CN1405784A - 测量近场光学探针光圈尺寸的装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种测量近场光学探针光圈孔径的装置和方法。该装置包括：光源、光学探测器、和滤波器。光源向近场光学探针发射光。光学探测器放置于近场光学探针之前并且接收由近场光学探针透过的光用以探测光强。滤波器配备于光源与光学探测器之间并从透过近场光学探针的光中仅透过特定模式的波长的光。因此，在不损坏近场光学探针的情况下，能够精确实时测量近场光学探针光圈孔径。

Description

测量近场光学探针光圈尺寸的装置和方法

技术领域

本发明涉及到测量近场光学探针光圈尺寸的装置和方法，尤其是，利用滤波器测量近场光学探针准确光圈孔径的装置和方法。

背景技术

近场光学探针通常应用于近场光学显微镜如测量材料表面或超高密度记录介质的高分辨率装置。

在测量材料表面分辨率的装置中，分辨率R由能分辨两点之间的距离以及由给出的方程式1来决定，其中分辨率R与波长成正比与光圈孔径或光阑成反比。 $R=\frac{1.22\mathrm{\λ}}{D}\…\left(1\right)$

在传统的近场光学显微镜中，由于光波长变得较短分辨率就必须小。然而，由于光的衍射原因使得分辨率是有极限的，而不能分辨得很小。该衍射极限在近场扫描光学显微镜(下文简写为“NSOM”)中不表现出来。这样，就可以制造高分辨率装置用来进行材料表面测量。

在NSOM中，利用近场光学显微镜，为了测量样件的高分辨率需要精确地知道近场光学探针的光圈尺寸，该样件被放置在比波长还小的近场光学探针上，例如，该波长是亚波长的尺寸。

在NSOM中的光学探针的光圈孔径有亚波长尺寸那样的大小，例如，用波长为400-1000nm的可见光线在近场光学显微镜中的孔径d大约是50-300nm。当样件被放置在近场光学探针时能达到该亚波长分辨率。

传统的NSOM利用扫描电子显微镜(SEM)或利用只是测量的装置(公开于U.S.Pat.No.5,663,798)以获得光学探针的光圈孔径。

SEM利用几个电子透镜减少从电子枪产生的电子束直径，使其在几到几百的范围内，发射电子在样件上，探测从样件发射的二次电子或通过样件的电子，按照时序调整示波器亮度并测量样件表面。

SEM能精确的测量光学探针光圈，但是费用高和花费时间长。

为了用SEM测量光学探针光圈，电绝缘体的光学探针尖部要被涂上导电材料。当测量有涂层的光学探针光圈，然后把该有涂层的光学探针用于NSOM时，光学探针尖部的涂层降低NSOM的性能。这样，被SEM测量过的光学探针难于再使用，就需要在NSOM中使用一个新光学探针。但是，该新光学探针与被SEM测量过的光学探针相比也许孔径是不相同的。

图1是公开于U.S.Pat.No.5,663,798的用于测量光学探针光圈尺寸装置的示意图。参照图1，该装置包括有，发射光的光源11，用于偏振光的偏振片13，用于聚焦光束于光学探针10的聚焦透镜15，线性分析器17采集透过光学探针10的光再通过光学探测器19，光学探测器19是用于把光信号转变为电信号以及探测该电信号。

在该装置中，为了推导出光圈孔径，通过光学探针10光圈的光以预先确定的角度被接收，与光强相应的信号被光学探测器19探测，信号被传送到数据接收单元(DAU)23或计算机(PC)25。

如图1所示，在马达21中安装有线性分析器17和光学探测器19，该马达以-165°到165°回转用以测量从远场光圈发射的带有角度的光强分布。结果就能测量光学探针的光圈孔径。

图2表示了利用传统光圈测量装置所测量的带有角分布光强的曲线图。参照图2，如果从光源11发射的光波长为633nm和偏振角为90°，以0°的最大光强的条件下，透射通过光圈孔径分别为60nm、380nm、3.2m(利用SEM进行了预先测量)的光学探针的光的远场角强度分布是高斯分布(gaussian)。

从图2可看出，随着光圈孔径减少，半最大值全宽(FWHM)就增加宽度。在此，FWHM为在相应于最大光强值的一半的两个角度之间的差。

参照图2，如果光学探针光圈孔径d(＝2a)为60nm，那么该FWHM是与相应光强为0.5的两角度+60°与-60°之间的差，即120°。如果光学探针的光圈孔径d(＝2a)为380nm，那么该FWHM是+30°与-30°之间的差，即60°。

