分析裝置及方法、光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法以及電子設(shè)備的制作方法
【專利摘要】提供一種具備基于由光照射激發(fā)的等離子體的光的增強(qiáng)度大、HSD也高的光學(xué)元件的分析裝置及方法、光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法以及電子設(shè)備。該分析裝置具備：光學(xué)元件，其包括金屬層、設(shè)置于所述金屬層上且透過光的透光層、以及在所述透光層上在第一方向以第一間隔排列并且在與所述第一方向交叉的第二方向以第二間隔排列的多個(gè)金屬粒子；光源，其向光學(xué)元件照射與第一方向相同方向的直線偏振光；檢測(cè)器，檢測(cè)從光學(xué)元件放射的光，光學(xué)元件的金屬粒子的配置滿足下式（1）的關(guān)系。P1＜P2≤Q+P1…（1），其中，P1、P2是第一、第二間隔，Q是由下式（2）給出的衍射光柵的間隔。（ω/c）·{ε·ε（ω）/（ε＋ε（ω））}1/2＝ε1/2·（ω/c）·sinθ＋2mπ/Q（m＝±1、±2）…（2）。
【專利說明】分析裝置及方法、光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法以及電子設(shè)備
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種分析裝置、分析方法、用于它們的光學(xué)元件以及電子設(shè)備和光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]以醫(yī)療健康領(lǐng)域?yàn)榇碓诃h(huán)境、食品、公安等領(lǐng)域中，需要高靈敏度、高精度、迅速且簡(jiǎn)便地檢測(cè)微量物質(zhì)的傳感技術(shù)。作為傳感的對(duì)象的微量的物質(zhì)涉及非常多的方面，例如細(xì)菌、病毒、蛋白質(zhì)、核酸、各種抗原抗體等生物體關(guān)聯(lián)物質(zhì)、包含無機(jī)分子、有機(jī)分子、高分子的各種化合物成為傳感對(duì)象。目前，微量物質(zhì)的檢測(cè)可經(jīng)過取樣、分析、解析而進(jìn)行，然而由于需要專用的裝置，要求檢查操作人員的熟練，在現(xiàn)場(chǎng)的分析困難的情況很多。因此，到得到檢查結(jié)果需要長時(shí)間(數(shù)日以上)。在傳感技術(shù)中，迅速且簡(jiǎn)便的要求非常強(qiáng)烈，期望根據(jù)該要求能夠進(jìn)行的傳感器的開發(fā)。
[0003]例如，從所謂集成化比較容易、難以受到檢查測(cè)量環(huán)境影響的期待出發(fā)，對(duì)利用表面等離子體共振(SPR:Surface Plasmon Resonance)的傳感器、利用表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS:Surface_Enhanced Raman Scattering)的傳感器的關(guān)心日益增高。
[0004]然后，以更高靈敏度的傳感為目的，作為具備實(shí)現(xiàn)使局域型等離子體(LSP:Localized Surface Plasmon)和傳播型等離子體(PSP:Propageted Surface Plasmon)的雙模式同時(shí)共振的混合模式的構(gòu)造的傳感器元件的一個(gè)例子，在非專利文獻(xiàn)I中提供了一種所謂GSPP (Gap type Surface Plasmon Polariton)的兀件。此外，在非專利文獻(xiàn)2中說明了 LSP以及PSP的電磁f禹合(Electromagnetic Coupling)的基礎(chǔ)事項(xiàng)，公開了具有建設(shè)性地使LSP和PSP干涉的構(gòu)成的元件(專利文獻(xiàn)1、2)。
[0005]上述專利文獻(xiàn)I中公開的傳感器具有形成于由電介質(zhì)構(gòu)成的基板上的納米粒子規(guī)則地排列為晶格狀的層。然后，粒子的尺寸為2nm?200nm，該粒子層在排列為方形晶格狀的情況下以50nm?數(shù)μ m的粒子間間隔配置，在配置為形成衍射光柵的情況下，成為在行內(nèi)以Inm?1nm的粒子間間隔配置、行間的間隔為0.1 μ m以上的陣列。
[0006]此外，上述專利文獻(xiàn)2中公開的傳感器具有形成于基板上的所謂共振鏡的200nm?500nm厚度的由銀、金或者鋁形成的蒸鍍層。然后，具有形成于該蒸鍍層上的所謂透光層的不足50nm的厚度的電介質(zhì)層、形成于該電介質(zhì)層上的所謂納米粒子層的金、銀等粒子配置的粒子層。粒子的尺寸為50nm?200nm，該粒子層成為粒子以小于入射光的波長的間隔到粒子尺寸加上Onm?20nm的間隔的之間粒子間間隔等間隔地規(guī)則地配置的陣列。
[0007]然而，專利文獻(xiàn)1、2中公開的傳感器中，沒有考慮入射光的波長或偏振狀態(tài)和陣列的排列的關(guān)系成為一個(gè)原因，不一定得到充分的信號(hào)放大率。
[0008]此外，非專利文獻(xiàn)1、2中提出利用局域型等離子體和傳播型等離子體的相互作用的方式，然而在這些方式中，存在所謂Hot Spot Density (HSD)低的課題。
[0009]現(xiàn)行技術(shù)文獻(xiàn)
[0010]專利文獻(xiàn)[0011 ]專利文獻(xiàn)1:國際公開2009/002524號(hào)
[0012]專利文獻(xiàn)2:國際公開2005/114298號(hào)
[0013]非專利文獻(xiàn)
[0014]非專利文獻(xiàn)I:0PICS LETTERS, Vol.34，N0.3，2009，244-246
[0015]非專利文獻(xiàn)2:0PICS LETTERS, Vol.30，N0.24，2005，3404-3406。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]本發(fā)明是為了解決上述課題中至少一部分而完成的，與其幾個(gè)方式相關(guān)的一個(gè)目的是提供一種基于由光照射激發(fā)的等離子體的光的增強(qiáng)度大、HSD也高的光學(xué)元件及其設(shè)計(jì)方法。此外，與本發(fā)明的幾個(gè)方式相關(guān)的方式的一個(gè)目的是提供一種具備這樣的光學(xué)元件的分析裝置以及電子設(shè)備和分析方法。
[0017]與本發(fā)明相關(guān)的分析裝置的一個(gè)方式具備:光學(xué)元件，其包括金屬層、設(shè)置于所述金屬層上且透過光的透光層、以及在所述透光層上在第一方向以第一間隔排列并且在與所述第一方向交叉的第二方向以第二間隔排列的多個(gè)金屬粒子；光源，其向所述光學(xué)元件照射與所述第一方向相同方向的直線偏振光的入射光；檢測(cè)器，其檢測(cè)從所述光學(xué)兀件放射的光，所述光學(xué)元件的所述金屬粒子的配置滿足下式(I)的關(guān)系。
[0018]Pl < P2 ≤ Q + Pl...(I)
[0019]其中，Pl表示所述第一間隔，P2表示所述第二間隔，Q表示當(dāng)設(shè)所述金屬粒子列激發(fā)的局域型等離子體的角頻率為ω、構(gòu)成所述金屬層的金屬的介電常數(shù)為ε (ω)、所述金屬層的外圍的介電常數(shù)為ε、真空中的光速為C、所述入射光的照射角即從所述透光層的厚度方向的傾斜角為Θ時(shí)由下式(2)給出的衍射光柵的間隔。
[0020]( ω /c).{ ε.ε (ω) / ( ε + ε ( ω )) }1/2 = ε 1/2.(ω/c).sin θ + 2m π /Q Cm = ±1、±2、...)...(2)
[0021]根據(jù)這樣的分析裝置，通過具備基于等離子體的光的增強(qiáng)度大、HSD也高的光學(xué)元件，能夠容易地進(jìn)行微量物質(zhì)的檢測(cè)、測(cè)量。
[0022]在與本發(fā)明相關(guān)的分析裝置中，所述間隔Ρ2可以滿足60nm≤P2≤1310nm的關(guān)
系O
[0023]根據(jù)這樣的分析裝置，由于具備基于等離子體的光的增強(qiáng)度更大的光學(xué)元件，因此能夠更加容易地進(jìn)行微量物質(zhì)的檢測(cè)、測(cè)量。
[0024]在與本發(fā)明相關(guān)的分析裝置中，所述間隔P2可以滿足60nm≤P2≤660nm的關(guān)系。
[0025]根據(jù)這樣的分析裝置，由于具備基于等離子體的光的增強(qiáng)度更大的光學(xué)元件，因此能夠更加容易地進(jìn)行微量物質(zhì)的檢測(cè)、測(cè)量。
[0026]在與本發(fā)明相關(guān)的分析裝置中，所述間隔Pl可以滿足60nm≤Pl ≤ 120nm的關(guān)系。
[0027]根據(jù)這樣的分析裝置，由于具備基于等離子體的光的增強(qiáng)度更大的光學(xué)元件，因此能夠更加容易地進(jìn)行微量物質(zhì)的檢測(cè)、測(cè)量。
[0028]在與本發(fā)明相關(guān)的分析裝置中，所述金屬粒子的所述第一方向的大小D可以滿足30nm < D < 72nm 的關(guān)系。
[0029]根據(jù)這樣的分析裝置，由于具備基于等離子體的光的增強(qiáng)度更大的光學(xué)元件，因此能夠更加容易地進(jìn)行微量物質(zhì)的檢測(cè)、測(cè)量。[0030]在與本發(fā)明相關(guān)的分析裝置中，所述金屬粒子的高度方向的大小T可以滿足4nm < T < 20nm 的關(guān)系。
[0031]根據(jù)這樣的分析裝置，由于具備基于等離子體的光的增強(qiáng)度更大的光學(xué)元件，因此能夠更加容易地進(jìn)行微量物質(zhì)的檢測(cè)、測(cè)量。
[0032]在與本發(fā)明相關(guān)的分析裝置中，所述透光層是以所述金屬粒子的高度方向?yàn)楹穸确较虻碾娊橘|(zhì)層，所述電介質(zhì)層的厚度G可以滿足20nm≤G≤60nm的關(guān)系。
[0033]根據(jù)這樣的分析裝置，由于具備基于等離子體的光的增強(qiáng)度更大的光學(xué)元件，因此能夠更加容易地進(jìn)行微量物質(zhì)的檢測(cè)、測(cè)量。
