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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Untersuchungseinheit für
ein optisches Mikroskop zur Durchführung von nahfeldoptischer
Mikroskopie, sowie ein Nahfeldmikroskop und ein Verfahren zum Ausrichten
eines Strahlengangs von Licht, das in einem Nahfeldmikroskop zur
Anwendung kommen kann.
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Die
Auflösung von herkömmlichen optischen Mikroskopen
ist durch die Wellenlänge des verwendeten Lichts begrenzt
Die klassische Beugungsgrenze von herkömmlichen Mikroskopen
kann durch Verwendung von scannender nahfeldoptischer Mikroskopie
(SNOM) unterschritten werden. Dabei wird an der Spitze einer Sonde
ein Nahfeld ausgebildet, das in die Nähe einer zu untersuchenden
Probe gebracht wird. Anschließend wird Licht ausgewertet,
das von einem unter der Spitze liegenden Teil der Probe gestreut
oder emittiert wurde. Die Auflösung ist damit im Wesentlichen
durch die Größe der Spitze der Sonde bestimmt.
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Ein
optisches Nahfeldmikroskop kann als Sonde eine Glasfaser mit einer
Apertur verwenden, die das anregende bzw. detektiertes Licht lateral
beschränkt. Weiterhin können aperturlose nahfeldoptische
Sonden zum Einsatz kommen Ein optisches Nahfeld wird bei diesen
Sonden dadurch erzeugt, dass Licht, das der Anregung dient, durch
eine Optik auf eine mikroskopische Spitze der Sonde fokussiert wird.
Die mikroskopische Spitze befindet sich also im Brennpunkt eines
Anregungsstrahlengangs. In der Spitze, die vorzugsweise aus Metall
besteht, werden dabei Plasmonen angeregt, die eine Verstärkung
des elektromagnetischen Felds in unmittelbarer Nähe der Probenspitze
bewirken. Das im Bereich der Spitze konzentrierte Licht wechselwirkt
mit der Probe und erzeugt ein Antwortsignal. Verschiedene Streumechanismen
können dabei an der Probenoberfläche auftreten,
wie beispielsweise Raman-Streuung, Fluoreszenz und Phosphoreszenz
sowie durch Absorption beeinflusste elastische Streuung Im Nahfeld
der Spitze wird weiterhin gestreutes Licht effizienter aus der Probenregion
emittiert Eine ortsaufgelöste Abbildung der Probe wird
durch Rastern der Nahfeldsonde über die Probenoberfläche
erreicht, wobei dabei eine Abstandsregelung zum Einsatz kommt, die
den Abstand zwischen Probe und Sonde konstant hält.
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Es
können somit sowohl topographische Daten der Probenoberfläche
erfasst werden als auch die Intensität und das Spektrum
des an den Rasterpunkten von der Probe gestreuten Lichts ausgewertet werden.
Beispielsweise mit Raman-Rasternahfeldmikroskopie können
sowohl topologische Informationen als auch eine ortsaufgelöste
chemische Analyse einer Probe erhalten werden.
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Bei
der optischen Anregung einer aperturlosen Sonde soll das Anregungsvolumen
des eingestrahlten Lichts möglichst klein gehalten werden,
um Hintergrundstreuung zu vermeiden. Gleichzeitig sollte ein möglichst
großer Anteil des gestreuten Lichts eingesammelt werden.
Die Beleuchtung der Sonde kann beispielsweise mit einem invertierten
Mikroskop verwirklicht werden, wobei ein hochaperturiges Objektiv
mit Immersionsflüssigkeit verwendet wird. Ebenfalls kann
ein Auflichtmikroskop verwendet werden, wobei dadurch die Möglichkeit
eröffnet wird, nicht transparente Proben zu untersuchen.
Bei herkömmlichen System wird dabei eine Nahfeldsonde zwischen
dem Objektiv und der Probe gehaltert. Ebenfalls sind Systeme bekannt,
bei welchen das Objektiv zur Beleuchtung der Sonde seitlich angebracht
ist. Jedoch besteht bei diesen Systemen die Schwierigkeit, die Nahfeldsonde
stabil im Fokus des Anregungsstrahlengangs zu halten. Bei herkömmlichen
Systemen mit einem am Stativ eines Mikroskops befestigten Objektiv
und einer separaten Nahfeldsonde besteht jedoch das Problem, dass
die relative Positionierung von der Optik zur Fokussierung des Anregungslichts
und der Nahfeldsonde den Einflüssen von mechanischen Schwingungen
sowie thermischen Einflüssen unterliegt. Somit wird nur eine
unzureichende Anregung der Sondenspitze sowie eine Reduzierung der
Auflösung verursacht.
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Zur
Umgehung dieses Problems ist dabei beispielsweise aus der Druckschrift
DE 199 02 234 eine Vorrichtung
bekannt, bei der eine Nahfeldsonde in die Halterung eines konventionellen
Mikroskopobjektivs integriert ist. Die aperturbasierte Nahfeldsonde
ist dabei stationär und beleuchtet eine Probe, wobei an
der Probe gestreutes Licht mit einem darunterliegenden Objektiv
eines invertierten Mikroskops gesammelt wird. Zum Abrastern der
Probe wird die Probe mit einem Scantisch verfahren.
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Weiterhin
ist aus der
DE 198 41 931 eine Vorrichtung
bekannt, bei welcher eine Nahfeldsonde in eine Zentralbohrung in
einem Kondensor eines Mikroskops eingesetzt ist. Eine durch den
Kondensor beleuchtete Probe wird dabei durch ein unterhalb der Probe
angeordnetes Objektiv beobachtet
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Ein
Problem bei diesen Vorrichtungen ist es jedoch, dass die relative
Positionierung von Sonde und Probentisch äußeren
Einflüssen, wie beispielsweise Vibrationen oder thermischen
Effekten, unterliegt, und dadurch Messungen beeinträchtigt
werden können. Beispielsweise sind für eine Aufnahme
von rauscharmen Raman-Spektren Integrationszeiten von mehreren Sekunden
bis Minuten notwendig. Dabei kann es in den vorab genannten Systemen
zu einem Drift zwischen Sonde und Probe in lateraler oder axialer
Richtung kommen, wodurch die Qualität einer solchen Aufnahme
stark beeinträchtigt wird. Insbesondere bei aperturlosen
Nahfeldsonden sind die Anforderungen an die Stabilität
der relativen Positionierung von Probentisch, Nahfeldsonde und Beleuchtungsoptik
sehr hoch, da hier die optische Anregung idealerweise beugungsbegrenzt
ist und dadurch die Sonde auf wenige 10 Nanometer genau im Fokus
der Anregungsoptik bleiben sollte.
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Weiterhin
besteht das Problem, dass ein Objektiv zur Fokussierung des Anregungslichts
nur dann eine optimale Leistung erbringt, wenn das Anregungslicht
mit seiner Strahlachse parallel zur optischen Achse des Objektivs
eingekoppelt wird. Bereits kleinere Verkippungen können
die Fokuseigenschaften des fokussierten Anregungslichts bereits deutlich
verschlechtern. Eine derartige Verkippung kann auch während
einer Messung auftreten, wodurch wiederum eine Qualitätsverschlechterung
der aufgenommenen Daten eintritt.
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Es
ist somit wünschenswert, dass die Probe relativ zur Nahfeldsonde
und zum Anregungsfokus ortsfest bleibt und weder in lateraler noch
axialer Richtung driftet. Für hochqualitative Untersuchungen sollte
damit ein thermischer, mechanischer oder anderweitig verursachter
Drift sowie mechanische Vibrationen, die eine relative Positionierung
von Fokus, Spitze und Probe beeinflussen, minimiert werden. Auch
ist es wünschenswert, dass sich ein Aufbau zur Durchführung
von nahfeldoptischer Mikroskopie einfach und ohne großen
Aufwand in ein konventionelles Mikroskop, beispielsweise ein Auflichtmikroskop, integrieren
lässt, und eine optische Ankopplung an vorhandene Lichtquellen
und Detektionseinheiten ermöglicht wird. Dabei sollte eine
effiziente optische Ankopplung gewährleistet werden.
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Somit
ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte
Vorrichtung zur Durchführung von nahfeldoptischer Mikroskopie
sowie ein Verfahren, mit welchem eine optische Ankopplung verbessert
und vereinfacht werden kann, bereitzustellen Diese Aufgabe wird
mit Hilfe der Merkmale der unabhängigen Ansprüche
gelöst. In den abhängigen Ansprüchen
sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Untersuchungseinheit
für ein optisches Mikroskop zur Durchführung von
nahfeldoptischer Mikroskopie bereitgestellt. Die Untersuchungseinheit
umfasst eine Nahfeldsonde, die bei Beleuchtung mit Anregungslicht
ein optisches Nahfeld zur Untersuchung einer Probe erzeugt. Weiterhin ist
eine Fokussieroptik vorgesehen, die ausgestaltet ist, um Anregungslicht,
das von dem optischen Mikroskop ausgegeben wird, zum Beleuchten
der Nahfeldsonde zu fokussieren. Weiterhin umfasst die Untersuchungseinheit
einen Probenhalter, der zum Halten der Probe, die mit der Nahfeldsonde
untersucht werden soll, ausgestaltet ist, sowie eine Halterungsvorrichtung,
wobei die Nahfeldsonde, die Fokussieroptik und der Probenhalter
an der Halterungsvorrichtung angebracht sind.
