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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine optische Nahfeldsonde, die zur
Wiedergabe und zur Aufzeichnung von Informationen in hoher Dichte
unter Verwendung eines Nahfelds fähig ist, und im Besonderen
optische Nahfeldsonden, die in einer Anordnung hergestellt sind.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Mit
dem üblicherweise
zum Beobachten der charakteristischen Lichtverteilung von Proben
verwendeten Lichtmikroskop kann wegen der Beugungsgrenze des zur
Beleuchtung der Probe verwendeten sichtbaren Lichts, d.h. des sich
fortpflanzenden Lichts, keine strukturelle Beobachtung mit einem
Auflösungsvermögen von
weniger als der Hälfte der
eigenen Wellenlänge
durchgeführt
werden. Folglich liegt beim Lichtmikroskop eine Begrenzung der Mindesteinheit
für die
Analyse einer Probenstruktur auf einige hundert Nanometer vor. Da
aber Bilder als erweiterte visuelle Beobachtungen erhalten werden können, wurde
eine Vereinfachung der Analyse und eine Vereinfachung der Mikroskop-Struktur
erreicht.
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Beim
Elektronenmikroskop hingegen, mit dem eine Beobachtung einer Probenoberfläche mit höherem Auflösungsvermögen möglich ist,
traten aufgrund der Bestrahlung der zu beobachtenden Probenoberflächen mit
einem hochenergetischen Elektronenstrahl Beschädigungen von Proben und Tendenzen
hin zu größeren und
komplexeren Mikroskopen auf.
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Mit
dem Raster-Tunnelmikroskop (STM), das zum Erzeugen von Bildern mit
noch höherer
Auflösung
imstande ist, oder dem Rastersondenmikroskop (SPM), etwa einem Rasterkraftmikroskop
(AFM) können
atomare und molekulare Abbildungen der Probenoberfläche erhalten
werden, und auch die Größe der das
Mikroskop bildenden Einheiten konnte verringert werden. Allerdings
erfolgt die Detektion der gewünschten
physikalischen Größe durch
eine Wechselwirkung, etwa einem Tunnelstrom oder atomarer Kraft,
zwischen einer Sonde und der Probenoberfläche.
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Die
erhaltene Auflösung
des Bilds der geometrischen Fläche
hängt somit
von der Form der Sondenspitze ab.
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In
diesem Zusammenhang wird nun dem optischen Nahfeldmikroskop Aufmerksamkeit
geschenkt, das das sich fortpflanzende Licht benutzt und die zwischen
einer Sonde und einem Probenoberflächen-Nahfeld auftretende Wechselwirkung
detektiert, wodurch die Beugungsgrenze des Fortpflanzungslichts,
auf die man mit den obgenannten Lichtmikroskopen stößt, durchbrochen
wird, wobei es die Struktur einer SPM-Vorrichtung übernimmt.
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Beim
optischen Nahfeldmikroskop verursacht eine Sonde mit einer mikroskopischen
Apertur, die kleiner als die Wellenlänge des zur Beobachtung verwendeten
Fortpflanzungslichts ist, die Streuung in einem Nahfeld, das in
an einer mit Licht bestrahlten Probenoberfläche vorhanden ist. Durch die
Detektion des Lichtstreuung wird eine Beobachtung in einem kleineren
mikroskopischen Bereich möglich,
welche das Auflösungsvermögen der
Lichtmikroskopbeobachtung übertrifft.
Durch einen Wellenlängendurchlauf
des auf die Probenoberfläche
gestrahlten Lichts ist die Beobachtung der optischen Eigenschaften
einer Probe in einem mikroskopischen Bereich möglich.
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Üblicherweise
wird in einem optischen Nahfeldmikroskop eine faseroptische Sonde
verwendet, bei der in einer Spitze der optischen Faser eine mikroskopische
Apertur durch Schärfen
und Beschichten im Umfangsbereich ausgebildet ist. Das durch die Wechselwirkung
mit einem Nahfeld erzeugte Streulicht wird durch das Sondeninnere
hindurch in einen Lichtdetektor eingebracht.
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Zudem
wird Licht durch die optische Fasersonde hindurch zur Probe geführt, um
an einem Spitzenabschnitt der optischen Fasersonde ein Nahfeld zu
erzeugen. Es ist ferner möglich,
hier das Streulicht, das durch eine Wechselwirkung zwischen dem Nahfeld
und der mikroskopischen Oberflächenstruktur
der Probe erzeugt wird, unter Verwendung eines zusätzlich bereitgestellten
Lichtsammelsystems in den Lichtdetektor einzubringen.
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Abgesehen
von der Verwendung als Mikroskop ist es zusätzlich möglich, lokal ein hoch energetisches,
dichtes Nahfeld an einer Probenoberfläche zu erzeugen, indem Licht
durch die faseroptische Sonde zur Probe geführt wird. Dadurch kann eine Änderung
der Struktur oder einer Eigenschaft der Probenoberfläche bewirkt
und ein hochdichter Speicher bereitgestellt werden. In einem solchen
Fall kann die aufgezeichnete Information durch Erzeugen einer Modulation
der Wellenlänge
oder der Intensität
des Lichts, das beim obgenannten Nahfeld-Detektionsverfahren auf
die Probe gestrahlt wird, aufgezeichnet/wiedergegeben werden.
