專利名稱：利用徑向偏振輻射的、用于穿過小孔徑的增強(qiáng)的光學(xué)傳輸?shù)脑O(shè)備和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由權(quán)利要求1的前序部分限定的用于增強(qiáng)的光學(xué)傳輸?shù)脑O(shè)備。
本發(fā)明還涉及權(quán)利要求19中所限定的用于光學(xué)存儲介質(zhì)的讀/寫頭、權(quán)利要求20中所限定的近場光學(xué)掃描顯微鏡以及權(quán)利要求21中所限定的強(qiáng)輻射源。
本發(fā)明還涉及權(quán)利要求22中所限定的用于增強(qiáng)的光學(xué)傳輸?shù)姆椒ā?br> 背景技術(shù)：
在近場光學(xué)裝置領(lǐng)域中，如近場掃描顯微鏡和光學(xué)數(shù)據(jù)存儲裝置，利用次波長孔徑(sub-wavelength aperture)來提高裝置的分辨率通常是公知的。
穿過次波長孔徑-甚至在平的金屬板中傳遞的輻射的通過量非常低。當(dāng)半徑小于所使用的輻射的波長d＜＜λ時(shí)，穿過孔徑傳輸?shù)墓夤β实男适芟抻谪愄?Bethe)公式(λ/d)4。在此公式中，λ是輻射的波長，d是孔徑中孔的直徑。
因此，穿過次波長孔徑的光學(xué)傳輸受到孔徑直徑的極大限制，這是顯而易見的。
對于近場應(yīng)用來講，如近場光學(xué)顯微鏡或用于光學(xué)數(shù)據(jù)存儲裝置的讀/寫頭，所實(shí)現(xiàn)的輻射的強(qiáng)度并不足以用于許多用途，而且導(dǎo)致記錄載體的非常長的掃描時(shí)間(讀和/或?qū)?或近場光學(xué)顯微鏡中的非常長的觀察時(shí)間。
通過將入射輻射耦合到表面等離子體(surface plasmon)-表面等離子體偏振的產(chǎn)生來增強(qiáng)穿過小孔如這些裝置中的孔徑的通過量通常是公知的。若這種耦合是諧振耦合，諧振耦合意味著輻射的波長與表面等離子體的波長相匹配，那么，電場就得到增強(qiáng)，從而導(dǎo)致傳輸?shù)脑鰪?qiáng)。
從幾個(gè)專利申請和專利中得知利用一種板增強(qiáng)穿過這種次波長孔徑的傳輸，這些專利申請和專利如US2003/0173501A1、EP1008870A1、US EP1128372A2和US6,236,033，這種板具有嵌入的孔徑，這種孔徑具有整齊構(gòu)造的表面，該表面朝向輻射源。
US2003/0173501A1公開了一種用于增強(qiáng)的輻射傳輸?shù)脑O(shè)備。這種設(shè)備包括金屬板，這種金屬板具有第一表面和第二表面，在金屬膜中設(shè)有至少一個(gè)孔徑，這種孔徑從第一表面延伸到第二表面。
該至少一個(gè)孔徑包括入口部分和出口部分，入口部分設(shè)置在金屬膜的第一表面上，出口部分設(shè)置在金屬膜的第二表面上，每個(gè)部分具有在對應(yīng)的金屬膜的平面中的截面積，其中，入口部分的截面積不等于出口部分的截面積。在金屬膜的第一和第二表面中的至少一個(gè)上設(shè)有周期性表面形貌，這種周期性表面形貌包括多個(gè)表面面貌。
一種表面結(jié)構(gòu)稱為“牛眼圖案”，這種“牛眼圖案”包括壓下的同心環(huán)，這些環(huán)同心布置在單孔徑周圍。包括同心圓環(huán)的表面面貌布置在朝向輻射源的表面上，其中，第二表面僅設(shè)有該單孔徑。當(dāng)輻射入射在帶有同心圓環(huán)的表面上時(shí)，從位于第二表面的孔徑傳輸具有增強(qiáng)強(qiáng)度的輸出輻射。
根據(jù)表面等離子體在牛眼起皺時(shí)受激且這些表面等離子體穿過孔徑傳遞能量的事實(shí)來說明增強(qiáng)的傳輸。
WO03/019249A2介紹了一種用于進(jìn)一步地增強(qiáng)的光學(xué)傳輸?shù)脑O(shè)備。在這種設(shè)備中，通過將表面形貌布置在金屬板的表面上來提供方向性和發(fā)散控制，從該金屬板表面引導(dǎo)輸出輻射。雖然在US2003/0173501A1中所公開的設(shè)備的情形中所傳輸?shù)妮椛涞慕欠植际峭蛐缘?，但在WO03/019245A2中所公開的實(shí)施例中，所傳輸?shù)妮椛涞慕欠植疾皇峭蛐缘摹?br> 所傳輸?shù)妮椛涞倪@種非同向性(non-isotropic)的角分布導(dǎo)致光學(xué)傳輸?shù)倪M(jìn)一步改善。一直以來通過調(diào)整表面面貌的幾何形狀和孔徑的幾何形狀來實(shí)現(xiàn)光學(xué)傳輸?shù)母纳?。缺點(diǎn)在于表面面貌的非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)以及必須構(gòu)造金屬板的兩個(gè)表面。
而且，所實(shí)現(xiàn)的強(qiáng)度仍不足以用于次波長孔徑的許多用途。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的在于提供一種在開始的段落中所提及的類型的設(shè)備，這種設(shè)備避免了前面所描述的缺點(diǎn)。特別地，本發(fā)明的目的在于提供一種用于進(jìn)一步增強(qiáng)光學(xué)傳輸?shù)脑O(shè)備，這種光學(xué)傳輸總體上用于使用次波長孔徑的應(yīng)用中。
根據(jù)本發(fā)明，光學(xué)傳輸?shù)倪M(jìn)一步增強(qiáng)可通過在開始的段落中所提及的類型的設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，這種設(shè)備包括產(chǎn)生徑向偏振輻射的裝置，這種徑向偏振輻射入射在具有表面形貌的金屬板的一個(gè)表面上，這樣就導(dǎo)致輻射與等離子體的更加有效的耦合，從而導(dǎo)致光學(xué)傳輸?shù)倪M(jìn)一步增強(qiáng)。
