專利名稱：在近場傳輸中工作的光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在近場傳輸中工作的光學(xué)元件。這種元件可以結(jié)合到用于 利用輻射(射線)照射物體并收集反射的輻射的近場檢測裝置中，或者結(jié) 合到用于收集物體發(fā)射出的輻射的檢測裝置中，所述元件相對于物體放置 在近場中。所述裝置可以是例如光學(xué)信息介質(zhì)上的光學(xué)信息的讀出磁頭或 讀/寫磁頭或者光學(xué)顯微鏡的近場探針。
應(yīng)該注意到，在物體周圍兩個區(qū)域之間具有區(qū)別，第一區(qū)域是檢測器 放置于其中的遠場區(qū)域，第二區(qū)域是鄰近物體表面的近場區(qū)域。在近場區(qū)
域中，物體和光學(xué)元件之間的距離小于人/2兀，X表示物體反射或發(fā)射的輻射 波長。近場域上的約束甚至被釋放到X而非Xy2兀，實際上在V27i處近場信 號是源自物體的信號的50%的信號，因此其可以被檢測。作為近場標(biāo)準(zhǔn)，
物體和光學(xué)元件之間的距離可設(shè)為小于7T。
背景技術(shù)：
近場光學(xué)檢測裝置在標(biāo)號為[l]、 [2]、 [3]、 [4]、 [5]和[6]的文獻中有所 描述；其完整的參考清單列在說明書的結(jié)尾。
在前4個文獻[1]、 [2]、 [3]、 [4]中，固體浸沒透鏡1被一般地用作近場 光學(xué)元件。由具有高折射率的材料，例如LasF35玻璃(由Schott公司目錄 指定)或金剛石制成的透鏡1一般具有面對聚焦物鏡3的第一球形照準(zhǔn)儀2 和面對圓盤5的第二照準(zhǔn)儀4。第二照準(zhǔn)儀4可以為如圖1A所示的平面狀 或如文獻[3]中所述的凸面狀。檢測器8相對于固體浸沒透鏡1放置在聚焦 物鏡3的相反側(cè)。
為了在兩個照準(zhǔn)儀2、 4之間截斷透鏡1而采取了措施，為了最小化面 對物體5的第二照準(zhǔn)儀4的表面,所述截斷從第一照準(zhǔn)儀2到第二照準(zhǔn)儀4 作出，所述物體5在這種情況下為光盤。另外還提出，如圖1B所示和文獻 [4]中所述，將介電材料的大致為截頭圓錐形的終端件6放置在第二照準(zhǔn)儀
54旁邊。所述大致為截頭圓錐形的終端件6指向物體(在圖1B中未示出)。 在大致為尖頂?shù)牟糠值南喾磦?cè)上，金屬涂層7涂覆在大致為截頭圓錐形的 終端件6的側(cè)表面的一部分上，所述涂層7空出物體5 —側(cè)大致為截頭圓 錐形的終端件6的大致為尖頂?shù)牟糠植贿M行涂覆。這種大致為截頭圓錐形 的終端件6隨后被同化為類似于放置在光導(dǎo)纖維末端、特別是在利用近場 檢測的光學(xué)顯微鏡中的光學(xué)探針。在所述顯微鏡的結(jié)構(gòu)中，光導(dǎo)纖維包括 纖芯和包層。所述光導(dǎo)纖維由尖頂部分構(gòu)成末端，由纖芯的介電材料制成 的端部或孔口具有大約數(shù)十納米(例如大約50納米)的直徑，所述直徑比 所用輻射的波長小得多。除了尖端之外，尖頂部分的側(cè)表面均被金屬化。 金屬涂層7用于引導(dǎo)輻射，所述輻射照射物體或從物體上收集。
這種檢測裝置的分辨率取決于孔口的尺寸和與物體之間的距離，而不 再取決于波長。
探針檢測朝向其尖端的近區(qū)電磁場。這樣，可獲得尺寸小于波長的物 體細節(jié)的信息。由物體反射的電磁場耦合于探針的孔口中并且接著被引導(dǎo) 通過光纖直至檢測器。近場是局部檢測的。檢測是直接的。場的本質(zhì)沒有 改變。通過映射所述場，物體可以被重構(gòu)。
應(yīng)該注意到，物體5發(fā)射或反射電磁波，所述電磁波在其構(gòu)形上承載 信息并取決于其表面材料的光學(xué)特性。輻射或反射的光譜可被分為兩部分， 其中一部分由所謂的均勻錐體(homogeneous cone)形成，包括傳播(擴散) 的電磁波，其承載具有低于整個光學(xué)系統(tǒng)截止頻率的頻率信息，并且其被
輻射并因此可在檢測器處大于所用輻射的波長的距離處被檢測。由所謂的 非均勻錐體形成的另一部分包括漸逝電磁波或損耗電磁波(evanescent
electromagnetic waves),所述漸逝電磁波位于物體表面附近并且其量值在遠
離物體傳播時成指數(shù)地減小。這些漸逝非輻射波是物體亞波長細節(jié)信息載
體，但是它們保持在局部區(qū)域并且不能由檢測器直接檢測到。所述固體浸
沒透鏡或探針將通過阻挫效應(yīng)(frustration effect)就地收集這些漸逝非輻射波。
實際上，每個輻射都可被分解為角譜，所述角譜為一組波矢對(kx，
kz)，其中kx為橫向分量而kz為傳播分量。兩個分量通過散射關(guān)系相關(guān)
kx2 + kz2 = n2k02其中n是介質(zhì)的折射率并且k0 = 2兀/ u均勻錐體由一組波矢對(kx， kz)限定，其滿足
-k0《kx《k0。
非均勻錐體可由一組波矢對限定，其滿足-—k0>kx>k0。
由探針檢測的信號電平僅僅取決于存在于探針尖端以下的物體部分。 所述尖端非常?。黄渚哂袕膸准{米到幾百納米的最小直徑，所述直徑保持 小于物體反射或發(fā)射的輻射波長。因此，當(dāng)探針處于確定位置時，它只檢 測面對其尖端的物體的細節(jié)。點對點檢測得以實現(xiàn)并且因此點對點測量也 得以實現(xiàn)。通過利用探針掃描物體，可以通過并列放置在每一點處檢測的 信息而建立近場圖像。