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Als
Sonde, die für
ein optisches Nahfeldmikroskop verwendet werden soll, wurde eine
optische Sonde mit Ausleger vorgeschlagen, in dem ein ein Siliciumsubstrat
durchdringender Aperturabschnitt mithilfe von Halbleiter-Herstellungstechnologien,
etwa durch Photolithographie, ausgebildet ist, ein Isolierfilm an
einer Oberfläche
des Siliciumsubstrats ausgebildet ist und eine konisch geformte
Lichtwellenleiterschicht an einer dem Aperturabschnitt gegenüberliegenden
Seite auf dem Isolierfilm ausgebildet ist, so wie beispielsweise
im US-Patent Nr. 5.294.790 geoffenbart ist. Mit dieser optischen
Auslegersonde ist es möglich,
Licht durch die ausgebildete mikroskopische Apertur zu übertragen,
indem eine optische Faser in den Aperturabschnitt eingeführt und
die Flächen
unter Aussparung des Spitzenabschnitts der Lichtwellenleiterschicht
mit einem Metallfilm beschichtet werden.
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Außerdem ist
der Aperturabschnitt der optischen Auslegersonde mit einer Kugellinse
oder einem linsenbildenden Harz versehen, um das Licht aus der eingeführten optischen
Faser an der Spitze der Lichtwellenleiterschicht zu sammeln.
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Heute
ist bereits eine Lichtwellenleiter-Auslegersonde bekannt, die anstelle
einer in die optische Auslegersonde eingeführten optischen Faser wie im obgenannten
US-Patent Nr. 5.294.790
einen Lichtwellenleiter verwendet. Beispielsweise umfasst der im
US-Patent Nr. 5.354.985 geoffenbarte Ausleger eine Struktur mit
einer Kondensatorschicht, die ausgebildet im, um die AFM-Technologie
in Verbindung mit einem Lichtwellenleiter zu verwenden, um Licht
in eine Apertur einzuführen,
sodass der Ausleger als Schwingungs- und Biegegröße detektiert werden kann.
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Ferner
wird gemäß der Lichtwellenleiter-Auslegersonde
Laserlicht auf eine Auslegeroberfläche gestrahlt. Hier werden
weder die oben erwähnte
Kondensatorschicht noch eine piezoelektrische Widerstandsschicht
ausgebildet, sodass die AFM-Technologie
der Detektion des Auslegerbiegeausmaßes durch die Reflexionsposition
angewendet wird. Zudem ist eine konkav geformte Linse oder eine
Fresnelsche Zonenplatte am Lichtwellenleiter in Aperturrichtung
ausgebildet, und vom Lichtwellenleiter ausgesendetes Licht kann
zur Apertur hin gesammelt werden.
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Außerdem wurde
vorgeschlagen, eine Sonde mit flacher Oberfläche zu verwenden, ohne wie die
obgenannte Sonde eine scharfe Spitze aufzuweisen. Die Sonde mit
flacher Oberfläche
weist eine Apertur in der Form einer umgekehrten Pyramide auf, die
durch anisotropes Ätzen
in einem Siliciumsubstrat ausgebildet ist. Im Besonderen ist hier
der Scheitel durchbohrt, mit einem Durchmesser von einigen Dutzend
Nanometern. Solche flache Planarsonden können durch die Anwendung von
Halbleiter-Herstellungstechnologien einfach in größerer Anzahl
auf ein und demselben Substrat ausgebildet, d.h. als Anordnung gefertigt
werden. Im Besonderen ist es möglich, eine
optischen Kopf zu verwenden, der zur optischen Speicherwiedergabe
und -aufzeichnung unter Verwendung des Nahfelds geeignet ist. Durch
Anbringen der oben erwähnten
Kugellinse in einem Aperturabschnitt dieser flachen Planarsonde
ist es möglich, das
auf eine flache Planarsondenoberfläche einfallende Licht an einem
Spitzenabschnitt der Apertur zu sammeln.
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Allerdings
weist die oben erörterte
optische Fasersonde eine scharfe Spitze auf, wodurch ihre mechanische
Festigkeit unzulänglich
und die Sonde nicht für
die Massenherstellung und Bildung von Anordnungen geeignet ist.
Da das durch die Störung
eines Nahfelds erhaltene Streulicht sehr schwach ist, muss etwas
erdacht werden, um am Detektionsabschnitt eine ausreichende Menge
an Licht zu erhalten. Auch bei der Erzeugung eines ausreichend großen Nahfelds
durch eine optische Faser bedarf es Überlegungen hinsichtlich des
Sammelns von Licht an der Apertur.
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Auch
kann sich bei der oben beschriebenen optischen Auslegersonde keine
ausreichend große Menge
an Licht ohne Verluste zwischen dem Lichtwellenleiter und der optischen
Faser fortpflanzen, da eine optische Faser im Aperturabschnitt eingeführt ist,
um den Empfang des Streulichts vom Lichtwellenleiter oder die Einführung des
Fortpflanzungslichts in den Lichtwellenleiter zu erzielen.
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Ist
eine Kugellinse im Aperturabschnitt bereitgestellt, so kann diese
Kugellinse nicht notwendigerweise den Brennpunkt auf eine Lichteinfalls-/-aussendungsoberfläche des
Spitzenabschnitts der optische Faser oder des Lichtwellenleiters
einstellen, wodurch eine optimale Sammlung des Lichts unmöglich wird.
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Bei
der zuvor erwähnten
Lichtwellenleitersonde mit Ausleger stellt sich ein ähnliches
Problem zwischen dem Fortpflanzungslicht zum Lichtwellenleiter und
dem optischen Detektor oder dem Licht aus einer Lichtquelle, wie
auch bei der Verwendung einer oben beschriebenen optischen Auslegersonde.
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Sowohl
die optische Auslegersonde als auch die Lichtwellenleiter-Auslegersonde
sind nur schwer als zweidimensionale Anordnung auszuführen. Auch steht
hier augrund des eigentlichen Verwendungszwecks als Mikroskop der
Einsatz für
die Aufzeichnung/Reproduktion von optischer Speicherinformation
nicht zur Debatte.
