專利名稱：光衍射元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到光衍射元件，它包含衍射層，該衍射層被分成與各個(gè)中間窄條交替的多個(gè)衍射窄條。
本發(fā)明還涉及到制作這種衍射元件的方法、配備有這種元件的光學(xué)記錄載體讀出裝置、以及配備有這種元件的光學(xué)記錄載體。
眾所周知的衍射元件是一種衍射光柵，其中衍射窄條是光柵窄條。衍射光柵被廣泛地用于光學(xué)領(lǐng)域作為獨(dú)立元件或與其它光學(xué)部件集成。衍射光柵窄條將入射光束分裂成非偏轉(zhuǎn)的零階子光束、一對(duì)偏轉(zhuǎn)的一階子光束、以及以多對(duì)更高衍射階偏轉(zhuǎn)的子光束。存在著二種主要類型的衍射光柵幅度光柵和相位光柵，二者都可以是反射性的或透射性的。幅度光柵包含吸收入射輻射的光柵窄條，而中間窄條透射或反射入射輻射。因?yàn)楣鈻耪瓧l具有折射系數(shù)或位于中間窄條之外的層面上，故相位光柵在入射于光柵窄條上的光束部分與入射于中間窄條上的光束部分之間引入相位差即光程差。
考慮到例如在小型化光學(xué)裝置或在光記錄技術(shù)中的新的應(yīng)用，一直存在著對(duì)光柵周期更小的衍射光柵的需求。光柵周期即光柵間距被認(rèn)為是光柵窄條的寬度與中間窄條的寬度之和。用諸如電子束寫入和光刻技術(shù)之類的常規(guī)技術(shù)來制造微米范圍的小間距光柵，是非常昂貴的，致使這種光柵是很費(fèi)錢的元件。
本發(fā)明的目的是提供一種諸如光柵的新型的衍射元件，此元件顯示出高的對(duì)比(contrast)，能夠以簡(jiǎn)易而價(jià)廉的方法加以制造，因而是一種價(jià)廉的部件。此衍射元件的特征在于，衍射窄條包含埋置在衍射層中的納米元件管，它們都具有基本上沿一個(gè)方向?qū)?zhǔn)的對(duì)稱軸。
基本上沿一個(gè)方向?qū)?zhǔn)被認(rèn)為意味著所有元件的對(duì)稱軸原則上具有相同的所述一個(gè)方向，但可能從這一方向有小的偏離而不影響光柵行為。在直線衍射光柵的情況下，所述方向平行或垂直于光柵窄條的方向。衍射元件也可以是二維光柵，它具有沿第一(X)方向延伸的第一組光柵窄條和沿垂直于第一方向的第二(Y)方向延伸的第二組光柵窄條。直線或二維光柵的光柵窄條也可以沿與X和Y方向交叉的一個(gè)方向或多個(gè)方向延伸。衍射窄條還可以是環(huán)形窄條，且包含這種窄條的衍射元件可以構(gòu)成衍射透鏡，例如菲涅耳區(qū)透鏡。
納米元件是納米管和納米線的統(tǒng)稱它們也稱為須狀物或小棱鏡。納米元件是非常小的物體，它們具有或大或小的、具有非常小的尺度(例如直徑在納米范圍內(nèi))的中空管(納米管)或填充(納米線)的柱形或棱柱形。這些物體具有對(duì)稱軸，其取向決定了諸如將它們埋置于其中的材料的吸收特性之類的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)。以下當(dāng)涉及它們的取向時(shí)，指的是其中心圓柱軸或棱柱軸的取向。
已經(jīng)描述了各種材料的納米元件，例如磷化銦(InP)(X Duan et al.，Nature 409(2001)，66J.Wang等，Science 293(2001)，11455-1457；氧化鋅(ZnO)(M.Huang等，Science 292(2001)，1897-1899；砷化鎵(GaAs)和磷化鎵(GaP)(K.Haraguchi等，Appl.Phys.Lett.60(1992)，745X.Duan等，Nature 409(201)，66；碳化硅(SiC)(S.Motojima et l.，J.Crystal Growth 158(1996)，78-83；硅(Si)(B.Li等，Phsical Review B 59，3(1999)，1645)；氮化硼(BN)(W.Han等，Applied Physics Letters 73，21(1998)3085)；二氯化鎳(NiCl2)(Y.Rosenfeld Haconen等，Nature 395(1998)336；二硫化鉬(MoS2)(M.Remskar等，Surface Reviews and letters，vol.5 no.1(1998)423；二硫化鎢(WS2)(R.Tenne等，Nature 360(1992)444，以及碳(C)(Iijima，S.，Nature 354(1991)，56-58，Ebbesen T.W.and Ajayan P.M.Nature 358(1992)，220)。
已經(jīng)對(duì)碳納米管進(jìn)行了特別深入的研究。它們是基本上由石墨(sp-2)結(jié)構(gòu)的碳所組成的單層或多層柱形碳結(jié)構(gòu)。已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)證實(shí)了金屬和半導(dǎo)體納米管的存在。而且，新近已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，沿ALPO4-5單晶的溝道對(duì)準(zhǔn)的厚度為例如4埃的單壁碳納米管呈現(xiàn)光學(xué)各向異性。碳納米管對(duì)波長(zhǎng)為1.5微米直至200nm的輻射幾乎是透明的，且具有垂直于管軸的偏振方向。它們對(duì)波長(zhǎng)為600nm直至200nm的輻射顯示出強(qiáng)吸收，并具有平行于管軸的偏振方向(Li Z.M.et al.，Phys.Rev.Lett.87(2001)，1277401-1-127401-4)。
對(duì)于由碳組成的納米管之外的納米管(或納米線)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了相似的性質(zhì)。因此，納米管最合適地組合了下列特點(diǎn)。它們根據(jù)納米管相對(duì)于所述輻射偏振方向的取向而吸收廣闊波長(zhǎng)范圍內(nèi)的輻射，并能夠用電場(chǎng)和/或機(jī)械方式來指引/穩(wěn)定納米管的取向。
直線型窄條的一種結(jié)構(gòu)對(duì)于其極化方向平行于對(duì)準(zhǔn)方向的線性極化輻射起到一個(gè)幅值光柵的作用，因?yàn)橹虚g窄條對(duì)于這種輻射是透明的，這種直線型窄條結(jié)構(gòu)含有其對(duì)稱軸全都是對(duì)準(zhǔn)了的即具有同一方向的納米元件，而且這些窄條與中間窄條交替排列。
在論文”Spinning continuous carbon nanotube yarns”，Nature，Vol.419，24-1-2002，p.801中，描述了如何借助于簡(jiǎn)單地從這種管的超對(duì)準(zhǔn)陣列中拉伸而自行集合到長(zhǎng)度直至30cm的線，指出了可以借助于平行排列CNT線來構(gòu)成CNT偏振片。此論文從而公開了碳納米管具體結(jié)構(gòu)的偏振性質(zhì)，但沒有公開具有由這種納米管形成的光柵的衍射光柵。
