JP2019501394A - サンプルの電磁場を撮像するための装置 - Google Patents

Abstract

電磁場が角周波数ωを有する光ビームを発射する光源（９）と、ビームを第１の基準経路（８０）を画定する第１のビームと第２のサンプル経路（７０）を画定する第２のビームとに分割するように構成された手段（９１）と、２つのビームの電磁場を周波数偏移する変調系（７８）と、ビームを収集するように構成されたビーム結合器（９２）と、ビーム間の干渉から発生し前記結合器を介し結合される信号を検出するように構成された光検出系（５０）とを含む光検出装置であって、サンプルはサンプル経路（７０）内に配置され、光検出系（５０）は光検出器（５）と信号の振幅および位相を測定するように構成された装置（６）とを含み、光学的開口（２０）を含む半透明スクリーン（２）はサンプル経路（７０）においてサンプルの近傍のサンプルの区画のレベルに配置される、光検出装置。

Description

本発明は、サンプルの表面の近傍に存在する電磁場を撮像するための装置に関する。

より具体的には、本発明は、サンプルの区画の電磁場を振幅および位相の観点で特徴付けるための光検出装置であって、その電磁場が角周波数ωを有する光ビームを発射するように構成された光源と、ビームを第１の経路（基準経路と称される）を画定する第１のビームと第２の経路（サンプル経路と称される）を画定する第２のビームとに分割するように構成された手段と、２つのビームの電磁場を周波数δだけ周波数偏移する変調系と、２つの経路から発生するビームを収集するように構成されたビーム結合器と、２つの経路から発生し前記ビーム結合器を介し結合されるビーム間の干渉から発生する信号を検出するように構成された光検出系とを含む装置に関する。

非特許文献“Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ ｗｉｔｈ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ ａｒｒａｙｓ”Ｆ．Ｌｅ Ｃｌｅｒｃ ＆ ｃｏ．，Ｏｐｔｉｃｓ ｌｅｔｔｅｒｓは、サンプルを通過する電磁場を振幅および位相の観点でヘテロダイン数値的ホログラフィ技術により特徴付けるためヘテロダイン検波を使用するこのような光検出装置の例について説明する。

しかし、このような装置は、マトリクス検出器の使用を必要とし、したがって測定がなされ得る波長の範囲を制限する。このような装置の空間分解能はさらに、使用される波長により制限される。

"Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ ｗｉｔｈ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｐｈｏｔｏｄｅｔｅｃｔｏｒ ａｒｒａｙｓ"Ｆ．Ｌｅ Ｃｌｅｒｃ ＆ ｃｏ．，Ｏｐｔｉｃｓ ｌｅｔｔｅｒｓ

本発明の目的は特にこれらの欠点を軽減することである。

この目的のため、本発明によると、対象の種類の装置は、サンプルがサンプル経路内に配置されることと、光検出系が光検出器と信号の振幅および位相を測定するように構成された装置とを含むことと、光学的開口を含む半透明スクリーンがサンプルの近傍のサンプル経路内の区画のレベルに配置されることとを特徴とする。

これらの措置により、振幅および位相の観点での電磁場の特徴付けは、光学的開口のサイズだけに依存しかつ波長とは独立した空間分解能で取得可能となる。

非常に良好な空間分解能が特に取得可能になる。さらに、このような装置は拡張されたスペクトル範囲全体にわたり使用できるようになる。信号の振幅はこのような装置により増幅できるようになり、低振幅の対象の信号の場合特に有益となる。

