傳播的光的電場強度進行計算。
[0059]圖8的(A)及(B)是用于對光學元件10的波導模擬實驗的條件進行說明的圖。分別如圖8的㈧及圖8的⑶所示，波導模擬實驗的對象的矩形區(qū)域具有中心區(qū)域34、圍繞中心區(qū)域34的圓環(huán)區(qū)域35、以及位于圓環(huán)區(qū)域35的外側的外側區(qū)域32。中心區(qū)域34、圓環(huán)區(qū)域35及外側區(qū)域32分別對應于光學元件10的空腔14、液晶區(qū)域15及樹脂層12。
[0060]在圖8的㈧的圓環(huán)區(qū)域35中，假設與光學元件10同樣地，液晶分子的長軸方向呈放射狀取向，具有各向異性。圖8的(A)的放射狀的粗箭頭表示液晶分子的取向方向。另一方面，作為比較例，假設圖8的⑶的圓環(huán)區(qū)域35中液晶分子未取向，具有各向同性。另夕卜，對于外側區(qū)域32，假設在圖8的㈧和圖8的⑶中的任一情況下都具有各向同性。
[0061]中心區(qū)域34的折射率為與空腔(真空)對應的η = 1.00或者與水對應的η =1.33，外側區(qū)域32的折射率為與丙烯酸樹脂對應的η = 1.50。中心區(qū)域34和外側區(qū)域32的折射率的設定與圖8的⑷和圖8的⑶相同。另一方面，對于圖8的⑷的圓環(huán)區(qū)域35，粗箭頭方向的非尋常光折射率為ne = 1.55，與粗箭頭方向垂直的方向的尋常光折射率為no = 1.47。圖8的⑶的圓環(huán)區(qū)域35的折射率為η = 1.55。
[0062]又，入射光在圖8的㈧和圖8的⑶中的任一情況下，都采用偏振方向為箭頭a方向的單波長的平面波(TE波)。
[0063]圖9的(A)?圖9的⑶是示出中心區(qū)域34為空腔的情況下的波導模擬實驗的結果的圖。圖9的(A)及圖9的⑶是圖8的(A)所示的條件下的結果，圖9的(C)及圖9的(D)是圖8的(B)所示的條件下的結果。各圖中，電場強度越高的點以越深的顏色來表示，電場強度越低的點以越淺的顏色來表示。又，在圖9的㈧和圖9的(C)中，與圓環(huán)區(qū)域35對應的部分用虛線表示。
[0064]如圖9的(A)及圖9的⑶所示，具有取向性的情況下，圓環(huán)區(qū)域35的右側部分和左側部分的電場強度最高。即，可知，光被限制在折射率高的圓環(huán)區(qū)域35中，特別是在液晶分子的取向方向與入射光的偏振方向(圖8的(A)的箭頭a方向)平行的圓環(huán)區(qū)域35的右側部分和左側部分，光進行波導。另一方面，如圖9的(C)及圖9的(D)所示，不具有取向性的情況下，在圓環(huán)區(qū)域35電場強度均勻變高。即可知，光在折射率高的圓環(huán)區(qū)域35的整周進行波導。
[0065]因此，可以說，若液晶分子具有取向性時，采用本實施例的液晶材料的話，僅與該取向方向平行的方向的偏振光具有光限制效應而被導波，因此在具有液晶分子呈大致放射狀取向的液晶區(qū)域15的光學元件10中，能夠保持徑向偏振光的偏振光特性，使光進行波導。也就是說，液晶的非尋常光折射率ne為1.55，尋常光折射率no為1.47，圖8的(A)的外側區(qū)域32的折射率為n = 1.50，因此僅液晶的非尋常光折射率ne比樹脂的折射率大。因此，僅非尋常光線的本征偏振光具有光限制效應，因此該情況下僅徑向偏振光受到光限制效應。
[0066]圖10的⑷?圖10的⑶是示出中心區(qū)域34填充有水的情況下的波導模擬實驗的結果的圖。與圖9的(A)及圖9的(B)同樣，圖10的(A)以及圖10的⑶為圖8的(A)所示的條件下的結果，圖10的(C)及圖10的⑶是圖8的⑶所示的條件下的結果。各圖中，電場強度越高的點以越深的顏色來表示，電場強度越低的點以越淺的顏色來表示。又，在圖10的(A)和圖10的(C)中，與圓環(huán)區(qū)域35對應的部分用虛線表示。
[0067]在圖10的(A)?圖10的⑶中，整體的深淺差比圖9的(A)?圖9的⑶小，關于圓環(huán)區(qū)域35的作為光波導區(qū)域的功能，可以說中心區(qū)域34為空腔的情況下更好。然而，中心區(qū)域34為水(η = 1.33)的情況下，各區(qū)域的折射率的大小關系與中心區(qū)域34為空腔(η = 1.00)的情況同樣，因此折射率高的圓環(huán)區(qū)域35中光被限制，可以觀察到與圖9的(A)?圖9的⑶同樣的趨勢。即，具有取向性的情況下的圖10的㈧及圖10的⑶中，在圓環(huán)區(qū)域35的右側部分和左側部分，光進行波導，不具有取向性的情況下的圖10的(C)及圖10的⑶中，光在圓環(huán)區(qū)域35的整周進行波導。因此，水流過光學元件10的空腔14的內部的情況下，也可得到與空腔14的內部為真空的情況同樣的偏振光波導的效果。