論文”Surface sustained permanent gratings in nematicliquid crystals doped with carbon nanotubes”，Optics Expressvol.10，no.11，2002，p.482-487描述了一種包含碳納米管的光柵。但此光柵是折射率光柵即相位光柵。它包含摻有多壁碳納米管的向列相液晶層。光柵是以全息方式(亦即利用二個(gè)干涉束)在此層中形成的。這些光束引起摻雜材料在LC層與對(duì)準(zhǔn)層之間的界面處的周期性重新分布。輻射吸收納米管用作輻射誘發(fā)的表面電荷的陷阱，引起LC本體中易磁化軸的輻射誘發(fā)的調(diào)制，并通過液晶材料的連續(xù)效應(yīng)而保持永久的光柵。論文中指出，可能有偏振依賴性，但這被聯(lián)系到LC的重新取向，不能歸因于碳納米管。此光柵原則上是一種LC光柵，其中，納米管是輔助裝置，因而與根據(jù)本發(fā)明的光柵是不同類型的，在本發(fā)明中只有對(duì)準(zhǔn)了的納米元件提供光柵作用。
納米元件管在一個(gè)維度上是非常小的；例如，碳納米管可以具有0.3nm直至大約100nm的寬度。這些元件因而能夠被封裝成高密度，且其尺寸不是光柵窄條寬度以及衍射光柵間距的主要限制因素。
由于不同類型的納米元件管顯示出相似的吸收性質(zhì)，故根據(jù)一種衍射元件僅僅包含一種納米元件管的認(rèn)識(shí)，根據(jù)本發(fā)明的衍射元件可以包含不同類型的納米元件管。
衍射元件的第一實(shí)施方案的特征在于納米元件管是納米線。
衍射元件的第二個(gè)也是優(yōu)選的實(shí)施方案的特征在于納米元件管是納米管。
納米管，特別是碳納米管，在相對(duì)于管方向，亦即相對(duì)于各向異性軸的垂直偏振輻射與平行偏振輻射之間提供了非常大的對(duì)比。例如，對(duì)于波長(zhǎng)為405nm的入射輻射，能夠得到4-8OD的吸收對(duì)比(以光學(xué)密度OD來表示)。而且，用透明層中的低濃度納米管，就已經(jīng)能夠得到有用的衍射元件。
此外，納米管本身是價(jià)廉、重量輕、以及容易制造和循環(huán)使用的。借助于在透明媒質(zhì)中包括納米管以得到衍射元件，這些優(yōu)點(diǎn)被轉(zhuǎn)移到這種媒質(zhì)和衍射元件。
納米管還非常穩(wěn)定，在衍射元件的日常條件下不容易衰變或消旋。因而一旦制成，納米管的圖形就非常穩(wěn)定而不容易衰變。
衍射元件的另一優(yōu)選實(shí)施方案的特征在于納米管是碳納米管，特別是單壁碳納米管。
單壁納米管，特別是單壁碳納米管顯示出特別明顯的各向異性，增強(qiáng)了本發(fā)明衍射元件固有的優(yōu)點(diǎn)。
衍射元件可以是透射元件或反射元件。對(duì)于透射元件，不僅衍射層而且承載衍射層的基片都是透明的。借助于用反射層覆蓋透明的衍射層，亦即借助于將反射層安排在衍射層與可能透明或可能不透明的基片之間，能夠得到反射性衍射元件。也可以由其零件是由衍射元件形成的光學(xué)裝置的其它光學(xué)元件來形成基片。
衍射元件的特別優(yōu)選的實(shí)施方案的特征在于衍射層在低于30℃的溫度下基本上是固體。
這種衍射元件顯示出納米元件增強(qiáng)了的取向穩(wěn)定性。這些元件因而被有效地凍結(jié)，從而防止了其取向的偶然改變。為了得到所述固態(tài)性質(zhì)，在低于30℃的溫度下基本上是固態(tài)的透明材料可以被用作衍射層。借助于將納米管置于固體表面的頂上，并利用范德瓦爾斯力或用膠將納米管固定到固體表面，也可以得到此固態(tài)性質(zhì)。在本發(fā)明的范圍內(nèi)，若此層的粘滯度在30℃或以下處于至少10Pa(100泊)，更優(yōu)選是20Pa，更加優(yōu)選是高于50Pa，則衍射層被認(rèn)為基本上是固態(tài)的。在低于10Pa的粘滯度下，光柵層可以被認(rèn)為是基本上液化的。衍射層優(yōu)選直至80℃的溫度下，更優(yōu)選是直至100℃的溫度下基本上是固態(tài)的。這增強(qiáng)了納米管在衍射元件的正常使用條件下的取向穩(wěn)定性。
衍射元件的優(yōu)選特征在于衍射層的材料在低于納米元件管遭毀壞的溫度的溫度下是可液化的。
若衍射層是固態(tài)的，則借助于降低層的粘滯度，衍射層能夠被液化。因此，沒有必要液化或改變衍射層中納米管的結(jié)構(gòu)整體性。通常，納米管能夠承受100℃的溫度；例如，碳納米管在800-1000℃下被破壞。液化使液化的衍射層納米管能夠重新定向。
衍射元件的另一特征可以在于衍射層的材料選自熔化或玻璃化溫度低于800℃的玻璃、丙烯酸熱塑塑料、以及石蠟。
這種透明材料使得有可能實(shí)現(xiàn)在低于30℃的溫度下基本上固態(tài)的衍射層。還使得有可能實(shí)現(xiàn)在納米管(特別是碳納米管)不被明顯地破壞的溫度下可液化并在這種液化之后能夠重新被固化的衍射層。
本發(fā)明的主要應(yīng)用是在本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)被最佳利用的直線的或二維光柵中用作衍射結(jié)構(gòu)。本發(fā)明還可以被用于諸如菲涅耳透鏡之類的其它衍射元件。
本發(fā)明還涉及到制作上述衍射元件的方法。
第一方法的特征在于下列步驟印刷窄條圖形，這些窄條包含含有納米元件管的溶液；利用對(duì)準(zhǔn)電場(chǎng)或?qū)?zhǔn)磁場(chǎng)，使各個(gè)納米元件管沿所要求的方向?qū)?zhǔn)；以及在對(duì)準(zhǔn)場(chǎng)存在的情況下對(duì)溶液進(jìn)行處理，以便沿所述方向固定納米元件管的取向。
此處理可以包含對(duì)溶液進(jìn)行蒸發(fā)，以便納米元件保留作為被分隔開的元件，或可以包含對(duì)溶液進(jìn)行聚合，亦即對(duì)溶液進(jìn)行固化。對(duì)準(zhǔn)場(chǎng)可以是磁場(chǎng)或者交流或直流電場(chǎng)；優(yōu)選是交流電場(chǎng)。
論文”O(jiān)rientation and purification of carbon nanotubesusing ac electrophoresis”，J.Phys.D；Appl.Phys.31(1998)L34-L36描述了利用電泳如何能夠定向納米管。若施加交流電場(chǎng)，則納米管將運(yùn)動(dòng)到各個(gè)電極并被定向，定向程度隨電場(chǎng)頻率的提高而提高。此論文沒有公開基于納米管的衍射光柵。對(duì)于這種光柵的制作，重要的是在納米管取向的固定過程中保持電場(chǎng)的存在。
制作衍射元件的第二方法的特征在于下列步驟用包含納米元件管的溶液薄膜甩涂基片的表面區(qū)；利用對(duì)準(zhǔn)電場(chǎng)或?qū)?zhǔn)磁場(chǎng)，使各個(gè)納米元件管沿所要求的方向?qū)?zhǔn)；在對(duì)準(zhǔn)場(chǎng)存在的情況下對(duì)溶液進(jìn)行處理，以便沿所述方向固定納米元件管的取向；以及烘干該膜的窄條成形區(qū)域，從而得到包含對(duì)準(zhǔn)了的納米元件管的窄條圖形，這些窄條構(gòu)成了衍射窄條。
烘干可以借助于將溶液經(jīng)過與光柵圖形相對(duì)應(yīng)的透明和不透明窄條的圖形暴露在有足夠能量的輻射下而實(shí)現(xiàn)?；蛘撸娓煽山柚谠谌芤荷嫌米銐驈?qiáng)度的輻射束掃描而實(shí)現(xiàn)。在二種情況下，包含對(duì)準(zhǔn)了的納米元件的窄條圖形都保留下來，這些窄條構(gòu)成了衍射窄條。用來烘干溶液的輻射應(yīng)該具有能夠在反應(yīng)環(huán)境中清除膜窄條的能量。對(duì)于碳納米管，此環(huán)境可以是含氧環(huán)境。應(yīng)該防止的是，窄條在烘干之后顯示出與中間窄條的高度差為λ/4，因?yàn)檫@樣可能得到對(duì)偏振不靈敏的相位光柵。若有需要，可以用不包含納米元件管的膜材料填充中間窄條，以避免形成相位光柵。
