專利名稱:測量近場光學探針光圈尺寸的裝置和方法
技術領域：
本發明涉及到測量近場光學探針光圈尺寸的裝置和方法，尤其是，利用濾波器測量近場光學探針準確光圈孔徑的裝置和方法。
背景技術：
近場光學探針通常應用于近場光學顯微鏡如測量材料表面或超高密度記錄介質的高分辨率裝置。
在測量材料表面分辨率的裝置中，分辨率R由能分辨兩點之間的距離以及由給出的方程式1來決定，其中分辨率R與波長成正比與光圈孔徑或光闌成反比。R=1.22λD…(1)]]>在傳統的近場光學顯微鏡中，由于光波長變得較短分辨率就必須小。然而，由于光的衍射原因使得分辨率是有極限的，而不能分辨得很小。該衍射極限在近場掃描光學顯微鏡(下文簡寫為“NSOM”)中不表現出來。這樣，就可以制造高分辨率裝置用來進行材料表面測量。
在NSOM中，利用近場光學顯微鏡，為了測量樣件的高分辨率需要精確地知道近場光學探針的光圈尺寸，該樣件被放置在比波長還小的近場光學探針上，例如，該波長是亞波長的尺寸。
在NSOM中的光學探針的光圈孔徑有亞波長尺寸那樣的大小，例如，用波長為400-1000nm的可見光線在近場光學顯微鏡中的孔徑d大約是50-300nm。當樣件被放置在近場光學探針時能達到該亞波長分辨率。
傳統的NSOM利用掃描電子顯微鏡(SEM)或利用只是測量的裝置(公開于U.S.Pat.No.5,663,798)以獲得光學探針的光圈孔徑。
SEM利用幾個電子透鏡減少從電子槍產生的電子束直徑，使其在幾到幾百的范圍內，發射電子在樣件上，探測從樣件發射的二次電子或通過樣件的電子，按照時序調整示波器亮度并測量樣件表面。
SEM能精確的測量光學探針光圈，但是費用高和花費時間長。
為了用SEM測量光學探針光圈，電絕緣體的光學探針尖部要被涂上導電材料。當測量有涂層的光學探針光圈，然后把該有涂層的光學探針用于NSOM時，光學探針尖部的涂層降低NSOM的性能。這樣，被SEM測量過的光學探針難于再使用，就需要在NSOM中使用一個新光學探針。但是，該新光學探針與被SEM測量過的光學探針相比也許孔徑是不相同的。
圖1是公開于U.S.Pat.No.5,663,798的用于測量光學探針光圈尺寸裝置的示意圖。參照圖1，該裝置包括有，發射光的光源11，用于偏振光的偏振片13，用于聚焦光束于光學探針10的聚焦透鏡15，線性分析器17采集透過光學探針10的光再通過光學探測器19，光學探測器19是用于把光信號轉變為電信號以及探測該電信號。
在該裝置中，為了推導出光圈孔徑，通過光學探針10光圈的光以預先確定的角度被接收，與光強相應的信號被光學探測器19探測，信號被傳送到數據接收單元(DAU)23或計算機(PC)25。
如圖1所示，在馬達21中安裝有線性分析器17和光學探測器19，該馬達以-165°到165°回轉用以測量從遠場光圈發射的帶有角度的光強分布。結果就能測量光學探針的光圈孔徑。
圖2表示了利用傳統光圈測量裝置所測量的帶有角分布光強的曲線圖。參照圖2，如果從光源11發射的光波長為633nm和偏振角為90°，以0°的最大光強的條件下，透射通過光圈孔徑分別為60nm、380nm、3.2m(利用SEM進行了預先測量)的光學探針的光的遠場角強度分布是高斯分布(gaussian)。
從圖2可看出，隨著光圈孔徑減少，半最大值全寬(FWHM)就增加寬度。在此，FWHM為在相應于最大光強值的一半的兩個角度之間的差。
參照圖2，如果光學探針光圈孔徑d(＝2a)為60nm，那么該FWHM是與相應光強為0.5的兩角度+60°與-60°之間的差，即120°。如果光學探針的光圈孔徑d(＝2a)為380nm，那么該FWHM是+30°與-30°之間的差，即60°。