[0034]在與本發(fā)明相關(guān)的分析裝置中，所述檢測(cè)器可以檢測(cè)被所述光學(xué)元件增強(qiáng)的拉曼散射光。
[0035]根據(jù)這樣的分析裝置，由于具備基于等離子體的光的增強(qiáng)度更大的光學(xué)元件，因此能夠增強(qiáng)拉曼散射光，能夠容易地進(jìn)行微量物質(zhì)的鑒定。
[0036]在與本發(fā)明相關(guān)的分析裝置中，所述光源可以向所述光學(xué)元件照射具有比所述金屬粒子的所述高度方向的大小T以及所述第一方向的大小D大的波長的所述入射光。
[0037]根據(jù)這樣的分析裝置，由于能夠進(jìn)一步改進(jìn)基于等離子體的光的增強(qiáng)度大的光學(xué)元件的能力，因此能夠更加容易地進(jìn)行微量物質(zhì)的檢測(cè)、測(cè)量。
[0038]與本發(fā)明相關(guān)的光學(xué)元件的一個(gè)方式是設(shè)置于與本發(fā)明相關(guān)的分析裝置的光學(xué)兀件，照射與所述地方向 相同方向的直線偏振光。
[0039]這樣的光學(xué)元件基于等離子體的光的增強(qiáng)度大。
[0040]與本發(fā)明相關(guān)的分析方法的一個(gè)方式是向光學(xué)兀件照射入射光、根據(jù)所述入射光的照射檢測(cè)從所述光學(xué)元件放射的光、從而分析附著于光學(xué)元件表面的對(duì)象物的分析方法，所述光學(xué)元件包括金屬層、設(shè)置于所述金屬層上且透過光的透光層、及在所述透光層上在第一方向以第一間隔排列并且在與所述第一方向交叉的第二方向以第二間隔排列的多個(gè)金屬粒子，所述光學(xué)元件的所述金屬粒子被配置為滿足下式(I)的關(guān)系，所述分析方法中，向所述光學(xué)兀件照射與所述第一方向相同方向的直線偏振光的所述入射光。
[0041]Pl < P2 ≤ Q + Pl...(I)
[0042]在此，Pl表示所述第一間隔，P2表示所述第二間隔、Q表示當(dāng)設(shè)所述金屬粒子列激發(fā)的局域型等離子體的角頻率為ω、構(gòu)成所述金屬層的金屬的介電常數(shù)為ε (ω)、所述金屬層的外圍的介電常數(shù)為ε、真空中的光速為C、所述入射光的照射角即從所述透光層的厚度方向的傾斜角為Θ時(shí)由下式(2)給出的衍射光柵的間隔。
[0043]( ω /c).{ ε.ε (ω) / ( ε + ε ( ω )) }1/2 = ε 1/2.(ω/c).sin θ + 2m π /Q Cm = ±1、±2、...)...(2)
[0044]根據(jù)這樣的分析方法，由于使用基于等離子體的增強(qiáng)度大、HSD高的光學(xué)元件，因此能夠容易地進(jìn)行微量物質(zhì)的檢測(cè)、測(cè)量。
[0045]與本發(fā)明相關(guān)的光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法的一個(gè)方式是包括金屬層、設(shè)置于所述金屬層上且透過光的透光層、及在所述透光層上在第一方向以第一間隔排列并且在與所述第一方向交叉的第二方向以第二間隔排列的多個(gè)金屬粒子的光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，所述金屬粒子被配置為滿足下式(I)的關(guān)系。
[0046]Pl < Ρ2 ≤ Q + Pl...(I)[0047]在此，Pl表示所述第一間隔、P2表示所述第二間隔、Q表示當(dāng)設(shè)所述金屬粒子列激發(fā)的局域型等離子體的角頻率為ω、構(gòu)成所述金屬層的金屬的介電常數(shù)為ε (ω)、所述金屬層的外圍的介電常數(shù)為ε、真空中的光速為C、所述入射光的照射角即從所述透光層的厚度方向的傾斜角為Θ時(shí)由下式(2)給出的衍射光柵的間隔。
[0048]( ω /c).{ ε.ε (ω) / ( ε + ε ( ω )) }1/2 = ε 1/2.(ω/c).sin θ + 2m π /Q Cm = ±1、±2、...)...(2)
[0049]根據(jù)這樣的設(shè)計(jì)方法，能夠設(shè)計(jì)基于等離子體的光的增強(qiáng)度大、HSD也高的光學(xué)元件。
[0050]與本發(fā)明相關(guān)的光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法的一個(gè)方式是包括金屬層、設(shè)置于所述金屬層上且透過光的透光層、及在所述透光層上在第一方向以第一間隔排列并且在與所述第一方向交叉的第二方向以第二間隔排列的多個(gè)金屬粒子的光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，在所述設(shè)計(jì)方法中，在所述第一方向以及所述第二方向矩陣狀地配置所述金屬粒子，以便產(chǎn)生局域型等離子體以及傳播型等離子體。
[0051]根據(jù)這樣的設(shè)計(jì)方法，能夠設(shè)計(jì)基于等離子體的光的增強(qiáng)度大的光學(xué)元件。
[0052]與本發(fā)明相關(guān)的電子設(shè)備的一個(gè)方式具備與本發(fā)明相關(guān)的分析裝置、根據(jù)來自所述檢測(cè)器的檢測(cè)信息運(yùn)算健康醫(yī)療信息的運(yùn)算部、存儲(chǔ)所述健康醫(yī)療信息的存儲(chǔ)部以及顯示所述健康醫(yī)療信息的顯示部。
[0053]根據(jù)這樣的電子設(shè)備，具備基于等離子體的光的增強(qiáng)度大的光學(xué)元件，能夠容易地進(jìn)行微量物質(zhì)的檢測(cè)，能夠提供高精度的健康醫(yī)療信息。
[0054]在與本發(fā)明相關(guān)的電子設(shè)備中，所述健康醫(yī)療信息可以包括關(guān)于選自由細(xì)菌、病毒、蛋白質(zhì)、核酸以及抗原、抗體組成的組中的至少一種生物體關(guān)聯(lián)物質(zhì)或者選自無機(jī)分子以及有機(jī)分子中的至少一種化合物的有無或者量的信息。
[0055]根據(jù)這樣的電子設(shè)備，能夠提供有用的健康醫(yī)療信息。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0056]圖1是模式地示出實(shí)施方式的光學(xué)元件的立體圖。
[0057]圖2是從透光層的厚度方向觀察實(shí)施方式的光學(xué)元件的模式圖。
[0058]圖3是垂直于實(shí)施方式的光學(xué)元件的第一方向的截面的模式圖。
[0059]圖4是垂直于實(shí)施方式的光學(xué)元件的第二方向的截面的模式圖。
[0060]圖5是從透光層的厚度方向觀察實(shí)施方式的光學(xué)元件的模式圖。
[0061]圖6是示出入射光以及金的分散曲線的分散關(guān)系的圖表。
[0062]圖7是示出Ag的介電常數(shù)和波長的關(guān)系的圖表。
[0063]圖8是示出金屬的分散曲線、局域型等離子體以及入射光的分散關(guān)系的圖表。
[0064]圖9是從透光層的厚度方向觀察實(shí)施方式的變形例的光學(xué)元件的模式圖。
[0065]圖10是實(shí)施方式的分析裝置的概略圖。
[0066]圖11是實(shí)施方式的電子設(shè)備的概略圖。
[0067]圖12是示出與實(shí)驗(yàn)例相關(guān)的模型的一個(gè)例子的模式圖。
[0068]圖13是示出與實(shí)驗(yàn)例相關(guān)的模型的一個(gè)例子的模式圖，其中，圖13的(a)是俯視圖，圖13的(b)是側(cè)視圖。[0069]圖14是示出與實(shí)驗(yàn)例相關(guān)的混合等離子體的激發(fā)波長依賴性的圖表。
[0070]圖15是示出與實(shí)驗(yàn)例相關(guān)的分散關(guān)系的圖表。
[0071]圖16是示出與實(shí)驗(yàn)例相關(guān)的增強(qiáng)度和間隔P2的關(guān)系的圖表。
[0072]圖17是與實(shí)驗(yàn)例相關(guān)的分散關(guān)系的圖表。
[0073]圖18是示出與實(shí)驗(yàn)例相關(guān)的拉曼散射增強(qiáng)度與間隔P2的關(guān)系的圖表。
[0074]圖19是示出與實(shí)驗(yàn)例相關(guān)的增強(qiáng)度與間隔P2的關(guān)系的圖表。
[0075]圖20是示出與實(shí)驗(yàn)例相關(guān)的拉曼散射增強(qiáng)度和間隔P2的關(guān)系的圖表。
[0076]圖21的(a)、圖21的(b)是示出與實(shí)驗(yàn)例相關(guān)的模型的一個(gè)例子的模式圖，其中，圖21的(b)示出了把圖21的(a)中示出的Ag粒子除去一列的情況。
[0077]圖22是在第一方向偏振的情況的熱點(diǎn)強(qiáng)度分布的示意圖，其中，圖22的(a)、圖22的(d)分別是間隔P2 = 600nm的模型的Ex以及Ez，圖22的(b)和圖22的(e)分別是與圖22的(a)、圖22的(d)相應(yīng)的熱點(diǎn)的強(qiáng)度分布的圖，圖22的(C)、圖22的(f)分別是與圖22的(a)、圖22的(d)相應(yīng)的間隔Pl = 60nm、間隔P2 = 60nm的情況的分布。
[0078]圖23是在第一方向偏振的情況的熱點(diǎn)強(qiáng)度分布的示意圖，其中，圖23的(a)是間隔Pl = 60nm、間隔P2 = 600nm的情況，圖23的(c)是間隔Pl = 600nm、間隔P2 = 60nm的情況，圖23的(b)和圖23的(d)分別是與圖23的(a)、圖23的(c)相應(yīng)的熱點(diǎn)強(qiáng)度分布的圖。
[0079]圖24是示出與實(shí)驗(yàn)例相關(guān)的增強(qiáng)度和Ag粒子列數(shù)的關(guān)系的圖表。
[0080]圖25是示出與實(shí)驗(yàn)例相關(guān)的拉曼散射增強(qiáng)度和Ag粒子列數(shù)的關(guān)系的圖表。
