(57)【要約】【課題】入射光による不要なバックグラウンド光を除き、かつ、局所的に存在する電磁場のスポット径の拡大を防ぎ、かつ、金属層の表面に保護層がなくても表面プラズモンポラリトンの強度が伝播中に減衰しにくい電磁場発生素子を実現する。【解決手段】電磁場発生素子１において、高屈折率誘電体２を三角プリズムとし、面２ａを電磁場照射対象５の電磁場照射面に平行に、面２ｂを電磁場照射面に垂直に配置する。高屈折率誘電体２の面２ｂ上に、低屈折率誘電体層３、金属層４を順次蒸着で形成する。高屈折率誘電体２の面２ｃから入射光６を入射し、低屈折率誘電体層３に照射してエバネッセント波を発生させる。これにより低屈折率誘電体層３と金属層４との界面で表面プラズモンポラリトンを発生させて第１の位置Ａから第２の位置Ｂへ伝播させ、該界面のエッジから電磁場９を発生・出射する。【選択図】図１
2005195868.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、高屈折率誘電体、低屈折率誘電体層、金属層がこの順で連続配置されるように構成された電磁場発生素子であって、
上記高屈折率誘電体側から上記低屈折率誘電体層に照射されて上記低屈折率誘電体層内でエバネッセント波が生じるように、入射光が入射され、
上記エバネッセント波を基に、上記低屈折率誘電体層と上記金属層との界面の所定のエッジから電磁場を出射し、
出射される上記電磁場が上記入射光と重ならないことを特徴とする電磁場発生素子。
【請求項２】
上記金属層の上記低屈折率誘電体層側と反対側の表面に保護層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の電磁場発生素子。
【請求項３】
上記低屈折率誘電体層と上記金属層との界面の、上記低屈折率誘電体層の上記入射光が照射される位置に対向する第１の位置と、上記所定のエッジが位置する第２の位置とでは、
上記金属層の、上記第１の位置と上記第２の位置との距離方向に直交する上記金属層面内方向の幅が、上記第２の位置におけるものの方が上記第１の位置におけるものよりも小さいことを特徴とする請求項１または２に記載の電磁場発生素子。
【請求項４】
上記高屈折率誘電体の少なくとも電磁場照射対象に面する面が、光を透過しないことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電磁場発生素子。
【請求項５】
上記金属層の層面が電磁場照射対象の電磁場照射面に対して垂直であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電磁場発生素子。
【請求項６】
上記金属層の層面が電磁場照射対象の電磁場照射面に対して平行であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電磁場発生素子。
【請求項７】
上記金属層の層面が電磁場照射対象の電磁場照射面に対して傾いており、上記入射光が上記電磁場照射面に対して平行に、上記電磁場発生素子に入射されて上記低屈折率誘電体層に照射されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電磁場発生素子。
【請求項８】
上記金属層の層面が電磁場照射対象の電磁場照射面に対して傾いており、上記入射光が上記電磁場照射面に対して垂直に、上記電磁場発生素子に入射されて上記低屈折率誘電体層に照射されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電磁場発生素子。
【請求項９】
上記低屈折率誘電体層および上記金属層は、上記高屈折率誘電体上に蒸着されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の電磁場発生素子。
【請求項１０】
上記高屈折率誘電体は、三角プリズムもしくは半円柱プリズムであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の電磁場発生素子。
【請求項１１】
上記高屈折率誘電体は三角プリズムであり、上記三角プリズムの上記入射光の入射面と、上記三角プリズムの上記低屈折率誘電体層と接する面とのなす角が、上記入射光の上記低屈折率誘電体層への入射角に等しいことを特徴とする請求項１０に記載の電磁場発生素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電磁場発生素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光メモリー、光加工、顕微鏡など光の利用は多分野に渡るが、そのほとんどの分野でより小さな光スポットが望まれている。通常の光ではスポットの大きさは回折限界により、波長程度に制限されてしまうが、これを超える小さなスポットの形成法として、局所的に存在する電磁場の利用が注目されている。
【０００３】
