光学素子
【課題】導電性薄膜に形成された波長以下の径を有する開口を介した光の伝送において、光の利用効率を向上させる。
【解決手段】第１および第２の表面２０ａ及び２０ｂを有し、第１の表面から第２の表面に連通する少なくとも一つの開口３０が設けられた導電性薄膜２０の、第１及び第２の表面の少なくとも一方に、周期長の異なる第１および第２の周期的表面形状４０ａ及び４０ｂを形成する。第２の周期的表面形状の周期長Ｐ２は、第１の周期的表面形状の周期長Ｐ１の１／２の奇数倍に実質的に等しくする。これにより、前記第１の周期的表面形状によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、前記第２の周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射され、第１の表面に入射し開口を通じて第２の表面側へ伝送される光の強度が高効率で増強される。
【解決手段】第１および第２の表面２０ａ及び２０ｂを有し、第１の表面から第２の表面に連通する少なくとも一つの開口３０が設けられた導電性薄膜２０の、第１及び第２の表面の少なくとも一方に、周期長の異なる第１および第２の周期的表面形状４０ａ及び４０ｂを形成する。第２の周期的表面形状の周期長Ｐ２は、第１の周期的表面形状の周期長Ｐ１の１／２の奇数倍に実質的に等しくする。これにより、前記第１の周期的表面形状によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、前記第２の周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射され、第１の表面に入射し開口を通じて第２の表面側へ伝送される光の強度が高効率で増強される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子に関し、特に、入射する光の波長以下の径を持つ開口と周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備え、非常に高いスループットを可能とする光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＤ−ＲＯＭ（コンパクトディスク−読み出し専用メモリ）及びＤＶＤ（デジタルビデオディスクまたはデジタルバーサタイルディスク）のような光記録媒体は、高い記録密度、コンパクトな設計、ポータビリティ及び頑強性等の特長を有する上、それ自体の価格のみならず記録再生装置の価格も低下しつつあるために、ますます魅力的なデータ記憶媒体になりつつある。そして、この種の光記録媒体においては、さらなる長時間の映像データの記録を可能とするために、より高い記録密度が望まれている。
【０００３】
現在の値を超えて光記録媒体の記録密度を増加させるためには、データを書き込みあるいは読み取る光ビームのサイズを小さくすることが必要である。通常の光学系、すなわち集光レンズを用いたときの、その焦点における光スポットのサイズは、主に光ビームの波長と集光レンズの開口数により決定される。一般には短波長の光源と高い開口数を有するレンズを使用することで光スポットのサイズを小さくすることができる。しかしこの方法では、いわゆる回折限界によるスポットサイズ限界が存在し、そのサイズは光源の波長の半分程度である。
【０００４】
最近、この回折限界に束縛されない技術として近接場光学技術が注目を集めている。例えば波長以下の大きさの微小な開口に光ビームを照射して透過（通過）させれば、その出口付近には、その開口サイズと同程度の微小な光スポットが形成される。これを利用すれば開口を記録媒体に近接させることで、光源の波長に限定されない微小な光スポットによる微小なピットの書き込みあるいは読み出しの実現が期待できる。
【０００５】
一方、このような近接場光学技術を利用した光ヘッドでは、解決しなければならない問題があった。それは、光の利用効率が低く、開口を介した光の十分な伝送を行うことが困難であるという問題である。金属膜に設けた波長λ以下の大きさの開口（開口径ｄ）を透過する光のパワーは、非特許文献１に記されているように（ｄ／λ）の４乗に比例して著しく減衰する。したがって微小な開口を介した光伝送は、読み出し用には低すぎる信号対雑音比、書き込み用には低すぎる光強度という問題を潜在的に抱えており、結果として近接場光学技術を用いた実用的な光ヘッドは今までに得られていない。
【０００６】
このような状況を打破するべく、光の波長未満の径を有する開口列をもった金属薄膜を使用して、開口列を透過する光の透過率が著しく高められた光伝送技術が既にいくつか提案されている（例えば、非特許文献２、又は特許文献１−４参照）。
【０００７】
これらの提案によれば、開口を周期的な配列で配置することにより、または開口と連係して金属薄膜上に周期的な表面形状を設けることにより、金属薄膜に設けた波長以下の直径を有する１つ以上の開口を、金属薄膜に照射された光が透過する光強度は、周期的な開口や表面形状がない場合に比べて大幅に増加する。実験的な検証によれば、その増加率は１，０００倍にも達することがある。この増加は、金属薄膜に入射する光が金属薄膜に励起される表面プラズモン・モードと共鳴的に相互作用するときに起こるとされている。
【０００８】
また、近接場光記録用ヘッドの微弱な透過光量を改善すべく、金属膜に波長以下の大きさの開口と周期的な表面形状を設け、周期的な表面形状により起こる表面プラズモン・エンハンス効果（surface plasmon-enhancement）を利用する非常に高い透過光パワー密度と分解能を有する光記録装置用の読み出し／書き込みヘッドも既に提案されている（特許文献５参照）。この提案による光記録ヘッドでは、金属膜に形成された開口と、金属膜の表面の少なくとも一方の上に設けられた周期的な表面形状とにより、金属膜の表面の一方に入射する光が金属膜の表面の少なくとも一方での表面プラズモン・モードと相互作用し、それにより、金属膜を貫通する開口を通る透過光を増大させる。
【０００９】
しかし、上述した従来の表面プラズモンを利用した高効率光透過技術においても、十分な光透過効率は未だ得られておらず、今日まで十分な伝送効率を示す波長未満径の開口デバイスは実現されていない。
【００１０】
一方、金属膜の表面に励起された表面プラズモンは、表面プラズモン・ポラリトンとして、金属膜の表面を伝搬することができる。そして、表面プラズモン・ポラリトンによる伝搬は、通常の光と同じように周期構造によってブラッグ反射されることが報告されている。また、金属膜表面を伝搬する表面プラズモン・ポラリトンは、金属膜表面上に設けられた周期的な表面形状の周期が、ブラッグ反射条件に非常に近い周期長を備える場合に、周期的な表面形状がミラーとして機能し、効率よく反射されることも報告されている（例えば、非特許文献３参照）。 しかしながら、非特許文献３（H. Ditlbacherら）は、あくまでも金属膜表面でのミラー機能を報告しているのみである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−７２６０７号公報（または米国特許第５，９７３，３１６号）
【特許文献２】特開２０００−１１１８５１号公報（または米国特許第６，０４０，９３６号）
【特許文献３】特開２０００−１７１７６３号公報（または米国特許第６，２３６，０３３号）
【特許文献４】特開２００１−１３３６１８号公報（または米国特許第６，２８５，０２０号）
【特許文献５】特開２００１−２９１２６５号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】H.A.Bethe、「微小孔による回折理論（Theory of Diffraction by Small Hall）」、Physical Review、巻６６、頁１６３−１８２（１９４４年）
【非特許文献２】Ebbesen等、「波長未満口径の孔列による驚くべき光伝送（Extraordinary optical transmission through sub- wavelength hole arrays）」、Nature、巻３９１、頁６６７−６６９（１９８８年２月１２日）
【非特許文献３】H. Ditlbacher、et al.、“Two-dimensional optics with surface plasmon polaritons”，Applied Physics Letters，８１，ｐ１７６２（２００２年９月２日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述のように、波長以下の開口を介した光の伝送は非常に困難であり、また、これを解決するために表面プラズモン効果で増幅された透過光を利用することがいくつか提案されているが、得られる透過光の入射光に対する利用効率がいまだ十分ではない。
【００１４】
それゆえ、本発明の目的は、開口と周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備えた光学素子において、高効率で光を伝送することを可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
表面プラズモン効果で増幅された透過光を利用する際に、得られる透過光の入射光に対する利用効率を高めるためには、周期構造によって表面プラズモンに変換されたエネルギーを効率よく利用し、エネルギーの散逸を抑制することが重要となる。すなわち、周期構造の外側に散逸するエネルギーを、ブラッグ反射によって効率よく戻すことで、高効率な光透過を実現することが可能となる。
【００１６】
本発明の第１の要旨による光学素子は、第１および第２の表面を有するとともに、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する少なくとも一つの開口と、前記第１および前記第２の表面の少なくとも一つの表面に設けられた周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備え、前記第１の表面に入射し前記開口を通じて前記第２の表面側へ伝送される光の強度が、周期的表面形状がない場合に比べて増強される光学素子であって、前記周期的表面形状が、周期長の異なる第１および第２の周期的表面形状を有し、前記第１の周期的表面形状によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、前記第２の周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射されることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の第２の要旨による光学素子は、第１および第２の表面を有するとともに、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する周期的に設けられた複数の開口を有する導電性薄膜を備え、前記第１の表面に入射し前記複数の開口を通じて前記第２の表面側へ伝送される光の強度が、前記複数の開口が周期的ではない場合に比べて増強される光学素子であって、前記周期的に設けられた複数の開口を第１の周期的開口とし、前記第１の周期的開口の周期長とは異なる周期長で形成された、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する前記複数の開口とは異なる別の複数の開口からなる第２の周期的開口あるいは前記第１及び前記第２の表面のいずれか一方に周期的に形成された周期的表面形状を備え、前記第１の周期的開口によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、前記第２の周期的開口あるいは前記周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射されることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の第３の要旨による光学素子は、第１および第２の表面を有するとともに、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する少なくとも一つの開口と、前記第１および前記第２の表面に設けられた複数の周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備え、前記第１の表面に入射し前記開口を通じて前記第２の表面側へ伝送される光の強度が、前記周期的表面形状がない場合に比べて増強される光学素子であって、前記複数の周期的表面形状として、前記第１の表面に設けられた互いに周期長の異なる第１および第２の周期的表面形状と、前記第２の表面に設けられた第３の周期的表面形状とを有し、前記第１の周期的表面形状によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、前記第２の周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射され、前記第３の周期的表面形状における表面プラズモン・ポラリトンが、当該第３の周期的表面形状において奇数次ブラッグ反射されることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明により、光記録媒体用の光ヘッドが提供される。この光ヘッドは、光源からの光によって光記録媒体に情報を記録する光ヘッドであって、前記光源の出力光を導波する導波手段と、該導波手段により導波された光を集光する集光手段と、上述した本発明の第１乃至第３の要旨による光学素子のいずれか一つとを備える。光学素子は、その開口を光記録媒体に近接して配設され、集光された光の一部を光記録媒体に照射する。
【００２０】
上記の構成によって、微小開口からの出射光強度を光記録媒体への記録に必要な値以上に高め、従来になく高密度に情報を記録することを可能にする光ヘッドが得られる。
【００２１】
また、本発明は、光記録装置を提供する。その光記録装置は、光源からの光によって光記録媒体に情報を記録するために、上記光ヘッドを備える。
【００２２】
上記の構成によって、従来になく高密度に情報を記録することを可能にする光記録装置が得られる。
【００２３】
また、本発明の光学素子を用いることによって、光源からの光の、特定の波長の光のみを集光させる集光装置が提供される。
【００２４】
さらに、本発明の光学素子を用いることにより、光源からの光の、特定の波長の光のみを集光して試料に照射する近接場光学顕微鏡が提供される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、光学素子の第１及び第２の表面に形成される導電性薄膜に、周期長の異なる第１および第２の周期的表面形状を形成し、第１の周期的表面形状によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、第２の周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射されるようにしたことで、波長以下の開口を通じて高効率で光を透過させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の断面図である。
