(57)【要約】【課題】近視野顕微鏡やフォトンＳＴＭでの偏光観察に好適に使用できると共に、より簡便な工程で作製可能な微小偏光光源を提供する。【解決手段】本発明に係る微小偏光光源１は、放射する蛍光の波長よりも短い直径の先端部１１１を有し、先端部１１１を除く周辺部が金属１１３で被覆された基材１１と、基材１１の先端部１１１に形成され、光学異方性を有する蛍光体分子が一軸配向された蛍光体層１２とを備えている。蛍光体層１２は液晶化合物を用いて形成され、基材１１の先端部１１１側又は後端部１１２側から蛍光体層１２に向けて励起光を照射することにより、蛍光体層１２から偏光した蛍光を放射する。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
放射する蛍光の波長よりも短い直径の先端部を有し、当該先端部を除く周辺部が金属で被覆された基材と、
前記基材の先端部に形成され、光学異方性を有する蛍光体分子が一軸配向された蛍光体層とを備えた微小偏光光源であって、
前記蛍光体層が液晶化合物を用いて形成され、前記基材の先端部側又は後端部側から前記蛍光体層に向けて励起光を照射することにより、前記蛍光体層から偏光した蛍光を放射することを特徴とする微小偏光光源。
【請求項２】
請求項１に記載の微小偏光光源を用いたことを特徴とする近視野顕微鏡。
【請求項３】
請求項１に記載の微小偏光光源を用いたことを特徴とするフォトン走査型トンネル顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、近視野顕微鏡やフォトン走査型トンネル顕微鏡（以下、フォトンＳＴＭという）などに好適に使用することのできる微小偏光光源に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光を極めて小さく絞るべく、レンズの代わりに波長よりも短い直径を有する微小な開口を利用して、光学的な観察を行う近視野顕微鏡やフォトンＳＴＭ等の観察手段が知られている。波長よりも短い近視野の領域においては、微小な開口から漏れてくるエバネッセント波の広がり方が小さいため、光の回折限界に制限されない微小領域の観察が可能であるという利点を有する。
【０００３】
このような観察手段に用いられる微小光源としては、例えば、尖らせた光ファイバーを金属で被覆し、その先端部の微小領域に被覆された金属をエッチングで取り除くことによって微小な開口部を形成したものや、図４に示すように、ピペット２１の先端を引き延ばして先端開口部２２を微小化し、その外周面に金属を蒸着したもの（例えば、非特許文献１参照）などが知られている。これらの光源は、何れも光ファイバーやピペットの後端側から入射させた光を、金属で被覆されていない先端開口部を介して外部に出射する構成であるが、最近では、図５に示すように、ピペット２３内の先端開口部付近に蛍光体層２４を形成し、外部先端側から蛍光体層２４に向けて励起光２５を照射し、蛍光２６を放射させるようにした光源が開発されている（例えば、非特許文献２参照）。この新しい下方励起型の蛍光体光源は、前述した先端開口部に光を透過させるタイプの光源に比べて、得られる光の強度や耐久性などの点で格段に優れている。
【０００４】
ここで、近視野顕微鏡やフォトンＳＴＭでも、通常の光学顕微鏡のように偏光による観察が可能であれば、分子の配向など多くの有益な情報を得ることができるため、その意義は大きい。しかし、通常の光学顕微鏡においては、偏光子を用いることによって偏光した観察光を得ることができるが、近視野顕微鏡やフォトンＳＴＭでは、以下の理由によって偏光子を用いることができない。すなわち、近視野顕微鏡やフォトンＳＴＭにおいて、光源と試料表面との距離は、大きくなると分解能が急激に低下するため、通常数百オングストローム以下とされる。従って、通常の光学顕微鏡に用いられるフィルム型や結晶型の偏光子、或いは、金属と石英とを交互に蒸着したタイプの偏光子では、厚みが大き過ぎて、光源に装着したり、光源と試料との間に挿入することができないからである。
【０００５】
そこで、近視野顕微鏡やフォトンＳＴＭにおいて、偏光子を用いずに、偏光観察に必要な微小偏光光源を得る提案もなされている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に記載された微小偏光光源は、これを作製するために、蒸着装置を用いて蛍光体分子や消光剤を蒸着したり、偏光紫外線レーザ光源を用いて偏光紫外線レーザを照射することが必要であり、煩雑な工程を経なければならないという問題がある。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−１３０８２号公報
【非特許文献１】