在標(biāo)號為[5]的參考文獻中，描述了用于讀取光盤的板狀金屬探針。它 包括中心孔和相對于所述中心孔偏移的一個或兩個凹坑，這些凹坑置于待 讀取的光盤側(cè)上。利用這些凹坑，可通過所謂等離子體振子的表面波將更 多近場帶回到探針的中心孔中，并且由光盤承載的標(biāo)記的可見度增加。與 凹坑相符的標(biāo)記的存在產(chǎn)生了用于等離子體振子的諧振腔，由此改變傳輸 場。標(biāo)記的可見度增加。等離子體振子是特定的漸逝波。
在標(biāo)號為[6]的參考文獻中，描述了用于近場光學(xué)顯微鏡或用于讀取介 質(zhì)上信息的金屬檢測探針。它包括在自由端的相反側(cè)帶有金屬凸緣的吸管 狀部分，所述金屬凸緣帶有周期性釋放構(gòu)件。所述凸緣用于將更多電磁場 帶回到吸管內(nèi)部。
在最后兩份文獻中，在傳輸期間沒有通過衍射效應(yīng)進行的轉(zhuǎn)變。
控制尖端和物體之間的距離很關(guān)鍵，并且由于尖端的小尺寸和點對點 操作，收集從物體上反射或發(fā)射的輻射是低速進行的。這種近場檢測類型 并未很好地適應(yīng)于光盤上信息的讀出。由光盤承載的標(biāo)記是在光盤旋轉(zhuǎn)時 一個接一個地逐步檢測的。為此，處理能力需要更為提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是提出一種在近場傳輸中工作的光學(xué)元件，利用所述 光學(xué)元件可以避免近場檢測裝置的上述缺陷。特別地，所述光學(xué)元件克服 了逐點工作元件不適合于較大表面上信息快速讀出的缺陷。特別地， 一個目的是提出這樣一種元件，其能夠提供遠遠高于當(dāng)前近 場檢測裝置中獲得的輻射收集率的輻射收集率，而不論所述近場檢測裝置 是近場光學(xué)顯微鏡探針還是光學(xué)信息讀出磁頭。
另一個目的是能夠恢復(fù)非均勻波，并因此檢測出利用常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)不 能看到的物體細節(jié)。
為了實現(xiàn)所述目的，本發(fā)明提出一種在近場傳輸中工作的光學(xué)元件， 所述元件包括至少一個部分，所述至少一個部分形成至少一個由在多個周 期上彼此接續(xù)的衍射微型結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光柵，所述光柵能夠通過在經(jīng)過所述 部分傳輸期間的衍射效應(yīng)將當(dāng)物體反射或發(fā)射具有一定波長的輻射波時在 所述元件和位于近場中的物體之間建立的漸逝波轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞑ゲ?。光柵周?具有物體發(fā)射或反射的輻射的波長的量級。
有利地，光柵周期將被選擇為小于物體發(fā)射或反射的輻射的波長。
因此，光學(xué)元件具有大于數(shù)個輻射波長、或者甚至基本上等于大約100
個輻射波長的橫向尺寸。
光柵周期p可滿足關(guān)系kx —k0<27t/p<kx + k0，其中k0:2兀從，而
kx為物體發(fā)射的漸逝波的橫向分量。
備選地，光柵周期p可滿足kx-2k0<27t/p<kx-k0，其中kO-2兀/入，
而kx是物體發(fā)射的漸逝波的橫向分量。
所述光學(xué)元件還可包括至少一個在漸逝波轉(zhuǎn)變前將其放大的部分，所
述部分與形成衍射微型結(jié)構(gòu)光柵的部分協(xié)同工作。
所述放大部分可鄰近形成衍射微型結(jié)構(gòu)光柵的部分布置。 所述放大部分可由基于金、銀、鉬、鋁、銻化銦(indium-antimony)
的金屬材料或者半導(dǎo)體材料制成。
所述放大部分優(yōu)選地具有基本上小于輻射波長的厚度。 所述放大部分可在與衍射微型結(jié)構(gòu)相反的一側(cè)覆蓋形成衍射微型結(jié)構(gòu)
光柵的部分的表面。
所述放大部分和形成衍射微型結(jié)構(gòu)光柵的部分可由相同材料制成。
所述光學(xué)元件可有利地利用至少一個形成衍射微型結(jié)構(gòu)光柵的部分與
一個或多個放大部分的交替疊層或者利用每一個均形成衍射微型結(jié)構(gòu)光柵 的若干部分與至少一個放大部分的交替疊層形成。所述形成衍射微型結(jié)構(gòu)光柵的部分可由導(dǎo)電材料和/或介電材料制成。 所述衍射微型結(jié)構(gòu)光柵包括由凹入部分分隔開的突出部分、或者由通
孔分隔開的實心部分、或者由實心介電部分分隔幵的實心導(dǎo)電部分。 所述衍射微型結(jié)構(gòu)光柵可以包括大致圓形且同心的波紋。 為了改進光學(xué)元件的傳輸，優(yōu)選地，衍射微型結(jié)構(gòu)光柵在旋轉(zhuǎn)情況下不變。
可以對所述形成衍射微型結(jié)構(gòu)光柵的部分進行周期調(diào)制。 為了使光學(xué)元件可以使用若干不同的輻射，所述形成至少一個衍射微 型結(jié)構(gòu)光柵的部分可以包括若干并排的光柵，這些光柵具有不同周期。
為了增加光學(xué)元件的傳輸，所述形成衍射微型結(jié)構(gòu)光柵的部分可以設(shè)
置為包括位于中心部分的中斷周期部(brokenperiodicity)。
