(57)【要約】【課題】  突起以外に照射された光電場を突起先端に導いて、突起先端で生じる近接場光への変換効率の向上を図る。【解決手段】  板状の本体１０の表面に先端が尖った突起１３を有し、外部からの照射光により近接場光を生じさせる散乱型のもので、本体１０の表面であって、突起１３の周囲に、突起１３に向けて光電場を集中させる凸部２０を形成し、凸部２０を、突起１３の中心軸Ｑを中心とする円周に沿い、突起１３の中心軸Ｑを含む縦断面の形状及び大きさを均一にするリング状に形成するとともに、同心円上に複数設けた。【選択図】  図１
2009115574.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状の本体の表面に先端が尖った突起を有し、外部から照射された光により近接場光を生じさせる散乱型の近接場光プローブにおいて、
上記本体の表面であって、上記突起の周囲に、該突起に向けて光電場を集中させる凸部を形成したことを特徴とする近接場光プローブ。
【請求項２】
上記凸部を、上記突起の中心軸を中心とする円周に沿うリング状に形成したことを特徴とする請求項１記載の近接場光プローブ。
【請求項３】
上記凸部を、上記突起の中心軸を中心とする円周に沿って設けられ該突起の中心軸を含む縦断面の形状及び大きさを均一にするリング状に形成したことを特徴とする請求項２記載の近接場光プローブ。
【請求項４】
上記凸部を、上記突起の中心軸を中心とする直径の異なる円周に沿って複数設けたことを特徴とする請求項３記載の近接場光プローブ。
【請求項５】
上記複数の凸部における縦断面の大きさを、夫々、異ならせたことを特徴とする請求項４記載の近接場光プローブ。
【請求項６】
上記複数の凸部における縦断面の大きさを、外側の凸部から内側の凸部にかけて順に大きくなるように形成したことを特徴とする請求項５記載の近接場光プローブ。
【請求項７】
上記凸部の突起側の上端縁を、上記縦断面において角状に形成したことを特徴とする請求項２乃至６何れかに記載の近接場光プローブ。
【請求項８】
上記凸部の突起側の上端縁を、上記縦断面において直角状あるいは鋭角の角状に形成したことを特徴とする請求項７記載の近接場光プローブ。
【請求項９】
上記凸部を複数設け、該各凸部を、形状及び大きさを同一に形成するとともに、平面から見て上記突起側に角状の先端を形成し、該突起を中心に互いに対称配置したことを特徴とする請求項１記載の近接場光プローブ。
【請求項１０】
上記各凸部を、平面から見て上記突起側に角状の先端を有した三角形状に形成し、該突起を中心に互いの頂点を向き合わせた対称配置にしたことを特徴とする請求項９記載の近接場光プローブ。
【請求項１１】
上記各凸部の基端部が連設され連続する凸状の連設部を設けたことを特徴とする請求項９または１０記載の近接場光プローブ。
【請求項１２】
光源から照射された光を通過させ媒体上で発生した散乱光を偏向するビームスプリッタと、該ビームスプリッタからの光を媒体上に結像する対物レンズと、上記ビームスプリッタにより偏向された光を光検出器側に結像する結像レンズと、対物レンズと媒体との間に配置され対物レンズからの光を媒体に照射して近接場光を発生させる近接場光プローブとを備えた近接場光学顕微鏡において、
上記近接場光プローブとして、上記請求項１乃至１１何れかに記載の近接場光プローブを用いたことを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に走査型近接場光学顕微鏡に用いられ、外部からの照射光により近接場光を生じさせる散乱型の近接場光プローブ及びこれを用いた近接場光学顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、走査型近接場光学顕微鏡（ＳＮＯＭ）においては、開口型ＳＮＯＭと散乱型ＳＮＯＭに大別できる。開口型ＳＮＯＭは、先鋭化した光ファイバの先端に金属を被覆して微小な開口を開けたものをプローブとする方法であって、局所的に光を照射することができる構造であるため分光測定の調整が容易である利点を有しているが、光のスループットがやや劣る欠点を持っている。一方、散乱型ＳＮＯＭは、先端が鋭く尖った金属突起に外部から光を照射することにより生じる増強された局在光電場を利用して媒体（試料）表面からの散乱光を検出することによって媒体の光物性の情報を得るものであって、増強された局在光電場を利用したラマン分光や非線形光学への適用例が知られている。