圖3是按照相對于參考圖2的光學探針光圈孔徑的FWHM曲線圖。其中，線(a)是根據基爾霍夫(Kirchoff)理論預測的，線(b)是根據貝特(Bethe)的最小光圈限度理論給出的，以及線(c)是傳統測量裝置給出的。
光學探針光圈孔徑可以通過獲得光學探針發射的光強分布的FWHM來得到，該光學探針利用的是圖3然后從圖2中得知相應的孔徑。
圖2中所示的裝置需要一輔助單元圍繞光學探針回轉用以測量透過光學探針的光強。以及，如果該裝置回轉不精確，測量準確的光圈孔徑是困難的。還有，由于難于把光學探針尖部準確定位在旋轉中心，則當測量光圈孔徑時誤差容易產生。
另外，要在馬達回轉的多角度來測量光強和作光強曲線。因此，測量光圈孔徑要花長時間，以及由于裝置測量限制的影響，難于測量小于λ/6的光圈孔徑。
發明內容
為了解決上述的問題，本發明的目的就是提供一種裝置，該裝置精確測量光學探針光圈，并且不損壞光學探針，該裝置能容易制造、安裝，并且提供精確測量光學探針光圈的方法。
因此，為了達到上述的目的，提供一種用于測量近場光學探針光圈的裝置。該裝置包括光源、光學探測器和濾波器。光源向近場光學探針發射光。光學探測器位于近場光學探針之前，接收透過近場光學探針的光以探測光強。濾波器配置在光源與光學探測器之間，從透過近場光學探針的光中僅透射特定模式的波長的光。
在此，如果在光源與濾波器之間存在自由空間和介質，該特定模式為貝塞爾高斯模(Bessel Gauss Mode)。
該自由空間的折射率是1，是均勻折射率介質之一。
為了達到上述的目的，提供一種用于測量近場光學探針光圈的裝置。該裝置包括光源、光學探測器、濾波器和光波導。光源向近場光學探針發射光。光學探測器位于近場光學探針之前，接收透過近場光學探針的光以探測光強。濾波器配置在光源與光學探測器之間，從透過近場光學探針的光中僅透射特定模式的波長的光。光波導放置在近場光學探針與濾波器之間用以傳輸光。
如果光波導是梯度折射率波導，該特定模式為厄米高斯模(HermiteGauss Mode)。
如果光波導是梯度折射率光纖，該特定模式是拉蓋爾高斯模(LaguerreGauss Mode)。
如果光波導是階躍折射率波導或階躍折射率光纖，該特定模式為階躍折射率波導模或階躍折射率光纖模。
為了達到上述的目的，提供一種用于測量近場光學探針光圈的裝置。該裝置包括光源、光學探測器、濾波器和掩模。光源向近場光學探針發射光。光學探測器位于近場光學探針之前，接收透過近場光學探針的光以探測光強。濾波器配置在光源與光學探測器之間，從透過近場光學探針的光中僅透射特定模式的波長的光。掩模放置在光源與濾波器之間，在掩模中心有個空腔，光通過該空腔。
該特定模式為掩模模式。
為了達到上述的目的，提供一種利用濾波器測量近場光學探針光圈的方法，該濾波器透射特定模式的光。該方法包括如下步驟(a)向光學探針輻射預定波長的光；(b)利用濾波器從所述近場光學探針所發射光中透射特定模式的波長；(c)探測第一光強值，其取自透過所述濾波器的光的模數為0的波長的光的第一遠場光強分布；(d)探測第二光強值，其取自透過所述濾波器的光的模數不為0的波長的光的第二遠場光強分布；和(e)把所述第一和所述第二光強值的比值代入預定的相對于所述近場光學探針光圈孔徑的方程式中，以得到所述近場光學探針的所述光圈孔徑。
步驟(b)還包括通過預定介質將透過所述近場光學探針的光傳輸到所述濾波器。
在此，如果該預定介質有均勻的折射率，該特定模式為貝塞爾高斯模。
如果預定介質是梯度折射率波導，該特定模式為厄米高斯模。
如果預定介質是梯度折射率光纖，該特定模式是拉蓋爾高斯模。
