(57)【要約】  本発明の全般的分野は、金属膜を貫通する第１の開口を備えた該金属膜で構成される少なくとも１つの集束構造を含む、サブ波長の寸法に集光するための装置の分野であり、前記開口は集光装置の使用波長よりも小さいオーダーの寸法を有する。本発明による装置において、集束構造は、その構造が該装置の使用波長において、光束で照らされたとき、この光束の大部分が光共振器により開口に集中するように、開口の周辺部に置かれる少なくとも１つの前記光共振器を備える。幾つかの実施形態が、プラズモン反射器を備え得る様々な光共振器を用いて記述されている。【選択図】図１１
2011521291.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属膜（１０）を貫通する少なくとも１つの開口（１）を備えた金属膜（１０）で構成される、少なくとも１つの集束構造を含む集光装置であって、前記開口が集光装置の使用波長よりも小さいオーダーの寸法を有し、集束構造が開口内へと開く少なくとも１つの光共振器（８）を備え、空洞共振器（８）が少なくとも１つの開口内へと開くように、金属膜内に作られた穴であり、空洞共振器の直径が前記開口寸法の少なくとも３倍大きく、その深さが金属膜の厚さよりも小さいことを特徴とする集光装置。
【請求項２】
使用波長により空洞共振器において生成されるプラズモンが、プラズモンの波長λｓｐと呼ばれる波長を有し、空洞共振器の幅が実質的にプラズモンの波長の半分の整数ｐに等しいことを特徴とする、請求項１に記載の集光装置。
【請求項３】
空洞共振器の深さが実質的にプラズモンの波長の半分に等しいことを特徴とする、請求項２に記載の集光装置。
【請求項４】
その構造が、パターンを形成し膜上に置かれた交互に並ぶ層からなり、該層が金属と誘電体で交互に作られ、該層の機能がプラズモン生成を増強することであり、前記プラズモンが、集光装置の使用波長における光束で集束構造が照らされるときに生成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項５】
プラズモン生成を増強するパターンのピッチが、実質的にプラズモンの波長の整数に等しいことを特徴とする、請求項４に記載の集光装置。
【請求項６】
膜が単一の開口を含み、空洞共振器を形成する穴が開口の中心に位置することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項７】
パターンの断面が実質的に長方形であることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項８】
パターンの断面が実質的に台形であることを特徴とする、請求項４〜６のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項９】
膜が、考えられる波長においてプラズモンをサポートできる金属で作られることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項１０】
膜が可視物質及び赤外線における用途のために、銀又は金で作られ、そして膜が紫外線における用途のためにアルミニウムで作られることを特徴とする、請求項８に記載の集光装置。
【請求項１１】
誘電体が照明の波長において透明であることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項１２】
可視物質における用途のために用いられる誘電体が、シリカ又は樹脂、あるいはポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）であることを特徴とする、請求項１１に記載の集光装置。
【請求項１３】
その上に集束構造が置かれる基板（１２）を備えることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項１４】
基板が発光性であるか、又は発光性材料で作られた少なくとも１つの層を含むことを特徴とする、請求項１３に記載の集光装置。
【請求項１５】
基板が変化する厚さを有し、基板の中央の厚さが該基板周辺部の厚さよりも大きいことを特徴とする、請求項１３及び１４のいずれか一項に記載の集光装置。
【請求項１６】
基板が凸面体であることを特徴とする、請求項１５に記載の集光装置。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の集光装置を製作するためのプロセスであって、
