专利名称：利用径向偏振辐射的、用于穿过小孔径的增强的光学传输的设备和方法
技术领域：
本发明涉及由权利要求1的前序部分限定的用于增强的光学传输的设备。
本发明还涉及权利要求19中所限定的用于光学存储介质的读/写头、权利要求20中所限定的近场光学扫描显微镜以及权利要求21中所限定的强辐射源。
本发明还涉及权利要求22中所限定的用于增强的光学传输的方法。
背景技术：
在近场光学装置领域中，如近场扫描显微镜和光学数据存储装置，利用次波长孔径(sub-wavelength aperture)来提高装置的分辨率通常是公知的。
穿过次波长孔径-甚至在平的金属板中传递的辐射的通过量非常低。当半径小于所使用的辐射的波长d＜＜λ时，穿过孔径传输的光功率的效率受限于贝特(Bethe)公式(λ/d)4。在此公式中，λ是辐射的波长，d是孔径中孔的直径。
因此，穿过次波长孔径的光学传输受到孔径直径的极大限制，这是显而易见的。
对于近场应用来讲，如近场光学显微镜或用于光学数据存储装置的读/写头，所实现的辐射的强度并不足以用于许多用途，而且导致记录载体的非常长的扫描时间(读和/或写)或近场光学显微镜中的非常长的观察时间。
通过将入射辐射耦合到表面等离子体(surface plasmon)-表面等离子体偏振的产生来增强穿过小孔如这些装置中的孔径的通过量通常是公知的。若这种耦合是谐振耦合，谐振耦合意味着辐射的波长与表面等离子体的波长相匹配，那么，电场就得到增强，从而导致传输的增强。
从几个专利申请和专利中得知利用一种板增强穿过这种次波长孔径的传输，这些专利申请和专利如US2003/0173501A1、EP1008870A1、US EP1128372A2和US6,236,033，这种板具有嵌入的孔径，这种孔径具有整齐构造的表面，该表面朝向辐射源。
US2003/0173501A1公开了一种用于增强的辐射传输的设备。这种设备包括金属板，这种金属板具有第一表面和第二表面，在金属膜中设有至少一个孔径，这种孔径从第一表面延伸到第二表面。
该至少一个孔径包括入口部分和出口部分，入口部分设置在金属膜的第一表面上，出口部分设置在金属膜的第二表面上，每个部分具有在对应的金属膜的平面中的截面积，其中，入口部分的截面积不等于出口部分的截面积。在金属膜的第一和第二表面中的至少一个上设有周期性表面形貌，这种周期性表面形貌包括多个表面面貌。
一种表面结构称为“牛眼图案”，这种“牛眼图案”包括压下的同心环，这些环同心布置在单孔径周围。包括同心圆环的表面面貌布置在朝向辐射源的表面上，其中，第二表面仅设有该单孔径。当辐射入射在带有同心圆环的表面上时，从位于第二表面的孔径传输具有增强强度的输出辐射。
根据表面等离子体在牛眼起皱时受激且这些表面等离子体穿过孔径传递能量的事实来说明增强的传输。
WO03/019249A2介绍了一种用于进一步地增强的光学传输的设备。在这种设备中，通过将表面形貌布置在金属板的表面上来提供方向性和发散控制，从该金属板表面引导输出辐射。虽然在US2003/0173501A1中所公开的设备的情形中所传输的辐射的角分布是同向性的，但在WO03/019245A2中所公开的实施例中，所传输的辐射的角分布不是同向性的。
所传输的辐射的这种非同向性(non-isotropic)的角分布导致光学传输的进一步改善。一直以来通过调整表面面貌的几何形状和孔径的几何形状来实现光学传输的改善。缺点在于表面面貌的非常复杂的结构以及必须构造金属板的两个表面。
而且，所实现的强度仍不足以用于次波长孔径的许多用途。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种在开始的段落中所提及的类型的设备，这种设备避免了前面所描述的缺点。特别地，本发明的目的在于提供一种用于进一步增强光学传输的设备，这种光学传输总体上用于使用次波长孔径的应用中。
根据本发明，光学传输的进一步增强可通过在开始的段落中所提及的类型的设备来实现，这种设备包括产生径向偏振辐射的装置，这种径向偏振辐射入射在具有表面形貌的金属板的一个表面上，这样就导致辐射与等离子体的更加有效的耦合，从而导致光学传输的进一步增强。
本发明中的设备虑及表面等离子体的本质。