如果預定介質是階躍折射率波導或階躍折射率光纖，該特定模式為階躍折射率波導模或階躍折射率光纖模。
步驟(b)還可包括通過帶有中心空腔的掩模將透過近場光學探針的光傳輸到濾波器。在此，該特定模式是掩模模式。
步驟(d)可以包括獲得第二光強值，其取自透過所述濾波器的光的模數為2的波長的光的第二遠場光強分布。
步驟(e)可包括(e-1)根據特定介質相應于特定模式獲得模解；(e-2)計算相應于模解的耦合常數以及獲得相對于耦合常數的光學探針光圈孔徑的關系方程式；和(e-3)用在步驟(c)把所測得的第一光強值與在步驟(d)所測得的第二光強值的比值代入關系方程式，推導出近場光學探針的光圈孔徑。
在步驟(e-1)中，如果特定介質是梯度折射率波導，該特定模式為厄米高斯模。
在步驟(e-2)中，得到相應于模解耦合常數的近場光學探針光圈孔徑方程式。
在步驟(e-3)中，如果在步驟(d)中測得的第二光強值對應于模數為2的波長，從預定的方程式中就能推導出近場光學探針光圈孔徑。
當利用具有比光波長還小的光圈孔徑的光學探針儲存光學信息時，或者利用帶有光學探針的顯微鏡觀察樣件時，必須要準確地知道光學探針光圈孔徑以便于復制所寫的信息或在樣件表面上復制準確的圖像。
在本發明中，與測量近場光學探針光圈孔徑的傳統方法相比能夠容易地測量光圈孔徑，該傳統方法例如SEM方法或分離的測量裝置方法。還有，由于是在不損壞近場光學探針情況下就能測量光圈孔徑，所以可以選擇相同的光學探針。另外，本發明裝置的結構比傳統的裝置要簡單以及減少了測量成本。還有，可以測量λ/6或更小的光圈孔徑，在這種情況下通過傳統方法測量是困難的。
附圖的簡要說明通過帶參考附圖的優選實施例的詳細描述將進一步表明本發明的目的和優點。
圖1是測量光學探針光圈的傳統裝置剖面圖；圖2是按照如圖1所示在傳統裝置中各角度所測量的光強分布曲線圖；圖3是按照如圖1所示在傳統裝置中光學探針光圈孔徑的FWHM曲線圖；圖4是本發明第一實施例的示意剖面圖；圖5是本發明第二實施例的示意剖面圖；圖6是本發明第三實施例的示意剖面圖；圖7是按照本發明第三實施例測量光圈孔徑裝置的結構視圖；
圖8是按照本發明第一實施例在不同模式濾波器中相對于光圈孔徑的光模強度曲線圖；圖9是按照本發明第二實施例相對于各模數的模常數曲線圖；圖10是按照本發明第二實施例相對于光圈孔徑比值的光模強度曲線圖；圖11是按照本發明第二實施例相對于光圈孔徑比值的光模強度曲線圖；圖12是按照本發明第二實施例相對于光圈孔徑的光模強度曲線圖；圖13是按照本發明第二實施例相對于光圈孔徑的光模強度曲線圖；圖14是按照本發明第三實施例相對于光圈孔徑的光模強度曲線圖；圖15是按照本發明第三實施例相對于從光學探針各距離的不同輸入光強的輸出光強曲線圖；圖16是用SEM重新測量的光圈孔徑光學探針的視圖，該光學探針利用按照本發明第三實施例光圈測量裝置對光圈孔徑分別進行了測量；圖17是相對于光圈孔徑的光強相對比值曲線圖；和圖18是利用本發明的裝置，相對于從光學探針到窗口的距離，對應于不同輸入光強的輸出光強曲線圖。
具體實施方式
下文將利用參照
按照本發明測量近場光學探針光圈孔徑裝置的實施例。
圖4是本發明測量近場光學探針光圈孔徑裝置第一實施例的示意剖面圖。參照圖4，該裝置包括光源31、光學探測器37和空間模濾波器(SMF)35a。該光源31向光學探針33發射光。光學探測器37位于光學探針33之前，接收從光學探針33透過的光以便探測光強。該SMF35a配備在光源31與光學探測器37之間，從透過近場光學探針33的光中僅透過特定模式的波長的光。在此，還配備了位于光源31與SMF35a之間的具有均勻折射率的均勻介質。
