JP2018138985A

JP2018138985A - 光学素子

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Publication number: JP2018138985A
Application number: JP2017034033A
Authority: JP
Inventors: 直樹松井; Naoki Matsui; 丈也杉田; Takeya Sugita
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2017-02-24
Filing date: 2017-02-24
Publication date: 2018-09-06

Abstract

【課題】比較的容易な構成で円二色性を有する光学素子を提供する。【解決手段】光学素子１０は基材１３と構造体１４とを有する。基材１３は平板状の透明な誘電体である。構造体１４を基材１４に二次元配列する。構造体１４は二次元配列の平面において非２回回転対称性の形状である。構造体１４は二次元配列の平面上の第１の方向に対して垂直な方向に非鏡映対称性を有する形状である。構造体１４は金属製である。光学素子１０には第１の方向を軸に傾斜した第２の方向から光線が入射する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子に関するものである。

近年、右回りおよび左回りの円偏光に対して透過率および吸収率が異なる円二色性を有する光学素子が開発されている。例えば、１／波長板および異方的透過板との積層構造を有し、円二色性度の高い円二色性素子が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１２−１２３３２７号公報

特許文献１で提案されている円二色性素子において、１／４波長板および異方的透過板を形成する負誘電率部材および電磁波透過部材のサイズおよび配置などは複雑であり、高い精度で製造することは困難であった。

従って、上記のような従来技術の問題点に鑑みてなされた本開示の目的は、比較的簡易な構成で円二色性を有する光学素子を提供することにある。

上述した諸課題を解決すべく、第１の観点による光学素子は、
平板状の透明な誘電体である基材と、
前記基材に二次元配列され、二次元配列の平面において非２回回転対称性および該二次元配列の平面上の第１の方向に対して垂直な方向に非鏡映対称性を有する形状の金属製の構造体と、を備え、
前記第１の方向を軸に傾斜した第２の方向から光線が入射される。

上記のように構成された本開示に係る光学素子によれば、比較的簡易な構成で円二色性を有し得る。

本開示の一実施形態に係る光学素子を含む光源ユニットの斜視図である。図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った拡大断面図である。図１の構造体の形状および配置を示す、光学素子の部分平面図である。図１の光学素子に入射させる光線の周波数に対する右円偏光および左円偏光のジュール損失の差を示すグラフである。実施例で設計した光学素子の部分断面図である。実施例で設計した構造体の寸法を示す部分平面図である。実施例の光学素子への入射する光線の波長に対する、右円偏光および左円偏光の透過率を示すグラフである。

以下、本発明を適用した光学素子の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、本開示の一実施形態に係る光学素子１０を含む光源ユニット１１は、光学素子１０および光源１２を含んで構成されている。

図２に示すように、光学素子１０は、基材１３および構造体１４を含んで構成されている。

基材１３は、可視光に対して透明で誘電性を有する部材によって平板状に形成されている。基材１３に適用される部材は、例えば、可視光全域における複素屈折率の虚部の値が略ゼロである誘電体であって、例えば可視光に対して透明なアクリル樹脂およびポリカーボネート樹脂などの透明な樹脂、および二酸化ケイ素などの硝材であってよい。複素屈折率の虚部は、光の吸収を表わす消光係数である。複素屈折率の虚部の値が略ゼロとであることは、厳密にゼロでなくても基材１３が殆ど光を吸収せず、その用途に応じた透明性を備えると認められるならば非ゼロの消光係数が許容されることを意味する。

基材１３の厚みは、入射光が境界面による反射で干渉を起こさない程度の十分な厚みがあれば、任意に選択可能である。例えば、基材１３の厚みは数百μｍ程度であれば、作成も容易である。

図１に示すように、複数の構造体１４が、基材１３に二次元配列されている。なお、後述するように、構造体１４の寸法は微小であり、肉眼での直接の視認は困難であるが、図１においては、説明のために、構造体１４が大きく描かれている。

複数の構造体１４は、例えば基材１３の板面に二次元配列、または基材１３の内部に埋設されている。なお、複数の構造体１４は、基材１３の内部に埋設される構成においては、板面に対して平行または傾斜した平面に二次元配列されていてよい。

なお、複数の構造体１４を基材１３に埋設させる構成において、光を入射させる側からの構造体１４を埋設させる深さは、入射光が境界面による反射で干渉を起こさない程度の十分な厚みがあれば、任意に選択可能である。例えば、基材１３の厚みは数百μｍ程度であれば、作成も容易である。