「ネイチャー」，１９７２年，第２３７巻，ｐ．５１０
【非特許文献２】
「モレキュラー  クリスタル  リキッド  クリスタル」，１９９０年，第１８３巻，ｐ．３８３
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、斯かる従来技術の問題点を解決するべくなされたものであり、近視野顕微鏡やフォトンＳＴＭでの偏光観察に好適に使用できると共に、より簡便な工程で作製可能な微小偏光光源を提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するべく、本発明は、請求項１に記載の如く、放射する蛍光の波長よりも短い直径の先端部を有し、当該先端部を除く周辺部が金属で被覆された基材と、前記基材の先端部に形成され、光学異方性を有する蛍光体分子が一軸配向された蛍光体層とを備えた微小偏光光源であって、前記蛍光体層が液晶化合物を用いて形成され、前記基材の先端部側又は後端部側から前記蛍光体層に向けて励起光を照射することにより、前記蛍光体層から偏光した蛍光を放射することを特徴とする微小偏光光源を提供するものである。
【００１０】
請求項１に係る発明によれば、基材の先端部に形成された蛍光体層に、基材の先端部側又は後端部側から励起光を照射することにより、蛍光体層が励起光を吸収して蛍光を放射することになる。ここで、蛍光体層が液晶化合物を用いて形成されており、当該液晶化合物の自発配向によって蛍光体分子の遷移双極子が一軸配向することから、放射される蛍光は偏光特性を有することになると共に、比較的簡便な工程で作製可能である。さらに、蛍光体層が放射する蛍光の波長よりも短い直径の先端部に形成されているため、極めて微小な領域から蛍光が放射されることになる。このように請求項１に係る発明によれば、近視野顕微鏡やフォトンＳＴＭでの偏光観察に好適に使用できると共に、より簡便な工程で作製可能な微小偏光光源が提供される。
【００１１】
また、本発明は、請求項２に記載の如く、前記微小偏光光源を用いた近視野顕微鏡としても提供され、請求項３に記載の如く、前記微小偏光光源を用いたフォトン走査型トンネル顕微鏡としても提供される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る微小偏光光源の概略構成を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態に係る微小偏光光源１は、基材１１と蛍光体層１２とを備えている。基材１１は、微小偏光光源１が放射する蛍光の波長よりも短い直径（例えば、直径５００ｎｍ以下）の先端部１１１を有し、先端部１１１を除く周辺部（本実施形態では先端部１１１及び後端部１１２を除く外周面）が金属１１３で被覆されている。蛍光体層１２は、基材１１の先端部１１１に形成され、光学異方性を有する蛍光体分子が一軸配向されている。以上の構成を有する微小偏光光源１において、基材１１の先端部１１１側又は後端部１１２側から蛍光体層１２に向けて励起光を照射することにより、蛍光体層１２から偏光した蛍光が放射される。
【００１３】
本実施形態に係る蛍光体層１２は、液晶化合物を用いて形成されている点に特徴を有する。蛍光体層１２を形成する液晶化合物としては、棒状液晶であることが好ましく、また、スメクチック層などの高次の配向であることが好ましい。また、これらの液晶化合物は、液晶化合物自体が発光性を有するものであっても良いし、発光性を有する液晶化合物と非発光性の液晶化合物とを混合したものであっても良い。さらには、直線状の蛍光体分子を液晶化合物に混合したものでも良い。
【００１４】
液晶化合物自体が発光性を有するものとしては、例えば、特開２００１−２３３８７２号公報に記載されているような下記の化学式で表される化合物を挙げることができるが、特にこの構造に限定されるものではない。
【化１】
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【００１５】
非発光性の液晶化合物としては、例えば、Ｍｅｒｃｋ社製のＥ７や、一般的な５ＣＢなどが利用できるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００１６】
直線状の蛍光体分子としては、例えば、クマリン６や、Ｅｘａｌｉｔｅ社製のＥｘａｌｉｔｅ４２８などが利用できるが、特にこれらに限定されるものではない。
【００１７】
また、励起光によって先端部１１１が加熱され、液晶温度範囲以上の温度になると、液晶化合物の配向が消失する可能性があるため、液晶化合物としては、液晶高分子であることが好ましい。さらに、成形加工性の点を鑑みれば、液晶性化合物に重合性を付与し、蛍光体層１２を形成した後、配向構造を固定する方が好ましい。