光源31是激光二極管(LD)，如果光學探針光圈孔徑在50-100nm范圍之內，就利用約630nm波長的激光作為光源。
光學探針33是錐形光纖，尖部帶錐度并且其包覆層鍍鋁。近場光學探針33的光圈孔徑必須比發射光源31發射的光波長要小。這是為了克服由于光波長所產生的衍射極限。就是說，如果光點比光波長小，那么由于由光波長引起的衍射極限就不可能探測該光點。因此，為了探測比光波長小的光點，光就必須從比光波長小的光圈孔徑的光學探針發射。
光學探針33用于許多領域如近場光學顯微鏡、激光、光學信息存儲、光陷俘及其它。尤其是，當光學探針33用于光學拾取技術以進行光學存儲時，通過獲得具有很小尺寸的光點，就有可能制造比光學探針33的信息記錄密度高很多的光學記錄介質。
光學探測器37是普通的光電探測器(PD)。然而，根據放置于光學探針33與SMF35a之間的介質的類型，要使用不同的光學探測器。例如，在按照本發明第一實施例測量光學探針光圈孔徑的裝置中，在光學探針33與SMF35a之間存在的是自由空間。但是，由于自由空間的光傳輸效率比光導或光纖要低，所以就需要配備較好性能的光學探測器。
根據放置于光學探針33與SMF35a之間介質的種類，該SMF35a起到只透過特定模式波長的光的作用。
在按照本發明第一實施例的裝置，當自由空間或均勻折射率的介質放置于光學探針33與SMF35a之間時，該SMF35a只透過具有貝塞爾高斯模波長的光。
一般地，通過方程式1給出了透過介質光的傳輸方程。在此，介質是均勻介質或具有逐漸改變折射率的非均勻介質。(Δ2+k2)Ψ(r→,z)=0···(1)]]>方程2是亥姆霍茲方程，該方程是用于在由有鍍層或無鍍層的光學探針形成的起始面z＝0處比光波波長小的光點，即亞波長尺寸的光點。
在此，從光學探針發射的光通過具有眾所周知特性的介質傳播，例如，非均勻折射率、階躍折射率波導、階躍折射率光纖，梯度折射率波導或梯度折射率光纖。所以，可獲得波方程1的準確解。E(r,0)=Σm=0cmΨm(r)...(2)]]>其中cm是模常數而ψm是模解。電場在介質中的Z向傳播。則通過方程式3給出傳播方程。E(r,z)=Σm=0cmΨm(r)exp(iβz)...(3)]]>在自由空間的情況下，貝塞爾高斯模的波長模解通過SMF35a獲得，方程式4為E(r,Φ,z)=Σm=-nBcmJm(γm0rR)exp(-imΦ)exp(iβz)...(4)]]>此處的Jm是貝塞爾函數。在此的模數cm由方程式5給出。Cm=Am∫∫E(r,Φ,0)Jm(γm0rR)exp(imΦ)rdrdΦ...(5)]]>此處的γm0是Jm(x)＝0的根和R是在自由空間SMF的半徑。
光學探針光圈孔徑的預定關系方程是從方程式5的耦合常數cm與探測器所探測的光強值的關系中推導出來，而得到光學探針33的光圈孔徑。
圖8是在具有折射率n為1的自由空間或具有折射率n為2的介質中相對于光圈孔徑wa的光模強度q的曲線。所用光波長λ是650nm。此處濾波器的半徑R是5m。
從圖8中可看出，如果光圈孔徑wa是0，則相對模強度q為1。光模強度q隨著光圈尺寸的增加而減少。在具有折射率n為1的自由空間中光圈孔徑的值在0-0.7m之間，以及在具有折射率n為2的介質中光圈孔徑的值在0-0.5m之間。換句話說，該模強度q的斜率隨著折射率n增加。
圖9是在不同模強度比值下相對于光圈孔徑wa的光模強度q的曲線。在此，折射率n是1和濾波器半徑R是5m。圖9的曲線形狀比圖8的曲線形狀小。常數比值c5/c1的模強度q斜率比常數比值c2/c1的模強度q斜率大。靈敏度隨著斜率的增加而增加。