制作衍射元件的第三方法的特征在于下列步驟用自裝配的材料層涂敷基片區(qū)；對(duì)層材料進(jìn)行窄條方式(strip-wise)的修改，以得到使基片表面潤濕的窄條圖形，并清除其余的層面材料；在這樣得到的圖形上甩涂包含納米元件管的液體，使液體僅僅潤濕裸露的基片，以得到包含納米元件管的液體窄條圖形；利用對(duì)準(zhǔn)電場(chǎng)或?qū)?zhǔn)磁場(chǎng)，使液體窄條中的納米元件管沿所要求的方向?qū)?zhǔn)；在對(duì)準(zhǔn)場(chǎng)存在的情況下對(duì)液體進(jìn)行處理，以便沿所述方向固定納米元件管的取向，從而得到包含對(duì)準(zhǔn)納米元件管的窄條圖形，這些窄條構(gòu)成了衍射窄條。
用例如電子束對(duì)層窄條狀態(tài)進(jìn)行掃描或經(jīng)過具有對(duì)應(yīng)于窄縫光柵圖形的透明窄縫圖形的掩模將層面暴露在例如紫外輻射下，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)層材料按窄條方式的修改。電子束或輻射破壞了層材料的分子或功能團(tuán)，導(dǎo)致被照射的窄條中材料的被修正了的潤濕性質(zhì)。也有可能采用微接觸印刷工藝。這種工藝的優(yōu)點(diǎn)在于能夠改變局部取向。光柵窄條和中間窄條不一定要是相同的材料，可以由像氮化硅和PMMA(聚甲基異丁烯酸)那樣的不同的材料組成。
制作衍射元件的第四方法的特征在于，納米元件在基片表面上從已經(jīng)淀積在基片上且包含納米元件材料的層進(jìn)行催化生長(zhǎng)，并對(duì)層的窄條區(qū)域進(jìn)行烘干，從而得到包含對(duì)準(zhǔn)了的納米元件的窄條圖形，這些窄條構(gòu)成了衍射窄條。
可以用相同于第二方法所述的方式來實(shí)施對(duì)窄條的烘干。此層可以是可用化學(xué)氣相淀積(CVD)或氣相液體凝固(VLS)方法淀積在基片上的薄金屬層。在加熱時(shí)，此層被分成許多準(zhǔn)液體的小球。球的下側(cè)結(jié)晶在基片上，并在存在于層中的催化元素例如碳納米管情況下是Fe顆粒的影響下粘合到其上。
通常，用來制作納米元件層的上述工藝本身與其它可以采用的方法一樣是已知的。但制作衍射光柵或衍射元件的上述各種方法總體上是新的。
在多種應(yīng)用或光學(xué)裝置中，根據(jù)本發(fā)明的衍射光柵能夠取代諸如用光刻技術(shù)、用復(fù)制技術(shù)、或用(全息)干涉束方法制作的光柵之類的常規(guī)衍射光柵。此新的衍射光柵可以被用于例如光束分裂和光束偏轉(zhuǎn)等。由于此衍射光柵是對(duì)偏振靈敏的，故非常適用于第一光束應(yīng)該有影響而第二光束應(yīng)該無影響的情況。這些光束應(yīng)該具有相互垂直的偏振方向，其中一個(gè)方向相當(dāng)于納米元件的對(duì)準(zhǔn)方向。在用來記錄和讀出光記錄載體的裝置中就出現(xiàn)這種情況，這種裝置是一種兼容裝置，亦即能夠記錄和讀取諸如CD、DVD、以及藍(lán)光盤之類的不同格式的光盤。
在光記錄亦即提高能夠用讀出裝置滿意地讀出的信息的結(jié)構(gòu)密度或減小信息細(xì)節(jié)的尺寸的領(lǐng)域中，也找到了此衍射光柵的有利和創(chuàng)造性應(yīng)用。共同未決的EP申請(qǐng)03100817.0公開若具有明顯地更高(超級(jí))信息密度的記錄載體配備有衍射光柵，則設(shè)計(jì)用來讀出具有給定(常規(guī))信息密度的記錄載體的裝置能夠被用來讀出前一記錄載體。如以下要解釋的那樣，若衍射光柵是根據(jù)本發(fā)明的光柵，則同一裝置能夠讀出具有常規(guī)密度的信息以及具有超級(jí)密度的信息。以這種方式，本發(fā)明也解決了光記錄技術(shù)中的信息密度問題，因此配備有上述衍射光柵的記錄載體也構(gòu)成了本發(fā)明的一部分。
本發(fā)明還涉及到一種裝置，此裝置用來讀出和記錄具有第一信息密度的第一類光信息載體和具有第二信息密度的第二類光信息載體，此裝置包括一個(gè)輻射源單元，用來供給與第一類信息載體一起工作的具有第一波長(zhǎng)的第一輻射束以及與第二類記錄載體一起工作的具有第二波長(zhǎng)的第二輻射束；以及一個(gè)物鏡系統(tǒng)，用來將第一和第二光束分別聚焦在第一和第二類記錄載體的信息層上。此裝置的特征在于，如上所述的衍射光柵被排列在第一和第二輻射束的公共輻射路徑中的輻射源單元與物鏡系統(tǒng)之間，并且輻射束之一具有平行于光柵中納米元件方向的第一偏振方向，而另一輻射束具有垂直于第一偏振方向的偏振方向。
此裝置利用新穎衍射光柵的這種性質(zhì)，即僅對(duì)其偏振方向平行于光柵中納米元件取向的線性偏振輻射束才起光柵的作用，而對(duì)具有垂直偏振方向的輻射束則無影響。利用此衍射光柵，這二個(gè)輻射束能對(duì)記錄載體相關(guān)聯(lián)的類型得到優(yōu)化。
參照以下描述和附圖所示的衍射光柵的各個(gè)實(shí)施方案，從用非限制性舉例的方式所解釋的，本發(fā)明的這些和其它的情況將顯而易見。在這些附圖中

圖1a和1b分別示出了根據(jù)本發(fā)明的衍射光柵的第一實(shí)施方案的局部俯視圖和剖面圖；圖2a和2b示出了這種衍射光柵的第二實(shí)施方案的俯視圖和剖面圖；圖3a和3b示出了制作這種衍射光柵的第一方法的各個(gè)步驟；圖4a示出了用于第一步驟的掩模；圖4b和4c在俯視圖中示出了第二和第三步驟的結(jié)果；圖5a-5c示出了制作這種衍射光柵的第二方法的各個(gè)步驟；圖6a-6c示出了制作這種衍射光柵的第三方法的各個(gè)步驟；圖7示出了用來讀出二種類型的光記錄載體的裝置的實(shí)施方案，其中采用了根據(jù)本發(fā)明的衍射光柵；圖8分別示出了常規(guī)信息層中和配備有具有對(duì)準(zhǔn)了的納米元件的光柵的信息層中作為歸一化空間頻率函數(shù)的調(diào)制轉(zhuǎn)換函數(shù)；
圖9示出了能夠用以讀出這種記錄載體的讀出裝置的實(shí)施方案；圖10示出了具有對(duì)準(zhǔn)了的納米元件的光柵對(duì)信息結(jié)構(gòu)衍射的子光束的影響；而圖11示出了配備有根據(jù)本發(fā)明的衍射結(jié)構(gòu)的菲涅耳透鏡。
如圖1a和1b所示，衍射光柵包含基片2和衍射層4。衍射層被分成許多與中間窄條8交替的光柵窄條6。光柵窄條包含大量非常小的納米元件管10，例如圓柱形或棱柱形的填充了的納米線或者優(yōu)選是空心納米管，更優(yōu)選是碳納米管。這些元件具有對(duì)稱軸，其取向決定了光學(xué)性質(zhì)，亦即把它們埋置于其中的材料的吸收性質(zhì)。碳納米管具有約為10埃的直徑和約為10微米的長(zhǎng)度。在圖1a和1b的實(shí)施方案中，各個(gè)納米管的對(duì)稱軸沿X方向取向，亦即它們沿X方向?qū)?zhǔn)。結(jié)果，光柵窄條將吸收其偏振方向亦即電磁輻射的E矢量方向沿X方向的線性偏振光束b。若基片是透明的，則入射在其中不存在納米管的中間窄條8上的光束部分，將通過光柵層4和基片。包含納米管的窄條和沒有納米管的中間窄條的這種結(jié)構(gòu)，因此起到了沿X方向線偏振的輻射的幅度光柵的作用。這些光柵窄條將不吸收沿Y方向偏振的輻射，致使此光柵結(jié)構(gòu)對(duì)于這種輻射是“不可見的”，元件1因而對(duì)這種輻射構(gòu)成了透明片。
