光器件及分析装置的利记博彩app

专利名称：光器件及分析装置的利记博彩app
技术领域：
本发明涉及光器件及分析装置等。
背景技术：
近年来，用于医疗诊断或食品饮料的检查等中的传感器的需求增长，需要开发高灵敏度且小型的传感器。为了满足这样的需要，以电化学方法为首的各种类型的传感器得到研究。其中，因能集成化、低成本、不挑剔测定环境等理由，对使用表面等离子体共振的传感器的关注不断增长。例如，专利文献1中公开了通过金属周期结构使光与表面等离子激元耦合的表面等离子体共振传感器。[专利文献1]日本特开2007-240361号公报

发明内容
[发明要解决的课题]然而，在该传感器中，由于表面等离子体的共振条件对光的入射角度选择性大，只有特定的入射角的光才与表面等离子激元耦合。因此，存在只有被物镜汇聚的光的一部分与表面等离子激元耦合从而不能获得充分的传感灵敏度这一课题。根据本发明的若干方式，能够提供能提高光与表面等离子激元的耦合效率的光器件。[解决课题的手段]本发明的一方式涉及如下的光器件包括沿着与假想平面平行的方向排列导电体突起而成的突起群，上述突起群中上述突起的排列周期至少包括第一周期及与上述第一周期不同的第二周期，上述第一周期及上述第二周期是比入射光的波长λ 1短的周期。根据本发明的一方式，导电体的突起群沿着相对假想平面平行的方向排列。该突起群的排列周期至少包括比入射光的波长λ 1短的第一周期及第二周期。因此，提高光与表面等离子激元的耦合效率等成为可能。另外，在本发明的一方式中，上述突起群具有以上述第一周期排列的第一突起群以及以上述第二周期排列的第二突起群，上述第一突起群设置在第一区域，上述第二突起群可设置在与上述第一区域邻接的第二区域。另外，在本发明的一方式中，上述突起群具有以从上述第一周期逐步增长或缩短的第一可变周期排列的第一突起群、以及以从上述第二周期逐步增长或缩短的第二可变周期排列的第二突起群，上述第一突起群设置在第一区域，上述第二突起群可设置在与上述第一区域邻接的第二区域。另外，在本发明的一方式中，也可以是从上述第一区域到上述第二区域，上述第一突起群及上述第二突起群的周期逐步增长或缩短。根据这些本发明的一方式，能够以至少包括第一周期及与第一周期不同的第二周期的周期排列突起群。另外，在本发明的一方式中，上述入射光包括以相对朝向上述假想平面的垂线成第一角度而入射的光、以及以相对朝向上述假想平面的垂线成不同于上述第一角度的第二角度而入射的光，以上述第一角度入射的光入射到以上述第一周期排列的突起，以上述第二角度入射的光入射到以上述第二周期排列的突起，并且，设定上述突起群的材质、上述第一周期、上述第二周期、上述第一角度与上述第二角度，以使以上述第一周期排列的突起处的表面等离子体共振的共振波长以及以上述第二周期排列的突起处的上述表面等离子体共振的共振波长为上述波长λ 1。这样，能够使以第一周期排列的突起中的上述表面等离子体共振的共振波长和以第二周期排列的突起中的表面等离子体共振的共振波长成为与入射光的波长λ 1相同的波长。因此，能够使第一入射角度的入射光和第二入射角度的入射光与表面等离子激元耦
I=I O另外，在本发明的一方式中，上述第一周期可以是比上述第二周期长的周期。另外，在本发明的一方式中，上述第一周期可以是比上述第二周期短的周期。根据这些本发明的一方式，能够设定第一周期与第二周期的大小关系。因此，能调整表面等离子激元的传播方向。另外，在本发明的一方式中，上述突起群可排列在同一排列方向上。另外，在本发明的一方式中，上述突起群排列成条纹状，在整个条纹状排列上，上述突起群的排列方向是同一直线方向。另外，在本发明的一方式中，上述突起群被排列成同心圆状，上述突起群的排列方向是同心圆状排列的径向方向。根据这些本发明的一方式，能够沿着与基材的表面平行的方向在同一排列方向上排列突起群。另外，在本发明的一方式中，上述突起群的排列方向是与上述入射光的偏振方向相同的方向。另外，在本发明的一方式中，上述入射光是直线偏振光，上述突起群的排列方向是与上述直线偏振光的偏振方向相同的方向。另外，在本发明的一方式中，上述入射光是径向偏振光，上述突起群的排列方向是与上述径向偏振光的偏振方向相同的方向。根据这些本发明的一方式，能沿着与入射光的偏振方向相同的方向排列突起群。另外，在本发明的一方式中，上述突起群的顶面上包括由导电体形成的第一小突起群，上述第一小突起群中的突起间的间隔比上述突起群中的上述突起的排列周期短。这样，能在突起群的突起的顶面上形成第一小突起群。因此，能激发位于第一小突起群的表面的等离子体。另外，在本发明的一方式中，在与上述假想平面平行的面上且在上述突起群的相邻突起间包括由导电体形成的第二小突起群，上述第二小突起群中的突起间的间隔比上述突起群中的上述突起的排列周期短。这样，能在突起群的相邻的突起间形成第二小突起群。因此，能在第二小突起群上激发局域型的表面等离子体。
