JP5083883B2

JP5083883B2 - 偏光素子

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Publication number: JP5083883B2
Application number: JP2007277968A
Authority: JP
Inventors: 元一大津; 誠成瀬; 崇八井
Original assignee: 一般財団法人光産業技術振興協会
Priority date: 2007-10-25
Filing date: 2007-10-25
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2027-10-25
Also published as: JP2009104074A

Description

本発明は、光計測、光通信、光記録等の分野において使用するのに好適な偏光素子に関するものである。

従来より、広汎な分野で使用されている液晶パネルなどのディスプレイデバイス、各種光計測技術、光デバイス、光システムにおいては、種々のタイプの偏光素子が使用されている。この偏光素子は、入射光の偏光成分のうち特定方向の偏光成分のみを透過させたり、偏光成分の位相を変調させることによって、偏光状態を様々に制御させることを可能とするものであり、光を利用して動作する光デバイスにおいては、非常に重要な光学素子となっている。

このような偏光素子としては、例えば、偏光子、１／２波長板や１／４波長板等がある。偏光子は、入射光の偏光成分のうち特定方向の偏光成分のみを透過させ、自然偏光を直線偏光に変換可能とする光学素子のことをいう。また、１／２波長板は、直線偏光の偏光方向を、それと略直交する偏光方向に変換させる光学素子である。また、１／４波長板は、入射光の直交する二方向の偏光成分の位相差を９０°変換させる光学素子であり、直線偏光を円偏光や楕円偏光に変換したり、円偏光等を直線偏光に変換可能とする。

ところで、近年においては、ノートパソコンや携帯電話を初めとした光デバイスの超小型化が要請されており、偏光子や１／２波長板等の偏光素子についても同様に、ナノメータサイズまで超小型化させる必要が生じている。

このような背景のもと、従来より提案されている偏光素子としては、例えば特許文献１に示すような、光の相互作用を利用した偏光素子が提案されている。

この特許文献１に開示されている偏光素子は、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を基板上に形成することによって構成される。この特許文献１における偏光素子に対して入射光が照射された場合、入射光中の偏光成分によって金属微小構造体内でプラズモンが励起され、複数の金属微小構造体で励起されているプラズモン間で相互作用が生じることによって、入射光中の直交する二方向の偏光成分に対して位相差を生じさせて、光を透過等させることになる。
特開２００６−３３０１０５号公報

ところで、このように金属の微小構造体を基板上又は基板内に配置して構成される偏光素子は、偏光素子内の微小構造体の寸法、形状や配置条件等の各要素が相互に複雑に関連することによって、特定の偏光制御特性が得られる。特定の偏光制御特性を得るために、実際にどのような形状、配置条件等のパラメータを設定すべきかは、未だ未解明な部分が数多く残されており、従来における偏光素子においては、これら微小構造体の形状や配置条件等が偏光制御特性に及ぼす影響が十分に考慮されていなかった。このため、設計どおりの偏光制御特性が得られにくくなっていたという問題が生じていた。

また、微小構造体の形状等の各要素と偏光素子の偏光制御特性との相関性が未解明であることに伴い、入射光と出射光との間における変換効率の改善が非常に困難であった。このように、変換効率が減少してしまうと、例えば、液晶パネルのような偏光素子を利用した液晶デバイスの場合に、ディスプレイの明るさを得るために、光源の出力を増加させる必要があり、これに伴って光デバイス全体の消費電力が増加してしまっていた。この光デバイスの消費電力の増加は、例えば携帯電話等の情報機器のバッテリー持続時間に直結するものであり、情報サービスに利用される光デバイスの利便性に悪影響を及ぼしていた。

また、近年においては、いわゆる近接場光を用いたナノ光デバイスや、これを用いたナノ光システムの進展が期待されており、これらナノ光デバイスにおいて利用される近接場光の偏光成分を制御可能とする偏光素子が望まれている。しかしながら、従来において提案されている偏光素子は、その偏光素子を介して出射される光を偏光成分の制御された伝搬光として利用可能に構成されているのみであり、近接場光として出射される光の偏光成分を制御可能に構成されたものではなかった。

そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、偏光素子内の微小構造体についての形状や配置条件等を制御することにより、設計どおりの偏光制御特性が得られる偏光素子を提供することにある。また、本発明の目的とするところは、偏光成分の制御された近接場光を出射光として得られる、近接場光を利用した光デバイス、光システムに好適な偏光素子を提供することにある。

本発明者は、上述した課題を解決するために、本願請求項１に係る発明のように、入射される伝搬光の偏光成分を特定の偏光成分に変換可能とする偏光素子において、透光性を有する平板状のガラス層と、上記ガラス層内に配列され、当該ガラス層内の一方向に延長されてなる微小構造体とを備え、複数個の上記微小構造体を互いに離間させた状態で上記微小構造体の長軸方向に向けて配列させて構成される第１の構造体列と第２の構造体列とが、当該長軸方向に直交する長軸直交方向に向けて交互に配列され、上記微小構造体は、上記第１の構造体列における微小構造体の長軸方向の一端部から上記長軸直交方向に、上記第２の構造体列において互いに隣り合う微小構造体のうちの一方の微小構造体の長軸方向の他端側が位置するとともに、当該第１の構造体列における微小構造体の他端部から上記長軸直交方向に、上記第２の構造体列において互いに隣り合う微小構造体のうちの他方の微小構造体の一端側が位置し、上記長軸方向の偏光成分を有する伝播光が入射された場合に、上記第１の構造体列における微小構造体の両端部と、上記第２構造体列において互いに隣り合う微小構造体のうちの一方の微小構造体の他端部と、他方の微小構造体の一端部との間において、上記長軸直交方向の電場成分が互いに逆向きの一対の電気双極子モーメントが生じるように配列されてなることを特徴とする偏光素子を発明した。

また、本願請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、上記微小構造体は、１μｍ以下のサイズから構成されることを特徴とする。

また、本願請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る発明において、長軸方向又は長軸直交方向に互いに隣接する上記微小構造体間の間隔は、入射される伝搬光の波長の１／４以下で構成されることを特徴とする。

