(57)【要約】【課題】  複雑な光学系を用いずに、波長帯が中遠赤外域及び紫外域のエバネッセント光の発生を可能とする光学装置を提供することである。【解決手段】  非線形光学素子により光学プリズムを形成して波長変換と変換光が出射面で全反射を起こすような配置で面をつくりつけ、当該面上にエバネッセント光を発生させる構成とすることにより実現する。２つの波長の異なるレーザ光等を当該非線形光学素子へ入射させ、２つの波長の和周波数及び差周波数を発生させることにより、波長変換を行う。これら変換光の出射部において、変換光を全反射させ、全反射面表面にエバネッセント光を発生させる。あるいは、当該素子非線形光学素子へ１波長の光を導入した場合でも高調波を発生させ、当該高調波のエバネッセント光を発生させる。また、当該非線形光学素子として擬似位相整合となる構造をもつ素子により、エバネッセント光を発生させる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子における光の全反射を用いてエバネッセント光を発生させる光学装置において、光の全反射を発生させる光学素子を非線形光学素子とし、当該非線形光学素子に２波長以上の光を導入して、波長変換された光のエバネッセント光を発生させる事を特徴とする光学装置。
【請求項２】
請求項１に記載のエバネッセント光を発生させる光学装置において、１波長の光を導入して高調波を発生させ、当該高調波のエバネッセント光を発生する事を特徴とする光学装置。
【請求項３】
請求項１及び請求項２に記載のエバネッセント光を発生させる光学装置において、光の全反射を発生させる非線形光学素子に擬似位相整合を用いる事を特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は近接場光顕微鏡などのナノスケールで光を操作する顕微鏡に光源として用いられるエバネッセント光の発生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来技術の一例を図１に示す。図１のように、エバネッセント光発生用プリズムとして波長変換をするための非線形光学素子を使用した装置は無いが、従来技術では、エバネッセント光を発生させるプリズムには通常ガスレーザや固体レーザなどから放出された単一波長の光を入射して、エバネッセント光を発生させるのが一般的である（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３、非特許文献１を参照）。
【０００３】
また、現在のレーザで実現されていない波長の光が必要な時は、非線形光学素子などに異なった波長をもつ二種類の光を入射してそれらの波長の差周波数の光を発生させる事により、あるいは単一波長を用いて二次高調波を発生させて波長を変換し、所望の波長の光を得るという操作が必要であった。これらの操作が必要になるため、エバネッセント光を発生させる工程へ進む前に、かなり煩雑な波長変換装置（例えば、特許文献４を参照）が必要となっていた。
【０００４】
さらに、当該波長変換装置を構成する際、波長によっては光学系を換える必要が発生し、煩雑さが一層増長されていた。例えば、プリズムへの入射光が２μｍ以上または変換された光の波長が２μｍ近傍から長波長の中赤外や遠赤外域の場合、ガラスレンズ等での光の吸収などが発生するために、可視や近赤外域で用いられる光学系が使用できないという不便さがあった。これらの場合、可視域で用いられているレンズをアルミや金等をコーティングしたカセグレンミラーとする等の措置が必要であった。（非特許文献２を参照）
【特許文献１】特開平６−１６０７１９号公報
【特許文献２】特開平３−２７８０１４号公報
【特許文献３】特開平１１−４４６９４号公報
【特許文献４】特開２００１−１４２１０１号公報
【非特許文献１】大津元一、小林潔、「近接場光の基礎」オーム社（２００３）
【非特許文献２】芦澤弘明、大原忍、山口滋、「環境計測用中赤外差周技術」、応用物理、Ｖｏｌ．７１、Ｎｏ．２、ｐｐ．２１９−２２１（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、近接場顕微鏡などのナノスケールで光を操作する顕微鏡の光源として、紫外から遠赤外域までの波長帯のエバネッセント光を生成できる簡便な光学装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