従来、この種の散乱型の近接場光プローブとしては、例えば、特開２００３−１４６０９号公報（特許文献１）に記載のものが知られている。図６に示すように、この近接場光プローブＰａは、板状の本体１００の表面に先端が尖った突起１０１を有し、外部からの照射光によりこの突起１０１の先端に近接場光を生じさせる。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１４６０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来の近接場光プローブＰａにおいては、突起１０１の周囲に照射された光の利用効率が悪く、近接場光への変換効率に劣ると言う問題があった。
本発明は上記の問題点に鑑みて為されたもので、突起以外に照射された光を突起先端に導いて、突起先端で生じる近接場光への変換効率の向上を図った近接場光プローブ及びこれを用いた近接場光学顕微鏡を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような目的を達成するため本発明の近接場光プローブは、板状の本体の表面に先端が尖った突起を有し、外部からの照射光により近接場光を生じさせる散乱型の近接場光プローブにおいて、
上記本体の表面であって、上記突起の周囲に、該突起に向けて光電場を集中させる凸部を形成した構成としている。
【０００６】
これにより、近接場光プローブに光源から光が照射されると、突起先端には高い空間フーリエ周波数成分をもつ近接場光が発生する。さらに、光源より照射された光の一部は表面プラズモンの励起に使われ、発生した表面プラズモンが凸部により突起へ向けて集中させられる。即ち、凸部は突起に光電場を集中させる表面プラズモンアンテナとして機能し、直接突起に照射された以外の光電場を突起先端に導くことができ、突起先端で生じる近接場光への変換効率が向上させられる。
【０００７】
そして、必要に応じ、上記凸部を、上記突起の中心軸を中心とする円周に沿うリング状に形成している。
対称性の高いリング状に形成することで、光電場の面内方位角成分の全てを有効に利用することができるようになり、そのため、より一層、突起先端で生じる近接場光への変換効率が向上させられる。
【０００８】
また、必要に応じ、上記凸部を、上記突起の中心軸を中心とする円周に沿って設けられ該突起の中心軸を含む縦断面の形状及び大きさを均一にするリング状に形成した構成としている。
凸部の形状を均一にしたので、突起先端で生じる近接場光への変換効率は入射光の偏光状態に依存しないという特徴を持つようになる。
【０００９】
更に、必要に応じ、上記凸部を、上記突起の中心軸を中心とする直径の異なる円周に沿って複数設けた構成としている。
リング状の凸部を同心円状に複数設けたことで、表面プラズモンに対するブラッグミラーなどの回折素子あるいは干渉素子として機能させることができ、そのため、より一層、突起先端で生じる近接場光への変換効率が向上させられる。
【００１０】
この場合、上記複数の凸部における縦断面の大きさを、夫々、異ならせた構成としている。例えば、上記複数の凸部における縦断面の大きさを、外側の凸部から内側の凸部にかけて順に大きくなるように形成したことが有効である。
これにより、表面プラズモンに対する回折あるいは干渉作用の効率を上げることができ、突起先端で生じる近接場光への変換効率が向上させられる。
【００１１】
また、必要に応じ、上記凸部の突起側の上端縁を、上記縦断面において角状に形成した構成としている。例えば、上記凸部の突起側の上端縁を、上記縦断面において直角状あるいは鋭角の角状に形成したことが有効である。
【００１２】
そしてまた、必要に応じ、上記凸部を複数設け、該各凸部を、形状及び大きさを同一に形成するとともに、平面から見て上記突起側に角状の先端を形成し、該突起を中心に互いに対称配置した構成としている。この場合、上記各凸部を、平面から見て上記突起側に角状の先端を有した三角形状に形成し、該突起を中心に互いの頂点を向き合わせた対称配置にしたことが有効である。
