在近場傳輸中工作的光學元件的製作方法

2023-09-19 11:51:50 1

專利名稱：在近場傳輸中工作的光學元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及在近場傳輸中工作的光學元件。這種元件可以結合到用於 利用輻射(射線)照射物體並收集反射的輻射的近場檢測裝置中，或者結 合到用於收集物體發射出的輻射的檢測裝置中，所述元件相對於物體放置 在近場中。所述裝置可以是例如光學信息介質上的光學信息的讀出磁頭或 讀/寫磁頭或者光學顯微鏡的近場探針。
應該注意到，在物體周圍兩個區域之間具有區別，第一區域是檢測器 放置於其中的遠場區域，第二區域是鄰近物體表面的近場區域。在近場區
域中，物體和光學元件之間的距離小於人/2兀，X表示物體反射或發射的輻射 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。作為近場標準，
物體和光學元件之間的距離可設為小於7T。
背景技術：
近場光學檢測裝置在標號為[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)或金剛石製成的透鏡1一般具有面對聚焦物鏡3的第一球形照準儀2 和面對圓盤5的第二照準儀4。第二照準儀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相對於固體浸沒透鏡1放置在聚焦 物鏡3的相反側。
為了在兩個照準儀2、 4之間截斷透鏡1而採取了措施，為了最小化面 對物體5的第二照準儀4的表面,所述截斷從第一照準儀2到第二照準儀4 作出，所述物體5在這種情況下為光碟。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)。 在大致為尖頂的部分的相反側上，金屬塗層7塗覆在大致為截頭圓錐形的 終端件6的側表面的一部分上，所述塗層7空出物體5 —側大致為截頭圓 錐形的終端件6的大致為尖頂的部分不進行塗覆。這種大致為截頭圓錐形 的終端件6隨後被同化為類似於放置在光導纖維末端、特別是在利用近場 檢測的光學顯微鏡中的光學探針。在所述顯微鏡的結構中，光導纖維包括 纖芯和包層。所述光導纖維由尖頂部分構成末端，由纖芯的介電材料製成 的端部或孔口具有大約數十納米(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，尖頂部分的側表面均被金屬化。 金屬塗層7用於引導輻射，所述輻射照射物體或從物體上收集。
這種檢測裝置的解析度取決於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電磁場。這樣，可獲得尺寸小于波長的物 體細節的信息。由物體反射的電磁場耦合於探針的孔口中並且接著被引導 通過光纖直至檢測器。近場是局部檢測的。檢測是直接的。場的本質沒有 改變。通過映射所述場，物體可以被重構。
應該注意到，物體5發射或反射電磁波，所述電磁波在其構形上承載 信息並取決於其表面材料的光學特性。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，其承載具有低於整個光學系統截止頻率的頻率信息，並且其被
輻射並因此可在檢測器處大於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),所述漸逝電磁波位於物體表面附近並且其量值在遠
離物體傳播時成指數地減小。這些漸逝非輻射波是物體亞波長細節信息載
體，但是它們保持在局部區域並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(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係相關
kx2 + kz2 = n2k02其中n是介質的折射率並且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於存在於探針尖端以下的物體部分。 所述尖端非常小；其具有從幾納米到幾百納米的最小直徑，所述直徑保持 小於物體反射或發射的輻射波長。因此，當探針處於確定位置時，它只檢 測面對其尖端的物體的細節。點對點檢測得以實現並且因此點對點測量也 得以實現。通過利用探針掃描物體，可以通過並列放置在每一點處檢測的 信息而建立近場圖像。