金属中的表面等离子体是在金属离子的核心周围振荡的电子气体密度的振动模式。表面等离子体描述特殊情形，在这种特殊情形中，电荷约束到金属的表面。在这种情况下，电场在金属表面的平面中最强。约束到平面的等离子体并不发光。不过，当局部对称受到干扰时，等离子体可以发光。来自金属表面中的缺陷的表面等离子体发射是公知的并且在几种出版物中进行了描述，因此在本说明书中不再进行详细描述。表面形貌的周期图案称为表面面貌，在保持能量和动量守恒时，这种表面面貌提供入射辐射到表面等离子体模式的耦合。然后，在孔即孔径周围的电场的共振增强导致辐射传输强度的增强，这种强度远远大于贝特公式通常所预期的强度。表面等离子体具有平行于表面的波矢ksp的分量。因此，仅有垂直入射在该表面上的辐射可更加有效地耦合到表面等离子体。
在径向偏振的辐射中，沿着线将电场定向，这条线穿过辐射束的中心的对称轴延伸。因此，利用径向偏振辐射，电场矢量就会总是垂直于表面面貌，尤其是垂直于金属板的凹槽。
具有偏振方向的径向偏振辐射会最有效地耦合到等离子体并激活这些等离子体，这种偏振方向垂直于金属板的表面面貌，这种金属板包括孔径。与均匀偏振的辐射相反，径向偏振的辐射的优点是百分之百的辐射具有适当的电场来激活表面等离子体。
与现有技术中所使用的线性偏振的辐射相比，由于所有的辐射具有适当的极性，所以光学传输的效率可增加两倍。
下面将对次波长孔径的应用进行描述，以说明用于增强的光学传输的设备的工作原理。
用于增强的光学传输的设备结构将通过近场扫描显微镜的示例进行说明。近场扫描显微镜包括辐射源、用于产生径向偏振辐射的装置和具有第一表面和第二表面的金属板，其中，具有次波长尺寸的孔径从第一表面延伸到第二表面。
这两个表面中的至少一个配有周期性表面形貌。这些是本发明中用于增强的光学传输的设备的主要组成部分。这种设备通常安装在要求具有高分辨率的高光学传输的每种装置中，例如安装在近场显微或高密度光学数据存储装置中，或者安装在可使用这种设备的其它装置中。
金属板可用纯固体金属制成或可包括金属膜。包括金属膜的材料可以是任何导电材料，如任何金属，但可以不必是金属。例如，金属板可包括掺杂半导体并优选为铝、银或金。特殊的实施例是自支撑Ni膜，这种自支撑Ni膜具有300nm的厚度并在一侧用100nm的Ag层覆盖。当涉及金属板时，所有的这些实施例均包括在下面所进行的描述中。金属板具有至少一个孔径或孔。至少一个孔径包括入口部分和出口部分。孔径的入口部分布置在金属板的表面上，辐射会入射在该表面上，以使辐射穿过入口部分进入孔径并穿过出口部分离开孔径。金属板的至少一个表面包括周期性表面形貌，这一点将在下面进行描述。
孔径具有十分之几至几百nm的次波长尺寸。例如，在将具有633nm的波长的氖激光器用作辐射源时，优选的孔径的直径将为215nm。金属板还可在两个表面即第一表面和第二表面上均设有表面形貌结构。
与基本上光滑的表面相反，具有周期性表面形貌的表面是具有凸起和/或凹陷区域的任何表面，在这些表面中，这些区域以周期或以规则地重复的方式布置。表面形貌结构的一个实施例在图2中示出并将在下面进行描述。多个表面结构将会理解为形貌，尤其是设有多个圆柱形或半圆形凹陷处(下陷)的表面，这些下陷以周期方式布置在该表面上；设有多个圆柱形或半圆形凸出的表面，这些半圆形凸出以周期方式布置在该表面上；设有多个曲线形或线性凹槽的表面，这些凹槽以周期方式布置在该表面上；设有多个曲线形或线性凸出肋的表面，这些肋以周期方式布置在该表面上；设有多个凹入或凸出环的表面，这些环以周期方式(通常以同心方式)布置在该表面上，以及前面所描述的方式的任何组合。
一般来讲，周期性表面形貌并不包括设在金属板中的孔径。若有需要，也可提供多个这种孔径。
将会在下面使用术语“表面面貌”，以用于所描述的这些表面形貌，以在延伸穿过金属板的厚度的孔径之间进行区别。这些表面面貌将用于指表面上的凸出和表面中的凹陷，且并不完全延伸金属板的厚度，因此并不是孔径。例如，下陷、半圆形凸出、凹槽、环和键槽是表面面貌。还包括在内的会是金属板，这些金属板在一个或两个表面上具有不同于前面所提及的金属板的表面面貌。
孔径的几何形状也包括在入口部分和出口部分具有相同的直径的孔径或在入口部分和出口部分具有不同的直径的孔径。这就意味着入口部分的直径可大于出口部分的直径，反之亦然。
与金属板的至少一个表面的表面结构一致，入射在该表面上的辐射会将表面等离子体激活，这些表面等离子体将辐射的能量穿过孔径传递。利用径向偏振的辐射，辐射的电场矢量就会总是垂直于该表面。
表面等离子体具有平行于表面的波矢，这种波矢大于包围金属板的材料中辐射的波矢。因此，垂直入射在表面上的辐射可获得平行于表面的波矢的大的分量。所以，百分之百的辐射具有相对于金属板的表面的相同方向，或者，换言之，相对于激活表面等离子体的波矢的相同方向。
与任意偏振的辐射相比，具有垂直于表面的电场矢量方向的辐射的使用导致穿过孔径的传输倍增，在任意偏振的辐射中，仅有辐射的一半垂直入射在表面上。