并且，本发明的另一方式涉及分析装置，包括光源；上述任一项所述的光器件； 第一光学系统，上述第一光学系统将来自上述光源的上述波长λ 1的光聚光至上述突起群，并使至少包括以相对朝向上述假想平面的垂线成第一角度而入射的成分以及以不同于上述第一角度的第二角度而入射的成分的入射光入射至上述突起群；第二光学系统，用于从被上述光器件的衍射光栅散射或反射的光中提取出拉曼散射光；以及检测器，检测通过上述第二光学系统而被接收的上述拉曼散射光。


图1 (A)、图1⑶是传感器芯片的比较例。图2是对入射光的入射角度的说明图。图3是比较例中的表面等离子体共振的示意说明图。图4是比较例中的表面等离子激元的色散曲线。图5(A)是本实施方式的传感器芯片的结构例的俯视图，图5(B)是本实施方式的传感器芯片的结构例的截面图。图6是Pl > Ρ2的情况下的表面等离子体共振的示意说明图。图7是表面等离子激元的色散曲线。图8 (A)、图8 (B)是与传感器芯片的光入射角度相对应的反射光强度的特性例。图9是传感器芯片的详细的结构例。图10是突起群排列成条纹状的情况下的聚焦光束的偏振方向的例子。图11是传感器芯片的第二结构例。图12是突起群排列成同心圆状的情况下的聚焦光束的偏振方向的例子。图13是传感器芯片的变形例。图14是Pl < Ρ2的情况的表面等离子体共振的示意说明图。图15是传感器芯片的第三结构例的截面图。图16是分析装置的结构例。图17是传感器芯片的配置位置的说明图。
具体实施例方式以下详细地说明本发明的适当的实施方式。此外，以下说明的本实施方式并非是对专利请求的范围内所述的本发明的内容的不当限定，本实施方式中说明的全部结构并非作为本发明的解决手段所必须的。1.比较例如上所述，在使用金属周期结构的表面等离子体共振传感器中，存在表面等离子体共振对入射光的入射角选择性大这一课题。使用图I(A) 图4来具体地说明这一点。图1(A)、图I(B)中示出本实施方式的传感器芯片(光器件)的比较例。图KA) 是传感器芯片的俯视图，图I(B)是传感器芯片的截面图。如图KA)所示，该传感器芯片SC 上形成有一维的凹凸的金属周期结构(用网状部分表示周期结构的突起部)。具体而言，如图1 (B)所示，在沿着传感器芯片SC的基材KB的平面的方向上以周期1 排列突起群TK。在该传感器芯片SC中，通过金属周期结构使光与表面等离子激元(SPP =SurfacePlasmon Polariton)耦合。该激发的表面等离子激元在金属周期结构的表面附近生成增强电场，该增强电场与附着在传感器表面的目标物作用并使其产生表面增强拉曼散射。然后， 通过获取该表面增强拉曼散射的散射光谱进行目标物(特定物质)的检测。如图2所示，向传感器芯片SC照射作为入射光的用物镜LN汇聚的激光LB。如此地用物镜LN聚光时，光线以各种角度入射到激光LB的照射区域IA0例如，在光轴上光线以 0al = 0°入射，在照射区域IA的外周上光线以0a2兴θ al入射。此时，在上述的传感器芯片SC中，由于金属周期结构的表面等离子体共振(SI3R :Surface Plasmon Resonance) 的光入射角选择性大，故只有具有特定的角度成分(例如9al = 0° )的光才与表面等离子激元耦合。使用图3、图4来说明这一点。图3是比较例中的表面等离子体共振的示意说明图。如图3所示，假设向周期1 的金属光栅以eai = o°、ea2>o°入射波数ka的光。于是，根据金属光栅的衍射条件， 对于θ al = 0°的入射光产生波数为2 31 /Pa的渐逝波(Evanescent Wave)，对于θ a2 > 0°的入射光产生波数为2 Ji /1 士kax的渐逝波。这里，kax = ka · sin θ a2。例如，假设表面等离子激元与波数为2 π/Pa的渐逝波耦合。于是，θ al = 0°的入射光激发出波数2 Ji /Pa的表面等离子体(SP =Surface Plasmon)。另一方面，在θ a2 > 0°的入射光中，波数2 π / 士kax的渐逝波未与表面等离子激元耦合，表面等离子体未被激发。图4示出比较例中的表面等离子激元的色散曲线。Al是色散曲线，A2是光线 (light line)，A3是表示θ al = 0°的情况下的衍射条件的直线，A4与A5是表示θ a2 > 0°的情况下的衍射条件的直线。共振条件通过表示衍射条件的直线A3 A5与色散曲线 Al的交点来表示。也就是说，在θ al = 0°的情况下，与频率ω O的入射光共振，在θ a2 > 0°的情况下与频率ω 1、ω 2兴ω O的入射光共振。因此，设激光LB为单一频率ω O时，只有特定的入射角度θ al = 0°的入射光与波数2 π /Pa的表面等离子激元耦合。这样，在比较例的传感器芯片中，由于只有以特定的角度(例如垂直入射θ al = 0° )入射的光与表面等离子激元耦合，所以只在传感器芯片的一部分上产生表面等离子体共振。因此，光与表面等离子激元的耦合效率变得极低，在高灵敏度地传感微弱的拉曼散射光上成为了课题。2.结构例因此，在本实施方式中。通过形成周期随入射光的入射角度而不同的金属光栅，以提高入射光与表面等离子激元的耦合效率，并提高表面增强拉曼散射等的传感灵敏度。使用图5(A) 图7来说明本实施方式的传感器芯片(光器件、金属光栅)。此外，以下由于设各结构要素为图上能识别的程度的大小，故各结构要素的尺寸或比例与实际物适当地有所不同。