CN1816760A - 光衍射元件 - Google Patents

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Abstract

一种光衍射元件(1)，包括衍射层(4)，它被分成与中间窄条(8)交替的衍射窄条(6)，衍射窄条包含沿一个方向对准且吸收沿此方向线性偏振的辐射(b)的纳米元件(10)。衍射元件可以是直线或二维的光栅(1)或是菲涅耳透镜(160)。偏振敏感的光栅能够被用于光学系统中，其中只有特定偏振方向的辐射应该被衍射，或用于光记录载体中，以便允许读出具有高空间频率的信息结构。

Description

光衍射元件
本发明涉及到光衍射元件，它包含衍射层，该衍射层被分成与各个中间窄条交替的多个衍射窄条。
本发明还涉及到制作这种衍射元件的方法、配备有这种元件的光学记录载体读出装置、以及配备有这种元件的光学记录载体。
众所周知的衍射元件是一种衍射光栅，其中衍射窄条是光栅窄条。衍射光栅被广泛地用于光学领域作为独立元件或与其它光学部件集成。衍射光栅窄条将入射光束分裂成非偏转的零阶子光束、一对偏转的一阶子光束、以及以多对更高衍射阶偏转的子光束。存在着二种主要类型的衍射光栅：幅度光栅和相位光栅，二者都可以是反射性的或透射性的。幅度光栅包含吸收入射辐射的光栅窄条，而中间窄条透射或反射入射辐射。因为光栅窄条具有折射系数或位于中间窄条之外的层面上，故相位光栅在入射于光栅窄条上的光束部分与入射于中间窄条上的光束部分之间引入相位差即光程差。
考虑到例如在小型化光学装置或在光记录技术中的新的应用，一直存在着对光栅周期更小的衍射光栅的需求。光栅周期即光栅间距被认为是光栅窄条的宽度与中间窄条的宽度之和。用诸如电子束写入和光刻技术之类的常规技术来制造微米范围的小间距光栅，是非常昂贵的，致使这种光栅是很费钱的元件。
本发明的目的是提供一种诸如光栅的新型的衍射元件，此元件显示出高的对比(contrast)，能够以简易而价廉的方法加以制造，因而是一种价廉的部件。此衍射元件的特征在于，衍射窄条包含埋置在衍射层中的纳米元件管，它们都具有基本上沿一个方向对准的对称轴。
基本上沿一个方向对准被认为意味着所有元件的对称轴原则上具有相同的所述一个方向，但可能从这一方向有小的偏离而不影响光栅行为。在直线衍射光栅的情况下，所述方向平行或垂直于光栅窄条的方向。衍射元件也可以是二维光栅，它具有沿第一(X)方向延伸的第一组光栅窄条和沿垂直于第一方向的第二(Y)方向延伸的第二组光栅窄条。直线或二维光栅的光栅窄条也可以沿与X和Y方向交叉的一个方向或多个方向延伸。衍射窄条还可以是环形窄条，且包含这种窄条的衍射元件可以构成衍射透镜，例如菲涅耳区透镜。
纳米元件是纳米管和纳米线的统称它们也称为须状物或小棱镜。纳米元件是非常小的物体，它们具有或大或小的、具有非常小的尺度(例如直径在纳米范围内)的中空管(纳米管)或填充(纳米线)的柱形或棱柱形。这些物体具有对称轴，其取向决定了诸如将它们埋置于其中的材料的吸收特性之类的电学和光学性质。以下当涉及它们的取向时，指的是其中心圆柱轴或棱柱轴的取向。
已经描述了各种材料的纳米元件，例如：
磷化铟(InP)(X Duan et al.，Nature 409(2001)，66：J.Wang等，Science 293(2001)，11455-1457；
氧化锌(ZnO)(M.Huang等，Science 292(2001)，1897-1899；
砷化镓(GaAs)和磷化镓(GaP)(K.Haraguchi等，Appl.Phys.Lett.60(1992)，745：X.Duan等，Nature 409(201)，66；
碳化硅(SiC)(S.Motojima et l.，J.Crystal Growth 158(1996)，78-83；
硅(Si)(B.Li等，Phsical Review B 59，3(1999)，1645)；
氮化硼(BN)(W.Han等，Applied Physics Letters 73，21(1998)3085)；
二氯化镍(NiCl2)(Y.Rosenfeld Haconen等，Nature 395(1998)336；
二硫化钼(MoS2)(M.Remskar等，Surface Reviews and letters，vol.5 no.1(1998)423；
二硫化钨(WS2)(R.Tenne等，Nature 360(1992)444，以及
碳(C)(Iijima，S.，Nature 354(1991)，56-58，Ebbesen T.W.and Ajayan P.M.Nature 358(1992)，220)。
已经对碳纳米管进行了特别深入的研究。它们是基本上由石墨(sp-2)结构的碳所组成的单层或多层柱形碳结构。已经由实验证实了金属和半导体纳米管的存在。而且，新近已经发现，沿ALPO4-5单晶的沟道对准的厚度为例如4埃的单壁碳纳米管呈现光学各向异性。碳纳米管对波长为1.5微米直至200nm的辐射几乎是透明的，且具有垂直于管轴的偏振方向。它们对波长为600nm直至200nm的辐射显示出强吸收，并具有平行于管轴的偏振方向(Li Z.M.et al.，Phys.Rev.Lett.87(2001)，1277401-1-127401-4)。
对于由碳组成的纳米管之外的纳米管(或纳米线)已经发现了相似的性质。因此，纳米管最合适地组合了下列特点。它们根据纳米管相对于所述辐射偏振方向的取向而吸收广阔波长范围内的辐射，并能够用电场和/或机械方式来指引/稳定纳米管的取向。
直线型窄条的一种结构对于其极化方向平行于对准方向的线性极化辐射起到一个幅值光栅的作用，因为中间窄条对于这种辐射是透明的，这种直线型窄条结构含有其对称轴全都是对准了的即具有同一方向的纳米元件，而且这些窄条与中间窄条交替排列。
