CN103969225A - 一种针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法，采用器件从上到下依次包括透明基底层、激发光栅层、超衍射结构材料层和检测光栅层。其中从透明基底背面入射的照明光通过激发光栅层激发出倏逝波级次，超衍射结构材料层可对倏逝波级次进行横向波矢的空间频率高通滤波从而形成一个具有特定横向波矢近场透过率的倏逝波光场，检测光栅层可将倏逝波级次转换为传输波级次传输至远场，最终在远场可接收到与倏逝波成份一一对应的检测光。该方法将可应用于对超衍射结构材料倏逝波光场横向波矢近场透过率传输特性函数的远场探测，实现对倏逝波光场的横向波矢近场分布及其相应波矢能量透过效率的定性分析以及定量检测。
Description
技术领域
本发明属于纳米光刻加工技术及显微成像领域，涉及一种针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法。
背景技术
当前，光刻、显微等光学系统的特征尺寸成像极限已经进入了纳米量级(<<λ)，而超衍射结构材料因其独特的倏逝波还原特性而被广泛关注并应用于克服衍射极限。近年来，研究发现超衍射结构材料如金属介质多层膜等，具有空间频率带通滤波特性，对近场倏逝波进行横向波矢选择性透过，实现倏逝波在超衍射结构材料中的纵向传输。超衍射结构材料的倏逝波传输特性将直接影响到其超衍射能力。由于超衍射结构材料支持传输的倏逝波局域在结构表面，光场横向波矢透过率特性能够反映结构材料的光频超衍射传输特性。因此，如何获得对倏逝波光场横向波矢近场透过率的描述，就成为光频超衍射传输特性表征的关键之处。现有的超衍射结构材料近场透过率传输特性检测技术方法多为近场检测如SNOM，通过对条纹状光场分布的几何尺寸如周期等的检测，从而间接获得倏逝波横向波矢的近场透过率函数，但其横向分辨力受限，对于更小周期的条纹则较难检测，从而较难获得对更大的倏逝波波矢的反映。
为了实现对近场倏逝波光场透过率传输特性函数的检测，已有专利提出采用双光栅频谱裁剪，能够对超衍射结构材料的倏逝波级次滤波透过并相互干涉，形成产生莫尔条纹被CCD接收从而可验证其带通滤波特性。然而该方法仅仅可对某一特定级次进行观测从而定性分析，无法一一对应量化检测出各个倏逝波级次的透过率。
如果能够将近场各个倏逝波级次通过光栅转换至传输波级次，在远场用功率计接收检测，那么将可实现对倏逝波级次的量化分析。因此研究人员提出一种针对具有倏逝波光场横向波矢透过率传输特性函数的超衍射结构材料所激发的不同横向波矢的倏逝波透过率函数的远场检测方法。从透明基底背面入射的照明光通过激发光栅层激发出倏逝波级次，超衍射结构材料层可对倏逝波级次进行横向波矢的空间频率高通滤波从而形成一个具有特定横向波矢近场透过率函数的倏逝波光场，检测光栅层可将倏逝波级次转换为传输波级次传输至远场，最终在远场可接收到与倏逝波成份一一对应的检测光。该方法将可应用于对超衍射结构材料近场倏逝波光场横向波矢近场透过率传输特性函数的远场探测，实现对倏逝波光场的横向波矢近场分布及其其相应波矢能量透过效率的定性分析以及定量检测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：针对纳米图像光刻及显微成像等领域中，现有的超衍射结构材料近场透过率传输特性检测技术方法如近场检测SNOM的横向分辨力受限，莫尔条纹检测仅可对某一特定级次进行观测从而定性分析而较难一一对应量化检测出近场区域各个倏逝波级次的透过率特性等现状，我们提出一种针对超衍射结构材料倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法，结构从上到下依次包括透明基底层、激发光栅层、超衍射结构材料层和检测光栅层，透明基底背面入射的照明光通过激发光栅层激发出倏逝波级次，超衍射结构材料层可对倏逝波级次进行横向波矢的空间频率高通滤波从而形成一个具有特定横向波矢近场透过率的倏逝波光场，检测光栅层可将倏逝波级次转换为传输波级次传输至远场，最终在远场可接收到与倏逝波成份一一对应的检测光。该方法将可应用于对超衍射结构材料倏逝波光场透过率传输特性函数的远场探测，实现对近场倏逝波的横向波矢分布及其相应波矢能量透过效率的定性分析以及定量检测。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法，步骤如下：
步骤一、构建该方法采用的器件，该器件结构特征主要包括：
透明基底层；
激发光栅层：通过照明光作用激发出具有不同横向波矢的倏逝波级次；
超衍射结构材料层：用于对不同横向波矢的倏逝波进行选择性透过滤波，从而形成一个具有特定横向波矢近场透过率的倏逝波光场；
检测光栅层：将倏逝波级次转换为传输波级次，传输至远场，最终在远场可接收到与近场倏逝波横向波矢分量一一对应的传输波检测光；
步骤二、针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测步骤为：
(21)预先分析近场倏逝波不同横向波矢级次与转换后的远场传输波级次的一一对应关系，计算出各个倏逝波级次转换后的远场衍射强度关系；
(22)采用P偏振态的激光束均匀照明激发光栅层，其照明方向保持与光栅方向垂直；