【図２】（Ａ）は、図１に示す光学素子における導電性薄膜の第１の表面を示す平面図であり、（Ｂ）は、図１に示す光学素子における導電性薄膜の第２の表面を示す平面図（底面図）である。
【図３】図１の光学素子の第１の変形例を示す断面図である。
【図４】（Ａ）は、図１の光学素子の第２の変形例における導電性薄膜の第１の表面を示す平面図であり、（Ｂ）は、第２の変形例における導電性薄膜の第２の表面を示す平面図（底面図）である。
【図５】（Ａ）は、図１の光学素子の第３の変形例における導電性薄膜の第１の表面を示す平面図であり、（Ｂ）は、第３の変形例における導電性薄膜の第２の表面を示す平面図（底面図）である。
【図６】（Ａ）は、図１の光学素子の第４の変形例における導電性薄膜の第１の表面を示す平面図であり、（Ｂ）は、第４の変形例における導電性薄膜の第２の表面を示す平面図（底面図）である。
【図７】（Ａ）は、図１の光学素子の第５の変形例における導電性薄膜の第１の表面を示す平面図であり、（Ｂ）は、第５の変形例における導電性薄膜の第２の表面を示す平面図（底面図）である。
【図８】（Ａ）は、従来構造の光学素子の作用を説明するための図であり、（Ｂ）は、図１の光学素子の作用を説明するための概念図である。
【図９】図１の光学素子における、周期的表面形状の周期長と透過光の増幅率の相関を示すグラフである。
【図１０】（Ａ）は、従来構造の光学素子における電場分布図であり、（Ｂ）は、図１の光学素子における電場分布図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の断面図である。
【図１２】図１１の光学素子の第１の変形例を示す図である。
【図１３】図１１の光学素子の第２の変形例を示す図である。
【図１４】（Ａ）は、従来構造の光学素子における作用を説明するための概念図であり、（Ｂ）は、図１１の光学素子における作用を説明するための概念図である。
【図１５】図１１の光学素子における、周期的表面形状の周期長と光強度の増幅率の相関を示すグラフである。
【図１６】（Ａ）は、従来構造を含む光学素子における電場分布図であり、（Ｂ）は、図１２の光学素子の電場分布図である。
【図１７】本発明の光ヘッドの一実施形態を示す図である。
【図１８】本発明の光記録再生装置の一実施形態を示す図である。
【図１９】（Ａ）は、本発明の集光装置の一実施形態を示す図であり、（Ｂ）は、本発明の集光装置の他の実施形態を示す図である。
【図２０】本発明の近接場顕微鏡の一実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（実施の形態１）
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２８】
図１、図２（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る光学素子１０を示す図である。光学素子１０は、第１の表面２０ａと第２の表面２０ｂとを含む導電性薄膜２０を有している。入射光は、導電性薄膜２０の第１の表面２０ａに照射される。導電性薄膜２０は、直径がｄの少なくとも１つの孔、すなわち開口３０を有する。導電性薄膜２０は金属、あるいはドープ処理をした半導体材料からなり、アルミニウム、銀、金、クロム等が望ましい。特に、入射光として可視光領域の光を使用する場合には、光学的な損失の観点から銀が望ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００２９】
導電性薄膜２０は、第１の表面２０ａ及び第２の表面２０ｂの少なくとも一方（本実施の形態では、第１の表面２０ａのみであるが、両面でもよい。）に第１の周期的表面形状４０ａが備えられているとともに、第１の周期的表面形状と周期長が異なる第２の周期的表面形状４０ｂが備えられている。
【００３０】
第１の周期的表面形状４０ａは、入射光に対応するように設けられる。詳述すると、第１の周期的表面形状４０ａは、入射光が照射される領域と同じか、それよりわずかに広い領域に設けられる。換言すると、入射光が第１の周期的表面形状４０ａが設けられた領域内に照射されように、第１の周期的表面形状４０ａは設けられる。これらの領域が円形の場合、入射光の光束径よりも第１の周期的表面形状４０ａが設けられた領域の直径が大きくなるように、第１の周期的表面形状４０ａが形成される。なお、光の光束径とは、光の強度が、ピーク強度の１／ｅ２となる幅で定義される。
【００３１】
第２の周期的表面形状４０ｂは、第１の周期的表面形状４０ａが設けられた領域の周囲に設けられる。第２の周期的表面形状４０ｂの周期長Ｐ２は、第１の周期的表面形状４０ａの周期長Ｐ１の約１／２の奇数倍（１／２の奇数倍に実質的に等しいとみなせる値）である。図１および図２（Ａ）は、第２の周期的表面形状４０ｂの周期長Ｐ２が、第１の周期的表面形状４０ａの周期長Ｐ１の約１／２である場合を示しているが、図３に示すように、第２の周期的表面形状４０ｂの周期長Ｐ２が、第１の周期的表面形状４０ａの周期長Ｐ１の約３／２としてもよい。
【００３２】
周期的表面形状とは、ある基準面から隆起した領域、及び／又は、沈下した領域が周期的にまたは規則的に反復して（例えば、規則的な二次元格子状、あるいは同心円状に）配列されている形状を言う。ここで、周期的表面形状という用語は、導電性薄膜２０の全厚みを貫通する開口３０とは区別されなければならない。即ち、周期的表面形状という用語は、導電性薄膜２０の全厚みを貫通せず、それゆえ開口ではない表面の周期的な突起、または、窪みを述べるために使用される。周期的表面形状は如何なる任意の形にも形成できる。一つの開口に対して、その周辺に周期的表面形状を配置する場合には、開口を中心とした同心円状に配置された複数の窪みや突起、あるいは同心円状の複数の溝または突起とすることが望ましい。ただし、本発明の意図は、周期的表面形状の如何なる特定寸法によっても限定されない。
【００３３】
図１（図３についても同様）の上部に矢印で記号表示されたＩincidentの強度を有する入射光は、導電性薄膜２０の第１の表面２０ａに向かい、導電性薄膜２０の第２の表面２０ｂ内の開口３０から増大された強度Ｉoutputを有する図１の下部に矢印で記号表示された出力光として伝送される。光がこの構造を通って反対方向に移動した場合、すなわち、もし光が第２の表面２０ｂに入射し第１の表面から出力光として伝送された場合にも伝送強度の増大が起こることは注目すべきことである。
【００３４】
開口３０の直径ｄは、伝送強度を最大限増強して最高解像度を得るために、開口３０上に入射する入射光の波長より小さいことが望ましい。すなわち、出射側の開口は波長未満の直径を持つことが好ましい。
【００３５】
導電性薄膜２０の厚みはｔで表示され、導電性薄膜２０は光学的に不透明であるように十分厚くなければならない。すなわち、厚みｔは、入射光の浸透厚より大きくなくてはならない。
【００３６】
図１乃至図３には、支持されていない薄い導電性薄膜２０が示されている。すなわち、導電性薄膜２０は支持構造（基板）に隣接または固着されていない。しかし本発明では、導電性薄膜をガラスまたは石英上に堆積させ、薄い導電性薄膜２０を基板に固定してもよい。
【００３７】
基板を使用する時には、導電性薄膜２０の露出表面、あるいは基板との界面側表面のいずれかに周期的表面形状を設けることができる。導電性薄膜の基板との界面側表面に周期的表面形状を設ける場合には、例えばパターンの陰画を基板表面上に作り、陰画パターンを形成した基板上に導電性薄膜を堆積させることにより、導電性薄膜上に周期的表面形状を設けることができる。
【００３８】
図１および図３において、開口３０は、第１の表面から第２の表面に連通しているように描かれている。換言すると開口３０は、図１及び図３において導電性薄膜２０の全厚みを貫通するように示されている。しかしながら、開口３０は、導電性薄膜２０を貫通していなくても、光学的に十分薄い、すなわち、入射光の浸透厚より薄い程度の導電性薄膜が残されていてもよい。例えば、導電性薄膜が基板上に固定されており、基板側と反対側から開口を形成しようとする場合、導電性薄膜の全厚みを貫通するように開口を形成することによって、基板表面にダメージを与えることを避けるため、開口を貫通させずに、光学的に十分薄い程度の導電性薄膜が残されていてもよい。
【００３９】
さらに、図１乃至図３に示した開口３０は、円形であるが、本発明の範囲から逸脱することなく、これらの形状を他の形、例えばスリット形、長方形、多角形または楕円形にすることができる。上述のように、本発明の主旨から言って、波長以下の高分解能特性を得る上で、出射側の開口は波長より小さな直径をもつことが好ましく、開口がスリットや、長方形、楕円形である場合には、少なくともその短軸方向の長さが波長よりも小さいことが望ましい。
【００４０】
また、図１乃至図３には、第１及び第２の周期的表面形状４０ａ，４０ｂが同心円状に描かれているが、周期的表面形状は同心円状に形成されるものに限られない。例えば、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、開口３０の周囲に第１の間隔（周期長）で格子状に配列された複数の窪みを第１の周期的表面形状とし、その外側に第１の間隔とは異なる第２の間隔（周期長）で格子状に配列された別の複数の窪みを第２の周期的表面形状として形成してもよい。また、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、所定方向に沿って第１の間隔（周期長）で平行に配置された（一次元周期配列の）複数の溝を第１の周期的表面形状とし、第１の間隔とは異なる第２の間隔で互いに平行に配置された別の複数の溝を第２の周期的表面形状としてもよい。
【００４１】
さらに図１乃至図３には、開口３０が１つだけ示されているが、図６（Ａ）及び（Ｂ）又は図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように複数の開口３０を第１の周期長で周期的に形成し、第１の周期的開口としてもよい。この場合、第１の周期的開口の周囲には、第１の周期長とは異なる第２の周期長で周期的に配置された第２の周期的開口３１（図６）あるいは周期的表面形状４０ｂ（図７）が形成される。ここで、第２の周期的開口３１は、第１の表面２０ａから第２の表面２０ｂまで貫通する複数の孔であり、周期的表面形状４０ｂは、第１の表面２０ａ及び／又は第２の表面２０ｂに形成された複数の窪みである。
【００４２】
また、図示はしないが、第１の周期的開口（図６の３０に相当）を同心円状に配置した複数の開口で構成してもよい。同様に、第２の周期的開口（図６の３１に相当）を同心円状に配置した複数の開口で構成してもよい。また、第２の周期的開口（図７の４０ｂに相当）に代わる周期的表面形状として複数の窪みを同心円状に配置するようにしてもよい。
【００４３】
ここで、本発明の光学素子における作用について、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示した概念図を用いて説明する。
【００４４】
図８（Ａ）は、従来の構造における作用を説明するためのものである。Ｉincidentの強度を有する入射光（光束径ＤＬ）は、導電性薄膜２０に形成された第１の周期的表面形状４０ａによって、表面プラズモン・モードと相互作用し、開口３０から第２の表面側へ、増大された強度Ｉoutputを有する出力光として伝送される。しかし、第１の周期的表面形状４０ａによって光から表面プラズモンに変換されたエネルギーの一部は、導電性薄膜２０の表面上、すなわち、導電性薄膜２０と誘電体との界面を、表面プラズモン・ポラリトンとして伝搬し、白抜き矢印で示すように、第１の周期的表面形状の外側に散逸してしまう。一方、図８（Ｂ）に示した本発明の光学素子の場合、第１の周期的表面形状の外側に伝搬する表面プラズモン・ポラリトンは、第２の周期的表面形状によってブラッグ反射されるため、従来、散逸していたエネルギーも開口３０に効率よく集めることが可能となり、開口を介した高効率な光透過が得られる。
【００４５】
次に、第１の周期的表面形状あるいは第１の周期的開口の周期長Ｐ１について、表面プラズモン・モードを考慮した上で好ましい寸法について説明する。
【００４６】
周期長Ｐ１の周期構造を持つ導電性薄膜上における、表面プラズモンの励起条件は、運動量保存則から、一般に、以下のように表される。
【００４７】
ｋｓｐ＝ｋｘ＋ｉ・Ｇ （式１）
ここで、ｋｓｐは、導電性薄膜と誘電体の界面に生じる表面プラズモンの波数ベクトル、ｋｘは、入射光の、導電性薄膜の面内方向、すなわち接線方向における波数ベクトル成分、Ｇは、周期構造の逆格子ベクトル（Ｇ＝２π／Ｐ１）、ｉは、任意の整数である。
【００４８】
また、表面プラズモンの波数ベクトルｋｓｐの絶対値は、以下の分散関係式によって与えられる。
【００４９】
｜ｋｓｐ｜＝（ω／ｃ）・（εｍ・εｄ／（εｍ＋εｄ））１／２ （式２）
ここで、ωは入射光の角振動数、ｃは光の速度、εｍは導電性薄膜の誘電率、εｄは導電性薄膜に隣接する誘電媒体の誘電率を表し、εｍ＜０、｜εｍ｜＞εｄの関係にある。
【００５０】
導電性薄膜に垂直に光を入射させた場合、表面プラズモン・モードが効果的に励起され、出射側に伝送される光の強度が最も増強される波長λは、上記式１と上記式２を組み合わせた以下の式で表される。
【００５１】
λ＝Ｐ１・（εｍ・εｄ／（εｍ＋εｄ））１／２ （式３）
【００５２】
一方、周期長Ｐ１の周期構造によって表面プラズモンに変換されたエネルギーは、表面プラズモン・ポラリトンとして、導電性薄膜と誘電体の界面を伝搬する。このとき、波数ベクトルｋｓｐの表面プラズモン・ポラリトンが、周期長Ｐ２の周期構造によってブラッグ反射されるための条件は、以下の式で表される。
【００５３】
２・Ｐ２＝ｍ・（２・π／ｋｓｐ） （式４）
ここで、ｍは、一般に任意の整数で成り立つが、強いブラッグ反射の効果を得るためには、通常、ｍは奇数に限定される。さらに、表面プラズモン・ポラリトンが伝搬距離に応じて減衰していくことを考慮すると、ｍは小さいほうが、効率が高く、ｍ＝１が効率の面からは好ましい。一方、製造上における微細構造の形成の困難さからｍ＝１を選択することが困難である場合、ｍ＝３を選択することが望ましい。
【００５４】
導電性薄膜に垂直に光を入射させた場合に、周期長Ｐ１の周期構造によって表面プラズモン・モードが効果的に励起され、さらには、伝搬する表面プラズモン・ポラリトンが、周期長Ｐ２の周期構造によって効率よくブラッグ反射されるためのＰ１とＰ２の関係が、上記式１と上記式４より、以下のように導き出される。
【００５５】
Ｐ２＝（ｍ／２）・Ｐ１ （式５）