根据本发明的优选实施例，用于产生径向偏振的辐射的装置包括用于发射辐射束的辐射源，优选这种辐射束线性偏振，用于产生径向偏振的辐射的装置还包括用于将线性偏振的辐射改变成径向偏振的辐射的装置。
优选辐射源是半导体激光器，这种半导体激光器发射具有符合该装置的要求的波长的辐射，该设备安装在该装置中。这些波长通常介于480nm与780nm之间。用于产生偏振的辐射的装置布置在该设备的光径中的辐射源之后。
径向偏振的辐射具有沿着线定向的电场矢量，该线延伸穿过辐射束的对称中心。有利的是，这种装置采用几种产生偏振的辐射束的方式。
根据另一个实施例，这种设备包括李氏(Lee)类型的二元光栅，以形成径向偏振的辐射。
在这种情况下，来自辐射源的辐射在进入孔径之前经过称为李氏类型二元光栅的次波长光栅。李氏类型二元光栅通常包括金属带，这种金属带包括10nm的Ti和60nm的Au，这些Ti和Au用光刻和升离技术(lift-off technique)淀积到500μm厚的GaAs晶片上。这两种制造这种装置的技术的优点在于它们都是人们所熟知的。
根据本发明的另一个实施例，来自辐射源的辐射经过四分之一波板，以形成径向偏振的辐射。
当线性偏振的辐射入射在这种四分之一波板上时，就产生径向偏振的辐射束。应注意到，利用四分之一波板的光轴与电场方向之间的角度θ将线性偏振的辐射的极性旋转2θ。四个四分之一波板的使用导致近似的径向偏振分布，如两个正交线性偏振的射束的组合。
根据本发明的另一个实施例，辐射经过四分之一波板和相位板，以形成径向偏振的辐射。
使用相位板是有利的，因为径向偏振的射束往往具有可由相位板除去的相位奇点。
根据本发明的另一个实施例，辐射在入射在孔径的表面上之前经过液晶装置。
液晶装置可用于产生径向和方位角偏振的辐射。液晶装置在新式光学器件的设计中是灵活的。根据入射在液晶装置上的线性偏振的辐射的取向，会产生径向或方位角偏振的辐射(azimuth-polarizedradiation)。
液晶装置通常包括具有电极的两个板，以在这些板与作为双折射材料的液晶分子层之间产生电场。通过电场的应用会将这些液晶分子对齐。因此，液晶装置就成为了作为径向分析器的偏振仪。
液晶装置用于几种光学装置并易于以低成本制造。
本发明的目的还可通过用于光学数据存储介质的读/写头来实现，这种光学数据存储介质包括在开始的段落中所限定的设备，这种设备包括辐射源、具有第一和第二表面的金属膜、至少一个孔径和周期性表面形貌，该至少一个孔径设在金属膜中并从第一表面延伸到第二表面，周期性表面形貌设在金属膜的第一和第二表面中的至少一个上，其中，入射在金属膜的表面中的一个上的来自辐射源的辐射与金属膜的至少一个表面上的表面等离子体模式相互作用，从而增强穿过金属膜的至少一个孔径的辐射的传输，且该读/写头包括设备，这种设备具有用于产生径向偏振的辐射的装置。
读/写头要求良好的分辨率，这种良好的分辨率通过使用孔径并同时使用辐射束来实现，这种孔径具有次波长尺寸，且这种辐射束具有略高的强度，这种略高的强度用于扫描光学记录载体。因此，辐射束的传输的进一步增强是有利的，这种辐射束的进一步增强通过利用一种设备来实现，这种设备包括产生径向偏振的辐射的装置。
本发明的目的还可通过近场光学扫描显微镜来实现，这种近场光学扫描显微镜包括辐射源、具有第一和第二表面的金属膜、至少一个孔径和周期性表面形貌，该至少一个孔径设在金属膜中并从第一表面延伸到第二表面，周期性表面形貌设在金属膜的第一和第二表面中的至少一个上，其中，入射在金属膜的表面中的一个上的来自辐射源的辐射与金属膜的至少一个表面上的表面等离子体模式相互作用，从而增强穿过金属膜的至少一个孔径的辐射的传输，且这种近场光学扫描显微镜还包括产生入射在金属膜的表面中的一个上的径向偏振的辐射，这样就导致辐射传输的进一步增强。
在近场光学显微中，辐射束必须具有某种强度和良好的分辨率。因此，使用增强穿过次波长孔径的传输的装置是有利的，这种增强通过利用径向偏振的辐射并结合具有表面面貌的孔径来进行。因此，可通过增加激活的表面等离子体的数量来传输两倍或更多的入射在孔径上的辐射。
这是有利的，因为近场光学显微镜的主要问题是以非常简单的方式以同时小的分辨率实现传输。通过增加将辐射变换成径向偏振的辐射的装置来解决这个问题。
本发明的目的还可通过一种方法来实现，在这种方法中，将径向偏振的辐射用于照射具有表面面貌的次波长孔径，以增加激活的表面等离子体的数量。
