DE102006019378A1 - Verfahren und Anordnung zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung unterhalb der Beugungsgrenze - Google Patents

Verfahren und Anordnung zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung unterhalb der Beugungsgrenze Download PDF

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Abstract

Zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung unterhalb der Beugungsgrenze, wodurch die physikalische Grenze für den kleinsten Bündelungsdurchmesser bei der Fokussierung elektromagnetischer Strahlung überwunden und eine höhere Intensität auf einer kleineren Fläche realisiert werden kann, wird ein Verfahren angegeben, mindestens umfassend die Verfahrensschritte Fokussieren eines von einer Quelle einfallenden elektromagnetischen Strahlenbündels mit Mitteln der konventionellen Optik wie einer Linse, Erzeugung evaneszenter Wellenfelder der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung als Eingangsevaneszenzfelder und Verstärkung dieser Eingangsevaneszenzfelder in unmittelbarer räumlicher Nähe ihrer Erzeugung. Es ist vorgesehen, dass zur Erzeugung evaneszenter Wellenfelder ein nichtlineares Medium verwendet wird, das eine von der Feldstärke des elektromagnetischen Bündels abhängige nichtlineare Polarisation erzeugt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung unterhalb der Beugungsgrenze nach DE 10 2004 052 146.8-51.
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, in welchen der Ort der Fokussierung nicht durch die Geometrie der Anordnung vorbestimmt ist, sondern durch die Intensitätsverteilung des einfallenden Strahlenbündels bestimmbar ist. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine Anordnung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, in welchen es nicht erforderlich ist, die Teile der Anordnung relativ zueinander zu bewegen, um den Ort der Fokussierung zu verändern. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung der gattungsgemäßen Art zu schaffen, welche eine Fokussierung elektromagnetischer Strahlung auf eine möglichst kleine Fläche und mit möglichst hoher Energiedichte gestatten.
  • Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben mittels eines Verfahrens zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass der Evaneszenzwellenerzeuger ein nichtlineares Medium ist, das eine von der Feldstärke des elektromagnetischen Bündels abhängige nichtlineare Polarisation erzeugt, wird erreicht, dass der Ort, an dem Evaneszenzwellen erzeugt werden, nicht durch die Geometrie des Evaneszenzwellenerzeugers vorgegeben ist, sondern von der Intensitätsverteilung des einfallenden Strahlenbündels abhängt. So ist beispielsweise bei Anwendung in einem Speichergerät keine Relativbewegung zwischen dem Evaneszenzwellenerzeuger und dem Speichermedium erforderlich, da eine Fokussierung auf verschiedene Stellen des Speichermediums allein durch auf verschiedene Stellen des Evaneszenzwellenerzeugers einfallende Strahlenbündel erreicht wird. Somit kann das Speichermedium bei Verwendung des erfindungsgemäßen Fokussierungsverfahrens durch einen bewegten Rasterstrahl (oder ein bewegtes Speichermedium durch einen unbewegten Laserstrahl) untersucht oder modifiziert werden. Die bei anderen nahfeldoptischen Verfahren bestehenden Probleme der hinreichend genauen Steuerung zweier in unmittelbarer räumlicher Nähe zueinander bewegter Elemente entfallen.
  • In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass das nichtlineare Medium ein Zwei-Photonenabsorber ist. Dadurch wird erreicht, dass der für die Fokussierung erforderliche nichtlineare Effekt bereits bei einer vergleichsweise niedrigen Intensität des einfallenden Strahlenbündels eintritt.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass das nichtlineare Medium eine von der Feldstärke des elektromagnetischen Bündels abhängige nichtlineare Brechzahländerung besitzt. Dadurch wird erreicht, dass vergleichsweise geringe Verluste des zu fokussierenden Strahlenbündels auftreten.
  • Eine solche nichtlineare Brechzahländerung kann beispielsweise auf dem optischen Kerr-Effekt, auf thermischen oder molekularen Reorientierungseffekten oder auf dem photorefraktiven Effekt beruhen oder durch Verwendung von Metall-dielektrischen Schichten mit einer Bandlücke oder auch mittels Farbstoff-dotierten Flüssigkeitskristallen erzeugt werden. In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist vorgesehen, dass die nichtlineare Brechzahländerung des nichtlinearen Mediums durch einen nah-resonanten Prozess entsteht (z.B. in ZnSe), wobei die Frequenz des Bündels sich unterhalb, aber nahe des Absorptionsbandes eines Halbleiters oder eines dielektrischen Festkörpers befindet. Dadurch wird eine vergleichsweise große intensitätsabhängige Brechzahländerung bei vergleichsweise geringen Verlusten erreicht.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Anordnung;
  • 2(a) und (b) Modellierungsergebnisse für eine Anordnung gemäß 1, wobei das nichtlineare Medium eine nichtlineare Brechzahländerung besitzt und der Evaneszenzwellenverstärker ein homogenes Medium mit negativer Brechzahl ist;
  • 3(a) und (b) Modellierungsergebnisse für eine Anordnung gemäß 1, wobei das nichtlineare Medium eine nichtlineare Brechzahländerung besitzt und der Evaneszenzwellenverstärker ein photonischer Kristall ist;
  • 4 Modellierungsergebnisse für eine Anordnung gemäß 1, wobei das nichtlineare Medium ein Zwei-Photonen-Absorber und der Evaneszenzwellenverstärker ein homogenes Medium mit negativer Brechzahl ist; und
  • 5 Modellierungsergebnisse für eine Anordnung gemäß 1, wobei das nichtlineare Medium ein Zwei-Photonen-Absorber und der Evaneszenzwellenverstärker ein photonischer Kristall ist.