この式から、Ｐ２／Ｐ１＝ｍ／２の関係にあるとき、入射光が効率良く開口を通じて伝送されることが分かる。
【００５６】
実際に、周期長Ｐ２の異なる複数の光学素子を製作し、その透過光の増幅率を測定した。
【００５７】
各光学素子の製作は、まず、石英基板に、厚さ３００ｎｍの銀をＤＣスパッタ法で成膜した。次に、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて、第１の周期的表面形状４０ａとなる同心円状の溝を、周期長Ｐ１＝６００ｎｍ、深さ１００ｎｍ、周期数１０として形成した。続けてその外側に、第２の周期的表面形状４０ｂとなる同心円状の溝を、周期長Ｐ２＝１５０〜１６５０ｎｍ、深さ１００ｎｍ、周期数１０として形成した。このとき、第１の周期的表面形状４０ａにおける最も外側にある同心円状の溝の外径は、約１２μｍ程度である。また、溝の幅は、１周期の半分となるように設定した。その後、同心円状の周期的表面形状の中心に、ＦＩＢ加工により、直径１００ｎｍの微小な円形の開口を形成することで光学素子１０とした。また、これらの光学素子とは別に、第２の周期的表面形状がない素子も同時に作製し、透過光増大効果の確認用の試料とした。
【００５８】
まず、第２の周期的表面形状がない素子について、光透過スペクトルを測定し、この構成の素子において、約６５０ｎｍ付近に透過ピークが現れることを確認した。次に、波長６５０ｎｍの半導体レーザを光源とし、第２の周期的表面形状がない素子、および第２の周期的表面形状がある素子（光学素子１０）について、開口からの光透過強度を調べた。開口からの光透過強度は、顕微分光装置を用い、開口直上位置において測定した。レーザ光は、第１の周期的表面形状である同心円状の領域の中心に垂直に照射し、照射面における光束径が約１２μｍとなるように設定した。
【００５９】
図９は、測定結果、即ち、第２の周期的表面形状の周期長Ｐ２に対する、透過光の増幅率を示したものである。ここで、図の横軸は、第１の周期的表面形状の周期長Ｐ１に対する第２の周期的表面形状の周期長Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１とした。また、透過光の増幅率は、以下の式により算出した。
【００６０】
透過光の増幅率＝（第２の周期的表面形状がある素子の開口からの光透過強度）／（第２の周期的表面形状がない素子の開口からの光透過強度） （式６）
【００６１】
図９に示すとおり、透過光の増幅率は、Ｐ２／Ｐ１の値が０．５、１．５および２．５に近い値のとき、すなわち１／２の奇数倍に近い値に相当するとき（１／２の奇数倍に実質的に等しいとみなせるとき）に、顕著な増大を示す。１／２の奇数倍からのずれ量が大きいと、増大効果は急速に減少するが、Ｐ２／Ｐ１の値が、０．５の奇数倍±０．２の範囲内であるときには、顕著な透過光の増大が得られる。透過光の増幅率が１．２以上となるＰ２／Ｐ１の範囲は、０．３２〜０．５７、１．４２〜１．６２および２．４３〜２．６４である。また、Ｐ２／Ｐ１の値が０．５、１．５および２．５のときの透過光の増幅率は、それぞれ、１．３４、１．３５および１．３１である。透過光の増幅率の最大値を与えるＰ２／Ｐ１の値が０．５の奇数倍から若干ずれているのは、周期的表面形状によって効率よくカップリングあるいはブラッグ反射する表面プラズモン・ポラリトンの波数ベクトルｋｓｐが、周期長だけではなく、溝深さや溝形状に若干依存するためであると推測される。
【００６２】
一方、第２の周期的表面形状によるブラッグ反射の効果について、電磁界計算により確認した。図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、従来の構造と、本発明の光学素子における電場の絶対値の分布を示したものである。電場分布は、開口３０を対称面として片側の領域（第１０図（Ａ）の上部の破線で示す領域Ｒ（計算領域））のみを示した。また、基板は考慮せず、導電性薄膜２０に相当する銀の周囲は、すべて空気とした。従来構造における周期的表面形状の周期長および第１の周期的表面形状の周期長Ｐ１は６００ｎｍ、第２の周期的表面形状の周期長Ｐ２は３００ｎｍ、また入射光の波長λは６５０ｎｍである。図１０（Ａ）より、従来構造では第１の周期的表面形状の外側にエネルギーが散逸しているが、図１０（Ｂ）の本発明の光学素子の場合、第２の周期的表面形状によってエネルギーの散逸が抑制されていることが、視覚的に確認できる。
【００６３】
以上のように、本実施の形態によれば、波長以下の径を持つ開口と周期長の異なる２つの周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備えた光学素子において、第１の周期的表面形状の周期長に対して、第２の周期的表面形状の周期長を１／２の奇数倍に実質的に等しくすることにより、第１の周期的表面形状の外側に散逸するエネルギーを、第２の周期的表面形状によって効率よくブラッグ反射させることで効率を高め、高効率な光透過を実現することができる。
【００６４】
また、本実施の形態によれば、第１の周期長で配列された第１の周期開口と第２の周期長で配列された第２の周期開口あるいは周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備えた光学素子において、第１の周期長に対して、第２の周期長を１／２の奇数倍に実質的に等しくすることにより、第１の周期的開口の外側に散逸するエネルギーを、第２の周期的開口又は周期的表面形状によって効率よくブラッグ反射させることで効率を高め、高効率な光透過を実現する効果がある。
【００６５】
（実施の形態２）
次に、本発明の第２の実施の形態について、図１１乃至図１３を参照して説明する。
【００６６】
図１１は、本実施の形態に係る光学素子１０を示す図である。光学素子１０は、第１の表面２０ａと第２の表面２０ｂを含む導電性薄膜２０を有している。入射光は、導電性薄膜２０の第１の表面２０ａに照射される。導電性薄膜２０は、直径がｄの少なくとも１つの孔、すなわち開口３０を有する。
【００６７】
導電性薄膜２０は、導電性薄膜２０の第２の表面２０ｂに第３の周期的表面形状４０ｃが備えられている。ここで、第２の表面２０ｂに形成された周期的表面形状４０ｃを第３の周期的表面形状と呼ぶのは、図１２あるいは図１３に示すように図１あるいは図３に示す第１及び第２の周期的表面形状４０ａ及び４０ｂと組み合わせることが可能だからである。第３の周期的表面形状４０ｃの周期長Ｐ３は、光源の波長λを第２の表面２０ｂに実質的に隣接する媒体の実効屈折率ｎｄで除した値λ／ｎｄの、約１／２の奇数倍（１／２に実質的に等しいとみなせる値）である。または、第３の周期的表面形状４０ｃの周期長Ｐ３は、光源の波長λにおける銀の誘電率がεｍ、第２の表面に実質的に隣接する媒体の誘電率がεｄのとき、λ／（εｍ・εｄ／（εｍ＋εｄ））１／２の約１／２の奇数倍（１／２に実質的に等しいとみなせる値）である。
【００６８】
導電性薄膜の第１の表面には、周期的表面形状が備えられていても、備えられていなくてもよく、また、周期長の異なる複数の周期的表面形状が備えられていてもよい。第１の表面に複数の周期的表面形状が備えられている場合、周期的表面形状の周期長は、上述の実施の形態１で示された構造が含まれていてもよい。図１２および図１３は、上述のようにそれぞれ図１及び図３に示す第１及び第２の周期的表面形状組み合わせた構造を示すものである。図１２及び図１３のそれぞれにおいて、第１の表面には、第１の周期的表面形状４０ａが備えられているとともに、第１の周期的表面形状と周期長が異なる第２の周期的表面形状４０ｂが備えられている。第２の周期的表面形状４０ｂの周期長Ｐ２は、第１の周期的表面形状４０ａの周期長Ｐ１の約１／２の奇数倍（１／２の整数倍に実質的に等しいとみなせる値）である。ここで、図１２には、第２の周期的表面形状４０ｂの周期長Ｐ２が、第１の周期的表面形状４０ａの周期長Ｐ１の約１／２、また、第３の周期的表面形状４０ｃの周期長Ｐ３が、λ／ｎｄの、約１／２、または、λ／（εｍ・εｄ／（εｍ＋εｄ））１／２の約１／２である場合を示し、図１３には、それぞれ、約３／２である場合を示した。
【００６９】
図１１乃至図１３の上部に矢印で記号表示されたＩincidentの強度を有する入射光は、導電性薄膜２０の第１の表面２０ａに向かい、導電性薄膜２０の第２の表面２０ｂ内の開口３０から増大された強度Ｉoutputを有する図１１乃至図１３の下部に矢印で記号表示された出力光として伝送される。
【００７０】
図１１乃至図１３には、支持されていない薄い導電性薄膜２０が示されている。すなわち、導電性薄膜２０は支持構造（基板）に隣接または固着されていない。しかし本発明では、導電性薄膜をガラスまたは石英上に堆積させ、薄い導電性薄膜２０を基板に固定してもよい。
【００７１】
ここで、本発明の光学素子における作用について、図１４（Ａ）及び（Ｂ）に示した概念図を用いて説明する。
【００７２】
図１４（Ａ）は、従来の構造における作用を説明するためのものである。Ｉincidentの強度を有する入射光は、導電性薄膜２０の第１の表面２０ａに照射され、開口３０を通り抜け第２の表面側に出た光は、導電性薄膜に形成された周期的表面形状によって、表面プラズモン・モードと相互作用し、増大された強度Ｉoutputを有する出力光として伝送される。ここで、周期的表面形状は、第２の表面２０ｂ、すなわち、入射光が照射されている面と反対側である出射側の面に形成されており、このような構造においても、入射光は表面プラズモン・モードと相互作用し、増強された光が出射される。このとき、表面プラズモンが励起されるための周期的表面形状の周期長と波長の関係は、上述した式３によって与えられる。しかし、周期的表面形状によって変換されたエネルギーの一部は、導電性薄膜の表面上、すなわち、導電性薄膜と誘電体との界面を、表面プラズモン・ポラリトンとして伝搬し、周期的表面形状の外側に散逸してしまう。さらに、周期的表面形状によって変換されたエネルギーの一部が、回折条件によって、周期的表面形状の垂直方向に放射される。すなわち、開口近傍から離れた位置からも光が放射されており、開口近傍から強い光を得るための構造としては、効率が低い。
【００７３】
一方、図１４（Ｂ）に示した本発明の光学素子の場合、開口から出射された光は、第３の周期的表面形状によって表面プラズモン・モードと相互作用し、表面プラズモン・ポラリトンとして伝搬する。ここで、第３の周期的表面形状は、表面プラズモン・ポラリトンの奇数次ブラッグ反射条件も満たすことにより、第３の周期的表面形状の外側に散逸するエネルギーは抑制され、さらには、周期的表面形状の垂直方向へ回折、放射されるエネルギーも抑制されるため、エネルギーを効率よく利用することが可能となり、高効率な光透過と、開口近傍への効率的なエネルギーの集中を得ることが可能となる。
【００７４】
次に、周期的表面形状の周期長Ｐ３について、好ましい寸法について説明する。
【００７５】
第１の表面２０ａに入射された光は、開口３０を通じて伝送され、開口３０から第２の表面２０ｂ側に出射された光は、第３の周期的表面形状の表面プラズモン・モードと相互作用し、表面プラズモン・ポラリトンとして伝搬する。表面プラズモン・ポラリトンが、周期長Ｐ３の周期構造によってブラッグ反射されるための条件は、上述した式４のＰ２をＰ３に置き換えることによって記述され、さらに、上述した式２を組み合わせることにより、Ｐ３と波長λの関係は、以下のように導き出される。
【００７６】
Ｐ３＝（ｍ／２）・（λ／（εｍ・εｄ／（εｍ＋εｄ））１／２） （式７）
ここで、ｍは一般に任意の整数で成り立つが、第３の周期的表面形状の垂直方向への回折を抑制するためには、ｍは奇数に限定される。さらに、表面プラズモン・ポラリトンが伝搬距離に応じて減衰していくことを考慮すると、ｍは小さいほうが、効率が高く、ｍ＝１が効率の面からは好ましい。一方、製造上における微細構造の形成の困難さからｍ＝１を選択することが困難である場合、ｍ＝３を選択することが望ましい。
【００７７】
また、｜εｍ｜＞＞εｄであると仮定すると、式７は、以下の式で近似することができる。
【００７８】
Ｐ３≒（ｍ／２）・（λ／ｎｄ） （式８）
ここで、ｎｄはεｄ１／２である。
【００７９】
この式より、Ｐ３が光源の波長λを導電性薄膜に隣接する誘電媒体の誘電率ｎｄで除した値の１／２の奇数倍に等しいときに、図１１の光学素子は、効率良く光を透過することができることが理解できる。
【００８０】
実際に、本実施の形態に係る複数の光学素子を作製し、その透過特性を測定した。
【００８１】
各光学素子の作製は、まず、石英基板に、厚さ３００ｎｍの銀をＤＣスパッタ法で成膜した。次に、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて、第３の周期的表面形状４０ｃとなる同心円状の溝を、周期長Ｐ３＝１５０〜１０５０ｎｍ、深さ１００ｎｍ、周期数１０として形成した。溝の幅は、１周期の半分となるように設定した。その後、同心円状の周期的表面形状の中心に、ＦＩＢ加工により、直径２００ｎｍの微小な円形の開口を形成することで光学素子１０とした。
【００８２】
透過特性の測定は、まず、周期長Ｐ３＝６００ｎｍの素子について光透過スペクトルを測定し、この構成の素子において、約６５０ｎｍ付近に透過ピークが現れることを確認した。次に、波長６５０ｎｍの半導体レーザを光源とし、周期長Ｐ３を変化させた光学素子１０について、開口近傍における光強度を調べた。開口近傍での光強度の測定には近接場光学顕微鏡を用い、開口から約２０ｎｍ離れた位置における光強度を測定した。レーザ光は、第１の表面の開口の中心に垂直に照射し、照射面における光束径が約１２μｍとなるように設定した。
【００８３】
図１５は、その測定結果である、周期的表面形状の周期長Ｐ３に対する光強度の増幅率を示したものである。ここで、図の横軸は、入射光の波長λ（＝６５０ｎｍ）に対する、周期的表面形状の周期長Ｐ３の比Ｐ３／λとした。また、光強度の増幅率は、以下の式により算出した。
【００８４】
光強度の増幅率＝
（周期的表面形状を有する素子の出射側の開口から約２０ｎｍ離れた位
置における光強度）
／（周期的表面形状の周期長Ｐ３＝６００ｎｍを有する素子の出射側の
開口から約２０ｎｍ離れた位置における光強度） （式９）
【００８５】
図１５に示すとおり、光強度の増幅率は、Ｐ３／λの値が０．５および１．５に近い値のとき、すなわち１／２の奇数倍に近い値（１／２の奇数倍に実質的に等しいとみなせる値）に相当するときに、顕著な増大を示す。１／２の奇数倍からのずれ量が大きいと、増大効果は急速に減少するが、Ｐ３／λの値が、０．５の奇数倍±０．２の範囲内であるときには、顕著な光強度の増大が得られる。光強度の増幅率が１．１５以上となるＰ３／λの範囲は、０．４２〜０．６５、および１．４３〜１．６２である。また、Ｐ３／λの値が０．５および１．５のときの光強度の増幅率は、それぞれ、１．２６および１．２０である。ただし、周期的表面形状によって効率よくカップリングあるいはブラッグ反射する表面プラズモン・ポラリトンの波数ベクトルｋｓｐが、周期長だけではなく、溝深さや溝形状に若干依存するため、光強度の増幅率の最大値を与えるＰ３／λの値は、０．５の奇数倍から若干ずれる可能性があることが推察される。