在標號為[5]的參考文獻中，描述了用於讀取光碟的板狀金屬探針。它 包括中心孔和相對於所述中心孔偏移的一個或兩個凹坑，這些凹坑置於待 讀取的光碟側上。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，並且由光碟承載的標記的可見度增加。與 凹坑相符的標記的存在產生了用於等離子體振子的諧振腔，由此改變傳輸 場。標記的可見度增加。等離子體振子是特定的漸逝波。
在標號為[6]的參考文獻中，描述了用於近場光學顯微鏡或用於讀取介 質上信息的金屬檢測探針。它包括在自由端的相反側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件。所述凸緣用於將更多電磁場 帶回到吸管內部。
在最後兩份文獻中，在傳輸期間沒有通過衍射效應進行的轉變。
控制尖端和物體之間的距離很關鍵，並且由於尖端的小尺寸和點對點 操作，收集從物體上反射或發射的輻射是低速進行的。這種近場檢測類型 並未很好地適應於光碟上信息的讀出。由光碟承載的標記是在光碟旋轉時 一個接一個地逐步檢測的。為此，處理能力需要更為提高。

發明內容
本發明的目的正是提出一種在近場傳輸中工作的光學元件，利用所述 光學元件可以避免近場檢測裝置的上述缺陷。特別地，所述光學元件克服 了逐點工作元件不適合於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，其能夠提供遠遠高於當前近 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 是近場光學顯微鏡探針還是光學信息讀出磁頭。
另一個目的是能夠恢復非均勻波，並因此檢測出利用常規光學系統不 能看到的物體細節。
為了實現所述目的，本發明提出一種在近場傳輸中工作的光學元件， 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 期上彼此接續的衍射微型結構構成的光柵，所述光柵能夠通過在經過所述 部分傳輸期間的衍射效應將當物體反射或發射具有一定波長的輻射波時在 所述元件和位於近場中的物體之間建立的漸逝波轉變為傳播波。光柵周期 具有物體發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於物體發射或反射的輻射的波長。
因此，光學元件具有大於數個輻射波長、或者甚至基本上等於大約100
個輻射波長的橫向尺寸。
光柵周期p可滿足關係kx —k0<27t/p<kx + k0，其中k0:2兀從，而
kx為物體發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是物體發射的漸逝波的橫向分量。
所述光學元件還可包括至少一個在漸逝波轉變前將其放大的部分，所
述部分與形成衍射微型結構光柵的部分協同工作。
所述放大部分可鄰近形成衍射微型結構光柵的部分布置。 所述放大部分可由基於金、銀、鉬、鋁、銻化銦(indium-antimony)
的金屬材料或者半導體材料製成。
所述放大部分優選地具有基本上小於輻射波長的厚度。 所述放大部分可在與衍射微型結構相反的一側覆蓋形成衍射微型結構
光柵的部分的表面。
所述放大部分和形成衍射微型結構光柵的部分可由相同材料製成。
所述光學元件可有利地利用至少一個形成衍射微型結構光柵的部分與
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構光柵 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構光柵的部分可由導電材料和/或介電材料製成。 所述衍射微型結構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電部分。 所述衍射微型結構光柵可以包括大致圓形且同心的波紋。 為了改進光學元件的傳輸，優選地，衍射微型結構光柵在旋轉情況下不變。
可以對所述形成衍射微型結構光柵的部分進行周期調製。 為了使光學元件可以使用若干不同的輻射，所述形成至少一個衍射微 型結構光柵的部分可以包括若干並排的光柵，這些光柵具有不同周期。
為了增加光學元件的傳輸，所述形成衍射微型結構光柵的部分可以設
置為包括位於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，其有助於光學元件的對中。 如果具有放大部分，優選地所述空隙延伸進入所述放大部分中。 本發明還涉及近場檢測光學裝置，所述裝置包括按這種方式限定的光
學元件。
所述近場檢測光學裝置可包括用於轉變過的傳播波的置於光學元件下 遊的檢測器。