这里，以下说明将传感器芯片用于表面增强拉曼散射分光的情况，但在本实施方式中，但是不限于此情况，可将传感器芯片的增强电场用于各种分光方法中。并且，以下以传感器芯片是用金属形成的金属光栅的情况为例来说明，但本实施方式中并不限于此情况。也就是说，传感器芯片只要是用导电体形成的光栅即可，例如可以是用半导体(例如多晶硅)形成的光栅。图5(A)是本实施方式的传感器芯片的结构例的俯视图。该传感器芯片用于利用表面等离子体共振与表面增强拉曼散射检测目标物(目标物质、目标分子)，包括基材 100(基板)、第一突起群110、第二突起群120。该传感器芯片是具有一维周期结构的衍射光栅。具体而言，基材100含有金属(广义上为导体)，被形成为例如圆形或四角形的平板状。第一突起群110形成在第一区域Rl上，沿着与基材100的平面(广义上为表面)平行的第一方向Dl以周期Pl配置。第二突起群120形成在第二区域R2上，沿着方向Dl以与周期Pl不同的周期P2 (Pl > P2或Pl < P2)配置。这里，基材100的平面是与形成有突起群的一侧的基材100的表面130平行的平面。例如，在对基材100的俯视图中，第一突起群110与第二突起群120被形成为与正交于方向Dl的第二方向D2平行的条纹状。图5(B)是本实施方式的传感器芯片的结构例的截面图。该截面图的截面是与基材100的平面垂直的面，是与突起群110、120的排列方向Dl平行的面。如图5(B)所示，设基材100的平面的法线方向为方向D3。在玻璃基板140上形成金属薄膜150而得到基材100。第一突起群110由第一材质的金属形成，第二突起群120由第二材质的金属形成。通过这些金属薄膜150、第一突起群110、第二突起群120构成金属光栅160。第一、第二材质的金属是例如与金属薄膜150 为相同材质的金属，可使用Ag(银)、Au(金)、Pt (钼)、Cu(铜)、A1(铝)等或其合金。第一突起群110与第二突起群120的截面形状是从基材100的表面130开始高度为H的凸形状。凸形状是例如矩形(包括大致矩形)或台形、圆弧等。作为金属光栅160的制造方法， 能够利用电子束光刻或纳米压印。此外，在上述结构例中，举例说明了周期不同的两个金属凹凸结构被配置在分割成同心圆状的区域R1、R2上的情况，但在本实施方式中，并不限定于如图5㈧所示的区域 R2包围在区域Rl周围的情况。例如，在本实施方式中，也可以沿着方向Dl配置两个区域 R2并在这两个区域R2之间配置区域Rl。3.周期PI、P2的设定方法接着，说明本实施方式中的周期P1、P2的设定方法。首先，说明本实施方式的传感器芯片的功能。图6是Pl >P2的情况下的表面等离子体共振的示意说明图。此外，以下举例说明了 Pl > P2的情况，但如图14等所示，也可以是Pl < P2。如图6所示，设入射光的波数为ki，入射光以θ 1 = 0°入射到周期Pl的光栅上， 以θ 2 > 0°入射到周期Ρ2的光栅上。于是，根据金属光栅的衍射条件，在周期Pl的光栅中产生波数2 π /Pl的渐逝波，在周期Ρ2的光栅中产生波数2 π /Ρ2士kix的渐逝波。这里， kix = ki·Sine2o并且，入射光的入射角度是基材平面的法线方向D3的反方向(朝向基材平面的垂线)与入射光所成的角度。本实施方式中，设定周期P1、P2使其满足2Ji/P2-kiX = 2π/Ρ1。并且，设定周期 Pl以使表面等离子激元与波数2 π/Pl的渐逝波耦合。这样，入射角Θ1、Θ2两者的入射光与表面等离子激元耦合，在周期Pl、Ρ2两者的光栅中波数2 π/Pl的表面等离子体都被激发。此外，如图6所示，参照物镜的焦点在物镜侧配置传感器芯片(图17所示的位置Α)，在 Pl > Ρ2的情况下，表面等离子激元与从传感器芯片的内侧朝向外侧的波数的渐逝波耦合。 因此，表面等离子激元从传感器芯片的内侧向外侧传播。这样，本实施方式的传感器芯片通过形成于芯片表面的金属凹凸结构来使入射光与表面等离子激元耦合。然后，通过该表面等离子激元在金属凹凸结构的表面附近产生强局部电场。传感器芯片内侧的周期Pl的金属凹凸结构使具有垂直及其附近的角度成分的光与表面等离子激元强烈耦合。另一方面，外侧的周期P2的金属凹凸结构使具有倾斜角度成分的光与表面等离子激元强烈耦合。这样，与上述的比较例相比，有可能使入射到金属凹凸结构的光能量更多地与表面等离子激元耦合。接着，说明周期P1、P2的设定方法。图7示出本实施方式中的表面等离子激元的色散曲线。Bl是色散曲线，B2是光线，B3是表示θ 1 = 0°的情况下的衍射条件的直线， Β4与Β5是表示Θ2>0°的情况下的衍射条件的直线。首先，通过严格耦合波分析(RCWA Rigorous Coupled Wave Analysis)求出色散曲线 Bl (L. Li 和 C. W. Haggans, J. Opt. Soc. Am. ,A10,11841189 (1993))。色散曲线 Bl 是金属的种类、介质的种类或金属光栅的截面形状所固有的曲线。接着，设定周期P1，使入射光的频率ω = ω0 (角频率)与色散曲线Bl的交点Β6通过直线Β3。