JP2009026360A - 光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子において、光ビームなどの電磁波の透過率を高める。
【解決手段】第一導電性部材１０と、第一導電性部材１０の表面１２２および裏面１４２に開口する第一開口部１３と、第一導電性部材１０の表面１２２に、第一開口部１３を中心とした同心円状に設けられた第一中心側溝部１２ａと、を備え、第一開口部１３は、電磁波を受け、表面１２２に開口する直径ｄ１の表面側開口部１３ａと、裏面１４２に開口する直径ｄ２の裏面側開口部１３ｂとを有し、電磁波の波長をλとしたときに、ｄ２＜ｄ１かつｄ２＜λである光学素子１。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小な開口に光ビームを照射して透過させる光学素子に関する。

従来より、光ビームを、光ビームの波長以下の微小な開口に照射して透過させ、開口と同程度に微小な光スポットを得るための光学素子が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１を参照）。例えば、光記録媒体の書き込みまたは読み取り用の光ビームのスポットを微小にできれば、光記録媒体の記録密度の向上のために有益である。

国際公開２００５−２９１６４号パンフレット 米国特許第７０５７１５１号明細書 K. ISHIHARAet al., "Terahertz Wave Enhanced Transmission through a Single SubwavelengthAperture with Periodic Surface Structures", Japanese Journal of Applied Physics,Vol. 44, No. 32, 2005, pp. L 1005-L 1007

本発明は、上記のような光学素子において、光ビームなどの電磁波の透過率を高めることを課題とする。

本発明にかかる光学素子は、第一導電性部材と、前記第一導電性部材の表面および裏面に開口する第一開口部と、前記第一導電性部材の表面に、前記第一開口部を中心とした同心円状に設けられた第一中心側溝部と、を備え、前記第一開口部は、電磁波を受け、前記表面に開口する直径ｄ１の表面側開口部と、前記裏面に開口する直径ｄ２の裏面側開口部と、を有し、前記電磁波の波長をλとしたときに、ｄ２＜ｄ１かつｄ２＜λであるように構成される。

上記のように構成された第一導電性部材を備える光学素子によれば、第一開口部は、前記第一導電性部材の表面および裏面に開口する。第一中心側溝部は、前記第一導電性部材の表面に、前記第一開口部を中心とした同心円状に設けられている。前記第一開口部は、電磁波を受け、前記表面に開口する直径ｄ１の表面側開口部と、前記裏面に開口する直径ｄ２の裏面側開口部とを有する。前記電磁波の波長をλとしたときに、ｄ２＜ｄ１かつｄ２＜λである。

なお、本発明にかかる光学素子は、前記第一導電性部材の表面に、前記第一中心側溝部よりも前記第一開口部から遠い位置に、前記第一開口部を中心とした同心円状に設けられた第一遠心側溝部、を備え、前記第一中心側溝部の溝の間隔をｇ１、前記第一遠心側溝部の溝の間隔をｇ２、ｍを正の奇数としたときに、ｇ２＝（ｍ／２）・ｇ１であるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光学素子は、第二導電性部材と、前記第二導電性部材を貫通し、前記第一開口部に対して開口する第二開口部と、前記第二導電性部材の表面に、前記第二開口部を中心とした同心円状に設けられた第二中心側溝部と、を備え、前記第二導電性部材の裏面が、前記第一導電性部材の裏面に接し、前記第二開口部の直径ｄ３は、ｄ２＜ｄ３であるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光学素子は、前記第二導電性部材の表面に、前記第二中心側溝部よりも前記第二開口部から遠い位置に、前記第二開口部を中心とした同心円状に設けられた第二遠心側溝部を備え、前記第二中心側溝部の溝の間隔をｈ１、前記第二遠心側溝部の溝の間隔をｈ２、ｎを正の奇数としたときに、ｈ２＝（ｎ／２）・ｈ１であるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光学素子は、前記第一導電性部材が金属または半導体であるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光学素子は、前記第二導電性部材が金属または半導体であるようにしてもよい。