また、本願請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項記載の発明において、上記微小構造体は、上記微小構造体の長軸方向と略同一方向の偏光成分の伝搬光が入射された場合に、互いに隣り合う上記構造体列間において長軸直交方向の電場成分が互いに逆向きの一対の電気双極子モーメントを生じさせるとともに、当該一対の電気双極子モーメントに基づき、出射側において上記長軸直交方向の偏光成分を有する近接場光を滲出させるように配列されてなることを特徴とする。

また、本願請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか１項記載の発明において、上記第１の構造体列における微小構造体の長軸方向の一端側の端部の下方と、上記第２の構造体列における微小構造体の長軸方向の他端側の端部の下方とに対して、上記長軸直交方向に延長されてなる棒状微小構造体の両端部が近接配置されてなることを特徴とする。

また、本願請求項６に係る発明は、請求項５に係る発明において、上記微小構造体の端部と上記棒状微小構造体の端部との間の間隔は、上記微小構造体の長軸方向と略同一方向の偏光成分の伝搬光が入射された場合に、上記微小構造体の表面に生じる近接場光の厚み以下で構成されていることを特徴とする。

また、本願請求項７に係る発明は、入射される伝搬光の偏光成分を特定の偏光成分に変換可能とする偏光素子において、透光性を有する平板状のガラス層と、上記ガラス層内に配列され、当該ガラス層内の一方向に延長されてなる中間部と、上記中間部の長軸方向の一端側の端部から上記一方向と直交する方向に延長されてなる第１凸部と、上記中間部の長軸方向の他端側の端部から上記第１凸部と反対向きに延長されてなる第２凸部とからなる微小構造体とを備え、複数個の上記微小構造体を互いに離間させた状態で上記一方向に向けて配列させて構成される構造体列が、当該一方向に直交する方向に向けて複数列に亘って配列されていることを特徴とする偏光素子である。

また、本願請求項８に係る発明は、請求項７に係る発明において、互いに隣接する微小構造体間の間隔は、入射される伝搬光の波長λ以下で構成されることを特徴とする。

また、本願請求項９に係る発明は、請求項８に係る発明において、互いに隣接する微小構造体間の間隔は、入射される伝搬光の波長の１／４以下で構成されることを特徴とする。

また、本願請求項１０に係る発明は、請求項７〜９の何れか１項記載の発明において、上記微小構造体は、伝搬光が入射された場合に、上記第１凸部及び上記第２凸部においてその長軸方向に振動する電流を発生させるとともに、その電流によるダイポールに基づき、出射側において当該第１凸部及び第２凸部の長軸方向の偏光成分を有する伝搬光を放射するよう構成されてなることを特徴とする。

本願請求項１に係る発明は、例えばＸ方向の偏光成分のみを有する直線偏光を照射した場合に、各微小構造体１１内でその長軸方向に沿った電流が流れて、両端部１１ａ、１１ｂにおいて分極が生じる。この分極によって、構造体郡１６中における各微小構造体１１間に電位差が生じて、Ｙ方向に互いに隣接する微小構造体１１間において、互いに逆向きのＹ方向の電場成分を有する一対の電気双極子モーメントＡ１、Ａ２が形成される。この互いに逆向きの一対の電気双極子モーメントＡ１、Ａ２によって、電気四重極子に類似の状態が形成され、Ｙ方向の伝搬光が生じないことになる。他方で、電気双極子モーメントＡ１、Ａ２の近傍には、それぞれの電気双極子モーメントからの放射、すなわちＹ方向の偏光成分を有する近接場光が生じている。

本願請求項５に係る発明は、例えばＸ方向の偏光成分のみを有する直線偏光を照射した場合に、微小構造体２２の下端近傍から、Ｙ方向の偏光成分を有する近接場光が滲出される。これによって、棒状微小構造体に対して、その長軸方向に沿った電流が流れ、これにより、棒状微小構造体からＹ方向の偏光成分を有する伝搬光が放射される。

本願請求項７に係る発明は、Ｘ方向、Ｙ方向の何れの偏光成分を有する伝搬光を照射した場合においても、第１凸部３４及び第２凸部３５においてその長軸方向に振動する電流を発生させ、その電流によるダイポールに基づき、出射側において第１凸部３４及び第２凸部３５の長軸方向の偏光成分を有する伝搬光を放射する。

以下、本発明を適用した偏光素子に関し、図面を参照にしながら詳細に説明する。

第１の実施の形態

まず、本発明を適用した第１の実施の形態である、例えば図１に示すような偏光素子１０について説明する。

偏光素子１０は、平板状のガラス層１２と、ガラス層１２内に配列される微小構造体１１とから構成されている。この偏光素子１０に対しては、ガラス層１２の板厚方向における一面側を入射側、他面側を出射側として、図１（ａ）に示す矢印方向に向けて伝搬光が照射される。これによって入射される伝搬光の偏光成分は、偏光素子１０を介して出射側において特定の偏光成分に変換されることになる。

このガラス層１２は、透光性を有するものであり、例えば石英ガラス、パイレックス（登録商標）などの硼珪酸ガラスや、ポリエチレンテレフタラート、カプトン等のプラスチック、或いはCaF_２、Si、ZnSe、Al_２O_３などの材料等によって具体化される。

微小構造体１１は、ガラス層１２内における略同一平面内に２次元的に配列されており、その形状は、当該ガラス層１２内における一方向に延長されて構成されている。以下、この微小構造体１１の長軸方向をＸ方向というものとする。

この微小構造体１１の材質は、光を照射された場合に微小構造体１１内において電子を励起可能な吸収体であればよく、例えばＡｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｌ等、またはこれら金属の合金によって具体化される。また、微小構造体１１の形状は、ガラス層１２内においてＸ方向に延長された形状からなるものであればよく、本実施の形態のような略矩形の形状の他に、略楕円形、略菱形等の形状であってもよい。

図２は、この微小構造体１１の構成の模式図である。この図２に示すように、微小構造体１１のサイズは、長さＲ1、幅ｄ１、高さH１で表現することができるものとする。本発明を適用した偏光素子１０においては、微小構造体１１の長さＲ１、幅ｄ１や高さH１のサイズは、後述するように、微小構造体１１に対して近接場光を発生させる必要があるので、それぞれ１μｍ以下で構成されることが好ましい。

