技术领域
本发明涉及一种用于检测辐射束中的电磁场分量的强度分布的装置，尤其是用于选择性测量场矢量分布以评估辐射源的束质量的装置或用于分析与评估光学器件和其他光学元件的点扩散函数(PSF)或调制传递函数(MTF)的装置。
作为电磁波的光的特征在于其矢量场，该矢量场又可以由空间中的三个(笛卡尔)分量以及其振幅和相位来限定。从现有技术中已知，通过用标准光电检测器或强度传感器阵列(例如，CCD、CMOS、FPA等)测量强度分布来分析在限定的束横截面内的电磁辐射束。在要检测侧向场矢量分量(通常称为x分量和y分量，其中在z方向上进行束传播)的情况下，使用正交取向的偏振器或偏振分束器来分离矢量场的各个侧向分量。然而，根据矢量分量的分离仅在x方向和y方向上是可能的。在每种情况下，在辐射束中的测量点之前，用于相位测量的干涉仪在每个偏振方向的分离辐射束中与相同辐射源的参考光束耦合。然而，对于每个矢量分量，仅强度的振幅测量或相位测量是可能的，或者需要进一步减小强度的分束器。
现有技术中，V.Gruev等人(“CCD polarization imaging sensor with aluminumnanowire optical filters(具有铝纳米线光学滤波器的CCD偏振成像传感器)”[Opt.Express 18 18(2010)19087-19094])描述了使用基于具有微偏振滤波器阵列的单片制造的CCD阵列的传感器，其中每个单独的微偏振器都包括(具有约70nm直径和140nm间隔的)铝纳米线，用于记录光束的侧向场矢量分量。这种微偏振图像传感器的空间分辨率受到CCD传感器的像素间距(在所使用的CCD中为7.5μm)的限制。此外，在经由传感器阵列的最大透射和最小透射之间存在消光比，该消光比取决于入射光的波长和入射角。该比率从0°入射角处的约58％减小到17°入射角处的约8.5％。对于大于20°的入射角，由于相邻传感器元件之间的串扰，偏振信息甚至完全消失。这里的缺点在于，在这种小入射角的情况下，所公开的传感器阵列不适用于高度聚焦的辐射束，并且由于缺乏纵向偏振测量，所公开的传感器阵列只能测量横向偏振分量。
此外，从近场扫描光学显微镜(NSOM)中已知，以各种几何形状和结构来影响光的偏振态。为此，A.S.Lapchuk等人在他们的技术文章“Near-field optical microscopeworking on TEM wave(工作在TEM波上的近场光学显微镜)”(Ultramicroscopy 99[2004]143-157)中提出了一种NSOM探针，该NSOM探针在电介质锥体的表面上配备有新月形金属条(所谓的微带探针)，并且示出了该微带探针可以由具有垂直于金属条的电场偏振的横向电磁波激发，在探针尖端(顶端)处增强的场可以用于限定的照明模式。
这种解决方案的缺点在于，它不能用于根据偏振方向进行分辨的记录，因为光不仅在探针尖端(顶端)处被捕获，而且在沿着锥体的外侧表面的微带之间的狭缝处被捕获，因此，偏振方向的决定性的空间选择性分辨率被损失或者显著恶化。此外，不可能测量纵向方向上的偏振。
上述NSOM探针的改进在US 7,933,482 B2中描述为光纤探针尖端，其中描述了具有包层的光纤的末端的浸入用于制造方法，并且将光纤末端悬停在蚀刻液体中并逐渐浸入，使得纤芯和光纤包层同时锥形化。作为特殊的特征，它们可以具有椭圆形的横截面形状，并且通过溅射设置有约30-100nm的铝涂层，以便增加在纤芯内的传输强度的比例。最后，借助于离子束烧蚀尖端并形成切片的尖端。然后，以这种方式制造的光纤探针尖端可以用于近场扫描光学显微镜。然而，这种探针尖端在扫描显微镜中的应用具有的缺点是，用于样品的二维成像的单独的像素检测是耗时的，因为它不是同时的，并且也不允许在辐射束的分析位置处记录完整的矢量场。
此外，US 8,248,599 B2公开了用于实现不同偏振态的方法及其应用，该方法具有特殊的特性并且利用该方法可以产生极强的纵向场。这些偏振态与表面等离激元激发组合，因此可以用于无孔近场扫描光学显微镜(无孔NSOM)并实现10nm以下的电势空间分辨率。为此，将径向偏振的辐射束引导到产生等离极化激元的光纤中，该光纤具有金属涂覆的、锥形的、无孔的尖端，该尖端产生表面等离激元波，并且当存在径向偏振的辐射束时，将这些波引导到尖端。位于无孔尖端附近的探针的近场光学信号由显微镜的物镜记录，并且可以用于可靠的纳米拉曼系统，该纳米拉曼系统可以分析机械或化学成分。
在这方面，缺点在于近场扫描光学显微镜仍然具有上述缺点，并且仅当光栅扫描方法中的样品的单独的像素扫描产生二维测量图像时，利用具有第二探针(拉曼探针)的光纤尖端产生表面等离激元波。
发明内容
本发明的目的是找到一种用于检测辐射束中的电磁场分量的强度分布的新的可能性，其使得可以高分辨率地确定电磁辐射束的场矢量分量的振幅，并且通过该新的可能性在宽角谱内实现了更高的分辨率检测效率。此外，应该可以与振幅测量并行地确定场矢量分量的相位。
根据本发明，上述目的通过一种用于检测辐射束中电磁场分量的强度分布的装置来实现，该装置具有高分辨率二维强度传感器阵列和场矢量检测器阵列，该场矢量检测器阵列包括检测器结构的不同区，该检测器结构具有用于两个单独的横向场矢量分量E
