CN1139833C - 近场光学虚拟光探针 - Google Patents
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Abstract
一种近场光学虚拟光探针，属于近场光学、纳米光学技术领域。本发明设计了一种近场光学虚拟光探针，是在两种具有不同折射率的介质界面处设置一个小孔光阑，使得入射角大于临界角的入射光束发生全反射时产生的倏逝场干涉叠加，形成约束光场，该约束光场的中心峰形成近场光学虚拟光探针。其通光效率为10-2量级，是普通的纳米孔径光纤探针的通光效率的102～104倍；其光场分布的中间峰的半峰值宽度(即虚拟光探针的尺寸)在波长深度空间范围内基本保持不变，从而可以解决近场光学系统中纳米间距控制的难题，避免光学头与介质间碰撞所造成的损坏。这种近场光学虚拟光探针可以用于近场光学光谱探测、近场光学存储、纳米光刻以及近场光学操作等。
Description
技术领域
本发明属于近场光学、纳米光学技术领域，特别涉及倏逝场的干涉叠加形成约束光场以及纳米尺度近场光学虚拟光探针的设计。
背景技术
获取纳米尺度的光源是近场光学成像、探测、纳米光刻以及近场光存储系统中的关键技术之一。近十年来具有纳米孔径的镀金属膜光纤探针已被广泛使用，但是，光纤探针的通光效率很低，通常为10-4～10-6。后来，在近场光学成像、近场光学存储领域中，固体浸没透镜(Solid Immersion Lens，SIL)的使用使得通光效率得到很大提高。然而，这种方法与光纤探针有一个共同的缺点是必须将SIL的底面或者光纤探针与观察或记录介质间的距离控制在近场区域，大约为50纳米左右，这使得间距控制非常困难，很容易造成SIL或者探针与介质间的碰撞，造成损坏。
发明内容
本发明的目的在于克服已有的光纤探针通光效率低，以及它和SIL系统中苛刻的间距控制要求等缺点，提出一种近场光学虚拟光探针及其实现方法。
本发明提出并设计了一种近场光学虚拟光探针，其包括两种具有不同折射率的介质及在这两种介质的界面处设置的一个小孔光阑。利用入射角大于全反射临界角的两束或者多束平行光，也可以是空心光锥光束，从光密介质入射到光疏介质，在两种介质的界面处发生全反射，由此产生的倏逝场中的相向行波倏逝场干涉叠加形成约束光场，该约束光场的中心峰在波长深度空间范围内不会向外发散，形成纳米光柱，成为纳米尺度近场光学虚拟光探针。
所说的小孔光阑是用于限制平行光或空心光锥光束的尺寸，光阑的形状可以是圆形、方形、环形或其它特殊形状的孔径，如匚形、工形、半圆环形、C形等。光阑的孔径轮廓尺寸范围为0.5μm～3μm。光阑的材料可包括金、铝、银等金属材料或者其它能形成微孔的材料，厚度为5nm～200nm。
所说的空心光锥光束，可通过环形光束经大数值孔径的聚焦物镜聚焦于两种介质的界面，在两种介质的界面处形成满足全反射条件的空心光锥光束。所用的环形光束可以由环形光阑、双锥面反射、双锥面折射、全息方法等获得。
所说的倏逝场是由两束、多束平行光或空心光锥光束在两种介质的界面处发生全反射而产生的，存在于两种介质的界面附近的一个波长范围内。这些具有不同方向的倏逝场间的干涉叠加形成了约束光场。
本发明是基于近场光学倏逝场干涉叠加原理设计制作的。近场光学虚拟光探针的形成可以分为以下过程来理解：(一)在两种具有不同折射率的介质的界面处，当入射角大于临界角的光束从光密介质射入光疏介质时，在界面处发生全反射，产生倏逝场，其中相向行波倏逝场的干涉叠加使光场重新分布，此光场具有多级次多峰值特征。(二)在界面处设置适当尺寸的小孔光阑，形成约束光场，其对称中心处出现极大增强场，形成中心峰，它在波长距离内不向外发散而形成纳米光柱，即光场分布的中心峰的半高宽(Full Width at Half Maximum，FWHM)在波长深度空间内不随距离的变化而变化，但能量将随距离的增大而衰减，成为近场光学虚拟光探针。其原理示意图如图1所示，1为折射率为1的空气，2为折射率为n(n＞1)的介质，3为入射角θi大于临界角θc(θc＝arcsin(1/n))的两束受限入射光，4为由全内反射激发的倏逝场干涉叠加产生的光场分布。这种光场分布的半高宽在一定范围内不随距离Z的变化而变化。其中，光场分布中旁瓣与中心峰的相对值受到小孔光阑的孔径尺寸及形状、两种介质的相对折射率等因素的影响。另外，约束光场分布受入射光波波长、偏振态、入射角度、系统的有效数值孔径、小孔光阑的形状及尺寸、两种介质的折射率差等因素的影响。