  • In 1 ist die erfindungsgemäße Anordnung schematisch dargestellt. Das einfallende Lichtbündel LB wird mittels einer Linse L vorfokussiert und fällt auf ein nichtlineares Medium, welches als Evaneszenzwellenerzeuger EWE zur Erzeugung von Eingangsevaneszenzfeldern dient. Die von dem Evaneszenzwellenerzeuger EWE erzeugten Evaneszenzwellen werden in unmittelbarer räumlicher Nähe ihrer Erzeugung in dem Evaneszenzwellenverstärker EWV, beispielsweise einem photonischen Kristall, verstärkt. Die Überlagerung aller Feldkomponenten (sowohl der Strahlungskomponenten als auch der verstärkten Evaneszenzkomponenten) ergibt dann direkt hinter dem Evaneszenzwellenverstärker EWV ein fokussiertes Strahlenbündel, einen Spot S, dessen Durchmesser unterhalb der Beugungsgrenze von U2 liegt.
  • In 2 sind Modellierungsergebnisse für eine Anordnung gemäß 1 dargestellt, wobei das nichtlineare Medium eine auf dem Kerr-Effekt beruhende nichtlineare Brechzahländerung besitzt und der Evaneszenzwellenverstärker ein homogenes Medium mit negativer Brechzahl ist. Der Berechnung liegen folgende Parameter zugrunde: Der Durchmesser des einfallenden Gaußschen Strahlenbündels (ohne Evaneszenzkomponenten) beträgt 1.5 λ, der Evaneszenzwellenerzeuger der Dicke 2 λ weist eine lineare Brechzahl von n0 = 3.0 und eine maximale nichtlineare Brechzahländerung von Δnmax = 0.1 auf, und der Evaneszenzwellenverstärker der Dicke 0.6 λ ist durch ε = μ = –1 – 0.0001 (i + 1) charakterisiert. 2(a) zeigt die berechneten räumlichen Fourierkomponenten des elektrischen Feldes nach dem Durchgang durch den Evaneszenzwellenerzeuger (I) sowie nach dem Durchgang durch den Evaneszenzwellenverstärker (II). Die Evaneszenzkomponenten sind dabei diejenigen Komponenten, die sich außerhalb des Kreises mit dem Radius 2π/λ um den Koordinatenursprung k = 0 befinden. Wie zu erkennen ist, weisen diese Komponenten nach dem Durchgang durch den Evaneszenzwellenerzeuger eine gegenüber dem Maximum bei k = 0 um einen Faktor in der Größenordnung von 10–3 geringere Amplitude auf und werden dann beim Durchgang durch den Evaneszenzwellenverstärker deutlich verstärkt. 2(b) zeigt die räumliche Verteilung der Energiedichte unmittelbar hinter dem Evaneszenzwellenverstärker.
  • Der Durchmesser (FWHM) des fokussierten Strahlenbündels ist infolge der unterschiedlichen Grenzbedingungen für die S- und P-Komponenten in den beiden transversalen Achsenrichtungen verschieden; er beträgt 0.22 λ in x-Richtung und 0.15 λ in y-Richtung.