[0081]圖26是示出與實(shí)驗(yàn)例相關(guān)的增強(qiáng)度和Ag粒子列數(shù)的關(guān)系的圖表。
[0082]圖27是示出與實(shí)驗(yàn)例相關(guān)的拉曼散射增強(qiáng)度和Ag粒子列數(shù)的關(guān)系的圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0083]以下對(duì)本發(fā)明的幾個(gè)實(shí)施方式進(jìn)行說明。以下說明的實(shí)施方式說明本發(fā)明的一個(gè)例子。本發(fā)明不限定以下的實(shí)施方式，還包含在不變更本發(fā)明的宗旨的范圍內(nèi)實(shí)施的各種變形方式。另外，不限定在以下說明的全部構(gòu)成本發(fā)明必須的構(gòu)成。
[0084]1.光學(xué)元件
[0085]圖1是本實(shí)施方式的光學(xué)元件100的截面的模式圖。圖2是俯視(從透光層的厚度方向觀察)本實(shí)施方式的光學(xué)元件100的模式圖。圖3以及圖4是本實(shí)施方式的光學(xué)元件100的截面的模式圖。圖5是從透光層的厚度方向觀察本實(shí)施方式的光學(xué)元件100的模式圖。本實(shí)施方式的光學(xué)兀件100包含金屬層10、金屬粒子20以及透光層30。
[0086]1.1.金屬層
[0087]金屬層10如果提供不透過光的金屬的表面，就沒有特別限定，可以是例如厚板狀，還可以是具有薄膜、層或者膜形狀。金屬層10例如可以設(shè)置于基板I上。作為此時(shí)的基板I沒有特別的限定，然而優(yōu)選是難以對(duì)在金屬層10激發(fā)的傳播型等離子體施加影響的基板。作為基板I可以列舉玻璃基板、硅基板、樹脂基板等。設(shè)置基板I的金屬層10的面的形狀也沒有特別的限定。在金屬層10的表面形成規(guī)則構(gòu)造的情況下可以具有與該規(guī)則構(gòu)造相對(duì)應(yīng)的表面，在以金屬層10的表面為平面的情況下還可以成為平面。在圖1至圖5的例子中可以在基板I的表面(平面)上設(shè)置金屬層10。[0088]在此，使用以平面方式的表現(xiàn)，然而相關(guān)的表現(xiàn)不是指表面沒有一點(diǎn)兒凹凸的平坦(光滑)的數(shù)學(xué)上嚴(yán)格的平面。例如有時(shí)在表面存在由構(gòu)成的原子引起的凹凸、構(gòu)成的物質(zhì)的二維構(gòu)造(結(jié)晶、粒塊、晶粒間界等)引起的凹凸等，有時(shí)從微觀上觀察不是嚴(yán)格的平面?？墒?，在這樣的情況下，從更宏觀的視點(diǎn)觀察，這些凹凸也不引人注目，在稱表面為平面也不影響的程度下可進(jìn)行觀測(cè)。因而，在本說明書中，從這樣更宏觀的視點(diǎn)觀察的情況下如可識(shí)別為平面，即稱此為平面。
[0089]此外，在本實(shí)施方式中，金屬層10的厚度方向與后述的透光層30的厚度方向一致。本說明書中，對(duì)后述的金屬粒子20進(jìn)行說明等情況下，有時(shí)將金屬層10的厚度方向或者透光層30的厚度方向稱為厚度方向、高度方向等。此外，例如，在基板I的表面設(shè)置金屬層10的情況下，有時(shí)將基板I的表面的法線方向稱為厚度方向、厚度方向或者高度方向。
[0090]金屬層10可以利用例如蒸鍍、濺射、鑄造、機(jī)械加工等方法形成。在基板I上設(shè)置金屬層10的情況下，可以設(shè)置于基板I的整個(gè)表面上還可以設(shè)置于基板I的一部分表面。金屬層10的厚度只要在金屬層10可以激發(fā)傳播型等離子體，就沒有特別限定，例如可以為1nm以上Imm以下，優(yōu)選為20nm以上100 μ m以下，更優(yōu)選為30nm以上I μ m以下。
[0091]金屬層10由具有由入射光施加的電場(chǎng)和由該電場(chǎng)誘發(fā)的極化以相反相位進(jìn)行振蕩的電場(chǎng)的金屬、即可以在施加特定的電場(chǎng)的情況下介電函數(shù)的實(shí)數(shù)部具有負(fù)值(具有負(fù)的介電常數(shù))、虛數(shù)部的介電常數(shù)具有小于實(shí)數(shù)部的介電常數(shù)的絕對(duì)值的介電常數(shù)的金屬構(gòu)成。作為在可見光區(qū)域中可能具有這樣的介電常數(shù)的金屬的例子可以列舉金、銀、鋁、銅、鉬以及它們的合金等。此外，金屬層10的表面(厚度方向的端面)可以是特定的結(jié)晶面也可以不是。
[0092]金屬層10具有在本實(shí)施方式的光學(xué)元件100中使傳播型等離子體發(fā)生的功能。通過向金屬層10在后述的條件下入射光，傳播型等離子體在金屬層10的表面(厚度方向的端面)附近發(fā)生。此外，在本說明書中，金屬層10的表面附近的電荷振蕩和電磁波耦合的振蕩的量子稱為表面等離子體激元(SPP:Surface Plasmon Plarit1n)。在金屬層10發(fā)生的傳播型等離子體與在后述的金屬粒子20發(fā)生的局域型等離子體在一定條件下可以相互作用(混合)。
[0093]1.2.金屬粒子
[0094]金屬粒子20從金屬層10向厚度方向離開而設(shè)置。金屬粒子20可以與金屬層10在空間上離開而配置，絕緣體、電介質(zhì)、半導(dǎo)體等其他物質(zhì)單層或者多層可以介于金屬粒子20和金屬層10之間。在本實(shí)施方式的圖1至圖5的例子中，通過在金屬層10上設(shè)置透光層30，在其上形成金屬粒子20，金屬層10和金屬粒子20在透光層的厚度方向離開而配置。
[0095]金屬粒子20的形狀沒有特別限定。例如金屬粒子20的形狀在金屬層10或者透光層30的厚度方向投影的情況下(在從厚度方向的平面圖中)可以是圓形、橢圓形、多邊形、不定形或者它們的組合形狀，在與厚度方向正交的方向投影的情況下可以是圓形、橢圓形、多邊形、不定形或者它們的組合形狀。在圖1至圖5的例子中金屬粒子20全都被描繪為在透光層30的厚度方向具有中心軸的圓柱狀的形狀，然而，金屬粒子20的形狀不限定于此。
[0096]金屬粒子20的高度方向的大小T是指由垂直于高度方向的平面切斷金屬粒子20而形成的區(qū)間的長度，為Inm以上10nm以下。此外，正交于金屬粒子20的高度方向的第一方向的大小是指由垂直于第一方向的平面切斷金屬粒子20而形成的區(qū)間的長度，為5nm以上200nm以下。例如，在金屬粒子20的形狀是以高度方向?yàn)橹行妮S的圓柱的情況下，金屬粒子20的高度方向的大小(圓柱的高度)為Inm以上10nm以下,優(yōu)選為2nm以上50nm以下，更優(yōu)選為3nm以上30nm以下,進(jìn)一步優(yōu)選為4nm以上20nm以下。而且在金屬粒子20的形狀是以高度方向?yàn)橹行妮S的圓柱的情況下，金屬粒子20的第一方向的大小(圓柱底面的直徑)為1nm以上200nm以下，優(yōu)選為20nm以上150nm以下，更優(yōu)選為25nm以上10nm以下，進(jìn)一步優(yōu)選為30nm以上72nm以下。
[0097]金屬粒子20的形狀、材質(zhì)只要是由入射光的照射可產(chǎn)生局域型等離子體的任意情況，然而作為由可見光附近的光可能產(chǎn)生局域型等離子體的材質(zhì)可以列舉金、銀、鋁、銅、鉬以及它們的合金等。
[0098]金屬粒子20可以通過例如利用濺射、蒸鍍等形成薄膜之后進(jìn)行圖案形成的方法、微接觸印刷法、納米壓印法等形成。此外，金屬粒子20可以通過膠體化學(xué)方法形成，可以通過適當(dāng)?shù)姆椒▽⑵渑渲迷趶慕饘賹?0離開的位置。
[0099]金屬粒子20在本實(shí)施方式的光學(xué)元件100具有使局域型等離子體發(fā)生的功能。通過對(duì)金屬粒子20在后述的條件下照射入射光，在金屬粒子20的外圍可以使局域型等離子體發(fā)生。在金屬粒子20所發(fā)生的局域型等離子體與在上述金屬層10所發(fā)生的傳播型等離子體在一定的條件下可以相互作用(混合)。
[0100]1.3.金屬粒子的配置
[0101]如圖1至圖5所示，金屬粒子20多個(gè)并列構(gòu)成金屬粒子列21。金屬粒子20在金屬粒子列21中在與金屬層10的厚度方向正交的第一方向并列配置。換而言之，金屬粒子列21具有金屬粒子20在與高度方向正交的第一方向多個(gè)并列的構(gòu)造。金屬粒子20并列的第一方向在金屬粒子20具有長邊的形狀的情況(具有各向異性的形狀的情況)下可以不與其長邊方向一致。在一個(gè)金屬粒子列21并列的金屬粒子20的數(shù)可以是多個(gè)，優(yōu)選為10個(gè)以上。
[0102]在此將在金屬粒子列21內(nèi)的第一方向的金屬粒子20的間隔定義為間隔Pl(參照?qǐng)D2至圖5)。間隔Pl是指在第一方向中的兩個(gè)金屬粒子20的重心間的距離(節(jié)距)。另夕卜，金屬粒子列21內(nèi)的兩個(gè)金屬粒子20的粒子間隔離在金屬粒子20是以金屬層10的厚度方向?yàn)橹行妮S的圓柱的情況下等于從間隔Pl減去圓柱的直徑的長度。該粒子間隔離如果小，則粒子間作用的局域型等離子體的效果增大，增強(qiáng)度有增大的趨勢(shì)。粒子間隔離可以為5nm以上Ιμπι以下，優(yōu)選為5nm以上10nm以下，更優(yōu)選為5nm以上30nm以下。
[0103]金屬粒子列21內(nèi)的第一方向的金屬粒子20的間隔Pl可以為1nmWJllymW下，優(yōu)選為20nm以上800nm以下，更優(yōu)選為30nm以上780nm以下，進(jìn)一步優(yōu)選為50nm以上700nm以下。
[0104]金屬粒子列21由在第一方向以間隔Pl并列的多個(gè)金屬粒子20構(gòu)成，然而在金屬粒子20發(fā)生的局域型等離子體的分布強(qiáng)度等依賴于該金屬粒子20的排列。因而，與在金屬層10發(fā)生的傳播型等離子體相互作用的局域型等離子體不僅是單一的金屬粒子20所發(fā)生的局域型等離子體，還是考慮金屬粒子列21中的金屬粒子20的排列的局域型等離子體。
[0105]如圖1至圖5所示，金屬粒子列21在與金屬層10的厚度方向以及第一方向交叉的第二方向以間隔P2并列配置。金屬粒子列21并列的數(shù)可以為多個(gè)，優(yōu)選為10列以上。
