JP2007501391A - 表面プラズモンを増強するナノ光学素子及びこの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、包括的には光学素子を対象とし、特にナノ構造光学素子及びこの素子の製造方法を対象とする。
従来の光学系によれば、金属膜のサブ波長(sub-wavelength)アパーチャを通る光の透過量は直径dが波長λよりもかなり小さい場合に極めて小さく、ベーテ限界(Bethe limit)T/f〜(d/λ)4に従うものと予想される。但し、T/fはアパーチャが占める面積に対して正規化された透過量を示す。近年、米国特許第5,973,316号及び同6,236,033号並びにNature、Vol.391、pp.667〜669において(すべて、全体を参照により本明細書に援用する)、入射光が金属膜の表面プラズモンと共鳴する場合に、金属膜のサブ波長アパーチャ(複数可)の極めて高い透過量を得ることが可能なことが報告された。
本発明の一つの実施の形態は、光検出器、及び提供される入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の幅を有する複数の開口を有する金属膜又は複数の金属アイランドを含む2次元波長分離素子を備えたマルチスペクトル画像形成システムに関する。金属膜又は金属アイランドは、入射放射が金属膜又は金属アイランド上の少なくとも1つのプラズモンモードと共鳴するように構成される。金属膜又は金属アイランドの開口又は表面形体の周期は様々である。金属膜は、単一の金属膜又は複数の積層金属膜のうちの1つを含むことができる。金属アイランドは、単一の金属アイランド層又は複数の積層金属アイランドのうちの1つを含むことができる。
本発明者等は、光学素子、たとえばモノクロメータ及びスペクトル解析器を含むコンパクト波長分離素子等並びにマルチスペクトル画像形成システム及び光学検体検出システムが、放射効果のプラズモン共鳴増強に基づき得ることを認識した。金属膜又は金属アイランドの開口又は表面形体の周期は、金属膜又は金属アイランドの異なる部分又はセルで様々であり、画像形成システム及び検出システムの2次元波長分離素子部を形成する。
105に提供される。開口は、入射放射が金属膜上の少なくとも1つのプラズモンモードと共鳴するように、入射放射の少なくとも1つの波長未満の幅を有する。異なるピーク波長λi、λj、及びλkを有する複数の通過帯域に同時に分離されるように、複数の開口を通して透過された放射が提供される。入射放射は膜105のいずれの側に提供してもよい。
えば5〜20ミクロンのサイズのセル108が好ましい。アレイ密度が高い場合(すなわち、空間分解能がより高い場合)、セルサイズを可能な限り小さく留めることが望ましい。しかし、組み立てやすくするために、セルサイズは約50〜500μmに増大させることができる。この場合、Nチャネルモノクロメータアレイ101の全体サイズはおよそN×(50〜500)μmになる。Nチャネルモノクロメータアレイは、好ましくは、N個のセル108を有する。ここで、Nは10〜10,000の整数である。
えて使用することができる。たとえば、マルチスペクトル画像形成システムは、図4A〜図4Cに示すスリット形開口を有する金属アイランド又は金属膜に代えて、図2Eに示す2次元アレイになったサブセルを備えることができる。したがって、図2Eはマルチセルアレイのうちの1個のセルを示し、このセルは4個のサブセル18A、18B、18C、及び18Dを含む。各サブセルは、異なる周期及びサブ波長開口17を有する形体12を有する。したがって、これは4色カラー画像形成システムである。これらサブセルは偏光に依存しないため、図4A〜図4Cに示すシステムのように各色の画像形成に同じ開口周期であるが直交する開口方向を有するサブセル対を形成する必要はない。
える。たとえば、マルチスペクトル画像形成システムは、検体503の異なる領域が発した放射504の差分を検出することができ、且つ/又はマルチスペクトル画像システムを使用して検体503のより大きな部分からの放射504を検出することができる。
パク質等に固有の抗体を含むことができる。別法として、添加部材508は各種疾病抗体に固有の抗原又はタンパク質を含むことができる。
ングされていない金属膜の一部であることなく、離間された金属アイランドを同時に又は順次形成する。金属アイランドは、互いに接続されない離散金属アイランド(すなわち、金属アイランドは互いに直接接しない)又は光素子の外周領域で互いに接続する金属アイランドを含むことができる。別の好ましい態様では、金属アイランドは、金属膜をパターニングしてアイランドにすることにより形成される離散アイランドを含む。好ましくは、アイランドはリソグラフィ法を用いてパターニングされる。
ッジの平坦な上面23に対して20〜70度の角度で、たとえば30〜50度の角度で向けることができる。
ニングする。15mTorrでCF4(37sccm)+O2(4sccm)、RIEパワー100W、及びICPパワー150Wを12分間使用するRIEにより石英基板をエッチングする。その後、NaOH+K3Fe(CN)6+H2O溶液での化学エッチングにより、残っているCrハードマスクを除去する。次いで、メサエッチングされた基板上に、角度を付けた塗布を利用してAgアイランドを塗布する。Agアイランドは、傾斜角45度でベースプレッシャー10−5TorrでAg源の熱蒸発を利用して様々な厚さまで塗布される。ホログラフィパターニングされメサエッチングされた基板が製造されると、これを、パターンを規定する度又は移す度に別個の光学プロセス又は電子リソグラフィプロセスがいずれも関わることなく、基板上にアレイパターンをナノインプリントする際の種型として利用することができる。
布することにより複数の開口を有する金属膜、たとえば図2Cに示す金属膜を形成する。角度付けた塗布方法については上述し、図8に示した。本発明の別の代替の態様では、金属層が、金属が孔の中に延在するようにナノ孔アレイ上に塗布され、次いで金属層を化学機械的研磨又はエッチングしてナノ孔アレイの上部を再び露出させる。研磨又はエッチングにより再び露出させるステップは、酸化金属ナノ孔アレイ透明領域で隔てられた離散金属アイランドをナノ孔に残す。
9〜10eVを示す、銀、金、銅、アルミニウム、及びこれらの合金等の金属が金属アイランド材料として好ましい。
透明領域7はスリット形に代えて、放射のプラズモン増強透過をもたらす他の任意の適した形を有することができる。
過ポイントは、金属アイランドの厚さが異なっても略同じ位置に留まる傾向があるが、厳密な位置は近傍ピークとの重複により分解することができない。この金属厚への鈍感性は、この最小透過ポイントで発生する現象が、主に金属の上面又は底面との光の相互作用を含むが、金属アイランドの側壁との光の相互作用を含まないことを示唆する。各金属アイランドの金属/基板界面を含む平面に沿ったSP共鳴は、式:
モンは、透明領域の幅が減じられるとトンネルプロセスを介して互いに結合するものと予期される。近傍アイランドでの表面プラズモン間の結合は、スリット形透明領域にわたるSP場の重複の程度に応じるものと予期され、これは、透明領域の幅と比較したSP場の空間広がり(すなわち、ギャップサイズ)により決まる。
New York, NY, 1988) page 6から以下のように表される。
れぞれ約30nm及び50〜100nmである。例1〜例3の素子では、金属アイランドは角度付けた塗布によりリッジ付き基板上に塗布される。したがって、金属アイランドの厚みを増せば、透明領域の幅が狭くなる。しかし、他の方法で製造された金属アイランドアレイの場合、透明領域の幅は必ずしも金属アイランドの厚さの増大に伴って狭くなるわけではない。
いる一体型の放射源、たとえばレーザ、LED、又はランプ等、及び/又は基板を透過する、又は複数の金属アイランド間を透過する放射を検出するようになっている一体型の放射検出器、たとえば電荷結合素子(CCD)アレイ又はCMOSアクティブピクセルアレイ等を備えることができる。別法として、放射源及び/又は放射検出器を素子と併用することができる。
以下の具体例に本発明の好ましい実施の形態を示すが、これを本発明の範囲に対する限定とみなすべきではない。
射光ビーム又は入力光ビーム315の面積は波長分離素子301の面積よりも大きい。
、図36Aと比較して、短波長領域での低強度サイドピークの抑圧、長波長領域での透過の低減、及び約150〜200nmから約100〜150nmまでの主通過帯域幅の狭まりを示す。金属厚ひいては金属スリット幅の最適制御により帯域通過特性のさらなる向上、特に長波長透過の抑圧が予期される。図36Aに示す例では、メサエッチング処理された石英基板はスリット幅120nmを有するように設計される。150nm厚Ag層を角度を付けて塗布した後、スリット幅は50〜80nmに低減する。金属厚の制御によりスリット幅を調整することができる。
Claims (133)
- 光検出器と、
金属膜又は複数の金属アイランドを含む波長分離素子であって、前記金属膜又は前記複数の金属アイランドは、該膜又は該アイランド上に提供する入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の幅を有する複数の開口の2次元アレイを有する、波長分離素子と、
を備えるマルチスペクトル画像形成システムであって、
前記金属膜又は前記金属アイランドは、前記入射放射が該金属膜又は該金属アイランド上の少なくとも1つのプラズモンモードと共鳴するように構成され、
少なくとも第2のピーク波長及び該第2のピーク波長と異なる第3のピーク波長を有する放射の透過は、前記少なくとも1つのプラズモンモードとの前記共鳴により、前記金属膜又は前記複数の金属アイランドの前記複数の開口を通して増強される、マルチスペクトル画像形成システム。 - 前記金属膜又は前記金属アイランドは、単一の膜又は層の金属アイランド、又は複数の積層金属膜又は層の金属アイランドのうちの1つを含み、
前記金属膜又は前記金属アイランドは2次元セルアレイを含み、
各セルは複数のサブセルを含み、
第1のセルの第1のサブセル中の第1の開口の第1の周期は、前記第1のセルの第2のサブセル中の第2の開口の第2の周期と異なり、
前記第1のサブセル中の前記第1の開口を通る、前記第2のピーク波長を有する前記放射の透過は、前記第1の周期により増強され、
前記第2のサブセル中の前記第2の開口を通る、前記第3のピーク波長を有する前記放射の透過は、前記第2の周期により増強される、請求項1に記載のマルチスペクトル画像形成システム。 - 前記金属膜又は前記金属アイランドは少なくとも10個のセルを含み、
前記セルのそれぞれの各サブセル中の開口の周期は、前記セルのそれぞれの少なくともいくつかの他のサブセル中の開口の周期と異なり、
各サブセル中の開口を通る、異なるピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各サブセル中の前記開口の前記周期により増強される、請求項2に記載のマルチスペクトル画像形成システム。 - 各サブセル中の前記開口は同じ方向を向いたスリット形開口を含む、請求項3に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
- 各セルは少なくとも3対のサブセルを含み、
各サブセル対の各サブセル中の開口の周期は同じであり、
所与のセルの各サブセル対中の開口の周期は、同じセルの他のサブセル対中の開口の周期と異なり、
各サブセル対の各サブセル中の前記開口は互いに直交する向きを有する、請求項4に記載のマルチスペクトル画像形成システム。 - 各サブセルは、前記光検出器に異なる色の可視光を透過させるようになっている、請求項5に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
- 各サブセルは、前記光検出器に異なる狭帯域のUV又はIR放射を透過するようになっている、請求項5に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
- 前記波長分離素子は、放射透明基板上に配置される複数の自己集合金属アイランドを備える、請求項1に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
- 前記基板は複数のリッジを備え、前記金属アイランドは前記複数のリッジ上に非対称に形成される、請求項8に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
- 前記光検出器は、回折光学系を利用することなく前記金属膜又は前記金属アイランドに光学的に結合するCCDアレイ、CMOSアクティブピクセルアレイ、又は焦点面アレイを含む、請求項1に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
- 前記光検出器は前記波長分離素子に光学的に結合され、前記波長分離素子を透過した放射を検出するようになっている、前記透過した放射は、前記波長分離素子の前記金属膜又は前記金属アイランド上のプラズモンモードとの共鳴により増強する複数の異なるピーク波長を有する、請求項1に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
- 前記光検出器の各ピクセルは前記波長分離素子のセルに対応する、請求項11に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
- 前記光検出器の各セルにより検出される放射の強度を求めるようになっているプロセッサをさらに備える、請求項12に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
- デジタルカラーカメラを備える、請求項1に記載のマルチスペクトル画像形成システム。
- 光検出器と、
波長分離素子であって、
