(57)【要約】【課題】微小領域で表面プラズモンを励起し得る装置とその装置を利用した高解像度の顕微鏡を提供する。【解決手段】表面プラズモン励起装置は、光照射手段１と、突起部を有する透光性基板２と、突起部の側面部および周辺部を覆う金属層３と、突起部の頂面上に形成された金属薄膜４とを含み、光照射手段１から透光性基板２を介して金属薄膜４を透過した光によるエバネッセント波５が金属薄膜４に表面プラズモンを励起し得ることを特徴としている。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光照射手段と、突起部を有する透光性基板と、前記突起部の側面部および周辺部を覆う金属層と、前記突起部の頂面上に形成された金属薄膜とを含み、前記光照射手段から前記透光性基板を介して前記金属薄膜を透過した光によるエバネッセント波が前記金属薄膜に表面プラズモンを励起し得ることを特徴とする表面プラズモン励起装置。
【請求項２】
前記基板の前記突起部は帯状に形成されており、前記光照射手段により照射された光は、帯状に形成された前記突起部の長手方向と頂面の法線方向を含む面内に直線偏光していることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモン励起装置。
【請求項３】
前記光照射手段により照射された光は、収束光であることを特徴とする請求項１または２に記載の表面プラズモン励起装置。
【請求項４】
前記突起部の寸法形状とその屈折率および前記金属層は、前記光照射手段により前記突起部に照射された光が、前記突起部の幅よりも小さい領域で前記金属薄膜に到達するように設定されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の表面プラズモン励起装置。
【請求項５】
前記金属層は良導体で形成され、かつ前記金属薄膜は金、銀、銅、およびアルミニウムのいずれかで形成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の表面プラズモン励起装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載された表面プラズモン励起装置と、前記金属薄膜および前記金属層によって反射された光を受光する光検出器と、前記金属薄膜に近接して測定試料の表面を配置しかつその試料表面を走査するための試料移動手段とを含むことを特徴とする表面プラズモン顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面プラズモンを励起する装置とその表面プラズモン励起装置を含む顕微鏡との改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の光学技術分野においては、光の回折限界によって、集光スポットサイズが制限されていた。しかし、近年では、この制限を越え得る近接場光が注目されており、ナノオーダーサイズの対象物を観察し得る走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ：　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｎｅａｒ　ｆｉｅｌｄ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）をはじめ、あらゆる分野で近接場光を応用した研究が盛んに行われている。そして、近接場光の応用の中でも、入射光の何十倍もの電界強度を得ることができる表面プラズモン共鳴が特に注目を浴びている。ここでいう表面プラズモン共鳴とは、金属表面に外部電磁波が印加された際にその金属表面に局所的に生じる自由電子のプラズマ振動とその外部電磁波とが共鳴する現象を意味している。
【０００３】
表面プラズモン共鳴を発生させる装置としては、特許文献１の特開平１−１３８４４３号公報に開示されたものがある。図６は、表面プラズモン共鳴を発生させる基本的な装置を模式的な断面図で示している。この装置は、光源１０１と、その光源から放射された光を収束させる光収束手段１０２と、透光性の誘電体により形成された三角プリズム１０３と、その三角プリズムの表面に形成された金属薄膜１０４と、その金属薄膜で反射された光を検出する光検出器１０５とを含んでいる。
【０００４】
光源１０１から放射されたｐ偏光の光は、光収束手段１０２により収束光にされ、三角プリズム１０３を透過した後に、入射角度θで金属薄膜１０４上に集光される。なお、ｐ偏光とは、物体表面に入射する光の電気ベクトルの振動方向がその表面の法線と光の進行方向を含む面内に含まれる直線偏光を意味する。金属薄膜１０４上に集光された光は、共鳴条件を満たす一部の光が表面プラズモンと共鳴して金属薄膜１０４の自由表面側に強調されたエバネッセント場１０６を発生させ、他の残りの光は反射されて光検出器１０５で検出される。
