JP2006330105A - Polarization control element and polarization control method of polarization control element - Google Patents

Polarization control element and polarization control method of polarization control element Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polarization control element having excellent heat resistance and light resistance and high transmittance of reflectance of light, and to provide a polarization control element having high flexibility in designing. <P>SOLUTION: A metal composite structure 6 composed of two or more metal microstructures 2 which are disposed in a region less than the wavelength of incident light 4 and periodically arranged is fabricated on a support substrate 1 to obtain a configuration which induces an interaction by near field light. Thus, the obtained polarization control element has high transmittance of light, can give a sufficient phase difference, and has high flexibility of designing and excellent heat resistance and light resistance. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、高効率、高耐熱性、高耐光性を有する偏光制御素子および偏光制御素子の偏光制御方法に関するものである。   The present invention relates to a polarization control element having high efficiency, high heat resistance, and high light resistance, and a polarization control method for the polarization control element.

従来、偏光板や波長板などの偏光制御素子は、直交する二つの方向に対し、伝搬特性および吸収特性に異方性をもたせることにより、入射光の偏光方向の１成分を透過させたり、位相を変調させて偏光状態を、直線偏光から円偏光のように、偏光させたりする素子である。このような素子は、たとえば、液晶パネルや有機ＥＬ（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイの画素のオン・オフに利用されるほか、エリプソメトリー（偏光解析）などの光計測技術や、レーザー干渉計、光シャッターなど、様々な光学機器ならびに計測機器に利用されている。特に、液晶プロジェクタなどの画像投影装置への需要が伸びている。   Conventionally, a polarization control element such as a polarizing plate or a wave plate transmits a single component in the polarization direction of incident light by providing anisotropy in propagation characteristics and absorption characteristics with respect to two orthogonal directions. Is a device that polarizes the polarization state from linearly polarized light to circularly polarized light. Such elements are used, for example, to turn on and off pixels of liquid crystal panels and organic EL (electroluminescence) displays, as well as optical measurement technologies such as ellipsometry (polarization analysis), laser interferometers, optical shutters, etc. It is used for various optical instruments and measuring instruments. In particular, there is an increasing demand for image projection devices such as liquid crystal projectors.

偏光板は、自然偏光を直線偏光に変換する素子であり、入射光の直交する偏光成分の一方のみを透過させ、他方を吸収（または反射・散乱）により遮蔽するものである。現在特に液晶パネルに用いられる偏光板の多くは、ポリビニルアルコールなどの基板フィルムにヨウ素や有機染料などの二色性の材料を染色・吸着させ、高度に延伸・配向させることで吸収二色性を発現させるものである。   The polarizing plate is an element that converts natural polarized light into linearly polarized light, and transmits only one of the orthogonal polarized components of incident light and shields the other by absorption (or reflection / scattering). Many of the polarizing plates currently used for liquid crystal panels are absorbing dichroism by dyeing and adsorbing dichroic materials such as iodine and organic dyes on a substrate film such as polyvinyl alcohol, and highly stretching and orienting them. To be expressed.

一方、１／２波長板や１／４波長板のようなリターデーションプレート（または位相シフター）は、複屈折性の光学結晶により作られ、常光線と異常光線の屈折率の違いにより偏光状態を変調するものである。この常光線と異常光線の光路差が波長の１／２となるものが１／２波長板（ｈａｌｆ−ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ）であり、１／４となるものが１／４波長板（ｑｕａｒｔｅｒ−ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ）である。このような、複屈折性を示す材料としては、方解石や水晶が用いられる。   On the other hand, a retardation plate (or phase shifter) such as a half-wave plate or a quarter-wave plate is made of a birefringent optical crystal and changes its polarization state due to the difference in refractive index between ordinary and extraordinary rays. Modulate. A half-wave plate is a half-wave plate where the optical path difference between the ordinary ray and the extraordinary ray is ½ of a wavelength, and a quarter-wave plate is a quarter-wave plate. ). As such a material showing birefringence, calcite or quartz is used.

ところで、吸収を利用する偏光制御素子は、熱による影響を受けやすく、透明度の低下、焦げる、といった問題があり、照射光量を大きくすることができない。また、使用温度条件が厳しく、液晶プロジェクタなどで使用する場合には、冷風機構が必要であり装置の小型化が困難、埃の付着による画質欠陥を生じるなど従来から解決すべき課題があった。   By the way, the polarization control element using absorption is easily affected by heat, and has problems such as a decrease in transparency and a burn, and the amount of irradiation light cannot be increased. In addition, when the operating temperature conditions are severe and the projector is used in a liquid crystal projector or the like, there has been a problem to be solved, such as a cold air mechanism being required, making it difficult to reduce the size of the apparatus, and causing image quality defects due to dust adhesion.

また、屈折率の異方性を利用する偏光制御素子においては、複屈折性を示す光学結晶材料が限定されており、使用できる波長領域に制限があるなどの課題がある。また、光学結晶材料を貼り合わせることにより膜厚、すなわち光路差を調整し、偏光状態を制御しているので、光学結晶材料に対する依存性が強く、偏光制御性の自由度が低い。また、偏光制御素子自体を小型化、薄型化することが困難であるなどの課題があった。   In addition, in the polarization control element utilizing the anisotropy of the refractive index, the optical crystal material exhibiting birefringence is limited, and there is a problem that the usable wavelength range is limited. In addition, since the film thickness, that is, the optical path difference is adjusted by bonding the optical crystal material and the polarization state is controlled, the dependence on the optical crystal material is strong and the degree of freedom of polarization controllability is low. In addition, there is a problem that it is difficult to reduce the size and thickness of the polarization control element itself.

そこで、このような課題に対し、以下に示すような従来の技術が知られている。まず、量産性がよく、低コストで製造できる、耐熱性の優れた偏光制御素子として、透明基板に、金やアルミニウムの細線を形成したワイヤグリッド偏光子が提案されている。この偏光素子は２．５μｍより長波長の光に対して機能する偏光素子として実用化されている。これに対し近年の微細加工技術の進歩により、可視波長（４００〜７００ｎｍ）で駆動できるワイヤグリッド構造が開示されている（たとえば、特許文献１参照）。   Therefore, conventional techniques as described below are known for such problems. First, a wire grid polarizer in which fine wires of gold or aluminum are formed on a transparent substrate has been proposed as a polarization control element excellent in heat resistance that can be manufactured at low cost with good mass productivity. This polarizing element has been put to practical use as a polarizing element that functions with respect to light having a wavelength longer than 2.5 μm. On the other hand, a wire grid structure that can be driven at a visible wavelength (400 to 700 nm) has been disclosed due to recent advances in microfabrication technology (see, for example, Patent Document 1).

この特許文献１における課題は、全可視スペクトルに渡って、高い透過と反射の効率を提供できるワイヤグリッド偏光子を提供する。また、広い範囲の入射角に渡って、高い効率を実現可能なワイヤグリッド偏光子を提供することである。その解決手段は、図１４に示すように、ワイヤグリッド偏光子は基板１２１０上で支持される複数の細長い素子１２４０を有し、基板の屈折率よりも低い屈折率を有する領域１２５０が素子と基板との間に配置され、共鳴が発生する最も長い波長を低減する。このようなワイヤグリッド偏光子は、透明基材の片面に、アルミニウムの薄膜を形成し、これをパターンエッチングすることで、可視の波長程度の微小グリッド構造を構成する。このとき、微小グリッドの細線方向について、偏光面がこれに直交する光は透過し、偏光面が平行な光は反射する。これにより、入射角依存性が比較的小さく、円錐光線群に対して比較的良好な偏光分離機能を提供している。   The problem in Patent Document 1 is to provide a wire grid polarizer that can provide high transmission and reflection efficiency over the entire visible spectrum. Another object of the present invention is to provide a wire grid polarizer capable of realizing high efficiency over a wide range of incident angles. As shown in FIG. 14, the solution is that the wire grid polarizer has a plurality of elongated elements 1240 supported on a substrate 1210, and a region 1250 having a refractive index lower than the refractive index of the substrate includes the elements and the substrate. The longest wavelength at which resonance occurs is reduced. Such a wire grid polarizer forms a microgrid structure with a visible wavelength by forming an aluminum thin film on one side of a transparent substrate and pattern-etching it. At this time, with respect to the fine line direction of the fine grid, the light whose polarization plane is orthogonal to the light is transmitted, and the light whose polarization plane is parallel is reflected. As a result, the incident angle dependency is relatively small, and a relatively good polarization separation function is provided for the conical ray group.

また、偏光状態を制御する波長板または位相板を二次元表面における光の相互作用により実現する方法として、従来技術２、３に示すような、支持基板上に微小な金属パターンを形成することにより偏光状態を制御する提案が行われている（たとえば、特許文献２、３参照）。 In addition, as a method of realizing a wave plate or phase plate for controlling the polarization state by the interaction of light on a two-dimensional surface, a minute metal pattern is formed on a support substrate as shown in the prior arts 2 and 3. Proposals for controlling the polarization state have been made (for example, see Patent Documents 2 and 3).

上記特許文献２は、図１５に示すように、電子ビームリソグラフィ技術を用い、波長以下のピッチで金のＬ字構造を有する非対称なナノ微粒子を基板上に作製した。このような構造体に光を照射すると、図１５の右図に示すように、透過光は入射光の偏光面の向きに依存して異なる吸収スペクトルを示す。ナノ微粒子の非対称性を利用した偏光選択素子が実現されている。また、対称性の乱れにより、第二高調波発生も観測されている。   In Patent Document 2, as shown in FIG. 15, asymmetric nanoparticles having an L-shaped structure of gold with a pitch equal to or less than a wavelength are produced on a substrate by using an electron beam lithography technique. When such a structure is irradiated with light, the transmitted light exhibits different absorption spectra depending on the direction of the polarization plane of the incident light, as shown in the right diagram of FIG. A polarization selective element utilizing the asymmetry of nano-particles has been realized. Second harmonic generation has also been observed due to symmetry disturbances.

また、上記特許文献３は、図１６に示すように、平滑なＳｉ基板上に、卍型やＣ型またはその鏡像対称の金属パターンを有することを特徴とする光デバイスに関するものである。パターンのサイズは７００ｎｍから４μｍであり、パターンの端部の傾きが直角から傾いたカイラリティ（ｃｈｉｒａｌｉｔｙ）を有しており、この傾きの大きさに依存して、偏光方向の二成分に位相差が生じ、また、パターン端部の向きに依存して右回り、および左回り偏光の違いが生じる。また、圧電体層を設けることにより、偏光特性の制御が可能な光学素子などが開示されている。   Moreover, the said patent document 3 is related with the optical device characterized by having a saddle type, C type, or its mirror-symmetric metal pattern on a smooth Si substrate, as shown in FIG. The pattern size is 700 nm to 4 μm, and has a chirality in which the inclination of the end of the pattern is inclined from a right angle. Depending on the magnitude of this inclination, there is a phase difference between two components in the polarization direction. In addition, depending on the orientation of the pattern edge, there is a difference between clockwise and counterclockwise polarized light. Also disclosed is an optical element that can control polarization characteristics by providing a piezoelectric layer.