在论文”Spinning continuous carbon nanotube yarns”，Nature，Vol.419，24-1-2002，p.801中，描述了如何借助于简单地从这种管的超对准阵列中拉伸而自行集合到长度直至30cm的线，指出了可以借助于平行排列CNT线来构成CNT偏振片。此论文从而公开了碳纳米管具体结构的偏振性质，但没有公开具有由这种纳米管形成的光栅的衍射光栅。
论文”Surface sustained permanent gratings in nematicliquid crystals doped with carbon nanotubes”，Optics Expressvol.10，no.11，2002，p.482-487描述了一种包含碳纳米管的光栅。但此光栅是折射率光栅即相位光栅。它包含掺有多壁碳纳米管的向列相液晶层。光栅是以全息方式(亦即利用二个干涉束)在此层中形成的。这些光束引起掺杂材料在LC层与对准层之间的界面处的周期性重新分布。辐射吸收纳米管用作辐射诱发的表面电荷的陷阱，引起LC本体中易磁化轴的辐射诱发的调制，并通过液晶材料的连续效应而保持永久的光栅。论文中指出，可能有偏振依赖性，但这被联系到LC的重新取向，不能归因于碳纳米管。此光栅原则上是一种LC光栅，其中，纳米管是辅助装置，因而与根据本发明的光栅是不同类型的，在本发明中只有对准了的纳米元件提供光栅作用。
纳米元件管在一个维度上是非常小的；例如，碳纳米管可以具有0.3nm直至大约100nm的宽度。这些元件因而能够被封装成高密度，且其尺寸不是光栅窄条宽度以及衍射光栅间距的主要限制因素。
由于不同类型的纳米元件管显示出相似的吸收性质，故根据一种衍射元件仅仅包含一种纳米元件管的认识，根据本发明的衍射元件可以包含不同类型的纳米元件管。
衍射元件的第一实施方案的特征在于纳米元件管是纳米线。
衍射元件的第二个也是优选的实施方案的特征在于纳米元件管是纳米管。
纳米管，特别是碳纳米管，在相对于管方向，亦即相对于各向异性轴的垂直偏振辐射与平行偏振辐射之间提供了非常大的对比。例如，对于波长为405nm的入射辐射，能够得到4-8OD的吸收对比(以光学密度OD来表示)。而且，用透明层中的低浓度纳米管，就已经能够得到有用的衍射元件。
此外，纳米管本身是价廉、重量轻、以及容易制造和循环使用的。借助于在透明媒质中包括纳米管以得到衍射元件，这些优点被转移到这种媒质和衍射元件。
纳米管还非常稳定，在衍射元件的日常条件下不容易衰变或消旋。因而一旦制成，纳米管的图形就非常稳定而不容易衰变。
衍射元件的另一优选实施方案的特征在于纳米管是碳纳米管，特别是单壁碳纳米管。
单壁纳米管，特别是单壁碳纳米管显示出特别明显的各向异性，增强了本发明衍射元件固有的优点。
衍射元件可以是透射元件或反射元件。对于透射元件，不仅衍射层而且承载衍射层的基片都是透明的。借助于用反射层覆盖透明的衍射层，亦即借助于将反射层安排在衍射层与可能透明或可能不透明的基片之间，能够得到反射性衍射元件。也可以由其零件是由衍射元件形成的光学装置的其它光学元件来形成基片。
衍射元件的特别优选的实施方案的特征在于衍射层在低于30℃的温度下基本上是固体。
这种衍射元件显示出纳米元件增强了的取向稳定性。这些元件因而被有效地冻结，从而防止了其取向的偶然改变。为了得到所述固态性质，在低于30℃的温度下基本上是固态的透明材料可以被用作衍射层。借助于将纳米管置于固体表面的顶上，并利用范德瓦尔斯力或用胶将纳米管固定到固体表面，也可以得到此固态性质。在本发明的范围内，若此层的粘滞度在30℃或以下处于至少10Pa(100泊)，更优选是20Pa，更加优选是高于50Pa，则衍射层被认为基本上是固态的。在低于10Pa的粘滞度下，光栅层可以被认为是基本上液化的。衍射层优选直至80℃的温度下，更优选是直至100℃的温度下基本上是固态的。这增强了纳米管在衍射元件的正常使用条件下的取向稳定性。
衍射元件的优选特征在于衍射层的材料在低于纳米元件管遭毁坏的温度的温度下是可液化的。
若衍射层是固态的，则借助于降低层的粘滞度，衍射层能够被液化。因此，没有必要液化或改变衍射层中纳米管的结构整体性。通常，纳米管能够承受100℃的温度；例如，碳纳米管在800-1000℃下被破坏。液化使液化的衍射层纳米管能够重新定向。
衍射元件的另一特征可以在于衍射层的材料选自熔化或玻璃化温度低于800℃的玻璃、丙烯酸热塑塑料、以及石蜡。
这种透明材料使得有可能实现在低于30℃的温度下基本上固态的衍射层。还使得有可能实现在纳米管(特别是碳纳米管)不被明显地破坏的温度下可液化并在这种液化之后能够重新被固化的衍射层。
本发明的主要应用是在本发明的优点被最佳利用的直线的或二维光栅中用作衍射结构。本发明还可以被用于诸如菲涅耳透镜之类的其它衍射元件。
本发明还涉及到制作上述衍射元件的方法。
第一方法的特征在于下列步骤：
印刷窄条图形，这些窄条包含含有纳米元件管的溶液；
利用对准电场或对准磁场，使各个纳米元件管沿所要求的方向对准；以及
在对准场存在的情况下对溶液进行处理，以便沿所述方向固定纳米元件管的取向。
此处理可以包含对溶液进行蒸发，以便纳米元件保留作为被分隔开的元件，或可以包含对溶液进行聚合，亦即对溶液进行固化。对准场可以是磁场或者交流或直流电场；优选是交流电场。
论文”Orientation and purification of carbon nanotubesusing ac electrophoresis”，J.Phys.D；Appl.Phys.31(1998)L34-L36描述了利用电泳如何能够定向纳米管。若施加交流电场，则纳米管将运动到各个电极并被定向，定向程度随电场频率的提高而提高。此论文没有公开基于纳米管的衍射光栅。对于这种光栅的制作，重要的是在纳米管取向的固定过程中保持电场的存在。