図３に示すように、構造体１４は、例えば、二次元配列される平面上の異なる２方向に所定の間隔ｄで配列されている。所定の間隔ｄは、光源１２が放射する光線の波長をλ、基材１３の屈折率をＮ、当該光線の光学素子１０の表面への入射角度をθ_ｉｎとすると、（１）式を満たすことが好ましい。なお、本実施形態において、複数の構造体１４は当該異なる２方向に所定の間隔ｄで配列されているが、２方向毎に異なる所定の間隔で配列されてもよい。

構造体１４は、プラズマ周波数が光源１２から放射する光線の波長λより短い導体、例えば金、銀、銅、アルミニウムなどの金属によって形成されている。構造体１４の厚みは、１０ｎｍ以上かつ１００ｎｍ未満であることが好ましい。

構造体１４の寸法は、可視光の波長より小さい。構造体１４の寸法とは、二次元配列される平面における長さが最も長くなる方向の長さである。また、可視光の波長より小さいことは、光源１２から放射する光線の波長λより小さく、さらには可視光の帯域の下限である約３６０ｎｍより小さいことを意味する。

構造体１４は、二次元配列される平面において非２回回転対称性を有している。言換えると、図１に示すように、構造体１４において、二次元配列される平面の垂線ｐｌに対して１８０°回転させた形状は、元の形状と一致していない。また、構造体１４は、二次元配列される平面上のいずれかの方向である第１の方向に対して垂直な方向に非鏡映対称性を有している。言換えると、構造体１４は、二次元配列される平面において、第１の方向に垂直な、線対称となる軸線を有していない。このような構造体１４の形状としては、例えば、二次元空間群１７種の中で、非２回回転対称性を有するＰ１、Ｐｍ、Ｐｇ、Ｃｍ、Ｐ３、Ｐ３ｍ１、Ｐ３１ｍが挙げられる。

また、図３に示すように、構造体１４は、二次元配列される平面の重心ｃｇから第１の方向側に切欠き１５が形成されることが好ましい。また、図１に示すように、構造体１４は、二次元配列される平面に垂直かつ第１の方向に平行な平面ｐ１に対して鏡映対称性を有していることが好ましい。このような、構造体１４の形状は、列記した二次元空間群１７種の中で、さらに二次元配列される平面に垂直かつ第１の方向に平行な平面ｐ１に対して鏡映対称となるＰｍ、Ｃｍ、Ｐ３ｍ１、Ｐ３１ｍであることが好ましい。また、構造体１４の形状は、これらの中で、さらに製造上の観点から直行する線のみで製造可能なＰｍ、Ｃｍであることがさらに好ましい。

図３に示すように、例えば、構造体１４は、二次元配列する平面において、矩形の管状、言い換えると略環状の、一辺を切欠いた形状を有している。構造体１４の重心ｃｇから切欠き側に向かう方向が第１の方向となるように定められる。

構造体１４は、基材１３上に、一般的なＥＢ（ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍ）リソグラフィを用いて作成され得る。ＥＢリソグラフィは、蒸着、スパッタリング、エッチングなどを用いたプロセスである。

図１に示すように、光源１２は、ビーム状の光線を光学素子１０に向けて放射する。光源１２は、光学素子１０の板面に対して第１の方向を軸に傾斜した第２の方向から光線が入射されるように、配置される。

以上のような構成の本実施形態の光学素子１０では、非２回回転対称性、および第１の方向に対して垂直な方向に非鏡映対称性を有する形状の構造体１４が基材１３に二次元配列され、第１の方向を軸に傾斜した第２の方向から光線が入射される。上述の構成を有することにより、以下に説明するように、光学素子１０は円二色性を有する。

本実施形態の光学素子１０において構造体１４は、二次元配列される平面上で非２回回転対称性を有する形状なので、反転中心を有さない。２回回転対称性および反転中心の関連について以下に説明する。

一般的な構造体が配置される二次元平面上で直行する座標軸をｘ軸およびｙ軸、当該平面を原点として当該平面に垂直な座標軸をｚ軸として、当該平面において２回回転対称性を有するとき、構造体に対して（２）式が成立する。

なお、ｆ（ｘ、ｙ、ｚ）は、構造体の軌跡を表わす関数であり、例えば、その座標に構造体が存在するときに１を、構造体が存在しないとき０を返す。

（２）式を満たす構造体を、ｘ軸を回転軸として角度θで回転させるとき、（２）式は（３）式に変形する。

（３）式は、構造体が反転対称性を有することを示しており、２回回転対称性を有する形状は反転中心を有することと同義である。したがって、非２回回転対称性を有する形状は反転対称性を有さない。

また、本実施形態の光学素子１０において、第２の方向から光線が入射されるので、構造体１４には入射光に垂直な鏡映面が存在しない。

また、本実施形態の光学素子１０において、第１の方向に対して垂直な方向に非鏡映対称性を有する形状なので、構造体１４には入射光に平行な鏡映面が存在しない。第１の方向に対して垂直な方向への非鏡映対称性および入射光に平行な鏡映面の関連について説明する。