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Die
oben erläuterte
flache Planarsonde ist zur Massenherstellung und Bildung von Anordnungen
geeignet. Da hier kein zugespitzter Abschnitt vorsteht, ist die
mechanische Festigkeit ausreichend. Da Licht aber mithilfe einer
im Aperturabschnitt bereitgestellten Kugellinse gesammelt wird,
stellt sich ein ähnliches
Problem wie bei der Verwendung der Kugellinse in der Lichtwellenleiter-Auslegersonde.
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Es
ist daher ein Ziel der Erfindung, eine Sonde bereitzustellen, die
zur Detektion und zur Erzeugung einer ausreichenden Intensität eines
Nahfelds fähig
ist, und zwar in einer Sonde mit einer oben beschriebenen herkömmlichen
mikroskopischen Apertur, insbesondere einer optischen Sonde, die
als optischer Speicherkopf für
die Massenherstellung und die Bildung von Anordnungen geeignet ist,
um die Aufzeichnung/Reproduktion von optischer Speicherinformation
unter Verwendung eines Nahfelds zu ermöglichen.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine optische Nahfeldsonde mit einer mikroskopischen Apertur
zur Erzeugung/Streuung eines Nahfelds bereitgestellt, wobei die
optische Nahfeldsonde Folgendes umfasst:
ein flaches Oberflächensubstrat
mit einem invers konischen oder pyramidenförmigen Loch, das dieses durchdringend
ausgebildet ist, sodass dessen Scheitelabschnitt als die mikroskopische
Apertur gefertigt ist und sodass kein Vorsprung in der Umgebung
der mikroskopischen Apertur vorliegt;
und wobei die Sonde ferner
Folgendes umfasst:
eine auf dem Substrat bereitgestellte planare
Linse mit einer mikroskopischen Linse;
eine Lichtquelle zur
Aussendung von Licht an die planare Linse oder einen optischen Detektor
zum Sammeln des durch die mikroskopische Apertur tretenden Lichts;
worin
die flache planare Linse in der flachen Platte (Substrat 1)
an einer Oberfläche
angeordnet ist, die einer Oberfläche,
an der die mikroskopische Apertur ausgebildet ist, gegenüberliegt,
um einen Brennpunkt der Linse an der mikroskopischen Apertur festzulegen;
und
worin die Lichtquelle oder der optische Detektor oberhalb einer
Oberfläche
der planaren Linse angeordnet ist.
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Demzufolge
kann von der Lichtquelle ausgesendetes Licht durch die Wirkung der
oberhalb der mikroskopischen Apertur positionierten planaren Linse
effizient an der mikroskopischen Apertur gesammelt werden. Somit
ist eine optische Sonde bereitgestellt, die ein zu erzeugendes Nahfeld
vergrößern kann,
aber eine kompakte Struktur aufweist.
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Bei
der optischen Nahfeldsonde gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es bevorzugt, dass das flache Oberflächensubstrat
eine Vielzahl mikroskopischer Aperturen aufweist, dass die planare
Linse eine Vielzahl mikroskopischer Linsen aufweist, um an die Vielzahl
von mikroskopischen Aperturen angepasst zu sein, und dass die Lichtquelle
zumindest eine ist, die für
die Vielzahl mikroskopischer Linsen geeignet ist.
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Demzufolge
kann von der Lichtquelle ausgesendetes Licht durch die Wirkung einer
Vielzahl an oberhalb der Vielzahl mikroskopischer Aperturen positionierten
planaren Linsen effizient an der mikroskopischen Apertur gesammelt
werden. Wird nun die optische Nahfeldsonde gemäß der vorliegenden Erfindung
als optischer Speicherkopf verwendet, so ist eine optische Sonde
bereitgestellt, die zur Aufzeichnung/Wiedergabe von Informationen
ohne Notwendigkeit einer Hochgeschwindigkeitsabtastung der Sonde
fähig ist.
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Bei
einer optischen Nahfeldsonde gemäß der vorliegenden
Erfindung ist es bevorzugt, dass die planare Linse einen Gradientenbrechungsindex
aufweist.
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Es
ist demnach möglich,
eine optische Sonde mit kompakter Struktur bereitzustellen, die
einen Linsenabschnitt in flacher, planarer Form als planare Linse
aufweist, die oberhalb der mikroskopischen Apertur angeordnet ist
und für
die Massenproduktion geeignet ist.
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Es
ist weiters bevorzugt, dass die planare Linse eine Oberfläche aufweist,
die teilweise als Kugellinsenoberfläche gefertigt ist.
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Demzufolge
ist es möglich,
eine optische Sonde mit kompakter Struktur bereitzustellen, deren mikroskopischer
Linsenabschnitt imstande ist, als oberhalb der mikroskopischen Apertur
angeordnete planare Linse die Wirkung einer gewöhnlichen Linsenform auszuüben, und
die für
die Massenproduktion geeignet ist.
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Bei
der die planaren Linse handelt es sich gegebenenfalls um eine das
Prinzip der Beugung verwendende Linse.
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Daher
ist es möglich,
eine optische Sonde mit kompakter Struktur bereitzustellen, deren
Linsenabschnitt mit flacher Oberfläche als eine oberhalb der mikroskopischen
Apertur angeordnete planaren Linse dient und die für die Massenproduktion
geeignet ist.
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Zudem
kann die planare Linse im Inneren des invers konischen oder pyramidenförmigen Loches
angeordnet sein.
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Daher
ist es möglich,
eine optische Sonde mit kompakter Struktur bereitzustellen, deren
Linse unmittelbar vor der mikroskopischen Apertur positioniert ist
und die für
die Massenproduktion geeignet ist.