所述中斷周期部分可以為實心體或空隙，其有助于光學(xué)元件的對中。 如果具有放大部分，優(yōu)選地所述空隙延伸進入所述放大部分中。 本發(fā)明還涉及近場檢測光學(xué)裝置，所述裝置包括按這種方式限定的光
學(xué)元件。
所述近場檢測光學(xué)裝置可包括用于轉(zhuǎn)變過的傳播波的置于光學(xué)元件下 游的檢測器。
所述近場檢測光學(xué)裝置可包括置于光學(xué)元件下游的固體浸沒透鏡，在 存在檢測器的情況下，所述固體浸沒透鏡置于用于轉(zhuǎn)變過的傳播波的檢測 器的上游。
所述近場檢測光學(xué)裝置還可以為光學(xué)信息介質(zhì)上的讀出磁頭或讀/寫 磁頭，或者為近場光學(xué)顯微鏡探針。


參考附圖，通過閱讀對單純作為指示而決非作為限制給出的示例性實 施例的描述，將可更好地理解本發(fā)明，其中
圖1A、 1B (已經(jīng)描述過)示出了接近現(xiàn)有技術(shù)水平的兩個示例性近場 光學(xué)信息讀出磁頭；
圖2以橫截面視圖的方式示出了安裝在近場檢測裝置中的根據(jù)本發(fā)明 的示例性光學(xué)元件；圖3A、 3B以橫截面視圖的方式示出了根據(jù)本發(fā)明的兩個新穎的示例 性光學(xué)元件，這些元件是經(jīng)過周期調(diào)制的；
圖4A、 4B以橫截面視圖的方式示出了根據(jù)本發(fā)明的兩個新穎的示例 性光學(xué)元件；
圖5以俯視圖的方式示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個示例性光學(xué)元件，所 述光學(xué)元件設(shè)有多個衍射微型結(jié)構(gòu)光柵；
圖6以橫截面視圖的方式示出了根據(jù)本發(fā)明的示例性光學(xué)元件，其具 有多個形成衍射微型結(jié)構(gòu)光柵的部分和多個疊置的放大部分。
不同附圖中同樣、類似或者相當(dāng)?shù)牟糠植捎孟嗤臄?shù)字標(biāo)號，因而便 于從一個圖轉(zhuǎn)移到另一個圖。
為了使附圖更易讀，附圖所示的不同部分未必按照相同比例示出。
具體實施例方式
現(xiàn)在將參考圖2，圖2示出了本發(fā)明的對象、第一示例性近場檢測光學(xué) 元件。
所述光學(xué)元件在傳輸中工作并且包括至少一個形成由至少一個衍射微 型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的光柵11的部分llb。所述光柵11包括至少三個連續(xù)的衍 射微型結(jié)構(gòu)lla，它們由相同的周期(周期性間隔)p分隔開。在圖2中， 由衍射微型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的光柵(衍射微型結(jié)構(gòu)光柵)ll存在于一板的表 面上，它面向物體12，但是在其他結(jié)構(gòu)中，它也可以將其背面面向物體12， 如隨后在圖4A中可見的那樣。
在圖2的所述示例中，假定物體12是待觀察的樣本并且光學(xué)元件10 安裝在近場光學(xué)顯微鏡的探針中。其他物體可以利用這種光學(xué)元件檢測， 所述其他物體可以是光學(xué)信息介質(zhì)，并且在這種情況下，本發(fā)明的光學(xué)元 件被結(jié)合到用于讀出或讀/寫光學(xué)信息的磁頭中。
這些衍射微型結(jié)構(gòu)lla可由波紋形成，即通過由凹入部分分隔開的突 出部分、由通孔分隔開的實心部分、由介電部分分隔開的導(dǎo)電實心部分(例 如帶有通孔并因此帶有空氣的銀支撐件)、或者甚至由其他不同種類的介電 部分分隔開的介電部分(例如硅與玻璃或者其他材料)形成。
在圖2中，由衍射微型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的光柵11包括由通孔20分隔開的實心部分。所述通孔20可通過光刻法在薄金屬層中形成。
物體12在其被輻射照射或者發(fā)射出輻射時，發(fā)射出之前所述的兩種輻射。因此，在物體12附近，在均勻波15和漸逝波16之間具有區(qū)別。均勻波15可以在均勻錐體14中傳播，它們的波矢具有較小的橫向分量kx，例如lkxl《k0。
在常規(guī)的近場檢測裝置中，用于收集到達其上的均勻波的檢測器17放置在均勻錐面14中。
漸逝波16具有強的橫向分量kx，例如kx〉k0，它們被局限在物體12的附近。漸逝波包含與具有物體12的亞波長大小的細節(jié)13、即物體的最精細細節(jié)相關(guān)的信息。
本發(fā)明的對象、光學(xué)元件的目的在于將漸逝波16轉(zhuǎn)變?yōu)榭稍诰鶆蝈F體14中傳播并到達檢測器17的波16'。所述轉(zhuǎn)變由在通過由衍射微型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的光柵11傳輸期間的衍射效應(yīng)進行。在光柵11的傳輸期間的衍射效應(yīng)由橫向分量kx到分量kx'的轉(zhuǎn)換表示，其使得
kx' = kx ± mG (1)
其中自然數(shù)m表示衍射級，并且G = 2兀/p表示要檢測的物體12中存在的空間頻率。量p是衍射微型結(jié)構(gòu)光柵的周期，它具有物體12反射或發(fā)射的輻射的波長的量級。量級指包含在波長的大約1/10到2倍之間。
有利地，光柵的周期p將被選擇為小于物體12反射或發(fā)射的輻射的波長。
