FR2902226A1 - Composant optique fonctionnant en transmission en champ proche - Google Patents

Abstract

Il s'agit d'un composant optique de détection en champ proche fonctionnant en transmission. Il comporte au moins une partie (11b) formant au moins un réseau (11) de microstructures de diffraction (11a) se succédant sur plusieurs périodes (p), ce réseau (11) étant capable de convertir, des ondes évanescentes (16) qui s'établissent entre le composant et un objet (12) situé en champ proche lorsqu'il réfléchit ou émet un rayonnement ayant une longueur d'onde, en ondes propagatives (16') par effet de diffraction en transmission à travers la partie (11b) formant le réseau (11) de microstructures de diffraction (11a). La période (p) du réseau (11) est de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde du rayonnement.Application aux dispositifs de détection en champ proche.

Description

COMPOSANT OPTIQUE FONCTIONNANT EN TRANSMISSION EN CHAMP PROCHE DESCRIPTION

DOMAINE TECHNIQUE La présente invention concerne un composant optique fonctionnant en transmission en champ proche. Un tel composant peut être incorporé dans un dispositif de détection en champ proche destiné à irradier avec un rayonnement un objet et à collecter le rayonnement réfléchi ou dans un dispositif de détection destiné à collecter un rayonnement émis par un objet, ce composant étant placé en champ proche par rapport à l'objet. Ces dispositifs peuvent être des têtes de lecture ou des têtes de lecture et d'écriture d'informations optiques sur un support d'informations optiques ou des sondes de microscopes optiques en champ proche par exemple. On rappelle qu'autour de l'objet on distingue deux zones, la première est la zone de champ lointain, dans laquelle on place un détecteur et la seconde est la zone de champ proche au voisinage de la surface de l'objet. En champ proche, la distance entre l'objet et le composant optique est inférieure à À/2n, À représente la longueur d'onde du rayonnement réfléchi ou émis par l'objet. On peut même relaxer la contrainte du domaine champ proche à À au lieu de À/2n, en fait à À/2n le signal champ proche est à 50% de celui issu de l'objet donc il est détectable. On peut fixer la distance entre l'objet et le composant optique inférieure à n comme critère champ proche. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans les dispositifs de détection optique champ proche sont décrits dans les documents numérotés [1], [2], [3], [4], [5], [6] dont les références complètes se trouvent en fin de description. Dans les quatre premiers [1], [2], [3], [4], on utilise comme composant optique en champ proche généralement une lentille à immersion solide 1. Cette lentille 1 réalisée dans un matériau à fort indice de réfraction comme le verre LasF35 (dénomination du catalogue de la société Schott) ou le diamant possède, en général, un premier dioptre 2 sphérique qui fait face à l'objectif de focalisation 3 et un second dioptre 4 qui fait face au disque 5. Ce second dioptre 4 peut être plan comme représenté sur la figure 1A ou bombé comme indiqué dans le document [3]. On place un détecteur 8 à l'opposé de l'objectif de focalisation 3 par rapport à la lentille à immersion solide 1. On prévoit de tronquer la lentille 1 entre les deux dioptres 2, 4, la troncature se faisant depuis le premier dioptre 2 vers le second dioptre 4 pour minimiser la surface du second dioptre 4 en vis-à-vis avec l'objet 5 qui dans ce cas est un disque optique. Il a même été proposé, comme illustré sur la figure 1B et décrit dans le document [4], d'accoler au second dioptre 4 un bout sensiblement tronconique 6 en matériau diélectrique. Le bout sensiblement tronconique 6 pointe vers l'objet (qui n'est pas représenté sur la figure 1B). Un revêtement métallique 7 est appliqué sur une partie de la surface latérale du bout sensiblement tronconique 6, à l'opposé de la partie la plus pointue, ce revêtement 7 épargne la partie la plus pointue du bout sensiblement tronconique 6 du côté de l'objet 5. Un tel bout sensiblement tronconique 6, est assimilé par la suite à une sonde optique placée en bout de fibre optique notamment dans les microscopes optiques à détection champ proche. Dans cette configuration de microscope, la fibre optique comporte un coeur et une gaine. Elle se termine par une partie pointue dont le bout ou ouverture, réalisé en matériau diélectrique du coeur, a un diamètre qui est de l'ordre de quelques dizaines de nanomètres (par exemple environ 50 nanomètres), ce qui est bien plus petit que la longueur d'onde du rayonnement utilisé. La surface latérale de la partie pointue, hormis la pointe est métallisée. Le revêtement métallique 7 sert à canaliser le rayonnement qu'il illumine l'objet ou qu'il soit collecté en provenance de l'objet. La capacité de résolution de tels dispositifs de détection dépend de la taille de l'ouverture et de sa distance à l'objet et non plus de la longueur d'onde. Les sondes détectent le champ électromagnétique proche se trouvant en vis-à-vis de leur pointe. Elles permettent d'obtenir des informations sur des détails de l'objet de taille inférieure à la longueur d'onde. Le champ électromagnétique réfléchi par l'objet se couple dans l'ouverture de la sonde et est ensuite conduit à travers la fibre jusqu'à un détecteur. Le champ proche est détecté localement. La détection est directe. La nature du champ n'est pas altérée. La carthographie du champ permet de reconstituer l'objet. On rappelle que l'objet 5 émet ou réfléchit des ondes électromagnétiques qui portent des informations sur sa topographie et qui dépendent des propriétés optiques du matériau de sa surface. Le spectre rayonné ou réfléchi peut se diviser en deux parties, l'une d'elle formée par un cône dit homogène, contient des ondes électromagnétiques propagatives, porteuses d'informations de fréquences inférieures à la fréquence de coupure du système optique dans son ensemble et qui sont radiatives et peuvent donc être détectées à une distance supérieure à la longueur d'onde du rayonnement utilisé, au niveau du détecteur.

