａｎ，  “Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｏｎ  Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  Ｇｏｌｄ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ”，  Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，ＡＣＳ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，  ２０１１，  １１，  Ｐ．５３３９−５３４３
【非特許文献２】Ｗｅｉ  Ｍｉｎ，  ｅｔｃ．，  “Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｍａｇｉｎｇ”，  Ａｎｎｕ．  Ｒｅｖ．  Ｐｈｙｓ．  Ｃｈｅｍ．，  Ａｎｎｕａｌ  Ｒｅｖｉｅｗｓ，  ２０１１，  ６２，  Ｐ．５０７−５３０
【非特許文献３】Ｔｉｎｅｋｅ  Ｔｈｉｏ，  Ｔ．  Ｗ．  Ｅｂｂｅｓｅｎ，  Ｅｔ．  Ａｌ．，  “Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｐｌａｓｍｏｎ−ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ  ｔｈｏｕｇｈ  ｈｏｌｅ  ａｒｒａｙｓ  ｉｎ  Ｃｒ  ｆｉｌｍｓ”，  ＯＰｔ．  Ｓｏｃ．  Ａｍ．  Ｂ．，  Ｔｈｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，  １９９９，  Ｖｏｌ．  １６，  Ｎｏ．  １０，  Ｐ．１７４３−１７４８
【非特許文献４】Ｎ．  Ａｎｔｔｕ  ａｎｄ  Ｈ．  Ｑ．  Ｘｕ，  “Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｍａｔｒｉｘ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｏＰｔｉｃａｌ  ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎｓ  ｉｎ  ｍｅｔａｌ  ｆｉｌｍｓ  ｗｉｔｈ  Ｐｅｒｉｏｄｉｃ  ａｒｒａｙｓ  ｏｆ  ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｈｏｌｅｓ”，  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｒｅｖｉｅｗ，  ＡＰＳ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，  ２０１１，  Ｂ  ８３，  Ｐ．１６５４３１
【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、多波長の光強度を効果的に増強する素子の設計方法は十分に確立されていない。このため、所望の２波長の光強度を増強する素子を提供することは極めて困難である。特に、医療分野において素子を用いる場合には、近赤外域において３０００ｃｍ−１程度のラマンシフトに応じた波長差をもつ２波長の電磁波の強度を増強できることが望ましい。
【０００９】
また、一般に、電場を増強する素子を設計する場合には、素子の構造を様々に変えて個別発見的に構造を決定する手法がとられる。なぜなら解析的に計算できる形状は平滑な境界面を有する膜構造や球型などに限られ、表面プラズモンを発生させる境界形状を任意に設計するには数値的に計算する他ないためである。しかしながら、個別発見的に得られた素子形状の解は本当に最適なのか判断することが困難である。また、条件を変えた際には探索的な設計をやり直すことになる。結果、計算時間が増大しコストが高くなる。