圖5是按照本發明第二實施例的測量光學探針光圈孔徑裝置的示意剖面圖。參照圖5，該裝置包括光源31、光學探測器37、濾波器35b和光波導39。該光源31向光學探針33發射光。光學探測器37位于光學探針33之前，接收從光學探針33透過的光以便探測光強。該濾波器35b備于光源31與光探測器37之間，只讓在特定模式中透過近場光學探針33波長的光通過。光波導39被放置在光學探針33與濾波器35b之間用以傳輸光。
在此，在結構和功能上來看，光源31和光探測器37與第一實施例所描述的相同，所以在此描述被忽略。
按照本發明第二實施例的光波導39可以是梯度折射率波導、梯度折射率光纖、階躍折射率波導或階躍折射率光纖。
梯度折射率波導的折射率n滿足方程式6。n2(x)=n02-ω2x2...(6)]]>其中，n0是梯度折射率波導光軸的折射率和ω是相對于單位距離的折射率。
如果按照本發明第二實施例光波導39是梯度折射率波導，濾波器37只通過厄米高斯模的波長。在此，厄米高斯模的解由方程式7給出。Ψm(x)=[m!2m(π2)1/2w0]-1/2exp(-x2w02)Hm(2xw0)...(7)]]>對于具有高斯強度分布的光點來說，與模解相關的耦合常數cm由方程式8得出。cm＝∫E(x，y)ψm(x)dx…(8)c2n=(-1)n(2n)!2nn!2waw0wa2+w02[w02-wa2wa2+wa2]n,n=0,1,2,3,···..]]>第一與第二階系數c0和c2由方程式9給出。|c0|=2waw0wa2+w02,|c2|=2waw0wa2+w02(w02-wa2wa2+wa2)...(9)]]>模強度比值q根據方程式10從c0和c2得出。q=|c2||c0|=I2I0=12(w02-wa2w02+wa2)...(10)]]>光學探針33的光圈孔徑wa通過解如下方程10得出。wa=w01-2q1+2q...(11)]]>圖10是表示作為模數n的函數的模常數c2n的曲線。從圖10可看出，當模數n小于10時，模常數c2n明顯增加。所以對于第一階系數c0，當模數n大于10時，獲得不明顯的模強度q。
圖11是表示光模強度q的比值c2/c0作為光圈孔徑比值wa/w0的函數。同樣的，如果wa是0、則q為0.7以及如果wa變為w0，則q變為0，因為q隨著wa減少逐漸接近w0。
如果按照本發明第二實施例光波導39是梯度折射率光纖，則濾波器37只透過拉蓋爾高斯模的波長。
在此，梯度折射率光纖是光纖芯區的折射率對于在剖面上從中心向外的距離起到平滑作用。梯度折射率光纖的折射率n也是由方程式6給出。
拉蓋爾高斯模的模解由方程式12給出。Ψ(r,Φ)=(rw0)m/2Lpm(2r2w02)exp(-r2w02)exp(imΦ)...(12)]]>方程式12中的第一和第二模常數c0和c2由如下方程式13給出。c0=2waw0w02+wa2...(13)]]>c2=2waw0w02+wa2w02-wa2w02+wa2]]>第一和第二階常數c0和c2的光模強度比值q由方程式14給出。q=|c2||c0|=w02-wa2w02+wa2...(14)]]>光學探針光圈孔徑wa通過解方程14得到表示。wa=w01-q1+q...(15)]]>圖12是模強度比值q(＝c2/c0)作為相對于光圈孔徑比值wa/w0函數的曲線。
如果光波導39是階躍折射率波導或階躍折射率光纖，濾波器37只透過階躍模波長。
在此，階躍折射率波導是平面光波導，其中折射率是以階躍形式變化的。階躍折射率光纖是光學纖維，其中芯區和包層的折射率各自是均勻的，包層的折射率要比芯區的折射率高。
階躍模的模解能從方程式16中得到。
Em(x，z)＝AcosK1xexp(-iβmz)，m＝0，2，….