一方、大面積で、８８％以上の可視光域の偏光度を有し、無着色の偏光子を提供する技術が開示されている（たとえば、特許文献４参照）。ここでは、図１７に示すように、透明な支持体３１上に、半導体または金属よりなる細線３３を直線状かつ互いに並行になるように電子線リソグラフィもしくはＸ線リソグラフィによる描画工程を含むリフトオフ法を用いて、形成することにより偏光子を製造する。このとき得られる細線は、幅５０〜３００Å、および間隔０．５〜１．５μｍの範囲で、さらには高さが０．１〜３μｍの範囲で形成される。さらには、前記細線間を支持体３１と同等の屈折率を有する物質３２で充填するようにし、また、支持体３１の表裏の少なくとも一方に反射防止膜３４を設けることにより、透過光量を増加させるようにしている。   On the other hand, a technique for providing a non-colored polarizer having a large area and a polarization degree in the visible light region of 88% or more is disclosed (for example, see Patent Document 4). Here, as shown in FIG. 17, a lift-off method including a drawing process by electron beam lithography or X-ray lithography is performed on a transparent support 31 so that fine wires 33 made of semiconductor or metal are linear and parallel to each other. Use to produce a polarizer by forming. The fine lines obtained at this time are formed in a range of widths of 50 to 300 mm, intervals of 0.5 to 1.5 μm, and heights of 0.1 to 3 μm. Further, the space between the thin wires is filled with a substance 32 having a refractive index equivalent to that of the support 31, and an antireflection film 34 is provided on at least one of the front and back surfaces of the support 31 to increase the amount of transmitted light. I am doing so.

特表２００３−５０２７０８号公報Special table 2003-502708 gazette 特開２００２−１２２７３３号公報JP 2002-122733 A 国際公開第０３／０５４５９２号パンフレットInternational Publication No. 03/054592 Pamphlet 特開平１０−１５３７０６号公報JP-A-10-153706

しかしながら、上記に示されるような従来の技術にあっては、以下に示すような問題点があった。特許文献１および特許文献２に示す偏光子は、ともに反射型または散乱型の偏光子であり、入射光における二つの偏光成分のうち、一方を遮断するものである。したがって、本偏光子のみによる光学系の構成では、入射光の光エネルギーは最低でも５０％以上失われることになる。また、ワイヤグリッド型の偏光素子では、消光比を十分に取れないといった問題点があった。   However, the conventional techniques as described above have the following problems. The polarizers shown in Patent Document 1 and Patent Document 2 are both reflective or scattering polarizers, and block one of the two polarized components in incident light. Therefore, in the configuration of the optical system using only this polarizer, the light energy of the incident light is lost at least 50%. Further, the wire grid type polarizing element has a problem that the extinction ratio cannot be sufficiently obtained.

また、特許文献２は、ナノサイズの金属パターンにより偏光面を制御できる機構を示したものであるが、この場合も吸収と散乱の異方性を利用した動作原理に基づいたものであり、高い光利用効率は得られない。また、図１５に示すように、現在の加工技術では、均一な非対称構造を精度よく作製することは困難であるため、形状のバラツキが生じ、所望の偏光制御特性が得られないといった問題点があった。   Moreover, although patent document 2 shows the mechanism which can control a polarization plane with a nano-sized metal pattern, it is based on the principle of operation using the anisotropy of absorption and scattering in this case, too. Light utilization efficiency cannot be obtained. Further, as shown in FIG. 15, since it is difficult to accurately produce a uniform asymmetric structure with the current processing technique, there is a problem in that variations in shape occur and desired polarization control characteristics cannot be obtained. there were.

また、特許文献３は、ナノサイズの金属パターンのカイラリティを利用して、直線偏光を楕円偏光に変換する、位相板に相当する機能を有しているが、大きな楕円率が得られておらず、実用的な１／２波長板や１／４波長板を実現するのは困難といった課題がある。また、構造が複雑であり、加工精度の問題から、均一なカイラリティを有する構造を精度よく作製することは困難であり、形状のバラツキにより所望の偏光制御特性が得られないといった課題がある。   Further, Patent Document 3 has a function equivalent to a phase plate that converts linearly polarized light into elliptically polarized light by utilizing the chirality of a nano-sized metal pattern, but a large ellipticity is not obtained. There is a problem that it is difficult to realize a practical half-wave plate or a quarter-wave plate. In addition, the structure is complicated, and it is difficult to accurately produce a structure having uniform chirality due to the problem of processing accuracy, and there is a problem that desired polarization control characteristics cannot be obtained due to variation in shape.

さらに、これらの従来技術による偏光制御素子は、素子固有の光学応答特性を有した受動光学素子であり、実現したい機能が複雑になるほど光学素子の数が増加し、光学システムの小型化、軽量化などに制約が生じるといった問題点があった。   Furthermore, these conventional polarization control elements are passive optical elements having optical response characteristics unique to the elements. The more complex the functions to be realized, the more the number of optical elements increases, making the optical system smaller and lighter. There was a problem that restrictions would occur.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、耐熱性、耐光性に優れ、光の透過率または反射率の高い偏光制御素子を提供するとともに、設計自由度の高い偏光制御素子を提供することを第１の目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and provides a polarization control element with excellent heat resistance and light resistance, high light transmittance or high reflectance, and a polarization control element with a high degree of design freedom. This is the first purpose.

また、偏光状態の選択自由度の高い偏光制御素子を提供することを第２の目的とする。また、可変な偏光制御機能を有する偏光制御素子を提供することを第３の目的とする。また、偏光制御素子の具体的な偏光制御方法を提供することを第４の目的とする。   A second object is to provide a polarization control element having a high degree of freedom in selecting the polarization state. It is a third object to provide a polarization control element having a variable polarization control function. It is a fourth object to provide a specific polarization control method for the polarization control element.

上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、支持基板上に形成したことを特徴とする。   In order to solve the above-described problems and achieve the object, the invention according to claim 1 is provided with two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged. The constructed metal composite structure is formed on a support substrate.

この請求項１の発明によれば、二つ以上の金属微小構造体をサイズ程度の間隔で配置したことにより、近接場光を介した金属微小構造体内のプラズモンの相互作用が生じ、金属微小構造体の配列方向およびその直交する方向において異なる位相差を生じさせることが可能になり、吸収または反射(散乱)ではない形態で光透過率または反射率の高い偏光制御素子が実現可能になる。   According to the first aspect of the present invention, by arranging two or more metal microstructures at intervals of about the size, plasmon interaction in the metal microstructure via the near-field light occurs, and the metal microstructure Different phase differences can be generated in the body arrangement direction and the orthogonal direction, and a polarization control element having high light transmittance or high reflectance in a form that is not absorption or reflection (scattering) can be realized.

また、請求項２にかかる発明は、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列され、第１の金属材料と誘電体材料と第２の金属材料を積層した二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、支持基板上に形成したことを特徴とする。   The invention according to claim 2 is arranged in a region below the wavelength of the incident light and is periodically arranged, and the two or more layers in which the first metal material, the dielectric material, and the second metal material are stacked. A metal composite structure including a metal microstructure is formed on a support substrate.

この請求項２の発明によれば、二種類の金属材料と誘電体材料を含む積層構造により金属微小構造体を形成することにより、同一面内に異種金属を形成する場合に比較して、より単純な作製工程で偏光制御素子が実現可能になる。   According to the second aspect of the present invention, by forming a metal microstructure by a laminated structure including two kinds of metal materials and dielectric materials, compared to the case of forming different metals in the same plane, A polarization control element can be realized with a simple manufacturing process.

また、請求項３にかかる発明は、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体が形成され、電圧の印加によって変形する圧電材料の支持基板と、前記支持基板の変形を電圧印加によって制御する電圧制御手段と、を備えたことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is formed a metal composite structure composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and arranged periodically. And a voltage control means for controlling the deformation of the support substrate by applying a voltage.

この請求項３の発明によれば、金属微小構造体および金属複合構造体を圧電材料の表面に構成することにより、外部電界の印加にともない圧電材料の伸縮が生じ、金属微小構造体間の距離を変化させることで、電界制御による可変な偏光制御が可能になる。   According to the third aspect of the present invention, by forming the metal microstructure and the metal composite structure on the surface of the piezoelectric material, the piezoelectric material expands and contracts with the application of the external electric field, and the distance between the metal microstructures By changing, variable polarization control by electric field control becomes possible.

また、請求項４にかかる発明は、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列され、第１の金属材料と誘電体材料と第２の金属材料を積層した二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体が形成され、電圧の印加によって変形する圧電材料の支持基板と、前記支持基板の変形を電圧印加によって制御する電圧制御手段と、を備えたことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there are provided two or more of the first metal material, the dielectric material, and the second metal material, which are arranged in a region below the wavelength of incident light and are periodically arranged. A metal composite structure composed of a metal microstructure is formed, and includes a support substrate made of a piezoelectric material that is deformed by application of voltage, and voltage control means that controls deformation of the support substrate by applying voltage. Features.

この請求項４の発明によれば、金属微小構造体および金属複合構造体を圧電材料の表面に構成することにより、外部電界の印加にともない圧電材料の伸縮が生じ、金属微小構造体間の距離を変化させることで、電界制御による可変な偏光制御が可能になる。   According to the fourth aspect of the present invention, by forming the metal microstructure and the metal composite structure on the surface of the piezoelectric material, the expansion and contraction of the piezoelectric material occurs with the application of the external electric field, and the distance between the metal microstructures By changing, variable polarization control by electric field control becomes possible.

また、請求項５にかかる発明は、前記金属微小構造体を構成する金属材料は、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕのプラズモンを発生する金属材料のいずれか一種類または二種類以上により構成されることを特徴とする。   In the invention according to claim 5, the metal material constituting the metal microstructure is composed of any one or more of metal materials that generate plasmons of Ag, Au, Pt, Al, and Cu. It is characterized by that.

この請求項５の発明によれば、請求項１〜４のいずれかにおいて、偏光制御素子を構成する金属微小構造体は上記に示す金属材料が利用されているため、耐熱性、耐光性の優れた素子が実現可能になる。   According to the invention of claim 5, in any one of claims 1 to 4, since the metal microstructure shown in the above is used for the metal microstructure constituting the polarization control element, the heat resistance and light resistance are excellent. The device can be realized.

また、請求項６にかかる発明は、前記金属複合構造体は、正方格子、六方格子、ストライプ状のいずれか一つに配列した周期構造で形成されることを特徴とする。   The invention according to claim 6 is characterized in that the metal composite structure is formed of a periodic structure arranged in any one of a tetragonal lattice, a hexagonal lattice, and a stripe shape.

この請求項６の発明によれば、請求項１〜５のいずれかにおいて、金属複合構造体の周期配列により構成することにより、遠方場における電界の空間パターンを制御する機能を有する偏光制御素子が実現可能になる。   According to the invention of claim 6, in any one of claims 1 to 5, there is provided a polarization control element having a function of controlling a spatial pattern of an electric field in a far field by being constituted by a periodic array of metal composite structures. It becomes feasible.

また、請求項７にかかる発明は、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、支持基板上に形成し、前記金属複合構造体を構成する二つの金属微小構造体間の距離を調整することにより、前記入射光の偏光状態を制御することを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a metal composite structure composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged on a support substrate. The polarization state of the incident light is controlled by adjusting the distance between two metal microstructures forming the metal composite structure.

この請求項７の発明によれば、二つの金属微小構造体の間隔を調整することにより、近接場光による相互作用の強さが制御可能になる。   According to the seventh aspect of the present invention, the strength of interaction by near-field light can be controlled by adjusting the distance between the two metal microstructures.

また、請求項８にかかる発明は、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列され、第１の金属材料と誘電体材料と第２の金属材料を積層した二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、支持基板上に形成し、前記金属複合構造体を構成する二つの金属微小構造体間の距離を調整することにより、前記入射光の偏光状態を制御することを特徴とする。   Further, the invention according to claim 8 is arranged in a region below the wavelength of the incident light and is periodically arranged, and two or more layers in which the first metal material, the dielectric material, and the second metal material are stacked. A polarization state of the incident light is obtained by forming a metal composite structure composed of a metal microstructure on a support substrate and adjusting a distance between two metal microstructures constituting the metal composite structure. It is characterized by controlling.