本発明の好適な実施形態では、さらに以下の措置のうちの１つおよび／またはその他に頼ることが任意選択的に可能である：
− 光源はサンプル自体であり、サンプルはまた、ビームを分岐するように構成された手段である；
− 光源、ビームを分岐するように構成された手段およびサンプルは３つの別個の要素であり、前記第２のサンプル経路はサンプルを含む；
− ビームを分岐するように構成された手段はビーム分岐器である；
− 信号の振幅および位相を測定するように構成された装置は同期検波装置である；
− 変調系は第１の変調手段を含み、前記第１の基準経路または前記第２のサンプル経路のいずれか一方は前記第１の変調手段を含み、前記第１の変調手段は前記第１のビームまたは第２のビームの電磁場をそれぞれ周波数変調するように構成され、第１の変調手段は、２つの経路のそれぞれのビームに対応する電磁場のそれぞれの周波数間の周波数偏移δを実現するように構成される；
− 変調系は第１の変調手段と第２の変調手段とを含み、前記第１の基準経路は前記第１の変調手段を含み、前記第１の変調手段は第１のビームの電磁場を周波数変調するように構成され、前記第２のサンプル経路は前記第２の変調手段を含み、前記第２の変調手段は第２のビームの電磁場を周波数変調するように構成され、第１および第２の変調手段は２つの経路のそれぞれのビームに対応する電磁場のそれぞれの周波数間の周波数偏移δを実現するように構成される；
− 前記第２の変調手段は、サンプル経路のビームの進行の順序でサンプルに先行する；
− サンプルおよび半透明スクリーンの光学的開口は互いに移動されるように構成される；
− サンプルは、固定光学的開口に対してサンプルを移動するように構成された移動系（ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ）に搭載される；
− 移動系は圧電系である；
− 光学的開口は半透明スクリーンの空区画である；
− 光学的開口は半透明スクリーンの区画であり、周波数ω／２πにおいて透明である；
− 装置は、第２のビームが収集系へ向かうその行程において任意の順序でサンプルと半透明スクリーンとを通過するように幾何学的に配置され、装置は、第１および第２のビームがビーム結合器のレベルで収集され得るように幾何学的に配置される；
− 装置は、第２のビームがサンプルの表面で反射し、収集系方向へ向かう前に任意の順序で半透明スクリーンを通過するように、幾何学的に配置され、装置は、ビーム結合器のレベルで第１のおよび第２のビームが収集され得るように幾何学的に配置される；
− 光検出器は単一チャネル検出器である；
− 光学的開口は原子間力顕微鏡のカンチレバーの先端部の端に設置される。

本発明はまた、サンプルの区画の電磁界を振幅および位相の観点で特徴付けるための光検出方法であって、その電磁場がビームを第１の経路（基準経路と称される）を画定する第１のビームと第２の経路（サンプル経路と称される）を画定する第２のビームとに分割する角周波数ωを有する光ビームを発射する工程と、サンプル経路上に、サンプルと、サンプルの近傍の区画のレベルに配置された光学的開口を含む半透明スクリーンとを配置する工程と、２つのビームの電磁場を周波数δだけ周波数偏移する工程と、２つの経路から発生するビームを収集する工程と、２つの経路から発生し前記ビーム結合器を介し結合されるビーム間の干渉から発生する信号を検出する工程と、サンプルの区画の電磁場の振幅および位相を導出する工程と、を含む方法に関する。

本発明の他の特徴および利点は、添付図面に関してその実施形態のうちの１つの非限定的例により与えられる以下の説明の過程で明らかになる。

本発明の原理を示す。 装置がＡＦＭ先端部内に組み込まれる場合を示す。 本発明の第１の実施形態を示す。 本発明の第２の実施形態を示す。 本発明の第３の実施形態を示す。 本発明の第４の実施形態を示す。 本発明の第５の実施形態を示す。 本発明の実用化を示す。

様々な図面では、同じ参照符号は同一または同様な要素を示す。

本発明の装置１０では、入射光ビームは２つの異なる経路７０、８０に沿って進行する２つの光ビームに分岐され、２つの信号は既知周波数だけ位相偏移され、２つの信号の一方は撮像対象サンプル１に影響を与える。サンプルはサンプル経路７０内に配置される。サンプル保持器３０により保持されたサンプル１は、波長より大きいサイズであり光学的開口２０を含む半透明スクリーン２に対向して配置され、前記スクリーンは光学的開口周囲の光を効果的に遮断し、光学的開口を通過する光だけが検出系へ到達する。２つの経路から発生する信号はその後干渉し、この干渉信号は、サンプル１の光学的開口２０に対向して配置された区画の近傍に存在する電磁場の振幅および位相の画像を干渉信号から導出するように構成された検出系５０により検出される。サンプル１および半透明スクリーン２は、サンプル１の様々な区画が半透明スクリーン２の光学的開口２０に連続的に対向して配置され撮像されるように互いに移動される。半透明スクリーン２内の光学的開口２０により撮像される区画の空間的選択が、サンプル１の画像を空間的に分解できるようにする、すなわち、測定された振幅および位相が割り振られるサンプル１の区画を識別できるようにする。これは、例えば固定されたスクリーン２に対するサンプル保持器３０の移動または固定されたサンプル保持器３０に対するスクリーン２の移動を引き起こし得る。以下の説明を通して、スクリーン２が固定されるということとサンプル保持器３０がサンプル１を移動する（したがって、サンプル保持器は移動系３である）ということが考えられる。

半透明スクリーン２は、第２のサンプル経路７０の第２のビームの進行の順序でサンプル１の前または後ろに配置されることができるようになる。以下の説明を通して、サンプル１が第２のビームの進行の順序でスクリーン２の前に配置される場合が考慮されることになる。第２のビームおよび開口は少なくとも粗くアライメントされる必要がある（特にビームが狭ければ）。

より正確には、図１ａに示すように、源９から出ると、入射光ビームは、ビームを分割するように構成された手段９１により２つの経路７０、８０に分岐される。変調系７８は、各経路に沿って進行するビームの電磁場間の周波数偏移δ（２つの経路間の周波数δにおける時間的ビート）を実現する。

変調系７８は、例えば経路７０、８０のそれぞれの上にそれぞれ配置された変調手段７、８を含む。これらの変調手段７、８は、各経路に沿って進行するビームの電磁場間の周波数偏移δ（２つの経路間の周波数δにおける時間的ビート）を実現する。源から発生する光場が角周波数ωを有し、変調手段７、８が、基準経路８０の電磁場とサンプルを含む経路（サンプル経路７０と称される）の電磁場とをそれぞれ周波数ｆおよびｆ＋δにおいて変調する場合、サンプル経路７０内の電磁場は例えば次の形式のものである：

ここで、Ｅ_ｅｃｈはサンプル経路７０内の電磁場の振幅であり、Φ_ｅｃｈはサンプル経路７０内の電磁場の位相である。

基準経路内の電磁場は例えば次の形式のものである：

ここで、Ｅ_ｒｅｆは基準経路８０内の電磁場の振幅であり、Φ_ｒｅｆは基準経路８０内の電磁場の位相である。

ヘテロダイン検波は、サンプルに影響を与える対象の光ビームと基準経路を横断する第２の光ビームとを光検出器５上で干渉させることと、次にオシロスコープまたは遅い取得系の助けを借りて振幅および位相を判断することとにその本質がある。

したがって、検出器５から出るときの強度Ｉはこれらの２つの信号の干渉に対応し、次の形式を有する：

検出器５から出る周波数δにおいて同期検波装置６の助けを借りて強度を復調することにより、サンプルを通過する電磁場の振幅Ｒおよび位相Φが抽出され、これらは下記式により与えられる：

振幅Ｒは、サンプル１を通過する検出された電磁場の振幅に比例し、位相Φは、付加定数（−φ_ｒｅｆ＋ｃｓｔ）（ここでｃｓｔは定数である）内で研究対象電磁場の位相Φ_ｅｃｈに等しい。

したがって、この情報は、光学的開口に入る光に限定され、残りはスクリーンにより阻止されるので局所的である。光学的開口により穿孔されたスクリーンは例えば光学的開口を有するカンチレバーである。

同期検波の代案として、振幅および位相は、例えばオシロスコープまたは十分に高速なアナログディジタル変換器の助けを借りて、解析対象信号に同じ周波数の既知信号を掛けることにより得られることができるようになる。

変形形態として、変調系７８は第１の変調手段８だけを含み得る。前記第１の基準経路８０または前記第２のサンプル経路７０のいずれか一方は前記第１の変調手段８を含み、前記第１の変調手段８は前記第１のビームまたは第２のビームの電磁場をそれぞれ周波数変調するように構成される。第１の変調手段８は２つの経路のそれぞれのビームに対応する電磁場のそれぞれの周波数間で周波数偏移δを実現するように構成される。

開口２０を含む半透明スクリーン２は、撮像対象区画を選択するようにサンプル１に対して移動され得る。移動系３は半透明スクリーン２に対するサンプル１の相対移動を可能にする。収集系４０は、半透明スクリーン２の両側で光ビームを収集できるようにする。例えば、サンプル１は移動され、サンプル経路７０内の開口２０とビームとがアライメントされる。開口２０は、サンプル１を照射するビームの寸法より実質的に小さい寸法を有することになる。

この移動は、波長ではなく開口２０のサイズだけに依存する解像度を有する電磁場の振幅および位相パラメータの空間的変動にアクセスできるようにする。

図２に示すように、ビームを分割するように構成された手段９１は、源から発生する光ビームが送信されるビーム分岐器であり得る。光ビームの行程に沿って配置されたミラーは、それぞれの経路のビームを方向付けることを可能にする。使用される変調手段７、８は、変調器（特に音響光学変調器）であり得るが、また振幅、位相またはマッハ・ツェンダー変調器などの他のタイプの変調器であり得る。周波数ｆは例えば８０メガヘルツ（ＭＨｚ）であり、周波数偏移δは例えば１キロヘルツ（ｋＨｚ）である。収集系はサンプル経路７０内の光ビームの軌道上に配置され得、収集系は、サンプルを通過する前にまたは検出器に向かうその軌道内の開口２０から出ると分散ビームに方向を与えるように構成される。源は例えばレーザ源であり得る。収集系は例えばレンズ４０である。検出器は例えばフォトダイオードまたは例えば単一チャネル検出器である。

２つの経路７０、８０から発生する光ビームは、ビーム結合器９２を介し再合成され得る。サンプル１は、サンプル１が設置される移動系３（これはサンプル保持器３０を必然的に伴う）を介し、開口２０を含む半透明スクリーン２に対して移動される。並進系（ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ）は例えば圧電系である。変形形態として、並進系は、特にマイクロ波アプリケーションなどの長波長へのアプリケーションに対しては、電気モータを備えた並進ステージの系であり得る。半透明スクリーン内の開口２０は特に直径Ｄ_ｏｕｖを有する。これは、対象の電磁場の周波数において透明または半透明である孔または区画を必然的に伴い得る。半透明スクリーンは例えば開口により穿孔されたスパー（ｓｐａｒ）である。開口のサイズは例えば波長より小さいかもしれない。開口は例えば、図１ｂに示すように原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）のカンチレバー２の先端部２００の端に設置され得る。開口は、先端部２００とカンチレバー２とを同時に貫通することにより作られ、その結果、先端部２００の端に位置する光が先端部２００とカンチレバー２とを通過し得る。この技術は、例えばＡＦＭカンチレバーの場合は局所走査プローブ３１の技術と結びつけられ得る。

ＡＦＭの先端部の端に作られたサブ波長サイズ（Ｄ_ｏｕｖ＜λ）の開口の場合、サンプルの表面上の近接場区画内の先端部（近接場へのアクセスのためにｄ＜λとなるようにサンプルから距離ｄの開口）の走査は、サンプルの表面上の近接場の振幅および位相の超解像度画像へのアクセスを与える。この場合、対象のビームの強度は、光がその波長より小さなサイズの開口を通過しなければならないので、非常に低いかもしれない。ヘテロダイン計測は対象の光ビームを増幅する重大な役割を果たすことになる。ヘテロダイン増幅は、非常に低い強度の対象のビームとはるかに大きな強度の基準ビームとをビーム結合器９２を介し光検出器上で干渉させることにその本質がある。これらの光信号間のコヒーレンスは、対象のビームの振幅と基準ビームの振幅との比により与えられる係数だけ対象のビームを増幅することを可能にし、したがって対象のビームの振幅および位相へのアクセスを与える一方で対象のビームをより容易に測定可能にする。サンプル１はいかなる振動へも晒されてはならない。

以下の４つの実施形態では、前記第２の変調手段７は、サンプル経路７０のビームの進行の順序でサンプル１に先行する。

第１の実施形態では、装置１０は自由空間内に搭載される。図２に示す場合では、レーザ９は光ビームを発射し、光ビームは次の２つの経路に対応する２つの光ビームにビーム分岐器９１により分岐される：
・ビームが第１の変調器８を通過する基準経路８０：第１の変調器８は周波数ｆで通過するビームの電磁場を変調し、ビームは次にビーム結合器９２の方向に第１のミラー８１により反射される、
・第２のミラー７１を含むサンプル経路７０：ビームは、その後第２の変調器７を通過するように前記第２のミラー７１により反射され、第２の変調器７は周波数ｆ＋δにおいてビームの電磁場を変調し、ビームはその後第１の収集系４１を通過し、次にビームはサンプル１を通過し、ビームはサンプル１が延伸する方向にほぼ垂直な方向を有し、サンプルの反対側の半透明スクリーンの開口２０から発生するビームはビーム結合器９２により収集されるように第２の収集系４０を通過する。

サンプル経路７０から発生するビームと基準経路８０から発生するビームは干渉し、干渉信号は検出器５により収集される。検出された信号は、上記で説明されたヘテロダイン検波の物理的原理に従って位相ΦおよびモジュラスＲを抽出するように構成された同期検波装置６へ送信される。特に、サンプル１に到達し半透明スクリーンの開口２０から出るビームの行程は自由空間内で発生する。

この実施形態の変形として、開口２を含む半透明スクリーンはサンプルの「前に」配置され得る、すなわち、変調器７から発生するビームは、サンプルを通過する前に、開口２０を含む半透明スクリーンを最初に通過する。

装置１０のこの実施形態では、本系は半透明サンプルで動作する。移動系３は、ビームが通過することを可能にするためにも少なくとも部分的に半透明でなければならない。

図３に示される第２の実施形態では、装置１０は部分的にファイバー化されたバージョンのものである、換言すると装置１０の構造は以前の実施形態と似ているが、各経路内の光ビームの一部はケーブルにより送信される。特に、サンプル１に到達し半透明スクリーンの開口２０から出るビームの行程は自由空間内で発生する。

この実施形態の変形として、開口２０を含む半透明スクリーンはサンプルの「前に」配置され得る、すなわち、変調器７から発生するビームは、サンプルを通過する前に、開口２０を含む半透明スクリーンを最初に通過する。

装置１０のこの実施形態では、本系は半透明サンプルで動作する。移動系３は、ビームが通過することを可能にするためにも少なくとも部分的に半透明でなければならない。

図４に示す第３の実施形態では、光源９は光ビームを発射し、光ビームは次の２つの経路に対応する２つの光ビームにビーム分岐器９１により分岐される：
・ビームが第１の変調器８を通過する基準経路８０：第１の調器８は周波数ｆで通過するビームの電磁場を変調し、ビームは次に第２のビーム分岐器９２の方向に第１のミラー８１により反射される、
・第２のミラー７１を含むサンプル経路７０：ビームはその後第２の変調器７を通過するように前記第２のミラー７１により反射され、第２の変調器７は周波数ｆ＋δにおいてビームの電磁場を変調し、その後ビームは第３のミラー７２により再び反射され、このように反射されたビームはサンプル１の延在方向にほぼ平行な方向を有し（ビームの斜め入射、開口２０のレベルで散乱された電磁場はサンプル１を通過する）、その後ビームは、第１の収集系４１を通過し、次にサンプル１にほぼ垂直な方向に部分的に透過されるとともにサンプル１により部分的に反射されるようにサンプル１を通過し、サンプルの反対側の半透明スクリーン２の開口２０から発生するビームは、その後ビーム結合器９２により収集されるように第２の収集系４０を通過する。

サンプル経路７０から発生するビームと基準経路８０から発生するビームは干渉し、干渉信号は検出器５により収集される。検出された信号は、上記で説明されたヘテロダイン検波の原理に従って位相ΦおよびモジュラスＲを抽出するように構成された同期検波装置６へ送信される。このような構成は、一体化導波管の場合に特に明らかであり、このとき、電磁場は面電磁場（ａｒｅａｌ ｆｉｅｌｄ）だけであり、注入は導波管の入口のレベルにおいて横方向に行われる。

装置１０のこの実施形態では、本系は半透明サンプルで動作する。移動系３は、ビームが通過することを可能にするためにも少なくとも部分的に半透明でなければならない。特に、サンプル１に到達し半透明スクリーンの開口２０から出るビームの行程は自由空間内で発生する。

第２の実施形態のように部分的にファイバー化されたバージョンの場合の図５に示す第４の実施形態では、レーザ９は光ビームを発射し、光ビームは次の２つの経路に対応する２つの光ビームにビーム分岐器９１により分岐される：
・ビームが第１の音響光学変調器８を通過する基準経路８０：第１の音響光学変調器８は周波数ｆで通過するビームの電磁場を変調し、次にビームはビーム結合器９２に向かって誘導される、
・ビームが第２の音響光学変調器７に向かって誘導されるサンプル経路７０：第２の音響光学変調器７はビームの電磁場を周波数ｆ＋δにおいて変調し、その後ビームはミラー７２により反射され、このように反射されたビームは第２のビーム分岐器７３により収集され、第２のビーム分岐器７３は、ビームを、サンプル１の延在方向にほぼ垂直な方向にサンプル１に向けられるビームに分岐するように構成され、前記ビームはサンプルにより反射され、反射されたビームは、第２のビーム分岐器７３によりに再収集され、ビーム結合器９２に直接向かって送信されるビームとなり、第２のビーム分岐器７３から発生する一組のビームがビーム結合器９２により収集される。

この実施形態では、以下の収集系４０、４１、４２はビームの行程中にビームを収集するために使用され得る：特に、ミラー７２に到達するビーム用の収集系４１、第２のビーム分岐器７３とサンプル１との間のビームの通路用の収集系４０、および第２のビーム分岐器７３を出たビームの行程用の収集系４２。

サンプル経路７０および基準経路８０から発生しビーム結合器９２により収集されるビームは干渉し、干渉信号が検出器５により収集される。検出された信号は、上記で説明されたヘテロダイン検波の物理的原理に従って位相ΦおよびモジュラスＲを抽出するように構成された装置６へ送信される。これは例えば同期検波装置を必然的に伴う。

装置１０のこの実施形態では、本系は逆反射モードで動作する、すなわち、本系は特に、不透明サンプル上で動作する。特に、サンプル１に到達し半透明スクリーンの開口２０から出るビームの行程は自由空間内で発生する。

この実施形態の変形として、サンプルに入射するビームはまた、サンプル１に斜め入射する可能性がある。

図６に示す第５の実施形態では、光源９はサンプル１自体であり、サンプル１はまた、ビームを分岐するように構成された手段９１である。サンプル１は例えば半導体レーザであり得、このとき放射源である。半導体レーザは、基準経路８０と称される経路においてその端を通る伝搬電磁場を発射し、この電磁場は、サンプル経路７０と称される経路内のその表面上で測定される。特に、サンプル１に到達し半透明スクリーンの開口２０から出るビームの行程は自由空間内で発生する。

図７は、その注入がマイクロレンズ化ファイバーの助けを借りて横方向に発生する受動導波管の表面上の電磁場の振幅および位相を研究するのに好適な本発明の実用化を示す。装置１０は、圧電ステージと、カンチレバー１７上に開口を有する先端部を有するプローブとを含むＳＮＯＭ顕微鏡を含む。同調可能レーザ源９は、単一モードファイバー１１内に結合された１４９０ｎｍ〜１６５０ｎｍの間の任意に固定された波長の単色ビームを発射する。ファイバー化結合器９０は、ビームを２つの経路（サンプル経路７０および基準経路８０）内に分岐することを可能にする。各経路７、８上に存在するファイバー化音響光学変調器は、周波数δの２つの経路間の時間的ビートを誘導することを可能にする。マイクロレンズ化ファイバー１２はビーム収集系として、ビームをサンプル（すなわち受動導波管１３）の入口において収束させるようなやり方でサンプル経路へ接続される。導波管１３は、移動系の役割を果たす圧電ステージ１４上に配置される。開口を有する半透明スクリーンの役割を果たすプローブ１７は、受動導波管１３内で伝播する電磁場のエバネッセント（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔ）部分のナノ開口を介した送信のためにサンプルの表面上で検出される信号を送信する。ナノ開口の上の自由空間内で送信されたこの信号は、大きな開口数を有する対物レンズにより収集され、次に光ファイバー１６上に収束され、光ファイバー１６は第２のファイバー化結合器９３の助けを借りて基準経路と再結合される。結果信号はその後ファイバー化検出器５へ送信され、ここで基準電磁場とナノ開口により送信されたサンプルを通過する電磁場とが干渉する。本発明の一般原理によると、検出器により配送された電圧はその後、走査プローブにより探査された電磁場の振幅に比例した振幅と、この探査された電磁場の位相と付加定数内で等しい位相とを得るように周波数δにおいて同期検波の助けを借りて復調される。

導波管は、例えば波長より小さな横断寸法（横断方向断面２００×５００ｎｍ^２）のシリコン基板上のシリカ導波管である。

振幅測定に加えてアクセスが得られる位相Φは、光路について助言し、媒体の指標および走行距離に関する情報を同時に提供する。特に走行距離の変動に伴う散乱問題では、振幅Ｒおよび位相Φの測定は、電磁場の入力のモードと出力のモードとをリンクするサンプルの散乱行列にアクセスすることを可能にする。共振系の場合、位相Φはまた、発振器の性質に関する情報（プラズモンまたは空洞タイプ）を明らかにすることができることになる。

Claims (18)