ガラス層１２内においては、複数個の微小構造体１１を互いに離間させた状態でＸ方向に向けて配列させて第１の構造体列１３と第２の構造体列１４とが構成されている。また、ガラス層１０内においては、この第１の構造体列１３と第２の構造体列１４とが、微小構造体１１の長軸方向に直交する長軸直交方向（以下、Ｙ方向という。）に交互に配列されている。なお、ここでいう第１の構造体列１３と第２の構造体列１４とは、Ｙ方向に複数列に亘って配列される微小構造体の構造体列を、一列毎に区分する際の一指標として定義したものである。

この第１、第２の構造体列１３、１４の各微小構造体１１は、第１の構造体列１３における微小構造体１１のＸ方向の一端部１１ａからＹ方向に、第２の構造体列１４において互いに隣合う微小構造体１１のうちの一方の微小構造体１１のＸ方向の他端側１１ｂが位置するとともに、当該第１の構造体列１３における微小構造体１１のＸ方向の他端部１１ｂからＹ方向に、当該第２の構造体列において互いに隣り合う微小構造体１１のうちの他方の微小構造体１１の一端側１１ａが位置するように配列されている。なお、ここでいう一端側１１ａ、他端側１１ｂとは、微小構造体の長軸方向の中心部を基準として、微小構造体１１の一端部１１ａ寄りの部位を一端側１１ａ、他端部１１ｂ寄りの部位を他端側１１ｂとして定義したものである。

このことを、図１（ｂ）を例に説明すると、第１の構造体列１３における微小構造体１１ＡのＸ方向の一端部１１ａからＹ方向には、第２の構造体列１４において互いに隣り合う微小構造体１１Ｂ、１１Ｃのうちの一方の微小構造体１１ＢのＸ方向の他端側１１ｂが位置している。また、微小構造体１１ＡのＸ方向の他端部１１ｂからＹ方向には、互いに隣り合う微小構造体１１Ｂ、１１Ｃのうちの他方の微小構造体１１ＣのＸ方向の一端側１１ａが位置している。

上述のような微小構造体１１の配置条件を充たすように、第１の構造体列１３及び第２の構造体列１４における各微小構造体１１は配列されることになる。なお、上述した例では、第１の構造体列１３と、この第１の構造体列１３に対して隣接するから一列の第２の構造体列１４と間における微小構造体１１の配置条件について説明したが、この第１の構造体列１３に対して二列の第２の構造体列１４が隣接する場合は、この第２の構造体列１４との間においても、同様の配置条件を充たすように配列されることになる。

このような構成からなる偏光素子１０の一面側に対して、微小構造体１１の長軸方向と略同一方向（Ｘ方向）の偏光成分のみを有する光を入射した場合の作用効果について説明する。

この場合、この入射光と微小構造体１１中の自由電子との間での相互作用に基づいて、微小構造体１１内では、その長軸方向に沿って、入射光の振動に応じて振動する電流が流れる。これに伴って、微小構造体１１の長軸方向における両端部１１a、１１ｂにおいては、図３（a）に示すように、互いに異なる極性の電荷が周期的に現れて、分極が生じる。

何れの微小構造体１１においても、図３（ｂ）に示すように同様の分極が生じており、これによって、Ｘ方向並びにＹ方向に互いに隣接する微小構造体１１間で電位差が生じ、各微小構造体１１間で電気双極子モーメントＡ１、Ａ２及びＡ３が形成される。なお、Ｙ方向に互いに隣接する微小構造体１１間においては、一つの微小構造体１１（図３（ｂ）の中心に位置する微小構造体１１）の一端部１１aと他の微小構造体１１の他端部１１bとの間に電気双極子モーメントＡ１が形成され、当該一つの微小構造体１１の他端部１１bと他の微小構造体１１の一端部１１aとの間に電気双極子モーメントＡ２が形成される。また、Ｘ方向に互いに隣接する微小構造体１１間においては、同一の向きの電気双極子モーメントＡ３が形成される。

ここで、Ｘ方向に互いに隣接する各微小構造体１１間においては、同様の向きからなる電気双極子モーメントＡ３が生じているため、これら電気双極子モーメントＡ３の総和としてガラス層１２内で電気双極子モーメントが生じることになる。この電気双極子モーメントは、Ｘ方向に振動していることから、偏光素子１０に光を入射した面と反対側（出射側）において、Ｘ方向の偏光成分を有する伝搬光を放射することになる。

また、図３（ｂ）に示すような領域１５内においては、そのＹ方向の電場成分が互いに逆向きの電気双極子モーメントＡ１と電気双極子モーメントＡ２とが互いに隣接して存在している。このため、領域１５内においては、電気双極子モーメントＡ１及びＡ２のＹ成分によって、電気四重極子に類似の状態が形成されることになる。この場合において、遠隔場領域においては、互いに隣接する電気双極子モーメントＡ１、Ａ２とが打ち消し合うため、Ｙ方向の偏光成分を有する伝搬光が放射されない。これに対して、電気双極子モーメントＡ１、Ａ２の近傍においては、それぞれの電気双極子モーメントからのＹ方向成分の放射、即ちＹ方向の偏光成分を有する近接場光が生じる。

即ち、Ｘ方向の偏光成分のみを有する直線偏光を偏光素子１０に対して入射させると、出射側においては、Ｘ方向の偏光成分を有する伝搬光が放射されるとともに、Ｙ方向の偏光成分を有する近接場光が滲出されることになる。

このように、本発明を適用した偏光素子１０は、偏光素子１０内の微小構造体１２についての形状や配置条件等を制御することにより、Ｘ方向の偏光成分からなる伝搬光を入射時に、Ｙ方向の偏光成分からなる近接場光を放射可能に構成されている。このような偏光制御特性は、Ｘ方向の偏光成分を有する直線偏光を入射した場合に、Ｙ方向に互いに隣接する構造体列間に、互いに逆向きの一対の電気双極子モーメントをＸ方向に向けて連続して発生させるようにして発揮されている。このような状況を実現するためには、第１、第２の構造体列１３、１４の各微小構造体１１が、第１の構造体列１３における微小構造体１１のＸ方向の一端部１１ａからＹ方向に、第２の構造体列１４において互いに隣り合う微小構造体１１のうちの一方の微小構造体１１の他端側が位置するとともに、当該第１の構造体列１３における微小構造体１１のＸ方向の他端部からＹ方向に、当該第２の構造体列１４において互いに隣り合う微小構造体１１のうちの他方の微小構造体１１の一端側が位置するように配列されていればよい。