上述のｘｙｚ座標系において、第１の方向をｘ軸に平行にして、第１の方向に垂直なｙｚ平面を鏡映面とする鏡映対称性を有するとき、構造体に対して（４）式が成立する。

（４）式を満たす構造体を、ｘ軸を回転軸として角度θで回転させるとき、（４）式は（５）式に変形する。

（５）式は、構造体がｙｚ平面を鏡映面として有することを示している。入射光は第１の方向を軸に傾斜させた第２の方向から入射することから、第２の方向はｙｚ平面に平行である。それゆえ、構造体がｙｚ平面を鏡映面として有するということは、入射光に平行な鏡映面を有することと同義である。したがって、第１の方向に対して垂直な方向に非鏡映対称性を有する形状は、入射光に平行な鏡映面が存在しない。

円二色性を発現するための構造体の条件として、対称性の観点から一般的に、構造体にｎ回回映軸が存在しないこと、または反転中心が存在せずかつ入射光に垂直または平行な鏡映面が存在しないことのいずれかであることが知られている。本実施形態の光学素子１０は、上述のように、反転中心が存在せず、かつ入射光に垂直または平行な鏡映面が存在しないので、円二色性を有する。

また、本実施形態の光学素子１０では、構造体１４が、重心ｃｇから第１の方向側の一部を切欠いた環状の形状を有している。このような構成を有することにより、以下に説明するように、光学素子１０は、構造体１４が共振器として機能することにより、特定の波長の光に対する円二色性をより向上させ得る。

金属構造体に斜方から光が入射するとき、当該光には二次元配列される平面に平行な方向および垂直な方向に電磁波成分が存在する。微小な金属構造体の電磁波に対する応答を考える場合、金属構造体は、形状によって決まるインダクタンスＬ、キャパシタンスＣ、および抵抗Ｒを有する回路とみなされ得る。金属構造体はＬＣ共振回路としてふるまうため、金属構造体の挙動は（６）式の回路方程式で表わされ得る。

（６）式において、Ｖは回路に外部から与えられる起電力であり、（７）式によって表わされる。

（７）式において、＋は左円偏光、−は右円偏光、Ｅ_１は金属構造体の二次元配列される平面に対して平行な電場成分、Ｂ_２は金属構造体の二次元配列される平面に対して垂直な磁場成分、Ｓは磁場変化によって電圧が誘起される面積である。

（６）式の方程式の平面波解は（８）式である。

ただし、（８）式において

である。

（８）式を微分して、電流成分を算出すると、電磁波成分は（９）式で表わされる。

したがって、損失ＩＲ^２は、（１０）式で表わされる。

（１０）式より、光線を二次元配列する平面に対して斜めに入射することによりＢ_２が増加する。当該成分の増加により、左円偏光成分に対して損失が増加し、右円偏光成分に対して損失が低減する。損失は光の吸収率に相当し、構造体１４が共振器として機能することにより、透過率が左円偏光に対して小さく、右円偏光に対して大きくなる。

（１０）式に基づいて横軸を入射する光の周波数として、左右円偏光によるジュール損失の差の関係を求めると、図４に示すように、共振周波数ω_０の近傍で電流の分母が小さくなるため、損失差が相対的に増大する。損失差は共振周波数ω_０で最大となり、共振周波数ω_０から離れるに応じて損失の差は小さくなる。したがって、光学素子１０は、共振周波数近傍の周波数の電磁波（光）を入射することにより、損失差を拡大し、その結果、円二色性をより向上させ得る。

また、本実施形態の光学素子１０において、構造体１４は、第１の方向に平行な平面ｐ１に対して鏡映対称性を有する形状である。このような構成により、以下に説明するように、光学素子１０の板面のいずれの方向から光線を入射させても、右円偏光および左円偏光の光の透過率が等しい。

前述のように、上述のｘｙｚ座標系において、第１の方向をｘ軸に平行にして、第１の方向に平行なｘｚ平面を鏡映面とする鏡映対称性を有するとき、構造体に対して（１１）式が成立する。

（１１）式を満たす構造体を、ｘ軸を回転軸として角度θで回転させるとき、（１１）式は（１２）式に変形する。

（１２）式は、（ｘ、ｙ、ｚ）の（ｘ、−ｙ、−ｚ）への座標変換を行っても系が変わらないことを示している。この座標変換で系が変わらないので、平板の両面からの入射光の各円偏光に対する透過率は等しい。それゆえ、光学素子１０の板面のいずれの方向から光線を入射させても、右円偏光および左円偏光の光の透過率が等しい。

