传播的光的电场强度进行计算。
[0059]图8的(A)及(B)是用于对光学元件10的波导模拟实验的条件进行说明的图。分别如图8的㈧及图8的⑶所示，波导模拟实验的对象的矩形区域具有中心区域34、围绕中心区域34的圆环区域35、以及位于圆环区域35的外侧的外侧区域32。中心区域34、圆环区域35及外侧区域32分别对应于光学元件10的空腔14、液晶区域15及树脂层12。
[0060]在图8的㈧的圆环区域35中，假设与光学元件10同样地，液晶分子的长轴方向呈放射状取向，具有各向异性。图8的(A)的放射状的粗箭头表示液晶分子的取向方向。另一方面，作为比较例，假设图8的⑶的圆环区域35中液晶分子未取向，具有各向同性。另夕卜，对于外侧区域32，假设在图8的㈧和图8的⑶中的任一情况下都具有各向同性。
[0061]中心区域34的折射率为与空腔(真空)对应的η = 1.00或者与水对应的η =1.33，外侧区域32的折射率为与丙烯酸树脂对应的η = 1.50。中心区域34和外侧区域32的折射率的设定与图8的⑷和图8的⑶相同。另一方面，对于图8的⑷的圆环区域35，粗箭头方向的非寻常光折射率为ne = 1.55，与粗箭头方向垂直的方向的寻常光折射率为no = 1.47。图8的⑶的圆环区域35的折射率为η = 1.55。
[0062]又，入射光在图8的㈧和图8的⑶中的任一情况下，都采用偏振方向为箭头a方向的单波长的平面波(TE波)。
[0063]图9的(A)?图9的⑶是示出中心区域34为空腔的情况下的波导模拟实验的结果的图。图9的(A)及图9的⑶是图8的(A)所示的条件下的结果，图9的(C)及图9的(D)是图8的(B)所示的条件下的结果。各图中，电场强度越高的点以越深的颜色来表示，电场强度越低的点以越浅的颜色来表示。又，在图9的㈧和图9的(C)中，与圆环区域35对应的部分用虚线表示。
[0064]如图9的(A)及图9的⑶所示，具有取向性的情况下，圆环区域35的右侧部分和左侧部分的电场强度最高。即，可知，光被限制在折射率高的圆环区域35中，特别是在液晶分子的取向方向与入射光的偏振方向(图8的(A)的箭头a方向)平行的圆环区域35的右侧部分和左侧部分，光进行波导。另一方面，如图9的(C)及图9的(D)所示，不具有取向性的情况下，在圆环区域35电场强度均匀变高。即可知，光在折射率高的圆环区域35的整周进行波导。
[0065]因此，可以说，若液晶分子具有取向性时，采用本实施例的液晶材料的话，仅与该取向方向平行的方向的偏振光具有光限制效应而被导波，因此在具有液晶分子呈大致放射状取向的液晶区域15的光学元件10中，能够保持径向偏振光的偏振光特性，使光进行波导。也就是说，液晶的非寻常光折射率ne为1.55，寻常光折射率no为1.47，图8的(A)的外侧区域32的折射率为n = 1.50，因此仅液晶的非寻常光折射率ne比树脂的折射率大。因此，仅非寻常光线的本征偏振光具有光限制效应，因此该情况下仅径向偏振光受到光限制效应。
[0066]图10的⑷?图10的⑶是示出中心区域34填充有水的情况下的波导模拟实验的结果的图。与图9的(A)及图9的(B)同样，图10的(A)以及图10的⑶为图8的(A)所示的条件下的结果，图10的(C)及图10的⑶是图8的⑶所示的条件下的结果。各图中，电场强度越高的点以越深的颜色来表示，电场强度越低的点以越浅的颜色来表示。又，在图10的(A)和图10的(C)中，与圆环区域35对应的部分用虚线表示。
[0067]在图10的(A)?图10的⑶中，整体的深浅差比图9的(A)?图9的⑶小，关于圆环区域35的作为光波导区域的功能，可以说中心区域34为空腔的情况下更好。然而，中心区域34为水(η = 1.33)的情况下，各区域的折射率的大小关系与中心区域34为空腔(η = 1.00)的情况同样，因此折射率高的圆环区域35中光被限制，可以观察到与图9的(A)?图9的⑶同样的趋势。即，具有取向性的情况下的图10的㈧及图10的⑶中，在圆环区域35的右侧部分和左侧部分，光进行波导，不具有取向性的情况下的图10的(C)及图10的⑶中，光在圆环区域35的整周进行波导。因此，水流过光学元件10的空腔14的内部的情况下，也可得到与空腔14的内部为真空的情况同样的偏振光波导的效果。
