专利名称：近场光学虚拟光探针的制作方法
技术领域：
本发明属于近场光学、纳米光学技术领域，特别涉及倏逝场的干涉叠加形成约束光场以及纳米尺度近场光学虚拟光探针的设计。
本发明提出并设计了一种近场光学虚拟光探针，其包括两种具有不同折射率的介质及在这两种介质的界面处设置的一个小孔光阑。利用入射角大于临界角的两束或者多束有限尺寸的平行光，也可以是空心光锥光束，在两种介质的界面处发生全反射，由此产生的倏逝场间的干涉叠加形成约束光场，该约束光场的中心峰在波长深度空间范围内不会向外发散，形成纳米光柱，成为纳米尺度近场光学虚拟光探针。
所说的小孔光阑是用于产生有限尺寸的平行光或空心光锥光束，光阑的形状可以是圆形、方形、环形或其它特殊形状的孔径，如匚形、工形、半圆环形、C形等。光阑的孔径轮廓尺寸范围为0.5μm～3μm。光阑的材料可包括金、铝、银等材料或者其它能形成微孔的材料，厚度为5nm～200nm。
所说的空心光锥光束，可通过环形光束经大数值孔径的聚焦物镜聚焦于两种介质的界面，在两种介质的界面处形成满足全反射条件的空心光锥光束。所用的环形光束可以由环形光阑、双锥面反射、双锥面折射、全息方法等获得。
所说的倏逝场是由两束、多束有限尺寸的平行光或空心光锥光束在两种介质的界面处发生全反射而产生的，存在于两种介质的界面附近的一个波长范围内。这些具有不同方向的倏逝场间的干涉叠加形成了约束光场。
本发明是基于近场光学倏逝场干涉叠加原理设计制作的。近场光学虚拟光探针的形成可以分为以下过程来理解(一)在两种具有不同折射率的介质的界面处，当入射角大于临界角的光束从光密介质射入光疏介质时，在界面处发生全反射，产生倏逝场，其中相向行波倏逝场的干涉叠加使光场重新分布，此光场具有多级次多峰值特征。(二)在界面处设置适当尺寸的小孔光阑，形成约束光场，其对称中心处出现极大增强场，形成中心峰，它在波长距离内不向外发散而形成纳米光柱，即光场分布的中心峰的半高宽(Full Width at Half Maximum，FWHM)在波长深度空间内不随距离的变化而变化，但能量将随距离的增大而衰减，成为近场光学虚拟光探针。其原理示意图如
图1所示，1为折射率为1的空气，2为折射率为n(n＞1)的介质，3为入射角θi大于临界角θc(θc＝arcsin(1/n))的两束受限入射光，4为由全内反射激发的倏逝场干涉叠加产生的光场分布。这种光场分布的半高宽在一定范围内不随距离Z的变化而变化。其中，光场分布中旁瓣与中心峰的相对值受到小孔光阑的孔径尺寸及形状、两种介质的相对折射率等因素的影响。另外，约束光场分布受入射光波波长、偏振态、入射角度、系统的有效数值孔径、小孔光阑的形状及尺寸、两种介质的折射率差等因素的影响。
本发明的这种近场光学虚拟光探针，其通光效率为10-2量级，是普通的纳米孔径光纤探针的通光效率的102～104倍；其光场分布的中间峰的半峰值宽度(即虚拟光探针的尺寸)在波长深度空间范围内基本保持不变，其范围为100nm～300nm。与一般近场光学系统相比，这种近场光学虚拟光探针大大放宽了对近场纳米间距的控制要求，从10～50nm扩展到100～600nm，易于控制；分辨率高于衍射极限；工艺上比光纤式纳米探针容易实现，而通光效率比普通纳米孔径光纤探针提高了102～104倍；更易于与传统光学显微镜结合使用。
本发明的近场光学虚拟光探针可应用于近场光学光谱探测、近场光学数据存储、近场光刻、近场光学光操作等领域。
附图简要说明图1为近场光学虚拟光探针的原理示意图。
图2为本发明的计算模型示意图。
图3为图2中的小孔光阑几何形状图。
图4、5、6为本发明的计算模型的光场分布图。
图7为本发明的计算模型的通光效率随圆形小孔光阑的直径的变化曲线。
图8为本发明的计算模型的中间峰的半高宽随距离的变化曲线。
图9为本发明的计算模型的中间峰的峰值强度随距离的变化曲线。
图10为本发明的实施例1采用等腰直角三角形棱镜的近场光学虚拟光探针系统的组成原理图。
图11为图10中的小孔光阑几何形状图。
图12为本发明的实施例2采用半球形固体浸没透镜的近场光学虚拟光探针系统的组成原理图。
图13为图12中的小孔光阑几何形状图。
实施例1为采用等腰直角三角形棱镜的近场光学虚拟光探针系统，其原理结构如图10所示。该系统主要是由如图10所示的放置在空气15中的等腰直角三角形棱镜13和位于棱镜与空气界面处的方形小孔光阑14组成。等腰直角三角形棱镜的两个锐角θ均为45度，斜边的长度为1cm，棱镜厚度为0.7cm。棱镜材料采用折射率n＝1.5163的K9玻璃。在棱镜的斜面上镀一层厚度为100nm的银膜，在膜层中央开有方孔16，即形成了方形小孔光阑14。其截面图如图11所示，17为金属膜，18为方形小孔，其长L、宽H均为1.5μm。当两光束直径为0.5cm的平行激光光束12(波长为690nm)垂直于棱镜13的直角边入射时，受方形小孔光阑14限制的两光束在棱镜的斜边与空气15的交界面上发生全反射，产生倏逝场，其中相向行波倏逝场的干涉叠加使光场重新分布，形成约束光场，其对称中心处出现极大增强场，形成中心峰，它在波长距离内不向外发散而形成纳米光柱，成为近场光学虚拟光探针。