為了受益于強的傳輸，有利地選擇衍射級m等于-l。當(dāng)然，也可以為m選擇另一個值，特別是值+1。通過光學(xué)元件10的轉(zhuǎn)變之后的橫向分量kx'相對于轉(zhuǎn)變之前的橫向分量kx進行在逆時針方向上的旋轉(zhuǎn)。它被帶回到均勻錐體14中并且進行傳播和輻射。它可以通過檢測器17檢測。根據(jù)本發(fā)明，光學(xué)元件10的目的是允許亞波長信息的放射進入均勻錐體14中，所述信息決不會在之前位于該處，因為它被保留在非均勻錐體中并且不會自由傳播到檢測器。
為了優(yōu)化所述轉(zhuǎn)變，優(yōu)選地，衍射微型結(jié)構(gòu)光柵ll的周期p被調(diào)節(jié)為物體12發(fā)射的漸逝波16的頻率。當(dāng)周期p被設(shè)定時，近場進入遠場的轉(zhuǎn)變將在漸逝波16上進行，所述漸逝波的橫向分量kx滿足下述關(guān)系2兀/p — k0 < kx < 2兀/p + k0 (2)
光柵的周期滿足
kx-k0 < 2兀/p < kx + k0 (3)
如果希望利用高于k0、即包含在更大頻率范圍中的更高空間頻率來轉(zhuǎn)
變漸逝波，則結(jié)果是
2兀/p + k0 < kx < 2兀/p + 2k0 (4)
這要求較小的周期p的選擇滿足
kx - 2k0 < 2兀/p < kx — k0 (5)
這將導(dǎo)致生產(chǎn)根據(jù)本發(fā)明對周期p進行調(diào)制、即具有如圖3A、 3B中 所示的變化的周期的光柵的光學(xué)元件。因此，多種類型的非均勻波可同時 被轉(zhuǎn)變。多種周期的存在改進了元件的總體性能。利用周期性，頻率或光 譜信息可以被傳輸。
在這種情況下，在光柵11中區(qū)分出多個區(qū)域zl-z4，其中每一個區(qū)域 具有周期pl、 p2、 p3、 p4，這些周期在各區(qū)域上彼此不同。在每一個區(qū)域 中，微型結(jié)構(gòu)在若干恒定的周期上彼此接續(xù)。這些區(qū)域zl、 z2、 z3可以相 互嵌套或者彼此接續(xù)，這取決于由衍射微型結(jié)構(gòu)lla形成的樣式(或圖案)。 假定在圖3A、 3B中，由衍射微型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的光柵ll利用由大致圓形 的同心凹槽分隔開的突出部分形成。于是得到在旋轉(zhuǎn)時不變的光學(xué)元件。
在圖3A中，只有兩個同心區(qū)域zl、 z2， zl區(qū)域比區(qū)域z2更居中。它 們的周期pl、 p2從區(qū)域zl開始增大。在圖3B中，四個同心區(qū)域zl、 z2、 z3、 z4可按照從部分llb的中心部分朝向其邊緣的順序進行區(qū)分。它們的 周期pl、 p2、 p3、 p4從區(qū)域zl開始減小。許多其他的形狀也可以設(shè)計為 用于衍射微型結(jié)構(gòu)lla。
替代通過由大致圓形的同心凹槽分隔開的突出部分形成衍射微型結(jié)構(gòu) 光柵11，其也可以通過由如圖3B所示的螺旋形凹槽分隔開的突出部分、 或者通過另外由如圖4A所示的大致直線平行的凹槽分隔開的突出部分形 成。
在另一個實施例中，可以設(shè)計為使得形成由衍射微型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的 光柵11的部分lib由分布在如圖4B所示設(shè)置的基座上的柱狀物40的陣列 制成。在這種結(jié)構(gòu)中，基座形成將在后面描述的放大部分18。如圖6所示，還可以設(shè)計為使得形成由衍射微型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的光柵 的部分lib由嵌入在金屬板中的介電材料填料60或嵌入在介電材料板中的 反向金屬填料61形成。
許多其他結(jié)構(gòu)也是可行的，并且所描述的實施例不是限制性的。
形成由衍射微型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的光柵11的部分llb可由基于鋁、金、 銀、鉑的金屬材料和/或例如玻璃、陶瓷、金剛石、有機或無機樹脂、或者 甚至是硅的介電材料制成。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件具有大于物體12反射或發(fā)射的輻射的波長的橫 向尺寸T，這與其中探針的尖端小于波長的現(xiàn)有技術(shù)不同。光學(xué)元件10的 橫向尺寸T為其橫切光軸XX'的最大尺寸，即橫切朝向檢測器17的波傳播 總體方向的最大尺寸。其可以是部分lib的直徑，如果所述部分呈圓形的 話。所述橫向尺寸T可以超過波長的若干倍并且可以達到大約一百個(或 數(shù)百個)波長。由于待轉(zhuǎn)變的漸逝波需要與光柵的多個周期交會，以便有 效地轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞑ゲ?，因此需要所述元件的較大擴展尺寸。如果光學(xué)元件進 一步進行了周期調(diào)制，如上所述，則其橫向尺寸變得更大，例如為大約100 或數(shù)百微米。