なお、本発明にかかる光学素子は、前記裏面側開口部の中心軸上に焦点を有するレンズを備えるようにしてもよい。

本発明にかかる光学素子は、第一導電性部材と、前記第一導電性部材の表面に開口する第一開口部と、前記第一導電性部材の裏面に設けられた光伝導部と、前記光伝導部に設けられ、不連続となっている導電部と、前記第一導電性部材の表面に、前記第一開口部を中心とした同心円状に設けられた第一中心側溝部と、を備え、前記第一開口部は、電磁波を受け、前記表面に開口する直径ｄ１の表面側開口部と、前記表面側開口部に開口し、前記表面側開口部よりも前記裏面側にある直径ｄ２の裏面側開口部と、を有し、前記電磁波の波長をλとしたときに、ｄ２＜ｄ１かつｄ２＜λであり、前記導電部が不連続となっている前記光伝導部の不連続部分は、前記裏面側開口部を前記光伝導部にまで延長したと仮定した場合に、その延長部分上にあり、前記表面側開口部はテラヘルツ波を受け、前記不連続部分はサンプリング光を受けるように構成される。

上記のように構成された第一導電性部材を備える光学素子によれば、第一開口部が、前記第一導電性部材の表面に開口する。光伝導部が、前記第一導電性部材の裏面に設けられている。導電部が、前記光伝導部に設けられ、不連続となっている。第一中心側溝部が、前記第一導電性部材の表面に、前記第一開口部を中心とした同心円状に設けられている。前記第一開口部は、電磁波を受け、前記表面に開口する直径ｄ１の表面側開口部と、前記表面側開口部に開口し、前記表面側開口部よりも前記裏面側にある直径ｄ２の裏面側開口部とを有している。前記電磁波の波長をλとしたときに、ｄ２＜ｄ１かつｄ２＜λである。前記導電部が不連続となっている前記光伝導部の不連続部分は、前記裏面側開口部を前記光伝導部にまで延長したと仮定した場合に、その延長部分上にある。前記表面側開口部はテラヘルツ波を受け、前記不連続部分はサンプリング光を受ける。

なお、本発明にかかる光学素子は、前記第一導電性部材の表面に、前記第一中心側溝部よりも前記第一開口部から遠い位置に、前記第一開口部を中心とした同心円状に設けられた第一遠心側溝部を備え、前記第一中心側溝部の溝の間隔をｇ１、前記第一遠心側溝部の溝の間隔をｇ２、ｍを正の奇数としたときに、ｇ２＝（ｍ／２）・ｇ１であるようにしてもよい。

本発明にかかる光学素子は、導電性部材と、電磁波を受け、前記導電性部材の表面に開口する直径ｄ０の開口部と、前記導電性部材の表面に、前記開口部を中心とした同心円状に設けられた中心側溝部と、を備え、前記電磁波の波長をλとしたときに、ｄ０＜λであり、前記中心側溝部が、前記開口部に隣接する隣接溝を有するように構成される。

上記のように構成された導電性部材を備える光学素子によれば、開口部が、電磁波を受け、前記導電性部材の表面に開口する直径ｄ０のものである。中心側溝部が、前記導電性部材の表面に、前記開口部を中心とした同心円状に設けられている。しかも、前記電磁波の波長をλとしたときに、ｄ０＜λである。前記中心側溝部が、前記開口部に隣接する隣接溝を有する。

なお、本発明にかかる光学素子は、前記導電性部材の表面に、前記中心側溝部よりも前記開口部から遠い位置に、前記開口部を中心とした同心円状に設けられた遠心側溝部を備え、前記中心側溝部の溝の間隔をｇ１、前記遠心側溝部の溝の間隔をｇ２、ｍを正の奇数としたときに、ｇ２＝（ｍ／２）・ｇ１であるようにしてもよい。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。

第一の実施形態
図１は、本発明の第一の実施形態にかかる光学素子１の平面図（図１（ａ））、ｂ−ｂ断面図（図１（ｂ））である。第一の実施形態にかかる光学素子１は、第一導電性部材１０、第一開口部１３、第一中心側溝部１２ａ、第一遠心側溝部１２ｂを備える。

第一導電性部材１０は、表面部材１２、裏面部材１４を有する。図１（ｂ）を参照して、表面部材１２の裏面（下の面）と、裏面部材１４の表面（上の面）とが接している。表面部材１２の表面１２２（上の面）が第一導電性部材１０の表面である。裏面部材１４の裏面１４２（下の面）が第一導電性部材１０の裏面である。表面部材１２および裏面部材１４は金属または半導体である。なお、図１においては、表面部材１２と裏面部材１４とが別体であるが、表面部材１２と裏面部材１４とが一体であってもよい（例えば、図６参照）。