【０００５】
この場合に、金属薄膜１０４に光が入射する角度θを変化させていけば、図７に示すグラフが得られる。このグラフにおいて、横軸は光の入射角θを表わし、縦軸は反射率（％）を表わしている。図７において、光検出器１０５で受光される光量は特定の入射角θｓで極小になっており、この入射角で収束光の一部が表面プラズモンと共鳴していることが分かる。
【０００６】
また、上述のような表面プラズモンを励起する装置を顕微鏡に利用した例が、特許文献２の特開平５−２４０７８７号公報に開示されている。図８は、表面プラズモンを利用する基本的な顕微鏡を模式的な断面図で示している。この図において、光源２０１と、その光源から放射された平行光を拡大するビームエクスパンダー（レンズ２０２、２０３）と、そのビームエキスパンダーにより拡大された平行光を収束光にする光収束手段２０４と、光を結合するプリズム２０５と、プリズム２０５の１面に形成された金属薄膜２０６と、その金属薄膜との間隙をイマージョンオイル２０７により埋められた測定試料２０８と、金属薄膜２０６で反射された反射光を検出する光検出器２０９と、測定試料２０８を間欠的に移動させるＸ−Ｙパルスステージ２１０が含まれている。
【０００７】
光源２０１から放射された平行光は、ビームエキスパンダー２０２、２０３で拡大され、光収束手段２０４で収束光に変換され、プリズム２０５を透過して金属薄膜２０６上に集光される。集光された光のうち、金属薄膜２０６、イマージョンオイル２０７、および測定試料２０８の膜厚と屈折率で決定される特定の入射角度の光が、表面プラズモンを励起する。
【０００８】
表面プラズモンを励起せずに金属薄膜２０６で反射された光は光検出器２０９で観測される。表面プラズモンを励起したことにより反射光量が減少している座標を光検出器２０９上で検出し、その座標から表面プラズモンの励起角度を求めることによって、測定試料２０８の屈折率変化を測定することができる。さらに、Ｘ−Ｙパルスステージ２１０を用いて、測定試料２０８を走査することによって、試料の２次元的屈折率分布を測定することが可能になる。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１−１３８４４３号公報
【００１０】
【特許文献２】
特開平５−２４０７８７号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図６または図８の装置においては、表面プラズモンが励起される領域は、集光した光のスポットサイズに依存してしまう。たとえば、図６において光源１０１の波長が６５０ｎｍで、光収束手段１０２のＮＡ（開口数）が０．６である場合、１μｍ径程度までしか光ビームを絞ることができない。したがって、図８の顕微鏡では、１μｍ程度の解像度しか得られないことになる。すなわち、光源から照射される光の回折限界によって、顕微鏡の解像限界が決定されることになる。
【００１２】
他方、光源を短波長化しかつ光収束手段のＮＡを大きくすることによって、スポットサイズをある程度小さくすることは可能である。しかし、ｎｍオーダーサイズまで小さな光スポットを得ることは非常に困難であり、表面プラズモンを利用した従来の顕微鏡の解像度は限界に達している感がある。
【００１３】
このような従来技術の状況に鑑み、本発明は、微小領域で表面プラズモンを励起し得る装置とその装置を利用した高解像度の顕微鏡を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明による表面プラズモン励起装置は、光照射手段と、突起部を有する透光性基板と、突起部の側面部および周辺部を覆う金属層と、突起部の頂面上に形成された金属薄膜とを含み、光照射手段から透光性基板を介して金属薄膜を透過した光によるエバネッセント波が金属薄膜に表面プラズモンを励起し得ることを特徴としている。
【００１５】
なお、基板の突起部は帯状に形成され、光照射手段により照射された光は、その帯状突起部の長手方向と頂面の法線方向を含む面内に直線偏光していることが好ましい。また、光照射手段により照射される光は、収束光であることが好ましい。
【００１６】
突起部の寸法形状とその屈折率および金属層は、光照射手段によりその突起部に照射された光が、突起部の幅よりも小さい領域で金属薄膜に到達するように設定されていることが好ましい。
【００１７】
金属層は良導体で形成され、かつ金属薄膜は金、銀、銅、およびアルミニウムのいずれかで形成されていることが好ましい。
【００１８】