制作衍射元件的第二方法的特征在于下列步骤：
用包含纳米元件管的溶液薄膜甩涂基片的表面区；
利用对准电场或对准磁场，使各个纳米元件管沿所要求的方向对准；
在对准场存在的情况下对溶液进行处理，以便沿所述方向固定纳米元件管的取向；以及
烘干该膜的窄条成形区域，从而得到包含对准了的纳米元件管的窄条图形，这些窄条构成了衍射窄条。
烘干可以借助于将溶液经过与光栅图形相对应的透明和不透明窄条的图形暴露在有足够能量的辐射下而实现。或者，烘干可借助于在溶液上用足够强度的辐射束扫描而实现。在二种情况下，包含对准了的纳米元件的窄条图形都保留下来，这些窄条构成了衍射窄条。用来烘干溶液的辐射应该具有能够在反应环境中清除膜窄条的能量。对于碳纳米管，此环境可以是含氧环境。应该防止的是，窄条在烘干之后显示出与中间窄条的高度差为λ/4，因为这样可能得到对偏振不灵敏的相位光栅。若有需要，可以用不包含纳米元件管的膜材料填充中间窄条，以避免形成相位光栅。
制作衍射元件的第三方法的特征在于下列步骤：
用自装配的材料层涂敷基片区；
对层材料进行窄条方式(strip-wise)的修改，以得到使基片表面润湿的窄条图形，并清除其余的层面材料；
在这样得到的图形上甩涂包含纳米元件管的液体，使液体仅仅润湿裸露的基片，以得到包含纳米元件管的液体窄条图形；
利用对准电场或对准磁场，使液体窄条中的纳米元件管沿所要求的方向对准；
在对准场存在的情况下对液体进行处理，以便沿所述方向固定纳米元件管的取向，从而得到包含对准纳米元件管的窄条图形，这些窄条构成了衍射窄条。
用例如电子束对层窄条状态进行扫描或经过具有对应于窄缝光栅图形的透明窄缝图形的掩模将层面暴露在例如紫外辐射下，能够实现对层材料按窄条方式的修改。电子束或辐射破坏了层材料的分子或功能团，导致被照射的窄条中材料的被修正了的润湿性质。也有可能采用微接触印刷工艺。这种工艺的优点在于能够改变局部取向。光栅窄条和中间窄条不一定要是相同的材料，可以由像氮化硅和PMMA(聚甲基异丁烯酸)那样的不同的材料组成。
制作衍射元件的第四方法的特征在于，纳米元件在基片表面上从已经淀积在基片上且包含纳米元件材料的层进行催化生长，并对层的窄条区域进行烘干，从而得到包含对准了的纳米元件的窄条图形，这些窄条构成了衍射窄条。
可以用相同于第二方法所述的方式来实施对窄条的烘干。此层可以是可用化学气相淀积(CVD)或气相液体凝固(VLS)方法淀积在基片上的薄金属层。在加热时，此层被分成许多准液体的小球。球的下侧结晶在基片上，并在存在于层中的催化元素例如碳纳米管情况下是Fe颗粒的影响下粘合到其上。
通常，用来制作纳米元件层的上述工艺本身与其它可以采用的方法一样是已知的。但制作衍射光栅或衍射元件的上述各种方法总体上是新的。
在多种应用或光学装置中，根据本发明的衍射光栅能够取代诸如用光刻技术、用复制技术、或用(全息)干涉束方法制作的光栅之类的常规衍射光栅。此新的衍射光栅可以被用于例如光束分裂和光束偏转等。由于此衍射光栅是对偏振灵敏的，故非常适用于第一光束应该有影响而第二光束应该无影响的情况。这些光束应该具有相互垂直的偏振方向，其中一个方向相当于纳米元件的对准方向。在用来记录和读出光记录载体的装置中就出现这种情况，这种装置是一种兼容装置，亦即能够记录和读取诸如CD、DVD、以及蓝光盘之类的不同格式的光盘。
在光记录亦即提高能够用读出装置满意地读出的信息的结构密度或减小信息细节的尺寸的领域中，也找到了此衍射光栅的有利和创造性应用。共同未决的EP申请03100817.0公开：若具有明显地更高(超级)信息密度的记录载体配备有衍射光栅，则设计用来读出具有给定(常规)信息密度的记录载体的装置能够被用来读出前一记录载体。如以下要解释的那样，若衍射光栅是根据本发明的光栅，则同一装置能够读出具有常规密度的信息以及具有超级密度的信息。以这种方式，本发明也解决了光记录技术中的信息密度问题，因此配备有上述衍射光栅的记录载体也构成了本发明的一部分。
本发明还涉及到一种装置，此装置用来读出和记录具有第一信息密度的第一类光信息载体和具有第二信息密度的第二类光信息载体，此装置包括：一个辐射源单元，用来供给与第一类信息载体一起工作的具有第一波长的第一辐射束以及与第二类记录载体一起工作的具有第二波长的第二辐射束；以及一个物镜系统，用来将第一和第二光束分别聚焦在第一和第二类记录载体的信息层上。此装置的特征在于，如上所述的衍射光栅被排列在第一和第二辐射束的公共辐射路径中的辐射源单元与物镜系统之间，并且辐射束之一具有平行于光栅中纳米元件方向的第一偏振方向，而另一辐射束具有垂直于第一偏振方向的偏振方向。
此装置利用新颖衍射光栅的这种性质，即仅对其偏振方向平行于光栅中纳米元件取向的线性偏振辐射束才起光栅的作用，而对具有垂直偏振方向的辐射束则无影响。利用此衍射光栅，这二个辐射束能对记录载体相关联的类型得到优化。
参照以下描述和附图所示的衍射光栅的各个实施方案，从用非限制性举例的方式所解释的，本发明的这些和其它的情况将显而易见。在这些附图中：
图1a和1b分别示出了根据本发明的衍射光栅的第一实施方案的局部俯视图和剖面图；
图2a和2b示出了这种衍射光栅的第二实施方案的俯视图和剖面图；
图3a和3b示出了制作这种衍射光栅的第一方法的各个步骤；
图4a示出了用于第一步骤的掩模；
图4b和4c在俯视图中示出了第二和第三步骤的结果；
图5a-5c示出了制作这种衍射光栅的第二方法的各个步骤；
图6a-6c示出了制作这种衍射光栅的第三方法的各个步骤；
图7示出了用来读出二种类型的光记录载体的装置的实施方案，其中采用了根据本发明的衍射光栅；