圖2a和2b示出了衍射光柵11的實(shí)施方案，其中，光柵窄條16配備有沿Y方向?qū)?zhǔn)的納米管。這些窄條將吸收沿Y方向線性偏振的輻射，致使此光柵對(duì)這類輻射起著幅度光柵的作用。元件11對(duì)沿X方向線性偏振的輻射構(gòu)成了透明片。
圖1a和1b以及圖2a和2b僅僅示出了少量的光柵窄條和中間窄條。實(shí)際上，此數(shù)目大得多。光柵的間距即空間周期P例如約為1微米或以下，但若納米元件是碳納米管，則大于200nm。圖1a和1b或圖2a和2b的衍射光柵可以是獨(dú)立的元件，衍射層則由適當(dāng)?shù)幕休d。此衍射光柵也可以與其中應(yīng)該包括衍射光柵的光學(xué)裝置的其它元件集成。其優(yōu)點(diǎn)是光學(xué)裝置能夠更緊湊，所需的對(duì)準(zhǔn)更少，并避免了各獨(dú)立基片處的錯(cuò)誤反射。
衍射光柵也可以是反射性光柵而非透射性光柵。在此情況下，基片是反射性的，或?qū)⒎瓷鋵硬逶谘苌鋵优c基片之間。入射在衍射光柵上的輻射二次通過衍射層，這意味著入射在光柵窄條上的輻射被吸收二次，致使光柵窄條與中間窄條之間的對(duì)比被提高。
存在著幾種制作新穎衍射元件的方法，以下參照衍射光柵來進(jìn)行描述。
根據(jù)第一方法，利用接觸印刷技術(shù)，窄條的圖形被印刷在基片上。圖3a-3c以及圖4a-4c示意地示出了此方法。如圖3a所示，包含具有窄縫34的片32的網(wǎng)格30被置于基片2上。圖4a示出了網(wǎng)格30的俯視圖。包含納米元件例如納米管的溶液被噴在網(wǎng)格上，致使溶液經(jīng)由窄縫到達(dá)基片。結(jié)果，如圖3b所示，溶液36的窄條形成在窄縫34位置處的基片上。圖4b示出了溶液窄條的俯視圖。溶液窄條36中的納米元件38顯示出隨機(jī)分布的取向。在下一步驟中，如圖3c所示，用電極40和42跨越溶液圖形施加交流對(duì)準(zhǔn)電場(chǎng)。論文”O(jiān)rientation andpurification of carbon nanotubes using ac electrophoresis”，J.Phys.D；Appl.Phys.31(1998)L34-L36所述的電泳工藝用來對(duì)準(zhǔn)各個(gè)納米元件，亦即，它們都沿著與電場(chǎng)方向相同的方向被對(duì)準(zhǔn)。圖4c示出了具有對(duì)準(zhǔn)了的納米元件的溶液圖形。也可以采用直流電場(chǎng)來代替交流電場(chǎng)。也有可能用磁場(chǎng)來對(duì)準(zhǔn)納米元件。
作為最后一個(gè)步驟，納米元件的取向被固定或“凍結(jié)”。根據(jù)溶液的類型，可以用不同的方式來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。例如，可以蒸發(fā)溶液，以便只有以范德瓦爾斯力粘合在基片上的納米元件得以保留。若溶液是液體聚合物，則可以利用溶液的聚合作用來凍結(jié)納米元件。電場(chǎng)被一直維持到所有的納米元件都已經(jīng)對(duì)準(zhǔn)并完成制作。
圖5a-5c示出了制作是的第二方法。在第一步驟中，如圖5a所示，用包含納米元件的溶液薄膜涂敷具有待要形成的光柵的尺寸的基片區(qū)。在第二步驟中，如圖5b中電極40和42所示，利用交流對(duì)準(zhǔn)電場(chǎng)，整個(gè)膜的納米元件38被電泳對(duì)準(zhǔn)。同樣也可以采用直流對(duì)準(zhǔn)電場(chǎng)或?qū)?zhǔn)磁場(chǎng)。
若膜是液體聚合物膜，則納米元件的取向隨后被例如聚合作用凍結(jié)。然后，例如透過與待要形成的光柵的中間窄條相對(duì)應(yīng)的透明窄縫的圖形的掩模，將膜暴露于高密度的輻射下，來清除膜上的窄條。這導(dǎo)致包含圖5c所示的對(duì)準(zhǔn)了的納米元件的膜窄條圖形，這些窄條構(gòu)成了光柵窄條。
圖6a-6c示出了制作衍射光柵的第三方法。如圖6a所示，此方法采用涂敷在基片2上的自裝配的單(分子)層(SAM)60。SAM和基片的材料是這樣選擇的，即要使SAM能潤濕基片。例如，SAM是疏水性的，而基片是親水性的。SAM的窄條被暴露于光化學(xué)輻射下，亦即腐蝕SAM材料的輻射下。此光化學(xué)輻射可以是電子束之類的帶電粒子束或透過具有對(duì)應(yīng)于待要制作的光柵的圖形的掩模的電磁紫外輻射。由于此照射，窄條中的SAM材料分子或功能團(tuán)被破壞或改性，致使材料不再潤濕基片而能夠被清除。從而如圖6b所示得到與無SAM窄條64交替的SAM窄條62的圖形。例如用甩涂方法，用包含納米元件38的液體涂敷此圖形。此液體是這樣選擇的使其僅僅潤濕親水性表面亦即僅僅潤濕基片表面的SAM窄條64。SAM窄條上的液體同SAM窄條本身一起被清除。利用對(duì)準(zhǔn)場(chǎng)例如交流電場(chǎng)使液體窄條中的納米元件得以對(duì)準(zhǔn)，從而凍結(jié)納米元件的取向。于是得到包含對(duì)準(zhǔn)的納米元件的窄條66的結(jié)構(gòu)，這些窄條與空白窄條68交替，其中，各個(gè)窄條構(gòu)成了吸收光柵窄條。
制作衍射元件的第四方法是基于納米元件在基片表面上的催化生長(zhǎng)。首先在表面上淀積包含納米元件材料的層。然后，層的窄條區(qū)域被烘干，從而得到包含對(duì)準(zhǔn)了的納米元件的窄條圖形，這些窄條構(gòu)成了衍射窄條。
可以用相同于第二方法所述的方式來實(shí)現(xiàn)窄條的烘干。此層可以是可用化學(xué)氣相淀積(CVD)或氣相液體凝固(VLS)方法淀積在基片上的薄金屬層。在加熱時(shí)，此層被分成許多準(zhǔn)液體的小球。球的下側(cè)結(jié)晶在基片上，并在存在于層中的催化元素(例如在碳納米管情況下是Fe顆粒)的影響下粘合在其上。
通常，用來制作納米元件層的上述工藝本身與其它可以采用的方法一樣是已知的。但制作衍射光柵或衍射元件的上述各種方法總體上是新的。
在其上形成光柵結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，可以是分立的基片，這樣，制作的光柵可以是分立的光柵?；部梢允瞧渲幸ü鈻诺难b置的光學(xué)元件，在此情況下，制作的光柵將與所述元件集成。
此新穎的光柵能夠取代常規(guī)的幅度或相位光柵，并具有制作容易且價(jià)廉的優(yōu)點(diǎn)以及在光柵窄條與中間窄條之間顯示出高對(duì)比的優(yōu)點(diǎn)。此光柵的功能能夠最佳地被應(yīng)用于這樣一種光學(xué)系統(tǒng)或裝置，在此光學(xué)系統(tǒng)或裝置中，使用了二個(gè)沿同一輻射路徑的輻射束，而僅僅一個(gè)輻射束應(yīng)該進(jìn)行衍射，而另一個(gè)輻射束則不應(yīng)該被衍射。借助于將新穎的衍射光柵排列在公共輻射路徑內(nèi)，并利用二個(gè)偏振方向相互垂直的輻射束，其中一個(gè)輻射束平行于光柵窄條中納米元件的取向，就能夠做到這一點(diǎn)。
這種裝置的一個(gè)例子是用來讀出和記錄具有第一信息密度的第一類光信息載體和具有第二信息密度的第二類光信息載體的裝置，此裝置包含輻射源單元，用來提供與第一類信息載體一起工作的具有第一波長(zhǎng)的第一輻射束以及與第二類記錄載體一起工作的具有第二波長(zhǎng)的第二輻射束；以及物鏡系統(tǒng)，分別用來將第一和第二光束聚焦在第一和第二類記錄載體的信息層上。