[0068]如以上說明的那樣，在光學元件10中具有液晶分子沿著作為管狀的空間的空腔14的大致圓形的截面的徑向呈大致放射狀取向的結構。由此，光學元件10能夠使沿液晶分子的取向偏振的徑向偏振光保持其偏振光方向地傳播。又，光學元件10通過采用非尋常光折射率及尋常光折射率雙方都比周圍的包層部分的折射率大的液晶材料，能夠使在與徑向上呈大致放射狀取向的液晶分子呈90°的角度的周向上偏振的角向偏振光也保持偏振方向地傳播。
[0069]最后，對光學元件10的應用例進行說明。光學元件10的應用例例如有利用表面等離子體共振(Surface Plasmon Resonance)現(xiàn)象的折射率傳感器(SPR傳感器)。表面等離子體共振是光以全反射角度以上的角度入射至與介質接觸的金屬薄膜的內表面時，與和金屬薄膜接觸的介質的折射率相應的波長及角度的光被吸收的現(xiàn)象。
[0070]圖11的(A)及(B)是用于對應用了光學元件10的SPR傳感器進行說明的圖。圖11的(A)是示出現(xiàn)有的波導型SPR傳感器20的實例。SPR傳感器20具有在上表面設置有金屬薄膜21的光波導管22。測定時，在金屬薄膜21之上放置有測定對象的樣品S，從光波導管22的入射面23入射光。光在光波導管22內反復全反射并傳播，根據(jù)樣品S的折射率而衰減。因此，通過檢測出從出射面24出射的光，觀察出射光相對于透射光量或者入射光的光譜變化，由此能夠測定樣品S的折射率變化。
[0071]圖11的⑶示出應用了圖1的光學元件10的波導型SPR傳感器。光學元件10用金屬薄膜17覆蓋空腔14的內壁，試樣S流過空腔14，使光在該周邊的液晶區(qū)域15傳播，由此能夠作為SPR傳感器使用。若用金屬薄膜17覆蓋空腔14的話，能夠將空腔14和液晶區(qū)域15的邊界面整體作為傳感器使用，因此相比于上述SPR傳感器20，傳感器的表面積變大。這樣，使用了光學元件10的SPR傳感器能夠與該面積比成比例地測定更微細的折射率的變化。特別是利用液晶區(qū)域15的液晶分子的取向性，對向作為傳感器部分的金屬薄膜17的入射光的偏振光進行控制，由此能夠提高SPR傳感器的靈敏度。
[0072]符號說明
[0073]10光學元件
[0074]12樹脂層
[0075]14 空腔
[0076]15液晶區(qū)域
[0077]16邊界面。
【主權項】
1.一種光學元件，其特征在于，具有:樹脂層；以及光波導區(qū)域，其形成于所述樹脂層內，光在所述樹脂層的長度方向上被導波，在所述光波導區(qū)域中，液晶分子在與所述長度方向垂直的截面呈大致放射狀地取向，所述光波導區(qū)域的折射率比所述樹脂層的折射率大。2.如權利要求1所述的光學元件，其特征在于，還具有形成于所述樹脂層內的、具有大致圓形的截面的管狀的空間，所述光波導區(qū)域以與所述管狀的空間接觸的形態(tài)形成，在所述光波導區(qū)域中，液晶分子沿所述大致圓形的截面的徑向呈大致放射狀地取向。3.如權利要求1或2所述的光學元件，其特征在于，所述樹脂層為丙烯酸樹脂層，所述液晶為P型液晶。
【專利摘要】提供一種具有能夠保持偏振方向地使徑向偏振光或者角向偏振光傳播的光波導區(qū)域的光學元件。光學元件具有：樹脂層；以及光波導區(qū)域，其形成于樹脂層，光在樹脂層的長度方向上被導波，在光波導區(qū)域，液晶分子在與長度方向垂直的截面呈大致放射狀地取向，光波導區(qū)域的折射率比樹脂層的折射率大。
【IPC分類】G02F1/13, G02B6/122, G02B6/12
【公開號】CN104884985
【申請?zhí)枴緾N201380068507
【發(fā)明人】加藤圣子, 井出昌史
【申請人】西鐵城控股株式會社
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2013年12月25日
【公告號】EP2940499A1, US20150323734, WO2014104105A1