(57)【要約】【課題】近接場を用いた技術に使用される光ファイバープローブの開口作成および距離制御の改良を目的とする。【解決手段】前記目的を達成するために、本発明のガイド付き近接場プローブ２は、光を導光するコア６とクラッド４からなり、コア６の周りを取り囲むクラッド４には略半球状に凹んだ凹部４ａを有し、コア６の先端は先鋭化された先鋭部６ａを有し、平らなクラッド４の端面をガイド面８とし、ガイド面８を試料や開口用の平板に押し付けることにより、距離制御や開口作成を行なう。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
クラッドおよび導光路として機能するコアからなる光ファイバにおいて、
前記クラッドは前記光ファイバの端面に前記コアを囲む略半球状の凹部を有し、
前記凹部に囲まれたコアは先鋭化された先端部を有し、
前記端面でのクラッドの凹んでいない部分をガイド面とし、
前記コアの先端部は前記ガイド面とほぼ同じ高さにあり、
前記ガイド面を試料とプローブの距離制御に使用することを特徴としたガイド付き近接場プローブ。
【請求項２】
請求項１記載のガイド付き近接場プローブにおいて、
少なくとも前記コア先端部の表面に、光に対して不透明な材質よりなるマスク部を有し、
前記コアの先端部に光を透過させる開口を設け、
該開口と前記ガイド面が平行となることを特徴とするガイド付き近接場プローブ。
【請求項３】
請求項２記載の近接場プローブにおいて、
前記開口が楕円状またはスリット状になっていることを特徴とするガイド付き近接場プローブ。
【請求項４】
請求項１〜３記載のガイド付き近接場プローブにおいて、
前記コアが前記クラッド内に複数本あることを特徴とするガイド付き近接場プローブ。
【請求項５】
クラッドと単数または複数本のコアからなる光ファイバを用い、
クラッドの溶解速度よりコアの溶解速度が速いエッチング液に光ファイバの端面を浸漬しコア及びコア周囲のクラッドを凹ませる凹部作成工程と、
クラッドの溶解速度よりコアの溶解速度が遅いエッチング液に前記凹部を有したファイバの端面を浸漬し前記凹部のコアを先鋭化する先鋭化工程と、
からなり、
前記光ファイバの端面において前記コアの周囲のクラッドを略半球状に凹ませ、前記コアの先端が先鋭化するよう光ファイバを加工することを特徴とするガイド付き近接場プローブの製造方法。
【請求項６】
クラッドと単数または複数本のコアを有する光ファイバからなり、
前記クラッドは前記光ファイバの端面に前記コアを囲む略半球状の凹部を有し、
前記凹部に囲まれたコアは先鋭化された先端部を有し、
少なくとも前記コア先端部の表面が、遮光性を持つマスク部で被覆され、
前記端面のクラッドの凹んでいない部分をガイド面とするガイド付き近接場プローブを用い、
前記ガイド面を平板に押し付けることにより前記コア先端部に、光を透過させる開口を作成し、
前記コアが前記ガイド面から突出した距離を調整することにより開口径を制御することを特徴とする近接場プローブの開口作成方法。
【請求項７】
近接場プローブをもちいた近接場分光装置において、
請求項１〜４記載のガイド付き近接場プローブを用いたことを特徴とする近接場分光装置。
【請求項８】
光メモリ用の情報の記録／読み取りの光ヘッドとして、
請求項１〜４のガイド付き近接場プローブを用いることを特徴とするガイド付き光ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は近接場プローブ、特に、その先端構造の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に光学技術を応用した装置や機器は、使用する光の波長により分解能の限界が決定される。光の波長による限界を超える手段として近接場を利用した技術がある。この近接場を利用した技術に用いられる光ファイバプローブは、光の波長以下の小さな領域に対して使用されるため、突出したコアの先端の長さは通常数ミクロンである。
近接場の測定や近接場光を照射するため、プローブの表面に遮光性と延性をもつ材質でマスクを形成し、上記の先端部分にだけ、光を通す数十〜数百ｎｍの径を持った微小開口が形成される。このような微小開口を作成する技術としては、押し付け法、斜め蒸着法、ＦＩＢなどがある。
【０００３】
また、近接場光はｎｍのオーダーで局在しているため、プローブと試料を非常に接近させる必要がある。しかし、プローブは上記のように微細なものであるため試料との接触により破損する可能性が大きい。そのため、プローブと試料との間の距離制御は慎重にする必要がある。そのような制御法として、シアフォース制御やチューニングホーク制御などの光学系制御がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の開口作成も距離制御も非常に微細な領域に関わるものであり難しい技術である。
例えば、押し付け法では、プローブの先端部分を平坦な基板に押し付け、基板と接触しているマスク部分が引き伸ばされ、その部分を光が透過するようになる。このようして開口が形成されるが、この開口の大きさを制御するためプローブの先端からでる光の量を正確にモニターする必要がある。
斜め蒸着法では、マスクの蒸着量や、角度などの制御が難しく、再現性良く作成できない。また、ＦＩＢでは非常に高価な設備を必要とする。
【０００５】
上記のシアフォース制御やチューニングホーク制御などの光学系の距離制御では、プローブの移動の自由度が少なく、また高速で動いている試料を測定することはできない。
本発明は、上記のような開口作成における開口径の制御、および試料との間の距離制御を容易化する近接場プローブを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明のガイド付き近接場プローブは、クラッドおよび導光路として機能するコアを有する光ファイバからなり、前記クラッドは前記光ファイバの端面に前記コアを囲む略半球状の凹部を有し、前記凹部に囲まれたコアは先鋭化された先端部を有する。また、前記端面でのクラッドの凹んでいない部分をガイド面とし、前記コアの先端部は前記ガイド面とほぼ同じ高さにあり、前記ガイド面を試料とプローブの距離制御に使用することを特徴とする。上記のガイド付き近接場プローブにおいて、少なくとも前記コア先端部の表面に、光に対して不透明な材質よりなるマスク部を有し、前記コアの先端部に光を透過させる開口を設け、該開口と前記ガイド面が平行となるようにすることも好適である。
【０００７】
また上記の開口が楕円状またはスリット状になっていることも好適である。
上記のガイド付き近接場プローブが前記コアを前記クラッド内に複数本有することも好適である。
また、本発明のガイド付き近接場プローブの製造方法は、クラッドと単数または複数本のコアからなる光ファイバを用い、クラッドの溶解速度よりコアの溶解速度が速いエッチング液に光ファイバの端面を浸漬しコア及びコア周囲のクラッドを凹ませる凹部作成工程と、クラッドの溶解速度よりコアの溶解速度が遅いエッチング液に前記凹部を有したファイバの端面を浸漬し前記凹部のコアを先鋭化する先鋭化工程と、からなる。そして、前記光ファイバの端面において前記コアの周囲のクラッドを略半球状に凹ませ、前記コアの先端が先鋭化するよう光ファイバを加工することを特徴とする。
【０００８】
本発明のガイド付き近接場プローブの開口の作成方法は、クラッドおよび単数または複数のコアからなる光ファイバからなり、前記クラッドは前記光ファイバの端面に前記コアを囲む略半球状の凹部を有し、前記凹部に囲まれたコアは先鋭化された先端部を有し、少なくとも前記コア先端部の表面が、遮光性を持つマスク部で被覆され、前記端面でのクラッドの凹んでいない部分をガイド面とするガイド付き近接場プローブを用い、前記ガイド面を平板に押し付けることにより前記コア先端部に光を透過させる開口を作成し、前記コアが前記ガイド面から突出した距離を調整することにより開口径を制御することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のガイド付き近接場プローブは近接場分光装置に好適に用いることが可能である。
さらに、光メモリ用の情報の記録／読み取りの光ヘッドとして、本発明のガイド付き近接場プローブを好適に用いることも可能である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のガイド付き近接場プローブの一実施形態を詳しく説明する。
図１は本発明のガイド付き近接場プローブ２の端部の斜視図である。同図に示すガイド付き近接場プローブ２は、クラッド４と導光路として機能するコア６からなる光ファイバを用いて形成されている。ファイバの端面には同心円状にクラッド４、コア６が表出しており、コア６の周囲のクラッド４は略半球状に凹んだ凹部４ａを有している。一方コア６は、その先端部６ａが凹部４ａから突出しており、かつ略円錐状に先鋭化されている。また、クラッド４の凹んでいない端面部分をガイド面８とする。コアの先端部４ａはガイド面８とほぼ同じ高さであり、ガイド面８を用いて試料とプローブの距離制御を行なうことができる。
本実施形態にかかる近接場プローブは概略以上のように構成され、以下にその作用について説明する。
【００１１】
図２には本実施形態にかかるプローブの使用方法が示されている。同図に示すようにプローブ２端面のガイド面８を試料１４に押し付ける。この時、ガイド面８とコア先端部６ａは一定の位置関係となっているため、該コア先端部６ａは試料１４と適度に接触あるいは一定の離隔状態を維持することができる。したがって、シアフォース制御やチューニングホーク制御などの特別な距離制御装置が不要となる。その結果、プローブ２や試料１４の自由かつ高速な移動、および装置の小型化や操作の簡略化が可能となる。
ガイド面８が光ファイバに元々備わっているクラッド４により形成されていることの利点としてはまず、ファイバに他の距離制御のための保持材を取り付ける場合と比べて作成が容易となることがあげられる。またその他にも、ガイド面８が平坦で面積が大きくとれるため、ガイド面８と試料１４の接触面が大きく、プローブ２と試料１４との位置制御が安定する等の利点がある。さらにコア６の先端部６ａをガイド面８が保護している形状となっているため、プローブまたは試料を高速で移動させてもプローブ先端の破損の可能性が少ない。このように、高速で移動する試料にも対応できるので、ライン上を移動する試料の測定も可能となる。
【００１２】
光ファイバの先端部から近接場光を照射／集光するためには、コアの周囲を金属などで被覆し、コアの先端部のみ光を透過させる小さな開口を設けなくてはならない。次にこの開口部を設けた近接場プローブについて説明する。図３はその斜視図であり、図４はその断面図である。図１と対応する部分には同じ符号をつけ詳しい説明は省略する。
図３の光ファイバの表面は光に対して不透明な材質のマスク部１０により被覆されている。また、コアの先端部は、マスク部１０が薄く引き延ばされ、光を透過させやすい開口面１２が設けられている。この開口面１２はガイド面８と同じ高さであり、開口面１２とガイド面８は平行になっている。
【００１３】
試料との距離制御は、図４に示すようにガイド面を試料１４に押し付けることにより行なう。コアの先端部の開口１２とガイド面８は同一平面上に載っているため、試料１４とコア６の先端部の開口１２が完全に密着した状態になっている。
図４（Ａ）は、光ファイバの端面から光を入射し、他方の端面のコア６の先端部から近接場光２２を発生させ試料１４に照射し、その散乱光をまた開口１２で集光する照射／集光モードで使用される場合、図４（Ｂ）は試料１４表面の近接場光２２内にコアの先端を挿入し光を集光する集光モードで使用される場合を示している。
【００１４】
いずれの場合も近接場光は距離に応じて強度が大きく減少していくので、このように近接場を照射／集光する開口１２を試料１４に密着させることは光を無駄なく利用できる点で効率的に望ましい。
また、光の偏光性も考慮した測定や利用のために、光ファイバのコア断面が楕円状となったものを用い、開口部が楕円状またはスリット状となった近接場プローブも用いられる。このような近接場プローブに対して、本発明の技術を用いたものが図５である。図３に対応する部分には符号１００を加え、詳しい説明は省略する。図５の開口１１２はスリット状となっており、その長軸方向に直線偏光する光の透過率がそれと直交する方向のものより高くなっている。ここでも、ガイド面１０８はクラッド１０４からなっており、コア１０６の先端化の作業とほぼ同時に作成することができる。
【００１５】
本発明のプローブはその形状より、図２のようにプローブ２の先端で散乱された散乱光２２がコア６の周囲のクラッド４の略半球状または半楕円体状凹部４ａで反射され、その光が焦点に集まることにより集光効率をあげることも可能である。
上記のガイド付き近接場プローブの技術をクラッド内にコアが複数本あるマルチプローブに応用することも可能である。マルチプローブは導光路であるコアが一本の光ファイバに複数含まれているものから構成され、高密度記録装置の光ヘッド等に応用される。
【００１６】
図６は多アレイ型のマルチプローブに本発明の技術を応用したものである。図１と対応する部分には符号２００を加え、詳しい説明は省略する。図１の場合と同じく、ファイバの端面はコア２０６の周囲のクラッド２０４が略半球状に凹み、凹部２０４ａを有している。クラッド２０４の凹んでいない端面をガイド面２０８として、試料に押し当てることによりコア２０６の先端部２０６ａが試料に適切に接触または適度の距離を維持することができる。また、ガイド面２０８の面積が大きいので、試料との接着面も増加しプローブと試料位置関係が安定する。試料との距離制御のためのガイド面２０８として、光ファイバに元来備わっているクラッド２０４を利用することにより、コア２０６の先端化と同時にガイド面２０８を作成できるため、作成が容易となる。
【００１７】
図７は本発明のガイド付きファイバープローブの製造手順の一例を図示したものである。図７（Ａ）は加工する前の光ファイバーである。クラッド４はＳｉＯ２から成り、コア６はＳｉＯ２にＧｅＯ２をドープしたものである。製造の手順は凹部を形成する工程とコアを先鋭化する工程に大まかに分けられる。
まず凹部を形成するため、コア６の溶解速度がクラッド４の溶解速度より早いなるよう組成比が調節されたＨＦ−ＮＨ４系緩衝溶液からなる第１エッチング液に、図７（Ａ）のファイバ端面を浸す。すると、図７（Ｂ）に示すように、コア６が優先的に除去されコア６の部分が凹み、またクラッド４もコア６に近い部分がより多く溶解する。その結果、コア６及びコア周囲のクラッド４が略半球状に凹む。
【００１８】
次にコアの先鋭化工程に移る。第２エッチング液としてコア６の溶解速度がクラッド４の溶解速度よりも遅くなるような組成のＨＦ−ＮＨ４系緩衝溶液を用意する。この第２エッチング溶液に図７（Ｂ）のファイバ端面を所定の時間浸すと、クラッド４が除去されつつ、コア６が先鋭化される。その結果、図７（Ｃ）に示すように、クラッド４の凹部４ａから先鋭化されたコア６が突出した形状となる。
さらに、第３エッチング液として、クラッド４のコア６に対する相対的な溶解速度が第２エッチング液より速くなるような組成比のＨＦ−ＮＨ４系緩衝溶液を用意する。この第３エッチング液に図７（Ｃ）のファイバ端面を浸漬すると、図７（Ｄ）に示すように、コア６の周囲のクラッド４が略半球状の凹部４ａを有し、コア先端部６ａは１段目のテ−パ形状６ｂのテーパ角が２段目のテ−パ形状６ｃのテーパ角より大きい２段テ−パ型に形成される。
【００１９】
また、これら一連の操作を適切に行なうことによりクラッドのガイド面８からコア６の先端部６ａまでの距離ｈを調整することができる。後述するように開口作成においてこの距離ｈにより、開口の大きさを調整することができる。本発明では上記のように化学エッチングを用いているので長さを精密に調整することができ、そのため開口径も精密に調整できる。
ガイド部をクラッドで形成していることにより、他の保持材でガイド部を形成したものに比べて、ガイド部が平坦で面積が大きく安定した形状となる。また、コアの先端化の加工と同時にガイド部が作成されるので手間がかからない。
【００２０】
ここでは、コア先端部が２段テ−パ型のガイド付きプローブの製造方法の概略を述べたが、もちろんコアの先鋭化の工程でエッチング液の組成や浸漬時間を調節することにより他のテ−パ形状にすることもできる。また、前述したマルチプローブの場合も、コアが複数本ある光ファイバを用いて上記と同様な手順で作成することができる。
【００２１】
次にプローブの開口作成について述べる。近接場光を照射／集光し、光の回折限界を超えた非常に微細な領域を測定するために、開口は非常に微細にかつ精密に作成しなければならない。しかしながら、従来の開口作成技術では開口の作成や開口の大きさの制御などに特別な装置を要した。本発明での開口作成は基本的には、平坦な板にコアの先端部を押し当て、遮光性をもつ物質であらかじめ被覆された部分を引き延ばし光が透過しやすい開口を作成する押し付け法である。しかし、従来の押し付け法では、開口径の制御のため上記の開口作成中に光ファイバを通した光が開口から出てくる光量を測定して開口径の制御を行なうことが必要であった。これに対して、本発明では特別な装置は必要なく上記の近接場プローブの製造において、コアの先端部がガイド面から突出する量を調整することにより開口径を制御できる。
【００２２】
この開口作成方法を、図８を参照して説明する。図１と同じ構成要素には同一の符号をつけ説明を省略する。図８（Ａ）において、プローブ２はその表面が遮光性と延性をもつマスク部１０で被覆されている。また、距離ｈはガイド面８からコア６の先端部６ａまでの距離である。図８（Ｂ）のように、このプローブ２のガイド面８を平坦な基板１６に押し付けることにより平板１６に接触したコア６の先端部６ａのマスク１０が引き伸ばされ開口１２ができる。ここで、ガイド面８から突出したコア６の先端部６ａの距離ｈにより試料に接面するコア先端部６ａの量が決まり、その結果、開口径ｒを制御することができる。プローブ２の形状の形成は非常に精度の高い選択化学エッチング法で行なっているため、ガイド面から突出するコア６の先端部６ａの距離ｈは正確に制御できる。つまり、開口径ｒも正確に制御することが可能である。また、プローブを平板に押し付ける際に、ガイド面８が平板１６に密着するよう押し付けるのみであるので、特別な装置が必要なく、またガイド面８と開口面１２が完全に平行になる。
【００２３】
上記の開口作成方法は、図６で示したマルチプローブや図５の偏光型のプローブの場合も同様の手順で行なうことができる。
本発明のガイド付きプローブを用いることにより、試料との距離制御のための特別な装置は必要なく、シアフォース制御などの距離制御装置を用いたものと比べて、プローブの移動の自由度が増す。
【００２４】
【実施例】
そこで、本発明のガイド付き近接場プローブをもちいた応用例を以下にあげる。
＜近接場分光装置＞
図９は近接場分光装置の概念図である。同図において、光照射手段３６により光ファイバの端面に照射された光は、光ファイバを通りガイド付き近接場プローブ２０の開口から近接場光として試料に照射される。そして、試料により散乱された近接場光を再び開口より集光し、集光した光はファイバを通り、ビームスプリッタ４２により反射され分光手段３０に送られる。
プローブのＺ軸方向への移動に関して、通常のプローブを用いた場合、ｎｍオーダーの制御が必要であり特別な装置を必要としたが、本発明では距離制御として特別な装置を必要とせず、プローブ２０を試料１４に押し当てるのみでよい。
【００２５】
ただし、図９では、ＸＹ軸方向のより精密なプローブの移動のため、プローブ２０に粗動駆動部３２と微動駆動部３４の２段階の制御部を設けている。まず、粗動駆動部３２には駆動のためのＸＹＺ３軸ステージが取り付けられ、プローブの大きな移動を行なう。この粗動駆動部３２は手動で移動するようにすることも可能である。また、粗動駆動部３２を試料に押し当て、プローブ２０の側面に取り付けられた微動駆動部３４によりプローブ２０の先端部分が図９の点線部分のように動き、より精密なプローブ先端の移動を行なうことができる。
図１０はプローブの移動を手動で制御するための装置の一例である。プローブ２０は保護用被覆部２８で覆われ、プローブの試料と接触する端面側に手動制御部２６が取り付けられている。また、プローブの他の端面は分光手段３０に接続される。手動制御部２６を手動で移動させ試料に押し付けることにより、プローブ２０の先端の位置を制御することができる。
【００２６】
これらの近接場分光装置において、たわみセンサ、接触センサ、圧力センサ、超音波センサなどを用いてプローブと試料が接触したこと検出するようにしてもよい。
以上のように試料とプローブとの間の距離制御に光学系制御が必要ないため、操作の容易化や装置の小型化が可能となる。さらに、ライン上を流れていく試料など、高速で移動する試料などの測定も可能となる。
【００２７】
また、試料のある点を測定した後、近接場光の強度が十分小さくなる所までプローブを移動してバックグラウンドを計測し、また試料の他の点を測定するという手順を繰り返してマッピング操作をすることも好適である。
ここでは、イルミネーションコレクション型の近接場分光装置のみを説明したが、もちろんコレクション型、イルミネーション型の近接場分光装置にも本発明のガイド付きファイバプローブを用いることができる。
【００２８】
＜光ヘッド＞
本発明のガイド付きファイバプローブ２０や図６に示したガイド付きマルチプローブ２０２等を近接場光メモリ用の情報の記録／読み取りの光ヘッドとして好適に用いることが可能である。図１１はその概念図である。同図において記録面１８は回転手段３８により高速で回転する。書き込み／読み取り手段４０はガイド付き近接場プローブ２０２の端面から個々の複数のコアに光を入射、または光ファイバからの光を検出することにより情報の書き込みや読み取りを行なう。ファイバの他の端面では先鋭化したコアから記録面１８に光を照射／集光することにより記録面２８に情報を書き込み／読み込みを行なっている。
【００２９】
記録面１０と光ヘッド２０２の間の距離制御のためにはガイド面を記録面１８に押し当てるのみでいいので、特別な光学系制御を用いる必要がなく、装置が小型化される。また、コアの先端部が記録面１８と適度に接触するために光を無駄なく利用できる。
また、クラッドよりなるガイド面の面積が大きいため記録面との接触面の面積が大きく安定性があり、記録面が高速で運動する場合にも対応できる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガイド付き近接場プローブを用いることにより、プローブ先端の開口作成が容易になり、また試料との距離制御が不要となる。また、本発明のガイド付き近接場プローブの製造方法によれば、開口径を正確に制御でき、プローブの作成は容易となる。
また本発明のガイド付き近接場プローブを近接場分光装置のプローブや光記憶装置の光ヘッドに用いることにより、プローブや光ヘッドの制御が容易となり、また高速で移動する試料にも対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のガイド付き近接場プローブの斜視図である。
【図２】プローブと試料との距離制御の説明図である。
【図３】開口をもったガイド付き近接場プローブの斜視図である。
【図４】プローブと試料との距離制御の説明図である。
【図５】スリット型の開口をもったガイド付き近接場プローブの斜視図である。
【図６】複数のコアを有すガイド付き近接場マルチプローブの斜視図である。
【図７】ガイド付き近接場プローブの製造方法の説明図である。
【図８】開口作成方法の説明図である。
【図９】ガイド付き近接場プローブを用いた近接場分光装置の概念図である。
【図１０】手動用プローブ移動装置の概念図である。
【図１１】ガイド付き近接場プローブを光ヘッドとして用いた光記憶装置の概念図である。
【符号の説明】
２　　ガイド付き近接場プローブ
４、１０４，２０４　　クラッド
４ａ、１０４ａ、２０４ａ　クラッドの凹部
６、１０６，２０６　　コア
６ａ、１０６ａ、２０６ａ　コア先端部
６ｂ　第１テーパ形状
６ｃ　第２テーパ形状
８、１０８，２０８　　ガイド面
１０、１１０　マスク部
１２、１１２　開口
１４　試料
１６　開口用の平坦な基板
１８　記録面
２０、１２０　開口を持ったガイド付き近接場プローブ
２２　近接場
２４　散乱光
２６　手動制御部
２８　保護用被膜部
３０　分光手段
３２　粗動駆動部
３４　微動駆動部
３６　光照射手段
３８　回転手段
４０　書き込み／読み取り装置
２０２　ガイド付き近接場マルチプローブ
ｈ　ガイド面からコア先端までの距離
ｒ　開口径
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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