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Eine
derartige Untersuchungseinheit stellt eine kompakte Einheit bereit,
die einfach in ein bestehendes Mikroskop, wie beispielsweise ein
aufrechtes oder ein invertiertes Mikroskop, integriert werden kann.
Weiterhin sind Nahfeldsonde, Fokussieroptik und Probenhalter über
eine Halterungsvorrichtung verbunden, wodurch eine Stabilisierung
der relativen Positionierung zwischen Probe, Nahfeldsonde und Anregungsfokus
erreicht werden kann. Insbesondere können dadurch die Einflüsse
von thermisch oder mechanisch verursachtem Drift sowie Einflüsse
von mechanischen Vibrationen verringert werden. Damit kann zum einen
sichergestellt werden, dass die Nahfeldsonde stabil im Fokus des
von der Fokussieroptik fokussierten Anregungslichts bleibt, und
zum anderen, dass die Probe während einer Aufnahme ortsfest im
Bezug auf Fokus und Nahfeldsonde bleibt. Da die Fokussieroptik in
der Untersuchungseinheit umfasst ist, ist es weiterhin nicht notwendig,
das optische Mikroskop mit speziell für Nahfelduntersuchungen
ausgestalteten Objektiven auszustatten. Damit können zum
einen Bauraumbeschränkungen umgangen werden, andererseits
sind der Gestaltung der Fokussieroptik somit keine engen Grenzen
gesetzt.
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Gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die
Untersuchungseinheit des Weiteren eine Befestigungsvorrichtung,
mit der die Untersuchungseinheit an dem optischen Mikroskop befestigbar
ist. Die Befestigungsvorrichtung umfasst dabei Mittel zum mechanischen
Entkoppeln von Bewegungen des Mikroskops von Bewegungen der Untersuchungseinheit.
Somit kann eine Übertragung von Vibrationen von dem Mikroskop
auf die Untersuchungseinheit verringert werden Somit können
thermische und mechanische Störungen weitestgehend minimiert
werden Insbesondere kann aufgrund der mechanischen Entkopplung sichergestellt
werden, dass auch über einen längeren Beobachtungszeitraum
die Nahfeldsonde, der Fokus und die Probe ortsfest zueinander bleiben,
wodurch sich eine hohe Auflösung erzielen lässt.
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Beispielsweise
können die Mittel zum mechanischen Entkoppeln Federn umfassen,
die zur Reduzierung einer Schwingungskopplung zwischen der Untersuchungseinheit
und dem optischen Mikroskop ausgestaltet sind. Somit kann eine Übertragung von
Vibrationen auf die Untersuchungseinheit verringert werden. Die
Mittel zum mechanischen Entkoppeln können auch passiv und/oder
aktiv dämpfende Elemente umfassen, die zur Dämpfung
einer Schwingungskopplung zwischen der Untersuchungseinheit und
dem optischen Mikroskop ausgestaltet sind. Als passive Elemente
können beispielsweise magnetische Dämpfer und
als aktive Elemente Piezoelemente zum Einsatz kommen. Somit kann
eine mechanische Entkopplung verbessert werden.
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Die
Fokussieroptik ist vorzugsweise ortsfest mit der Halterungsvorrichtung
verbunden. Gemäß einer Ausführungsform
umfasst die Fokussieroptik einen Spiegel zum Fokussieren des Anregungslichts. Mit
einem Spiegel lassen sich hohe numerische Aperturen realisieren,
und es kann von der Probe gestreutes Licht effizient gesammelt werden
Gemäß einer Ausführungsform ist der Spiegel
ein konkaver Spiegel mit einem Brennpunkt, der eine erste Öffnung
aufweist, die einer Richtung zugewandt ist, aus der bei einem Betrieb
des Mikroskops Anregungslicht einfällt. Der Spiegel weist
des Weiteren eine kleinere zweite Öffnung auf, die der
ersten Öffnung gegenüberliegt, wobei der Brennpunkt
des Spiegels aus Sicht von einfallendem Anregungslicht hinter der zweiten Öffnung
liegt oder in einer von der zweiten Öffnung definierten
Ebene liegt. Ein derart ausgestalteter Spiegel kann eine hohe Effizienz
bei Beleuchtung der Sonde und bei einem Sammeln von gestreutem Licht
bereitstellen. Beispielsweise ist der Spiegel ein Parabolspiegel,
ein Ellipsoidspiegel oder ein Hyperbolspiegel. Auch ist mit einer
derartigen Ausgestaltung der Fokussieroptik eine Untersuchung von nicht
transparenten Proben möglich, da der Brennpunkt des Spiegels
hinter dem Spiegel liegt, und somit das Anregungslicht die Probe
nicht durchqueren muss. Die Spitze der Nahfeldsonde kann beispielsweise
durch die zweite Öffnung hindurch im Brennpunkt des Spiegels
positioniert werden.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform umfasst die Fokussieroptik ein
Objektiv mit einer numerischen Apertur von mindestens 0,8.
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Die
Untersuchungseinheit kann des Weiteren ein optisches Element zur
Strahlaufweitung umfassen, das an der Halterungsvorrichtung befestigt
ist und derart angeordnet ist, dass ein Strahldurchmesser des Anregungslichts
von dem optischen Element aufgeweitet wird, bevor das Anregungslicht
auf die Fokussieroptik fällt. Damit kann sichergestellt
werden, dass die numerische Apertur, die die Fokussieroptik zur
Verfügung stellt, vollständig ausgenutzt wird.
Dies ist insbesondere bei einer Verwendung der Untersuchungseinheit
in einem optischen Mikroskop vorteilhaft, bei welchem der Strahldurchmesser
des ausgegebenen Anregungslichts bauartbedingt begrenzt ist.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform weist die Untersuchungseinheit
des Weiteren einen ringförmigen ebenen Referenzspiegel
auf, der um einen äußeren Rand der Fokussieroptik
derart angeordnet ist, dass eine reflektierende Oberfläche
des Referenzspiegels senkrecht zu einer optischen Achse der Fokussieroptik
ist. Damit kann ein Ausrichten eines Strahlengangs des Anregungslichts
auf die optische Achse der Fokussieroptik ermöglicht werden Insbesondere
wird durch eine Beobachtung der Reflektion am Referenzspiegel und
an einer Probe ein Einstellen der Strahlachse des Anregungslichts
parallel zu der optischen Achse ermöglicht.
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Die
Nahfeldsonde kann beispielsweise eine aperturlose Nahfeldsonde sein,
die zur Erzeugung von oberflächenverstärkter Raman-Streuung
ausgestaltet ist. Insbesondere kann die Nahfeldsonde so ausgestaltet
sein, dass das Anregungslicht Plasmonen auf der Oberfläche
der Nahfeldsonde anregt, wodurch das elektromagnetische Feld im
Nahfeldbereich der Sonde verstärkt wird.
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Zur
Abstandskontrolle zwischen Nahfeldsonde und Probe kann die Untersuchungseinheit
des Weiteren einen Stimmgabelsensor umfassen, an dem die Nahfeldsonde
angebracht ist. Auch können Nahfeldsonde und Stimmgabelsensor
als ein integrales Bauteil ausgebildet sein. Mit einer derartigen
Anordnung können sehr hohe räumliche Auflösungen erzielt
werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Nahfeldsonde
an der Halterungsvorrichtung und/oder an der Fokussieroptik befestigt
und durch Piezoelemente relativ zu der Fokussieroptik verfahrbar.
Somit kann eine exakte Ausrichtung der Nahfeldsonde auf den Fokus
der Fokussieroptik durchgeführt werden. Zur Befestigung
kann beispielsweise ein Drei- oder Vierbein verwendet werden.
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Vorzugsweise
ist der Probenhalter an der Halterungsvorrichtung durch Piezoelemente
verfahrbar befestigt. Somit kann eine Probe zum Abrastern verfahren
werden, während die Nahfeldsonde stationär gehalten
wird. Die Spitze der Nahfeldsonde kann dabei während eines
Abrasterns der Probe im Fokus der Fokussierungsoptik gehalten werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform umfasst die Untersuchungseinheit
weiterhin eine Beobachtungsoptik, die an der Halterungsvorrichtung
angebracht ist und die für eine Beobachtung der Probe und/oder
der Nahfeldsonde ausgestaltet ist. Somit lassen sich die Strahlengänge
für Anregungslicht und für das Licht zur Beobachtung
der Probe trennen. Die Beleuchtung einer Probe kann ähnlich
wie bei einer Auflichtmikroskopie über die Beobachtungsoptik
erfolgen. Beispielsweise kann auch die Nahfeldsonde an der Beobachtungsoptik
befestigt werden. Vorzugsweise ist die Beobachtungsoptik an der
Halterungsvorrichtung befestigt und durch Piezoelemente relativ
zu der Fokussieroptik verfahrbar. Die Befestigung kann wiederum
durch ein Drei- oder Vierbein erfolgen. Wenn die Nahfeldsonde an
der Beoachtungsoptik befestigt ist, kann somit eine genaue Positionierung
der Nahfeldsonde im Fokus der Fokussieroptik erreicht werden.