[0106]在此，將相鄰的金屬粒子列21的第二方向中的間隔定義為間隔P2。間隔P2是指第二方向中的兩個(gè)金屬粒子列21的重心間的距離(節(jié)距)。此外，間隔P2是指在金屬粒子列21由多個(gè)列22構(gòu)成的情況下多個(gè)列22的第二方向中的重心的位置和相鄰的金屬粒子列21的多個(gè)列22的第二方向中的重心的位置之間的距離(參照?qǐng)D9)。
[0107]金屬粒子列21之間的間隔P2按照以下的“1.3.1.傳播型等離子體以及局域型等離子體”中說明的條件進(jìn)行設(shè)定，可以為例如1nm以上1ym以下，優(yōu)選為20nm以上2μπι以下，更優(yōu)選為30nm以上1500nm以下,進(jìn)一步優(yōu)選為60nm以上1310nm以下,特別優(yōu)選為60nm以上660nm以下。
[0108]另外，金屬粒子列21延伸的第一方向的線與連接分別屬于相鄰的金屬粒子列21的兩個(gè)金屬粒子20中相互最接近的兩個(gè)金屬粒子20的線形成的角沒有特別限定，可以是直角也可以不是直角。例如如圖2所示兩者形成的角可以是直角，如圖5所示兩者形成的角可以不是直角。即，在將從厚度方向觀察的金屬粒子20的排列看做是以金屬粒子20的位置為晶格點(diǎn)的二維晶格的情況下，不可約基本單位晶格可以是長方形形狀，可以是平行四邊形的形狀。此外，金屬粒子列21延伸的第一方向的線與連接分別屬于相鄰的金屬粒子列21的兩個(gè)金屬粒子20中相互最接近的兩個(gè)金屬粒子20的線形成的角不是直角的情況下，分別屬于相鄰的金屬粒子列21的兩個(gè)金屬粒子20而相互最接近的兩個(gè)金屬粒子20之間的間隔為間隔P2。
[0109]1.3.1.傳播型等離子體以及局域型等離子體
[0110]首先，對(duì)傳播型等離子體進(jìn)行說明。圖6是示出入射光以及金的分散曲線的分散關(guān)系的圖表。通常，即使將光以O(shè)~90度的入射角(照射角Θ)對(duì)金屬層10入射，傳播型等離子體也不發(fā)生。例如在金屬層10由Au構(gòu)成的情況下，如圖6所示，是因?yàn)榱辆€(LightLine)與Au的SPP的分散曲線沒有交點(diǎn)。此外，由于光通過的介質(zhì)的折射率即使變化，Au的SPP也隨著外圍的折射率變化，因此仍然沒有交點(diǎn)。為了使有交點(diǎn)的傳播型等離子體發(fā)生，有在棱鏡上如Kretschmann配置那樣設(shè)置金屬層而根據(jù)棱鏡的折射率使入射光的波數(shù)增加的方法或利用衍射光柵使亮線的波數(shù)增加的方法。另外圖6是示出所謂的分散關(guān)系的圖表(縱軸為角頻率[ω (eV)]，橫軸為波數(shù)矢量[k(eV/c)])。
[0111]此外，圖6的圖表的縱軸的角頻率ω (eV)有λ (nm) = 1240/ω (eV)的關(guān)系，可以換算為波長。此外，同一圖表的橫軸的波數(shù)矢量k (eV/c)有k (eV/c) = 2 π.2/[λ(nm) /100]的關(guān)系。因而,例如在λ = 600nm時(shí)，k = 2.09 (eV/c)。此外，照射角為入射光的照射角，是從金屬層10或者透光層30的厚度方向或者金屬粒子20的高度方向的傾斜角。
[0112]在圖6中示出了 Au的SPP的分散曲線，通常，在入射金屬層10的入射光的角頻率為ω、真空中的光速為C、構(gòu)成金屬層10的金屬的介電常數(shù)為ε (ω)、外圍的介電常數(shù)為ε時(shí)，該金屬的SPP的分散曲線由式(3)KSPP = co/c[ ε.ε ( ω)/ ( ε + ε (ω))]1/2…
(3)給出。
[0113]另一方面，以入射光的照射角即從金屬層10或透光層30的厚度方向或者金屬粒子20的高度方向的傾斜角為Θ，則通過具有間隔Q的虛擬的衍射光柵的入射光的波數(shù)K可以用式(4) K = η.( ω/c).sin θ + m.2 π /Q (m = ±1、±2、…)…(4)表示,該關(guān)系在分散關(guān)系的圖表上非曲線而是用直線表示。
[0114]另外，η是外圍折射率，消光系數(shù)為K，光的頻率中的相對(duì)介電常數(shù)ε的實(shí)數(shù)部ε '和虛數(shù)部ε "分別由ε ' =η2-κ2、ε " = 2η κ給出，外圍的物質(zhì)如果為透明的,則K~O,所以ε為實(shí)數(shù)，ε = η2,由η = ε 1/2給出。
[0115]在分散關(guān)系的圖表中，在金屬SPP的分散曲線(上式(3))和衍射光的直線(上式
(4))具有交點(diǎn)的情況下，可激發(fā)傳播型等離子體。即，如Kspp = K的關(guān)系成立，則在金屬層10激發(fā)傳播型等離子體。
[0116]因而，從上式(3)以及式(4)可得到以下的式(2)，(ω/c).!: ε.ε (ω)/(ε +ε ( ω )) }1/2 = ε 1/2.( ω/c).sin θ + 2m π /Q Cm = ± 1> ±2、...)...(2),如果滿足該式(2)的關(guān)系，則在金屬層10可激發(fā)傳播型等離子體。此時(shí)，如果在圖6的Au的SPP的例子中，通過使Θ以及m變化，則能夠使亮線的傾斜度和/或切片變化，能夠使亮線的直線與Au的SPP的分散曲線交叉。
[0117]接著，對(duì)局域型等離子體進(jìn)行說明。
[0118]在金屬粒子20使局域型等離子體產(chǎn)生的條件由介電常數(shù)的實(shí)數(shù)部通過Real[ ε(ω ) ] = -2 ε…(5)給出。如以外圍的折射率η為I,則ε = η2- κ 2 = I,所以Real [ ε(ω ) ] = -2。
[0119]圖7是示出Ag的介電常數(shù)和波長的關(guān)系的圖表。例如，Ag的介電常數(shù)如圖7所示，在約400nm的波長可激發(fā)局域型等離子體,在多個(gè)Ag粒子接近納米等級(jí)的情況、Ag粒子和金屬層10 (Au膜等)被透光層30 (S12等)隔開配置的情況下，由于該間隙的影響，局域型等離子體的峰值波長紅移(向長波長側(cè)位移)。該位移量依賴于Ag直徑、Ag厚度、Ag粒子間隔、透光層厚度等的規(guī)格，示出例如局域型等離子體在500nm~900nm成峰的波長特性。
[0120]此外，局域型等離子體與傳播型等離子體不同，沒有速度，是不移動(dòng)的等離子體，如繪制為分散關(guān)系的圖表，則傾斜度為零即ω/k = O。
[0121]圖8是示出金屬的分散曲線、局域型等離子體以及入射光的分散關(guān)系的圖表。本實(shí)施方式的光學(xué)元件100通過使傳播型等離子體和局域型等離子體電磁耦合(Electromagnetic Coupling),得到電場(chǎng)極大的增強(qiáng)度。即，本實(shí)施方式的光學(xué)元件100 —個(gè)特征在于(參照?qǐng)D8)，在分散關(guān)系的圖表中，衍射光的直線與金屬的SPP的分散曲線的交點(diǎn)不是任意的點(diǎn)，對(duì)金屬粒子20 (金屬粒子列21)產(chǎn)生的局域型等離子體給出最大或者極大的增強(qiáng)度的點(diǎn)的附近使兩者交叉。
[0122]換而言之，本實(shí)施方式的光學(xué)元件100中，在分散關(guān)系的圖表中，設(shè)計(jì)為衍射光的直線通過金屬的SPP的分散曲線與對(duì)金屬粒子20 (金屬粒子列21)產(chǎn)生的局域型等離子體給出最大或者極大增強(qiáng)度的入射光的角頻率(在圖8的分散關(guān)系的圖表上平行于附上LSP的橫軸的線)的交點(diǎn)附近。
[0123]在此，所謂交點(diǎn)的附近是在換算為波長的情況下入射光的波長的±10%左右的長度的波長范圍內(nèi)，或者是入射光的波長的土Pl (金屬粒子20的金屬粒子列21內(nèi)的間隔)左右的長度的波長范圍內(nèi)。
[0124]在上式(3)、式(4)以及式(2)中，以入射金屬層10的入射光的角頻率為ω，示出了使傳播型等離子 體激發(fā)的條件，為了使局域型等離子體和傳播型等離子體的混合(相互作用)產(chǎn)生，在本實(shí)施方式的光學(xué)元件100中，上式(3)、式(4)以及式(2)中的ω是對(duì)金屬粒子20 (金屬粒子列21)產(chǎn)生的局域型等離子體給出最大或者極大增強(qiáng)度的入射光的角頻率或者其附近的角頻率。[0125]因而，在金屬粒子列21激發(fā)的局域型等離子體的角頻率為ω的情況下，如滿足上式(2)，則可以使局域型等離子體和傳播型等離子體的混合產(chǎn)生。
[0126]因此，在金屬粒子20以間隔Pl并列的金屬粒子列21發(fā)生的局域型等離子體的角頻率為ω，在分散關(guān)系的圖表中在金屬的SPP的分散曲線的ω位置附近，如果以照射角Θ入射間隔Q的虛擬的衍射光柵而衍射的衍射光(次數(shù)m)的直線通過(如果使其滿足式(2))，就可以使局域型等離子體和傳播型等離子體的混合產(chǎn)生，可以得到極大的增強(qiáng)度。換而言之，在如圖8所示的分散關(guān)系的圖表中，通過使亮線的傾斜度和/或切片變化，使亮線變化而通過SPP和LSP的交點(diǎn)附近，可以使局域型等離子體和傳播型等離子體的混合產(chǎn)生，可以得到極大的增強(qiáng)度。
[0127]1.3.2.間隔 P2
[0128]金屬粒子列21之間的間隔P2設(shè)定如下。在以垂直入射(入射角Θ = O)且使用一次衍射光(m = 0)的情況下，如以間隔P2為間隔Q，可以滿足式(2)?？墒牵鶕?jù)選擇的入射角Θ以及衍射光的次數(shù)m，能夠滿足式(2)的間隔Q具有寬度。另外，此時(shí)的入射角Θ優(yōu)選為從厚度方向向第二方向的傾斜角，然而也可以是向包含第一方向成分的方向的傾斜角。
[0129]因而，考慮上述交點(diǎn)附近(土Pl的寬度)，能夠使局域型等離子體和傳播型等離子體的混合產(chǎn)生的列間隔P2的范圍為式(6):Q-P1 ^ P2 ^ Q + PL...(6)。
[0130]另一方面，間隔P2是金屬粒子列21間的第二方向的間隔，然而根據(jù)兩個(gè)金屬粒子20的選擇方法，屬于相鄰的金屬粒子列21的兩個(gè)金屬粒子20之間的間隔可以使連接它們的線相對(duì)于第二方向傾斜。即，可以選擇屬于相鄰的金屬粒子列21的兩個(gè)金屬粒子20，使其具有長于間隔P2的間隔。在圖2中描繪了說明其的輔助線，沿著相對(duì)于第二方向傾斜的方向，可以從相鄰的金屬粒子列21選擇以長于間隔P2的間隔離開的兩個(gè)金屬粒子20。如已說明的，相鄰的金屬粒子列21由于是相互相同的金屬粒子列21，因此可以將從厚度方向看見的金屬粒子20的排列看做是以金屬粒子20的位置為晶格點(diǎn)的二維晶格。這樣，在該二維晶格存在長于間隔P2的間隔(衍射光柵)。