这种在利用纳米范围内的辐射并包括次波长孔径的装置中增强光学传输的方法有利地使用入射在具有表面面貌的金属板上的径向偏振的辐射，以通过来自入射在金属板上的辐射的每个光子实现等离子体的激活。
将会理解，前面所提及的特征和将在下面进行描述的特征并不仅适用于所给出的组合，而是还适用于其它组合或独立情形中，而并不背离本发明的范围。
从下面的描述并结合附图就会明白本发明的这些和其它目的和优点，在这些附图中图1是本发明的光径的示例的示意图；图2示出了牛眼结构。图2a是这种结构的平面图且图2b是这种结构的截面示意图；图3示出了径向偏振的射束的示意性特征；图4示出了四分之一波板(a)与相位板(b)的对齐；图5是用于产生径向偏振的辐射的液晶(LC)电池的示意图；图6是发射径向偏振光的激光器的示意图；图7是基于具有牛眼结构的锥形光纤的读/写头的截面图(a)以及牛眼结构的平面图(b)；图8示出了光学拾波器的光径，这种光学拾波器具有根据示于图7中的实施例的读/写头。
具体实施例方式
图1是用于增强的光学传输的设备10的示意图，这种设备10包括用于产生径向偏振的辐射束的装置、用于产生径向偏振的辐射16的装置14和金属板18，用于产生径向偏振的辐射束的装置尤其是一种辐射源12，这种辐射源12发射辐射束13，金属板18具有第一表面20和第二表面22，其中，孔径24从第一表面20延伸到第二表面22。这两个表面20和22中的至少一个配有周期性表面形貌26。这些是本发明中用于增强的光学传输的设备10的主要组成部分。这种设备10通常安装在要求具有高分辨率的高光学传输的每种装置中，例如安装在近场显微或高密度光学数据存储装置中，或者安装在可使用这种设备10的其它装置中。
在对本发明的特别实施例进行描述之前，对几个术语进行说明是有用的，这几个术语对于理解本发明是重要的，尤其对具有孔径24的金属板18和用于产生径向偏振的辐射16的装置14是重要的。金属板18可用纯固体金属制成或可包括金属膜。包括金属膜的材料可以是任何导电材料，如任何金属，但可以不必是金属。例如，金属板18可包括掺杂半导体。优选金属板18包括铝、银或金。特殊的实施例是自支撑Ni膜，这种自支撑Ni膜具有300nm的厚度并在一侧用100nm的Ag层覆盖。当涉及金属板18时，所有的这些实施例均包括在内。金属板18具有至少一个孔径或孔24。至少一个孔径24包括入口部分28和出口部分30。孔径的入口部分28布置在金属板18的表面上，辐射会入射在该表面上，以使辐射穿过入口部分28进入孔径24并穿过出口部分30离开孔径24。金属板18的至少一个表面包括周期性表面形貌26，这一点将在下面进行描述。
孔径24具有十分之几至几百nm的次波长尺寸。例如，在将具有633nm的波长的氖激光器用作辐射源时12，优选的孔径的直径将为215nm。金属板18还可在两个表面即第一表面20和第二表面22上均设有表面形貌结构。
与基本上光滑的表面相反，包括周期性表面形貌的表面是具有凸起和/或凹陷区域的任何表面，在这些表面中，这些区域以周期或以规则地重复的方式布置。表面形貌结构的一个实施例在图2中示出并将在下面进行描述。将对所有通常可能的表面形貌结构进行描述。用语“表面形貌”可包括1.设有多个圆柱形或半圆形凹陷处(下陷)的表面，这些下陷以周期方式布置在表面上；2.设有多个圆柱形或半圆形凸出的表面，这些半圆形凸出以周期方式布置在表面上；3.设有多个曲线形或线性凹槽的表面，这些凹槽以周期方式布置在表面上；4.设有多个曲线形或线性凸出肋的表面，这些肋以周期方式布置在表面上；5.设有多个凹入或凸出环的表面，这些环以周期方式(如同心方式)布置在表面上；以及6.前面所描述的方式的任何组合。
一般来讲，周期性表面形貌并不包括设在金属板18中的孔径24。若有需要，也可提供多个这种孔径。
将会在下面使用术语“表面面貌”27，以用于所描述的这些表面形貌，以将其与延伸穿过金属板18的厚度的孔径24区别开。这些表面面貌27将用于指表面上的凸出和表面中的凹陷，且并不完全延伸金属板的厚度，因此并不是孔径。例如，下陷、半圆形凸出、凹槽、环和键槽是表面面貌。还包括在内的会是金属板18，这些金属板在一个或两个表面上具有不同于前面所提及的金属板的表面面貌。
孔径24的几何形状也包括在入口部分和出口部分具有相同的直径的孔径或在入口部分和出口部分具有不同的直径的孔径24。这就意味着入口部分的直径可大于出口部分的直径，反之亦然。