如之前所提及的那樣，為使得轉(zhuǎn)變盡可能達到最佳并且為了去除寄生， 周期p的選擇很重要。當(dāng)利用優(yōu)選等于絕對值1的單階m進行衍射并且當(dāng) 零階(m=0)被截止時，獲得最佳轉(zhuǎn)變條件。零階被截止這一事實表明了 傳播均勻波15在穿過光學(xué)元件10時被嚴(yán)重削弱，以使其無法被加入到轉(zhuǎn) 變后獲得且存在于均勻錐體14中的傳播波16'中。由于在近場中由檢測器 17接收的信息和其在物體12處的初始信息之間可建立單鏈，因此特別是在 元件被周期調(diào)制的情況下所述均勻波15的所述削弱很顯著。
如果周期p被合理地選擇，則最初均勻的傳播波15在它們穿過光學(xué)元 件期間其自身被利用等于絕對值1的衍射級轉(zhuǎn)變?yōu)闈u逝波(未示出)。因此
它們不會到達檢測器17。接近以上由關(guān)系(3)、 (5)所確定的間隔的中間 值的周期p的值是特別合適的。
有利的是，能夠在漸逝波16穿過本發(fā)明的光學(xué)元件物體之前放大漸逝 波16。這樣，待轉(zhuǎn)變的漸逝波16在信號水平方面可能是有利的，并且在與 被認為是寄生波的其他波相比較時也是有利的。放大可以通過在光學(xué)元件中的物體12 —側(cè)包括放大部分18而實現(xiàn)， 所述放大部分光學(xué)地激發(fā)等離子體振子或表面波。所述放大部分18可由具 有帶負實數(shù)部分的介電常數(shù)的材料制成。這種材料例如為金、銀、鉑這樣 的貴金屬，以及甚至為鋁、銻化銦(InSb)，或甚至為例如硅這樣的半導(dǎo)體。
如圖3A所示，所述放大部分18可以通過與承載由衍射微型結(jié)構(gòu)lla 構(gòu)成的光柵11的部分lib疊置而形成雙層。備選地，如圖4B所示，放大 部分18和形成由衍射微型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的光柵11的部分lib可相互嵌入 或嵌置。放大和轉(zhuǎn)變同時進行。尺寸入的光子同時經(jīng)過光柵和放大層。
放大部分18的厚度h優(yōu)選地小于物體12反射或發(fā)射的輻射的近似波長。
放大部分18的材料按其介電常數(shù)而選擇，其應(yīng)當(dāng)促進漸逝波的放大并 且遮蔽傳播均勻波。所述放大部分18具有高通頻率濾波器的功能。在沒有 任何放大部分的情況下，衍射微型結(jié)構(gòu)光柵優(yōu)選地放置為面對待觀測的物 體12。所述物體12優(yōu)選地由金屬制成。
設(shè)有由衍射微型結(jié)構(gòu)lib構(gòu)成的光柵11的部分lla和放大部分18可 如圖3B所示由相同材料制成，或者相反地如圖3A、 4A中明顯所示由不同 材料制成。特別是在衍射微型結(jié)構(gòu)設(shè)有凹槽且實心部分如圖3A所示是非鄰 接的并且假定形狀為同心環(huán)或直線柱的情況下，放大部分18可被用作形成 衍射微型結(jié)構(gòu)光柵11的部分lla的支撐件。
如圖3A、 3B、 4A、 4B所示，可以在根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件的中心區(qū) 域中設(shè)置中斷周期區(qū)域19。所述中斷周期區(qū)域19可以是圖3A、 3B、 4A 中的空隙(中空部分)，或者是圖4B中沒有任何衍射微型結(jié)構(gòu)的實心部分。 所述實心部分可以是金屬或者介電材料。特別在衍射微型結(jié)構(gòu)lla為實心 時，所述中斷周期區(qū)域19具有改進光學(xué)元件傳輸?shù)膬?yōu)點。還允許設(shè)置標(biāo)記 器，所述標(biāo)識器用于光學(xué)元件的對中，以及用于將要安裝光學(xué)元件的磁頭 或探針的伺服控制。
當(dāng)其為空隙19時，所述空隙19可延伸到如圖3B、 4A中所示的放大 部分18中。待檢測的物體12的低頻分量經(jīng)過中斷周期區(qū)域19。在中斷周 期區(qū)域19處，沒有頻率轉(zhuǎn)變，這更接近于探針型或讀出或讀/寫磁頭型的 常規(guī)裝置中所出現(xiàn)的情況。當(dāng)由衍射微型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的光柵11具有圓形
14對稱的凸起結(jié)構(gòu)并且當(dāng)其為實心時，通過空隙19的傳輸將得以顯著改進。
現(xiàn)在關(guān)注圖5所示的根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件。所述光學(xué)元件以俯視圖 的形式示出，并且只有形成多個衍射微型結(jié)構(gòu)光柵R1、 R2、 R3的部分lib 可見，所述光柵R1、 R2、 R3并排布置。三種不同的衍射微型結(jié)構(gòu)光柵R1、 R2、 R3是有區(qū)別的。假定所述光柵R1、 R2、 R3由設(shè)有通孔51的大致為 矩形的實心層50制成。通孔51按行和列布置，光柵R1、 R2、 R3是二維 的。可以將光柵設(shè)計為一維的，其可以形成為設(shè)有沿單獨一行或單獨一列 排列的孔。位于圖5左上方的第一光柵R1具有周期pl'。位于右上方的第 二光柵R2具有周期p2'。光柵R1、 R2兩者基本上占據(jù)相同的表面積。周 期pl'大于周期p2'。第一光柵R1的孔51大于第二光柵R2的孔51，并且 它們數(shù)量較少。