未決的EP專利申請(qǐng)02079098.6(PHNL020985)公開了一種光掃描裝置，用來以第一工作模式掃描具有第一HD信息層的第一類記錄載體以及用來以第二工作模式掃描具有第二LD信息層的第二類記錄載體，此裝置包含第一和第二衍射光柵，分別用來將LD掃描束和HD掃描束分裂成主束和二個(gè)附屬束。
HD代表高密度，高密度記錄載體因而是例如一種DVD(數(shù)字萬能盤)格式的記錄載體。HD掃描束是用來記錄和/或讀出這種記錄載體的光束。LD代表低密度，低密度記錄載體因而是例如一種CD(緊湊盤)格式的記錄載體。LD掃描束是用來記錄和/或讀出這種記錄載體的光束。與LD光束的例如780nm的波長(zhǎng)相比，HD光束具有較小的波長(zhǎng)，例如650nm，使得同一個(gè)物鏡系統(tǒng)將把HD光束聚焦成比LD光束更小的掃描光點(diǎn)(spot)。
從EP專利申請(qǐng)02079098.6復(fù)制的圖7示出了所述記錄/讀出裝置的一個(gè)實(shí)施方案，也稱為組合播放器。此裝置的光路包含以雙波長(zhǎng)二極管激光器封裝件形式的輻射源61。雙波長(zhǎng)二極管激光器封裝件是一種組合的半導(dǎo)體模塊，它具有以不同波長(zhǎng)發(fā)射輻射束64和66的二個(gè)元件62和63。此模塊可以包含具有二個(gè)發(fā)射元件的單個(gè)二極管激光器芯片或安置在一個(gè)封裝件中的二個(gè)二極管激光器芯片。雖然發(fā)射元件之間的距離被做得盡可能小，但光束64和66的各個(gè)主光線不重合。盡管如此，為了清晰起見，圖7還是將HD光束64和LD光束66示為了單個(gè)輻射束。由于此裝置應(yīng)該能夠記錄HD記錄載體和LD記錄載體，故元件62應(yīng)該發(fā)射大功率的紅色(HD)輻射，而元件63應(yīng)該發(fā)射大功率的紅外(LD)輻射。
雙波長(zhǎng)激光器發(fā)射的光束64被入射到光束分裂器68，例如以相對(duì)于光束的主光線例如為45度的角度而安置的平面透明片上。片68配備有將光束反射到準(zhǔn)直透鏡74的例如半透明的反射性表面70上。此透鏡將發(fā)散的光束轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)直的光束76。此光束通過物鏡系統(tǒng)78，將準(zhǔn)直光束76改變成會(huì)聚光束80，用來掃描記錄載體90。如圖7所示，物鏡系統(tǒng)可以由單個(gè)透鏡元件組成，或可以包含二個(gè)或多個(gè)透鏡元件。
要用HD光束64掃描的記錄載體是第一高密度型的，且包含厚度為例如0.6mm的透明層91和信息層92，會(huì)聚光束80被聚焦在信息層92上的掃描光點(diǎn)82上。從信息層92反射的輻射沿光束80和76的光路返回，通過光束分裂器68，并被準(zhǔn)直透鏡74會(huì)聚到輻射敏感的探測(cè)系統(tǒng)86上的探測(cè)器點(diǎn)84。此系統(tǒng)將光束轉(zhuǎn)換成電探測(cè)信號(hào)。代表儲(chǔ)存在信息層92中的信息的信息信號(hào)以及用來沿垂直于信息層92的方向(焦點(diǎn)控制)和沿垂直于跟蹤方向的方向(跟蹤控制)使焦點(diǎn)82定位的控制信號(hào)，能夠根據(jù)探測(cè)器信號(hào)推導(dǎo)出來。
用來掃描第二類記錄載體96的LD光束沿相同于HD光束64的路徑向此記錄載體傳播，此記錄載體包含厚度為例如1.2mm的基片94和低密度信息層95。
記錄載體90和96被繪制成單獨(dú)一個(gè)具有半透明信息層92的雙層記錄載體，但也可以是具有不同厚度的透明層的分開的單層記錄載體。
LD光束應(yīng)該被聚焦在信息層95上的掃描光點(diǎn)88上。物鏡系統(tǒng)78被設(shè)計(jì)成工作于第一模式的第一組共軛值，來自發(fā)光元件62的HD光束從而被聚焦在信息層92上。在第二模式中，物鏡系統(tǒng)工作于第二組共軛值，來自發(fā)光元件63的LD光束從而被聚焦在信息層95上。從信息層95反射的輻射沿LD光束80和76的路徑返回，通過光束分裂器68，并被物鏡系統(tǒng)會(huì)聚成在輻射敏感探測(cè)系統(tǒng)86上的探測(cè)點(diǎn)85。
在光束分裂器68與探測(cè)系統(tǒng)86之間，可以安排光束組合元件100，它使HD光束和LD光束的主光線共軸，使得光點(diǎn)84的位置與光點(diǎn)85的位置重合。這使得有可能對(duì)用于各自模式的HD光束和LD光束采用同一個(gè)探測(cè)系統(tǒng)86。此光束組合元件可以是一種能把HD和LD光束之一衍射而不加衍射地使另一光束通過的波長(zhǎng)選擇光柵。此光柵優(yōu)選是閃光的相位光柵。
若掃描裝置應(yīng)該不僅能夠讀取還能夠刻錄HD記錄載體，則激光器封裝件應(yīng)該包含大功率紅色輻射發(fā)光元件62而不是小功率元件，且表示為3光點(diǎn)光柵的衍射光柵110應(yīng)該安置在輻射源單元61與光束分裂器68之間。此光柵包含透明基片111和光柵結(jié)構(gòu)112。目前，這種掃描裝置包含安置在光束分裂器68后面的額外的探測(cè)器102。此探測(cè)器提供正比于來自元件62的HD光束強(qiáng)度的輸出信號(hào)，并被用來控制記錄光束的強(qiáng)度。
光柵112將入射的HD光束分裂成非偏轉(zhuǎn)的零階的或主要的子光束以及正負(fù)一階的子光束。為了清晰起見，圖7僅僅示出了主要光束。主要子光束構(gòu)成了為記錄或讀取此軌道而要在信息層中掃描的軌道上的主要掃描光點(diǎn)。一階子光束構(gòu)成信息層中的二個(gè)附屬光點(diǎn)(未示出)，它們相對(duì)于主要光點(diǎn)沿相對(duì)的方向偏移，斜向軌道方向。附屬光點(diǎn)被成像在探測(cè)系統(tǒng)86上的另外的探測(cè)點(diǎn)(未示出)中，且這些光點(diǎn)的分立探測(cè)元件被提供在此系統(tǒng)中。跟蹤錯(cuò)誤信號(hào)(亦即包含有關(guān)主要光點(diǎn)82的中心與被掃描的軌道的中心線之間的偏離指示信號(hào)，能夠從各個(gè)分開的探測(cè)元件的輸出信號(hào)推導(dǎo)出來。此跟蹤錯(cuò)誤信號(hào)能夠被用于跟蹤伺服系統(tǒng)來把主要光點(diǎn)保持在軌道上。跟蹤錯(cuò)誤信號(hào)的產(chǎn)生以及相關(guān)跟蹤伺服系統(tǒng)本身，在本技術(shù)領(lǐng)域中是眾所周知的。
若掃描裝置應(yīng)該不僅能夠讀取還應(yīng)該能夠記錄LD型記錄載體，則激光器封裝件61應(yīng)該包含大功率紅外輻射發(fā)光元件63以及LD光束的3光點(diǎn)伺服跟蹤系統(tǒng)。第二衍射光柵114也應(yīng)該被安置在激光器封裝件61與光束分裂器68之間。像光柵112對(duì)LD光束是透明片而僅僅衍射HD光束那樣，此光柵應(yīng)該僅僅衍射LD光束，而對(duì)HD光則是透明片。光柵112和114可以是分開的元件，但優(yōu)選是被集成在其一側(cè)具有HD三光點(diǎn)光柵而另一側(cè)具有LD三光點(diǎn)衍射光柵的雙光柵元件中。光柵112和114集成在一個(gè)元件中節(jié)省了材料和制作成本以及掃描裝置中的空間。而且，減少了輻射路徑中的表面數(shù)目，因而降低了發(fā)生錯(cuò)誤反射的危險(xiǎn)。