L'autre partie formée par un cône dit inhomogène contient des ondes électromagnétiques évanescentes localisées au voisinage de la surface de l'objet et dont l'amplitude décroît exponentiellement plus on s'éloigne de l'objet. Ces ondes évanescentes, non radiatives, sont porteuses d'informations sur des détails sub-longueur d'onde de l'objet mais elles restent localisées et ne peuvent pas être détectées directement par le détecteur. La sonde ou la lentille à immersion solide vient les collecter sur place par effet de frustration. En effet chaque rayonnement peut être décomposé en un spectre angulaire qui est un ensemble de couples de vecteurs d'onde (kx, kz) où kx est une composante transverse et kz une composante de propagation. Les deux composantes sont liées par la relation de dispersion : kx2 + kz2 = n2k02 avec n indice de réfraction du milieu et k0 = 2n/A. Le cône homogène est défini par l'ensemble des couples de vecteurs d'onde (kx, kz) qui vérifie : -k0 <- kx <- k0. Le cône inhomogène peut être défini par l'ensemble des couples de vecteurs d'onde qui vérifie : -k0 > kx > k0. Le niveau de signal détecté par la sonde ne dépend que de la partie de l'objet présente sous la pointe de la sonde. Cette pointe est très petite, elle a un diamètre minimum de quelques nanomètres à la centaine de nanomètres, ce diamètre restant inférieur à la longueur d'onde du rayonnement réfléchi ou émis par l'objet. Ainsi lorsque la sonde est dans une position déterminée, elle ne détecte que les détails de l'objet qui sont face à sa pointe. On réalise une détection point à point et donc une lecture point à point. On peut en balayant l'objet avec la sonde établir des cartes de champ proche en juxtaposant les informations détectées à chaque point. Il est décrit dans le document [5] une sonde métallique en forme de plaque pour la lecture de disques optiques ou pour. Elle comporte une ouverture centrale et, décalé par rapport à cette ouverture centrale, une ou deux cuvettes, ces cuvettes étant placées du côté du disque à lire. Ces cuvettes permettent de ramener plus de champ proche dans l'ouverture centrale de la sonde grâce aux ondes de surface dites plasmons et donc d'accroître la visibilité des marques portées par le disque. La présence d'une marque qui coïncide avec une cuvette crée une cavité de résonance pour plasmons, altérant ainsi le champ transmis. La visibilité des marques est améliorée. Les plasmons sont des ondes évanescentes particulières. Il est décrit dans le document référencé [6] une sonde de détection métallique pour microscope optique champ proche ou lecture d'informations sur un support. Elle comporte une partie en forme de pipette avec à l'opposé de son extrémité libre une collerette métallique avec des reliefs périodiques. Cette collerette sert à ramener plus de champ électromagnétique à l'intérieur de la pipette. Dans ces deux derniers documents il n'y a 15 pas de conversion par effet de diffraction en transmission. Le contrôle de la distance entre la pointe objet est crucial et la collection du rayonnement réfléchi ou émis par l'objet se fait avec un faible 20 débit à cause de la petite taille de la pointe et du fonctionnement point à point. Ce type de détection champ proche n'est pas bien adapté à la lecture d'informations sur un disque optique. Les marques que porte le disque sont détectées les unes après les 25 autres, au fur et à mesure que le disque tourne. Pour que cela soit intéressant, il faudrait que le débit puisse être plus important. EXPOSÉ DE L'INVENTION 30 La présente invention a justement comme but de proposer un composant optique en champ proche fonctionnant en transmission qui permet d'éviter les inconvénients mentionnés ci-dessus des dispositifs de détection en champ proche. En particulier, le composant optique s'affranchit des inconvénients des composants fonctionnant en point par point qui ne sont pas compatibles avec une lecture rapide d'informations sur de grandes surfaces. Un but est en particulier de proposer un tel composant qui soit susceptible de fournir un débit de collection de rayonnement plus important que ce qui se fait aujourd'hui dans les dispositifs de détection champ proche que ce soit des sondes de microscopes optiques en champ proche ou des têtes de lecture d'informations optiques.

Un autre but est de pouvoir récupérer des ondes inhomogènes et donc de détecter des détails de l'objet que l'on ne peut pas voir avec des systèmes optiques conventionnels. Pour y parvenir, la présente invention est un composant optique de détection en champ proche fonctionnant en transmission comportant au moins une partie formant au moins un réseau de microstructures de diffraction se succédant sur plusieurs périodes, ce réseau étant capable de convertir, des ondes évanescentes qui s'établissent entre le composant et un objet situé en champ proche lorsqu'il réfléchit ou émet un rayonnement ayant une longueur d'onde, en ondes propagatives par effet de diffraction en transmission à travers la partie. La période du réseau est de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde du rayonnement émis ou réfléchi par l'objet.