因みに、近接場光は、物体の表面にまとわりついて局在する非伝搬光であり、物体の表面に対してその物体の寸法と同程度の厚みｔ１をもった領域内に発生している。このため、偏光素子１０の出射側から滲出されている近接場光を利用するためには、この近接場光が発生している領域内に、近接場光に基づいて動作する光デバイスを近接配置する必要がある。これによって、この滲出している近接場光が、光デバイスに対して伝搬することになり、これよって光デバイスを動作可能となる。

また、図１（ｂ）に示すような、互いにＸ方向に隣接する微小構造体１１の間の間隔をL１とし、また、互いにＹ方向に隣接する微小構造体１１の間の間隔をL２とした場合、これらＬ１やＬ２が波長λの１／４超で構成されていると、出射側に放射される伝搬光成分が増加することになり、望ましくない。このためこれらＬ１やＬ２は、入射される伝搬光の波長λの１／４以下で構成されていることが望ましい。

また、上述した各実施の形態に係る微小構造体１１の製造においては、様々な方法を適用して実現できる。例えば電子ビームリソグラフィ技術を用いた直接描画による方法や、DUV（遠紫外線）、EUV（深紫外線）リソグラフィ技術による一括露光を行う方法、モールドと呼ばれる型を用い、熱をかけて押し付けるナノインプリンティング技術などが適用できる。また、相変化材料や遷移金属酸化物材料にレーザー光を照射することにより、材料特性を変化させ、エッチンググレードの違いを利用してエッチングする手法も適用できる。

また、図１等においては、この微小構造体１１が空気中に剥き出しになっているが、微小構造体１１全体がガラス層１０中に完全に埋め込まれていてもよいのは勿論である。

因みに、偏光素子１０の一面側に対して、微小構造体１１の長軸方向と略直交方向（Ｙ方向）の偏光成分のみを有する光を照射する場合の作用効果についても説明する。

この場合、この入射光と微小構造体１１中の自由電子との間での相互作用に基づいて、微小構造体１１内では、その幅方向に沿って、入射光の振動に応じて振動する電流が流れる。これに伴って、微小構造体１１の幅方向における両端部１１ｃ、１１ｄにおいては、図４（a）に示すように、互いに異なる極性の電荷が周期的に現れて、分極が生じる。

何れの微小構造体１１においても、図４（b）に示すように同様の分極が生じており、これによって、Ｙ方向に互いに隣接する微小構造体１１間で電位差が生じ、各微小構造体１１間で電気双極子モーメントＡ４及びＡ５が形成される。なお、Ｙ方向に互いに隣接する微小構造体１１間においては、一つの微小構造体１１（図４（ｂ）の中心に位置する微小構造体１１）の一端部１１ａと他の微小構造体１１の田端部１１ｂとの間で電気双極子モーメントＡ４が形成され、当該一つの微小構造体１１の他端部１１ｂと他の微小構造体１１の一端部１１ａとの間で電気双極子モーメントＡ５が形成される。また、Ｘ方向に互いに隣接する微小構造体１１との間においては、端部１１ａ、１１ｂとで生じる分極の電荷の極性が互いに同じであることから電位差が生じない。

ここで、図４（ｂ）に示すような領域１６内においては、そのＸ方向の電場成分が互いに逆向きの電気双極子モーメントＡ４とＡ５とが互いに隣接して存在している。このため、領域１６内においては、電気双極子モーメントＡ４及びＡ５のＸ方向成分によって、電気四重極子と同様の状態が形成されることになる。このため、遠隔場領域においては、互いに隣接する電気双極子モーメントＡ１、Ａ２とが打ち消し合うため、Ｘ方向の偏光成分を有する伝搬光が放射されない。これに対して、電気双極子モーメントＡ１、Ａ２の近傍においては、それぞれの電気双極子モーメントからのＸ方向成分の放射、即ちＸ方向の偏光成分を有する近接場光が生じる。

また、電気双極子モーメントＡ４及びＡ５のＹ方向成分は、何れも同一向きに形成されている。このため、Ｙ方向に互いに隣接する各微小構造体１１間において、同様の向きからなる電気双極子モーメントＡ４、Ａ５が生じているため、これら電気双極子モーメントの総和としてガラス層１２内で大きなＹ方向成分の電気双極子モーメントが生じることになる。この電気双極子モーメントは、Ｙ方向に振動していることから、出射側において、Ｙ方向の偏光成分を有する伝播光を放射することになる。

即ち、Ｙ方向の偏光成分のみを有する直線偏光を偏光素子１０に対して入射させると、出射側においては、Ｙ方向の偏光成分を有する伝搬光が放射されるとともに、Ｘ方向の偏光成分を有する近接場光が滲出されることになる。

第２の実施の形態

次に、本発明を適用した第２の実施の形態である、図５に示すような、偏光素子２０について説明する。

第２の実施の形態である偏光素子２０は、平板状のガラス層２１と、ガラス層２１内に配列される微小構造体２２及び棒状微小構造体２３とから構成される。

このガラス層２１は、図５（ｂ）に示すように、入射側から出射側にかけて板厚方向に第１層２４、第２層２５に区分されている。この第１層２４と第２層２５とは、一のガラス層２１を板厚方向に２段に区分する際の一指標として定義したものであり、これら２層が一枚のガラス層２１として作成していても、各々の層を別々に製作した上でこれらを貼り合わせて構成するようにしてもよい。なお、これらの層を構成する材質は、第１の実施の形態で説明したガラス層１２と同様の材質によって具体化される。