提供される入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の幅を有する複数の開口を有する金属膜又は複数の金属アイランド
を備え、
前記金属膜又は前記金属アイランドは、前記入射放射が該金属膜又は該金属アイランド上の少なくとも1つのプラズモンモードと共鳴するように構成され、少なくとも第2のピーク波長及び該第2のピーク波長と異なる第3のピーク波長を有する放射の透過は、前記少なくとも1つのプラズモンモードとの前記共鳴により、前記金属膜又は前記複数の金属アイランドの前記複数の開口を通して増強される、波長分離素子と、
検体に放射を発せさせるようになっている励起源と、
検体が発し、前記画像形成システムにより検出される放射から、前記検体についての情報を求めるようになっているプロセッサと、
を備える、光学検体検出システム。 - 前記励起源は光学励起源を含む、請求項17に記載の光学検体検出システム。
- 前記光学励起源と前記波長分離素子の間に偏光フィルタをさらに備える、請求項16に記載の光学検体検出システム。
- 前記波長分離素子は、提供される入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の幅を有する複数の開口の2次元アレイを有する金属膜又は複数の金属アイランドを備える、請求項15に記載の光学検体検出システム。
- 第1の手段であって、入射放射を、該第1の手段上のプラズモンモードとの共鳴により増強される複数のピーク波長を有する透過放射に分離する第1の手段と、
前記透過放射を検出する第2の手段と、
前記入射放射のカラー画像を形成する第3の手段と、
を備える、マルチスペクトル画像形成システム。 - 前記透過放射は色で分けられた可視光を含み、
前記第3の手段は、前記カラー画像をコンピュータ可読媒体中、ディスプレイ上、又は視覚的に観察可能な有形媒体上に形成する手段を備える、請求項19に記載のマルチスペクトル画像形成システム。 - 検体に第1の放射を発せさせる第1の手段と、
第2の手段であって、第1の放射を、該第2の手段上のプラズモンモードとの共鳴により増強される複数の異なるピーク波長を有する透過放射に分離する第2の手段と、
前記透過放射を検出する第3の手段と、
前記検出された透過放射から、前記検体についての情報を求める第4の手段と、
を備える、光学検体検出システム。 - 検体ホルダをさらに備える、請求項21に記載の光学検体検出システム。
- 前記第4の手段は、前記第1の放射を発する前記検体の前記検体ホルダ上の位置に基づいて、前記検体ホルダ上に配置される前記検体についての医学的又は生物学的な情報を求める手段である、請求項22に記載の光学検体検出システム。
- 基板中又は基板上に固体状態光検出器アレイを設けること、
前記光検出器アレイ上に金属膜をモノリシックに塗布すること、
前記金属膜をフォトリソグラフィによりパターニングすることであって、それにより、複数の開口を通る透過放射が前記金属膜上のプラズモンモードとの共鳴により増強される複数の異なるピーク波長を有するように、前記金属膜上に提供される入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の幅を有する前記複数の開口の2次元アレイを形成する、パターニングすること、
とを含む、マルチスペクトル画像形成システムを製造する方法。 - 基板中又は基板上に固体状態光検出器アレイを設けること、
前記光検出器アレイ上に複数の金属アイランドをモノリシックに塗布すること、
とを含む、マルチスペクトル画像形成システムを製造する方法であって、
前記複数の金属アイランドは、複数の開口を通る透過放射が、前記金属膜上のプラズモンモードとの共鳴により増強される複数の異なるピーク波長を有するように、前記金属アイランド上に提供される入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の幅を有する前記開口の2次元アレイにより隔てられる、マルチスペクトル画像形成システムを製造する方法。 - 或る範囲の波長を有する入射放射が金属膜又は複数の金属アイランド上の少なくとも1つのプラズモンモードと共鳴するように、入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の幅を有する複数の開口の2次元アレイを有する前記金属膜又は前記金属アイランド上に前記入射放射を提供すること、
透過放射が、異なるピーク波長を有する複数の通過帯域に同時に分離されるように、前記複数の開口に前記透過放射を提供すること、
前記透過放射を検出すること、
前記検出された透過放射に基づいてカラー画像を形成すること、
とを含む、カラー画像を形成する方法。 - 検体に第1の放射を発せさせること、
前記第1の放射を、波長分離素子上のプラズモンモードとの共鳴により増強される複数の異なる波長を有する透過放射に分離すること、
前記透過放射を検出すること、
前記検出された透過放射から前記検体についての情報を求めること、
とを含む、検体についての情報を求める方法。 - 前記検体は蛍光体に取り付けられた生体材料を含み、
前記第1の放射は前記蛍光体が発する放射を含む、請求項27に記載の検体についての情報を求める方法。 - 前記情報を求めるステップは、前記第1の放射を発する前記検体の位置に基づいて、前記検体についての医学的又は生物学的情報を求めることを含む、請求項28に記載の検体についての情報を求める方法。
- 金属膜を設けること、
該金属膜をフォトリソグラフィによりパターニングすることであって、それにより前記金属膜に、提供される入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の幅を有し、放射の透過が前記金属膜上の少なくとも1つのプラズモンモードとの共鳴により増強されるような複数の開口を形成する、パターニングすること、
とを含む、ナノ構造素子を製造する方法。 - 前記金属膜をフォトリソグラフィによりパターニングするステップは、
前記金属膜上にフォトレジストを形成すること、
前記フォトレジストをホログラフィ露光すること、
前記フォトレジストをパターニングすること、
前記パターニングされたフォトレジストを使用して前記金属膜をパターニングすることであって、それにより前記金属膜中に複数のサブ波長スリット形開口を形成する、パターニングすること、
とを含む、請求項30に記載のナノ構造素子を製造する方法。 - 提供される入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の幅を有する複数の開口を有する金属膜又は複数の金属アイランドを備える波長分離素子であって、
前記金属膜又は前記金属アイランドは、前記入射放射が該金属膜又は該金属アイランド上の少なくとも1つのプラズモンモードと共鳴するように構成され、