第一開口部１３は、第一導電性部材１０の表面１２２および裏面１４２に開口する。第一開口部１３は、表面側開口部１３ａ、裏面側開口部１３ｂを有する。表面側開口部１３ａは、波長λの電磁波（例えば、光波またはテラヘルツ波）を受け、表面１２２に開口する。表面側開口部１３ａは直径ｄ１の孔である（ｄ１は正の実数）。裏面側開口部１３ｂは、裏面１４２に開口する。裏面側開口部１３ｂは直径ｄ２の孔である（ｄ２は正の実数）。なお、ｄ２＜ｄ１かつｄ２＜λである。

なお、表面部材１２の厚さは、電磁波の表皮深さδ１(=(2／(ωμσ1))^1/2)を超えることが好ましい。また、裏面部材１４の厚さは、電磁波の表皮深さδ２(=(2／(ωμσ2))^1/2)を超えることが好ましい。ただし、ω：波長λの電磁波の角周波数、μ:透磁率(4π×10⁻⁷)、σ1：表面部材１２の導電率、σ2：裏面部材１４の導電率である。第一導電性部材１０の第一開口部１３以外の部分を波長λの電磁波が透過しないようにすることが好ましいからである。

第一中心側溝部１２ａは、第一導電性部材１０の表面１２２に、第一開口部１３を中心とした同心円状に設けられた溝である。なお、図１（ｂ）においては、表面１２２からみて凸の部分を形成して溝を設けている。しかし、表面１２２に凹部を形成して溝を設けるようにしてもよい（例えば、図６参照）。第一中心側溝部１２ａの溝どうしの間隔（ピッチ）ｇ１＝λとしてもよい。または、ｇ１＝λ／（（εｍ・εｄ／（εｍ＋εｄ））^１／２）としてもよい（例えば、特許文献１を参照）。ただし、εｍは表面部材１２の誘電率、εｄは表面部材１２に隣接する誘電媒体の誘電率である。

第一遠心側溝部１２ｂは、第一導電性部材１０の表面１２２に、第一中心側溝部１２ａよりも第一開口部１３から遠い位置に、第一開口部１３を中心とした同心円状に設けられた溝である。第一遠心側溝部１２ｂの溝どうしの間隔（ピッチ）ｇ２は、ｍを正の奇数としたときに、ｇ２＝（ｍ／２）・ｇ１である。なお、図１に示す例ではｍ＝１としている。ｍ＝１の方が、ｍ≧３の場合に比べて、後述する表面プラズモンポラリトンの減衰が少ないので、ｍ＝１が好ましい。

なお、図１（ａ）においては、図示の便宜上、第一中心側溝部１２ａおよび第一遠心側溝部１２ｂにおいて表面１２２からみて凸の部分に模様を付した。さらに、図１（ａ）においては、図示の便宜上、第一開口部１３と第一中心側溝部１２ａとの境界、第一中心側溝部１２ａと第一遠心側溝部１２ｂとの境界および第一遠心側溝部１２ｂの外周を示す線分を太くしてある。

次に、第一の実施形態にかかる光学素子１の動作を説明する。図２は、第一の実施形態にかかる光学素子１にテラヘルツ波Ｌを与えて検出する測定系の構成を示す図である。ただし、図２は図１（ｂ）に対応している。なお、テラヘルツ波Ｌは光波でもよい。

まず、検出器２０を裏面側開口部１３ｂの直下に配置する。検出器２０は、テラヘルツ波（または光波）を検出するものである。

次に、テラヘルツ波Ｌを表面側開口部１３ａに入射する。すると、第一導電性部材１０の表面１２２に第一中心側溝部１２ａが設けられているので、表面プラズモンポラリトンが励起される。表面プラズモンポラリトンは表面波と結合し、表面側開口部１３ａを通過し、さらに裏面側開口部１３ｂを通過する。

なお、第一中心側溝部１２ａにて励起された表面プラズモンポラリトンの一部は、表面側開口部１３ａから遠ざかるように移動してしまう。しかし、第一遠心側溝部１２ｂによりブラッグ反射して表面側開口部１３ａに集められる。集められた表面プラズモンポラリトンは、表面側開口部１３ａを通過し、さらに裏面側開口部１３ｂを通過する。

裏面側開口部１３ｂを通過したテラヘルツ波（または光波）は検出器２０により検出される。

第一の実施形態にかかる光学素子１によれば、裏面側開口部１３ｂの直径ｄ２が波長λよりも小さいので、光学素子１を透過するテラヘルツ波のスポットの直径を、直径ｄ２と同程度に小さくすることができる。