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Die
Beobachtungsoptik kann zum Sammeln von Anregungslicht, das bei einer
Untersuchung der Probe von dieser gestreut wird, ausgestaltet sein. Auch
kann die Fokussieroptik zum Sammeln von Anregungslicht, das bei
einer Untersuchung der Probe von dieser gestreut wird, ausgestaltet
sein. Somit kann gestreutes Licht entweder von der Beobachtungsoptik,
oder von der Fokussieroptik oder von beiden gesammelt werden.
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Vorzugsweise
ist die Fokussieroptik ausgestaltet, um das Anregungslicht im Wesentlich
kollimiert von dem optischen Mikroskop zu empfangen und um von der
Probe gestreutes Licht als einen im Wesentlichen kollimierten Strahl
auszugeben. Durch Verwenden einer derartig ausgestalteten Fokussieroptik
in Kombination mit einer kollimierten Beleuchtung kann eine Unempfindlichkeit
des Aufbaus gegenüber lateralen und axialen Verschiebungen
erreicht werden. Insbesondere bei Verwendung eines Anregungsstrahls
mit einem Durchmesser von einem oder mehreren Zentimetern führt
somit eine Verschiebung, die durch Vibrationen des Mikroskops hergerufen
werden kann, zu keiner wesentlichen Verschlechterung des Fokus des
Anregungslichts. Dies ist insbesondere bei Verwendung eines Parabolspiegels
als Fokussieroptik vorteilhaft. Bei Verwendung eines Ellipsoid-
oder Hyperbolspiegels kann das Anregungslicht auch nicht kollimiert
empfangen werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform umfasst die Untersuchungseinheit
des Weiteren eine akustische Abschirmung, die zum Bereitstellen
einer passiven und/oder aktiven Schalldämmung ausgestaltet
ist. Somit können akustische als auch thermische Störungen
minimiert werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform
umfasst mindestens eine Komponente der Untersuchungseinheit eine
Eisen-Nickel-Legierung oder eine Glaskeramik, um eine thermische
Ausdehnung der Komponente zu minimieren. Ein thermischer Drift der Positionen
von Nahfeldsondenspitze, Fokus und Probe kann somit minimiert oder
sogar verhindert werden.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Nahfeldmikroskop
bereitgestellt, das ein Mikroskopstativ zur Aufnahme von optischen
Elementen, und eine Lichtquelle, die an dem Mikroskopstativ angebracht
ist, und die zum Erzeugen von Anregungslicht ausgestaltet ist, umfasst. Des
Weiteren umfasst das Nahfeldmikroskop eine der vorab beschriebenen
Untersuchungseinheiten Die Untersuchungseinheit ist an dem Mikroskopstativ angebracht
und das Nahfeldmikroskop ist derart ausgestaltet, dass die Untersuchungseinheit
bei einem Durchführen von nahfeldoptischer Mikroskopie
mit dem Anregungslicht beleuchtet wird. Dies kann beispielsweise
durch an dem Mikroskopstativ angebrachte optische Elemente erreicht
werden. Ein derartiges Nahfeldmikroskop ist kostengünstig,
da ein herkömmliches Mikroskopstativ verwendet werden kann.
Weiterhin lässt sich mit einem solchen Nahfeldmikroskop
durch Verwenden der Untersuchungseinheit eine hohe räumliche
Auflösung erzielen, da die Positionen der Nahfeldsonde,
des Fokus der Fokussieroptik und der Probe relativ zueinander konstant gehalten
werden können.
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Gemäß einer
Ausführungsform umfasst das Nahfeldmikroskop Mittel zum
mechanischen Entkoppeln, die derart zwischen Mikroskopstativ und
Untersuchungseinheit angeordnet sind, dass Bewegungen des Mikroskopstativs
und Bewegungen der Untersuchungseinheit mechanisch entkoppelt werden.
Mit einer derartigen Befestigung der Untersuchungseinheit an dem
Mikroskopstativ kann eine Übertragung von Schwingungen
und Vibrationen minimiert werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform umfasst das Nahfeldmikroskop mindestens
ein optisches Element, das an dem Mikroskopstativ befestigt ist,
wobei das optische Element ausgestaltet ist, um Anregungslicht mit
mittels des optischen Elements einstellbaren Ablenkwinkel abzulenken,
so dass der Winkel, unter dem Anregungslicht auf die Untersuchungseinheit
trifft, einstellbar ist. Das optische Element kann beispielsweise
ein Spiegel sein, der über Piezoelemente verstellbar ist,
wodurch der Ablenkwinkel durch Ansteuerung der Piezoelemente automatisch
eingestellt werden kann. Somit wird eine schnelle automatische Einstellung
des Ablenkwinkels des Anregungslichts ermöglicht.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform umfasst die Untersuchungseinheit
einen ringförmigen ebenen Referenzspiegel, wobei das Nahfeldmikroskop
des Weiteren einen optischen Sensor umfasst, der ausgestaltet ist,
um für ein Ausrichten eines Strahlengangs des Anregungslichts
von der Probe reflektiertes Anregungslicht und von dem Referenzspiegel
reflektiertes Anregungslicht zu detektieren. Eine derartige Anordnung
kann ein automatisiertes Einstellen des Strahlengangs des Anregungslichts ermöglichen.
Insbesondere kann des Weiteren eine Regeleinheit vorgesehen sein,
die ausgestaltet ist, um während eines Durchführens
einer Untersuchung einer Probe auf Grundlage eines von dem optischen Sensor
erzeugten Signals das optische Element zum Einstellen des Ablenkwinkels
des Anregungslichts anzusteuern Dabei wird vorzugsweise der Strahlengang
des Anregungslichts auf die optische Achse der Fokussieroptik eingestellt.
Somit kann der Strahlengang des Anregungslichts während
einer Messung nachgeregelt werden, so dass eine optimale Beleuchtung
der Nahfeldsonde erreicht werden kann. Ein Verkippen zwischen Strahlengang
des Anregungslichts und der optischen Achse der Fokussieroptik,
beispielsweise durch ein Verkippen der Untersuchungseinheit relativ
zu dem Mikroskopstativ, kann somit fortlaufend korrigiert werden.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform ist die Lichtquelle ein Laser,
wobei des Weiteren mindestens ein optisches Element an dem Mikroskopstativ
vorgesehen ist, das zum radialen Polarisieren von Anregungslicht,
das der Laser emittiert, ausgestaltet ist. Mit radialem Anregungslicht
lässt sich die Größe des fokalen Flecks,
der nach Fokussierung der Anregungslichts mit der Fokussieroptik
entsteht, wesentlich verringern. Somit kann das System eine höhere
räumliche Auflösung erzielen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Nahfeldmikroskop
ein invertiertes Mikroskop, und die Fokussieroptik ist ein Immersionsobjektiv.
Mit einem derartigen Objektiv lassen sich hohe numerische Aperturen
realisieren.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum
Ausrichten eines Strahlengangs von Licht, das von einer Lichtquelle
emittiert wird, auf eine optische Achse eines Fokussierelements,
das einen ebenen Referenzspiegel umfasst, der im Wesentlichen senkrecht
zu der optischen Achse angeordnet ist, wobei das Licht mittels eines
optischen Elements mit einstellbarem Ablenkwinkel in Richtung des
Fokussierelements abgelenkt wird, bereitgestellt. Gemäß dem
Verfahren erfolgt ein Beleuchten eines hinter dem Fokussierelement
angeordneten Objekts durch das Fokussierelement und ein Beleuchten
des Referenzspiegels mit von der Lichtquelle emittiertem Licht,
ein Detektieren von an dem Objekt und an dem Referenzspiegel reflektiertem
Licht mit einem optischen Sensor, der ein entsprechendes Signal
liefert, ein Analysieren des von dem optischen Sensor gelieferten
Signals und ein Einstellen des Ablenkwinkels des Lichts mit dem optischen
Element auf Grundlage der Analyse des Signals, wobei das Einstellen
derart erfolgt, dass der Strahlengang des Lichts auf die optische
Achse des Fokussierelements ausgerichtet wird.
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Das
Einstellen des Ablenkwinkels erfolgt vorzugsweise automatisch mittels
einer Steuer- oder Regeleinheit. Somit wird sowohl eine anfängliche
automatische Justage des Strahlengangs des Anregungslichts ermöglicht
sowie eine Nachregelung des Strahlengangs auf Grundlage des von
dem optischen Sensor gelieferten Signals.
