光ファイバプローブ

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【発明の名称】	光ファイバプローブ
【発明者】	【氏名】興梠元伸【氏名】八井崇【氏名】大津元一
【要約】	【課題】先鋭部の先端部分の形状を最適化することにより、レーザ光の効率を向上させるとともに、高い集光効果を有する光ファイバプローブを提供する。【解決手段】屈折率がｎのコアと上記コアの周囲に形成されたクラッドと上記クラッドの周囲に形成された遮光性被覆層からなる光伝搬部と、光伝搬部側から上記遮光性被覆層の開口が次第に小となされ、上記光伝搬部からの光を集光して出射開口から出射する先鋭部とを備え、先鋭部の出射開口の直径をＤ［ｎｍ］とし、αを任意に決定される定数とし、λ［ｎｍ］を上記出射開口から出射する光の波長としたとき、Ｄ＝αλ／ｎを満たすように形成されている。

【特許請求の範囲】
【請求項１】屈折率がｎのコアと上記コアの周囲に形成されたクラッドと上記クラッドの周囲に形成された遮光性被覆層からなる光伝搬部と、上記光伝搬部側から上記遮光性被覆層の開口が次第に小となされ、上記光伝搬部からの光を集光して出射開口から出射する先鋭部とを備え、上記先鋭部の出射開口の直径をＤ［ｎｍ］とし、αを任意に選択される定数とし、λ［ｎｍ］を上記出射開口から出射する光の波長としたとき、Ｄ＝αλ／ｎ（式１）を満たすように形成されていることを特徴とする光ファイバプローブ。
【請求項２】上記αは、１．０～２．２の範囲内の値を有する定数であることを特徴とする請求項１記載の光ファイバプローブ。
【請求項３】上記先鋭部は、上記クラッドの内壁から出射開口に向かって開口が次第に小となされるように形成された２以上の傾斜面を備えることを特徴とする請求項１記載の光ファイバプローブ。
【請求項４】上記先鋭部の出射開口を、上記先鋭部の内部における集光位置に設けられた微小開口とすることを特徴とする請求項３記載の光ファイバプローブ。
【請求項５】上記上記クラッドの内壁から出射開口側に向かって開口が次第に小となされるように形成された第１の傾斜面と、上記第１の傾斜面から出射開口側に向かって開口が次第に小となされるように形成された第２の傾斜面とを少なくとも有し、上記第１の傾斜面と第２の傾斜面との接続位置における直径をＤ［ｎｍ］とし、上記αを１～３．５の範囲内を有する定数としたとき、上記式１を満たすように形成されていることを特徴とする請求項４記載の光ファイバプローブ。
【請求項６】上記先鋭部は、上記クラッドの内壁と第１の角度を有し、上記光伝搬部から出射開口側に向かって開口が次第に小となされるように形成された第１の傾斜面と、上記クラッドの内壁と第２の角度を有し、上記第１の傾斜面から出射開口側に向かって開口が次第に小となされるように形成された第２の傾斜面と、上記クラッドの内壁と第３の角度を有し、上記第２の傾斜面から出射開口側に向かって開口が次第に小となされるように形成された第３の傾斜面とを備えることを特徴とする請求項４記載の光ファイバプローブ。
【請求項７】上記第１の傾斜面は、上記第１の角度を１０［゜］～４５［゜］の範囲内となるように形成されることを特徴とする請求項６記載の光ファイバプローブ。
【請求項８】上記第２の傾斜面は、上記第２の角度を５０［゜］～９０［゜］の範囲内となるように形成されることを特徴とする請求項６記載の光ファイバプローブ。
【請求項９】上記第３の傾斜面は、上記第３の角度を０［゜］～２０［゜］の範囲内となるように形成されることを特徴とする請求項６記載の光ファイバプローブ。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えばプローブ走査型顕微鏡の一つである近接場光学顕微鏡において、エバネッセント光を検出または照射する光プローブとして使用される光ファイバプローブに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の光ファイバプローブ１００は、図７に示すように、光ファイバの先端を先鋭化させることで、先鋭部１０１を形成し、当該先鋭部の先端１０２からレーザ光を励起していた。この光ファイバプローブでは、先鋭部の根本部分１０３から先端１０２に向かって開口が次第に小さくなるように形成されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の光ファイバプローブ１００は、例えば開口半径等の最適化を図るための設計がなされていないのが現状である。また、この光ファイバプローブ１００では、先鋭部の先端１０２から出射するレーザ光の効率という点からみても、最適化を考慮していなかった。