【００８６】
図１１の光学素子は、第２の表面にのみ周期的表面形状を備えており、第１の表面には周期的表面形状を備えていないが、上述したように、図１２および図１３のように、図１または図３に示すような第１及び第２の周期的表面構造を第１の表面に備えることができる。また、図１２および図１３では、導電性薄膜は基板に固着されていないが、導電性薄膜を石英上に堆積させて作成することもできる。この場合、第１の周期的表面形状の周期長Ｐ１は、石英基板の誘電率εｄ（屈折率ｎｄは、ｎｄ＝εｄ１／２）を用いて、上記式２で決定される。また、図１２では、第２の周期的表面形状の周期長Ｐ２は、約Ｐ１／２である場合が示されているが、作成の容易性の観点から、図１３に示すようにＰ２が約Ｐ１・３／２となるように形成されてもよい。作成は、まず、石英基板に、集束イオンビーム（ＦＩＢ）あるいは、電子ビーム露光を用いたパターニング法によって、第１の周期的表面形状４０ａとなる同心円状の溝、およびその外側に第２の周期的表面形状４０ｂとなる同心円状の溝を形成し、その上に、導電性薄膜２０となる銀をＤＣスパッタ法で成膜し、さらに、成膜した銀の表面に、ＦＩＢによって第３の周期的表面形状４０ｃとなる同心円状の溝を形成し、最後に、同心円状の周期的表面形状の中心に、ＦＩＢを用いて、微小な開口を形成することによって行うことができる。
【００８７】
一方、第３の周期的表面形状によるブラッグ反射の効果を、電磁界計算により確認した。図１６は、第３の周期的表面形状が従来の構造であるものと、本発明の光学素子における電場の絶対値の分布を示したものである。ただし、第１の表面には、図１の第１の周期的表面形状および第２の周期的表面形状を有するものとした。また、基板は考慮せず、導電性薄膜２０に相当する銀の周囲は、すべて空気とした。第１の周期的表面形状の周期長Ｐ１は６００ｎｍ、第２の周期的表面形状の周期長Ｐ２は３００ｎｍ、従来構造における第３の周期的表面形状の周期長は６００ｎｍ、本発明の光学素子における第３の周期的表面形状の周期長Ｐ３は３００ｎｍ、また入射光の波長λは６５０ｎｍである。電場分布は、開口３０を対称面として片側の領域（第１６図（Ａ）の上部の破線で示す領域Ｒ）のみを示す。図１６（Ａ）より、第３の周期的表面形状が従来の構造の場合、第３の周期的表面形状の外側にエネルギーが散逸し、さらに、第３の周期的表面形状の垂直方向に回折光が放射されているが、図１６（Ｂ）の本発明の光学素子の場合、第３の周期的表面形状によって、エネルギーの散逸および周期的表面形状の垂直方向への放射が抑制されていることが、視覚的に確認できる。
【００８８】
上記実施の形態では、開口が円形の例を示したが、これに限定されることはない。たとえば、開口はスリット状、長方形、楕円形などとすることができる。
【００８９】
以上のように、本実施の形態によれば、少なくとも一つの開口と、少なくとも一つの表面に設けられた周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備えた光学素子において、前記周期的表面形状を出射面側に設け、かつその周期長を、透過させる光の波長λを出射面に隣接する媒体の実効屈折率ｎｄで除した値λ／ｎｄの、１／２の奇数倍に実質的に等しくしたことで、出射面側において開口の外側に散逸するエネルギーを、周期的表面形状によって効率よくブラッグ反射させること高効率な光透過を実現できる。
【００９０】
また、本実施形態によれば、透過させる光の波長がλ、導電性薄膜の誘電率がεｍ、出射面に実質的に隣接する媒体の誘電率がεｄのとき、周期的表面形状の周期長が、λ／（εｍ・εｄ／（εｍ＋εｄ））１／２の１／２の奇数倍に実質的に等しくすることで、同様の効果が得られる。
【００９１】
（実施の形態３）
図１７は、本発明の光学素子を用いて構成する光ヘッドの一実施形態を示したものである。
【００９２】
本実施形態の説明において使用される「光記録媒体」は、光を使用してデータが書き込まれまたは読み取られる任意の媒体を意味し、相変化媒体、光磁気媒体、色素媒体に制限されるものではない。媒体が光磁気材料の場合には、書き込みは光学的に行われ、読み出しは光学的にではなく磁気的に行われる場合もある。
【００９３】
図１７における光ヘッド２００は、光記録媒体１５０の回転により光ヘッドを所定の高さに浮上させるためのスライダー形状に形成されている。レーザ８０が出射するレーザ光は光ファイバ１００を介して導入され、マイクロレンズからなるコリメータレンズ６０を配置することによりコリメートされる。さらに、コリメートされた光は全反射ミラー７０により直角に光路を変え、さらにその下に置かれたフォーカスレンズ５０により、本発明の光学素子１０に導かれる。
【００９４】
次に本発明の光ヘッドを用いた光記録再生装置の一実施形態を示す。
【００９５】
図１８に光記録再生装置を示す。光記録再生装置は、回転軸３１０によって回転する光記録媒体３４０と、回転軸を中心に光ヘッド２００（光ファイバ１００およびレーザ８０は図示せず）を回転可能に支持するサスペンション３２０と、サスペンション３２０を回転させるヘッドアクチュエータ３３０を有する。光記録媒体３４０を高速回転させることでサスペンション３２０の先端に位置する光ヘッド２００は浮上し、光学素子１０の表面と光記録媒体３４０の間の距離を１００ｎｍ以下に保って走行して、従来になく高密度に情報を記録することが可能となる。
【００９６】
光記録媒体に記録された情報を再生するためには、図１７の光ヘッドにおいて、光学素子１０の光記録媒体側表面にフォトディテクタを形成することによって、媒体からの反射光を読み出すことができる。
【００９７】
また、本発明の光ヘッドを記録専用のヘッドとし、媒体を挟んでこの光記録ヘッドと対向して再生ヘッドを置き、媒体の透過光を検出する方法も可能である。また、光記録媒体として光磁気記録媒体を用い、媒体からの漏れ磁束を、磁気抵抗効果を用いたヘッドで再生することもできる。
【００９８】
また、本発明の光学素子を用いれば、例えば、特定の波長の光のみを集光させる集光装置や近接場光学顕微鏡など、ナノフォトニクスへ広く応用することが可能である。
【００９９】
図１９（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、本発明の光学素子を用いた特定の波長の光のみを集光させる集光装置の実施形態を示したものである。本発明の光学素子１０に入射させた光は、一つまたは複数の開口を通過した後、開口に連通するように設けられた一つまたは複数の光ファイバ４１０へ導入される。すなわち、本発明の光学素子１０が集光器として機能し、光ファイバ４１０への光の結合が効率よく行われる。
【０１００】
図２０は、本発明の近接場光学顕微鏡の一実施形態を示したものである。図示の近接場顕微鏡に用いられる光学素子１０は、近接場光学顕微鏡用のプローブ５１０の先端に配置され、プローブ５１０に入射された光は、光学素子１０の開口を通過した後、試料５２０に照射され、光検出器５３０にて検出される。すなわち、本発明の光学素子１０によって強められた光が試料に照射されることによって、高分解能かつ高感度な検出が可能となる。
【０１０１】
以上、ある種の用途における各種の光学素子について説明、図示してきたが、本明細書の特許請求の範囲によってのみ限定される本発明の精神および広義の内容を逸脱しない限り、変更および改良が可能である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０ 光学素子
２０ 導電性薄膜
２０ａ 第１の表面
２０ｂ 第２の表面
３０ 開口
４０ａ 第１の周期的表面形状
４０ｂ 第２の周期的表面形状
４０ｃ 第３の周期的表面形状
５０ フォーカスレンズ
６０ コリメータレンズ
７０ 全反射ミラー
８０ レーザ
１００ 光ファイバ
１５０ 光記録媒体
２００ 光ヘッド
３１０ 回転軸
３２０ サスペンション
３３０ ヘッドアクチュエータ
３４０ 光記録媒体
４１０ 光ファイバ
５１０ プローブ
５２０ 試料
５３０ 光検出器
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子に関し、特に、入射する光の波長以下の径を持つ開口と周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備え、非常に高いスループットを可能とする光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＤ−ＲＯＭ（コンパクトディスク−読み出し専用メモリ）及びＤＶＤ（デジタルビデオディスクまたはデジタルバーサタイルディスク）のような光記録媒体は、高い記録密度、コンパクトな設計、ポータビリティ及び頑強性等の特長を有する上、それ自体の価格のみならず記録再生装置の価格も低下しつつあるために、ますます魅力的なデータ記憶媒体になりつつある。そして、この種の光記録媒体においては、さらなる長時間の映像データの記録を可能とするために、より高い記録密度が望まれている。
【０００３】
現在の値を超えて光記録媒体の記録密度を増加させるためには、データを書き込みあるいは読み取る光ビームのサイズを小さくすることが必要である。通常の光学系、すなわち集光レンズを用いたときの、その焦点における光スポットのサイズは、主に光ビームの波長と集光レンズの開口数により決定される。一般には短波長の光源と高い開口数を有するレンズを使用することで光スポットのサイズを小さくすることができる。しかしこの方法では、いわゆる回折限界によるスポットサイズ限界が存在し、そのサイズは光源の波長の半分程度である。
【０００４】
最近、この回折限界に束縛されない技術として近接場光学技術が注目を集めている。例えば波長以下の大きさの微小な開口に光ビームを照射して透過（通過）させれば、その出口付近には、その開口サイズと同程度の微小な光スポットが形成される。これを利用すれば開口を記録媒体に近接させることで、光源の波長に限定されない微小な光スポットによる微小なピットの書き込みあるいは読み出しの実現が期待できる。
【０００５】
一方、このような近接場光学技術を利用した光ヘッドでは、解決しなければならない問題があった。それは、光の利用効率が低く、開口を介した光の十分な伝送を行うことが困難であるという問題である。金属膜に設けた波長λ以下の大きさの開口（開口径ｄ）を透過する光のパワーは、非特許文献１に記されているように（ｄ／λ）の４乗に比例して著しく減衰する。したがって微小な開口を介した光伝送は、読み出し用には低すぎる信号対雑音比、書き込み用には低すぎる光強度という問題を潜在的に抱えており、結果として近接場光学技術を用いた実用的な光ヘッドは今までに得られていない。
【０００６】
このような状況を打破するべく、光の波長未満の径を有する開口列をもった金属薄膜を使用して、開口列を透過する光の透過率が著しく高められた光伝送技術が既にいくつか提案されている（例えば、非特許文献２、又は特許文献１−４参照）。
【０００７】
これらの提案によれば、開口を周期的な配列で配置することにより、または開口と連係して金属薄膜上に周期的な表面形状を設けることにより、金属薄膜に設けた波長以下の直径を有する１つ以上の開口を、金属薄膜に照射された光が透過する光強度は、周期的な開口や表面形状がない場合に比べて大幅に増加する。実験的な検証によれば、その増加率は１，０００倍にも達することがある。この増加は、金属薄膜に入射する光が金属薄膜に励起される表面プラズモン・モードと共鳴的に相互作用するときに起こるとされている。
【０００８】
また、近接場光記録用ヘッドの微弱な透過光量を改善すべく、金属膜に波長以下の大きさの開口と周期的な表面形状を設け、周期的な表面形状により起こる表面プラズモン・エンハンス効果（surface plasmon-enhancement）を利用する非常に高い透過光パワー密度と分解能を有する光記録装置用の読み出し／書き込みヘッドも既に提案されている（特許文献５参照）。この提案による光記録ヘッドでは、金属膜に形成された開口と、金属膜の表面の少なくとも一方の上に設けられた周期的な表面形状とにより、金属膜の表面の一方に入射する光が金属膜の表面の少なくとも一方での表面プラズモン・モードと相互作用し、それにより、金属膜を貫通する開口を通る透過光を増大させる。
【０００９】
しかし、上述した従来の表面プラズモンを利用した高効率光透過技術においても、十分な光透過効率は未だ得られておらず、今日まで十分な伝送効率を示す波長未満径の開口デバイスは実現されていない。
【００１０】
一方、金属膜の表面に励起された表面プラズモンは、表面プラズモン・ポラリトンとして、金属膜の表面を伝搬することができる。そして、表面プラズモン・ポラリトンによる伝搬は、通常の光と同じように周期構造によってブラッグ反射されることが報告されている。また、金属膜表面を伝搬する表面プラズモン・ポラリトンは、金属膜表面上に設けられた周期的な表面形状の周期が、ブラッグ反射条件に非常に近い周期長を備える場合に、周期的な表面形状がミラーとして機能し、効率よく反射されることも報告されている（例えば、非特許文献３参照）。 しかしながら、非特許文献３（H. Ditlbacherら）は、あくまでも金属膜表面でのミラー機能を報告しているのみである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−７２６０７号公報（または米国特許第５，９７３，３１６号）
【特許文献２】特開２０００−１１１８５１号公報（または米国特許第６，０４０，９３６号）
【特許文献３】特開２０００−１７１７６３号公報（または米国特許第６，２３６，０３３号）
【特許文献４】特開２００１−１３３６１８号公報（または米国特許第６，２８５，０２０号）
【特許文献５】特開２００１−２９１２６５号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】H.A.Bethe、「微小孔による回折理論（Theory of Diffraction by Small Hall）」、Physical Review、巻６６、頁１６３−１８２（１９４４年）
【非特許文献２】Ebbesen等、「波長未満口径の孔列による驚くべき光伝送（Extraordinary optical transmission through sub- wavelength hole arrays）」、Nature、巻３９１、頁６６７−６６９（１９８８年２月１２日）
【非特許文献３】H. Ditlbacher、et al.、“Two-dimensional optics with surface plasmon polaritons”，Applied Physics Letters，８１，ｐ１７６２（２００２年９月２日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上述のように、波長以下の開口を介した光の伝送は非常に困難であり、また、これを解決するために表面プラズモン効果で増幅された透過光を利用することがいくつか提案されているが、得られる透過光の入射光に対する利用効率がいまだ十分ではない。