因而，能够通过周期Pl的光栅对入射角度θ 1的入射光产生表面等离子体共振。接着，设定周期Ρ2以使直线Β4 (或直线Β5)通过交点Β6。也就是说，设定周期Ρ2使其满足2 π /P2-kix = 2 π /Pl (或2 π / P2+kix = 2 π/Pl)。因此，能够通过周期P2的光栅对入射角θ 2的入射光产生表面等离子体共振。这样，能使两个金属凹凸结构具有相同的共振波长。然后，如上所述，在使用金属周期结构的表面等离子体共振传感器中，由于表面等离子体共振对入射光的入射角选择性大，所以存在只有被物镜汇聚的光的一部分与表面等离子激元耦合的课题。在这一点上，本实施方式的传感器芯片(光器件)配置有形成于基材100上的金属光栅160目标物，利用表面等离子体共振及表面增强拉曼散射来检测目标物。金属光栅 160(导电体光栅)具有由金属(导电体)形成的突起群110、120。该突起群110、120沿着与基材100的表面130(广义上为假想平面)平行的方向(例如方向Dl或径向方向)以比入射光的波长λ 1短的周期排列。该突起群的周期至少包括第一周期Pl及与第一周期Pl 不同的第二周期Ρ2(Ρ2兴Ρ1)。此外，上述举例说明了传感器芯片包括金属光栅160的情况，但在本实施方式中不限于此，传感器芯片甚至只要包括突起群110、120即可。也就是说，金属光栅160是由突起群110、120组成的周期结构的一例，在本实施方式中，传感器芯片不一定必需形成光栅。这里，至少包括周期Ρ1、Ρ2的突起群的周期可以是只包括周期Ρ1、Ρ2的周期，也可以是还包括与周期Ρ1、Ρ2不同的其他的周期的周期。并且，假想平面是以突起群110、120 的排列方向或入射光的入射角度θ 1、θ 2等为基准的平面，例如是与基材100的平面(例如基材100的表面130)平行的平面。因此，能够提高入射光与表面等离子激元的耦合效率。也就是说，如上所述，由于突起群的周期包括周期Pl与Ρ2，所以能够使不同入射角度Θ1、θ 2的入射光以相同的共振波长λ 1(频率ω0)与表面等离子激元耦合。具体而言，在本实施方式中，如图5(A)等所示，金属光栅160包括第一区域Rl以及与第一区域Rl邻接的第二区域R2。第一区域Rl上设置以第一周期Pl排列的第一突起群110，第二区域R2上设置以第二周期Ρ2排列的第二突起群120。这样，能够在区域R1、R2中以固定的周期P1、P2排列突起群。因此，能够用至少包括周期Pl及与Pl不同的周期P2的周期排列突起群。并且，在本实施方式中，也可在第一区域Rl上设置以从第一周期Pl开始逐步增长或缩短的第一可变周期排列的第一突起群，在第二区域R2上设置以从第二周期P2开始逐步增长或缩短的第二可变周期排列的第二突起群。例如，从第一区域Rl至第二区域R2，不在区域的边界急剧地变化周期(按照和区域内相同的规律性)而是使第一突起群及第二突起群的周期逐步增长或缩短。这样，能够在区域R1、R2上以从周期P1、P2开始逐步变化的可变周期排列突起群。 因此，能够以至少包括周期Pl及与Pl不同的周期P2的周期排列突起群。这里，周期逐步增长或缩短是每一周期或每多个周期使周期增长或缩短。例如，增长是单调增长、缩短是单调缩短。更具体地说，设可变周期为Pj (j是自然数)，当设向周期 Pj的突起的入射光的入射角度为9j、设θ 1 = 0°时，周期Pj增长或缩短使其满足2π/ Pj-ki · sin θ j = 2 π /Pl (或 2 π /Pj+ki · sin θ j = 2 π /Pl)。并且，在本实施方式中，如图6等所示，入射光包括以相对朝向基材100的平面的垂线成第一角度θ 1入射的光、以及以与第一角度θ 1不同的第二角度θ 2入射的光。以第一角度θ 1入射的光入射到第一突起群110(以第一周期Pl排列的突起)上，以第二角度Θ2入射的光入射到第二突起群120(以第二周期P2排列的突起)上。然后，如图7等所示，设定突起群的材质、周期Pl与周期P2，以使第一突起群110与第二突起群120上的表面等离子体共振的共振频率(共振波长)变为相同的频率ω0 (波长λ 1)。这样，能够设定突起群的材质、周期Pl与周期Ρ2，以使不同入射角度θ 1、θ 2的入射光以相同的共振频率ωΟ(共振波长λ 1)和表面等离子激元耦合。并且，在本实施方式中，如图6等所示，第一周期Pl是比第二周期Ρ2长的周期(Pl > Ρ2)。并且，在本实施方式中，如图14等所示，第一周期Pl也可以是比第二周期Ρ2短的周期(Pl < Ρ2)。这样，通过改变传感器芯片的内侧的周期Pl与外侧的周期Ρ2的长短能够使表面等离子激元的传播方向变为相反方向。例如图9或图11所示，在表面等离子激元从传感器芯片的内侧向外侧传播的情况下，能够在整个传感器芯片上得到无偏的增强电场。对于稀薄的目标物虽难以预测目标物的附着位置，但能通过无偏的增强电场来实现不依赖于附着位置的传感。此外，如图17所示，通过改换传感器芯片的配置能够更换表面等离子激元的传播方向。并且，在本实施方式中，突起群被排列在同一排列方向上。例如图5(A)所示，突起群被排列成条纹状(直线的条纹状)，在整个条纹状排列上，其排列方向是同一直线方向 D1。