しかも、テラヘルツ波が透過する表面側開口部１３ａの直径ｄ１が、裏面側開口部１３ｂの直径ｄ２よりも大きいので、テラヘルツ波の透過率を高める（電界が集中する）ことができる。例えば、表面側開口部１３ａの直径がｄ２であると仮定した場合に比べると、表面側開口部１３ａの直径がｄ１である第一の実施形態の方が、テラヘルツ波の透過率が高い。

第二の実施形態
第二の実施形態にかかる光学素子１は、第一の実施形態にかかる光学素子１の裏面１４２に、第二導電性部材６を付したものである。

図３は、本発明の第二の実施形態にかかる光学素子１の断面図（図１（ｂ）に対応）である。なお、第二の実施形態にかかる光学素子１の平面図および底面図は図１（ａ）と同様なので図示省略する。

第二の実施形態にかかる光学素子１は、第一導電性部材１０、第一開口部１３、第一中心側溝部１２ａ、第一遠心側溝部１２ｂ、第二導電性部材６、第二開口部１３ｃ、第二中心側溝部６ａ、第二遠心側溝部６ｂを備える。

第一導電性部材１０、第一開口部１３、第一中心側溝部１２ａおよび第一遠心側溝部１２ｂは第一の実施形態と同様であり説明を省略する。

第二導電性部材６は金属または半導体である。なお、第二導電性部材６を第一導電性部材１０と一体にすることも考えられる。また、第二導電性部材６の裏面６４が、第一導電性部材１０の裏面１４２に接する。

第二開口部１３ｃは、第二導電性部材６を貫通し、第一開口部１３に対して開口する。なお、第二開口部１３ｃは直径ｄ３の孔であり、ｄ２＜ｄ３である。例えば、ｄ３＝ｄ１である。第二開口部１３ｃは、波長λ’の電磁波（例えば、光波またはテラヘルツ波）を受ける。

第二中心側溝部６ａは、第二導電性部材６の表面６２に、第二開口部１３ｃを中心とした同心円状に設けられた溝である。第二中心側溝部６ａの溝どうしの間隔（ピッチ）ｈ１＝λ’としてもよい。または、ｈ１＝λ’／（（εｍ’・εｄ’／（εｍ’＋εｄ’））^１／２）としてもよい（例えば、特許文献１を参照）。ただし、εｍ’は第二導電性部材６の誘電率、εｄ’は第二導電性部材６に隣接する誘電媒体の誘電率である。

第二遠心側溝部６ｂは、第二導電性部材６の表面６２に、第二中心側溝部６ａよりも第二開口部１３ｃから遠い位置に、第二開口部１３ｃを中心とした同心円状に設けられた溝である。第二遠心側溝部６ｂの溝どうしの間隔（ピッチ）ｈ２は、ｎを正の奇数としたときに、ｈ２＝（ｎ／２）・ｈ１である。なお、図３に示す例では、ｎ＝１としている。ｎ＝１の方が、ｎ≧３の場合に比べて、表面プラズモンポラリトンの減衰が少ないので、ｎ＝１が好ましい。

また、λ＝λ’として、ｈ１＝ｇ１、ｈ２＝ｇ２としてもよい。さらに、第二導電性部材６と表面部材１２とを全く同じ形状にしてもよい。

次に、第二の実施形態にかかる光学素子１の動作を説明する。

波長λのテラヘルツ波（光波でもよい）を表面側開口部１３ａが受けると、裏面側開口部１３ｂで電界が集中し、第二開口部１３ｃから出射される。第二開口部１３ｃの直下にテラヘルツ波の検出器を配置すれば、テラヘルツ波を検出できる。

波長λ’のテラヘルツ波（光波でもよい）を第二開口部１３ｃが受けると、裏面側開口部１３ｂで電界が集中し、表面側開口部１３ａから出射される。表面側開口部１３ａの直上にテラヘルツ波の検出器を配置すれば、テラヘルツ波を検出できる。

第二の実施形態にかかる光学素子１によれば、光学素子１の表面１２２の方からテラヘルツ波を入射した場合は、第一の実施形態と同様な効果を奏する。

さらに、光学素子１の第二導電性部材６の方からテラヘルツ波を入射した場合は、裏面側開口部１３ｂの直径ｄ２が波長λよりも小さいので、光学素子１を透過するテラヘルツ波のスポットの直径を、直径ｄ２と同程度に小さくすることができる。