【００１０】
このような課題を鑑みて、本発明は、複数の波長の入射光の光強度を増強するとともに、設計のコストを下げることが可能な光学素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一側面としての光学素子は、第１および第２の波長を有する電磁波の光強度を増強する光学素子であって、第１の複素誘電率を有する第１の領域と、第２の複素誘電率を有する第２および第３の領域と、を含み、前記第２の領域は第１の格子形状を成すように第１の周期で配列され、前記第３の領域は前記第１の格子形状とは異なる第２の格子形状を成すように前記第１の周期とは異なる第２の周期で配列されており、前記第１の周期は、前記第１の波長と前記第１および第２の複素誘電率とに基づいて決定され、前記第２の周期は、前記第２の波長と前記第１および第２の複素誘電率とに基づいて決定されることを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の他の側面としての光学機器は、第１の波長および第２の波長を有する電磁波を射出する照明手段と、前記電磁波の光強度を増強する光学素子と、を有し、前記光学素子は、第１の複素誘電率を有する第１の領域と、第２の複素誘電率を有する第２および第３の領域と、を含み、前記第２の領域は第１の格子形状を成すように第１の周期で配列され、前記第３の領域は前記第１の格子形状とは異なる第２の格子形状を成すように前記第１の周期とは異なる第２の周期で配列されており、前記第１の周期は、前記第１の波長と前記第１および第２の複素誘電率とに基づいて決定され、前記第２の周期は、前記第２の波長と前記第１および第２の複素誘電率とに基づいて決定されることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の他の側面としての光学素子の製造方法は、第１および第２の波長を有する電磁波の光強度を増強する光学素子の製造方法であって、第１の複素誘電率を有する第１の領域と、第２の複素誘電率を有する第２および第３の領域と、を含み、前記第２の領域は第１の格子形状を成すように第１の周期で配列され、前記第３の領域は前記第１の格子形状とは異なる第２の格子形状を成すように前記第１の周期とは異なる第２の周期で配列されており、前記第１の周期は、前記第１の波長と前記第１および第２の複素誘電率とに基づいて決定され、前記第２の周期は、前記第２の波長と前記第１および第２の複素誘電率とに基づいて決定され、前記製造方法は、前記第１および第２の格子形状を決定する第１の決定ステップと、前記第１および第２の周期を決定する第２の決定ステップと、前記第１および第２の波長における光強度を算出する算出ステップと、前記光強度が所定の光強度よりも大きいかを判定する判定ステップと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、複数の波長の入射光の光強度を増強するとともに、設計のコストを下げることが可能な光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施形態に係る光学素子の製造方法を説明するフローチャートである。
【図２】実施例１の光学素子を示す図である。
【図３】実施例１の光学素子による光強度の増強効果を示す図である。
【図４】光学素子を用いた光学機器を示す図である。
【図５】光学素子を用いた光学機器の光強度の増強効果を示す図である．
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１７】