图3是按照相对于参考图2的光学探针光圈孔径的FWHM曲线图。其中，线(a)是根据基尔霍夫(Kirchoff)理论预测的，线(b)是根据贝特(Bethe)的最小光圈限度理论给出的，以及线(c)是传统测量装置给出的。

光学探针光圈孔径可以通过获得光学探针发射的光强分布的FWHM来得到，该光学探针利用的是图3然后从图2中得知相应的孔径。

图2中所示的装置需要一辅助单元围绕光学探针回转用以测量透过光学探针的光强。以及，如果该装置回转不精确，测量准确的光圈孔径是困难的。还有，由于难于把光学探针尖部准确定位在旋转中心，则当测量光圈孔径时误差容易产生。

另外，要在马达回转的多角度来测量光强和作光强曲线。因此，测量光圈孔径要花长时间，以及由于装置测量限制的影响，难于测量小于λ/6的光圈孔径。

发明内容

为了解决上述的问题，本发明的目的就是提供一种装置，该装置精确测量光学探针光圈，并且不损坏光学探针，该装置能容易制造、安装，并且提供精确测量光学探针光圈的方法。

因此，为了达到上述的目的，提供一种用于测量近场光学探针光圈的装置。该装置包括光源、光学探测器和滤波器。光源向近场光学探针发射光。光学探测器位于近场光学探针之前，接收透过近场光学探针的光以探测光强。滤波器配置在光源与光学探测器之间，从透过近场光学探针的光中仅透射特定模式的波长的光。

在此，如果在光源与滤波器之间存在自由空间和介质，该特定模式为贝塞尔高斯模(Bessel Gauss Mode)。

该自由空间的折射率是1，是均匀折射率介质之一。

为了达到上述的目的，提供一种用于测量近场光学探针光圈的装置。该装置包括光源、光学探测器、滤波器和光波导。光源向近场光学探针发射光。光学探测器位于近场光学探针之前，接收透过近场光学探针的光以探测光强。滤波器配置在光源与光学探测器之间，从透过近场光学探针的光中仅透射特定模式的波长的光。光波导放置在近场光学探针与滤波器之间用以传输光。

如果光波导是梯度折射率波导，该特定模式为厄米高斯模(HermiteGauss Mode)。

如果光波导是梯度折射率光纤，该特定模式是拉盖尔高斯模(LaguerreGauss Mode)。

如果光波导是阶跃折射率波导或阶跃折射率光纤，该特定模式为阶跃折射率波导模或阶跃折射率光纤模。

为了达到上述的目的，提供一种用于测量近场光学探针光圈的装置。该装置包括光源、光学探测器、滤波器和掩模。光源向近场光学探针发射光。光学探测器位于近场光学探针之前，接收透过近场光学探针的光以探测光强。滤波器配置在光源与光学探测器之间，从透过近场光学探针的光中仅透射特定模式的波长的光。掩模放置在光源与滤波器之间，在掩模中心有个空腔，光通过该空腔。

该特定模式为掩模模式。

为了达到上述的目的，提供一种利用滤波器测量近场光学探针光圈的方法，该滤波器透射特定模式的光。该方法包括如下步骤：(a)向光学探针辐射预定波长的光；(b)利用滤波器从所述近场光学探针所发射光中透射特定模式的波长；(c)探测第一光强值，其取自透过所述滤波器的光的模数为0的波长的光的第一远场光强分布；(d)探测第二光强值，其取自透过所述滤波器的光的模数不为0的波长的光的第二远场光强分布；和(e)把所述第一和所述第二光强值的比值代入预定的相对于所述近场光学探针光圈孔径的方程式中，以得到所述近场光学探针的所述光圈孔径。