この請求項８の発明によれば、二つの金属微小構造体の間隔を調整することにより、近接場光による相互作用の強さが制御可能になる。   According to the eighth aspect of the invention, the strength of interaction by near-field light can be controlled by adjusting the distance between the two metal microstructures.

また、請求項９にかかる発明は、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、電圧の印加によって変形する圧電材料の支持基板に形成し、前記金属複合構造体を構成する二つの金属微小構造体間の距離を調整することにより、前記入射光の偏光状態を制御することを特徴とする。   The invention according to claim 9 is the application of voltage to a metal composite structure composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged. The polarization state of the incident light is controlled by adjusting the distance between two metal microstructures forming the metal composite structure, which is formed on a support substrate of a piezoelectric material that is deformed by the above.

この請求項９の発明によれば、二つの金属微小構造体の間隔を調整することにより、近接場光による相互作用の強さが制御可能になる。   According to the ninth aspect of the present invention, the strength of interaction by near-field light can be controlled by adjusting the distance between the two metal microstructures.

また、請求項１０にかかる発明は、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている三つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、支持基板上に非対称に形成し、この非対称性を調整することにより、前記入射光の偏光状態を制御することを特徴とする。   According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a metal composite structure composed of three or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged on a support substrate. The polarization state of the incident light is controlled by adjusting the asymmetry.

この請求項１０の発明によれば、三つ以上の金属微小構造体により非対称な金属複合構造体を形成することにより、プラズモンの縦振動と横振動の振幅比および位相差の設計自由度を向上させることが可能になる。   According to the invention of claim 10, by forming an asymmetric metal composite structure with three or more metal microstructures, the degree of freedom in designing the amplitude ratio and phase difference between the longitudinal and lateral vibrations of the plasmon is improved. It becomes possible to make it.

また、請求項１１にかかる発明は、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列され、第１の金属材料と誘電体材料と第２の金属材料を積層した二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、支持基板上に非対称に形成し、この非対称性を調整することにより、前記入射光の偏光状態を制御することを特徴とする。   According to an eleventh aspect of the present invention, there are provided two or more layers in which the first metal material, the dielectric material, and the second metal material are stacked, arranged in a region below the wavelength of the incident light and periodically arranged. A metal composite structure composed of a metal microstructure is formed asymmetrically on a support substrate, and the polarization state of the incident light is controlled by adjusting this asymmetry.

この請求項１１の発明によれば、二つ以上の金属微小構造体により非対称な金属複合構造体を形成することにより、プラズモンの縦振動と横振動の振幅比および位相差の設計自由度を向上させることが可能になる。   According to the invention of claim 11, by forming an asymmetric metal composite structure by two or more metal microstructures, the degree of freedom in designing the amplitude ratio and phase difference between the longitudinal and lateral vibrations of the plasmon is improved. It becomes possible to make it.

また、請求項１２にかかる発明は、入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、電圧の印加によって変形する圧電材料の支持基板上に非対称に形成し、この非対称性を調整することにより、前記入射光の偏光状態を制御することを特徴とする。   According to a twelfth aspect of the present invention, a metal composite structure composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged is applied with a voltage. It is characterized in that the polarization state of the incident light is controlled by adjusting the asymmetry on the support substrate of the piezoelectric material deformed by the asymmetrical formation.

この請求項１２の発明によれば、二つ以上の金属微小構造体により非対称な金属複合構造体を形成することにより、プラズモンの縦振動と横振動の振幅比および位相差の設計自由度を向上させることが可能になる。   According to the invention of claim 12, by forming an asymmetric metal composite structure by two or more metal microstructures, the degree of freedom in designing the amplitude ratio and phase difference between the longitudinal vibration and the lateral vibration of the plasmon is improved. It becomes possible to make it.

また、請求項１３にかかる発明は、前記金属微小構造体のサイズを調整することにより、前記入射光の偏光状態および偏光制御素子の動作波長を制御することを特徴とする。   The invention according to claim 13 is characterized in that the polarization state of the incident light and the operating wavelength of the polarization control element are controlled by adjusting the size of the metal microstructure.

この請求項１３の発明によれば、請求項７〜１０のいずれかにおいて、金属微小構造体のサイズを調整することにより、近接場光による相互作用の強さが制御可能になる。   According to the thirteenth aspect of the present invention, in any one of the seventh to tenth aspects, the strength of interaction by near-field light can be controlled by adjusting the size of the metal microstructure.

本発明（請求項１）にかかる偏光制御素子は、二つ以上の金属微小構造体をサイズ程度の間隔で配置したことにより、近接場光を介した金属微小構造体内のプラズモンの相互作用が生じ、金属微小構造体の配列方向およびその直交する方向において異なる位相差を生じさせることが可能になり、吸収または反射(散乱)ではない形態で光透過率または反射率の高い偏光制御素子が実現するとともに、設計自由度の高い偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。   In the polarization control element according to the present invention (Claim 1), two or more metal microstructures are arranged at intervals of about the size, so that plasmon interaction in the metal microstructure occurs via near-field light. It is possible to produce different phase differences in the arrangement direction of the metal microstructures and the direction perpendicular thereto, and a polarization control element with high light transmittance or reflectance is realized in a form that is not absorption or reflection (scattering) In addition, there is an effect that a polarization control element having a high degree of design freedom can be provided.

また、本発明（請求項２）にかかる偏光制御素子は、二種類の金属材料と誘電体材料を含む積層構造により金属微小構造体を形成することにより、同一面内に異種金属を形成する場合に比較して、より単純な作製工程で偏光制御素子が実現するという効果を奏する。   Further, the polarization control element according to the present invention (Claim 2) is a case in which a dissimilar metal is formed in the same plane by forming a metal microstructure by a laminated structure including two kinds of metal materials and a dielectric material. As compared with the above, there is an effect that the polarization control element is realized by a simpler manufacturing process.

また、本発明（請求項３）にかかる偏光制御素子は、金属微小構造体および金属複合構造体を圧電材料の表面に構成することにより、外部電界の印加にともない圧電材料の伸縮が生じ、金属微小構造体間の距離を変化させることで、電界制御による可変な偏光制御を行うことができるという効果を奏する。   In addition, the polarization control element according to the present invention (Claim 3) is configured such that the metal microstructure and the metal composite structure are formed on the surface of the piezoelectric material, so that the expansion and contraction of the piezoelectric material occurs with the application of the external electric field. By changing the distance between the microstructures, there is an effect that variable polarization control by electric field control can be performed.

また、本発明（請求項４）にかかる偏光制御素子は、金属微小構造体および金属複合構造体を圧電材料の表面に構成することにより、外部電界の印加にともない圧電材料の伸縮が生じ、金属微小構造体間の距離を変化させることで、電界制御による可変な偏光制御を行うことができるという効果を奏する。   In addition, the polarization control element according to the present invention (Claim 4) is configured such that the metal microstructure and the metal composite structure are formed on the surface of the piezoelectric material, so that the expansion and contraction of the piezoelectric material occurs with the application of an external electric field. By changing the distance between the microstructures, there is an effect that variable polarization control by electric field control can be performed.

また、本発明（請求項５）にかかる偏光制御素子は、請求項１〜４のいずれかにおいて、偏光制御素子を構成する金属微小構造体は上記に示す金属材料が利用されているため、耐熱性、耐光性の優れた偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。   In addition, the polarization control element according to the present invention (Claim 5) is any one of Claims 1 to 4, and the metal microstructure that constitutes the polarization control element uses the metal material shown above. The polarization control element having excellent properties and light resistance can be provided.

また、本発明（請求項６）にかかる偏光制御素子は、請求項１〜５のいずれかにおいて、金属複合構造体の周期配列により構成することにより、遠方場における電界の空間パターンを制御する機能を有する偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。   In addition, the polarization control element according to the present invention (Claim 6) is the function of controlling the spatial pattern of the electric field in the far field by configuring the polarization control element according to any one of Claims 1 to 5 by a periodic array of metal composite structures. There is an effect that it is possible to provide a polarization control element having the following.

また、本発明（請求項７）にかかる偏光制御素子の偏光制御方法は、二つの金属微小構造体の間隔を調整することにより、近接場光による相互作用の強さが制御可能になるため、設計自由度の高い偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。   In the polarization control method of the polarization control element according to the present invention (Claim 7), the strength of interaction by near-field light can be controlled by adjusting the distance between the two metal microstructures. There is an effect that a polarization control element having a high degree of design freedom can be provided.

また、本発明（請求項８）にかかる偏光制御素子の偏光制御方法は、二つの金属微小構造体の間隔を調整することにより、近接場光による相互作用の強さが制御可能になるため、設計自由度の高い偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。   Further, in the polarization control method of the polarization control element according to the present invention (claim 8), the strength of the interaction by the near-field light can be controlled by adjusting the distance between the two metal microstructures. There is an effect that a polarization control element having a high degree of design freedom can be provided.

また、本発明（請求項９）にかかる偏光制御素子の偏光制御方法は、二つの金属微小構造体の間隔を調整することにより、近接場光による相互作用の強さが制御可能になるため、設計自由度の高い偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。   Further, the polarization control method of the polarization control element according to the present invention (Claim 9) can control the strength of interaction by near-field light by adjusting the distance between the two metal microstructures. There is an effect that a polarization control element having a high degree of design freedom can be provided.

また、本発明（請求項１０）にかかる偏光制御素子の偏光制御方法は、三つ以上の金属微小構造体により非対称な金属複合構造体を形成することにより、プラズモンの縦振動と横振動の振幅比および位相差の設計自由度を向上させることができるという効果を奏する。   According to the polarization control method of the polarization control element of the present invention (claim 10), the amplitude of plasmon longitudinal vibration and lateral vibration is formed by forming an asymmetric metal composite structure with three or more metal microstructures. There is an effect that the degree of freedom in designing the ratio and the phase difference can be improved.

また、本発明（請求項１１）にかかる偏光制御素子の偏光制御方法は、二つ以上の金属微小構造体により非対称な金属複合構造体を形成することにより、プラズモンの縦振動と横振動の振幅比および位相差の設計自由度を向上させることができるという効果を奏する。   Further, the polarization control method of the polarization control element according to the present invention (invention 11) is to form the asymmetric metal composite structure by two or more metal microstructures, thereby to increase the amplitude of plasmon longitudinal vibration and lateral vibration. There is an effect that the degree of freedom in designing the ratio and the phase difference can be improved.

また、本発明（請求項１２）にかかる偏光制御素子の偏光制御方法は、二つ以上の金属微小構造体により非対称な金属複合構造体を形成することにより、プラズモンの縦振動と横振動の振幅比および位相差の設計自由度を向上させることができるという効果を奏する。   According to the polarization control method of the polarization control element of the present invention (claim 12), the amplitude of plasmon longitudinal vibration and lateral vibration is formed by forming an asymmetric metal composite structure with two or more metal microstructures. There is an effect that the degree of freedom in designing the ratio and the phase difference can be improved.

また、本発明（請求項１３）にかかる偏光制御素子の偏光制御方法は、請求項７〜１０のいずれかにおいて、金属微小構造体のサイズを調整することにより、近接場光による相互作用の強さが制御可能になるため、設計自由度の高い偏光制御素子を提供することができるという効果を奏する。   A polarization control method for a polarization control element according to the present invention (Claim 13) is the method according to any one of Claims 7 to 10, wherein the interaction with strong near-field light is enhanced by adjusting the size of the metal microstructure. Therefore, it is possible to provide a polarization control element with a high degree of design freedom.