この微小構造体２２は、第１の実施の形態で説明した微小構造体１１と同様の大きさ、材質から構成されている。

第１層２４内においては、第１の実施の形態で説明した偏光素子１０と同様に、複数個の微小構造体２２を互いに離間させた状態でＸ方向に向けて配列させて第１の構造体列２６と第２の構造体列２７とが構成されている。この第１、第２の構造体列２６、２７は、Ｙ方向に交互に配列されている。また、第１、第２の構造体列２６、２７の微小構造体２２は、第１の構造体列２６における微小構造体２２のＸ方向の一端部２２ａからＹ方向に、第２の構造体列２７において互いに隣り合う微小構造体２２のうちの一方の微小構造体２２のＸ方向の他端側２２ｂが位置するとともに、当該第１の構造体列２６における微小構造体２２のＸ方向の他端部２２ｂからＹ方向に、当該第２の構造体列２７において互いに隣り合う微小構造体２２のうちの他方の微小構造体２２の他端側２２ｂが位置するように配列されている。

第２層２５内においては、図５（ｂ）に示すように、Ｙ方向に延長されてなる棒状微小構造体２３が配列されている。なお、この棒状微小構造体２３の材質等は、第１の実施の形態で説明した微小構造体１１の構成と同様の構成からなる。また、この棒状微小構造体２３は、長軸方向に長さＲ４で構成されるものとする、

この棒状微小構造体２３は、図５（ａ）や図５（ｃ）に示すように、その長軸方向の両端部２３ａが、第１の構造体列２６における微小構造体２２の長軸方向の一方の端部２２ｂの下方と、第２の構造体列２７における微小構造体２２の長軸方向の他方の端部２２ａの下方とに対して近接配置されている。

このような構成からなる偏光素子２０の一面側に対して、微小構造体２２の長軸方向と略同一方向（Ｘ方向）の偏光成分のみを有する光を入射した場合の作用効果について説明する。

この場合、第１層２４においては、第１層２４の構造が第１の実施の形態で説明した偏光素子１０と同様の構成からなることから、出射側において、Ｙ方向の偏光成分を有する近接場光が滲出されることになる。このＹ方向の偏光成分を有する近接場光は、第２層２５の棒状微小構造体２３に対して伝搬して、図６（ｂ）に示すように各棒状微小構造体２３内で、その長軸方向に沿った電流が流れる。これに伴って、棒状微小構造体２３の長軸方向における両端部において、互いに異なる極性の電荷が周期的に現れて、分極が生じることになる。何れの棒状微小構造体２３においても、図６（ｂ）に示すような分極が同様に生じているため、この棒状微小構造体２３に生じる分極によるダイポールに基づき、出射側においてＹ方向の偏光成分を有する伝搬光が放射されることになる。

このように、偏光素子２０に対してＸ方向の偏光成分のみを有する入射光を照射した場合、第１層２４の出射側においてＹ方向の偏光成分を有する近接場光として滲出され、更にこの近接場光が第２層２５を介することによって第２層２５の出射側よりＹ方向の偏光成分を有する伝搬光が放射されることになる。

このようにして構成される偏光素子２０は、第１層２４内における微小構造体２２の二次元的な形状や配置条件のみならず、第２層２５内における棒状微小構造体２３の形状や配置条件を含めた三次元的な形状、配置条件を考慮したうえで構成されている。微小構造体をガラス層内に配列して構成される偏光素子においては、微小構造体の三次元的な形状、配置条件を考慮した上で、偏光素子を構成することが難しいとされているが、本発明を適用した偏光素子２０によって三次元的な形状、配置条件を考慮したうえで、所定の偏光制御特性が得られるようになっている。

なお、近接場光は、物体の表面に対して、その物体の寸法と同程度の厚みｔ１をもった領域内に発生している。このため、第１層内の微小構造体２２の下端部と、第２層内の棒状微小構造体２３の上端部との間隔Ｇ３は、第１層２４の微小構造体２２で滲出される近接場光が、第２層２５の棒状微小構造体２５に対して伝搬可能となるように、近接場光の厚みｔ１以下で構成されていればよい。また、図５においては、第１層２４内の微小構造体２２の端部２２ａ、２２ｂの直下に、第２層２５内の棒状微小構造体２３の端部２３ａが位置するように構成されているが、特にこれに限定するものではない。

ここで、近接場光は、階層性と呼ばれる性質を有している。この近接場光の階層性とは、扱う系のスケールの大小によって、近接場光による電場強度等の各種性能が変化することをいう。この階層性は、例えば、物体の表面に発生する近接場光の厚みや、近接場光の電場強度がピークを示す物体表面からの距離等が、その近接場光が生じている物体のサイズに応じて定まることによって示される。この近接場光の階層性は、偏光素子２０においては、第１層２４の微小構造体２２の長さＲ１が変化した場合に示され、長さＲ１が長くなるにつれて、電場強度がピークを示す距離や、電場強度の損失の割合も変化することによって示される。このため、この棒状微小構造体２３の端部は、微小構造体２２の端部の下方であって、近接場光の階層性と微小構造体２２のサイズとに基づいて定まる電場強度がピークを示す位置に配置するのが望ましい。これによって、棒状微小構造体２３から出射側において放射される伝搬光の電場強度が向上することになり、ひいては偏光素子２０の変換効率の向上につながる。

第３の実施の形態

次に、本発明を適用した第３の実施の形態である、図７に示すような、偏光素子３０について説明する。

第３の実施の形態である偏光素子３０は、平板状のガラス層３１と、ガラス層３１内に配列される微小構造体３２とから構成されている。なお、ガラス層３１は、第１の実施の形態におけるガラス層２１と同様の材質からなる。

図８は、この微小構造体３２の構成の模式図である。微小構造体３２は、Ｘ方向に延長されてなる中間部３３と、中間部３３の一端側３３ａからＹ方向に延長されてなる第１凸部３４と、中間部３３の他端側３３ｂから第１凸部３４と反対方向に延長されてなる第２凸部３５とから構成されている。

この微小構造体３２は、中間部３３の長さＲ２、第１凸部及び第２凸部の長さＲ３、幅ｄ２、高さＨ２で表現することができるものとする。本発明を適用して偏光素子３０において、微小構造体３２の長さＲ２、Ｒ３、幅ｄ２及び高さＨ２は、特に限定しないが、光を照射した場合にこの光と微小構造体３２内の自由電子との間で相互作用を発生させるために１μｍ以下で構成されることが好ましい。また、この微小構造体３２の材質等は、第１の実施の形態において説明した微小構造体１１と同様の構成からなる。