局所的に存在する電磁場は、例えば図１３のように、誘電体１３を通して波長より小さな径の開口に入射光６を入射することにより電磁場９として得られ、開口のごく近傍にのみ局在し、伝播しない光である。この光の局在の仕方は、開口の径で決まるため、開口径を小さくすれば、回折限界を大きく超える小さなスポットが得られる。電磁場９は電磁場照射対象５に照射される。
【０００４】
ただし、波長以下の径のスポットには絞れない光を、波長以下の開口に入射しているため、光の利用効率が悪くなる。これを解決するためにプローブの側面に金属層４をほどこし、表面プラズモンポラリトン８を発生させることで光増強を行う方法が一般的である。（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
直線偏光の入射光６を図１３のように入射したときの開口直後の光強度分布を図１４に示す。これより、電磁場９は開口の淵に２ヶ所で強度ピークを持ってしまうという問題があることがわかる。
【０００６】
また、入射した光の一部は、回折により開口を通過して球面波で伝播するため、開口後の光は局所的に存在する電磁場９だけでなく通常の伝播光も存在し、出射される電磁場９と入射光６とが重なった状態にある。この電磁場９は、開口近傍に局在し、発生位置から離れるにしたがって１／ｒ３で減衰する。一方伝播光は、１／ｒで減衰する。したがって、電磁場発生位置では伝播光より局所的に存在する電磁場９が十分強くても、ある程度離れると伝播光の強度の影響が無視できなくなるため、スポット径の拡大を引き起こしてしまうという問題があった。
【０００７】
これに対して、図１２のように、表面プラズモンポラリトン８を利用して、局所的に存在する電磁場の発生位置を１ヶ所にし、入射光と出射電磁場とを分ける方法が開示されている。（例えば、非特許文献１参照。）
表面プラズモンポラリトンの発生条件は、光と表面プラズモンポラリトンとの分散関係を交差させることと、偏光方向をｐ偏光にすることである。この条件を満たす方法として、全反射減衰法がある。
【０００８】
簡単のため、半無限の金属（誘電率をε１）と半無限の誘電体（誘電率をε２）との界面での表面プラズモンポラリトンの発生条件について説明する。
【０００９】
表面プラズモンポラリトンの各振動数をωｓｐ、波数ベクトルをｋｓｐとすると、この分散関係は、
【００１０】
【数１】
2005195868.tif 000003
【００１１】
である。一方、通常の伝播光の各振動数をω、波数ベクトルをｋとすると、この分散関係は、
【００１２】
【数２】
2005195868.tif 000004
【００１３】
である。通常の金属と誘電体との誘電率の値では、式（１）と式（２）の分散関係を交差させることができない。これに対して、図１５および図１６のように、誘電率をε０の誘電体（図ではプリズムとなっている）を用いて全反射減衰法によりエバネッセント波７を発生させると、この分散関係は、
【００１４】
【数３】
2005195868.tif 000005
【００１５】
となり、入射角θを変えることにより、交点を持たせることができる。この交点で表面プラズモンポラリトンが励起される。ω＝ωｓｐ、ｋ＝ｋｓｐより、
【００１６】
【数４】
2005195868.tif 000006
【００１７】
であり、これからε０、ε１、ε２を決めれば、最適な入射角θが求まる。
【００１８】
全反射減衰法ではKretchmann配置とOtto配置との２種類が知られており、非特許文献１では、Kretchmann配置を用いている。
【００１９】
Kretchmann配置は、図１５のように高屈折率誘電体２であるプリズムに直接金属層４を蒸着した配置であり、この金属層４に高屈折率誘電体２側から適切な角度で光を入射して全反射させると、エバネッセント波７が発生して金属層４中を減衰しながら進み、低屈折率誘電体３である空気との界面に到達すると、表面プラズモンポラリトン８が発生する。
【００２０】
一方、Otto配置は、図１６のように高屈折率誘電体２であるプリズムと金属層４との間に低屈折率誘電体３をはさんだ配置である。この金属層４に高屈折率誘電体２側から適切な角度で光を入射して全反射させると、エバネッセント波７が発生して低屈折率誘電体層３中を減衰しながら進み、金属層４との界面で表面プラズモンポラリトン８が発生する。
【００２１】
これらの配置で、金属層４は半無限ではないが、簡単のため上記の式を用いて、以下説明を行う。（半無限でない場合、入射角θは式（４）から求まるものより若干シフトする。）
式（４）でε２が変化すると、励起条件が変化する。したがって、Kretchmann配置では例えば金属層４表面に付着物があると、最適条件が変わってしまうことがわかる。また、金属層４表面が酸化されることによっても、同様のことが言える。一方、Otto配置では、金属層４表面に付着物があっても式（４）の条件は変化しない。
【特許文献１】特開平７−２６０４５９号公報（１９９５年１０月１３日公開）
【非特許文献１】T.Yatsui, M.Kourogi and M. Ohtsu “Plasmon waveguide for far/near-field conversion” Applied Physics Letters Vol.79  No.27 pp.4583 2001