Em(x，z)＝AsinK1xexp(-iβmz)，m＝1，3，…. …(16)其中βm是傳播常數，d是波導厚度，n1是芯區折射率，以及n2是包層折射率。
在此，水平空間頻率K1通過方程式17給出。k1d2=arctanγ2k1+mπ2]]>γ2d2=(n12-n22)(k1d2)2-(k1d2)2...(17)]]>滿足方程式16和17的耦合常數cm由下方程式18給出。|cm|2|∫-d/2d/2Ey(x)Emy(x)dx∫-d/2d/2Emy2(x)dx|...(18)]]>圖13和14是表示對于不同波導厚度的相對于階躍模光圈孔徑wa的模強度曲線。在圖13中波導厚度是3m，以及在圖14中波導厚度是5m。當包層折射率n2是均勻的并且設定為1.5，芯區的折射率n1分別是1.6和2.0。可看出當芯區的折射率n1是2.0時的斜率要稍大于當芯區的折射率n1是1.6時斜率。
一種測量近場光學探針光圈尺寸的方法，該方法是利用僅透射特定模式波長的光的濾波器，并利用按照本發明第一或第二實施例的裝置測量光學探針光圈，該方法包括以下步驟(a)向光學探針輻射預定波長的光；(b)利用濾波器從所述近場光學探針所發射光中透射特定模式的波長；(c)探測第一光強值，其取自透過所述濾波器的光的模數為0的波長的光的第一遠場光強分布；(d)探測第二光強值，其取自透過所述濾波器的光的模數不為0的波長的光的第二遠場光強分布；和(e)把所述第一和所述第二光強值的比值代入預定的相對于所述近場光學探針光圈孔徑的方程式中，以得到所述近場光學探針的所述光圈孔徑。
步驟(e)包括(e-1)根據特定介質相應于特定模式獲得模解；(e-2)計算相應于模解的耦合常數以及獲得相對于耦合常數的光學探針光圈孔徑的關系方程式；和(e-3)用在步驟(c)把所測得的第一光強值與在步驟(d)所測得的第二光強值的比值代入關系方程式，推導出近場光學探針的光圈孔徑。
圖6是按照本發明第三實施例的測量光學探針光圈裝置的示意剖面圖。在利用本發明第一和第二實施例裝置測量光圈孔徑的方法中，得到相對于光圈孔徑的模強度。然而，在按照第三實施例的裝置中測量光圈孔徑的方法由相對于光圈孔徑的光軸光強比值的減少來確定光圈孔徑。
參照圖6按照本發明第三實施例的裝置包括光源31、光學探測器37和濾波器35c。該光源31向光學探針33發射光。光學探測器37位于光學探針33之前，接收從光學探針33透過的光以便探測光強。該濾波器35c放置于光源31與光學探測器37之間，從透過近場光學探針33的光中僅透射特定模式的波長的光。濾波器35c在透過光的一部分的中心有一空腔。
在此，光源31和光探測器37在結構和功能上與第一實施例所描述的相同，所以省略該部分描述。
按照本發明第三實施例裝置測量光學孔徑的方法包括如下步驟(a)向光學探針發射預定波長的光；(b)探測透過掩模光的第一遠場光強分布的第一光強值；(c)探測透過掩模光的第二遠場光強分布的第二光強值；和(d)把第一與第二光強值代入對于光強和光學探針孔徑的預定關系式中，從而得到光學探針的光圈直徑。在此，濾波器35c在中心有約6m的s大小的空腔。
圖7是按照本發明第三實施例測量光圈孔徑裝置的結構圖。參照圖7，發自光源31的光通過透鏡32、耦合器34、和光纖36透過光學探針33。透過光學探針33并對應于掩模模式的光的特定波長是通過具有空腔濾波器35c發射以及傳輸到光學探測器以被探測。在此，附圖標記38是一個臺子，光學探針33、濾波器35c和光學探測器37安裝在該臺子上。