ガラス層３１内においては、複数個の微小構造体３２を、略同一の配向状態で互いに離間させ、Ｘ方向に向けて配列させて構造体列３６が構成されている。また、この構造体列３６は、Ｙ方向に向けて複数列に亘って配列されている。

このような構成からなる偏光素子３０の作用効果について説明する。

まず、偏光素子３０の一面側に対して、微小構造体３２の中間部３３の長軸方向と略同一方向（Ｘ方向）の偏光成分のみを有する光を入射した場合の作用効果について説明する。

この場合、この入射光と微小構造体３２中の自由電子との間の相互作用に基づいて、主として微小構造体３２の中間部３３内において、その長軸方向に沿って、入射光の振動に応じて振動する電流が流れる。これに伴って、中間部３３の長軸方向における両端部３３ａ、３３ｂにおいては、図９（ａ）に示すように、互いに異なる極性の電荷が周期的に現れて、分極が生じる。また、中間部の両端部３３ａ、３３ｂに生じる分極によって、第１凸部３４の先端部３４ａや、第２凸部３５の先端部３５ａにおいても分極が生じる。

何れの微小構造体３３においても、図９（ｂ）に示すように同様の分極が生じており、これによって、互いに隣接する微小構造体３３間で電位差が生じ、微小構造体３３間で電位差が生じ、各微小構造体３３間で電気双極子モーメントＣ１、Ｃ２及びＣ３が形成される。なお、Ｙ方向に互いに隣接する微小構造体３３間においては、一つの微小構造体３２の第１凸部３４の先端部３４ａ並びに中間部３３の他端３３ｂと、他の微小構造体３２の中間部３３の一端３３ａ並びに第２凸部３５の先端部３５ａとの間に電気双極子モーメントＣ１が形成される。また、Ｘ方向に互いに隣接する微小構造体３３間においては、一つの微小構造体３２の中間部３３の一端３３ａと、他の微小構造体３２の中間部の他端３３ｂとの間に電気双極子モーメントＣ２が形成される。また、ＸＹ平面における斜め方向において互いに隣接する微小構造体３２間においては、一つの微小構造体３２の第１凸部３４の先端部３４ａと、他の微小構造体３２の第２凸部３５の先端部３５ａとの間に電気双極子モーメントＣ３が形成される。

ここで、何れの微小構造体３３間においても、微小構造体３３の第１凸部３４及び第２凸部３５において、その長軸方向（Ｙ方向）に振動する略同一の分極状態が生じており、この分極によって生じるダイポールによって偏光素子３０の出射側において、第１凸部３４及び第２凸部３５の長軸方向（Ｙ方向）の偏光成分を有する伝搬光が放射されることになる。

次に、偏光素子３０の一面側に対して、微小構造体３２の中間部３３の長軸方向と略直交方向（Ｙ方向）の偏光成分のみを有する光を照射した場合の作用効果について説明する。

この場合、この入射光と微小構造体３２中の自由電子との間の相互作用に基づいて、主として微小構造体３２の第１凸部３４及び第２凸部３５内において、その長軸方向に沿って、入射光の振動に応じて振動する電流が流れる。これに伴って、第１凸部３４の先端部３４ａと中間部３３の一端３３ａとの間、並びに中間部３３の他端３３ｂと第２凸部３５の先端部３５ａとの間において、図１０（ａ）に示すように、互いに異なる極性の電荷が周期的に現れて、分極が生じる。また、Ｘ方向の直線偏光を入射した場合と同様の分極状態が各微小構造体３２に生じることから、これに伴って各微小構造体３２間に、電気双極子モーメントＣ１、Ｃ２及びＣ３も生じることになる。

ここで、何れの微小構造体３３間においても、微小構造体３３の第１凸部２３及び第２凸部３５において、その長軸方向（Ｙ方向）に振動する略同一の分極状態が生じており、この分極によって生じるダイポールによって偏光素子３０の出射側において、第１凸部３４及び第２凸部３５の長軸方向（Ｙ方向）の偏光成分を有する伝搬光が放射されることになる。

このように、本発明を適用した偏光素子３０は、Ｘ方向の偏光成分のみからなる直線偏光、またはＹ方向の偏光成分のみからなる直線偏光の何れの光を入射した場合においても、第１凸部３４及び第２凸部３５においてその長軸方向（Ｙ方向）に振動する電流を発生させ、その電流によるダイポールに基づき、出射側において、第１凸部３４及び第２凸部３５の長軸方向（Ｙ方向）の偏光成分を有する伝搬光が放射されることになる。偏光素子３０は、このような偏光制御特性を、簡単な構造からなる微小構造体３３を所定の配置条件でガラス層３１内に配列することによって実現している。

なお、本発明を適用した偏光素子３０の上述のような偏光制御特性は、各微小構造体間で生じる電気双極子モーメントではなく、微小構造体３３の第１凸部３４及び第２凸部３５内においてその長軸方向に振動する電流によるダイポールに基づいて発揮されている。このため、ガラス層３１内において各微小構造体３３は、略同一の配向状態で配列されていればよく、各微小構造体の相互の位置関係は特に限定するものではない。このため、例えば、各微小構造体３３は、上述したような正方格子状をなす配列パターンの他に、直方格子状、三角格子状、ストライプ状、同心円状等をなして周期的に配列されていてもよいし、ランダムに配列されていてもよい。なお、微小構造体３３がストライプ状に配列される場合における、各微小構造体３３がなすストライプ（縞）間の間隔や、微小構造体３３が同心円状をなして配列されている場合における、各微小構造体３３がなす各同心円間の間隔は、互いに異なっていてもよいのは勿論である。

なお、微小構造体３３間の間隔は、回折限界以下のサイズであるλ以下となるように互いに離間されて配列されていることが望ましい。また、互いに隣接する微小構造体３３間の間隔は、入射される伝搬光の波長の１／４以下で構成されていれば、出射側に放射される伝搬光成分を一層低減できるため、更に望ましい。

また、本発明を適用した偏光素子３０は、入射される伝搬光の偏光成分に依存することなく、出射側において、微小構造体３３の第１凸部３４及び第２凸部３５の長軸方向の偏光成分からなる伝搬光を放射可能とするものである。このため、偏光素子３０を用いる場合は、ガラス層３１の板厚方向を通る直線を中心として偏光素子３０を回転させることによって、入射光の偏光成分を出射側において任意の偏光成分に変換することが可能となる。