對(duì)于應(yīng)該衍射的和對(duì)于不應(yīng)該衍射而成為不可見的光束，每種光柵結(jié)構(gòu)應(yīng)該提供一階衍射輻射能量對(duì)零階輻射能量的給定比率。如EP專利申請(qǐng)02079098.6所述，此光柵應(yīng)該具有50％的占空比。此占空比應(yīng)理解為光柵窄條的寬度對(duì)間距之比或光柵結(jié)構(gòu)的空間頻率。在EP專利申請(qǐng)02079098.6的裝置中，二個(gè)光束HD和LD中的不同光束的光柵的選擇是基于波長(zhǎng)的選擇。這些光柵是相位光柵，亦即光柵窄條是光柵表面上的溝槽或脊，并借助于使HD光柵的溝槽深度小于LD光柵的溝槽深度來獲得此種選擇性。
根據(jù)本發(fā)明，利用其光柵窄條包含對(duì)準(zhǔn)的納米元件的衍射光柵來獲得所述的選擇性，其中，納米元件在一個(gè)光柵中的取向垂直于該納米元件在另一個(gè)光柵中的取向，所述選擇性的獲得還利用其偏振方向平行于一個(gè)光柵的納米元件取向的線性偏振HD光束和其偏振方向平行于另一個(gè)光柵的納米元件取向的線性偏振LD光束。以這種方式，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)光束被相應(yīng)的一個(gè)光柵所衍射，每個(gè)光柵對(duì)相關(guān)的光束顯示出高對(duì)比。
在光記錄技術(shù)中對(duì)于一種非常不同的情況，亦即對(duì)于用為讀出低信息密度的記錄載體而設(shè)計(jì)的光讀出裝置來讀取高信息密度記錄載體的情況，也能夠非常有利地應(yīng)用本發(fā)明。如上所述，包含一個(gè)或多個(gè)透鏡元件的物鏡系統(tǒng)(目前是一個(gè)物鏡)，將讀出的光束聚焦到這種讀出裝置中的信息層上的讀出光點(diǎn)上。信息被編碼在記錄載體中一系列沿軌道方向與中間區(qū)交替的獨(dú)立信息區(qū)中。讀出光點(diǎn)的尺寸大于獨(dú)立信息區(qū)的寬度。因此這些區(qū)域?qū)θ肷涞淖x出光束進(jìn)行衍射，亦即將此光束分裂成不偏轉(zhuǎn)的零階子光束和若干被偏轉(zhuǎn)的更高階的子光束。目前的光記錄載體具有反射的信息層，且零階子光束和信息層所反射的二個(gè)一階子光束部分通過物鏡。此透鏡將此輻射部分聚焦在輻射敏感的探測(cè)系統(tǒng)上，致使這些輻射部分彼此干涉。在掃描信息層的過程中，形成在探測(cè)系統(tǒng)上的干涉圖形在變化，且此系統(tǒng)提供代表被讀出信息的電信號(hào)。
若要提高光記錄載體信息層中的信息密度，則應(yīng)該減小信息區(qū)和中間區(qū)的尺寸以及信息軌道之間的距離。要讀出尺寸減小了的信息區(qū)，就要求讀出光點(diǎn)具有相應(yīng)減小的尺寸；否則無法分別讀出各個(gè)信息區(qū)。這意味著應(yīng)該提高讀出裝置的分辨率。常規(guī)讀出裝置的截止頻率，亦即常規(guī)截止頻率，是2NA/λ，其中，NA是物鏡的數(shù)字光圈值，而λ是讀出光束的波長(zhǎng)。這意味著具有空間頻率最高為2NA/λ的信息結(jié)構(gòu)能夠被滿意地讀出。對(duì)于空間頻率更高的信息結(jié)構(gòu)，這就不再可能了。提高NA和/或減小λ，能夠提高讀出裝置的分辨率，因而提高仍然能夠讀出的信息結(jié)構(gòu)的空間頻率。物鏡的焦深正比于λ/(NA)2的事實(shí)設(shè)定了提高NA的限度，因?yàn)閷?duì)于大的NA，焦深將變得太小。僅僅當(dāng)能夠得到發(fā)射這樣小波長(zhǎng)的二極管激光器時(shí)，才能夠?qū)崿F(xiàn)讀出波長(zhǎng)足夠小的讀出裝置。
如US-A 4242579所述，在僅僅零階子光束各部分和只有一部分反射的讀出光束的一階子光束能通過到探測(cè)系統(tǒng)的物鏡中，并且在采用沿掃描方向具有小尺寸的探測(cè)器中，才能夠提高分辨率。為此，讀出光束和記錄載體彼此相對(duì)地傾斜，亦即，讀出的光束不是垂直地入射在記錄載體上。以這種方式，達(dá)到了信息區(qū)一階和零階輻射更高的空間頻率仍然通過物鏡并在探測(cè)系統(tǒng)上干涉，以便提供信息信號(hào)。分辨率于是能夠提高到例如常規(guī)分辨率的二倍。由于讀出光束必須通過記錄載體的基片，而此基片具有給定的厚度例如1.2mm以提供足夠的機(jī)械強(qiáng)度和防止塵埃，所以諸如慧形像差和像散之類的大量像差被引入到讀出光束中。這將導(dǎo)致信息層中的讀出光點(diǎn)大于所需要的并引起交叉串?dāng)_。
為了處置這一問題，最近在未決的歐洲專利申請(qǐng)EP 03100817.0中已經(jīng)提出了采用常規(guī)的光讀出裝置并提供具有衍射光柵的記錄載體的信息層，該光柵用來以相對(duì)于入射光束的主要光線成銳角方向來引導(dǎo)垂直入射在信息層上的讀出光束輻射。向記錄載體提供這種衍射光柵使得能夠以超高分辨率讀出，同時(shí)采用垂直入射在記錄載體上且垂直通過載體基片的讀出光束，以使不出現(xiàn)慧形和像散像差。垂直入射被理解為目前是會(huì)聚光束的入射讀出光束的主要光線垂直于記錄載體。此衍射光柵被稱為規(guī)則的或無信息的光柵，以便將其區(qū)別于衍射信息結(jié)構(gòu)。
如EP專利申請(qǐng)03100817.0所述，規(guī)則的衍射光柵對(duì)衍射信息結(jié)構(gòu)形成的一階光束各部分進(jìn)行偏轉(zhuǎn)，致使這些部分與零階雙折射的輻射一起通過物鏡并被聚焦在輻射敏感的探測(cè)器上，從而在此探測(cè)器位置處發(fā)生干涉。此探測(cè)器可以與用于US-A 4242579所公開是讀出裝置中的相同。有關(guān)信息層中常規(guī)光柵的作用的進(jìn)一步細(xì)節(jié)以及配備有這種光柵的記錄載體的實(shí)施方案，可參考EP專利申請(qǐng)03100817.0。
若Kg是周期性即規(guī)則光柵的空間頻率，而Ki是信息平面內(nèi)的信息或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的空間頻率，則讀出光束將滿足表示為有效空間頻率Ke的結(jié)構(gòu)，Ke由下式給出Ke＝Ki-m Kg其中，m是所用的規(guī)則光柵衍射階，通常是一階。若規(guī)則光柵的光柵周期足夠大，則Ke將保持小于常規(guī)截止頻率。此周期確定了給定衍射階的子光束被光柵偏轉(zhuǎn)的角度周期越小，則衍射角度越大。
以這種方式，能夠讀出具有高達(dá)例如二倍于常規(guī)截止頻率的最大空間頻率的信息結(jié)構(gòu)。在圖8中，用曲線120和122示出了這一點(diǎn)。在此圖中，水平軸示出了不同的Kiλ/NA數(shù)值，而垂直軸示出了調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)(MTF)的數(shù)值。其最大值為1的MTF是從信息結(jié)構(gòu)讀出的信息信號(hào)幅度的一種量度。曲線120表示常規(guī)的對(duì)稱狀態(tài)，亦即，被信息層反射的整個(gè)零階子光束和二個(gè)一階子光束的各部分，通過物鏡并被用于信息探測(cè)。能夠讀出的信息結(jié)構(gòu)的最大空間頻率Ki由Kiλ/NA＝2給定，故Ki＝2NA/λ。對(duì)于這一Ki值，讀出信號(hào)的幅度已經(jīng)降低到幾乎為0，這意味著具有這種空間頻率的信息區(qū)無法被讀出。曲線122表示信息層配備有具有適當(dāng)光柵頻率的衍射光柵的狀態(tài)。此光柵引起零階子光束和一階子光束各不對(duì)稱部分通過物鏡。對(duì)于Kiλ/NA＝4，這時(shí)讀出信號(hào)的幅度變成0，故Ki＝4NA/λ，這是常規(guī)截止頻率的二倍。