【００１４】
それゆえ、本発明の目的は、開口と周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備えた光学素子において、高効率で光を伝送することを可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
表面プラズモン効果で増幅された透過光を利用する際に、得られる透過光の入射光に対する利用効率を高めるためには、周期構造によって表面プラズモンに変換されたエネルギーを効率よく利用し、エネルギーの散逸を抑制することが重要となる。すなわち、周期構造の外側に散逸するエネルギーを、ブラッグ反射によって効率よく戻すことで、高効率な光透過を実現することが可能となる。
【００１６】
本発明の第１の要旨による光学素子は、第１および第２の表面を有するとともに、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する少なくとも一つの開口と、前記第１および前記第２の表面の少なくとも一つの表面に設けられた周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備え、前記第１の表面に入射し前記開口を通じて前記第２の表面側へ伝送される光の強度が、周期的表面形状がない場合に比べて増強される光学素子であって、前記周期的表面形状が、周期長の異なる第１および第２の周期的表面形状を有し、前記第１の周期的表面形状によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、前記第２の周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射されることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明の第２の要旨による光学素子は、第１および第２の表面を有するとともに、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する周期的に設けられた複数の開口を有する導電性薄膜を備え、前記第１の表面に入射し前記複数の開口を通じて前記第２の表面側へ伝送される光の強度が、前記複数の開口が周期的ではない場合に比べて増強される光学素子であって、前記周期的に設けられた複数の開口を第１の周期的開口とし、前記第１の周期的開口の周期長とは異なる周期長で形成された、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する前記複数の開口とは異なる別の複数の開口からなる第２の周期的開口あるいは前記第１及び前記第２の表面のいずれか一方に周期的に形成された周期的表面形状を備え、前記第１の周期的開口によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、前記第２の周期的開口あるいは前記周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射されることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明の第３の要旨による光学素子は、第１および第２の表面を有するとともに、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する少なくとも一つの開口と、前記第１および前記第２の表面に設けられた複数の周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備え、前記第１の表面に入射し前記開口を通じて前記第２の表面側へ伝送される光の強度が、前記周期的表面形状がない場合に比べて増強される光学素子であって、前記複数の周期的表面形状として、前記第１の表面に設けられた互いに周期長の異なる第１および第２の周期的表面形状と、前記第２の表面に設けられた第３の周期的表面形状とを有し、前記第１の周期的表面形状によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、前記第２の周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射され、前記第３の周期的表面形状における表面プラズモン・ポラリトンが、当該第３の周期的表面形状において奇数次ブラッグ反射されることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明により、光記録媒体用の光ヘッドが提供される。この光ヘッドは、光源からの光によって光記録媒体に情報を記録する光ヘッドであって、前記光源の出力光を導波する導波手段と、該導波手段により導波された光を集光する集光手段と、上述した本発明の第１乃至第３の要旨による光学素子のいずれか一つとを備える。光学素子は、その開口を光記録媒体に近接して配設され、集光された光の一部を光記録媒体に照射する。
【００２０】
上記の構成によって、微小開口からの出射光強度を光記録媒体への記録に必要な値以上に高め、従来になく高密度に情報を記録することを可能にする光ヘッドが得られる。
【００２１】
また、本発明は、光記録装置を提供する。その光記録装置は、光源からの光によって光記録媒体に情報を記録するために、上記光ヘッドを備える。
【００２２】
上記の構成によって、従来になく高密度に情報を記録することを可能にする光記録装置が得られる。
【００２３】
また、本発明の光学素子を用いることによって、光源からの光の、特定の波長の光のみを集光させる集光装置が提供される。
【００２４】
さらに、本発明の光学素子を用いることにより、光源からの光の、特定の波長の光のみを集光して試料に照射する近接場光学顕微鏡が提供される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、光学素子の第１及び第２の表面に形成される導電性薄膜に、周期長の異なる第１および第２の周期的表面形状を形成し、第１の周期的表面形状によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、第２の周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射されるようにしたことで、波長以下の開口を通じて高効率で光を透過させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光学素子の断面図である。
【図２】（Ａ）は、図１に示す光学素子における導電性薄膜の第１の表面を示す平面図であり、（Ｂ）は、図１に示す光学素子における導電性薄膜の第２の表面を示す平面図（底面図）である。
【図３】図１の光学素子の第１の変形例を示す断面図である。
【図４】（Ａ）は、図１の光学素子の第２の変形例における導電性薄膜の第１の表面を示す平面図であり、（Ｂ）は、第２の変形例における導電性薄膜の第２の表面を示す平面図（底面図）である。
【図５】（Ａ）は、図１の光学素子の第３の変形例における導電性薄膜の第１の表面を示す平面図であり、（Ｂ）は、第３の変形例における導電性薄膜の第２の表面を示す平面図（底面図）である。
【図６】（Ａ）は、図１の光学素子の第４の変形例における導電性薄膜の第１の表面を示す平面図であり、（Ｂ）は、第４の変形例における導電性薄膜の第２の表面を示す平面図（底面図）である。
【図７】（Ａ）は、図１の光学素子の第５の変形例における導電性薄膜の第１の表面を示す平面図であり、（Ｂ）は、第５の変形例における導電性薄膜の第２の表面を示す平面図（底面図）である。
【図８】（Ａ）は、従来構造の光学素子の作用を説明するための図であり、（Ｂ）は、図１の光学素子の作用を説明するための概念図である。
【図９】図１の光学素子における、周期的表面形状の周期長と透過光の増幅率の相関を示すグラフである。
【図１０】（Ａ）は、従来構造の光学素子における電場分布図であり、（Ｂ）は、図１の光学素子における電場分布図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態に係る光学素子の断面図である。
【図１２】図１１の光学素子の第１の変形例を示す図である。
【図１３】図１１の光学素子の第２の変形例を示す図である。
【図１４】（Ａ）は、従来構造の光学素子における作用を説明するための概念図であり、（Ｂ）は、図１１の光学素子における作用を説明するための概念図である。
【図１５】図１１の光学素子における、周期的表面形状の周期長と光強度の増幅率の相関を示すグラフである。
【図１６】（Ａ）は、従来構造を含む光学素子における電場分布図であり、（Ｂ）は、図１２の光学素子の電場分布図である。
【図１７】本発明の光ヘッドの一実施形態を示す図である。
【図１８】本発明の光記録再生装置の一実施形態を示す図である。
【図１９】（Ａ）は、本発明の集光装置の一実施形態を示す図であり、（Ｂ）は、本発明の集光装置の他の実施形態を示す図である。
【図２０】本発明の近接場顕微鏡の一実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
（実施の形態１）
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００２８】
図１、図２（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る光学素子１０を示す図である。光学素子１０は、第１の表面２０ａと第２の表面２０ｂとを含む導電性薄膜２０を有している。入射光は、導電性薄膜２０の第１の表面２０ａに照射される。導電性薄膜２０は、直径がｄの少なくとも１つの孔、すなわち開口３０を有する。導電性薄膜２０は金属、あるいはドープ処理をした半導体材料からなり、アルミニウム、銀、金、クロム等が望ましい。特に、入射光として可視光領域の光を使用する場合には、光学的な損失の観点から銀が望ましいが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００２９】
導電性薄膜２０は、第１の表面２０ａ及び第２の表面２０ｂの少なくとも一方（本実施の形態では、第１の表面２０ａのみであるが、両面でもよい。）に第１の周期的表面形状４０ａが備えられているとともに、第１の周期的表面形状と周期長が異なる第２の周期的表面形状４０ｂが備えられている。
【００３０】
第１の周期的表面形状４０ａは、入射光に対応するように設けられる。詳述すると、第１の周期的表面形状４０ａは、入射光が照射される領域と同じか、それよりわずかに広い領域に設けられる。換言すると、入射光が第１の周期的表面形状４０ａが設けられた領域内に照射されように、第１の周期的表面形状４０ａは設けられる。これらの領域が円形の場合、入射光の光束径よりも第１の周期的表面形状４０ａが設けられた領域の直径が大きくなるように、第１の周期的表面形状４０ａが形成される。なお、光の光束径とは、光の強度が、ピーク強度の１／ｅ２となる幅で定義される。
【００３１】
第２の周期的表面形状４０ｂは、第１の周期的表面形状４０ａが設けられた領域の周囲に設けられる。第２の周期的表面形状４０ｂの周期長Ｐ２は、第１の周期的表面形状４０ａの周期長Ｐ１の約１／２の奇数倍（１／２の奇数倍に実質的に等しいとみなせる値）である。図１および図２（Ａ）は、第２の周期的表面形状４０ｂの周期長Ｐ２が、第１の周期的表面形状４０ａの周期長Ｐ１の約１／２である場合を示しているが、図３に示すように、第２の周期的表面形状４０ｂの周期長Ｐ２が、第１の周期的表面形状４０ａの周期長Ｐ１の約３／２としてもよい。
【００３２】
周期的表面形状とは、ある基準面から隆起した領域、及び／又は、沈下した領域が周期的にまたは規則的に反復して（例えば、規則的な二次元格子状、あるいは同心円状に）配列されている形状を言う。ここで、周期的表面形状という用語は、導電性薄膜２０の全厚みを貫通する開口３０とは区別されなければならない。即ち、周期的表面形状という用語は、導電性薄膜２０の全厚みを貫通せず、それゆえ開口ではない表面の周期的な突起、または、窪みを述べるために使用される。周期的表面形状は如何なる任意の形にも形成できる。一つの開口に対して、その周辺に周期的表面形状を配置する場合には、開口を中心とした同心円状に配置された複数の窪みや突起、あるいは同心円状の複数の溝または突起とすることが望ましい。ただし、本発明の意図は、周期的表面形状の如何なる特定寸法によっても限定されない。
【００３３】
図１（図３についても同様）の上部に矢印で記号表示されたＩincidentの強度を有する入射光は、導電性薄膜２０の第１の表面２０ａに向かい、導電性薄膜２０の第２の表面２０ｂ内の開口３０から増大された強度Ｉoutputを有する図１の下部に矢印で記号表示された出力光として伝送される。光がこの構造を通って反対方向に移動した場合、すなわち、もし光が第２の表面２０ｂに入射し第１の表面から出力光として伝送された場合にも伝送強度の増大が起こることは注目すべきことである。
【００３４】
開口３０の直径ｄは、伝送強度を最大限増強して最高解像度を得るために、開口３０上に入射する入射光の波長より小さいことが望ましい。すなわち、出射側の開口は波長未満の直径を持つことが好ましい。
【００３５】
導電性薄膜２０の厚みはｔで表示され、導電性薄膜２０は光学的に不透明であるように十分厚くなければならない。すなわち、厚みｔは、入射光の浸透厚より大きくなくてはならない。
【００３６】
図１乃至図３には、支持されていない薄い導電性薄膜２０が示されている。すなわち、導電性薄膜２０は支持構造（基板）に隣接または固着されていない。しかし本発明では、導電性薄膜をガラスまたは石英上に堆積させ、薄い導電性薄膜２０を基板に固定してもよい。
【００３７】
基板を使用する時には、導電性薄膜２０の露出表面、あるいは基板との界面側表面のいずれかに周期的表面形状を設けることができる。導電性薄膜の基板との界面側表面に周期的表面形状を設ける場合には、例えばパターンの陰画を基板表面上に作り、陰画パターンを形成した基板上に導電性薄膜を堆積させることにより、導電性薄膜上に周期的表面形状を設けることができる。
【００３８】
図１および図３において、開口３０は、第１の表面から第２の表面に連通しているように描かれている。換言すると開口３０は、図１及び図３において導電性薄膜２０の全厚みを貫通するように示されている。しかしながら、開口３０は、導電性薄膜２０を貫通していなくても、光学的に十分薄い、すなわち、入射光の浸透厚より薄い程度の導電性薄膜が残されていてもよい。例えば、導電性薄膜が基板上に固定されており、基板側と反対側から開口を形成しようとする場合、導電性薄膜の全厚みを貫通するように開口を形成することによって、基板表面にダメージを与えることを避けるため、開口を貫通させずに、光学的に十分薄い程度の導電性薄膜が残されていてもよい。