步骤(b)还包括通过预定介质将透过所述近场光学探针的光传输到所述滤波器。

在此，如果该预定介质有均匀的折射率，该特定模式为贝塞尔高斯模。

如果预定介质是梯度折射率波导，该特定模式为厄米高斯模。

如果预定介质是梯度折射率光纤，该特定模式是拉盖尔高斯模。

如果预定介质是阶跃折射率波导或阶跃折射率光纤，该特定模式为阶跃折射率波导模或阶跃折射率光纤模。

步骤(b)还可包括通过带有中心空腔的掩模将透过近场光学探针的光传输到滤波器。在此，该特定模式是掩模模式。

步骤(d)可以包括获得第二光强值，其取自透过所述滤波器的光的模数为2的波长的光的第二远场光强分布。

步骤(e)可包括：(e-1)根据特定介质相应于特定模式获得模解；(e-2)计算相应于模解的耦合常数以及获得相对于耦合常数的光学探针光圈孔径的关系方程式；和(e-3)用在步骤(c)把所测得的第一光强值与在步骤(d)所测得的第二光强值的比值代入关系方程式，推导出近场光学探针的光圈孔径。

在步骤(e-1)中，如果特定介质是梯度折射率波导，该特定模式为厄米高斯模。

在步骤(e-2)中，得到相应于模解耦合常数的近场光学探针光圈孔径方程式。

在步骤(e-3)中，如果在步骤(d)中测得的第二光强值对应于模数为2的波长，从预定的方程式中就能推导出近场光学探针光圈孔径。

当利用具有比光波长还小的光圈孔径的光学探针储存光学信息时，或者利用带有光学探针的显微镜观察样件时，必须要准确地知道光学探针光圈孔径以便于复制所写的信息或在样件表面上复制准确的图像。

在本发明中，与测量近场光学探针光圈孔径的传统方法相比能够容易地测量光圈孔径，该传统方法例如SEM方法或分离的测量装置方法。还有，由于是在不损坏近场光学探针情况下就能测量光圈孔径，所以可以选择相同的光学探针。另外，本发明装置的结构比传统的装置要简单以及减少了测量成本。还有，可以测量λ/6或更小的光圈孔径，在这种情况下通过传统方法测量是困难的。

附图的简要说明

通过带参考附图的优选实施例的详细描述将进一步表明本发明的目的和优点。

图1是测量光学探针光圈的传统装置剖面图；

图2是按照如图1所示在传统装置中各角度所测量的光强分布曲线图；

图3是按照如图1所示在传统装置中光学探针光圈孔径的FWHM曲线图；

图4是本发明第一实施例的示意剖面图；

图5是本发明第二实施例的示意剖面图；

图6是本发明第三实施例的示意剖面图；

图7是按照本发明第三实施例测量光圈孔径装置的结构视图；

图8是按照本发明第一实施例在不同模式滤波器中相对于光圈孔径的光模强度曲线图；

图9是按照本发明第二实施例相对于各模数的模常数曲线图；

图10是按照本发明第二实施例相对于光圈孔径比值的光模强度曲线图；

图11是按照本发明第二实施例相对于光圈孔径比值的光模强度曲线图；

图12是按照本发明第二实施例相对于光圈孔径的光模强度曲线图；

图13是按照本发明第二实施例相对于光圈孔径的光模强度曲线图；

图14是按照本发明第三实施例相对于光圈孔径的光模强度曲线图；

图15是按照本发明第三实施例相对于从光学探针各距离的不同输入光强的输出光强曲线图；

图16是用SEM重新测量的光圈孔径光学探针的视图，该光学探针利用按照本发明第三实施例光圈测量装置对光圈孔径分别进行了测量；

图17是相对于光圈孔径的光强相对比值曲线图；和

图18是利用本发明的装置，相对于从光学探针到窗口的距离，对应于不同输入光强的输出光强曲线图。

具体实施方式

下文将利用参照附图说明按照本发明测量近场光学探针光圈孔径装置的实施例。

图4是本发明测量近场光学探针光圈孔径装置第一实施例的示意剖面图。参照图4，该装置包括光源31、光学探测器37和空间模滤波器(SMF)35a。该光源31向光学探针33发射光。光学探测器37位于光学探针33之前，接收从光学探针33透过的光以便探测光强。该SMF35a配备在光源31与光学探测器37之间，从透过近场光学探针33的光中仅透过特定模式的波长的光。在此，还配备了位于光源31与SMF35a之间的具有均匀折射率的均匀介质。

光源31是激光二极管(LD)，如果光学探针光圈孔径在50-100nm范围之内，就利用约630nm波长的激光作为光源。

光学探针33是锥形光纤，尖部带锥度并且其包覆层镀铝。近场光学探针33的光圈孔径必须比发射光源31发射的光波长要小。这是为了克服由于光波长所产生的衍射极限。就是说，如果光点比光波长小，那么由于由光波长引起的衍射极限就不可能探测该光点。因此，为了探测比光波长小的光点，光就必须从比光波长小的光圈孔径的光学探针发射。