位于層50的下部的第三光柵R3具有基本上等于第一光柵Rl的表面 積加上第二光柵R2的表面積的表面積。它具有變化的周期，在其中心部分 具有中斷周期區(qū)域52，并且在其兩側(cè)中的每一側(cè)上，設(shè)有兩個具有周期p3' 的第一帶狀區(qū)域53，并在更遠離中斷周期區(qū)域52的位置處，設(shè)有另外兩個 具有周期p4'的帶狀區(qū)域54。不同的帶狀區(qū)域53、 54是并置的。周期p3' 大于周期p4'。位于所述帶狀區(qū)域53、 54中的孔51具有大致相同的尺寸。 隨著遠離其中心部分移動，第三光柵R3的周期減小，從p3'變化為p4'。
為了進一步增強將到達檢測器17的信息強度，可以通過交替地疊置至 少一個設(shè)有至少一個由衍射微型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的光柵11的部分llb和一個 或多個放大部分18或者通過交替地疊置多個分別設(shè)有至少一個衍射微型結(jié) 構(gòu)光柵11和至少一個放大部分18的部分lib來制成本發(fā)明的光學(xué)元件。 在這種疊置情況下，待轉(zhuǎn)變的漸逝波在到達形成由至少一個衍射微型結(jié)構(gòu) lla構(gòu)成的光柵11的部分lib之前首先穿過放大部分18。所述實施例示出 在圖6中。
現(xiàn)在將參考圖4A對根據(jù)本發(fā)明的示例性光學(xué)元件進行詳細說明。假定 根據(jù)本發(fā)明的元件已經(jīng)集成或結(jié)合到近場檢測裝置中，所述近場檢測裝置 可以為用于讀出光學(xué)信息的磁頭或讀/寫磁頭。
近場檢測裝置包括與檢測器17協(xié)同工作的根據(jù)本發(fā)明的元件10。固體 浸沒透鏡21被插入到根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件10和檢測器17之間。更特別地，固體浸沒透鏡21和設(shè)有由衍射微型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的光柵11的部分lib 通過任何合適的方式相互組裝，例如通過粘結(jié)或任何其他方式組裝。這種 組裝在固體浸沒透鏡21的第二照準(zhǔn)儀上進行，即在最靠近待檢測物體12 的照準(zhǔn)儀上進行。
假定所述檢測裝置用于利用具有400納米波長的輻射工作。 假定本發(fā)明的光學(xué)元件對象具有設(shè)有由衍射微型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的光柵 11的部分lib和疊置的放大部分18，所述放大部分18位于待檢測的物體 12的一側(cè)。由衍射微型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的光柵ll包括大致圓形且同心的凹槽 llc。光柵11的周期p基本恒定并具有100納米的值。凹槽lie的寬度為 50納米。凹槽llc的深度為20納米。由貴金屬制成的放大層18的厚度例 如為30納米。本發(fā)明的元件對象的總厚度為50納米。假定放大部分18和 形成衍射微型結(jié)構(gòu)光柵的部分lib由相同的金屬制成，例如由貴金屬制成。 在光學(xué)元件的中心區(qū)域，設(shè)有延伸到放大部分中的空隙19。對于具有 大約40微米直徑的光學(xué)元件，空隙19可具有在大約0.02微米和10微米之 間的直徑。
通過提供利用等離子體振子效應(yīng)、即漸逝電磁波的強激發(fā)而工作的放 大部分18，高于2兀從的高空間頻率范圍的傳輸可得以促進。通過在形成由 衍射微型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的光柵11的部分lib的中心部分設(shè)置中斷周期區(qū)域 19，傳輸可進一步得以提高，并且可以設(shè)置用于對中及控制包括所述光學(xué) 元件的檢測裝置的位置的標(biāo)記器。即使中斷周期區(qū)域為實心的，也可實現(xiàn) 對中和控制。
形成由衍射微型結(jié)構(gòu)lla構(gòu)成的光柵11的部分llb具有通過放大部分 18將傳輸?shù)碾姶艌鲛D(zhuǎn)變成遠場的功能，并且因此使其在只要存在的情況下 就可以通過經(jīng)由固體浸沒透鏡20而到達檢測器17。然后可以處理到達檢測 器17的信號，因為所述信號的頻率主要對應(yīng)于放大部分18中通過等離子 體振子效應(yīng)放大的那些頻率。所述頻率一般地高于遠場檢測器的常規(guī)極限， 因為光柵11的周期小于物體12反射或發(fā)射的輻射的波長。
因此，這種光學(xué)元件的分辨率R可通過引入物體12浸沒于其中的介質(zhì) 的折射率nl (通常是空氣，因此nl二l)和在其中通過本發(fā)明的元件物體 轉(zhuǎn)變的波隨著其離開所述元件而傳播的介質(zhì)的折射率n2進行粗略的估算。這可以是圖4A的結(jié)構(gòu)中固體浸沒透鏡的折射率。所述分辨率R表示為
R= X/ 2(nl +人n2/p)
所述公式表明，對于小于所用波長X的周期p，分辨率R變得小于^/2nl。 雖然已經(jīng)詳細圖示和描述了本發(fā)明的若干實施例，應(yīng)該理解的是，在 不脫離本發(fā)明范圍的情況下可以作出不同的變化和修改。這些修改可以在 衍射微型結(jié)構(gòu)的形狀方面以及在它們形成的樣式方面進行。所描述的各種 備選方案應(yīng)該理解為不是相互排斥的。