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Weiters
verfügt
die optische Nahfeldsonde gemäß der vorliegenden
Erfindung über
einen Lichtdetektor zur Detektion des an der mikroskopischen Apertur
gestreuten Streulichts, und durch die Wirkung der oberhalb der mikroskopischen
Apertur angeordneten Linse oder Lichtsammelschicht kann das von
der mikroskopischen Apertur ausgesendete Streulicht am Lichtdetektor
effizient gesammelt werden. Somit kann eine optische Sonde breitgestellt werden,
mit der die Detektion des Streulichts erhöht werden kann, die aber eine
kompakte Struktur aufweist.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung;
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Die 2A, 2B, 2C und 2D sind
Ansichten zur Erläuterung
eines Verfahrens der Herstellung einer planaren Mikrolinse gemäß Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung;
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3 ist
eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde gemäß Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung;
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4 ist
eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde, die in Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung mit einer Fresnelschen Zonenplatte
versehen ist;
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5 ist
eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde, die in Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung mit einer holographischen Linse versehen
ist;
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6 ist
eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde gemäß Ausführungsform
4 der vorliegenden Erfindung;
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7 zeigt
eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde, die eine
Ausleger-Lichtwellenleitersonde verwendet, als nicht beanspruchtes Beispiel
1 der vorliegenden Erfindung; und
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8 zeigt
eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde, die eine
optische Auslegersonde verwendet, als nicht beanspruchtes Beispiel
1 der vorliegenden Erfindung.
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BESTE AUSFÜHRUNGSFORM
ZUR UMSETZUNG DER ERFINDUNG
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Hier
werden in Folge Ausführungsformen von
optischen Nahfeldsonden gemäß der vorliegenden
Erfindung anhand der Zeichnungen detailliert dargelegt.
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[Ausführungsform 1]
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht einer optischen Nahfeldsonde gemäß der Ausführungsform
1.
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In 1 verfügt ein Siliciumsubstrat 1 mit
einer Apertur 3 über
eine planare Mikrolinse 5, wobei zusätzlich ein oberflächenemittierender
Laser 4 an der planaren Mikrolinse bereitgestellt ist.
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Das
Siliciumsubstrat 1 ist mit einem verjüngten Abschnitt 2 versehen,
der dieses durchdringt, um eine mikroskopische Apertur 3 bereitzustellen.
Die Apertur 3 weist einen Durchmesser von beispielsweise
50 Nanometern auf, sodass durch das durch den verjüngten Abschnitt 2 eingebrachte
Licht ein Nahfeld erzeugt werden kann. Der verjüngte Abschnitt 2 wird
mikrolithographisch unter Einsatz der Photolithographie oder anisotroper
Siliciumätzung
ausgebildet. Beispielsweise wird ein Siliciumsubstrat 1 mit
einer (100)-Ebene an beiden Oberflächen durch thermische Oxidfilme
oder Au/Cr-Metallfilme als Masken für eine später ausgeführte anisotrope Ätzung gebildet.
Die Maske an einer der beiden Oberflächen wird von dem Abschnitt,
der das Aperturfenster bilden soll, entfernt, wodurch die (100)-Ebene
freigelegt wird. Danach wird die mit dem Aperturfenster versehene Oberfläche einer Ätzlösung ausgesetzt,
um eine vierwandige Verjüngung
einer inversen Pyramidenkonfiguration im Siliciumsubstrat 1 auszubilden.
Gleichzeitig wird die Rückseite
der Maske an der anderen Oberfläche
ausgesetzt, sodass seine Spitze zu einer Apertur 3 geformt
wird. Nun werden die Maskenmaterialien an beiden Oberflächen des
Siliciumsubstrats 1 entfernt, wodurch ein Siliciumsubstrat 1 mit
der gewünschten
Apertur 3 und mit dem verjüngten Abschnitt 2 erhalten
wird.
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Da
die mikroskopische Apertur mit einer für die Halbleiterherstellung
angewendetem Technologie wie der obgenannten ausgebildet werden
kann, kann ein Siliciumsubstrat mit einer derartigen Struktur als Planarsonde
verwendet werden, die zur Schaffung eines Nahfelds fähig und
die für
die Massenproduktion mit hoher Reproduzierbarkeit geeignet ist.
Im Besonderen wird das Bilden von Anordnungen erleichtert, bei denen
eine Vielzahl an Aperturen auf ein und demselben Siliciumsubstrat
ausgebildet werden.
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Die
planare Mikrolinse 5 weist einen Gradientenindex auf, sodass
der Brechungsindex von einer Oberfläche der Platte zur anderen
Oberfläche kontinuierlich
variiert, und fungiert als Linse, die zum Sammeln oder Bündeln des
auf eine Oberfläche
der Platte einfallenden Lichts an der anderen Oberflächenseite
imstande ist.
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Die
planare Mikrolinse mit Gradientenindex kann in größerer Anzahl
auf ein und derselben flachen Platte ausgebildet werden und ist
für die
obgenannten Anordnungen von Aperturen auf dem Siliciumsubstrat geeignet.