本发明的这种近场光学虚拟光探针，其通光效率为10-2量级，是普通的纳米孔径光纤探针的通光效率的102～104倍；其光场分布的中间峰的半峰值宽度(即虚拟光探针的尺寸)在波长深度空间范围内基本保持不变，其范围为100nm～600nm。与一般近场光学系统相比，这种近场光学虚拟光探针大大放宽了对近场纳米间距的控制要求，从10～50nm扩展到100～600nm，易于控制；分辨率高于衍射极限；工艺上比光纤式纳米探针容易实现，而通光效率比普通纳米孔径光纤探针提高了102～104倍；更易于与传统光学显微镜结合使用。
本发明的近场光学虚拟光探针可应用于近场光学光谱探测、近场光学数据存储、近场光刻、近场光学光操作等领域。
附图简要说明：
图1为近场光学虚拟光探针的原理示意图。
图2为本发明的计算模型示意图。
图3为图2中的小孔光阑几何形状图。
图4、5、6为本发明的计算模型的光场分布图。
图7为本发明的计算模型的通光效率随圆形小孔光阑的直径的变化曲线。
图8为本发明的计算模型的中间峰的半高宽随距离的变化曲线。
图9为本发明的计算模型的中间峰的峰值强度随距离的变化曲线。
图10为本发明的实施例1采用等腰直角三角形棱镜的近场光学虚拟光探针系统的组成原理图。
图11为图10中的小孔光阑几何形状图。
图12为本发明的实施例2采用半球形固体浸没透镜的近场光学虚拟光探针系统的组成原理图。
图13为图12中的小孔光阑几何形状图。
实施方式
本发明的近场光学虚拟光探针结合两种实施例详细描述如下：
对于近场光学虚拟光探针的光场分布，可采用图2所示的计算模型，利用时域有限差分方法进行仿真计算。图2中，两种介质6、8的折射率分别为n1＝2、n2＝1(n1＞n2)，在两种介质的界面处设置一个圆形小孔光阑7，采用金属材料制作，膜层厚度为100nm，可用理想导体来模拟。小孔9的制作可采用聚焦离子束(FIB)刻蚀、化学刻蚀、光刻等方法加工。圆形小孔光阑的几何形状如图3所示，10为金属膜，11为圆形小孔，其直径D为1.5μm。将整个所需计算的三维空间均匀的划分为Nx×Ny×Nz个网格单元，每个单元格沿坐标轴方向的空间步长分别为Δx、Δy、Δz。计算采用Δx＝Δy＝Δz＝50nm，Nx＝Ny＝Nz＝100。入射光波波长为650nm，沿y方向偏振，两束入射角均为45°的平面波5从两个方向入射。经计算，可获得在距离两介质界面250nm的平面上的光场分布图和x方向截面图如图4、5所示。从这两幅图可以明显的看出：光场沿y轴呈轴对称分布，这与入射光的偏振态有关，在光场分布中y偏振方向的分量占主要部分，而由退极化现象产生的x、z方向分量很少；在光场的中央产生了一个比较锐的峰，即中心峰，这就是虚拟光探针的有效部分，同时在光场的分布中存在旁瓣。因此，在小孔光阑对光束的约束作用下，形成约束光场，产生了虚拟光探针的效应。由对称性原理可知，如果入射光是一个环形的圆偏振光，将会得到一个中心对称的光场分布。图6是在xz平面内得到的稳态光场分布。图7是近场光学虚拟光探针的通光效率随圆形小孔光阑直径的变化曲线。可以看出通光效率随孔径尺寸的变化大致呈线性关系，其数量级为10-2，比普通的纳米孔径光纤探针的通光效率(10-4～10-6)提高了2～4个数量级，利用这个特点，可以解决近场存储探针型方案光通量较小的问题。图8为近场光学虚拟光探针的半高宽随距离(即虚拟光探针的深度)的变化曲线。可以看出，当小孔的直径为1.5μm和3μm时，倏逝场的干涉效应比较明显，虚拟光探针的FWHM在有效距离内不随距离的变化而变化，其有效距离分别为150～600nm和150～450nm；当小孔的直径为0.5μm时，倏逝场干涉效应不明显，虚拟光探针的FWHM随距离的增加而迅速增大。这进一步说明了近场光学虚拟光探针是由于倏逝场的干涉而产生的。图9为近场光学虚拟光探针的峰值强度随距离(即虚拟光探针的深度)的变化曲线。当小孔的直径为1.5μm和3μm时，虚拟光探针(即中间峰)的峰值强度最大值出现在距离孔250纳米处，之后随着距离的加大而减少；但在虚拟光探针的有效深度范围内，减少的幅度不大，分别为35％和25％，在实际应用中是可以接受的。但是，当小孔的直径为0.5μm时，峰值强度随着距离的增大迅速降低。