しかも、テラヘルツ波が透過する第二開口部１３ｃの直径ｄ３が、裏面側開口部１３ｂの直径ｄ２よりも大きいので、テラヘルツ波の透過率を高める（電界が集中する）ことができる。例えば、第二開口部１３ｃの直径がｄ２であると仮定した場合に比べると、第二開口部１３ｃの直径がｄ３である方が、テラヘルツ波の透過率が高い。

第三の実施形態
第三の実施形態にかかる光学素子１は、第一の実施形態にかかる光学素子１の裏面１４２に、レンズ８を付したものである。

図４は、本発明の第三の実施形態にかかる光学素子１の断面図（図１（ｂ）に対応）である。なお、第三の実施形態にかかる光学素子１の平面図は図１（ａ）と同じなので図示省略する。

第三の実施形態にかかる光学素子１は、第一導電性部材１０、第一開口部１３、第一中心側溝部１２ａ、第一遠心側溝部１２ｂ、レンズ８を備える。

第一導電性部材１０、第一開口部１３、第一中心側溝部１２ａ、第一遠心側溝部１２ｂは第一の実施形態と同様であり説明を省略する。

レンズ８は、裏面側開口部１３ｂの中心軸Ｃ上に焦点を有する。

次に、第三の実施形態にかかる光学素子１の動作を説明する。

テラヘルツ波（光波でもよい）を表面側開口部１３ａに入射すると、テラヘルツ波は裏面側開口部１３ｂを通過する。ここまでは、第一の実施形態の動作と同様であり、説明を省略する。

裏面側開口部１３ｂを通過したテラヘルツ波は、レンズ８を通過する。

第三の実施形態によれば、第一の実施形態と同様にテラヘルツ波の透過率を高めることができ、しかも高いパワーのテラヘルツ波をレンズ８を介して放射することができる。

第四の実施形態
第四の実施形態にかかる光学素子１は、第一の実施形態にかかる光学素子１を半導体基板３２を用いて実装し、テラヘルツ波検出を行うようにしたものである。

図５は、本発明の第四の実施形態にかかる光学素子１の平面図（図５（ａ））、底面図（図５（ｂ））、側面図（図５（ｃ））である。図６は、第四の実施形態にかかる光学素子１のVI―VI断面図である。

第四の実施形態にかかる光学素子１は、半導体基板（第一導電性部材）３２、光伝導膜３４、金属膜（導電部）３６、電流計３８、第一中心側溝部１２ａ、第一遠心側溝部１２ｂ、第一開口部１３を備える。

半導体基板（第一導電性部材）３２は、第一の実施形態の第一導電性部材１０の表面部材１２と裏面部材１４とが一体になったものに相当する。ただし、半導体基板３２は、GaAsなどの半導体基板である。

光伝導膜３４は、半導体基板（第一導電性部材）３２の裏面３２４に、低温成長GaAsにより設けられた膜である。なお、裏面側開口部１３ｂを覆う光伝導膜３４の部分を覆い部分３７という（図５（ｂ）、図６参照）。

金属膜（導電部）３６は、光伝導膜３４に設けられ、アンテナとして機能する。金属膜３６は、第一金属膜３６ａおよび第二金属膜３６ｂを有する。第一金属膜３６ａおよび第二金属膜３６ｂは、覆い部分３７において不連続となっている。例えば、金属膜３６を覆い部分３７においても連続した膜として形成してから、覆い部分３７における金属膜３６を除去すれば、第一金属膜３６ａおよび第二金属膜３６ｂを形成することができる。