少なくとも第2のピーク波長及び該第2のピーク波長と異なる第3のピーク波長を有する放射の透過は、前記少なくとも1つのプラズモンモードとの共鳴により、前記金属膜又は前記複数の金属アイランドの前記複数の開口を通して増強される、波長分離素子。 - 前記金属膜又は前記金属アイランドは少なくとも2個のセルを含み、
第1のセル中の第1の開口の第1の周期は、第2のセル中の第2の開口の第2の周期と異なり、
前記第1のセル中の前記第1の開口を通る前記第2のピーク波長を有する前記放射の透過は、前記第1の周期により増強され、
前記第2のセル中の前記第2の開口を通る前記第3のピーク波長を有する前記放射の透過は、前記第2の周期により増強される、請求項32に記載の波長分離素子。 - 前記金属膜又は前記金属アイランドは少なくとも10個のセルを含み、
前記各セル中の開口の周期はその他の各セル中の開口の周期と異なり、
各セル中の開口を通る異なるピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前
記開口の前記周期により増強される、請求項33に記載の波長分離素子。 - 前記金属膜又は前記金属アイランドは少なくとも30個のセルを含み、
前記各セル中の開口の周期はその他の各セル中の開口の周期と異なり、
各セル中の開口を通るピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記開口の前記周期により増強され、
各セルを通して透過される放射は、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長から少なくとも10nmだけ異なるピーク波長を有する、請求項34に記載の波長分離素子。 - 前記金属膜又は前記金属アイランドにわたる開口の前記周期はチャープする、請求項33に記載の波長分離素子。
- 各セル中の開口の周期は約250nm〜約700nmの範囲を有し、各開口の幅は約20nm〜約80nmの範囲を有する、請求項35に記載の波長分離素子。
- 前記金属膜又は前記金属アイランドは少なくとも2個のセルを含み、
各セルは複数の開口のうちの少なくとも1つを含み、
第1のセル中の前記金属膜又は前記金属アイランドの少なくとも1つの表面は、前記第2のピーク波長を有する前記放射の前記透過が増強されるような構成の、前記第1のセル中の開口に隣接して設けられる第1の周期的又は準周期的な表面形状を含み、
第2のセル中の前記金属膜又は前記金属アイランドの少なくとも1つの表面は、前記第3のピーク波長を有する前記放射の前記透過が増強されるような構成の、前記第2のセル中の開口に隣接して設けられる、前記第1の周期的な表面形状と異なる第2の周期的又は準周期的な表面形状を含む、請求項32に記載の波長分離素子。 - 前記金属膜又は前記金属アイランドは少なくとも10個のセルを含み、
前記セルのそれぞれの中の周期的又は準周期的な表面形状の構成は、その他の各セル中の周期的又は準周期的な表面形状の構成と異なり、
各セル中の開口を通る異なるピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記周期的又は準周期的な表面形状の前記構成により増強される、請求項38に記載の波長分離素子。 - 前記金属膜又は前記金属アイランドは少なくとも30個のセルを含み、
前記セルのそれぞれの中の周期的又は準周期的な表面形状の構成は、その他の各セル中の周期的又は準周期的な表面形状の構成と異なり、
各セル中の開口を通る、異なるピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記周期的又は準周期的な表面形状の表面形体(features)の周期により増強され、
各セルを通して透過される放射は、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長から少なくとも1nmだけ異なるピーク波長を有する、請求項39に記載の波長分離素子。 - 前記開口は前記金属膜に配置されるスリットを備え、該スリットは前記幅よりも少なくとも10倍長い長さを有する、請求項32に記載の波長分離素子。
- 前記開口は前記金属膜中の円形開口、楕円形開口、又は多角形開口を含む、請求項32に記載の波長分離素子。
- 放射透明基板上に配置される複数の自己集合金属アイランドを備える、請求項32に記載の波長分離素子。
- 前記基板は複数のリッジを備え、前記金属アイランドは前記複数のリッジ上に非対称に形成される、請求項43に記載の波長分離素子。
- 前記金属膜又は前記金属アイランドはナノ孔アレイ基板のナノ孔内に配置され、前記開口は前記ナノ孔アレイのリッジの上に配置される、請求項32に記載の波長分離素子。
- N個のセルを有するNチャネルモノクロメータを備え、Nは10〜10,000の整数であり、
各セルサイズは約50〜約500ミクロンであり、
各セルは、前記金属膜又は前記金属アイランドに少なくとも1つの開口を含み、
各セルは、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長と異なるピーク波長を有する放射の透過を増強するようになっている、請求項36に記載の波長分離素子。 - 前記モノクロメータの長さ、幅、及び厚さはそれぞれ1cm未満である、請求項46に記載の波長分離素子。
- 請求項32に記載の波長分離素子と、
光検出器と、
を備える、スペクトル解析器。 - 前記光検出器は、回折光学系を利用することなく前記金属膜又は前記金属アイランドに光学的に結合するCCDアレイ、CMOSアクティブピクセルアレイ、又は焦点面アレイを含む、請求項48に記載のスペクトル解析器。
- 提供される入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の幅を有する複数の開口を有する金属膜又は金属アイランドを備える波長分離素子と、
該波長分離素子に光学的に結合され、該波長分離素子を通して透過される放射を検出するようになっている光検出器であって、前記透過放射は、前記波長分離素子の前記金属膜又は前記金属アイランド上のプラズモンモードとの共鳴により増強される或る範囲のピーク波長を有する、光検出器と、
を備える、スペクトル解析素子。 - 前記波長分離素子は少なくとも30個のセルを含み、
前記各セル中の開口の周期は、その他の各セル中の開口の周期と異なり、
各セル中の開口を通るピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記開口の前記周期により増強され、
各セルを通って透過する放射は、その他のセルを通って透過する放射のピーク波長から少なくとも1nmだけ異なるピーク波長を有し、
前記光検出器は固体状態光検出器セルアレイを含み、
各光検出器セルは、前記波長分離素子の各セルのそれぞれから所定のピーク波長を有する放射を検出するように構成される、請求項50に記載のスペクトル解析素子。 - 前記光検出器はCCDアレイを含む、請求項51に記載のスペクトル解析素子。
- 前記光検出器はCMOSアクティブピクセルアレイを含む、請求項51に記載のスペクトル解析素子。