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
上記の技術の応用として、金属層４の表面保護のために、金属層４の表面に保護層を設ける構成を考えることができるが、次にこの場合についての説明を行う。ここでいう保護層は、例えば後述する図４の保護層１０のように金属層４の外側表面を覆うものである。
【００２３】
表面プラズモンポラリトン８の発生のためには、Kretchmann配置では式（４）で、ε１が負であることを考えると、ε２＜ε０でなければならないことがわかるが、現実的には保護層に適する材料は高屈折率誘電体２であるプリズムの屈折率より高い屈折率を持っている。したがって、保護層を設ける場合には、高屈折率誘電体２であるプリズムの材質として非常に屈折率が高い特殊な材質を選ばなければならない。一方Otto配置では、このような屈折率に対する条件はほとんどなく、保護層の材料を比較的自由に選ぶことができる。
【００２４】
さらに、現実的に高屈折率誘電体２として利用されるガラスに金属層４を蒸着した場合の表面粗度に対して、低屈折率誘電体３を蒸着した場合の表面粗度は小さく、表面プラズモンポラリトン８の伝播を妨げにくい。
【００２５】
ここで従来技術の課題を考えると、前記特許文献１では、発生する電磁場が入射光と重なるため、発生位置からある程度離れたところでは、入射光である伝播光の強度の影響が無視できなくなる。すなわち、入射光が不要なバックグラウンド光となる。さらに、表面プラズモンポラリトンの発生位置が１ヶ所でないため、局所的に存在する電磁場のスポット径の拡大を引き起こしてしまうという問題があった。
【００２６】
また前記、非特許文献１では、Kretchmann配置を用いているため、上述したような保護層がなければ、プラズモン発生位置で金属層４表面にゴミなどが付着すると、表面プラズモンポラリトン８の発生条件が変わるため、発生強度が小さくなるか、最悪の場合には発生しなくなる。また、表面プラズモンポラリトン８の発生位置以外でも金属層４表面にゴミなどが付着すると、表面プラズモンポラリトン８が伝播しにくくなり、場合によっては散乱され、光に変わってしまい、本来の出射位置で発生する電磁場９の強度が小さくなってしまう。また、保護層を設けると高屈折率誘電体２であるプリズムの屈折率より低い屈折率の材質に限られてしまい、現実的でないという問題があった。
【００２７】
さらに、上述したように、現実的に高屈折率誘電体２として利用されるガラスに金属層４を蒸着した場合は表面荒れが発生しやすく、表面プラズモンポラリトン８の伝播を妨げる要因となっていた。
【００２８】
本発明は、入射光による不要なバックグラウンド光を除き、かつ、局所的に存在する電磁場のスポット径の拡大を防ぎ、かつ、金属層の表面に保護層がなくても表面プラズモンポラリトンの強度が伝播中に減衰しにくい電磁場発生素子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明の電磁場発生素子は、上記の課題を解決するために、少なくとも、高屈折率誘電体、低屈折率誘電体層、金属層がこの順で連続配置されるように構成された電磁場発生素子であって、上記高屈折率誘電体側から上記低屈折率誘電体層に照射されて上記低屈折率誘電体層内でエバネッセント波が生じるように、入射光が入射され、上記エバネッセント波を基に、上記低屈折率誘電体層と上記金属層との界面の所定のエッジから電磁場を出射し、出射される上記電磁場が上記入射光と重ならないことを特徴としている。
【００３０】
上記の発明によれば、入射光が低屈折率誘電体層に照射されて全反射され、低屈折率誘電体層内でエバネッセント波が生じる。このエバネッセント波が低屈折率誘電体層と金属層との界面に達すると表面プラズモンポラリトンが発生して該界面を伝播する。電磁場発生素子は、この伝播した表面プラズモンポラリトンが該界面の所定のエッジで散乱して出射するが、出射された電磁場が入射光と重ならないようになっている。
【００３１】
このように、出射された電磁場が入射光と重ならないため、入射光による不要なバックグラウンド光がない。また、表面プラズモンポラリトンが散乱されるエッジが１ヶ所であるため、局所的に存在する電磁場の強度ピークが１ヶ所となり、スポット径の拡大が抑えられる。さらに、高屈折率誘電体、低屈折率誘電体層、金属層がこの順で連続配置されるため、表面プラズモンポラリトンは、表面粗れが小さくて不要な付着物が付かない、低屈折率誘電体層と金属層との界面を伝播することとなり、伝播中に表面プラズモンポラリトンの強度が減衰しにくい。
【００３２】
以上により、入射光による不要なバックグラウンド光を除き、かつ、局所的に存在する電磁場のスポット径の拡大を防ぎ、かつ、金属層の表面に保護層がなくても表面プラズモンポラリトンの強度が伝播中に減衰しにくい電磁場発生素子を実現することができる。
【００３３】