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Gemäß einer
Ausführungsform ist der optische Sensor ein Bildsensor,
der ein Abbild der Reflektion an dem Objekt als einen ersten Punkt
und ein Abbild der Reflektion an dem Referenzspiegel als einen zweiten
Punkt detektiert und ein entsprechendes Bildsignal liefert. Die
Analyse umfasst eine Bildanalyse des Bildsignals, und das Einstellen
des Ablenkwinkels wird derart durchgeführt, dass der erste Punkt
und der zweite Punkt aufeinander zu liegen kommen. Kommen die Punkte
aufeinander zu liegen, ist beispielsweise der Strahlengang des Lichts
auf die optische Achse des Fokussierelements ausgerichtet. Eine
entsprechende Bildanalyse lässt sich schnell und effizient
durchführen, und somit lässt sich ein Regelsignal
zum Einstellen oder Nachstellen des optischen Elements erzeugen.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform des Verfahrens sind die Lichtquelle
und das optische Element Teil eines optischen Mikroskops, wobei
das Fokussierelement die Fokussieroptik einer der vorab genannten
Untersuchungseinheiten ist, die an dem optischen Mikroskop angebracht
ist, und wobei das Licht Anregungslicht zum Beleuchten der Nahfeldsonde
der Untersuchungseinheit ist. Das Verfahren kann somit mit einem
der vorab genannten Mikroskopsysteme durchgeführt werden.
Insbesondere ist das Verfahren für eine Justage des Strahlengangs
des Anregungslichts auf die optische Achse der Fokussieroptik der
Untersuchungseinheit vorteilhaft.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren des Weiteren
die Schritte: Positionieren der Nahfeldsonde im Fokus der Fokussieroptik
nach Ausrichten des Strahlengangs; Durchführen einer nahfeldoptischen
Messung; und Nachregeln des Ablenkwinkels während der Messung
auf Grundlage des von dem optischen Sensor gelieferten Signals zum
Ausrichten des Strahlengangs des Anregungslichts auf die optische
Achse der Fokussieroptik. Somit lassen sich während der
Messung auftretende Verkippungen zwischen Strahlengang und optischer
Achse kompensieren.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform des Verfahrens ist der optische
Sensor ein Bildsensor, und das Verfahren umfasst des Weiteren die
Schritte Detektieren mit dem Bildsensor ein Abbild der Reflektion
an dem Objekt als einen Punkt; und automatisches Positionieren des
Objekts im Brennpunkt des Fokussierelements durch relatives Verfahren
von Objekt und Fokussierelement, bis der detektierte Punkt eine
minimale Größe erreicht.
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Zur
Detektion der minimalen Größe können beispielsweise
Bildverarbeitungsalgorithmen zum Einsatz kommen, auf Grundlage derer
ein Steuersignal für eine Vorrichtung zum Verfahren des
Objekts generiert wird. Somit kann eine Art Autofokus realisiert
werden, und die Probe kann automatisch in axialer Richtung positioniert
werden. Vorzugsweise wird vor dem Detektieren des Punkts der Referenzspiegel abgeschattet,
und nach erfolgter Positionierung wieder beleuchtet.
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Merkmale
der vorstehend und nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können kombiniert werden. Insbesondere können
sie nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in
anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet
werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen
gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente
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1 zeigt
schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Nahfeldmikroskops, mit einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Untersuchungseinheit.
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2 zeigt
schematisch eine vergrößerte Abbildung eines Bereichs
von 1, die den Strahlengang von Anregungslicht veranschaulicht.
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3 zeigt
ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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4 ist
ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des Schritts 310 von 3 veranschaulicht
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5 ist
ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des Schrittes 320 von 3 veranschaulicht.
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6 ist
ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform des Schritts 330 von 3 veranschaulicht
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7 zeigt
ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
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8a und 8b zeigen
eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Untersuchungseinheit zur Durchführung von nahfeldoptischer
Mikroskopie.
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9 zeigt
schematisch eine mögliche optische Ankopplung der Untersuchungseinheit
aus 8 an ein Mikroskop.
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10 zeigt
schematisch eine mögliche optische Ankopplung der Untersuchungseinheit
aus 8 an ein optisches Mikroskop.
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11 zeigt
schematisch einen Strahlengang in einem optischen Mikroskop, das
eine Untersuchungseinheit wie in 8 gezeigt
verwendet.
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12 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Untersuchungseinheit zur Durchführung von nahfeldoptischer
Mikroskopie.
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13 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Nahfeldmikroskops, das als invertiertes Mikroskop ausgestaltet ist.
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In 1 ist
ein Nahfeldmikroskop 100 schematisch dargestellt. Das Nahfeldmikroskop 100 umfasst
ein Mikroskoptstativ 105, an welches eine Untersuchungseinheit 101 gekoppelt
ist. An dem Mikroskopstativ 105 sind die Lichtquelle 106 sowie
optische Komponenten zur Strahlführung und Strahlformung
(Beam Forming) befestigt als auch Elemente zur Detektion von an
einer Probe gestreutem Licht. Die Untersuchungseinheit 101,
die auch als Nahfeldbox bezeichnet werden kann, enthält
die für eine Nahfelduntersuchung notwendigen Komponenten Dies
sind unter anderem die Fokussieroptik 104, die als ein
Parabolspiegel ausgebildet ist, sowie die Nahfeldsonde 102 und
der Probenhalter 103. Fokussieroptik, Nahfeldsonde und
Probenhalter sind an einer Halterungsvorrichtung 124 angebracht.
Weiterhin weist die Untersuchungseinheit 101 einen ringförmigen
Spiegel 109 (Referenzspiegel) auf. Der Reflex von diesem
Spiegel wird verwendet, um die Achse der Fokussieroptik 104 und
den einfallenden Strahl zueinander zu justieren. Zu diesem Zweck
steht der Referenzspiegel 109 senkrecht auf der optischen Achse
der Fokussieroptik 104 Bei einer anderen Ausführungsform
kann der Referenzspiegel 109 auch aus mehreren nicht parallelen
Planflächen bestehen. Die Oberfläche einer auf
Probenhalter 103 montierten Probe steht in der Regel ebenfalls
im Wesentlichen senkrecht zur optischen Achse der Fokussieroptik 104 Bei
der vorliegenden Ausführungsform wird die Fokussieroptik 104 sowohl
zum Fokussieren des von Lichtquelle 106 ausgegebenen Anregungslichts auf
die Spitze der Nahfeldsonde 102 als auch zum Sammeln des
von der Probe gestreuten Lichts verwendet. Da sowohl Sonde 102,
Fokussieroptik 104 und Probenhalter 103 in der
Nahfeldbox 101 integriert sind, wird eine hohe Stabilität
der relativen Positionierung dieser Elemente erreicht. Zur Positionierung
einer Probe ist Probenhalter 103 über Piezoelemente
vorzugsweise in drei Raumrichtungen verfahrbar. Weiterhin können
Aktuatoren zum Verkippen des Probenhalters um drei räumliche
Achsen vorgesehen werden, mit denen sich die Probenoberfläche
senkrecht zur optischen Achse der Fokussieroptik ausrichten lässt.
Sonde 102 ist beispielsweise an einem Drei- oder Vierbein
aufgehängt, und ebenfalls über Piezoelemente in
drei Raumrichtungen verfahrbar, so dass sie im Fokus der Fokussieroptik 104 positioniert
werden kann. Somit stellt Untersuchungseinheit 101 eine
kompakte Einheit dar, die an einem herkömmlichen invertierten
oder aufrichten Mikroskop befestigt werden kann, um mit diesem die
Durchführung von nahfeldoptischer Mikroskopie zu ermöglichen.
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Im
vorliegenden Fall ist die Untersuchungseinheit 101 an Mikroskopstativ 105 mittels
Federn 110 mechanisch entkoppelt befestigt. Somit kann eine
mechanische Entkopplung der Untersuchungseinheit 101 von
sonstigen funktionalen Einheiten, wie beispielsweise Beam-Shaping-Optiken,
Lichtquelle und Detektoren, erzielt werden. Die Eigenfrequenzen des
Systems Untersuchungseinheit 101-Mikroskopstativ 105 sind
dabei vorzugsweise wesentlich kleiner als die des Systems Spitze 102-Probe 103.
Neben Federn 110 können zusätzlich passiv
dämpfende und aktiv dämpfende Systeme zum Einsatz
kommen, wie beispielsweise magnetische Dampfer bzw. Dämpfer mit
Piezoelementen. Somit wird eine Übertragung von Schwingungen
von Stativ 105 auf Untersuchungseinheit 101 wesentlich
reduziert bzw. verhindert. Insbesondere bei der Aufnahme von Spektren über
einen längeren Zeitraum, beispielsweise mehreren Sekunden
oder Minuten, kann damit sichergestellt werden, dass die Probe während
der Aufnahme relativ zur Nahfeldsonde und zum Anregungsfokus ortsfest
bleibt. Die Positionierung relativ zu der Nahfeldsonde der Optik
zur Fokussierung des Anregungslichts unterliegt somit keinen oder
nur minimalen mechanischen Schwingungen.
