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光学评论,14卷,4号(2007)236 - 242
调查近场成像特点的径向偏振应用光学数据存储
(2007年1月31日收到,2007年4月5日发表)
比起光学聚焦圆偏振光，径向偏振入射光可以产生一个更加限制在焦平面近场(NF)的纵向电场。使用这一现象,它使得降低存储介质上的光束光斑大小来增加光学数据存储的磁录密度成为可能。相较于圆偏振光，径向偏振光束产生的光束光斑聚集在介质表面程度高了20%。然而,总电场的峰值强度急剧降低,它的横向分量更集中在媒介堆栈。这证实了径向偏振光学不应该是NF记录系统的候选而是一个NF只读存储器(ROM)系统的候选。潜在的,结果对于理解各种NF光学应用程序介质内外的径向偏振和圆偏振会是非常具有价值的。# 2007光学学会的日本
关键词:径向偏振光,固体浸没透镜(SIL),圆偏振光,近场记录(NFR),只读存储器(ROM),相变(PC)媒介
1.介绍
有两种基于固体浸没透镜(SIL)的光学近场记录(NFR):媒介第一层表面的近场记录和覆盖层保护记录媒介的近场记录方式。信田等人最近报道了，通过使用基于2.2这种极高光学数值孔径(NA)的菱形固体浸没透镜的测出的第一表面近场记录的媒介的读出信号容量高达150 GB，Bruls等人显示60 GB 覆盖层的读出信号能够保护NF只读存储器(ROM)媒介。在这两种方法中,为了减少在焦平面上光束光斑大小,可溶性材料因为其具有高折射率和短的波长激光二极管成为首选。因此,据报道,从理论上讲,近紫外激光二极管介质第一表面的NFR和单覆盖层保护媒介的NFR仅限于分别记录和读取180和100 GB。为了获得极其高分辨率,聚焦的特点与轴对称偏振调查领域的近场显微镜(NF),它已经发现,比起观雪聚焦圆偏振光或线性偏振光的情况下,消球差光学的径向偏振光的影响范围内可以生成一个封闭电场。从这些研究中,降低光束记录位置的光斑大小并最后达到使用径向偏振光增加存储容量的预期。
在基于SIL的高NA光学中，焦平面附近的聚焦特征一直在考虑基于理查兹和沃夫向量场理论的基础上进行估量计算。Torok等人更关注在气隙旁的连续材料造成的相位差以及它们在电磁绕射公式推导出平面接口不匹配的两种材料之间折射指数。在向量场理论的基础上,考虑连续两个媒介之间的相位差，已经有一些研究考虑多个薄层之间多波束干扰前提下的电磁场分布多层NF结构的计算结果问世。与第一表面的情况下NFR模型相比,在覆盖层保护情况下的NFR模型,由薄覆盖层造成的额外的球面像差必须考虑到。Stallinga和他的同事描述基质相关的畸变并建议了一个计算球面像差有用的体系。在论文中，为抵消覆盖层导致的额外畸变以及产生一束覆盖层保护媒介记录位置衍射极限光束光斑,我们遵循参考11的理论。同时,为了计算相变(PC)介质内部的电场分布,该论文遵循一个由van de Nes 等人发表的高效的计算方案。
为了检查径向偏振光NFR光学应用程序的可行性,我们比较上述两种NFR系统，亦即第一表面NFR系统和覆盖层入射NFR系统中的，比较惯常使用的圆偏振光的入射和径向偏振光束的入射,的NF聚焦特性的差异。同时,考虑到由底部的SIL,气隙和媒介表面构成的三层结构,对于圆偏振以及径向偏振入射这两种不同情况下的，误差信号的差距(GES)和全内反射的反射光的出射光瞳图像也进行了比较。
2 仿真模型
图1显示了基于这项研究的NFR光学的SIL配置。径向上的入射光偏振转换器被假定为线性偏振光。在圆偏振的情况下,在物镜前放置四分之一波片。径向偏振转换器的功能是通过操作轴向对称的液体水晶细胞达到改变径向偏振光或方位偏振光的入射电子束的效果。
光学评论,14卷,4号(2007)
图1所示 基于SIL材料的NF光学原理图
通过调整物镜将径向偏振光或圆偏振光聚焦到了SIL材料底部的表面。因此,几何上光学的焦点位置是底部SIL表面zfrac14;0的位置。聚焦在底部SIL表面的电场通过由SIL材料,气隙以及顶层媒介构成的三层结构，被传播到了媒介内部。为了分析径向偏振光束的聚焦特性,径向偏振光的初始状态被定义如下
公式中的 ＋和－上标表示向前或向后的方向的平面波的传播方向,而k 1是入射光瞳物镜的方位角度。如图1所示,当入射光集中在SIL材料底部表面,SIL材料和空气之间的边界就会发生全内反射。随着气隙越来越小,越来越多的隐失波可以穿透介质。出于这个原因,出射光瞳处的反射光与气隙距离成反比效果。
在这项研究中,三个不同的媒介结构会被考虑到。第一个模型是一个ROM的硅材料磁盘,第二个是NFR的第一表面上的PC媒介，而最后一个模型是一个覆盖层入射NFR的PC媒介。图2显示了第二和第三仿真模型。在这个模拟中,气隙距离被固定到能够狗在透射率记录层产生足够的隐失波的30 nm,并且NFR模型的第一表面的有效NAs被设置到1.9，模型1和2的入射NFR模型的被设置到了1.5。
这些值几乎是一个基于SIL材料的NFR的光学玻璃材料的最大值。在ROM媒介的情况下,从顶部硅磁盘反射的表面电场用于读出信号。因此,传输到硅磁盘第一表面的电能比在SIL底部表面集中区域的更重要。在PC媒介中，正如Ge-Sb-Te(GST)层用于诱导PC效果,记录密度由这一层的光斑大小决定。因此,不同于ROM磁盘的情况下,PC媒介中的强度分布比PC层堆栈的第一表面的强度分布更加明显。
模型2磁盘第一表面NFR 模型3覆盖层入射NFR
|
NAeff =1.9 |
NAeff =1.5 |
图2所示。(ａ)第二个模型:PC媒介第一表面的NFR结构(ｂ)第三种模型:PC媒介覆盖层入射NFR结构
- 理论
EImgeth;（Ex,Ey,Ez)是在笛卡尔坐标eth;x EzTHORN;;y;zTHORN;下高斯焦点附近的是理查兹和沃夫衍射积分
a（kx;ky）振幅矢量平面波的传播矢量k=(kx,ky,kz)的强度;rp是焦平面上的位置向量,eth;（kx;ky）是波像差,最终在出射光瞳的NA的光学设计基础上的集成。由N的媒介组成的分层结构,有必要考虑在每个边界N的媒介的光线矢量的循环和两个连续的边界之间的向前和向后的行波引发的多光束干涉。衍射积分在平面上在分层介质结构在圆柱坐标可以改写为:
f的几何焦距透镜单元，rp,phi;p 和zp是图像分层媒介内部平面上的圆柱坐标,kzi和kz1分别是ith媒介和第一媒介SIL中的纵向传播向量。,k0、k1分别是在自由空间和第一介质中的传播向量。而kr是径向传播向量。在等式(3)中,矩阵Ai是关于描述了矢量旋转和透射系数以及反射系数在入射光瞳k入口处的每个媒介方位角度的传播矩阵的解决积分形式。在这项研究中,遵循van de Nes等人提出的数值积分方法，我们在考虑径向偏振光束的入射的情况下，修改了介质分层媒介转移矩阵结构。放射偏振入射的情况下，Ai 被定义为
在公式中，在系数gni 的推导在参考8中已经给出。对于应用程序与该光学NFR的系统,出射光瞳电场分布及气隙误差信号的依赖NF气隙控制必须得到检查。像利用圆偏振光的传统的NFR的光学,预计垂直偏振光的反射率差异将随之产生伴随误差信号的气隙。出射光瞳电场分布的使用径向偏振可以表示为
在公式中，rp和rs的菲涅耳反射系数在SIL和空气隙之间的边界,考虑在SIL材料、气隙和磁盘顶部媒介的三层结构中的多光束干涉。
4.结果
在径向偏振光和圆偏振光之间的单一介质上的聚焦特性有着根本性的差异。在公式中包含两个场:横向场Er和纵向场Ez。在这里,Ez生成主导和轴向电场。Er的强度远小于Ez，而它产生没有沿光轴的圆环形光斑。在圆偏振中有三个电场:横向场(TE)Ex和Ey以及纵向场Ez。与径向偏振光相反,横向场Ex和Ey生成处于主导地位的轴向约束电场,而纵向电场,Ez,生成一个强大的圆环形的电场。
4.1在硅ROM磁盘情况下的电场分析
图5 第二模型的电场分布 第二模型的横截面
a)径向偏振光 b)圆偏振光 a)径向偏振光 b)圆偏振光
图3显示了在第一个模型,Si-ROM媒介模型焦点附近区域的电场分布情况。因为光谱角地区超过NA=1的高反射率,在向前和向后传播波之间观察到一个明显的干涉现象变得更加合理。在径向偏振光的情况下，因为Ez的场强远远高于其他横向场。如在近场气隙附近的Er。在SIL材料底部表面的聚焦电场能更好的转移到硅磁盘的第一表面，并且在传输过程中没有太大的光斑大小的差异。与径向偏振的现象相反,由于强烈的纵向场Ez的强烈影响,在不同气隙和硅磁盘第一表面的圆偏振的聚焦光斑是相离的。然而,在硅磁盘内部,横向径向偏振光的领域是如此优势导致光斑形成圆环形状并且变得更加广泛。另一方面,圆偏振光产生比在气隙内更小的光斑。