凸部の先端を角状にして、突起を中心に向かい合わせに対称配置することで、複数の頂点に挟まれた突起先端で近接場光の増強が生じる。この際、凸部を４つ以上配置することで、入射光の偏光状態に依存せずに近接場光の増強を生じさせることができる。
【００１３】
また、必要に応じ、上記各凸部の基端部が連設され連続する凸状の連設部を設けた構成としている。
【００１４】
また、上記目的を達成するため本発明の近接場光学顕微鏡は、光源から照射された光を通過させ媒体上で発生した散乱光を偏向するビームスプリッタと、該ビームスプリッタからの光を媒体上に結像する対物レンズと、上記ビームスプリッタにより偏向された光を光検出器側に結像する結像レンズと、対物レンズと媒体との間に配置され対物レンズからの光を媒体に照射して近接場光を発生させる近接場光プローブとを備えた近接場光学顕微鏡において、上記の近接場光プローブを用いた構成としている。上記と同様の作用，効果を奏する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、突起の周囲に、突起に向けて光電場を集中させる凸部を形成したので、光電場は凸部により突起へ向けて集中させられ、近接場光強度が増強させられる。即ち、凸部は突起に光電場を集中させる表面プラズモンアンテナとして機能し、直接突起に照射された以外の光電場を突起先端に導くことができ、突起先端で生じる近接場光強度の増強作用を生じさせることができる。
【００１６】
また、本発明の近接場光学顕微鏡によれば、近接場光プローブを対物レンズと媒体との間に挿入し、近接場光プローブを透光性あるいは半透光性にしたことで、近接場光プローブの機能を使用しないときは、光学顕微鏡観察に影響を与えない。また、分光光学系を後方散乱配置にすることにより、金属や半導体などの不透明な試料でも、観察対象とすることが可能になる。更に、近接場光プローブを対物レンズと媒体との間に挿入したので、近接場光プローブの位置調整の自由度が高くなり、また、近接場光プローブの交換が容易で取り扱い易くなるなどの効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、添付図面に基づいて本発明の実施の形態に係る近接場光プローブ及びこの近接場光プローブを用いた近接場光学顕微鏡について詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、本発明の実施の形態に係る近接場光プローブＰを用いた本発明の実施の形態に係る近接場光学顕微鏡Ｍは、図２に示すように、レーザ光源から照射された平行光束を通過させ媒体上で発生した散乱光を偏向するビームスプリッタ１と、レーザ光束を媒体Ｗ（試料）上に結像する対物レンズ２と、ビームスプリッタ１により偏向された光を光検出器（図示せず）側に結像する結像レンズ３とを備えて構成される。本発明の実施の形態に係る近接場光プローブＰは、対物レンズ２と媒体Ｗとの間に媒体Ｗに対して近接離間可能に配置され、対物レンズ２からの光を媒体Ｗ（試料）に照射して近接場光を発生させる。
【００１８】
本発明の実施の形態に係る近接場光プローブＰは、図１に示すように、矩形の板状の本体１０を備えている。本体１０は、光透過性のある基板１１の表面に貴金属薄膜や誘電体膜等の皮膜（図示せず）を蒸着などにより形成したものである。基板１１は例えば石英やサファイヤなどの高屈折率光学材料からなり、皮膜は例えば金，銀，白金，アルミやシリコンよりなる。
【００１９】
本体１０の皮膜が形成され媒体Ｗ側に面する表面１２には、その中央に先端が尖った円錐状の突起１３が形成されている。突起１３は、その高さＨが、例えば、１００ｎｍ≦Ｈ≦１μｍ程度に形成されている。
【００２０】
また、この本体１０の表面であって、突起１３の周囲には、突起１３に向けて光電場を集中させる凸部２０が形成されている。凸部２０は、突起１３の中心軸Ｑを中心とする円周に沿い、突起１３の中心軸Ｑを含む縦断面の形状及び大きさを均一にするリング状に形成されている。凸部２０は、複数（実施の形態では３つ）設けられている。即ち、突起１３の中心軸Ｑを中心とする直径の異なる複数の同心円上に夫々設けられている。