【００３９】
さらに、図１乃至図３に示した開口３０は、円形であるが、本発明の範囲から逸脱することなく、これらの形状を他の形、例えばスリット形、長方形、多角形または楕円形にすることができる。上述のように、本発明の主旨から言って、波長以下の高分解能特性を得る上で、出射側の開口は波長より小さな直径をもつことが好ましく、開口がスリットや、長方形、楕円形である場合には、少なくともその短軸方向の長さが波長よりも小さいことが望ましい。
【００４０】
また、図１乃至図３には、第１及び第２の周期的表面形状４０ａ，４０ｂが同心円状に描かれているが、周期的表面形状は同心円状に形成されるものに限られない。例えば、図４（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、開口３０の周囲に第１の間隔（周期長）で格子状に配列された複数の窪みを第１の周期的表面形状とし、その外側に第１の間隔とは異なる第２の間隔（周期長）で格子状に配列された別の複数の窪みを第２の周期的表面形状として形成してもよい。また、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、所定方向に沿って第１の間隔（周期長）で平行に配置された（一次元周期配列の）複数の溝を第１の周期的表面形状とし、第１の間隔とは異なる第２の間隔で互いに平行に配置された別の複数の溝を第２の周期的表面形状としてもよい。
【００４１】
さらに図１乃至図３には、開口３０が１つだけ示されているが、図６（Ａ）及び（Ｂ）又は図７（Ａ）及び（Ｂ）に示すように複数の開口３０を第１の周期長で周期的に形成し、第１の周期的開口としてもよい。この場合、第１の周期的開口の周囲には、第１の周期長とは異なる第２の周期長で周期的に配置された第２の周期的開口３１（図６）あるいは周期的表面形状４０ｂ（図７）が形成される。ここで、第２の周期的開口３１は、第１の表面２０ａから第２の表面２０ｂまで貫通する複数の孔であり、周期的表面形状４０ｂは、第１の表面２０ａ及び／又は第２の表面２０ｂに形成された複数の窪みである。
【００４２】
また、図示はしないが、第１の周期的開口（図６の３０に相当）を同心円状に配置した複数の開口で構成してもよい。同様に、第２の周期的開口（図６の３１に相当）を同心円状に配置した複数の開口で構成してもよい。また、第２の周期的開口（図７の４０ｂに相当）に代わる周期的表面形状として複数の窪みを同心円状に配置するようにしてもよい。
【００４３】
ここで、本発明の光学素子における作用について、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示した概念図を用いて説明する。
【００４４】
図８（Ａ）は、従来の構造における作用を説明するためのものである。Ｉincidentの強度を有する入射光（光束径ＤＬ）は、導電性薄膜２０に形成された第１の周期的表面形状４０ａによって、表面プラズモン・モードと相互作用し、開口３０から第２の表面側へ、増大された強度Ｉoutputを有する出力光として伝送される。しかし、第１の周期的表面形状４０ａによって光から表面プラズモンに変換されたエネルギーの一部は、導電性薄膜２０の表面上、すなわち、導電性薄膜２０と誘電体との界面を、表面プラズモン・ポラリトンとして伝搬し、白抜き矢印で示すように、第１の周期的表面形状の外側に散逸してしまう。一方、図８（Ｂ）に示した本発明の光学素子の場合、第１の周期的表面形状の外側に伝搬する表面プラズモン・ポラリトンは、第２の周期的表面形状によってブラッグ反射されるため、従来、散逸していたエネルギーも開口３０に効率よく集めることが可能となり、開口を介した高効率な光透過が得られる。
【００４５】
次に、第１の周期的表面形状あるいは第１の周期的開口の周期長Ｐ１について、表面プラズモン・モードを考慮した上で好ましい寸法について説明する。
【００４６】
周期長Ｐ１の周期構造を持つ導電性薄膜上における、表面プラズモンの励起条件は、運動量保存則から、一般に、以下のように表される。
【００４７】
ｋｓｐ＝ｋｘ＋ｉ・Ｇ （式１）
ここで、ｋｓｐは、導電性薄膜と誘電体の界面に生じる表面プラズモンの波数ベクトル、ｋｘは、入射光の、導電性薄膜の面内方向、すなわち接線方向における波数ベクトル成分、Ｇは、周期構造の逆格子ベクトル（Ｇ＝２π／Ｐ１）、ｉは、任意の整数である。
【００４８】
また、表面プラズモンの波数ベクトルｋｓｐの絶対値は、以下の分散関係式によって与えられる。
【００４９】
｜ｋｓｐ｜＝（ω／ｃ）・（εｍ・εｄ／（εｍ＋εｄ））１／２ （式２）
ここで、ωは入射光の角振動数、ｃは光の速度、εｍは導電性薄膜の誘電率、εｄは導電性薄膜に隣接する誘電媒体の誘電率を表し、εｍ＜０、｜εｍ｜＞εｄの関係にある。
【００５０】
導電性薄膜に垂直に光を入射させた場合、表面プラズモン・モードが効果的に励起され、出射側に伝送される光の強度が最も増強される波長λは、上記式１と上記式２を組み合わせた以下の式で表される。
【００５１】
λ＝Ｐ１・（εｍ・εｄ／（εｍ＋εｄ））１／２ （式３）
【００５２】
一方、周期長Ｐ１の周期構造によって表面プラズモンに変換されたエネルギーは、表面プラズモン・ポラリトンとして、導電性薄膜と誘電体の界面を伝搬する。このとき、波数ベクトルｋｓｐの表面プラズモン・ポラリトンが、周期長Ｐ２の周期構造によってブラッグ反射されるための条件は、以下の式で表される。
【００５３】
２・Ｐ２＝ｍ・（２・π／ｋｓｐ） （式４）
ここで、ｍは、一般に任意の整数で成り立つが、強いブラッグ反射の効果を得るためには、通常、ｍは奇数に限定される。さらに、表面プラズモン・ポラリトンが伝搬距離に応じて減衰していくことを考慮すると、ｍは小さいほうが、効率が高く、ｍ＝１が効率の面からは好ましい。一方、製造上における微細構造の形成の困難さからｍ＝１を選択することが困難である場合、ｍ＝３を選択することが望ましい。
【００５４】
導電性薄膜に垂直に光を入射させた場合に、周期長Ｐ１の周期構造によって表面プラズモン・モードが効果的に励起され、さらには、伝搬する表面プラズモン・ポラリトンが、周期長Ｐ２の周期構造によって効率よくブラッグ反射されるためのＰ１とＰ２の関係が、上記式１と上記式４より、以下のように導き出される。
【００５５】
Ｐ２＝（ｍ／２）・Ｐ１ （式５）
この式から、Ｐ２／Ｐ１＝ｍ／２の関係にあるとき、入射光が効率良く開口を通じて伝送されることが分かる。
【００５６】
実際に、周期長Ｐ２の異なる複数の光学素子を製作し、その透過光の増幅率を測定した。
【００５７】
各光学素子の製作は、まず、石英基板に、厚さ３００ｎｍの銀をＤＣスパッタ法で成膜した。次に、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて、第１の周期的表面形状４０ａとなる同心円状の溝を、周期長Ｐ１＝６００ｎｍ、深さ１００ｎｍ、周期数１０として形成した。続けてその外側に、第２の周期的表面形状４０ｂとなる同心円状の溝を、周期長Ｐ２＝１５０〜１６５０ｎｍ、深さ１００ｎｍ、周期数１０として形成した。このとき、第１の周期的表面形状４０ａにおける最も外側にある同心円状の溝の外径は、約１２μｍ程度である。また、溝の幅は、１周期の半分となるように設定した。その後、同心円状の周期的表面形状の中心に、ＦＩＢ加工により、直径１００ｎｍの微小な円形の開口を形成することで光学素子１０とした。また、これらの光学素子とは別に、第２の周期的表面形状がない素子も同時に作製し、透過光増大効果の確認用の試料とした。
【００５８】
まず、第２の周期的表面形状がない素子について、光透過スペクトルを測定し、この構成の素子において、約６５０ｎｍ付近に透過ピークが現れることを確認した。次に、波長６５０ｎｍの半導体レーザを光源とし、第２の周期的表面形状がない素子、および第２の周期的表面形状がある素子（光学素子１０）について、開口からの光透過強度を調べた。開口からの光透過強度は、顕微分光装置を用い、開口直上位置において測定した。レーザ光は、第１の周期的表面形状である同心円状の領域の中心に垂直に照射し、照射面における光束径が約１２μｍとなるように設定した。
【００５９】
図９は、測定結果、即ち、第２の周期的表面形状の周期長Ｐ２に対する、透過光の増幅率を示したものである。ここで、図の横軸は、第１の周期的表面形状の周期長Ｐ１に対する第２の周期的表面形状の周期長Ｐ２の比Ｐ２／Ｐ１とした。また、透過光の増幅率は、以下の式により算出した。
【００６０】
透過光の増幅率＝（第２の周期的表面形状がある素子の開口からの光透過強度）／（第２の周期的表面形状がない素子の開口からの光透過強度） （式６）
【００６１】
図９に示すとおり、透過光の増幅率は、Ｐ２／Ｐ１の値が０．５、１．５および２．５に近い値のとき、すなわち１／２の奇数倍に近い値に相当するとき（１／２の奇数倍に実質的に等しいとみなせるとき）に、顕著な増大を示す。１／２の奇数倍からのずれ量が大きいと、増大効果は急速に減少するが、Ｐ２／Ｐ１の値が、０．５の奇数倍±０．２の範囲内であるときには、顕著な透過光の増大が得られる。透過光の増幅率が１．２以上となるＰ２／Ｐ１の範囲は、０．３２〜０．５７、１．４２〜１．６２および２．４３〜２．６４である。また、Ｐ２／Ｐ１の値が０．５、１．５および２．５のときの透過光の増幅率は、それぞれ、１．３４、１．３５および１．３１である。透過光の増幅率の最大値を与えるＰ２／Ｐ１の値が０．５の奇数倍から若干ずれているのは、周期的表面形状によって効率よくカップリングあるいはブラッグ反射する表面プラズモン・ポラリトンの波数ベクトルｋｓｐが、周期長だけではなく、溝深さや溝形状に若干依存するためであると推測される。
【００６２】
一方、第２の周期的表面形状によるブラッグ反射の効果について、電磁界計算により確認した。図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、従来の構造と、本発明の光学素子における電場の絶対値の分布を示したものである。電場分布は、開口３０を対称面として片側の領域（第１０図（Ａ）の上部の破線で示す領域Ｒ（計算領域））のみを示した。また、基板は考慮せず、導電性薄膜２０に相当する銀の周囲は、すべて空気とした。従来構造における周期的表面形状の周期長および第１の周期的表面形状の周期長Ｐ１は６００ｎｍ、第２の周期的表面形状の周期長Ｐ２は３００ｎｍ、また入射光の波長λは６５０ｎｍである。図１０（Ａ）より、従来構造では第１の周期的表面形状の外側にエネルギーが散逸しているが、図１０（Ｂ）の本発明の光学素子の場合、第２の周期的表面形状によってエネルギーの散逸が抑制されていることが、視覚的に確認できる。
【００６３】
以上のように、本実施の形態によれば、波長以下の径を持つ開口と周期長の異なる２つの周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備えた光学素子において、第１の周期的表面形状の周期長に対して、第２の周期的表面形状の周期長を１／２の奇数倍に実質的に等しくすることにより、第１の周期的表面形状の外側に散逸するエネルギーを、第２の周期的表面形状によって効率よくブラッグ反射させることで効率を高め、高効率な光透過を実現することができる。
【００６４】
また、本実施の形態によれば、第１の周期長で配列された第１の周期開口と第２の周期長で配列された第２の周期開口あるいは周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備えた光学素子において、第１の周期長に対して、第２の周期長を１／２の奇数倍に実質的に等しくすることにより、第１の周期的開口の外側に散逸するエネルギーを、第２の周期的開口又は周期的表面形状によって効率よくブラッグ反射させることで効率を高め、高効率な光透過を実現する効果がある。
【００６５】
（実施の形態２）
次に、本発明の第２の実施の形態について、図１１乃至図１３を参照して説明する。
【００６６】
図１１は、本実施の形態に係る光学素子１０を示す図である。光学素子１０は、第１の表面２０ａと第２の表面２０ｂを含む導電性薄膜２０を有している。入射光は、導電性薄膜２０の第１の表面２０ａに照射される。導電性薄膜２０は、直径がｄの少なくとも１つの孔、すなわち開口３０を有する。
【００６７】
導電性薄膜２０は、導電性薄膜２０の第２の表面２０ｂに第３の周期的表面形状４０ｃが備えられている。ここで、第２の表面２０ｂに形成された周期的表面形状４０ｃを第３の周期的表面形状と呼ぶのは、図１２あるいは図１３に示すように図１あるいは図３に示す第１及び第２の周期的表面形状４０ａ及び４０ｂと組み合わせることが可能だからである。第３の周期的表面形状４０ｃの周期長Ｐ３は、光源の波長λを第２の表面２０ｂに実質的に隣接する媒体の実効屈折率ｎｄで除した値λ／ｎｄの、約１／２の奇数倍（１／２に実質的に等しいとみなせる値）である。または、第３の周期的表面形状４０ｃの周期長Ｐ３は、光源の波長λにおける銀の誘電率がεｍ、第２の表面に実質的に隣接する媒体の誘電率がεｄのとき、λ／（εｍ・εｄ／（εｍ＋εｄ））１／２の約１／２の奇数倍（１／２に実質的に等しいとみなせる値）である。
【００６８】
導電性薄膜の第１の表面には、周期的表面形状が備えられていても、備えられていなくてもよく、また、周期長の異なる複数の周期的表面形状が備えられていてもよい。第１の表面に複数の周期的表面形状が備えられている場合、周期的表面形状の周期長は、上述の実施の形態１で示された構造が含まれていてもよい。図１２および図１３は、上述のようにそれぞれ図１及び図３に示す第１及び第２の周期的表面形状組み合わせた構造を示すものである。図１２及び図１３のそれぞれにおいて、第１の表面には、第１の周期的表面形状４０ａが備えられているとともに、第１の周期的表面形状と周期長が異なる第２の周期的表面形状４０ｂが備えられている。第２の周期的表面形状４０ｂの周期長Ｐ２は、第１の周期的表面形状４０ａの周期長Ｐ１の約１／２の奇数倍（１／２の整数倍に実質的に等しいとみなせる値）である。ここで、図１２には、第２の周期的表面形状４０ｂの周期長Ｐ２が、第１の周期的表面形状４０ａの周期長Ｐ１の約１／２、また、第３の周期的表面形状４０ｃの周期長Ｐ３が、λ／ｎｄの、約１／２、または、λ／（εｍ・εｄ／（εｍ＋εｄ））１／２の約１／２である場合を示し、図１３には、それぞれ、約３／２である場合を示した。
【００６９】
図１１乃至図１３の上部に矢印で記号表示されたＩincidentの強度を有する入射光は、導電性薄膜２０の第１の表面２０ａに向かい、導電性薄膜２０の第２の表面２０ｂ内の開口３０から増大された強度Ｉoutputを有する図１１乃至図１３の下部に矢印で記号表示された出力光として伝送される。
【００７０】
図１１乃至図１３には、支持されていない薄い導電性薄膜２０が示されている。すなわち、導電性薄膜２０は支持構造（基板）に隣接または固着されていない。しかし本発明では、導電性薄膜をガラスまたは石英上に堆積させ、薄い導電性薄膜２０を基板に固定してもよい。