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Untersuchungseinheit 101 kann
des Weiteren eine optische Abschirmung von Probe und Sonde 102 bereitstellen,
so dass von außen einfallendes Streulicht effektiv abgeschirmt
wird. Weiterhin kann an Untersuchungseinheit 101 eine passive
oder aktive akustische Abschirmung vorgesehen werden. Eine passive
Schalldämmung kann beispielsweise durch Ummantelung der
Untersuchungseinheit oder des gesamten Mikroskops mit schalldämmenden Materialien
erreicht werden. Vorzugsweise ist die Ummantelung mechanisch entkoppelt,
so dass keine Schwingungsübertragung stattfindet. Die Ummantelung
kann beispielsweise aus Schaumstoff (zum Beispiel eierschachtelartig)
oder Wellpappe bestehen. Für eine aktive Schalldämmung
können zum Beispiel adaptronische Komponenten vorgesehen
werden, wie Piezofolien mit adaptiver Ansteuerung. Besonders bei
schmalbandigen Geräuschquellen (wie zum Beispiel bei Trafobrummen
oder bei Lüftergeräuschen) ist eine aktive Schalldämmung
sinnvoll. Natürlich kann auch eine Kombination von passiver
und aktiver akustischer Abschirmung eingesetzt werden. Auch kann
eine solche Abschirmung der thermischen Isolierung der Untersuchungseinheit 101 dienen.
Insbesondere kann auch eine zusätzliche Abschirmung vorgesehen
werden, die hauptsächlich der thermischen Isolierung der
Untersuchungseinheit 101 dient.
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Untersuchungseinheit 101 weist
eine Halterungsvorrichtung 124 auf, an der die Komponenten 103, 104 und 102 befestigt
sind. Für die Halterungsvorrichtung können beispielsweise
Materialien mit geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet
werden Beispiele sind eine Glaskeramik, wie z. B. keramisches Zerodur®, oder eine Eisen-Nickel Legierung,
wie z. B. Invar. Auch kann eine Anordnung von Materialien mit unterschiedlichen
thermischen Ausdehnungskoeffizienten zum Einsatz kommen, deren thermische
Ausdehnung sich in Summe kompensiert. Auch Teile der anderen Komponenten
der Untersuchungseinheit 101 können aus derartigen
Materialien hergestellt werden. Sowohl eine Ummantelung als auch
eine Verwendung der vorab genannten Materialien verringern thermischen Drift,
so dass beispielsweise die Nahfeldsonde während einer Messung
ortsfest im Bezug auf die Probe bleibt und weder in lateraler noch
axialer Richtung driftet.
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Als
Nahfeldsonde 102 kann beispielsweise eine Rasterkraftmikroskop(AFM,
engl. ”Atomic Force Microscopy”)-Nadel zum Einsatz
kommen, oder auch eine mit einem Nanopartikel versehene Spitze,
mit physikalischen Eigenschaften, die das optische Nahfeld verstärken.
Die Sonde ist vorzugsweise eine aperturlose Sonde, die eine Spitze
aufweist, wobei der Krümmungsradius vorzugsweise kleiner
als 20 nm ist, da dieser die Auflösung bestimmt. Auch kann die
Sonde eine Spitze in Form eines Nanowires oder in Form von Kohlenstoffnanoröhrchen
haben, oder ein Nanoteilchen, beispielsweise in sphärischer
oder ellipsoider Form, kann am Ende eines Nanowires oder an der
Spitze angebracht sein. Die Sonde ist vorzugsweise aus Metall, so
dass bei geeigneter Bestrahlung mit Anregungslicht Plasmonen im
Spitzenmaterial angeregt werden können und so eine Verstärkung
des elektromagnetischen Felds in unmittelbarer Nähe der
Probenspitze erzielt wird. Die Sonde kann entweder aus massivem
Metall bestehen oder ein metallischer Film kann auf einer Spitze
aus dielektrischem oder halbleitendem Trägermaterial aufgebracht
werden (zum Beispiel eine Aluschicht auf herkömmlichen
AFM-Spitzen aus Si). Auch kann zur Herstellung von Spitzen ein elektrochemisches Ätzen von
Au-Drähten zum Einsatz kommen Dabei können als
Rohmaterial Au-Drähte mit einem Durchmesser von ungefähr
0,25 Millimetern verwendet werden. Ebenfalls verwendet werden kann
die Aufdampfung von Ag auf Si oder Si3N4-Spitzen Die Wellenlänge des Anregungslichts,
das von Lichtquelle 106 emittiert wird, kann für
eine effiziente Plasmonenanregung an das Material der Spitze angepasst
werden. Insbesondere eignen sich für Goldspitzen rote Laser als
Lichtquelle (zum Beispiel 633 nm), und für Silberspitzen
grüne und blaue Laser (350–550 nm).
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform ist die Nahfeldsonde 102 mittels
eines Drei- oder Vierbeines mit der Untersuchungseinheit 101 oder
der Fokussieroptik 104 verbunden. Das relative Verfahren
der Fokussieroptik 104 und der Nahfeldsonde 102 erfolgt durch
Piezoelemente. Die Justage der Nahfeldsonde im Spot oder fokalen
Fleck der Fokussieroptik 104 kann beispielsweise über
die Stärke eines mit der Anordnung gemessenen Raman- oder
Fluoreszenzsignals eines Referenzpräparats erfolgen. Zur
Abstandsregelung zwischen Nahfeldsonde und einer mit Probenhalter 103 gehaltenen
Probe kann ein Stimmgabesystem zum Einsatz kommen. Die Abstandsregelung
kann dann durch externe Elektronik, wie zum Beispiel Phase-Locked-Loop-Elektronik,
bereitgestellt werden.
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Techniken
zur Abstandsregelung sind auch aus der Rasterkraftmikroskopie bekannt.
Beispielsweise wird eine Cantileversonde verwendet, bei der die
Sonde an einem Ende eines Hebelarms angebracht ist. Die Sonde kann
in einem Kontaktmodus oder in dem so genannten AC-Modus betrieben
werden, bei welchem die Spitze vertikal schwingt. Dabei kann die
Spitze kurzzeitig in Kontakt mit der Probenoberfläche kommen
(Tapping Mode) oder kontaktlos betrieben werden (Non-Contact Mode).
Die Auslenkung des Hebelarms kann dabei durch Laserdeflektion am
Hebelarm gemessen werden. Die Verwendung des Kontakt- oder Tapping-Modus
hat den Nachteil, dass die Sonde in Kontakt mit der Probe kommt,
was zur Zerstörung von Probe und Sonde führen
kann. Mit Hilfe einer Lock-in-Verstärkung kann im AC-Mode
zwar das Signal-zu-Rausch-Verhältnis des detektierten optischen
Signals der Probe verbessert werden, andererseits nimmt der plasmonische Feldverstärkungseffekt
an der Sondenspitze exponentiell mit dem Abstand zwischen Sonde
und Probe ab. Damit wird im Mittel nur ein geringer Verstärkungsfaktor
für das optische Signal der Probe erreicht. Somit ist es
insbesondere für aperturlose Nahfeldsonden vorteilhaft,
die laterale Schwingung der Sonde zur Abstandskontrolle zu nutzen,
deren Amplitude allerdings deutlich unter der zu erreichenden Ortsauflösung
liegen sollte (beispielsweise weniger als 1 nm). Die Detektion kann
mit einem Stimmgabelsensor erfolgen, bei welchem die Eigenschwingungsfrequenz
der Stimmgabel vom Abstand zwischen Sonde und Probe abhängig
ist. Damit kann ein konstanter Abstand zwischen Probe und Sonde
gehalten werden. Die Dimension einer beispielhaften Stimmgabel kann
3 × 1 × 0,5 mm (Länge mal Breite mal
Tiefe) betragen. Die Anregung der Stimmgabel kann über
Piezoaktuatoren erfolgen, die das System entlang der Breite der
Stimmgabel zum Schwingen bringen. Statt eines Stimmgabelsensors
kann auch ein auf einem Piezoresonator basierendes Verfahren verwendet
werden, bei welchem die Schwingung eines Kristalls interferometrisch überwacht
wird. Weitere Techniken und Details zur Abstandsregelung zwischen
Nahfeldsonde und Probe sind einem Fachmann bekannt, so dass diese
hier nicht näher erläutert werden.
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Nahfeldsonde 102 kann
also bereits einen Sensor zur Abstandsregelung umfassen, beispielsweise
wenn die Sonde als Cantileversonde ausgebildet ist, oder sie kann
an einem solchen befestigt werden. Mit einem solchen Aufbau ist
eine präzise Abstandskontrolle zwischen Sonde und Probe
möglich, wobei der Abstand des Weiteren nicht durch mechanische
Schwingungen oder thermischen Drift beeinflusst wird.