[0068]如以上说明的那样，在光学元件10中具有液晶分子沿着作为管状的空间的空腔14的大致圆形的截面的径向呈大致放射状取向的结构。由此，光学元件10能够使沿液晶分子的取向偏振的径向偏振光保持其偏振光方向地传播。又，光学元件10通过采用非寻常光折射率及寻常光折射率双方都比周围的包层部分的折射率大的液晶材料，能够使在与径向上呈大致放射状取向的液晶分子呈90°的角度的周向上偏振的角向偏振光也保持偏振方向地传播。
[0069]最后，对光学元件10的应用例进行说明。光学元件10的应用例例如有利用表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance)现象的折射率传感器(SPR传感器)。表面等离子体共振是光以全反射角度以上的角度入射至与介质接触的金属薄膜的内表面时，与和金属薄膜接触的介质的折射率相应的波长及角度的光被吸收的现象。
[0070]图11的(A)及(B)是用于对应用了光学元件10的SPR传感器进行说明的图。图11的(A)是示出现有的波导型SPR传感器20的实例。SPR传感器20具有在上表面设置有金属薄膜21的光波导管22。测定时，在金属薄膜21之上放置有测定对象的样品S，从光波导管22的入射面23入射光。光在光波导管22内反复全反射并传播，根据样品S的折射率而衰减。因此，通过检测出从出射面24出射的光，观察出射光相对于透射光量或者入射光的光谱变化，由此能够测定样品S的折射率变化。
[0071]图11的⑶示出应用了图1的光学元件10的波导型SPR传感器。光学元件10用金属薄膜17覆盖空腔14的内壁，试样S流过空腔14，使光在该周边的液晶区域15传播，由此能够作为SPR传感器使用。若用金属薄膜17覆盖空腔14的话，能够将空腔14和液晶区域15的边界面整体作为传感器使用，因此相比于上述SPR传感器20，传感器的表面积变大。这样，使用了光学元件10的SPR传感器能够与该面积比成比例地测定更微细的折射率的变化。特别是利用液晶区域15的液晶分子的取向性，对向作为传感器部分的金属薄膜17的入射光的偏振光进行控制，由此能够提高SPR传感器的灵敏度。
[0072]符号说明
[0073]10光学元件
[0074]12树脂层
[0075]14 空腔
[0076]15液晶区域
[0077]16边界面。
【主权项】
1.一种光学元件，其特征在于，具有:树脂层；以及光波导区域，其形成于所述树脂层内，光在所述树脂层的长度方向上被导波，在所述光波导区域中，液晶分子在与所述长度方向垂直的截面呈大致放射状地取向，所述光波导区域的折射率比所述树脂层的折射率大。2.如权利要求1所述的光学元件，其特征在于，还具有形成于所述树脂层内的、具有大致圆形的截面的管状的空间，所述光波导区域以与所述管状的空间接触的形态形成，在所述光波导区域中，液晶分子沿所述大致圆形的截面的径向呈大致放射状地取向。3.如权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，所述树脂层为丙烯酸树脂层，所述液晶为P型液晶。
【专利摘要】提供一种具有能够保持偏振方向地使径向偏振光或者角向偏振光传播的光波导区域的光学元件。光学元件具有：树脂层；以及光波导区域，其形成于树脂层，光在树脂层的长度方向上被导波，在光波导区域，液晶分子在与长度方向垂直的截面呈大致放射状地取向，光波导区域的折射率比树脂层的折射率大。
【IPC分类】G02F1/13, G02B6/122, G02B6/12
【公开号】CN104884985
【申请号】CN201380068507
【发明人】加藤圣子, 井出昌史
【申请人】西铁城控股株式会社
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2013年12月25日
【公告号】EP2940499A1, US20150323734, WO2014104105A1