電場増強光デバイス
【課題】微小共振器構造を有する電場増強光デバイスにおいて、複数の波長に対し共振可能となるように共振幅を拡大する。
【解決手段】電場増強光デバイスＤ３を、半透過半反射性を有する第１の反射層と、透過性を有する透光層と、反射性を有する第２の反射層とからなる微小共振器構造を有するように構成し、かつ微小共振器構造を、複数の波長に対して共振可能とするように光路長が異なる複数の共振領域Ｗ〜Ｚによって構成する。
【解決手段】電場増強光デバイスＤ３を、半透過半反射性を有する第１の反射層と、透過性を有する透光層と、反射性を有する第２の反射層とからなる微小共振器構造を有するように構成し、かつ微小共振器構造を、複数の波長に対して共振可能とするように光路長が異なる複数の共振領域Ｗ〜Ｚによって構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小共振器構造の光閉じ込め現象による電場増強を利用した電場増強光デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、生物発光、化学発光、蛍光およびラマン散乱光などは微弱であるため、より高感度に検出するために測定光を局所に閉じ込めプラズモンを誘起し、このプラズモンの電場増強効果を利用して上記のような微弱な光を増強する技術が良く使われる。このような電場増強光デバイスの一例としては、ラマン分光法で使用され、表面においてラマン散乱光を増強する表面増強ラマンデバイスが挙げられる。表面増強ラマンデバイスを用いることにより、測定光の強度およびラマン散乱光そのものの強度が増強されるため、光学測定を高感度に実施することができる。
【０００３】
一方、表面増強ラマンデバイスの他の形態の一つとして、局在プラズモン共鳴を利用するものがある。これは、金属体、特に表面にナノオーダの凹凸（金属微細凹凸構造）を有する金属体に物質を接触させた状態で光を照射すると、局在プラズモン共鳴による電場増強が生じ、金属体表面に接触された試料のラマン散乱光強度が増強されるというものであり、金属微細凹凸構造の規則性が高いほど、より均一性が高く効果的な電場増強が得られると言われている。このような表面に金属微細凹凸構造を作製する方法の一つとして、粒径均一性の高い金属微粒子を作製し、その金属微粒子を金属体の表面に固着させる方法が挙げられる。
【０００４】
さらに、特許文献１に示されている通り、金属微粒子を用いることによって得られる局在プラズモン共鳴と、微小共振器構造を用いることによって得られる光共振とを利用し、より大きな表面増強ラマン効果を実現しているという報告もある。
【特許文献１】特表２００４−５３０８６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、微小共振器構造を用いる電場増強光デバイスにおいて、一般的には測定試料や測定方法等の測定条件により必要とされる測定光の波長が異なるため、測定条件ごとに測定光の波長を変えなければならないが、この測定光の波長の変更に伴って、電場増強光デバイスそのものも取り替えなければならないという問題がある。これは、通常微小共振器はその構造によって光共振する測定光の波長（共振波長）が決まっているため、測定光の波長に合わせて微小共振器構造を選択する必要があるためである。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、１つの電場増強光デバイスで測定光の波長変更に対応するため、複数の波長に対して光共振が可能な微小共振器構造を有する電場増強光デバイスの提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明者は、微小共振器構造内に複数の共振領域を持たせることに注目して、本発明に至った。
【０００８】
すなわち、本発明による散乱光検出方法は、透過性を有する透光層と、透光層の片面に形成された半透過半反射性を有する第１の反射層と、透光層の他の面に形成された反射性を有する第２の反射層とからなる微小共振器構造を有する電場増強光デバイスであって、
微小共振器構造が、第１の反射層と第２の反射層との間の光路長が異なる複数の共振領域を有するものであり、
第１の反射層に対して透光層とは反対の側から、第１の反射層に測定光を照射することにより第１の反射層と第２の反射層との間で光共振を生じせしめることを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、「半透過半反射性」とは、透過性と反射性を共に有する性質を意味するものとし、透過率と反射率は共に０％より大きく１００％未満の範囲で任意である。
【００１０】
「微小共振器構造」とは、内部に取り込まれた測定光の多重反射による多重干渉によって光共振を生じる共振器構造であって、共振器長が測定光の波長程度に微小のものを意味するものとする。
【００１１】
「光路長」とは、透光層の屈折率ｎと共振器長ｄを用いて表されるｎｄを意味するものとする。なお、「共振器長」とは、第１の反射層と透光層との界面から第２の反射層と透光層との界面までの長さ（或いは、透光層の厚さ）を意味するものとする。
【００１２】
「共振領域」とは、微小共振器構造中の光路長が等しい部分の総称を意味するものとする。
【００１３】
そして、本発明による電場増強光デバイスにおいて、共振領域は、複数の微小共振領域から構成されるものであることが好ましく、微小共振領域は、微小共振器構造中に略均一に配置されたものであることが好ましい。
【００１４】
ここで、「微小共振領域」とは、複数に分割された共振領域のそれぞれの部分であって、測定光の照射領域以下程度に微小のものを意味するものとする。
【００１５】
さらに、光路長は、それぞれの共振領域の透光層の誘電率の差によって異なるものであることが好ましく、或いは、それぞれの共振領域の共振器長の差によって異なるものであることが好ましい。
【００１６】
そして、第１の反射層は、透光層の表面にパターン形成された金属層からなるものであることが好ましく、或いは、透光層の表面に複数の非凝集金属微粒子が固着されて形成される金属層からなるものであることが好ましい。
【００１７】
また、透光層は、第１の反射層側の面において開口した複数の微細孔を有する微細孔体からなるものであることが好ましい。
【００１８】
さらに、可視領域〜近赤外領域の測定光に光共振することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による電場増強光デバイスによれば、複数の波長に対して光共振が可能となるように微小共振器構造内に複数の共振領域を設けることにより、測定光の波長変更に伴って電場増強光デバイスを取り替える必要がなくなる。これにより、光学測定を低コスト化かつ簡素化することが可能となる。さらに、波長幅を持つ光に対しては、より広い波長領域の光を利用することができ、光学測定の効率を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明における最良の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。
【００２１】
「電場増強光デバイス」
まず、図を用いて本発明の基本となる電場増強光デバイスの原理を説明する。
【００２２】
図１Ａは基本的な電場増強光デバイスの概略斜視図であり、図１Ｂは図１ＡにおけるＡ−Ａ’を通る厚み方向断面図である。
【００２３】
図１Ａに示すように、この電場増強光デバイスＤ１は、測定光Ｌ１の入射側（図示上側）から、半透過半反射性を有し試料が供給される第１の反射層１０と、透過性を有する透光層２０と、反射性を有する第２の反射層３０とを順次備えたデバイス構造を有する。測定光Ｌ１は、波長光或が波長幅を持つ光であり、波長は検出する物質に応じて選択される。
【００２４】
例えば、透光層２０は透光性平坦基板からなり、第１の反射層１０は透光層２０の一方の面に形成された、規則的な格子状パターンの金属細線１１からなり、第２の反射層３０は透光層２０の他方の面に形成されたベタ金属膜からなる。
【００２５】
この場合、透光層２０の材質は特に制限なく、ガラスやアルミナ等の透光性セラミック、アクリル樹脂やカーボネート樹脂等の透光性樹脂等が挙げられる。透光層２０の厚さｄは、多重干渉による可視光領域の吸収ピーク波長が１つとなり容易に検出可能であることから３００ｎｍ以下が好ましく、多重反射が効果的に起こりかつ多重干渉による吸収ピーク波長が可視光領域で容易に検出可能であることから１００ｎｍ以上が好ましい。
【００２６】
第１の反射層１０及び第２の反射層３０の材質としては、任意の反射性金属を使用でき、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、及びこれらの合金等が挙げられる。第１の反射層１０及び第２の反射層３０はこれら反射性金属を２種以上含むものであってもよい。
【００２７】
第１の反射層１０は、例えば金属蒸着等によりベタ金属膜を成膜した後、公知のフォトリソグラフィー加工を実施することで形成でき、第２の反射層３０は、例えば金属蒸着等により成膜できる。
【００２８】
第１の反射層１０は、金属細線１１自体は反射性金属からなるが、複数存在するパターン空隙１２が光を透過させるため、半透過半反射性を有する。金属細線１１のピッチは、測定光Ｌ１の波長よりも小さい条件を充足すれば特に制限なく、測定条件、特に測定光Ｌ１の波長等によって適宜選択することができる。例えば、測定光Ｌ１として可視光を用いる場合には２００ｎｍ以下が好ましい。金属細線１１の線幅は、特に制限はないが、光によって金属中で振動する電子の平均自由行程以下であることが好ましく、具体的には５０ｎｍ以下、特に３０ｎｍ以下であることが好ましい。金属細線１１の線幅及びピッチが測定光Ｌ１の波長よりも小さく設計された場合、すなわち第１の反射層１０が測定光Ｌ１の波長よりも小さい凹凸構造を有する場合、第１の反射層１０は、光に対して電磁メッシュシールド機能を有する半透過半反射性の薄膜となる。
【００２９】
この電場増強光デバイスＤ１は、透光層２０の厚みと透光層２０内の平均屈折率とに応じて共振波長を変化させることができる。透光層２０の厚みと透光層２０内の平均屈折率と共振波長とは下記式（１）を略充足している。従って、透光層２０内の平均屈折率が同じものであれば、透光層２０の厚みを変えるだけで共振波長を変化させることができる。
λ≒２ｎｄ／（ｍ＋１）・・・（１）
（式中、ｄは透光層２０の厚み、λは共振波長、ｎは透光層２０内の平均屈折率、ｍは整数である。）
【００３０】
なお、後述する透光層２０が微細孔を有するような場合は、上記式（１）の「透光層２０内の平均屈折率」とは、陽極酸化金属体の屈折率とその微細孔内の物質（微細孔内に特に充填物質がない場合には空気、微細孔内に充填物質がある場合には充填物質／又は充填物質と空気）の屈折率とを合わせて平均化した平均屈折率を意味する。
【００３１】
屈折率は、材料に吸収がある場合は複素屈折率で表すが、透光層２０において複素部分はゼロであり、透光層２０が微細孔を有する場合にも、微細孔内の充填物質による影響は小さいため、上記（１）式においては、複素部分を持たない屈折率表示とした。
【００３２】
共振条件は、第１の反射層１０及び第２の反射層３０の物理特性や表面状態によっても変化するが、この変化の大きさは、透光層２０の厚み及び透光層２０内の平均屈折率による影響に比して小さいため、数ｎｍオーダーの精度で上記式により共振波長を決定することができる。
【００３３】
以下、この電場増強光デバイスの作用を説明する。
図１Ｂに示すように、電場増強光デバイスＤ１に測定光Ｌ１が入射すると、第１の反射層１０の透過率又は反射率に応じて、一部は第１の反射層１０の表面で反射され（図示略）、一部は第１の反射層１０を透過して透光層２０に入射する。透光層２０に入射した光は、第１の反射層１０と第２の反射層３０との間で反射を繰り返す。すなわち、電場増強光デバイスＤ１は、第１の反射層１０と第２の反射層３０との間で多重反射が起こる微小共振器構造を有している。従って、透光層２０の中で多重反射光による多重干渉が起こり、共振条件を満たす共振波長において光共振し、共振波長の光を吸収する吸収特性を示す。そして吸収特性に応じた、測定光Ｌ１と異なる物理特性の出射光Ｌ２が出射される。さらに、微小共振器構造内の電場が増強されると共に、光散乱面である第1の反射層１０表面においても効果的な電場増強効果を得ることができる。
【００３４】
またこの電場増強光デバイスでＤ１は、透光層２０内における多重反射回数（フィネス）が最大となるよう、光インピーダンスマッチングをとったデバイス構造とすることが好ましい。かかる構成とすることで、吸収ピークがシャープになり、より効果的な表面増強効果が得られる。
【００３５】
さらに、この電場増強光デバイスＤ１では、第１の反射層１０が自由電子を有する金属からなり、測定光Ｌ１の波長よりも小さい金属微細凹凸構造を有するので、第１の反射層１０において局在プラズモン共鳴が誘起される。これにより、光散乱面の表面においてさらなる電場増強効果を得ることができる。
【００３６】
局在プラズモン共鳴は、金属の自由電子が光の電場に共鳴して振動することで電場を生じる現象である。特に金属微細凹凸構造を有する金属層では、凸部の自由電子が光の電場に共鳴して振動することで凸部周辺に強い電場を生じ、局在プラズモン共鳴が効果的に起こるとされている。本実施形態では、上記のとおり第１の反射層１０が測定光Ｌ１の波長より小さい金属微細凹凸構造を有するので、局在プラズモン共鳴が効果的に起こる。
【００３７】
局在プラズモン共鳴が生じる波長においては、測定光Ｌ１の散乱や吸収が著しく増大し、上記多重干渉による光共振と同様、光散乱面において電場が増強される。この局在プラズモン共鳴が生じる波長（共鳴ピーク波長）、及び測定光Ｌ１の散乱や吸収の程度は、電場増強光デバイスＤ１の表面の凹凸のサイズ、金属の種類及び表面に接触された試料の屈折率等に依存する。
【００３８】
例えば、この電場増強光デバイスＤ１は、第１の反射層１０の光散乱面における電場増強効果を利用して、光散乱面に接触させた試料又は試料セルに測定光Ｌ１を照射してラマン散乱光を分析する、表面増強ラマン分光法等に用いることができる。
【００３９】
表面増強ラマン分光法においては、表面増強ラマン効果を得る共鳴波長（以下、ラマン増強波長という）にその測定光の波長を一致させることにより、より効果的な表面増強ラマン効果を得ることができる。従って、測定試料によって照射する測定光の波長を変化させる必要がある表面増強ラマン分光法において、電場増強光デバイスは測定光の波長に応じて設計されていることが好ましい。
【００４０】
ただ、通常ラマン増強波長の制御は、例えば、局在プラズモン共鳴を用いたデバイスの場合は、金属微細凹凸構造のサイズの精密な制御が必要であり、複雑なプロセスを要することになる。
【００４１】
しかしながら、この電場増強光デバイスＤ１は、式（１）に示されるように、共振波長が透光層２０の平均屈折率と厚みとに応じて変わるので、これらのファクタを変化させるだけの簡易な設計変更によってラマン増強波長が変化する。したがって、この電場増強光デバイスＤ１によれば、用途に応じた所望の波長において表面増強ラマン効果を有する電場増強光デバイスＤ１を、複雑なデバイス設計を要さず、簡易に得ることができる。
【００４２】
この電場増強光デバイスＤ１では、多重干渉が効果的に起こり、特定波長の光に対して強い吸収が起こるので、局在プラズモン共鳴のみを利用した電場増強光デバイスに比して表面増強ラマン効果が大きく（例えば、１００倍以上の増強効果）、高精度分析を実施できる。