【００７１】
ここで、本発明の光学素子における作用について、図１４（Ａ）及び（Ｂ）に示した概念図を用いて説明する。
【００７２】
図１４（Ａ）は、従来の構造における作用を説明するためのものである。Ｉincidentの強度を有する入射光は、導電性薄膜２０の第１の表面２０ａに照射され、開口３０を通り抜け第２の表面側に出た光は、導電性薄膜に形成された周期的表面形状によって、表面プラズモン・モードと相互作用し、増大された強度Ｉoutputを有する出力光として伝送される。ここで、周期的表面形状は、第２の表面２０ｂ、すなわち、入射光が照射されている面と反対側である出射側の面に形成されており、このような構造においても、入射光は表面プラズモン・モードと相互作用し、増強された光が出射される。このとき、表面プラズモンが励起されるための周期的表面形状の周期長と波長の関係は、上述した式３によって与えられる。しかし、周期的表面形状によって変換されたエネルギーの一部は、導電性薄膜の表面上、すなわち、導電性薄膜と誘電体との界面を、表面プラズモン・ポラリトンとして伝搬し、周期的表面形状の外側に散逸してしまう。さらに、周期的表面形状によって変換されたエネルギーの一部が、回折条件によって、周期的表面形状の垂直方向に放射される。すなわち、開口近傍から離れた位置からも光が放射されており、開口近傍から強い光を得るための構造としては、効率が低い。
【００７３】
一方、図１４（Ｂ）に示した本発明の光学素子の場合、開口から出射された光は、第３の周期的表面形状によって表面プラズモン・モードと相互作用し、表面プラズモン・ポラリトンとして伝搬する。ここで、第３の周期的表面形状は、表面プラズモン・ポラリトンの奇数次ブラッグ反射条件も満たすことにより、第３の周期的表面形状の外側に散逸するエネルギーは抑制され、さらには、周期的表面形状の垂直方向へ回折、放射されるエネルギーも抑制されるため、エネルギーを効率よく利用することが可能となり、高効率な光透過と、開口近傍への効率的なエネルギーの集中を得ることが可能となる。
【００７４】
次に、周期的表面形状の周期長Ｐ３について、好ましい寸法について説明する。
【００７５】
第１の表面２０ａに入射された光は、開口３０を通じて伝送され、開口３０から第２の表面２０ｂ側に出射された光は、第３の周期的表面形状の表面プラズモン・モードと相互作用し、表面プラズモン・ポラリトンとして伝搬する。表面プラズモン・ポラリトンが、周期長Ｐ３の周期構造によってブラッグ反射されるための条件は、上述した式４のＰ２をＰ３に置き換えることによって記述され、さらに、上述した式２を組み合わせることにより、Ｐ３と波長λの関係は、以下のように導き出される。
【００７６】
Ｐ３＝（ｍ／２）・（λ／（εｍ・εｄ／（εｍ＋εｄ））１／２） （式７）
ここで、ｍは一般に任意の整数で成り立つが、第３の周期的表面形状の垂直方向への回折を抑制するためには、ｍは奇数に限定される。さらに、表面プラズモン・ポラリトンが伝搬距離に応じて減衰していくことを考慮すると、ｍは小さいほうが、効率が高く、ｍ＝１が効率の面からは好ましい。一方、製造上における微細構造の形成の困難さからｍ＝１を選択することが困難である場合、ｍ＝３を選択することが望ましい。
【００７７】
また、｜εｍ｜＞＞εｄであると仮定すると、式７は、以下の式で近似することができる。
【００７８】
Ｐ３≒（ｍ／２）・（λ／ｎｄ） （式８）
ここで、ｎｄはεｄ１／２である。
【００７９】
この式より、Ｐ３が光源の波長λを導電性薄膜に隣接する誘電媒体の誘電率ｎｄで除した値の１／２の奇数倍に等しいときに、図１１の光学素子は、効率良く光を透過することができることが理解できる。
【００８０】
実際に、本実施の形態に係る複数の光学素子を作製し、その透過特性を測定した。
【００８１】
各光学素子の作製は、まず、石英基板に、厚さ３００ｎｍの銀をＤＣスパッタ法で成膜した。次に、集束イオンビーム（ＦＩＢ）を用いて、第３の周期的表面形状４０ｃとなる同心円状の溝を、周期長Ｐ３＝１５０〜１０５０ｎｍ、深さ１００ｎｍ、周期数１０として形成した。溝の幅は、１周期の半分となるように設定した。その後、同心円状の周期的表面形状の中心に、ＦＩＢ加工により、直径２００ｎｍの微小な円形の開口を形成することで光学素子１０とした。
【００８２】
透過特性の測定は、まず、周期長Ｐ３＝６００ｎｍの素子について光透過スペクトルを測定し、この構成の素子において、約６５０ｎｍ付近に透過ピークが現れることを確認した。次に、波長６５０ｎｍの半導体レーザを光源とし、周期長Ｐ３を変化させた光学素子１０について、開口近傍における光強度を調べた。開口近傍での光強度の測定には近接場光学顕微鏡を用い、開口から約２０ｎｍ離れた位置における光強度を測定した。レーザ光は、第１の表面の開口の中心に垂直に照射し、照射面における光束径が約１２μｍとなるように設定した。
【００８３】
図１５は、その測定結果である、周期的表面形状の周期長Ｐ３に対する光強度の増幅率を示したものである。ここで、図の横軸は、入射光の波長λ（＝６５０ｎｍ）に対する、周期的表面形状の周期長Ｐ３の比Ｐ３／λとした。また、光強度の増幅率は、以下の式により算出した。
【００８４】
光強度の増幅率＝
（周期的表面形状を有する素子の出射側の開口から約２０ｎｍ離れた位
置における光強度）
／（周期的表面形状の周期長Ｐ３＝６００ｎｍを有する素子の出射側の
開口から約２０ｎｍ離れた位置における光強度） （式９）
【００８５】
図１５に示すとおり、光強度の増幅率は、Ｐ３／λの値が０．５および１．５に近い値のとき、すなわち１／２の奇数倍に近い値（１／２の奇数倍に実質的に等しいとみなせる値）に相当するときに、顕著な増大を示す。１／２の奇数倍からのずれ量が大きいと、増大効果は急速に減少するが、Ｐ３／λの値が、０．５の奇数倍±０．２の範囲内であるときには、顕著な光強度の増大が得られる。光強度の増幅率が１．１５以上となるＰ３／λの範囲は、０．４２〜０．６５、および１．４３〜１．６２である。また、Ｐ３／λの値が０．５および１．５のときの光強度の増幅率は、それぞれ、１．２６および１．２０である。ただし、周期的表面形状によって効率よくカップリングあるいはブラッグ反射する表面プラズモン・ポラリトンの波数ベクトルｋｓｐが、周期長だけではなく、溝深さや溝形状に若干依存するため、光強度の増幅率の最大値を与えるＰ３／λの値は、０．５の奇数倍から若干ずれる可能性があることが推察される。
【００８６】
図１１の光学素子は、第２の表面にのみ周期的表面形状を備えており、第１の表面には周期的表面形状を備えていないが、上述したように、図１２および図１３のように、図１または図３に示すような第１及び第２の周期的表面構造を第１の表面に備えることができる。また、図１２および図１３では、導電性薄膜は基板に固着されていないが、導電性薄膜を石英上に堆積させて作成することもできる。この場合、第１の周期的表面形状の周期長Ｐ１は、石英基板の誘電率εｄ（屈折率ｎｄは、ｎｄ＝εｄ１／２）を用いて、上記式２で決定される。また、図１２では、第２の周期的表面形状の周期長Ｐ２は、約Ｐ１／２である場合が示されているが、作成の容易性の観点から、図１３に示すようにＰ２が約Ｐ１・３／２となるように形成されてもよい。作成は、まず、石英基板に、集束イオンビーム（ＦＩＢ）あるいは、電子ビーム露光を用いたパターニング法によって、第１の周期的表面形状４０ａとなる同心円状の溝、およびその外側に第２の周期的表面形状４０ｂとなる同心円状の溝を形成し、その上に、導電性薄膜２０となる銀をＤＣスパッタ法で成膜し、さらに、成膜した銀の表面に、ＦＩＢによって第３の周期的表面形状４０ｃとなる同心円状の溝を形成し、最後に、同心円状の周期的表面形状の中心に、ＦＩＢを用いて、微小な開口を形成することによって行うことができる。
【００８７】
一方、第３の周期的表面形状によるブラッグ反射の効果を、電磁界計算により確認した。図１６は、第３の周期的表面形状が従来の構造であるものと、本発明の光学素子における電場の絶対値の分布を示したものである。ただし、第１の表面には、図１の第１の周期的表面形状および第２の周期的表面形状を有するものとした。また、基板は考慮せず、導電性薄膜２０に相当する銀の周囲は、すべて空気とした。第１の周期的表面形状の周期長Ｐ１は６００ｎｍ、第２の周期的表面形状の周期長Ｐ２は３００ｎｍ、従来構造における第３の周期的表面形状の周期長は６００ｎｍ、本発明の光学素子における第３の周期的表面形状の周期長Ｐ３は３００ｎｍ、また入射光の波長λは６５０ｎｍである。電場分布は、開口３０を対称面として片側の領域（第１６図（Ａ）の上部の破線で示す領域Ｒ）のみを示す。図１６（Ａ）より、第３の周期的表面形状が従来の構造の場合、第３の周期的表面形状の外側にエネルギーが散逸し、さらに、第３の周期的表面形状の垂直方向に回折光が放射されているが、図１６（Ｂ）の本発明の光学素子の場合、第３の周期的表面形状によって、エネルギーの散逸および周期的表面形状の垂直方向への放射が抑制されていることが、視覚的に確認できる。
【００８８】
上記実施の形態では、開口が円形の例を示したが、これに限定されることはない。たとえば、開口はスリット状、長方形、楕円形などとすることができる。
【００８９】
以上のように、本実施の形態によれば、少なくとも一つの開口と、少なくとも一つの表面に設けられた周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備えた光学素子において、前記周期的表面形状を出射面側に設け、かつその周期長を、透過させる光の波長λを出射面に隣接する媒体の実効屈折率ｎｄで除した値λ／ｎｄの、１／２の奇数倍に実質的に等しくしたことで、出射面側において開口の外側に散逸するエネルギーを、周期的表面形状によって効率よくブラッグ反射させること高効率な光透過を実現できる。
【００９０】
また、本実施形態によれば、透過させる光の波長がλ、導電性薄膜の誘電率がεｍ、出射面に実質的に隣接する媒体の誘電率がεｄのとき、周期的表面形状の周期長が、λ／（εｍ・εｄ／（εｍ＋εｄ））１／２の１／２の奇数倍に実質的に等しくすることで、同様の効果が得られる。
【００９１】
（実施の形態３）
図１７は、本発明の光学素子を用いて構成する光ヘッドの一実施形態を示したものである。
【００９２】
本実施形態の説明において使用される「光記録媒体」は、光を使用してデータが書き込まれまたは読み取られる任意の媒体を意味し、相変化媒体、光磁気媒体、色素媒体に制限されるものではない。媒体が光磁気材料の場合には、書き込みは光学的に行われ、読み出しは光学的にではなく磁気的に行われる場合もある。
【００９３】
図１７における光ヘッド２００は、光記録媒体１５０の回転により光ヘッドを所定の高さに浮上させるためのスライダー形状に形成されている。レーザ８０が出射するレーザ光は光ファイバ１００を介して導入され、マイクロレンズからなるコリメータレンズ６０を配置することによりコリメートされる。さらに、コリメートされた光は全反射ミラー７０により直角に光路を変え、さらにその下に置かれたフォーカスレンズ５０により、本発明の光学素子１０に導かれる。
【００９４】
次に本発明の光ヘッドを用いた光記録再生装置の一実施形態を示す。
【００９５】
図１８に光記録再生装置を示す。光記録再生装置は、回転軸３１０によって回転する光記録媒体３４０と、回転軸を中心に光ヘッド２００（光ファイバ１００およびレーザ８０は図示せず）を回転可能に支持するサスペンション３２０と、サスペンション３２０を回転させるヘッドアクチュエータ３３０を有する。光記録媒体３４０を高速回転させることでサスペンション３２０の先端に位置する光ヘッド２００は浮上し、光学素子１０の表面と光記録媒体３４０の間の距離を１００ｎｍ以下に保って走行して、従来になく高密度に情報を記録することが可能となる。
【００９６】
光記録媒体に記録された情報を再生するためには、図１７の光ヘッドにおいて、光学素子１０の光記録媒体側表面にフォトディテクタを形成することによって、媒体からの反射光を読み出すことができる。
【００９７】
また、本発明の光ヘッドを記録専用のヘッドとし、媒体を挟んでこの光記録ヘッドと対向して再生ヘッドを置き、媒体の透過光を検出する方法も可能である。また、光記録媒体として光磁気記録媒体を用い、媒体からの漏れ磁束を、磁気抵抗効果を用いたヘッドで再生することもできる。
【００９８】
また、本発明の光学素子を用いれば、例えば、特定の波長の光のみを集光させる集光装置や近接場光学顕微鏡など、ナノフォトニクスへ広く応用することが可能である。
【００９９】
図１９（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、本発明の光学素子を用いた特定の波長の光のみを集光させる集光装置の実施形態を示したものである。本発明の光学素子１０に入射させた光は、一つまたは複数の開口を通過した後、開口に連通するように設けられた一つまたは複数の光ファイバ４１０へ導入される。すなわち、本発明の光学素子１０が集光器として機能し、光ファイバ４１０への光の結合が効率よく行われる。
【０１００】
図２０は、本発明の近接場光学顕微鏡の一実施形態を示したものである。図示の近接場顕微鏡に用いられる光学素子１０は、近接場光学顕微鏡用のプローブ５１０の先端に配置され、プローブ５１０に入射された光は、光学素子１０の開口を通過した後、試料５２０に照射され、光検出器５３０にて検出される。すなわち、本発明の光学素子１０によって強められた光が試料に照射されることによって、高分解能かつ高感度な検出が可能となる。
【０１０１】
以上、ある種の用途における各種の光学素子について説明、図示してきたが、本明細書の特許請求の範囲によってのみ限定される本発明の精神および広義の内容を逸脱しない限り、変更および改良が可能である。
【符号の説明】
【０１０２】
１０ 光学素子
２０ 導電性薄膜
２０ａ 第１の表面
２０ｂ 第２の表面
３０ 開口
４０ａ 第１の周期的表面形状
４０ｂ 第２の周期的表面形状
４０ｃ 第３の周期的表面形状
５０ フォーカスレンズ
６０ コリメータレンズ
７０ 全反射ミラー
８０ レーザ
１００ 光ファイバ
１５０ 光記録媒体
２００ 光ヘッド
３１０ 回転軸
３２０ サスペンション
３３０ ヘッドアクチュエータ
３４０ 光記録媒体
４１０ 光ファイバ
５１０ プローブ
５２０ 試料
５３０ 光検出器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１および第２の表面を有するとともに、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する少なくとも一つの開口と、前記第１および前記第２の表面の少なくとも一つの表面に設けられた周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備え、前記第１の表面に入射し前記開口を通じて前記第２の表面側へ伝送される光の強度が、前記周期的表面形状がない場合に比べて増強される光学素子であって、
前記周期的表面形状が、周期長の異なる第１および第２の周期的表面形状を有し、前記第１の周期的表面形状によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、前記第２の周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射されることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記開口を通じて伝送される光の強度が、前記第２の周期的表面形状がない素子の開口を通じて伝送される光の強度に比べて、２０％以上増大することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１および第２の周期的表面形状が、前記第１または第２の表面の同一面上にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１の周期的表面形状が前記光の入射する領域に対応するよう配置されており、かつ前記第２の周期的表面形状が、前記第１の周期的表面形状の外側に配置されていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１の周期的表面形状が設けられた領域が、前記光の入射する領域よりも広いことを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
第１および第２の表面を有するとともに、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する周期的に設けられた複数の開口を有する導電性薄膜を備え、前記第１の表面に入射し前記複数の開口を通じて前記第２の表面側へ伝送される光の強度が、前記複数の開口が周期的ではない場合に比べて増強される光学素子であって、
前記周期的に設けられた複数の開口を第１の周期的開口とし、
前記第１の周期的開口の周期長とは異なる周期長で形成された、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する前記複数の開口とは異なる別の複数の開口からなる第２の周期的開口あるいは前記第１及び前記第２の表面のいずれか一方に周期的に形成された周期的表面形状を備え、
前記第１の周期的開口によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、前記第２の周期的開口あるいは前記周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射されることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
前記第１の周期的開口から伝送される光の強度が、前記第２の周期的開口あるいは前記周期的表面形状がない素子の周期的開口から伝送される光の強度に比べて、２０％以上増大することを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記第１の周期的開口が前記光が入射する領域に対応するように配置されており、かつ前記第２の周期的開口あるいは前記周期的表面形状が、前記第１の周期的開口の外側に配置されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の光学素子。
【請求項９】
前記第１の周期的開口が設けられた領域が、前記光が入射する領域よりも広いことを特徴とする請求項８に記載の光学素子。
【請求項１０】
第１および第２の表面を有するとともに、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する少なくとも一つの開口と、前記第１および前記第２の表面に設けられた複数の周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備え、前記第１の表面に入射し前記開口を通じて前記第２の表面側へ伝送される光の強度が、前記周期的表面形状がない場合に比べて増強される光学素子であって、
前記複数の周期的表面形状として、前記第１の表面に設けられた互いに周期長の異なる第１および第２の周期的表面形状と、前記第２の表面に設けられた第３の周期的表面形状とを有し、
前記第１の周期的表面形状によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、前記第２の周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射され、
前記第３の周期的表面形状における表面プラズモン・ポラリトンが、当該第３の周期的表面形状において奇数次ブラッグ反射されることを特徴とする光学素子。
【請求項１１】
前記開口の開口径が、前記入射する光の波長より小さいことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の光学素子。
【請求項１２】
前記周期的表面形状が、同心円状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに一つに記載の光学素子。
【請求項１３】
前記周期的表面形状が、前記開口を中心として周期配列されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の光学素子。
【請求項１４】
光源からの光によって光記録媒体に情報を記録する光ヘッドであって、前記光源の出力光を導波する導波手段と、該導波手段により導波された光を集光する集光手段と、該集光手段により集光された光の一部を前記光記録媒体に照射する請求項１乃至１３のいずれか一つに記載された光学素子とを備え、
前記光学素子の開口が前記光記録媒体に近接して配設される
ことを特徴とする光ヘッド。
【請求項１５】
光源からの光によって光記録媒体に情報を記録する光ヘッドを備えた光記録装置であって、
前記光ヘッドが、請求項１４に記載の光ヘッドであることを特徴とする光記録装置。
【請求項１６】
光源からの光の、特定の波長の光のみを集光させる集光装置において、
請求項１乃至１３のいずれか一つに記載の光学素子を備えることを特徴とする集光装置。
【請求項１７】
近接場光学顕微鏡において、
光源からの光の、特定の波長の光のみを集光する請求項１乃至１３のいずれか一つに記載の光学素子と、
前記光学素子によって照射された光を受光するための検出手段とを備える、
ことを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【請求項１】
第１および第２の表面を有するとともに、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する少なくとも一つの開口と、前記第１および前記第２の表面の少なくとも一つの表面に設けられた周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備え、前記第１の表面に入射し前記開口を通じて前記第２の表面側へ伝送される光の強度が、前記周期的表面形状がない場合に比べて増強される光学素子であって、
前記周期的表面形状が、周期長の異なる第１および第２の周期的表面形状を有し、前記第１の周期的表面形状によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、前記第２の周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射されることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記開口を通じて伝送される光の強度が、前記第２の周期的表面形状がない素子の開口を通じて伝送される光の強度に比べて、２０％以上増大することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１および第２の周期的表面形状が、前記第１または第２の表面の同一面上にあることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第１の周期的表面形状が前記光の入射する領域に対応するよう配置されており、かつ前記第２の周期的表面形状が、前記第１の周期的表面形状の外側に配置されていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１の周期的表面形状が設けられた領域が、前記光の入射する領域よりも広いことを特徴とする請求項４に記載の光学素子。
【請求項６】
第１および第２の表面を有するとともに、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する周期的に設けられた複数の開口を有する導電性薄膜を備え、前記第１の表面に入射し前記複数の開口を通じて前記第２の表面側へ伝送される光の強度が、前記複数の開口が周期的ではない場合に比べて増強される光学素子であって、
前記周期的に設けられた複数の開口を第１の周期的開口とし、
前記第１の周期的開口の周期長とは異なる周期長で形成された、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する前記複数の開口とは異なる別の複数の開口からなる第２の周期的開口あるいは前記第１及び前記第２の表面のいずれか一方に周期的に形成された周期的表面形状を備え、
前記第１の周期的開口によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、前記第２の周期的開口あるいは前記周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射されることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
前記第１の周期的開口から伝送される光の強度が、前記第２の周期的開口あるいは前記周期的表面形状がない素子の周期的開口から伝送される光の強度に比べて、２０％以上増大することを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記第１の周期的開口が前記光が入射する領域に対応するように配置されており、かつ前記第２の周期的開口あるいは前記周期的表面形状が、前記第１の周期的開口の外側に配置されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の光学素子。
【請求項９】
前記第１の周期的開口が設けられた領域が、前記光が入射する領域よりも広いことを特徴とする請求項８に記載の光学素子。
【請求項１０】
第１および第２の表面を有するとともに、前記第１の表面から前記第２の表面に連通する少なくとも一つの開口と、前記第１および前記第２の表面に設けられた複数の周期的表面形状とを有する導電性薄膜を備え、前記第１の表面に入射し前記開口を通じて前記第２の表面側へ伝送される光の強度が、前記周期的表面形状がない場合に比べて増強される光学素子であって、
前記複数の周期的表面形状として、前記第１の表面に設けられた互いに周期長の異なる第１および第２の周期的表面形状と、前記第２の表面に設けられた第３の周期的表面形状とを有し、
前記第１の周期的表面形状によって励起される表面プラズモン・ポラリトンが、前記第２の周期的表面形状によって奇数次ブラッグ反射され、
前記第３の周期的表面形状における表面プラズモン・ポラリトンが、当該第３の周期的表面形状において奇数次ブラッグ反射されることを特徴とする光学素子。
【請求項１１】
前記開口の開口径が、前記入射する光の波長より小さいことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の光学素子。
【請求項１２】
前記周期的表面形状が、同心円状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに一つに記載の光学素子。
【請求項１３】
前記周期的表面形状が、前記開口を中心として周期配列されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の光学素子。
【請求項１４】
光源からの光によって光記録媒体に情報を記録する光ヘッドであって、前記光源の出力光を導波する導波手段と、該導波手段により導波された光を集光する集光手段と、該集光手段により集光された光の一部を前記光記録媒体に照射する請求項１乃至１３のいずれか一つに記載された光学素子とを備え、
前記光学素子の開口が前記光記録媒体に近接して配設される
ことを特徴とする光ヘッド。
【請求項１５】
光源からの光によって光記録媒体に情報を記録する光ヘッドを備えた光記録装置であって、
前記光ヘッドが、請求項１４に記載の光ヘッドであることを特徴とする光記録装置。
【請求項１６】
光源からの光の、特定の波長の光のみを集光させる集光装置において、
請求項１乃至１３のいずれか一つに記載の光学素子を備えることを特徴とする集光装置。
【請求項１７】
近接場光学顕微鏡において、
光源からの光の、特定の波長の光のみを集光する請求項１乃至１３のいずれか一つに記載の光学素子と、
前記光学素子によって照射された光を受光するための検出手段とを備える、
ことを特徴とする近接場光学顕微鏡。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
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【図６】
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【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２０１１−１９２３８１（Ｐ２０１１−１９２３８１Ａ）
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８７３９７（Ｐ２０１１−８７３９７）
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【分割の表示】特願２００５−５１４１３３（Ｐ２００５−５１４１３３）の分割
【原出願日】平成１６年９月１７日（２００４．９．１７）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月２９日（２０１１．９．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【分割の表示】特願２００５−５１４１３３（Ｐ２００５−５１４１３３）の分割
【原出願日】平成１６年９月１７日（２００４．９．１７）
【出願人】（０００００４２３７）日本電気株式会社 (19,353)
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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