向信息層提供光柵使得讀出空間頻率為2NA/λ-4NA/λ的信息結(jié)構(gòu)成為可能，從而使能夠讀出的空間頻率范圍偏移過m Kg。但頻帶的寬度不增大，仍然是2NA/λ。
根據(jù)本發(fā)明的一種重要情況，借助于向信息層提供具有上述特定衍射光柵能夠增大帶寬。這最佳地利用了衍射光柵的偏振敏感性。若信息層用具有二個(gè)相互垂直偏振方向的分量的輻射束來掃描，則能夠讀出其空間頻率理論上從0直至4NA/λ的信息結(jié)構(gòu)。其偏振方向平行于衍射光柵中納米元件取向的光束分量，亦即被光柵所衍射的光束分量，被用于讀出高頻信息區(qū)。不被光柵衍射的另外的光束分量，被用于以常規(guī)方式來讀出低頻信息區(qū)，亦即空間頻率高達(dá)2NA/λ的信息區(qū)。
圖9所示的裝置可以被用來讀出具有表示出更寬空間頻率譜的信息結(jié)構(gòu)的記錄載體。此裝置包含發(fā)射單個(gè)輻射束b的二極管激光器130、準(zhǔn)直透鏡132、光束分裂器134、物鏡136、以及探測(cè)分支140。讀出光束b應(yīng)該包含二個(gè)相互垂直偏振的分量。將二極管激光器的腔縫定位于適當(dāng)?shù)姆较颍允咕€性偏振激光束的偏振方向與光柵156中納米元件的取向在具有基片152的記錄載體150的信息層上形成45度的角，可以得到這種光束?；蛘?，如圖9所示，可以將二分之一波長(zhǎng)片安置在二極管激光器與光束分裂器之間，此片將線性偏振的激光束轉(zhuǎn)換成由二個(gè)相互垂直偏振光束分量組成的圓偏振激光束。已經(jīng)分別由高頻信息區(qū)和低頻信息區(qū)調(diào)制了的反射光束分量b1和b2，必須被分開地探測(cè)。借助于在探測(cè)支路中包括對(duì)偏振敏感的光束分裂器142，就能夠?qū)崿F(xiàn)這一點(diǎn)，此分裂器將光束分量b1反射到探測(cè)器144，并傳送光束分量b2通過而到探測(cè)器146。這兩個(gè)探測(cè)器之一供給頻率高達(dá)常規(guī)截止頻率的信號(hào)，而另一探測(cè)器供給頻率從常規(guī)截止頻率直至二倍于常規(guī)截止頻率的信號(hào)。
圖10示出了規(guī)則光柵對(duì)信息結(jié)構(gòu)所衍射的子光束的影響。此圖僅僅示出了圖9中與記錄載體中新穎衍射光柵的本發(fā)明應(yīng)用有關(guān)的那些元件，亦即物鏡系統(tǒng)136和具有信息層154和衍射光柵156的記錄載體。此光柵將入射的輻射束分裂成由圖10中虛箭頭線表示的零階子光束、正一階子光束b’(+1)、以及負(fù)一階子光束b’(-1)。規(guī)則光柵的周期大于信息層中信息結(jié)構(gòu)的周期，致使子光束b’(+1)和b’(-1)被規(guī)則光柵以小于子光束b(+1)和b(-1)被信息結(jié)構(gòu)偏轉(zhuǎn)的角度偏轉(zhuǎn)。在圖10中用單實(shí)線來表示子光束b(+1)和b(-1)。由于光柵156被疊加在信息結(jié)構(gòu)154上，故由信息結(jié)構(gòu)所形成的各個(gè)一階子光束b(0)、b(+1)、和b(-1)將被光柵進(jìn)一步衍射成雙重衍射的零階和一階子光束。如圖10所示，在這些雙重衍射的子光束中，子光束b(+1，-1)和b(-1，+1)將通過物鏡系統(tǒng)的出射孔。這些子光束的第一和第二標(biāo)號(hào)涉及到分別由信息結(jié)構(gòu)和常規(guī)光柵引起的衍射階。與入射的讀出光束相同但方向相反的子光束b(0，0)，也通過物鏡系統(tǒng)136的出射孔。以這種方式，實(shí)現(xiàn)了被信息結(jié)構(gòu)調(diào)制的一階子光束各部分與零階子光束部分在輻射敏感的探測(cè)系統(tǒng)位置處發(fā)生干涉，從而有可能以明顯提高了的分辨率來讀出。
這種類型的讀出被用于具有高達(dá)二倍于常規(guī)頻率的高空間頻率的信息區(qū)，并能夠僅僅用其偏振方向平行于光柵156中納米元件方向的讀出光束分量來進(jìn)行。不被光柵衍射的另外的光束分量?jī)H僅能夠讀出最高為常規(guī)截止頻率的較低空間頻率的信息區(qū)。
如常規(guī)光柵的共同未決的EP 03100817.0所述，規(guī)則光柵的光柵窄條的方向能夠適配于信息層中的信息區(qū)的安排。若這些區(qū)域被安排在軌道中，則所述方向可以平行于軌道方向，但優(yōu)選是垂直于軌道方向。若根據(jù)2D-OS(二維光儲(chǔ)存)結(jié)構(gòu)來安排這些信息區(qū)，即這個(gè)結(jié)構(gòu)包含許多可同時(shí)被例如相應(yīng)數(shù)目的探測(cè)器矩陣所讀出的信息區(qū)的區(qū)塊，則光柵窄條的方向優(yōu)選是各個(gè)區(qū)塊的對(duì)角線的方向?？稍诖颂幈灰霝閰⒖嫉腅P 03100817中找到有關(guān)這方面的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。
參照其在衍射光柵的制作中以及在光記錄技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，已經(jīng)描述了本發(fā)明。這并不意味著根據(jù)本發(fā)明的光柵使用僅局限于這一技術(shù)。根據(jù)本發(fā)明的光柵可以用于其中采用二個(gè)沿相同路徑行進(jìn)的光束、其中一個(gè)光束必須被衍射而另一光束不被衍射的任何光學(xué)系統(tǒng)，更一般地說，可以被用于其中采用常規(guī)衍射光柵的任何光學(xué)系統(tǒng)。
本發(fā)明不僅可以用于衍射光柵，而且可以用于由與第二區(qū)交替的窄條形或其它形狀的第一區(qū)所組成的任何衍射元件，此第一和第二區(qū)具有不同的光學(xué)性質(zhì)。這種衍射元件的另一個(gè)眾所周知的例子是菲涅耳(區(qū))透鏡。圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的菲涅耳透鏡160的一個(gè)實(shí)施方案。此透鏡由與第二環(huán)狀窄條164交替的第一環(huán)狀窄條162組成。第一窄條162包含對(duì)準(zhǔn)了的納米元件166，而第二窄條164不包含這種元件。第一窄條吸收沿納米元件對(duì)準(zhǔn)方向偏振的輻射，該元件160用作為這種輻射的菲涅耳透鏡。對(duì)于沿垂直于對(duì)準(zhǔn)方向而偏振的輻射，元件160是中性片。為了清晰起見，在圖11中僅僅示出了幾個(gè)窄條，實(shí)際上窄條的數(shù)目可以大得多。窄條162和164的寬度可以從中心到邊沿遞減。
可以用相似于上述線性光柵的方式來制作菲涅耳透鏡結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
1.一種光衍射元件，它包括被分成與中間窄條交替的衍射窄條的衍射層，其特征在于，衍射窄條包括埋置在衍射層中且其對(duì)稱軸都沿一個(gè)方向?qū)?zhǔn)的納米元件管。
2.權(quán)利要求1所述的光衍射元件，其特征在于，納米元件是納米線。