本発明の電磁場発生素子は、上記の課題を解決するために、上記金属層の上記低屈折率誘電体層側と反対側の表面に保護層が設けられていることを特徴としている。
【００３４】
上記の発明によれば、金属層の表面に保護層が設けられていることにより、金属層を衝突および酸化から保護することができる。このとき、高屈折率誘電体および保護層の材質には制約条件がないため、これらを自由に選択できる。
【００３５】
本発明の電磁場発生素子は、上記の課題を解決するために、上記低屈折率誘電体層と上記金属層との界面の、上記低屈折率誘電体層の上記入射光が照射される位置に対向する第１の位置と、上記所定のエッジが位置する第２の位置とでは、上記金属層の、上記第１の位置と上記第２の位置との距離方向に直交する上記金属層面内方向の幅が、上記第２の位置におけるものの方が上記第１の位置におけるものよりも小さいことを特徴としている。
【００３６】
上記の発明によれば、入射光を効率よく微小スポットの電磁場に変換できる。
【００３７】
本発明の電磁場発生素子は、上記の課題を解決するために、上記高屈折率誘電体の少なくとも電磁場照射対象に面する面が、光を透過しないことを特徴としている。
【００３８】
上記の発明によれば、高屈折率誘電体と低屈折率誘電体層との界面で反射した入射光が電磁場照射対象への電磁場の照射に影響を及ぼすことを防ぐことができる。
【００３９】
本発明の電磁場発生素子は、上記の課題を解決するために、上記金属層の層面が電磁場照射対象の電磁場照射面に対して垂直であることを特徴としている。
【００４０】
上記の発明によれば、金属層の膜厚が衝突などにより変化することを防ぐことができる。
【００４１】
本発明の電磁場発生素子は、上記の課題を解決するために、上記金属層の層面が電磁場照射対象の電磁場照射面に対して平行であることを特徴としている。
【００４２】
上記の発明によれば、高屈折率誘電体と低屈折率誘電体層との界面で反射した光が電磁場照射対象に照射されにくい構造とすることができる。また、低屈折率誘電体層と金属層との界面のエッジで発生する電磁場でなく、金属層の低屈折率誘電体層側と反対側の表面のエッジで発生する電磁場のみを利用することができ、より小さなスポットの電磁場とすることができる。
【００４３】
本発明の電磁場発生素子は、上記の課題を解決するために、上記金属層の層面が電磁場照射対象の電磁場照射面に対して傾いており、上記入射光が上記電磁場照射面に対して平行に、上記電磁場発生素子に入射されて上記低屈折率誘電体層に照射されることを特徴としている。
【００４４】
上記の発明によれば、電磁場発生素子を大きくすることなく、高屈折率誘電体の電磁場照射対象に相対する部分を平面とすることができるため、電磁場照射対象との衝突が起きたときの被害を軽減できる。また、電磁場発生素子に光を導入するための光学系を簡易化できる。
【００４５】
本発明の電磁場発生素子は、上記の課題を解決するために、上記金属層の層面が電磁場照射対象の電磁場照射面に対して傾いており、上記入射光が上記電磁場照射面に対して垂直に、上記電磁場発生素子に入射されて上記低屈折率誘電体層に照射されることを特徴としている。
【００４６】
上記の発明によれば、高屈折率誘電体内で反射した光が電磁場照射対象に照射されにくい構造とすることができる。また、電磁場発生素子に光を導入するための光学系を簡易化できる。
【００４７】
本発明の電磁場発生素子は、上記の課題を解決するために、上記低屈折率誘電体層および上記金属層は、上記高屈折率誘電体上に蒸着されていることを特徴としている。
【００４８】
上記の発明によれば、電磁場発生素子を簡単に作成できる。
【００４９】
本発明の電磁場発生素子は、上記の課題を解決するために、上記高屈折率誘電体は、三角プリズムもしくは半円柱プリズムであることを特徴としている。
【００５０】
上記の発明によれば、入射光の導入が容易となる。
【００５１】
本発明の電磁場発生素子は、上記の課題を解決するために、上記高屈折率誘電体は三角プリズムであり、上記三角プリズムの上記入射光の入射面と、上記三角プリズムの上記低屈折率誘電体層と接する面とのなす角が、上記入射光の上記低屈折率誘電体層への入射角に等しいことを特徴としている。
【００５２】
上記の発明によれば、電磁場発生素子への光の入射角を簡単に調整することができる。
【発明の効果】
【００５３】
本発明の電磁場発生素子は、以上のように、少なくとも、高屈折率誘電体、低屈折率誘電体層、金属層がこの順で連続配置されるように構成された電磁場発生素子であって、上記高屈折率誘電体側から上記低屈折率誘電体層に照射されて上記低屈折率誘電体層内でエバネッセント波が生じるように、入射光が入射され、上記エバネッセント波を基に、上記低屈折率誘電体層と上記金属層との界面の所定のエッジから電磁場を出射し、出射される上記電磁場が上記入射光と重ならない。
【００５４】
それゆえ、入射光による不要なバックグラウンド光を除き、かつ、局所的に存在する電磁場のスポット径の拡大を防ぎ、かつ、金属層の表面に保護層がなくても表面プラズモンポラリトンの強度が伝播中に減衰しにくい電磁場発生素子を実現することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
