專利名稱：近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于近場(chǎng)光學(xué)、納米光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及倏逝場(chǎng)的干涉疊加形成約束光場(chǎng)以及納米尺度近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針的設(shè)計(jì)。
本發(fā)明提出并設(shè)計(jì)了一種近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針，其包括兩種具有不同折射率的介質(zhì)及在這兩種介質(zhì)的界面處設(shè)置的一個(gè)小孔光闌。利用入射角大于臨界角的兩束或者多束有限尺寸的平行光，也可以是空心光錐光束，在兩種介質(zhì)的界面處發(fā)生全反射，由此產(chǎn)生的倏逝場(chǎng)間的干涉疊加形成約束光場(chǎng)，該約束光場(chǎng)的中心峰在波長(zhǎng)深度空間范圍內(nèi)不會(huì)向外發(fā)散，形成納米光柱，成為納米尺度近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針。
所說(shuō)的小孔光闌是用于產(chǎn)生有限尺寸的平行光或空心光錐光束，光闌的形狀可以是圓形、方形、環(huán)形或其它特殊形狀的孔徑，如匚形、工形、半圓環(huán)形、C形等。光闌的孔徑輪廓尺寸范圍為0.5μm～3μm。光闌的材料可包括金、鋁、銀等材料或者其它能形成微孔的材料，厚度為5nm～200nm。
所說(shuō)的空心光錐光束，可通過(guò)環(huán)形光束經(jīng)大數(shù)值孔徑的聚焦物鏡聚焦于兩種介質(zhì)的界面，在兩種介質(zhì)的界面處形成滿足全反射條件的空心光錐光束。所用的環(huán)形光束可以由環(huán)形光闌、雙錐面反射、雙錐面折射、全息方法等獲得。
所說(shuō)的倏逝場(chǎng)是由兩束、多束有限尺寸的平行光或空心光錐光束在兩種介質(zhì)的界面處發(fā)生全反射而產(chǎn)生的，存在于兩種介質(zhì)的界面附近的一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)。這些具有不同方向的倏逝場(chǎng)間的干涉疊加形成了約束光場(chǎng)。
本發(fā)明是基于近場(chǎng)光學(xué)倏逝場(chǎng)干涉疊加原理設(shè)計(jì)制作的。近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針的形成可以分為以下過(guò)程來(lái)理解(一)在兩種具有不同折射率的介質(zhì)的界面處，當(dāng)入射角大于臨界角的光束從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時(shí)，在界面處發(fā)生全反射，產(chǎn)生倏逝場(chǎng)，其中相向行波倏逝場(chǎng)的干涉疊加使光場(chǎng)重新分布，此光場(chǎng)具有多級(jí)次多峰值特征。(二)在界面處設(shè)置適當(dāng)尺寸的小孔光闌，形成約束光場(chǎng)，其對(duì)稱中心處出現(xiàn)極大增強(qiáng)場(chǎng)，形成中心峰，它在波長(zhǎng)距離內(nèi)不向外發(fā)散而形成納米光柱，即光場(chǎng)分布的中心峰的半高寬(Full Width at Half Maximum，F(xiàn)WHM)在波長(zhǎng)深度空間內(nèi)不隨距離的變化而變化，但能量將隨距離的增大而衰減，成為近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針。其原理示意圖如

圖1所示，1為折射率為1的空氣，2為折射率為n(n＞1)的介質(zhì)，3為入射角θi大于臨界角θc(θc＝arcsin(1/n))的兩束受限入射光，4為由全內(nèi)反射激發(fā)的倏逝場(chǎng)干涉疊加產(chǎn)生的光場(chǎng)分布。這種光場(chǎng)分布的半高寬在一定范圍內(nèi)不隨距離Z的變化而變化。其中，光場(chǎng)分布中旁瓣與中心峰的相對(duì)值受到小孔光闌的孔徑尺寸及形狀、兩種介質(zhì)的相對(duì)折射率等因素的影響。另外，約束光場(chǎng)分布受入射光波波長(zhǎng)、偏振態(tài)、入射角度、系統(tǒng)的有效數(shù)值孔徑、小孔光闌的形狀及尺寸、兩種介質(zhì)的折射率差等因素的影響。