本發(fā)明中的設(shè)備慮及表面等離子體的本質(zhì)。
金屬中的表面等離子體是在金屬離子的核心周圍振蕩的電子氣體密度的振動(dòng)模式。表面等離子體描述特殊情形，在這種特殊情形中，電荷約束到金屬的表面。在這種情況下，電場在金屬表面的平面中最強(qiáng)。約束到平面的等離子體并不發(fā)光。不過，當(dāng)局部對稱受到干擾時(shí)，等離子體可以發(fā)光。來自金屬表面中的缺陷的表面等離子體發(fā)射是公知的并且在幾種出版物中進(jìn)行了描述，因此在本說明書中不再進(jìn)行詳細(xì)描述。表面形貌的周期圖案稱為表面面貌，在保持能量和動(dòng)量守恒時(shí)，這種表面面貌提供入射輻射到表面等離子體模式的耦合。然后，在孔即孔徑周圍的電場的共振增強(qiáng)導(dǎo)致輻射傳輸強(qiáng)度的增強(qiáng)，這種強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于貝特公式通常所預(yù)期的強(qiáng)度。表面等離子體具有平行于表面的波矢ksp的分量。因此，僅有垂直入射在該表面上的輻射可更加有效地耦合到表面等離子體。
在徑向偏振的輻射中，沿著線將電場定向，這條線穿過輻射束的中心的對稱軸延伸。因此，利用徑向偏振輻射，電場矢量就會總是垂直于表面面貌，尤其是垂直于金屬板的凹槽。
具有偏振方向的徑向偏振輻射會最有效地耦合到等離子體并激活這些等離子體，這種偏振方向垂直于金屬板的表面面貌，這種金屬板包括孔徑。與均勻偏振的輻射相反，徑向偏振的輻射的優(yōu)點(diǎn)是百分之百的輻射具有適當(dāng)?shù)碾妶鰜砑せ畋砻娴入x子體。
與現(xiàn)有技術(shù)中所使用的線性偏振的輻射相比，由于所有的輻射具有適當(dāng)?shù)臉O性，所以光學(xué)傳輸?shù)男士稍黾觾杀丁?br> 下面將對次波長孔徑的應(yīng)用進(jìn)行描述，以說明用于增強(qiáng)的光學(xué)傳輸?shù)脑O(shè)備的工作原理。
用于增強(qiáng)的光學(xué)傳輸?shù)脑O(shè)備結(jié)構(gòu)將通過近場掃描顯微鏡的示例進(jìn)行說明。近場掃描顯微鏡包括輻射源、用于產(chǎn)生徑向偏振輻射的裝置和具有第一表面和第二表面的金屬板，其中，具有次波長尺寸的孔徑從第一表面延伸到第二表面。
這兩個(gè)表面中的至少一個(gè)配有周期性表面形貌。這些是本發(fā)明中用于增強(qiáng)的光學(xué)傳輸?shù)脑O(shè)備的主要組成部分。這種設(shè)備通常安裝在要求具有高分辨率的高光學(xué)傳輸?shù)拿糠N裝置中，例如安裝在近場顯微或高密度光學(xué)數(shù)據(jù)存儲裝置中，或者安裝在可使用這種設(shè)備的其它裝置中。
金屬板可用純固體金屬制成或可包括金屬膜。包括金屬膜的材料可以是任何導(dǎo)電材料，如任何金屬，但可以不必是金屬。例如，金屬板可包括摻雜半導(dǎo)體并優(yōu)選為鋁、銀或金。特殊的實(shí)施例是自支撐Ni膜，這種自支撐Ni膜具有300nm的厚度并在一側(cè)用100nm的Ag層覆蓋。當(dāng)涉及金屬板時(shí)，所有的這些實(shí)施例均包括在下面所進(jìn)行的描述中。金屬板具有至少一個(gè)孔徑或孔。至少一個(gè)孔徑包括入口部分和出口部分。孔徑的入口部分布置在金屬板的表面上，輻射會入射在該表面上，以使輻射穿過入口部分進(jìn)入孔徑并穿過出口部分離開孔徑。金屬板的至少一個(gè)表面包括周期性表面形貌，這一點(diǎn)將在下面進(jìn)行描述。
孔徑具有十分之幾至幾百nm的次波長尺寸。例如，在將具有633nm的波長的氖激光器用作輻射源時(shí)，優(yōu)選的孔徑的直徑將為215nm。金屬板還可在兩個(gè)表面即第一表面和第二表面上均設(shè)有表面形貌結(jié)構(gòu)。
與基本上光滑的表面相反，具有周期性表面形貌的表面是具有凸起和/或凹陷區(qū)域的任何表面，在這些表面中，這些區(qū)域以周期或以規(guī)則地重復(fù)的方式布置。表面形貌結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例在圖2中示出并將在下面進(jìn)行描述。多個(gè)表面結(jié)構(gòu)將會理解為形貌，尤其是設(shè)有多個(gè)圓柱形或半圓形凹陷處(下陷)的表面，這些下陷以周期方式布置在該表面上；設(shè)有多個(gè)圓柱形或半圓形凸出的表面，這些半圓形凸出以周期方式布置在該表面上；設(shè)有多個(gè)曲線形或線性凹槽的表面，這些凹槽以周期方式布置在該表面上；設(shè)有多個(gè)曲線形或線性凸出肋的表面，這些肋以周期方式布置在該表面上；設(shè)有多個(gè)凹入或凸出環(huán)的表面，這些環(huán)以周期方式(通常以同心方式)布置在該表面上，以及前面所描述的方式的任何組合。
一般來講，周期性表面形貌并不包括設(shè)在金屬板中的孔徑。若有需要，也可提供多個(gè)這種孔徑。
將會在下面使用術(shù)語“表面面貌”，以用于所描述的這些表面形貌，以在延伸穿過金屬板的厚度的孔徑之間進(jìn)行區(qū)別。這些表面面貌將用于指表面上的凸出和表面中的凹陷，且并不完全延伸金屬板的厚度，因此并不是孔徑。例如，下陷、半圓形凸出、凹槽、環(huán)和鍵槽是表面面貌。還包括在內(nèi)的會是金屬板，這些金屬板在一個(gè)或兩個(gè)表面上具有不同于前面所提及的金屬板的表面面貌。
孔徑的幾何形狀也包括在入口部分和出口部分具有相同的直徑的孔徑或在入口部分和出口部分具有不同的直徑的孔徑。這就意味著入口部分的直徑可大于出口部分的直徑，反之亦然。
與金屬板的至少一個(gè)表面的表面結(jié)構(gòu)一致，入射在該表面上的輻射會將表面等離子體激活，這些表面等離子體將輻射的能量穿過孔徑傳遞。利用徑向偏振的輻射，輻射的電場矢量就會總是垂直于該表面。