(23)改变照明入射角，扫描激发所得的近场倏逝波波矢一一对应主要的远场衍射光级次角度大小、远场测量主要级次的归一化强度，与步骤(21)中的设计计算值进行比较。
其中，所述激发光栅层的光栅周期为可以激发出特定横向波矢的倏逝波级次的光栅周期。
其中，所述激发光栅层中的纳米结构图形可以是一维或二维图形，图形结构可以是周期性的光栅或其它形状。
其中，所述激发光栅层为可以高效激发特定传输波长范围表面波的材料，包括但不限于金属Cr、介质TiO2。
其中，所述超衍射结构材料层为具有空间频率高通滤波特性的结构，其材料结构选取包括但不限于纳米量级厚度的金属和介质多层膜。
其中，所述检测光栅层的光栅周期，其倒格矢能够将特定横向波矢的倏逝波级次转换为传输波级次，但不与激发光栅层周期相等。
其中，所述检测光栅层中图形结构可以是一维或二维图形，图形线条方向与激发层纳米图形方向一致。
其中，所述检测光栅层中图形结构，可以为规则的几何体的任意面型,包括但不限于光栅结构。
其中，所述检测光栅层为可以高效激发特定传输波长范围表面波的材料，包括但不限于半导体材料Si。
针对超衍射结构材料倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法，该方法检测原理如下：
在中心波长为λ0、特定照明方向(照明光线中心方向与器件表面法线夹角为θ)的p偏振态入射光场下，通过透明基底后均匀照明激发光栅层，激发出特定横向波矢大小的近场倏逝波；然后超衍射结构材料层对该倏逝波光场进行横向波矢的空间频率高通滤波从而形成一个具有特定的横向波矢近场透过率的倏逝波光场；检测光栅层对滤波后的近场倏逝波光级次转换至传输波级次，传输至远场，最终在远场可接收到与倏逝波成份一一对应的检测光。
其中远场传输波检测级次与近场倏逝波级次的波矢对应满足方程①：
kt＝n sinθk0±2πms/ds±2πmt/dt ①
其中ms＝0，1，2，…；mt＝0，1，2，…
方程中kt代表转换后的传输级次波矢，n为入射介质折射率，θ为特定照明方向的中心角度，ds代表激发光栅周期，dt代表检测光栅周期，ms、mt分别为激发光栅层和检测光栅层的激发的衍射波矢级次。
从透明基底背面入射的照明光通过激发光栅层激发出倏逝波级次，超衍射结构材料层可对倏逝波级次进行横向波矢的空间频率高通滤波从而形成一个特定透过的不同横向波矢的倏逝波场，检测光栅层可将倏逝波级次转换为传输波级次传输至远场，最终在远场可接收到与倏逝波成份一一对应的检测光。
本发明与现有技术相比所具有的优点：
(1)实现对近场倏逝波光场透过率传输特性函数的定性、定量检测。对于现有的近场检测方式，检测范围和精度受检测手段横向分辨力大小限制，只能采取定性分析而较难进行一一对应的量化检测。而采用本发明，能够直接定量远场检测近场倏逝波光场透过率传输特性函数。
(2)实现对近场信息的远场间接检测。现有的近场检测方式要求紧贴近场纳米量级范围内进行检测，探针对近场的影响噪声较难克服，操作不当时容易破坏被检测照明器件的表面结构。而采用本发明，能够将近场分布映射至远场进行检测，减小对近场的光场影响。
附图说明
图1是发明的针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法示意图。
图2是实施例1中多层膜OTF曲线以及表面等离子体器件的空间频谱透过系数。
图3是实施例1中超衍射结构材料倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测仿真结果。其中图3(b)是图3(a)中光场各个空间频率的归一化磁场透射振幅。
图4是实施例1中扫描入射波矢时+1级次转换后的主要远场传输波级次的衍射效率。
图5为激发光栅周期一定时，不同检测光栅周期(nm)的主要远场传输波级次衍射效率。
图1中，1为透明基底层，2为激发光栅层，3为超衍射结构材料层介质层，4为超衍射结构材料层金属层，5为检测光栅层，6为入射光。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。
实施例1，在激发层与检测层均为一维光栅图形，激发层线宽100nm、周期200nm，检测层线宽115nm、周期230nm情况下，利用远场检测衍光来反映超衍射结构材料倏逝波光场透过率传输特性函数。
超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测如说明书附图1所示，具体条件是：1为填充激发层的石英基底；2为激发层TiO2光栅，TiO2层厚75nm，光栅深度40nm，周期200nm，占空比为0.5；3为超衍射结构材料层(介质/金属多层膜)中的介质层MgF2，厚度15nm；4为超衍射结构材料层(MgF2/Al多层膜)中的金属Al层，厚度15nm；5为检测层Si，厚40nm，线宽115nm、周期230nm；6为中心波长365nm的入射光，入射角度θ为28°。