【００２１】
また、各凸部２０は、縦断面が三角形状に形成され、その突起１３側の上端縁２１が、縦断面において鋭角の角状に形成されている。更に、複数の凸部２０は、その縦断面の大きさが、夫々、異なって形成され、且つ、外側の凸部２０から内側の凸部２０にかけて順に大きくなるように形成されている。そして、凸部２０の内径Ｄ（Ｄ１〜Ｄ３）は、例えば、５００ｎｍ≦Ｄ≦１０μｍの範囲に設定され、凸部２０の高さｈ（ｈ１〜ｈ３）は、５０ｎｍ≦ｈ≦５００ｎｍの範囲に設定されている。
【００２２】
この実施の形態に係る近接場光プローブＰを作成するときは、例えば、石英やサファイヤなどの高屈折率光学材料からなる光透過性の矩形の基板１１を、切削あるいは化学的エッチングにより加工して、突起１３及び凸部２０を形成し、この突起１３及び凸部２０のある側の表面に、金，銀，白金，アルミやシリコンなどの皮膜を蒸着などにより被覆する。
【００２３】
従って、この実施の形態に係る近接場光プローブＰを用いた走査型近接場光学顕微鏡Ｍによれば、図２に示すように、近接場光プローブＰを、対物レンズ２側に移動した場合には、従来の顕微鏡観察及び顕微分光測定を行なうことができる。
また、近接場光プローブＰを、媒体Ｗ（試料）側に移動した場合には、近接場光プローブＰで生じる光電場増強効果によって、超解像分光測定を行なうことができる。この際、レンズ等により集光された光は、本体１０を通して媒体Ｗに入射し、これにより、突起１３の先端には高い空間フーリエ周波数成分をもつ近接場光が発生する。この場合、光電場は凸部２０により突起１３へ向けて集中させられ、即ち、突起１３の先端には光電場が集中し、近接場光強度が増強させられる。
【００２４】
また、凸部２０は、突起１３の中心軸を中心とする円周に沿うリング状に形成され、突起１３の中心軸Ｑを含む縦断面の形状及び大きさが均一に形成されているので、対称性の高さから、光電場の面内方位角成分の全てを有効に利用することができることによる突起先端で生じる近接場光への変換効率の向上と、突起先端で生じる近接場光への変換効率が入射光の偏光状態に依存しないという特徴を持つ。
【００２５】
また、凸部２０は、突起１３の中心軸Ｑを中心とする直径の異なる円周に沿って複数（実施の形態では３つ）設けられているので、表面プラズモンに対するブラッグミラーなどの回折素子あるいは干渉素子として機能させることができ、この点でも、より一層、突起１３の先端で生じる近接場光への変換効率が向上させられる。
【００２６】
更に、複数の凸部２０における縦断面の大きさを夫々異ならせるように、例えば、外側の凸部２０から内側の凸部２０にかけて順に大きくなるように形成したことで、表面プラズモンに対する回折あるいは干渉作用の効率を上げることができ、突起１３の先端で生じる近接場光への変換効率が向上させられる。
【００２７】
そしてまた、この走査型近接場光学顕微鏡Ｍによれば、近接場光プローブＰを透光性あるいは半透光性にしたことで、近接場光プローブＰの機能を使用しないときは、光学顕微鏡観察に影響を与えない。また、分光光学系を後方散乱配置にしていることで、不透明な試料でも、観察することが可能になる。そのため、金属や半導体を対象にできる。更に、近接場光プローブＰを対物レンズ２と媒体Ｗとの間に挿入したので、近接場光プローブＰの位置調整の自由度が高くなり、また、近接場光プローブＰの交換が容易で取り扱いやすくなる。
【００２８】
図３には、別の実施の形態に係る近接場光プローブＰを示している。これは上記と略同様に形成されるが、上記と異なって、各凸部２０は、縦断面が矩形状に形成され、その突起１３側の上端縁２１が、縦断面において直角の角状に形成されている。これによっても、上記と同様の作用，効果を奏する。
【００２９】