本実施形態の光学素子は、例えば、ラマン散乱光の増強素子、化学物質が発するラマン散乱光を計測する計測装置、生体が発するラマン散乱光を計測する内視鏡などに適用可能である。  まず、光学素子の製造方法について説明する。前述したように、表面プラズモンを発生させる境界形状を厳密に設計するには数値的に計算する他ないが、境界形状の周期を近似的に求める近似式は存在する（例えば、非特許文献３参照）。本実施形態では、以下で説明する近似式（式（１））を用いて、光学素子を製造する。
【００１８】
【数４】
2015211751.tif 000003
【００１９】
式（１）は、周期Ｐ１の正方格子において、光強度が増強される近似共鳴波長λ１ｍａｘを求めるための式である。ｉ，ｊは整数、ε１，ε２は光学素子を構成する媒質の複素誘電率、Ｒｅａｌは実数部を返す演算を意味する。光学素子が周期Ｐの並進対称性を持つ場合、光学素子に発生する表面プラズモンもまた周期Ｐの並進対称性を持つ。また、周期Ｐと平行な偏光成分の電磁波が共鳴を起こす。
【００２０】
式（２）は、辺の長さがＰ２，ｂＰ２の長方形格子において、光強度が増強される近似共鳴波長λ２ｍａｘを求めるための式である（ｍ，ｎは整数）。
【００２１】
【数５】
2015211751.tif 000004
【００２２】
式（３）は、１辺の長さＰ３の正三角形格子において、光強度が増強される近似共鳴波長λ３ｍａｘを求めるための式である（ｑ，ｒは整数）。
【００２３】
【数６】
2015211751.tif 000005
【００２４】
したがって、周期Ｐを有する任意の形の格子に対して、ｓ，ｔを整数としたとき式（４）が成立する。
【００２５】
【数７】
2015211751.tif 000006
【００２６】
Ｃ＝（Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３）は格子の形によって決まる。格子の形とは独立に周期Ｐを設定できる。本発明の製造方法では、増強したい電磁波の波長を決定した後に、格子の形と周期Ｐを設定する。
【００２７】
近似共鳴波長λｍａｘは、光学素子の境界面が１つである場合の共鳴条件に相当する。例えば、透過型素子においては電磁波が入射する側の境界面と素子内を通過した電磁波が射出する側の境界面との２つの境界面を有する。この２つの境界面の共鳴条件は近似共鳴波長λｍａｘでは考慮されない。また、近似共鳴波長λｍａｘは、周期Ｐを形成する構造（例えば、金にあけた穴）の大きさがゼロの場合の近似であり、穴の大きさや穴の側壁における境界条件を考慮していない。１次の共鳴(式（１）において、ｉ２＋ｊ２＝１)を考える場合、実際の共鳴波長は、近似共鳴波長λｍａｘよりも長波長側にシフトして計算されることが報告されている（例えば、非特許文献４参照）。波長がシフトする量（補正量）をλＳとすると、実際の共鳴波長λｐｅａｋは、λｐｅａｋ＝λｍａｘ＋λＳと表すことができる。補正量λＳを定量的に求める方法は十分に確立されていない。また、高次の共鳴（式（１）において、ｉ２＋ｊ２＞１）に関する近似共鳴波長λｍａｘを用いた光学素子の設計は十分に考察されていない。
【００２８】
本実施形態では、電磁波が入射する素子面に異なる形の格子を複数形成することで、複数の波長の電磁波の光強度を増強するように光学素子の構造を決定する。このため、本実施形態では、光学素子上に複数の周期構造を設ける。
【００２９】
素子に異なる形の格子を複数形成し複数の電磁波の光強度を増強する原理を分かりやすく説明するため、例として、金の膜に周期的に穴をあけた構造を考える。このとき、複素誘電率ε１は金の複素誘電率、複素誘電率ε２は空気の複素誘電率となる。空気の複素誘電率ε２は光学素子に入射される電磁波の波長によらず１として良いが、金の複素誘電率ε１は波長に依存して変化する。なお、本実施形態では、金の膜上に穴をあけているが、金の代わりに銀、銅、アルミニウム、カドニウム、ニッケル等の導電性物質を用いてもよい。また、膜上に形成する周期構造も穴以外の構造であってもよい。
【００３０】
図１は、光学素子の製造方法を説明するフローチャートである。
【００３１】