所述近場檢測光學裝置可包括置於光學元件下遊的固體浸沒透鏡，在 存在檢測器的情況下，所述固體浸沒透鏡置於用於轉變過的傳播波的檢測 器的上遊。
所述近場檢測光學裝置還可以為光學信息介質上的讀出磁頭或讀/寫 磁頭，或者為近場光學顯微鏡探針。


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明，其中
圖1A、 1B (已經描述過)示出了接近現有技術水平的兩個示例性近場 光學信息讀出磁頭；
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本發明 的示例性光學元件；圖3A、 3B以橫截面視圖的方式示出了根據本發明的兩個新穎的示例 性光學元件，這些元件是經過周期調製的；
圖4A、 4B以橫截面視圖的方式示出了根據本發明的兩個新穎的示例 性光學元件；
圖5以俯視圖的方式示出了根據本發明的另一個示例性光學元件，所 述光學元件設有多個衍射微型結構光柵；
圖6以橫截面視圖的方式示出了根據本發明的示例性光學元件，其具 有多個形成衍射微型結構光柵的部分和多個疊置的放大部分。
不同附圖中同樣、類似或者相當的部分採用相同的數字標號，因而便 於從一個圖轉移到另一個圖。
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
現在將參考圖2，圖2示出了本發明的對象、第一示例性近場檢測光學 元件。
所述光學元件在傳輸中工作並且包括至少一個形成由至少一個衍射微 型結構lla構成的光柵11的部分llb。所述光柵11包括至少三個連續的衍 射微型結構lla，它們由相同的周期(周期性間隔)p分隔開。在圖2中， 由衍射微型結構lla構成的光柵(衍射微型結構光柵)ll存在於一板的表 面上，它面向物體12，但是在其他結構中，它也可以將其背面面向物體12， 如隨後在圖4A中可見的那樣。
在圖2的所述示例中，假定物體12是待觀察的樣本並且光學元件10 安裝在近場光學顯微鏡的探針中。其他物體可以利用這種光學元件檢測， 所述其他物體可以是光學信息介質，並且在這種情況下，本發明的光學元 件被結合到用於讀出或讀/寫光學信息的磁頭中。
這些衍射微型結構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電實心部分(例 如帶有通孔並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(例如矽與玻璃或者其他材料)形成。
在圖2中，由衍射微型結構lla構成的光柵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射出輻射時，發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。
在常規的近場檢測裝置中，用於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13、即物體的最精細細節相關的信息。
本發明的對象、光學元件的目的在於將漸逝波16轉變為可在均勻錐體14中傳播併到達檢測器17的波16'。所述轉變由在通過由衍射微型結構lla構成的光柵11傳輸期間的衍射效應進行。在光柵11的傳輸期間的衍射效應由橫向分量kx到分量kx'的轉換表示，其使得
kx' = kx ± mG (1)
其中自然數m表示衍射級，並且G = 2兀/p表示要檢測的物體12中存在的空間頻率。量p是衍射微型結構光柵的周期，它具有物體12反射或發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將被選擇為小於物體12反射或發射的輻射的波長。
為了受益於強的傳輸，有利地選擇衍射級m等於-l。當然，也可以為m選擇另一個值，特別是值+1。通過光學元件10的轉變之後的橫向分量kx'相對於轉變之前的橫向分量kx進行在逆時針方向上的旋轉。它被帶回到均勻錐體14中並且進行傳播和輻射。它可以通過檢測器17檢測。根據本發明，光學元件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於該處，因為它被保留在非均勻錐體中並且不會自由傳播到檢測器。
為了優化所述轉變，優選地，衍射微型結構光柵ll的周期p被調節為物體12發射的漸逝波16的頻率。當周期p被設定時，近場進入遠場的轉變將在漸逝波16上進行，所述漸逝波的橫向分量kx滿足下述關係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)
如果希望利用高於k0、即包含在更大頻率範圍中的更高空間頻率來轉