De manière avantageuse, on choisira la période du réseau inférieure à la longueur d'onde du rayonnement émis ou réfléchi par l'objet. Ainsi le composant optique a une taille latérale supérieure à plusieurs longueurs d'onde du rayonnement, voire sensiblement égale à une centaine de longueurs d'onde du rayonnement. La période p du réseau peut vérifier la relation : kx-kO < 2n/p < kx+kO avec kO = 2n/A et kx composante transverse des ondes évanescentes émises par l'objet. En variante, la période p du réseau peut vérifier la relation kx-2k0 < 2n/p < kx-kO avec kO = 2n/A et kx composante transverse des ondes évanescentes émises par l'objet. Le composant optique peut comporter, en outre, au moins une partie amplificatrice des ondes évanescentes avant leur conversion qui coopère avec la partie formant le réseau de microstructures de diffraction. La partie amplificatrice peut être accolée à la partie formant le réseau de microstructures de diffraction. La partie amplificatrice peut être réalisée dans un matériau métallique à base d'or, d'argent, de platine, d'aluminium, d'indium-antimoine ou en matériau semiconducteur. La partie amplificatrice aura de préférence une épaisseur sensiblement inférieure à la longueur d'onde du rayonnement.

La partie amplificatrice peut recouvrir une face de la partie formant le réseau de microstructures de diffraction, à l'opposé des microstructures de diffraction.

La partie amplificatrice et la partie formant le réseau de microstructures de diffraction peuvent être réalisées dans un même matériau. Le composant optique peut avantageusement être formé d'un empilement alterné, avec au moins une partie formant le réseau de microstructures de diffraction et une ou plusieurs parties amplificatrices ou bien, avec plusieurs parties formant chacune le réseau de microstructures de diffraction et au moins une partie amplificatrice.

La partie formant le réseau de microstructures de diffraction peut être réalisée dans un matériau électriquement conducteur et/ou dans un matériau diélectrique. Le réseau de microstructures de diffraction peut comporter des parties en saillie séparées par des parties en creux ou des parties pleines séparées par des trous traversants ou par des parties électriquement conductrices pleines séparées par des parties diélectriques pleines.

Le réseau de microstructures de diffraction peut comporter des corrugations sensiblement circulaires et concentriques. Pour améliorer la transmission du composant optique, il est préférable que le réseau de microstructures de diffraction soit invariant en rotation.

La partie formant le réseau de microstructures de diffraction peut être modulée en période. Pour que le composant optique puisse servir avec plusieurs rayonnements différents, il est possible que la partie formant au moins un réseau de microstructures de diffraction comporte plusieurs réseaux côte à côte, ces réseaux ayant des périodes différentes.

Pour augmenter la transmission du composant optique, il est possible de prévoir que la partie formant le réseau de microstructures de diffraction comporte, dans une partie centrale, une rupture de périodicité.

La rupture de périodicité peut être pleine ou être une lacune, ce qui facilite le centrage du composant optique. S'il y a une partie amplificatrice, il est préférable que la lacune s'étende dans la partie amplificatrice. La présente invention concerne également un dispositif optique de détection en champ proche qui comporte un composant optique ainsi défini. Le dispositif optique de détection en champ proche peut comporter un détecteur placé en aval du composant optique, pour les ondes propagatives converties. Le dispositif optique de détection en champ proche peut comporter une lentille à immersion solide placée en aval du composant optique, la lentille à immersion solide étant placée en amont du détecteur pour les ondes propagatives converties en présence du détecteur. Le dispositif optique de détection en champ proche peut être une tête de lecture ou une tête de lecture et d'écriture sur un support d'informations optiques ou une sonde de microscope optique champ proche. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description d'exemples de réalisation donnés, à titre purement indicatif et nullement limitatif, en faisant référence aux dessins annexés sur lesquels : les figures 1A, 1B (déjà décrites) montrent deux exemples de tête de lecture d'informations optiques en champ proche de l'état de l'art ; la figure 2 montre, en coupe transversale, un exemple de composant optique selon l'invention monté dans un dispositif de détection champ proche ; les figures 3A, 3B montrent en coupe transversale, deux nouveaux exemples de composants optiques selon l'invention, ces composants étant modulés en période ; les figures 4A, 4B montrent, en coupe transversale, deux nouveaux exemples de composants optiques selon l'invention ; la figure 5 montre, en vue de dessus, encore un exemple de composant optique selon l'invention pourvu de plusieurs réseaux de microstructures de diffraction ; la figure 6 montre, en coupe transversale, un exemple de composant optique selon l'invention avec plusieurs parties formant réseau de microstructures de diffraction et plusieurs parties amplificatrices empilées. Des parties identiques, similaires ou équivalentes des différentes figures portent les mêmes références numériques de façon à faciliter le passage d'une figure à l'autre.

Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.

EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS On va maintenant se référer à la figure 2 qui montre un premier exemple d'un composant optique de détection en champ proche objet de l'invention. Ce composant optique fonctionne en transmission et comporte au moins une partie 11b formant au moins un réseau 11 de microstructures de diffraction 11a. Ce réseau 11 comporte au moins trois microstructures de diffraction 11a successives, elles sont séparées par une même période p. Sur la figure 2, le réseau 11 de microstructures de diffraction 11a se trouve sur une face d'une plaque, il est tourné vers l'objet 12, mais il est possible qu'il tourne le dos à l'objet 12 dans d'autres configurations, comme on le verra ultérieurement sur la figure 4A.