[0131]因而，以間隔Pl以及間隔P2排列的金屬粒子20的矩陣可以期待具有大于所述間隔P2的間隔的衍射光柵的衍射光。因此，上式(6)的左側(cè)的不等式可以是Pl <P2。換而言之，在式(6)中，在列間隔P2小于Q-Pl的情況下，由于具有能夠滿足式(2)的間隔Q的衍射光柵可存在，因此可以使局域型等離子體和傳播型等離子體的混合產(chǎn)生。因而，間隔P2可以是小于Q-Pl的數(shù)值，還可以滿足Pl < P2的關(guān)系。
[0132]根據(jù)以上，本實(shí)施方式的光學(xué)元件100中的金屬粒子列21之間的間隔P2如滿足下式(I)的關(guān)系，則能夠使局域型等離子體和傳播型等離子體的混合產(chǎn)生。
[0133]Pl < P2≤ Q + Pl...(I)
[0134]1.4.透光層
[0135]本實(shí)施方式的光學(xué)元件100具有用于隔離金屬層10和金屬粒子20的透光層30。圖1、3、4中描繪有透光層30。透光層30可以具有薄膜、層或者膜的形狀。透光層30設(shè)置于金屬層10上。據(jù)此，可以隔開金屬層10和金屬粒子20。
[0136]透光層30可以利用蒸鍍、濺射、CVD、各種涂布等方法而形成。透光層30可以設(shè)置于金屬層10的整個(gè)表面，也可以設(shè)置于金屬層10的一部分表面。透光層30的厚度只要金屬層10的傳播型等離子體和金屬粒子20的局域型等離子體可以相互作用，就沒有特別限定，而且利用高度的干涉效果的厚間隙構(gòu)造可以得到效果，可以為例如Inm以上I μ m以下，優(yōu)選為5nm以上500nm以下，更優(yōu)選為1nm以上10nm以下，進(jìn)一步優(yōu)選為15nm以上80nm以下，特別優(yōu)選為20nm以上60nm以下。
[0137]透光層30可以具有正的介電常數(shù)，例如可以由Si02、A1203、T12、高分子、ITO(Indium Tin Oxide)等形成。此外,透光層30可以由電介質(zhì)構(gòu)成。并且,透光層30可以由材質(zhì)相互不同的多個(gè)層構(gòu)成。
[0138]在設(shè)置透光層30的情況下，由于有時(shí)在金屬粒子20產(chǎn)生的局域型等離子體的激發(fā)峰值頻率位移，因此間隔P2的設(shè)定時(shí)，在求局域型等離子體的峰值激發(fā)波長時(shí)，有時(shí)應(yīng)該考慮這些情況。
[0139]1.5.其他構(gòu)成以及變形
[0140]1.5.1.包覆層
[0141]本實(shí)施方式的光學(xué)元件100可以根據(jù)需要具有包覆層。沒有圖示，包覆層可以形成為包覆金屬粒子20。此外，包覆層可以形成為使金屬粒子20露出而包覆其他構(gòu)成。
[0142]包覆層例如具有機(jī)械地、化學(xué)地保護(hù)金屬粒子20或其他構(gòu)成免受環(huán)境的影響的功能。包覆層可以利用例如蒸鍍、濺射、CVD、各種涂布等方法形成。包覆層的厚度沒有特別限定。包覆層的材質(zhì)沒有特別限定，不僅可以是例如Si02、A1203、T12等絕緣體，還可以由IT0、Cu、Al等金屬以及高分子等形成,厚度優(yōu)選薄到數(shù)nm以下。
[0143]在設(shè)置包覆層的情況下，與上述透光層30同樣，由于有時(shí)在金屬粒子20產(chǎn)生的局域型等離子體的激發(fā)峰值頻率位移，因此在列間隔P2的設(shè)定時(shí)，求局域型等離子體的峰值激發(fā)波長時(shí)，有時(shí)應(yīng)該考慮這些情況。
[0144]1.5.2.變形
[0145]圖9是從厚度方向觀察與變形例相關(guān)的光學(xué)元件200的模式圖。金屬粒子列21可以由多個(gè)列22構(gòu)成。列22是多個(gè)金屬粒子20在第一方向以間隔Pl并列配置而成的，與上述金屬粒子列21同樣。因而，多個(gè)列22全都平行于第一方向。連接相同列22的相鄰的兩個(gè)金屬粒子20的第一方向的線和連接屬于相鄰的列22的金屬粒子20中最接近的金屬粒子20的線形成的角沒有特別限定，可以是直角也可以不是直角。在圖示的例子中示出兩者形成的角是直角的情況。
[0146]在此將相鄰的列22的間隔定義為間隔P3 (參照?qǐng)D9)。間隔P3是指第二方向中的兩個(gè)列22的重心間的距離(節(jié)距)。間隔P3在與金屬粒子20的第一方向的間隔Pl之間可以具有P3 SPl的關(guān)系。
[0147]金屬粒子列21由a個(gè)列22 (a為2以上的整數(shù)。)構(gòu)成的情況下，金屬粒子列21在第二方向具有(a-Ι).P3、最大為(a-1).Pl的寬度。因而，此時(shí)，對(duì)間隔P2的最小值產(chǎn)生限制，為a.P3 < P2。在圖示的例子中，由兩個(gè)列22構(gòu)成，金屬粒子列21在第二方向具有最大Pl的寬度，間隔P2的最小值為2.P3 < P2。
[0148]在與這樣的變形例相關(guān)的光學(xué)元件200中，與上述光學(xué)元件100同樣，根據(jù)由光照射激發(fā)的等離子體，可以以非常高的增強(qiáng)度增強(qiáng)光。
[0149]1.6.光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法
[0150]本實(shí)施方式的光學(xué)元件100具有上述構(gòu)造，以下對(duì)光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法更具體地進(jìn)行說明。
[0151]首先，設(shè)計(jì)光學(xué)元件包含選擇間隔P2，使分散關(guān)系的圖表(縱軸為角頻率[ω(eV)]、橫軸為波數(shù)矢量[k (eV/c)])中的構(gòu)成金屬層10的金屬的分散曲線在與給出以間隔Pl并列的金屬粒子20 (金屬粒子列21)激發(fā)的局域型等離子體的峰的光的角頻率[ω(eV)]的交點(diǎn)附近與金屬粒子列21產(chǎn)生的局域型等離子體衍射光的直線交叉(參照?qǐng)D8)。
[0152]本實(shí)施方式的光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法包含以下說明的工序。
[0153]研究金屬粒子20 (金屬粒子列21)中的局域型等離子體的激發(fā)波長依賴性，掌握在金屬粒子20使最大或者極大局域型等離子體發(fā)生的波長(在本說明書中，稱此為峰值激發(fā)波長。)。如已說明的，局域型等離子體根據(jù)金屬粒子20的材質(zhì)、形狀、配置、其他構(gòu)成的有無等而變化，峰值激發(fā)波長可以通過實(shí)測(cè)或者計(jì)算求得。
[0154]掌握構(gòu)成金屬層10的金屬的分散曲線。該曲線根據(jù)金屬層10的材質(zhì)除了可以從文獻(xiàn)等獲得之外，還可以通過計(jì)算求得。另外，從式(2)的左邊可知:根據(jù)金屬層10的外圍折射率，分散關(guān)系變化。
[0155]根據(jù)需要，將求得的峰值激發(fā)波長以及分散曲線繪制為分散關(guān)系的圖表(縱軸為角頻率[ω (eV)]，橫軸為波數(shù)矢量[k (eV/c)])。此時(shí)，局域型等離子體的峰值激發(fā)波長在圖表上為平行于橫軸的線。已經(jīng)進(jìn)行了說明，然而局域型等離子體由于是不具有速度而不移動(dòng)的等離子體，因此在繪制為分散關(guān)系的圖表的情況下，傾斜度(ω/κ )為零。
[0156]確定入射光的入 射角Θ以及使用的衍射光的次數(shù)m，從式(2)求得Q的數(shù)值，選擇間隔P2使其滿足式(I)的條件而配置金屬粒子列21。
[0157]如至少進(jìn)行以上的工序，設(shè)定間隔P1、間隔P2，則由于LSP和PSP為相互作用(混合)狀態(tài)，因此可以設(shè)計(jì)具有非常大的放大率的光學(xué)元件。
[0158]1.7.增強(qiáng)度
[0159]根據(jù)FDTD計(jì)算的網(wǎng)格位置，X方向(第一方向)的電場(chǎng)Ex和Z方向(厚度方向)的電場(chǎng)Ez的大小的關(guān)系即矢量變化。將X方向的直線偏振光作為激發(fā)光使用的情況下，Y方向(第二方向)的電場(chǎng)Ey幾乎可以忽視。因此，增強(qiáng)度使用Ex和Ez的平方和的平方根即SQRT (Ex2+ Ez2)能夠掌握。如果這樣，作為局部電場(chǎng)的標(biāo)量可以相互進(jìn)行比較。
[0160]此外，SERS(Surface Enhancement Raman Scattering)效應(yīng)作為 SERSEF(Enhancement Factor),通過以激發(fā)光的波長中的電場(chǎng)增強(qiáng)度為E1、拉曼散射后的波長中的電場(chǎng)增強(qiáng)度為Es，使用熱點(diǎn)密度(HSD)，用下式(a) SERS EF = Ei2.Es2.HSD...(a)表
/Jn ο
[0161]在此，例如在600nm的激發(fā)波長，由于散射波長638nm和激發(fā)波長的差在40nm以下，因此100cm-1以下的斯托克斯散射可以近似為Ei2.Es2 N Emax4 (Emax是最大增強(qiáng)度。) O
[0162]因此，式(a)可以設(shè)置為下式(b) SERS EF = Emax4.HSD…(b)。
[0163]BP, SERS (表面增強(qiáng)拉曼散射)可以認(rèn)為是等離子體的電場(chǎng)增強(qiáng)度的4次方乘以熱點(diǎn)的密度。
[0164]另外，后述的實(shí)驗(yàn)例中涉及上式(b)，將HSD標(biāo)準(zhǔn)化，定義式(c)SERS EF = (Ex4 +Ez4) /單位面積…(C)并圖示。
[0165]在考慮光學(xué)元件100的增強(qiáng)度s的情況下，有考慮所謂熱點(diǎn)密度(HSD)的必要。即，光學(xué)元件100的光的增強(qiáng)度依賴于光學(xué)元件100的每單位面積的金屬粒子20的數(shù)。