電流計３８は、第一金属膜３６ａと第二金属膜３６ｂとに流れる電流を計測する。

第一中心側溝部１２ａ、第一遠心側溝部１２ｂ、第一開口部１３はほぼ第一の実施形態と同様である。ただし、これらが形成される半導体基板３２は、第一の実施形態とは異なり、一体型である。また、第一中心側溝部１２ａおよび第一遠心側溝部１２ｂは、半導体基板３２の表面３２２に設けられる。第一開口部１３の表面側開口部１３ａは表面３２２に開口し、第一開口部１３の裏面側開口部１３ｂは表面側開口部１３ａに開口し、表面側開口部１３ａよりも裏面３２４側にある。すなわち、裏面側開口部１３ｂは、裏面３２４に開口するとは限らない。一般的には、裏面側開口部１３ｂは、裏面３２４のかなり近くまで延伸するものの、裏面３２４に開口しない。光伝導膜３４を半導体基板３２の裏面３２４に設けてから、半導体基板３２を掘ることにより第一開口部１３を設けることが一般的であるところ、半導体基板３２を掘る際に光伝導膜３４を傷つけないようにすることが好ましいからである。また、裏面側開口部１３ｂを光伝導膜３４にまで延長したと仮定した場合、その延長部分上にある光伝導膜３４の部分を覆い部分（不連続部分）３７という（図５（ｂ）、図６参照）。

次に、第四の実施形態にかかる光学素子１の動作を説明する。

テラヘルツ波を表面側開口部１３ａに入射すると、テラヘルツ波は裏面側開口部１３ｂを通過する。ここまでは、第一の実施形態の動作と同様であり、説明を省略する。

一方、覆い部分３７にはサンプリング光を入射する。すると、裏面側開口部１３ｂを通過したテラヘルツ波の電界に相当した光伝導電流が、第一金属膜３６ａと第二金属膜３６ｂとに流れる。光伝導電流は、電流計３８により計測される。

第四の実施形態にかかる光学素子１によれば、裏面側開口部１３ｂを通過したテラヘルツ波の電界が高くなるため、テラヘルツ波の検出効率が向上する。

第五の実施形態
第五の実施形態は、第一の実施形態における光学素子１の第一開口部１３の直径をｄ０（＜λ）に統一し、さらに、第一中心側溝部１２ａの形状に変更を加えたものである。

図７は、第五の実施形態にかかる光学素子１の平面図（図７（ａ））、ｂ−ｂ断面図（図７（ｂ））である。第五の実施形態にかかる光学素子１は、導電性部材１１、開口部１５、中心側溝部１６ａ、遠心側溝部１６ｂを備える。

導電性部材１１は、金属または半導体である。

開口部１５は、導電性部材１１の表面１１２および裏面に開口する。開口部１５は、波長λの電磁波（例えば、光波またはテラヘルツ波）を受け、直径ｄ０の孔である（ｄ０は正の実数）。なお、ｄ０＜λである。

なお、導電性部材１１の厚さは、電磁波の表皮深さδ(=(2／(ωμσ))^1/2)を超えることが好ましい。ただし、ω：波長λの電磁波の角周波数、μ:透磁率(4π×10⁻⁷)、σ：導電性部材１１の導電率である。導電性部材１１の開口部１５以外の部分を波長λの電磁波が透過しないようにすることが好ましいからである。

中心側溝部１６ａは、導電性部材１１の表面１１２に、開口部１５を中心とした同心円状に設けられた溝である。なお、図７（ｂ）においては、表面１１２からみて凸の部分を形成して溝を設けている。しかし、表面１１２に凹部を形成して溝を設けるようにしてもよい（例えば、図６参照）。中心側溝部１６ａの溝どうしの間隔（ピッチ）ｇ１＝λとしてもよい。または、ｇ１＝λ／（（εｍ・εｄ／（εｍ＋εｄ））^１／２）としてもよい（例えば、特許文献１を参照）。ただし、εｍは導電性部材１１の誘電率、εｄは導電性部材１１に隣接する誘電媒体の誘電率である。

なお、中心側溝部１６ａは隣接溝１６２ａを有する。隣接溝１６２ａは開口部１５に隣接する溝である。この点が第一の実施形態と異なる。第一の実施形態においては、図１を参照すると、第一開口部１３には凸の部分が隣接している。隣接溝１６２ａの存在により、直径ｄ０の開口部１５の上に、直径２（ｇ１−ｗ）＋ｄ０の孔が存在しているような状態になっている。ただし、ｗは凸の部分の幅である。

遠心側溝部１６ｂは、導電性部材１１の表面１１２に、中心側溝部１６ａよりも開口部１５から遠い位置に、開口部１５を中心とした同心円状に設けられた溝である。遠心側溝部１６ｂの溝どうしの間隔（ピッチ）ｇ２は、ｍを正の奇数としたときに、ｇ２＝（ｍ／２）・ｇ１である。なお、図７に示す例ではｍ＝１としている。ｍ＝１の方が、ｍ≧３の場合に比べて、後述する表面プラズモンポラリトンの減衰が少ないので、ｍ＝１が好ましい。