或者如图11所示，也可以是突起群被排列成同心圆状，其排列方向是同心圆状排列的径向方向(半径方向)。这样，能够沿着与基材100的表面平行的方向以至少包括第一周期Pl及与第一周期Pl不同的第二周期Ρ2(Ρ2兴Pl)的周期排列突起群。此外，在本实施方式中，金属光栅 160不限于一维周期结构，也可以是二维周期结构。并且，在本实施方式中，突起群的排列方向是与入射光的偏振方向相同的方向。例如图10所示，入射光是直线偏振光，突起群的排列方向是与直线偏振光的偏振方向相同的方向D1。或者如图12所示，也可以是，入射光为径向偏振光且突起群的排列方向是与径向偏振光的偏振方向相同的方向(同心圆的半径方向)。这样，能够在与入射光的偏振方向相同的方向上排列突起群。因此，能够通过入射光在沿着偏振方向的方向上诱发自由电子等离子的粗密波(compression wave)，能激发沿着突起群的排列方向传播的表面等离子体。此外，在本实施方式中，入射光也可以包括与突起群的排列方向相同的偏振方向的直线偏振光或径向偏振光。也就是说，不限于仅由与突起群的排列方向相同的偏振方向组成的入射光，只要入射光包括与突起群的排列方向相同的偏振方向的成分，则也可以包括其他的偏振方向的偏振光。并且，在本实施方式中，也可以如图15所示，在突起群(例如第一突起群110与第二突起群120)的顶面220上包括由金属形成的第一小突起群200。该第一小突起群沿着与基材100的平面平行的方向(方向Dl或径向方向)以比至少包括第一周期Pl及第二周期 P2的突起群的周期短的第一短周期PSl排列。并且，在本实施方式中，如图15所示，也可以在突起群的相邻的突起间的底面 230(与假想平面平行的面的突起群110、120的相邻的突起间)上包括由金属形成的第二小突起群210。该第二小突起群210沿着与基材100的平面平行的方向(方向Dl或径向方向)以比至少包括第一周期Pl及第二周期P2的突起群的周期短的第二短周期PS2排列。此外，以上举例说明了第一小突起群200以第一短周期PSl排列、第二小突起群 210以第二短周期PS2排列的情况，但本实施方式中不限于此。也就是说，第一小突起群200 或第二小突起群210不必有周期性，例如，各群中的突起的大小上也可稍有分布。这样，传播型的表面等离子体被突起群110、120激发，第一小突起群200或第二小突起群210上局域型的表面等离子体被该传播型的表面等离子体激发。因此，能进一步提高表面等离子体共振的电场增强度。4.详细的结构例使用图8(A) 图10来说明传感器芯片的详细的结构例。图8(A)示出了与传感器芯片的光入射角度相对应的反射光强度的特性例。如图 8(B)所示，金属凹凸结构的原材料是Ag，截面形状是矩形，凹凸的高度是45nm，激发波长是633nm，偏振方向是与金属凹凸结构的沟正交的方向。设金属凹凸结构的周期是590nm、 550nm、500nm、450nm时使入射角度在0° 30°的范围内变化。图8(A)所示，在周期590nm中，在光入射角度为0°的条件下看到了表面等离子体共振。并且，在周期550nm、500nm、450nm中，各光入射角度为5°、12°、20°的条件下看到
了表面等离子体共振。因此，在图5(A)所示的传感器芯片中，若设定Pl = 590nm、P2 = 500nm，能够使具有大约士 15度的入射角度幅度的聚焦光束与表面等离子激元耦合。这相当于使用NA = 0. 2 (NA 数值孔径)的透镜形成聚焦光束的情况。并且，如图9所示，也可以增加一个金属凹凸结构群的数目，将第三突起群170以周期P3排列的第三区域R3设置在第二区域R2的外侧。然后，若设定Pl = 590nm、P2 = 500nm、P3 = 450nm，能够使具有大约士25度的入射角度幅度的聚焦光束和表面等离子激元耦合。这相当于使用NA = 0. 4的镜片形成聚焦光束的情况。如图9的粗箭头所示，在Pl > P2 > P3的情况下，表面等离子激元沿着从内侧的区域Rl朝向外侧的区域R3的方向Dl传播。此外，图8(A)所示的角度特性中的共振峰的宽度的宽窄依赖于金属凹凸结构的高度。存在结构浅的情况下共振峰尖而深、结构深的情况下共振峰宽而浅的倾向。可以考虑这一点来确定配置的金属凹凸结构的数量(区域的数量、周期的变化幅度)。入射聚焦光束的角度幅度越广(聚光光学系统的NA越大)，则结构的数目越增加。图10中示出突起群排列成条纹状的情况下的聚焦光束的偏振方向的例子。如图 10所示，直线偏振光的聚焦光束LB入射到传感器芯片300上。该直线偏振光在入射光束 LB的入射区域IA整个表面上向相同的偏振方向Dl偏振。如图9等所示，偏振方向Dl是与突起群的排列方向Dl相同的方向。这样，金属光栅中的自由电子因在偏振方向上振动的电场而振动，从而在方向Dl上传播的表面等离子体被激发。5.第二结构例在上述的实施方式中，说明了金属凹凸结构排列成纵条纹状的情况，但在本实施方式中，周期不同的金属凹凸结构也可排列成同心圆状。图11示出了这样的传感器芯片的