- 前記波長分離素子は少なくとも30個のセルを含み、
前記各セル中の周期的又は準周期的な表面形状の構成は、その他の各セル中の周期的又
は準周期的な表面形状の構成と異なり、
各セル中の開口を通る異なるピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記周期的又は準周期的な表面形状の表面形体の周期により増強され、
各セルを通して透過される放射は、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長から少なくとも1nmだけ異なるピーク波長を有し、
前記光検出器は固体状態光検出器セルアレイを含み、
各光検出器セルは、前記波長分離素子の各セルのそれぞれから所定のピーク波長を有する放射を検出するように構成される、請求項50に記載のスペクトル解析素子。 - 前記解析器は、前記波長分離素子と前記光検出器の間に回折光学系を含まない、請求項50に記載のスペクトル解析素子。
- 前記金属膜又は前記金属アイランドにわたる開口の周期はチャープする、請求項50に記載のスペクトル解析素子。
- 前記光検出器の各セルにより検出される放射の強度を求めるようになっているプロセッサをさらに備える、請求項50に記載のスペクトル解析素子。
- 前記スペクトル解析器の放射透過方向での厚さは1cm未満であり、前記スペクトル解析器の前記放射透過方向に直交する長さは1cm未満である、請求項50に記載のスペクトル解析素子。
- 第1の手段であって、入射放射を、該第1の手段上のプラズモンモードとの共鳴により増強される或る範囲のピーク波長を有する透過放射に分離する第1の手段と、
前記透過放射を検出する第2の手段と、
を備える、スペクトル解析素子。 - 支持体と、
第1の手段であって、入射放射が該第1の手段上の少なくとも1つのプラズモンモードと共鳴するように該入射放射を受け、透過放射が前記少なくとも1つのプラズモンモードとの前記共鳴により増強されるように、少なくとも第2のピーク波長及び該第2のピーク波長と異なる第3のピーク波長を有する放射を透過する第1の手段と、
を備える、波長分離素子。 - 基板中又は基板上に固体状態光検出器アレイを設けること、
前記光検出器アレイ上に金属膜をモノリシックに塗布すること、
前記金属膜をフォトリソグラフィによりパターニングして、複数の開口を通る透過放射が前記金属膜上のプラズモンモードとの共鳴により増強される或る範囲のピーク波長を有するように、前記金属膜上に提供される入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の幅を有する前記複数の開口を形成すること、
とを含む、スペクトル解析素子を製造する方法。 - 前記金属膜は少なくとも30個のセルを含み、
前記各セル中の開口の周期は、その他の各セル中の開口の周期と異なり、
各セル中の開口を通るピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記開口の前記周期により増強され、
各セルを通して透過される放射は、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長から少なくとも1nmだけ異なるピーク波長を有し、
前記光検出器アレイは固体状態光検出器セルアレイを含み、
各光検出器セルは、前記金属膜の各セルのそれぞれから所定のピーク波長を有する放射
を検出するように構成される、請求項61に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。 - 固定状態光検出器アレイを設けることは、前記基板中又は前記基板上にCCDアレイをフォトリソグラフィにより形成することを含む、請求項62に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。
- 固定状態光検出器アレイを設けることは、CMOSアクティブピクセルアレイをフォトリソグラフィにより形成することを含む、請求項62に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。
- 前記金属膜上に周期的又は準周期的な表面形状の構成をフォトリソグラフィにより形成することをさらに含む、請求項61に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。
- 前記金属膜は少なくとも30個のセルを含み、
前記各セルの周期的又は準周期的な表面形状の構成は、その他の各セルの周期的又は準周期的な表面形状の構成と異なり、
各セル中の開口を通る、異なるピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記周期的又は準周期的な表面形状の表面形体の周期により増強され、
各セルを通して透過される放射は、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長から少なくとも1nmだけ異なるピーク波長を有し、
前記光検出器は固体状態光検出器セルアレイを含み、
各光検出器セルは、前記波長分離素子の各セルのそれぞれから所定のピーク波長を有する放射を検出するように構成される、請求項61に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。 - 基板中又は基板上に固体状態光検出器アレイを設けること、
前記光検出器アレイ上に複数の金属アイランドをモノリシックに塗布すること、
とを含む、スペクトル解析素子を製造する方法であって、
前記複数の金属アイランドは、複数の開口を通る透過放射が前記金属膜上のプラズモンモードとの共鳴により増強される或る範囲のピーク波長を有するように、前記金属アイランド上に提供される入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の幅を有する前記開口により隔てられる、スペクトル解析素子を製造する方法。 - 前記金属アイランドは少なくとも30個のセルを含み、
前記各セル中の開口の周期は、その他の各セル中の開口の周期と異なり、
各セル中の開口を通るピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記開口の前記周期により増強され、
各セルを通して透過される放射は、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長から少なくとも1nmだけ異なるピーク波長を有し、
前記光検出器アレイは固体状態光検出器セルアレイを含み、
各光検出器セルは、前記金属膜の各セルのそれぞれから所定のピーク波長を有する放射を検出するように構成される、請求項67に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。 - 固定状態光検出器アレイを設けることは、前記基板中又は前記基板上にCCDアレイをフォトリソグラフィにより形成することを含む、請求項68に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。