Ｓｔｅｐ１では、光強度を増強する波長λ１，λ２を決定する。
【００３２】
Ｓｔｅｐ２では、複数の格子の形を決定する。例えば、第一の格子を正方形格子、第二の格子を長方形格子とする。このとき、長方形格子は直交する辺の長さが異なり、ｘ方向とｙ方向とで周期が異なる。別の例としては，第一の格子を長方形格子、第二の格子を正三角形格子としてもよい。あるいは複数の形の集合で１つの周期を形成する格子でもよい。本発明は、第一の格子の形状（第１の格子形状）と第二の格子の形（第２の格子形状）が異なることが本質であり、その形の種類で発明の内容が限定されることはない。
【００３３】
Ｓｔｅｐ３では、第１の周期Ｐ１を算出する。第１の周期Ｐ１は、式（４）において、λｍａｘ＝λ１−λ１Ｓとしたときに、
【００３４】
【数８】
2015211751.tif 000007
【００３５】
として表される。第１の波長λ１はＳｔｅｐ１で決定した値、複素誘電率（第１の複素誘電率）ε１は波長λ１−λＳにおける金の複素誘電率の値、複素誘電率（第２の複素誘電率）ε２は空気の複素誘電率の値１である。Ａ＝（Ａ０，Ａ１，Ａ２，Ａ３）は、Ｓｔｅｐ２で決めた格子の形から決定する。所定の実数である補正量λ１Ｓ（≧０）と整数ｉ，ｊを設定することで、第１の周期Ｐ１は算出される。
【００３６】
Ｓｔｅｐ４では、第２の周期Ｐ２を算出する。第２の周期Ｐ２は、式（４）において、λｍａｘ＝λ２−λ２Ｓとしたときに、
【００３７】
【数９】
2015211751.tif 000008
【００３８】
として表される。第２の波長λ２はＳｔｅｐ１で決定した値、複素誘電率（第１の複素誘電率）ε１は波長λ１−λＳにおける金の複素誘電率の値、複素誘電率（第２の複素誘電率）ε２は空気の複素誘電率の値１である。Ｂ＝（Ｂ０，Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３）は、Ｓｔｅｐ２で決めた格子の形から決定する。所定の実数である補正量λ２Ｓ（≧０）と整数ｍ，ｎを設定することで、第２の周期Ｐ２は算出される。
【００３９】
Ｓｔｅｐ５では、第１および第２の周期Ｐ１，Ｐ２を調整する。第１および第２の周期Ｐ１，Ｐ２の調整の例として、数値の切り上げや切り下げ、四捨五入がある。後述するように、光学素子が光強度を２倍程度増強する波長は、数１００ｎｍ程度の波長幅を有する。すなわち、第１の周期Ｐ１が算出値と多少異なる場合においても、第１の波長λ１の光強度を増強することができる。このことから、第１の波長λ１を数１０ｎｍの幅を持たせて設定し、式（４）から第１の周期Ｐ１が満たすべき範囲を算出し、製造容易な周期を選ぶ調整を行ってもよい。また、後述する第１および第２の周期Ｐ１，Ｐ２の穴を混合した構造を設計するのに適するようにＰ１，Ｐ２を調整してもよい。また、式（５），（６）において補正量λ１Ｓ，λ２Ｓを変更して第１および第２の周期Ｐ１，Ｐ２を調整してもよい。このように第１および第２の周期Ｐ１，Ｐ２の調整方法として様々な方法がある。第１および第２の周期Ｐ１，Ｐ２に調整の必要性がない場合は、Ｓｔｅｐ４を省略し、調整を行わないことも可能である。
【００４０】
Ｓｔｅｐ６では、第１および第２の周期Ｐ１，Ｐ２を混合した構造(Ｐ１＿Ｐ２)を決定する。このとき、金の膜（第１の領域）上に第一の格子の形において第１の周期Ｐ１で穴をあけた構造（第２の領域）と、第二の格子の形において第２の周期Ｐ２で穴を空けた構造（第３の領域）とを混合する。
【００４１】
Ｓｔｅｐ７では、Ｓｔｅｐ６で決定した構造（Ｐ１＿Ｐ２）の光学素子に対して、第１および第２の波長λ１，λ２の電磁波を入射し、光強度を計算する。本実施形態では、電磁場解析手法の１つである時間領域差分法（ＦＤＴＤ法：Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ  Ｍｅｔｈｏｄ）を用いて計算する。なお、本実施形態では、ＦＤＴＤ法を用いて計算しているが、他の計算方法を用いて計算してもよい。