【０００４】そこで、本発明は、上述したような実情に鑑みて提案されたものであり、先鋭部の先端部分の形状を最適化することにより、レーザ光の効率を向上させるとともに、高い集光効果を有する光ファイバプローブを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決する本発明に係る光ファイバプローブは、屈折率がｎのコアとコアの周囲に形成されたクラッドとクラッドの周囲に形成された遮光性被覆層からなる光伝搬部と、光伝搬部側から遮光性被覆層の開口が次第に小となされ、光伝搬部からの光を集光して出射開口から出射する先鋭部とを備え、先鋭部の出射開口の直径をＤ［ｎｍ］とし、αを任意に選択される定数とし、λ［ｎｍ］を上記出射開口から出射する光の波長としたとき、Ｄ＝αλ／ｎ（式１）を満たすように形成されていることを特徴とするものである。
【０００６】このような光ファイバプローブは、上記の式１を満たすような直径を有する出射開口を形成することにより、光を集光して出射開口から光を出射する。
【０００７】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【０００８】第１の実施の形態に係る光ファイバプローブ１は、図１に示すように、コア２と、このコア２の周囲に形成されたクラッド３と、クラッド３の周囲に形成された遮光性被覆層４とからなる。
【０００９】コア２は、所定の屈折率ｎを有し、クラッド３は、コアの屈折率ｎよりも小さい屈折率を有している。このようにコア２及びクラッド３が形成されることで、光ファイバプローブ１に入射されたレーザ光は、コア２とクラッド３との境界で全反射しながら進行することとなる。
【００１０】この光ファイバプローブ１は、上記コア２，クラッド３，遮光性被覆層４からなる光伝搬部５と、遮光性被覆層４の直径が光伝搬部５から先端に向かって次第に小となされている先鋭部６とからなる。
【００１１】光伝搬部５は、所定の屈折率ｎを有するコア２と、このコア２よりも低い屈折率を有するクラッド３とからなる。光伝搬部５は、このように構成されることで、コア４内にレーザ光を伝搬させ、このレーザ光を先鋭部３に導く。
【００１２】先鋭部６は、遮光性被覆層４と、遮光性被覆層４の内周側に形成されたコア２とからなり、光を出射する出射開口７の開口を狭くするように先鋭化されてなる。この先鋭部６は、遮光性被覆層４の内壁を、光伝搬部５のクラッド３の内壁とのなす第１の角度θ₁を以て形成することで、第１の傾斜面８を形成している。このように遮光性被覆層４を形成することにより、先鋭部６は、コア２の直径を光伝搬部５から出射開口７に向かうに従って次第に小としている。
【００１３】ここで、第１の角度θ₁は、４５［゜］以下であれば良く、４５［゜］～１０［゜］の範囲内となるように第１の傾斜面８を形成することがさらに望ましい。
【００１４】また、この光ファイバプローブ１では、αを１．０～２．２の範囲内の値を有する定数とし、λ［ｎｍ］を出射する光の波長としたとき、Ｄ＝αλ／ｎ（式１）を満たすように出射開口７の直径Ｄ［ｎｍ］が形成されている。
【００１５】このように、上記式１を満たすような出射開口７が形成された光ファイバプローブ１は、光伝搬部５から伝搬されたレーザ光を、先鋭部６の内壁である第１の傾斜面８で反射させることで集光し、出射開口７から外部に出射する。
【００１６】このような光ファイバプローブ１において、出射開口７の直径Ｄが変化されたとき、出射開口７の中心位置から出射されるレーザ光の光強度を図２に示す。この光ファイバプローブ１においては、光伝搬部５に入射されるレーザ光の波長λを約８３０［ｎｍ］とし、第１の角度θ₁を約１０［゜］とし、コア２の屈折率を１．５３としたとき、出射開口７の直径Ｄが約６００［ｎｍ］～１２００［ｎｍ］の範囲内において光強度が高くなっていることがわかる。このとき、定数αは、上記式１から算出すると、約１．０～２．２となる。