圖15表示了從實驗得到的光強比值結果，該實驗的條件為沒有配備濾波器35c和輸出光強為21.3mW，安裝有作為光源31的具有650nm波長的二極管激光器，應用95mA的電流，以及濾波器空腔是1.20nm×1.01nm的矩形。從圖15可看出，在這種情況下當光學探針33與濾波器35c之間的距離z為5mm和20mm時，光強比值I相對于光學探針光圈孔徑wa分別進行了曲線繪制，當光強比值I為13時光圈孔徑wa＝1.66m。
圖16表示了利用按照本發明第三實施例裝置測量光學探針光圈孔徑，以及利用SEM進行了再次測量。在圖16中所示的光圈孔徑是1.62m，幾乎等于利用本發明第三實施例裝置測量的光學探針孔徑。該實驗證實了按照本發明實施例的裝置能精確測量光圈孔徑。
圖17是表示了當光強I1和I2被方程式19定義時，相對于光圈孔徑wa的相對光強比值(γ＝I2/I1)曲線。在此，窗口的空腔尺寸是16m以及從光學探針光圈到窗口的距離z為300m。I1=∫∫|E(x,y,z1)|2dxdy...(19)]]>I2=∫∫|E(x,y,z2)|2dxdy]]>參照圖17可看出從光圈孔徑wa為0和光強 約為15的點開始，光強比值γ隨著光圈孔徑wa的增加而減少。例如，可看出如果相對光強γ為7，光學探針光圈孔徑wa約為0.27m。
圖18表示了利用本發明裝置的輸出光強Iout的曲線，該曲線表明了在不同的輸入光強情況下相對于從光學探針到窗口距離z的輸出光強Iout的關系。在這種情況下，窗口空腔是9mm×9mm。可看出輸入光強越大輸出光強也越大。在此，g1表示最大的光強，以及g2、g3和g4表示減少的輸入光強。還有，從g1、g2、g3和g4可看出隨著距離z的增加輸出光強減少，而與輸入光強無關。
以上所描述的實施例必須解釋為本發明的優選實施例的例子，而不是對本發明的限定。例如，在本技術中的一般技巧可以在光學探針與光學探測器之間配備為預先確定的光學裝置，以及按照本發明的技術構思的濾波器。因此，本發明的范圍必須由所附的權利要求
和其相同的內容限定，而不是本發明實施例所描述的內容。
如上所述，在測量光學探針的裝置和方法中，該裝置能夠簡單地制造以及可以對光學探針無損傷地精確測量光學探針光圈孔徑。
權利要求
1.一種測量近場光學探針光圈的裝置，所述裝置包括光源，用于向所述近場光學探針發射光；光學探測器，其放置于所述近場光學探針之前，所述光學探測器接收由所述近場光學探針透過的光用以探測光強；和濾波器，其配備于所述光源與所述光學探測器之間，所述濾波器從透過近場光學探針的光中僅透過特定模式的波長的光。
2.根據權利要求
1所述的裝置，其中所述特定模式是貝塞爾高斯模。
3.根據權利要求
1或2所述裝置，還包括放置于所述近場光學探針與所述濾波器之間并且具有均勻折射率的介質。
4.一種測量近場光學探針光圈的裝置，所述裝置包括光源，用于向所述近場光學探針發射光；光學探測器，其放置于所述近場光學探針之前，所述光學探測器接收由所述近場光學探針透過的光用以探測光強；濾波器，其配備于所述光源與所述光學探測器之間，所述濾波器從透過該近場光學探針的光中僅透射具有特定模式波長的光；和光波導，其放置于所述近場光學探針與所述濾波器之間，所述光波導用于傳輸光。
5.根據權利要求
4所述的裝置，其中所述光波導是梯度折射率波導。
6.根據權利要求
5所述的裝置，其中所述特定模式是厄米高斯模。
7.根據權利要求
4所述的裝置，其中所述光波導是梯度折射率光纖。
8.根據權利要求
7所述的裝置，其中所述特定模式是拉蓋爾高斯模。
9.根據權利要求
4所述的裝置，其中所述光波導是階躍折射率波導和階躍折射率光纖之一。
10.根據權利要求
9所述的裝置，其中所述特定模式是階躍折射率波導模式和階躍折射率光纖模式之一。