図４には、また別の実施の形態に係る近接場光プローブＰを示している。これは、上記と異なって、凸部２０を４つ以上（実施の形態では４つ）設け、各凸部２０を、形状及び大きさを同一に形成するとともに、平面から見て突起１３側に角状（θ＝３０°乃至６０°）の先端２２を形成し、突起１３を中心に互いに対称配置している。詳しくは、各凸部２０は、平面から見て突起１３側に角状の先端２２を有した二等辺三角形状に形成され、等角度関係で、配置されている。相対向する凸部２０の先端間の間隔Ｌは、例えば、５ｎｍ≦Ｌ≦１００ｎｍの範囲に設定され、凸部２０の高さｈ４は、５０ｎｍ≦ｈ４≦５００ｎｍの範囲に設定されている。
【００３０】
従って、この実施の形態に係る近接場光プローブＰによれば、光が本体１０を通して媒体Ｗに入射し、これにより、突起１３の先端には近接場光が発生する。この場合、光は凸部２０により突起１３へ向けて集中させられ、即ち、突起１３の先端には光の持つ電場が集中し、近接場光強度が増強させられる。
また、この場合、各凸部２０を平面から見て突起１３側に角状の先端２２を有した三角形状に形成して、突起１３を中心に対称配置したので、複数の頂点に挟まれた突起先端で近接場光の増強が生じる。この際、凸部を４つ以上配置することで、入射光の偏光状態に依存せずに近接場光の増強を生じさせることができる。
【００３１】
図５には、更にまた別の実施の形態に係る近接場光プローブＰを示している。これは、突起１３の周囲を十字状に掘削し、上記と同様に、凸部２０を４つ以上（実施の形態では４つ）設け、各凸部２０を、形状及び大きさを同一に形成するとともに、平面から見て突起１３側に角状（θ＝９０°あるいはθ＝３０°乃至６０°の鋭角）の先端を形成し、突起１３を中心に互いに対称配置している。突起１３の周囲を十字状に掘削したことから、各凸部２０の基端部２０ａが連設され連続する凸状の連設部２３を設けた構成となっている。即ち、凸部２０は、直角二等辺三角形状に形成され、等角度関係で、配置されている。相対向する凸部２０の先端間の間隔Ｌは、例えば、５ｎｍ≦Ｌ≦１００ｎｍの範囲に設定され、凸部２０及び連設部２３の高さｈ５は、１０ｎｍ≦ｈ５≦１００ｎｍの範囲に設定されている。これによっても、上記と同様の作用，効果を奏する。
【００３２】
尚、上記実施の形態において、凸部２０の形状，大きさ及び数などは上記に限定されるものではなく、適宜変更して差支えない。また、本発明の実施の形態に係る近接場光プローブの用途も、上記の近接場光学顕微鏡に限定されないことは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の形態に係る近接場光プローブを示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る近接場光プローブを用いた本発明の実施の形態に係る近接場光学顕微鏡を示す図である。
【図３】本発明の別の実施の形態に係る近接場光プローブを示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は平面図である。
【図４】本発明のまた別の実施の形態に係る近接場光プローブを示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は平面図である。
【図５】本発明の更に別の実施の形態に係る近接場光プローブを示す図であり、（ａ）は側面断面図、（ｂ）は平面図である。
【図６】従来の近接場光プローブの一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３４】
Ｐ  近接場光プローブ
Ｍ  近接場光学顕微鏡
Ｗ  媒体（試料）
１  ビームスプリッタ
２  対物レンズ
３  結像レンズ
１０  本体
１１  基板
１２  表面
１３  突起
Ｑ  中心軸
２０  凸部
２０ａ  基端部
２１  上端縁
２２  先端
２３  連設部
【図１】
2009115574.tif 000003
【図２】
2009115574.tif 000004
【図３】
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【図４】
2009115574.tif 000006
【図５】
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【図６】
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