On suppose dans l'exemple décrit à la figure 2 que l'objet 12 est un échantillon à observer et que le composant optique 10 est monté dans une sonde d'un microscope optique à champ proche. D'autres objets peuvent être détectés avec un tel composant optique, il peut s'agir de supports d'informations optiques, et dans ce cas, le composant optique objet de l'invention est incorporé dans une tête de lecture ou de lecture et d'écriture d'informations optiques. Ces microstructures de diffraction 11a peuvent être formées de corrugations, c'est-à-dire de parties en saillie séparées par des parties en creux ou de parties pleines séparées par des trous traversants ou de parties électriquement conductrices pleines séparées par des parties diélectriques (par exemple un support en argent avec des trous traversants et donc de l'air) ou même de parties diélectriques séparées par d'autres parties diélectriques de natures différentes (par exemple silice et verre ou autre). Sur la figure 2, le réseau 11 de microstructures de diffraction 11a comporte des parties pleines séparées par des trous traversants 20. Les trous traversants 20 peuvent être réalisés dans une couche mince métallique par photolithographie. L'objet 12, lorsqu'il est illuminé par un rayonnement ou lorsqu'il émet un rayonnement, émet deux types de radiations comme expliqué précédemment. On distingue donc au voisinage de l'objet 12 des ondes homogènes 15 et des ondes évanescentes 16. Les ondes homogènes 15 peuvent se propager dans le cône homogène 14, leur vecteur d'onde possède une faible composante transverse kx, telle que 1kxl <- k0.

Dans les dispositifs de détection champ proche classiques, on place dans ce cône homogène 14 un détecteur 17 qui sera chargé de recueillir des ondes homogènes qui l'auront atteint.

Les ondes évanescentes 16 possèdent une forte composante transverse kx telle que kx > k0, elles sont localisées au voisinage de l'objet 12. Les ondes évanescentes contiennent des informations relatives à des détails 13 de dimensions sub-longueur d'onde de l'objet 12, c'est-à-dire les détails les plus fins de l'objet. Le composant optique objet de l'invention a pour but de convertir des ondes évanescentes 16 en ondes 16' qui peuvent se propager dans le cône homogène 14 et atteindre le détecteur 17. La conversion s'effectue par effet de diffraction en transmission au travers du réseau 11 de microstructures de diffraction 11a. L'effet de diffraction en transmission du réseau 11 se traduit par la transformation de la composante transverse kx en une composante kx' telle que : kx' = kx mG (1) avec m, entier naturel, représentant l'ordre de diffraction et G = 2n/p représentant la fréquence spatiale présente dans l'objet 12 que l'on veut détecter. La grandeur p est la période du réseau de microstructures de diffraction, elle est de l'ordre de grandeur de la longueur d'onde du rayonnement réfléchi ou émis par l'objet 12. Par ordre de grandeur, on veut dire qu'elle est comprise entre environ le dixième et le double de la longueur d'onde.

On choisira de manière avantageuse la période p du réseau inférieure à la longueur d'onde du rayonnement réfléchi ou émis par l'objet 12. Il est avantageux de choisir l'ordre de diffraction m égal à -1 pour bénéficier d'une forte de transmission. Il est bien sûr possible de choisir une autre valeur pour m et notamment la valeur +1. La composante transverse kx' après conversion au travers du composant optique 10 subit une rotation dans le sens trigonométrique par rapport à la composante transverse kx avant conversion. Elle est ramenée dans le cône homogène 14 et est propagative et radiative. Elle peut être détectée par le détecteur 17. Le but du composant optique 10 selon l'invention est de permettre l'injection d'informations sub-longueur d'onde dans le cône homogène 14, cette information ne s'y retrouvant jamais auparavant puisqu'elle restait dans le cône inhomogène et ne se propageait pas librement jusqu'au détecteur.

Pour optimiser cette conversion, il est préférable que la période p du réseau 11 de microstructures de diffraction soit accordée à la fréquence de l'onde évanescente 16 émise par l'objet 12. Lorsque la période p est fixée, la conversion de champ proche en champ lointain va se faire sur les ondes évanescentes 16 dont la composante transverse kx vérifient la relation : 2n/p - k0 < kx < 2n/p + k0 (2) La période du réseau vérifiant : kx -k0 < 2n/p < kx+k0 (3) Si l'on cherche à convertir des ondes évanescentes ayant une fréquence spatiale plus élevée que k0, c'est-à-dire contenues dans une gamme de fréquences plus grande, il vient : 2n/p + k0 < kx < 2n/p + 2k0 (4) Cela nécessite de choisir une période p plus petite vérifiant . kx - 2k0 < 2n/p < kx - k0 (5) On peut être amené à réaliser un composant optique selon l'invention modulé en période p, c'est-à-dire ayant un réseau à période variable comme illustré sur les figures 3A, 3B. On peut ainsi convertir plusieurs types d'ondes inhomogènes à la fois. La présence de plusieurs périodes améliore la performance globale du composant. La périodicité permet de transmettre une information fréquentielle ou spectrale. Dans ce cas on distingue plusieurs zones z1 à z4 dans le réseau 11 ayant chacun leur période p1, p2, p3, p4, ces périodes étant différentes d'une zone à l'autre. Dans chaque zone, les microstructures se succèdent sur plusieurs périodes constantes. Ces zones z1, z2, z3 peuvent être imbriquées les unes dans les autres ou se succéder cela dépend du motif que forment les microstructures de diffraction 11A. On suppose, sur les figures 3A, 3B que le réseau 11 de microstructures de diffraction 11a est formé de parties en saillie séparées par des sillons sensiblement circulaires concentriques. On obtient alors un composant optique invariant par rotation.