- 固定状態光検出器アレイを設けることは、CMOSアクティブピクセルアレイをフォトリソグラフィにより形成することを含む、請求項68に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。
- 前記金属アイランド上に周期的又は準周期的な表面形状の構成をフォトリソグラフィにより形成することをさらに含み、
前記金属アイランドは少なくとも30個のセルを含み、
前記各セルの周期的又は準周期的な表面形状の構成は、その他の各セルの周期的又は準周期的な表面形状の構成と異なり、
各セル中の開口を通る、異なるピーク波長を有する前記放射の透過は、前記各セル中の前記周期的又は準周期的な表面形状の表面形体の周期により増強され、
各セルを通して透過される放射は、その他のセルを通して透過される放射のピーク波長から少なくとも1nmだけ異なるピーク波長を有し、
前記光検出器は固体状態光検出器セルアレイを含み、
各光検出器セルは、前記波長分離素子の各セルのそれぞれから所定のピーク波長を有する放射を検出するように構成される、請求項67に記載のスペクトル解析素子を製造する方法。 - 或る範囲の波長を有する入射放射が金属膜又は複数の金属アイランド上の少なくとも1つのプラズモンモードと共鳴するように、入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の幅を有する複数の開口を有する前記金属膜又は前記金属アイランド上に前記入射放射を提供すること、
透過放射が、異なるピーク波長を有する複数の通過帯域に同時に分離されるように、前記複数の開口に前記透過放射を提供すること、
とを含む、波長分離方法。 - 透過放射の各通過帯域を別個に検出することをさらに含む、請求項72に記載の波長分離方法。
- 放射透明基板と、
前記基板上の複数の金属アイランドと、
を備える表面プラズモン共鳴光学素子であって、
隣同士の金属アイランドは、該素子上に提供される入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の距離だけ隔てられ、
前記金属アイランドは、前記入射放射が前記金属アイランド上の少なくとも1つのプラズモンモードと共鳴し、それにより前記複数の金属アイランド間で少なくとも1つの第2のピーク波長を有する放射の透過を増強するように構成される、表面プラズモン共鳴光学素子。 - 前記第1の波長及び前記第2の波長は700nm以下であり、前記隣同士のアイランドは100nm未満で隔てられる、請求項74に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記複数の金属アイランド間の透明領域アレイは、前記複数の金属アイランド間の前記放射の前記透過が前記透明領域アレイの周期により増強されるような周期a0を有する、請求項74に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記透明領域は幅の少なくとも10倍長い長さを有するスリットを含む、請求項76に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記複数の金属アイランドは、前記複数の金属アイランド間の前記放射の前記透過が増強されるような、前記金属アイランドの少なくとも1つの表面上に設けられた周期的な表面形状を有する、請求項74に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記金属アイランド間の透明領域は、幅の少なくとも10倍長い長さを有するスリットを含む、請求項78に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記周期a0は、可視光入射放射の場合、約200nm〜約700nmである、請求項76に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記複数の金属アイランドは前記透明基盤上の複数のリッジ上に配置される、請求項74に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記複数の金属アイランドのそれぞれ1つは、前記複数のリッジの対応する1つの上に配置される、請求項81に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 各金属アイランドのそれぞれは、各リッジの上面上、及び各リッジのそれぞれの少なくとも1つの側面の少なくとも一部上に延在する、請求項82に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 各金属アイランドの長さは幅の少なくとも10倍長く、
各リッジの長さは幅の少なくとも10倍長く、
各金属アイランドは、各リッジの第2の側面上よりも前記各リッジの第1の側面上でより低く延在する、請求項83に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。 - 前記複数のリッジは複数の矩形リッジを含み、
前記基板は放射透明材料の1つ又は複数の層を含む、請求項84に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。 - 前記基板はナノ孔アレイを含む、請求項74に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記基板は、放射透明基板材料上に配置される陽極酸化アルミニウムナノ孔アレイを含む、請求項86に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記複数の金属アイランドは、互いに接続されない複数の離散金属アイランドを含む、請求項74に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記少なくとも1つの所定の第1の波長を有する前記入射放射を発するようになっている放射源と、
前記基板及び前記複数の金属アイランド間を透過する前記放射を検出するようになっている放射検出器と、
をさらに備える、請求項74に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。 - 放射透明基板を設けること、
該透明基板上に複数の金属アイランドを形成すること、
とを含む、表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法であって、
隣同士の金属アイランドは該素子上に提供される入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の距離だけ隔てられ、