现参考用于产生径向偏振的辐射的装置14，图中示出的装置14在插件32中。装置14可包括示于图3、图4和图5中的几个实施例。辐射在已经过了装置14之后具有径向偏振的辐射的所有特征，就本发明而言，仅有这一点是重要的，这一点将在下面进行描述。径向偏振的辐射16具有以下特征电场和磁场具有涉及传播方向的限定的径向对称轴；在对称轴上，强度具有并不与零不同的值和在距示于图3中的对称轴的不同的距离R0、R1...时的最大强度，且x为距对称轴的距离。
在垂直于对称轴的平面中，对于所有的点来讲，辐射的相位均具有相同的值，这些点具有距对称轴相同的距离。这种场分布可由如两个正交偏振的TEM0m-TEMm0-模式(m＝1)的叠加来产生。图3示出了两个偏振的TEM10-和TEM01-模式(m＝1)的叠加，且TEM10为x-偏振的模式中的一个，TEM01为y-偏振的模式中的一个。用于产生径向偏振的辐射的装置5的特殊实施例在图4和图5中示出，并将在下面进行描述。
本发明中的增强的光学辐射传输以下面的方式(图1)运行。来自辐射源A的辐射束13将由装置14修正为径向偏振的辐射束18，优选辐射源A为激光器，尤其是具有λ＝633nm的波长的HeNe激光器。这种辐射束18将入射在金属板18的表面20上。
然后将辐射引导到孔径24的入口部分28并作为具有增强的强度Ioutput的输出辐射从位于金属板18的第二表面22的孔径24的出口部分30传输。应注意到，穿过金属板18的光学传输的增强并不重要，表面面貌26布置在金属板18的表面20或22上。还可将表面面貌26布置在金属板18的两个表面上，即布置在侧面20上和布置在侧面22上。传输的增强是由于表面20上的表面等离子体的谐振激活，辐射入射在该表面20上。通过穿过栅矩和动量的顺从守恒的耦合来进行交互作用ksp＝kx±i·Gx±j·Gy式中ksp是表面等离子体波矢，kx是位于金属板18的平面中的入射波矢的分量，Gx和Gy是具有|±Gx|＝|±Gy|＝2π/a0的方点阵的互易点阵矢量，i和j是整数。
波矢ksp还可表示为Ksp=2Πλϵ1ϵmϵ1+ϵm,]]>ε1和εm分别是周围的电介质和金属的介电常数，其中，金属的介电常数εm为负值且绝对值比大多数电介质要大得多。表面等离子体具有平行于表面的波矢ksp的分量，这种波矢ksp的分量大于包围金属板18的电介质材料中的辐射的波矢。
若入射在金属板18的表面20上的径向偏振的辐射垂直于该表面，那么这种辐射就能够获取大的矩ksp并激活等离子体。这就意味着仅有垂直于表面面貌的凹槽的辐射能够激活等离子体。垂直于凹槽并入射在表面面貌上的辐射越多，被激活的等离子体越多且穿过金属板的传输就越高。若使用任意偏振的辐射，仅有辐射的一半具有适当的极性来仅将等离子体激活。若使用任意偏振的辐射，所有的辐射具有适当的极性来将等离子体激活。这就会导致所期望的将光学传输增强两倍。
用于将从辐射源12发射的辐射束尤其是在李氏类型二元光栅中变换成偏振射束16的几个装置14未在附图中示出。可从出版物《光学通讯》(作者Ze’ev Bomzon等人，第26卷，(2001)第18期，第1424页)中可获知详情。示于图4中的四分之一波板也可作为装置14。而且，前面并未提及的装置14也是可行的，只要这些装置将线性偏振的辐射变换成径向偏振的辐射。
在图2中，参考数字与图1中的参考数字相同，且相同的部分用相同的参考数字表示。
图2a是表面面貌26的截面图，这种表面面貌26如在US2003/0173501A1中所公开的表面面貌。表面结构称为牛眼结构。这种结构通常用聚焦1形梁方法(focused 1-beam method)(SIB)制造。这种表面面貌在银(Ag)膜上实现，其中，凹槽周期为500nm，且凹槽深度为60nm。可看到孔径13在这种结构的中间，且孔径13具有250nm的直径。总厚度为300nm。该图片取自出版物《光学通讯》(作者Tineke和Thio，第26卷，第24期，第1972页，2001年12月15日)。
周期性表面形貌包括一组凹陷同心环，这些环的平均半径由Kk＝kP(P＝750nm，k＝1，2...)给出。P是周期性表面形貌的周期并表示环的数量。已知这种表面面貌结构为牛眼图案并由几位作者研究过。牛眼结构仅是金属板18的表面面貌26的示例。其它表面面貌也可用于通过等离子体的激活实现穿过金属板18的增强的传输的相同效果。
本发明还包括其它表面面貌26，如在US2003/0173501和《光学通讯》(作者Tineke和Thio，第26卷，第24期，第1972页，2001年12月15日)中所公开的表面面貌。应注意到，，可将这些表面面貌布置在金属板18的两个侧面上。在牛眼结构的截面中，峰34和谷36不必是矩形，而可以是三角形，或者可使谷36与峰34之间的过渡平滑。