引用文獻US-B-5,125，750 P] WO 00/23840 [3] WO 03/062864"固體浸沒透鏡與錐形探針相結(jié)合的近場光學(xué)模擬以及高效固體浸 沒透鏡-探針系統(tǒng)"("Near-field optics simulation of a solid immersion lens combining with a conical probe and a highly efficient solid immersion lens-probe system"),趙遠鳳等(Yuan-Fong Chau et al.)，應(yīng)用物理雜志 (Journal of applied physics),第95巻，第7期，2004年4月1日，3378-3384 頁。"在近場光學(xué)讀出系統(tǒng)中使用表面等離子體振子的策略" ("Strategies for employing surface plasmons in near-field optical readout systems"), Choon How Gan等，光學(xué)快報(Optics express), 2006年3月 20日，第14巻，第6期，2385-2397頁。 US-A1-2005/016159權(quán)利要求
1. 一種在傳輸中工作的近場檢測光學(xué)元件，其特征在于，其包括至少一個部分(11b)，所述至少一個部分(11b)形成至少一個由在多個周期(p)上彼此接續(xù)的衍射微型結(jié)構(gòu)(11a)構(gòu)成的光柵(11)，所述光柵(11)能夠通過在經(jīng)過所述形成由衍射微型結(jié)構(gòu)(11a)構(gòu)成的光柵(11)的部分(11b)傳輸期間的衍射效應(yīng)將當(dāng)物體(12)反射或發(fā)射具有一定波長的輻射時在所述元件和位于近場中的物體(12)之間建立的漸逝波(16)轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞑ゲ?16′)，所述光柵(11)的周期(p)與輻射波長具有相同的量級。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述光柵(11)的 周期(p)小于所述輻射波長。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)元件，其特征在于，其具有大于數(shù) 個輻射波長、或者甚至基本上等于大約一百個輻射波長的橫向尺寸(T)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述光柵的周 期(p)滿足關(guān)系kx-k0〈2兀/p〈kx + k0，其中k0-2兀從，并且kx為物體 發(fā)射的漸逝波的橫向分量。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述光柵的周 期(p)滿足關(guān)系kx-2k0<27i/p<kx-k0，其中kO-2兀/X，并且kx為物體 發(fā)射的漸逝波的橫向分量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的光學(xué)元件，其特征在于，其還 包括至少一個在漸逝波(16)轉(zhuǎn)變前將其放大的放大部分(18)，所述放大 部分(18)與所述形成由衍射微型結(jié)構(gòu)(1 la)構(gòu)成的光柵(11)的部分(lib) 協(xié)同工作。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述放大部分(18) 與所述形成由衍射微型結(jié)構(gòu)(lla)構(gòu)成的光柵(11)的部分(lib)并排放置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述放大部分 (18)由基于金、銀、銷、鋁、銻化銦的金屬材料或半導(dǎo)體材料制成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6至8中任一項所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述 放大部分(18)具有基本上小于所述輻射波長的厚度(h)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6至9中任一項所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述 放大部分(18)在與所述衍射微型結(jié)構(gòu)(lla)相反的一側(cè)覆蓋所述形成由 衍射微型結(jié)構(gòu)(lla)構(gòu)成的光柵(11)的部分(lib)的表面。