前記金属アイランドは、前記入射放射が前記金属アイランド上の少なくとも1つのプラズモンモードと共鳴し、それにより前記複数の金属アイランド間で少なくとも1つの第2のピーク波長を有する放射の透過を増強するように構成される、表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。 - 前記基板は第1の表面上に複数のリッジを含み、
前記複数の金属アイランドを形成するステップは、金属が前記リッジ間に塗布されないように、前記複数のリッジ上に前記金属アイランドを選択的に塗布することを含む、請求項90に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。 - 前記選択的に塗布するステップは、金属を前記リッジ上に、該リッジの上面に対して非直交方向に向けることにより前記金属アイランドを角度付きで塗布することを含む、請求項91に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
- 前記リッジは平坦な上面を含み、前記金属は前記平坦な上面に対して20〜70度の角度に向けられる、請求項92に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
- 前記選択的に塗布するステップは、前記基板がターゲットに対して20〜70度だけ傾けられるように前記ターゲットから前記基板上に金属を提供することを含む、請求項19に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
- リソグラフィを利用して前記複数のリッジを形成することをさらに含む、請求項91に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
- 前記複数のリッジを形成するステップは、
前記基板の前記第1の表面上にフォトレジスト層を形成すること、
前記フォトレジスト層を選択的に露光すること、
前記露光されたフォトレジスト層をパターニングすること、
前記パターニングされたフォトレジスト層をマスクとして使用して、前記基板の前記第1の表面をエッチングして、前記リッジを形成すること、
とを含む、請求項95に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。 - 前記フォトレジスト層を選択的に露光するステップは、前記フォトレジスト層をホログラフィックに露光することを含み、
前記選択的に塗布することは、金属を前記リッジ上に、該リッジの上面に対して非直交方向に向けることにより前記金属アイランドを角度付きで塗布することを含む、請求項96に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。 - 前記複数の金属アイランドを形成するステップは、
透明基板の回折格子パターンが第1の金属層の上面に移るように該回折格子パターンの該基板上に該第1の金属層を形成すること、
ナノ孔が前記第1の金属層の前記上面の前記回折格子パターンのトラフに選択的に形成されるように前記第1の金属層を陽極酸化すること、
前記ナノ孔に前記金属アイランドを選択的に成長させること、
とを含む、請求項95に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。 - 前記複数の金属アイランドを形成するステップは、
材料の回折格子パターンが第1の金属層の上面に移るように該回折格子パターンの該材料上に該第1の金属層を形成すること、
ナノ孔が前記第1の金属層の前記上面の前記回折格子パターンのトラフに選択的に形成されるように前記第1の金属層を陽極酸化すること、
テンプレート材料のリッジが前記ナノ孔中に延在するように、前記陽極酸化された第1の金属層上に前記テンプレート材料を塗布すること、
前記陽極酸化された第1の金属層から前記テンプレート材料を分離すること、
前記テンプレート材料上に前記金属アイランドを選択的に形成すること、
とを含む、請求項95に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。 - 前記複数の金属アイランドを形成するステップは、
前記基板上に金属層を形成すること、
前記金属層をパターニングして前記複数の金属アイランドにすること、
とを含む、請求項90に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。 - 前記パターニングするステップは、
前記金属層の第1の面にフォトレジスト層を形成すること、
前記フォトレジスト層を選択的に露光すること、
前記露光されたフォトレジスト層をパターニングすること、
前記パターニングされたフォトレジスト層をマスクとして使用して、前記金属層をエッチングして前記複数のアイランドにすること、
とを含む、請求項100に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。 - 前記フォトレジスト層を選択的に露光するステップは、前記フォトレジスト層をホログラフィックに露光することを含む、請求項101に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
- 前記複数の金属アイランドを形成するステップは、
前記基板の前記第1の表面上にフォトレジスト層を形成すること、
前記フォトレジスト層を選択的に露光すること、
前記露光されたフォトレジスト層をパターニングすることであって、それにより前記基板の前記第1の表面の部分を露出する、パターニングすること、
前記パターニングされたフォトレジスト層上及び前記基板の前記第1の表面の露出部分上に金属層を形成すること、
前記パターニングされたフォトレジスト層及び該パターニングされたフォトレジスト層上にある前記金属層の部分を剥離することであって、それにより前記基板の前記第1の表面上に複数の金属アイランドを残す、剥離すること、
とを含む、請求項90に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。 - 前記フォトレジスト層を選択的に露光するステップは、前記フォトレジスト層をホログラフィックに露光することを含む、請求項103に記載の表面プラズモン共鳴光学素子を製造する方法。
- 放射透明基板及び該基板の少なくとも1つの表面上に配置される複数の金属アイランドを備える波長分離素子を設けること、
前記波長分離素子上に入射放射を提供すること、
前記波長分離素子を通して少なくとも1つの第1のピーク波長を有する放射を透過させること、
とを含む放射透過であって、
前記入射放射は前記金属アイランド上の少なくとも1つのプラズモンモードと共鳴して、前記波長分離素子を通して透過された前記放射を増強する、放射透過方法。 - 前記入射放射及び前記透過放射は可視光を含む、請求項105に記載の放射透過方法。