以下に添付図面を参照して、この発明にかかる偏光制御素子および偏光制御素子の偏光制御方法の最良な実施の形態を詳細に説明する。   Exemplary embodiments of a polarization control element and a polarization control method for a polarization control element according to the present invention will be explained below in detail with reference to the accompanying drawings.

（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態にかかる偏光制御素子および偏光制御方法に関して、図１〜７を参照し説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態にかかる偏光制御素子の機能を示す説明図である。この図１に示すように、偏光制御素子１０は、入射直線偏光４による偏光状態を、素子内部に含む金属複合構造体と光との相互作用により変調し、偏光制御された出射光５として利用するものである。この図１では、偏光制御素子１０により入射直線偏光４が円偏光に変換される一例を示しており、従来の１／４波長板と同等の機能を有している。 (First embodiment)
The polarization control element and polarization control method according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is an explanatory diagram showing the function of the polarization control element according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the polarization control element 10 modulates the polarization state of the incident linearly polarized light 4 by the interaction between the metal composite structure included in the element and the light, and is used as the polarization-controlled outgoing light 5. To do. FIG. 1 shows an example in which the incident linearly polarized light 4 is converted into circularly polarized light by the polarization control element 10, and it has a function equivalent to that of a conventional quarter wavelength plate.

図２は、図１における偏光制御素子の構成を示す断面図である。この偏光制御素子１０は、支持基板１上に、入射光の回折限界（波長程度）以下のサイズを有する金属微微小造体２（図２の例では円柱型構造体）が波長以下の領域に隣接して配置された金属複合構造体６が、周期的に配列した構造を有している。光は上方の金属微小構造体２の存在する面から入射され、反射型の偏光制御素子１０として利用する場合には反射光５ｂを、透過型の偏光制御素子として利用する場合には透過光５ａを、成分分離型の偏光制御素子として利用する場合には透過光５ａと反射光５ｂの両方の成分を、偏光制御された出射光として利用する。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing the configuration of the polarization control element in FIG. This polarization control element 10 has a metal fine structure 2 (a cylindrical structure in the example of FIG. 2) having a size not larger than the diffraction limit (about the wavelength) of incident light on the support substrate 1 in a region where the wavelength is equal to or smaller than the wavelength. The metal composite structures 6 arranged adjacent to each other have a periodically arranged structure. The light is incident from the surface where the upper metal microstructure 2 is present, and the reflected light 5b is used when used as the reflective polarization control element 10, and the transmitted light 5a when used as the transmissive polarization control element. Is used as a component-separated polarization control element, the components of both the transmitted light 5a and the reflected light 5b are used as the polarization-controlled outgoing light.

図３−１、図３−２、図３−３は、図２における金属複合構造体の周期配列の例を示す説明図である。図３−１は正方格子上の格子点に金属複合構造体６を配列した場合、図３−２は六方格子上の格子点に金属複合構造体６を配列した場合、図３−３はストライプ状に金属複合構造体６を配列した場合の構成を示す平面図である。周期構造は、偏光制御素子１０の角度依存性や波長依存性を与えるものであり、偏光制御素子１０の使用目的に応じて、対称性や周期、ピッチなどを調整する。   3-1, FIG. 3-2, and FIG. 3-3 are explanatory diagrams illustrating an example of a periodic arrangement of the metal composite structure in FIG. 3A shows a case where the metal composite structures 6 are arranged at lattice points on the square lattice, FIG. 3B shows a case where the metal composite structures 6 are arranged at lattice points on the hexagonal lattice, and FIG. It is a top view which shows the structure at the time of arranging the metal composite structure 6 in a shape. The periodic structure gives the angle dependency and wavelength dependency of the polarization control element 10, and the symmetry, period, pitch, and the like are adjusted according to the purpose of use of the polarization control element 10.

この偏光制御素子１０に使用する支持基板１は、透過型の素子を構成する場合には、高効率化のために可視領域の波長において吸収の低い材料が好ましく、石英ガラスや、ＢＫ７、パイレックスなどの硼珪酸ガラス、ＣａＦ2、Ｓｉ、ＺｎＳｅ、Ａｌ2Ｏ3などの光学結晶材料などを利用する。また、反射型の素子を構成する場合には、反射率の高い材料が好ましく、上記の光学ガラス、光学結晶材料に、ＡｌやＡｕなどの金属膜コーティングを施す。この際の膜厚は、金属中に光がしみ込む表皮深さよりも厚くする必要がある。本例では、３０ｎｍから１００ｎｍ程度の膜厚とする。また、誘電体多層膜による全反射コーティングを施したものであってもよい。また、透過光と反射光の両方を利用するビームスプリッタなどとして利用する場合には、部分反射膜としてＣｒコーティングなどを利用する。 The support substrate 1 used for the polarization control element 10 is preferably made of a material having low absorption at a wavelength in the visible region in order to increase the efficiency when constituting a transmissive element, such as quartz glass, BK7, and Pyrex. An optical crystal material such as borosilicate glass, CaF 2 , Si, ZnSe, and Al 2 O 3 is used. In the case of constructing a reflective element, a material having high reflectance is preferable, and a metal film coating such as Al or Au is applied to the optical glass or optical crystal material. The film thickness at this time needs to be thicker than the skin depth at which light penetrates into the metal. In this example, the film thickness is about 30 nm to 100 nm. Moreover, what gave the total reflection coating by the dielectric multilayer film may be used. Further, when used as a beam splitter using both transmitted light and reflected light, a Cr coating or the like is used as a partial reflection film.

つぎに、この偏光制御素子１０における偏光状態を変調する機構となる金属微小構造体２および金属微小構造体２の集団による金属複合構造体６について説明する。金属微小構造体２を構成する材料は表面プラズモンまたは局在表面プラズモンを励起できる材料である必要がある。ここで、表面プラズモンとは、金属と誘電体の界面領域の金属側に励起される電子の集団運動であり、局在表面プラズモンとは、金属による構造が微小になった場合に、金属材料全体に渡って励起される電子の集団運動である。以下では表面プラズモン、局在表面プラズモンを、ともにプラズモンと記述する。プラズモンは、金属微小構造体２近傍の電磁界と結合し、伝搬光成分に変換されて遠方場へ放出される。伝搬光への変換効率は、金属微小構造体２により決まる共鳴周波長近傍で最大となる。プラズモンを励起できる金属材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕなどが利用できる。このような金属微細構造体２が二つないしは複数個、近接して配置された構造を金属複合構造体６と記述する。ここで、プラズモンとは金属中における電子の集団運動のことである。   Next, the metal microstructure 2 that serves as a mechanism for modulating the polarization state in the polarization control element 10 and the metal composite structure 6 including a group of the metal microstructures 2 will be described. The material constituting the metal microstructure 2 needs to be a material that can excite surface plasmons or localized surface plasmons. Here, the surface plasmon is a collective motion of electrons excited on the metal side of the interface region between the metal and the dielectric, and the localized surface plasmon is the entire metal material when the structure of the metal becomes minute. Collective motion of electrons excited over Hereinafter, both surface plasmons and localized surface plasmons are described as plasmons. Plasmon couples with the electromagnetic field near the metal microstructure 2, is converted into a propagating light component, and is emitted to the far field. The conversion efficiency to propagating light is maximized in the vicinity of the resonance circumferential wavelength determined by the metal microstructure 2. Au, Ag, Pt, Al, Cu, or the like can be used as a metal material that can excite plasmons. A structure in which two or a plurality of such metal microstructures 2 are arranged close to each other will be referred to as a metal composite structure 6. Here, plasmon is a collective motion of electrons in a metal.

図２に示す偏光制御素子１０は、二つの円筒形状の金属ドットが間隔ｄだけ離れた配置を有する金属複合構造体６により構成されている。金属微小構造体２の形状は円筒形状に限る必要はなく、加工の容易さから、半球形状などであっても構わない。ここで、金属複合構造体６は、入射する光の回折限界に対して十分に小さな領域内に存在している必要があるため、金属微小構造体２のサイズは制限され、１０〜１００ｎｍのサイズが好ましい。遠方から照射される光、または遠方で観測される光においては、光の回折限界による制限から、金属複合構造体６の配置や形状は観測されない。しかしながら、金属複合構造体６に生じるプラズモンおよび近接場光を介したプラズモンの相互作用により、出射される光強度や振動の向きに対する位相差が金属微小構造体２の大きさや配置に依存して変化する。   The polarization control element 10 shown in FIG. 2 is composed of a metal composite structure 6 having two cylindrical metal dots arranged at a distance d. The shape of the metal microstructure 2 need not be limited to a cylindrical shape, and may be a hemispherical shape for ease of processing. Here, since the metal composite structure 6 needs to exist in a sufficiently small region with respect to the diffraction limit of incident light, the size of the metal microstructure 2 is limited, and the size is 10 to 100 nm. Is preferred. In the light irradiated from far away or the light observed far away, the arrangement and shape of the metal composite structure 6 are not observed due to the limitation due to the diffraction limit of light. However, due to the interaction between the plasmon generated in the metal composite structure 6 and the plasmon via the near-field light, the phase difference with respect to the emitted light intensity and the direction of vibration changes depending on the size and arrangement of the metal microstructure 2. To do.

このような金属微小構造体２ならびに金属複合構造体６の作製は、様々な加工方法により可能である。たとえば電子ビームリソグラフィ技術を用いた直接描画による方法や、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）リソグラフィ技術による一括露光を行う方法、モールドと呼ばれる型を用い、熱をかけて押し付けるナノインプリント技術などが利用できる。また、相変化材料や遷移金属酸化物材料にレーザー光を照射することにより、材料特性を変化させ、エッチングレートの違いを利用してエッチングする手法が利用できる。   Such metal microstructure 2 and metal composite structure 6 can be produced by various processing methods. For example, a direct drawing method using electron beam lithography technology, a batch exposure method using DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography technology, a nanoimprint technology that uses a mold called a mold and presses it with heat. Available. In addition, a technique can be used in which a material characteristic is changed by irradiating laser light to a phase change material or a transition metal oxide material, and etching is performed using a difference in etching rate.

つぎに、このような方法で作製された金属複合構造体に入射した光の偏光状態が、構造に依存して変化する原理を、数値計算結果に基づいて説明する。数値計算には、電磁界の運動を記述するマクスウェル方程式を時空間の差分方程式に近似して解く、有限時間領域差分法（ＦＤＴＤ法）を利用した。図４−１、図４−２は、数値計算に使用したモデルを表しており、空気中に存在するサイズ（直径）４０ｎｍの二つのＡｕ球における近接する端部の間隔ｄを０〜８０ｎｍまで変化させた場合の、反射遠方場における偏光状態の変化を調べた。Ａｕの光学定数は、屈折率ｎ＝０．０７２、ｋ＝１．４９６を用いた。この値は、金属球が５０ｎｍ以下程度に小さくなった場合に、金属球のサイズに依存した光学定数の変化を考慮した値である。   Next, the principle that the polarization state of the light incident on the metal composite structure manufactured by such a method changes depending on the structure will be described based on the numerical calculation results. For the numerical calculation, a finite time domain difference method (FDTD method) is used, which solves the Maxwell equation describing the motion of the electromagnetic field by approximating it to a space-time difference equation. FIGS. 4-1 and 4-2 represent models used for numerical calculation, and the distance d between adjacent ends of two Au spheres having a size (diameter) of 40 nm existing in air is from 0 to 80 nm. The change of the polarization state in the reflected far field was investigated when it was changed. As the optical constant of Au, refractive index n = 0.072 and k = 1.497 were used. This value is a value that takes into account the change in the optical constant depending on the size of the metal sphere when the metal sphere is reduced to about 50 nm or less.