检测器结构和传感器元件之间的映射可以按像素或以传感器元件组(例如，2×2、3×3等)的方式来执行。在后一种情况下，通过对与检测器结构相关联的传感器元件进行像素组合，可以以增加的读出速度按组读出强度传感器阵列。然而，由于较高的分辨率，优选按像素进行映射。
用于单独的纵向场矢量分量E
用于单独的横向场矢量分量E
具有孔的金属尖端可取地是圆柱形的、圆锥形的或棱锥形的，并且具有圆形或椭圆形、正方形或矩形横截面，并且在内部包含波导，波导包括电介质或半导体。在此，金属尖端的孔可取地是圆形的、椭圆形的或矩形的，并且对于从窄到狭缝形的形状，横向场矢量分量E
窄或狭缝形的孔优选地可以被布置在中心的金属网中断。此外，阻尼层可以具有从顶端向下均匀或减小的层厚度。
已经证明可取的是，两个附加阻尼层相对轴向对称地布置在顶端的平面外侧或平面内侧或布置在孔的内侧。
当尖端在未被条形阻尼层覆盖的条形区域中的金属尖端和波导的界面处具有用于改善LSP和WGM之间的耦合及其准直的光栅结构时，产生了进一步的优点。
场矢量检测器阵列的检测器结构的不同区除了至少三个单独的检测器结构之外还可以有利地包含至少一个参考区。至少一个参考区可以是没有单独的检测器结构的无结构区或者是包含至少一个参考结构的参考区。参考结构可选地形成有与单独的检测器结构相同的高度。
此外，至少一个参考结构优选地形成为圆柱形、圆锥形、棱锥形或立方形的轴向对称的金属尖端，并且在其顶端处设置有轴向对称的孔。
在优选的构造中，具有检测器结构的场矢量检测器阵列直接单片地安装在强度传感器阵列上，在传感器元件之上。在有利的构造中，检测器结构的金属椎体包裹形状的尖端可以包含锥形半导体，该锥形半导体作为尖端内部的波导，并且强度传感器阵列可以形成为利用金属包覆尖端和半导体波导之间的金属/半导体接触的肖特基二极管阵列。
在另一种可取的配置中，具有检测器结构的场矢量检测器阵列在单独的基底上制造，并且借助于位于基底上的光束整形光学阵列，利用在自由空间光学器件中的强度传感器阵列的各个传感器元件与强度传感器阵列光学地耦合。
在另一有利的配置中，具有检测器结构的场矢量检测器阵列在单独的基底上制造，并且安装在场矢量检测器阵列上，与基底在整个表面区域上接触或者与间隔物接触。在上述两种实施例中，光束整形光学阵列可以具有折射透镜、GRIN透镜、超材料透镜(超透镜)、衍射光学元件或光束整形微结构或纳米结构，或者可以由多于一个的上述光学元件的组合形成。
在该装置的另一优选结构中，将限定量的具有孔的尖端布置为相对于用于横向场矢量分量E
在检测设备中，当场矢量检测器阵列和强度传感器阵列被布置为空间上分离的检测器装置，以确定场矢量分量E
强度传感器阵列可取地形成为用于光子检测、热检测或热载流子检测的(肖特基效应)传感器矩阵。
在优选的变型中，用于单独的纵向场矢量分量E
用于单独的横向场矢量分量E
在可选的装置中，设置扫描设备，用于场矢量检测器阵列相对于辐射束的一维、二维或三维按像素或按子像素的扫描运动，使得三个单独的检测器结构的检测器结构的不同区相对于强度传感器阵列移位，使得用于场矢量分量E
根据本发明，通过在近场扫描光学显微镜(NSOM)中使用根据权利要求1的装置来进一步实现上述目的，该近场扫描光学显微镜(NSOM)用于在三个场矢量分量中捕获大面积二维样本图像，以便确定液体或固体表面上的分子的偶极矩取向。
本发明基于以下基本考虑：用于记录辐射束的场矢量分量的光束分析仅局限于场矢量的两个横向分量，或者借助于近场扫描光学显微镜(NSOM)，使得在每种情况下，场矢量仅可以以连续的偏移和对应的时间消耗来测量。
根据本发明，这些问题被解决，因为不仅确定了所有(笛卡尔)场矢量分量(它们的振幅和相位)，而且还可以在辐射束的整个横截面中或在辐射束的基本局部区域中同时检测场矢量分量。这是通过将场矢量检测器阵列布置为多个单独的检测器结构的空间布置，用于经由二维强度传感器阵列(CCD、CMOS、QWIP的FPA、QDIP、光电二极管阵列等)分别检测三个场矢量分量来实现的，并且将单独的检测器结构逐像素或成组(例如2×2、3×3等)映射到强度传感器元件。以这种方式，所有不同的检测器结构可以利用(相对较少的)像素或子像素扫描运动而移位到其它相应的检测器结构的位置，整个光束横截面或光束横截面的大部分可以在几毫秒内记录，而扫描显微镜中的常规全图像扫描将花费几个小时。在有利的结构变型中，三个不同的场矢量结构可以以二维组或周期性混合结构区(例如，(例如，根据Bayer颜色掩模原理的)四组)的方式按区组织，以便分布在强度传感器阵列上。
各个检测器结构形成为各种形状的金属尖端，其中纵向场矢量分量(例如，z分量)的尖端在顶端处具有轴对称的锥体形(至少在等离激元激发的≥1/2λ[λ-入射波长]的区中)，而对于两个横向场矢量分量(例如，x分量、y分量)，根据组形成的不同形状包括具有相对的阻尼层部分的圆锥形、圆柱形、棱锥形或立方体形，阻尼层部分在x分量和y分量的每种情况下旋转90°。
为了完全确定场矢量分量-也是相对于相位-待测量的辐射束必须通过一个或更多个强度分配器分成一个或两个相同的检测器阵列，并与参考光束叠加，或者经由合适的干涉仪装置(例如，迈克尔逊干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪)并可能借助于下游的锁定放大器来评估。后一种干涉相位确定方法可以通过零差、外差或伪外差方法来执行。