變漸逝波，則結果是
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)
這將導致生產根據本發明對周期p進行調製、即具有如圖3A、 3B中 所示的變化的周期的光柵的光學元件。因此，多種類型的非均勻波可同時 被轉變。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中區分出多個區域zl-z4，其中每一個區域 具有周期pl、 p2、 p3、 p4，這些周期在各區域上彼此不同。在每一個區域 中，微型結構在若干恆定的周期上彼此接續。這些區域zl、 z2、 z3可以相 互嵌套或者彼此接續，這取決於由衍射微型結構lla形成的樣式(或圖案)。 假定在圖3A、 3B中，由衍射微型結構lla構成的光柵ll利用由大致圓形 的同心凹槽分隔開的突出部分形成。於是得到在旋轉時不變的光學元件。
在圖3A中，只有兩個同心區域zl、 z2， zl區域比區域z2更居中。它 們的周期pl、 p2從區域zl開始增大。在圖3B中，四個同心區域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分。它們的 周期pl、 p2、 p3、 p4從區域zl開始減小。許多其他的形狀也可以設計為 用於衍射微型結構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構 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，可以設計為使得形成由衍射微型結構lla構成的 光柵11的部分lib由分布在如圖4B所示設置的基座上的柱狀物40的陣列 製成。在這種結構中，基座形成將在後面描述的放大部分18。如圖6所示，還可以設計為使得形成由衍射微型結構lla構成的光柵 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。
許多其他結構也是可行的，並且所描述的實施例不是限制性的。
形成由衍射微型結構lla構成的光柵11的部分llb可由基於鋁、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 甚至是矽的介電材料製成。
根據本發明的光學元件具有大於物體12反射或發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有技術不同。光學元件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並且可以達到大約一百個(或 數百個)波長。由於待轉變的漸逝波需要與光柵的多個周期交會，以便有 效地轉變為傳播波，因此需要所述元件的較大擴展尺寸。如果光學元件進 一步進行了周期調製，如上所述，則其橫向尺寸變得更大，例如為大約100 或數百微米。
如之前所提及的那樣，為使得轉變儘可能達到最佳並且為了去除寄生， 周期p的選擇很重要。當利用優選等於絕對值1的單階m進行衍射並且當 零階(m=0)被截止時，獲得最佳轉變條件。零階被截止這一事實表明了 傳播均勻波15在穿過光學元件10時被嚴重削弱，以使其無法被加入到轉 變後獲得且存在於均勻錐體14中的傳播波16'中。由於在近場中由檢測器 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 元件被周期調製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在它們穿過光學元 件期間其自身被利用等於絕對值1的衍射級轉變為漸逝波(未示出)。因此
它們不會到達檢測器17。接近以上由關係(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穿過本發明的光學元件物體之前放大漸逝 波16。這樣，待轉變的漸逝波16在信號水平方面可能是有利的，並且在與 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元件中的物體12 —側包括放大部分18而實現， 所述放大部分光學地激發等離子體振子或表面波。所述放大部分18可由具 有帶負實數部分的介電常數的材料製成。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)，或甚至為例如矽這樣的半導體。