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Die 2A, 2B, 2C und 2D zeigen
ein Verfahren der Herstellung einer planaren Mikrolinse 5 mit
Gradientenbrechungsindex. Zuerst wird, wie 2A zu
entnehmen ist, ein Metallfilm 22 durch Vakuumbedampfung
oder Sputtern auf einem Glassubstrat 21 ausgebildet. Danach
werden, wie in 2B dargestellt ist, durch Photolithographie
kreisrunde Aperturen 23 ausgebildet. Wie in 2C veranschaulicht
ist, wird dieses Glassubstrat nun in eine Salzschmelze gelegt, um
einen selektiven Ionenaustausch zu bewirken. Hierbei werden jene
Ionen mit hoher elektronischer Polarisierbarkeit als die Ionen selektiert,
die in das Glassubstrat diffundiert werden. Die auf die runden Aperturen 23 eingeschränkte Diffusion
sorgt für
eine dreidimensionale Verteilung der Konzentration, die zum Umfangsrand
der Aperturen hin fortschreitet und dort einen dazu proportionalen Gradientenbrechungsindex
verursacht. So wird eine Vielzahl an Linsen, wie in 2D dargestellt,
erzeugt. Jede dieser Linsen ist eine Linse mit einem punktsymmetrischen,
halbkugelförmig
verteilten Brechungsindex, wobei der höchste Brechungsindex im Mittelpunkt
der kreisrunden Apertur vorliegt.
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Die
planare Mikrolinse 5 wird nun am Siliciumsubstrat 1 angebracht,
sodass das auf die planare Mikrolinse 5, die eine Vielzahl
an Linsenabschnitten umfasst, einfallende Licht an den entsprechenden Aperturen
des obgenannten Siliciumsubstrats gesammelt wird. Nun werden das
Siliciumsubstrat 1 und die planare Mikrolinse 5 beispielsweise
unter Verwendung eines organischen Klebers laminiert.
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Allerdings
muss es sich beim Herstellungsverfahren für die planare Mikrolinse 5 nicht
unbedingt um das oben erwähnte
Verfahren des selektiven Ionenaustauschs handeln, sondern es können auch andere
Methoden, etwa eine CVD-Technik, angewendet werden.
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Als
Lichtquelle ist ein oberflächenemittierender
Laser 4 an einer Oberfläche
der planaren Mikrolinse 5 bereitgestellt, d.h. an der Oberfläche, auf
die das Außenlicht
einfällt.
Das vom oberflächenemittierenden
Laser ausgesendete Licht fällt
in die planare Mikrolinse 5. Durch den Gradientenindex
der planaren Mikrolinse 5 ist die Wirkung auf das einfallende Licht ähnlich wie
beim Einfallen in eine Linse, und dieses Licht wird an der unterhalb
der planaren Mikrolinse 5 angeordneten Apertur 3 des
Siliciumsubstrats 1 gebündelt.
Durch das Sammeln des Lichts wird lokal hochenergetisches Licht
gesammelt, um die Intensität
des in der Apertur erzeugten Nahfelds zu erhöhen.
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Nun
wird ein Verfahren zur Durchführung
einer optischen Aufzeichnung mittels in einer Apertur 3 erzeugten
Nahfelds erklärt,
worin eine mit einem Siliciumsubstrat 1 überdeckte
Struktur, eine planare Mikrolinse 5 und ein oberflächenemittierender
Laser 4 als Kopf für
einen optischen Speicher auf einem Aufzeichnungsmedium platziert
werden.
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Ein
plattenförmiges,
flaches Substrat wird beispielsweise als Aufzeichnungsmedium verwendet,
auf dem der als Anordnung ausgebildete optische Speicherkopf platziert
wird. Um ein in der Apertur des optischen Speicherkopfs auf dem
Aufzeichnungsmedium erzeugtes Nahfeld nutzen zu können, müssen die
Apertur und das Aufzeichnungsmedium bis zu einem dem Durchmesser
der Apertur entsprechenden Abstand angenähert werden. Deshalb wird ein
Schmiermittel zwischen dem optischen Speicherkopf und dem Aufzeichnungsmedium
eingebracht, um einen ausreichend dünnen optischen Speicherkopf
zu bilden, wobei der Abstand zwischen dem optischen Speicherkopf
und dem Aufzeichnungsmedium durch die Nutzung der Oberflächenspannung
des Schmiermittels ausreichend klein gehalten werden kann. Auch
ist es möglich,
Durchbiegungen des Aufzeichnungsmediums nachzuzeichnen.
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Dieser
Zustand der räumlichen
Nähe zwischen
dem optischen Speicherkopf und dem Aufzeichnungsmedium kann anstelle
des obigen Schmiermittels auch mithilfe eines Luftkissens reguliert
werden, ähnlich
wie einem in der Festplattentechnologie verwendeten Schwebekopf.
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Wird
als Material für
das Aufzeichnungsmedium beispielsweise ein Material, das für ein Phasenänderungs-Aufzeichnungsverfahren
verwendet wird, so verwendet der Aufzeichnungsvorgang einen Lichtenergiewärmemodus.
Daher ist die Erhöhung der
Dichte des Lichts ein wichtiger Faktor. Folglich ist es bei der
optischen Aufzeichnung unter Verwendung eines Nahfelds wünschenswert,
ein Nahfeld mit ausreichender Intensität zu erzeugen. Beim optischen
Speicherkopf gemäß der vorliegenden
Erfindung wird die Verstärkung
des Nahfelds durch die Benutzung und die Wirkung der planaren Mikrolinse erzielt.
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Die
obige Erläuterung
bezieht sich auf einen Beleuchtungsmodus, der in einem optischen
Nahfeldmikroskop als solcher bezeichnet wird, worin Licht an einer
Apertur eines optischen Speichers gesammelt wird, um ein Nahfeld
zu erzeugen. Die optische Nahfeldsonde der vorliegenden Erfindung
kann in einem sogenannten Sammelmodus in Betrieb genommen werden,
bei dem die mikroskopische Apertur ein durch eine mikroskopische
Informationsaufzeichnungsstruktur auf einer Oberfläche eines
Aufzeichnungsmediums erzeugtes Nahfeld durch die Bestrahlung der
Oberfläche
des Aufzeichnungsmediums mit Licht durch andere optische Systeme
detektiert. In diesem Fall wird das von der Apertur detektierte
Nahfeld mittels Streulicht umgewandelt und zu einer Oberfläche der
planaren Mikrolinse geführt.