图3示出了在x-y平面中的径向偏振的射束16。电场矢量在图3a中用箭头38表示。图3b示出了随着图3a中的x方向变化的强度分布。从图中可以看出，径向偏振的射束通常在矩对称轴40的距离具有最大强度分布，该距离在图3b中用R0表示。
图3c示出了以x方向偏振的一个TEM10-模式和以y方向偏振的一个TEM01-模式的叠加，这样就产生了径向射束21，该径向射束21具有电场矢量38和对称轴40的分布。
图4示出了穿过四分之一波板42的线性偏振的辐射束13，四分之一波板42是用于产生径向偏振的射束16的装置14的一部分。这种四分之一波板42也称为偏振变换器并包括四个四分之一波板44、46、48和50。参考数字13表示经过四分之一波板42之前的具有y偏振方向的辐射，参考数字16表示在四分之一波板42的出口的径向偏振射束。箭头44、46、48和50表示不同的定向，箭头51以θ＝0°的角度，箭头45以θ＝45°的角度，箭头47以θ＝90°的角度且箭头49以θ＝135°的角度。角θ在光轴的插件57示出。这就意味着光轴穿过四分之一波板42变化。应注意到，利用四分之一波板的光轴与电场方向之间的角θ将线性偏振的辐射的偏振旋转2θ。四个四分之一波板的使用导致近似的径向偏振分布，如两个正交线性偏振的射束的组合。在此实施例中，装置14还包括将相位奇点除去的相位板56，这种相位奇点往往由径向偏振的射束所承载。在本说明书中，将相位奇点理解为意指在辐射绕着对称中心即轴旋转期间，辐射的相位以2π的倍数增加或减少。相位板56包括具有不同高度60的多个扇形区58。应将这些高度60调节到入射辐射的波长。为了将奇点除去，全部这些步骤即高度60的相位差，应为2π。
图5示出了用于产生径向偏振的辐射的装置14的另一个实施例。图5a示出了包括Φ电池64的实施例，这种Φ电池64将用参考数字66所表示的线性偏振的辐射改变成由箭头68表示的径向偏振的辐射。在Φ电池的实施例中，线性偏振的辐射64变成由箭头68表示的径向偏振的辐射。
该Φ电池64在图5b中详细示出。两个层70和72如图5b所示出的那样对齐。层70和72包括一个单向摩擦的对齐层和一个圆形摩擦的对齐层，这些层用向列型LC填充。单向对齐层限定称为电池轴的轴。由于其中线性和圆形对称的结合，所以将LC电池称为Φ电池。这种Φ电池中局部LC的取向是扭转电池的取向，且可变扭转角由该局部对齐层所限定。
图5的另一个部分，图5c示出了Φ电池64中的液晶分子的取向的俯视图。两个层70和72包括LC分子。这些液晶用参考数字74表示。扭转角总是小于±Φ并降低弹性扭转能量。Φ电池中的LC分子的取向的俯视图在图5c中示出。
有两条径向不完整的线，这两条线将用参考数字76和78表示的相对的扭转的区域分开。这两条不完整的线平行于电池轴；它们在开始时接近于对称中心并共同狭槽直线。具有未限定LC取向的中心区域的典型的直径为20μm。正如可从图5a中看出的那样，入射的偏振辐射66可首先遇到直线对齐的层70，然后遇到径向定向的层72。
应注意到，用于产生径向偏振的辐射的装置14还包括其它实施例(未示出)。
图6示出了发射径向偏振的辐射的激光器80。在此实施例中，辐射源12和用于产生径向偏振的辐射的装置14包括一个装置。发射径向偏振的辐射的激光器的更多细节在出版物《具有纯方位角或径向偏振的激光束的形成》(R.Oron等人，《应用物理通讯》，77(21)，3322(2000))中进行了描述。因此，本说明书不再对激光进行详细描述。这种激光包括增益介质82和窗口84，窗口84用于输出径向偏振的射束16。应注意到，增益介质必须是相对同向性的。
图7是用于光学存储介质的读/写头100的截面图，这种读/写头100是基于锥形光纤的记录载体，这种锥形光纤在其端部具有牛眼结构。读/写头包括波导管102，波导管102具有位于与记录载体106相对的位置的端面104。一般来讲，端面104包括表面面貌26，表面面貌26具有规则的谷34和峰36。用于产生径向偏振的光的装置通常包括辐射源12和用于将从辐射源12发射的辐射变换成径向偏振的辐射16的装置14。
径向偏振的辐射16入射在包括表面面貌的金属板18上并激活表面面貌中的表面等离子体。径向偏振的辐射增强穿过孔径24的光学传输。
图8是光学拾波器中的光径的示例的示意图，光学拾波器具有读/写头100。该图示出了用于产生径向偏振的辐射的装置14，尤其是如示于图6中的LC电池。图中还示出了具有孔径的金属板18。