なお、図７（ａ）においては、図示の便宜上、中心側溝部１６ａおよび遠心側溝部１６ｂにおいて表面１１２からみて凸の部分に模様を付した。さらに、図７（ａ）においては、図示の便宜上、開口部１５と隣接溝１６２ａとの境界、隣接溝１６２ａと中心側溝部１６ａとの境界、中心側溝部１６ａと遠心側溝部１６ｂとの境界および遠心側溝部１６ｂの外周を示す線分を太くしてある。

次に、第五の実施形態にかかる光学素子１の動作を説明する。

まず、検出器を開口部１５の直下に配置する。検出器は、テラヘルツ波（または光波）を検出するものである。

次に、テラヘルツ波を開口部１５に入射する。すると、導電性部材１１の表面１１２に中心側溝部１６ａが設けられているので、表面プラズモンポラリトンが励起される。表面プラズモンポラリトンは表面波と結合し、開口部１５を通過する。

なお、中心側溝部１６ａにて励起された表面プラズモンポラリトンの一部は、開口部１５から遠ざかるように移動してしまう。しかし、遠心側溝部１６ｂによりブラッグ反射して開口部１５に集められる。集められた表面プラズモンポラリトンは、開口部１５を通過する。

開口部１５を通過したテラヘルツ波（または光波）は検出器２０により検出される。

第五の実施形態にかかる光学素子１によれば、開口部１５の直径ｄ０が波長λよりも小さいので、光学素子１を透過するテラヘルツ波のスポットの直径を、直径ｄ０と同程度に小さくすることができる。

しかも、隣接溝１６２ａの存在により、テラヘルツ波が開口部１５を透過する前に、開口部１５の上にある直径２（ｇ１−ｗ）＋ｄ０の孔を透過することに等しい状態となる。２（ｇ１−ｗ）＋ｄ０＞ｄ０であるため、テラヘルツ波の透過率を高める（電界が集中する）ことができる。例えば、第五の実施形態において、隣接溝１６２ａが存在せず、凸の部分が開口部１５に隣接しているとすると仮定した場合に比べると、第五の実施形態の方が、テラヘルツ波の透過率が高い。

本発明の第一の実施形態にかかる光学素子１の平面図（図１（ａ））、ｂ−ｂ断面図（図１（ｂ））である。 第一の実施形態にかかる光学素子１にテラヘルツ波Ｌを与えて検出する測定系の構成を示す図である。 本発明の第二の実施形態にかかる光学素子１の断面図（図１（ｂ）に対応）である。 本発明の第三の実施形態にかかる光学素子１の断面図（図１（ｂ）に対応）である。 本発明の第四の実施形態にかかる光学素子１の平面図（図５（ａ））、底面図（図５（ｂ））、側面図（図５（ｃ））である。 第四の実施形態にかかる光学素子１のVI―VI断面図である。 第五の実施形態にかかる光学素子１の平面図（図７（ａ））、ｂ−ｂ断面図（図７（ｂ））である。

符号の説明

１ 光学素子
６ 第二導電性部材
６ａ 第二中心側溝部
６ｂ 第二遠心側溝部
８ レンズ
１０ 第一導電性部材
１２ 表面部材
１２ａ 第一中心側溝部
１２ｂ 第一遠心側溝部
１３ 第一開口部
１３ａ 表面側開口部
１３ｂ 裏面側開口部
１３ｃ 第二開口部
１４ 裏面部材
３２ 半導体基板（第一導電性部材）
３４ 光伝導膜
３６ 金属膜（導電部）
３６ａ 第一金属膜
３６ｂ 第二金属膜
３７ 覆い部分（不連続部分）
３８ 電流計
１２２ 表面
１４２ 裏面
３２２ 表面
３２４ 裏面
１１ 導電性部材
１５ 開口部
１６ａ 中心側溝部
１６ｂ 遠心側溝部
１６２ａ 隣接溝
１１２ 表面

Claims (11)