  • In 3 sind Modellierungsergebnisse für eine Anordnung gemäß 1 dargestellt, wobei das nichtlineare Medium eine auf dem Kerr-Effekt beruhende nichtlineare Brechzahländerung besitzt und der Evaneszenzwellenverstärker ein durch ein fünflagiges hexagonales Gitter kreisförmiger Luftlöcher in Silizium gebildeter zweidimensionaler photonischer Kristall ist. Der Berechnung liegen folgende Parameter zugrunde: Das einfallende Strahlenbündel (ohne Evaneszenzkomponenten) weist eine Gaußverteilung mit einem Durchmesser (FWHM) von 1.5 λ auf, der Evaneszenzwellenerzeuger der Dicke 1.9 λ weist eine lineare Brechzahl von n0 = 3.0 und eine maximale Brechzahländerung von Δnmax = 0.2 auf, und die elektrische Permittivität des Evaneszenzwellenverstärkers beträgt ε = 12.5 + 0.01i. Der Photonische Kristall hat einen Abstand zwischen den Zentren der Löcher von 0.26 λ sowie einen Löcherdurchmesser von 0.229 λ. 3(a) zeigt den Betrag I und die Phase II der räumlichen Fourierkomponenten des Feldes nach dem Durchgang durch den photonischen Kristall, und 3(b) zeigt die entsprechende räumliche Intensitätsverteilung, bezogen auf die einfallende Intensität. Der Durchmesser (FWHM) des fokussierten Strahlenbündels beträgt 0.18 λ, und die maximale Intensität ist ungefähr zweimal größer als die einfallende Intensität. Im Vergleich wird bei Kombination eines sättigbaren Absorbers und eines photonischen Kristalls gemäß DE 10 2004 052 146.8–51 eine relative Intensität des fokussierten Strahlenbündels im Bereich zwischen 10–2 und 10–1 und ein etwas größerer Durchmesser erreicht.
  • Bei Verwendung nichtlinearer Medien mit nichtlinearer Brechzahländerung hängt die erforderliche Eingangsintensität entscheidend von dem nichtlinearen Brechzahlkoeffizienten n2 ab. Nichtlineare Brechzahlkoeffizienten von verschiedenen Halbleitern besitzen eine Größenordnung von n2 ~ 10–13 cm2/W. Infolge von nahresonanten Prozessen in der Nähe der Bandlücke hat z.B. ZnSe im Bereich von 445-460 nm einen Wert von 10–8 cm2/W. Metall-dielektrische Schichten mit einer Bandlücke besitzen einen komplexen nichtlinearen Brechzahlkoeffizienten mit einem Betrag |n2| 7 × 10–8 cm2/W. Extrem hohe Nichtlinearitäten können in dünnen Farbstoff-dotierten Flüssigkeitskristall-Schichten mit Parametern im Bereich n2 ~ 1–103 cm2/W erzielt werden. Bei diesen Zahlenangaben muss berücksichtigt werden, dass bei einigen Beispielen die Responsezeit Tres relativ groß ist; der effektiv wirksame nichtlineare Koeffizient bei impulsiver Anregung reduziert sich dadurch um den Faktor TL/Tres (TL ist die Impulsdauer):
    n2 eff = n2TL/Tres. Aus den gegebenen Parametern lässt sich entsprechend den oben gegebenen Ausführungsbeispielen die erforderliche Eingangsintensität für eine Superfokussierung abschätzen.
  • In 4 sind Modellierungsergebnisse für eine Anordnung gemäß 1 dargestellt, wobei das nichtlineare Medium ein Zwei-Photonen-Absorber und der Evaneszenzwellenverstärker ein homogenes Medium mit negativer Brechzahl ist. Der Berechnung liegen folgende Parameter zugrunde: Der Durchmesser des einfallenden Gaußschen Strahlenbündels (ohne Evaneszenzkomponenten) beträgt 1 λ, der Evaneszenzwellenerzeuger ist durch den dimensionslosen Parameter α0/maxL = 1 charakterisiert, und der Evaneszenzwellenverstärker der Dicke 1 λ ist durch ε = μ = –1 – 0.0001 (i + 1) charakterisiert. Der Durchmesser des fokussierten Strahlenbündels ist in dieser Anordnung mit 0.32 λ in x-Richtung und 0.2 λ in y-Richtung etwas größer als in der entsprechenden Anordnung mit einem Kerr-Medium in 2; die Anordnung mit einem Zwei-Photonen-Absorber bietet jedoch den Vorteil, dass in diesem Fall eine niedrigere Intensität des einfallenden Strahlungsbündels erforderlich ist, um die Fokussierung zu erzielen.
  • In 5 sind Modellierungsergebnisse für eine Anordnung gemäß 1 dargestellt, wobei das nichtlineare Medium ein Zwei-Photonen-Absorber und der Evaneszenzwellenverstärker ein durch ein vierlagiges Gitter von kreuzförmigen Luftlöchern in Silizium gebildeter zweidimensionaler photonischer Kristall mit einer Gitterkonstante von 0.27 λ ist. Der Berechnung liegen folgende Parameter zugrunde: Der Durchmesser des einfallenden Gaußschen Strahlenbündels (ohne Evaneszenzkomponenten) beträgt 1 λ, der Evaneszenzwellenerzeuger ist durch den dimensionslosen Parameter α0/maxL = 1.4 charakterisiert, und die elektrische Permittivität des Evaneszenzwellenverstärkers der Dicke 0.54 λ beträgt ε = 12 + 0.01i. Der Durchmesser des fokussierten Strahlenbündels ist auch in dieser Anordnung mit 0.31 λ etwas größer als in der entsprechenden Anordnung mit einem Kerr-Medium in 3; die Anordnung mit einem Zwei-Photonen-Absorber bietet jedoch den Vorteil, dass in diesem Fall eine niedrigere Intensität des einfallenden Strahlungsbündels erforderlich ist, um die Fokussierung zu erzielen.

Claims (22)

  1. Verfahren zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlenbündel unterhalb der Beugungsgrenze, mindestens umfassend die Verfahrensschritte – zunächst Fokussieren eines von einer Quelle einfallenden elektromagnetischen Strahlenbündels, – danach Erzeugen evaneszenter Wellenfelder des vorfokussierten elektromagnetischen Strahlenbündels als Eingangsevaneszenzfelder und – anschließend Verstärkung dieser Eingangsevaneszenzfelder in unmittelbarer räumlicher Nähe ihrer Erzeugung, bei dem ein Element zur Erzeugung evaneszenter Wellenfelder aus dem vorfokussierten elektromagnetischen Strahlenbündel, hier als Evaneszenzwellenerzeuger bezeichnet, verwendet wird nach DE 10 2004 052 146.8–51, dadurch gekennzeichnet, dass der Evaneszenzwellenerzeuger ein nichtlineares Medium ist, das eine von der Feldstärke des elektromagnetischen Strahlenbündels abhängige nichtlineare Polarisation erzeugt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlineare Medium ein Zwei-Photonenabsorber ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlineare Medium eine von der Feldstärke des elektromagnetischen Bündels abhängige nichtlineare Brechzahländerung besitzt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Brechzahländerung auf dem optischen Kerr-Effekt beruht.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Brechzahländerung auf dem photorefraktiven Effekt beruht.
  6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlineare Medium ein Halbleiter, eine Halbleiter-Quantum-Well-Struktur oder eine Halbleiter-Quantum-Dot-Struktur ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Brechzahländerung durch einen nah-resonanten Prozess entsteht, wobei die Frequenz des Bündels sich unterhalb, aber nahe des Absorptionsbandes eines Halbleiters oder eines dielektrischen Festkörpers befindet.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Brechzahländerung durch einen nah-resonanten Prozess in ZnSe entsteht.
  9. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Brechzahländerung auf einem thermischen Effekt beruht.
  10. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die nichtlineare Brechzahländerung eine Metall-dielektrische Schichtstruktur mit einer Bandlücke verwendet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die nichtlineare Brechzahländerung eine dünne Farbstoff-dotierte Schicht eines Flüssigkeitskristalls verwendet wird.
  12. Anordnung zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlenbündel unterhalb der Beugungsgrenze, mindestens aufweisend Mittel zur Erzeugung von evaneszenten Wellenfeldern der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlenbündel als Eingangsevaneszenzfelder – einen Evaneszenzwellenerzeuger (EWE) – und Mittel zur Verstärkung dieser Eingangsevaneszenzfelder (EWV) in unmittelbarer räumlicher Nähe ihrer Erzeugung, wobei das Mittel zur Verstärkung der Eingangsevaneszenzfelder (EWV) im Nahfeldbereich des Evaneszenzwellenerzeugers (EWE) angeordnet ist nach DE 10 2004 052 146.8–51, dadurch gekennzeichnet, dass der Evaneszenzwellenerzeuger (EWE) ein nichtlineares Medium ist, das eine von der Feldstärke des elektromagnetischen Bündels abhängige nichtlineare Polarisation erzeugt.
  13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlineare Medium ein Zwei-Photonenabsorber ist.
  14. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlineare Medium eine von der Feldstärke des elektromagnetischen Bündels abhängige nichtlineare Brechzahländerung besitzt.
  15. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Brechzahländerung auf dem optischen Kerr-Effekt beruht.
  16. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Brechzahländerung auf dem photorefraktiven Effekt beruht.
  17. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das nichtlineare Medium ein Halbleiter, eine Halbleiter-Quantum-Well-Struktur oder eine Halbleiter-Quantum-Dot-Struktur ist.
  18. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Brechzahländerung durch einen nah-resonanten Prozess entsteht, wobei die Frequenz des Bündels sich unterhalb, aber nahe des Absorptionsbandes eines Halbleiters oder eines dielektrischen Festkörpers befindet.
  19. Anordnung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Brechzahländerung durch einen nah-resonanten Prozess in ZnSe entsteht.
  20. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die nichtlineare Brechzahländerung auf einem thermischen Effekt beruht.
  21. Anordnung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die nichtlineare Brechzahländerung eine Metall-dielektrische Schichtstruktur mit einer Bandlücke verwendet wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass für die nichtlineare Brechzahländerung eine dünne Farbstoff-dotierte Schicht eines Flüssigkeitskristalls verwendet wird.
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