第二结构例。该传感器芯片的金属光栅包括沿着半径方向Dr (径向方向)排列成同心圆状的第一突起群110、第二突起群120、第三突起群170。第一突起群110在包括同心圆的中心点 BP(基准点)的第一区域Rl上以第一周期Pl排列。第二突起群120在区域Rl的外侧的第二区域R2上以第二周期P2排列。第三突起群170在区域R2的外侧的第三区域R3上以第三周期P3排列。这些突起群的各突起被形成为以中心点BP为中心的圆形，半径方向Dr上的截面形状是例如矩形。此外如图11的粗箭头所示，在Pl > P2 > P3的情况下，被激发的表面等离子激元沿着从同心圆的中心点BP朝向外侧的方向Dr传播。接着，说明该传感器芯片的功能。该传感器芯片通过形成于芯片表面上的同心圆状的金属凹凸结构使入射光与表面等离子激元耦合，通过该表面等离子激元在金属凹凸结构的表面附近产生强局部电场。内侧的区域Rl的金属凹凸结构使具有垂直及其附近的角度成分的光与表面等离子激元强烈耦合。另一方面，外侧的区域R2、R3的金属凹凸结构使具有倾斜角度成分的光与表面等离子激元强烈耦合。这样，与上述的比较例相比，能够让入射至金属凹凸结构的光能量更多地与表面等离子激元耦合。并且，通过以同心圆状排列突起群，以不依赖于俯视下的旋转方向(图13所示的方向Dcp)的方式共振，故能够提高传感灵敏度。图12示出突起群被排列成同心圆状的情况下的聚焦光束的偏振方向的例子。如图12所示，径向偏振光的聚焦光束LB入射到传感器芯片300上。径向偏振光是绕物镜(第一光学系统)的光轴的对称的偏振光，在入射光束LB的入射区域IA中，径向偏振光向以同心圆的中心点BP为中心的半径方向Dr偏振。偏振方向Dr是与突起群的排列方向Dr相同的方向。这样，金属光栅中的自由电子因在偏振方向上振动的电场而振动，从而在方向Dr 上传播的表面等离子体被激发。6.变形例在上述实施方式中，说明了 Pl > P2 > P3的情况，但在本实施方式中，如图13所示，也可以是Pl <P2 <P3。在此情况下，如粗箭头所示，表面等离子激元沿着从同心圆的外侧朝向中心点BP的方向Dr传播。使用图14来具体地说明该传播方向。图14是Pl < P2的情况下的表面等离子体共振的示意说明图。此外，以下为了简明仅说明Pl与P2。
如图14所示，在周期Pl的光栅中产生波数2 π/Pl的渐逝波，在周期Ρ2的光栅中产生波数2 π /Ρ2士kix的渐逝波。在Pl < P2的情况下，设定周期P1、P2使其满足2 π / P2+kix = 2 π /PI。于是，表面等离子激元与从传感器芯片的外侧朝向内侧的波数的渐逝波耦合。因此，表面等离子激元从传感器芯片的外侧向内侧传播。7.第三结构例在上述实施方式中，传播型的表面等离子体被突起群激发，但在本实施方式中，衍射光栅也可包括激发局域型的表面等离子体的其他的突起群。图15是该传感器芯片的第三结构例的截面图。该传感器芯片包括基材100、第一突起群110、第二突起群120、第一小突起群200、 第二小突起群210。此外，以下以相同的符号标记与图5(B)等中说明的结构要素为相同结构的要素并省略适当的说明。如图15所示，第一小突起群200在第一突起群110与第二突起群120 (以下称突起群)的顶面220上沿着突起群的排列方向Dl (或方向Dr)周期性排列。第二小突起群210 在突起群的突起间的底面230上沿着突起群的排列方向Dl (或方向Dr)周期地配置。更具体而言，第一小突起群200从顶面220开始的高度为H2，以比突起群的周期 Pl、P2短的第一短周期PSl排列。第二小突起群210从底面230开始的高度为H3，以比突起群的周期PI、P2短的第二短周期PS2排列。例如，优选设定周期PSl或PS2在500nm以下，高度H2或H3设定在200nm以下。此外，高度H3可以是H3 > Hi，也可以是H3彡HI。在小突起群的排列方向Dl的截面中，第一小突起群200与第二小突起群210(以下称小突起群)的各突起的截面形状被顶面220与底面230形成为凸形状。该凸形状是矩形、台形或圆弧等。例如图5(A)所示，在突起群形成为条纹状的情况下，小突起群被形成为与突起群平行的条纹状。或如图11所示，在突起群被形成为同心圆状的情况下，小突起群被形成为以突起群的中心点BP为中心的同心圆状。该小突起群可用与突起群相同的金属形成，也可用不同的金属形成。此外，上述中小突起群的排列方向与突起群的排列方向是相同的，但在本实施方式中，小突起群的排列方向与突起群的排列方向也可以是不同的方向。在此情况下，排列周期PSl或PS2变为方向Dl中的排列周期。接着，说明该第三结构例的传感器芯片的表面增强拉曼散射。在本实施方式中，聚光激发光并使其入射至传感器芯片。于是，如上所述，传播型的表面等离子体被突起群激发。该表面等离子体沿着金属光栅160的表面传播，在小突起群上激发局域型的表面等离子体。然后，该局域型的表面等离子体在小突起群的突起间激发增强电场，该增强电场与目标物的相互作用产生表面增强拉曼散射。此时，由于小突起群的突起间隔狭窄，突起间激发了较强的增强电场。因此，即使吸附在突起间的目标物是一个至几个，通过该增强电场也能产生强烈的表面增强拉曼散射。8.分析装置图16示出包含本实施方式的传感器芯片的分析装置的结构例。