11.一種測量近場光學探針光圈的裝置，所述裝置包括光源，其向所述近場光學探針發射光；光學探測器，其放置于所述近場光學探針之前，所述光學探測器接收由所述近場光學探針透過的光用以探測光強；濾波器，其配備于所述光源與所述光學探測器之間，所述濾波器從透過近場光學探針的光中只透射特定模式波長的光；和掩模，其放置于光源與濾波器之間并且在中心有使光通過的空腔。
12.根據權利要求
11所述的裝置，其中所述特定模式是掩模模式。
13.一種利用用于透射特定模式的光的濾波器測量近場光學探針光圈的方法，所述方法包括(a)向光學探針輻射預定波長的光；(b)利用濾波器從所述近場光學探針所發射光中透射特定模式的波長；(c)探測第一光強值，其取自透過所述濾波器的光的模數為0的波長的光的第一遠場光強分布；(d)探測第二光強值，其取自透過所述濾波器的光的模數不為0的波長的光的第二遠場光強分布；和(e)把所述第一和所述第二光強值的比值代入預定的相對于所述近場光學探針光圈孔徑的方程式中，以得到所述近場光學探針的所述光圈孔徑。
14.根據權利要求
13所述的方法，其中步驟(b)還包括通過預定介質將透過所述近場光學探針的光傳輸到所述濾波器。
15.根據權利要求
14所述的方法，其中所述預定介質具有均勻的折射率。
16.根據權利要求
13或15所述的裝置，其中所述特定模式是貝塞爾高斯模。
17.根據權利要求
14所述的方法，其中所述預定介質是梯度折射率波導。
18.根據權利要求
17所述的方法，其中所述特定模式是厄米高斯模。
19.根據權利要求
14所述的方法，其中所述預定介質是梯度折射率光纖。
20.根據權利要求
19所述的方法，其中所述特定模式是拉蓋爾高斯模。
21.根據權利要求
14所述的方法，其中所述特定介質是階躍折射率波導和階躍折射率光纖之一。
22.根據權利要求
21所述的方法，其中所述特定模式是階躍折射率波導模和階躍折射率光纖模之一。
23.根據權利要求
13所述的方法，其中步驟(d)包括獲得第二光強值，其取自透過所述濾波器的光的模數為2的波長的光的第二遠場光強分布。
24.根據權利要求
13所述的方法，其中步驟(e)包括(e-1)根據特定介質相應于特定模式獲得模解；(e-2)計算相應于模解的耦合常數以及獲得相對于耦合常數的光學探針光圈孔徑的關系方程式；和(e-3)用在步驟(c)把所測得的第一光強值與在步驟(d)所測得的第二光強值的比值代入關系方程式，推導出近場光學探針的光圈孔徑。
25.一種利用帶有空腔的掩模測量近場光學探針光圈的方法，所述方法包括向近場光學探針輻射具有預定波長的光；探測通過掩模透過光的第一遠場光強分布的第一光強值；探測通過掩模透過光的第二遠場光強分布的第二光強值；和把第一和第二光強值代入預定的光強和近場光學探針光圈孔徑的方程式中以得到近場光學探針光圈孔徑。
專利摘要
一種測量近場光學探針光圈孔徑的裝置和方法。該裝置包括光源、光學探測器、和濾波器。光源向近場光學探針發射光。光學探測器放置于近場光學探針之前并且接收由近場光學探針透過的光用以探測光強。濾波器配備于光源與光學探測器之間并從透過近場光學探針的光中僅透過特定模式的波長的光。因此，在不損壞近場光學探針的情況下，能夠精確實時測量近場光學探針光圈孔徑。
文檔編號G01Q60/00GKCN1405784SQ02141550
公開日2003年3月26日 申請日期2002年9月2日
發明者禹起命, 佩特羅夫·尼科萊, 李明馥 申請人:三星電子株式會社導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan