DE102006040057A1

DE102006040057A1 - Vorrichtung zur nanometrischen Fokussierung von Licht unter Ausnutzung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen

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Publication number: DE102006040057A1
Application number: DE102006040057A
Authority: DE
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 2006-08-26
Filing date: 2006-08-26
Publication date: 2008-02-28
Also published as: WO2008025491A1

Abstract

Optisches Abtasten von Oberflächen mit einer Auflösung besser als die durch das Beugungslimit gegebene Grenze von etwa der halben Lichtwellenlänge kann durch die Ausnutzung von optischen Nahfeldern erfolgen. Eng lokalisierte Nahfelder ergeben sich insbesondere an Metallspitzen. Diese Fokussierung von Licht beruht auf der Anregung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (OPP), d. h. von gekoppelten elektronischen/elektromagnetischen Schwingungen, die sich entlang einer Metalloberfläche ausbreiten können, wobei insbesondere die transversal magnetische OPP (TMOPP) bei Ausbreitung in Richtung Spitze eines konischen Metallkörpers sich genau dort fokussiert. Ein bisher ungelöstes Problem ist die Anregung dieser TMOPP. Die hier vorgelegte Erfindung betrifft die optimierte Anregung der TMOPP-Mode durch einen Freiraumstrahl am hinteren Ende einer konischen Metallsturktur, die zu Fokussierung von Licht am vordersten Ende der Metallspitze führt. Gleichzeitig dient die Erfindung der Verhinderung von Freiraum-Stahlungswegen zwischen dem Anregungsbereich der TMOPP-Mode und der Probe in der Umgebung der Spitze. Letzteres wird durch einen Metallschirm erreicht, in dem ein oder mehrere Schlitze eingelassen sind, durch die das Anregungslicht als OPP zu dem konischen Spitzenkörper gelangt. Anwendung der Erfindung ist die höchstaufgelöste optische Abbildung von Oberflächen in der Rasternahfeldmikroskopie, wobei die Vorrichtung als nanometrische Sonde verwendet wird. Die Sonde kann ebenso ...