ＦＤＴＤ法により得られた金属複合構造体６（本例ではＡｕ球とする）近傍の電界分布から遠方場光の特性を得るために、電界分布のフーリエ変換により角度θ＝０°の成分を抽出し、図４−１、図４−２に示すｘ方向とｙ方向の振幅比と位相差を算出した。４０ｎｍのＡｕ微小球のプラズモン共鳴波長近傍である波長５４４ｎｍを用い、図４−１、図４−２に示すｘｙ面内においてｘ軸から４５°の方向に電界の振動方向をもつ平面波を照射する計算を行った。   In order to obtain far-field light characteristics from the electric field distribution in the vicinity of the metal composite structure 6 (in this example, Au sphere) obtained by the FDTD method, a component with an angle θ = 0 ° is extracted by Fourier transform of the electric field distribution. Then, the amplitude ratio and the phase difference between the x direction and the y direction shown in FIGS. 4-1 and 4-2 were calculated. Using a wavelength of 544 nm, which is near the plasmon resonance wavelength of an Au microsphere of 40 nm, a plane wave having an oscillation direction of an electric field in the direction of 45 ° from the x axis is irradiated in the xy plane shown in FIGS. Calculated.

図５−１は振幅比を示すグラフであり、ｄが大きな領域においては振幅比が１に近づき、偏光面（電界の振動方向）が入射光の偏光方向と一致していることがわかる。これに対し、ｄ＝０近傍に近づくにつれて、振幅比が増加し、すなわち偏光面がｙ方向へ傾く。一方、図５―２に示すグラフは電界のｘ成分とｙ成分の位相差を表している。ｄがゼロに近づくほど、位相差が大きくなり、ｄ＝０の場合に位相差が４５°程度となる。以上のＦＤＴＤ法によるシミュレーションの結果から、Ａｕ微小球の間隔を制御することにより、偏光面を回転させることができ、また、偏光状態を、たとえば直線偏光から楕円偏光に変換することができる。金属材料としてＡｇ微小球を使用した場合にも、同様の計算結果が得られるが、この場合、偏光状態に変化の生じる波長領域はＡｇ微小球のプラズモン共鳴波長近傍である波長４００ｎｍ近傍であった。   FIG. 5A is a graph showing the amplitude ratio. In a region where d is large, the amplitude ratio approaches 1 and it can be seen that the polarization plane (the vibration direction of the electric field) matches the polarization direction of the incident light. On the other hand, the amplitude ratio increases as it approaches d = 0, that is, the polarization plane tilts in the y direction. On the other hand, the graph shown in FIG. 5B represents the phase difference between the x component and the y component of the electric field. As d approaches zero, the phase difference increases, and when d = 0, the phase difference is about 45 °. From the result of the simulation by the above FDTD method, the plane of polarization can be rotated by controlling the interval between the Au microspheres, and the polarization state can be converted from, for example, linearly polarized light to elliptically polarized light. A similar calculation result is obtained when Ag microspheres are used as the metal material. In this case, the wavelength region in which the polarization state changes is near the wavelength of 400 nm, which is near the plasmon resonance wavelength of the Ag microspheres. .

ところで、金属微小構造体６は空気中に剥き出しになっている必要はなく、金属微小構造体２ならびに金属複合構造体６の劣化を防ぐために、むしろ誘電体による保護膜を有しているほうが好ましい。この場合、金属微小構造体を被覆する材料の光学定数（屈折率、消衰係数）に依存して金属微小構造体２の内部に励起されるプラズモンの共鳴波長がシフトする。したがって、保護層はプラズモンの共鳴波長を調整する機能も有する。図６は、誘電体薄膜７により被覆された金属微小構造体２ならびに金属複合微細構造体６を有する偏光制御素子の一例を示した説明図である。誘電体材料７は吸収の少ない材料により構成される必要があり、ＺｎＳ−ＳｉＯ2などの光記録媒体の保護層として利用される遷移金属酸化物などが利用できる。 By the way, the metal microstructure 6 does not need to be exposed in the air, and in order to prevent deterioration of the metal microstructure 2 and the metal composite structure 6, it is preferable to have a protective film made of a dielectric. . In this case, the resonance wavelength of the plasmon excited inside the metal microstructure 2 is shifted depending on the optical constants (refractive index and extinction coefficient) of the material covering the metal microstructure. Therefore, the protective layer also has a function of adjusting the plasmon resonance wavelength. FIG. 6 is an explanatory view showing an example of a polarization control element having the metal microstructure 2 and the metal composite microstructure 6 covered with the dielectric thin film 7. The dielectric material 7 needs to be made of a material with little absorption, and a transition metal oxide used as a protective layer of an optical recording medium such as ZnS—SiO 2 can be used.

プラズモンの共鳴波長は、被覆する誘電体材料７に依存する他、金属微小構造体２自身のサイズにも依存して変化する。図７は、ミー散乱理論により解析的に計算した空気中に配置された単一Ａｕ微小球の中心部における電界強度をプロットしたグラフである。Ａｕ微小球の半径が５ｎｍ程度になると、ほとんどサイズには依存しなくなるが、半径２５ｎｍの場合と比較して約２５ｎｍ程度の共鳴波長のシフトが生じ、サイズの増加に伴って電界強度が増強されることが確認された。共鳴波長のシフトと電界強度の増強は、金属材料や誘電体薄膜材料にも依存する。電界強度の増強はＡｕ微小球の体積に比例した電気双極子モーメントの増大を意味しており、その結果、近接場光による相互作用も増強される。したがって、金属微小構造体２のサイズを変えることにより、偏光制御素子の偏光制御特性および動作波長を制御することが可能である。なお、ミー散乱とは、微粒子に対して球境界条件を課してマクスウェル方程式を厳密に解いたものであり、光の波長すなわちエネルギーは変わらず、光の波長とエネルギーは変わらず、進行方向が変化する現象をいう。   The resonance wavelength of the plasmon varies depending on the dielectric material 7 to be coated and also on the size of the metal microstructure 2 itself. FIG. 7 is a graph plotting the electric field strength at the center of a single Au microsphere arranged in the air analytically calculated by the Mie scattering theory. When the radius of the Au microsphere is about 5 nm, it hardly depends on the size, but a resonance wavelength shift of about 25 nm occurs compared to the case of a radius of 25 nm, and the electric field strength is enhanced as the size increases. It was confirmed that The shift of the resonance wavelength and the enhancement of the electric field strength also depend on the metal material and the dielectric thin film material. An increase in electric field strength means an increase in electric dipole moment proportional to the volume of the Au microsphere, and as a result, the interaction by near-field light is also enhanced. Therefore, it is possible to control the polarization control characteristic and the operating wavelength of the polarization control element by changing the size of the metal microstructure 2. In addition, Mie scattering imposes a spherical boundary condition on fine particles and solves the Maxwell equation strictly. The wavelength of light, that is, energy does not change, the wavelength of light does not change, and the traveling direction does not change. A phenomenon that changes.

以上の結果から、二つの金属微小構造体２間の距離を制御することにより、偏光制御素子１０の偏光状態、すなわち旋光角と直交する二方向の位相差を制御できることがわかる。既存の偏光板、波長板のような偏光制御素子は、吸収の異方性による偏光の一部分を切り捨てた偏光面の選択や、結晶の鏡像対称性による複屈折を利用するために、材料選択性の自由度が狭く、また、所望の偏光状態を得るためには素子サイズが大きくなってしまう。これに対し、本発明の偏光制御素子１０は、支持基板１面内の金属微小構造体２の配置により位相遅れを制御して偏光制御を行うことが可能であるので、高効率化が可能となっている。また、金属材料を用いているため耐熱性、耐光性に優れた偏光制御素子１０を提供することができる。   From the above results, it can be seen that by controlling the distance between the two metal microstructures 2, the polarization state of the polarization control element 10, that is, the phase difference in two directions orthogonal to the optical rotation angle can be controlled. Polarization control elements such as existing polarizing plates and wave plates have a material selectivity to select a polarization plane by cutting off a part of polarized light due to anisotropy of absorption and to use birefringence due to mirror image symmetry. In order to obtain a desired polarization state, the element size becomes large. On the other hand, the polarization control element 10 of the present invention can control the polarization by controlling the phase lag by the arrangement of the metal microstructures 2 in the surface of the support substrate 1, so that the efficiency can be increased. It has become. Moreover, since the metal material is used, the polarization control element 10 having excellent heat resistance and light resistance can be provided.

また、このような構成からなる光学素子の表面で発生している局在表面プラズモンは、表面近傍に近接場光を形成し、この近接場光は波長サイズ以下の領域に局在している。そのため、近接場光素子として用いることで回折限界以下の分解能で計測・分析を行うことが可能であり、また、光リソグラフィに応用することで従来よりも微細なパターニングを行うことも可能である。特に後者に関しては、近接場光の非断熱過程による作用のため、レジストと反応しないような可視光源でも感光させることができ、短波長光源やそれに対応した光学素子が不要になるので、装置の低コスト化が可能になるなどの効果もある。   Further, the localized surface plasmon generated on the surface of the optical element having such a configuration forms near-field light near the surface, and this near-field light is localized in a region having a wavelength size or less. Therefore, it is possible to perform measurement and analysis with a resolution below the diffraction limit by using it as a near-field optical element, and it is also possible to perform finer patterning than before by applying to optical lithography. Especially for the latter, because of the effect of the near-field light non-adiabatic process, even a visible light source that does not react with the resist can be exposed to light, and a short wavelength light source and a corresponding optical element are no longer required. There are also effects such as cost reduction.

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態にかかる偏光制御素子および偏光制御方法に関して、図５〜１０に参照し説明する。図８は、本発明の第２の実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を示す平面図である。この偏光制御素子１０は、第１の実施の形態と同様に、入射光の回折限界（波長程度）以下のサイズを有する金属微小構造体２が回折限界以下の領域に隣接して配置された金属複合構造体６が、周期的に配列した構造を有している。本偏光制御素子１０に使用する支持基板１は、第１の実施の形態で説明したものと同様であり、透過型素子では石英ガラス、硼珪酸ガラス、光学結晶材料などの透明な材料、反射型素子では金属や、誘電体多層膜など、透過光と反射光の両方を使用する素子ではＣｒコーティングなどを利用する。金属微小構造体２および金属複合構造体６を被覆する誘電体材料をともなっていてもよい。第２の実施の形態の偏光制御素子では、金属複合構造体６を構成する複数の金属微小構造体２の空間配置に依存した偏光制御素子および偏光制御方法を提供するものである。 (Second Embodiment)
A polarization control element and polarization control method according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8 is a plan view showing the configuration of the polarization control element according to the second embodiment of the present invention. As in the first embodiment, the polarization control element 10 is a metal in which a metal microstructure 2 having a size not larger than the diffraction limit (about the wavelength) of incident light is disposed adjacent to a region not larger than the diffraction limit. The composite structure 6 has a structure arranged periodically. The support substrate 1 used in the polarization control element 10 is the same as that described in the first embodiment. In the transmission element, a transparent material such as quartz glass, borosilicate glass, or an optical crystal material, or a reflection type is used. Elements such as metals and dielectric multilayer films use Cr coating or the like for elements that use both transmitted light and reflected light. A dielectric material covering the metal microstructure 2 and the metal composite structure 6 may be provided. In the polarization control element of the second embodiment, a polarization control element and a polarization control method depending on the spatial arrangement of the plurality of metal microstructures 2 constituting the metal composite structure 6 are provided.