Da die planare Mikrolinse als Kollimatorlinse fungiert, muss anstelle
des oberflächenemittierenden
Lasers ein optischer Detektor an der Oberfläche der planaren Linse bereitgestellt
sein.
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Weiters
ist es bei der Verwendung der optischen Nahfeldsonde der vorliegenden
Erfindung als optischer Speicherkopf möglich, eine Vielzahl an Aperturen
und planaren Lichtsammellinsen anzuordnen. Dadurch kann erreicht
werden, dass die Kopfabastung auf ein Minimum eingeschränkt wird,
was das Aufzeichnen und Auslesen mit Hochgeschwindigkeit ermöglicht.
Die Unnotwendigkeit der Bereitstellung einer Spurregelung wird durch
Anpassen des Abstands der Anordnung auf den Abstand der Informationsaufzeichnungseinheiten
auf dem Aufzeichnungsmedium erreicht.
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Bei
der oben angeführten
Erklärung
wurde die planare Mikrolinse 5 auf der oberen Oberfläche des
Siliciumsubstrats 1 angeordnet. Alternativ dazu kann beispielsweise
SiO2, das einem Glassubstrat für die Mikrolinse 5 entspricht,
in den im Siliciumsubstrat 1 ausgebildeten verjüngten Abschnitt 2 eingebracht
werden, sodass diesem durch den selektiven Ionenaustausch ein Gradientenbrechungsindex
verliehen wird, um eine Linse zu bilden. In diesem Fall muss die
Oberfläche
des einzubringenden SiO2 keine flache Ebene,
sondern kann auch gekrümmt
sein, solange sie sich im verjüngten
Abschnitt befindet. Auch kann sie eine übliche Linsenform aufweisen, um
so einen auf diese Form zurückzuführenden
Linseneffekt und einen auf den Gradientenindex zurückzuführenden
Linseneffekt aufzuweisen.
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[Ausführungsform 2]
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3 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Teils eines Kopfs für einen
optischen Speicher gemäß Ausführungsform
1.
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In 3 ist
ein Mikrolinsensubstrat 6 anstelle der planaren Mikrolinse 5 aus 1,
die im Zuge der Ausführungsform
1 erläutert
wurde, bereitgestellt. Im Mikrolinsensubstrat 6 werden
bei dem in Ausführungsform
1 beschriebenen Ionenaustauschverfahren Ionen von großem Radius
als die in das Glassubstrat zu diffundierenden Ionen selektiert,
um im kreisrunden Aperturabschnitt aufgrund des Durchmesserunterschieds
zu den ausgetauschten Ionen eine Schwellung auszulösen. Demzufolge
wird eine Linse mit einer typischen Linsenform erhalten, anders
als bei dem durch den selektiven Ionenaustausch in Ausführungsform
1 erhaltenen Gardientenbrechungsindex. Durch diese Schwellung weist
das Mikrolinsensubstrat 6 keine flache Oberfläche auf,
sodass kein oberflächenemittierender
Laser 4 mehr direkt auf dieser bereitgestellt werden kann.
Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, einen Abstand zwischen dem
Mikrolinsensubstrat 6 und dem oberflächenemittierenden Laser 4 bereitzustellen.
Beim Fixieren dieser wird ein nicht dargestellter Abstandshalter
verwendet.
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Bei
dem durch einen solchen selektiven Ionenaustausch ausgebildeten
Mikrolinsensubstrat 6 kann der Linsenabschnitt einfach
als Anordnung gefertigt und auf Aperturen des Siliciumsubstrats,
die ebenfalls in einer Anordnung vorliegen, angepasst werden.
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Nebenbei
erwähnt
muss die Formung der Linse zu einer herkömmlichen Linsenform mit Schwellung
nicht unbedingt mittels dem obgenannten Verfahren des selektiven
Ionenaustauschs erfolgen, sondern es kann beispielsweise auch ein
Glaskeramikverfahren zur Anwendung gelangen, bei dem ein UV-Strahl
auf lichtempfindliches Glas gestrahlt wird, um eine kristallisierte
Region und eine mikroskopische, kugelförmige Oberfläche auszubilden
und so eine Linse zu erhalten.
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Mit
dem auf die oben beschriebene Weise hergestellten Mikrolinsensubstrat 6 ist
es im Beleuchtungsmodus möglich,
das vom oberflächenemittierenden
Laser 4 ausgesendete Licht an der Apertur 3 des
Siliciumsubstrats 1 zu sammeln, ähnlich wie bei dem mit der
planaren Mikrolinse in Ausführungsform 1
erzielten Effekt. Im Sammelmodus hingegen, bei dem anstelle des
oberflächenemittierenden
Lasers 4 ein Lichtdetektor vorhanden ist, kann das durch
die Apertur 3 abgegebene Streulicht am Lichtdetektor gebündelt werden.
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Folglich
kann die Intensität
des zu erzeugenden und zu detektierenden Nahfelds erhöht werden. Im
Besonderen kann dann, wenn eine Struktur mit einer Anordnung aus
dem Siliciumsubstrat 1, dem Mikrolinsensubstart 6 und
dem oberflächenemittierenden
Laser 4 (oder dem Lichtdetektor) als Kopf für einen
optischen Speicher verwendet wird, die optische Aufzeichnung/Widergabe
von Informationen unter Verwendung eines Nahfelds mit hoher Effizienz
und Reproduzierbarkeit, ähnlich
wie die in Ausführungsform
1 erklärte
Wirkung, erreicht werden.