本発明の電磁場発生素子の実施の形態について図１ないし図１１を用いて説明すれば、以下の通りである。
【００５６】
まず、本実施の形態の概略を述べる。図１に、本実施の形態に係る電磁場発生素子１の斜視図を示す。
【００５７】
電磁場発生素子１は、高屈折率誘電体２、低屈折率誘電体層３、および金属層４を備えている。電磁場発生素子１は、少なくとも、上記高屈折率誘電体２、低屈折率誘電体層３、金属層４がこの順で連続配置された構成のものであり、以下のその他の電磁場発生素子でも同様である。高屈折率誘電体２と低屈折率誘電体層３とは互いに接しており、低屈折率誘電体層３と金属層４とは互いに接している。高屈折率誘電体２は三角柱形状のプリズム（三角プリズム）であり、３つの三角柱側面をなす面２ａ・２ｂ・２ｃのうち２つの面２ａ・２ｂが互いに直交している。面２ａは電磁場照射対象５の平面をなす電磁場照射面に平行であり、面２ｂは該電磁場照射面に垂直である。低屈折率誘電体層３は、面２ｂ上に蒸着されることにより高屈折率誘電体２と接するように形成されており、金属層４は低屈折率誘電体層３のさらに上に蒸着されることにより低屈折率誘電体層３と接するように形成されている。高屈折率誘電体２は、低屈折率誘電体層３および金属層４の基板も兼ねている。
【００５８】
この構成は一例であり、例えば図１０のように高屈折率誘電体２とは別に基板１２を設けた電磁場発生素子１’としてもよい。基板１２は高屈折率誘電体２の面２ｂに平行な面状部材である。この場合、基板１２に金属層４を蒸着し、この金属層４に対して、間に薄い空気などの気体層もしくはオイルなどの液体層を低屈折率誘電体層３として挟んで、高屈折率誘電体２を設置すればよい。
【００５９】
電磁場発生素子１への入射光６は、高屈折率誘電体２側から低屈折率誘電体層３に照射されるように入射され、高屈折率誘電体２と低屈折率誘電体層３との界面で全反射を起こす。そしてこのとき、低屈折率誘電体層３内にはエバネッセント波７が発生する。低屈折率誘電体層３と金属層４との界面において、低屈折率誘電体層３の入射光６が照射される位置に対向する位置を第１の位置Ａとする。また、該界面において、電磁場照射対象５側のエッジ（所定のエッジ）は電磁場９の出射位置となるが、このエッジの位置を第２の位置Ｂとする。第１の位置Ａと第２の位置Ｂとは、低屈折率誘電体層３および金属層４の層面面内方向に離れている。エバネッセント波７が第１の位置Ａの金属層４に到達すると、金属層４と低屈折率誘電体層３との界面で、図１および図２の破線矢印の方向に波数ベクトルを持つ表面プラズモンポラリトン８が発生する。この表面プラズモンポラリトン８は、上記界面を減衰を伴いながら第１の位置Ａから第２の位置Ｂへ向かって伝播する。そして、上記界面の第２の位置Ｂにあるエッジに到達し、このエッジで散乱されて電磁場９を発生・出射する。
【００６０】
表面プラズモンポラリトン８は、伝播しながら強度が減衰するため、光の入射位置から出射位置までの距離（第１の位置Ａと第２の位置Ｂとの距離）は、１／ｅになる距離（以下伝播距離と称する）以下であるのが望ましい。
【００６１】
この電磁場９は光アシスト磁気記録、光記録、露光、光回路への光の導入などに利用することができる。このように、電磁場発生素子１は、エバネッセント波７を基に電磁場９を発生して出射する。そして、表面プラズモンポラリトン８の上記伝播経路の設定により入射光６と電磁場９とを別にし、出射される電磁場９は電磁場発生素子１への入射光６と重ならないようになっている。
【００６２】
出射された電磁場９が入射光６と重ならないため、入射光６による不要なバックグラウンド光がない。また、図１３とは異なり、表面プラズモンポラリトン８が散乱されるエッジが１ヶ所であるため、電磁場９の強度ピークが１ヶ所となり、スポット径の拡大が抑えられる。さらに、高屈折率誘電体２、低屈折率誘電体層３、金属層４がこの順で連続配置されるため、高屈折率誘電体２上に低屈折率誘電体層３および金属層４を蒸着で形成しても、低屈折率誘電体層３と金属層４との界面は表面粗れが小さくて不要な付着物が付かないものとなる。表面プラズモンポラリトン８はこの界面を伝播するので、伝播中に表面プラズモンポラリトン８の強度が減衰しにくい。
【００６３】
このように、電磁場発生素子１は、入射光６による不要なバックグラウンド光を除き、かつ、局所的に存在する電磁場９のスポット径の拡大を防ぎ、かつ、金属層４の表面に保護層がなくても表面プラズモンポラリトン８の強度が伝播中に減衰しにくい電磁場発生素子である。
【００６４】
次に、図１および図２を基に、本実施の形態における詳細な実施例を説明する。
【００６５】
上述したように、電磁場発生素子１は、高屈折率誘電体２がプリズム形状であり、これに低屈折率誘電体層３が蒸着され、さらにその上に金属層４が蒸着された構成となっている。高屈折率誘電体２は、低屈折率誘電体層３および金属層４の基板も兼ねている。低屈折率誘電体層３および金属層４が蒸着で形成されるので、電磁場発生素子が簡単に作成できる。