光学探针33用于许多领域如近场光学显微镜、激光、光学信息存储、光陷俘及其它。尤其是，当光学探针33用于光学拾取技术以进行光学存储时，通过获得具有很小尺寸的光点，就有可能制造比光学探针33的信息记录密度高很多的光学记录介质。

光学探测器37是普通的光电探测器(PD)。然而，根据放置于光学探针33与SMF35a之间的介质的类型，要使用不同的光学探测器。例如，在按照本发明第一实施例测量光学探针光圈孔径的装置中，在光学探针33与SMF35a之间存在的是自由空间。但是，由于自由空间的光传输效率比光导或光纤要低，所以就需要配备较好性能的光学探测器。

根据放置于光学探针33与SMF35a之间介质的种类，该SMF35a起到只透过特定模式波长的光的作用。

在按照本发明第一实施例的装置，当自由空间或均匀折射率的介质放置于光学探针33与SMF35a之间时，该SMF35a只透过具有贝塞尔高斯模波长的光。

一般地，通过方程式1给出了透过介质光的传输方程。在此，介质是均匀介质或具有逐渐改变折射率的非均匀介质。 ${(\mathrm{\Δ}}^2+k^2)\mathrm{\Ψ}(\stackrel{\→}{r},z)=0\·\·\·\left(1\right)$

方程2是亥姆霍兹方程，该方程是用于在由有镀层或无镀层的光学探针形成的起始面z＝0处比光波波长小的光点，即亚波长尺寸的光点。

在此，从光学探针发射的光通过具有众所周知特性的介质传播，例如，非均匀折射率、阶跃折射率波导、阶跃折射率光纤，梯度折射率波导或梯度折射率光纤。所以，可获得波方程1的准确解。 $E(r,0)=\underset{m=0}{\mathrm{\Σ}}{c}_m{\mathrm{\Ψ}}_m\left(r\right)...\left(2\right)$

其中c_m是模常数而ψ_m是模解。电场在介质中的Z向传播。则通过方程式3给出传播方程。 $E(r,z)=\underset{m=0}{\mathrm{\Σ}}{c}_m{\mathrm{\Ψ}}_m\left(r\right)\exp \left(\mathrm{i\βz}\right)...\left(3\right)$

在自由空间的情况下，贝塞尔高斯模的波长模解通过SMF35a获得，方程式4为： $E(r,\mathrm{\Φ},z)=\underset{m=-n}{\overset{B}{\mathrm{\Σ}}}{c}_m{J}_m\left({\mathrm{\γ}}_{m0}\frac{r}{R}\right)\exp (-\mathrm{im\Φ})\exp \left(\mathrm{i\βz}\right)...\left(4\right)$ 此处的J_m是贝塞尔函数。在此的模数c_m由方程式5给出。 $C_m=A_m\∫\∫E(r,\mathrm{\Φ},0)J_m\left({\mathrm{\γ}}_{m0}\frac{r}{R}\right)\exp \left(\mathrm{im\Φ}\right)\mathrm{rdrd\Φ}...\left(5\right)$

此处的γ_m0是J_m(x)＝0的根和R是在自由空间SMF的半径。

光学探针光圈孔径的预定关系方程是从方程式5的耦合常数c_m与探测器所探测的光强值的关系中推导出来，而得到光学探针33的光圈孔径。

图8是在具有折射率n为1的自由空间或具有折射率n为2的介质中相对于光圈孔径w_a的光模强度q的曲线。所用光波长λ是650nm。此处滤波器的半径R是5m。

从图8中可看出，如果光圈孔径w_a是0，则相对模强度q为1。光模强度q随着光圈尺寸的增加而减少。在具有折射率n为1的自由空间中光圈孔径的值在0-0.7m之间，以及在具有折射率n为2的介质中光圈孔径的值在0-0.5m之间。换句话说，该模强度q的斜率随着折射率n增加。

图9是在不同模强度比值下相对于光圈孔径w_a的光模强度q的曲线。在此，折射率n是1和滤波器半径R是5m。图9的曲线形状比图8的曲线形状小。常数比值c₅/c₁的模强度q斜率比常数比值c₂/c₁的模强度q斜率大。灵敏度随着斜率的增加而增加。