背景技術で述べたように、波長を変換して色々な波長でエバネッセント光を得ようとする場合は、非線形光学素子で変換してからプリズムに入射するなどの措置が採られているが、差周波数及び二次高調波などの波長変換は効率が悪く、数％以下の効率が一般的である。これら変換された光をプリズムに入射してエバネッセント光を発生させると、光学系の複雑さに起因した光の結合損出などにより、その入射できる光の強度はさらに小さくなり、実用的な強度を得ることは難しかった。
【０００７】
さらに、色々な波長に対応しようとすると、特に２μｍ以上の中赤外や遠赤外域ではレンズ等による光の吸収などが発生し、可視や近赤外域の光学系が使用できないなど、装置構成を使用波長によって変えなければならないという欠点があった。
【０００８】
そこで前述した従来技術の欠点を解決するために、本発明では以下に示す３つのエバネッセント光の発生手段を有するエバネッセント光発生装置を提供する。
【０００９】
（１）光学素子における光の全反射を用いてエバネッセント光を発生させる光学装置において、光の全反射を発生させる光学素子を非線形光学素子とし、当該非線形光学素子に２波長以上の光を導入して、波長変換された光のエバネッセント光を発生させる手段。
【００１０】
（２）光の全反射を発生させる光学素子を非線形光学素子とするエバネッセント光を発生させる光学装置において、１波長の光を導入して高調波を発生させ、当該高調波のエバネッセント光を発生させる手段。
【００１１】
（３）光の全反射を発生させる非線形光学素子に擬似位相整合となる構造をもつ光学装置により、エバネッセント光を発生させる手段。
【発明の効果】
【００１２】
和周波数や差周波数の光を生成して近接場光を発生させた時の強度が弱くなる欠点は、（１）近接場光を発生させるプリズムに波長を変換する非線形光学素子を用いる事により光の結合系を省略し、その結合損失を除去すること、（２）エバネッセント光発生領域を入射光のビーム径と等しくできるために、高光密度のエバネッセント光を発生させること、により除去できる。
【００１３】
さらに、近接場光を直接波長変換素子に発生させるために、少なくともプリズムへの光の入射部分では波長によって光学系を換える必要がなくなり、装置の煩雑さを改善できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本光学装置は非線形光学素子を用いた波長変換と光学素子での全反射を用いたエバネッセント光発生の２つの光学現象を同時に出現させることにより得られる。
【００１５】
非線形光学素子による波長変換（光周波数変換）には和周波数、差周波数発生及び二次高調波発生などがある。非線形光学素子による波長変換は光を物質に入射したときに生ずる電気分極のうち、光の電界強度に比例しない成分である非線形分極を利用して行うもので、その光学効果の大きさは非線形光学係数により表される。非線形光学係数の大きな光学結晶にはニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ＫＤＰ（ＫＨ２ＰＯ４）やＢＢＯ（β‐ＢａＢ２Ｏ４）などがある。
【００１６】
これら光学結晶に光を入射すると、非線形分極に起因して、入射した光の２倍の周波数の光（二次高調波）の発生、入射光が２つの異なった波長である場合はその周波数の和と差の成分を持つ光などが誘起される。これらを、波長の変化で表すと、入射する二種類の光の波長をそれぞれλ１とλ２、新たに生成される和周波数及び差周波数の光をλ３＋とλ３−とすると、式（数１）と同（数２）のようになる。
【００１７】
【数１】
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【００１８】
【数２】
2008202993.tif 000004
【００１９】
二次高調波の場合は、入射波長をλ１、生成する波長をλ２とすると、式（数３）のように表せる。
【００２０】
【数３】
2008202993.tif 000005
【００２１】
ここで、非線形光学素子へ入射された光が進んで行くうちに波長変換された光の成分が徐々に増加する。しかし、通常の非線形光学材料では波長分散があり、入射光と変換された光の速度が一致せず、ある距離（いわゆるコヒーレンス長）を進むと、最初に波長変換された光に対しπだけ位相がずれた光が発生するようになる。そうなると変換された光は互いに打ち消しあってしまうが、これを防いで変換効率を向上させるために、コヒーレンス長毎に分極反転を作り付ける擬似位相整合という手法がとられる事が多い。
【００２２】
エバネッセント波は光が、例えば高屈折率の物質（媒質）から低屈折率の媒質へ進行し、高屈折率媒質／低屈折率界面で全反射したときなどに、入射側と反対の低屈折率媒質中へしみ出して界面に沿って進む光で、その振幅は境界面からの距離とともに指数関数的に急激に減少する。このエバネッセント波中に観察したい物質などを置くと被観察物質表面に近接場光が発生するため、近接場光顕微鏡を用いた被観察物質の観察が可能となる。
【００２３】
図２に一般的なプリズムを用いた場合のエバネッセント光の発生について示した。プリズムに入射された光がプリズムと空気界面で全反射し、全反射したプリズムと空気界面近傍では、空気中に浸み出して界面に沿って進むエバネッセント光が発生している。
【００２４】
ただし、当該エバネッセント光は境界面からの距離とともにその強度が指数関数的に減少し空気中を進行しない波のため、そのままでは目で観察ができない光である。
【実施例】
【００２５】
図３に本発明の実施例を示す。本実施例では二種類の入射光の波長を６５０ｎｍと７８０ｎｍとし、非線形光学素子に擬似位相整合のための周期的分極反転領域が作りつけられたＬｉＮｂＯ３（以下、ＰＰＬＮと記す）を用いる。
【００２６】
当該非線形光学素子への２波長の入射に際しては、入射光の偏波方向を合わせる必要がある事、同一領域に入射する必要のある事から、それぞれの光を偏波保存ファイバで作製されたカプラへ導入した後、ファイバからの出力光を非線形光学素子へ入射する構成とする。
【００２７】
ここで、ファイバカプラへの入射及びファイバカプラからの出力光を非線形光学素子へ導入する所では通常の光学レンズを用いる。
【００２８】
ＰＰＬＮの入力部と対向する出力部は入射光の２波長と波長変換光の波長を合わせて３つの波長の光が全反射するように４５度の斜めに研磨したものを用いる。
【００２９】
上記の非線形光学素子を用いて、差周波数の光、つまり３９００ｎｍ（＝６５０×７８０／（７８０−６５０））の光を発生させたところ、本擬似位相整合により、非線形光学素子の外へ導波モードの差周波数の光として取り出された光に対する変換効率は０．１％程度が得られた。
【００３０】
また、全反射が起きているプリズム表面でエバネッセント光の発生している領域に散乱用のプローブを差込み、２５００ｎｍ以上の長波長の光のみを通過させるフィルタを介して、３９００ｎｍの波長のエバネッセント光を観測したところ、図４に示すようなプリズム表面のみに存在しているプロファイルが得られ、エバネッセント光であることが確認できる。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
従来の実施例で述べたように、色々な波長を扱うためには、それぞれの波長に対して光学系を変更する必要があるが、本発明の実施例で述べたように本発明を使えば、入射光として可視域から近赤外域の半導体レーザなどの光源が入手でき、これらの波長に対して必ずしも光学系を変更することなく、紫外域から１０μｍ程度の中赤外域のエバネッセント光までを得ることができる。
【００３２】
また、非線形光学素子以降の光学系が不必要になり入射光の光路は総て光ファイバに置き換えが可能なこと、半導体レーザの駆動電源に乾電池が使用できることなどから、一桁程度大きいエバネッセント光強度を得ることができ、手のひらに載せることのできるエバネッセント光発生装置とすることも可能である。
【００３３】
これらの発明は今後普及するであろう近接場光顕微鏡などにおいて、波長を変換しながら観察できる簡便な手段を与え、彼観察体の組成分析や生体組織の観察への応用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来の実施例
【図２】プリズムを用いたエバネッセント光発生の例
【図３】本発明の実施例
【図４】本発明の実施例の効果
【符号の説明】
【００３５】
１  ７８０ｎｍ帯半導体レーザ
２  ６５０ｎｍ帯半導体レーザ
３  ７８０ｎｍのレーザ光
４  ６５０ｎｍのレーザ光
５  光ファイバカプラ
６  レンズ
７  擬似位相反転領域を有するＰＰＬＮ
８  エバネッセント光
９  波長３９００ｎｍの変換光（差周波数の光）
１０  プリズム
１１  入射光
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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