【００６６】
高屈折率誘電体２は、材料をＢＫ７としたが、表面プラズモンポラリトン８の発生条件を満足すれば他の材料でもよい。高屈折率誘電体２の形状は、図２に示すように三角柱の上底面となる三角形の３つの頂角のうち面２ａと面２ｂとのなす角が９０°、面２ｂと面２ｃとのなす角がθとなっている。θは低屈折率誘電体層３と金属層４との界面で表面プラズモンポラリトン８を発生させるための、低屈折率誘電体層３への最適な光の入射角にほぼ等しい。高屈折率誘電体２は、図１および図２に示すように、四角形の面２ｂが、電磁場９を照射する電磁場照射対象５に垂直になるように配置され、この面２ｂ上に低屈折率誘電体層３と金属層４とが蒸着される。
【００６７】
低屈折率誘電体層３には膜厚１００ｎｍのフッ化マグネシウムを用いているが、表面プラズモンポラリトン８の発生条件を満足すれば他の膜厚・材料でもよい。また、低屈折率誘電体層３の膜厚は、表面プラズモンポラリトン８および電磁場９の発生強度を高くするためには、入射光６の波長以下で、なるべく薄い方がよい。
【００６８】
低屈折率誘電体層３上に蒸着する金属層４は、膜厚３０ｎｍのアルミニウムとしたが、表面プラズモンポラリトン８の発生条件を満足すれば他の膜厚・材料でもよい。
【００６９】
この素子に入射光６として、高屈折率誘電体２の面２ｃ側から高屈折率誘電体２を介して低屈折率誘電体層３へ波長６００ｎｍの光を入射する。波長はこれに限らないが、設定波長に対して、最適な入射角、低屈折率誘電体層３の屈折率や金属層４の屈折率および膜厚は変化する。ここでは入射角θを６５°とした。入射光６は平行光でも収束光でもよい。平行光の場合、入射光６の全体を最適な入射角に設定することができるが、光の低屈折率誘電体層３への入射位置と電磁場９の出射位置との間の、電磁場照射対象５の表面に垂直な方向の距離（第１の位置Ａと第２の位置Ｂとの距離）を表面プラズモンポラリトン８の伝播距離以下にするためには、ビームエキスパンダーなどでビーム径をあらかじめ細くしておく必要がある。収束光の場合、入射光６の全体を最適な入射角にできないが、焦点位置でのビーム径が小さいため、そのままで光の上記入射位置と電磁場９の上記出射位置との間の上記垂直方向距離を、表面プラズモンポラリトン８の伝播距離以下にすることができる。
【００７０】
高屈折率誘電体２の頂角θは、低屈折率誘電体層３と金属層４との界面で表面プラズモンポラリトン８を励起するための、低屈折率誘電体層３への最適な入射角にほぼ等しいため、光を高屈折率誘電体２の入射面である面２ｃに対して垂直に入射すればよい。このとき、入射面からの反射光を入射光源に常に戻すことで、低屈折率誘電体層３と金属層４との界面で表面プラズモンポラリトン８が発生するための、低屈折率誘電体層３への最適な入射角を設定することができる。
【００７１】
上記の構成で、図２に示す電磁場出射位置直下を含む面２ａに平行な２点鎖線上での電磁場９の強度分布をＦＤＴＤ法（finite-difference time-domain method）でシミュレーションした結果を、図３に示す。横軸は低屈折率誘電体層３と金属層４との界面からの距離であり、該界面から金属層４の膜厚方向に向かって正としている。縦軸は電磁場９の電場の２乗である。入射光の電場を１Ｖ／ｍとしたので、電磁場９の入射光６に対する変換効率を示している。
【００７２】
電磁場９は、金属層４の、低屈折率誘電体層３に接するエッジと、もう一方のエッジ（外側表面）とでそれぞれ鋭いピークを持っている。これら２つのピークをこのまま用いてもよいし、後述する図４のように金属層４の外側表面に保護層１０を設け、この保護層１０の屈折率を制御して金属層４の保護層１０との界面となるエッジで発生するピーク値を低くして用いてもよい。あるいは、保護層１０を設けない場合には、上記もう一方のエッジを丸めることでピーク値を低くしてもよい。なお、高屈折率誘電体２側で強度が上がっているのは、反射光の影響である。
【００７３】
また、電磁場発生素子１では、金属層４が高屈折率誘電体２の面２ｂの全面に形成されており、金属層４の、第１の位置Ａと第２の位置Ｂとの距離方向に直交する金属層４面内方向の幅が、第１の位置Ａから第２の位置Ｂに至るまで均等である。これにより、電磁場９の出射部（低屈折率誘電体層３と金属層４との界面のエッジ）がある長さを有して電磁場９を出射するので、線状の電磁場９が発生できる。
【００７４】
また、以上の例では、金属層４の層面が電磁場照射対象５の電磁場照射面に対して垂直であるので、金属層４の膜厚が衝突などにより変化することを防ぐことができる。
【００７５】
以上、実施例の１つについて説明したが、以下のような構成としてもよい。
【００７６】
他の実施例の１つとして、図４に電磁場発生素子２１の構成を示す。電磁場発生素子２１は、図２の電磁場発生素子１において、金属層４の低屈折率誘電体層３側と反対側の表面、すなわち外側表面に、保護層１０が設けられた構成である。保護層１０が設けられていることにより、金属層４を衝突および酸化から保護することができる。このとき、高屈折率誘電体２および保護層１０の材質を比較的自由に選択できる。