图5是按照本发明第二实施例的测量光学探针光圈孔径装置的示意剖面图。参照图5，该装置包括光源31、光学探测器37、滤波器35b和光波导39。该光源31向光学探针33发射光。光学探测器37位于光学探针33之前，接收从光学探针33透过的光以便探测光强。该滤波器35b备于光源31与光探测器37之间，只让在特定模式中透过近场光学探针33波长的光通过。光波导39被放置在光学探针33与滤波器35b之间用以传输光。

在此，在结构和功能上来看，光源31和光探测器37与第一实施例所描述的相同，所以在此描述被忽略。

按照本发明第二实施例的光波导39可以是梯度折射率波导、梯度折射率光纤、阶跃折射率波导或阶跃折射率光纤。

梯度折射率波导的折射率n满足方程式6。 $n^2\left(x\right)=n_0^2-{\mathrm{\ω}}^2{x}^2...\left(6\right)$

其中，n₀是梯度折射率波导光轴的折射率和ω是相对于单位距离的折射率。

如果按照本发明第二实施例光波导39是梯度折射率波导，滤波器37只通过厄米高斯模的波长。在此，厄米高斯模的解由方程式7给出。 ${\mathrm{\Ψ}}_m\left(x\right)={[m!2^m{\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)}^{1/2}{w}_0]}^{-1/2}\exp (-\frac{x^2}{w_0^2})H_m\left(\frac{\sqrt{2x}}{w_0}\right)...\left(7\right)$

对于具有高斯强度分布的光点来说，与模解相关的耦合常数c_m由方程式8得出。c_m＝∫E(x，y)ψ_m(x)dx

                            …(8) $c_{2n}=\frac{{(-1)}^n\sqrt{\left(2n\right)!}}{2^{n}n!}\sqrt{\frac{{2w}_a{w}_0}{w_a^2+w_0^2}}[\frac{w_0^2-w_a^2}{w_a^2+w_a^2}{]}^n,n=\mathrm{0,1,2,3},\·\·\·..$ 第一与第二阶系数c₀和c₂由方程式9给出。 $\left|c_0\right|=\sqrt{\frac{{2w}_a{w}_0}{w_a^2+w_0^2}},\left|c_2\right|=\sqrt{\frac{{2w}_a{w}_0}{w_a^2+w_0^2}}\left(\frac{w_0^2-w_a^2}{w_a^2+w_a^2}\right)...\left(9\right)$ 模强度比值q根据方程式10从c₀和c₂得出。 $q=\frac{\left|c_2\right|}{\left|c_0\right|}=\sqrt{\frac{I_2}{I_0}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\left(\frac{w_0^2-w_a^2}{w_0^2+w_a^2}\right)...\left(10\right)$ 光学探针33的光圈孔径w_a通过解如下方程10得出。 $w_a=w_0\sqrt{\frac{1-\sqrt{2}q}{1+\sqrt{2}q}}...\left(11\right)$

图10是表示作为模数n的函数的模常数c_2n的曲线。从图10可看出，当模数n小于10时，模常数c_2n明显增加。所以对于第一阶系数c₀，当模数n大于10时，获得不明显的模强度q。

图11是表示光模强度q的比值c₂/c₀作为光圈孔径比值w_a/w₀的函数。同样的，如果w_a是0、则q为0.7以及如果w_a变为w₀，则q变为0，因为q随着w_a减少逐渐接近w₀。