本發(fā)明的這種近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針，其通光效率為10-2量級(jí)，是普通的納米孔徑光纖探針的通光效率的102～104倍；其光場(chǎng)分布的中間峰的半峰值寬度(即虛擬光探針的尺寸)在波長(zhǎng)深度空間范圍內(nèi)基本保持不變，其范圍為100nm～300nm。與一般近場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)相比，這種近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針大大放寬了對(duì)近場(chǎng)納米間距的控制要求，從10～50nm擴(kuò)展到100～600nm，易于控制；分辨率高于衍射極限；工藝上比光纖式納米探針容易實(shí)現(xiàn)，而通光效率比普通納米孔徑光纖探針提高了102～104倍；更易于與傳統(tǒng)光學(xué)顯微鏡結(jié)合使用。
本發(fā)明的近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針可應(yīng)用于近場(chǎng)光學(xué)光譜探測(cè)、近場(chǎng)光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、近場(chǎng)光刻、近場(chǎng)光學(xué)光操作等領(lǐng)域。
附圖簡(jiǎn)要說(shuō)明圖1為近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針的原理示意圖。
圖2為本發(fā)明的計(jì)算模型示意圖。
圖3為圖2中的小孔光闌幾何形狀圖。
圖4、5、6為本發(fā)明的計(jì)算模型的光場(chǎng)分布圖。
圖7為本發(fā)明的計(jì)算模型的通光效率隨圓形小孔光闌的直徑的變化曲線。
圖8為本發(fā)明的計(jì)算模型的中間峰的半高寬隨距離的變化曲線。
圖9為本發(fā)明的計(jì)算模型的中間峰的峰值強(qiáng)度隨距離的變化曲線。
圖10為本發(fā)明的實(shí)施例1采用等腰直角三角形棱鏡的近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針系統(tǒng)的組成原理圖。
圖11為圖10中的小孔光闌幾何形狀圖。
圖12為本發(fā)明的實(shí)施例2采用半球形固體浸沒(méi)透鏡的近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針系統(tǒng)的組成原理圖。
圖13為圖12中的小孔光闌幾何形狀圖。
實(shí)施例1為采用等腰直角三角形棱鏡的近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針系統(tǒng)，其原理結(jié)構(gòu)如圖10所示。該系統(tǒng)主要是由如圖10所示的放置在空氣15中的等腰直角三角形棱鏡13和位于棱鏡與空氣界面處的方形小孔光闌14組成。等腰直角三角形棱鏡的兩個(gè)銳角θ均為45度，斜邊的長(zhǎng)度為1cm，棱鏡厚度為0.7cm。棱鏡材料采用折射率n＝1.5163的K9玻璃。在棱鏡的斜面上鍍一層厚度為100nm的銀膜，在膜層中央開(kāi)有方孔16，即形成了方形小孔光闌14。其截面圖如圖11所示，17為金屬膜，18為方形小孔，其長(zhǎng)L、寬H均為1.5μm。當(dāng)兩光束直徑為0.5cm的平行激光光束12(波長(zhǎng)為690nm)垂直于棱鏡13的直角邊入射時(shí)，受方形小孔光闌14限制的兩光束在棱鏡的斜邊與空氣15的交界面上發(fā)生全反射，產(chǎn)生倏逝場(chǎng)，其中相向行波倏逝場(chǎng)的干涉疊加使光場(chǎng)重新分布，形成約束光場(chǎng)，其對(duì)稱中心處出現(xiàn)極大增強(qiáng)場(chǎng)，形成中心峰，它在波長(zhǎng)距離內(nèi)不向外發(fā)散而形成納米光柱，成為近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針。
實(shí)施例2為采用半球形固體浸沒(méi)透鏡的近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針系統(tǒng)，其原理結(jié)構(gòu)如圖12所示。該系統(tǒng)主要是由如圖12所示的環(huán)形光闌21、聚焦物鏡22、半球形固體浸沒(méi)透鏡(SIL)23以及方形小孔光闌24組成。半球形固體浸沒(méi)透鏡采用折射率為1.8的ZF6玻璃制作，其半徑為1mm。在固體浸沒(méi)透鏡的底面上鍍一層厚度為150nm的金膜，在膜層中央開(kāi)有方孔25，即形成了方形小孔光闌24。其截面圖如圖13所示，29為金屬膜，30為方形小孔，其長(zhǎng)L、寬H均為1.5μm。環(huán)形光闌21置于聚焦物鏡前，其中心的圓形擋光部分20位于光束中心，直徑為2mm，將通過(guò)聚焦物鏡后入射角小于全反射角的光束擋掉。聚焦物鏡選用OLYMPUS的長(zhǎng)工作距物鏡(ModelLMPLFL100X)，其工作距為3.2mm，數(shù)值孔徑為0.8。