表面等離子體具有平行于表面的波矢，這種波矢大于包圍金屬板的材料中輻射的波矢。因此，垂直入射在表面上的輻射可獲得平行于表面的波矢的大的分量。所以，百分之百的輻射具有相對于金屬板的表面的相同方向，或者，換言之，相對于激活表面等離子體的波矢的相同方向。
與任意偏振的輻射相比，具有垂直于表面的電場矢量方向的輻射的使用導(dǎo)致穿過孔徑的傳輸倍增，在任意偏振的輻射中，僅有輻射的一半垂直入射在表面上。
根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射的裝置包括用于發(fā)射輻射束的輻射源，優(yōu)選這種輻射束線性偏振，用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射的裝置還包括用于將線性偏振的輻射改變成徑向偏振的輻射的裝置。
優(yōu)選輻射源是半導(dǎo)體激光器，這種半導(dǎo)體激光器發(fā)射具有符合該裝置的要求的波長的輻射，該設(shè)備安裝在該裝置中。這些波長通常介于480nm與780nm之間。用于產(chǎn)生偏振的輻射的裝置布置在該設(shè)備的光徑中的輻射源之后。
徑向偏振的輻射具有沿著線定向的電場矢量，該線延伸穿過輻射束的對稱中心。有利的是，這種裝置采用幾種產(chǎn)生偏振的輻射束的方式。
根據(jù)另一個(gè)實(shí)施例，這種設(shè)備包括李氏(Lee)類型的二元光柵，以形成徑向偏振的輻射。
在這種情況下，來自輻射源的輻射在進(jìn)入孔徑之前經(jīng)過稱為李氏類型二元光柵的次波長光柵。李氏類型二元光柵通常包括金屬帶，這種金屬帶包括10nm的Ti和60nm的Au，這些Ti和Au用光刻和升離技術(shù)(lift-off technique)淀積到500μm厚的GaAs晶片上。這兩種制造這種裝置的技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于它們都是人們所熟知的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，來自輻射源的輻射經(jīng)過四分之一波板，以形成徑向偏振的輻射。
當(dāng)線性偏振的輻射入射在這種四分之一波板上時(shí)，就產(chǎn)生徑向偏振的輻射束。應(yīng)注意到，利用四分之一波板的光軸與電場方向之間的角度θ將線性偏振的輻射的極性旋轉(zhuǎn)2θ。四個(gè)四分之一波板的使用導(dǎo)致近似的徑向偏振分布，如兩個(gè)正交線性偏振的射束的組合。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，輻射經(jīng)過四分之一波板和相位板，以形成徑向偏振的輻射。
使用相位板是有利的，因?yàn)閺较蚱竦纳涫哂锌捎上辔话宄サ南辔黄纥c(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，輻射在入射在孔徑的表面上之前經(jīng)過液晶裝置。
液晶裝置可用于產(chǎn)生徑向和方位角偏振的輻射。液晶裝置在新式光學(xué)器件的設(shè)計(jì)中是靈活的。根據(jù)入射在液晶裝置上的線性偏振的輻射的取向，會產(chǎn)生徑向或方位角偏振的輻射(azimuth-polarizedradiation)。
液晶裝置通常包括具有電極的兩個(gè)板，以在這些板與作為雙折射材料的液晶分子層之間產(chǎn)生電場。通過電場的應(yīng)用會將這些液晶分子對齊。因此，液晶裝置就成為了作為徑向分析器的偏振儀。
液晶裝置用于幾種光學(xué)裝置并易于以低成本制造。
本發(fā)明的目的還可通過用于光學(xué)數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)的讀/寫頭來實(shí)現(xiàn)，這種光學(xué)數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)包括在開始的段落中所限定的設(shè)備，這種設(shè)備包括輻射源、具有第一和第二表面的金屬膜、至少一個(gè)孔徑和周期性表面形貌，該至少一個(gè)孔徑設(shè)在金屬膜中并從第一表面延伸到第二表面，周期性表面形貌設(shè)在金屬膜的第一和第二表面中的至少一個(gè)上，其中，入射在金屬膜的表面中的一個(gè)上的來自輻射源的輻射與金屬膜的至少一個(gè)表面上的表面等離子體模式相互作用，從而增強(qiáng)穿過金屬膜的至少一個(gè)孔徑的輻射的傳輸，且該讀/寫頭包括設(shè)備，這種設(shè)備具有用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射的裝置。
讀/寫頭要求良好的分辨率，這種良好的分辨率通過使用孔徑并同時(shí)使用輻射束來實(shí)現(xiàn)，這種孔徑具有次波長尺寸，且這種輻射束具有略高的強(qiáng)度，這種略高的強(qiáng)度用于掃描光學(xué)記錄載體。因此，輻射束的傳輸?shù)倪M(jìn)一步增強(qiáng)是有利的，這種輻射束的進(jìn)一步增強(qiáng)通過利用一種設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，這種設(shè)備包括產(chǎn)生徑向偏振的輻射的裝置。
本發(fā)明的目的還可通過近場光學(xué)掃描顯微鏡來實(shí)現(xiàn)，這種近場光學(xué)掃描顯微鏡包括輻射源、具有第一和第二表面的金屬膜、至少一個(gè)孔徑和周期性表面形貌，該至少一個(gè)孔徑設(shè)在金屬膜中并從第一表面延伸到第二表面，周期性表面形貌設(shè)在金屬膜的第一和第二表面中的至少一個(gè)上，其中，入射在金屬膜的表面中的一個(gè)上的來自輻射源的輻射與金屬膜的至少一個(gè)表面上的表面等離子體模式相互作用，從而增強(qiáng)穿過金屬膜的至少一個(gè)孔徑的輻射的傳輸，且這種近場光學(xué)掃描顯微鏡還包括產(chǎn)生入射在金屬膜的表面中的一個(gè)上的徑向偏振的輻射，這樣就導(dǎo)致輻射傳輸?shù)倪M(jìn)一步增強(qiáng)。