- 隣同士の金属アイランドは100nm未満だけ隔てられ、前記可視光は前記金属アイランド間で透過される、請求項106に記載の放射透過方法。
- 前記少なくとも1つのプラズモンモードは、金属アイランド/隣接誘電体界面を含む平面に沿って表面プラズモン共鳴を含み、表面プラズモン共鳴は前記金属アイランドの側壁
に沿って局在する、請求項107に記載の放射透過方法。 - 前記金属アイランド間の透明領域は、幅よりも少なくとも10倍長い長さを有するスリットを備え、
前記スリット幅は、表面プラズモン励起が共鳴ポイントからずれ、それによって前記金属表面に沿った正味電力流が前記透明領域中にじょうごに注ぎ込まれるようにして入り、次いで伝搬透過ビームを形成する放射モードに分かれるように選択される、請求項108に記載の放射透過方法。 - 前記スリット幅は、前記金属アイランドへの前記入射放射の侵入深さ約1〜約3つ分である、請求項109に記載の放射透過方法。
- 高波長での透過放射の強度と主通過帯域放射のピーク透過の強度の比は0.4以下である、請求項109に記載の放射透過方法。
- 前記複数の金属アイランド間の透明領域アレイは、前記複数の金属アイランド間の前記放射の前記透過が前記透明領域アレイの周期により増強されるような周期a0を有する、請求項105に記載の放射透過方法。
- 前記透明領域は、幅の少なくとも10倍長い長さを有するスリットを含む、請求項112に記載の放射透過方法。
- 前記複数の金属アイランドは、前記複数の金属アイランド間の前記放射の前記透過が増強されるような、前記金属アイランドの少なくとも1つの表面上に設けられた前記周期的な表面形状を有する、請求項105に記載の放射透過方法。
- 前記周期a0は、約200nm〜約700nmである、請求項113に記載の放射透過方法。
- 前記複数の金属アイランドは、前記透明基板上の複数のリッジ上に配置され、
前記複数の金属アイランドのそれぞれ1つは、前記複数のリッジの対応する1つの上に配置される、請求項105に記載の放射透過方法。 - 前記複数の金属アイランドは、互いに接続されない複数の離散金属アイランドを含む、請求項105に記載の放射透過方法。
- 前記透過放射を検出することをさらに含む、請求項105に記載の放射透過方法。
- 放射透明基板と、
第1の手段であって、入射放射が該第1の手段上の少なくとも1つのプラズモンモードと共鳴して、該第1の手段を通して透過される少なくとも1つの第1のピーク波長を有する放射を増強するように該入射放射を受け、前記少なくとも1つの第1のピーク波長を有する前記放射を透過する第1の手段と、
を備える、表面プラズモン共鳴光学素子。 - 放射透明基板と、
該基板上の複数の金属アイランドと、
該金属アイランドを隔てる複数のスリット形透明領域と、
を備える表面プラズモン共鳴光学素子であって、
入射放射が前記金属アイランドに提供されるとき、前記透明領域の最も狭いポイントで
の幅は、前記金属アイランドの表面プラズモン場の侵入深さの約1〜約3つ分の範囲を有する、表面プラズモン共鳴光学素子。 - 前記アイランドは100nm未満だけ隔てられる、請求項120に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記アイランドは約40nm〜約60nmだけ隔てられる、請求項121に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 間に少なくとも1つの透明領域を有し、上に非金属形状を有する複数の金属アイランドを備える表面プラズモン共鳴光学素子であって、該金属アイランドは、入射放射が前記金属アイランド上の少なくとも1つのプラズモンモードと共鳴し、それにより前記複数の金属アイランド間で少なくとも1つのピーク波長を有する放射の透過を増強するように構成される、表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記非金属形状は、前記金属アイランド上に周期的又は準周期的に配置された誘電体形体を含む、請求項123に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記非金属形状は、可変屈折率を有する、前記金属アイランド上の少なくとも1つの誘電層を含む、請求項123に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 少なくとも1つのアパーチャ及び上に非金属形状を有する金属膜を備える金属プラズモン共鳴光学素子であって、該金属膜は、入射放射が該金属膜上の少なくとも1つのプラズモンモードと共鳴し、それにより前記少なくとも1つのアパーチャを通る少なくとも1つのピーク波長を有する放射の透過を増強するように構成される、金属プラズモン共鳴光学素子。
- 前記非金属形状は、前記金属膜上に周期的又は準周期的に配置される誘電体形体を含む、請求項126に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記非金属形状は、可変屈折率を有する、前記金属膜上の少なくとも1つの誘電層を含む、請求項126に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 2つ以上の積層金属膜又は2つ以上の金属アイランド層を備える表面プラズモン共鳴光学素子であって、各金属膜又は各金属アイランド層は、提供される入射放射の少なくとも1つの所定の第1の波長未満の幅を有する複数の開口の2次元アレイを含み、前記金属膜又は前記金属アイランドは、前記入射放射が該金属膜又は該金属アイランド上の少なくとも1つのプラズモンモードと共鳴するように構成される、表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記金属膜又は前記金属アイランド層は、前記素子に提供される前記入射放射に略直交するように積層される、請求項129に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記素子を透過する放射は、単一金属膜又は単一金属アイランド層のみを備える素子を通して透過される放射と比較して、より低い強度を有するサイドピーク、より低い背景透過、及び狭い主通過帯域幅を有するように構成される、請求項129に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 第1の金属膜又は第1の金属アイランド層の開口は、第2の金属膜又は第2の金属アイランド層の対応する開口からずれる、請求項129に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
- 前記ずれは、前記第1の膜又は層及び前記第2の膜又は層のスペクトルプロファイルの重複を調整することによって前記素子の帯域通過特性を向上させるように選択される、請求項132に記載の表面プラズモン共鳴光学素子。
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