上述した偏光素子１０及び偏光素子３０に対してＸ方向またはＹ方向の偏光成分のみを有する直線偏光を、各偏光素子の一面側から入射した場合において、出射側で得られた電場の電場強度を図１１に示す。以下、便宜上、偏光素子１０をＩ型偏光素子１０、偏光素子３０をＺ型偏光素子３０という。

Ｉ型偏光素子１０については、長さＲ１が３００ｎｍ、厚みｄ１が６０ｎｍ、高さＨ１が２００ｎｍ、周期長Ｔ１が４５０ｎｍ、長さＬ２が１８０ｎｍのものを適用した。また、Ｚ型偏光素子３０については、長さＲ２が３００ｎｍ、長さＲ３が１８０ｎｍ、厚みｄ２が６０ｎｍ、高さＨ２が２００ｎｍ、周期長Ｔ３が４８０ｎｍ、長さＬ３が２００ｎｍのものを適用した。また、入射光は、波長λが６８８ｎｍの光を照射するようにした。各偏光素子における微小構造体の材質は、金とした。

また、図１１における電場強度とは、偏光素子の微小構造体の下端から５ｎｍ程度離間した領域を近接場領域とし、偏光素子の微小構造体の下端から２μｍ程度離間した領域を遠隔場領域としたときに、これら近接場領域並びに遠隔場領域で測定された電場強度のことをいう。

この結果、Ｉ型偏光素子１０に対してＸ方向の偏光成分を有する直線偏光を入射した場合、出射側において、Ｙ方向の偏光成分を有する近接場光が滲出されて、Ｙ方向の偏光成分を有する伝搬光が放射されなかったことが確認された。また、このＩ型偏光素子１０に対してＹ方向の偏光成分を有する直線偏光を入射した場合、Ｘ方向の偏光成分を有する近接場光のみが滲出されて、Ｘ方向の偏光成分を有する伝搬光が放射されたなったことが確認された。

また、Ｚ型偏光素子３０に対してＸ方向の偏光成分を有する直線偏光を入射した場合、出射側において、Ｙ方向の偏光成分を有する伝搬光の放射が確認された。また、Ｚ型偏光素子３０に対してＹ方向の偏光成分を有する直線偏光を入射した場合、出射側において、Ｙ方向の偏光成分を有する伝搬光の放射が確認された。

因みに、図１２は、Ｉ型偏光素子１０及びＺ型偏光素子３０に対してＸ方向の偏光成分のみを有する直線偏光を入射した場合において、図１（ｂ）に示す距離Ｇ１、図７（ｂ）に示す距離Ｇ３を変化させることによって得られる変換効率を示している。なお、ここでいう変換効率とは、入射光のＸ方向の電場強度と、出射側のＹ方向の電場強度との比のことをいい、具体的には、下記数式（Ａ）で示されるＴ１のことをいう。

ここで、ｐ_ｎは微小構造体１１の下端から出射側における特定の箇所までの距離を、ｐ_ｉは入射光の位置を、Ｅｙ（ｐ_ｎ）は位置ｐ_ｎにおけるＹ方向の電場強度を、Ｅｘ（ｐ_ｉ）は位置ｐ_ｉにおけるＸ方向の電場強度のことをいう。また、ｐ_ｎを５００ｎｍとし、ｐ_ｉを２μｍをとした。

この結果、Ｉ型偏光素子１０は、Ｇ１を８０ｎｍとした場合における変換効率が１０^−１２であるのに対し、Ｇ１を２００ｎｍとした場合における変換効率が１０^−９であり、Ｇ１の値によって、１０^３の差が変換効率に生じることが確認された。これに対し、Ｚ型偏光素子３０は、距離Ｇ３を変化させても変換効率に差異が生じないことが確認された。これは、変換効率に関して、Ｉ型偏光素子１０が配列パターンに大きな依存性を有しているのに対し、Ｚ型偏光素子３０が配列パターンに依存性を有していない点を示している。

上述した偏光素子１０に対してＸ方向の偏光成分のみを有する直線偏光を入射した場合において、長さＲ１を変化させることによって得られる変換効率について、図１３に示す。

なお、実施例２においてｐ_ｉは、５ｎｍとした。また、偏光素子１０の配列パターンや微小構造体１１の大きさ、入射光等の条件は、実施例１と同様の条件を適用した。

この結果、微小構造体１１の長さＲ１を３００ｎｍ、７００ｎｍとした場合に、大きな変換効率が得られた。このように大きな変換効率が得られたのは、微小構造体１１内においていわゆるプラズモン共鳴が生じているためと考えられる。

上述のように、大きな変換効率が得られる、微小構造体の長さＲ１を３００ｎｍ、７００ｎｍとした場合において、微小構造体１１の下端からの距離ｐ_ｎを変化させることによって得られる電場強度Ｅｙ（ｐ_ｎ）を図１４に示す。この図に示すように、長さＲ１を７００ｎｍとした場合の方が、距離ｐ_ｎを長くした場合における電場強度の損失の割合が少ない事が確認された。これは、近接場光の階層性に基づくものであると考えられる。

上述した偏光素子１０及び偏光素子２０に対してＸ方向の偏光成分のみを有する直線偏光を入射した場合において、波長λを変化させることによって得られる変換効率について図１５に示す。因みに、ここでいう変換効率は、入射光のＸ方向の電場強度と、出射側の遠隔場領域（ｐ_ｉ＝２μｍ）におけるＹ方向の電場強度との比のことをいう。以下、便宜上、偏光素子１０を単層構造偏光素子１０、偏光素子２０を二層構造偏光素子２０という。

単層構造偏光素子１０の配列パターンや微小構造体１１の大きさ等の条件は、実施例１と同様の条件を適用した。また、二層構造偏光素子２０は、第１層２４については実施例１の偏光素子１０と同様の条件、第２層については、長さＲ４が３００ｎｍ、距離Ｇ１が１０ｎｍのものを適用した。