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Bei
der vorliegenden Ausführungsform des Nahfeldmikroskops 100 wird
Anregungslicht über den Spiegel 111 an die Untersuchungseinheit 101 ausgegeben.
Als Lichtquelle 106 für den Anregungsstrahlengang
kann beispielsweise Laserlicht verwendet werden, das eine genügend
große Kohärenz aufweist, so dass ein gewünschtes
Beam-Profil in Komponente 115 erzeugt werden kann. Um nach
Fokussierung mit Fokussieroptik 104 einen möglichst
kleinen fokalen Fleck zu erzeugen, wird der Anregungsstrahl radial
polarisiert. Zur Einstellung von Strahlparametern, wie Polarisation,
Strahldurchmesser, Konvergenz usw. kann Komponente 115 Polarisatoren, Galilei-Teleskope
zur Aufweitung eines Laserstrahls, Axicons zur Erzeugung einer ringförmigen
Beleuchtung, Blenden zur Strahlsäuberung, Linsen und weitere
optische Elemente enthalten. Als Laserquelle können beispielsweise
Gaslaser (HeNe bei 633 nm oder HeCd bei 442 nm) oder Festkörperlaser
(Nd: YAG-Laser bei 532 oder 366 nm) zum Einsatz kommen.
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Die
Polarisation des Anregungslichts ist für eine effiziente
Anregung von Plasmonen in der Spitze der Nahfeldsonde von Bedeutung.
Zur effizienten Plasmonenanregung in der Spitze ist insbesondere die
elektrische Feldkomponente des Anregungslichts entlang der Längsachse
der Spitze wichtig Bei Verwendung von linear polarisiertem Licht
weist die Komponente parallel zur optischen Achse der Fokussieroptik,
d. h. die z-Komponente der E-Feld-Verteilung, ein auf der optischen
Achse liegendes Intensitätsminimum und zwei außeraxiale
Maxima auf. Zur effizienten Plasmonenanregung kann nun die Spitze in
einem der Nebenmaxima positioniert werden, wobei dadurch jedoch
ein starkes Hintergrundsignal erzeugt wird, da in der Regel mehr
als 50% des Anregungslichts nicht zur Anregung der Spitze beitragen Radial
polarisiertes Licht weist im Vergleich dazu den Vorteil auf, dass
sich bei der Fokussierung ein auf der z-Achse liegender Fokusspot
ausbildet, der eine starke Polarisation in z-Richtung aufweist.
Mit einer derartigen Polarisation parallel zur Spitzenachse kann eine
effiziente Plasmonenanregung in der Spitze gewährleistet
werden. Jedoch sollte klar sein, dass bei der vorliegenden Ausführungsform
nicht nur linear polarisiertes oder radial polarisiertes Licht zum
Einsatz kommen kann, sondern dass auch andere Arten von Polarisation
verwendet werden können, die durch optische Elemente in
Komponente 115 erzeugt werden. Beispiele sind zirkular
polarisiertes Licht oder azimutal polarisiertes Licht. Mit azimutal
polarisiertem Licht wird beispielsweise eine ringförmige
Intensitätsverteilung im Fokus mit überwiegender
Polarisation in x-y-Richtung erzielt. Obwohl dadurch nicht das kleinst
mögliche Anregungsvolumen erreicht wird, kann die Verwendung
dieser Polarisation vorteilhaft sein, um gezielt andere Plasmonenschwingungen
in der Nahfeldsonde bzw. Raman-Moden der Probe anzuregen oder abzufragen.
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Nachdem
die gewünschte Polarisation und das gewünschte
Beam-Profil erzeugt wurde, fällt das Anregungslicht auf
einen Strahlteiler 122, der einen Teil des Anregungslichts
auskoppelt und auf einen Fokus- oder Wellenfrontsensor 121 lenkt.
Mit diesem Sensor kann eine Überprüfung erfolgen,
ob der Strahl optimal kollimiert ist. Als Sensoren können
beispielsweise Shearing-Platten, Shack-Hartmann-Sensoren oder andere
herkömmliche Autofokus-Sensoren zum Einsatz kommen.
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Die
Justage des optisches Pfads zur Beleuchtung der Untersuchungseinheit 101 kann
mit Hilfe von beweglichen Spiegeln oder anderen adaptiven optischen
Elementen erfolgen Diese optischen Elemente können beispielsweise
durch Piezoelemente bewegt werden, so dass Ablenkwinkel automatisch
einstellbar sind. Bei der Ausführungsform in 1 ist
beispielhaft ein Justagespiegel 111 gezeigt, mit dem das
Anregungslicht in Richtung der Untersuchungseinheit 101 mit
einstellbarem Ablenkwinkel reflektiert werden kann Jedoch sollte
klar sein, dass weitere Komponenten, wie beispielsweise verschiebbare
Linsen oder Kombinationen von einstellbaren Spiegeln zur Justage
des Strahlengangs des Anregungslichts verwendet werden können.
Insbesondere die Verwendung von zwei automatisch justierbaren Spiegeln
hat den Vorteil, dass sowohl Position als auch Winkel des auf Untersuchungseinheit 101 auftreffenden
Anregungslichts unabhängig voneinander eingestellt werden
können. Der Strahlengang des Anregungslichts wird parallel
zur optischen Achse der Fokussieroptik 104 eingestellt.
Wie diese Einstellung erfolgt, wird nachfolgend noch genauer beschrieben.
Das Beam-Profil wird vorzugsweise derart eingestellt, dass die Fokussieroptik 104 vollständig ausgeleuchtet
wird, um die numerische Apertur der Fokussieroptik voll auszunutzen.
Der Gesamtdurchmesser des Anregungsstrahls kann einen oder mehrere
Zentimeter aufweisen. Damit wird die optische Ankopplung der Untersuchungseinheit 101 unempfindlich
gegenüber lateralen und axialen Verschiebungen 107 (insbesondere
wenn diese nur im Mikrometerbereich stattfinden). Eine Empfindlichkeit
der optischen Ankopplung gegenüber einer Verkippung 108 der
Untersuchungseinheit 101 relativ zum Anregungsstrahl kann
dadurch kompensiert werden, dass der Anregungsstrahl über
das einstellbare optische Element 111 nachgeführt
wird. Somit kann stets eine optimale optische Einkopplung gewährleistet
werden, so dass der Strahl parallel zur optischen Achse der Fokussiereinheit
der Untersuchungseinheit 101 ausgerichtet ist.
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Anregungslicht,
das an einer auf Probenhalter 103 angeordneten Probe reflektiert
oder gestreut wird, wird mit der Fokussieroptik 104 gesammelt.
Reflektiertes Licht kann mit Hilfe des Strahlteilers oder Beam-Splitters 112 und
einer Linse 113 auf eine Kontrollkamera 114 fokussiert
werden, die beispielsweise einen CCD- oder einen CMOS-Sensor umfasst.
Mit Hilfe der Kamera lässt sich die Probe im Fokus der Fokussieroptik 104 positionieren. Über
die Elemente 112 und 113 wird auch Licht, das
an Referenzspiegel 109 reflektiert wurde, auf Kamera 114 fokussiert.
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Dies
ist nochmals detaillierter in 2 dargestellt.
In der schematischen Zeichnung stimmen die Strahlachse des einfallenden
kollimierten Lichts und die optischen Achsen der Fokussieroptik
nicht überein. Reflektionen an Referenzspiegel 109 und Probe
werden somit auf Kamera 114 an verschiedenen Punkten abgebildet.
Dies kann zur anfänglichen Justage des Strahlengangs als
auch zur Regelung des Justagespiegels 111 während
einer nahfeldoptischen Messung genutzt werden.
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Wieder
Bezug nehmend auf 1 wird Licht, das an dem gekoppelten
System Probe-Sonde gestreut wird, über den Anregungsstrahlengang
ausgekoppelt und durch einen Strahlteiler 116 zur Analyse auf
ein empfindliches Photodetektorelement 117 (beispielsweise
auf eine Lavinenphotodiode (APD) oder auf einen Photomultiplyer
(PMT)) oder zur spektralen Analyse auf ein Spektrometer 118 gelenkt.
Die Auswahl des Detektors kann über einen Strahlteiler oder
Umlenkspiegel 119 realisiert werden. Bei einer Analyse
von inelastisch gestreutem Licht (zum Beispiel Raman-Streuung, Fluoreszenz,
Photolumineszenz) kann ein auf das jeweilige Verfahren angepasster
Filter 120 (beispielsweise ein Notch-Filter, ein Bandpassfilter,
ein Hoch- oder Tiefpassfilter) verwendet werden, um elastisch gestreutes
Licht zu blocken. Somit wird eine ortsaufgelöste spektrale
Analyse einer Probe ermöglicht.
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Es
sollte klar sein, dass das Nahfeldmikroskop 100 weitere
Elemente und Komponenten umfassen kann, die bei einem Nahfeldmikroskop üblicherweise
zum Einsatz kommen. Dazu zählen unter anderem weitere optische
Elemente zur Strahlkonditionierung und Steuerung, Optik und Beleuchtung
zur lichtmikroskopischen Beobachtung der Probe, usw. Auch kann Nahfeldbox 101 weitere
Elemente umfassen, wie beispielsweise ein vor der Fokussieroptik angeordnetes
optisches Element zur Aufweitung des Strahldurchmessers. Dies ist insbesondere
vorteilhaft, wenn ein durch ein herkömmliches Mikroskopstativ 105 gegebener
Strahldurchmesser gegenüber der Fokussieroptik aufgeweitet
werden soll.
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3 zeigt
ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Das Verfahren kann beispielsweise unter Verwendung des
in 1 gezeigten Nahfeldmikroskops 100 durchgeführt
werden. Zunächst wird die Lichtquelle des Mikroskops eingeschaltet,
um der Lichtquelle Zeit zum Aufwärmen und zum Erreichen
eines stabilen thermisch-mechanischen Zustands zu geben. Danach
wird eine Probe in den Probenhalter 103 eingesetzt. Nach
Einbau der Probe wird die Messung in Schritt 310 initialisiert.
Dieses ist genauer in 4 ausgeführt. In einem
Schritt 311 wird die Beleuchtung der Probe gestartet, was
beispielsweise durch Öffnen eines Shutters im Anregungslichtpfad
erfolgen kann. Durch das Beleuchten erwärmen sich die optischen Komponenten
sowie die Probe. Solange das System kein thermisch-mechanisches
Gleichgewicht erreicht hat, kann es zu einer Bewegung des fokalen
Flecks (d. h. des Anregungsspots) des fokussierten Anregungslichts
relativ zu Probe und Sonde kommen. Die Reflektion an der Probe,
die auf Kamera 114 abgebildet wird, kann sich dabei bewegen.
In Schritt 312 wird überprüft, ob eine
Drittbewegung der auf der Kamera abgebildeten Reflektion vorliegt.
Eine solche Driftbewegung kann durch softwaregestützte
Bildverarbeitung identifiziert werden. Liegt eine Driftbewegung
vor, wird in Schritt 313 eine vorbestimmte Zeit gewartet,
und anschließend zu Schritt 312 rückverzweigt.
Liegt keine Driftbewegung vor, so kann davon ausgegangen werden,
dass das thermisch-mechanische Gleichgewicht erreicht ist (Schritt 314).
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Damit
ist die Initialisierung der Messung beendet, und eine Justage der
Probe in den Fokus des Fokussierobjektivs erfolgt in Schritt 320.
Wie in 5 näher ausgeführt wird dazu
zunächst der Referenzspiegel 109 abgeschattet
(Schritt 321). Es wird nun auf der Kontrollkamera 114 nach
der minimalen Spotgröße der abgebildeten Reflektion
an der Probe gesucht. In Schritt 322 wird überprüft,
ob der minimale Spot auf der Kontrollkamera erreicht wurde. Ist
dies nicht der Fall, so erfolgt in Schritt 323 ein relatives Verfahren
der Probe entlang der optischen Achse der Fokussieroptik. Die Größe
des auf der Kamera 114 abgebildeten Spots wird dabei protokolliert.
Befindet sich die Probe im Fokus der Fokussieroptik, so wird die
Größe des Spots minimal. Wird in Schritt 322 der kleinstmöglichste
Spot gefunden, so ist die Justage abgeschlossen und der Referenzspiegel
wird in Schritt 324 wieder beleuchtet. Zum Justieren kann beispielsweise
die Probe in z-Richtung mit Piezoelementen durch den Fokus verfahren
werden, und anschließend auf die Position zurückgefahren
werden, auf der die kleinste Spotgröße festgestellt
wurde. Mit Kenntnis der zu erwartenden minimalen Spotgröße kann
der Fokus auch direkt angefahren werden.
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Wieder
Bezug nehmend auf 3 wird nun in einem nächsten
Schritt 330 das Eingangsstrahlenbündel, d. h.
der Strahlengang des Anregungslichts, justiert. Es sollte sichergestellt
werden, dass das Eingangsstrahlenbündel parallel zur optischen
Achse der Fokussieroptik liegt, da bereits kleine Verkippungen,
zum Beispiel weniger als 20 Bogensekunden, die Fokuseigenschaften
verschlechtern können. Damit kann mit softwaregestützter
Bildverarbeitung untersucht werden, ob der Spot oder Punkt, welcher durch
Reflektion an dem Referenzspiegel 109 auf Kamera 114 entsteht,
mit dem Spot, der durch Reflektion an der Probe 103 auf
Kamera 114 entsteht, übereinstimmt. Überlagern
sich die Spots von Probe und Referenzspiegel auf der Kontrollkamera
nicht symmetrisch, so erfolgt in Schritt 332 ein Verkippen des
Justagespiegels 111 derart, dass sich die Spots annähern.
Diese Schritte werden wiederholt, bis in Schritt 331 eine Übereinstimmung
zwischen den Spots auf der Referenzkamera festgestellt wird. Wenn
die beiden Spots aufeinander liegen, ist die optische Achse justiert
(Schritt 333). Nach Justage des Eingangsstrahlenbündels
in Schritt 330 kann nochmals zu Schritt 320 zurückgegangen
werden, um die axiale Probenposition nachzujustieren. Somit kann sich
iterativ der besten Justage genähert werden.
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Anschließend
wird die Nahfeldsonde im Anregungsspot positioniert und eine nahfeldoptische Messung
gestartet, wie in 3, Schritt 340 gezeigt. Dabei
kann eine Integrationszeit von mehreren Sekunden verwendet werden.
Die Justage des Eingangsstrahlenbündels kann während
der Messung mittels Kamera 114 kontinuierlich überwacht
werden und gegebenenfalls nachjustiert werden (Schritt 341).
Ist die Messung in Schritt 341 durchlaufen, so erfolgt
in Schritt 344 das Ende der Messung.
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Nach
Durchlaufen der Messung kann weiterhin, wie durch gestrichelte Linien
angedeutet, eine weitere Messung an einer anderen Probenstelle erfolgen.
Wird in Schritt 342 festgestellt, dass eine weitere Messung
erfolgen soll, so wird in Schritt 343 die neue Probenstelle
angefahren, beispielsweise durch Verfahren von Probenhalter 103.
Dafür ist es gegebenenfalls vorteilhaft, die Justage des
Systems mit Schritten 320 und 330 zu wiederholen.
Danach erfolgt wiederum die eigentliche Messung in Schritt 340.
Beispielsweise kann eine Dejustage der Probe im Bezug auf den Fokus
der Fokussieroptik durch laterales Verfahren der Probe hervorgerufen
werden, wenn die Probenoberfläche nicht exakt senkrecht
zur optischen Achse ausgerichtet ist. Demgemäß wird die
Autofokusfunktion des Schritts 320 erneut durchgeführt.
Soll in Schritt 342 keine Messung an einer weiteren Probenstelle
erfolgen, so endet das Verfahren wiederum in Schritt 344.
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Mit
dem beschriebenen Verfahren ist es somit möglich, eine
nahfeldoptische Messung einer Probe vollständig automatisiert
durchzuführen Dabei kann sowohl eine automatische Positionierung
der Probe im Fokus des Fokussierobjektivs erfolgen als auch eine
automatische Justage des Anregungsstrahlengangs. Weiterhin ist die
Nachführung des Strahlengangs mit Justagespiegel 111 von
Vorteil, da hierdurch eine Verkippung von Untersuchungseinheit 101 kompensiert
werden kann. Somit ist es möglich, während der
gesamten Dauer einer Messung eine optimale Fokussierung des Anregungslichts
auf die Spitze der Nahfeldsonde zu erzielen. Bei einem Abrastern
einer Probe für eine ortsaufgelöste Messung können
die Justageschritte automatisch durchgeführt werden, so
dass für alle Bildpunkte eine verbesserte Auflösung
erzielt werden kann.
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7 zeigt
ein Flussdiagramm einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Verfahrens. Nach einem Initialisieren der Messung in Schritt 501 erfolgt
ein Einschalten der Beleuchtung (Schritt 502) und ein Warten,
bis die thermisch-mechanische Stabilität erreicht ist (Schritt 503).
Für diese Schritte kann das in 4 gezeigte
Verfahren zum Einsatz kommen. In Schritt 504 erfolgt eine
Justage der Probe, so dass die Probenoberfläche senkrecht
zur optischen Achse des Fokussierobjektivs ist. Anschließend
erfolgt eine Justage der Probe in dem Fokus des Fokussierobjektivs
(Schritt 505), wiederum durch Abschatten des Referenzspiegels
(Schritt 506), Bestimmen, ob ein auf der Kontrollkamera 114 abgebildeter
Spot eine minimale Größe aufweist (Schritt 507)
und, wenn dem nicht so ist, relatives Verfahren der Probe entlang
der optischen Achse des Fokussierobjektivs (Schritt 508).