辐射源12发射线性偏振的辐射束，这种线性偏振的辐射束穿过光学透镜108。用于产生径向偏振的辐射的装置14布置在光学透镜之后，从而产生径向偏振的辐射束16。辐射束16穿过分光元件110、由透镜112聚焦并进入读/写头100，读/写头100包括具有表面面貌的金属板18。记录载体106位于与读/写头100相对的位置。经过反射的辐射束穿过分光器110和透镜114，并且由检测元件116检测。
与传统上的光学拾波器相比，用作扫描(读/写)记录载体106的辐射束的径向偏振的辐射束16具有增强的强度。
本发明的基本思想是径向偏振的辐射与金属板18的结合，金属板18具有表面面貌26和径向偏振的辐射穿过的孔径24。本发明的目的在于通过利用径向偏振的辐射16来增强穿过金属板18的这种孔径的辐射的光学传输。通过利用适当的偏振激活表面等离子体来增强光学传输。在本说明书中，将适当的偏振理解为意指辐射的偏振矢量总是垂直于金属板18的表面面貌26的凹槽。本发明包括用于产生径向偏振的辐射的几个实施例以及具有不同的表面面貌26的金属板18的不同实施例。
权利要求
1.一种用于增强的辐射传输的设备，所述设备包括至少一个辐射源(12)、具有第一表面(20)和第二表面(22)以及至少一个孔径(24)的金属板(18)，所述孔径(24)设在所述金属板(18)中并从所述第一表面(20)延伸到所述第二表面(22)，所述金属板(18)具有周期性表面形貌(26)，所述周期性表面形貌(26)设在所述第一表面(20)和第二表面(22)中的至少一个上，来自所述辐射源(12)并入射在所述金属板(18)的所述表面之一上的辐射(13)与所述金属板(18)的所述表面(20，22)中的至少一个上的表面等离子体模式相互作用，从而增强穿过所述金属板(18)的所述至少一个孔径(24)的辐射传输，其特征在于所述用于增强的光学传输的设备包括用于产生径向偏振的辐射(16)的装置(15)，所述径向偏振的辐射(16)入射在具有表面形貌(26)的所述金属板(18)的所述表面(20，22)中的一个上，这样就导致所述辐射更有效地耦合到所述等离子体，从而导致所述光学传输的进一步增强。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于用于产生径向偏振的辐射(16)的所述装置(15)包括用于发射线性偏振的辐射(13)的辐射源(12)和用于将所述线性偏振的辐射(13)改变成径向偏振的辐射(16)的装置(14)。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述装置(14)包括李氏类型的初级光栅，以形成径向偏振的辐射(16)。
4.如前面的权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于所述装置(14)包括四分之一波板(42)。
5.如前面的权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于所述装置(14)包括四分之一波板(42)和相位板(56)。
6.如前面的权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于所述装置(14)包括液晶电池(LC)(64)。
7.如前面的权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于所述装置(15)包括发射径向偏振的辐射(16)的激光辐射源。
8.如前面的权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于所述金属板(18)包括用金属和/或半导体材料制成的膜。
9.如前面的权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于所述金属板(18)包括表面面貌(27)，所述表面面貌(27)在所述表面(20，22)中的一个和/或两个上。
10.如前面的权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于所述表面面貌(27)包括至少两个凸出的和/或凹入的结构性表面面貌(27)。
11.如前面的权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于所述表面形貌(26)包括形成为下陷和/或孔的多个表面面貌(27)，这些下陷和/或孔以至少一个方向以周期或准周期方式布置，所述至少一个方向源自所述孔径(24)。