【００１７】したがって、この光ファイバプローブ１では、定数αを１．０～２．２の範囲内とするように出射開口７の直径Ｄを形成することにより、より光強度を高くすることができる。さらに、光ファイバプローブ１は、定数αを約１．５程度とすることにより、出射開口７からの光強度を最も高くすることができる。
【００１８】つぎに、光ファイバプローブ１において出射開口７からレーザ光を出射したときの近接場における光強度分布を測定した結果を図３に示す。この図３は、出射開口７の直径Ｄを１２００，１０００，７５０，５５０［ｎｍ］としたときの光強度と、焦点位置からの距離との関係を示す図である。
【００１９】この図３によれば、曲線ａで示した出射開口７の直径Ｄが１２００［ｎｍ］のときでは、焦点位置とは異なる位置にレーザ光が集光されていることがわかる。また、曲線ｂ及び曲線ｃで示した出射開口７の直径Ｄ［ｎｍ］を、１０００［ｎｍ］，７５０［ｎｍ］としたときでは、焦点位置に高いピークがあり、かつ、非常に小さい幅でスポットが形成されていることがわかる。また、曲線ｄで示した出射開口７の直径Ｄを５５０［ｎｍ］としたときでは、曲線ｂ及び曲線ｃで示したピークよりも低いピークが存在していることがわかる。
【００２０】このような結果より、出射開口７の直径Ｄを１０００［ｎｍ］，７５０［ｎｍ］としたとき、波長８３０［ｎｍ］での回折限界を超えて集光位置にレーザ光が集光されていることがわかる。すなわち、上述の式１における定数αを約１．３～２．０とし、出射開口７の直径Ｄを７００［ｎｍ］～１１００［ｎｍ］程度とすることにより、回折限界を超えて集光位置にレーザ光を集光することができる。
【００２１】したがって、このような光ファイバプローブ１によれば、上述の式１中のαを１．３～２．０として出射開口７の直径Ｄを変化させることにより、光強度を高くし、かつ、回折限界を超えてスポットを形成することができる。したがって、この光ファイバプローブ１によれば、出射開口７の直径Ｄを変化させるとともに、第１の角度θ₁を変化させることで、集光効率及び被照射物に形成するスポット径の最適化を図ることができる。
【００２２】つぎに、第２の実施の形態に係る光ファイバプローブ１０について説明する。この光ファイバプローブ１０は、図４及び図５に示すように、第１の実施の形態に係る光ファイバプローブ１と同様に、コア１１と、このコア１１の周囲に形成されたクラッド１２と、クラッド１２の周囲に形成された遮光性被覆層１３とからなる。また、この光ファイバプローブ１０は、レーザ光を伝搬する光伝搬部１４と、この光伝搬部１４からのレーザ光を集光して出射する先鋭部１５とからなる。なお、図４は光ファイバプローブ１０の縦断面図であり、図５は光ファイバプローブ１０の横断面図である。
【００２３】光伝搬部１４は、第１の実施の形態の光ファイバプローブ１における光伝搬部５と同様の構成を有する。
【００２４】先鋭部１５は、遮光性被覆層１３と、遮光性被覆層１３の内周側に形成されたコア１１とからなり、レーザ光を出射する微小開口１６が先端に形成されている。この先鋭部１５は、第１の傾斜面１７と、第２の傾斜面１８と、第３の傾斜面１９とが遮光性被覆層１３の内壁により形成されてなり、光伝搬部１４から先端に向かって開口が次第に小さくなるように形成されている。
【００２５】第１の傾斜面１７は、クラッド１２の内壁から先端側に向かって形成され、クラッド１２の内壁と第１の角度θ₁₁を以て形成される。第２の傾斜面１８は、第１の傾斜面１７から先端側に向かって形成され、遮光性被覆層１３の内壁と第２の角度θ₁₂を以て形成される。第３の傾斜面１９は、第２の傾斜面１８から先端側に向かって形成され、第３の角度θ₁₃で略Ｖ字状に形成される。
【００２６】第１の角度θ₁₁は１０［゜］～４５［゜］の範囲内となるように形成され、第２の角度θ₁₂は５０［゜］～９０［゜］の範囲内となるように形成され、第３の角度θ₁₃は０［゜］～３０［゜］の範囲内となるように形成される。このように光ファイバプローブ１０は、第１の傾斜面１７、第２の傾斜面１８、第３の傾斜面１９が形成されることで、先端に形成された微小開口１６の直径が約１００［ｎｍ］以下となるように形成されている。
【００２７】この先鋭部１５は、図５に示すように、第１の傾斜面１７と第２の傾斜面１８との境界線Ａにおける直径Ｄを、第１の実施の形態の光ファイバプローブ１と同様に、上述の式１で示す関係を満たすように形成されている。
【００２８】また、この先鋭部１５は、クラッド１２と第１の傾斜面１７の境界線Ｂと、境界線Ａとの高さ方向における差Ｈ₁が０．８μｍ～１．２μｍの範囲内に形成されている。また、境界線Ａと、第２の傾斜面１８と第３の傾斜面１９との境界線Ｃとの高さ方向における差Ｈ₂が１５０［ｎｍ］～２５０［ｎｍ］の範囲内に形成されている。また、境界線Ｃと微小開口１６との高さ方向の差Ｈ₃が３００［ｎｍ］～４００［ｎｍ］の範囲内に形成されている。
【００２９】このような光ファイバプローブ１０は、光伝搬部１４からレーザ光Ｌ１が入射されると、例えばコア１１内から第２の傾斜面１８で反射して、微小開口１６に向かってレーザ光を集光する。すなわち、この光ファイバプローブ１０は、光伝搬部１４から先鋭部１５に入射されたレーザ光を微小開口１６に導くような構成となされている。
【００３０】また、この光ファイバプローブ１０は、式１の定数αを１．０～３．５の範囲内となるように境界線Ａにおける直径Ｄが形成されているので、高い効率で微小開口１６からレーザ光を出射することができるとともに、所望の集光位置に回折限界を超えてレーザ光を集光することができる。また、この光ファイバプローブ１０では、式１におけるαを３．０程度とすることがさらに望ましい。この光ファイバプローブ１０は、第１の実施の形態に係る光ファイバプローブ１とは異なり、微小開口１６からレーザ光を出射するので、微小開口１６の直径を変化させることで、微小開口１６から出射するレーザ光を制限して、被照射物に形成するスポット径を変化させることができる。
【００３１】つぎに、第１～第３の傾斜面が形成された光ファイバプローブ１０について、微小開口１６の直径［ｎｍ］を変化させたときの出射効率を測定した結果を図６に示す。この図６は、第１の実施の形態に係る光ファイバプローブ１について出射開口の直径Ｄを変化させたときの特性を白丸で示し、第２の実施の形態に係る光ファイバプローブ１０の特性を黒丸で示す。
【００３２】この図６によれば、第１の実施の形態に係る光ファイバプローブ１は、出射開口７の直径Ｄが約３００［ｎｍ］以上のときには高い出射効率を示し、直径Ｄが約３００［ｎｍ］以下となると、出射効率が急激に低下していることがわかる。
【００３３】一方、第２の実施の形態に係る光ファイバプローブ１０は、微小開口１６の直径が約１００［ｎｍ］以下となっても出射効率が急激に低下しておらず、直径が約５０［ｎｍ］程度の微小開口１６となっても、高い出射効率でレーザ光を出射させることができ、かつ、被照射物に微小径のスポットを形成することができる。
【００３４】したがって、この第２の実施の形態に係る光ファイバプローブ１０は、第１～第３の角度θ₁₁，θ₁₂，θ₁₃、境界線Ａにおける直径Ｄ、微小開口１６の直径を変化させることにより、出射効率及び被照射物に形成するスポット径の最適化を図ることができる。
【００３５】また、この第２の実施の形態に係る光ファイバプローブ１０は、上述のように、第１～第３の角度θ₁₁，θ₁₂，θ₁₃、境界線Ａにおける直径Ｄを最適化し、高さＨ₁～Ｈ₃を変化させ、微小開口１６の直径を１００［ｎｍ］以下とすることにより、従来の開口型プローブよりも、約１０００倍程度の効率でレーザ光を出射させることができる。
【００３６】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明に係る光ファイバプローブは、コアの屈折率をｎとし、αを任意に選択される定数とし、λ［ｎｍ］を出射する光の波長としたとき、先鋭部の直径ＤがＤ＝αλ／ｎを満たすように形成されているので、出射開口から出射するレーザ光の効率を調整することができるとともに、光伝搬部からのレーザ光を集光して出射開口から出射することができる。

【出願人】	【識別番号】５９１２４３１０３【氏名又は名称】財団法人神奈川科学技術アカデミー
【出願日】	平成１０年（１９９８）３月２４日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】小池晃（外２名）
【公開番号】	特開平１１－２７１３３９
【公開日】	平成１１年（１９９９）１０月８日
【出願番号】	特願平１０－７５７３５