如果按照本发明第二实施例光波导39是梯度折射率光纤，则滤波器37只透过拉盖尔高斯模的波长。

在此，梯度折射率光纤是光纤芯区的折射率对于在剖面上从中心向外的距离起到平滑作用。梯度折射率光纤的折射率n也是由方程式6给出。

拉盖尔高斯模的模解由方程式12给出。 $\mathrm{\Ψ}(r,\mathrm{\Φ})={\left(\frac{r}{w_0}\right)}^{m/2}{L}_p^m\left(2\frac{r^2}{w_0^2}\right)\exp (-\frac{r^2}{w_0^2})\exp \left(\mathrm{im\Φ}\right)...\left(12\right)$ 方程式12中的第一和第二模常数c₀和c₂由如下方程式13给出。 $c_0=\frac{{2w}_a{w}_0}{w_0^2+w_a^2}...\left(13\right)$ $c_2=\frac{{2w}_a{w}_0}{w_0^2+w_a^2}\frac{w_0^2-w_a^2}{w_0^2+w_a^2}$ 第一和第二阶常数c₀和c₂的光模强度比值q由方程式14给出。 $q=\frac{\left|c_2\right|}{\left|c_0\right|}=\frac{w_0^2-w_a^2}{w_0^2+w_a^2}...\left(14\right)$ 光学探针光圈孔径w_a通过解方程14得到表示。 $w_a=w_0\sqrt{\frac{1-q}{1+q}}...\left(15\right)$ 图12是模强度比值q(＝c₂/c₀)作为相对于光圈孔径比值w_a/w₀函数的曲线。

如果光波导39是阶跃折射率波导或阶跃折射率光纤，滤波器37只透过阶跃模波长。

在此，阶跃折射率波导是平面光波导，其中折射率是以阶跃形式变化的。阶跃折射率光纤是光学纤维，其中芯区和包层的折射率各自是均匀的，包层的折射率要比芯区的折射率高。

阶跃模的模解能从方程式16中得到。

E_m(x，z)＝AcosK₁xexp(-iβ_mz)，m＝0，2，….

E_m(x，z)＝AsinK₁xexp(-iβ_mz)，m＝1，3，….    …(16)

其中β_m是传播常数，d是波导厚度，n₁是芯区折射率，以及n₂是包层折射率。

在此，水平空间频率K₁通过方程式17给出。 $\frac{k_{1}d}{2}=\arctan \frac{{\mathrm{\γ}}_2}{k_1}+\frac{\mathrm{m\π}}{2}$ $\frac{{\mathrm{\γ}}_{2}d}{2}=\sqrt{(n_1^2-n_2^2){\left(\frac{k_{1}d}{2}\right)}^2-{\left(\frac{k_{1}d}{2}\right)}^2}...\left(17\right)$

满足方程式16和17的耦合常数c_m由下方程式18给出。 ${\left|c_m\right|}^2\left|\frac{{\∫}_{-d/2}^{d/2}{E}_y\left(x\right)E_{\mathrm{my}}\left(x\right)\mathrm{dx}}{{\∫}_{-d/2}^{d/2}{E}_{\mathrm{my}}^2\left(x\right)\mathrm{dx}}\right|...\left(18\right)$

图13和14是表示对于不同波导厚度的相对于阶跃模光圈孔径w_a的模强度曲线。在图13中波导厚度是3m，以及在图14中波导厚度是5m。当包层折射率n₂是均匀的并且设定为1.5，芯区的折射率n₁分别是1.6和2.0。可看出当芯区的折射率n₁是2.0时的斜率要稍大于当芯区的折射率n₁是1.6时斜率。

一种测量近场光学探针光圈尺寸的方法，该方法是利用仅透射特定模式波长的光的滤波器，并利用按照本发明第一或第二实施例的装置测量光学探针光圈，该方法包括以下步骤：(a)向光学探针辐射预定波长的光；(b)利用滤波器从所述近场光学探针所发射光中透射特定模式的波长；(c)探测第一光强值，其取自透过所述滤波器的光的模数为0的波长的光的第一远场光强分布；(d)探测第二光强值，其取自透过所述滤波器的光的模数不为0的波长的光的第二远场光强分布；和(e)把所述第一和所述第二光强值的比值代入预定的相对于所述近场光学探针光圈孔径的方程式中，以得到所述近场光学探针的所述光圈孔径。

步骤(e)包括：(e-1)根据特定介质相应于特定模式获得模解；(e-2)计算相应于模解的耦合常数以及获得相对于耦合常数的光学探针光圈孔径的关系方程式；和(e-3)用在步骤(c)把所测得的第一光强值与在步骤(d)所测得的第二光强值的比值代入关系方程式，推导出近场光学探针的光圈孔径。

图6是按照本发明第三实施例的测量光学探针光圈装置的示意剖面图。在利用本发明第一和第二实施例装置测量光圈孔径的方法中，得到相对于光圈孔径的模强度。然而，在按照第三实施例的装置中测量光圈孔径的方法由相对于光圈孔径的光轴光强比值的减少来确定光圈孔径。