【００４２】
Ｓｔｅｐ８では、Ｓｔｅｐ６の計算結果を用いて、第１および第２の波長λ１，λ２の光強度が増強されているかを判定する。第１および第２の波長λ１，λ２の光強度が増強されれば終了となる。光強度が増強されない場合は、Ｓｔｅｐ２に戻る。Ｓｔｅｐ２に戻った後、格子の形や補正量λ１Ｓ，λ２Ｓの変更等を行うことで、Ｓｔｅｐ１で決定された各波長が増強するようにする。
【実施例１】
【００４３】
本実施例では、波長８５０ｎｍ，７５０ｎｍの光強度を増強する光学素子の製造方法について説明する。光学素子は、厚さ１６０ｎｍの金に周期的に穴をあけた構造として説明する。
【００４４】
図１のＳｔｅｐ１で光強度を増強する第１の波長λ１を８２０ｎｍ、第２の波長λ２を７５０ｎｍと決定する。Ｓｔｅｐ２で第一の格子の形を長方形格子、第二の格子の形を正三角形格子とする。長方形格子は、ｘ方向の辺とｙ方向の辺の長さの比が１：ｓｑｒｔ（３）／２とする（ｓｑｒｔはルートを意味する）。この比率は、長方形格子と正三角形格子の混合構造を製造する際に適した値である。
【００４５】
Ｓｔｅｐ３で式（５）から第１の周期Ｐ１を算出する。第一の格子の形は、長方形格子であるので、Ａ０＝１，Ａ１＝１，Ａ２＝０，Ａ３＝４／３と決定する。また、補正量λ１Ｓは１６ｎｍと設定する。長方形格子のため、第１の周期Ｐ１はｘ方向の周期Ｐ１ｘとｙ方向の周期Ｐ１ｙを有する。ｘ方向の辺とｙ方向の辺の長さの比が１：ｓｑｒｔ（３）／２とＳｔｅｐ２で決まっているので、Ｐ１ｙ＝ｓｑｒｔ（３）Ｐ１ｘ／２である。式（５）からＰ１ｘは８２０ｎｍ、Ｐ１ｙは７１０ｎｍと算出される。
【００４６】
Ｓｔｅｐ４で式（６）から第２の周期Ｐ２を算出する。第二の格子の形は、正三角形格子であるので、Ｂ０＝２／ｓｑｒｔ（３），Ｂ１＝１，Ｂ２＝１，Ｂ３＝１と決定する。また、補正量λ２Ｓは２０ｎｍと設定する。第２の周期Ｐ２は正三角形の１辺の長さに相当するため、式（６）から第２の周期Ｐ２は８２０ｎｍと算出される。
【００４７】
本実施例では、Ｓｔｅｐ５の第１および第２の周期Ｐ１，Ｐ２の調整を省略する。Ｓｔｅｐ６で第１および第２の周期Ｐ１，Ｐ２を混合した構造を決定する。
【００４８】
図２を用いて、本実施例の光学素子に形成された穴の配置について説明する。図中の灰色部分が金の膜、黒色部分が空気（穴）を示している。図２において、金の膜の面内方向をｘｙ面とし、膜の厚さ方向をｚ方向としている。図２（ａ）〜（ｃ）には単位構造が示されていて、ｘ方向とｙ方向に周期境界条件で穴が並んでいる。穴の半径は、１６０ｎｍである。図２（ａ）は、長方形格子の構造である。ｘ方向の周期Ｐ１ｘは８２０ｎｍで、ｙ方向の周期はＰ１ｙは７１０ｎｍである。図２（ｂ）は、正三角形格子の構造である。第２の周期Ｐ２は、８２０ｎｍである。本実施例の構造である図２（ｃ）は、長方形格子と正三角形格子を混合した構造（混合格子）である。この構造には、図２（ａ）の長方形格子を形成する穴Ｈ１と図２（ｂ）の正三角形格子を形成する穴Ｈ２の両方が混合されている。なお、光学素子に形成された穴は、１００ｎｍ以上であって、波長未満の大きさが望ましく、その間であれば任意に設定してよい。
【００４９】
Ｓｔｅｐ７で、無偏光の電磁波をｚ方向に伝播させ、構造（５００＿１５００）の光学素子に対して垂直に入射する。そして、ＦＤＴＤ法を用いて、光学素子を透過した直後の第１の波長λ１（８５０ｎｍ）と第２の波長λ２（７５０ｎｍ）の光強度を計算する。Ｓｔｅｐ８で、光強度が増強されているかを判定する。
【００５０】
図３に、光強度の計算結果（波長４００ｎｍから１５００ｎｍ，２５ｎｍ刻み）を示す。光強度は、光学素子上の位置（ｘ，ｙ）で異なり、単位構造と同じ周期で分布する。図３では、この分布における最大値と平均値を求め、構造のない空気中を伝播した場合の光強度に対し何倍であるかを示している。図３（ａ）に光強度の平均値の結果、図３（ｂ）に光強度の最大値の結果が示されている。また、比較のため長方形格子の構造と正三角形格子の構造の光学素子の計算結果も並記する。
【００５１】
長方形格子の構造（図２（ａ）の構造）の光学素子は、波長約８７５ｎｍと約６００ｎｍの光強度を増強している。波長約８７５ｎｍの共鳴ピークは、式（２）において、ｍ＝１，ｎ＝０に対応する近似共鳴波長８７５ｎｍと、ｍ＝０，ｎ＝１に対応する近似共鳴波長８２５ｎｍが長波長側にシフトしたものと考えられる。波長約６００ｎｍの共鳴ピークは、ｍ＝ｎ＝１に対応する近似共鳴波長５７０ｎｍが長波長側にシフトしたものと考えられる。
【００５２】
正三角形格子の構造（図２（ｂ）の構造）の光学素子は、波長約８２５ｎｍの光強度を増強している。波長約８２５ｎｍの共鳴ピークは、式（３）において、ｑ＝１，ｒ＝０あるいはｑ＝０，ｒ＝１の近似共鳴波長７３０ｎｍが長波長側にシフトしたものと考えられる。
【００５３】
混合格子の構造（図２（ｃ）の構造）の光学素子は、波長約８５０ｎｍと約７５０ｎｍの光強度を増強している。長方形格子と正三角形格子を混合することで、より広い波長域において光強度が増強されている。例えば、図３（ａ）において、光強度が２倍以上増強される波長域は、長方形格子では５８０〜６５０ｎｍと７３５ｎｍ〜９５０ｎｍである。正三角形格子では７３０〜９００ｎｍである。これに対し、混合格子では５８０〜１０００ｎｍとより広い範囲となる。最大値で評価した場合も同様の波長域の光強度を増強している。
【００５４】
図３に示すように、混合格子の構造の光学素子が第１の波長λ１（８５０ｎｍ）と第２の波長λ２（７５０ｎｍ）の両方の波長の光強度を増強している場合、図１のフローチャートは終了となる。光強度が増強されない場合は、Ｓｔｅｐ２に戻る。Ｓｔｅｐ２に戻った後、格子の形や補正量λ１Ｓ，λ２Ｓの変更等を行うことで、Ｓｔｅｐ１で決定された各波長が増強するようにする。補正量λ１Ｓ，λ２Ｓは、格子の形やｉ，ｊなどの整数で示される次数によって異なることを考慮して設定するとよい。補正量λ１Ｓ，λ２Ｓは、０より大きく、かつ増強したい波長の１／４以下に設定すると効果的に増強効果が得られる。このようにして、Ｓｔｅｐ１で決められた波長を増強するようにする。
【００５５】
本実施例では、光学素子に入射後、光学素子を透過した射出面側の電磁波の光強度の増強について説明したが、本発明の光学素子は光学素子の入射面側の電磁波についても適用可能である。すなわち、本発明の光学素子は、透過電磁波だけでなく、反射電磁波の光強度も増強可能である。
【００５６】
また、本実施例では、光学素子に形成された穴を円筒状としているが、テーパーを付けた穴としても良い。特に、透過電磁波の増強においては射出側の半径を入射側よりも小さくすることでより大きな光強度の増強効果を得られることが知られている。また、穴形状は、矩形や球形の一部など任意に設定してもよい。
【実施例２】
【００５７】
本実施例では、実施例１で説明した複数の波長の電磁波の光強度を増強可能な光学素子を用いた光学機器について説明する。
【００５８】
図４（ａ）は、本発明の光学素子ＥＦ＿Ｍを用いた内視鏡を示している。ポンプ光ＢＰとストークス光ＢＳは、それぞれ異なる照明ファイバＥＦから供給される。光学素子ＥＦ＿Ｍは、照明ファイバＥＦの先端部に設けられている。内視鏡の先端部を胃壁などの患部に押し当てることで、光学素子ＥＦ＿Ｍを透過した高強度の照明光を患部に照射することができる。入射光強度が増強することで患部が発するラマン光が増強される。受光ファイバＣＦに付加された波長フィルタＦは、ラマンシフト０ｃｍ−１に相当する照明光の波長を有するレイリー散乱光をカットする。波長フィルタＦを透過した光はセンサＳに入る。また、光学素子ＥＦ＿Ｍは、着脱し、交換可能な構成としてもよい。
【００５９】