11. 根據(jù)權(quán)利要求1至10中任一項所述的光學(xué)元件，其特征在于，所 述放大部分(18)和所述形成由衍射微型結(jié)構(gòu)(lla)構(gòu)成的光柵(11)的 部分(lib)由相同材料制成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的光學(xué)元件，其特征在于，其 包括交替疊層，所述疊層由至少一個形成由衍射微型結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光柵的部 分(lib)和一個或多個放大部分(18)形成，或者由數(shù)個部分(lib)形 成，所述數(shù)個部分(lib)中的每一個形成由衍射微型結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光柵和至 少一個放大部分(18)。
13. 根據(jù)權(quán)利要求1至12中任一項所述的光學(xué)元件，其特征在于，所 述形成由衍射微型結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光柵的部分(lib)由導(dǎo)電材料和/或介電材料 制成。
14. 根據(jù)權(quán)利要求1至13中任一項所述的光學(xué)元件，其特征在于，所 述由衍射微型結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光柵(11)包括由凹入部分分隔開的突出部分、 由通孔(20)分隔開的實心部分、或者由實心介電部分分隔開的實心導(dǎo)電 部分。
15. 根據(jù)權(quán)利要求1至14中任一項所述的光學(xué)元件，其特征在于，所 述由衍射微型結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光柵(11)包括大致為圓形且同心的波紋。
16. 根據(jù)權(quán)利要求1至15中任一項所述的光學(xué)元件，其特征在于，所 述由衍射微型結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光柵(11)在旋轉(zhuǎn)時不變。
17. 根據(jù)權(quán)利要求1至16中任一項所述的光學(xué)元件，其特征在于，所 述形成至少一個由衍射微型結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光柵(11)的部分(lib)被進行周 期調(diào)制。
18. 根據(jù)權(quán)利要求1至17中任一項所述的光學(xué)元件，其特征在于，所 述形成至少一個由衍射微型結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光柵的部分(lib)包括具有不同周 期(pl'、 p2')的多個并排光柵(Rl、 R2)。
19. 根據(jù)權(quán)利要求1至18中任一項所述的光學(xué)元件，其特征在于，所 述形成至少一個由衍射微型結(jié)構(gòu)構(gòu)成的光柵(11)的部分(lib)包括位于中心部分中的中斷周期部(19)。
20. 根據(jù)權(quán)利要求19所述的光學(xué)元件，其特征在于，所述中斷周期部 為實心體或空隙。
21. 根據(jù)與權(quán)利要求6相結(jié)合的權(quán)利要求20所述的光學(xué)元件，其特征 在于，所述空隙延伸到所述放大部分(18)中。
22. —種近場檢測光學(xué)裝置，其特征在于，其包括根據(jù)權(quán)利要求1至 21中任一項所述的光學(xué)元件。
23. 根據(jù)權(quán)利要求22所述的近場檢測光學(xué)裝置，其特征在于，其包括 用于轉(zhuǎn)變過的傳播波(16')的放置在光學(xué)元件下游的檢測器(17)。
24. 根據(jù)權(quán)利要求22或23所述的檢測裝置，其特征在于，其包括放置 在所述光學(xué)元件(10)下游的固體浸沒透鏡(21)，在存在所述檢測器(17) 的情況下，所述固體浸沒透鏡(21)放置在用于轉(zhuǎn)變過的傳播波(16')的 所述檢測器(17)的上游。
25. 根據(jù)權(quán)利要求22至24中任一項所述的檢測裝置，其特征在于，所 述檢測裝置為光學(xué)信息介質(zhì)上的讀出磁頭或讀/寫磁頭或者近場光學(xué)顯微 鏡探針。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種在傳輸中工作的近場檢測光學(xué)元件。其包括至少一個部分(11b)，所述至少一個部分(11b)形成至少一個由在多個周期(p)上彼此接續(xù)的衍射微型結(jié)構(gòu)(11a)構(gòu)成的光柵(11)，所述光柵(11)能夠通過在經(jīng)過所述形成由衍射微型結(jié)構(gòu)(11a)構(gòu)成的光柵(11)的部分(11b)傳輸期間的衍射效應(yīng)將當(dāng)物體(12)反射或發(fā)射具有一定波長的輻射時在所述元件和位于近場中的物體(12)之間建立的漸逝波(16)轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞑ゲ?16′)。光柵(11)的周期(p)具有輻射波長的量級。該近場檢測光學(xué)元件適用于近場檢測裝置中。
文檔編號G11B7/135GK101467021SQ200780021912
公開日2009年6月24日 申請日期2007年6月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月12日
發(fā)明者L·普皮內(nèi), S·米穆尼 申請人:原子能委員會