图8分别示出了常规信息层中和配备有具有对准了的纳米元件的光栅的信息层中作为归一化空间频率函数的调制转换函数；
图9示出了能够用以读出这种记录载体的读出装置的实施方案；
图10示出了具有对准了的纳米元件的光栅对信息结构衍射的子光束的影响；而
图11示出了配备有根据本发明的衍射结构的菲涅耳透镜。
如图1a和1b所示，衍射光栅包含基片2和衍射层4。衍射层被分成许多与中间窄条8交替的光栅窄条6。光栅窄条包含大量非常小的纳米元件管10，例如圆柱形或棱柱形的填充了的纳米线或者优选是空心纳米管，更优选是碳纳米管。这些元件具有对称轴，其取向决定了光学性质，亦即把它们埋置于其中的材料的吸收性质。碳纳米管具有约为10埃的直径和约为10微米的长度。在图1a和1b的实施方案中，各个纳米管的对称轴沿X方向取向，亦即它们沿X方向对准。结果，光栅窄条将吸收其偏振方向亦即电磁辐射的E矢量方向沿X方向的线性偏振光束b。若基片是透明的，则入射在其中不存在纳米管的中间窄条8上的光束部分，将通过光栅层4和基片。包含纳米管的窄条和没有纳米管的中间窄条的这种结构，因此起到了沿X方向线偏振的辐射的幅度光栅的作用。这些光栅窄条将不吸收沿Y方向偏振的辐射，致使此光栅结构对于这种辐射是“不可见的”，元件1因而对这种辐射构成了透明片。
图2a和2b示出了衍射光栅11的实施方案，其中，光栅窄条16配备有沿Y方向对准的纳米管。这些窄条将吸收沿Y方向线性偏振的辐射，致使此光栅对这类辐射起着幅度光栅的作用。元件11对沿X方向线性偏振的辐射构成了透明片。
图1a和1b以及图2a和2b仅仅示出了少量的光栅窄条和中间窄条。实际上，此数目大得多。光栅的间距即空间周期P例如约为1微米或以下，但若纳米元件是碳纳米管，则大于200nm。图1a和1b或图2a和2b的衍射光栅可以是独立的元件，衍射层则由适当的基片承载。此衍射光栅也可以与其中应该包括衍射光栅的光学装置的其它元件集成。其优点是光学装置能够更紧凑，所需的对准更少，并避免了各独立基片处的错误反射。
衍射光栅也可以是反射性光栅而非透射性光栅。在此情况下，基片是反射性的，或将反射层插在衍射层与基片之间。入射在衍射光栅上的辐射二次通过衍射层，这意味着入射在光栅窄条上的辐射被吸收二次，致使光栅窄条与中间窄条之间的对比被提高。
存在着几种制作新颖衍射元件的方法，以下参照衍射光栅来进行描述。
根据第一方法，利用接触印刷技术，窄条的图形被印刷在基片上。图3a-3c以及图4a-4c示意地示出了此方法。如图3a所示，包含具有窄缝34的片32的网格30被置于基片2上。图4a示出了网格30的俯视图。包含纳米元件例如纳米管的溶液被喷在网格上，致使溶液经由窄缝到达基片。结果，如图3b所示，溶液36的窄条形成在窄缝34位置处的基片上。图4b示出了溶液窄条的俯视图。溶液窄条36中的纳米元件38显示出随机分布的取向。在下一步骤中，如图3c所示，用电极40和42跨越溶液图形施加交流对准电场。论文”Orientation andpurification of carbon nanotubes using ac electrophoresis”，J.Phys.D；Appl.Phys.31(1998)L34-L36所述的电泳工艺用来对准各个纳米元件，亦即，它们都沿着与电场方向相同的方向被对准。图4c示出了具有对准了的纳米元件的溶液图形。也可以采用直流电场来代替交流电场。也有可能用磁场来对准纳米元件。
作为最后一个步骤，纳米元件的取向被固定或“冻结”。根据溶液的类型，可以用不同的方式来实现这一点。例如，可以蒸发溶液，以便只有以范德瓦尔斯力粘合在基片上的纳米元件得以保留。若溶液是液体聚合物，则可以利用溶液的聚合作用来冻结纳米元件。电场被一直维持到所有的纳米元件都已经对准并完成制作。
图5a-5c示出了制作是的第二方法。在第一步骤中，如图5a所示，用包含纳米元件的溶液薄膜涂敷具有待要形成的光栅的尺寸的基片区。在第二步骤中，如图5b中电极40和42所示，利用交流对准电场，整个膜的纳米元件38被电泳对准。同样也可以采用直流对准电场或对准磁场。
若膜是液体聚合物膜，则纳米元件的取向随后被例如聚合作用冻结。然后，例如透过与待要形成的光栅的中间窄条相对应的透明窄缝的图形的掩模，将膜暴露于高密度的辐射下，来清除膜上的窄条。这导致包含图5c所示的对准了的纳米元件的膜窄条图形，这些窄条构成了光栅窄条。
图6a-6c示出了制作衍射光栅的第三方法。如图6a所示，此方法采用涂敷在基片2上的自装配的单(分子)层(SAM)60。SAM和基片的材料是这样选择的，即要使SAM能润湿基片。例如，SAM是疏水性的，而基片是亲水性的。SAM的窄条被暴露于光化学辐射下，亦即腐蚀SAM材料的辐射下。此光化学辐射可以是电子束之类的带电粒子束或透过具有对应于待要制作的光栅的图形的掩模的电磁紫外辐射。由于此照射，窄条中的SAM材料分子或功能团被破坏或改性，致使材料不再润湿基片而能够被清除。从而如图6b所示得到与无SAM窄条64交替的SAM窄条62的图形。例如用甩涂方法，用包含纳米元件38的液体涂敷此图形。此液体是这样选择的使其仅仅润湿亲水性表面亦即仅仅润湿基片表面的SAM窄条64。SAM窄条上的液体同SAM窄条本身一起被清除。利用对准场例如交流电场使液体窄条中的纳米元件得以对准，从而冻结纳米元件的取向。于是得到包含对准的纳米元件的窄条66的结构，这些窄条与空白窄条68交替，其中，各个窄条构成了吸收光栅窄条。
制作衍射元件的第四方法是基于纳米元件在基片表面上的催化生长。首先在表面上淀积包含纳米元件材料的层。然后，层的窄条区域被烘干，从而得到包含对准了的纳米元件的窄条图形，这些窄条构成了衍射窄条。