【００４３】
なお、多重干渉による吸収ピークと局在プラズモン共鳴による吸収ピークは異なる波長に現れる場合もあるし、重なる場合もある。
【００４４】
第１の反射層１０及び第２の反射層３０の材質としては、金属以外の反射性材料を用いてもよいが、第1の反射層１０は、上記の如く、局在プラズモン共鳴による表面増強ラマン効果も得られる金属が好ましい。
【００４５】
上記のような場合には、多重干渉による共振と局在プラズモン共鳴が生じており、それぞれ独立の現象により生ずる表面増強ラマン効果が得られることを述べたが、これらの現象の相互作用または上記デバイス構成特有の現象により、表面増強ラマン効果が強められていることも考えられる。
【００４６】
また、この電場増強光デバイスＤ１において、第１の反射層１０が規則的な格子状パターンの場合について説明したが、第１の反射層１０のパターン形状は任意であり、ランダムパターンでもよい。ただし、構造規則性が高い方が微小共振器構造の面内均一性が高く、特性が集約されるので好ましい。
【００４７】
そして、上記では、透光層２０および第２の反射層３０において、それぞれ透光性平坦基板およびベタ金属膜の場合について説明したが、これらは金属体の一部を酸化させたもの等を用いてもよい。つまり、この場合、酸化させた金属体の一部が透光層２０となり、残りの金属体が第２の反射層３０となる。
【００４８】
一方、第１の反射層１０は、規則的な格子状パターンの金属細線１１に代えて、マトリクス状に略規則配列して固着された複数かつ非凝集の金属微粒子Ｂによって構成してもよい（図２）。
【００４９】
この場合には、前述した金属細線１１の場合と同様に、構造規則性が高い方が微小共振器構造の面内均一性が高く、特性が集約されるので好ましい。金属微粒子Ｂが凝集粒子を含む場合は、多数の金属微粒子Ｂが凝集してできた部分と、そうでない部分とが存在し、第1の反射層１０の構造規則性が低くなりやすいが、本実施形態の金属微粒子Ｂは非凝集金属微粒子であるため、凝集粒子を含む場合に比して高い構造規則性を有する第1の反射層１０を容易に形成することができる。
【００５０】
金属微粒子Ｂの材料は制限なく、前述の第１の反射層１０と同様の金属、すなわちＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、及びこれらの合金等が例示できる。
【００５１】
また、金属微粒子Ｂは非凝集金属微粒子であるので、（１）金属微粒子同士が会合せず、金属微粒子同士が離間されて存在しているもの、あるいは（２）金属微粒子が結合した後に一体の粒子となり、再びもとの状態には戻せないもの、の何れかに含まれる金属微粒子である。
【００５２】
（１）の金属微粒子Ｂが複数固着された第1の反射層１０としては、金属微粒子Ｂ同士が会合しないように一定の距離以上離間されて配置された金属層が挙げられる。この金属層において、金属微粒子Ｂの配置は、ランダムでも略規則的な配列を有していてもよい。
【００５３】
金属微粒子Ｂがランダムに配置された金属層としては、例えば斜め蒸着法等により得られる島状パターンの金属層等が挙げられる。
【００５４】
また、金属微粒子Ｂが略規則配列された金属層としては、ドット状、メッシュ状、ボウタイ形状アレイ、針状の金属微粒子Ｂが略規則配列されるようにパターニングされたものなどが挙げられる。これらの場合のパターニングは、リソグラフィや集束イオンビーム法（ＦＩＢ法）等による加工及び自己組織化を利用する方法等により実施することができる。
【００５５】
（２）の金属微粒子Ｂが複数固着された第1の反射層１０としては、融着やメッキ処理による金属成長の過程において一体化して形成され、再び一体化する前の状態には戻すことのできない金属微粒子Ｂが複数固着されたものが挙げられる。
【００５６】
また第1の反射層１０は、上記した以外に、透光層２０の表面に金属微粒子Ｂの分散溶液をスピンコート法等により塗布し乾燥することによっても形成できる。分散溶液に樹脂や蛋白質等のバインダを含有させ、バインダを介して金属微粒子Ｂを透光層２０の表面に固着させることが好ましい。バインダとして蛋白質を用いる場合には、蛋白質同士の結合反応を利用して、金属微粒子Ｂを透光層２０の表面に固着させることも可能である。
【００５７】
複数の金属微粒子Ｂからなる第１の反射層１０は、反射性金属からなるが、粒子間の空隙を複数有しているので光透過性を有し、半透過半反射性を有する。金属微粒子Ｂの径及びピッチは測定光Ｌ１の波長よりも小さく設計されており、第１の反射層１０は測定光Ｌ１の波長よりも小さい金属微細凹凸構造を有するものとなっている。本実施形態においても、第１の反射層１０は、金属微細凹凸構造が光の波長よりも小さいので、電磁メッシュシールド機能を有する半透過半反射性の薄膜となる。
【００５８】
以上のように、複数の金属微粒子Ｂからなる第１の反射層１０を有する電場増強光デバイスＤ２においても、電場増強光デバイスＤ１と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
＜第１の実施形態＞
図３は、本実施形態による微小共振器構造を有する電場増強光デバイスを示す概略斜視図である。
【００６０】
本実施形態による電場増強光デバイスＤ３は、４つの共振領域Ｗ〜Ｚからなる微小共振器構造を有している。そして、４つの共振領域Ｗ〜Ｚは、すべて光路長が異なるように形成されており、それぞれが別々の共振波長を有するため、全体として共振波長の共振幅（共振波長スペクトルの半値幅）が拡大する。
【００６１】
これにより、測定光Ｌ１が単波長の場合には、測定光Ｌ１の照射領域をいずれかの共振領域Ｗ〜Ｚに合わせるように光学系を調整すれば、１つの電場増強光デバイスＤ３で４種類の共振波長に対応することができることになる。この結果、測定光Ｌ１の波長変更に伴って電場増強光デバイスを取り替える必要がなくなり、光学測定を低コスト化かつ簡素化することが可能となる。当然、共振領域の数が増えれば、より多くの共振波長に対応することができることになる。
【００６２】
一方、測定光Ｌ１が波長幅を持つ光の場合には、丁度図３に示すように、４つの共振領域Ｗ〜Ｚを均等に含むように光学系を調整すれば、１つの電場増強光デバイスＤ３で波長幅を持つ光Ｌ１のうちより広い波長領域の光を利用することができ、光学測定の効率を向上させることが可能となる。
【００６３】
さらに、１つの電場増強光デバイスＤ３で多くの共振波長に対応することができて、多種類の試料を測定の対象とすることができることから、この電場増強光デバイスＤ３の効率的な量産化を実現可能とする
＜第２の実施形態＞
図４は、本実施形態による微小共振器構造を有する電場増強光デバイスを示す概略斜視図である。
【００６４】
本実施形態による電場増強光デバイスＤ４は、４つの共振領域Ｗ〜Ｚを有し、かつこれらの共振領域が複数の微小共振領域Ｗ’〜Ｚ ’に分割され均一に配置された微小共振器構造を有している。４つの共振領域Ｗ〜Ｚは、第１の実施形態と同様に、すべて光路長が異なるように形成されており、それぞれが別々の共振波長を有するため、全体として共振波長の共振幅が拡大する。
【００６５】
微小共振領域Ｗ’〜Ｚ ’のそれぞれの大きさは、特に制限はないが、測定光Ｌ１の照射領域よりも小さいことが好ましい。
【００６６】
これにより、電場増強光デバイスＤ４の光散乱面の任意の場所を測定光Ｌ１によって照射しても、照射領域内にすべての共振領域Ｗ〜Ｚが略均等に含まれるようにできるため、光学系の調整をする必要がなくなる。この結果、光学測定の工程を簡素化することが可能となる。
【００６７】
そして、以下において微小共振器構造の例について、図面を用いて説明する。
【００６８】
＜第３の実施形態＞
図５は、本実施形態による微小共振器構造を有する電場増強光デバイスを示す概略斜視図である。本実施形態において、前述した基本となる電場増強光デバイスＤ１およびＤ２の場合と同様の要素についての説明は、特に必要のない限り省略する。
【００６９】
本実施形態による電場増強光デバイスＤ５は、第２の反射層３０と、平坦な第２の反射層３０上に形成された、厚さがｄ１およびｄ２の階段状構造を有する透光層２０と、透光層２０の階段状構造のそれぞれのステップ面上に形成された複数の金属微粒子Ｂからなる第１の反射層１０とからなるものである。透光層２０の厚さがｄ１およびｄ２である共振領域をそれぞれ共振領域Ｗおよび共振領域Ｘとする。
【００７０】
階段状構造を有する透光層２０の厚さｄ１およびｄ２は、それぞれ特に制限されることなく、透光層２０を構成する材料の誘電率および測定条件、特に測定光の波長によって適宜選択することができる。
【００７１】
そして、本実施形態による電場増強光デバイスＤ５の製造方法は、例えば金属体４０から出発し（図６Ａ）、金属体４０上に誘電体材料を堆積して厚さｄ２の誘電体膜４１を形成し（図６Ｂ）、共振領域Ｘとしたい部分の誘電体膜４１上にマスクＭを形成し（図６Ｃ）、ドライ或はウェットエッチングによりマスクＭのない部分の厚さがｄ１となるように誘電体膜４１を成形した後マスクＭを除去し（図６Ｄ）、その後複数の金属微粒子Ｂを誘電体膜４１の階段状構造のそれぞれのステップ面上に固着する（図５）ものである。
【００７２】
ここで、上記の方法によって製造された電場増強光デバイスＤ５において、複数の金属微粒子Ｂ、誘電体膜４１および金属体４０が、それぞれ第１の反射層１０、透光層２０および第２の反射層３０となる。
【００７３】
金属体４０の材料は、特に制限されるものではないが、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ等であることが好ましい。
【００７４】
誘電体膜４１の材料は、透光性誘電体層として、必要とする反射および透過波長帯、反射率等に応じて適宜選択することができ、特に、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、Ｎａ３ＡｌＦ６、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３からなる群より選択される少なくとも１種の材料であることが好ましい。また、誘電体膜４１の構造は、上記の材料を用いて形成される層によって積層された構造とすることもできる。さらに、誘電体膜４１の成膜方法は、透光性誘電体層の形成方法については特に限定はなく、例えば真空蒸着法やＩＡＤ（Ion Assisted Deposition）法やＩＰ（Ion Plating）法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタリング法などの従来公知の方法を用いることができる。
【００７５】
なお、金属微粒子Ｂの材料、径の大きさおよび固着方法等は前述した通りである。
【００７６】
一方、本実施形態による電場増強光デバイスＤ５は、金属体４０の酸化を利用した方法を用いても製造することができる。すなわち、金属体４０の酸化を利用した電場増強光デバイスＤ５の製造方法は、例えば金属体（Ａｌ）４０から出発し（図６Ａ）、金属体（Ａｌ）の一部を無孔質型の陽極酸化処理を施すことにより厚さｄ２の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を形成し（図６Ｂ）、共振領域Ｘとしたい部分の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上にマスクＭを形成し（図６Ｃ）、ドライ或はウェットエッチングによりマスクＭのない部分の厚さがｄ１となるように陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を成形した後マスクＭを除去し（図６Ｄ）、その後複数の金属微粒子Ｂを陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１の階段状構造のそれぞれのステップ面上に固着する（図５）ものである。
【００７７】
ここで、上記の方法によって製造された電場増強光デバイスＤ５において、複数の金属微粒子Ｂ、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１および金属体４０が、それぞれ第１の反射層１０、透光層２０および第２の反射層３０となる。
【００７８】
陽極酸化は、アルミニウムを陽極とし、陰極と共に電解液に浸漬させ、陽極陰極間に電圧を印加することで実施できる。金属体（Ａｌ）４０の形状は制限されず、板状等が好ましい。また、支持体の上に金属体（Ａｌ）４０が層状に成膜されたものなど、支持体付きの形態で用いることも差し支えない。陰極としてはカーボンやアルミニウム等が使用される。
【００７９】
陽極酸化皮膜の皮膜構造は、電解液の種類、電流密度および液温等の条件により異なるため、通常電解液は、多孔質型（ポーラス型）の処理か、或いは無孔質型（バリヤー型）の処理かによって適宜選択される。一般的に、皮膜溶解性の高い電解液で処理を行うと多孔質型の皮膜が生成する。多孔質型の電解液としては、硫酸、シュウ酸、リン酸およびクロム酸等を挙げることができる。多孔質皮膜は、緻密で無孔質な下層と多孔質な上層からなっている。一方、無孔質型は、ホウ酸や酒石酸アンモニウム等主に中性溶液で処理を行うと生成する。
【００８０】
なお、金属体４０の主成分としてＡｌのみを挙げたが、陽極酸化可能で生成される金属酸化物が透光性を有するものであれば、任意の金属が使用できる。Ａｌ以外では、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｚｎ等が使用できる。金属体４０は、陽極酸化可能な金属を２種以上含むものであってもよい。
【００８１】
以下、本実施形態による電場増強光デバイスＤ５の作用を説明する。
【００８２】
上記のような方法により、本実施形態による電場増強光デバイスＤ５は、厚さがｄ１およびｄ２の階段状構造を有する透光層２０によって、それぞれ共振波長の異なる共振領域Ｗおよび共振領域Ｘにより構成され、全体として共振波長の共振幅が拡大する。
【００８３】
したがって、第１の実施形態と同様に、単波長の測定光を用いた光学測定では、複数の共振波長に対応することができ、この結果、測定光Ｌ１の波長変更に伴って電場増強光デバイスＤ５を取り替える必要がなくなり、光学測定を低コスト化かつ簡素化することが可能となる。さらに、測定光Ｌ１が波長幅を持つ光の場合には、光学系を調整すれば、１つの電場増強光デバイスＤ５で波長幅を持つ光Ｌ１のうちより広い波長領域の光を利用することができ、光学測定の効率を向上させることが可能となる。
【００８４】
そして、透光層２０の中で多重反射光による多重干渉が起こり、共振条件を満たす特定波長において共振し、共振波長の光を吸収する吸収特性を示す。そして吸収特性に応じた、測定光Ｌ１と異なる物理特性の出射光Ｌ２が出射される。さらに、微小共振器構造内の電場が増強されると共に、光散乱面である第1の反射層１０表面においても効果的な電場増強効果を得ることができる。
【００８５】
さらに、この電場増強光デバイスでＤ５は、第１の反射層１０が自由電子を有する金属からなり、測定光Ｌ１の波長よりも小さい金属微細凹凸構造を有するので、第１の反射層１０において局在プラズモン共鳴が誘起される。これにより、光散乱面の表面においてさらなる電場増強効果を得ることができる。
【００８６】
なお、本実施形態において、厚さがｄ１およびｄ２の階段状構造を有する透光層２０によってそれぞれ共振波長の異なる領域を、共振領域Ｗおよび共振領域Ｘとして説明してきたが、これらは微小共振領域Ｗ’および微小共振領域Ｘ’としてもよい。つまりこの場合には、図５は、複数の微小共振領域Ｗ’および微小共振領域Ｘ’を有する電場増強光デバイスＤ５の一部を示す概略斜視図となり、この電場増強光デバイスＤ５によって第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８７】
＜第４の実施形態＞
図７は、本実施形態による微小共振器構造を有する電場増強光デバイスを示す概略斜視図である。本実施形態は、電場増強光デバイスＤ７の階段状構造のステップ境界面が、透光層２０と第２の反射層３０との間にある点で第３の実施形態と異なる。よって、その他の第３の実施形態と同様の要素についての説明は特に必要のない限り省略する。
【００８８】
本実施形態による電場増強光デバイスＤ７は、階段状構造を有する第２の反射層３０と、第２の反射層３０の階段状構造の上に相補的に形成され、厚さがｄ１およびｄ２の逆階段状構造を有する透光層２０と、透光層２０上に形成された複数の金属微粒子Ｂからなる第１の反射層１０とからなるものである。透光層２０の厚さがｄ１およびｄ２である共振領域をそれぞれ共振領域Ｗおよび共振領域Ｘとする。
【００８９】
そして、本実施形態による電場増強光デバイスＤ７の製造方法は、例えば金属体４０から出発し（図８Ａ）、共振領域Ｗとしたい部分の金属体４０上にマスクＭを形成し（図８Ｂ）、ドライ或はウェットエッチングによりマスクＭのない部分の厚さがｄ２−ｄ１（ｄ２＞ｄ１）となるように金属体４０を成形した後マスクＭを除去し（図８Ｃ）、階段状構造となった金属体４０上に誘電体材料を堆積して厚さｄ２の誘電体膜４１を形成し（図８Ｄ）、誘電体膜４１のうち厚さがｄ１となる部分を形成するように誘電体膜４１を図中線Ｃの位置で表面を研磨し（図８Ｅ）、その後複数の金属微粒子Ｂを平坦となった誘電体膜４１上に固着する（図７）ものである。
【００９０】
ここで、上記の方法によって製造された電場増強光デバイスＤ７において、複数の金属微粒子Ｂ、誘電体膜４１および金属体４０が、それぞれ第１の反射層１０、透光層２０および第２の反射層３０となる。
【００９１】
誘電体４１の研磨の方法は、特に限定されず、従来公知の方法を用いることができる。例えば、化学機械研磨が挙げられる。化学機械研磨(ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing)処理を行うことにより、誘電体膜の表面を平坦化することができる。ＣＭＰ処理には、フジミインコーポレイテッド社製のＰＮＡＮＥＲＬＩＴＥ−７０００、日立化成社製のＧＰＸＨＳＣ８００、旭硝子(セイミケミカル)社製のＣＬ−１０００等のＣＭＰスラリーを用いることができる。
【００９２】
一方、本実施形態による電場増強光デバイスＤ７は、金属体４０の酸化を利用した方法を用いても製造することができる。すなわち、金属体４０の酸化を利用した電場増強光デバイスＤ７の製造方法は、例えば金属体（Ａｌ）４０から出発し（図８Ａ）、共振領域Ｗとしたい部分の金属体（Ａｌ）４０上にマスクＭを形成し（図８Ｂ）、ドライ或はウェットエッチングによりマスクＭのない部分の厚さがｄ２−ｄ１（ｄ２＞ｄ１）となるように金属体４０を成形した後マスクＭを除去し（図８Ｃ）、階段状構造となった金属体（Ａｌ）４０の一部を陽極酸化することにより厚さｄ２の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を形成し（図８Ｄ）、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１のうち厚さがｄ１となる部分を形成するように陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を図中線Ｃの位置で表面を研磨し（図８Ｅ）、その後複数の金属微粒子Ｂを平坦となった陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上に固着する（図７）ものである。
【００９３】
ここで、上記の方法によって製造された電場増強光デバイスＤ７において、複数の金属微粒子Ｂ、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１および金属体４０が、それぞれ第１の反射層１０、透光層２０および第２の反射層３０となる。
【００９４】
陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１の研磨の方法は、エッチング除去法またはＣＭＰ法を用いる。製造の容易さの点では、エッチング法、具体的にはウェットエッチング法が好ましく、フッ酸、リン酸／塩酸混酸、水酸化ナトリウム等を用いることができる。
【００９５】
以下、本実施形態による電場増強光デバイスＤ７の作用を説明する。
【００９６】
上記のような方法により、本実施形態による電場増強光デバイスＤ７は、厚さがｄ１およびｄ２の階段状構造を有する透光層２０によって、それぞれ共振波長の異なる共振領域Ｗおよび共振領域Ｘにより構成され、全体として共振波長の共振幅が拡大する。
【００９７】
したがって、本実施形態においても、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態においては、試料を供給する面（第１の反射層１０の表面）が平坦な構造となるため、より試料の取り扱いが容易となる。
【００９８】
＜第５の実施形態＞
図９は、金属体（Ａｌ）４０に多孔質型の陽極酸化処理を行うことによって、金属体（Ａｌ）４０の一部を陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１にしたものを示す斜視図であり、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１中には微細孔４１ａが形成されている。
【００９９】
金属体４０を陽極酸化すると、表面からこの面に対して略垂直方向に酸化反応が進行し、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１が生成される。陽極酸化により生成される陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１は、多数の平面視的に略正六角形状の微細柱状体が隙間なく配列した構造を有するものとなる。各微細柱状体の略中心部には、表面から深さ方向に略ストレートに延びる微細孔４１ａが開孔され、各微細柱状体の底面は丸みを帯びた形状となる。
【０１００】
陽極酸化により生成される陽極酸化皮膜の構造は、益田秀樹、「陽極酸化法によるメソポーラスアルミナの調製と機能材料としての応用」、材料技術Vol.15,No.10、1997年、p.34等に詳細に記載されている。
【０１０１】
規則配列構造の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を生成する場合の好適な陽極酸化条件例としては、電解液としてシュウ酸を用いる場合、電解液濃度０．５Ｍ、液温１４〜１６℃、印加電圧４０〜４０±０．５Ｖ等が挙げられる。この条件で生成される微細孔２１は例えば、径が５〜２００ｎｍ、ピッチが１０〜４００ｎｍである。
【０１０２】
微細孔４１ａのピッチは測定光Ｌ１の波長よりも小さい条件を充足すれば特に制限なく、測定光Ｌ１として可視光を用いる場合には例えば２００ｎｍ以下が好ましい。
【０１０３】
以下、本実施形態では、この微細孔４１ａを有する陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１および処理されていない金属体（Ａｌ）４０が、それぞれ透光層２０および第２の反射層３０となる。
【０１０４】
図１０Ｆは、本実施形態による微小共振器構造を有する電場増強光デバイスを示す概略断面図である。本実施形態は、透光層２０が微細孔４１ａを有している点で第４の実施形態と異なる。よって、その他の第４の実施形態と同様の要素についての説明は特に必要のない限り省略する。
【０１０５】
本実施形態による電場増強光デバイスＤ１０は、階段状構造を有する金属体（Ａｌ）４０と、金属体（Ａｌ）４０の階段状構造の上に相補的に形成され、厚さがｄ１およびｄ２の逆階段状構造を有しかつ微細孔４１ａを有する陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１と、微細孔４１ａの中に充填された金属材料７０と、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上に形成された複数の金属微粒子Ｂからなる金属層とからなるものである。陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１（透光層２０）の厚さがｄ１およびｄ２である共振領域をそれぞれ共振領域Ｗおよび共振領域Ｘとする。
【０１０６】
微細孔４１ａには、金属材料７０が充填されており、充填される金属は金属であれば特に制限されず、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、ＮｉおよびＴｉ等が好ましく、ＡｕおよびＡｇが特に好ましい。
【０１０７】
そして、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の製造方法は、例えば金属体４０から出発し（図１０Ａ）、共振領域Ｗとしたい部分の金属体４０上にマスクＭを形成し（図１０Ｂ）、ドライ或はウェットエッチングによりマスクＭのない部分の厚さがｄ２−ｄ１（ｄ２＞ｄ１）となるように金属体４０を成形した後マスクＭを除去し（図１０Ｃ）、階段状構造となった金属体（Ａｌ）４０の一部に多孔質型の陽極酸化処理を施すことにより微細孔４１ａを有する厚さｄ２の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を形成し（図１０Ｄ）、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１のうち厚さがｄ１となる部分を形成するように陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を図中線Ｃの位置で表面を研磨し（図１０Ｅ）、金属材料７０によって微細孔４１ａを充填しその後複数の金属微粒子Ｂを平坦となった陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上に固着する（図１０Ｆ）ものである。
【０１０８】
微細孔４１ａに金属材料を充填する方法は、例えば電気メッキにより行うことができる。電気メッキにより行う場合には、微細孔４１ａの底の導通性を確保しておく必要がある。導通性を確保する方法としては、例えば陽極酸化処理を行う際に微細孔４１ａの底の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１が特に薄くなるように条件を制御する方法、陽極酸化処理を複数回繰り返すことにより上記底の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を薄くする方法、或いは上記底の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１をエッチングにより除去する方法などが考えられる。電気メッキは、微細孔４１ａを有する金属体をメッキ液中で処理することにより行う。陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１が非導電性であるのに対し、微細孔４１ａの底は上記処理により導通性が確保されている。このため、電場が強い微細孔４１ａ内において優先的にメッキ金属材料が析出され、微細孔４１ａにメッキ金属材料が充填される。
【０１０９】
以下、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の作用を説明する。
【０１１０】
上記のような方法により、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１０は、厚さがｄ１およびｄ２の階段状構造を有する透光層２０によって、それぞれ共振波長の異なる共振領域Ｗおよび共振領域Ｘにより構成され、全体として共振波長の共振幅が拡大する。
【０１１１】
したがって、本実施形態においても、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１１２】
さらに、微細孔４１ａに金属材料７０が充填されているため、第４の実施形態とは透光層２０の誘電率が異なる。すなわち、透光層２０中の誘電率を制御することにより、共振波長の微調整が可能となる。例えば、Ａｕ、Ａｇ等の金属は、可視領域から近赤外線領域で屈折率が小さいので、金属充填することにより、微小共振器構造の共振波長が調整しやすくなる。
【０１１３】
また、微細孔４１ａに充填された金属材料７０に表面の金属微粒子Ｂを吸着させることにより、金属微粒子Ｂの配列の規則性を向上させると共に、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１との密着性を向上させることができる。
【０１１４】
＜第６の実施形態＞
図１１Ｆは、本実施形態による微小共振器構造を有する電場増強光デバイスを示す概略断面図である。本実施形態は、各共振領域の光路長の差異をそれぞれの領域における透光層２０の誘電率の差によって設けている点で第５の実施形態と異なる。よって、その他の第５の実施形態と同様の要素についての説明は特に必要のない限り省略する。
【０１１５】
本実施形態による電場増強光デバイスＤ１１は、金属体（Ａｌ）４０と、金属体（Ａｌ）４０上に形成された、微細孔４１ａを有する厚さｄの陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１と、微細孔４１ａの中に充填された第１の金属材料７０および第２の金属材料８０と、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上に形成された複数の金属微粒子Ｂからなる金属層とからなるものである。陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１の微細孔４１ａの中に充填された材料が、第１の金属材料７０および第２の金属材料８０である共振領域を、それぞれ共振領域Ｘおよび共振領域Ｗとする。
【０１１６】
第１の金属材料７０および第２の金属材料８０については、第５の実施形態と同様である。ただし、本実施形態ではこれらの誘電率の差により各共振領域の光路長に差異を設けるため、少なくとも誘電率の異なる材料を用いる。
【０１１７】
そして、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の製造方法は、例えば金属体４０から出発し（図１１Ａ）、金属体（Ａｌ）４０の一部に多孔質型の陽極酸化処理を施すことにより微細孔４１ａを有する厚さｄの陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を形成し（図１１Ｂ）、共振領域Ｗとしたい部分の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上にマスクＭを形成し（図１１Ｃ）、マスクＭによって被覆されていない微細孔４１ａに第１の金属材料７０を充填し（図１１Ｄ）、マスクＭを除去した後残りの微細孔４１ａに第２の金属材料８０を充填し（図１１Ｅ）、その後複数の金属微粒子Ｂを陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上に固着する（図１１Ｆ）ものである。
【０１１８】
以下、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の作用を説明する。
【０１１９】
上記のような方法により、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１１は、厚さはｄであるが誘電率の異なる金属材料が微細孔４１ａに充填されている透光層２０によって、それぞれ共振波長の異なる共振領域Ｗおよび共振領域Ｘにより構成され、全体として共振波長の共振幅が拡大する。
【０１２０】
したがって、本実施形態においても、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１２１】
さらに本実施形態では、共振器長に段差を設ける必要がない。したがって、電気メッキ等において陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１の導通性を確保する際の工程を容易にすることができる。例えば、微細孔４１ａの底の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を薄くする工程の制御が容易となる。
【０１２２】
＜第７の実施形態＞
図１２は、本実施形態による微小共振器構造を有する電場増強光デバイスを示す概略断面図である。本実施形態は、各共振領域の光路長の差異を、それぞれの領域における透光層２０の誘電率の差および共振器長の差によって設けている点で第５および第６の実施形態と異なる。よって、その他の第５および第６の実施形態と同様の要素についての説明は特に必要のない限り省略する。
【０１２３】
本実施形態による電場増強光デバイスＤ１２は、階段状構造を有する金属体（Ａｌ）４０と、金属体（Ａｌ）４０の階段状構造の上に相補的に形成され、厚さがｄ１およびｄ２の逆階段状構造を有しかつ微細孔４１ａを有する陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１と、共振領域Ｗ内の微細孔４１ａの中に充填された第２の金属材料８０と、共振領域Ｘ内の微細孔４１ａの中に充填された第１の金属材料７０と、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上に形成された複数の金属微粒子Ｂからなる金属層とからなるものである。陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１（透光層２０）の厚さがｄ１およびｄ２である共振領域をそれぞれ共振領域Ｗおよび共振領域Ｘとする。
【０１２４】
第１の金属材料７０および第２の金属材料８０の材料の種類と誘電率の関係については、第５および第６の実施形態と同様である。
【０１２５】
そして、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１２の製造方法は、金属体（Ａｌ）４０に対して階段状構造となるように陽極酸化処理を行って、微細孔４１ａを形成し、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１の表面を研磨するまでは第５の実施形態と同様である。そして、その後共振領域Ｗおよび共振領域Ｘの微細孔４１ａの中に、それぞれ第２の金属材料８０および第１の金属材料７０を充填する方法は第６の実施例と同様である。
【０１２６】
すなわち、例えば金属体４０から出発し、共振領域Ｗとしたい部分の金属体４０上にマスクを形成し、ドライ或はウェットエッチングによりマスクのない部分の厚さがｄ２−ｄ１（ｄ２＞ｄ１）となるように金属体４０を成形した後マスクを除去し、階段状構造となった金属体（Ａｌ）４０の一部に多孔質型の陽極酸化処理を施すことにより微細孔４１ａを有する厚さｄ２の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を形成し、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１のうち厚さがｄ１となる部分を形成するように陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を研磨し、共振領域Ｗの陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上にマスクを形成し、マスクによって被覆されていない微細孔４１ａに第１の金属材料７０を充填し、マスクを除去した後残りの微細孔４１ａに第２の金属材料８０を充填し、その後複数の金属微粒子Ｂを平坦となった陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上に固着することにより本実施形態による電場増強光デバイスＤ１２が得られる（図１２）。
【０１２７】
以下、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１２の作用を説明する。
【０１２８】
上記のような方法により、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１２は、厚さがｄ１およびｄ２の階段状構造を有し、かつ誘電率の異なる金属材料が微細孔４１ａに充填されている透光層２０によって、それぞれ共振波長の異なる共振領域Ｗおよび共振領域Ｘにより構成され、全体として共振波長の共振幅が拡大する。
【０１２９】
したがって、本実施形態においても、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１３０】
さらに本実施形態では、各共振領域の光路長の差異を、それぞれの領域における透光層２０の誘電率の差および共振器長の差によって設けることにより、より効率的で精度の高い共振波長の制御が可能となる。これは、共振器長に段差を設けることにより共振波長を大きく制御することが可能となり、微細孔４１ａをＡｕ、Ａｇ等の金属材料で充填し透光層２０内の誘電率を変化させることにより共振波長の微調整が可能となるためである。
【０１３１】
＜設計変更＞
以上の実施形態において、第２の反射層は反射性を有するとして説明してきだが、第２の反射層は半透過半反射性を有するとしても本発明における課題は解決される。この場合測定光は、第１および第２の反射層のどちらから入射するかは任意であり、また複数の光源を用いて両側から同時に入射することも可能である。
【実施例】
【０１３２】
図１３Ａは、本実施例における本発明による電場増強光デバイスおよび３つの比較用電場増強光デバイスの微小共振器構造を示す図であり、図１３Ｂは、これら上記の電場増強光デバイスについて共振器構造と電場増強度の比較を示す図である。
【０１３３】
本発明による電場増強光デバイスは、ステップの高さが４０ｎｍの階段状構造を有する金属層と、この金属層の形状に相補的な逆階段状構造を有し、かつその厚さが２２０ｎｍと２６０ｎｍである誘電体層と、この誘電体層上に固着された複数の金属微粒子からなるものである。一方、比較用デバイスとして、同様な構成で誘電体層の厚さが２２０ｎｍのもの、２６０ｎｍのものおよび金属層がなく共振器構造を有さないものを用いた。
【０１３４】
この結果図１３より、本発明による電場増強光デバイスは、電場増強度では同様な構成で誘電体層の厚さが２２０ｎｍのもの、２６０ｎｍのものには及ばなかったものの、共振幅は大幅に拡大したのがわかる。
【０１３５】
具体的な共振幅は、図１４の電場増強度の規格値より求められ、同様な構成で誘電体層の厚さが２２０ｎｍのもの、２６０ｎｍのものの共振幅は、それぞれ８７ｎｍ、１２６ｎｍであり、本発明による電場増強光デバイスは１９４ｎｍであった。
【０１３６】
以上により、複数の波長に対して光共振が可能となるように微小共振器構造内に複数の共振領域を設けることにより、共振幅を拡大することが可能となった。そしてこれにより、光学測定において、測定光の波長変更に伴って電場増強光デバイスを取り替える必要がなくなり、光学測定を低コスト化かつ簡素化することが可能となる。さらに、波長幅を持つ光に対しては、より広い波長領域の光を利用することができ、光学測定の効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１３７】
【図１Ａ】従来の電場増強光デバイスＤ１を示す概略斜視図
【図１Ｂ】従来の電場増強光デバイスＤ１を示す概略部分断面図
【図２】従来の電場増強光デバイスＤ２を示す概略斜視図
【図３】第１の実施形態による電場増強光デバイスＤ３を示す概略斜視図
【図４】第２の実施形態による電場増強光デバイスＤ４を示す概略斜視図
【図５】第３の実施形態による電場増強光デバイスＤ５を示す概略斜視図
【図６Ａ】第３の実施形態による電場増強光デバイスＤ５の製造工程を示す概略部分断面図（その１）
【図６Ｂ】第３の実施形態による電場増強光デバイスＤ５の製造工程を示す概略部分断面図（その２）
【図６Ｃ】第３の実施形態による電場増強光デバイスＤ５の製造工程を示す概略部分断面図（その３）
【図６Ｄ】第３の実施形態による電場増強光デバイスＤ５の製造工程を示す概略部分断面図（その４）
【図７】第４の実施形態による電場増強光デバイスＤ７を示す概略斜視図
【図８Ａ】第４の実施形態による電場増強光デバイスＤ７の製造工程を示す概略部分断面図（その１）
【図８Ｂ】第４の実施形態による電場増強光デバイスＤ７の製造工程を示す概略部分断面図（その２）
【図８Ｃ】第４の実施形態による電場増強光デバイスＤ７の製造工程を示す概略部分断面図（その３）
【図８Ｄ】第４の実施形態による電場増強光デバイスＤ７の製造工程を示す概略部分断面図（その４）
【図８Ｅ】第４の実施形態による電場増強光デバイスＤ７の製造工程を示す概略部分断面図（その５）
【図９】陽極酸化処理により微細孔が形成された金属体を示す概略斜視図
【図１０Ａ】第５の実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の製造工程を示す概略部分断面図（その１）
【図１０Ｂ】第５の実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の製造工程を示す概略部分断面図（その２）
【図１０Ｃ】第５の実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の製造工程を示す概略部分断面図（その３）
【図１０Ｄ】第５の実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の製造工程を示す概略部分断面図（その４）
【図１０Ｅ】第５の実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の製造工程を示す概略部分断面図（その５）
【図１０Ｆ】第５の実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の製造工程を示す概略部分断面図（その６）
【図１１Ａ】第６の実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の製造工程を示す概略部分断面図（その１）
【図１１Ｂ】第６の実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の製造工程を示す概略部分断面図（その２）
【図１１Ｃ】第６の実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の製造工程を示す概略部分断面図（その３）
【図１１Ｄ】第６の実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の製造工程を示す概略部分断面図（その４）
【図１１Ｅ】第６の実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の製造工程を示す概略部分断面図（その５）
【図１１Ｆ】第６の実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の製造工程を示す概略部分断面図（その６）
【図１２】第７の実施形態による電場増強光デバイスＤ１２を示す概略断面図
【図１３Ａ】実施例における本発明による電場増強光デバイスおよび比較用デバイスの微小共振器構造を示す概略部分断面図
【図１３Ｂ】実施例について共振器構造と電場増強度の比較を示す図
【図１４】実施例について共振器構造と共振幅の比較を示す図
【符号の説明】
【０１３８】
１０ 第１の反射層
１１ 金属細線
１２
２０ 透光層
３０ 第２の反射層
４０ 金属体
４１ 陽極酸化金属体
４１ａ 微細孔
７０ 第１の充填金属材料
８０ 第２の充填金属材料
Ｂ 金属微粒子
Ｄ１〜５・７・１０・１１ 電場増強光デバイス
ｄ・ｄ１・ｄ２ 透光層の厚さ
Ｌ１ 測定光
Ｌ２
Ｍ マスク
Ｗ〜Ｚ 共振領域
Ｗ’〜Ｚ’ 微小共振領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小共振器構造の光閉じ込め現象による電場増強を利用した電場増強光デバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、生物発光、化学発光、蛍光およびラマン散乱光などは微弱であるため、より高感度に検出するために測定光を局所に閉じ込めプラズモンを誘起し、このプラズモンの電場増強効果を利用して上記のような微弱な光を増強する技術が良く使われる。このような電場増強光デバイスの一例としては、ラマン分光法で使用され、表面においてラマン散乱光を増強する表面増強ラマンデバイスが挙げられる。表面増強ラマンデバイスを用いることにより、測定光の強度およびラマン散乱光そのものの強度が増強されるため、光学測定を高感度に実施することができる。
【０００３】
一方、表面増強ラマンデバイスの他の形態の一つとして、局在プラズモン共鳴を利用するものがある。これは、金属体、特に表面にナノオーダの凹凸（金属微細凹凸構造）を有する金属体に物質を接触させた状態で光を照射すると、局在プラズモン共鳴による電場増強が生じ、金属体表面に接触された試料のラマン散乱光強度が増強されるというものであり、金属微細凹凸構造の規則性が高いほど、より均一性が高く効果的な電場増強が得られると言われている。このような表面に金属微細凹凸構造を作製する方法の一つとして、粒径均一性の高い金属微粒子を作製し、その金属微粒子を金属体の表面に固着させる方法が挙げられる。
【０００４】
さらに、特許文献１に示されている通り、金属微粒子を用いることによって得られる局在プラズモン共鳴と、微小共振器構造を用いることによって得られる光共振とを利用し、より大きな表面増強ラマン効果を実現しているという報告もある。
【特許文献１】特表２００４−５３０８６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、微小共振器構造を用いる電場増強光デバイスにおいて、一般的には測定試料や測定方法等の測定条件により必要とされる測定光の波長が異なるため、測定条件ごとに測定光の波長を変えなければならないが、この測定光の波長の変更に伴って、電場増強光デバイスそのものも取り替えなければならないという問題がある。これは、通常微小共振器はその構造によって光共振する測定光の波長（共振波長）が決まっているため、測定光の波長に合わせて微小共振器構造を選択する必要があるためである。
【０００６】
本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、１つの電場増強光デバイスで測定光の波長変更に対応するため、複数の波長に対して光共振が可能な微小共振器構造を有する電場増強光デバイスの提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明者は、微小共振器構造内に複数の共振領域を持たせることに注目して、本発明に至った。
【０００８】
すなわち、本発明による散乱光検出方法は、透過性を有する透光層と、透光層の片面に形成された半透過半反射性を有する第１の反射層と、透光層の他の面に形成された反射性を有する第２の反射層とからなる微小共振器構造を有する電場増強光デバイスであって、
微小共振器構造が、第１の反射層と第２の反射層との間の光路長が異なる複数の共振領域を有するものであり、
第１の反射層に対して透光層とは反対の側から、第１の反射層に測定光を照射することにより第１の反射層と第２の反射層との間で光共振を生じせしめることを特徴とするものである。
【０００９】
ここで、「半透過半反射性」とは、透過性と反射性を共に有する性質を意味するものとし、透過率と反射率は共に０％より大きく１００％未満の範囲で任意である。
【００１０】
「微小共振器構造」とは、内部に取り込まれた測定光の多重反射による多重干渉によって光共振を生じる共振器構造であって、共振器長が測定光の波長程度に微小のものを意味するものとする。
【００１１】
「光路長」とは、透光層の屈折率ｎと共振器長ｄを用いて表されるｎｄを意味するものとする。なお、「共振器長」とは、第１の反射層と透光層との界面から第２の反射層と透光層との界面までの長さ（或いは、透光層の厚さ）を意味するものとする。
【００１２】
「共振領域」とは、微小共振器構造中の光路長が等しい部分の総称を意味するものとする。
【００１３】
そして、本発明による電場増強光デバイスにおいて、共振領域は、複数の微小共振領域から構成されるものであることが好ましく、微小共振領域は、微小共振器構造中に略均一に配置されたものであることが好ましい。
【００１４】
ここで、「微小共振領域」とは、複数に分割された共振領域のそれぞれの部分であって、測定光の照射領域以下程度に微小のものを意味するものとする。
【００１５】
さらに、光路長は、それぞれの共振領域の透光層の誘電率の差によって異なるものであることが好ましく、或いは、それぞれの共振領域の共振器長の差によって異なるものであることが好ましい。
【００１６】
そして、第１の反射層は、透光層の表面にパターン形成された金属層からなるものであることが好ましく、或いは、透光層の表面に複数の非凝集金属微粒子が固着されて形成される金属層からなるものであることが好ましい。
【００１７】
また、透光層は、第１の反射層側の面において開口した複数の微細孔を有する微細孔体からなるものであることが好ましい。
【００１８】
さらに、可視領域〜近赤外領域の測定光に光共振することが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明による電場増強光デバイスによれば、複数の波長に対して光共振が可能となるように微小共振器構造内に複数の共振領域を設けることにより、測定光の波長変更に伴って電場増強光デバイスを取り替える必要がなくなる。これにより、光学測定を低コスト化かつ簡素化することが可能となる。さらに、波長幅を持つ光に対しては、より広い波長領域の光を利用することができ、光学測定の効率を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明における最良の実施形態について図面を用いて説明するが、本発明はこれに限られるものではない。
【００２１】
「電場増強光デバイス」
まず、図を用いて本発明の基本となる電場増強光デバイスの原理を説明する。
【００２２】
図１Ａは基本的な電場増強光デバイスの概略斜視図であり、図１Ｂは図１ＡにおけるＡ−Ａ’を通る厚み方向断面図である。
【００２３】
図１Ａに示すように、この電場増強光デバイスＤ１は、測定光Ｌ１の入射側（図示上側）から、半透過半反射性を有し試料が供給される第１の反射層１０と、透過性を有する透光層２０と、反射性を有する第２の反射層３０とを順次備えたデバイス構造を有する。測定光Ｌ１は、波長光或が波長幅を持つ光であり、波長は検出する物質に応じて選択される。
【００２４】
例えば、透光層２０は透光性平坦基板からなり、第１の反射層１０は透光層２０の一方の面に形成された、規則的な格子状パターンの金属細線１１からなり、第２の反射層３０は透光層２０の他方の面に形成されたベタ金属膜からなる。
【００２５】
この場合、透光層２０の材質は特に制限なく、ガラスやアルミナ等の透光性セラミック、アクリル樹脂やカーボネート樹脂等の透光性樹脂等が挙げられる。透光層２０の厚さｄは、多重干渉による可視光領域の吸収ピーク波長が１つとなり容易に検出可能であることから３００ｎｍ以下が好ましく、多重反射が効果的に起こりかつ多重干渉による吸収ピーク波長が可視光領域で容易に検出可能であることから１００ｎｍ以上が好ましい。
【００２６】
第１の反射層１０及び第２の反射層３０の材質としては、任意の反射性金属を使用でき、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、及びこれらの合金等が挙げられる。第１の反射層１０及び第２の反射層３０はこれら反射性金属を２種以上含むものであってもよい。
【００２７】
第１の反射層１０は、例えば金属蒸着等によりベタ金属膜を成膜した後、公知のフォトリソグラフィー加工を実施することで形成でき、第２の反射層３０は、例えば金属蒸着等により成膜できる。
【００２８】
第１の反射層１０は、金属細線１１自体は反射性金属からなるが、複数存在するパターン空隙１２が光を透過させるため、半透過半反射性を有する。金属細線１１のピッチは、測定光Ｌ１の波長よりも小さい条件を充足すれば特に制限なく、測定条件、特に測定光Ｌ１の波長等によって適宜選択することができる。例えば、測定光Ｌ１として可視光を用いる場合には２００ｎｍ以下が好ましい。金属細線１１の線幅は、特に制限はないが、光によって金属中で振動する電子の平均自由行程以下であることが好ましく、具体的には５０ｎｍ以下、特に３０ｎｍ以下であることが好ましい。金属細線１１の線幅及びピッチが測定光Ｌ１の波長よりも小さく設計された場合、すなわち第１の反射層１０が測定光Ｌ１の波長よりも小さい凹凸構造を有する場合、第１の反射層１０は、光に対して電磁メッシュシールド機能を有する半透過半反射性の薄膜となる。
【００２９】
この電場増強光デバイスＤ１は、透光層２０の厚みと透光層２０内の平均屈折率とに応じて共振波長を変化させることができる。透光層２０の厚みと透光層２０内の平均屈折率と共振波長とは下記式（１）を略充足している。従って、透光層２０内の平均屈折率が同じものであれば、透光層２０の厚みを変えるだけで共振波長を変化させることができる。
λ≒２ｎｄ／（ｍ＋１）・・・（１）
（式中、ｄは透光層２０の厚み、λは共振波長、ｎは透光層２０内の平均屈折率、ｍは整数である。）
【００３０】
なお、後述する透光層２０が微細孔を有するような場合は、上記式（１）の「透光層２０内の平均屈折率」とは、陽極酸化金属体の屈折率とその微細孔内の物質（微細孔内に特に充填物質がない場合には空気、微細孔内に充填物質がある場合には充填物質／又は充填物質と空気）の屈折率とを合わせて平均化した平均屈折率を意味する。
【００３１】
屈折率は、材料に吸収がある場合は複素屈折率で表すが、透光層２０において複素部分はゼロであり、透光層２０が微細孔を有する場合にも、微細孔内の充填物質による影響は小さいため、上記（１）式においては、複素部分を持たない屈折率表示とした。
【００３２】
共振条件は、第１の反射層１０及び第２の反射層３０の物理特性や表面状態によっても変化するが、この変化の大きさは、透光層２０の厚み及び透光層２０内の平均屈折率による影響に比して小さいため、数ｎｍオーダーの精度で上記式により共振波長を決定することができる。
【００３３】
以下、この電場増強光デバイスの作用を説明する。
図１Ｂに示すように、電場増強光デバイスＤ１に測定光Ｌ１が入射すると、第１の反射層１０の透過率又は反射率に応じて、一部は第１の反射層１０の表面で反射され（図示略）、一部は第１の反射層１０を透過して透光層２０に入射する。透光層２０に入射した光は、第１の反射層１０と第２の反射層３０との間で反射を繰り返す。すなわち、電場増強光デバイスＤ１は、第１の反射層１０と第２の反射層３０との間で多重反射が起こる微小共振器構造を有している。従って、透光層２０の中で多重反射光による多重干渉が起こり、共振条件を満たす共振波長において光共振し、共振波長の光を吸収する吸収特性を示す。そして吸収特性に応じた、測定光Ｌ１と異なる物理特性の出射光Ｌ２が出射される。さらに、微小共振器構造内の電場が増強されると共に、光散乱面である第1の反射層１０表面においても効果的な電場増強効果を得ることができる。
【００３４】
またこの電場増強光デバイスでＤ１は、透光層２０内における多重反射回数（フィネス）が最大となるよう、光インピーダンスマッチングをとったデバイス構造とすることが好ましい。かかる構成とすることで、吸収ピークがシャープになり、より効果的な表面増強効果が得られる。
【００３５】
さらに、この電場増強光デバイスＤ１では、第１の反射層１０が自由電子を有する金属からなり、測定光Ｌ１の波長よりも小さい金属微細凹凸構造を有するので、第１の反射層１０において局在プラズモン共鳴が誘起される。これにより、光散乱面の表面においてさらなる電場増強効果を得ることができる。
【００３６】
局在プラズモン共鳴は、金属の自由電子が光の電場に共鳴して振動することで電場を生じる現象である。特に金属微細凹凸構造を有する金属層では、凸部の自由電子が光の電場に共鳴して振動することで凸部周辺に強い電場を生じ、局在プラズモン共鳴が効果的に起こるとされている。本実施形態では、上記のとおり第１の反射層１０が測定光Ｌ１の波長より小さい金属微細凹凸構造を有するので、局在プラズモン共鳴が効果的に起こる。
【００３７】
局在プラズモン共鳴が生じる波長においては、測定光Ｌ１の散乱や吸収が著しく増大し、上記多重干渉による光共振と同様、光散乱面において電場が増強される。この局在プラズモン共鳴が生じる波長（共鳴ピーク波長）、及び測定光Ｌ１の散乱や吸収の程度は、電場増強光デバイスＤ１の表面の凹凸のサイズ、金属の種類及び表面に接触された試料の屈折率等に依存する。
【００３８】
例えば、この電場増強光デバイスＤ１は、第１の反射層１０の光散乱面における電場増強効果を利用して、光散乱面に接触させた試料又は試料セルに測定光Ｌ１を照射してラマン散乱光を分析する、表面増強ラマン分光法等に用いることができる。
【００３９】
表面増強ラマン分光法においては、表面増強ラマン効果を得る共鳴波長（以下、ラマン増強波長という）にその測定光の波長を一致させることにより、より効果的な表面増強ラマン効果を得ることができる。従って、測定試料によって照射する測定光の波長を変化させる必要がある表面増強ラマン分光法において、電場増強光デバイスは測定光の波長に応じて設計されていることが好ましい。
【００４０】
ただ、通常ラマン増強波長の制御は、例えば、局在プラズモン共鳴を用いたデバイスの場合は、金属微細凹凸構造のサイズの精密な制御が必要であり、複雑なプロセスを要することになる。
【００４１】
しかしながら、この電場増強光デバイスＤ１は、式（１）に示されるように、共振波長が透光層２０の平均屈折率と厚みとに応じて変わるので、これらのファクタを変化させるだけの簡易な設計変更によってラマン増強波長が変化する。したがって、この電場増強光デバイスＤ１によれば、用途に応じた所望の波長において表面増強ラマン効果を有する電場増強光デバイスＤ１を、複雑なデバイス設計を要さず、簡易に得ることができる。
【００４２】
この電場増強光デバイスＤ１では、多重干渉が効果的に起こり、特定波長の光に対して強い吸収が起こるので、局在プラズモン共鳴のみを利用した電場増強光デバイスに比して表面増強ラマン効果が大きく（例えば、１００倍以上の増強効果）、高精度分析を実施できる。
【００４３】
なお、多重干渉による吸収ピークと局在プラズモン共鳴による吸収ピークは異なる波長に現れる場合もあるし、重なる場合もある。
【００４４】
第１の反射層１０及び第２の反射層３０の材質としては、金属以外の反射性材料を用いてもよいが、第1の反射層１０は、上記の如く、局在プラズモン共鳴による表面増強ラマン効果も得られる金属が好ましい。
【００４５】
上記のような場合には、多重干渉による共振と局在プラズモン共鳴が生じており、それぞれ独立の現象により生ずる表面増強ラマン効果が得られることを述べたが、これらの現象の相互作用または上記デバイス構成特有の現象により、表面増強ラマン効果が強められていることも考えられる。
【００４６】
また、この電場増強光デバイスＤ１において、第１の反射層１０が規則的な格子状パターンの場合について説明したが、第１の反射層１０のパターン形状は任意であり、ランダムパターンでもよい。ただし、構造規則性が高い方が微小共振器構造の面内均一性が高く、特性が集約されるので好ましい。
【００４７】
そして、上記では、透光層２０および第２の反射層３０において、それぞれ透光性平坦基板およびベタ金属膜の場合について説明したが、これらは金属体の一部を酸化させたもの等を用いてもよい。つまり、この場合、酸化させた金属体の一部が透光層２０となり、残りの金属体が第２の反射層３０となる。
【００４８】
一方、第１の反射層１０は、規則的な格子状パターンの金属細線１１に代えて、マトリクス状に略規則配列して固着された複数かつ非凝集の金属微粒子Ｂによって構成してもよい（図２）。
【００４９】
この場合には、前述した金属細線１１の場合と同様に、構造規則性が高い方が微小共振器構造の面内均一性が高く、特性が集約されるので好ましい。金属微粒子Ｂが凝集粒子を含む場合は、多数の金属微粒子Ｂが凝集してできた部分と、そうでない部分とが存在し、第1の反射層１０の構造規則性が低くなりやすいが、本実施形態の金属微粒子Ｂは非凝集金属微粒子であるため、凝集粒子を含む場合に比して高い構造規則性を有する第1の反射層１０を容易に形成することができる。
【００５０】
金属微粒子Ｂの材料は制限なく、前述の第１の反射層１０と同様の金属、すなわちＡｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、及びこれらの合金等が例示できる。
【００５１】
また、金属微粒子Ｂは非凝集金属微粒子であるので、（１）金属微粒子同士が会合せず、金属微粒子同士が離間されて存在しているもの、あるいは（２）金属微粒子が結合した後に一体の粒子となり、再びもとの状態には戻せないもの、の何れかに含まれる金属微粒子である。
【００５２】
（１）の金属微粒子Ｂが複数固着された第1の反射層１０としては、金属微粒子Ｂ同士が会合しないように一定の距離以上離間されて配置された金属層が挙げられる。この金属層において、金属微粒子Ｂの配置は、ランダムでも略規則的な配列を有していてもよい。
【００５３】
金属微粒子Ｂがランダムに配置された金属層としては、例えば斜め蒸着法等により得られる島状パターンの金属層等が挙げられる。
【００５４】
また、金属微粒子Ｂが略規則配列された金属層としては、ドット状、メッシュ状、ボウタイ形状アレイ、針状の金属微粒子Ｂが略規則配列されるようにパターニングされたものなどが挙げられる。これらの場合のパターニングは、リソグラフィや集束イオンビーム法（ＦＩＢ法）等による加工及び自己組織化を利用する方法等により実施することができる。
【００５５】
（２）の金属微粒子Ｂが複数固着された第1の反射層１０としては、融着やメッキ処理による金属成長の過程において一体化して形成され、再び一体化する前の状態には戻すことのできない金属微粒子Ｂが複数固着されたものが挙げられる。
【００５６】
また第1の反射層１０は、上記した以外に、透光層２０の表面に金属微粒子Ｂの分散溶液をスピンコート法等により塗布し乾燥することによっても形成できる。分散溶液に樹脂や蛋白質等のバインダを含有させ、バインダを介して金属微粒子Ｂを透光層２０の表面に固着させることが好ましい。バインダとして蛋白質を用いる場合には、蛋白質同士の結合反応を利用して、金属微粒子Ｂを透光層２０の表面に固着させることも可能である。
【００５７】
複数の金属微粒子Ｂからなる第１の反射層１０は、反射性金属からなるが、粒子間の空隙を複数有しているので光透過性を有し、半透過半反射性を有する。金属微粒子Ｂの径及びピッチは測定光Ｌ１の波長よりも小さく設計されており、第１の反射層１０は測定光Ｌ１の波長よりも小さい金属微細凹凸構造を有するものとなっている。本実施形態においても、第１の反射層１０は、金属微細凹凸構造が光の波長よりも小さいので、電磁メッシュシールド機能を有する半透過半反射性の薄膜となる。
【００５８】
以上のように、複数の金属微粒子Ｂからなる第１の反射層１０を有する電場増強光デバイスＤ２においても、電場増強光デバイスＤ１と同様の効果を得ることができる。
【００５９】
＜第１の実施形態＞
図３は、本実施形態による微小共振器構造を有する電場増強光デバイスを示す概略斜視図である。
【００６０】
本実施形態による電場増強光デバイスＤ３は、４つの共振領域Ｗ〜Ｚからなる微小共振器構造を有している。そして、４つの共振領域Ｗ〜Ｚは、すべて光路長が異なるように形成されており、それぞれが別々の共振波長を有するため、全体として共振波長の共振幅（共振波長スペクトルの半値幅）が拡大する。
【００６１】
これにより、測定光Ｌ１が単波長の場合には、測定光Ｌ１の照射領域をいずれかの共振領域Ｗ〜Ｚに合わせるように光学系を調整すれば、１つの電場増強光デバイスＤ３で４種類の共振波長に対応することができることになる。この結果、測定光Ｌ１の波長変更に伴って電場増強光デバイスを取り替える必要がなくなり、光学測定を低コスト化かつ簡素化することが可能となる。当然、共振領域の数が増えれば、より多くの共振波長に対応することができることになる。
【００６２】
一方、測定光Ｌ１が波長幅を持つ光の場合には、丁度図３に示すように、４つの共振領域Ｗ〜Ｚを均等に含むように光学系を調整すれば、１つの電場増強光デバイスＤ３で波長幅を持つ光Ｌ１のうちより広い波長領域の光を利用することができ、光学測定の効率を向上させることが可能となる。
【００６３】
さらに、１つの電場増強光デバイスＤ３で多くの共振波長に対応することができて、多種類の試料を測定の対象とすることができることから、この電場増強光デバイスＤ３の効率的な量産化を実現可能とする
＜第２の実施形態＞
図４は、本実施形態による微小共振器構造を有する電場増強光デバイスを示す概略斜視図である。
【００６４】
本実施形態による電場増強光デバイスＤ４は、４つの共振領域Ｗ〜Ｚを有し、かつこれらの共振領域が複数の微小共振領域Ｗ’〜Ｚ ’に分割され均一に配置された微小共振器構造を有している。４つの共振領域Ｗ〜Ｚは、第１の実施形態と同様に、すべて光路長が異なるように形成されており、それぞれが別々の共振波長を有するため、全体として共振波長の共振幅が拡大する。
【００６５】
微小共振領域Ｗ’〜Ｚ ’のそれぞれの大きさは、特に制限はないが、測定光Ｌ１の照射領域よりも小さいことが好ましい。
【００６６】
これにより、電場増強光デバイスＤ４の光散乱面の任意の場所を測定光Ｌ１によって照射しても、照射領域内にすべての共振領域Ｗ〜Ｚが略均等に含まれるようにできるため、光学系の調整をする必要がなくなる。この結果、光学測定の工程を簡素化することが可能となる。
【００６７】
そして、以下において微小共振器構造の例について、図面を用いて説明する。
【００６８】
＜第３の実施形態＞
図５は、本実施形態による微小共振器構造を有する電場増強光デバイスを示す概略斜視図である。本実施形態において、前述した基本となる電場増強光デバイスＤ１およびＤ２の場合と同様の要素についての説明は、特に必要のない限り省略する。
【００６９】
本実施形態による電場増強光デバイスＤ５は、第２の反射層３０と、平坦な第２の反射層３０上に形成された、厚さがｄ１およびｄ２の階段状構造を有する透光層２０と、透光層２０の階段状構造のそれぞれのステップ面上に形成された複数の金属微粒子Ｂからなる第１の反射層１０とからなるものである。透光層２０の厚さがｄ１およびｄ２である共振領域をそれぞれ共振領域Ｗおよび共振領域Ｘとする。
【００７０】
階段状構造を有する透光層２０の厚さｄ１およびｄ２は、それぞれ特に制限されることなく、透光層２０を構成する材料の誘電率および測定条件、特に測定光の波長によって適宜選択することができる。
【００７１】
そして、本実施形態による電場増強光デバイスＤ５の製造方法は、例えば金属体４０から出発し（図６Ａ）、金属体４０上に誘電体材料を堆積して厚さｄ２の誘電体膜４１を形成し（図６Ｂ）、共振領域Ｘとしたい部分の誘電体膜４１上にマスクＭを形成し（図６Ｃ）、ドライ或はウェットエッチングによりマスクＭのない部分の厚さがｄ１となるように誘電体膜４１を成形した後マスクＭを除去し（図６Ｄ）、その後複数の金属微粒子Ｂを誘電体膜４１の階段状構造のそれぞれのステップ面上に固着する（図５）ものである。
【００７２】
ここで、上記の方法によって製造された電場増強光デバイスＤ５において、複数の金属微粒子Ｂ、誘電体膜４１および金属体４０が、それぞれ第１の反射層１０、透光層２０および第２の反射層３０となる。
【００７３】
金属体４０の材料は、特に制限されるものではないが、Ａｌ、Ｔｉ、Ｗ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ｎｉ、Ｃｕ等であることが好ましい。
【００７４】
誘電体膜４１の材料は、透光性誘電体層として、必要とする反射および透過波長帯、反射率等に応じて適宜選択することができ、特に、ＳｉＯ２、ＭｇＦ２、Ｎａ３ＡｌＦ６、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｙ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３からなる群より選択される少なくとも１種の材料であることが好ましい。また、誘電体膜４１の構造は、上記の材料を用いて形成される層によって積層された構造とすることもできる。さらに、誘電体膜４１の成膜方法は、透光性誘電体層の形成方法については特に限定はなく、例えば真空蒸着法やＩＡＤ（Ion Assisted Deposition）法やＩＰ（Ion Plating）法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタリング法などの従来公知の方法を用いることができる。
【００７５】
なお、金属微粒子Ｂの材料、径の大きさおよび固着方法等は前述した通りである。
【００７６】
一方、本実施形態による電場増強光デバイスＤ５は、金属体４０の酸化を利用した方法を用いても製造することができる。すなわち、金属体４０の酸化を利用した電場増強光デバイスＤ５の製造方法は、例えば金属体（Ａｌ）４０から出発し（図６Ａ）、金属体（Ａｌ）の一部を無孔質型の陽極酸化処理を施すことにより厚さｄ２の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を形成し（図６Ｂ）、共振領域Ｘとしたい部分の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上にマスクＭを形成し（図６Ｃ）、ドライ或はウェットエッチングによりマスクＭのない部分の厚さがｄ１となるように陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を成形した後マスクＭを除去し（図６Ｄ）、その後複数の金属微粒子Ｂを陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１の階段状構造のそれぞれのステップ面上に固着する（図５）ものである。
【００７７】
ここで、上記の方法によって製造された電場増強光デバイスＤ５において、複数の金属微粒子Ｂ、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１および金属体４０が、それぞれ第１の反射層１０、透光層２０および第２の反射層３０となる。
【００７８】
陽極酸化は、アルミニウムを陽極とし、陰極と共に電解液に浸漬させ、陽極陰極間に電圧を印加することで実施できる。金属体（Ａｌ）４０の形状は制限されず、板状等が好ましい。また、支持体の上に金属体（Ａｌ）４０が層状に成膜されたものなど、支持体付きの形態で用いることも差し支えない。陰極としてはカーボンやアルミニウム等が使用される。
【００７９】
陽極酸化皮膜の皮膜構造は、電解液の種類、電流密度および液温等の条件により異なるため、通常電解液は、多孔質型（ポーラス型）の処理か、或いは無孔質型（バリヤー型）の処理かによって適宜選択される。一般的に、皮膜溶解性の高い電解液で処理を行うと多孔質型の皮膜が生成する。多孔質型の電解液としては、硫酸、シュウ酸、リン酸およびクロム酸等を挙げることができる。多孔質皮膜は、緻密で無孔質な下層と多孔質な上層からなっている。一方、無孔質型は、ホウ酸や酒石酸アンモニウム等主に中性溶液で処理を行うと生成する。
【００８０】
なお、金属体４０の主成分としてＡｌのみを挙げたが、陽極酸化可能で生成される金属酸化物が透光性を有するものであれば、任意の金属が使用できる。Ａｌ以外では、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｚｎ等が使用できる。金属体４０は、陽極酸化可能な金属を２種以上含むものであってもよい。
【００８１】
以下、本実施形態による電場増強光デバイスＤ５の作用を説明する。
【００８２】
上記のような方法により、本実施形態による電場増強光デバイスＤ５は、厚さがｄ１およびｄ２の階段状構造を有する透光層２０によって、それぞれ共振波長の異なる共振領域Ｗおよび共振領域Ｘにより構成され、全体として共振波長の共振幅が拡大する。
【００８３】
したがって、第１の実施形態と同様に、単波長の測定光を用いた光学測定では、複数の共振波長に対応することができ、この結果、測定光Ｌ１の波長変更に伴って電場増強光デバイスＤ５を取り替える必要がなくなり、光学測定を低コスト化かつ簡素化することが可能となる。さらに、測定光Ｌ１が波長幅を持つ光の場合には、光学系を調整すれば、１つの電場増強光デバイスＤ５で波長幅を持つ光Ｌ１のうちより広い波長領域の光を利用することができ、光学測定の効率を向上させることが可能となる。
【００８４】
そして、透光層２０の中で多重反射光による多重干渉が起こり、共振条件を満たす特定波長において共振し、共振波長の光を吸収する吸収特性を示す。そして吸収特性に応じた、測定光Ｌ１と異なる物理特性の出射光Ｌ２が出射される。さらに、微小共振器構造内の電場が増強されると共に、光散乱面である第1の反射層１０表面においても効果的な電場増強効果を得ることができる。
【００８５】
さらに、この電場増強光デバイスでＤ５は、第１の反射層１０が自由電子を有する金属からなり、測定光Ｌ１の波長よりも小さい金属微細凹凸構造を有するので、第１の反射層１０において局在プラズモン共鳴が誘起される。これにより、光散乱面の表面においてさらなる電場増強効果を得ることができる。
【００８６】
なお、本実施形態において、厚さがｄ１およびｄ２の階段状構造を有する透光層２０によってそれぞれ共振波長の異なる領域を、共振領域Ｗおよび共振領域Ｘとして説明してきたが、これらは微小共振領域Ｗ’および微小共振領域Ｘ’としてもよい。つまりこの場合には、図５は、複数の微小共振領域Ｗ’および微小共振領域Ｘ’を有する電場増強光デバイスＤ５の一部を示す概略斜視図となり、この電場増強光デバイスＤ５によって第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００８７】
＜第４の実施形態＞
図７は、本実施形態による微小共振器構造を有する電場増強光デバイスを示す概略斜視図である。本実施形態は、電場増強光デバイスＤ７の階段状構造のステップ境界面が、透光層２０と第２の反射層３０との間にある点で第３の実施形態と異なる。よって、その他の第３の実施形態と同様の要素についての説明は特に必要のない限り省略する。
【００８８】
本実施形態による電場増強光デバイスＤ７は、階段状構造を有する第２の反射層３０と、第２の反射層３０の階段状構造の上に相補的に形成され、厚さがｄ１およびｄ２の逆階段状構造を有する透光層２０と、透光層２０上に形成された複数の金属微粒子Ｂからなる第１の反射層１０とからなるものである。透光層２０の厚さがｄ１およびｄ２である共振領域をそれぞれ共振領域Ｗおよび共振領域Ｘとする。
【００８９】
そして、本実施形態による電場増強光デバイスＤ７の製造方法は、例えば金属体４０から出発し（図８Ａ）、共振領域Ｗとしたい部分の金属体４０上にマスクＭを形成し（図８Ｂ）、ドライ或はウェットエッチングによりマスクＭのない部分の厚さがｄ２−ｄ１（ｄ２＞ｄ１）となるように金属体４０を成形した後マスクＭを除去し（図８Ｃ）、階段状構造となった金属体４０上に誘電体材料を堆積して厚さｄ２の誘電体膜４１を形成し（図８Ｄ）、誘電体膜４１のうち厚さがｄ１となる部分を形成するように誘電体膜４１を図中線Ｃの位置で表面を研磨し（図８Ｅ）、その後複数の金属微粒子Ｂを平坦となった誘電体膜４１上に固着する（図７）ものである。
【００９０】
ここで、上記の方法によって製造された電場増強光デバイスＤ７において、複数の金属微粒子Ｂ、誘電体膜４１および金属体４０が、それぞれ第１の反射層１０、透光層２０および第２の反射層３０となる。
【００９１】
誘電体４１の研磨の方法は、特に限定されず、従来公知の方法を用いることができる。例えば、化学機械研磨が挙げられる。化学機械研磨(ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing)処理を行うことにより、誘電体膜の表面を平坦化することができる。ＣＭＰ処理には、フジミインコーポレイテッド社製のＰＮＡＮＥＲＬＩＴＥ−７０００、日立化成社製のＧＰＸＨＳＣ８００、旭硝子(セイミケミカル)社製のＣＬ−１０００等のＣＭＰスラリーを用いることができる。
【００９２】
一方、本実施形態による電場増強光デバイスＤ７は、金属体４０の酸化を利用した方法を用いても製造することができる。すなわち、金属体４０の酸化を利用した電場増強光デバイスＤ７の製造方法は、例えば金属体（Ａｌ）４０から出発し（図８Ａ）、共振領域Ｗとしたい部分の金属体（Ａｌ）４０上にマスクＭを形成し（図８Ｂ）、ドライ或はウェットエッチングによりマスクＭのない部分の厚さがｄ２−ｄ１（ｄ２＞ｄ１）となるように金属体４０を成形した後マスクＭを除去し（図８Ｃ）、階段状構造となった金属体（Ａｌ）４０の一部を陽極酸化することにより厚さｄ２の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を形成し（図８Ｄ）、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１のうち厚さがｄ１となる部分を形成するように陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を図中線Ｃの位置で表面を研磨し（図８Ｅ）、その後複数の金属微粒子Ｂを平坦となった陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上に固着する（図７）ものである。
【００９３】
ここで、上記の方法によって製造された電場増強光デバイスＤ７において、複数の金属微粒子Ｂ、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１および金属体４０が、それぞれ第１の反射層１０、透光層２０および第２の反射層３０となる。
【００９４】
陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１の研磨の方法は、エッチング除去法またはＣＭＰ法を用いる。製造の容易さの点では、エッチング法、具体的にはウェットエッチング法が好ましく、フッ酸、リン酸／塩酸混酸、水酸化ナトリウム等を用いることができる。
【００９５】
以下、本実施形態による電場増強光デバイスＤ７の作用を説明する。
【００９６】
上記のような方法により、本実施形態による電場増強光デバイスＤ７は、厚さがｄ１およびｄ２の階段状構造を有する透光層２０によって、それぞれ共振波長の異なる共振領域Ｗおよび共振領域Ｘにより構成され、全体として共振波長の共振幅が拡大する。
【００９７】
したがって、本実施形態においても、第３の実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、本実施形態においては、試料を供給する面（第１の反射層１０の表面）が平坦な構造となるため、より試料の取り扱いが容易となる。
【００９８】
＜第５の実施形態＞
図９は、金属体（Ａｌ）４０に多孔質型の陽極酸化処理を行うことによって、金属体（Ａｌ）４０の一部を陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１にしたものを示す斜視図であり、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１中には微細孔４１ａが形成されている。
【００９９】
金属体４０を陽極酸化すると、表面からこの面に対して略垂直方向に酸化反応が進行し、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１が生成される。陽極酸化により生成される陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１は、多数の平面視的に略正六角形状の微細柱状体が隙間なく配列した構造を有するものとなる。各微細柱状体の略中心部には、表面から深さ方向に略ストレートに延びる微細孔４１ａが開孔され、各微細柱状体の底面は丸みを帯びた形状となる。
【０１００】
陽極酸化により生成される陽極酸化皮膜の構造は、益田秀樹、「陽極酸化法によるメソポーラスアルミナの調製と機能材料としての応用」、材料技術Vol.15,No.10、1997年、p.34等に詳細に記載されている。
【０１０１】
規則配列構造の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を生成する場合の好適な陽極酸化条件例としては、電解液としてシュウ酸を用いる場合、電解液濃度０．５Ｍ、液温１４〜１６℃、印加電圧４０〜４０±０．５Ｖ等が挙げられる。この条件で生成される微細孔２１は例えば、径が５〜２００ｎｍ、ピッチが１０〜４００ｎｍである。
【０１０２】
微細孔４１ａのピッチは測定光Ｌ１の波長よりも小さい条件を充足すれば特に制限なく、測定光Ｌ１として可視光を用いる場合には例えば２００ｎｍ以下が好ましい。
【０１０３】
以下、本実施形態では、この微細孔４１ａを有する陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１および処理されていない金属体（Ａｌ）４０が、それぞれ透光層２０および第２の反射層３０となる。
【０１０４】
図１０Ｆは、本実施形態による微小共振器構造を有する電場増強光デバイスを示す概略断面図である。本実施形態は、透光層２０が微細孔４１ａを有している点で第４の実施形態と異なる。よって、その他の第４の実施形態と同様の要素についての説明は特に必要のない限り省略する。
【０１０５】
本実施形態による電場増強光デバイスＤ１０は、階段状構造を有する金属体（Ａｌ）４０と、金属体（Ａｌ）４０の階段状構造の上に相補的に形成され、厚さがｄ１およびｄ２の逆階段状構造を有しかつ微細孔４１ａを有する陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１と、微細孔４１ａの中に充填された金属材料７０と、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上に形成された複数の金属微粒子Ｂからなる金属層とからなるものである。陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１（透光層２０）の厚さがｄ１およびｄ２である共振領域をそれぞれ共振領域Ｗおよび共振領域Ｘとする。
【０１０６】
微細孔４１ａには、金属材料７０が充填されており、充填される金属は金属であれば特に制限されず、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、ＮｉおよびＴｉ等が好ましく、ＡｕおよびＡｇが特に好ましい。
【０１０７】
そして、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の製造方法は、例えば金属体４０から出発し（図１０Ａ）、共振領域Ｗとしたい部分の金属体４０上にマスクＭを形成し（図１０Ｂ）、ドライ或はウェットエッチングによりマスクＭのない部分の厚さがｄ２−ｄ１（ｄ２＞ｄ１）となるように金属体４０を成形した後マスクＭを除去し（図１０Ｃ）、階段状構造となった金属体（Ａｌ）４０の一部に多孔質型の陽極酸化処理を施すことにより微細孔４１ａを有する厚さｄ２の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を形成し（図１０Ｄ）、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１のうち厚さがｄ１となる部分を形成するように陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を図中線Ｃの位置で表面を研磨し（図１０Ｅ）、金属材料７０によって微細孔４１ａを充填しその後複数の金属微粒子Ｂを平坦となった陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上に固着する（図１０Ｆ）ものである。
【０１０８】
微細孔４１ａに金属材料を充填する方法は、例えば電気メッキにより行うことができる。電気メッキにより行う場合には、微細孔４１ａの底の導通性を確保しておく必要がある。導通性を確保する方法としては、例えば陽極酸化処理を行う際に微細孔４１ａの底の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１が特に薄くなるように条件を制御する方法、陽極酸化処理を複数回繰り返すことにより上記底の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を薄くする方法、或いは上記底の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１をエッチングにより除去する方法などが考えられる。電気メッキは、微細孔４１ａを有する金属体をメッキ液中で処理することにより行う。陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１が非導電性であるのに対し、微細孔４１ａの底は上記処理により導通性が確保されている。このため、電場が強い微細孔４１ａ内において優先的にメッキ金属材料が析出され、微細孔４１ａにメッキ金属材料が充填される。
【０１０９】
以下、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の作用を説明する。
【０１１０】
上記のような方法により、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１０は、厚さがｄ１およびｄ２の階段状構造を有する透光層２０によって、それぞれ共振波長の異なる共振領域Ｗおよび共振領域Ｘにより構成され、全体として共振波長の共振幅が拡大する。
【０１１１】
したがって、本実施形態においても、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１１２】
さらに、微細孔４１ａに金属材料７０が充填されているため、第４の実施形態とは透光層２０の誘電率が異なる。すなわち、透光層２０中の誘電率を制御することにより、共振波長の微調整が可能となる。例えば、Ａｕ、Ａｇ等の金属は、可視領域から近赤外線領域で屈折率が小さいので、金属充填することにより、微小共振器構造の共振波長が調整しやすくなる。
【０１１３】
また、微細孔４１ａに充填された金属材料７０に表面の金属微粒子Ｂを吸着させることにより、金属微粒子Ｂの配列の規則性を向上させると共に、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１との密着性を向上させることができる。
【０１１４】
＜第６の実施形態＞
図１１Ｆは、本実施形態による微小共振器構造を有する電場増強光デバイスを示す概略断面図である。本実施形態は、各共振領域の光路長の差異をそれぞれの領域における透光層２０の誘電率の差によって設けている点で第５の実施形態と異なる。よって、その他の第５の実施形態と同様の要素についての説明は特に必要のない限り省略する。
【０１１５】
本実施形態による電場増強光デバイスＤ１１は、金属体（Ａｌ）４０と、金属体（Ａｌ）４０上に形成された、微細孔４１ａを有する厚さｄの陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１と、微細孔４１ａの中に充填された第１の金属材料７０および第２の金属材料８０と、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上に形成された複数の金属微粒子Ｂからなる金属層とからなるものである。陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１の微細孔４１ａの中に充填された材料が、第１の金属材料７０および第２の金属材料８０である共振領域を、それぞれ共振領域Ｘおよび共振領域Ｗとする。
【０１１６】
第１の金属材料７０および第２の金属材料８０については、第５の実施形態と同様である。ただし、本実施形態ではこれらの誘電率の差により各共振領域の光路長に差異を設けるため、少なくとも誘電率の異なる材料を用いる。
【０１１７】
そして、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の製造方法は、例えば金属体４０から出発し（図１１Ａ）、金属体（Ａｌ）４０の一部に多孔質型の陽極酸化処理を施すことにより微細孔４１ａを有する厚さｄの陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を形成し（図１１Ｂ）、共振領域Ｗとしたい部分の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上にマスクＭを形成し（図１１Ｃ）、マスクＭによって被覆されていない微細孔４１ａに第１の金属材料７０を充填し（図１１Ｄ）、マスクＭを除去した後残りの微細孔４１ａに第２の金属材料８０を充填し（図１１Ｅ）、その後複数の金属微粒子Ｂを陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上に固着する（図１１Ｆ）ものである。
【０１１８】
以下、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の作用を説明する。
【０１１９】
上記のような方法により、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１１は、厚さはｄであるが誘電率の異なる金属材料が微細孔４１ａに充填されている透光層２０によって、それぞれ共振波長の異なる共振領域Ｗおよび共振領域Ｘにより構成され、全体として共振波長の共振幅が拡大する。
【０１２０】
したがって、本実施形態においても、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１２１】
さらに本実施形態では、共振器長に段差を設ける必要がない。したがって、電気メッキ等において陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１の導通性を確保する際の工程を容易にすることができる。例えば、微細孔４１ａの底の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を薄くする工程の制御が容易となる。
【０１２２】
＜第７の実施形態＞
図１２は、本実施形態による微小共振器構造を有する電場増強光デバイスを示す概略断面図である。本実施形態は、各共振領域の光路長の差異を、それぞれの領域における透光層２０の誘電率の差および共振器長の差によって設けている点で第５および第６の実施形態と異なる。よって、その他の第５および第６の実施形態と同様の要素についての説明は特に必要のない限り省略する。
【０１２３】
本実施形態による電場増強光デバイスＤ１２は、階段状構造を有する金属体（Ａｌ）４０と、金属体（Ａｌ）４０の階段状構造の上に相補的に形成され、厚さがｄ１およびｄ２の逆階段状構造を有しかつ微細孔４１ａを有する陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１と、共振領域Ｗ内の微細孔４１ａの中に充填された第２の金属材料８０と、共振領域Ｘ内の微細孔４１ａの中に充填された第１の金属材料７０と、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上に形成された複数の金属微粒子Ｂからなる金属層とからなるものである。陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１（透光層２０）の厚さがｄ１およびｄ２である共振領域をそれぞれ共振領域Ｗおよび共振領域Ｘとする。
【０１２４】
第１の金属材料７０および第２の金属材料８０の材料の種類と誘電率の関係については、第５および第６の実施形態と同様である。
【０１２５】
そして、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１２の製造方法は、金属体（Ａｌ）４０に対して階段状構造となるように陽極酸化処理を行って、微細孔４１ａを形成し、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１の表面を研磨するまでは第５の実施形態と同様である。そして、その後共振領域Ｗおよび共振領域Ｘの微細孔４１ａの中に、それぞれ第２の金属材料８０および第１の金属材料７０を充填する方法は第６の実施例と同様である。
【０１２６】
すなわち、例えば金属体４０から出発し、共振領域Ｗとしたい部分の金属体４０上にマスクを形成し、ドライ或はウェットエッチングによりマスクのない部分の厚さがｄ２−ｄ１（ｄ２＞ｄ１）となるように金属体４０を成形した後マスクを除去し、階段状構造となった金属体（Ａｌ）４０の一部に多孔質型の陽極酸化処理を施すことにより微細孔４１ａを有する厚さｄ２の陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を形成し、陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１のうち厚さがｄ１となる部分を形成するように陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１を研磨し、共振領域Ｗの陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上にマスクを形成し、マスクによって被覆されていない微細孔４１ａに第１の金属材料７０を充填し、マスクを除去した後残りの微細孔４１ａに第２の金属材料８０を充填し、その後複数の金属微粒子Ｂを平坦となった陽極酸化金属体（Ａｌ２Ｏ３）４１上に固着することにより本実施形態による電場増強光デバイスＤ１２が得られる（図１２）。
【０１２７】
以下、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１２の作用を説明する。
【０１２８】
上記のような方法により、本実施形態による電場増強光デバイスＤ１２は、厚さがｄ１およびｄ２の階段状構造を有し、かつ誘電率の異なる金属材料が微細孔４１ａに充填されている透光層２０によって、それぞれ共振波長の異なる共振領域Ｗおよび共振領域Ｘにより構成され、全体として共振波長の共振幅が拡大する。
【０１２９】
したがって、本実施形態においても、第４の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【０１３０】
さらに本実施形態では、各共振領域の光路長の差異を、それぞれの領域における透光層２０の誘電率の差および共振器長の差によって設けることにより、より効率的で精度の高い共振波長の制御が可能となる。これは、共振器長に段差を設けることにより共振波長を大きく制御することが可能となり、微細孔４１ａをＡｕ、Ａｇ等の金属材料で充填し透光層２０内の誘電率を変化させることにより共振波長の微調整が可能となるためである。
【０１３１】
＜設計変更＞
以上の実施形態において、第２の反射層は反射性を有するとして説明してきだが、第２の反射層は半透過半反射性を有するとしても本発明における課題は解決される。この場合測定光は、第１および第２の反射層のどちらから入射するかは任意であり、また複数の光源を用いて両側から同時に入射することも可能である。
【実施例】
【０１３２】
図１３Ａは、本実施例における本発明による電場増強光デバイスおよび３つの比較用電場増強光デバイスの微小共振器構造を示す図であり、図１３Ｂは、これら上記の電場増強光デバイスについて共振器構造と電場増強度の比較を示す図である。
【０１３３】
本発明による電場増強光デバイスは、ステップの高さが４０ｎｍの階段状構造を有する金属層と、この金属層の形状に相補的な逆階段状構造を有し、かつその厚さが２２０ｎｍと２６０ｎｍである誘電体層と、この誘電体層上に固着された複数の金属微粒子からなるものである。一方、比較用デバイスとして、同様な構成で誘電体層の厚さが２２０ｎｍのもの、２６０ｎｍのものおよび金属層がなく共振器構造を有さないものを用いた。
【０１３４】
この結果図１３より、本発明による電場増強光デバイスは、電場増強度では同様な構成で誘電体層の厚さが２２０ｎｍのもの、２６０ｎｍのものには及ばなかったものの、共振幅は大幅に拡大したのがわかる。
【０１３５】
具体的な共振幅は、図１４の電場増強度の規格値より求められ、同様な構成で誘電体層の厚さが２２０ｎｍのもの、２６０ｎｍのものの共振幅は、それぞれ８７ｎｍ、１２６ｎｍであり、本発明による電場増強光デバイスは１９４ｎｍであった。
【０１３６】
以上により、複数の波長に対して光共振が可能となるように微小共振器構造内に複数の共振領域を設けることにより、共振幅を拡大することが可能となった。そしてこれにより、光学測定において、測定光の波長変更に伴って電場増強光デバイスを取り替える必要がなくなり、光学測定を低コスト化かつ簡素化することが可能となる。さらに、波長幅を持つ光に対しては、より広い波長領域の光を利用することができ、光学測定の効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０１３７】
【図１Ａ】従来の電場増強光デバイスＤ１を示す概略斜視図
【図１Ｂ】従来の電場増強光デバイスＤ１を示す概略部分断面図
【図２】従来の電場増強光デバイスＤ２を示す概略斜視図
【図３】第１の実施形態による電場増強光デバイスＤ３を示す概略斜視図
【図４】第２の実施形態による電場増強光デバイスＤ４を示す概略斜視図
【図５】第３の実施形態による電場増強光デバイスＤ５を示す概略斜視図
【図６Ａ】第３の実施形態による電場増強光デバイスＤ５の製造工程を示す概略部分断面図（その１）
【図６Ｂ】第３の実施形態による電場増強光デバイスＤ５の製造工程を示す概略部分断面図（その２）
【図６Ｃ】第３の実施形態による電場増強光デバイスＤ５の製造工程を示す概略部分断面図（その３）
【図６Ｄ】第３の実施形態による電場増強光デバイスＤ５の製造工程を示す概略部分断面図（その４）
【図７】第４の実施形態による電場増強光デバイスＤ７を示す概略斜視図
【図８Ａ】第４の実施形態による電場増強光デバイスＤ７の製造工程を示す概略部分断面図（その１）
【図８Ｂ】第４の実施形態による電場増強光デバイスＤ７の製造工程を示す概略部分断面図（その２）
【図８Ｃ】第４の実施形態による電場増強光デバイスＤ７の製造工程を示す概略部分断面図（その３）
【図８Ｄ】第４の実施形態による電場増強光デバイスＤ７の製造工程を示す概略部分断面図（その４）
【図８Ｅ】第４の実施形態による電場増強光デバイスＤ７の製造工程を示す概略部分断面図（その５）
【図９】陽極酸化処理により微細孔が形成された金属体を示す概略斜視図
【図１０Ａ】第５の実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の製造工程を示す概略部分断面図（その１）
【図１０Ｂ】第５の実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の製造工程を示す概略部分断面図（その２）
【図１０Ｃ】第５の実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の製造工程を示す概略部分断面図（その３）
【図１０Ｄ】第５の実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の製造工程を示す概略部分断面図（その４）
【図１０Ｅ】第５の実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の製造工程を示す概略部分断面図（その５）
【図１０Ｆ】第５の実施形態による電場増強光デバイスＤ１０の製造工程を示す概略部分断面図（その６）
【図１１Ａ】第６の実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の製造工程を示す概略部分断面図（その１）
【図１１Ｂ】第６の実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の製造工程を示す概略部分断面図（その２）
【図１１Ｃ】第６の実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の製造工程を示す概略部分断面図（その３）
【図１１Ｄ】第６の実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の製造工程を示す概略部分断面図（その４）
【図１１Ｅ】第６の実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の製造工程を示す概略部分断面図（その５）
【図１１Ｆ】第６の実施形態による電場増強光デバイスＤ１１の製造工程を示す概略部分断面図（その６）
【図１２】第７の実施形態による電場増強光デバイスＤ１２を示す概略断面図
【図１３Ａ】実施例における本発明による電場増強光デバイスおよび比較用デバイスの微小共振器構造を示す概略部分断面図
【図１３Ｂ】実施例について共振器構造と電場増強度の比較を示す図
【図１４】実施例について共振器構造と共振幅の比較を示す図
【符号の説明】
【０１３８】
１０ 第１の反射層
１１ 金属細線
１２
２０ 透光層
３０ 第２の反射層
４０ 金属体
４１ 陽極酸化金属体
４１ａ 微細孔
７０ 第１の充填金属材料
８０ 第２の充填金属材料
Ｂ 金属微粒子
Ｄ１〜５・７・１０・１１ 電場増強光デバイス
ｄ・ｄ１・ｄ２ 透光層の厚さ
Ｌ１ 測定光
Ｌ２
Ｍ マスク
Ｗ〜Ｚ 共振領域
Ｗ’〜Ｚ’ 微小共振領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
透過性を有する透光層と、該透光層の片面に形成された半透過半反射性を有する第１の反射層と、前記透光層の他の面に形成された反射性を有する第２の反射層とからなる微小共振器構造を有する電場増強光デバイスであって、
前記微小共振器構造が、前記第１の反射層と前記第２の反射層との間の光路長が異なる複数の共振領域を有するものであり、
前記第１の反射層に対して前記透光層とは反対の側から、該第１の反射層に測定光を照射することにより該第１の反射層と前記第２の反射層との間で光共振を生じせしめることを特徴とする電場増強光デバイス。
【請求項２】
前記共振領域が、複数の微小共振領域から構成されるものであることを特徴とする請求項１に記載の電場増強光デバイス。
【請求項３】
前記微小共振領域が、前記微小共振器構造中に略均一に配置されたものであることを特徴とする請求項２に記載の電場増強光デバイス。
【請求項４】
前記光路長が、それぞれの前記共振領域の前記透光層の誘電率の差によって異なるものであることを特徴とする請求項１から３に記載の電場増強光デバイス。
【請求項５】
前記光路長が、それぞれの前記共振領域の共振器長の差によって異なるものであることを特徴とする請求項１から４に記載の電場増強光デバイス。
【請求項６】
前記第１の反射層が、前記透光層の表面にパターン形成された金属層からなるものであることを特徴とする請求項１から５に記載の電場増強光デバイス。
【請求項７】
前記第１の反射層が、前記透光層の表面に複数の非凝集金属微粒子が固着されて形成される金属層からなるものであることを特徴とする請求項１から５に記載の電場増強光デバイス。
【請求項８】
前記透光層が、前記第１の反射層側の面において開口した複数の微細孔を有する微細孔体からなるものであることを特徴とする請求項１から７に記載の電場増強光デバイス。
【請求項９】
可視領域〜近赤外領域の前記測定光に光共振することを特徴とする請求項１から８に記載の電場増強光デバイス。
【請求項１】
透過性を有する透光層と、該透光層の片面に形成された半透過半反射性を有する第１の反射層と、前記透光層の他の面に形成された反射性を有する第２の反射層とからなる微小共振器構造を有する電場増強光デバイスであって、
前記微小共振器構造が、前記第１の反射層と前記第２の反射層との間の光路長が異なる複数の共振領域を有するものであり、
前記第１の反射層に対して前記透光層とは反対の側から、該第１の反射層に測定光を照射することにより該第１の反射層と前記第２の反射層との間で光共振を生じせしめることを特徴とする電場増強光デバイス。
【請求項２】
前記共振領域が、複数の微小共振領域から構成されるものであることを特徴とする請求項１に記載の電場増強光デバイス。
【請求項３】
前記微小共振領域が、前記微小共振器構造中に略均一に配置されたものであることを特徴とする請求項２に記載の電場増強光デバイス。
【請求項４】
前記光路長が、それぞれの前記共振領域の前記透光層の誘電率の差によって異なるものであることを特徴とする請求項１から３に記載の電場増強光デバイス。
【請求項５】
前記光路長が、それぞれの前記共振領域の共振器長の差によって異なるものであることを特徴とする請求項１から４に記載の電場増強光デバイス。
【請求項６】
前記第１の反射層が、前記透光層の表面にパターン形成された金属層からなるものであることを特徴とする請求項１から５に記載の電場増強光デバイス。
【請求項７】
前記第１の反射層が、前記透光層の表面に複数の非凝集金属微粒子が固着されて形成される金属層からなるものであることを特徴とする請求項１から５に記載の電場増強光デバイス。
【請求項８】
前記透光層が、前記第１の反射層側の面において開口した複数の微細孔を有する微細孔体からなるものであることを特徴とする請求項１から７に記載の電場増強光デバイス。
【請求項９】
可視領域〜近赤外領域の前記測定光に光共振することを特徴とする請求項１から８に記載の電場増強光デバイス。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図８Ｅ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１０Ｅ】
【図１０Ｆ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１１Ｄ】
【図１１Ｅ】
【図１１Ｆ】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【図１Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７】
【図８Ａ】
【図８Ｂ】
【図８Ｃ】
【図８Ｄ】
【図８Ｅ】
【図９】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図１０Ｄ】
【図１０Ｅ】
【図１０Ｆ】
【図１１Ａ】
【図１１Ｂ】
【図１１Ｃ】
【図１１Ｄ】
【図１１Ｅ】
【図１１Ｆ】
【図１２】
【図１３Ａ】
【図１３Ｂ】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−２５０９５１（Ｐ２００９−２５０９５１Ａ）
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１０３１８９（Ｐ２００８−１０３１８９）
【出願日】平成２０年４月１１日（２００８．４．１１）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年４月１１日（２００８．４．１１）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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