12.如前面的权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于所述表面面貌(27)用这样的材料制造、限定或填充，即所述材料的折射率不同于所述表面面貌(27)的材料的折射率。
13.如前面的权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于形成所述表面形貌(26)的所述表面面貌(27)对称布置在所述孔径(24)的周围。
14.如前面的权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于形成所述表面形貌(26)的所述表面面貌(27)非对称布置在所述孔径(24)的周围。
15.如前面的权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于所述第一表面(20)的所述表面形貌(26)与所述第二表面(22)的所述表面形貌(26)相同。
16.如前面的权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于所述第一表面(20)的所述表面形貌的至少一个尺寸参数和/或形状特征不同于对应的所述第二表面(22)的所述表面形貌的至少一个尺寸参数和/或形状特征。
17.如前面的权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于所述第一表面(20)的所述表面形貌(26)的周期或准周期不同于所述第二表面(22)的所述表面形貌(26)的周期或准周期。
18.如前面的权利要求中的任何一项所述的设备，其特征在于所述金属板(18)安装在辐射发射或传输装置或部件的出口表面上或其前部中。
19.一种用于光学数据存储介质的读/写头，所述读/写头包括权利要求1至18中的任何一项所述的设备。
20.一种近场光学扫描显微镜，所述近场光学扫描显微镜包括权利要求1至18中的任何一项所述的设备。
21.一种强辐射源，其特征在于所述强辐射源包括权利要求1至20中的任何一项所述的设备。
22.一种在利用纳米范围内的辐射和次波长孔径(24)的装置(14)中增强尤其是倍增光学传输的方法，所述方法使用入射在具有表面面貌(27)的金属板(18)上的径向偏振的辐射(16)，以通过来自入射在所述金属板(1 8)上的辐射束(16)的每个光子实现等离子体的激活。
23.将设备用于倍增光学传输的用途，所述设备包括辐射源(12)；用于产生径向偏振的辐射(16)的装置(15)；以及具有第一表面(20)和第二表面(22)以及至少一个孔径(24)的金属板(18)，所述孔径(24)设在所述金属板(18)中并从所述第一表面(20)延伸到所述第二表面(22)；周期性表面形貌(26)设在金属板(18)的所述第一表面(20)和第二表面(22)中的至少一个上，其中来自所述辐射源(12)并入射在所述金属板(18)的表面(20，22)中的一个上的辐射与所述金属板(1 8)的所述的表面(20，22)中的至少一个上的表面等离子体模式相互作用，从而增强穿过所述金属板(18)的所述至少一个孔径(24)的辐射传输，入射在所述金属板(18)的所述表面面貌(27)上的辐射为径向偏振的辐射(16)，所述径向偏振的辐射(16)具有垂直于所述表面面貌(27)的电场矢量。
全文摘要
一种用于增强的辐射传输的设备，这种设备包括至少一个辐射源(12)、具有第一表面(20)和第二表面(22)以及至少一个孔径(24)的金属板(18)，孔径(24)设在金属板(18)中并从第一表面(20)延伸到第二表面(22)，金属板(18)具有周期性表面形貌(26)，周期性表面形貌(26)设在第一表面(20)和第二表面(22)中的至少一个上，来自辐射源(12)并入射在金属板(18)的表面(21和22)中的一个上的辐射(13)与金属板(18)的至少一个表面上的表面等离子体模式相互作用，从而增强穿过金属板(18)的至少一个孔径(24)的辐射传输。这种用于增强的光学传输的设备包括用于产生径向偏振的辐射(16)的装置(15)，径向偏振的辐射(16)入射在具有表面形貌(26)的金属板(18)的表面(20和22)中的一个上，这样就导致辐射更有效地耦合到等离子体，从而导致光学传输的进一步增强。
文档编号G11B7/135GK101088040SQ200580044544
公开日2007年12月12日 申请日期2005年12月19日 优先权日2004年12月22日
发明者R·F·M·亨德里克斯, M·L·M·巴利斯特雷里, G·W·特霍夫特 申请人:皇家飞利浦电子股份有限公司