本発明による表面プラズモン顕微鏡は、上述の表面プラズモン励起装置と、その装置に含まれる金属薄膜および金属層によって反射された光を受光する光検出器と、その金属薄膜に近接して測定試料の表面を配置しかつその試料表面を走査するための試料移動手段とを含むことを特徴としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１の断面図と図２の斜視図によって、本発明の一実施形態による表面プラズモン励起装置が模式的に図解されている。図１は、図２中のｘ−ｚ面の断面に対応している。また、本願の図面において、同一の参照符号は同一部分または相当部分を表わしている。
【００２０】
この表面プラズモン励起装置は、光照射手段１と、帯状の突起部を有する透光性基板２と、突起部の側面およびその周辺を覆うように形成された金属層３と、突起部の頂面上に形成された金属薄膜４とを含んでいる。ここで、金属層３と金属薄膜４には、経時変化が少なくて、表面プラズモンの伝搬距離を短くすることができる金が好ましく用いられ得る。また、金属薄膜４は、表面プラズモンを励起するために、入射した光がその金属薄膜４を透過してエバネッセント場を生じるような厚みに形成される。
【００２１】
光照射手段１から放射されてｘ−ｚ面内に直線偏光している収束光は、基板２を透過して突起部内に入射する。この時、光照射手段１から放射された光は、突起部の頂面上に形成された金属薄膜４において表面プラズモンが励起される角度θｓで入射するように設定される。また、帯状に形成された突起部の断面の寸法形状、および金属層３と金属薄膜４の材料は、入射された光が金属薄膜４上の微小領域に到達するように設定される。突起部の頂面上に形成された金属薄膜４の微小領域に到達してｘ−ｚ面内に直線偏光している光は、表面プラズモン共鳴によって強調されたエバネッセント波５を生じ、このエバネッセント波は金属薄膜４の空気側の面に沿って−ｘ方向に伝搬していく。
【００２２】
ここで、突起部の寸法形状の決定方法について具体的に説明する。図３は、ｘ−ｚ面内に直線偏光した光を基板２内に入射させた場合に、突起部内において光が存在し得る領域を斜線の影付によって示している。この図に示されているように、ｘ−ｚ面内に直線偏光した光が金属層３に側面が覆われた突起部内に入射する場合、その金属層側面ａの近傍では、その金属層側面ａに平行な電界は存在できない。そして、金属層側面ａの近傍では、光が−ｚ方向に侵入するにつれて、光が存在し得る領域が減少する。さらには、突起部の高さｄがある一定値よりも大きくなれば、光は突起部の途中までしか侵入することができなくなる。
【００２３】
このような現象は、次のような解析により確認することができる。図４のグラフは、基板の屈折率ｎが１．５８、金属溝の幅が２５０ｎｍ、金属溝を形成している媒質が金、入射光の波長λが６５０ｎｍ、対物レンズのＮＡが０．６、そして金属溝底面に対する光の入射角が０°（すなわち基板面に対して垂直）である場合に、入射偏光に対する金属溝の深さと反射光量との関係を示している。すなわち、このグラフの横軸はλ／ｎで規格化された溝深さを表わし、縦軸は入射光強度で規格化された反射光強度を表わしている。なお、図４では金属溝を形成している媒質として金が用いられたが、たとえば銀、銅、アルミニウム等の他の金属を用いても、グラフの傾向は変化しない。
【００２４】
図４を参照すれば、溝側面に垂直な方向に偏光した光（グラフ中の◆印）の場合、入射光の電界が金属溝側面近傍に存在可能なので、溝深さに対応して溝上部からの反射光と溝底部からの反射光との相対的な位相差が生じ、その結果として光が干渉して反射光量が変化する。他方、金属溝側面に平行な方向に偏光した光（グラフ中の■印）の場合では、溝深さが０．３λ／ｎより深くなれば反射光量はほとんど変化しないことが分かる。すなわち、金属溝側面に平行な偏光の光は、金属溝が深くなった場合に、０．３λ／ｎ程度の溝深さまでしか侵入しないことが分かる。
【００２５】
したがって、たとえば、光照射手段１の波長λを６５０ｎｍにして、突起部の高さｄを０．３λ／ｎおよび幅ｗを２５０ｎｍにすることにより、入射光が金属薄膜４の微小領域ｗ１にのみ到達するような突起部を形成することが可能となる。この例では入射角が０°の場合について示したが、入射角をθｓとした場合でも、入射光が金属薄膜４の微小領域ｗ１にのみ到達するような突起部を形成することが可能である。
【００２６】
したがって、ｘ−ｚ面内に偏光した光を入射させた場合、所望の突起部の高さｄの位置でかつ突起部の幅より小さい領域において、金属薄膜４に表面プラズモンを励起させることが可能となる。しかし、ｘ−ｚ面に垂直に偏光した光を入射させた場合は、その光が突起部の頂面上の金属薄膜４の全幅域に到達してしまうので、突起部の幅よりも小さい領域で金属薄膜４に表面プラズモンを励起させることができないことになる。
【００２７】
以上から理解されるであろうように、本発明によれば、入射光の大きさにかかわらず突起部の幅よりも小さい幅の表面プラズモンを励起することができるので、これをたとえば表面プラズモン顕微鏡に応用した場合に、その解像度を上げることが可能となる。