在近場光學(xué)顯微中，輻射束必須具有某種強(qiáng)度和良好的分辨率。因此，使用增強(qiáng)穿過次波長孔徑的傳輸?shù)难b置是有利的，這種增強(qiáng)通過利用徑向偏振的輻射并結(jié)合具有表面面貌的孔徑來進(jìn)行。因此，可通過增加激活的表面等離子體的數(shù)量來傳輸兩倍或更多的入射在孔徑上的輻射。
這是有利的，因?yàn)榻鼒龉鈱W(xué)顯微鏡的主要問題是以非常簡單的方式以同時(shí)小的分辨率實(shí)現(xiàn)傳輸。通過增加將輻射變換成徑向偏振的輻射的裝置來解決這個(gè)問題。
本發(fā)明的目的還可通過一種方法來實(shí)現(xiàn)，在這種方法中，將徑向偏振的輻射用于照射具有表面面貌的次波長孔徑，以增加激活的表面等離子體的數(shù)量。
這種在利用納米范圍內(nèi)的輻射并包括次波長孔徑的裝置中增強(qiáng)光學(xué)傳輸?shù)姆椒ㄓ欣厥褂萌肷湓诰哂斜砻婷婷驳慕饘侔迳系膹较蚱竦妮椛?，以通過來自入射在金屬板上的輻射的每個(gè)光子實(shí)現(xiàn)等離子體的激活。
將會理解，前面所提及的特征和將在下面進(jìn)行描述的特征并不僅適用于所給出的組合，而是還適用于其它組合或獨(dú)立情形中，而并不背離本發(fā)明的范圍。


從下面的描述并結(jié)合附圖就會明白本發(fā)明的這些和其它目的和優(yōu)點(diǎn)，在這些附圖中圖1是本發(fā)明的光徑的示例的示意圖；圖2示出了牛眼結(jié)構(gòu)。圖2a是這種結(jié)構(gòu)的平面圖且圖2b是這種結(jié)構(gòu)的截面示意圖；圖3示出了徑向偏振的射束的示意性特征；圖4示出了四分之一波板(a)與相位板(b)的對齊；圖5是用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射的液晶(LC)電池的示意圖；圖6是發(fā)射徑向偏振光的激光器的示意圖；圖7是基于具有牛眼結(jié)構(gòu)的錐形光纖的讀/寫頭的截面圖(a)以及牛眼結(jié)構(gòu)的平面圖(b)；圖8示出了光學(xué)拾波器的光徑，這種光學(xué)拾波器具有根據(jù)示于圖7中的實(shí)施例的讀/寫頭。
具體實(shí)施例方式
圖1是用于增強(qiáng)的光學(xué)傳輸?shù)脑O(shè)備10的示意圖，這種設(shè)備10包括用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射束的裝置、用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射16的裝置14和金屬板18，用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射束的裝置尤其是一種輻射源12，這種輻射源12發(fā)射輻射束13，金屬板18具有第一表面20和第二表面22，其中，孔徑24從第一表面20延伸到第二表面22。這兩個(gè)表面20和22中的至少一個(gè)配有周期性表面形貌26。這些是本發(fā)明中用于增強(qiáng)的光學(xué)傳輸?shù)脑O(shè)備10的主要組成部分。這種設(shè)備10通常安裝在要求具有高分辨率的高光學(xué)傳輸?shù)拿糠N裝置中，例如安裝在近場顯微或高密度光學(xué)數(shù)據(jù)存儲裝置中，或者安裝在可使用這種設(shè)備10的其它裝置中。
在對本發(fā)明的特別實(shí)施例進(jìn)行描述之前，對幾個(gè)術(shù)語進(jìn)行說明是有用的，這幾個(gè)術(shù)語對于理解本發(fā)明是重要的，尤其對具有孔徑24的金屬板18和用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射16的裝置14是重要的。金屬板18可用純固體金屬制成或可包括金屬膜。包括金屬膜的材料可以是任何導(dǎo)電材料，如任何金屬，但可以不必是金屬。例如，金屬板18可包括摻雜半導(dǎo)體。優(yōu)選金屬板18包括鋁、銀或金。特殊的實(shí)施例是自支撐Ni膜，這種自支撐Ni膜具有300nm的厚度并在一側(cè)用100nm的Ag層覆蓋。當(dāng)涉及金屬板18時(shí)，所有的這些實(shí)施例均包括在內(nèi)。金屬板18具有至少一個(gè)孔徑或孔24。至少一個(gè)孔徑24包括入口部分28和出口部分30?？讖降娜肟诓糠?8布置在金屬板18的表面上，輻射會入射在該表面上，以使輻射穿過入口部分28進(jìn)入孔徑24并穿過出口部分30離開孔徑24。金屬板18的至少一個(gè)表面包括周期性表面形貌26，這一點(diǎn)將在下面進(jìn)行描述。
孔徑24具有十分之幾至幾百nm的次波長尺寸。例如，在將具有633nm的波長的氖激光器用作輻射源時(shí)12，優(yōu)選的孔徑的直徑將為215nm。金屬板18還可在兩個(gè)表面即第一表面20和第二表面22上均設(shè)有表面形貌結(jié)構(gòu)。
與基本上光滑的表面相反，包括周期性表面形貌的表面是具有凸起和/或凹陷區(qū)域的任何表面，在這些表面中，這些區(qū)域以周期或以規(guī)則地重復(fù)的方式布置。表面形貌結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施例在圖2中示出并將在下面進(jìn)行描述。將對所有通?？赡艿谋砻嫘蚊步Y(jié)構(gòu)進(jìn)行描述。用語“表面形貌”可包括1.設(shè)有多個(gè)圓柱形或半圓形凹陷處(下陷)的表面，這些下陷以周期方式布置在表面上；2.設(shè)有多個(gè)圓柱形或半圓形凸出的表面，這些半圓形凸出以周期方式布置在表面上；3.設(shè)有多個(gè)曲線形或線性凹槽的表面，這些凹槽以周期方式布置在表面上；4.設(shè)有多個(gè)曲線形或線性凸出肋的表面，這些肋以周期方式布置在表面上；5.設(shè)有多個(gè)凹入或凸出環(huán)的表面，這些環(huán)以周期方式(如同心方式)布置在表面上；以及6.前面所描述的方式的任何組合。
一般來講，周期性表面形貌并不包括設(shè)在金屬板18中的孔徑24。若有需要，也可提供多個(gè)這種孔徑。
將會在下面使用術(shù)語“表面面貌”27，以用于所描述的這些表面形貌，以將其與延伸穿過金屬板18的厚度的孔徑24區(qū)別開。這些表面面貌27將用于指表面上的凸出和表面中的凹陷，且并不完全延伸金屬板的厚度，因此并不是孔徑。例如，下陷、半圓形凸出、凹槽、環(huán)和鍵槽是表面面貌。還包括在內(nèi)的會是金屬板18，這些金屬板在一個(gè)或兩個(gè)表面上具有不同于前面所提及的金屬板的表面面貌。
孔徑24的幾何形狀也包括在入口部分和出口部分具有相同的直徑的孔徑或在入口部分和出口部分具有不同的直徑的孔徑24。這就意味著入口部分的直徑可大于出口部分的直徑，反之亦然。
現(xiàn)參考用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射的裝置14，圖中示出的裝置14在插件32中。裝置14可包括示于圖3、圖4和圖5中的幾個(gè)實(shí)施例。輻射在已經(jīng)過了裝置14之后具有徑向偏振的輻射的所有特征，就本發(fā)明而言，僅有這一點(diǎn)是重要的，這一點(diǎn)將在下面進(jìn)行描述。徑向偏振的輻射16具有以下特征電場和磁場具有涉及傳播方向的限定的徑向?qū)ΨQ軸；在對稱軸上，強(qiáng)度具有并不與零不同的值和在距示于圖3中的對稱軸的不同的距離R0、R1...時(shí)的最大強(qiáng)度，且x為距對稱軸的距離。
在垂直于對稱軸的平面中，對于所有的點(diǎn)來講，輻射的相位均具有相同的值，這些點(diǎn)具有距對稱軸相同的距離。這種場分布可由如兩個(gè)正交偏振的TEM0m-TEMm0-模式(m＝1)的疊加來產(chǎn)生。圖3示出了兩個(gè)偏振的TEM10-和TEM01-模式(m＝1)的疊加，且TEM10為x-偏振的模式中的一個(gè)，TEM01為y-偏振的模式中的一個(gè)。用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射的裝置5的特殊實(shí)施例在圖4和圖5中示出，并將在下面進(jìn)行描述。
本發(fā)明中的增強(qiáng)的光學(xué)輻射傳輸以下面的方式(圖1)運(yùn)行。來自輻射源A的輻射束13將由裝置14修正為徑向偏振的輻射束18，優(yōu)選輻射源A為激光器，尤其是具有λ＝633nm的波長的HeNe激光器。這種輻射束18將入射在金屬板18的表面20上。
然后將輻射引導(dǎo)到孔徑24的入口部分28并作為具有增強(qiáng)的強(qiáng)度Ioutput的輸出輻射從位于金屬板18的第二表面22的孔徑24的出口部分30傳輸。應(yīng)注意到，穿過金屬板18的光學(xué)傳輸?shù)脑鰪?qiáng)并不重要，表面面貌26布置在金屬板18的表面20或22上。還可將表面面貌26布置在金屬板18的兩個(gè)表面上，即布置在側(cè)面20上和布置在側(cè)面22上。傳輸?shù)脑鰪?qiáng)是由于表面20上的表面等離子體的諧振激活，輻射入射在該表面20上。通過穿過柵矩和動(dòng)量的順從守恒的耦合來進(jìn)行交互作用ksp＝kx±i·Gx±j·Gy式中ksp是表面等離子體波矢，kx是位于金屬板18的平面中的入射波矢的分量，Gx和Gy是具有|±Gx|＝|±Gy|＝2π/a0的方點(diǎn)陣的互易點(diǎn)陣矢量，i和j是整數(shù)。
波矢ksp還可表示為Ksp=2Πλϵ1ϵmϵ1+ϵm,]]>ε1和εm分別是周圍的電介質(zhì)和金屬的介電常數(shù)，其中，金屬的介電常數(shù)εm為負(fù)值且絕對值比大多數(shù)電介質(zhì)要大得多。表面等離子體具有平行于表面的波矢ksp的分量，這種波矢ksp的分量大于包圍金屬板18的電介質(zhì)材料中的輻射的波矢。
若入射在金屬板18的表面20上的徑向偏振的輻射垂直于該表面，那么這種輻射就能夠獲取大的矩ksp并激活等離子體。這就意味著僅有垂直于表面面貌的凹槽的輻射能夠激活等離子體。垂直于凹槽并入射在表面面貌上的輻射越多，被激活的等離子體越多且穿過金屬板的傳輸就越高。若使用任意偏振的輻射，僅有輻射的一半具有適當(dāng)?shù)臉O性來僅將等離子體激活。若使用任意偏振的輻射，所有的輻射具有適當(dāng)?shù)臉O性來將等離子體激活。這就會導(dǎo)致所期望的將光學(xué)傳輸增強(qiáng)兩倍。
用于將從輻射源12發(fā)射的輻射束尤其是在李氏類型二元光柵中變換成偏振射束16的幾個(gè)裝置14未在附圖中示出。可從出版物《光學(xué)通訊》(作者Ze’ev Bomzon等人，第26卷，(2001)第18期，第1424頁)中可獲知詳情。示于圖4中的四分之一波板也可作為裝置14。而且，前面并未提及的裝置14也是可行的，只要這些裝置將線性偏振的輻射變換成徑向偏振的輻射。
在圖2中，參考數(shù)字與圖1中的參考數(shù)字相同，且相同的部分用相同的參考數(shù)字表示。
圖2a是表面面貌26的截面圖，這種表面面貌26如在US2003/0173501A1中所公開的表面面貌。表面結(jié)構(gòu)稱為牛眼結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)通常用聚焦1形梁方法(focused 1-beam method)(SIB)制造。這種表面面貌在銀(Ag)膜上實(shí)現(xiàn)，其中，凹槽周期為500nm，且凹槽深度為60nm。可看到孔徑13在這種結(jié)構(gòu)的中間，且孔徑13具有250nm的直徑?？偤穸葹?00nm。該圖片取自出版物《光學(xué)通訊》(作者Tineke和Thio，第26卷，第24期，第1972頁，2001年12月15日)。
周期性表面形貌包括一組凹陷同心環(huán)，這些環(huán)的平均半徑由Kk＝kP(P＝750nm，k＝1，2...)給出。P是周期性表面形貌的周期并表示環(huán)的數(shù)量。已知這種表面面貌結(jié)構(gòu)為牛眼圖案并由幾位作者研究過。牛眼結(jié)構(gòu)僅是金屬板18的表面面貌26的示例。其它表面面貌也可用于通過等離子體的激活實(shí)現(xiàn)穿過金屬板18的增強(qiáng)的傳輸?shù)南嗤Ч?br> 本發(fā)明還包括其它表面面貌26，如在US2003/0173501和《光學(xué)通訊》(作者Tineke和Thio，第26卷，第24期，第1972頁，2001年12月15日)中所公開的表面面貌。應(yīng)注意到，，可將這些表面面貌布置在金屬板18的兩個(gè)側(cè)面上。在牛眼結(jié)構(gòu)的截面中，峰34和谷36不必是矩形，而可以是三角形，或者可使谷36與峰34之間的過渡平滑。
圖3示出了在x-y平面中的徑向偏振的射束16。電場矢量在圖3a中用箭頭38表示。圖3b示出了隨著圖3a中的x方向變化的強(qiáng)度分布。從圖中可以看出，徑向偏振的射束通常在矩對稱軸40的距離具有最大強(qiáng)度分布，該距離在圖3b中用R0表示。
圖3c示出了以x方向偏振的一個(gè)TEM10-模式和以y方向偏振的一個(gè)TEM01-模式的疊加，這樣就產(chǎn)生了徑向射束21，該徑向射束21具有電場矢量38和對稱軸40的分布。
圖4示出了穿過四分之一波板42的線性偏振的輻射束13，四分之一波板42是用于產(chǎn)生徑向偏振的射束16的裝置14的一部分。這種四分之一波板42也稱為偏振變換器并包括四個(gè)四分之一波板44、46、48和50。參考數(shù)字13表示經(jīng)過四分之一波板42之前的具有y偏振方向的輻射，參考數(shù)字16表示在四分之一波板42的出口的徑向偏振射束。箭頭44、46、48和50表示不同的定向，箭頭51以θ＝0°的角度，箭頭45以θ＝45°的角度，箭頭47以θ＝90°的角度且箭頭49以θ＝135°的角度。角θ在光軸的插件57示出。這就意味著光軸穿過四分之一波板42變化。應(yīng)注意到，利用四分之一波板的光軸與電場方向之間的角θ將線性偏振的輻射的偏振旋轉(zhuǎn)2θ。四個(gè)四分之一波板的使用導(dǎo)致近似的徑向偏振分布，如兩個(gè)正交線性偏振的射束的組合。在此實(shí)施例中，裝置14還包括將相位奇點(diǎn)除去的相位板56，這種相位奇點(diǎn)往往由徑向偏振的射束所承載。在本說明書中，將相位奇點(diǎn)理解為意指在輻射繞著對稱中心即軸旋轉(zhuǎn)期間，輻射的相位以2π的倍數(shù)增加或減少。相位板56包括具有不同高度60的多個(gè)扇形區(qū)58。應(yīng)將這些高度60調(diào)節(jié)到入射輻射的波長。為了將奇點(diǎn)除去，全部這些步驟即高度60的相位差，應(yīng)為2π。
圖5示出了用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射的裝置14的另一個(gè)實(shí)施例。圖5a示出了包括Φ電池64的實(shí)施例，這種Φ電池64將用參考數(shù)字66所表示的線性偏振的輻射改變成由箭頭68表示的徑向偏振的輻射。在Φ電池的實(shí)施例中，線性偏振的輻射64變成由箭頭68表示的徑向偏振的輻射。
該Φ電池64在圖5b中詳細(xì)示出。兩個(gè)層70和72如圖5b所示出的那樣對齊。層70和72包括一個(gè)單向摩擦的對齊層和一個(gè)圓形摩擦的對齊層，這些層用向列型LC填充。單向?qū)R層限定稱為電池軸的軸。由于其中線性和圓形對稱的結(jié)合，所以將LC電池稱為Φ電池。這種Φ電池中局部LC的取向是扭轉(zhuǎn)電池的取向，且可變扭轉(zhuǎn)角由該局部對齊層所限定。
圖5的另一個(gè)部分，圖5c示出了Φ電池64中的液晶分子的取向的俯視圖。兩個(gè)層70和72包括LC分子。這些液晶用參考數(shù)字74表示。扭轉(zhuǎn)角總是小于±Φ并降低彈性扭轉(zhuǎn)能量。Φ電池中的LC分子的取向的俯視圖在圖5c中示出。
有兩條徑向不完整的線，這兩條線將用參考數(shù)字76和78表示的相對的扭轉(zhuǎn)的區(qū)域分開。這兩條不完整的線平行于電池軸；它們在開始時(shí)接近于對稱中心并共同狹槽直線。具有未限定LC取向的中心區(qū)域的典型的直徑為20μm。正如可從圖5a中看出的那樣，入射的偏振輻射66可首先遇到直線對齊的層70，然后遇到徑向定向的層72。
應(yīng)注意到，用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射的裝置14還包括其它實(shí)施例(未示出)。
圖6示出了發(fā)射徑向偏振的輻射的激光器80。在此實(shí)施例中，輻射源12和用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射的裝置14包括一個(gè)裝置。發(fā)射徑向偏振的輻射的激光器的更多細(xì)節(jié)在出版物《具有純方位角或徑向偏振的激光束的形成》(R.Oron等人，《應(yīng)用物理通訊》，77(21)，3322(2000))中進(jìn)行了描述。因此，本說明書不再對激光進(jìn)行詳細(xì)描述。這種激光包括增益介質(zhì)82和窗口84，窗口84用于輸出徑向偏振的射束16。應(yīng)注意到，增益介質(zhì)必須是相對同向性的。
圖7是用于光學(xué)存儲介質(zhì)的讀/寫頭100的截面圖，這種讀/寫頭100是基于錐形光纖的記錄載體，這種錐形光纖在其端部具有牛眼結(jié)構(gòu)。讀/寫頭包括波導(dǎo)管102，波導(dǎo)管102具有位于與記錄載體106相對的位置的端面104。一般來講，端面104包括表面面貌26，表面面貌26具有規(guī)則的谷34和峰36。用于產(chǎn)生徑向偏振的光的裝置通常包括輻射源12和用于將從輻射源12發(fā)射的輻射變換成徑向偏振的輻射16的裝置14。
徑向偏振的輻射16入射在包括表面面貌的金屬板18上并激活表面面貌中的表面等離子體。徑向偏振的輻射增強(qiáng)穿過孔徑24的光學(xué)傳輸。
圖8是光學(xué)拾波器中的光徑的示例的示意圖，光學(xué)拾波器具有讀/寫頭100。該圖示出了用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射的裝置14，尤其是如示于圖6中的LC電池。圖中還示出了具有孔徑的金屬板18。
輻射源12發(fā)射線性偏振的輻射束，這種線性偏振的輻射束穿過光學(xué)透鏡108。用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射的裝置14布置在光學(xué)透鏡之后，從而產(chǎn)生徑向偏振的輻射束16。輻射束16穿過分光元件110、由透鏡112聚焦并進(jìn)入讀/寫頭100，讀/寫頭100包括具有表面面貌的金屬板18。記錄載體106位于與讀/寫頭100相對的位置。經(jīng)過反射的輻射束穿過分光器110和透鏡114，并且由檢測元件116檢測。
與傳統(tǒng)上的光學(xué)拾波器相比，用作掃描(讀/寫)記錄載體106的輻射束的徑向偏振的輻射束16具有增強(qiáng)的強(qiáng)度。
本發(fā)明的基本思想是徑向偏振的輻射與金屬板18的結(jié)合，金屬板18具有表面面貌26和徑向偏振的輻射穿過的孔徑24。本發(fā)明的目的在于通過利用徑向偏振的輻射16來增強(qiáng)穿過金屬板18的這種孔徑的輻射的光學(xué)傳輸。通過利用適當(dāng)?shù)钠窦せ畋砻娴入x子體來增強(qiáng)光學(xué)傳輸。在本說明書中，將適當(dāng)?shù)钠窭斫鉃橐庵篙椛涞钠袷噶靠偸谴怪庇诮饘侔?8的表面面貌26的凹槽。本發(fā)明包括用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射的幾個(gè)實(shí)施例以及具有不同的表面面貌26的金屬板18的不同實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種用于增強(qiáng)的輻射傳輸?shù)脑O(shè)備，所述設(shè)備包括至少一個(gè)輻射源(12)、具有第一表面(20)和第二表面(22)以及至少一個(gè)孔徑(24)的金屬板(18)，所述孔徑(24)設(shè)在所述金屬板(18)中并從所述第一表面(20)延伸到所述第二表面(22)，所述金屬板(18)具有周期性表面形貌(26)，所述周期性表面形貌(26)設(shè)在所述第一表面(20)和第二表面(22)中的至少一個(gè)上，來自所述輻射源(12)并入射在所述金屬板(18)的所述表面之一上的輻射(13)與所述金屬板(18)的所述表面(20，22)中的至少一個(gè)上的表面等離子體模式相互作用，從而增強(qiáng)穿過所述金屬板(18)的所述至少一個(gè)孔徑(24)的輻射傳輸，其特征在于所述用于增強(qiáng)的光學(xué)傳輸?shù)脑O(shè)備包括用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射(16)的裝置(15)，所述徑向偏振的輻射(16)入射在具有表面形貌(26)的所述金屬板(18)的所述表面(20，22)中的一個(gè)上，這樣就導(dǎo)致所述輻射更有效地耦合到所述等離子體，從而導(dǎo)致所述光學(xué)傳輸?shù)倪M(jìn)一步增強(qiáng)。
2.如權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射(16)的所述裝置(15)包括用于發(fā)射線性偏振的輻射(13)的輻射源(12)和用于將所述線性偏振的輻射(13)改變成徑向偏振的輻射(16)的裝置(14)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的設(shè)備，其特征在于所述裝置(14)包括李氏類型的初級光柵，以形成徑向偏振的輻射(16)。
4.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述裝置(14)包括四分之一波板(42)。
5.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述裝置(14)包括四分之一波板(42)和相位板(56)。
6.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述裝置(14)包括液晶電池(LC)(64)。
7.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述裝置(15)包括發(fā)射徑向偏振的輻射(16)的激光輻射源。
8.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述金屬板(18)包括用金屬和/或半導(dǎo)體材料制成的膜。
9.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述金屬板(18)包括表面面貌(27)，所述表面面貌(27)在所述表面(20，22)中的一個(gè)和/或兩個(gè)上。
10.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述表面面貌(27)包括至少兩個(gè)凸出的和/或凹入的結(jié)構(gòu)性表面面貌(27)。