なお、光学素子１０において、第１の方向に平行な平面ｐ１に対して鏡映対称性を有する形状を構造体１４に形成することにより、光学素子１０の平板の一方の面および他方の面に光を入射させるときの右円偏光および左円偏光それぞれの透過率に差異を設けることもできる。

また、本実施形態の光学素子１０は、略環状の形状を有している。共振周波数ω_０における損失は（１３）式で表わされ、右円偏光および左円偏光の損失の差は（１４）式で表わされる。

（１４）式から分かるように、損失差を拡大するためには、回路の面積Ｓが大きいことが好ましい。環状の形状は同じ周長の中で面積を最大化させる。それゆえ、本実施形態の光学素子１０は、略環状の形状を有しているので、円二色性を一層向上させ得る。

また、本実施形態の光学素子１０は、構造体１４の寸法が可視光の波長より小さい。このような構成により、光学素子１０は、透過光への回折の発生を低減させ得る。

また、本実施形態の光学素子１０では、構造体１４はプラズマ周波数が光源１２から放射する光線の波長λより短い導体で形成されている。このような構成により、プラズモン共鳴による片側円偏光の吸収作用を発生させ、上述のように構造体１４を共振器として機能させ得る。

また、本実施形態の光学素子１０では、構造体１４の厚みは１０ｎｍ以上である。構造体１４の厚みが１０ｎｍ以上であれば、金属としての特性を発揮可能であり、光学素子１０は上述の円二色性を発現し得る。また、構造体１４の厚みが１００ｎｍ未満なので、構造体１４の厚みを構造体１４の幅未満に抑えられ、光学素子１０の製造が容易となる。

以下、実施例を挙げて本発明の実施の形態を説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

図５に示すように、平板状のＰＭＭＡの基材１３に、アルミニウム製の複数の構造体１４を平板の平面に平行な面に二次元配列されるように埋設させた、光学素子１０を設計した。

図６に示すように、設計における構造体１４は、二次元配列される平面において、矩形の一辺を切欠いた環状形状に形成した。矩形の長辺が３５０ｎｍであった。矩形の短辺が３２０ｎｍであった。矩形の各辺の幅が１００ｎｍであった。図５に示すように、構造体１４の、二次元配列した平面に対する高さは６５ｎｍであった。

設計において、複数の構造体１４は、二次元配列の平面において矩形の重心ｃｇからの切欠き１５の方向である第１の方向、および当該平面上の第１の方向に垂直な方向に、８１５ｎｍの周期で配列された。

光学素子１０の板面に垂直な方向に対して４°傾斜させた方向から、光線を放射するように、光学素子１０に対して光源１２を配置するように設定した。上記の想定条件に対して、光学素子１０の透過特性をシミュレーションした。なお、シミュレーションには、ＳｙｎｏｐｓｉｓＩｎｃ．のシミュレーションソフト「Ｒｓｏｆｔ（登録商標）」を用いて、ＲＣＷＡ法を用いるＤｉｆｆｒａｃｔＭＯＤのオプションを適用した。シミュレーションの結果を、図７に示した。なお、右円偏光および左円偏光の一方の向きを９０°、他方の向きを２７０°で表わした。

図７に示すように、２７０°向きの円偏光では、波長１３１０ｎｍの光に対して９０％程度の透過率が得られている。また、逆向きの９０°向きの円偏光では、波長１３１０ｎｍの光に対して１０％程度の透過率が得られている。したがって、上述の想定の光学素子１０では−１０ｄＢ程度に光が分離されている。なお、より高い透過性を得るためには、例えば、上述の光学素子１０を２枚重ねることにより、２７０°向きの円偏光で波長１３１０ｎｍの光に対して８０％程度の透過率、および逆向きの９０°向きの円偏光で波長１３１０ｎｍの光に対して１％程度の透過率を得ることも可能である。

本発明を諸図面および実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形および修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形および修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

１０光学素子
１１光源ユニット
１２光源
１３基材
１４構造体
１５切欠き
ｃｇ重心
ｐｌ垂線
ｐ１二次元配列される平面に垂直かつ第１の方向に平行な平面

Claims

平板状の透明な誘電体である基材と、
前記基材に二次元配列され、二次元配列の平面において非２回回転対称性および該二次元配列の平面上の第１の方向に対して垂直な方向に非鏡映対称性を有する形状の金属製の構造体と、を備え、
前記第１の方向を軸に傾斜した第２の方向から光線が入射される
光学素子。
請求項１に記載の光学素子において、
前記構造体は、重心から前記第１の方向側の一部を切欠いた環状の形状である
光学素子。
請求項１または２に記載の光学素子において、
前記構造体は、前記第１の方向に平行な平面に対して鏡映対称性を有する形状である
光学素子。