1. 第一導電性部材と、
   前記第一導電性部材の表面および裏面に開口する第一開口部と、
   前記第一導電性部材の表面に、前記第一開口部を中心とした同心円状に設けられた第一中心側溝部と、
   を備え、
   前記第一開口部は、
   電磁波を受け、前記表面に開口する直径ｄ１の表面側開口部と、
   前記裏面に開口する直径ｄ２の裏面側開口部と、
   を有し、
   前記電磁波の波長をλとしたときに、ｄ２＜ｄ１かつｄ２＜λである、
   光学素子。
2. 請求項１に記載の光学素子であって、
   前記第一導電性部材の表面に、前記第一中心側溝部よりも前記第一開口部から遠い位置に、前記第一開口部を中心とした同心円状に設けられた第一遠心側溝部、
   を備え、
   前記第一中心側溝部の溝の間隔をｇ１、前記第一遠心側溝部の溝の間隔をｇ２、ｍを正の奇数としたときに、ｇ２＝（ｍ／２）・ｇ１である、
   光学素子。
3. 請求項１または２に記載の光学素子であって、
   第二導電性部材と、
   前記第二導電性部材を貫通し、前記第一開口部に対して開口する第二開口部と、
   前記第二導電性部材の表面に、前記第二開口部を中心とした同心円状に設けられた第二中心側溝部と、
   を備え、
   前記第二導電性部材の裏面が、前記第一導電性部材の裏面に接し、
   前記第二開口部の直径ｄ３は、ｄ２＜ｄ３である、
   光学素子。
4. 請求項３に記載の光学素子であって、
   前記第二導電性部材の表面に、前記第二中心側溝部よりも前記第二開口部から遠い位置に、前記第二開口部を中心とした同心円状に設けられた第二遠心側溝部、
   を備え、
   前記第二中心側溝部の溝の間隔をｈ１、前記第二遠心側溝部の溝の間隔をｈ２、ｎを正の奇数としたときに、ｈ２＝（ｎ／２）・ｈ１である、
   光学素子。
5. 請求項１または２に記載の光学素子であって、
   前記第一導電性部材は金属または半導体である、
   光学素子。
6. 請求項３または４に記載の光学素子であって、
   前記第二導電性部材は金属または半導体である、
   光学素子。
7. 請求項１または２に記載の光学素子であって、
   前記裏面側開口部の中心軸上に焦点を有するレンズを備えた光学素子。
8. 第一導電性部材と、
   前記第一導電性部材の表面に開口する第一開口部と、
   前記第一導電性部材の裏面に設けられた光伝導部と、
   前記光伝導部に設けられ、不連続となっている導電部と、
   前記第一導電性部材の表面に、前記第一開口部を中心とした同心円状に設けられた第一中心側溝部と、
   を備え、
   前記第一開口部は、
   電磁波を受け、前記表面に開口する直径ｄ１の表面側開口部と、
   前記表面側開口部に開口し、前記表面側開口部よりも前記裏面側にある直径ｄ２の裏面側開口部と、
   を有し、
   前記電磁波の波長をλとしたときに、ｄ２＜ｄ１かつｄ２＜λであり、
   前記導電部が不連続となっている前記光伝導部の不連続部分は、前記裏面側開口部を前記光伝導部にまで延長したと仮定した場合に、その延長部分上にあり、
   前記表面側開口部はテラヘルツ波を受け、
   前記不連続部分はサンプリング光を受ける、
   光学素子。
9. 請求項８に記載の光学素子であって、
   前記第一導電性部材の表面に、前記第一中心側溝部よりも前記第一開口部から遠い位置に、前記第一開口部を中心とした同心円状に設けられた第一遠心側溝部、
   を備え、
   前記第一中心側溝部の溝の間隔をｇ１、前記第一遠心側溝部の溝の間隔をｇ２、ｍを正の奇数としたときに、ｇ２＝（ｍ／２）・ｇ１である、
   光学素子。
10. 導電性部材と、
    電磁波を受け、前記導電性部材の表面に開口する直径ｄ０の開口部と、
    前記導電性部材の表面に、前記開口部を中心とした同心円状に設けられた中心側溝部と、
    を備え、
    前記電磁波の波長をλとしたときに、ｄ０＜λであり、
    前記中心側溝部が、前記開口部に隣接する隣接溝を有する、
    光学素子。
11. 請求項１０に記載の光学素子であって、
    前記導電性部材の表面に、前記中心側溝部よりも前記開口部から遠い位置に、前記開口部を中心とした同心円状に設けられた遠心側溝部、
    を備え、
    前記中心側溝部の溝の間隔をｇ１、前記遠心側溝部の溝の間隔をｇ２、ｍを正の奇数としたときに、ｇ２＝（ｍ／２）・ｇ１である、
    光学素子。

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