【００７７】
また、他の実施例の１つとして、図５に電磁場発生素子３１の構成を示す。電磁場発生素子３１は、図１および図２に示す電磁場発生素子１と金属層４の構成が異なっている。電磁場発生素子３１では、金属層４の、第１の位置Ａと第２の位置Ｂとの距離方向に直交する金属層４面内方向の幅が、第１の位置Ａから第２の位置Ｂに近づくにつれて次第に小さくなっている、すなわち金属層４の電磁場照射対象５側の先端が細くなるように形成されている。これにより、金属層４の上記幅が、第２の位置Ｂにおけるものの方が第１の位置Ａにおけるものよりも小さくなっている。従って、入射光６を効率よく微小スポットの電磁場９に変換できる。
【００７８】
また、他の実施例の１つとして、図６に電磁場発生素子４１の構成を示す。電磁場発生素子４１は、前述した電磁場発生素子に透過防止膜１１を追加した構成である。透過防止膜１１は、高屈折率誘電体２の面２ａ上に設けられている。透過防止膜１１がない状態では面２ａは電磁場照射対象５の電磁場照射面に面しており、透過防止膜１１を設けることにより高屈折率誘電体２から面２ａを介して電磁場照射対象５に入射する光がなくなる。このようにして、高屈折率誘電体２の少なくとも電磁場照射対象５に面する面が光を透過しないようにすることにより、高屈折率誘電体２と低屈折率誘電体層３との界面で反射した入射光が電磁場照射対象５への電磁場９の照射に影響を及ぼすことを防ぐことができる。
【００７９】
また、上記例では透過防止膜１１を設けたが、光が高屈折率誘電体２内でさらに全反射するようにプリズムの角度を決めるようにしても、入射光が電磁場照射対象５への電磁場９の照射に影響を及ぼすことを防ぐことができる。
【００８０】
また、他の実施例の１つとして、図７に電磁場発生素子５１の構成を示す。電磁場発生素子５１は、前述した電磁場発生素子における金属層４の層面が電磁場照射対象５の電磁場照射面に平行となるように設定されるものである。これにより、高屈折率誘電体２と低屈折率誘電体層３との界面で反射した光が電磁場照射対象５に照射されにくい構造とすることができる。また、図７の破線矢印で示すように、低屈折率誘電体層３と金属層４との界面のエッジで発生する電磁場でなく、金属層４の低屈折率誘電体層３側と反対側の表面、すなわち金属層４の電磁場照射対象５に面している表面のエッジで発生する電磁場のみを、出射された電磁場９として利用することができ、より小さなスポットの電磁場とすることができる。
【００８１】
また、他の実施例の１つとして、図８に電磁場発生素子６１の構成示す。電磁場発生素子６１は、前述した電磁場発生素子において、高屈折率誘電体２の面２ｃ上に低屈折率誘電体層３と金属層４とがこの順で形成されたものである。高屈折率誘電体２の他の面２ａ・２ｂの一方は電磁場照射対象５の電磁場照射面に平行に相対するように、他方は電磁場照射面に垂直となるように配置され、これにより金属層４の層面が電磁場照射面に対して傾いている。そして、入射光６の電磁場発生素子６１への入射および低屈折率誘電体層３への照射は、電磁場照射面に対して平行に行われる。これにより、電磁場発生素子を大きくすることなく、高屈折率誘電体２の電磁場照射対象５に相対する部分（面２ａあるいは面２ｂ）を平面とすることができるため、電磁場照射対象５との衝突が起きたときの被害を軽減できる。また、入射光が電磁場照射対象５の電磁場照射面に対して平行に電磁場発生素子６１に入射されて、かつ、電磁場照射面に対して平行に低屈折率誘電体層３に照射されることにより、電磁場発生素子に光を導入するための光学系を簡易化できる。また、金属層４の電磁場照射対象５に近い方のエッジで発生する電磁場９のみを用いることができる。
【００８２】
また、他の実施例の１つとして、図９に電磁場発生素子７１の構成示す。電磁場発生素子７１は、前述した電磁場発生素子において、高屈折率誘電体２の面２ｃ上に低屈折率誘電体層３と金属層４とがこの順で形成されたものである。高屈折率誘電体２の他の面２ａ・２ｂの一方は電磁場照射対象５の電磁場照射面に平行となるように、他方は電磁場照射面に垂直となるように配置され、これにより金属層４の層面が電磁場照射面に対して傾いている。そして、入射光６の電磁場発生素子７１への入射および低屈折率誘電体層３への照射は、電磁場照射面に対して垂直に行われる。これにより、高屈折率誘電体２内で反射した光が電磁場照射対象５に照射されにくい構造とすることができる。また、入射光６が電磁場照射対象５の電磁場照射面に対して垂直に電磁場発生素子７１に入射されて、かつ、電磁場照射面に対して垂直に低屈折率誘電体層３に照射されることにより、電磁場発生素子に光を導入するための光学系を簡易化できる。また、金属層４の電磁場照射対象５に近い方のエッジで発生する電磁場９のみを用いることができる。
【００８３】