[0166]本實(shí)施方式的光學(xué)元件100中，配置間隔P1、間隔P2，使其滿足上式(I)、式(2)的關(guān)系?？墒?，如考慮HSD，則光學(xué)元件100的SERS增強(qiáng)度與(Ex4 + Ez4)/ (Pl.Ρ2)成比例。
[0167]1.8.入射光
[0168]入射光學(xué)元件100的入射光的波長只要使局域型等離子體產(chǎn)生且滿足上式(2)的關(guān)系，就沒有限制，可以是包含紫外光、可見光、紅外光的電磁波。在本實(shí)施方式中，入射光是直線偏振光。在本實(shí)施方式中，入射光是電場(chǎng)與光學(xué)兀件100的第一方向(金屬粒子列21的延伸方向)相同方向的直線偏振光(參照?qǐng)D1至圖5)。如果這樣，由光學(xué)元件100可以得到非常大的光的增強(qiáng)度。
[0169]本實(shí)施方式的光學(xué)元件100具有以下特征。
[0170]本實(shí)施方式的光學(xué)元件100根據(jù)由光照射激發(fā)的等離子體可以以非常高的增強(qiáng)度且高的HSD增強(qiáng)光。本實(shí)施方式的光學(xué)元件100由于具有高的增強(qiáng)度，例如在醫(yī)療健康、環(huán)境、食品、公安等領(lǐng)域可以用于為了高靈敏度、高精度、迅速且簡(jiǎn)便地檢測(cè)細(xì)菌、病毒、蛋白質(zhì)、核酸、各種抗原抗體等生物體關(guān)聯(lián)物質(zhì)和/或包括無機(jī)分子、有機(jī)分子、高分子在內(nèi)的各種化合物的傳感器。例如在本實(shí)施方式的光學(xué)元件100的金屬粒子20結(jié)合抗體，求出此時(shí)的增強(qiáng)度，根據(jù)抗原與該抗體結(jié)合的情況的增強(qiáng)度的變化，可以研究抗原的有無或量。此外，利用本實(shí)施方式的光學(xué)元件100的光的增強(qiáng)度，可以用于微量物質(zhì)的拉曼散射光的增強(qiáng)。
[0171]2.分析裝置
[0172]圖10是模式地示出本實(shí)施方式的分析裝置1000的主要部分的圖。
[0173]本實(shí)施方式的分析裝置1000具備上述光學(xué)元件100、向光學(xué)元件100照射與第一方向相同方向的直線偏振光的入射光的光源300、檢測(cè)從光學(xué)兀件100放射的光的檢測(cè)器400。本實(shí)施方式的分析裝置1000可以具備沒有圖示的其他適當(dāng)構(gòu)成。
[0174]2.1.光學(xué)元件
[0175]本實(shí)施方式的分析裝置1000具備光學(xué)兀件100。光學(xué)兀件100由于與上述光學(xué)兀件100同樣，因此省略詳細(xì)的說明。
[0176]光學(xué)元件100在分析裝置1000中起到增強(qiáng)光的作用和/或作為傳感器的作用。光學(xué)元件100可以與分析裝置1000的分析對(duì)象的試料接觸而使用。分析裝置1000中的光學(xué)元件100的配置沒有特別限制，可以設(shè)置于設(shè)置角度等可調(diào)節(jié)的工作臺(tái)上等。
[0177]2.2.光源
[0178]本實(shí)施方式的分析裝置1000具備光源300。光源300對(duì)光學(xué)元件100照射入射光。光源300配置為在光學(xué)兀件100的第一方向(金屬粒子20的并列方向，金屬粒子列21的延伸的方向)可以照射直線偏振的光(與第一方向相同方向的直線偏振光)(參照?qǐng)D10)?？梢愿鶕?jù)光學(xué)元件100的表面等離子體的激發(fā)條件而能夠使從光源300照射的入射光的入射角Θ適當(dāng)變化。光源300可以設(shè)置在測(cè)角儀上等。
[0179]光源300照射的光如果能夠激發(fā)光學(xué)元件100的表面等離子體，就沒有特別限定，可以是包含紫外光、可見光、紅外光的電磁波。此外，光源300照射的光可以是相干光也可以不是相干光。具體而言，作為光源300可以例不在半導(dǎo)體激光器、氣體激光器、齒素?zé)?、高壓水銀燈、氙燈等適當(dāng)設(shè)置波長選擇元件、濾波器、偏振子等。[0180]來自光源300的光作為入射光，從光學(xué)元件100放射被增強(qiáng)的光。據(jù)此，可以進(jìn)行試料的拉曼散射光的放大率或與光學(xué)元件100相互作用的物質(zhì)的檢測(cè)。
[0181]2.3.檢測(cè)器
[0182]本實(shí)施方式的分析裝置1000具備檢測(cè)器400。檢測(cè)器400檢測(cè)從光學(xué)元件100放射的光。作為檢測(cè)器400可以使用例如CCD (Charge Coupled Device)、光電增倍管、光電
二極管、成像板等。
[0183]檢測(cè)器400可以設(shè)置于能夠檢測(cè)從光學(xué)元件100放射的光的位置，與光源300的位置關(guān)系也沒有特別限定。此外，檢測(cè)器400可以設(shè)置于測(cè)角儀上等。
[0184]2.4.分析方法
[0185]本實(shí)施方式的分析方法是向上述光學(xué)兀件100照射入射光、根據(jù)該入射光的照射檢測(cè)從光學(xué)元件100放射的光、分析附著于光學(xué)元件100表面的對(duì)象物的分析方法，向光學(xué)兀件100照射與其第一方向(金屬粒子20的并列方向，金屬粒子列21的延伸方向)相同的方向的直線偏振光的入射光而進(jìn)行的。
[0186]3.電子設(shè)備
[0187]本實(shí)施方式的電子設(shè)備2000具備上述分析裝置1000、根據(jù)來自檢測(cè)器400的檢測(cè)信息運(yùn)算健康醫(yī)療信息的運(yùn)算部2010、存儲(chǔ)健康醫(yī)療信息的存儲(chǔ)部2020以及顯示健康醫(yī)療信息的顯示部2030。
[0188]圖11是本實(shí)施方式的電子設(shè)備2000的構(gòu)成的概略圖。分析裝置1000是“2.分析裝置”中所述的分析裝置1000，省略詳細(xì)的說明。
[0189]運(yùn)算部2010是例如個(gè)人計(jì)算機(jī)、移動(dòng)信息終端(PDA:Personal DigitalAssistance)，收取從檢測(cè)器400輸出的檢測(cè)信息(信號(hào)等)，進(jìn)行基于此的運(yùn)算。此外，運(yùn)算部2010可以進(jìn)行分析裝置1000的控制。例如，運(yùn)算部2010可以進(jìn)行分析裝置1000的光源300的輸出、位置等的控制或檢測(cè)器400的位置的控制等。運(yùn)算部2010根據(jù)來自檢測(cè)器400的檢測(cè)信息可以運(yùn)算健康醫(yī)療信息。然后，由運(yùn)算部2010運(yùn)算的健康醫(yī)療信息被存儲(chǔ)于存儲(chǔ)部2020。
[0190]存儲(chǔ)部2020例如是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器、硬盤驅(qū)動(dòng)等，可以與運(yùn)算部2010構(gòu)成為一體。存儲(chǔ)部2020存儲(chǔ)的健康醫(yī)療信息被輸出至顯示部2030。
[0191]顯示部2030例如由顯示板(液晶監(jiān)視器等)、打印機(jī)、發(fā)光體、揚(yáng)聲器等構(gòu)成。顯示部2030根據(jù)由運(yùn)算部2010運(yùn)算的健康醫(yī)療信息等顯示或者發(fā)報(bào)，使用戶能夠識(shí)別其內(nèi)容。
[0192]作為健康醫(yī)療信息可以包含從由細(xì)菌、病毒、蛋白質(zhì)、核酸以及抗原抗體組成的組中選擇至少一種生物體關(guān)聯(lián)物質(zhì)或者從無機(jī)分子以及有機(jī)分子中選擇的至少一種化合物的與有無或者量相關(guān)的信息。
[0193]4.實(shí)驗(yàn)例
[0194]以下示出實(shí)驗(yàn)例，進(jìn)一步說明本發(fā)明，然而本發(fā)明不受以下例子任何限定。以下的例子是根據(jù)計(jì)算機(jī)的模擬。
[0195]4.1.計(jì)算模型
[0196]圖12是示出用于模擬的模型的基本構(gòu)造的模式圖。
[0197]用于實(shí)驗(yàn)例的計(jì)算的模型全都是以光不透過的程度充分厚的Au (金屬層)上形成電介質(zhì)層(S12)膜。電介質(zhì)層的厚度固定為20nm、50nm或者60nm。配置在電介質(zhì)層上的金屬粒子為Ag,以電介質(zhì)層(S12)的厚度方向?yàn)橹行妮S的圓柱,圓柱的大小(底面直徑)為30nm、32nm 或者 72nm,高度為 4nm 或者 20nm。
[0198]計(jì)算使用CYBERNET SYSTEM株式會(huì)社的FDTD soft Fullwave。此外，使用的網(wǎng)格的條件為Inm最小網(wǎng)格,計(jì)算時(shí)間cT為10 μ m。
[0199]此外，外圍折射率η為1，入射光是以從金屬層或者透光層的厚度方向(Z)垂直入射與第一方向(X)相同方向的直線偏振光。
[0200]另外可知，將Ag粒子以60nm間隔在第二方向(X)并列為一列的模型中，在Ag粒子的下面Si02膜的上面計(jì)算近場(chǎng)特性時(shí)，根據(jù)YeeCell的配置，電場(chǎng)矢量變化很大。因此，用標(biāo)量標(biāo)明電場(chǎng)時(shí)，由于YeeCell的位置的影響減小，大致在最大增強(qiáng)位置(熱點(diǎn))中的數(shù)值在X方向和Z方向大致相等，因此在本實(shí)驗(yàn)例中，增強(qiáng)度用SQRT (Ex2+ Ez2)表示。在此，Ex不出入射光的偏振方向(第一方向)的電場(chǎng)強(qiáng)度，Ez不出厚度方向的電場(chǎng)強(qiáng)度。另外,此時(shí)第二方向的電場(chǎng)強(qiáng)度小，所以不考慮。
[0201]4.2.實(shí)驗(yàn)例 I
[0202]圖13是模式地示出用于實(shí)驗(yàn)例I的模型的圖，其中，圖13的(a)是俯視圖，圖13的(b)是側(cè)視圖。