・第１ステップにおいて誘電体層（１１）が基板（１２）上に堆積され、
・第２ステップにおいて、空洞共振器及び／又はパターンのミラーを形成するパターン（１３）が、リソグラフィーを用いて誘電体層内へとエッチングされ、
・第３ステップにおいて、空洞共振器及び／又はパターンを形成するために、金属膜（１０）が誘電体層のパターン上へと堆積され、
・第４ステップにおいて、第１の開口（１）を作るために、金属膜がとりわけ集束されたイオンビームを用いて穴開けされる
ことを特徴とするプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の分野は、サブ波長の寸法に集光するための集光装置の分野である。「サブ波長の集光装置」は、それが照らされたとき、波長よりも相当に小さい寸法を有する、二次的な光源を生み出すことを可能にする装置を意味すると理解される。これらのタイプの二次的な光源は、ナノリソグラフィー及び光学的記録、並びに生物学、顕微鏡検査等の分野における用途を含む、非常に多くの用途を有する。
【背景技術】
【０００２】
伝統的な光学において、光源の大きさに対する制限の１つは光の回折に起因し、光源の最小寸法は波長の大きさのオーダーである。様々な技術がこの制限の克服を許容し、集光のための装置の製作を可能にする。それらはおよそ数ｎｍ又は数十ｎｍの寸法を有する光源を生成するとき、従来ナノ光源と呼ばれている。
【０００３】
用いられる主な技術の１つは波長よりも小さい穴を照らすことにあり、前記穴は金属膜内に開けられている。従って、光点は穴からの出力として得られ、その点はサブ波長の点の大きさを有する。この手段だけでは高い光強度と良好な指向性を得ることは困難である。従って、これらのパラメータを改善する各種の技術が提案されている。
【０００４】
これらの技術の第１番目は表面プラズモン励起で強化された放射と呼ばれる。プラズモンは一定の媒体、特に金属同士間のインターフェースにおけるマックスウェル方程式の特殊解である。この技術による集光装置は、図１及び２に示すように集光穴１に中心を置く同心の金属格子２を備える。マクロレンズ３が該装置に追加され得る。図１は該装置の概略断面であり、図２は同装置の金属格子２の上面図である。この装置が照らされたとき、表面プラズモンが生成される。これらのプラズモンの伝播及び次に穴のモードとの結合は、そのときサブ波長の開口内へ導入される全ての光束を増加させ、該装置のエネルギー効率を改善する。該効率は、サブ波長の開口を通って伝達される照射力の、装置がそれによって照らされる全照射力に対する比率である。このタイプの装置の例は特許出願：米国特許第６８３４０２７号明細書、米国特許第６９８２８４４号明細書、米国特許第７０８５２２０号明細書、米国特許第７１４９３９５号明細書、米国特許第７１５４８２０号明細書、国際公開第２００６／０６７７３４号パンフレット、米国公開特許第２００７／００４８６２８号明細書、及び以下の出版物：Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２９７，  ８２０  （２００２）−Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  ９０，  １６７４０１  （２００３）−Ｏｐｔ．  Ｅｘｐｒ．  １２，  ３６９４  （２００４）−Ｊ．  Ｏｐｔ．  Ｓｏｃ．  Ａｍｅ；  Ｂ  ２３，  ４１９  （２００６）−Ｏｐｔ．  Ｅｘｐｒ．  １５，  ７９８４  （２００７）、及びＰｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  ９９，  ０４３９０２  （２００７）において見出される。この技術は、開口を通って伝えられる光束が大幅に改善されることを可能にする。しかしながら、この装置は依然として平均以下の効率を有する。このタイプの装置では、１０％を超える効率は良好だと考えられ、２０％を超える効率は非常に良好だと考えられる。さらに、得られる最小の点の大きさはおよそ数百ｎｍに留まり、それは一定の用途に対して不十分であることが明らかである。
【０００５】
これらの技術の第２番目は、表面プラズモンの使用で強化された閉じ込めと呼ばれる。この技術の目的は、非常に熱く、高度に局所化された点の生成を可能にすることである。その原理は、断面が徐々に減少する導波管又は金属製テーパ４に沿ってプラズモンを伝播させることにある。プラズモンの領域は従って非常に小さい断面に閉じ込められ、結果として該領域における強度の増加をもたらす。図３及び４はこの技術の２つの可能な実施形態を例示する。図３において、テーパは金属‐誘電体‐金属の導波管から形成される。誘電体部分は閉じ込めを確実にする三角形である。この例において、テーパの断面の幅は最大で５０ｎｍから最小で僅か１ｎｍ（図３の右側）まで変化する。金属は銀、そして誘電体はシリカであってもよい。図４において、テーパ４はナノ構造の金属チップから形成される。この図において、垂直の矢印は励起波を示し、水平の矢印は生成されたプラズモン波を示す。このタイプの装置の例は米国特許第７１０６９３５号明細書、米国公開特許第２００６／０２７４６１１号明細書及び、Ｊ．Ｃｏｎｗａｙ（ＵＣＬＡ，２００６）（Ｊ．コンウェイ（カリフォルニア大学ロサンゼルス校、２００６年））の論文と同様に、Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｌｅｔｔ．  ９７，  １７６８０５  （２００６）  及び  Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．  ７，  ２７８４  （２００７）の出版物において見出される。この場合、領域の閉じ込めの結果は非常に決定的である。従って、１０ｎｍ未満の点の大きさを得ることが可能である。しかしながら、このタイプの装置を作ることは経験的に依然として困難であり、そして乏しい効率を有する。
【０００６】
サブ波長の集光装置を得るための最後の技術は、表面プラズモンの集束に基づく。その原理は、様々な方向の各々へのプラズモンの伝播がそれらを一点に集中させ、従って小さな寸法の強力な点を生成するように、様々な方向にプラズモンを励起することにある。例として、図５及び６はこの技術の２つの可能な実施形態を例示する。図５において、プラズモンはサブ波長の穴１の出口に位置する可変ピッチの格子５を用いて集束させらされる。図６において、集束はプラズモンをナノ粒子６の放物線チェーンに沿って励起することによって得られる。これらのタイプの装置の例は、次の出版物：Ｎａｔｕｒｅ  Ｐｈｙｓ．  ３，  ３０１  （２００７），  Ａｐｐｌ；  Ｐｈｙｓ．  Ｌｅｔｔ．  ９１，  ０６１１２４  （２００７），  Ｊ．  Ｏｐｔ；  Ｓｏｃ．  Ａｍ．  Ａ  ２５，  ２３８  （２００８）及びＯｐｔ．  Ｅｘｐｒ．  １５，  ６５７６  （２００７）において見出される。この技術は、集束構造と生成された光点の位置との間の距離が、直接制御されることを可能にするという利点を有する。しかしながら光点の寸法は比較的大きいままであり、それは一定の用途に対して問題となり得る。
【０００７】
これらの技術は多くの欠点を有する。表面プラズモン励起で強化された放射又は表面プラズモンの集束の場合、得られる光点の大きさは可視範囲における波長が考えられる場合、およそ数百ｎｍとかなり大きい。これはリソグラフィー又は高密度光学記録の用途のような、ナノスケールにおける領域を取り扱うかなりの数の用途に対して依然として不十分である。表面プラズモンの使用で強化された閉じ込めは、領域の多量の閉じ込めを可能にする。しかしながら、それは実行することがより困難であり、これらの構造の効率はおよそ数％と極めて低いままである。表面プラズモン励起で強化された放射の場合、その効率もまた不十分である。
【０００８】
本発明による集光装置により作り出される第２番目の点光源は、これらの欠点を持たない。適用される原理は、例えば金属膜に開けられたスリットであり得る、少なくとも１つのサブ波長の開口を含む集光装置の放射を強化することにあり、該装置の効率を上げる光共振器が、前記開口の上に乗っている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
より正確には、本発明の主題は膜を貫通する少なくとも１つの開口を備えた金属膜からなる、少なくとも１つの集束構造を含む集光装置であり、前記開口は集光装置の使用波長よりも小さなサイズのオーダーの寸法を有し、集束構造が集光装置の使用波長において光束により照らされるとき、この光束の大部分が前記光共振器によって開口に集中するように、開口内に開く少なくとも１つの光共振器を集束構造が備えることを特徴とする。
【００１０】
望ましくは、金属膜はその膜を貫通する単一の開口を備える。
【００１１】
該光共振器は開口の中心に位置することが有利である。
【００１２】
第１の実施形態において、光共振器はプラズモンを反射するパターンを形成するために、膜の上へ交互に堆積される層で作られる少なくとも１つのミラーを備え得る。該層は金属と誘電体で交互に作られ、プラズモンを反射する機能を有し、前記プラズモンは、集束構造が集光装置の使用波長において光束により照らされるときに生成される。
【００１３】
この場合、プラズモンを反射するパターンのピッチは、プラズモンの波長の半分に実質上等しいことが有利である。
【００１４】
層は開口の中心に位置して同心であり、膜の上に置かれることが有利である。
【００１５】
第２の実施形態において、空洞共振器は少なくとも１つの開口内へと開くように、金属膜内に作られる穴であり、該空洞共振器の直径は前記開口の寸法よりも少なくとも一回り又は二回り大きく、該共振器の深さは金属膜の厚さよりも小さい。
【００１６】
第３の実施形態において、空洞共振器は少なくとも１つの開口内へと開くように、金属膜内に作られる穴であり、該構造はパターンを形成して膜の上に置かれる交互に並ぶ層からなり、層は金属と誘電体で交互に作られ、層の機能はプラズモンの生成を増強することである。
【００１７】
望ましくは、プラズモンの生成を増強するパターンのピッチは、実質的にプラズモンの波長の整数に等しい。膜は単一の開口を含むことができ、空洞共振器は開口の中心に位置し得る。パターンの断面は実質的に長方形又は実質的に台形であり得る。
【００１８】
膜は、考えられる波長においてプラズモンを支え得る金属で作られることが有利である。
【００１９】
望ましくは、膜は可視物質及び赤外線における用途に対して銀又は金で作られ、そして膜は紫外線における用途に対してアルミニウムで作られる。
【００２０】
誘電体は照明の波長において透明であることが有利である。
【００２１】
１つの特徴によれば、可視物質における用途に対して用いられる誘電体は、シリカ又は樹脂、あるいはポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）でもある。
【００２２】
集光装置はその上に集束構造が置かれる基板を備え、基板は発光物質で作られる層を含むことが有利である。
【００２３】
この特徴は集光装置を機能させるための光源として、発光物質を直接用いる利点を有する。
【００２４】
本発明はまた：
・第１ステップにおいて誘電体層が基板上に堆積され、
・第２ステップにおいて、空洞共振器及び／又はパターンを形成する層がリソグラフィーを用いて誘電体層内へとエッチングされ、
・第３ステップにおいて、空洞共振器及び／又はパターンを形成するために、金属膜が誘電体層のパターン上へと例えば蒸着、又はスパッタリング、あるいはスピンコーティング（一様な層が得られることを可能にする高速でのスピンコーティング）により堆積され、
・第４ステップにおいて、第１の開口を作るために、金属膜がとりわけ集束されたイオンビームを用いて穴開けされる
ように、上記で定義された特徴を有する集光装置を製作するためのプロセスにも関する。
【００２５】
本発明は限定されない例として与えられる以下の記述を読み、そして添付図のおかげで、より良く理解され、他の利点が明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】先行技術による集光装置の第１の実施形態を示す。
【図２】先行技術による集光装置の第１の実施形態を示す。
【図３】先行技術による集光装置の第２の実施形態の変形を示す。
【図４】先行技術による集光装置の第２の実施形態の変形を示す。
【図５】先行技術による集光装置の第３の実施形態の変形を示す。
【図６】先行技術による集光装置の第３の実施形態の変形を示す。
【図７】本発明による集光装置の第１の実施形態を示す。
【図８】本発明による集光装置の第１の実施形態を示す。
【図９】本発明による集光装置の第２の実施形態を示す。
【図１０】本発明による集光装置の第２の実施形態を示す。
【図１１】本発明による集光装置の第３の実施形態を示す。
【図１２】本発明による集光装置の第４の実施形態を示す。
【図１３】本発明による集光装置を製作するプロセスの様々なステップを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
既に述べたように、本発明による装置の核心は、集光装置の少なくとも１つのサブ波長の開口上に、とりわけエネルギーを集中させるために役立つ空洞共振器を作り出すことにある。この空洞共振器を作るには各種の方法がある。このタイプの構造は、有限要素法を用い、例えば“Ｃｏｍｓｏｌ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ”のようなソフトウェアパッケージを用いて、あるいはＦＤＴＤ（ｆｉｎｉｔｅ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ：有限差分時間領域）法を用いて、又は別の適切な電磁モデリング・ソフトウェアパッケージを用いて計算され、最適化され得る。モデリングは二次元において行われ得る。そしてシミュレーションは、回転の対称性を適用するか、又は第３軸に沿って構造を追加することにより、その後に３番目の寸法へと拡張され得る。装置の様々な幾何学的パラメータは、ＣｏｍｓｏｌあるいはＦＤＴＤ又は別の電磁モデリング・ソフトウェアパッケージ内へ入力され得る。例えばＭａｔｌａｂ又はＰｙｔｈｏｎのような、モデルの幾何学的形状を定義するために利用されるスクリプト言語で書かれた最適化方法は、ローカルな単体に基づく最適化であり得る。主として、金属の幾何学的形状の４つの主要なパラメータが最適化される。すなわち：格子が１つ存在するとき、格子を形成する層のピッチａ及び深さ、それらが形成する空洞共振器の幅Ｄ、そして金属膜の厚さｅである。
【００２８】
図７及び８に例示される集光装置の第１の実施形態は、プラズモン反射ミラー７を備える。該装置は、その近傍にプラズモン反射器７が置かれている金属膜１０内に開けられたサブ波長の開口１からなり、前記反射器は開口を取り囲み格子を形成する同心の、交互に代わる層によって形作られている。これらの層は金属と誘電体で交互に作られる（更なる情報に関しては、Ｗｅｂｅｒ  ｅｔ  ａｌ．，  Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ  ７０，  ２３５４０６  （２００４）及びＮａｎｏ  Ｌｅｔｔ．  ７，  １３５２  （２００７）を参照のこと）。これらのミラーは開口の周りに空洞共振器を作り出し、該開口の近くに光束を集中させ、システムからの損失を低減し、開口と結合できる領域の量を増加させる。これら２つの現象の組合せは、次に装置の出力強度の増加をもたらす。層は図７に例示されるように対称に配置され得るか、又は図８に例示されるように非対称に配置され得る。同様に、層は図７に例示されるように開口の中心に位置し得るか、図８に例示されるように中心から外れて位置し得る。該装置はまた（図７及び８の場合のように）１つの開口か、又は複数の開口を含み得る。プラズモンの波長は次の分散式から計算される。
【００２９】
【数１】
2011521291.tif 000003
λは照明の波長であり、εｄ及びεｍはそれぞれ誘電体及び金属膜の誘電率である。
【００３０】
開口により生成されるプラズモンと、格子により反射されるプラズモンは同相であることが重要である。この条件は空洞共振器の幅Ｄが照明の波長か、あるいは干渉するプラズモンの波長λｓｐの半分の整数ｐに実質的に等しいとき、満たされる。
【００３１】
プラズモン反射ミラーを備える集光装置の限定されない実施形態として、照明の波長は５３２ｎｍで、光はＴＭ（ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ  ｍａｇｎｅｔｉｃ：横方向磁力）モードで偏光させられ、素子を有する基板は１．４８の屈折率を有するガラスで作られ、誘電体は１．４９の屈折率を有するＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）の厚さ１５０ｎｍの層であり、そして金属層は前記ＰＭＭＡ層の上へと堆積される。金属膜は５３２ｎｍの波長において０．０５＋３．４３ｉの複素屈折率を有する銀の膜であり、その厚さは約５０ｎｍである。開口の寸法はおよそ数十ｎｍである。開口は例えば銀の膜に穴を開けている３０ｎｍ幅のスリットか、又は円形の開口であり得る。この構成において、そしてこの材料の選定によって、プラズモンの波長λｓｐは約３２０ｎｍである。反射器は、そのピッチが反射されるべきプラズモンの波長の半分に実質的に等しい、すなわち約１６０ｎｍの金属層であり得る。層内のパターンの深さは約７５ｎｍであり得る。現在のケースでは、空洞共振器の最適幅は実質的に３０５ｎｍである。
【００３２】
図９及び１０に示されている、集光装置の第２の例示的実施形態は、金属の共振空洞を備える。前記装置は本質的に金属膜１０内に穴開けされたサブ波長の開口１で作られ、空洞共振器はそのとき金属膜内に作られた穴８であり、空洞共振器は単一の開口（図９に示される場合）内又は複数の開口（図１０に示される場合）内へと開いており、空洞共振器の直径は開口の寸法よりも一回りか二回りだけ大きく、その深さは金属膜の厚さよりも小さい。上記システムの効率は、従って交互に並ぶ金属／誘電体のプラズモン反射ミラーを単独の金属膜で置き換えることにより改善される。より良好な反射率が従って得られ、それによりミラーにおける吸収損失を低減する。この配置は、そのとき開口と連結可能で、開口を通って伝達される領域の量を増加させる。この全部が金属の空洞共振器は、実際に固有モード（更なる情報に関してはＰｈｙｓｉｃｓ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂの論文、Ｐｈｙｓ．  Ｒｅｖ．  Ｂ  ７５，  ０３５４１１  （２００７）を参照のこと）をサポートし、その励起は、該領域をこの空洞共振器内に集中させるように導く。空洞共振器は同時に、サブ波長の開口を通じた伝達のための集中装置及びエネルギーの貯蔵器として機能し、それにより光点の出力の強さを増加させる。空洞共振器の幅は少なくとも開口寸法よりも３倍は大きくなければならず、実質的に照明の波長、あるいは干渉するプラズモンの波長λｓｐの半分の整数ｐと同じであることが望ましい。ｐは１に等しいか、又は５以下であることが望ましい。
【００３３】
上記の例におけるように、金属の共振空洞を備える集光装置は、５３２ｎｍの照明の波長において動作することができ、光はＴＭ（横方向磁力）モードで偏光させられ、素子を有する基板はＰＭＭＡの層により覆われたガラスで作られ、そして金属層が前記ＰＭＭＡ上へと堆積されている。金属膜は銀の膜である。現在のケースにおいて、空洞共振器の最適幅は実質的に３００ｎｍである。
【００３４】
図１１に示される、集光装置の第３の例示的実施形態は表面プラズモンで強化された金属の共振空洞８を備える。この装置は以前の装置を最適化するためであり、その目的は光点の出力の強さを最大化し、従ってシステムの効率を改善することである。前の２つの実施形態が領域を開口の近傍に閉じ込め、損失を構造内に制限したのに対して、この実施形態は最大の光束を空洞共振器内へと導入すること、すなわち入射の照明により供給される出力を最大限利用することの、追加的な目的を有する。その原理は図１１に示すように、２つの金属格子１４を空洞共振器８の縁に加え、それらを照らすことで表面プラズモンを生成させるようにすることにある。より正確には、該構造は空洞共振器８を取り囲んで、膜１０の上に置かれている交互に並ぶ層を含み、該層は金属と誘電体で交互に作られ、その機能はプラズモンの生成を増強することである。図１１において太い矢印により示されるように、空洞共振器の上部の縁における、これらのプラズモンの伝播及び次に回折は、プラズモンが空洞共振器の固有モードと結合することを可能にし、それは空洞共振器内の領域の増加をもたらす。空洞共振器の幅は、干渉するプラズモンの波長λｓｐの半分の整数ｐに実質的に等しくなければならない。空洞共振器の深さｈは、実質的に波長λｓｐの半分でなければならない。さらに、空洞共振器に最も近い格子は、プラズモンの波長λｓｐの半分の整数ｑに等しい、空洞共振器の縁からの距離ｄになければならない。格子の２つの連続する層を分離している周期又はピッチは、反射されるプラズモンの波長に実質的に等しい。
【００３５】
上記の例におけるように、プラズモンで強化された金属の共振空洞を備える集光装置は、５３２ｎｍの照明の波長において動作することができ、光はＴＭ（横方向磁力）モードで偏光させられ、素子を有する基板はＰＭＭＡの層により覆われたガラスで作られ、そして金属層が前記ＰＭＭＡ上へと堆積されている。金属膜は銀の膜である。現在のケースにおいて、空洞共振器の最適幅は実質的に３００ｎｍであり、その高さは１８０ｎｍ、開口の直径は３０ｎｍで、その深さは６０ｎｍ、最小の格子‐空洞共振器間の距離は１６０ｎｍ、格子のピッチは３２０ｎｍ、そして格子のパターンの高さは１５ｎｍである。
【００３６】
図１２に示される、集光装置の第４の例示的実施形態は、変化する厚さを有する基板上に作られ、基板中央における厚さは基板周辺部の厚さよりも大きい。この基板は例えば凸面体であり得る。反射する、又はプラズモン生成を増強するパターンを形成する層は、必ずしも長方形でない断面を有してもよく、それは例えば図１２に例示されるような台形であってもよい。
【００３７】
およそ５３０ｎｍに近い波長の可視光線を用いる用途に対し、例として以下の材料： 
・例えばガラス製の透明な基板と、
・その中で空洞共振器及び／又はパターンを形成する様々な層がエッチングされ、それが誘電材料の層を形成する、例えば酸化物、シリカ、樹脂、又はＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）で作られる誘電体層と、
・使用波長においてプラズモンをサポートする、前記誘電体層の上に置かれている金属又は合金のコーティングと
を用いることが可能である。
【００３８】
使用波長においてプラズモンをサポートできる金属が必要である。例として、可視物質及び赤外線においてプラズモンをサポートできる金属である銀、あるいは金を用いることが可能である。紫外線における用途に対しては、アルミニウムが使用され得る。
【００３９】
さらに、誘電体は照明の波長において透明であることに注目されたい。
【００４０】
基板は発光物質で作られ得る。フォトルミネッセンス又はエレクトロルミネッセンスのような発光を得るために、様々なタイプの励起が可能である。フォトルミネッセンスの場合、発光物質は所定の波長において照らされ、別の波長で発光する。エレクトロルミネッセンスの場合、発光物質に電位が加えられて後者は発光する。発光物質が照らされたとき、又は電位が加えられたとき、発光物質は集光装置の使用波長において発光する。発光物質により放射された光は、集光装置を照らすための光源として直接用いられる。
【００４１】
１つの変形によれば、基板は透明材料及び、発光物質で作られた少なくとも１つの層を含み得る。
【００４２】
例として、本発明による集光装置を製作するプロセスが、図１３に詳しく記載されている。本発明による様々なタイプの集光装置にも等しく適用可能なこのプロセスは、次の４つのステップを基本的に含む：
・第１ステップＡにおいて、例えばＰＭＭＡで作られた誘電体層１１が、例えばガラス基板である基板１２上へ堆積され、
・第２ステップＢにおいて、空洞共振器及び／又はパターンを形成する構造がリソグラフィー、例えば電子ビームリソグラフィーを用いて誘電体層１１内へとエッチングされ（図Ｂにおける鋸壁１３）、
・第３ステップＣにおいて、銀で作られ得る金属膜１０が、空洞共振器及び／又はパターンを形成するため例えば蒸着、又はスパッタリング、あるいはスピンコーティングにより、誘電体層１１のパターン上へと堆積され、
・第４ステップＤにおいて、開口１を作るために、金属膜１０が例えば集束されたイオンビームを用いて穴開けされる。
【００４３】
堆積後に金属膜を平坦化する追加のステップは、出力面を平らにするために必要なことが明らかであり得る。
【００４４】
要約すると、本発明による集光装置の様々な幾何学的パラメータは、銀及びＰＭＭＡの場合に、約３２０ｎｍのプラズモンの波長λｓｐに対応する（５３０ｎｍ付近の波長を伴う）可視光線を用いる用途に対して、次の値を有する：
・集光装置の直径：約１〜数μｍ；
・サブ波長の開口の幅：約３０ｎｍ；
・サブ波長の開口の深さ：約６０ｎｍ；
・金属の空洞共振器の直径：波長のオーダー、又は実質的にプラズモンの波長λｓｐの整数に等しく、すなわち３１０ｎｍ；
・金属の空洞共振器の深さ：１００〜２００ｎｍ
・プラズモン反射パターンのピッチ：約数百ｎｍ。ピッチは実質的にプラズモンの波長λｓｐの半分に等しいことが有利である；
・プラズモンの生成を増強するパターンのピッチ：およそ数百ｎｍ。ピッチは実質的にプラズモンの波長λｓｐの整数に等しいこと、すなわち３２０ｎｍが有利である。
・プラズモン反射パターンの高さ：７５ｎｍ、そしてプラズモンの生成を増強するパターンの高さ：１５ｎｍ；
・パターン数：数ユニット〜数十ユニット。
【００４５】
これらの装置を用いて、可視物質においておよそ３０％に達し得る効率を有する、直径７０ｎｍの点を作ることが可能である。
【００４６】
上記の例において開口は単一であり、非常に小さい寸法の、単一の強い光点を得ることを可能にする。より複雑な光のパターンを得るために、空洞共振器及び格子のパターンの、開口の幾何学的形状を適合させることが可能である。例として、およそ数十ｎｍ幅の、非常に細長い長方形の形状のスリットを用いることが可能である。スリットからの出力として、複数の光点が得られることが証明されている。ＦＤＴＤ（有限差分時間領域）法を用いて、スリット出口における電磁場の強さが計算され得る。そして、光点の数、それらのエネルギー分布、及びそれらの強度が決定され得る。従って、５３２ｎｍの波長で照射された銀の膜に開けられた５０ｎｍ幅のスリットを用いて、単一の光点が１９５ｎｍのスリット長さに対して得られ、２つの光点が約４４５ｎｍの長さを有するスリットに対して得られ、３つの光点が約６９５ｎｍの長さを有するスリットに対して得られる。これらの光点はスリットの中心に位置し、実質的に一定のピッチで隔てられる。
【００４７】
この場合、空洞共振器の形状を開口の形状に適合させることが有利である。従って、長方形のスリットに対して楕円形もしくは競馬場の形の空洞共振器が、円形の空洞共振器よりも適しており、より改善された性能を与える。
【００４８】
上記の複数の例では、可視光線において、より正確には５３２ｎｍの波長において機能する装置が基本的に記述されている。勿論、表面のプラズモンが励起される条件は、銀の膜と５３２ｎｍの照明波長が組み合わされた場合に限定されない。波長に応じて、様々な金属が適合し得る。
【００４９】
従って、１９３ｎｍの波長において、少なくとも次の材料が金属膜を作るために使用され得る：
ベリリウム‐アルミニウム‐シリカ‐チタン‐バナジウム‐クロム‐鉄‐コバルト‐ニッケル‐銅‐ゲルマニウム‐ニオブ‐モリブデン‐ロジウム‐パラジウム‐錫‐アンチモン‐タンタル‐タングステン‐レニウム‐オスミウム‐イリジウム。
【００５０】
従って、２４８ｎｍの波長において、少なくとも次の材料が金属膜を作るために使用され得る：
ベリリウム‐アルミニウム‐シリカ‐バナジウム‐クロム‐鉄‐コバルト‐ニッケル‐銅‐ゲルマニウム‐ニオブ‐モリブデン‐ロジウム‐パラジウム‐錫‐アンチモン‐レニウム‐オスミウム‐イリジウム‐プラチナ。
【００５１】
従って、４０５ｎｍの波長において、少なくとも次の材料が金属膜を作るために使用され得る：
リチウム‐ベリリウム‐アルミニウム‐チタン‐バナジウム‐クロム‐鉄‐コバルト‐ニッケル‐銅‐亜鉛‐モリブデン‐ロジウム‐パラジウム‐銀‐錫‐アンチモン‐テルル‐オスミウム‐イリジウム‐プラチナ‐金。
【００５２】
従って、５３２ｎｍの波長において、少なくとも次の材料が金属膜を作るために使用され得る：
リチウム‐ナトリウム‐アルミニウム‐カリウム‐チタン‐クロム‐コバルト‐ニッケル‐銅‐亜鉛‐ロジウム‐パラジウム‐銀‐錫‐アンチモン‐イリジウム‐プラチナ‐金。
【００５３】
緑色において、最高の性能を与える金属は銀である。青色又は近紫外線において、最良の選択はアルミニウムである。
【００５４】
従って、２４８ｎｍの波長において、紫外線中で動作すべき集光装置に対する可能な選択は、その複素屈折率が０．１９＋２．９４ｉであるアルミニウムと、屈折率１．９のサファイアのような紫外線に対して透明な誘電体とで作られた膜である。
【００５５】
本発明による集光装置は、それらが照らされたとき、複数の用途を有する効率的で小形の近接場光源を形成する。
【００５６】
それらの用途は、これら光源が高解像度で点毎の近接場リソグラフィーにおいて使用され得るナノリソグラフィーから、光学的記録までに及ぶ。この場合、それらは大容量の読み書きシステム、例えばＳＩＬｓ（ｓｏｌｉｄ  ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ  ｌｅｎｓｅｓ：ソリッドイマージョンレンズ）を用いるシステムにおいて使用され得る。
【００５７】
それらはまた、非常に小さい容量を解析し、蛍光の励起を強化し、分子の拡散時間を短縮することを可能にする生物学において、あるいは顕微鏡検査又は照明の分野において使用され得る。後者の用途において、集光装置の構造の上流に発光媒体を挿入することは、該システムの残りの部分内へ直接組み込まれ得る、小形の光源を作り出す。
【００５８】
限定されない例として、本集光装置はまた、それらの高効率が利用可能なエネルギーの問題を解決すること、及びより小さい出力でより容易な操作の光源を用いることを可能にする、光ピンセットの分野にも適用され得る。
【００５９】
それらの幾何学的構造はまた、伝送の波長を選択するために適合させられることができ、それらは従って映像技術用途のためのＲＧＢカラー画素の作成にも用いられ得る。
【００６０】
これらの高効率の装置はまた、関連するノイズレベルを低減することにより、光検出器の分野における検出効率を改善し得る。
【００６１】
最後に、それらは光を効率的に閉じ込めるため、導波管の入力又は出力において、二次元の幾何学的構造で挿入され得る。
【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７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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