光束直徑為4～5mm的入射平行激光光束19(波長(zhǎng)為488nm)經(jīng)環(huán)形光闌21后轉(zhuǎn)換為環(huán)形光束，再經(jīng)大數(shù)值孔徑的聚焦物鏡22聚焦于固體浸沒(méi)透鏡23的底面，在底面，即固體浸沒(méi)透鏡與空氣26的界面處，形成滿足全反射條件的空心光錐光束，它受到小孔光闌24的限制。因此，由全反射產(chǎn)生的倏逝場(chǎng)，中的相向行波倏逝場(chǎng)干涉疊加，形成約束光場(chǎng)，其對(duì)稱中心處出現(xiàn)極大增強(qiáng)場(chǎng)，形成中心峰，它在波長(zhǎng)距離內(nèi)不向外發(fā)散而形成納米光柱，成為近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針。若將記錄介質(zhì)27放置在距離固體浸沒(méi)透鏡底面100～500nm(虛擬探針的有效距離)距離范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、近場(chǎng)光刻等操作。記錄介質(zhì)可以是光刻膠、有機(jī)染料、相變材料等。記錄材料一般要涂覆于玻璃、PMMA、硅片等基底28上。
權(quán)利要求
1.一種近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針，其特征是在兩種具有不同折射率的介質(zhì)界面處設(shè)置一個(gè)小孔光闌，使得入射角大于臨界角的入射光束發(fā)生全反射時(shí)產(chǎn)生的倏逝場(chǎng)干涉疊加形成約束光場(chǎng)，該約束光場(chǎng)的中心峰在波長(zhǎng)深度空間內(nèi)不會(huì)向外發(fā)散，形成納米光柱，成為納米尺度近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針，其特征是所說(shuō)的入射角大于臨界角的光束是一束以上的有限尺寸的平行光。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針，其特征是所說(shuō)的入射角大于臨界角的光束是滿足全反射條件的空心光錐光束。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針，其特征是所說(shuō)的小孔光闌，光闌的形狀是圓形的，光闌的孔徑輪廓尺寸范圍為0.5μm～3μm，光闌的材料可包括金、鋁、銀等材料或其它能形成微孔的材料，厚度為5～200nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針，其特征是所說(shuō)的小孔光闌，光闌的形狀是方形的，光闌的孔徑輪廓尺寸范圍為0.5μm～3μm，光闌的材料可包括金、鋁、銀等材料或其它能形成微孔的材料，厚度為5～200nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針，其特征是所說(shuō)的小孔光闌，光闌的形狀是環(huán)形的，光闌的孔徑輪廓尺寸范圍為0.5μm～3μm，光闌的材料可包括金、鋁、銀等材料或其它能形成微孔的材料，厚度為5～200nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針，其特征是所說(shuō)的小孔光闌，光闌的形狀是匚形的，光闌的孔徑輪廓尺寸范圍為0.5μm～3μm，光闌的材料可包括金、鋁、銀等材料或其它能形成微孔的材料，厚度為5～200nm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針，其特征是所說(shuō)的小孔光闌，光闌的形狀是工形的，光闌的孔徑輪廓尺寸范圍為0.5μm～3μm，光闌的材料可包括金、鋁、銀等材料或其它能形成微孔的材料，厚度為5～200nm。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針，其特征是所說(shuō)的小孔光闌，光闌的形狀是C形的，光闌的孔徑輪廓尺寸范圍為0.5μm～3μm，光闌的材料可包括金、鋁、銀等材料或其它能形成微孔的材料，厚度為5～200nm。
全文摘要
一種近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針,屬于近場(chǎng)光學(xué)、納米光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針,是在兩種具有不同折射率的介質(zhì)界面處設(shè)置一個(gè)小孔光闌,使得入射角大于臨界角的入射光束發(fā)生全反射時(shí)產(chǎn)生的倏逝場(chǎng)干涉疊加,形成約束光場(chǎng),該約束光場(chǎng)的中心峰形成近場(chǎng)光學(xué)虛擬光探針。其通光效率為10
文檔編號(hào)G02B27/09GK1367395SQ0210407
公開(kāi)日2002年9月4日 申請(qǐng)日期2002年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月8日
發(fā)明者王佳, 洪濤, 孫利群, 許吉英, 田芊 申請(qǐng)人:清華大學(xué)