Description

Problemstellung:
Abbildung und Strukturierung von Oberflächen mit einer Auflösung besser als die durch das Beugungslimit gegebene Grenze von etwa der halben Lichtwellenlänge kann durch die Ausnutzung von optischen Nahfeldern erfolgen. Solche optischen Nahfelder werden im optischen Rasternahfeldmikroskop (englisch Scanning Near-field Optical Microscope SNOM) ausgenutzt. Hier gibt es 2 Hauptrichtungen: Im aperturlosen SNOM fokussiert man Licht auf eine Metallspitze, an deren vorderster Spitze sich ein Teil des Lichtes konzentriert. Hiermit wurde bereits eine Auflösung von 10 nm erreicht. Ein Problem ist hier, dass die abzubildende oder zu strukturierende Probe von dem Anregungslicht direkt mitbeleuchtet wird, was bei der Abbildung zu einem starken Hintergrundsignal führt. Im Apertur-SNOM dagegen wird das Licht durch eine kleine Metallapertur geschickt und dadurch räumlich stark begrenzt. Anregungslicht kommt damit nicht mehr direkt in den Probenraum und führt deshalb nicht zu einem störenden Hintergrundsignal. Allerdings geht in der Apertur viel Licht verloren, wenn der Durchmesser wesentlich kleiner als die Lichtwellenlänge ist. Dies verhindert in der Praxis, eine ähnlich gute Auflösung wie mit dem aperturlosen SNOM zu erreichen.
Die Fokussierung von Licht an einer Metallspitze beruht auf der Anregung von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (OPP), d.h. von gekoppelten elektronischen/elektromagnetischen Schwingungen, die sich entlang einer Metalloberfläche ausbreiten können. Der Fokussierungseffekt ist bisher nur zum Teil verstanden und dementsprechend Gegenstand intensiver Forschung. Besonders zu nennen ist hier eine Veröffentlichung von Stockmann (2004), die zeigt, dass auf einem runden Metalldraht OPP in einer speziellen Mode laufen können, deren räumliche Ausdehnung proportional zum Drahtdurchmesser ist und sich bei Verjüngung des Drahtdurchmessers proportional verkleinert. Das führt bei einer konisch geformten Metallspitze von selbst zur gewünschten Fokussierung des Lichtfeldes an ihrem spitzen Ende. Diese sich an einer Spitze selbstkonzentrierende spezielle Mode ist im radialsymmetrischen Fall die transversale magnetische OPP-Mode und wird im Folgenden TMOPP-Mode genannt. In einer in Vorbereitung befindlichen Veröffentlichung (Issa 2006) ist die halbanalytische Berechnung des Effektes von Stockmann (2004) durch eine vollnumerische Berechnung bestätigt und erweitert worden.
Erfindung:
Die hier vorgelegte Erfindung besteht nun in der auf das eingestrahlte Licht hin optimierten Anregung der TMOPP-Mode, die zur Fokussierung von Licht am vordersten Ende (5) der Metallspitze (4) führt, bei gleichzeitiger Verhinderung von direkten Strahlungswegen zwischen dem Bereich (1), aus dem das Anregungslicht ankommt, und dem Raum (6), in dem sich die Probe befindet. Die Trennung der Räume wird durch einen Metallschirm (2, 3) erreicht, in dem ein oder mehrere Schlitze (7) eingelassen sind. Die Zeichnungen 1 bis 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung.
Jeder Schlitz koppelt Anregungslicht als OPP zu dem direkt auf die Blendenanordnung (2, 3) aufgesetzten konischen Spitzenkörper (4) im Raum (6). Allgemein liegt die Breite d der Schlitze unterhalb etwa der halben Lichtwellenlänge, um die Ausbreitung des Anregungslichts und die Propagation anderer OPP-Moden als der gewünschten TMOPP-Mode durch die Schlitze hindurch möglichst gering zu halten. Die Tiefe der Schlitze (und damit die Dicke des Metallschirms im Schlitzbereich) muss so groß sein, dass alle unerwünschten OPP-Moden genügend gedampft werden, ebenso wie das Anregungslicht selber. Dazu genügen typischerweise Tiefen von einigen Eindringtiefen (etwa 100 nm für sichtbares und infrarotes Licht).
Eine optimale Anregung der TMOPP-Mode (c) auf der Metallspitze erfolgt mit einer etwa ringförmigen Schlitzblende, in der eine radialsymmetrische OPP-Mode (b) angeregt wird. Der Durchmesser des inneren Teils der Ringblende (3) und der Durchmesser des konischen Körpers (4) am Übergangsbereich müssen identisch sein, um die Ankoppelung der OPP aus dem ringförmigen Schlitz an die TMOPP auf dem konischen Körper maximal zu halten. Die optimale Anregung der radialsymmetrischen OPP-Mode im Schlitz wiederum erfolgt durch radial polarisiertes Licht (a), das mit optischen Linsen senkrecht auf die Ringblende fokussiert wird.
In obiger Ausführung ist die Geometrie der hier beschriebenen Vorrichtung rotationssymmetrisch. Allgemein können Querschnitte durch die Vorrichtung statt kreisförmig auch elliptisch sein, oder einem regelmäßigen Vieleck entsprechen. Entsprechend ist dann die Symmetrie der Polarisation der Anregung zu wählen. Dabei muss die Symmetrie des konischen Körpers (4) nicht identisch sein mit der Symmetrie der Schlitze. Entscheidend ist eine gute Ankoppelung an die dann modifizierte TMOPP-Mode des konischen Körpers (4).
Diese Ankoppelung kann z.B. auch für linear polarisiertes Anregungslicht erreicht werden, wenn es schräg unter einem definierten Winkel auf zwei gegenüberliegende Ringschlitzsegmente geschickt wird. Dieser Winkel muss so gewählt werden, dass die Phasenlage der radialen OPP-Komponenten in den beiden Schlitzsegmenten annähernd gleich ist.
Unabhängig von der Symmetrie der Vorrichtung sind eine Reihe von Varianten für die Ausführung des Metallschirms (2, 3) mit seinen Schlitzblenden (7) und auch des konischen Körpers (4) möglich. Da die OPP auf einer metallischen Oberfläche laufen, genügt es bei der Realisierung einzelner Teile der Vorrichtung, einen dielektrischen Träger mit einer ausreichend dicken Metallschicht (mindestens etwa 20 nm) zu überziehen. Der Metallschirm muss nicht planar sein, wie auch in Zeichnungen 2 bis 5 dargestellt. Der innere Teil des Metallschirms (3) und der konische Körper (4) können aus einem einzigen Körper bestehen (wie z.B. in Zeichnung 4). Die Aperturschlitze (7) im Metallschirm können mit einem Dielektrikum gefüllt sein. Im Falle einer Ringblende kann sie in mehrere Teilsegmente unterteilt sein, wobei die Länge einzelner Segmente mindestens einige Lichtwellenlängen beträgt. Die der Achse des konischen Körpers abgewandte Seite der Schlitze im Raum (6) kann gerundet sein (Zeichnung 5), um das Abstrahlen der an dieser Seite der Schlitze laufenden OPP-Komponenten in den Raum (6) zu verringern. Die der Strahlung gegenüber stehende Metallfläche (3) kann zweckmäßigerweise insbesondere konisch ausgeformt sein, um für eine erhöhte Anregung von OPP zu sorgen (Zeichnungen 3 und 5). Denselben Zweck können auch regelmäßige, im rotationssymmetrischen Fall konzentrische Oberflächenstrukturen erfüllen. Für die Vorrichtung können durchaus verschiedene Metallsorten verwendet werden.
Abgrenzung gegenüber dem gegenwärtigen Stand der Technik:
Die Erfindung hat gewisse Ähnlichkeiten zu einem Patent von Keilmann und Guckenberger (1997), bei dem aber das Anregungslicht in einer Glasfaser geführt wird, also nicht frei eingestrahlt wird, und bei dem die Kopplung in die auf der Außenseite der Spitze geführten OPP-Mode über eine Koppelungszone erfolgt, jedoch keine Vorrichtung zur optimalen Ankoppelung der OPP und zur Unterdrückung von direkter Strahlung enthält.
Eine Koppelung über eine einzelne Apertur an eine Spitze ist in der Veröffentlichung von Frey (2004) beschrieben, jedoch ist die Geometrie stark asymmetrisch und die verwendete Apertur hat keine Ähnlichkeit mit einer ringförmigen Blendenanordnung. Zudem wird kein radial polarisiertes Anregungslicht verwendet.
Eine andere bereits veröffentlichte Technik besteht darin, Licht auf die Innenseite einer an den Seitenflächen metallisierten dielektrischen Spitze (z.B. aus Glas) zu richten, wobei das Anregungslicht durch die dünne Metallschicht von innen nach außen koppelt und an der Spitze ein lokalisiertes Lichtnahfeld erzeugt. Als Literatur hierzu sei Bouhelier (2003), Janunts (2005) und Frey (2006) genannt. Bei all diesen Veröffentlichungen fehlt jedoch jegliche Apertur.
Zitate:

Keilmann 1997: F. Keilmann und R. Guckenberger, Patentschrift DE 195 22 546 A1
Bouhelier 2003: A. Bouhelier et al; Journal of Microscopy 210, 220-224 (2003)
Stockmann 2004: M. I. Stockmann; Physical Review Letters 93, 137404 (2004)
Janunts 2005: N. A. Janunts et al; Optics Communications 253, 118-124 (2005)
Frey 2004: H. G. Frey et al; Physical Review Letters 93, 200801 (2004)
Frey 2006: H. G. Frey et al; Nanotechnology 17, 3105-3110 (2006)

Claims

Vorrichtung zur Konzentration von polarisiertem Licht auf einen Bereich wesentlich kleiner als die Lichtwellenlänge, basierend auf der Anregung, Propagation und Selbstkonzentration von Oberflächen-Plasmon-Polaritonen (OPP) auf geeignet geformten Metalloberflächen insbesondere in der Form einer konischen Fläche (die Außenseite eines konischen Körpers (4)) mit einer scharfen Spitze (5) (Zeichnungen 1 bis 5), – dadurch gekennzeichnet, dass der konische Körper (4) auf einen Metallschirm (2, 3) aufgesetzt ist, wobei Schlitze (7) in dem Metallschirm die Anregung der selbstkonzentrierenden OPP-Mode durch die Lichtbestrahlung im Raum (1) unterstützen und diese Mode zum konischen Körper (4) koppeln, dabei aber die direkte Transmission des Anregungslichts in den Raum (6) und die Ausbildung anderer, nicht zu einer Lichtkonzentration an der Spitze (5) führenden OPP-Moden im Raum (6) minimieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der innerhalb der Schlitze liegende Teil des Metallschirms (3) und der konusförmige Körper (4) ein einziger Körper sind (Zeichnung 4).
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, wobei die Oberfläche des Metallschirms im Raum (1) besonders geformt ist, um eine erhöhte Anregung von OPP in den Schlitzen durch das eingestrahlte Licht zu erreichen, insbesondere in Form eines der Beleuchtung zugewandten Konus auf dem inneren Teil (3) des Metallschirms (Zeichnungen 3 und 5).
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Schlitze (7) des Metallschirms voll oder teilweise mit einem Dielektrikum gefüllt sind.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 4, wobei der äußere Teil der Schlitze (7) im Raum (6) gerundet ist (Zeichnung 5).
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 5, wobei der Metallschirm (2, 3) oder Teile von ihm und/oder die konische Spitze (4) aus einem Dielektrikum bestehen, das auf der Außenseite mit einem Metallfilm überzogen ist.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, wobei verschiedene Metalle verwendet werden.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, wobei der Metallschirm (2, 3) und der konische Körper (4) jeder für sich eine zweifache oder höhere Symmetrie zur Achse des konischen Körpers (4) aufweisen.
Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8, wobei die Anordnung rotationssymmetrisch ist, mit einem einzigen ringförmigen Schlitz, und mit radial polarisiertem Licht senkrecht bestrahlt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der ringförmige Schlitz in mehrere Segmente aufgeteilt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, bei der linear polarisiertes Licht zur Anregung benutzt wird, das aus dem Raum (1) unter einem definierten Winkel schräg in zwei gegenüber liegende Schlitzsegmente im Metallschirm eingestrahlt wird, so dass die radialen Komponenten der OPP in den beiden Segmenten eine nahezu identische Phasenlage haben, wodurch dann auf dem konischen Körper (4) die sich an der Spitze (5) selbstkonzentrierende OPP-Mode anregt wird.