(57)【要約】【課題】プラズモンの共鳴現象を用いる偏光制御素子であって、偏光制御に対する設計の自由度が大きいものを実現する。【解決手段】支持体１０の平面状の表面に、大きさが入射光の波長より小さい金属構造体を、該金属構造体の大きさより小さい距離で近接させて少なくとも３個配置し、これらのうち２個を同一形状且つ同一大きさとし、これら少なくとも３個の金属構造体の配置を１ユニット１０Ｂとし、該ユニットを表面に２次元的に配列した偏光制御素子である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体の平面状の表面に、大きさが入射光の波長より小さい金属構造体を、該金属構造体の大きさより小さい距離で近接させて少なくとも３個配置し、これらのうち２個を同一形状且つ同一大きさとし、これら少なくとも３個の金属構造体の配置を１ユニットとし、該ユニットを上記表面に２次元的に配列したことを特徴とする偏光制御素子。
【請求項２】
請求項１記載の偏光制御素子において、
３個の金属構造体に、大きさが入射光の波長より小さい別の金属構造体を、該金属構造体の大きさより小さい距離で近接させてＮ（≧１）個配し、これら３＋Ｎ個の金属構造体を１ユニットとし、該ユニットを２次元的に配列したことを特徴とする偏光制御素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の金属構造体のユニットを、支持体の平面状の表面上に、３次元的に配列したことを特徴とする偏光制御素子。
【請求項４】
請求項１〜３の任意の１に記載の偏光制御素子において、
金属構造体を構成する金属材料が、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）の何れか、もしくは、これらの組み合わせ、または、これらを主成分とする合金材料・混合材料であることを特徴とする偏光制御素子。
【請求項５】
請求項１〜４の任意の１に記載の偏光制御素子において、
金属構造体のユニットの２次元的な配列が、ライン配列、正方格子配列、直方格子配列、六方格子配列、ランダム配列の何れかであることを特徴とする偏光制御素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は偏光制御素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
「偏光制御素子」は、図１に符号１で示すように、入射光の偏光状態、即ち、偏光方向（偏光角）や楕円率を、所望する出射偏光状態へ変化させる機能を有する光学素子であり、液晶プロジェクタ装置等の表示装置や各種の光学装置に広く利用されている。
【０００３】
偏光制御素子の具体的な態様としては、液晶パネルなどの空間変調素子への入射光や出射光の特定偏光成分を抽出する偏光板や、光利用効率の向上のため「自然光の直交する２つの偏光成分を１方向に揃える偏光変換素子」、１／２波長板や１／４波長板のような位相シフタ等を挙げることができる。
【０００４】
偏光制御素子としては従来から「ポリビニルアルコールなどの基板フィルムにヨウ素などの２色性を有する材料を染色・吸着させ、高度に延伸・配向させることで吸収２色性を発現させて偏光選択機能を実現した偏光板」や、「方解石や水晶のような複屈折性の光学結晶における常光線と異常光線の屈折率の違いを利用し、直交する２つの偏光成分に位相差を与える各種の波長板」等が知られているが、近来、新しい光学原理に基づく偏光制御素子として「支持体に、大きさが入射光の波長より小さい金属構造体を、金属構造体自体の大きさより小さい距離で近接させて配列して、偏光制御機能を発現させた」ものが提案されている（特許文献１〜４等）。
【０００５】
これら特許文献１〜４に記載された偏光制御素子は、微細な金属構造体内の電子振動であるプラズモンの共鳴現象を用いて高効率に偏光制御を行なうものである。
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−３３０１０５
【特許文献２】特開２００６−３３０１０６
【特許文献３】特開２００６−３３０１０７
【特許文献４】特開２００６−３３０１０８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明は、上記「微細な金属構造体内の電子振動であるプラズモンの共鳴現象を用いて高効率に偏光制御を行ない得る偏光制御素子」であって、偏光制御に対する設計の自由度が大きいものを実現することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の偏光制御素子は、以下の如き特徴を有する（請求項１）。  
即ち、支持体の平面状の表面に「大きさが入射光の波長より小さい金属構造体」を、金属構造体自体の大きさより小さい距離で近接させて少なくとも３個配置し、少なくとも３個の金属構造体の配置を「１ユニット」とし、このユニットを上記表面に２次元的に配列する。
【０００９】