この結果、波長６９０ｎｍとした場合に、単層構造偏光素子１０と二層構造偏光素子２０との間で、約１０^１０の変換効率の差が生じる事が確認された。

因みに、図１６は、二層構造偏光素子２０における第１層の微小構造体２２の長さＲ１を３００ｎｍ、７００ｎｍとした場合に、図５（ｂ）に示す距離Ｇ３を変化させることによって得られる変換効率について示している。

この結果、長さＲ１を７００ｎｍとした場合の方が、近接場領域における電場強度の損失の割合が少ないことに伴い、第２層を介して増強されて放射される伝搬光の電場強度の損失の割合も少ない事が確認された。これは、近接場光の階層性に基づくものであると考えられる。

本発明を適用した偏光素子１０の構成について説明するための図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその平面図である。偏光素子１０における微小構造体１１の構成の模式図である。偏光素子１０の作用について説明するための図である。偏光素子１０の作用について説明するための図である。本発明を適用した偏光素子２０の構成について説明するための図であり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその側面断面図、（ｃ）はその模式図である。偏光素子２０の作用について説明するための図である。本発明を適用した偏光素子３０の構成について説明するための図であり、（ａ）はその斜視図、（ｂ）はその平面図である。偏光素子３０における微小構造体３２の構成の模式図である。偏光素子３０の作用について説明するための図である。偏光素子３０の作用について説明するための図である。偏光素子１０及び偏光素子３０に対して直線偏光を照射した場合の、出射側での電場強度について示す図である。偏光素子の距離Ｇ１及びＧ３に対する変換効率の大きさを示す図である。長さＲ１に対する変換効率の大きさを示す図である。距離Ｐｎに対する電場強度の大きさを示す図である。波長λに対する変換効率の大きさを示す図である。距離Ｇ２に対する変換効率の大きさを示す図である。

符号の説明

１０偏光素子
１１微小構造体
１１a 一端部
１１ｂ他端部
１２ガラス層
１３第１の構造体列
１４第２の構造体列
１５領域
２０偏光素子
２１ガラス層
２２微小構造体
２３棒状微小構造体
２４第１層
２５第２層
２６第１の構造体列
２７第２の構造体列
３０偏光素子
３１ガラス層
３２微小構造体
３３中間部
３４第１凸部
３５第２凸部
３６構造体列

Claims

入射される伝搬光の偏光成分を特定の偏光成分に変換可能とする偏光素子において、
透光性を有する平板状のガラス層と、
上記ガラス層内に配列され、当該ガラス層内の一方向に延長されてなる微小構造体とを備え、
複数個の上記微小構造体を互いに離間させた状態で上記微小構造体の長軸方向に向けて配列させて構成される第１の構造体列と第２の構造体列とが、当該長軸方向に直交する長軸直交方向に向けて交互に配列され、
上記微小構造体は、上記第１の構造体列における微小構造体の長軸方向の一端部から上記長軸直交方向に、上記第２の構造体列において互いに隣り合う微小構造体のうちの一方の微小構造体の長軸方向の他端側が位置するとともに、当該第１の構造体列における微小構造体の他端部から上記長軸直交方向に、当該第２の構造体列において互いに隣り合う微小構造体のうちの他方の微小構造体の一端側が位置し、上記長軸方向の偏光成分を有する伝播光が入射された場合に、上記第１の構造体列における微小構造体の両端部と、上記第２構造体列において互いに隣り合う微小構造体のうちの一方の微小構造体の他端部と、他方の微小構造体の一端部との間において、上記長軸直交方向の電場成分が互いに逆向きの一対の電気双極子モーメントが生じるように配列されてなること
を特徴とする偏光素子。
上記微小構造体は、１μｍ以下のサイズから構成されること
を特徴とする請求項１記載の偏光素子。
長軸方向又は長軸直交方向に互いに隣接する上記微小構造体間の間隔は、入射される伝搬光の波長の１／４以下で構成されること
を特徴とする請求項１又は２記載の偏光素子。
上記微小構造体は、上記微小構造体の長軸方向と略同一方向の偏光成分の伝搬光が入射された場合に、互いに隣り合う上記構造体列間において長軸直交方向の電場成分が互いに逆向きの一対の電気双極子モーメントを生じさせるとともに、当該一対の電気双極子モーメントに基づき、出射側において上記長軸直交方向の偏光成分を有する近接場光を滲出させるように配列されてなること
を特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の偏光素子。
上記第１の構造体列における微小構造体の長軸方向の一方の端部の下方と、上記第２の構造体列における微小構造体の長軸方向の他方の端部の下方とに対して、上記長軸直交方向に延長されてなる棒状微小構造体の両端部が近接配置されてなること
を特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の偏光素子。
上記微小構造体の端部と上記棒状微小構造体の端部との間の間隔は、上記微小構造体の長軸方向と略同一方向の偏光成分の伝搬光が入射された場合に、上記微小構造体の表面に生じる近接場光の厚み以下で構成されていること
を特徴とする請求項５記載の偏光素子。
入射される伝搬光の偏光成分を任意の偏光成分に変換可能とする偏光素子において、
透光性を有する平板状のガラス層と、
上記ガラス層内に配列され、当該ガラス層内の一方向に延長されてなる中間部と、上記中間部の長軸方向の一端側から上記一方向と直交する方向に延長されてなる第１凸部と、上記中間部の長軸方向の他端側から上記第１凸部と反対向きに延長されてなる第２凸部とからなる微小構造体とを備え、
上記微小構造体は、略同一の配向状態で互いに離間させて、上記ガラス層内に複数個に亘って配列されてなること
を特徴とする偏光素子。
互いに隣接する微小構造体間の間隔は、入射される伝搬光の波長λ以下で構成されること
を特徴とする請求項７記載の偏光素子。
互いに隣接する微小構造体間の間隔は、入射される伝搬光の波長の１／４以下で構成されること
を特徴とする請求項７記載の偏光素子。
上記微小構造体は、伝搬光が入射された場合に、上記第１凸部及び上記第２凸部においてその長軸方向に振動する電流を発生させるとともに、その電流によるダイポールに基づき、出射側において当該第１凸部及び第２凸部の長軸方向の偏光成分を有する伝搬光を放射するように構成されてなること
を特徴とする請求項７〜９の何れか１項記載の偏光素子。