また、他の実施例の１つとして、図１１に電磁場発生素子８１の構成を示す。電磁場発生素子８１は、前述の電磁場発生素子の三角プリズムをなす高屈折率誘電体２を、半円柱プリズムをなす高屈折率誘電体２２としたものである。高屈折率誘電体２２は低屈折率誘電体層３および金属層４の基板となっており、半円柱の平面の側面をなす高屈折率誘電体２２の面２２ａ上に低屈折率誘電体層３および金属層４が形成されている。入射光６は、半円柱の円弧を含む側面をなす高屈折率誘電体２２の面２２ｂ側から入射され、入射角θで低屈折率誘電体層３に照射される。このように、基板を半円柱プリズムとすることでどのような入射角でも簡単に対応できる構造となる。
【００８４】
以上の各実施例では、高屈折率誘電体は三角プリズムもしくは半円柱プリズムであるので、入射光の導入が容易となる。
【００８５】
本発明は上述した各実施例に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施例についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
電磁場照射対象をレジストとし、電磁場発生素子をこの上で走査すれば、微細加工を行うことができる。
【００８７】
また、電磁場照射対象を光記録媒体とし、電磁場発生素子をこの上で走査すれば、光記録・再生を行うことができる。
【００８８】
また、電磁場照射対象を光磁気記録媒体とし、電磁場発生素子をこの上で走査すれば、光アシスト磁気記録・再生を行うことができる。
【００８９】
また、この電磁場発生素子を光回路導入部として用いれば、効率よく光を導入できるインターフェイスとなる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】本発明の実施の形態に係る電磁場発生素子の構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した電磁場発生素子の側面図である。
【図３】図２の２点鎖線上での光の強度分布をＦＤＴＤ法でシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図４】保護層を設けた電磁場発生素子の構成を示す側面図である。
【図５】出射部を狭めた電磁場発生素子の構成を示す斜視図である。
【図６】透過防止膜を設けた電磁場発生素子の構成を示す側面図である。
【図７】金属層を電磁場照射対象に平行に配置した電磁場発生素子の構成を示す側面図である。
【図８】入射光が電磁場照射対象に平行に入射するよう、金属層を電磁場照射対象に傾けて配置した電磁場発生素子の構成を示す側面図である。
【図９】入射光が電磁場照射対象に垂直に入射するよう、金属層を電磁場照射対象に傾けて配置した電磁場発生素子の構成を示す側面図である。
【図１０】基板と高屈折率誘電体とを別にした場合の電磁場発生素子の構成を示す側面図である。
【図１１】基板を半円柱プリズムにした場合の電磁場発生素子の構成を示す側面図である。
【図１２】従来技術の非特許文献１に記載されている電磁場発生素子の図である。
【図１３】従来技術の特許文献１に記載されている電磁場発生素子の図である。
【図１４】従来技術の特許文献１に記載されている電磁場発生素子の開口直後の光強度分布を示す図である。
【図１５】従来技術のKretchmann配置を説明する図である。
【図１６】従来技術のOtto配置を説明する図である。
【符号の説明】
【００９１】
１、１’、２１、３１、４１、５１、６１、７１、８１
電磁場発生素子
２      高屈折率誘電体
３      低屈折率誘電体層
４      金属層
５      電磁場照射対象
６      入射光
７      エバネッセント波
８      表面プラズモンポラリトン
９      電磁場
１０    保護層
１１    透過防止膜
１２    基板
１３    誘電体
Ａ      第１の位置
Ｂ      第２の位置
【図１】
2005195868.tif 000007
【図２】
2005195868.tif 000008
【図３】
2005195868.tif 000009
【図４】
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【図５】
2005195868.tif 000011
【図６】
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【図７】
2005195868.tif 000013
【図８】
2005195868.tif 000014
【図９】
2005195868.tif 000015
【図１０】
2005195868.tif 000016
【図１１】
2005195868.tif 000017
【図１２】
2005195868.tif 000018
【図１３】
2005195868.tif 000019
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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