图4显示了在两个不同的偏振情况下绝对的纵向和横向相对位置的光斑图形。在硅磁盘顶部表面，径向偏振光束产生FWHM(半宽度)多达100纳米与低于10%的可接受的侧叶量的强烈聚焦束点。然而,精确聚焦的径向偏振光的纵向磁场在硅磁盘的边界突然减少,所以很明显,横向领域占据着主导地位，并在硅磁盘内部形成了圆环形状的光斑。在圆偏振的情况下,在一个气隙,透光率的纵向场,Ez占主导地位,导致一个绝对圆环形光斑场域形成雏形。作为一个高折射率的材料内部传输的过度少量的圆偏振光传播领域形成的纵向场，在横向场的硅磁盘中可以获得一个小尺寸的光斑。同时,值得注意的是,圆偏振光强度远高于在硅磁盘内部沿光轴方向的径向偏振光产生的强度。
4.2在第一表面NFR的的PC媒介情况下的电场分布
如图表5和6所示,几乎所有的径向偏振光产生的总电场都存在于气隙之中,并且不正确的传播进入电脑媒介堆栈。因此,尽管它在PC媒介的应用堆栈的顶部表面的FWHM生成一个多达100纳米的高度限制光斑，使得PC媒体内的束斑成为更广泛的媒介。这是因为纵向场到电脑媒介的透光率远比横向场的透光率小。因此,径向偏振光不再在电脑媒介内生成一个轴向限制点。在圆偏振的情况下,如图6所示,总透射光强度远高于径向偏振的总透射光强度。这是因为圆偏振光是横向磁场和横向电场的混合。因此,类似于ROM磁盘的情况下,在电脑媒介堆栈中的圆偏振光的纵向场大大减少,因此可以通过横向电场的强烈作用在GST层中获得轴向约束电子束光点。在圆偏振光的情况下，应用光束光斑大小大约是120海里。
4.3在PC媒介中，覆盖层入射NFR情况下的电场分布
在覆盖层入射的NFR模型中,径向偏振光产生的束斑比圆偏振光聚焦来的更大，甚至比圆偏振光聚焦在PC媒介顶面的更大,特别是SIN顶部表面的。这源于这样一个事实:在高空间频率的情况下，比起TE偏振的组件产生的透光率，一个纯粹的TM偏振组件产生的透光率更小。由于圆偏振光线是TE和TM偏振光混合而成的偏振光,pc媒介中的透光率相对高于径向偏振光,但小于纯粹的TE偏振组件的方位偏振光的透光率。同时,类似于上述两个模型,径向偏振光GST层内有圆环状光斑射束点。另一方面,在圆偏振之中,与上述两个模型相比,光束光斑大小在GST层内几乎是与在SIN的顶部表面的光斑大小是相同的。这可以通过焦点地区媒介组成的不同来理解。不同于上述两个模型,没有折射率比覆盖层更小的材料。因此,焦点附近的横向区域到处都是占主导地位的地区。在圆偏振光中，由于有效NA低于上述模型，FWHM光斑大小大约为150nm。
4.4径向偏振光入射的出射光瞳强度分布
图9将使用径向偏振光得到的出射光瞳强度分布与使用圆偏振光得到的出射光瞳强度进行对比。在圆偏振光和径向偏振光之间，有一个GES和出射光瞳图像的差异。在NFR系统中,气隙之中的GES取决于可以用于NF气隙控制的反射信号，和RF信号是从GES中排除的残渣,并且可以被用于阅读来自媒介的信息。在圆偏振中，随着偏振TM和TE波的混合偏振,从记录信息的数据标志中分离出独立的“通用电气”与“读出信号”变得更加可行。同样,不同于径向偏振的情况，在GES中没有波动变化GES,所以能够更好地执行主动气隙控制而不用过多的忧虑SIL和磁盘之间的碰撞。很明显观察到,随着气隙的增加,辐照度也越来越明亮,截然不同的出射光瞳图像。因此，在径向偏振光的情况下，使用这条信息能够更轻松地匹配NF光和活跃气隙。
- 结论
基于径向偏振光和圆偏振光的NF光学的理论基础，在SIL材料中的不同的行为得到仔细观察。尽管径向偏振光产生一个气隙和媒介第一表面的FWHM大约为100nm高度聚焦束斑，由于纵向场极小的透射率导致在媒介中的光斑变得更宽。另一方面,圆偏振产生相反的聚焦特性。在内部气隙和表面上媒介上,由于它的Ez领域占据主导地位,圆环状光斑得以生成,但它产生媒体堆栈内的FWHM为近120海里的高度集中的光束。两个偏振的反向行为来自于产生高度聚焦束点的各自主导领域的不同。与纵向领域创建一个轴向聚焦束点的径向偏振光相对的，圆偏振光的横向场产生了轴向聚焦光斑。由于纵向场不恰当地渗透到媒介,在径向偏振的情况.在磁盘上获得一个轴向约束小束斑是不可能的事情。在覆盖层入射的情况下的NF光学模型中,即使在SIN的顶面,比起径向偏振光来说，圆偏振光的射束点受到更多的局限。这可以理解为径向偏振光的绝对场域不能传输到NAgt;10的高空间频率区域的覆盖层.考虑到分析的结果，由于NF的ROM系统和N
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