この偏光制御素子１０は、素子内部に含まれる金属複合構造体６が空間的に非対称な構造を有していることを特徴としている。図８はこのような偏光制御素子の一例であり、Ｌ字構造の端部および屈曲部に金属微小構造体２を配置した構成となっている。金属微小構造体２は、第１の実施の形態で説明したように、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕなどのプラズモンを励起できる金属材料を使用し、支持基板１上に周期的に配列されている。このような構造は、電子ビームリソグラフィ、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）リソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどの微細加工技術を利用して作製する。各金属微小構造体２の形状は特に限定される必要はなく、円筒形状や、半球形状などのものが作製しやすい。ここで、金属複合構造体６は、入射する光の回折限界に対して十分に小さな領域に存在している必要がある。   This polarization control element 10 is characterized in that the metal composite structure 6 contained in the element has a spatially asymmetric structure. FIG. 8 shows an example of such a polarization control element, which has a configuration in which the metal microstructure 2 is disposed at an end portion and a bent portion of an L-shaped structure. As described in the first embodiment, the metal microstructure 2 is made of a metal material that can excite plasmons such as Au, Ag, Pt, Al, and Cu, and is periodically arranged on the support substrate 1. ing. Such a structure is manufactured by using a microfabrication technique such as electron beam lithography, DUV (deep ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography, nanoimprint, and etching utilizing alteration of material properties. The shape of each metal microstructure 2 is not particularly limited, and it is easy to produce a cylindrical shape or a hemispherical shape. Here, the metal composite structure 6 needs to be present in a sufficiently small region with respect to the diffraction limit of incident light.

つぎに偏光制御素子１０における偏光制御の原理について説明する。図５−１、図５−２に示したように、二つの金属微小構造体が隣接して配置されている場合、金属微小構造体２間の距離が金属微小構造体２のサイズ程度に近接した場合、その距離依存した近接場光相互作用が働き、ｘ方向とｙ方向の振幅比および位相差に変化が生じる。このような、金属微小構造体の対を図８に示すようにｘ軸およびｙ軸に平行に、距離を制御して配列することにより、ｘ方向およびｙ方向の振幅比および位相差を、金属微細構造体２が二つだけの金属複合構造体６に比較してより高い自由度で選択することができる。さらに、この第２の実施の形態の偏光制御素子１０では、Ｌ字構造の端部に位置する斜め方向の金属微小構造体２間の近接場光による相互作用が偏光状態に関与する。この斜め方向の金属微小構造体２間の結合を制御するためには、Ｌ字構造の辺の長さを調整するほか、二辺の角度を調整してやればよい。   Next, the principle of polarization control in the polarization control element 10 will be described. As shown in FIGS. 5A and 5B, when two metal microstructures are arranged adjacent to each other, the distance between the metal microstructures 2 is close to the size of the metal microstructure 2. In this case, the distance-dependent near-field light interaction works, and changes occur in the amplitude ratio and the phase difference between the x and y directions. By arranging such a pair of metal microstructures parallel to the x-axis and y-axis as shown in FIG. 8 while controlling the distance, the amplitude ratio and the phase difference in the x-direction and the y-direction can be obtained. The microstructure 2 can be selected with a higher degree of freedom as compared with the metal composite structure 6 having only two. Furthermore, in the polarization control element 10 of the second embodiment, the interaction by the near-field light between the metal microstructures 2 in the oblique direction located at the end of the L-shaped structure is involved in the polarization state. In order to control the coupling between the metal microstructures 2 in the oblique direction, in addition to adjusting the length of the side of the L-shaped structure, the angle of the two sides may be adjusted.

図９は、二辺を９０°から角度θだけ外側に変化させた金属複合構造体６を示す説明図である。この場合には、斜め方向の近接場光による相互作用が弱くなる。このように、三つの金属微小構造体による三通りの金属微小構造の対ができ、これらの距離を制御して金属複合構造体６を構成してやることにより、高い自由度で偏光状態を制御することが可能な偏光制御素子１０を提供することができる。   FIG. 9 is an explanatory diagram showing the metal composite structure 6 in which two sides are changed from 90 ° to the outside by an angle θ. In this case, the interaction due to oblique near-field light is weakened. In this way, three types of metal microstructures can be formed by three metal microstructures, and the polarization state can be controlled with a high degree of freedom by configuring the metal composite structure 6 by controlling these distances. Thus, the polarization control element 10 capable of satisfying the requirements can be provided.

また、図１０−１、図１０−２に示すように、斜め方向の結合に対しては、鏡像対称関係となる金属微小構造体２の二つの配置がある。ここでは、図１０−１に示すような右手系、図１０−２に示すような左手系という言葉でそれらを区分する。図中の矢印は、斜め方向に結合する金属微小構造の対におけるプラズモンの縦波による結合成分を示している。左手系と右手系の構成の違いにより、プラズモン振動のｘ方向成分の向きが反転していることがわかる。これは、左手系と右手系でｘ方向の位相が１８０°ずれる成分が存在することを意味している。このことを利用すると、直線偏光を右回り偏光または左回り偏光に変換する偏光状態の制御が可能となる。   Further, as shown in FIGS. 10A and 10B, there are two arrangements of the metal microstructures 2 in a mirror image symmetry relation with respect to the coupling in the oblique direction. Here, they are classified by the terms right-handed system as shown in FIG. 10-1 and left-handed system as shown in FIG. 10-2. The arrows in the figure indicate the coupling component due to the longitudinal wave of the plasmon in the pair of metal microstructures coupled in an oblique direction. It can be seen that the direction of the x-direction component of the plasmon vibration is reversed due to the difference in the configuration between the left-handed system and the right-handed system. This means that there is a component whose phase in the x direction is shifted by 180 ° between the left-handed system and the right-handed system. By utilizing this, it is possible to control the polarization state for converting linearly polarized light into right-handed polarized light or left-handed polarized light.

上述する偏光制御の原理は、金属微小構造体２中に励起されるプラズモンの近接場光による結合方向、すなわちプラズモンの縦波、横波成分の異方性を利用するものである。したがって、金属微小構造体２の個数は三個に限定される必要はなく、波長以下の領域に金属微小構造体２が複数個配置した構成であってもよい。   The principle of polarization control described above utilizes the coupling direction of the plasmon excited in the metal microstructure 2 by the near-field light, that is, the anisotropy of the longitudinal wave and transverse wave components of the plasmon. Therefore, the number of metal microstructures 2 need not be limited to three, and a configuration in which a plurality of metal microstructures 2 are arranged in a region below the wavelength may be used.

金属中のプラズモンの共鳴を利用することから、偏光制御素子１０は波長依存性を有する。ここで、第１の実施の形態で図７を用いて説明したように、この偏光制御素子１０の動作波長を、金属微小構造体２のサイズにより制御することが可能である。また、図６を用いて説明したように、金属微小構造体２ならびに金属複合構造体６を被覆する誘電体薄膜７を構成することにより、動作波長を制御することが可能である。   Since the plasmon resonance in the metal is used, the polarization control element 10 has wavelength dependency. Here, as described with reference to FIG. 7 in the first embodiment, the operating wavelength of the polarization control element 10 can be controlled by the size of the metal microstructure 2. Further, as described with reference to FIG. 6, the operating wavelength can be controlled by configuring the dielectric thin film 7 covering the metal microstructure 2 and the metal composite structure 6.

以上のように、複数個の金属微小構造体２を用い、金属微小構造体２の空間的に非対称な配置を利用して、高い偏光選択自由度を有する偏光制御素子１０を実現することができる。   As described above, the polarization control element 10 having a high degree of freedom in polarization selection can be realized by using a plurality of metal microstructures 2 and utilizing a spatially asymmetric arrangement of the metal microstructures 2. .

（第３の実施の形態）
この第３の実施の形態は、第２の実施の形態とは異なる偏光制御素子および偏光制御方法に関するものである。 (Third embodiment)
The third embodiment relates to a polarization control element and a polarization control method that are different from those of the second embodiment.

本発明の第３の実施の形態にかかる偏光制御素子および偏光制御方法に関して図５および図１１を参照し説明する。図１１は、本発明の第３の実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を示す説明図である。この偏光制御素子１０は、第１の実施の形態と同様に、入射光の回折限界（波長程度）以下のサイズを有する金属微小構造体２が回折限界以下の領域に隣接して配置された金属複合構造体６が、周期的に配列した構造を有している。ここで、金属複合構造体６は、異種の二種類以上の金属材料により構成されている。偏光制御素子１０に使用する支持基板１は、第１の実施の形態と同様に、と同様に透過型素子では石英ガラス、硼珪酸ガラス、光学結晶材料などの透明な材料、反射型素子では金属や、誘電体多層膜などを利用する。また、金属微細構造体および金属複合構造体を被覆する誘電体材料をともなっていてもよい。   A polarization control element and a polarization control method according to the third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 11 is an explanatory diagram showing the configuration of the polarization control element according to the third embodiment of the present invention. As in the first embodiment, the polarization control element 10 is a metal in which a metal microstructure 2 having a size not larger than the diffraction limit (about the wavelength) of incident light is disposed adjacent to a region not larger than the diffraction limit. The composite structure 6 has a structure arranged periodically. Here, the metal composite structure 6 is composed of two or more different kinds of metal materials. As in the first embodiment, the support substrate 1 used for the polarization control element 10 is a transparent material such as quartz glass, borosilicate glass, or an optical crystal material for a transmissive element, and a metal for a reflective element. Alternatively, a dielectric multilayer film is used. Moreover, the dielectric material which coat | covers a metal microstructure and a metal composite structure may be accompanied.

この偏光制御素子１０は、素子内部に含まれる金属複合構造体６が二種以上の異種金属材料により構成されることを特徴としている。図１１はこのような偏光制御素子の一例であり、金属材料２ａによる金属微小構造体の対と、金属材料２ａとは異なる金属材料２ｂによる金属微細構造体の対により構成される金属複合構造体６を有している。図１１は金属材料１と金属材料２の金属微細構造体が平行に配列した構造を有しているが、同種金属により構成された金属微細構造体の対が、複数の材料に対して、入射光の波長以下の領域に存在していればよい。   The polarization control element 10 is characterized in that the metal composite structure 6 included in the element is composed of two or more kinds of different metal materials. FIG. 11 shows an example of such a polarization control element, which is a metal composite structure composed of a pair of metal microstructures made of metal material 2a and a pair of metal microstructures made of metal material 2b different from metal material 2a. 6. Although FIG. 11 has a structure in which metal microstructures of metal material 1 and metal material 2 are arranged in parallel, a pair of metal microstructures composed of the same kind of metal is incident on a plurality of materials. It suffices to exist in a region below the wavelength of light.

このような金属微小構造体６は、第１の実施の形態で説明したように、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕなどのプラズモンを励起できる金属材料を組み合わせて実現することができ、電子ビームリソグラフィ、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）リソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどの微細加工技術を利用して作製することができる。各金属微細構造体の形状は特に限定される必要はなく、円筒形状や、半球形状などのものが作製しやすい。   As described in the first embodiment, such a metal microstructure 6 can be realized by combining metal materials capable of exciting plasmons such as Au, Ag, Pt, Al, Cu, and the like. It can be produced using microfabrication techniques such as lithography, DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography, nanoimprinting, and etching utilizing alteration of material properties. The shape of each metal microstructure is not particularly limited, and a cylindrical shape or a hemispherical shape is easy to produce.