11.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述表面形貌(26)包括形成為下陷和/或孔的多個(gè)表面面貌(27)，這些下陷和/或孔以至少一個(gè)方向以周期或準(zhǔn)周期方式布置，所述至少一個(gè)方向源自所述孔徑(24)。
12.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述表面面貌(27)用這樣的材料制造、限定或填充，即所述材料的折射率不同于所述表面面貌(27)的材料的折射率。
13.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于形成所述表面形貌(26)的所述表面面貌(27)對稱布置在所述孔徑(24)的周圍。
14.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于形成所述表面形貌(26)的所述表面面貌(27)非對稱布置在所述孔徑(24)的周圍。
15.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述第一表面(20)的所述表面形貌(26)與所述第二表面(22)的所述表面形貌(26)相同。
16.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述第一表面(20)的所述表面形貌的至少一個(gè)尺寸參數(shù)和/或形狀特征不同于對應(yīng)的所述第二表面(22)的所述表面形貌的至少一個(gè)尺寸參數(shù)和/或形狀特征。
17.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述第一表面(20)的所述表面形貌(26)的周期或準(zhǔn)周期不同于所述第二表面(22)的所述表面形貌(26)的周期或準(zhǔn)周期。
18.如前面的權(quán)利要求中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其特征在于所述金屬板(18)安裝在輻射發(fā)射或傳輸裝置或部件的出口表面上或其前部中。
19.一種用于光學(xué)數(shù)據(jù)存儲介質(zhì)的讀/寫頭，所述讀/寫頭包括權(quán)利要求1至18中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備。
20.一種近場光學(xué)掃描顯微鏡，所述近場光學(xué)掃描顯微鏡包括權(quán)利要求1至18中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備。
21.一種強(qiáng)輻射源，其特征在于所述強(qiáng)輻射源包括權(quán)利要求1至20中的任何一項(xiàng)所述的設(shè)備。
22.一種在利用納米范圍內(nèi)的輻射和次波長孔徑(24)的裝置(14)中增強(qiáng)尤其是倍增光學(xué)傳輸?shù)姆椒?，所述方法使用入射在具有表面面?27)的金屬板(18)上的徑向偏振的輻射(16)，以通過來自入射在所述金屬板(1 8)上的輻射束(16)的每個(gè)光子實(shí)現(xiàn)等離子體的激活。
23.將設(shè)備用于倍增光學(xué)傳輸?shù)挠猛荆鲈O(shè)備包括輻射源(12)；用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射(16)的裝置(15)；以及具有第一表面(20)和第二表面(22)以及至少一個(gè)孔徑(24)的金屬板(18)，所述孔徑(24)設(shè)在所述金屬板(18)中并從所述第一表面(20)延伸到所述第二表面(22)；周期性表面形貌(26)設(shè)在金屬板(18)的所述第一表面(20)和第二表面(22)中的至少一個(gè)上，其中來自所述輻射源(12)并入射在所述金屬板(18)的表面(20，22)中的一個(gè)上的輻射與所述金屬板(1 8)的所述的表面(20，22)中的至少一個(gè)上的表面等離子體模式相互作用，從而增強(qiáng)穿過所述金屬板(18)的所述至少一個(gè)孔徑(24)的輻射傳輸，入射在所述金屬板(18)的所述表面面貌(27)上的輻射為徑向偏振的輻射(16)，所述徑向偏振的輻射(16)具有垂直于所述表面面貌(27)的電場矢量。
全文摘要
一種用于增強(qiáng)的輻射傳輸?shù)脑O(shè)備，這種設(shè)備包括至少一個(gè)輻射源(12)、具有第一表面(20)和第二表面(22)以及至少一個(gè)孔徑(24)的金屬板(18)，孔徑(24)設(shè)在金屬板(18)中并從第一表面(20)延伸到第二表面(22)，金屬板(18)具有周期性表面形貌(26)，周期性表面形貌(26)設(shè)在第一表面(20)和第二表面(22)中的至少一個(gè)上，來自輻射源(12)并入射在金屬板(18)的表面(21和22)中的一個(gè)上的輻射(13)與金屬板(18)的至少一個(gè)表面上的表面等離子體模式相互作用，從而增強(qiáng)穿過金屬板(18)的至少一個(gè)孔徑(24)的輻射傳輸。這種用于增強(qiáng)的光學(xué)傳輸?shù)脑O(shè)備包括用于產(chǎn)生徑向偏振的輻射(16)的裝置(15)，徑向偏振的輻射(16)入射在具有表面形貌(26)的金屬板(18)的表面(20和22)中的一個(gè)上，這樣就導(dǎo)致輻射更有效地耦合到等離子體，從而導(dǎo)致光學(xué)傳輸?shù)倪M(jìn)一步增強(qiáng)。
文檔編號G11B7/135GK101088040SQ200580044544
公開日2007年12月12日 申請日期2005年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月22日
發(fā)明者R·F·M·亨德里克斯, M·L·M·巴利斯特雷里, G·W·特霍夫特 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司