[0203]電介質(zhì)層的厚度為50nm,圓柱形狀的Ag粒子的圓柱的大小(底面的直徑)為30nm,將第一方向的Ag粒子的間隔Pl固定為60nm，使第二方向的Ag粒子列的間隔P2變化為60nm、480nm、540nm、600nm、660nm、720nm,研究了近場(chǎng)(Near Field)的激發(fā)波長依賴性。在此，Ag粒子的底面直徑為30nm。其結(jié)果在圖14中示出。
[0204]如果觀察圖14可知，間隔P2無論為480nm、540nm、600nm、660nm、720nm的任一個(gè)，峰值激發(fā)波長都為610nm。此外，各個(gè)情況的增強(qiáng)度為100.9、101.8、101.1,95.1,94.4。
[0205]對(duì)此可知，間隔P2是60nm的情況下(即Pl = P2)，峰值激發(fā)波長約為620nm，增強(qiáng)度為58.7左右。另外認(rèn)為，此時(shí)峰值激發(fā)波長為620nm的理由，是由于第二方向的Ag粒子間隔為60nm，受到局域型等離子體的影響而紅移的結(jié)果。
[0206]由以上情況可知間隔P2為480nm、540nm、600nm、660nm、720nm的任一個(gè)的情況下，都示出比60nm的情況顯著大的增強(qiáng)度。此外，間隔P2在為480nm?720nm的情況下也示出大于540nm以及600nm的情況的增強(qiáng)度的理由可以通過分散關(guān)系的圖表(圖15)進(jìn)行說明。
[0207]S卩，是由于間隔P2如果為540nm以及600nm，則圖15的分散關(guān)系的圖表中，更接近Ag粒子的局域型等離子體的峰值激發(fā)波長(610nm)和Au的SPP的交點(diǎn)。
[0208]由本實(shí)驗(yàn)例可知間隔P2即使變化，局域型等離子體的峰值激發(fā)波長也不變化，以及根據(jù)間隔P2的大小，達(dá)成與Au層的傳播型等離子體的混合，可得到高的增強(qiáng)度。
[0209]4.3.實(shí)驗(yàn)例 2
[0210]除了電介質(zhì)層的厚度為60nm、圓柱形狀的Ag粒子的圓柱的大小(底面的直徑)為32nm之外,與實(shí)驗(yàn)例I同樣進(jìn)行模擬。
[0211]根據(jù)該模型，峰值激發(fā)波長為633nm。此時(shí)的SQRT (Ex2 + Ez2)為67.9。以下，如上述實(shí)驗(yàn)例I所示，因?yàn)榉逯导ぐl(fā)波長不隨間隔P2而變化，所以將峰值激發(fā)波長固定為633nm，以間隔P2為變數(shù)。
[0212]將第一方向的Ag粒子的間隔Pl固定為60nm，使第二方向的Ag粒子列的間隔P2變化，求出相對(duì)于間隔P2的增強(qiáng)度的變化。在圖16中示出其結(jié)果。
[0213]觀察圖16，隨著間隔P2從60nm逐漸增大而增強(qiáng)度迅速增大，在600nm處增強(qiáng)度示出了最大值。間隔P2進(jìn)一步增大時(shí)，雖然增強(qiáng)度降低若干，但是維持高的增強(qiáng)度而增大，間隔P2在1200nm處示出了第二峰值。
[0214]由此可知，Ag粒子和Au膜相互作用。此外可知，根據(jù)間隔P2的大小可達(dá)成與Au層的傳播型等離子體的混合，可得到高的增強(qiáng)度。
[0215]此外，如果觀察圖16可知，在例如間隔P2為120nm (93.1)這樣的間隔P2小的區(qū)域，可得到60nm的情況下的增強(qiáng)度(67.9)的1.37倍相當(dāng)大的增強(qiáng)度。其理由認(rèn)為是由于不僅Au的SPP和LSP的相互作用、還有熱點(diǎn)密度效應(yīng)(熱點(diǎn)密度減少，則電場(chǎng)集中于該少的熱點(diǎn)的效應(yīng))的兩個(gè)效應(yīng)復(fù)合的結(jié)果。
[0216]此外，作為其他理由認(rèn)為是由于能夠選擇Ag粒子，使屬于相鄰的Ag粒子列的兩個(gè)Ag粒子之間的間隔根據(jù)兩個(gè)Ag粒子的選擇 方法而具有比間隔P2長的間隔。因而，由于存在比間隔P2長的晶格間隔(衍射光柵)，由具有該間隔的衍射晶格產(chǎn)生衍射光。具體而言，如圖2所示，斜射成分的衍射光柵之間產(chǎn)生的傳播型等離子體在衍射光柵的間隔滿足600nm的情況下示出增強(qiáng)效果且產(chǎn)生與金屬粒子的局域型等離子體的共振(混合)的結(jié)果。
[0217]另一方面，圖17中不出關(guān)于本實(shí)驗(yàn)例的分散關(guān)系的圖表。如果觀察圖17充分證明，與Au的SPP的交點(diǎn)在600nm附近，增強(qiáng)度在間隔P2 = 600nm取最大值。
[0218]此外認(rèn)為，在間隔P2 = 1200nm可見增強(qiáng)度的峰是因?yàn)閷?duì)應(yīng)于1200nm的波數(shù)2 31 /1200的倍數(shù)等于對(duì)應(yīng)于600nm的波數(shù)2 Ji /600。
[0219]在本實(shí)驗(yàn)例中，由于激發(fā)波長為633nm，在間隔P2 = 600nm的情況下增強(qiáng)度為134.5，示出了接近60nm的情況下增強(qiáng)度(67.9)的兩倍的最大值。
[0220]4.4.實(shí)驗(yàn)例 3
[0221]拉曼散射如有效地利用激發(fā)光的能量和散射光的能量兩者，則與增強(qiáng)電場(chǎng)的四次方成比例。即，是指與E4成比例。因而，在實(shí)驗(yàn)例2的間隔Pl = 60nm、間隔P2 = 600nm的情況下，(134.5/67.9) 4 = 15.39?？墒?，此時(shí)，由于每單位面積的金屬粒子的數(shù)相對(duì)于間隔Pl = 60nm、間隔P2 = 60nm的情況而為1/10，拉曼散射的增強(qiáng)度可以估計(jì)為該1/10的
1.54。即，在上述實(shí)驗(yàn)例2中，可以得到54%高的拉曼散射的增強(qiáng)度。
[0222]因此，實(shí)驗(yàn)例2的圖16的縱軸為(Ex4 + Ez4) / (Pl.Ρ2)，用熱點(diǎn)密度規(guī)標(biāo)準(zhǔn)化并繪制于圖18。
[0223]由圖18的繪制可知，設(shè)定拉曼效應(yīng)，用每單位面積的4次方和進(jìn)行比較，相對(duì)于間隔Pl = 60nm、間隔P2 = 60nm的情況,在60nm < P2 ^ 660nm的廣泛范圍內(nèi)，是高的數(shù)值。
[0224]例如，(Ex4+ Ez4V(P1.Ρ2)的數(shù)值在 Pl =60nm、P2 = 60nm 的情況下為 17133729，在 Pl = 60nm、P2 = 240nm 的情況下為 35522039。
[0225]4.5.實(shí)驗(yàn)例 4
[0226]除電介質(zhì)層的厚度為20nm、圓柱形狀的Ag粒子的圓柱的大小(底面的直徑)為72nm、高度為20nm、間隔Pl為120nm之外，與實(shí)驗(yàn)例I同樣，進(jìn)行模擬。
[0227]該模型的局域型等離子體的峰值激發(fā)波長是633nm。如圖19所示，實(shí)驗(yàn)例I以及實(shí)驗(yàn)例2同樣，間隔P2如增大，則增強(qiáng)度增大。在本實(shí)驗(yàn)例中，與分散關(guān)系的圖表中的Au的SPP和LSP的峰值激發(fā)波長的交點(diǎn)的波數(shù)相對(duì)應(yīng)的P2 = 600nm中，增強(qiáng)度最大。[0228]此外可知，用(Ex4 + Ez4)/ (Pl.Ρ2)的數(shù)值繪制的結(jié)果(圖20)相對(duì)于間隔Pl =120nm、間隔P2 = 120nm的情況，在120nm < P2≤840nm的廣泛范圍內(nèi)，是高的數(shù)值。
[0229]4.6.實(shí)驗(yàn)例 5
[0230]對(duì)金屬粒子列由多列構(gòu)成的情況使用以下的模型進(jìn)行了模擬。
[0231]圖21的(a)、圖21的(b)中示出電介質(zhì)層的厚度為60nm、圓柱形狀的Ag粒子圓柱的大小(底面的直徑)為32nm、高度為4nm、間隔Pl為60nm的計(jì)算模型，其中，圖21的(b)示出了把圖21的(a)示出的Ag粒子除去一列的情況。在圖22中示出了將Ag粒子除去一列的情況(圖21的(b))的近場(chǎng)中的熱點(diǎn)分布。用于計(jì)算的區(qū)域圖中用波浪線示出。峰值激發(fā)波長為633nm。
[0232]圖22的(a)、圖22的(d)分別是間隔P2 = 600nm的模型的Ex以及Ez。9線模型產(chǎn)生的波數(shù)為600nm節(jié)距。圖22的(b)和圖22的(e)是熱點(diǎn)的強(qiáng)度分布。圖22的(C)、圖22的(f)是間隔Pl = 60nm、間隔P2 = 60nm的情況的分布。將間隔Pl =間隔P2 = 60nm的Ex (64)以及Ez (21)在圖22的(b)和圖22的(e)作為輔助線進(jìn)行描繪。間隔P2 =600nm的模型在所有熱點(diǎn)超過間隔Pl =間隔P2 = 60nm的情況的數(shù)值。
[0233]在圖23中示出3線模型的情況下的將間隔Pl = 60nm、間隔P2 = 600nm的情況以及間隔Pl = 600nm、間隔P2 = 60nm的情況進(jìn)行比較的結(jié)果，其中，圖23的(a)是間隔Pl=60nm、間隔P2 = 600nm的情況，圖23的(c)是間隔Pl = 600nm、間隔P2 = 60nm的情況，圖23的(b)和圖 23的(d)分別是與圖23的(a)、圖23的(c)相應(yīng)的熱點(diǎn)強(qiáng)度分布的圖。激發(fā)光的偏振方向同樣為第一方向。即，在間隔Pl = 60nm、間隔P2 = 600nm的情況下,與直線偏振光的偏振方向?yàn)榈谝环较虻那闆r以及為第二方向的情況同義。
[0234]如果觀察圖22以及圖23可知，熱點(diǎn)位置的強(qiáng)度分布的偏差在為第一方向的直線偏振的情況下大大地降低。因此可知，如果是這樣的光學(xué)元件可以作為濃度傳感器進(jìn)行良好地使用。
[0235]此外可知，增加除去Ag粒子列的數(shù)進(jìn)行模擬的時(shí)候，熱點(diǎn)強(qiáng)度與不除去Ag粒子列的模型相比較全都增強(qiáng)。總結(jié)其結(jié)果的圖表在圖24中示出。圖24的柱形圖上的誤差條可理解為表示熱點(diǎn)位置的分布，線I以及線2的情況下強(qiáng)度的分布幾乎沒有。
[0236]對(duì)考慮Ag粒子列除外的熱點(diǎn)密度(HSD)降低的每單位面積的拉曼增強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)，在圖25中示出將此圖表化的結(jié)果。觀察圖25，拉曼增強(qiáng)度在Ag粒子列為2~5附近為最大，與沒有除去Ag粒子列的模型相比較約為兩倍以上。
[0237]4.7.實(shí)驗(yàn)例 6
[0238]除了電介質(zhì)層的厚度為20nm、圓柱形狀的Ag粒子圓柱的大小(底面的直徑)為72nm、高度為20nm、Ag粒子列的排列數(shù)為5之外，與實(shí)驗(yàn)例5同樣進(jìn)行模擬。峰值激發(fā)波長為 633nm。
[0239]在圖26、圖27中示出其結(jié)果。如果觀察圖26、圖27可知，在增加除去Ag粒子列的數(shù)進(jìn)行模擬的時(shí)候，熱點(diǎn)強(qiáng)度與沒有除去Ag粒子列的模型相比較，全都增強(qiáng)。
[0240]此外，對(duì)考慮除去Ag粒子列的熱點(diǎn)密度(HSD)降低的每單位面積的拉曼增強(qiáng)度進(jìn)行估計(jì)，由將其圖表化的結(jié)果(圖27)可知，拉曼增強(qiáng)度在除去Ag粒子列為2時(shí)為最大，與沒有除去Ag粒子列的模型相比較約為三倍以上。
[0241]本發(fā)明不限定為上述實(shí)施方式，可以進(jìn)一步進(jìn)行各種變形。例如，本發(fā)明包含與實(shí)施方式中說明的構(gòu)成實(shí)質(zhì)上相同的構(gòu)成(例如，功能、方法以及結(jié)果相同的構(gòu)成或者目的以及效果相同的構(gòu)成)。此外，本發(fā)明包含將在實(shí)施方式中說明的構(gòu)成的非本質(zhì)的部分置換而得到的構(gòu)成。此外，本發(fā)明包含與實(shí)施方式中說明的構(gòu)成發(fā)揮相同的作用效果的構(gòu)成或者可以達(dá)成相同的目的的構(gòu)成。此外，本發(fā)明包含對(duì)實(shí)施方式中說明的構(gòu)成中附加了公知技術(shù)的構(gòu)成。
[0242]符號(hào)說明
[0243]1、基板10、金屬層
[0244]20、金屬粒子21、金屬粒子列
[0245]22、列30、透光層
[0246]100、200、光學(xué)元件300、光源
[0247]400、檢測(cè)器1000、分析裝置
[0248]2000、電子設(shè)備2010、運(yùn)算部
[0249]2020、存儲(chǔ)部2030、顯示部
[0250]P1、P2、P3、間隔。
【權(quán)利要求】
1.一種分析裝置，具備: 光學(xué)元件，其包括金屬層、設(shè)置于所述金屬層上且透過光的透光層、以及在所述透光層上在第一方向以第一間隔排列并且在與所述第一方向交叉的第二方向以第二間隔排列的多個(gè)金屬粒子； 光源，其向所述光學(xué)兀件照射與所述第一方向相同方向的直線偏振光的入射光；以及 檢測(cè)器，其檢測(cè)從所述光學(xué)元件放射的光， 所述光學(xué)元件的所述金屬粒子的配置滿足下式(I)的關(guān)系，
Pl < P2 ≤ Q + Pl...(I) 其中，Pl表示所述第一間隔，P2表示所述第二間隔，Q表示當(dāng)設(shè)所述金屬粒子列激發(fā)的局域型等離子體的角頻率為ω、構(gòu)成所述金屬層的金屬的介電常數(shù)為ε (ω)、所述金屬層的外圍的介電常數(shù)為ε、真空中的光速為C、所述入射光的照射角即從所述透光層的厚度方向的傾斜角為Θ時(shí)由下式(2)給出的衍射光柵的間隔，
(ω /c).{ ε.ε (ω) / ( ε + ε ( ω )) }1/2 = ε 1/2.(ω/c).sin θ + 2m π /Q Cm=±1、±2、...)...(2)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分析裝置，其中， 所述間隔Ρ2滿足60nm≤ P2≤ 131nm的關(guān)系。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的分析裝置，其中， 所述間隔P2滿足60nm≤ P2≤ 660nm的關(guān)系。
4.根據(jù)權(quán)利要求1~3中任一項(xiàng)所述的分析裝置，其中， 所述間隔Pl滿足60nm ≤ Pl ≤ 120nm的關(guān)系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1~4中任一項(xiàng)所述的分析裝置，其中， 所述金屬粒子的所述第一方向的大小D滿足30nm≤ D≤ 72nm的關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求1~5中任一項(xiàng)所述的分析裝置，其中， 所述金屬粒子的高度方向的大小T滿足4nm≤ T≤ 20nm的關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求1~6中任一項(xiàng)所述的分析裝置，其中， 所述透光層是以所述金屬粒子的高度方向?yàn)楹穸确较虻碾娊橘|(zhì)層， 所述電介質(zhì)層的厚度G滿足20nm ≤ G ≤ 60nm的關(guān)系。
8.根據(jù)權(quán)利要求1~7中任一項(xiàng)所述的分析裝置，其中， 所述檢測(cè)器檢測(cè)被所述光學(xué)元件增強(qiáng)的拉曼散射光。
9.根據(jù)權(quán)利要求1~8中任一項(xiàng)所述的分析裝置，其中， 所述光源向所述光學(xué)元件照射具有比所述金屬粒子的所述高度方向的大小T以及所述第一方向的大小D大的波長的所述入射光。
10.一種光學(xué)元件，其是設(shè)置于權(quán)利要求1~9中任一項(xiàng)所述的分析裝置中的光學(xué)元件，所述光學(xué)兀件被照射與所述第一方向相同方向的直線偏振光。
11.一種分析方法，其是向光學(xué)元件照射入射光、根據(jù)所述入射光的照射檢測(cè)從所述光學(xué)元件放射的光、從而分析附著于光學(xué)元件表面上的對(duì)象物的分析方法，其中， 所述光學(xué)元件包括金屬層、設(shè)置于所述金屬層上且透過光的透光層、及在所述透光層上在第一方向以第一間隔排列并且在與所述第一方向交叉的第二方向以第二間隔排列的多個(gè)金屬粒子，所述光學(xué)元件的所述金屬粒子被配置為滿足下式(I)的關(guān)系， 所述分析方法中，向所述光學(xué)兀件照射與所述第一方向相同方向的直線偏振光的所述入射光， Pl < P2 ≤ Q + Pl…(I) 其中，Pl表示所述第一間隔，P2表示所述第二間隔、Q表示當(dāng)設(shè)所述金屬粒子列激發(fā)的局域型等離子體的角頻率為ω、構(gòu)成所述金屬層的金屬的介電常數(shù)為ε (ω)、所述金屬層的外圍的介電常數(shù)為ε、真空中的光速為C、所述入射光的照射角即從所述透光層的厚度方向的傾斜角為Θ時(shí)由下式(2)給出的衍射光柵的間隔，
(ω /c).{ ε.ε (ω) / ( ε + ε ( ω )) }1/2 = ε 1/2.(ω/c).sin θ + 2m π /Q Cm=±1、±2、...)...(2)。
12.一種光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其中，該光學(xué)元件包括金屬層、設(shè)置于所述金屬層上且透過光的透光層、及在所述透光層上在第一方向以第一間隔排列并且在與所述第一方向交叉的第二方向以第二間隔排列的多個(gè)金屬粒子， 所述金屬粒子被配置為滿足下式(I)的關(guān)系，
Pl < Ρ2 ≤ Q + Pl...(I) 其中，Pl表示所述第一間隔、Ρ2表示所述第二間隔、Q表示當(dāng)設(shè)所述金屬粒子列激發(fā)的局域型等離子體的角頻率為ω、構(gòu)成所述金屬層的金屬的介電常數(shù)為ε (ω)、所述金屬層的外圍的介電常數(shù)為ε、真空中的光速為C、所述入射光的照射角即從所述透光層的厚度方向的傾斜角為Θ時(shí)由下式(2)給出的衍射光柵的間隔，
(ω /c).{ ε.ε (ω) / ( ε + ε ( ω )) }1/2 = ε 1/2.(ω/c).sin θ + 2m π /Q Cm=±1、±2、...)...(2)。
13.一種光學(xué)元件的設(shè)計(jì)方法，其中，該光學(xué)元件包括金屬層、設(shè)置于所述金屬層上且透過光的透光層、及在所述透光層上在第一方向以第一間隔排列并且在與所述第一方向交叉的第二方向以第二間隔排列的多個(gè)金屬粒子， 在所述設(shè)計(jì)方法中，在所述第一方向以及所述第二方向矩陣狀地配置所述金屬粒子，以便產(chǎn)生局域型等離子體以及傳播型等離子體。
14.一種電子設(shè)備，該電子設(shè)備具備權(quán)利要求1~9中任一項(xiàng)所述的分析裝置、根據(jù)來自所述檢測(cè)器的檢測(cè)信息運(yùn)算健康醫(yī)療信息的運(yùn)算部、存儲(chǔ)所述健康醫(yī)療信息的存儲(chǔ)部、以及顯示所述健康醫(yī)療信息的顯示部。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的電子設(shè)備，其中，所述健康醫(yī)療信息包括關(guān)于選自由細(xì)菌、病毒、蛋白質(zhì)、核酸以及抗原、抗體組成的組中的至少一種生物體關(guān)聯(lián)物質(zhì)或者選自無機(jī)分子以及有機(jī)分子中的至少一種化合物的有無或者量的信息。
【文檔編號(hào)】H05H1/24GK104034658SQ201410079744
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年3月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月5日
【發(fā)明者】杉本守 申請(qǐng)人:精工愛普生株式會(huì)社