Ist die minimale Spotgröße erreicht, so wird in
Schritt 509 der Referenzspiegel wieder beleuchtet, und
es erfolgt eine Justage des Eingangsstrahlenbündels parallel
zur optischen Achse des Fokussierobjektivs in Schritt 510.
Durch Verkippen des Justagespiegels (Schritt 512) werden
wiederum auf der Kontrollkamera abgebildete Reflektionen an Probe
und Referenzspiegel überlagert (Schritt 511),
woraufhin eine Messung in Schritt 513 folgt. Die weiteren
Schritte entsprechen im Wesentlichen denen des vorab beschriebenen Verfahrens
In 8a ist eine seitliche Schnittansicht und in 8b eine
Draufsicht einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Untersuchungseinheit 101 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform
erfolgt eine Befestigung der Nahfeldsonde 102 an der Beobachtungsoptik 423.
Die Beobachtungsoptik ist mittels eines Drei- oder Vierbeins 424 an
der Untersuchungseinheit 101 befestigt (8b) Dadurch
erfolgt nur eine minimale Abschwächung von einfallendem
Anregungslicht. Die Halterung 424 ist mit Piezoelementen
versehen, um ein relatives Verfahren der Beobachtungsoptik und der
Fokussieroptik zu ermöglichen. Da die Nahfeldsonde 102 an der
Beobachtungsoptik 423 befestigt ist, wird durch diese Verfahreinrichtung
auch die Nahfeldsonde 102 im Fokus der Fokussieroptik 104 positioniert.
Die Fokussieroptik 104 ist hier wiederum ein Parabolspiegel,
der an dem den Scheitelpunkt enthaltenden Ende aufgeschnitten ist.
Der Brennpunkt des Parabolspiegels 104 liegt außerhalb
des vom Spiegel umschlossenen Volumens, so dass der Brennpunkt auf der
Oberfläche der vom Probenhalter 103 gehaltenen
Probe positioniert werden kann. Es ist natürlich auch denkbar,
andere Spiegel, wie beispielsweise einen ellipsoiden Spiegel oder
einen hyperboloiden Spiegel, beispielsweise in Form eines ringförmigen Kegelstumpfes,
zu verwenden. Über die in 1 gezeigte
Optik 115 kann dann gegebenenfalls ein entsprechendes Beam-Shaping
erfolgen, um den Strahl des Anregungslichts derart zu korrigieren,
dass ein kleiner fokaler Fleck erzielt wird.
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Die
Justage der Nahfeldsonde bezüglich des Fokus der Fokussieroptik 104 kann
mit Hilfe der Beobachtungsoptik 423 erfolgen. Die Beobachtungsoptik
vereinfacht somit zum einen die Justage der Nahfeldsonde, zum anderen
kann sie ein Übersichtsbild der Probe liefern. Für
eine Beobachtung der Probe kann die Beleuchtung der Probe über
die Beobachtungsoptik 423 erfolgen, ähnlich einem
Auflichtmikroskop. Der Strahlengang von Beobachtungsoptik 423 und
Fokussieroptik 104 kann mit herkömmlichen Ansätzen,
die unter anderem in Dunkelfeldmikroskopen verwendet werden, realisiert
werden. Dazu können beispielsweise ringförmige
Spiegel und Axicons zum Einsatz kommen.
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Mögliche
Realisierungen zum Trennen der Strahlungsgänge sind in 9 und 10 gezeigt. In 9 koppelt
ein ellipsenförmiger Spiegel 428 den Strahlengang
der Beobachtungsoptik in den Strahlengang des Anregungslichts ein.
In 10 wird der Anregungsstrahlengang durch einen
ringförmigen Spiegel 425 mit dem Strahlengang
der Beobachtungsoptik zusammengeführt. Mit diesen beiden
Ausführungsformen ist ein im Wesentlichen verlustfreies Trennen
und Zusammenführen der Strahlengänge möglich.
Bei anderen Ausführungsformen können auch dichroitische
Spiegel zum Einsatz kommen, wobei vorteilhafterweise für
die Anregung der Nahfeldsonde und für die Beobachtung der
Probe unterschiedliche Spektralbereiche gewählt werden.
Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen kann die Beobachtungsoptik 423 des
Weiteren zum Sammeln des an der Probe gestreuten Lichts verwendet
werden Dies kann sowohl in Kombination mit Fokussieroptik 104 als
auch ausschließlich durch die Beobachtungsoptik erfolgen
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11 zeigt
schematisch den Strahlengang in einem Nahfeldmikroskop gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform
ist die Nahfeldsonde 6a an der Beobachtungsoptik 10 angebracht,
wobei der Beobachtungsstrahlengang durch den Spiegel 11 ausgekoppelt
wird. Durch das optische Element 4a wird das durch eine
Apertur 1 fokussierte und mit optischen Elementen 2, 3a und 3b aufgeweitete
und kollimierte Anregungslicht in einen Strahl mit ringförmiger
Intensitätsverteilung umgewandelt. Das Element 4b kollimiert
den Strahl, der anschließend auf die Fokussieroptik 5 in
Form eines parabolischen Ringspiegels trifft und auf die Spitze
der Sonde 6a fokussiert wird. An der Probe gestreutes Licht
wird durch Strahlteiler 8 auf Detektor 9, beispielsweise
eine Kamera, eine Lawinenphotodiode (APD), einen Photomultiplier (PMT)
oder ein Spektrometer, gelenkt, wobei über Steuer- oder
Regeleinheit 16 ein Verfahren des die Probe haltenden Probenhalters 7 erfolgt.
Steuereinheit 16 führt ein automatisches Positionieren
der Probe im Fokus der Fokussieroptik 5 durch. Wie aus 11 ersichtlich
können Beobachtungsstrahlengang und Anregungsstrahlengang
nahezu verlustfrei getrennt werden.
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12 zeigt
eine weitere Ausführungsform einer Untersuchungseinheit 101.
Bei diesem Beispiel ist die Fokussieroptik als ein refraktives Objektiv 404 mit
großer numerischer Apertur (beispielsweise größer
0,9) implementiert Bei dieser Ausführungsform kann die
Linse 404 gleichzeitig die Funktion der Fokussieroptik
und der Beobachtungsoptik übernehmen. Es sollte klar sein,
dass die Linse 404 mehrere optische Elemente umfassen kann.
Bei dieser Ausführungsform ist die Nahfeldsonde 102 an
Linse 404 bzw. an einer Halterung der Linse befestigt.
Alternativ kann die Befestigung auch direkt an der Halterungsvorrichtung
der Untersuchungseinheit 101 erfolgen.
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13 zeigt
eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Nahfeldmikroskops. Bei dieser Ausführungsform ist das Mikroskop
ein invertiertes Mikroskop, wobei die Untersuchungseinheit 501 wiederum
am Stativ 505 des invertierten Mikroskops mechanisch entkoppelt
befestigt ist. Dafür kommen wieder Mittel 110 zum
mechanischen Entkoppeln zum Einsatz. Bei der vorliegenden Ausführungsform
weist Untersuchungseinheit 501 ein Immersionsobjektiv 504 als
Fokussier- und Beobachtungsoptik auf. Dadurch lassen sich besonders
gute Fokussiereigenschaften erzielen. Das Objektiv ist ortsfest mit
der Untersuchungseinheit 501 verbunden, die somit an ein
herkömmliches invertiertes Mikroskop, bei welchem die Objektive
entfernt wurden, angekoppelt werden kann. Im Bezug auf des Objektiv 504 ist
die Nahfeldsonde 102 nun auf der gegenüberliegenden Seite
des Probenhalters 103 angebracht. Die vorliegende Ausführungsform
eignet sich somit insbesondere für transparente Proben.
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Selbstverständlich
können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen
kombiniert werden. So kann die mit Bezug auf 1 beschriebene
Untersuchungseinheit auch eine Beobachtungsoptik aufweisen, oder
es kann eine Linse mit hoher numerischer Apertur statt des Parabolspiegels als
Fokussieroptik verwendet werden. Außerdem sollte klar sein,
dass die im Detail mit Bezug auf die Ausführungsformen
von 1 beschriebenen Komponenten und Elemente ebenso
bei den weiteren beschriebenen Ausführungsformen verwirklicht
werden können. Auch sollte klar sein, dass eine Vielzahl
von Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen
denkbar sind und innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung
liegen. Zur Justage des Strahlengangs des Anregungslichts kann beispielsweise
anstelle der Probe ein Spiegel eingefahren werden, um den fokussierten
Strahl effizient zu reflektieren. Auch kann bei zurückgezogener
Nahfeldsonde das erfindungsgemäße Nahfeldmikroskop ähnlich
einem Konfokalmikroskop betrieben werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19902234 [0006]
- - DE 19841931 [0007]