【００１８】
液晶高分子としては、例えば、「アドバンスト  マテリアルズ」，１９９９年，第１１巻，ｐ．６７１に記載されているような下記の化学式で表される液晶性高分子を利用できるが、特にこの構造に限定されるものではない。
【化２】
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【００１９】
液晶性化合物に重合性を付与した化合物としては、例えば、ビーエーエスエフ（ＢＡＳＦ）社製ＬＣ２４２などを挙げることができるが、特にこれに限定されるものではない。
【００２０】
また、発光性と重合性とを兼ね備える液晶化合物を利用することも可能であり、例えば、「モレキュラー  クリスタル  リキッド  クリスタル」，２００１年，第３６４巻，ｐ．５１１に記載されているような下記の化学式で表される化合物を利用できるが、特にこの構造に限定されるものではない。
【化３】
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【００２１】
配向構造の固定は、液晶性組成物の反応性基を液晶温度範囲内で反応させて硬化させることにより行うが、硬化手法としては、活性エネルギー線を照射して硬化させるのが好ましい。活性エネルギー線としては、紫外線や電子線などが用いられるが、特に紫外線が好ましい。
【００２２】
紫外線を用いる場合には、光重合開始剤を添加することにより硬化反応を迅速に進行させることができる。光重合開始剤としては、例えば、ベンゾインエーテル類、ベンゾフェノン類、アセトフェノン類、ベンジルケタール類などを挙げることができるが、特にこれらに限定されるものではない。光重合開始剤の添加量は、液晶性組成物に対して、好ましくは０．１〜１０重量％、より好ましくは０．３〜５重量％とされる。０．１重量％未満では重合が十分に進行せず、１０重量％より大きいと液晶性組成物の配向を乱す可能性があるためである。
【００２３】
また、紫外線を照射する際には、重合性を有する液晶化合物全体に紫外線を照射しても良いし、基材１１中に紫外線を伝搬させ、先端部１１１から放射されるエバネッセント波で硬化させても良い。
【００２４】
基材１１を構成する材料としては、先端部のクラッドを除去した光ファイバーや、中空のピペットなどを挙げることができる。これらの材料を先鋭化するための手法としては、炭酸ガスレーザ等で材料の先端部を加熱しながら引っ張る方法や、エッチングを用いた方法を挙げることができる。
【００２５】
以上のようにして先鋭化した基材１１の先端部１１１及び後端部１１２を除く外周面が蒸着等によって金属１１３で被覆される。これにより、励起光を基材１１の後端部１１２側から基材１１内に導入する場合には、励起光の漏れを防ぐことができる。また、励起光を基材１１の先端部１１１側から照射する場合には、先端部１１１以外の部分に形成された蛍光体層１２から放射される蛍光を金属１１３で消光することができ、先端部１１１に形成された蛍光体層１２から放射される蛍光のみを効率良く試料に照射することができる。
【００２６】
基材１１が先端部のクラッドを除去した光ファイバーから構成されている場合、先端部１１１への液晶化合物の塗布は、液晶化合物を含む溶液に光ファイバーの先端部を浸漬し風乾させる方法を適用しても良いし、溶融した液晶化合物に光ファイバーの先端部を浸漬する方法を適用しても良い。ただし、蛍光体層１２の厚みが大きくなると、先端部１１１において液晶がドメインに分割される可能性があり、蛍光分子が一軸に配向できない可能性が生じるため、蛍光体層１２は薄膜である方が好ましく、従って液晶化合物を含む溶液を用いる方法を適用する方が好ましい。
【００２７】
基材１１が中空のピペットから構成されている場合には、液晶化合物を含む溶液をピペット内部に充填することにより蛍光体層１２を形成しても良いし、溶融した液晶化合物を充填して蛍光体層１２を形成しても良い。
【００２８】
以上に説明したように、本実施形態に係る微小偏光光源１は、蛍光体層１２が液晶化合物を用いて形成されており、当該液晶化合物の自発配向によって蛍光体分子の遷移双極子が一軸配向することから、放射される蛍光は偏光特性を有することになると共に、比較的簡便な工程で作製可能である。また、蛍光体層１２が放射する蛍光の波長よりも短い直径の先端部に形成されているため、極めて微小な領域から蛍光が放射されることになる。従って、本実施形態に係る微小偏光光源１は、近視野顕微鏡やフォトンＳＴＭでの偏光観察に好適に使用できると共に、より簡便な工程で作製可能である。
【００２９】
【実施例】
以下、実施例を示すことにより、本発明の特徴をより一層明らかにする。
【００３０】
（１）蛍光体分子を含む重合性液晶化合物溶液の調製