该分析装置(广义上为分光装置)包括传感器芯片300(光器件)、激光源310(广义上为光源)、准直镜片320、 偏振控制元件330、物镜350 (第一光学系统)、分色镜340、聚光镜片360、标准具370 (广义上为340、360与370是第二光学系统)、光检测器380 (检测器)、搬送部420以及支撑部430。此外，本实施方式的分析装置不限于图16的结构，可以实施省略其结构要素的一部分 (例如传送部)或追加其他的结构要素等各种的变形。激光源310出射用于激发表面等离子体的激光。激光的波长与传感器芯片300的共振波长相等，例如是633nm。从激光源310出射的激光被准直镜片320变为平行光，被偏振控制元件330变为直线偏振光(或径向偏振光)。通过偏振控制元件330的激光被分色镜340导向传感器芯片300的方向并在物镜350聚光，入射至被支撑部430支撑的传感器芯片300。传感器芯片300的表面上形成有例如金属光栅或检测物质选择机构。该金属光栅的周期比激光的波长短。如图16所示的箭头示出目标物的传送方向。通过控制风扇(省略图示)的驱动从送入口 400向传送部420的内部导入目标物，并从排出口 410排出至传送部420的外部。 此时，通过传送部420的目标物的一部分附着在支撑部430支撑的传感器芯片300上，从而目标物(省略图示)被配置在传感器芯片300的表面上。激光入射到金属光栅表面时，自由电子与激光的振动一起共振振动，在金属光栅表面的附近通过表面等离子激元生成极强的增强电场。例如一至数个目标物质接近该金属光栅表面时，从该目标物质产生表面增强拉曼散射。来自传感器芯片300的瑞利散射光与拉曼散射光通过物镜350并被分色镜340导向光检测器380的方向。该散射光在聚光镜片 360处聚光，通过标准具370(分光器)入射至光检测器380。然后，通过标准具370从散射光中分光出拉曼散射光，再通过光检测器380接受该拉曼散射光。这样，散射光被光谱解析从而得到目标物的光谱信息。根据以上的分析装置，通过包括具有周期不同的金属细微结构的传感器芯片300， 能够使存在角度幅度的入射聚焦光束与表面等离子激元有效地耦合。因此，能够高效率地实现高灵敏度的表面等离子体共振传感器，从表面增强拉曼散射光谱检测目标物的有无。 并且，由于是高灵敏度，即使是低浓度的被测定物质也能正确地予以定性或定量。并且，由于本实施方式的传感器芯片是薄膜类型，能够配置在狭窄的地方，所以可以使分析装置小型化。此外，本实施方式的分析装置可广泛地应用于麻药或爆炸物检测、医疗或健康诊断、食品的检查中所用的传感装置。并且，也可以作为抗原抗体反应中抗原的吸着的有无等这类的检验物质的吸着的有无的亲和传感器等来使用。9.传感器芯片的配置位置在上述的分析装置中，可使传感器芯片300为可装卸的。在此情况下，为了使传感器芯片300的表面与聚焦光束的聚光面(偏移焦点的位置)相适应，自动对焦等的附加的机构是必须的。这一点，如图17所示，通过在聚焦光束的焦点的上下某处设置偏置(offset)，可以不需要装卸时使传感器芯片300与聚光面对准的操作。具体而言，传感器芯片300在参照焦点(聚光点)在物镜350侧的位置A或参照焦点在物镜350的相对侧的位置B中的任一处配置。因此，能够简化分析装置的结构。并且，通过在位置A与位置B上更换传感器芯片300的配置，即使是相同周期结构的传感器芯片300也能改变表面等离子激元的传播方向。例如图11所示，在Pl > P2 > P3 的金属凹凸结构的情况下，放置在焦点前的位置A时，被激发的表面等离子激元从中心向外侧传播。另一方面，放置在焦点后的位置B时，被激发的表面等离子激元从外侧向中心传播。在金属纳米结构的传感应用中，并非必须使表面等离子激元集中在传感器芯片 300的中心并只提高中心处的局部电场的强度。局部电场只在中心被增强，是因为存在与传感器芯片300的灵敏度均勻性或传感的再现性相反的情况。优选根据对什么样的物质进行怎样的检测之类的传感的用途，考虑表面等离子激元的传播方向从而决定金属凹凸结构的构成与配置位置。这里，如图17所示，包括与物镜350的光轴一致的光线的聚焦光束入射到传感器芯片300上。然后，配置物镜350与传感器芯片300以使物镜350的光轴通过传感器芯片 300的区域Rl (图11等示出的区域Rl)。但是本实施方式不限于此情况，只要向传感器芯片300上入射入射角度上有幅度的聚焦光束即可。此外，虽然上述详细地说明了本实施方式，但可以进行并未实质脱离本发明的创新事项以及效果的许多变形，这是本领域的技术人员容易理解的。因此，这样的变形例全部包括在本发明的范围内。例如，在说明书或附图中，至少一次与更广义或同义的不同术语 (目标物、入射光、衍射光栅、导体等)一起记述的术语(目标物质、聚焦光束、金属光栅、金属等)，在说明书或附图的所有位置都能替换为该不同的术语。并且，光器件、分析装置等的结构、操作也不限于本实施方式中所说明的，也可进行各种变形。符号说明
100基材110第一突起群
120第二突起群130基材的表面
140玻璃基板150金属薄膜
160金属光栅170第三突起群
200第一小突起群210第二小突起群