つぎに、この光偏光制御素子の原理について説明する。図５に示したように、同種の二つの金属微小構造体２が隣接して配置された場合、近接場光による相互作用の結果、ｘ方向とｙ方向のプラズモン振動に異方性が現れる。ここで、近接場光による相互作用の強さは、金属材料のプラズモン共鳴波長に依存して大きく変化するため、金属微小構造体２間の間隔に対する電界のｘ方向成分とｙ方向成分の振幅比および位相差は金属材料の種類ごとに異なる特性を有する。また、異種金属間の近接場光による相互作用は、プラズモンの共鳴波長が離れた金属材料を選択した場合には弱く、プラズモン振動の異方性は大きく現れないため、無視して考えてもよい。したがって、同種金属による金属微小構造体２の対と、異なる金属による金属微小構造体２の対を、それぞれに対して金属微小構造体の間隔を調整して配置することにより、入射光の偏光状態を多様に制御することが可能であり、また、偏光制御素子１０の動作波長の範囲も設定することができる。   Next, the principle of this light polarization control element will be described. As shown in FIG. 5, when two metal microstructures 2 of the same kind are arranged adjacent to each other, anisotropy appears in plasmon vibrations in the x and y directions as a result of the interaction by near-field light. Here, since the strength of the interaction by the near-field light greatly varies depending on the plasmon resonance wavelength of the metal material, the amplitude ratio of the x-direction component and the y-direction component of the electric field with respect to the interval between the metal microstructures 2. And a phase difference has a characteristic which changes with kinds of metal material. Also, the interaction of near-field light between dissimilar metals is weak when a metal material having a plasmon resonance wavelength apart is selected, and the anisotropy of plasmon vibration does not appear so large that it can be ignored. . Therefore, the polarization state of incident light can be obtained by arranging a pair of metal microstructures 2 made of the same metal and a pair of metal microstructures 2 made of different metals while adjusting the distance between the metal microstructures. Can be controlled in various ways, and the operating wavelength range of the polarization control element 10 can be set.

以上のように、異種金属を含んだ金属微小構造体を、同種金属材料による対にして入射光の波長以下の領域に配列した金属複合構造体６を有する構成により、この偏光制御素子１０は高い自由度で偏光特性を制御することが可能となり、動作波長の範囲も金属材料の組み合わせにより広く選択することができる。   As described above, the polarization control element 10 is high due to the configuration including the metal composite structure 6 in which metal microstructures containing different kinds of metals are arranged in a region having a wavelength equal to or less than the wavelength of incident light in pairs with the same metal material. The polarization characteristics can be controlled with a degree of freedom, and the operating wavelength range can be selected widely depending on the combination of metal materials.

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態にかかる偏光制御素子および偏光制御方法に関して、図１２を参照し説明する。図１２は、本発明の第４の実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を示す断面図である。この偏光制御素子１０は、入射光の回折限界（波長程度）以下のサイズを有する金属微小構造体として、金属材料２ａと、誘電体材料８と、金属材料２ｂが順に積層された構成を有している。また、このような金属微小構造体が回折限界以下の領域に隣接して配置された金属複合構造体が、周期的に配列した構造を有している。ここで、金属複合構造体は、異種の二種類以上の金属材料により構成されている。この偏光制御素子に使用する支持基板１は、第1の実施の形態と同様に透過型素子では石英ガラス、硼珪酸ガラス、光学結晶材料などの透明な材料、反射型素子では金属や、誘電体多層膜などを利用する。また、金属微細構造体および金属複合構造体を被覆する誘電体材料をともなっていてもよい。 (Fourth embodiment)
A polarization control element and polarization control method according to the fourth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 12 is a cross-sectional view showing the configuration of the polarization control element according to the fourth embodiment of the present invention. The polarization control element 10 has a configuration in which a metal material 2a, a dielectric material 8, and a metal material 2b are sequentially stacked as a metal microstructure having a size equal to or smaller than the diffraction limit (about the wavelength) of incident light. ing. In addition, a metal composite structure in which such metal microstructures are arranged adjacent to a region below the diffraction limit has a structure in which the metal microstructures are periodically arranged. Here, the metal composite structure is composed of two or more different kinds of metal materials. As in the first embodiment, the support substrate 1 used for the polarization control element is a transparent material such as quartz glass, borosilicate glass, or an optical crystal material for a transmissive element, and a metal or dielectric for a reflective element. A multilayer film is used. Moreover, the dielectric material which coat | covers a metal microstructure and a metal composite structure may be accompanied.

この偏光制御素子１０は、第３の実施の形態で説明した二種以上の金属材料を用いた偏光制御素子を積層構造により実現することを特徴としている。同一面内に異種の金属材料を作製することは、位置合わせの問題などから、加工精度における問題がある。しかしながら、異種金属材料による構成を有する本発明の偏光制御素子の場合、同種金属材料の対が構成されてさえいればよく、必ずしも金属微小構造体が支持基板１上の同一面内に存在する必要はない。したがって、図１２に示すような積層構造を有する金属複合構造体を構成するほうが作製が容易になる点で好ましい。   The polarization control element 10 is characterized in that the polarization control element using two or more kinds of metal materials described in the third embodiment is realized by a laminated structure. Producing different kinds of metal materials in the same plane has a problem in processing accuracy due to the problem of alignment. However, in the case of the polarization control element of the present invention having a configuration of a different metal material, it is only necessary that a pair of the same metal material is configured, and the metal microstructures are necessarily present in the same plane on the support substrate 1. There is no. Therefore, it is preferable to construct a metal composite structure having a laminated structure as shown in FIG.

このような金属微小構造体は、第１の実施の形態で説明したように、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕなどのプラズモンを励起できる金属材料を組み合わせて実現することができる。金属材料２ａ、誘電体材料８、金属材料２ｂの順に、スパッタリング法により積層し、その後、電子ビームリソグラフィ、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）リソグラフィなどの手法により金属微小構造体の周辺部をエッチングにより除去する。また、金属材料２ａ、誘電体材料８、金属材料２ｂの順に積層した後、さらに光を照射することにより材料物性の変質しエッチングレートが変化する相変化材料や遷移金属酸化物材料を成膜して、光によるパターニングの後にエッチングにより周辺部を除去する方法が利用できる。この場合、最上層に相変化材料や遷移金属酸化物材料層が残るが、これはプラズモンの共鳴波長を変化させる効果があるため、使用する光の波長に適合した材料を選択する必要がある。   Such a metal microstructure can be realized by combining metal materials that can excite plasmons such as Au, Ag, Pt, Al, and Cu as described in the first embodiment. The metal material 2a, the dielectric material 8, and the metal material 2b are laminated in this order by sputtering, and then the peripheral portion of the metal microstructure by a technique such as electron beam lithography, DUV (far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography, or the like. Are removed by etching. In addition, after the metal material 2a, the dielectric material 8, and the metal material 2b are stacked in this order, a phase change material or a transition metal oxide material that changes the physical properties of the material and changes the etching rate is formed by further irradiating light. Thus, a method of removing the peripheral portion by etching after patterning with light can be used. In this case, a phase change material or a transition metal oxide material layer remains in the uppermost layer, but this has an effect of changing the resonance wavelength of plasmon, and therefore, it is necessary to select a material suitable for the wavelength of light to be used.

この光偏光制御素子の動作原理は、第３の実施の形態と同様であり、金属材料の種類に依存した近接場光による相互作用の結果、ｘ方向とｙ方向のプラズモン振動の異方性を多様に得ることができ、入射光の偏光状態を制御することが可能となる。また、この偏光制御素子の動作波長の範囲も設定することができる。   The principle of operation of this optical polarization control element is the same as that of the third embodiment. As a result of the interaction by near-field light depending on the type of metal material, the anisotropy of plasmon vibration in the x direction and y direction is obtained. It can be obtained in various ways, and the polarization state of incident light can be controlled. The operating wavelength range of the polarization control element can also be set.

（第５の実施の形態）
本発明の第５の実施の形態にかかる偏光制御素子および偏光制御方法に関して図１３にしたがって説明する。この偏光制御素子１０は、入射偏光状態を、素子内部に含む金属複合構造体と光の相互作用により、偏光の制御された出射光として取り出し利用するものであり、金属複合構造体６を構成する金属微小構造体２の相対的な位置を電気的に変化させてアクティブに入射偏光状態を変調することを特徴としている。図１３は、偏光制御素子の構成を説明する断面図である。この偏光制御素子１０は、圧電材料で形成される圧電体基板９を有しており、圧電体基板９を、圧電効果を利用して微少量変形させるための電圧制御機構１１および電極１２を有している。金属微小構造体２ならびに金属複合構造体６は、第１の実施の形態で説明した二つの間隔を制御して配置された金属微小構造体２を有する構成であってもよいし、第２の実施の形態で説明した金属微小構造体２の非対称な空間配置を有する構成であってもよい。また、第３の実施の形態および第４の実施の形態で説明した二種類または複数種類の金属材料による金属微小構造体を有する構成であってもよい。 (Fifth embodiment)
A polarization control element and polarization control method according to a fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The polarization control element 10 extracts and uses the incident polarization state as outgoing light whose polarization is controlled by the interaction of the light with the metal composite structure included in the element, and constitutes the metal composite structure 6. The present invention is characterized in that the relative polarization position of the metal microstructure 2 is electrically changed to actively modulate the incident polarization state. FIG. 13 is a cross-sectional view illustrating the configuration of the polarization control element. This polarization control element 10 has a piezoelectric substrate 9 made of a piezoelectric material, and has a voltage control mechanism 11 and an electrode 12 for deforming the piezoelectric substrate 9 by a small amount using the piezoelectric effect. is doing. The metal microstructure 2 and the metal composite structure 6 may be configured to have the metal microstructure 2 arranged by controlling two intervals described in the first embodiment, or the second The structure which has asymmetrical space arrangement | positioning of the metal microstructure 2 demonstrated in embodiment may be sufficient. Moreover, the structure which has the metal microstructure by the 2 types or multiple types of metal material demonstrated in 3rd Embodiment and 4th Embodiment may be sufficient.

金属微小構造体２は、第１の実施の形態で説明したように、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕなどのプラズモンを励起できる金属材料を組み合わせて実現することができ、電子ビームリソグラフィ、ＤＵＶ（遠紫外線）・ＥＵＶ（深紫外線）リソグラフィ、ナノインプリント、材料物性の変質を利用したエッチングなどの微細加工技術を利用して作製することができる。各金属微小構造体の形状は特に限定される必要はなく、円筒形状や、半球形状などのものが作製しやすい。ここで、金属複合構造体２は、入射する光の回折限界に対して十分に小さな領域に存在している必要がある。金属微小構造体２および金属複合構造体６の保護、およびプラズモン共鳴波長の調整のため、誘電体薄膜７を最上層に配置してもよい。   As described in the first embodiment, the metal microstructure 2 can be realized by combining metal materials capable of exciting plasmons such as Au, Ag, Pt, Al, and Cu. (Far ultraviolet) / EUV (deep ultraviolet) lithography, nanoimprinting, and microfabrication techniques such as etching utilizing alteration of material physical properties can be used. The shape of each metal microstructure does not need to be particularly limited, and a cylindrical shape or a hemispherical shape is easy to produce. Here, the metal composite structure 2 needs to be present in a sufficiently small region with respect to the diffraction limit of incident light. In order to protect the metal microstructure 2 and the metal composite structure 6 and to adjust the plasmon resonance wavelength, the dielectric thin film 7 may be disposed in the uppermost layer.