数值仿真表明，超衍射结构材料层MgF2/Al交替多层膜具有较好的增强效果。表面等离子波纳米器件产生2.51k0(k0表示真空波矢)的表面波场。对于SiO2、TiO2、MgF2、Al的介电常数分别为2.13、14.91+1.94i、1.932、-19.4238+3.6028i。说明书附图中图2中的灰色曲线展示了5对MgF2/Al交替的介质金属多层膜的OTF曲线(图中kx表示照明场横向波矢)，显然多层膜的增强空间频率窗口为1.5k0～3k0。而滤波后横向波矢透过率如图2中的黑色柱状图分布，从图中可以看到照明场的强度集中在空间频谱2.51k0上，其他横向波矢的透过率被有效抑制约为照明主要横向波矢透过率的1/100。
利用数值仿真，对上述条件下的利用远场检测衍射光来反映超衍射结构材料倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测结果进行了仿真。Si的介电常数分别为7.92+21.06i。其仿真成像结果为说明书附图中图3所示，其中图3(b)是图3(a)中光场各个空间频率的归一化磁场透射振幅，根据方程1可知，透过率较高的两个衍射峰均为照明场中主要照明波矢2.51k0的衍射峰级次，与相应衍射级次的其他照明场级次相比，其透过率抑制约为1/70，这是因为检测光栅的激发效率受到光栅高度影响。
图4为扫描入射波矢时+1级次转换后的主要远场传输波级次的衍射效率，此时+1级次横向波矢范围在1.83k0～2.55k0，其远场衍射级次的强度变化通带能够反映出超衍射结构材料的带通滤波特性。实际操作中，通过实验检测数据曲线与该理论曲线对比，即可进行检测。
图5为激发光栅周期一定时，不同检测光栅周期的主要远场传输波级次衍射效率。可知针对特定激发光栅周期，检测光栅需要满足其倒格矢能够将倏逝波级次转换为传输波级次的条件。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (9)
1.一种针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法，其特征在于：该方法包括：
步骤一、构建该方法采用的器件，该器件结构特征主要包括：
透明基底层；
激发光栅层：通过照明光作用激发出具有不同横向波矢的倏逝波级次；
超衍射结构材料层：用于对不同横向波矢的倏逝波进行选择性透过滤波，从而形成一个具有特定横向波矢近场透过率的倏逝波光场；
检测光栅层：将倏逝波级次转换为传输波级次，传输至远场，最终在远场可接收到与近场倏逝波横向波矢分量一一对应的传输波检测光；
步骤二、针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的检测步骤为：
(21)预先分析近场倏逝波不同横向波矢级次与转换后的远场传输波级次的一一对应关系，计算出各个倏逝波级次转换后的远场衍射强度关系；
(22)采用P偏振态的激光束均匀照明激发光栅层，其照明方向保持与光栅方向垂直；
(23)改变照明入射角，扫描激发所得的近场倏逝波波矢一一对应主要的远场衍射光级次角度大小、远场测量主要级次的归一化强度，与步骤(21)中的设计计算值进行比较。
2.根据权利要求1所述的一种针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法，其特征在于：所述激发光栅层的光栅周期为可以激发出特定横向波矢的倏逝波级次的光栅周期。
3.根据权利要求1所述的一种针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法，其特征在于：所述激发光栅层中的纳米结构图形可以是一维或二维图形，图形结构可以是周期性的光栅或其它形状。
4.根据权利要求1所述的一种针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法，其特征在于：所述激发光栅层为可以高效激发特定传输波长范围表面波的材料，包括但不限于金属Cr、介质TiO2。
5.根据权利要求1所述的一种针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法，其特征在于：所述超衍射结构材料层为具有空间频率高通滤波特性的结构，其材料结构选取包括但不限于纳米量级厚度的金属和介质多层膜。
6.根据权利要求1所述的一种针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法，其特征在于：所述检测光栅层的光栅周期，其倒格矢能够将特定横向波矢的倏逝波级次转换为传输波级次，但不与激发光栅层周期相等。
7.根据权利要求1所述的一种针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法，其特征在于：所述检测光栅层中图形结构可以是一维或二维图形，图形线条方向与激发层纳米图形方向一致。
8.根据权利要求1所述的一种针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法，其特征在于：所述检测光栅层中图形结构，可以为规则的几何体的任意面型,包括但不限于光栅结构。
9.根据权利要求1所述的一种针对超衍射结构材料近场倏逝波光场透过率传输特性函数的远场检测方法，其特征在于：所述检测光栅层为可以高效激发特定传输波长范围表面波的材料，包括但不限于半导体材料Si。
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