3.權(quán)利要求1所述的光衍射元件，其特征在于，納米元件是納米管。
4.權(quán)利要求3所述的光衍射元件，其特征在于，納米管是碳納米管。
5.權(quán)利要求4所述的光衍射元件，其特征在于，納米管是單壁納米管。
6.權(quán)利要求1-5中任何一項(xiàng)所述的光衍射元件，其特征在于，它是透射性元件。
7.權(quán)利要求1-5中任何一項(xiàng)所述的光衍射元件，其特征在于，它是反射性元件。
8.權(quán)利要求3-7中任何一項(xiàng)所述的光衍射元件，其特征在于，衍射層的材料在低于30℃的溫度下基本上是固態(tài)的。
9.權(quán)利要求3-8中任何一項(xiàng)所述的光衍射元件，其特征在于，衍射層的材料在低于納米元件管被毀壞的溫度下是可液化的。
10.權(quán)利要求3-9中任何一項(xiàng)所述的光衍射元件，其特征在于，衍射層的材料選自熔點(diǎn)或玻璃化溫度低于800℃的玻璃、丙烯酸熱塑塑料、以及石蠟。
11.權(quán)利要求1-10中任何一項(xiàng)所述的光衍射元件，其特征在于它被成形為并用作為線性衍射光柵，并且衍射窄條是直光柵窄條。
12.權(quán)利要求1-10中任何一項(xiàng)所述的光衍射元件，其特征在于被成形為并用作為二維衍射光柵，并且包含二組直衍射窄條，第一組窄條垂直于第二組窄條。
13.權(quán)利要求1-10中任何一項(xiàng)所述的光衍射元件，其特征在于被成形為并用作為菲涅耳透鏡，并且衍射窄條是環(huán)狀窄條。
14.一種制作權(quán)利要求1-13中任何一項(xiàng)所述的光衍射元件的方法，其特征在于下列步驟印刷窄條圖形，這些窄條包括含有納米元件管的溶液；利用對(duì)準(zhǔn)電場(chǎng)或?qū)?zhǔn)磁場(chǎng)，使各個(gè)納米元件管沿所要求的方向?qū)?zhǔn)；以及在對(duì)準(zhǔn)場(chǎng)存在的情況下對(duì)溶液進(jìn)行處理，以便沿所述方向固定納米元件管的取向。
15.權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，對(duì)溶液的處理包括將溶液蒸發(fā)。
16.權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，對(duì)溶液的處理包括對(duì)溶液進(jìn)行聚合。
17.一種制作權(quán)利要求1-13中任何一項(xiàng)所述的衍射元件的方法，其特征在于下列步驟用包含納米元件管的溶液薄膜甩涂基片的表面區(qū)；利用對(duì)準(zhǔn)電場(chǎng)或?qū)?zhǔn)磁場(chǎng)，使各個(gè)納米元件管沿所要求的方向?qū)?zhǔn)；在對(duì)準(zhǔn)場(chǎng)存在的情況下對(duì)溶液進(jìn)行處理，以便沿所述方向固定納米元件管的取向；以及烘干該膜的窄條成形區(qū)域，從而得到包括對(duì)準(zhǔn)了的納米元件管的窄條圖形，這些窄條構(gòu)成了衍射窄條。
18.權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，借助于將溶液經(jīng)過具有對(duì)應(yīng)于元件圖形的透明和不透明窄條圖形的掩模暴露于具有足夠能量的輻射下，來執(zhí)行該烘干步驟，使得包括對(duì)準(zhǔn)了的納米元件管的窄條保留下來，這些窄條構(gòu)成了衍射窄條。
19.權(quán)利要求17所述的方法，其特征在于，用足夠強(qiáng)度的輻射束在溶液上以窄條方式掃描來執(zhí)行該烘干步驟，使得包括對(duì)準(zhǔn)了的納米元件的窄條圖形保留下來，這些窄條構(gòu)成了衍射窄條。
20.一種制作權(quán)利要求1-13中任何一項(xiàng)所述的衍射元件的方法，其特征在于下列步驟用自裝配材料層涂敷基片區(qū)；對(duì)層材料進(jìn)行窄條方式的修改，以得到使基片表面潤濕的窄條圖形，并清除其余的層面材料；在這樣得到的圖形上甩涂包含納米元件的液體，使液體僅僅潤濕裸露的基片，以得到包含納米元件的液體窄條圖形；利用對(duì)準(zhǔn)電場(chǎng)或?qū)?zhǔn)磁場(chǎng)，使液體窄條中的納米元件沿所要求的方向?qū)?zhǔn)；以及在對(duì)準(zhǔn)場(chǎng)存在的情況下對(duì)液體進(jìn)行處理，以便沿所述方向固定納米元件的取向，從而得到包含對(duì)準(zhǔn)的納米元件的窄條圖形，這些窄條構(gòu)成了衍射窄條。
21.權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，對(duì)層材料進(jìn)行修改的步驟包含用輻射束按窄條方式掃描此層。
22.權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于，對(duì)層材料進(jìn)行修改的步驟包含經(jīng)過具有與元件窄條圖形對(duì)應(yīng)的透明窄縫的圖形的掩模來照射此層。
23.一種制作權(quán)利要求1-13中任何一項(xiàng)所述的衍射光柵的方法，其特征在于以下過程使納米元件在基片表面上從一個(gè)淀積在基片上且包括納米元件材料的層催化生長(zhǎng)，以及將該層的窄條形區(qū)域烘干，從而得到包括對(duì)準(zhǔn)了的納米元件窄條的圖形，這些窄條構(gòu)成了元件的窄條。
24.一種至少包括一個(gè)信息層的光記錄載體，其中信息在與中間區(qū)交替的信息區(qū)中被編碼，其特征在于，此信息被權(quán)利要求1-11中任何一項(xiàng)所述的衍射光柵所覆蓋。
25.一種裝置，此裝置用來讀出和記錄具有第一信息密度的第一類光信息載體和具有第二信息密度的第二類光信息載體，此裝置包括一個(gè)輻射源單元，用來供給與第一類信息載體一起工作的具有第一波長(zhǎng)的第一輻射束以及與第二類記錄載體一起工作的具有第二波長(zhǎng)的第二輻射束；以及一個(gè)物鏡系統(tǒng)，用來將第一和第二光束分別聚焦在第一和第二類記錄載體的信息層上，其特征在于，一個(gè)如權(quán)利要求1-11中任何一項(xiàng)所述的衍射光柵在第一和第二輻射束的公共輻射路徑中被安排在該輻射源單元與物鏡系統(tǒng)之間，并且輻射束之一具有平行于光柵中納米元件方向的第一偏振方向，而另一輻射束具有垂直于第一偏振方向的偏振方向。
全文摘要
一種光衍射元件(1)，包括衍射層(4)，它被分成與中間窄條(8)交替的衍射窄條(6)，衍射窄條包含沿一個(gè)方向?qū)?zhǔn)且吸收沿此方向線性偏振的輻射(b)的納米元件(10)。衍射元件可以是直線或二維的光柵(1)或是菲涅耳透鏡(160)。偏振敏感的光柵能夠被用于光學(xué)系統(tǒng)中，其中只有特定偏振方向的輻射應(yīng)該被衍射，或用于光記錄載體中，以便允許讀出具有高空間頻率的信息結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)G11B7/135GK1816760SQ200480018903
公開日2006年8月9日 申請(qǐng)日期2004年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月4日
發(fā)明者R·庫特, G·W·特霍夫, C·T·H·F·里伊登鮑姆, R·F·M·亨德里克斯 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司