圧電体基板９は、電圧の印加による変形を生じる圧電材料であればよく、このような材料として、水晶、ＬｉＮｂＯ3、ＫＮｂＯ3などの単結晶材料を利用する。また、誘電体基板材料上に成膜した、ＺｎＯ、ＡｌＮなどの薄膜、ＰｂＺｒＯ3、ＰｂＴｉＯ3系などの焼結体を分極処理した圧電セラミックス、ポリフッ化ビニリデンなどの圧電高分子薄膜などであってもよい。このような基板に一様に電圧を印加するために圧電体基板９の上下に電極１２を設け、外部に電圧制御機構１１を有する構成としている。電極材料は、透過型の偏光制御素子として利用する場合には透明電極としてＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ；インジウムスズ酸化物）などを利用する。また、反射型偏光制御素子として利用する場合には一般的な金属材料でよい。このような構成に電圧を印加した場合、電圧印加方向と垂直な方向の変形が生じることにより、金属複合構造体６を構成する複数の金属微小構造体２の間隔を変調することにより、入射光の偏光状態を制御する。圧電体基板９の変形量は、金属複合構造体６の構成にも依存するが、個々の金属微小構造体２のサイズ程度であればよく、１０〜１００ｎｍ程度の変形があればよい。 The piezoelectric substrate 9 may be any piezoelectric material that can be deformed by application of a voltage, and a single crystal material such as quartz, LiNbO 3 , or KNbO 3 is used as such a material. Also, a thin film such as ZnO or AlN formed on a dielectric substrate material, a piezoelectric ceramic thin film such as a PbZrO 3 or PbTiO 3 based sintered body, a piezoelectric polymer thin film such as polyvinylidene fluoride, etc. Also good. In order to apply a voltage uniformly to such a substrate, electrodes 12 are provided above and below the piezoelectric substrate 9, and a voltage control mechanism 11 is provided outside. When the electrode material is used as a transmission type polarization control element, ITO (Indium Tin Oxide) or the like is used as a transparent electrode. In addition, when used as a reflective polarization control element, a general metal material may be used. When a voltage is applied to such a configuration, deformation in a direction perpendicular to the voltage application direction occurs, and thereby the interval between the plurality of metal microstructures 2 constituting the metal composite structure 6 is modulated, thereby making incident light To control the polarization state. Although the deformation amount of the piezoelectric substrate 9 depends on the configuration of the metal composite structure 6, it may be about the size of the individual metal microstructure 2, and may be about 10 to 100 nm.

この偏光制御素子１０の動作波長は、金属微小構造体２を構成する金属材料、サイズ、誘電体薄膜により調整できるほか、電圧印加による金属微小構造体２間の距離でも制御することが可能である。   The operating wavelength of the polarization control element 10 can be adjusted by the metal material, size, and dielectric thin film constituting the metal microstructure 2, and can also be controlled by the distance between the metal microstructures 2 by voltage application. .

以上のように、この偏光制御素子は、入射光の偏光状態を外部電圧によりアクティブに変調することができ、偏光制御特性の可変性を有する偏光制御素子を実現することができる。また、このような偏光制御素子は、情報通信における光信号処理などへの応用も可能である。   As described above, this polarization control element can actively modulate the polarization state of incident light by an external voltage, and can realize a polarization control element having variability in polarization control characteristics. Such a polarization control element can also be applied to optical signal processing in information communication.

以上のように、本発明にかかる偏光制御素子および偏光制御素子の偏光制御方法は、材料依存性の低い偏光制御素子に有用であり、特に、液晶プロジェクタ等の画像投影装置に適している。   As described above, the polarization control element and the polarization control method of the polarization control element according to the present invention are useful for a polarization control element with low material dependency, and are particularly suitable for an image projection apparatus such as a liquid crystal projector.

本発明の第１の実施の形態にかかる偏光制御素子の機能を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the function of the polarization control element concerning the 1st Embodiment of this invention. 図１における偏光制御素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the polarization control element in FIG. 図２における金属複合構造体の正方格子配列の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the square lattice arrangement | sequence of the metal composite structure in FIG. 図２における金属複合構造体の六方格子配列の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the hexagonal lattice arrangement | sequence of the metal composite structure in FIG. 図２における金属複合構造体のストライプ配列の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the stripe arrangement | sequence of the metal composite structure in FIG. 数値計算に使用したモデル（１）を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the model (1) used for the numerical calculation. 数値計算に使用したモデル（２）を表す説明図である。It is explanatory drawing showing the model (2) used for the numerical calculation. 数値計算により得られた振幅比を示すグラフである。It is a graph which shows the amplitude ratio obtained by numerical calculation. 数値計算により得られた位相差を示すグラフである。It is a graph which shows the phase difference obtained by numerical calculation. 誘電体薄膜７により被覆された金属微小構造体２ならびに金属複合微細構造体６を有する偏光制御素子の一例を示した説明図である。It is explanatory drawing which showed an example of the polarization control element which has the metal microstructure 2 covered with the dielectric thin film 7, and the metal composite microstructure 6. FIG. ミー散乱理論により解析的に計算した空気中に配置された単一Ａｕ微小球の中心部における電界強度をプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the electric field strength in the center part of the single Au microsphere arrange | positioned in the air analytically calculated by the Mie scattering theory. 本発明の第２の実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the polarization control element concerning the 2nd Embodiment of this invention. 二辺を９０°から角度θだけ外側に変化させた金属複合構造体６を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the metal composite structure 6 which changed two sides to the outer side by 90 degrees from 90 degrees. 金属複合構造体の対象構造（右手系）を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the object structure (right-handed system) of a metal composite structure. 金属複合構造体の対象構造（左手系）を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the object structure (left-handed system) of a metal composite structure. 本発明の第３の実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the structure of the polarization control element concerning the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第４の実施の形態にかかる偏光制御素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the polarization control element concerning the 4th Embodiment of this invention. 偏光制御素子の構成を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining the structure of a polarization control element. 従来における技術（１）を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the technique (1) in the past. 従来における技術（２）を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the technique (2) in the past. 従来における技術（３）を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the technique (3) in the past. 従来における技術（４）を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the technique (4) in the past.

符号の説明Explanation of symbols

１ 支持基板
２ 金属微小構造体
６ 金属複合構造体
７ 誘電体薄膜
８ 誘電体材料
９ 圧電体基板
１０ 偏光制御素子
１１ 電圧制御機構
１２ 電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Support substrate 2 Metal microstructure 6 Metal composite structure 7 Dielectric thin film 8 Dielectric material 9 Piezoelectric substrate 10 Polarization control element 11 Voltage control mechanism 12 Electrode

Claims (13)

入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、支持基板上に形成したことを特徴とする偏光制御素子。   Polarization control characterized in that a metal composite structure composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged is formed on a support substrate. element. 入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列され、第１の金属材料と誘電体材料と第２の金属材料を積層した二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、支持基板上に形成したことを特徴とする偏光制御素子。   A metal composite composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and arranged periodically and in which a first metal material, a dielectric material, and a second metal material are laminated. A polarization control element, wherein the structure is formed on a support substrate. 入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体が形成され、電圧の印加によって変形する圧電材料の支持基板と、
前記支持基板の変形を電圧印加によって制御する電圧制御手段と、
を備えたことを特徴とする偏光制御素子。 A support substrate of a piezoelectric material in which a metal composite structure composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged is formed and deformed by application of voltage When,
Voltage control means for controlling deformation of the support substrate by voltage application;
A polarization control element comprising: 入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列され、第１の金属材料と誘電体材料と第２の金属材料を積層した二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体が形成され、
電圧の印加によって変形する圧電材料の支持基板と、
前記支持基板の変形を電圧印加によって制御する電圧制御手段と、
を備えたことを特徴とする偏光制御素子。 A metal composite composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and arranged periodically and in which a first metal material, a dielectric material, and a second metal material are laminated. A structure is formed,
A support substrate of piezoelectric material that is deformed by application of a voltage;
Voltage control means for controlling deformation of the support substrate by voltage application;
A polarization control element comprising: 前記金属微小構造体を構成する金属材料は、Ａｇ、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ、Ｃｕのプラズモンを発生する金属材料のいずれか一種類または二種類以上により構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の偏光制御素子。   The metal material constituting the metal microstructure is composed of one or more metal materials that generate plasmons of Ag, Au, Pt, Al, and Cu. 5. The polarization control element according to any one of 4 above. 前記金属複合構造体は、正方格子、六方格子、ストライプ状のいずれか一つに配列した周期構造で形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の偏光制御素子。   The polarization control element according to claim 1, wherein the metal composite structure is formed of a periodic structure arranged in any one of a square lattice, a hexagonal lattice, and a stripe shape. . 入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、支持基板上に形成し、
前記金属複合構造体を構成する二つの金属微小構造体間の距離を調整することにより、前記入射光の偏光状態を制御することを特徴とする偏光制御素子の偏光制御方法。 A metal composite structure composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged is formed on a support substrate,
A polarization control method for a polarization control element, wherein a polarization state of the incident light is controlled by adjusting a distance between two metal microstructures constituting the metal composite structure. 入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列され、第１の金属材料と誘電体材料と第２の金属材料を積層した二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、支持基板上に形成し、
前記金属複合構造体を構成する二つの金属微小構造体間の距離を調整することにより、前記入射光の偏光状態を制御することを特徴とする偏光制御素子の偏光制御方法。 A metal composite composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and arranged periodically and in which a first metal material, a dielectric material, and a second metal material are laminated. Forming a structure on a support substrate;
A polarization control method for a polarization control element, wherein a polarization state of the incident light is controlled by adjusting a distance between two metal microstructures constituting the metal composite structure. 入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、電圧の印加によって変形する圧電材料の支持基板に形成し、
前記金属複合構造体を構成する二つの金属微小構造体間の距離を調整することにより、前記入射光の偏光状態を制御することを特徴とする偏光制御素子の偏光制御方法。 A metal composite structure composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and arranged periodically is formed on a support substrate of a piezoelectric material that is deformed by applying a voltage. And
A polarization control method for a polarization control element, wherein a polarization state of the incident light is controlled by adjusting a distance between two metal microstructures constituting the metal composite structure. 入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている三つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、支持基板上に非対称に形成し、
この非対称性を調整することにより、前記入射光の偏光状態を制御することを特徴とする偏光制御素子の偏光制御方法。 Forming a metal composite structure composed of three or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged on the support substrate;
A polarization control method for a polarization control element, wherein the polarization state of the incident light is controlled by adjusting the asymmetry. 入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列され、第１の金属材料と誘電体材料と第２の金属材料を積層した二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、支持基板上に非対称に形成し、
この非対称性を調整することにより、前記入射光の偏光状態を制御することを特徴とする偏光制御素子の偏光制御方法。 A metal composite composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and arranged periodically and in which a first metal material, a dielectric material, and a second metal material are laminated. Forming the structure asymmetrically on the support substrate;
A polarization control method for a polarization control element, wherein the polarization state of the incident light is controlled by adjusting the asymmetry. 入射光の波長以下の領域に配置され、かつ周期的に配列されている二つ以上の金属微小構造体で構成された金属複合構造体を、電圧の印加によって変形する圧電材料の支持基板上に非対称に形成し、
この非対称性を調整することにより、前記入射光の偏光状態を制御することを特徴とする偏光制御素子の偏光制御方法。 A metal composite structure composed of two or more metal microstructures arranged in a region below the wavelength of incident light and periodically arranged on a support substrate of a piezoelectric material that is deformed by application of a voltage. Formed asymmetrically,
A polarization control method for a polarization control element, wherein the polarization state of the incident light is controlled by adjusting the asymmetry. 前記金属微小構造体のサイズを調整することにより、前記入射光の偏光状態および偏光制御素子の動作波長を制御することを特徴とする請求項７〜１０のいずれか一つに記載の偏光制御素子の偏光制御方法。   The polarization control element according to any one of claims 7 to 10, wherein the polarization state of the incident light and the operating wavelength of the polarization control element are controlled by adjusting the size of the metal microstructure. Polarization control method.
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