【００２８】
図５の模式的な断面図は、本発明の他の実施形態による表面プラズモン顕微鏡を図解している。この図において、光照射手段１と、帯状の突起部を有する基板２と、突起部の側面を覆うように形成された金属層３と、突起部の頂面上に形成された金属薄膜４と、金属層３および金属薄膜４で反射された光を検出する光検出器５と、マッチングオイル（図示せず）にて金属薄膜４との間隙を埋められた測定試料６と、測定試料を走査する移動ステージ７が示されている。
【００２９】
光照射手段１から放射された収束光は、基板２を透過して金属薄膜４上に集光される。集光された光のうち、金属薄膜４、イマージョンオイル、および測定試料６の膜厚と屈折率で決定される特定の入射角度の光が、表面プラズモンを励起する。表面プラズモンを励起せずに金属層３および金属薄膜４で反射された光は光検出器５で観測される。表面プラズモンを励起したことにより反射光量が減少している座標を光検出器５上で検出し、その座標から表面プラズモンの励起角度を求めることによって、測定試料６の屈折率を測定することができる。
【００３０】
さらに、移動ステージ７を用いて測定試料６を走査することによって、２次元の屈折率分布を測定することが可能となる。たとえば、試料６において局所的に屈折率が異なる微小領域６ａが存在する場合、その屈折率が異なる微小領域の位置を検知することができる。この時、表面プラズモン励起装置によって励起された表面プラズモンは、突起部の構造によってその発生する領域が突起部の幅よりも狭い領域に制限されているので、従来の顕微鏡と比較して解像度を高めることができる。
【００３１】
なお、上述の実施形態では帯状の突起部を含む表面プラズモン励起装置ついて説明したが、光ディスクの情報ピットのようにｘ方向に長さが制限されている突起が利用されてもよい。このような場合には、表面プラズモン（または強調されたエバネッセント波）の伝搬距離を制限することができるので、表面プラズモンが励起される領域をｘ方向に対してさらに小さくすることができる。
【００３２】
また、上述の実施形態では、矩形状断面の突起部の高さｄを変化させることによって突起部の頂面上に形成された金属薄膜に光が到達する領域の大きさを制御しているが、突起部の幅ｗ、金属媒質、突起部の断面形状などを変えることによっても制御することが可能である。
【００３３】
さらに、本発明によれば、表面プラズモンを発生させる領域を小さくすることができるので、たとえば屈折率変化を測定するセンサ等に応用することにより微小領域のセンシングを行うことが可能となる。さらには、アレイ状に突起部を配置してそれに応じて試料もアレイ状に配置することによって、非常に多くの試料の屈折率変化を微小領域について測定することができるようになる。また、本発明をバイオチップのような蛍光反応を測定する装置に応用することによって、センサと同様に非常に小さな領域に高密度に配置された測定対象の蛍光を検出できるようになる。
【００３４】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、微小領域で表面プラズモンを励起し得る装置とその装置を利用した高解像度の顕微鏡を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る表面プラズモン励起装置を示す模式的な断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る表面プラズモン励起装置を示す模式的な斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る表面プラズモン励起装置において、光が存在し得る領域を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る表面プラズモン励起装置において、金属溝深さと反射光強度の関係を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態に係る表面プラズモン顕微鏡を示す模式的な断面図である。
【図６】従来の表面プラズモン励起装置を示す断面図である。
【図７】従来の表面プラズモン励起装置における光の入射角と反射率の関係を示すグラフである。
【図８】従来の表面プラズモン顕微鏡を示す断面図である。
【符号の説明】
１　光照射手段、２　透光性基板、３　金属層、４　金属薄膜、５　表面プラズモン共鳴によって強調されたエバネッセント場、６　測定試料、７　試料移動ステージ。
【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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