实施例2为采用半球形固体浸没透镜的近场光学虚拟光探针系统，其原理结构如图12所示。该系统主要是由如图12所示的环形光阑21、聚焦物镜22、半球形固体浸没透镜(SIL)23以及方形小孔光阑24组成。半球形固体浸没透镜采用折射率为1.8的ZF6玻璃制作，其半径为1mm。在固体浸没透镜的底面上镀一层厚度为150nm的金膜，在膜层中央开有方孔25，即形成了方形小孔光阑24。其截面图如图13所示，29为金属膜，30为方形小孔，其长L、宽H均为1.5μm。环形光阑21置于聚焦物镜前，其中心的圆形挡光部分20位于光束中心，直径为2mm，将通过聚焦物镜后入射角小于全反射角的光束挡掉。聚焦物镜选用OLYMPUS的长工作距物镜(ModelLMPLFL100X)，其工作距为3.2mm，数值孔径为0.8。光束直径为4～5mm的入射平行激光光束19(波长为488nm)经环形光阑21后转换为环形光束，再经大数值孔径的聚焦物镜22聚焦于固体浸没透镜23的底面，在底面，即固体浸没透镜与空气26的界面处，形成满足全反射条件的空心光锥光束，它受到小孔光阑24的限制。因此，由全反射产生的倏逝场，中的相向行波倏逝场干涉叠加，形成约束光场，其对称中心处出现极大增强场，形成中心峰，它在波长距离内不向外发散而形成纳米光柱，成为近场光学虚拟光探针。若将记录介质27放置在距离固体浸没透镜底面100～500nm(虚拟探针的有效距离)距离范围内，可以实现近场光学数据存储、近场光刻等操作。记录介质可以是光刻胶、有机染料、相变材料等。记录材料一般要涂覆于玻璃、PMMA、硅片等基底28上。
权利要求
1.一种近场光学虚拟光探针，其特征是在两种具有不同折射率的介质界面处设置一个小孔光阑，使得入射角大于临界角的入射光束发生全反射时产生的倏逝场干涉叠加形成约束光场，该约束光场的中心峰在波长深度空间内不会向外发散，形成纳米光柱，成为纳米尺度近场光学虚拟光探针。
2.根据权利要求1所述的近场光学虚拟光探针，其特征是所说的入射角大于临界角的光束是一束以上的有限尺寸的平行光。
3.根据权利要求1所述的近场光学虚拟光探针，其特征是所说的入射角大于临界角的光束是满足全反射条件的空心光锥光束。
4.根据权利要求1所述的近场光学虚拟光探针，其特征是所说的小孔光阑，光阑的形状是圆形的，光阑的孔径轮廓尺寸范围为0.5μm～3μm，光阑的材料可包括金、铝、银等材料或其它能形成微孔的材料，厚度为5～200nm。
5.根据权利要求1所述的近场光学虚拟光探针，其特征是所说的小孔光阑，光阑的形状是方形的，光阑的孔径轮廓尺寸范围为0.5μm～3μm，光阑的材料可包括金、铝、银等材料或其它能形成微孔的材料，厚度为5～200nm。
6.根据权利要求1所述的近场光学虚拟光探针，其特征是所说的小孔光阑，光阑的形状是环形的，光阑的孔径轮廓尺寸范围为0.5μm～3μm，光阑的材料可包括金、铝、银等材料或其它能形成微孔的材料，厚度为5～200nm。
7.根据权利要求1所述的近场光学虚拟光探针，其特征是所说的小孔光阑，光阑的形状是匚形的，光阑的孔径轮廓尺寸范围为0.5μm～3μm，光阑的材料可包括金、铝、银等材料或其它能形成微孔的材料，厚度为5～200nm。
8.根据权利要求1所述的近场光学虚拟光探针，其特征是所说的小孔光阑，光阑的形状是工形的，光阑的孔径轮廓尺寸范围为0.5μm～3μm，光阑的材料可包括金、铝、银等材料或其它能形成微孔的材料，厚度为5～200nm。
9.根据权利要求1所述的近场光学虚拟光探针，其特征是所说的小孔光阑，光阑的形状是C形的，光阑的孔径轮廓尺寸范围为0.5μm～3μm，光阑的材料可包括金、铝、银等材料或其它能形成微孔的材料，厚度为5～200nm。
全文摘要
一种近场光学虚拟光探针,属于近场光学、纳米光学技术领域。本发明设计了一种近场光学虚拟光探针,是在两种具有不同折射率的介质界面处设置一个小孔光阑,使得入射角大于临界角的入射光束发生全反射时产生的倏逝场干涉叠加,形成约束光场,该约束光场的中心峰形成近场光学虚拟光探针。其通光效率为10
文档编号G02B27/09GK1367395SQ0210407
公开日2002年9月4日 申请日期2002年3月8日 优先权日2002年3月8日
发明者王佳, 洪涛, 孙利群, 许吉英, 田芊 申请人:清华大学