Sur la figure 3A, il n'y a que deux zones z1, z2 concentriques, la zone z1 étant plus centrale que la zone z2. Leurs périodes p1, p2 sont croissantes depuis la zone z1. Sur la figure 3B, on distingue, dans cet ordre, quatre zones z1, z2, z3, z4 concentriques depuis la partie centrale de la partie 11b vers son bord. Leurs périodes p1, p2, p3, p4 sont décroissantes depuis la zone z1. Bien d'autres formes sont envisageables pour les microstructures de diffraction 11a. Au lieu que le réseau 11 de microstructures de diffraction soit réalisé par des parties en saillie séparées par des sillons sensiblement circulaires concentriques, il peut être réalisé par des parties en saillie séparées par des sillons hélicoïdaux, comme illustré sur la figure 3B, ou encore par des sillons sensiblement rectilignes et parallèles comme illustré sur la figure 4A. Dans un autre mode de réalisation, on peut envisager que la partie 11b formant le réseau 11 de microstructures de diffraction 11a soit réalisée par un semis de plots 40 répartis sur une base en retrait comme illustré sur la figure 4B. Dans cette configuration la base forme la partie amplificatrice 18 qui sera décrite ultérieurement. On pourrait également envisager que la partie 11b formant le réseau de microstructures de diffraction 11a soit formée des pastilles 60 en matériau diélectrique incrustées dans une plaque de métal ou à l'inverse des pastilles 61 de métal incrustées dans une plaque de matériau diélectrique comme illustré sur la figure 6.

Bien d'autres configurations sont possibles et les exemples décrits ne sont pas limitatifs. La partie 11b formant le réseau 11 de microstructures de diffraction 11a peut être réalisée en matériau métallique à base d'aluminium, d'or, d'argent, de platine et/ou en matériau diélectrique tel que le verre, la céramique, le diamant, les résines organiques ou inorganiques, ou même en silicium. Le composant optique selon l'invention a une taille latérale T qui est supérieure à la longueur d'onde du rayonnement réfléchi ou émis par l'objet 12, ce qui n'était pas le cas dans l'art antérieur où la pointe des sondes était inférieure à la longueur d'onde. Par taille latérale T du composant optique 10, on entend sa plus grande dimension transversale à l'axe optique XX', c'est à dire la direction générale de propagation des ondes vers le détecteur 17. Il peut s'agir du diamètre de la partie 11b, si elle est circulaire. Cette taille latérale T peut dépasser de plusieurs fois la longueur d'onde et même atteindre environ une centaine de longueurs d'onde. Une étendue importante du composant est souhaitée puisque les ondes évanescentes à convertir doivent rencontrer plusieurs périodes du réseau pour être efficacement converties en ondes propagatives. Si le composant optique est de surcroît modulé en période, comme on l'a décrit plus haut, sa taille latérale est d'autant plus grande, par exemple de l'ordre de la centaine de micromètres. Comme on l'a évoqué plus haut, le choix de la période p est important pour que la conversion soit la meilleure possible et pour éliminer des parasites.

Les meilleures conditions de conversion sont obtenues lorsque la diffraction se fait avec un ordre m unique, de préférence égal à l'unité en valeur absolue et que l'ordre nul (m=0) est coupé. Le fait que l'ordre nul soit coupé signifie que les ondes homogènes propagatives 15 soient fortement atténuées lors de leur traversée du composant optique 10 de manière à ne pas s'additionner aux ondes propagatives 16' obtenues après conversion et qui sont présentes dans le cône homogène 14. L'atténuation de ces ondes homogènes 15, notamment dans le cas où le composant est modulé en période, est importante puisqu'elle permet d'établir un lien unique entre l'information reçue par le détecteur 17 en champ lointain et son origine au niveau de l'objet 12.

Les ondes initialement homogènes propagatives 15 se retrouvent, elles, converties en ondes évanescentes (non représentées) avec un ordre de diffraction égal à l'unité en valeur absolue lors de leur traversée du composant optique, si la période p est judicieusement choisie. Elles n'atteignent donc pas le détecteur 17. Une valeur de la période p proche de la médiane des intervalles précisés plus haut par les relations (3), (5) convient particulièrement. Il est avantageux de pouvoir amplifier les ondes évanescentes 16 avant leur traversée du composant optique objet de l'invention. On peut ainsi favoriser en terme de niveau de signal, les ondes évanescentes 16 à convertir, vis-à-vis d'autres ondes considérées comme parasites.

L'amplification peut se faire en incluant dans le composant optique, du côté de l'objet 12, une partie amplificatrice 18 qui excite optiquement des plasmons ou ondes de surface. Cette partie amplificatrice 18 peut être réalisée dans un matériau ayant une constante diélectrique avec une partie réelle négative. De tels matériaux sont par exemple les métaux nobles tels que l'or, l'argent, le platine et même l'aluminium, l'indium-antimoine (InSb), ou même des semi-conducteurs tels que le silicium. Cette partie amplificatrice 18 peut former un bicouche avec la partie 11b portant leréseau 11 de microstructures de diffraction 11a en étant empilée avec elle comme illustré sur la figure 3A. En variante comme illustré sur la figure 4B, la partie amplificatrice 18 et la partie 11b formant le réseau 11 de microstructures de diffraction 11a peuvent être incrustées l'une dans l'autre. L'amplification et la conversion sont simultanées. Le photon de taille À voit en même temps le réseau et la couche amplificatrice. L'épaisseur h de la partie amplificatrice 18 sera avantageusement inférieure à environ la longueur d'onde du rayonnement réfléchi ou émis par l'objet 12. Le matériau de cette partie amplificatrice 18 est choisi pour sa constante diélectrique qui doit favoriser l'amplification des ondes évanescentes et occulter les ondes homogènes propagatives. Cette partie amplificatrice 18 a la fonction d'un filtre passe haut fréquentiel. En l'absence de partie amplificatrice, on placera de préférence le réseau de microstructures de diffraction face à l'objet 12 à observer. Celui-ci sera de préférence en métal.

La partie 11a dotée du réseau 11 de microstructures de diffraction 11b et la partie amplificatrice 18 peuvent être réalisés dans un même matériau comme illustré sur la figure 3B ou au contraire être dans des matériaux différents comme illustré sur les figures 3A, 4A notamment. La partie amplificatrice 18 peut servir de support à la partie 11a formant le réseau 11 de microstructures de diffraction, notamment dans le cas où cette dernière est dotée de sillons et que les parties pleines sont non jointives comme illustré sur la figure 3A et prennent la forme d'anneaux concentriques ou de barres rectilignes. Il est possible de prévoir dans une région centrale du composant optique selon l'invention, une zone 19 de rupture de périodicité, comme illustré sur les figures 3A, 3B, 4A, 4B. Cette zone 19 de rupture de périodicité peut être une lacune comme sur les figures 3A, 3B, 4A ou une partie pleine exempte de microstructure de diffraction comme sur la figure 4B. Cette partie pleine peut être métallique ou diélectrique. Cette zone 19 de rupture de périodicité a pour avantage d'améliorer la transmission du composant optique notamment lorsque les microstructures de diffraction 11a sont pleines. Elle permet également de donner un repère pour le centrage du composant optique et l'asservissement de la tête ou de la sonde sur laquelle sera monté le composant optique. Lorsqu'il s'agit d'une lacune 19, cette dernière peut s'étendre dans la partie amplificatrice 18 comme illustré sur les figures 3B, 4A. Les composantes de faible fréquence de l'objet 12 à détecter passent par la zone de rupture de périodicité 19. Au niveau de cette zone de rupture de périodicité 19, il n'y a pas de conversion de fréquence, cela se rapproche de ce qui se passe dans les dispositifs conventionnels de type sonde ou tête de lecture ou de lecture et d'écriture. La transmission à travde lecture et ers la lacune 19 est grandement améliorée lorsque le réseau 11 de microstructures de diffraction 11a présente des reliefs à symétrie circulaire et qu'il est plein. On va maintenant s'intéresser au composant optique selon l'invention illustré à la figure 5. Il est représenté en vue de dessus et on ne voit que sa partie 11b formant plusieurs réseaux R1, R2, R3 de microstructures de diffraction, ces réseaux R1, R2, R3 étant côte à côte. On distingue trois réseaux R1, R2, R3 de microstructures de diffraction différents. On suppose que ces réseaux R1, R2, R3 sont réalisés par une couche pleine 50, sensiblement rectangulaire, munie de trous traversants 51. Les trous traversants 51 sont disposés en lignes et colonnes, les réseaux R1, R2, R3 étant bidimensionnels. On pourrait envisager qu'un réseau soit monodimensionnel, il pourrait être formé de trous agencés en une seule ligne ou une seule colonne. Le premier réseau R1, placé en haut à gauche sur la figure 5, possède une période pl'. Le second réseau R2 placé en haut à droite possède une période p2'. Ces deux réseaux R1, R2 occupent sensiblement la même superficie. La période p1' est supérieure à la période p2'. Les trous 51 du premier réseau R1 sont plus grands que les trous 51 du second réseau R2, ils sont aussi moins nombreux. Le troisième réseau R3, placé dans la partie basse de la couche 50, a une superficie sensiblement égale à celle du premier réseau R1 plus celle du second réseau R2. Il est à période variable et possède dans sa partie centrale, une zone de rupture de périodicité 52 puis de part et d'autre deux premières bandes 53 ayant une période p3' puis en s'éloignant encore de la zone de rupture de périodicité 52, deux autres bandes 54 ayant une période p4'. Les différentes bandes 53, 54 sont juxtaposées. La période p3' est supérieure à la période p4'. Les trous 51 placés dans ces bandes 53, 54 sont sensiblement de même taille. La période du troisième réseau R3 diminue plus on s'éloigne de sa partie centrale en passant de p3' à p4'. Pour augmenter encore l'intensité de l'information qui atteindra le détecteur 17, on peut être amené à réaliser le composant optique de l'invention en empilant, de manière alternée, au moins une partie 11b dotée d'au moins un réseau 11 de microstructures de diffraction 11a et une ou plusieurs parties amplificatrices 18 ou bien plusieurs parties 11b dotées chacune d'au moins un réseau 11 de microstructures de diffraction et au moins une partie amplificatrice 18. Dans cette superposition, les ondes évanescentes à convertir traversent d'abord une partie amplificatrice 18 avant d'atteindre une partie 11b formant au moins un réseau 11 de microstructures de diffraction 11a. Ce mode de réalisation est illustré sur la figure 6. On va maintenant décrire de manière détaillée un exemple de composant optique selon l'invention en se référant de nouveau à la figure 4A. On suppose que l'on a intégré le composant selon l'invention dans un dispositif de détection en champ proche qui peut être une tête de lecture d'informations optiques ou une tête de lecture et d'écriture.

Le dispositif de détection en champ proche comporte un composant 10 selon l'invention qui coopère avec un détecteur 17. Une lentille à immersion solide 21 est insérée entre le composant optique 10 selon l'invention et le détecteur 17. Plus précisément la lentille à immersion solide 21 et la partie 11b dotée du réseau 11 de microstructures de diffraction 11a sont assemblées l'une à l'autre par tout moyen approprié tel un collage ou autre. Cet assemblage se fait sur le second dioptre de la lentille à immersion solide 21, c'est à dire celui qui est le plus proche de l'objet à détecter 12. On suppose que le dispositif de détection est destiné à fonctionner avec un rayonnement ayant une longueur d'onde de 400 nanomètres.

On suppose que le composant optique objet de l'invention possède une partie 11b dotée d'un réseau 11 de microstructures de diffraction 11a et une partie amplificatrice 18 empilées, la partie amplificatrice 18 se trouvant du côté de l'objet 12 à détecter. Le réseau 11 de microstructures de diffraction 11a comporte des sillons 11c sensiblement circulaires et concentriques.

La période p du réseau 11 est sensiblement constante et vaut 100 nanomètres. La largeur des sillons 11c est de 50 nanomètres. La profondeur des sillons 11c est de 20 nanomètres. L'épaisseur de la couche amplificatrice 18, par exemple en métal noble, est de 30 nanomètres. L'épaisseur totale du composant objet de l'invention est de 50 nanomètres. On suppose que la partie amplificatrice 18 et la partie 11b formant le réseau de microstructures de diffraction sont réalisées dans le même matériau, un métal noble par exemple. On prévoit dans une zone centrale du composant optique une lacune 19 qui s'étend dans la partie amplificatrice. Pour un composant optique de diamètre d'environ 40 micromètres, la lacune 19 peut avoir un diamètre compris entre environ 0,02 micromètre et 10 micromètres. Le fait de prévoir la partie amplificatrice 18 fonctionnant par effet plasmon, c'est-à-dire par exaltation des ondes électromagnétiques évanescentes, permet de favoriser la transmission d'une gamme de fréquences spatiales élevées supérieures à 2n/À. La présence de la zone de rupture de périodicité 19 dans la partie centrale de la partie 11b formant le réseau 11 de microstructures de diffraction 11a permet d'augmenter encore la transmission et de donner un repère pour le centrage et l'asservissement en position du dispositif de détection qui comporte ce composant optique. le centrage et l'asservissement peuvent se faire même si la zone de rupture de périodicité est pleine.

La partie 11b formant le réseau 11 de microstructures de diffraction 11a a pour fonction la conversion du champ électromagnétique transmis par la partie amplificatrice 18 en champ lointain et donc permet qu'il atteigne le détecteur 17 en passant à travers la lentille à immersion solide 20, dans la mesure où elle est présente. Il devient alors possible de traiter le signal atteignant le détecteur 17 car ses fréquences correspondent principalement à celles amplifiées par effet plasmon dans la partie amplificatrice 18. Ces fréquences sont généralement supérieures à la limite conventionnelle des détecteurs en champ lointain puisque la période du réseau 11 est inférieure à la longueur d'onde du rayonnement réfléchi ou émis par l'objet 12. On peut alors grossièrement évaluer la résolution R d'un tel composant optique en introduisant l'indice de réfraction n1 du milieu dans lequel baigne l'objet 12 (généralement l'air, alors n1 = 1) et l'indice de réfraction n2 du milieu dans lequel les ondes converties par le composant objet de l'invention se propagent à leur sortie du composant. Il peut s'agir de l'indice de réfraction de la lentille à immersion solide dans la configuration de la figure 4A. Cette résolution R s'exprime par : R= À/ 2(nl+Àn2/p) Cette formule montre que pour une période p inférieure à la longueur d'onde À utilisée, la résolution R devient inférieure à A/2n1.

Bien que plusieurs modes de réalisation de la présente invention aient été représentés et décrits de façon détaillée, on comprendra que différents changements et modifications puissent être apportés sans sortir du cadre de l'invention. Ces modifications peuvent intervenir au niveau de la forme des microstructures de diffraction et du motif qu'elles forment. Les différentes variantes décrites doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres.

510 DOCUMENTS CITES [1] US-B- 5 125 750 [2] WO 00/23840 [3] WO 03/062864 [4] Near-field optics simulation of a solid immersion lens combining with a conical probe and a highly efficient solid immersion lens-probe system Yuan-Fong Chau et al., Journal of applied physics, volume 95, number 7, 1 April 2004, pages 3378-3384. [5] Strategies for employing surface plasmons in near-field optical readout systems Choon How Gan et al., Optics express, 20 March 2006, Volume 14, N)6, pages 2385-2397. [6] US-A1- 2005/0161594

Claims (25)

REVENDICATIONS

1. Composant optique de détection en champ proche fonctionnant en transmission, caractérisé en ce qu'il comporte au moins une partie (llb) formant au moins un réseau (11) de microstructures de diffraction (11a) se succédant sur plusieurs périodes (p), ce réseau (11) étant capable de convertir, des ondes évanescentes (16) qui s'établissent entre le composant et un objet (12) situé en champ proche lorsqu'il réfléchit ou émet un rayonnement ayant une longueur d'onde, en ondes propagatives (16') par effet de diffraction en transmission, à travers la partie (llb) formant le réseau (11) de microstructures de diffraction (11a), la période (p) du réseau (11) étant du même ordre de grandeur que la longueur d'onde du rayonnement.

2. Composant optique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la période (p) du réseau (11) est inférieure à la longueur d'onde du rayonnement.

3. Composant optique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il a une taille latérale (T) supérieure à plusieurs longueurs d'onde du rayonnement, voire sensiblement égale à une centaine de longueurs d'onde du rayonnement.

4. Composant optique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la période(p) du réseau vérifie la relation kx-kO < 2n/p < kx+kO avec kO = 2n/À et kx composante transverse des ondes évanescentes émises par l'objet.

5. Composant optique selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que la période (p) du réseau vérifie la relation kx-2k0 < 2n/p < kx-kO avec kO = 2n/À et kx composante transverse des ondes évanescentes émises par l'objet.

6. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce qu'il comporte en outre au moins une partie amplificatrice (18) des ondes évanescentes (16) avant leur conversion qui coopère avec la partie (llb) formant le réseau (11) de microstructures de diffraction (11a).

7. Composant optique selon la revendication 6, caractérisé en ce que la partie amplificatrice (18) est accolée à la partie (llb) formant le réseau (11) de microstructures de diffraction (11a).

8. Composant optique selon l'une des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce que la partie amplificatrice (18) est réalisée dans un matériau métallique à base d'or, d'argent, de platine, d'aluminium, l'indium-antimoine ou en matériau semiconducteur.

9. Composant optique selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que la partieamplificatrice (18) a une épaisseur (h) sensiblement inférieure à la longueur d'onde du rayonnement.

10. Composant optique selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce que la partie amplificatrice (18) recouvre une face de la partie (llb) formant le réseau (11) de microstructures de diffraction (11a) à l'opposé des microstructures de diffraction (11a).

11. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que la partie amplificatrice (18) et la partie (llb) formant le réseau (11) de microstructures de diffraction sont réalisées dans un même matériau.

12. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisé en ce qu'il comporte un empilement alterné formé d'au moins une partie (llb) formant le réseau de microstructures de diffraction et d'une ou plusieurs parties amplificatrices (18) ou bien de plusieurs parties (llb) formant chacune le réseau de microstructures de diffraction et d'au moins une partie amplificatrice (18).

13. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que la partie (llb) formant le réseau de microstructures de diffraction est réalisée dans un matériau électriquement conducteur et/ou dans un matériau diélectrique.

14. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 13, caractérisé en ce que le réseau (11) de microstructures de diffraction comporte des parties en saillie séparées par des parties en creux ou des parties pleines séparées par des trous traversants (20) ou par des parties électriquement conductrices pleines séparées par des parties diélectriques pleines.

15. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 14, caractérisé en ce que le réseau (11) de microstructures de diffraction comporte des corrugations sensiblement circulaires et concentriques.

16. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 15, caractérisé en ce que le réseau (11) de microstructures de diffraction est invariant en rotation.

17. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 16, caractérisé en ce que la partie (llb) formant au moins un réseau (11) de microstructures de diffraction est modulée en période.

18. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 17, caractérisé en ce que la partie (llb) formant au moins un réseau de microstructures de diffraction comporte plusieurs réseaux (R1, R2) côte à côte ayant des périodes différents (p1', p2'). 25 30

19. Composant optique selon l'une des revendications 1 à 18, caractérisé en ce que la partie (llb) formant au moins un réseau (11) de microstructures de diffraction comporte, dans une partie centrale une rupture de périodicité (19).

20. Composant optique selon la revendication 19, caractérisé en ce que la rupture de périodicité est pleine ou est une lacune.

21. Composant optique selon la revendication 20 dans sa combinaison avec la revendication 6, caractérisé en ce que la lacune s'étend dans la partie amplificatrice (18).

22. Dispositif optique de détection en champ proche caractérisé en ce qu'il comporte un composant optique selon l'une des revendications 1 à 21. 20

23. Dispositif optique de détection en champ proche selon la revendication 22, caractérisé en ce qu'il comporte un détecteur (17) placé en aval du composant optique pour les ondes propagatives 25 converties (16') .

24. Dispositif de détection selon l'une des revendications 22 ou 23, caractérisé en ce qu'il comporte une lentille à immersion solide (21) placée en 30 aval du composant optique (10), la lentille à immersion solide (21) étant placée en amont du détecteur (17) 15pour les ondes propagatives converties (16') en présence du détecteur (17).

25. Dispositif de détection selon l'une des revendications 22 à 24, caractérisé en ce que c'est une tête de lecture ou une tête de lecture et d'écriture sur un support d'informations optiques ou une sonde de microscope optique champ proche.