本发明的特别的优点在于，高分辨率的场矢量检测器阵列可以与所有常规的强度测量光电传感器阵列(CCD、CMOS、FPA等)以及电压测量检测器阵列(肖特基二极管阵列、热电偶阵列、微测热辐射计阵列等)组合。
此外，根据本发明的场矢量检测器阵列可以根据Bayer颜色掩模原理(或者也可以是CYGM或CMYW或Sony RGBE等)以结构化方式由四像素元件或者由具有场矢量分量的(具有或不具有参考结构的)象限区组装，并且可以利用常规图像传感器扫描模式操作和评估，以便增加分辨率和可比较的处理算法。
本发明示出了一种用于检测辐射束中的电磁场分量的强度分布的新的可能性，通过该可能性，实现了电磁辐射束中的场矢量分量的高分辨率确定，并且明显地扩大了检测角谱。以这种方式，第一次可以实现不同的场矢量分量关于其振幅和相位的并行记录。
附图说明
下面将参考各实施例和附图更全面地描述本发明。附图示出：
图1是根据本发明的装置的第一构造的示意图，该第一构造具有三个大面积区，三个大面积区分别包括用于选择性检测场矢量分量的各种尖端中的一个，以及具有用于参考或其它光学测量任务的无结构区；
图2是根据本发明的装置的第二构造的示意图，该第二构造具有用于基于Bayer颜色掩模原理选择性检测x、y和z方向上的场矢量分量的各种尖端的相同的、周期性设置的混合结构区；
图3是根据本发明的装置的第三构造的示意图，该第三构造具有用于选择性检测场矢量分量的三个不同尖端的相同的、周期性布置的混合结构区，以及在结构的高度上复制横向场矢量分量的检测器结构以便匹配孔尺寸和孔形状的参考结构；
图4是根据本发明的装置的第四构造的示意图，该第四构造具有三个大面积区，三个大面积区分别包括用于选择性检测场矢量分量的各种尖端中的一个，以及具有参考结构的区，该参考结构在尺寸和形状方面复制横向场矢量分量的检测器结构；
图5是传感器元件上方的等离子体无孔尖端的示意性轴向截面图，示意性描绘了纵向局域表面等离激元(LSP)和表面等离极化激元(SPP)以及光子波导(WGM)的共振输入耦合；
图6是传感器元件上方的具有轴对称阻尼层的等离子体尖端的示意性轴向截面图并描绘了横截面图，该轴对称阻尼层从输入耦合高度向下增大以用于未被耦合输入的SPP的吸收以及用于抑制对相邻尖端的串扰；
图7是具有截形的顶端的等离子体尖端和用于波导中SPP和WGM的直接激发的所得孔的示意性轴向截面图，以及孔和顶端的形状的两种配置的俯视图；
图8是等离子体尖端的示意图以及用于顶端与孔的圆形形状和椭圆形状的两个俯视图，该等离子体尖端具有由此产生的截短的顶端与孔以及从顶端开始的内部轴向相对的条形阻尼层，用于产生横向场矢量分量的描绘方向的选择性方向灵敏度；
图9是具有截短的顶端和正方形横截面的等离子体尖端的透视截面图；
图10是具有截短的顶端和矩形横截面的等离子体尖端的透视图；
图11是场矢量检测器阵列的实施例的程式化描绘，其中金属尖端单片地安装在强度传感器阵列上作为用于纵向及横向场矢量分量的检测器结构；
图12是图11所示的场矢量检测器阵列的实施例，但是具有基于肖特基二极管阵列的强度传感器阵列；
图13是场矢量检测器阵列的另一实施例，其中金属尖端安装在单独的基底上作为用于纵向及横向场矢量分量的检测器结构，其中基底与间隔物一起安装在强度传感器阵列上，并且具有光束整形光学阵列，用于将来自各个场矢量分量的检测器结构的发散辐射准直或聚焦在强度传感器阵列的相关联的传感器元件上；
图14是场矢量检测器阵列的实施例，其中金属尖端安装在单独的基底上作为用于纵向及横向场矢量分量的检测器结构，其中用于将各个场矢量分量的辐射准直或聚焦到强度传感器阵列的光束整形光学阵列安装在基底的顶侧和底侧，这允许自由空间光学器件达到强度传感器阵列；
图15是横向检测器结构的三种变型，其中当顶端具有较小孔的平坦表面时，不论(a)具有内部阻尼条，(b)没有内部阻尼条，或者(c)金属尖端特别厚，顶端区中的附加阻尼层都是有利的；
图16是来自图15的金属尖端的附加阻尼层的形状的六种选定变型，其中在平坦顶端表面或平坦顶端表面内侧上的阻尼层被示出为金属尖端的截短的锥形或圆柱形(a-c)和截短的棱锥形(d-f)；
图17是具有暴露波导(即，未示出金属包层)的孔的尖端的两个透视图，以示出布置在相对的阻尼层之间用于改善LSP与WGM耦合和准直的附加光栅结构；
图18是横向检测器结构的尖端的四种可能的变型，其中(a)、(b)为将波导和/或条形阻尼层突出到尖端的顶端之上，或者(c)、(d)为将波导和/或条形阻尼层设置回顶端之下；
图19是场矢量检测器阵列的混合结构区的五种不同变型，用于同时确定入射辐射束中的电磁场的偏振态，(a)具有在0°、45°、90°和135°的角度下的横向分量，(b)具有在45°、90°和135°的角度下的纵向分量和横向分量，(c)具有在0°、45°和135°下的纵向分量和横向分量，(d)具有在0°、45°和135°下的无结构区和横向分量，以及(e)具有在0°、45°和90°下的参考结构和横向分量；
图20是具有三个检测器结构的场矢量检测器阵列的详细示意图，每个检测器结构均具有轴向金属线，该金属线具有与检测器结构顶端处的金属尖端接触的点，以基于热电偶阵列记录场矢量分量的强度；
图21是根据图20的场矢量检测器阵列的细节的三个俯视图，其中检测器结构的尖端具有三种不同类型的配置；
图22是基于两步检测的相位确定的检测设备，其中光束路径在场矢量检测器阵列的下游被分开，用于振幅测量和相位测量；