可以用相同于第二方法所述的方式来实现窄条的烘干。此层可以是可用化学气相淀积(CVD)或气相液体凝固(VLS)方法淀积在基片上的薄金属层。在加热时，此层被分成许多准液体的小球。球的下侧结晶在基片上，并在存在于层中的催化元素(例如在碳纳米管情况下是Fe颗粒)的影响下粘合在其上。
通常，用来制作纳米元件层的上述工艺本身与其它可以采用的方法一样是已知的。但制作衍射光栅或衍射元件的上述各种方法总体上是新的。
在其上形成光栅结构的结构，可以是分立的基片，这样，制作的光栅可以是分立的光栅。基片也可以是其中要包括光栅的装置的光学元件，在此情况下，制作的光栅将与所述元件集成。
此新颖的光栅能够取代常规的幅度或相位光栅，并具有制作容易且价廉的优点以及在光栅窄条与中间窄条之间显示出高对比的优点。此光栅的功能能够最佳地被应用于这样一种光学系统或装置，在此光学系统或装置中，使用了二个沿同一辐射路径的辐射束，而仅仅一个辐射束应该进行衍射，而另一个辐射束则不应该被衍射。借助于将新颖的衍射光栅排列在公共辐射路径内，并利用二个偏振方向相互垂直的辐射束，其中一个辐射束平行于光栅窄条中纳米元件的取向，就能够做到这一点。
这种装置的一个例子是用来读出和记录具有第一信息密度的第一类光信息载体和具有第二信息密度的第二类光信息载体的装置，此装置包含辐射源单元，用来提供与第一类信息载体一起工作的具有第一波长的第一辐射束以及与第二类记录载体一起工作的具有第二波长的第二辐射束；以及物镜系统，分别用来将第一和第二光束聚焦在第一和第二类记录载体的信息层上。
未决的EP专利申请02079098.6(PHNL020985)公开了一种光扫描装置，用来以第一工作模式扫描具有第一HD信息层的第一类记录载体以及用来以第二工作模式扫描具有第二LD信息层的第二类记录载体，此装置包含第一和第二衍射光栅，分别用来将LD扫描束和HD扫描束分裂成主束和二个附属束。
HD代表高密度，高密度记录载体因而是例如一种DVD(数字万能盘)格式的记录载体。HD扫描束是用来记录和/或读出这种记录载体的光束。LD代表低密度，低密度记录载体因而是例如一种CD(紧凑盘)格式的记录载体。LD扫描束是用来记录和/或读出这种记录载体的光束。与LD光束的例如780nm的波长相比，HD光束具有较小的波长，例如650nm，使得同一个物镜系统将把HD光束聚焦成比LD光束更小的扫描光点(spot)。
从EP专利申请02079098.6复制的图7示出了所述记录/读出装置的一个实施方案，也称为组合播放器。此装置的光路包含以双波长二极管激光器封装件形式的辐射源61。双波长二极管激光器封装件是一种组合的半导体模块，它具有以不同波长发射辐射束64和66的二个元件62和63。此模块可以包含具有二个发射元件的单个二极管激光器芯片或安置在一个封装件中的二个二极管激光器芯片。虽然发射元件之间的距离被做得尽可能小，但光束64和66的各个主光线不重合。尽管如此，为了清晰起见，图7还是将HD光束64和LD光束66示为了单个辐射束。由于此装置应该能够记录HD记录载体和LD记录载体，故元件62应该发射大功率的红色(HD)辐射，而元件63应该发射大功率的红外(LD)辐射。
双波长激光器发射的光束64被入射到光束分裂器68，例如以相对于光束的主光线例如为45度的角度而安置的平面透明片上。片68配备有将光束反射到准直透镜74的例如半透明的反射性表面70上。此透镜将发散的光束转换成准直的光束76。此光束通过物镜系统78，将准直光束76改变成会聚光束80，用来扫描记录载体90。如图7所示，物镜系统可以由单个透镜元件组成，或可以包含二个或多个透镜元件。
要用HD光束64扫描的记录载体是第一高密度型的，且包含厚度为例如0.6mm的透明层91和信息层92，会聚光束80被聚焦在信息层92上的扫描光点82上。从信息层92反射的辐射沿光束80和76的光路返回，通过光束分裂器68，并被准直透镜74会聚到辐射敏感的探测系统86上的探测器点84。此系统将光束转换成电探测信号。代表储存在信息层92中的信息的信息信号以及用来沿垂直于信息层92的方向(焦点控制)和沿垂直于跟踪方向的方向(跟踪控制)使焦点82定位的控制信号，能够根据探测器信号推导出来。
用来扫描第二类记录载体96的LD光束沿相同于HD光束64的路径向此记录载体传播，此记录载体包含厚度为例如1.2mm的基片94和低密度信息层95。
记录载体90和96被绘制成单独一个具有半透明信息层92的双层记录载体，但也可以是具有不同厚度的透明层的分开的单层记录载体。
LD光束应该被聚焦在信息层95上的扫描光点88上。物镜系统78被设计成工作于第一模式的第一组共轭值，来自发光元件62的HD光束从而被聚焦在信息层92上。在第二模式中，物镜系统工作于第二组共轭值，来自发光元件63的LD光束从而被聚焦在信息层95上。从信息层95反射的辐射沿LD光束80和76的路径返回，通过光束分裂器68，并被物镜系统会聚成在辐射敏感探测系统86上的探测点85。
在光束分裂器68与探测系统86之间，可以安排光束组合元件100，它使HD光束和LD光束的主光线共轴，使得光点84的位置与光点85的位置重合。这使得有可能对用于各自模式的HD光束和LD光束采用同一个探测系统86。此光束组合元件可以是一种能把HD和LD光束之一衍射而不加衍射地使另一光束通过的波长选择光栅。此光栅优选是闪光的相位光栅。
若扫描装置应该不仅能够读取还能够刻录HD记录载体，则激光器封装件应该包含大功率红色辐射发光元件62而不是小功率元件，且表示为3光点光栅的衍射光栅110应该安置在辐射源单元61与光束分裂器68之间。此光栅包含透明基片111和光栅结构112。目前，这种扫描装置包含安置在光束分裂器68后面的额外的探测器102。此探测器提供正比于来自元件62的HD光束强度的输出信号，并被用来控制记录光束的强度。