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構lla 構成的光柵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構lla構成的光柵11的部分lib可相互嵌入 或嵌置。放大和轉變同時進行。尺寸入的光子同時經過光柵和放大層。
放大部分18的厚度h優選地小於物體12反射或發射的輻射的近似波長。
放大部分18的材料按其介電常數而選擇，其應當促進漸逝波的放大並 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，衍射微型結構光柵優選地放置為面對待觀測的物 體12。所述物體12優選地由金屬製成。
設有由衍射微型結構lib構成的光柵11的部分lla和放大部分18可 如圖3B所示由相同材料製成，或者相反地如圖3A、 4A中明顯所示由不同 材料製成。特別是在衍射微型結構設有凹槽且實心部分如圖3A所示是非鄰 接的並且假定形狀為同心環或直線柱的情況下，放大部分18可被用作形成 衍射微型結構光柵11的部分lla的支撐件。
如圖3A、 3B、 4A、 4B所示，可以在根據本發明的光學元件的中心區 域中設置中斷周期區域19。所述中斷周期區域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構的實心部分。 所述實心部分可以是金屬或者介電材料。特別在衍射微型結構lla為實心 時，所述中斷周期區域19具有改進光學元件傳輸的優點。還允許設置標記 器，所述標識器用於光學元件的對中，以及用於將要安裝光學元件的磁頭 或探針的伺服控制。
當其為空隙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的低頻分量經過中斷周期區域19。在中斷周 期區域19處，沒有頻率轉變，這更接近於探針型或讀出或讀/寫磁頭型的 常規裝置中所出現的情況。當由衍射微型結構lla構成的光柵11具有圓形
14對稱的凸起結構並且當其為實心時，通過空隙19的傳輸將得以顯著改進。
現在關注圖5所示的根據本發明的光學元件。所述光學元件以俯視圖 的形式示出，並且只有形成多個衍射微型結構光柵R1、 R2、 R3的部分lib 可見，所述光柵R1、 R2、 R3並排布置。三種不同的衍射微型結構光柵R1、 R2、 R3是有區別的。假定所述光柵R1、 R2、 R3由設有通孔51的大致為 矩形的實心層50製成。通孔51按行和列布置，光柵R1、 R2、 R3是二維 的。可以將光柵設計為一維的，其可以形成為設有沿單獨一行或單獨一列 排列的孔。位於圖5左上方的第一光柵R1具有周期pl'。位於右上方的第 二光柵R2具有周期p2'。光柵R1、 R2兩者基本上佔據相同的表面積。周 期pl'大於周期p2'。第一光柵R1的孔51大於第二光柵R2的孔51，並且 它們數量較少。
位於層50的下部的第三光柵R3具有基本上等於第一光柵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 具有中斷周期區域52，並且在其兩側中的每一側上，設有兩個具有周期p3' 的第一帶狀區域53，並在更遠離中斷周期區域52的位置處，設有另外兩個 具有周期p4'的帶狀區域54。不同的帶狀區域53、 54是並置的。周期p3' 大於周期p4'。位於所述帶狀區域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 少一個設有至少一個由衍射微型結構lla構成的光柵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有至少一個衍射微型結 構光柵11和至少一個放大部分18的部分lib來製成本發明的光學元件。 在這種疊置情況下，待轉變的漸逝波在到達形成由至少一個衍射微型結構 lla構成的光柵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。
現在將參考圖4A對根據本發明的示例性光學元件進行詳細說明。假定 根據本發明的元件已經集成或結合到近場檢測裝置中，所述近場檢測裝置 可以為用於讀出光學信息的磁頭或讀/寫磁頭。
近場檢測裝置包括與檢測器17協同工作的根據本發明的元件10。固體 浸沒透鏡21被插入到根據本發明的光學元件10和檢測器17之間。更特別地，固體浸沒透鏡21和設有由衍射微型結構lla構成的光柵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的第二照準儀上進行，即在最靠近待檢測物體12 的照準儀上進行。
假定所述檢測裝置用於利用具有400納米波長的輻射工作。 假定本發明的光學元件對象具有設有由衍射微型結構lla構成的光柵 11的部分lib和疊置的放大部分18，所述放大部分18位於待檢測的物體 12的一側。由衍射微型結構lla構成的光柵ll包括大致圓形且同心的凹槽 llc。光柵11的周期p基本恆定並具有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。由貴金屬製成的放大層18的厚度例 如為30納米。本發明的元件對象的總厚度為50納米。假定放大部分18和 形成衍射微型結構光柵的部分lib由相同的金屬製成，例如由貴金屬製成。 在光學元件的中心區域，設有延伸到放大部分中的空隙19。對於具有 大約40微米直徑的光學元件，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、即漸逝電磁波的強激發而工作的放 大部分18，高於2兀從的高空間頻率範圍的傳輸可得以促進。通過在形成由 衍射微型結構lla構成的光柵11的部分lib的中心部分設置中斷周期區域 19，傳輸可進一步得以提高，並且可以設置用於對中及控制包括所述光學 元件的檢測裝置的位置的標記器。即使中斷周期區域為實心的，也可實現 對中和控制。
形成由衍射微型結構lla構成的光柵11的部分llb具有通過放大部分 18將傳輸的電磁場轉變成遠場的功能，並且因此使其在只要存在的情況下 就可以通過經由固體浸沒透鏡20而到達檢測器17。然後可以處理到達檢測 器17的信號，因為所述信號的頻率主要對應於放大部分18中通過等離子 體振子效應放大的那些頻率。所述頻率一般地高於遠場檢測器的常規極限， 因為光柵11的周期小於物體12反射或發射的輻射的波長。
因此，這種光學元件的解析度R可通過引入物體12浸沒於其中的介質 的折射率nl (通常是空氣，因此nl二l)和在其中通過本發明的元件物體 轉變的波隨著其離開所述元件而傳播的介質的折射率n2進行粗略的估算。這可以是圖4A的結構中固體浸沒透鏡的折射率。所述解析度R表示為
R= X/ 2(nl +人n2/p)
所述公式表明，對於小於所用波長X的周期p，解析度R變得小於^/2nl。 雖然已經詳細圖示和描述了本發明的若干實施例，應該理解的是，在 不脫離本發明範圍的情況下可以作出不同的變化和修改。這些修改可以在 衍射微型結構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合的近場光學模擬以及高效固體浸 沒透鏡-探針系統"("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.)，應用物理雜誌 (Journal of applied physics),第95巻，第7期，2004年4月1日，3378-3384 頁。"在近場光學讀出系統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，光學快報(Optics express), 2006年3月 20日，第14巻，第6期，2385-2397頁。 US-A1-2005/016159權利要求
1. 一種在傳輸中工作的近場檢測光學元件，其特徵在於，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)上彼此接續的衍射微型結構(11a)構成的光柵(11)，所述光柵(11)能夠通過在經過所述形成由衍射微型結構(11a)構成的光柵(11)的部分(11b)傳輸期間的衍射效應將當物體(12)反射或發射具有一定波長的輻射時在所述元件和位於近場中的物體(12)之間建立的漸逝波(16)轉變為傳播波(16′)，所述光柵(11)的周期(p)與輻射波長具有相同的量級。
2. 根據權利要求1所述的光學元件，其特徵在於，所述光柵(11)的 周期(p)小於所述輻射波長。
3. 根據權利要求1或2所述的光學元件，其特徵在於，其具有大於數 個輻射波長、或者甚至基本上等於大約一百個輻射波長的橫向尺寸(T)。
4. 根據權利要求1或2所述的光學元件，其特徵在於，所述光柵的周 期(p)滿足關係kx-k0〈2兀/p〈kx + k0，其中k0-2兀從，並且kx為物體 發射的漸逝波的橫向分量。
5. 根據權利要求1或2所述的光學元件，其特徵在於，所述光柵的周 期(p)滿足關係kx-2k0<27i/p<kx-k0，其中kO-2兀/X，並且kx為物體 發射的漸逝波的橫向分量。
6. 根據權利要求1至5中任一項所述的光學元件，其特徵在於，其還 包括至少一個在漸逝波(16)轉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構(1 la)構成的光柵(11)的部分(lib) 協同工作。
7. 根據權利要求6所述的光學元件，其特徵在於，所述放大部分(18) 與所述形成由衍射微型結構(lla)構成的光柵(11)的部分(lib)並排放置。
8. 根據權利要求6或7所述的光學元件，其特徵在於，所述放大部分 (18)由基於金、銀、銷、鋁、銻化銦的金屬材料或半導體材料製成。
9. 根據權利要求6至8中任一項所述的光學元件，其特徵在於，所述 放大部分(18)具有基本上小於所述輻射波長的厚度(h)。
10. 根據權利要求6至9中任一項所述的光學元件，其特徵在於，所述 放大部分(18)在與所述衍射微型結構(lla)相反的一側覆蓋所述形成由 衍射微型結構(lla)構成的光柵(11)的部分(lib)的表面。
11. 根據權利要求1至10中任一項所述的光學元件，其特徵在於，所 述放大部分(18)和所述形成由衍射微型結構(lla)構成的光柵(11)的 部分(lib)由相同材料製成。
12. 根據權利要求1至11中任一項所述的光學元件，其特徵在於，其 包括交替疊層，所述疊層由至少一個形成由衍射微型結構構成的光柵的部 分(lib)和一個或多個放大部分(18)形成，或者由數個部分(lib)形 成，所述數個部分(lib)中的每一個形成由衍射微型結構構成的光柵和至 少一個放大部分(18)。
13. 根據權利要求1至12中任一項所述的光學元件，其特徵在於，所 述形成由衍射微型結構構成的光柵的部分(lib)由導電材料和/或介電材料 製成。
14. 根據權利要求1至13中任一項所述的光學元件，其特徵在於，所 述由衍射微型結構構成的光柵(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電 部分。
15. 根據權利要求1至14中任一項所述的光學元件，其特徵在於，所 述由衍射微型結構構成的光柵(11)包括大致為圓形且同心的波紋。
16. 根據權利要求1至15中任一項所述的光學元件，其特徵在於，所 述由衍射微型結構構成的光柵(11)在旋轉時不變。
17. 根據權利要求1至16中任一項所述的光學元件，其特徵在於，所 述形成至少一個由衍射微型結構構成的光柵(11)的部分(lib)被進行周 期調製。
18. 根據權利要求1至17中任一項所述的光學元件，其特徵在於，所 述形成至少一個由衍射微型結構構成的光柵的部分(lib)包括具有不同周 期(pl'、 p2')的多個並排光柵(Rl、 R2)。
19. 根據權利要求1至18中任一項所述的光學元件，其特徵在於，所 述形成至少一個由衍射微型結構構成的光柵(11)的部分(lib)包括位於中心部分中的中斷周期部(19)。
20. 根據權利要求19所述的光學元件，其特徵在於，所述中斷周期部 為實心體或空隙。
21. 根據與權利要求6相結合的權利要求20所述的光學元件，其特徵 在於，所述空隙延伸到所述放大部分(18)中。
22. —種近場檢測光學裝置，其特徵在於，其包括根據權利要求1至 21中任一項所述的光學元件。
23. 根據權利要求22所述的近場檢測光學裝置，其特徵在於，其包括 用於轉變過的傳播波(16')的放置在光學元件下遊的檢測器(17)。
24. 根據權利要求22或23所述的檢測裝置，其特徵在於，其包括放置 在所述光學元件(10)下遊的固體浸沒透鏡(21)，在存在所述檢測器(17) 的情況下，所述固體浸沒透鏡(21)放置在用於轉變過的傳播波(16')的 所述檢測器(17)的上遊。
25. 根據權利要求22至24中任一項所述的檢測裝置，其特徵在於，所 述檢測裝置為光學信息介質上的讀出磁頭或讀/寫磁頭或者近場光學顯微 鏡探針。
全文摘要
本發明涉及一種在傳輸中工作的近場檢測光學元件。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)上彼此接續的衍射微型結構(11a)構成的光柵(11)，所述光柵(11)能夠通過在經過所述形成由衍射微型結構(11a)構成的光柵(11)的部分(11b)傳輸期間的衍射效應將當物體(12)反射或發射具有一定波長的輻射時在所述元件和位於近場中的物體(12)之間建立的漸逝波(16)轉變為傳播波(16′)。光柵(11)的周期(p)具有輻射波長的量級。該近場檢測光學元件適用於近場檢測裝置中。
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 優先權日2006年6月12日
發明者L·普皮內, S·米穆尼 申請人:原子能委員會