220突起群的顶面230突起群的突起间的底面
300传感器芯片310激光源
320准直镜片330偏振控制元件
340分色镜350物镜
360聚光镜片370标准具
380光检测器400送入口
410排出口420传送部
430支持部Dl第一方向
D2第二方向D3法线方向
Dr径向方向IA入射区域
ki入射光的波数LB入射光束
Pl第一周期Ρ2第二周期
P3第三周期PSl第一短周期
PSl第二短周期Rl第一区域
R2第二区域R3第三区域
θ 1第一角度θ 2第二角度
λ 1共振波长ω 0共振频率c
权利要求
1.一种光器件，其特征在于，包括沿着与假想平面平行的方向排列导电体突起而成的突起群， 所述突起群中所述突起的排列周期至少包括第一周期及与所述第一周期不同的第二周期，所述第一周期及所述第二周期是比入射光的波长λ 1短的周期。
2.根据权利要求1所述的光器件，其特征在于， 所述突起群具有以所述第一周期排列的第一突起群；以及以所述第二周期排列的第二突起群， 所述第一突起群设置在第一区域， 所述第二突起群设置在与所述第一区域邻接的第二区域。
3.根据权利要求1所述的光器件，其特征在于， 所述突起群具有以从所述第一周期逐步增长或缩短的第一可变周期排列的第一突起群；以及以从所述第二周期逐步增长或缩短的第二可变周期排列的第二突起群， 所述第一突起群设置在第一区域， 所述第二突起群设置在与所述第一区域邻接的第二区域。
4.根据权利要求3所述的光器件，其特征在于，从所述第一区域到所述第二区域，所述第一突起群及所述第二突起群的周期逐步增长或缩短。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光器件，其特征在于，所述入射光包括以相对朝向所述假想平面的垂线成第一角度而入射的光；以及以相对朝向所述假想平面的垂线成不同于所述第一角度的第二角度而入射的光， 以所述第一角度入射的光入射到以所述第一周期排列的突起，以所述第二角度入射的光入射到以所述第二周期排列的突起，并且，设定所述突起群的材质、所述第一周期、所述第二周期、所述第一角度与所述第二角度，以使以所述第一周期排列的突起处的表面等离子体共振的共振波长以及以所述第二周期排列的突起处的所述表面等离子体共振的共振波长为所述波长λ 1。
6.根据权利要求5所述的光器件，其特征在于， 所述第一周期是比所述第二周期长的周期。
7.根据权利要求5所述的光器件，其特征在于， 所述第一周期是比所述第二周期短的周期。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光器件，其特征在于， 所述突起群排列在同一排列方向上。
9.根据权利要求8所述的光器件，其特征在于，所述突起群排列成条纹状，在整个条纹状排列上，所述突起群的排列方向是同一直线方向。
10.根据权利要求8所述的光器件，其特征在于， 所述突起群被排列成同心圆状，所述突起群的排列方向是同心圆状排列的径向方向。
11.根据权利要求1至7中任一项所述的光器件，其特征在于， 所述突起群的排列方向是与所述入射光的偏振方向相同的方向。
12.根据权利要求11所述的光器件，其特征在于， 所述入射光是直线偏振光，所述突起群的排列方向是与所述直线偏振光的偏振方向相同的方向。
13.根据权利要求11所述的光器件，其特征在于， 所述入射光是径向偏振光，所述突起群的排列方向是与所述径向偏振光的偏振方向相同的方向。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的光器件，其特征在于， 所述突起群的顶面上包括由导电体形成的第一小突起群，所述第一小突起群中的突起间的间隔比所述突起群中的所述突起的排列周期短。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的光器件，其特征在于，在与所述假想平面平行的面上且在所述突起群的相邻突起间包括由导电体形成的第二小突起群，所述第二小突起群中的突起间的间隔比所述突起群中的所述突起的排列周期短。
16.一种分析装置，其特征在于，包括 光源；权利要求1至15中任一项所述的光器件；第一光学系统，所述第一光学系统将来自所述光源的所述波长λ 1的光聚光至所述突起群，并使至少包括以相对朝向所述假想平面的垂线成第一角度而入射的成分以及以不同于所述第一角度的第二角度而入射的成分的入射光入射至所述突起群；第二光学系统，用于从被所述光器件的衍射光栅散射或反射的光中提取出拉曼散射光；以及检测器，检测通过所述第二光学系统而被接收的所述拉曼散射光。
全文摘要
本发明提供了光器件及分析装置。该光器件包括沿着与假想平面平行的方向排列导电体突起而成的突起群。突起群中的突起的排列周期至少包括第一周期及与第一周期不同的第二周期。第一周期及第二周期是比入射光的波长短的周期。
文档编号G01N21/65GK102297853SQ201110124500
公开日2011年12月28日 申请日期2011年5月13日 优先权日2010年5月13日
发明者尼子淳, 山田耕平 申请人:精工爱普生株式会社