参照图6按照本发明第三实施例的装置包括光源31、光学探测器37和滤波器35c。该光源31向光学探针33发射光。光学探测器37位于光学探针33之前，接收从光学探针33透过的光以便探测光强。该滤波器35c放置于光源31与光学探测器37之间，从透过近场光学探针33的光中仅透射特定模式的波长的光。滤波器35c在透过光的一部分的中心有一空腔。

在此，光源31和光探测器37在结构和功能上与第一实施例所描述的相同，所以省略该部分描述。

按照本发明第三实施例装置测量光学孔径的方法包括如下步骤：(a)向光学探针发射预定波长的光；(b)探测透过掩模光的第一远场光强分布的第一光强值；(c)探测透过掩模光的第二远场光强分布的第二光强值；和(d)把第一与第二光强值代入对于光强和光学探针孔径的预定关系式中，从而得到光学探针的光圈直径。在此，滤波器35c在中心有约6m的s大小的空腔。

图7是按照本发明第三实施例测量光圈孔径装置的结构图。参照图7，发自光源31的光通过透镜32、耦合器34、和光纤36透过光学探针33。透过光学探针33并对应于掩模模式的光的特定波长是通过具有空腔滤波器35c发射以及传输到光学探测器以被探测。在此，附图标记38是一个台子，光学探针33、滤波器35c和光学探测器37安装在该台子上。

图15表示了从实验得到的光强比值结果，该实验的条件为：没有配备滤波器35c和输出光强为21.3mW，安装有作为光源31的具有650nm波长的二极管激光器，应用95mA的电流，以及滤波器空腔是1.20nm×1.01nm的矩形。从图15可看出，在这种情况下当光学探针33与滤波器35c之间的距离z为5mm和20mm时，光强比值I相对于光学探针光圈孔径w_a分别进行了曲线绘制，当光强比值I为13时光圈孔径w_a＝1.66m。

图16表示了利用按照本发明第三实施例装置测量光学探针光圈孔径，以及利用SEM进行了再次测量。在图16中所示的光圈孔径是1.62m，几乎等于利用本发明第三实施例装置测量的光学探针孔径。该实验证实了按照本发明实施例的装置能精确测量光圈孔径。

图17是表示了当光强I₁和I₂被方程式19定义时，相对于光圈孔径w_a的相对光强比值(γ＝I₂/I₁)曲线。在此，窗口的空腔尺寸是16m以及从光学探针光圈到窗口的距离z为300m。 $I_1={\∫\∫\left|E(x,y,z_1)\right|}^2\mathrm{dxdy}...\left(19\right)$ $I_2=\∫\∫{\left|E(x,y,z_2)\right|}^2\mathrm{dxdy}$

参照图17可看出从光圈孔径w_a为0和光强  约为15的点开始，光强比值γ随着光圈孔径w_a的增加而减少。例如，可看出如果相对光强γ为7，光学探针光圈孔径w_a约为0.27m。

图18表示了利用本发明装置的输出光强I_out的曲线，该曲线表明了在不同的输入光强情况下相对于从光学探针到窗口距离z的输出光强I_out的关系。在这种情况下，窗口空腔是9mm×9mm。可看出输入光强越大输出光强也越大。在此，g1表示最大的光强，以及g2、g3和g4表示减少的输入光强。还有，从g1、g2、g3和g4可看出随着距离z的增加输出光强减少，而与输入光强无关。

以上所描述的实施例必须解释为本发明的优选实施例的例子，而不是对本发明的限定。例如，在本技术中的一般技巧可以在光学探针与光学探测器之间配备为预先确定的光学装置，以及按照本发明的技术构思的滤波器。因此，本发明的范围必须由所附的权利要求和其相同的内容限定，而不是本发明实施例所描述的内容。

如上所述，在测量光学探针的装置和方法中，该装置能够简单地制造以及可以对光学探针无损伤地精确测量光学探针光圈孔径。

Claims (25)