图23是基于具有可调参考反射镜的零差干涉仪的用于相位确定的另一检测设备；
图24是基于具有振荡参考反射镜的伪外差干涉仪的用于相位确定的另一检测设备；
图25是基于外差干涉仪的用于相位确定的另一检测设备。
具体实施方式
参考图1，根据本发明的装置的基本构造包括二维强度传感器阵列1和用于将不同场矢量分量作为一个结构的空间布置的场矢量检测器阵列2，每个结构用于三个场矢量分量的单独检测。场矢量检测器阵列2被布置在二维强度传感器阵列(CCD、CMOS、FPA等)之上，并且各个检测器结构21被映射到强度传感器阵列1的传感器元件11，以便相对于像素网格匹配。检测器结构21到传感器元件11的映射优选地按像素(即，以1-1映射)执行，但是也可以由传感器元件11的组(例如，1比4、1比9等)执行。通过对这样的组的像素组合，可以以加速的方式读出以这种方式按组映射的强度传感器阵列1。场矢量检测器阵列2的布置通常位于横截面中的入射辐射束55(仅在图20-图24中示出)中，但是特别是在弱会聚或根本不会聚的辐射束中，也可以以倾斜的方式布置。
不同检测器结构21的布置基本上是可选的，并且应当遵循特定规则，以便对于在待测量的辐射束3的横截面中记录的二维图像的所有像素，利用匹配扫描方案连续地定位每个场矢量检测器结构21。在图1中示出的场矢量检测器结构21的布置在三个大面积区22、23和24中分别设置有均匀的场矢量检测器结构21。在该选择的实施例中，不同的场矢量检测器结构21有利地分别占据强度传感器阵列1的象限，即，具有E
强度传感器阵列1的中心截面在图1中再次被放大示出。该截面在紧凑的空间上组合占据强度传感器阵列1的所有各种类型，并且呈现混合结构区27，因此使得能够在所有场矢量分量中进行快速比较测量并且记录参考值。
图2示出了用于覆盖不同检测器结构211、212、213的另一有利的变型，其中所有不同的检测器结构211、212、213以周期性重复的方式紧密地布置。因此，这种形式包括有组织的多个混合结构区27，并且在Bayer颜色掩模上相对于其像素占据类型而被图案化。检测器结构211、212、213的这种类型布置可以类似于根据Bayer颜色掩模利用对应的扫描和读出方案对三种颜色分色进行颜色确定来操作，并且可以利用对应的评估算法来评估。具体地，对于混合结构区27的每一个中的不同横向场矢量分量E
图3示出了具有混合结构区27的形式，该形式类似于图2，但是其中参考结构214被布置在每个混合结构区27中，而不是布置在无孔尖端3中。所采用的参考结构214至少在检测器结构211和212的孔的高度和尺寸上适于横向场矢量分量，该孔优选地是圆形的并且被布置成以强度传感器阵列1的传感器元件11为中心。参考结构214的高度也有利地适用于检测器结构211和212。因此，随后可以计算地消除相对于检测器结构211和212的入射辐射束的场任何角偏差。通常有利的是，用于场矢量分量的所有检测器结构211、212、213和任何参考结构均具有相同的高度。
在图4中示意性地示出了用于构建场矢量检测器阵列2的第四变型。在该变型中，再次示出了区22、23、24和26的大面积按区的布置，其中，场矢量分量E
图5示出了作为纵向等离激元共振接收器的无孔尖端3的工作原理。利用直圆锥的圆锥形闭合顶端33，该检测器结构213可以基于局域等离激元共振(LPR)记录锥体轴线上的局域表面极化激元(LSP)。由于LSP的场矢量是径向对称的，并且还由于已知LSP在顶端33处产生纵向场的激发，所以等离激元共振可以由无孔尖端3记录，由于圆锥形，由入射辐射束的纵向电磁场激发的表面等离极化激元(SPP)可以在尖端3的外表面上(或在尖端3和周围介质之间的界面处)产生。
如果圆锥形检测器结构213已经被制造为电介质波导31上的镀金尖端3，则在顶端33处激发的SPP可以沿着金属尖端3的使圆锥形变宽前进，并且可以以光子波导模式(WGM)在特定半径处共振地耦合到波导31中。波导31优选地是波导光纤材料，波导光纤材料将光子WGM引导到强度传感器阵列1的传感器元件11，在传感器元件11处将光子WGM作为光子强度检测。
如图6中示意性示出的，LSP和SPP耦合输入的过程可以因此得到辅助，并且当在尖端3的优选输入耦合半径之下在金属尖端3的外侧上施加轴对称阻尼层34并且优选地阻尼层34具有向下增加的层厚度时，可以同时抑制相邻尖端3或4上的串扰。图6中的详细视图示出了检测器结构213的构造，该构造包括波导31(芯)、金属尖端3和沿截面A-A的轴对称阻尼层34。
以下事实对于检测器结构213的材料是决定性的。在金属-电介质界面(波导31)处产生表面等离极化激元和表面光子极化激元，而不管它们是前进的(SPP)还是局部的(LSP)。SPP在横向方向上定位并且沿着它们的前进方向衰减。另一方面，LSP是金属纳米结构的局部模式，金属纳米结构基本上由金属尖端3的顶端33形成。在以这种方式配备的金属涂覆尖端3的情况下，电磁场的纵向场矢量分量可以单独地耦合输出。与具有带有限制分辨率的尺寸的孔43的尖端4相反，无孔尖端3具有极高的空间分辨率，因为分辨率由尖端直径确定，并且无孔尖端3可以被制造甚至小于1nm。
由这种无孔尖端3和将在下面描述的孔尖端4形成的高分辨率场检测器阵列2基本上包括三种类型的材料：金属(尖端3、4)、电介质(波导31)和阻尼材料(阻尼层34、45、46)。材料的光学特性由它们的复介电常数(电场常数、介电常数)限定，该复介电常数具有实部和虚部并且取决于波长。
这些材料描述如下：术语“金属”表示其介电常数具有负实部的材料；术语“电介质”表示其介电常数具有正实部的材料；术语“阻尼材料”表示其介电常数具有正实部和具有比其覆盖的电介质的虚部值高的虚部的材料。介电常数的虚部限定波的吸收，因此，虚部的值越高，阻尼材料越好。
因此，相同的材料可以是用于不同波长范围的电介质或阻尼材料，并且可以以各种组合使用。例如，钨可在近红外(NIR)光谱区和红外(IR)光谱区用作金属，但在可见光区(VIS)用作优异的阻尼材料。另一个示例是透明导电氧化物(TCO)，该透明导电氧化物(TCO)在VIS区为阻尼材料，但是在掺杂后在NIR和IR光谱区中可用作金属。
因此，对于可用作金属、阻尼材料和电介质(半导体或绝缘体)的材料，存在用于入射辐射束的各个光谱区的双标记，其定义如下：
-用于深紫外线(DUV)区和紫外线(UV)区的金属可以是：铝(Al)、银(Ag)、钴(Co)、铟(In)、镓(Ga)、镁(Mg)、铋(Bi)、铑(Rh)、钌(Ru)、钨(W)、钛(Ti)、铬(Cr)、钯(Pd)、铜(Cu)、铂(Pt)和镁(Mg)、GaMg合金、碱金属Na、K等，以及所有这些金属的合金或组合。
-用于VIS到IR光谱区的金属可以是：
优选金(Au)、铝(Al)、银(Ag)、铂(Pt)、钴-银合金；
p掺杂半导体，例如硅(Si)、氮化镓(GaN)、磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)；
n掺杂半导体，例如Si、SiGe、GaN、GaP、InP、GaAs；
Si、GaN、GaP、重Sn掺杂氧化铟锡(TCO)、Ga掺杂ZnO、In掺杂氧化镉(ICO)、Al掺杂氧化锌(AZO)、ZnAl
RuO
以及这些材料的合金。
-用于IR光谱区的金属可以是：
碳化硅(SiC)，诸如SrTiO
-用于DUV、UV、VIS、NIR的波导31(尖端3、4中的芯)可以是：
对相应光谱区具有确定程度的透明的任何类型的玻璃、聚合物、半导体和电介质；
熔融石英、SiO
各种氧化物和氟化物：SiO
-玻璃：冕玻璃、燧石玻璃等，硫系玻璃与蓝宝石、金刚石。
聚合物：SU8、PMMA等，以及Abbe图中的所有材料(参见例如，D.Malacara，Z.Malacara：Handbook of Optical Design(光学设计手册)，第二版，2004，MarcelDekker公司，图A3.2)。
-用于IR区的波导31(尖端3、4中的芯)可以是：
锗(Ge)；硒化锌(ZnSe)；硫化锌(ZnS)；硅(Si)、氟化钙(CaF
-硫系玻璃：Ge33As12Se55(IG 2)、Ge30Sb13Se32Te25、Ge30As13Se32Te25、Ge10As40Se50、Ge28Sb12Se60、As40Se60、As40S60、As2S3、As-Se-Te。
-非晶材料：AMTIR-1、AMTIR-2、AMTIR-3、AMTIR-4、AMTIR-5、AMTIR-6、C1。
-IG 2、IG 3、IG 4、IG 5、IG 6；IRG 22、IRG 23、IRG 24、IRG 25、IRG 26；BD-2、BD-6；
OPTIR-1、OPTIR-3(后边缩写中的一些仅是不同制造商对相同材料的不同名称)。
-用于VIS到NIR的(以条形方式彼此相对定位的尖端3、4的外层和尖端4的内层的)阻尼材料可以是：
所有类型的材料，这些材料具有比它们所施加的电介质的介电常数的虚部高的介电常数的虚部；
碳(C)；钼(Mo)；钨(W)；钛(Ti)；铬(Cr)；
诸如Cu
除了银和铝，被命名为DUV-UV的所有金属。
-尖端3、4的周围介质可以是：
具有比无孔尖端3的波导材料的介电常数的正实部小的正实部的介电常数的电介质(液体或气体)。
-如果检测器阵列需要保护层，则保护层可以由具有正实部的介电常数的电介质形成。
图7示出了用于入射辐射束的电磁场的横向场矢量分量的检测器结构211、212。检测器结构211、212包括金属尖端4，该金属尖端4在顶端44处具有孔43，但在其它方面与金属尖端3的构造相同，因为相应的尖端4还在外侧上具有阻尼层以及在内侧上具有电介质(波导31)，此外，在电介质和尖端4之间的界面处具有轴向相对的阻尼条。此外，与针对尖端3所提及的材料相同的材料也适用。
所布置的孔43由金属尖端4的截短的顶端44形成，并且使得可以产生基本波导模式(WGM)。该模式的电场的主要分量可以取x-y平面中的(与尖端4的轴向方向正交的)任何方向，即，该模式的电场可以由在孔43处的局域等离激元的场激发，局域等离激元在x-y平面中的任何方向上具有电场。
如平面B-B的左侧俯视图中详细示出的，作为尖端4的内芯的波导31可以被构造，使得通过顶端44激发的WGM具有对应于特定椭圆形的孔43的短半轴处的局域表面等离激元(LSP)的主场方向的主场方向。如平面B-B中详细示出的右侧俯视图中所示，如果孔43进一步伸长并且形成为窄狭缝，则根据这些场矢量分量E
如果特殊结构的尖端4没有配备细长的孔43(椭圆形、矩形、狭缝等)或者如果极性选择性要被进一步改进，则可以在具有孔43的顶端44处增加另一个特征，以便有效地选择(滤波)期望的场矢量分量E
在用图8所示的两个相对轴向对称的阻尼层45覆盖圆锥形电介质波导31之后，(例如，通过蒸发、溅射等)对金属尖端4进行涂覆，使得顶端44(例如，通过在涂覆期间用金属覆盖)保持打开。图8的平面C-C的详细图中的顶端44示出了孔44的可能形状的两个俯视图，其中可以看到波导31和上述两个相对对称的阻尼层45。该图详细示出了孔43和顶端44的形状的两种可能变型的两个俯视图。该底部视图具有圆形孔43，其中在同样基本上为圆形的顶端44中具有新月形横截面的阻尼层45。上俯视图具有椭圆形的孔43和椭圆形的顶端44，使得孔43形成为在横向于要检测的场矢量分量E
图8中详细示出的用于场矢量分量E
图9示出了用于场矢量分量E
子图中右侧的俯视图D-D示出了具有正方形基本形状的孔43，孔43带有作为分隔网的金属条48，使得孔43被分成三个矩形区域，优选地，三个矩形区域的宽度不相等。利用这种类型的孔43，可以接收四个共振：一个具有全孔宽度，一个具有金属条48的宽度，两个具有金属条48的左右两个自由矩形孔部分。这提高了LSP的记录效率，因为可以接收相对于入射波长的四个共振最大值。由于一些共振也可能重叠，所以在LSP激发光谱中总体上存在较高的最大值。
图10中的检测器结构211、212的示意图示出了场矢量分量E
图11示出了场矢量检测器阵列2的细节，其中，在垂直截面中示意性地示出了用于横向场矢量分量E
在图12中，具有与参照图11描述的场矢量检测器阵列2相同的结构，半导体32用作波导，并且选择以波导模式(WGM)传输的光子的另一类型的强度测量。在该实施例中，作为强度传感器阵列1，场矢量检测器阵列2被直接放置在肖特基二极管阵列上，并且在肖特基二极管阵列上单片地制造。因此，借助于热载流子检测将强度测量结果转换为用于每个检测器结构211、212、213的单独的电信号。
作为根据图11的强度传感器阵列1和场矢量检测器阵列2的组装的替换，在图13中，通过随后将预先制造的场矢量检测器阵列2放置在单独的基底28上，借助于精确限定的间隔物13来执行强度传感器阵列1和场矢量检测器阵列2的组装。因此，由于保护层12与强度传感器阵列1的各个传感器元件11和场矢量检测器阵列2的基底28之间的(虽然很小的)间隔，存在中间介质(或可能的真空)的间隙，在该间隙中光子束发散地离开波导31，使得如图13中提供的分离的光子束应当通过光束整形光学阵列29被集束，在最好的情况下被准直或光学成像，以便防止在相邻传感器元件11上的串扰或不必要的强度损失。用于增强SPP和WGM的激发的光栅结构47可以沿着波导31和尖端3、41或42之间的界面设置。光栅结构47可以用作光束整形元件。
在本发明的另一构造中，如图14所示，场矢量检测器阵列2和强度传感器阵列1彼此完全分离，并且来自波导31的光子检测经由待测量的多光束集束56在自由空间光学器件中实现。在此，自由空间光学器件被理解为表示所有光学成像传输变型，自由空间光学器件例如通过准直集束、光学映射等在强度传感器阵列1上以直接“逐像素”映射从波导31的输出传输多光束集束56，其中波导输出在相关联的传感器元件11上的映射可以以1:1(按像素)、1：(2×2)、1：(3×3)等的比例选择，具有正方形传感器元件11或适合于矩形传感器元件1：(2×3)，1：(3×4)，1：(4×5)等等。
如参照图3和图4所描述的，待测量的多光束集束56描述了每个检测器结构211、212、213以及可能的其它参考结构214的光子强度的任何光学传输，同时保留了适合于强度传感器阵列的像素网格的像素映射，如所指示的作为优选的1:1映射的根据图11至图13的场矢量检测器阵列2与强度传感器阵列1的直接接触。一方面，这可以经由具有或不具有诸如反射镜(未示出)和分束器51(仅在图22-图25中示出)的光学元件的准直光束路径来执行。另一方面，波导31的输出到强度传感器阵列1的传感器元件11的光学映射也是可能的。一些示例性光学元件在图14中被示为基底28上的光束整形光学阵列29，用于待测量的多光束集束56的这种传输，这些光学元件可以包括集成在基底28上的微透镜阵列(如图13所示)，或者如图14中示意性示出的，这些光学元件作为GRIN透镜凹陷在基底28上，或者可以作为单独的透镜布置在基底的下侧。在每种情况下，光束整形光学阵列29的元件不仅限于如图14所示的微光束集束56的准直；相反，可以设置会聚的和发散的光学成像光束路径，其经由包括任何其他光学元件的实际传输路径实现强度传感器阵列1上的光学清晰成像，和/或视情况而定，考虑场矢量检测器阵列2和强度传感器阵列1之间的成像比例，该成像比例基于各个检测器结构21到传感器元件11的所选映射从按像素1:1映射发散。
图15示出了具有孔43的尖端4的进一步结构细节，该尖端4不与横向场矢量分量E
图16示出了用于形成附加阻尼层46的其它可能的形状，在每个子图中由尖端4表示的顶端44的金属表面的卵形、条形或三角形表面区域，并且附加阻尼层46由黑色区域指示。在所有这些示例性情况下，孔43本身被示出为尺寸不变的圆形或圆柱形开口，但是这仅是为了简单起见，以与上述示例中相同的方式示出阻尼层46的构造，并且孔43和顶端44两者的形状的范围可从正方形到矩形以及从圆形到椭圆形。
图17示出了没有金属尖端4的等离子体检测器结构211或212的内部，因此省略了该金属尖端4以便示出在金属尖端4下面的锥体包裹形状界面的轴向相对侧处的波导31的特定结构。该特定结构包括已经结合在相对的条形阻尼层45之间的自由区域中的光栅结构47。该光栅结构47首先且最主要地用于增强LSP和内部SPP与WGM之间的耦合，而且还用于在强度传感器阵列1的传感器元件11的方向上准直WGM。
在用金属尖端4的材料覆盖之后，在条形阻尼层45的轴向平面中，内部SPP和WGM的电场矢量分量被强烈地衰减，使得仅选择与阻尼层45的轴向平面正交的电场矢量分量。借助于光栅结构47，LSP和WGM的耦合得到改善，另外，由WGM产生的光子束被整形。
此外，图18示出了具有金属尖端4的进一步的变型，金属尖端4相对于波导31的高度和/或两个相对的阻尼层45的高度被缩短(子图a和b)或延长(子图c和d)。这样的差异可以在生产过程中发生并且可以导致高度差，该高度差仅轻微地影响不完美制造的尖端4的可用性。在图18的子图(d)中，阻尼层45也被延长至波导31的孔43之上的相同高度处。尖端4的这种形成甚至可以在LSP的偏振选择性激发以及耦合到SPP和WGM中具有积极的效果。
图19示出了本发明的多种变型中的另一种配置，用于附加地确定偏振态，尤其是不仅仅位于笛卡尔场矢量的优选方向上的横向场矢量分量的偏振态。因此，子图(a)、(d)、(e)示出了这种混合结构区27(例如，它们参考图1至图4被定义为四个检测器结构211、212、213、214的正方形区)，通过该混合结构区27专门检测横向场矢量分量。然而，除了(具有0°和90°的角度的)笛卡尔横向场矢量分量E
作为特殊特征，在子图(d)和(e)中包括另一种可能性，即在这种情况下选择的混合结构区27包含参考元件，该参考元件可以是无结构区25或参考结构214。
图20示出了在无孔尖端3的顶端33及有孔尖端41和42的顶端44处的LSP的检测。在此示出的检测原理基于塞贝克效应，塞贝克效应描述了在两个不同金属线之间的接合处将热直接转换为电。对于偏振选择LSP激发，相应的顶端44包含金属粒子，借助于该金属粒子，入射电场可以产生LSP。在这种情况下，位于前述示例中的检测器结构211和212的芯中的波导31具有电绝缘体36的功能，该电绝缘体36在中心具有轴向金属线45，如前所述，在外侧具有轴向对称的条形阻尼层45，并且该条形阻尼层45分别与包裹尖端3和4的顶端44的金属粒子电接触。金属线49必须包括与用于检测器结构211、212、213的涂层的金属化(尖端3、41、42)不同的金属，以便以热电偶的方式形成接触点，用于测量通过顶端33或顶端44处的等离子体激发输入的能量，然后可以借助于用于每个检测器结构211、212、213的电流-电压转换器35(按像素)测量电流的与温度相关的变化。
在检测器结构213的情况下，根据图20，轴向金属线49在无孔尖端3的顶端33的中心直接接触，使得直接发生热接触。
在横向选择的检测器结构211和212的情况下，在每种情况下，通过孔43打开的顶端44必须从具有金属粒子的金属线49向上至金属尖端41或42进行电接触。根据子图(a)和(b)，这借助于将金属粒子沉积在孔43内的绝缘体36上而发生。在图21的子图(a)和(b)中，金属粒子形成为金属孔涂层431，在该示例中，金属孔涂层431完全覆盖绝缘体36，否则绝缘体36通过孔43暴露。轴向金属线49的接触直接通过应用孔涂层431，并且在外侧上分别直接经由与金属尖端41和42接触的边缘而执行。
子图(c)中所示的变型示出了子图(a)和(b)的另一变型，其中作为区别特征的检测器结构211和212不具有完整的金属尖端41或42。在这种情况下，轴向金属线49的接触经由至少一个，优选地如子图(c)所示的两个沿着绝缘体36的圆锥形外表面的相应侧向线对称布置的金属条48与基底28接触，其中每个检测器结构211、212、213的金属条38分别连接到电流-电压转换器35。
在与孔涂层431相对邻接的阻尼层45是导电(例如，如上面参考图7和图8所示的包括具有良好导电性的碳或金属)的情况下，轴向金属线49经由两个相对轴向对称的金属条48的接触可以在这些阻尼层45处开始，并且沿着成圆锥形地形成的绝缘体36的外侧施加，以便在孔涂层431和基底28处的接触之间产生热电偶的第二接触，用于借助于电流-电压转换器35(仅在图20中示出)测量经由轴向金属线49的热电流。
图21还示出了用于横向场矢量分量E
由于孔涂层431，用于测量的连接点在顶端44处作为热接触出现，这是因为在每种情况下经由孔涂层431的至少部分填充构造与检测器结构211、212、213的金属外部材料(即尖端41、42或金属条48)的接触，并且该热接触的热电流可以借助于电流-电压转换器35在轴向金属线49和绝缘体36的圆锥形外表面处设置的金属化之间作为电信号按像素测量。
本发明的有效优点在以下用于完全确定电磁场的实施例中呈现，因为除了每个单独的场矢量分量E
振幅和相位的两步检测
图22中示出了用于借助于两步检测进行相位确定的检测设备5。几乎均匀且相干的激光束被分束器51分成测量光束及参考光束，且光束中的至少一束穿过偏振控制器52。测量光束穿过待分析的测量物体54。该测量物体54可以是简单透镜，复杂光学系统，衍射光学元件，光栅，全息元件，非球面透镜，生物样本，或影响光束的振幅、相位或偏振或与光束的振幅、相位或偏振相互作用的任何介质或材料等。可以直接测量光束，或者由(已知的)透镜关于点扩散函数(PSF)聚焦光束，以表征PSF或调制传递函数(MTF)。
来自测量物体54并落到场矢量检测器阵列2上的辐射束55由检测器结构211、212、213选择性地捕获，可能以便根据图1-图4通过局域等离激元共振(LSP)、表面等离极化激元(SPP)经由光子波导模式(WGM)以高分辨率在每个检测器结构211、212、213的场矢量分量上校准参考结构214，并且辐射束55作为待测量的多光束集束56被传输到强度传感器阵列1。在该简化的示例中，待测量的多光束集束56通过光束整形光学阵列29形成在场矢量检测器2的基底28上，并且因此优选以准直的方式将以分量选择性方式转换的等离子体激发的辐射束55作为多光束集束56经由分束器51传输到自由空间光学器件中的强度传感器阵列1，其中优选设置按像素映射到传感器元件11。
在关闭斩波器6的时间间隔中执行振幅的测量，斩波器6布置在强度传感器阵列1上游的光束组合分束器51之前的参考光束57中。当斩波器6打开时，参考光束57经过分束器51，并且与待测量的多光束集束56一起撞击在强度传感器阵列1上，使得可以进行相位确定。可以在偏振控制器52之后的测量光束中设置第二斩波器6，以便在参考测量中具有更多的灵活性。
振幅和相位的零差检测
图23中以迈克尔逊型零差干涉仪的形式示出了测量振幅和相位的另一种可能性。如在前述示例中，在分束器51处将激光束分成测量光束和参考光束57，并且参考光束57经由参考反射镜58在强度传感器阵列1的方向上被反射。如在前述示例中，测量光束穿过测量物体54并为场矢量检测器阵列2提供待分析的入射辐射束55，其待测量的多光束集束56通过光束组合分束器51与参考光束57叠加在强度传感器阵列1上。相位的确定经由参考反射镜58的一个或更多个单独位置调整来执行。
振幅和相位的伪外差检测
用于相位确定的另一检测设备5被构造为伪外差干涉仪。如在前述示例中，激光束被分成测量光束和参考光束57，参考光束57具有可振荡的参考反射镜58。在测量物体54处被转换成待分析的入射辐射束55的测量光束可以以上述方式选择性地在场矢量检测器2处被分离成场矢量分量E
振幅和相位的外差检测
图25所示的外差干涉仪给出了测量振幅和相位的第四种可能性。如前所述，激光束在分束器51处被分成测量光束和参考光束57。这两个光束穿过频移器53和偏振控制器52，并且它们的载波频率以不同的频率f
利用本发明，首次可以将光学系统的点扩散函数(PSF)记录为矢量场，并且将其值确定为振幅和相位，以及评估光学系统的调制传递函数(MTF)。利用根据本发明测量的矢量PSF，可以获得关于折射与衍射透镜以及复杂光学系统(特别是非球形光学器件以及深紫外(DUV)和极紫外(EUV)镜光学器件)的特性和传输行为的明显更精确的信息，但并不限于此。
利用根据本发明的装置获得的矢量PSF分别包含每个场矢量分量E
此外，借助于光子学中的逆向工程的数字方法，矢量PSF的三维分布可以提供足够的信息来重建光学系统的结构和几何形状。这些基于根据本发明的矢量PSF的测量的测量和重建方法对于非球面透镜和反射镜，尤其是DUV和EUV光学器件的计量是特别有利的。即使EUV反射光学器件目前被设计用于10nm至130nm的波长范围，并且在检测器结构211、212、213的顶端在该光谱范围中具有LPR的情况下，根据本发明的场矢量检测器装置仍然可以被使用，因为EUV分量借助于更大的可实现的测量波长被测量，并且随后被重新计算到期望波长范围，其中将测量结果与设计和构造EUV分量的计算结果进行比较。
在一些情况下，仅测量矢量PSF的强度值(作为没有相位的场矢量分量的强度)以表征透镜光学器件及其性能参数并重建它们的几何形状和形状就已经足够了。另一方面，在要详细评估光学系统的其它情况下(例如关于粗糙度、光学涂层、多重反射行为等)，需要(具有三个场矢量分量E
本发明的另一个有利应用是在微流体学领域。在这种情况下，根据本发明的场矢量检测器阵列可以直接集成在微流体通道中，以便表征分子或粒子。特别地，可以以这种方式确定粒子和分子的极化率和偶极矩。
参考字符
1 (二维)强度传感器阵列
11 传感器元件
12 保护层
13 间隔物
2 场矢量检测器阵列
21 场矢量检测器结构
211 (E
212 (E
213 (E
214 (E
215 (45°)检测器结构
216° (135°)检测器结构
22 区(具有检测器结构211)
23 区(具有检测器结构212)
24 区(具有检测器结构213)
25 无结构区
26 区(具有参考结构214)
27 混合结构区
28 基底
29 光束整形光学阵列
3 (无孔)尖端
31 波导
32 半导体
33 (无孔)顶端
34 轴对称阻尼层
35 电流-电压转换器
36 绝缘体
4 尖端(具有孔)
41 尖端(用于场矢量分量E
42 尖端(用于场矢量分量E
43 孔
431 孔涂层
44 顶端(具有孔)/(有孔的)顶端
45 (条形)阻尼层
46 附加阻尼层
47 光栅结构
48 金属条
49 轴向金属线
5 用于相位确定的检测设备
51 分束器
52 偏振控制器
53 频移器
54 测量物体
55 入射辐射束
56 待测量的多光束集束
57 参考光束
58 参考反射镜
59 锁定放大器
6 斩波器
E
E
机译： 用于检测辐射束中电磁场分量的强度分布的装置
机译： 用于检测辐射束中电磁场部件强度分布的组件
机译： 用于检测辐射束中电磁场部件强度分布的组件