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Auch
kann das Mikrolinsensubstrat 6 so ausgebildet werden, dass
es an der Oberfläche
eine Linsenform und im Inneren des Glassubstrats einen Gradientenbrechungsindex
aufweist, in dem das in Ausführungsform
1 beschriebene selektive Ionenaustauschverfahren zur Selektion von
Ionen mit hoher elektrischer Polarisierbarkeit mit dem in Ausführungsform
2 beschriebenen selektiven Ionenaustauschverfahren zur Selektion
von Ionen mit großem Radius
kombiniert wird.
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[Ausführungsform 3]
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4 zeigt
eine Querschnittsansicht eines Teils der optischen Nahfeldsonde
gemäß Ausführungsform
3.
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In 4 ist
eine Fresnelsche Zonenplatte 7 anstelle der planaren Mikrolinse 5 aus 1,
die in Ausführungsform
1 beschrieben wurde, bereitgestellt. Die Fresnelsche Zonenplatte 7 dient
der Erzeugung von Beugungslicht durch eine an der Oberfläche des
Glassubstrats ausgebildete feine Struktur zum Erhalt eines Linseneffekts.
Es ist möglich,
das vom oberflächenemittierenden
Laser 4 ausgesendete kohärente Licht ohne Aberration
in der Apertur 3 zu sammeln. Zur Feinbearbeitung der Fresnelschen
Zonenplatte 7 können
verschiedenste Verfahren angewendet werden, einschließlich der
Elektronenstrahlbearbeitung, des Laserinterferenzverfahrens, des Trockenätzverfahrens
und maschinellen Feinbearbeitung. Wird aber eine Schablone gefertigt,
so ist die Massenproduktion durch Prägen oder dergleichen möglich.
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Durch
die Bereitstellung einer Fresnelschen Zonenplatte 7 zwischen
dem oberflächenemittierenden
Laser als Lichtquelle und der Apertur kann die Intensität des zu
erzeugenden und zu detektierenden Nahfelds in der Apertur erhöht werden.
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Auch
kann eine holographische Linse 8 anstelle der Fresnelschen
Zonenplatte 7 verwendet werden, wie in 5 dargestellt
ist. Die holographische Linse 8 ist ein so ausgebildetes
Hologramm, dass der Beugungspunkt der Apertur 3 entspricht, und
kann Licht aus einer Lichtquelle 9, vorzugsweise einfallendes
Licht des kohärenten
Lichts, in der Apertur 3 sammeln. Wenn für diese
hohlgraphische Linse eine Schablone hergestellt wird, kann sie durch
Prägen
oder dergleichen in Massen produziert werden.
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In
der obigen Erklärung
sind die Fresnelsche Zonenplatte 7 und die holographische
Linse 8 an der oberen Oberfläche des Siliciumsubstrats angeordnet.
Sie können
aber auch innerhalb des im Siliciumsubstrat 1 ausgebildeten
verjüngten
Abschnitts 2 angeordnet sein. In diesem Fall wird eine
Lichtquelle, z.B. ein oberflächenemittierender
Laser, an der oberen Oberfläche
des Siliciumsubstrats 1 angeordnet.
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[Ausführungsform 4]
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6 zeigt
einen Querschnitt eines Teils einer optischen Nahfeldsonde gemäß dem Ausführungsbeispiel
4.
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In 6 ist
eine Struktur mit einem Parabolspiegel 10, einem Spiegel 11 und
einem Lichtübertragungselement 12 anstelle
der in Ausführungsform
1 erklärten
planaren Mikrolinse 5 aus 1 angeordnet.
Das in das Lichtübertragungselement 12 einfallende
Licht wird vom Parabolspiegel 10 zum Spiegel 11 reflektiert.
Das auf den Spiegel 11 gerichtete Licht wird zur Apertur 3 hin
gesammelt. Dadurch kann die Intensität eines in der Apertur zu erzeugenden
Nahfelds erhöht
werden.
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[Beispiel 1]
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7 zeigt
eine Querschnitt einer optischen Nahfeldsonde gemäß dem nicht
beanspruchten Beispiel 1.
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In 7 ist
ein Lichtwellenleiter für
eine Lichtwellenleiter-Auslegersonde anstelle des in Ausführungsform
1 erklärten
Siliciumsubstrats aus 1 bereitgestellt. Der Lichtwellenleiter 13 weist
eine Lichteinfallsoberfläche
auf, auf der die in Ausführungsform
1 beschriebene planare Mikrolinse 5 diese berührend angeordnet
ist. An der oberen Oberfläche der
planaren Mikrolinse 5 ist ein oberflächenemittierender Laser 4 als
Lichtquelle angeordnet. Dadurch kann im Vergleich zu herkömmlichen
Strukturen, die mit einem gewöhnlichen
Optiksystem umgesetzt sind, eine intensivere Sammlung des Lichts
und eine verlustlose Einbringung des Lichts in den Lichtwellenleiter
erzielt werden, wodurch auf wirksame Weise ein Nahfeld in der Apertur 3 erzeugt
wird. In diesem Fall ist die optische Sonde eher zur Verwendung
in einem optischen Nahfeldmikroskop als einem optischen Speicherkopf
geeignet.
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Auch
bei einer in 8 dargestellten optischen Auslegersonde,
die an ihrer Spitze mit einem Vorsprung 15 als Apertur
versehen ist, kann, wie auch bei der Lichtwellenleiter-Auslegersonde,
durch die Bereitstellung einer Struktur mit einer planaren Mikrolinse 5 und
einem oberflächenemittierenden
Laser 4 oberhalb des Vorsprungs 15 eine intensive Sammlung
des Lichts und eine verlustfreie Einbringung des Lichts in den Vorsprung
erreicht werden, um in der Apertur wirksam ein Nahefeld zu erzeugen. Auch
in diesem Fall ist die optische Sonde eher zur Verwendung in einem
optischen Nahfeldmikroskop als einem optischen Speicherkopf geeignet.