光栅112将入射的HD光束分裂成非偏转的零阶的或主要的子光束以及正负一阶的子光束。为了清晰起见，图7仅仅示出了主要光束。主要子光束构成了为记录或读取此轨道而要在信息层中扫描的轨道上的主要扫描光点。一阶子光束构成信息层中的二个附属光点(未示出)，它们相对于主要光点沿相对的方向偏移，斜向轨道方向。附属光点被成像在探测系统86上的另外的探测点(未示出)中，且这些光点的分立探测元件被提供在此系统中。跟踪错误信号(亦即包含有关主要光点82的中心与被扫描的轨道的中心线之间的偏离指示信号，能够从各个分开的探测元件的输出信号推导出来。此跟踪错误信号能够被用于跟踪伺服系统来把主要光点保持在轨道上。跟踪错误信号的产生以及相关跟踪伺服系统本身，在本技术领域中是众所周知的。
若扫描装置应该不仅能够读取还应该能够记录LD型记录载体，则激光器封装件61应该包含大功率红外辐射发光元件63以及LD光束的3光点伺服跟踪系统。第二衍射光栅114也应该被安置在激光器封装件61与光束分裂器68之间。像光栅112对LD光束是透明片而仅仅衍射HD光束那样，此光栅应该仅仅衍射LD光束，而对HD光则是透明片。光栅112和114可以是分开的元件，但优选是被集成在其一侧具有HD三光点光栅而另一侧具有LD三光点衍射光栅的双光栅元件中。光栅112和114集成在一个元件中节省了材料和制作成本以及扫描装置中的空间。而且，减少了辐射路径中的表面数目，因而降低了发生错误反射的危险。
对于应该衍射的和对于不应该衍射而成为不可见的光束，每种光栅结构应该提供一阶衍射辐射能量对零阶辐射能量的给定比率。如EP专利申请02079098.6所述，此光栅应该具有50％的占空比。此占空比应理解为光栅窄条的宽度对间距之比或光栅结构的空间频率。在EP专利申请02079098.6的装置中，二个光束HD和LD中的不同光束的光栅的选择是基于波长的选择。这些光栅是相位光栅，亦即光栅窄条是光栅表面上的沟槽或脊，并借助于使HD光栅的沟槽深度小于LD光栅的沟槽深度来获得此种选择性。
根据本发明，利用其光栅窄条包含对准的纳米元件的衍射光栅来获得所述的选择性，其中，纳米元件在一个光栅中的取向垂直于该纳米元件在另一个光栅中的取向，所述选择性的获得还利用其偏振方向平行于一个光栅的纳米元件取向的线性偏振HD光束和其偏振方向平行于另一个光栅的纳米元件取向的线性偏振LD光束。以这种方式，实现了每个光束被相应的一个光栅所衍射，每个光栅对相关的光束显示出高对比。
在光记录技术中对于一种非常不同的情况，亦即对于用为读出低信息密度的记录载体而设计的光读出装置来读取高信息密度记录载体的情况，也能够非常有利地应用本发明。如上所述，包含一个或多个透镜元件的物镜系统(目前是一个物镜)，将读出的光束聚焦到这种读出装置中的信息层上的读出光点上。信息被编码在记录载体中一系列沿轨道方向与中间区交替的独立信息区中。读出光点的尺寸大于独立信息区的宽度。因此这些区域对入射的读出光束进行衍射，亦即将此光束分裂成不偏转的零阶子光束和若干被偏转的更高阶的子光束。目前的光记录载体具有反射的信息层，且零阶子光束和信息层所反射的二个一阶子光束部分通过物镜。此透镜将此辐射部分聚焦在辐射敏感的探测系统上，致使这些辐射部分彼此干涉。在扫描信息层的过程中，形成在探测系统上的干涉图形在变化，且此系统提供代表被读出信息的电信号。
若要提高光记录载体信息层中的信息密度，则应该减小信息区和中间区的尺寸以及信息轨道之间的距离。要读出尺寸减小了的信息区，就要求读出光点具有相应减小的尺寸；否则无法分别读出各个信息区。这意味着应该提高读出装置的分辨率。常规读出装置的截止频率，亦即常规截止频率，是2NA/λ，其中，NA是物镜的数字光圈值，而λ是读出光束的波长。这意味着具有空间频率最高为2NA/λ的信息结构能够被满意地读出。对于空间频率更高的信息结构，这就不再可能了。提高NA和/或减小λ，能够提高读出装置的分辨率，因而提高仍然能够读出的信息结构的空间频率。物镜的焦深正比于λ/(NA)2的事实设定了提高NA的限度，因为对于大的NA，焦深将变得太小。仅仅当能够得到发射这样小波长的二极管激光器时，才能够实现读出波长足够小的读出装置。
如US-A 4242579所述，在仅仅零阶子光束各部分和只有一部分反射的读出光束的一阶子光束能通过到探测系统的物镜中，并且在采用沿扫描方向具有小尺寸的探测器中，才能够提高分辨率。为此，读出光束和记录载体彼此相对地倾斜，亦即，读出的光束不是垂直地入射在记录载体上。以这种方式，达到了信息区一阶和零阶辐射更高的空间频率仍然通过物镜并在探测系统上干涉，以便提供信息信号。分辨率于是能够提高到例如常规分辨率的二倍。由于读出光束必须通过记录载体的基片，而此基片具有给定的厚度例如1.2mm以提供足够的机械强度和防止尘埃，所以诸如慧形像差和像散之类的大量像差被引入到读出光束中。这将导致信息层中的读出光点大于所需要的并引起交叉串扰。
为了处置这一问题，最近在未决的欧洲专利申请EP 03100817.0中已经提出了采用常规的光读出装置并提供具有衍射光栅的记录载体的信息层，该光栅用来以相对于入射光束的主要光线成锐角方向来引导垂直入射在信息层上的读出光束辐射。向记录载体提供这种衍射光栅使得能够以超高分辨率读出，同时采用垂直入射在记录载体上且垂直通过载体基片的读出光束，以使不出现慧形和像散像差。垂直入射被理解为目前是会聚光束的入射读出光束的主要光线垂直于记录载体。此衍射光栅被称为规则的或无信息的光栅，以便将其区别于衍射信息结构。
如EP专利申请03100817.0所述，规则的衍射光栅对衍射信息结构形成的一阶光束各部分进行偏转，致使这些部分与零阶双折射的辐射一起通过物镜并被聚焦在辐射敏感的探测器上，从而在此探测器位置处发生干涉。此探测器可以与用于US-A 4242579所公开是读出装置中的相同。有关信息层中常规光栅的作用的进一步细节以及配备有这种光栅的记录载体的实施方案，可参考EP专利申请03100817.0。
若Kg是周期性即规则光栅的空间频率，而Ki是信息平面内的信息或数据结构的空间频率，则读出光束将满足表示为有效空间频率Ke的结构，Ke由下式给出：
Ke＝Ki-m Kg
其中，m是所用的规则光栅衍射阶，通常是一阶。若规则光栅的光栅周期足够大，则Ke将保持小于常规截止频率。此周期确定了给定衍射阶的子光束被光栅偏转的角度：周期越小，则衍射角度越大。
以这种方式，能够读出具有高达例如二倍于常规截止频率的最大空间频率的信息结构。在图8中，用曲线120和122示出了这一点。在此图中，水平轴示出了不同的Kiλ/NA数值，而垂直轴示出了调制转移函数(MTF)的数值。其最大值为1的MTF是从信息结构读出的信息信号幅度的一种量度。曲线120表示常规的对称状态，亦即，被信息层反射的整个零阶子光束和二个一阶子光束的各部分，通过物镜并被用于信息探测。能够读出的信息结构的最大空间频率Ki由Kiλ/NA＝2给定，故Ki＝2NA/λ。对于这一Ki值，读出信号的幅度已经降低到几乎为0，这意味着具有这种空间频率的信息区无法被读出。曲线122表示信息层配备有具有适当光栅频率的衍射光栅的状态。此光栅引起零阶子光束和一阶子光束各不对称部分通过物镜。对于Kiλ/NA＝4，这时读出信号的幅度变成0，故Ki＝4NA/λ，这是常规截止频率的二倍。
向信息层提供光栅使得读出空间频率为2NA/λ-4NA/λ的信息结构成为可能，从而使能够读出的空间频率范围偏移过m Kg。但频带的宽度不增大，仍然是2NA/λ。
根据本发明的一种重要情况，借助于向信息层提供具有上述特定衍射光栅能够增大带宽。这最佳地利用了衍射光栅的偏振敏感性。若信息层用具有二个相互垂直偏振方向的分量的辐射束来扫描，则能够读出其空间频率理论上从0直至4NA/λ的信息结构。其偏振方向平行于衍射光栅中纳米元件取向的光束分量，亦即被光栅所衍射的光束分量，被用于读出高频信息区。不被光栅衍射的另外的光束分量，被用于以常规方式来读出低频信息区，亦即空间频率高达2NA/λ的信息区。
图9所示的装置可以被用来读出具有表示出更宽空间频率谱的信息结构的记录载体。此装置包含发射单个辐射束b的二极管激光器130、准直透镜132、光束分裂器134、物镜136、以及探测分支140。读出光束b应该包含二个相互垂直偏振的分量。将二极管激光器的腔缝定位于适当的方向，以使线性偏振激光束的偏振方向与光栅156中纳米元件的取向在具有基片152的记录载体150的信息层上形成45度的角，可以得到这种光束。或者，如图9所示，可以将二分之一波长片安置在二极管激光器与光束分裂器之间，此片将线性偏振的激光束转换成由二个相互垂直偏振光束分量组成的圆偏振激光束。已经分别由高频信息区和低频信息区调制了的反射光束分量b1和b2，必须被分开地探测。借助于在探测支路中包括对偏振敏感的光束分裂器142，就能够实现这一点，此分裂器将光束分量b1反射到探测器144，并传送光束分量b2通过而到探测器146。这两个探测器之一供给频率高达常规截止频率的信号，而另一探测器供给频率从常规截止频率直至二倍于常规截止频率的信号。
图10示出了规则光栅对信息结构所衍射的子光束的影响。此图仅仅示出了图9中与记录载体中新颖衍射光栅的本发明应用有关的那些元件，亦即物镜系统136和具有信息层154和衍射光栅156的记录载体。此光栅将入射的辐射束分裂成由图10中虚箭头线表示的零阶子光束、正一阶子光束b’(+1)、以及负一阶子光束b’(-1)。规则光栅的周期大于信息层中信息结构的周期，致使子光束b’(+1)和b’(-1)被规则光栅以小于子光束b(+1)和b(-1)被信息结构偏转的角度偏转。在图10中用单实线来表示子光束b(+1)和b(-1)。由于光栅156被叠加在信息结构154上，故由信息结构所形成的各个一阶子光束b(0)、b(+1)、和b(-1)将被光栅进一步衍射成双重衍射的零阶和一阶子光束。如图10所示，在这些双重衍射的子光束中，子光束b(+1，-1)和b(-1，+1)将通过物镜系统的出射孔。这些子光束的第一和第二标号涉及到分别由信息结构和常规光栅引起的衍射阶。与入射的读出光束相同但方向相反的子光束b(0，0)，也通过物镜系统136的出射孔。以这种方式，实现了被信息结构调制的一阶子光束各部分与零阶子光束部分在辐射敏感的探测系统位置处发生干涉，从而有可能以明显提高了的分辨率来读出。
这种类型的读出被用于具有高达二倍于常规频率的高空间频率的信息区，并能够仅仅用其偏振方向平行于光栅156中纳米元件方向的读出光束分量来进行。不被光栅衍射的另外的光束分量仅仅能够读出最高为常规截止频率的较低空间频率的信息区。
如常规光栅的共同未决的EP 03100817.0所述，规则光栅的光栅窄条的方向能够适配于信息层中的信息区的安排。若这些区域被安排在轨道中，则所述方向可以平行于轨道方向，但优选是垂直于轨道方向。若根据2D-OS(二维光储存)结构来安排这些信息区，即这个结构包含许多可同时被例如相应数目的探测器矩阵所读出的信息区的区块，则光栅窄条的方向优选是各个区块的对角线的方向。可在此处被引入为参考的EP 03100817中找到有关这方面的进一步细节。
参照其在衍射光栅的制作中以及在光记录技术领域中的应用，已经描述了本发明。这并不意味着根据本发明的光栅使用仅局限于这一技术。根据本发明的光栅可以用于其中采用二个沿相同路径行进的光束、其中一个光束必须被衍射而另一光束不被衍射的任何光学系统，更一般地说，可以被用于其中采用常规衍射光栅的任何光学系统。
本发明不仅可以用于衍射光栅，而且可以用于由与第二区交替的窄条形或其它形状的第一区所组成的任何衍射元件，此第一和第二区具有不同的光学性质。这种衍射元件的另一个众所周知的例子是菲涅耳(区)透镜。图11示出了根据本发明的菲涅耳透镜160的一个实施方案。此透镜由与第二环状窄条164交替的第一环状窄条162组成。第一窄条162包含对准了的纳米元件166，而第二窄条164不包含这种元件。第一窄条吸收沿纳米元件对准方向偏振的辐射，该元件160用作为这种辐射的菲涅耳透镜。对于沿垂直于对准方向而偏振的辐射，元件160是中性片。为了清晰起见，在图11中仅仅示出了几个窄条，实际上窄条的数目可以大得多。窄条162和164的宽度可以从中心到边沿递减。
可以用相似于上述线性光栅的方式来制作菲涅耳透镜结构。

Claims (25)

1.一种光衍射元件，它包括被分成与中间窄条交替的衍射窄条的衍射层，其特征在于，衍射窄条包括埋置在衍射层中且其对称轴都沿一个方向对准的纳米元件管。
2.权利要求1所述的光衍射元件，其特征在于，纳米元件是纳米线。
3.权利要求1所述的光衍射元件，其特征在于，纳米元件是纳米管。
4.权利要求3所述的光衍射元件，其特征在于，纳米管是碳纳米管。
5.权利要求4所述的光衍射元件，其特征在于，纳米管是单壁纳米管。
6.权利要求1-5中任何一项所述的光衍射元件，其特征在于，它是透射性元件。
7.权利要求1-5中任何一项所述的光衍射元件，其特征在于，它是反射性元件。
8.权利要求3-7中任何一项所述的光衍射元件，其特征在于，衍射层的材料在低于30℃的温度下基本上是固态的。
9.权利要求3-8中任何一项所述的光衍射元件，其特征在于，衍射层的材料在低于纳米元件管被毁坏的温度下是可液化的。
10.权利要求3-9中任何一项所述的光衍射元件，其特征在于，衍射层的材料选自熔点或玻璃化温度低于800℃的玻璃、丙烯酸热塑塑料、以及石蜡。
11.权利要求1-10中任何一项所述的光衍射元件，其特征在于它被成形为并用作为线性衍射光栅，并且衍射窄条是直光栅窄条。
12.权利要求1-10中任何一项所述的光衍射元件，其特征在于被成形为并用作为二维衍射光栅，并且包含二组直衍射窄条，第一组窄条垂直于第二组窄条。
13.权利要求1-10中任何一项所述的光衍射元件，其特征在于被成形为并用作为菲涅耳透镜，并且衍射窄条是环状窄条。
14.一种制作权利要求1-13中任何一项所述的光衍射元件的方法，其特征在于下列步骤：
印刷窄条图形，这些窄条包括含有纳米元件管的溶液；
利用对准电场或对准磁场，使各个纳米元件管沿所要求的方向对准；以及
在对准场存在的情况下对溶液进行处理，以便沿所述方向固定纳米元件管的取向。
15.权利要求14所述的方法，其特征在于，对溶液的处理包括将溶液蒸发。
16.权利要求14所述的方法，其特征在于，对溶液的处理包括对溶液进行聚合。
17.一种制作权利要求1-13中任何一项所述的衍射元件的方法，其特征在于下列步骤：
用包含纳米元件管的溶液薄膜甩涂基片的表面区；
利用对准电场或对准磁场，使各个纳米元件管沿所要求的方向对准；
在对准场存在的情况下对溶液进行处理，以便沿所述方向固定纳米元件管的取向；以及
烘干该膜的窄条成形区域，从而得到包括对准了的纳米元件管的窄条图形，这些窄条构成了衍射窄条。
18.权利要求17所述的方法，其特征在于，借助于将溶液经过具有对应于元件图形的透明和不透明窄条图形的掩模暴露于具有足够能量的辐射下，来执行该烘干步骤，使得包括对准了的纳米元件管的窄条保留下来，这些窄条构成了衍射窄条。
19.权利要求17所述的方法，其特征在于，用足够强度的辐射束在溶液上以窄条方式扫描来执行该烘干步骤，使得包括对准了的纳米元件的窄条图形保留下来，这些窄条构成了衍射窄条。
20.一种制作权利要求1-13中任何一项所述的衍射元件的方法，其特征在于下列步骤：
用自装配材料层涂敷基片区；
对层材料进行窄条方式的修改，以得到使基片表面润湿的窄条图形，并清除其余的层面材料；
在这样得到的图形上甩涂包含纳米元件的液体，使液体仅仅润湿裸露的基片，以得到包含纳米元件的液体窄条图形；
利用对准电场或对准磁场，使液体窄条中的纳米元件沿所要求的方向对准；以及
在对准场存在的情况下对液体进行处理，以便沿所述方向固定纳米元件的取向，从而得到包含对准的纳米元件的窄条图形，这些窄条构成了衍射窄条。
21.权利要求20所述的方法，其特征在于，对层材料进行修改的步骤包含用辐射束按窄条方式扫描此层。
22.权利要求20所述的方法，其特征在于，对层材料进行修改的步骤包含经过具有与元件窄条图形对应的透明窄缝的图形的掩模来照射此层。
23.一种制作权利要求1-13中任何一项所述的衍射光栅的方法，其特征在于以下过程：使纳米元件在基片表面上从一个淀积在基片上且包括纳米元件材料的层催化生长，以及将该层的窄条形区域烘干，从而得到包括对准了的纳米元件窄条的图形，这些窄条构成了元件的窄条。
24.一种至少包括一个信息层的光记录载体，其中信息在与中间区交替的信息区中被编码，其特征在于，此信息被权利要求1-11中任何一项所述的衍射光栅所覆盖。
25.一种装置，此装置用来读出和记录具有第一信息密度的第一类光信息载体和具有第二信息密度的第二类光信息载体，此装置包括：一个辐射源单元，用来供给与第一类信息载体一起工作的具有第一波长的第一辐射束以及与第二类记录载体一起工作的具有第二波长的第二辐射束；以及一个物镜系统，用来将第一和第二光束分别聚焦在第一和第二类记录载体的信息层上，其特征在于，一个如权利要求1-11中任何一项所述的衍射光栅在第一和第二辐射束的公共辐射路径中被安排在该辐射源单元与物镜系统之间，并且辐射束之一具有平行于光栅中纳米元件方向的第一偏振方向，而另一辐射束具有垂直于第一偏振方向的偏振方向。
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