本実施例では、蛍光体分子としてクマリン６を、重合性を有する液晶化合物としてビーエーエスエフ（ＢＡＳＦ）社製ＬＣ２４２をそれぞれ用いた。また、光重合開始剤として、チバ・スペシャリティ・ケミカルズ社製のイルガキュア９０７を用いた。溶媒としてシクロヘキサノンを使用し、１０重量部の溶媒に対して、ＬＣ２４２を１重量部、クマリン６を０．０１重量部、イルガキュア９０７を０．０３重量部、それぞれ加え、溶解させることによって蛍光体分子を含む重合性液晶化合物溶液を調製した。
【００３１】
（２）先鋭化した先端部の形成
本実施例では、基材を構成する材料として光ファイバーを用いた。光ファイバーのクラッドを除去しコアを剥き出しにした状態で、炭酸ガスレーザをコアに照射して加熱すると同時に引き伸ばすことでコアを先鋭化した。これにより、直径約１００ｎｍ程度の先端部を形成することができた。
【００３２】
（３）微小偏光光源の作製
図２に示すように、前述のように光ファイバーのコアを先鋭化することによって形成した基材１１の先端部１１１が、蒸着源１００に対して斜め上方に向くように基材１１を固定し、アルミニウムを５００オングストロームの膜厚で蒸着した。ここで、アルミニウムの蒸着は、１×１０−６Ｔｏｒｒの真空度において抵抗加熱法を用いることにより実施した。これにより、基材１１の外周面にのみアルミニウムを蒸着することができ、先端部１１１には、直径１００ｎｍ程度のアルミニウムが蒸着されていない部分が形成された。
【００３３】
次に、前述のようにして調製した蛍光体分子を含む重合性液晶化合物溶液に、基材１１の先端部１１１を浸漬することによって、先端部１１１に前記溶液を塗布し、１００℃の乾燥機へ投入した。これにより、溶媒が乾燥すると同時に、重合性液晶化合物が液晶相を形成した。さらに、紫外線を照射することにより、重合性液晶化合物が重合し、液晶相が固定された。このように液晶が配向した状態で固定化されることにより、液晶中に添加されていたクマリン６も配向した状態で固定化することができた。以上のようにして、基材の先端部に光学異方性を有する蛍光体分子が一軸配向された蛍光体層を備える微小偏光光源を作製することができた。
【００３４】
（４）評価
図３に示すように、前述のようにして作製した微小偏光光源１に対し、下方に配置したエキシマレーザ２０からダイクロイックミラー３０を介して波長３０８ｎｍの励起光２０Ａを照射し、微小偏光光源１から蛍光１Ａを放射させた。放射された蛍光１Ａを、集光レンズ４０、ダイクロイックミラー３０、干渉フィルタ（透過波長５００ｎｍ）５０及び偏光子６０を介して、光電子増倍管７０で受光し、フォトンカウントレベルで繰り返し積算することにより光量を測定した。ここで、偏光子６０を回転させて光量の変化を評価したところ、消光比（＝最小光量／最大光量）は０．５７であり、偏光特性を有する蛍光１Ａが放射されていることが分かった。
【００３５】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る微小偏光光源によれば、基材の先端部に形成された蛍光体層に、基材の先端部側又は後端部側から励起光を照射することにより、蛍光体層が励起光を吸収して蛍光を放射することになる。ここで、蛍光体層が液晶化合物を用いて形成されており、当該液晶化合物の自発配向によって蛍光体分子の遷移双極子が一軸配向することから、放射される蛍光は偏光特性を有することになると共に、比較的簡便な工程で作製可能である。さらに、蛍光体層が放射する蛍光の波長よりも短い直径の先端部に形成されているため、極めて微小な領域から蛍光が放射されることになる。従って、近視野顕微鏡やフォトンＳＴＭでの偏光観察に好適に使用できると共に、より簡便な工程で作製可能であるという優れた効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る微小偏光光源の概略構成を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の一実施例に係る微小偏光光源の作製過程を説明する説明図である。
【図３】図３は、本発明の一実施例に係る微小偏光光源の評価用光学系を説明する説明図である。
【図４】図４は、従来の微小光源の一例を示す断面図である。
【図５】図５は、従来の微小光源の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１…微小偏光光源    １１…基材    １２…蛍光体層    １１１…先端部
１１３…金属
【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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