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Nebenbei
erwähnt
kann die planare Mikrolinse 5 in Beispiel 1 auch durch
ein Mikrolinsensubstrat 6, eine Fresnelsche Zonenplatte 7 und
eine holographische Linse 8 oder aber durch einen Parabolspiegel 10,
einen Spiegel 11 und ein Lichtübertragungselement 12,
erklärt
in Ausführungsform
4, gebildet sein.
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In
den oben beschriebenen Ausführungsform
1 bis 4 und Beispiel 1 handelt es sich bei der Lichtquelle um einen
oberflächenemittierenden
Laser. Es ist allerdings genauso gut möglich, das darunter liegende
Linsensubstrat durch ein herkömmliches Siliciumverfahren
mit einer Laserdiode oder einer LED zu überdecken.
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GEWERBLICHE
ANWENDBARKEIT
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Wie
zuvor erörtert
wurde, kann gemäß der vorliegenden
Erfindung von einer Lichtquelle ausgesendetes Licht durch eine oberhalb
einer mikroskopischen Apertur angeordnete planare Linse effizient von
der mikroskopischen Apertur gesammelt werden. Es kann eine optische
Nahfeldsonde bereitgestellt werden, die ein Nahfeld mit einer im
Vergleich zu herkömmlichen
optischen Sonden höheren
Intensität
erzeugen kann, trotzdem aber eine kompakte Struktur aufweist.
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Wird
eine Vielzahl an mikroskopischen Aperturen und, über diesen, planaren Linsenabschnitten bereitgestellt,
so kann eine optische Nahfeldsonde bereitgestellt werden, die zur
Verwendung als optischer Speicherkopf geeignet ist, um die Aufzeichnung
optischer Speicherinformation unter Verwendung eines Nahfelds zu
ermöglichen,
und zwar insbesondere mit Hochgeschwindigkeitsabtastung und ohne
Spurregelung.
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Die
Flachheit der Oberfläche
der planaren Linse kann bereitgestellt werden, indem der planaren Linse
ein Gradientenbrechungsindex verliehen wird. Da die oberhalb dieser
zu positionierende Lichtquelle sehr nahe angeordnet werden kann,
ist es demnach möglich,
eine kompakte optische Sonde bereitzustellen, die für die Herstellung
im Massenumfang geeignet ist.
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Die
Herstellung einer planaren Linse mit einem Gradientenindex ermöglicht die
Einebnung der Oberfläche
der planaren Linse. Die darüber
angeordnete Lichtquelle kann somit nahe anordnet werden. Daher kann
eine optische Sonde betreitgestellt werden, die kompakter und für die Massenproduktion
geeignet ist.
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Die
mit einer Kugellinsenoberfläche
hergestellte planare Linse stellt den gewöhnlichen Linseneffekt in einem
mikroskopischen Bereich bereit. Es kann also eine optische Sonde
betreitgestellt werden, die kompakt ist, sich aber für die Massenproduktion
eignet.
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Bei
der planaren Linse, die als eine das Prinzip der Beugung verwendende
Linse hergestellt ist, kann auf die Justierung der optischen Achse
nach dem Einbau der planaren Linse verzichtet werden. Zudem kann
die darüber
angeordnete Lichtquelle nahe platziert werden. Es kann also eine
optische Sonde bereitgestellt werden, die kompakt ist, sich aber
für die
Massenproduktion eignet.
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Außerdem kann
eine kompaktere optische Nahfeldsonde bereitgestellt werden, indem
die planare Linse innerhalb eines invers konischen oder pyramidenförmigen Lochs
platziert wird.
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Weiters
kann eine bei herkömmlichen
optischen Auslegersonden angewendete Technologie verwendet werden,
indem anstelle des Plattensubstrats ein Ausleger angeordnet wird,
der mit einem optischen Lichtwellenleiter mit einer mikroskopischen Apertur
in einem vorstehenden Abschnitt ausgebildet ist, in welcher die
planare Linse, angepasst an die Lichteinfallsebene des Lichtwellenleiters,
angeordnet ist.
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Es
kann ferner eine optische Nahfeldsonde bereitgestellt werden, die
zur Erzeugung eines Nahfelds mit größerer Intensität als eine
herkömmliche optische
Sonde fähig
ist, indem das von einer Lichtquelle an die mikroskopische Apertur
abgegebene Licht durch eine Lichtsammelschicht, die oberhalb der
mikroskopischen Apertur angeordnet ist, auf effiziente Weise gesammelt
wird.
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Weiters
kann eine bei herkömmlichen
optischen Auslegersonden angewendete Technologie verwendet werden,
indem anstelle des Plattensubstrats ein Ausleger angeordnet wird,
der mit einem optischen Lichtwellenleiter mit einer mikroskopischen Apertur
in einem vorstehenden Abschnitt ausgebildet ist, in welcher eine
Lichtsammelschicht, angepasst an die Lichteinfallsebene des Lichtwellenleiters,
angeordnet ist.
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Wird
hingegen die Lichtquelle durch einen Lichtdetektor zur Detektion
des in der mikroskopischen Apertur gestreuten Streulichts ersetzt,
kann das von der mikroskopischen Apertur abgegebene Streulicht durch
eine oberhalb der mikroskopischen Apertur positionierte planare
Linse oder Lichtsammelschicht effizient einem Lichtdetektor zugeführt werden.
Somit kann eine optische Nahfeldsonde bereitgestellt werden, die
ein Nahfeld mit weniger Übersprechen
als herkömmliche
optische Sonden detektiert, deren Struktur aber trotzdem kompakt
ist.