「１ユニットを構成する金属構造体」の数は上記の如く３個以上であるが、少なくとも３個の金属構造体における２個は「同一形状且つ同一大きさ」である。即ち、１ユニットを構成する少なくとも３個の金属構造体には、少なくとも１個、上記２個の金属構造体と「形状および／または大きさ」が異なる金属構造体が含まれる。
【００１０】
請求項１記載の偏光制御素子は「３個の金属構造体に、大きさが入射光の波長より小さい別の金属構造体を、この金属構造体の大きさより小さい距離で近接させてＮ（≧１）個配し、これら３＋Ｎ個の金属構造体を１ユニットとし、このユニットを２次元的に配列した構成」とすることができる（請求項２）。即ち、請求項２記載の偏光制御素子においては、金蔵構造体の配列の１ユニットに「４以上の金属構造体」が含まれる。
【００１１】
請求項１または２に記載の金属構造体のユニットは「支持体の平面状の表面上に、３次元的に配列」することができる（請求項３）。  
即ち、請求項１、２に記載された「３個以上の金属構造体の配置による１ユニットの２次元的配列」を、支持体上に複数層に積層することにより金属構造体の配置のユニットを、３次元的に配列することができる。
【００１２】
請求項１〜３の任意の１に記載の偏光制御素子において「金属構造体を構成する金属材料」は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）の何れか、もしくは、これらの組み合わせ、あるいは、これらを主成分とする合金材料・混合材料であることができる（請求項４）。
【００１３】
請求項１〜４の任意の１に記載の偏光制御素子における「金属構造体のユニットの２次元的な配列」は、ライン配列、正方格子配列、直方格子配列、六方格子配列、ランダム配列の何れかであることができる（請求項５）。請求項３のように金属構造体のユニットを３次元的に配列する場合であれば、積層される各層における２次元的な配列が、上記の各種の配列であることができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上に説明したように、この発明によれば、新規な偏光制御素子を実現できる。  
この発明の偏光制御素子は、１ユニットをなす金属構造体の配置に「少なくとも３個の金属構造体が含まれ、かつ、２つの金属構造体が同大・同形状で、少なくとも１つは上記２つの金属構造体と「形状および／または大きさ」が異なるので、偏光制御に対する設計の自由度が大きく、所望の偏光制御特性を有するものを容易に実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図２は、この発明の偏光制御素子の実施の１形態を説明するための図である。  
図２において、符号１０で示す偏光制御素子は、「支持体」である平行平板状の支持基板１０Ａの平面状の表面に、金属構造体のユニット１０Ｂ（以下、金属構造体ユニット１０Ｂと言う。）の２次元的な配列を有する。
【００１６】
支持基板１０Ａは、材質的には「高い光利用効率を得るために、可視領域の波長において吸収が低く、偏光に対する異方性の少ない材料」が好ましく、具体的には、石英ガラスや、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）などの硼珪酸ガラス、ＣａＦ２、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ２Ｏ３などの光学結晶材料を好適に利用できる。
【００１７】
図２の実施の形態において、金属構造体ユニット１０Ｂは「３個の金属構造体の配置」で構成されている。金属構造体ユニット１０Ｂを図３に示す。図３において、３個の金属構造体ＭＳ１、Ｍ２Ｓ、ＭＳ３の配置が金属構造体ユニットを構成している。これら３個の金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２、ＭＳ３のうち、金属構造体ＭＳ１とＭＳ２とは形状・大きさが同一であり、これら金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２とを纏めて「金属構造体対」と呼び、符合ＭＳＰ１２で示す。
【００１８】
金属構造体ＭＳ３は、金属構造体対ＭＳＰ１２を構成する金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２とは大きさが異なる。これら金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２、ＭＳ３は、入射光を照射した際に「隣接する金属構造体間で近接場光を介して相互作用する程度の距離」に配置されている必要がある。
【００１９】
「近接場光」とは、金属中の電子が入射光により励振されることにより生じる「局所的に分布した電磁場」を意味する。「近接場光を介して相互作用する距離」は、近接場光の起源が金属中の電子の運動に依存していることから、金属構造体が光の波長よりも十分に小さい場合には、大略「金属構造体自体の大きさ程度」となる。従って、金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２、ＭＳ３は、相互に「金属構造体の大きさより小さい距離」で近接して配置されている。  
図２、図３に示す実施の形態においては、金属構造体ＭＳ１〜ＭＳ３は何れも「円柱形状」であるが、これに限らず、球形状、半球形状、三角柱・四角柱形状、円錐形状、楕円柱形状など、多様な形状のものが形状として許容される。
【００２０】
この場合、金属構造体の形状によっては、その大きさを一義的に定められない場合もあるので、この明細書中において、金属構造体の大きさを以下のように定める。  
図４は、金属構造体の２次元的な形状（支持体の表面に直交する方向から見た形状）として、（ａ）円形状、（ｂ）楕円形状、（ｃ）正三角形状、（ｄ）矩形形状、（ｅ）一般的な不定形状を示している。
【００２１】
これらのうち（ａ）の円形状や、（ｃ）の正三角形状、更には図示されていないが正方形等の正多角形形状のように、支持体表面に直交する方向から見た形状が「等方的」である場合には「それらの形状と同面積の円の直径：ｄ」をもって「金属構造体の大きさ」とする。その他の非等方的な形状（図４（ｂ）の楕円形状、（ｄ）の矩形形状や（ｅ）の不定形状）の場合には、上記方向から見た金属構造体の形状と同面積を有する楕円の長径：ｄ１および短径：ｄ２をもって「金属構造体の大きさ」とする。  
なお、金属構造体の大きさは「光の波長よりも小さく」なければならない。即ち、上記「ｄ」、「ｄ１」、「ｄ２」は、光の使用波長以下である。
【００２２】
金属構造体の形状が上記「非等方的な形状」で、その大きさをこれと同面積の楕円と考えた場合に、金属構造体を「楕円の長径方向」に配列する場合には、金属構造体間の距離はｄ１よりも小さく、金属構造体を「楕円の短径方向」に配列する場合には、金属構造体間の距離はｄ２よりも小さく設定する。
【００２３】
金属構造体の「支持体表面に直交する方向の大きさ」は、入射光の偏光方向が支持体表面に平行な面内にあるものとすれば（入射光の入射方向が支持体表面に直交する）、金属構造体の「支持体表面に直交する方向」の大きさは、近接場光を介した金属構造体相互の相互作用の距離に影響しないので、支持体表面に直交する方向における「金属構造体の大きさ」は特に制限されない。
【００２４】
ここで、金属構造体ＭＳ１〜ＭＳ３の具体的な材料と大きさに付いて説明する。  
金属構造体に光を照射すると金属中の電子が励振されるが、この励振は「特定の波長」に対して共鳴的に強くなる。これは「金属中の電子の集団振動」に起因するものであり、このような「電子の集団運動」はプラズモンと呼ばれる。
【００２５】
「プラズモン」は、金属と誘電体界面で励振される表面プラズモンが一般的であるが、微小な金属構造体においては「金属構造体の大きさに依存した振動モード」が励振されることから、このような振動モードのプラズモンは「局在表面プラズモン」と呼ばれる。この明細書中においては表面プラズモン、局在表面プラズモンを区別せず単にプラズモンと呼ぶ。
【００２６】
プラズモンが励振されることにより、金属構造体近傍の振動電界が強くなり、隣接する別の金属構造体に影響を与える。２個の金属構造体が相互に影響を与え合うことにより、金属構造体の配向方向に対する相互作用の強さの異方性が現れる。この異方性は、プラズモンの振幅と位相の両方を変調するため、２個以上の金属構造体により散乱された光は、その偏光状態が入射光のものとは変化している。
【００２７】
金属構造体を構成する金属材料は「入射光の波長に対してプラズモンを共鳴的に励起できる材料」であることが必要であり、請求項４に記載された、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕの何れか、または「これらを主とした合金材料」、さらには、これらと非金属材料からなる混合材料を好適に利用できる。  
この発明の偏光制御素子の動作波長は、金属構造体の材料に依存して変化する。
【００２８】
「金属構造体の大きさ」は、回折による空間的な強度分布が生ずるのを防ぐとともに、設計が容易であるように「金属中の電子の複雑な振動モードが励振されない」ように、入射光の波長より十分に小さい必要があり、また「可視光領域の光に対して偏光制御機能が実現される」ように略１００ｎｍ以下の大きさであることが好ましい。
【００２９】
「金属構造体相互の間隔」は、近接場光を介した相互作用の働く領域であって、上述の如く「金属構造体の大きさより小さい距離」であるから、金属構造体自体の大きさを１００ｎｍ以下とすれば、金属構造体相互間の距離も１００ｎｍ以下となる。金属構造体相互は「より近接したほうが偏光状態の変化が生じやすい」ので、この場合、好ましい間隔は５０ｎｍ以下である。
【００３０】
ここで、入射光の波長以下の大きさをもつ２つの金属構造体を金属構造体自体の大きさよりも近接させて配置した場合の偏光状態の変化を定量的に評価するために実施した「数値シミュレーション」を説明する。  
この数値シミュレーションは、電磁場の時間・空間応答を表わすマクスウェル方程式を時間領域、空間領域に差分化して解く、有限差分時間領域法（ＦＤＴＤ法）を用いたものであり、図５に計算モデルを示す。  
図５（ａ）は、計算モデルのｚｘ面の状態を示し、（ｂ）はｘｙ面の状態を示す。  
金属構造体として２個のＡｕ球Ａｕ１、Ａｕ２（屈折率：ｎ＝０．０７１７、消衰係数：ｋ＝１．４９６５）がｘ軸方向に配列している。
【００３１】
入射光は「ｚ軸方向に伝搬する平面波」でｘｙ面に平行な面内で、ｘ軸に対し４５度傾いた偏光面を持つ直線偏光（図５（ｂ）参照）である。入射光の波長は「Ａｕ球Ａｕ１、Ａｕ２の屈折率：ｎおよび消衰係数：ｋの大きさに対するプラズモンの共鳴波長」の近傍である５４４ｎｍを用いた。  
Ａｕ球Ａｕ１、Ａｕ２の直径は４０ｎｍとし、Ａｕ球相互の間隔：ｄｓ（図の如く、２個のＡｕ球の最近接する端部間の距離である。）を０〜８０ｎｍの範囲で変化させて振幅および位相の変化を調べた。
【００３２】
図６に「数値シミュレーションの結果」を示す。図５に示す座標上のｘ方向の電界成分とｙ方向の電界成分の振幅比（図６の左図）および位相差（図６の右図）を計算したものである。「横軸の金属粒子間距離」は、上述のＡｕ球相互の間隔：ｄｓである。２個のＡｕ球が近づく（ｄｓが小さくなる）ほど、電界のｘ成分とｙ成分との振幅比：Ａｙ／Ａｘが大きくなり、「ｘ成分とｙ成分の位相差」はＡｕ球相互の間隔：ｄｓが０ｎｍの場合に４５°程度となった。従って、Ａｕ球相互の間隔：ｄｓが小さくなると、入射する直線偏光は「楕円偏光」に変換され、楕円率も変化することが分る。
【００３３】
このように、金属構造体対としての２個のＡｕ球の間隔：ｄｓを制御することにより、偏光特性（振幅比、位相差）を任意に変化させた出射光を得ることができる。  
また、Ａｕ球の直径（大きさ）を変化させると、振幅比および位相差の「Ａｕ球相互の距離：ｄｓに対する依存性」も変化することが数値シミュレーションから確認され、Ａｕ球の直径も偏光制御のパラメータとなることが確認された。
【００３４】
さて、図２、図３に示した実施の形態では、金属構造体ユニット１０Ｂは３個の金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２、ＭＳ３で構成されている。この場合、金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２は形状・大きさが同一で金属構造体対ＭＳＰ１２を構成し、上に説明した数値シミュレーションのように、偏光制御が可能である。  
この金属構造体対ＭＳＰ１２に、更に第３の金属構造体ＭＳ３を付加することにより、「金属構造体ユニットを構成する金属構造体配置の空間的な対称性を利用した偏光状態の制御」が可能になる。
【００３５】
図７、図８を参照すると、図７は、金属構造体ユニット１０Ｂを「支持体表面に直交する方向から見た状態」の説明図であり、金属構造体ユニット１０Ｂは、同一形状・同一大きさの金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２で構成される金属構造体対ＭＳＰ１２と、金属構造体対ＭＳＰ１２の配向（図で左右の配列）に対して直交する中心線（図で縦方向の破線）上に配された金属構造体ＭＳ３により構成されている。即ち、３個の金属構造体ＭＳ１〜ＭＳ３の配置は、金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２の配向の中心線に対して左右対称となっている。
【００３６】
図７は「金属構造体ＭＳ３が金属構造体１または金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２よりも大きい場合」を示しているが、金属構造体ＭＳ３の大きさは、金属構造体対ＭＳＰ１２と金属構造体ＭＳ３との間に働く「近接場光を介した相互作用の強さ」の設計条件に依存するものであり、必ずしも金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２よりも大きい必要は無い。
【００３７】
金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２間の距離：ｇ１や、金属構造体対ＭＳＰ１２と金属構造体ＭＳ３との距離：ｇ２は、勿論「金属構造体自体の大きさ」よりも小さいが、設計パラメータとして用いることができ、設計条件に応じて設定できる。
【００３８】
図７のように「金属構造体ＭＳ１〜ＭＳ３左右対称的に配置」した場合の、近接場を介した相互作用につき図８の「電気双極子相互作用の概念図」を用いて説明する。図８の金属構造体対ＭＳＰ１２に対し、平行方向（図８（ａ）（ｂ））ならびに垂直方向（図８（ｃ）（ｄ））の偏光をもつ入射光を照射した場合、金属構造体ＭＳ１〜ＭＳ３中の電子が励振され、図中の金属構造体対ＭＳＰ１２の金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２内に記した矢印のように「入射光の偏光方向に依存した４通りの電気双極子モーメントの配向状態」が形成される。
【００３９】
電気双極子モーメントは「一方に向きを揃えた」もの（図８（ａ）（ｃ））と、「互いに異なる向き」をもつもの（図８（ｂ）（ｄ））が、入射光の偏光方向に対して存在する。
【００４０】
これらの状態を励起する光エネルギを、図８中にＥ１、Ｅ２、Ｅ３、Ｅ４として示す。これら光エネルギ：Ｅ１〜Ｅ４の間には「Ｅ１＜Ｅ４＜Ｅ３＜Ｅ２の大小関係」があり、相互に異なっている。従って、金属構造体対ＭＳＰ１２に金属構造体ＭＳ３を近接させると、金属構造体ＭＳ３の共鳴エネルギは、金属構造体ＭＳ３の大きさに依存するため、上記４通りのエネルギ状態に対し選択的に相互作用させることができる。
【００４１】
金属構造体ＭＳ３を「金属構造体対ＭＳＰ１２の配向の中心線に対して左右対称の位置に配置」しているため、電気双極子モーメントが互いに異なる向きをもった２つの状態（図８（ｂ）、（ｄ））では「金属構造体３の励起は禁制状態」で相互作用は生じない。従って、金属構造体ＭＳ３を金属構造体対ＭＳＰ１２の配向の中心線に対して左右対称に配置し、金属構造体ＭＳ３の「大きさと距離：ｇ２」を調整することにより、金属構造体対ＭＳＰ１２の配向に対して平行方向の入射偏光（図８（ａ））、垂直方向の入射偏光（図８（ｃ））に対して偏光異方性を発現させることができ偏光状態の制御が可能となる。
【００４２】
図７には、金属構造体ＭＳ３として「支持体表面に直交する方向から見た形状が円形状のもの」を示したが、偏光状態を制御するためには、金属構造体対ＭＳＰ１２の配向に対して「円対称でない形状」を有する金属構造体、例えば、図９に示す如き楕円形状の金属構造体ＭＳ３を用いても良い。
【００４３】
図９に示す場合、楕円形状の金属構造体ＭＳ３の長軸方向と単軸方向で「プラズモンの共鳴波長」が異なり、金属構造体対ＭＳＰ１２の配向（図の左右方向）に平行な電気双極子をもつ状態と、垂直な電気双極子をもつ状態とで、近接場光を介した相互作用の強さが異なる。このように、金属構造体ＭＳ３の形状によっても偏光状態の制御が可能である。
【００４４】
上記のように、３個の金属構造体ＭＳ１〜ＭＳ３の「大きさと配置」を設定した金属構造体ユニット１０Ｂにより偏光異方性を発現することができるが、偏光状態を大面積で制御する偏光制御素子として機能させるためには、金属構造体ユニット１０Ｂを２次元的に配列する必要がある。
【００４５】
金属構造体ユニット１０Ｂの配列には種々可能であるが、特に入射光の波長程度の間隔で周期配列した場合には、透過率または反射率に「特有の角度依存性」をもたせることができる。また、金属構造体の大きさより大きく且つ波長以下の間隔で、高密度に配置した場合には偏光制御効率を高めることができる。
【００４６】
金属構造体ユニットの配列の代表的なパターンを図１０に示す。  
図１０（ａ）は「ライン配列パターン」であり、ライン配列に直交する方向（図の左右方向）に対しては回折格子と同等の役割を果たす。図１０（ｂ）は「正方格子配列パターン」であり、格子の周期を調整することにより「透過率または反射率の角度依存性または遠方での空間強度分布の最適化」が可能となる。図１０（ｃ）は「直方配列パターン」で、図１０（ａ）と（ｂ）の特性を併せもつ配列である。
【００４７】
図１０（ｄ）は「六方格子配列パターン」であり、金属構造体ユニット１０Ｂをより高密度に集積することができ、偏光制御効率の向上が図れる。図１０（ｅ）は「ランダム配列パターン」であり、偏光制御機能は単位配列パターンの構造よってのみ生じているため「完全な周期配列パターン」がなくとも機能を発現することができる。
【００４８】
ここで、上に実施の形態を説明した偏光制御素子の作製方法を説明する。  
図３に示すような「入射光の波長以下の大きさを有する金属構造体ＭＳ１〜ＭＳ３の作製には、可視光の回折限界以下の加工精度を有する手法を適用する。具体的な手法としては、電子ビームリソグラフィによる方法、ＤＵＶ・ＥＵＶリソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチング等を利用できる。
【００４９】
例えば、支持体としての支持基板１０Ａとして平行平板状の光学ガラスを用い、その平坦な面にＡｕなどの金属材料をスパッタ法や真空蒸着法により堆積し、この金属膜上にフォトレジスト膜を形成し、電子線描画により「金属構造体ユニットの配列パターン」を残すようにネガパターンを形成する。その後、不要な金属部分をＲＩＥなどによりエッチングすることにより、金属構造体ユニットとその２次元配列パターンを形成できる。
【００５０】
上に説明した実施の形態では、金属構造体ユニットを構成する金属構造体ＭＳ１〜ＭＳ３と、その２次元的な配列が、支持体である支持基板１０Ａの平面状の表面上に直接形成され「金属構造体ユニットの２次元配列が空気中に露呈」している場合であるが、図１１（ａ）に示すように、金属構造体による金属構造体ユニット１０Ｂの２次元的な配列を覆うように保護膜１０Ｃを形成してもよく、さらには、図１１（ｂ）に示すように、支持基板１０Ａ上に支持膜１０Ｄを形成し、この支持膜１０Ｄの上に金属構造体ユニット１０Ｂを２次元的に配列し、さらにこの配列を保護膜１０Ｃで覆うようにしても良い。図１１（ｂ）の場合には、支持基板１０Ａと支持膜１０Ｄとが「支持体」を構成する。
【００５１】
このような支持膜や保護膜の有無に応じて偏光制御特性が異なる。保護膜１０Ｃや支持膜１０Ｄの材料も、支持基板１０Ａと同様「光の吸収が低く、偏光に対する異方性の少ない材料」が良く、光学素子のコーティング材料として一般的に使用される石英ガラス、ＢＫ７、パイレックス（登録商標）、ＺｎＳ−ＳｉＯ２などの硼珪酸ガラス、ＣａＦ２、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ２Ｏ３、ＺｎＯなどの材料を好適に使用できる。
【００５２】
図１１（ａ）、（ｂ）に示す実施の形態のように、支持膜や保護膜を設ける場合、これらの材料として、電気光学結晶効果を示す強誘電体材料であるＢＢＯ、ＬｉＴａＯ３、ＫＴＢ、ＬｉＮｂ３、ＫＴＢ、ＫＴＰ、ＫＴＮなどの無機結晶、非線形光学効果を示す光学結晶材料であるＢＢＯ、ＬＢＯ、ＢＩＢＯ、ＫＴＰ、ＫＤＰなどの無機結晶、電歪効果を示す水晶、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７、ＡｌＮなどの無機結晶を用い、偏光制御素子に「電気、光、圧力等の外部信号」を作用させ、電気光学結晶効果や非線形光学効果、電歪効果等により偏光制御機能を変調し、偏光制御特性をアクティブに変化させても良い。また、保護膜・支持膜および支持基板の材料の光学特性により「偏光制御素子の動作波長」を調整することも可能である。
【００５３】
また、支持膜１０Ｄまたは保護膜１０Ｃとして石英ガラスなどの誘電体材料や、電気光学材料、非線形光学材料などをスパッタ法などで堆積することにより、支持基板１０Ａと保護膜１０Ｃとの界面や、支持膜１０Ｄと保護膜１０Ｃとの内部に金属構造体ユニットの２次元的な配列を有する偏光制御素子が実現できる。
【００５４】
金属構造体ユニットの２次元的な配列を形成するのに、金属微粒子の自己組織配列などを利用しても良い。例えば、レーザアブレーション法で溶液中の金属材料を粉砕することにより作製した金属微粒子や、化学合成の手法により作製した金属微粒子を、微細加工した基板を用いて自己組織的に配列させることにより、選択的に金属構造体ユニットを形成することも可能である。
【００５５】
以上のように、上に実施の形態を説明した偏光制御素子は、支持基板１０Ａ上に、金属構造体対ＭＳＰ１２と金属構造体ＭＳ３からなる金属構造体ユニット１０Ｂを２次元的に配列し、金属構造体ユニット１０Ｂにおける「３個の金属構造体ＭＳ１〜ＭＳ３相互の空間対称性」を利用することにより偏光制御機能を実現している。また、無機材料である金属中のプラズモン共鳴を利用することにより、極めて高い効率で偏光制御特性を実現でき、且つ、耐熱性、耐光性の高い偏光制御素子が実現できている。
【００５６】
実施の別形態を図１２を参照して説明する。なお、繁雑を避けるため、混同の虞がないと思われるものについては図２、図３におけると同一の符号を付する。  
図１２に示す実施の形態においても、支持体である支持基板１０Ａに、３個の金属構造体ＭＳ１〜ＭＳ３からなる金属構造体ユニット１０Ｂを２次元的に配列したものであるが、この実施の形態においては、金属構造体ＭＳ３が「金属構造体対ＭＳＰ１２の配向の中心線に対して、図の左方へ距離：ｓだけずらされ」て金属構造体ユニット１０Ｂを構成している。
【００５７】
支持基板１０、金属構造体ＭＳ１〜ＭＳ３の形状・大きさ、金属構造体ユニット１０Ｂの２次元的な配列は、先に説明した実施の形態のものと同様で作製方法も同様である。
【００５８】
図８に即して説明したように、この発明の偏光制御素子は、入射光の偏光状態に依存して金属構造体対１２上に生じる電気双極子モーメントの状態を、金属構造体ＭＳ３の大きさと位置を調整することにより、金属構造体ＭＳ３との間に「選択的な相互作用」を生じさせることにより偏光異方性を発現させている。
【００５９】
図８に示すように「金属構造物ＭＳ１、ＭＳ２に生じる電気双極子モーメントが互いに異なる向きを向いている状態」は、金属構造体ＭＳ３を「金属構造物対ＭＳＰ１２の配向の中心線に対して左右対称」に対称に配置した構成では、金属構造体対ＭＳＰ１２と金属構造体ＭＳ３との近接場を介した相互作用が禁制状態となるが、図１２に示すように、金属構造体ＭＳ３を「金属構造体対ＭＳＰ１２の配向の中心線に対して、図の左方へ距離：ｓだけずらして」上記中心線に対して金属構造体ユニット１０Ｂにおける金属構造体ＭＳ１〜ＭＳ３の配置を非対称とすると上記相互作用が「許容状態」となり、図８に示す「対称な配置」とは異なった偏光異方性を生じる。このときの偏光異方性は、距離：ｓの大きさに依存して「許容状態」の変化に応じて異なる。
【００６０】
特に、金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２の「電気双極子の向きが異なる状態」は、これら金属構造体の電気双極子モーメントの和が０となるため「光を遠方へ放射できない状態」であり、特定の偏光成分に対して位相を大きく遅らせることが可能である。
【００６１】
このように、図１２に実施の形態では、支持基板上に、金属構造体対ＭＳＰ１２と金属構造体ＭＳ３からなる金属構造体ユニットを２次元的に配列し、金属構造体ユニットにおいて、２個の同一形状で同一の大きさを有する金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２による金属構造体対ＭＳＰ１２に対して「空間的に非対称な位置」に金属構造体ＭＳ３を配置することにより「偏光制御素子により得られる偏光状態の自由度」を高めている。
【００６２】
他の実施の形態を図１３、１４を参照して説明する。  
これらの実施の形態では、偏光制御素子は、支持体の平面状の表面に、大きさが入射光の波長より小さい金属構造体を４個以上配して「金属構造体ユニット」とし、この金属構造体ユニットを２次元的に配列した構成により「入射光の偏光状態の制御」を行うようにしている。  
支持体や金属構造体の形状、大きさ、金属構造体ユニットの２次元的な配列方法は、上に説明した実施の各形態におけるものと同様であり、作製方法も前記電子ビームリソグラフィ等の手法を利用する。
【００６３】
図１３に示す例では、金属構造体ユニットは４個の金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２、ＭＳ３、ＭＳ４により構成される。この配置例は、図６に示した「大きさ・形状が同一の金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２による金属構造体対ＭＳＰ１２と、この金属構造体対ＭＳＰ１２の中心線に対して左右対称となるように配置された金属構造体ＭＳ３」の配置に対し、第４の金属構造体ＭＳ４を付加して配置した例である。
【００６４】
金属構造体ＭＳ３、ＭＳ４は形状と大きさが互いに同一である。  
「金属構造体ＭＳ３と金属構造体ＭＳ４による金属構造体対」は「金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２による金属構造体対」とは「異なる配向（金属構造体の配列の向き）」を有している。このような金属構造体ユニットの構成においては、配向方向の異なる上記２種の金属構造体対の「近接場光を介した相互作用」により旋光性が生じる。
【００６５】
金属構造体ユニットを構成する「４個の金属構造体ＭＳ１〜ＭＳ４」の配置のパターンは、図１３のものに限らず、種々のものが可能である。配置パターンのいくつかの例を挙げると、図１４（ａ）に示す例では、金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２の配向の中心線上に、金属構造体ＭＳ３、ＭＳ４が「全体として上記中心線に対して図の左右対称となる」ように配置された例であり、（ｂ）に示す配置パターンは、図１３の配置パターンにおいて、金属構造体対ＭＳ３、ＭＳ４の配向を、金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２の配向の中心線に対して距離：ｓだけ図の右方へずらした配置である。
【００６６】
図１４（ｃ）に示す配置パターンは、金属構造体対ＭＳ１、ＭＳ２の配向の中心線に対して、金属構造体ＭＳ３を図の右方へ距離：ｓだけずらして配置するとともに、金属構造体ＭＳ４を、金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２の配向を介して金属構造体ＭＳ３と反対側（図の下方）において、上記中心線上に配置したパターンである。
【００６７】
図１４（ｄ）、（ｅ）は、図１３に示した金属構造体ＭＳ１〜ＭＳ４の配置パターンに対してさらに金属構造体ＭＳ５、ＭＳ６を付加したパターンである。金属構造体ＭＳ５、ＭＳ６は、金属構造体ＭＳ３、ＭＳ４と形状・大きさが同一である。
【００６８】
図１４（ｄ）の配置パターンは、金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２の配向の中心に対して、金属構造体ＭＳ３〜ＭＳ６が１８０度の回転の回転対象となる配置パターンである。
【００６９】
図１４（ｅ）の配置パターンは、金属構造体ＭＳ１、ＭＳ２の中心を結ぶ直線に対し、金属構造体ＭＳ３、ＭＳ４が片側（図の上側）に位置し、金属構造体ＭＳ５、ＭＳ６が反対側（図の下側）にあるように配置したパターンである。
【００７０】
４個以上の金属構造体のこのような種々の配置パターンにより、電気双極子の禁制状態・許容状態、金属構造体対のなす配向の向きの調整により、より高度な偏光状態の制御が可能となる。
【００７１】
勿論、図１３、図１４に示した配列パターンの「金属構造物のユニット」の２次元的な配列の場合も、図１１に示した例のように、保護膜１０Ｃにより被覆したり、あるいは、支持膜１０Ｄの上に形成して保護膜１０Ｃで被覆したりできることは言うまでも無い。
【００７２】
図１５を参照して実施の他の形態を説明する。  
図１５に示す実施の形態は、金属構造体のユニットを、支持体の平面状の表面上に、３次元的に配列した形態の例である。説明の具体性のために、金属構造体のユニットとしては、図３に即して説明した３個の金属構造体ＭＳ１〜ＭＳ３の配置によるユニットの場合を示す。
【００７３】
図１５（ａ）、（ｃ）は、支持体である支持基板１０の平面状の表面に、上記金属構造体ユニットの２次元配列を３層に積層した例である。即ち、支持基体１０Ａの表面に、金属構造体のユニットの２次元的な配列が形成されて第１層をなす。この第１層を保護する保護膜１０Ｃ１が形成され、保護膜１０Ｃ１上に金属構造体のユニットの２次元的な配列が形成されて第２層をなす。第２層を保護する保護膜１０Ｃ２が形成され、保護膜１０Ｃ２の上に金属構造体のユニットの２次元的な配列が形成されて第３層をなし、この第３層を保護する保護膜１０Ｃ３が形成されている。
【００７４】
図１５（ａ）に示す例では、第１層〜第３層における「金属構造体のユニットの２次元的な配列」は全く同一であり、且つ、第３層の側から見て図１５（ｂ）に示すように、各層の「金属構造体のユニットの２次元的な配列」が互いに完全に重なり合っている。
【００７５】
図１５（ｃ）に示す例では、第１層〜第３層における「金属構造体のユニットの２次元的な配列」は全く同一であるが、第３層の側から見て図１５（ｄ）に示すように、第１層と第３層の「金属構造体のユニットの２次元的な配列」が互いに完全に重なり合い、第２層の「金属構造体のユニットの２次元的な配列」は第１、第３層の配列に対してずれている。
【００７６】
偏光制御の基本的な原理は、上に説明した実施の各形態における説明と同様である。
【００７７】
図１５に示すように、金属構造体ユニットの３次元的な配列を作製するには、前述の電子ビームリソグラフィ等の手法を利用して２次元面内に「金属構造体のユニットの２次元的な配列」と保護層を形成するプロセスを繰り返し行えばよい。
【００７８】
金属構造体のユニットの２次元的な配列の積層数は３層に限らず、所望の偏光制御機能に応じて調整することができる。また、隣接する層の間隔は、金属構造体のユニット間において近接場光を介した相互作用が働かない程度に離す必要がある。金属構造体のユニットの２次元的な配列の層の高さは、特に規定する必要はないが、作製上の制約から３０ｎｍ以上であることが好ましく、従って、１層の高さは６０ｎｍ以上であればよい。
【００７９】
図１５（ｂ）、（ｄ）のように、金属構造体のユニットを含む層は、金属構造体ユニットの位置が重なる配置（図１５（ｂ））でもよいし、層間の金属構造体ユニットの位置がずれる配置（図１５（ｄ））でも良い。しかし、層ごとの金属構造体ユニットの位置のずれによる回折効果は無視できないので、図１５（ｂ）のように金属構造体ユニットの位置が完全に一致する積層か、図１５（ｄ）のように「半周期だけずれる積層」であることが好ましい。
【００８０】
このように、金属構造体のユニットを３次元的に配置することにより、入射光と金属構造体との相互作用の頻度を高めることができ、偏光制御効率を高めることができる。  
また、各層において「偏光制御特性の異なる金属構造体ユニットの配列」を形成することにより、偏光制御機能の複合化が可能である。例えば、１／２波長板機能を有する金属構造体ユニットの配列と、直交する２つの偏光成分の一方を分離して透過する偏光選択機能を有する金属構造体ユニットの配列とを組合せることにより、偏光変換機能を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】偏光制御素子の光学作用を説明するための図である。
【図２】偏光制御素子の実施の１形態を説明するための図である。
【図３】金属構造体ユニットの１例を説明するための図である。
【図４】金属構造体の２次元的な形状の例を示す図である。
【図５】数値シミュレーションのモデルを説明するための図である。
【図６】数値シミュレーションの結果を示す図である。
【図７】偏光状態の制御を説明するための図である。
【図８】偏光状態の制御を説明するための図である。
【図９】金属構造体ユニットの別の例を示す図である。
【図１０】金属構造体ユニットの配列の代表的なパターンを示す図である。
【図１１】偏光制御素子の実施の別の形態を説明するための図である。
【図１２】偏光制御素子の実施の別の形態を説明するための図である。
【図１３】金属構造体ユニットの別の例を説明する図である。
【図１４】金属構造体ユニットの他の例を説明する図である。
【図１５】偏光制御素子の実施の他の形態を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８２】
１０      偏光制御素子
１０Ａ    支持基板（支持体）
１０Ｂ    金属構造体ユニット
【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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【図１４】
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【図１５】
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