实施例1为采用等腰直角三角形棱镜的近场光学虚拟光探针系统，其原理结构如图10所示。该系统主要是由如图10所示的放置在空气15中的等腰直角三角形棱镜13和位于棱镜与空气界面处的方形小孔光阑14组成。等腰直角三角形棱镜的两个锐角θ均为45度，斜边的长度为1cm，棱镜厚度为0.7cm。棱镜材料采用折射率n＝1.5163的K9玻璃。在棱镜的斜面上镀一层厚度为100nm的银膜，在膜层中央开有方孔16，即形成了方形小孔光阑14。其截面图如图11所示，17为金属膜，18为方形小孔，其长L、宽H均为1.5μm。当两光束直径为0.5cm的平行激光光束12(波长为690nm)垂直于棱镜13的直角边入射时，受方形小孔光阑14限制的两光束在棱镜的斜边与空气15的交界面上发生全反射，产生倏逝场，其中相向行波倏逝场的干涉叠加使光场重新分布，形成约束光场，其对称中心处出现极大增强场，形成中心峰，它在波长距离内不向外发散而形成纳米光柱，成为近场光学虚拟光探针。
实施例2为采用半球形固体浸没透镜的近场光学虚拟光探针系统，其原理结构如图12所示。该系统主要是由如图12所示的环形光阑21、聚焦物镜22、半球形固体浸没透镜(SIL)23以及方形小孔光阑24组成。半球形固体浸没透镜采用折射率为1.8的ZF6玻璃制作，其半径为1mm。在固体浸没透镜的底面上镀一层厚度为150nm的金膜，在膜层中央开有方孔25，即形成了方形小孔光阑24。其截面图如图13所示，29为金属膜，30为方形小孔，其长L、宽H均为1.5μm。环形光阑21置于聚焦物镜前，其中心的圆形挡光部分20位于光束中心，直径为2mm，将通过聚焦物镜后入射角小于全反射角的光束挡掉。聚焦物镜选用OLYMPUS的长工作距物镜(Model：LMPLFL100X)，其工作距为3.2mm，数值孔径为0.8。光束直径为4～5mm的入射平行激光光束19(波长为488nm)经环形光阑21后转换为环形光束，再经大数值孔径的聚焦物镜22聚焦于固体浸没透镜23的底面，在底面，即固体浸没透镜与空气26的界面处，形成满足全反射条件的空心光锥光束，它受到小孔光阑24的限制。因此，由全反射产生的倏逝场中的相向行波倏逝场干涉叠加，形成约束光场，其对称中心处出现极大增强场，形成中心峰，它在波长距离内不向外发散而形成纳米光柱，成为近场光学虚拟光探针。若将记录介质27放置在距离固体浸没透镜底面100～500nm(虚拟探针的有效距离)距离范围内，可以实现近场光学数据存储、近场光刻等操作。记录介质可以是光刻胶、有机染料、相变材料等。记录材料一般要涂覆于玻璃、PMMA、硅片等基底28上。
Claims (6)
1、一种近场光学虚拟光探针，其特征是在两种具有不同折射率的介质界面处设置一个小孔光阑，光阑选用金属材料制作，在金属膜上开有小孔，形成一个小孔光阑，光阑的孔径轮廓尺寸范围为0.5μm～3μm，厚度为5～200nm，当入射光从光密介质入射到光疏介质，并且入射角大于全反射临界角时，入射光束发生全反射，产生倏逝场，其中的相向行波倏逝场干涉叠加形成约束光场，该约束光场的中心峰在波长深度空间内不会向外发散，形成纳米光柱，成为纳米尺度近场光学虚拟光探针。
2、根据权利要求1所述的近场光学虚拟光探针，其特征是所说的入射角大于临界角的光束是一束以上的平行光。
3、根据权利要求1所述的近场光学虚拟光探针，其特征是所说的入射角大于临界角的光束是满足全反射条件的空心光锥光束。
4、根据权利要求1所述的近场光学虚拟光探针，其特征是所说的小孔光阑，光阑的形状是圆形的，光阑的孔径轮廓尺寸范围为0.5μm～3μm，光阑的材料为金、银，厚度为5～200nm。
5、根据权利要求1所述的近场光学虚拟光探针，其特征是所说的小孔光阑，光阑的形状是方形的，光阑的孔径轮廓尺寸范围为0.5μm～3μm，光阑的材料为金、银，厚度为5～200nm。
6、根据权利要求1所述的近场光学虚拟光探针，其特征是所说的小孔光阑，光阑的形状是环形的，光阑的孔径轮廓尺寸范围为0.5μm～3μm，光阑的材料为金、银，厚度为5～200nm。
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