1. サンプル（１）の区画の電磁場を振幅および位相の観点で特徴付けるための光検出装置であって、
   − その電磁場が角周波数ωを有する光ビームを発射するように構成された光源（９）と、
   − 前記ビームを第１の経路（基準経路（８０）と称される）を画定する第１のビームと第２の経路（サンプル経路（７０）と称される）を画定する第２のビームとに分割するように構成された手段（９１）と、
   − 前記２つのビームの電磁場を周波数δだけ周波数偏移する変調系（７８）と、
   − 前記２つの経路（７０、８０）から発生するビームを収集するように構成されたビーム結合器（９２）と、
   − 前記２つの経路（７０、８０）から発生し前記ビーム結合器（９２）を介し結合するビーム間の干渉から発生する信号を検出するように構成された光検出系（５０）と、を含む光検出装置において、
   − 前記サンプルは前記サンプル経路（７０）内に配置され、
   − 前記光検出系（５０）は、光検出器（５）と、前記信号の振幅および位相を測定するように構成された装置（６）とを含み、
   − 光学的開口（２０）を含む半透明スクリーン（２）は、前記サンプル（１）の近傍の前記サンプル経路（７０）内の区画のレベルに配置され、
   − 少なくとも１つの収集系（４０）が、前記光ビームを収集するように構成され、前記半透明スクリーン（２）の少なくとも片側に配置され、前記光ビームは、前記光学的開口（２０）と前記収集系（４０）との間の少なくとも行程内の自由空間内で伝播する
   ことを特徴とする、装置。
2. 前記光源（９）は前記サンプル（１）自体であり、前記サンプル（１）はまた、前記ビームを分岐するように構成された手段（９１）である、請求項１に記載の装置。
3. 前記光源（９）、前記ビームを分岐するように構成された前記手段（９１）、および前記サンプル（１）は、３つの別個の要素であり、前記第２のサンプル経路（７０）は前記サンプル（１）を含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記ビームを分岐するように構成された前記手段はビーム分岐器（９１）である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記信号の前記振幅および前記位相を測定するように構成された前記装置は同期検波装置である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記変調系（７８）は第１の変調手段（８）を含み、
   前記第１の基準経路（８０）または前記第２のサンプル経路（７０）のいずれか一方は前記第１の変調手段（８）を含み、
   前記第１の変調手段（８）は前記第１のビームまたは第２のビームの電磁場をそれぞれ周波数変調するように構成され、
   前記第１の変調手段（８）は、前記２つの経路のそれぞれの前記ビームに対応する前記電磁場のそれぞれの周波数間の周波数偏移δを実現するように構成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記変調系（７８）は、
   第１の変調手段（８）であって、前記第１の基準経路（８０）は前記第１の変調手段（８）を含み、前記第１の変調手段（８）は前記第１のビームの前記電磁場を周波数変調するように構成された、第１の変調手段（８）と、
   第２の変調手段（７）であって、前記第２のサンプル経路（７０）は前記第２の変調手段（７）を含み、前記第２の変調手段（７）は前記第２のビームの電磁場を周波数変調するように構成され、前記第１および第２の変調手段（７、８）は前記２つの経路のそれぞれの前記ビームに対応する前記電磁場の前記それぞれの周波数間の前記周波数偏移δを実現するように構成される、第２の変調手段（７）とを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記第２の変調手段（７）は前記サンプル経路（７０）の前記ビームの進行の順序で前記サンプル（１）に先行する、請求項１、または請求項３〜５、または請求項７のいずれか一項に記載の装置。
9. 前記サンプル（１）および前記半透明スクリーン（２）の前記光学的開口（２０）は互いに移動されるように構成される、請求項１〜８のいずれか一項に記載の装置。
10. 前記サンプル（１）は、前記固定光学的開口（２０）に対して前記サンプル（１）を移動するように構成された移動系（３）に搭載される、請求項９に記載の装置。
11. 前記移動系（３）は圧電系である、請求項１０に記載の装置。
12. 前記光学的開口（２０）は前記半透明スクリーン（２）の空区画である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記光学的開口（２０）は前記半透明スクリーン（２）の区画であり、前記区画は周波数ω／２πにおいて透明である、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記第２のビームが、前記収集系（４０）へ向かうその行程において前記サンプル（１）および前記半透明スクリーン（２）を任意の順序で通過するように幾何学的に構成され、前記第１および第２のビームが前記ビーム結合器（９２）のレベルにおいて収集され得るように幾何学的に配置された、請求項１または請求項３〜１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記第２のビームが、前記サンプル（１）の表面で反射し、前記収集系（４０）の方向へ向かう前に任意の順序で前記半透明スクリーン（２）を通過するように、幾何学的に配置され、前記第１および第２のビームが前記ビーム結合器（９２）の前記レベルにおいて収集され得るように幾何学的に配置された、請求項１または請求項３〜１３のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記光検出器（５）は単一チャネル検出器である、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の装置。
17. 前記光学的開口は原子間力顕微鏡のカンチレバー（２）の先端部（２００）の端に設置される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の装置。
18. サンプル（１）の区画の電磁場を振幅および位相の観点で特徴付ける光検出方法であって、前記方法は、
    − その電磁場が角周波数ωを有する光ビームを発射する工程と、
    − 前記ビームを第１の経路（基準経路（８０）と称される）を画定する第１のビームと第２の経路（サンプル経路（７０）と称される）を画定する第２のビームとに分割する工程（９１）と、
    − 前記サンプル経路（７０）上に、サンプル（１）と、前記サンプル（１）の近傍の区画のレベルに配置された光学的開口（２０）を含む半透明スクリーン（２）とを配置する工程と、
    − 前記２つのビームの電磁場を周波数δだけ周波数偏移する工程と、
    − 前記２つの経路（７０、８０）から発生するビームを収集する工程であって、前記ビームは、前記光学的開口（２０）と前記サンプル経路上に配置された収集系（４０）との間の少なくとも行程における自由空間内に伝播する前記サンプル経路（７０）から発生する、工程と、
    − 前記２つの経路（７０、８０）から発生し前記ビーム結合器（９２）を介し結合するビーム間の干渉から発生する信号を検出する工程と、
    − 前記サンプル（１）の区画の前記電磁場の振幅および位相を導出する工程と、を含む方法。

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