図４（ｂ）は、本発明の光学素子Ｍを用いた結像装置を示している。光学素子Ｍの上に試料Ｔをのせ、試料Ｔが発するラマン光を増強する。増強されたラマン光は、レンズＬと波長フィルタＦを介してセンサＳに結像される。光学素子を透過した電磁波を結像する場合には、入射光ＢＴは光学素子に対して試料Ｔと逆側から入射される。また、光学素子を反射した電磁波を結像する場合には、入射光ＢＲは光学素子に対して試料Ｔと同じ側から入射される。センサＳに波長フィルタＦを付け、非線形ラマン散乱において複数の波長を増強し、スペクトル情報を得る機構は内視鏡と同様である。しかし、内視鏡に組み込む必要がないことから必ずしもファイバーレーザーなど細径の光源にする必要はない。光学素子は、単位構造中の位置によって増強効果が異なる。光学素子を被検物に対して例えば単位構造の半分の長さに相当する量だけ面内方向にずらして撮像することで、位置による増強効果の非均一性を減少することができる。
【００６０】
なお、本実施例で説明した内視鏡や結像装置は一例であり、本発明の光学素子は他の光学機器についても適用可能である。
【００６１】
図５を用いて、生体試料が発するラマン光を本発明の光学素子を用いた光学機器がＣＡＲＳ光を検出する例を示す。図５はカラーバーで光強度を１０倍以上増強する箇所が白色で示されており、格子の形が長方形格子、正三角形格子、混合格子の場合を比較する。使用する光学機器は、内視鏡でもよいし、結像装置でもよい。例えば、不飽和脂質（Ｃ＝）Ｃ−Ｈ伸縮のラマンシフトは、近赤外域において３０１５ｃｍ−１である。これは、ポンプ光の波長７５０．３ｎｍとストークス光の波長９６９．７ｎｍの場合に相当する。図５（ａ），（ｂ），（ｃ）はそれぞれ格子の形が長方形格子、正三角形格子、混合格子の場合のポンプ光（波長７５０．３ｎｍ）の増強効果を示している。図に示すように、混合格子の増強効果が最も大きい。図５（ｄ），（ｅ），（ｆ）は、それぞれ長方形格子、正三角形格子、混合格子の場合のストークス光（波長９６９．７ｎｍ）の増強効果を示している。図に示すように、混合格子の増強効果が最も大きい。ＣＡＲＳにおいて、ポンプ光強度ＩＰとストークス光強度ＩＳと信号強度Ｒとは関係式Ｒ∝ＩＰ×ＩＰ×ＩＳが成り立つ。図５（ｇ），（ｈ），（ｉ）は、それぞれ長方形格子、正三角形格子、混合格子の場合のポンプ光強度Ｉｐの２乗×ストークス光強度Ｉｓが何倍になるかを示している。これは、信号強度の増強を意味する。図に示すように、混合格子の増強効果が最も大きい。平均値では、長方形格子１５７倍、正三角形格子３９５倍、混合格子３７８１倍である。最大値では、長方形格子３６５５１倍、正三角形格子９５３１２倍、混合格子１６２０７００倍である。したがって、光学素子に混合格子を形成することで、不飽和脂質（Ｃ＝）Ｃ−Ｈ伸縮のＣＡＲＳ光を効果的に増強可能となる。このため、高感度化や低ノイズ化、あるいは照明光の低出力化、低コスト化のメリットが得られる。また、内視鏡先端部に取り付ける素子として特許文献１のような金属微粒子よりも実施例１のように穴の周期構造のほうが光強度の増強効果が大きいことが知られている。透過電磁波を増強する場合は、特に穴の周期構造の増強効果が大きく、本発明の光学素子は内視鏡に用いるのに適している。ＳＲＳやＣＡＲＳといった非線形ラマンに限らず、自発ラマン散乱の計測においても照明光の波長を可変にしてスペクトル情報を得る場合には、本発明の光学素子が有効である。また、照明光の波長が限定される場合には，照明光の波長が増強されるように構造の格子の形と周期とを最適化すればよい。  以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００６２】
Ｈ１    穴（第２の領域）
Ｈ２    穴（第３の領域）
【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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