1、一种测量近场光学探针光圈的装置，所述装置包括：

光源，用于向所述近场光学探针发射光；

光学探测器，其放置于所述近场光学探针之前，所述光学探测器接收由所述近场光学探针透过的光用以探测光强；和

滤波器，其配备于所述光源与所述光学探测器之间，所述滤波器从透过近场光学探针的光中仅透过特定模式的波长的光。

2、根据权利要求1所述的装置，其中所述特定模式是贝塞尔高斯模。

3、根据权利要求1或2所述装置，还包括放置于所述近场光学探针与所述滤波器之间并且具有均匀折射率的介质。

4、一种测量近场光学探针光圈的装置，所述装置包括：

光源，用于向所述近场光学探针发射光；

光学探测器，其放置于所述近场光学探针之前，所述光学探测器接收由所述近场光学探针透过的光用以探测光强；

滤波器，其配备于所述光源与所述光学探测器之间，所述滤波器从透过该近场光学探针的光中仅透射具有特定模式波长的光；和

光波导，其放置于所述近场光学探针与所述滤波器之间，所述光波导用于传输光。

5、根据权利要求4所述的装置，其中所述光波导是梯度折射率波导。

6、根据权利要求5所述的装置，其中所述特定模式是厄米高斯模。

7、根据权利要求4所述的装置，其中所述光波导是梯度折射率光纤。

8、根据权利要求7所述的装置，其中所述特定模式是拉盖尔高斯模。

9、根据权利要求4所述的装置，其中所述光波导是阶跃折射率波导和阶跃折射率光纤之一。

10、根据权利要求9所述的装置，其中所述特定模式是阶跃折射率波导模式和阶跃折射率光纤模式之一。

11、一种测量近场光学探针光圈的装置，所述装置包括：

光源，其向所述近场光学探针发射光；

光学探测器，其放置于所述近场光学探针之前，所述光学探测器接收由所述近场光学探针透过的光用以探测光强；

滤波器，其配备于所述光源与所述光学探测器之间，所述滤波器从透过近场光学探针的光中只透射特定模式波长的光；和

掩模，其放置于光源与滤波器之间并且在中心有使光通过的空腔。

12、根据权利要求11所述的装置，其中所述特定模式是掩模模式。

13、一种利用用于透射特定模式的光的滤波器测量近场光学探针光圈的方法，所述方法包括：

(a)向光学探针辐射预定波长的光；

(b)利用滤波器从所述近场光学探针所发射光中透射特定模式的波长；

(c)探测第一光强值，其取自透过所述滤波器的光的模数为0的波长的光的第一远场光强分布；

(d)探测第二光强值，其取自透过所述滤波器的光的模数不为0的波长的光的第二远场光强分布；和

(e)把所述第一和所述第二光强值的比值代入预定的相对于所述近场光学探针光圈孔径的方程式中，以得到所述近场光学探针的所述光圈孔径。

14、根据权利要求13所述的方法，其中步骤(b)还包括通过预定介质将透过所述近场光学探针的光传输到所述滤波器。

15、根据权利要求14所述的方法，其中所述预定介质具有均匀的折射率。

16、根据权利要求13或15所述的装置，其中所述特定模式是贝塞尔高斯模。

17、根据权利要求14所述的方法，其中所述预定介质是梯度折射率波导。

18、根据权利要求17所述的方法，其中所述特定模式是厄米高斯模。

19、根据权利要求14所述的方法，其中所述预定介质是梯度折射率光纤。

20、根据权利要求19所述的方法，其中所述特定模式是拉盖尔高斯模。

21、根据权利要求14所述的方法，其中所述特定介质是阶跃折射率波导和阶跃折射率光纤之一。

22、根据权利要求21所述的方法，其中所述特定模式是阶跃折射率波导模和阶跃折射率光纤模之一。

23、根据权利要求13所述的方法，其中步骤(d)包括获得第二光强值，其取自透过所述滤波器的光的模数为2的波长的光的第二远场光强分布。

24、根据权利要求13所述的方法，其中步骤(e)包括：

(e-1)根据特定介质相应于特定模式获得模解；

(e-2)计算相应于模解的耦合常数以及获得相对于耦合常数的光学探针光圈孔径的关系方程式；和

(e-3)用在步骤(c)把所测得的第一光强值与在步骤(d)所测得的第二光强值的比值代入关系方程式，推导出近场光学探针的光圈孔径。

25、一种利用带有空腔的掩模测量近场光学探针光圈的方法，所述方法包括：

向近场光学探针辐射具有预定波长的光；

探测通过掩模透过光的第一远场光强分布的第一光强值；

探测通过掩模透过光的第二远场光强分布的第二光强值；和

把第一和第二光强值代入预定的光强和近场光学探针光圈孔径的方程式中以得到近场光学探针光圈孔径。

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