DE102011006106A1

DE102011006106A1 - Nahfeldlinse

Info

Publication number: DE102011006106A1
Application number: DE102011006106A
Authority: DE
Inventors: Karsten Frenner; Prof. Dr. Osten Wolfgang; Prof. Dr. Schweizer Heinz; Christof Pruss
Original assignee: Universitaet Stuttgart
Current assignee: Universitaet Stuttgart
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2012-09-27
Anticipated expiration: 2031-03-26
Also published as: DE102011006106B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nahfeldlinse zur Fokussierung eines elektromagnetischen Nahfeldes, insbesondere im optischen Bereich, mit einem ersten Plasmonenträgerabschnitt, auf welchem mit einfallendem Nutz-Licht Plasmonen erregbar sind, mit einem zweiten Plasmonenträgerabschnitt, auf welchem zur Erzeugung des Nahfeldes Plasmonen erregbar sind, und mit einem dielektrischen Kopplungsmedium zur elektromagnetischen Kopplung des ersten und des zweiten Plasmonenträgerabschnitts, wobei der erste Plasmonenträgerabschnitt und der zweite Plasmonenträgerabschnitt derart an dem Kopplungsmedium angeordnet sind, dass durch Erregung von Plasmonen auf dem ersten Plasmonenträgerabschnitt Plasmonen auf dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt erregbar sind, und wobei das Kopplungsmedium derart ausgebildet ist, dass es einen Brechungsindex für das Nutz-Licht aufweist, welcher zur Veränderung der Fokussierung des Nahfeldes durch eingestrahltes Kontroll-Licht lokal von einem Ausgangswert zu einem abweichenden Wert veränderbar ist, und dass der Brechungsindex auf den Ausgangswert zurückveränderbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nahfeldlinse, insbesondere in Form einer Metamaterial-Linse, zur Fokussierung eines elektromagnetischen Nahfeldes. Diese Nahfeldlinse wird insbesondere für elektromagnetische Wellen mit Frequenzen im optischen, insbesondere infraroten, sichtbaren oder ultravioletten Bereich eingesetzt.
Unter einem Nahfeld wird in diesem Zusammenhang insbesondere ein elektromagnetisches Feld verstanden, dessen Feldstärke beziehungsweise Intensität mit wachsender Entfernung schneller als das sich ausbreitende elektromagnetische Fernfeld abnimmt, insbesondere ein nicht ausbreitungsfähiges oder evaneszentes Feld.
Die Fokussierung eines Nahfeldes kann erwünscht sein, um gezielt photonisch funktionale Elemente, wie Quantenpunkte, optische Resonatoren oder Wellenleiter anzusprechen. Derartige Bauteile haben in der Regel Abmessungen im Bereich der Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes oder kleiner. Unter bestimmten Umständen kann mit Nahfeldern eine bessere Energieübertragung oder Einkopplung des elektromagnetischen Feldes in das photonisch funktionale Element erzielt werden, als mit sich ausbreitenden Fernfeldern.
Um die Nahfeldlinse für ein eingestrahltes Nutz-Licht verwenden zu können, ist ein geeigneter Mechanismus zur Erzeugung eines Nahfeldes erforderlich. Hierfür ist es bekannt, durch Einstrahlung von Licht Plasmonen auf einem metallischen plattenartigen Objekt zu erzeugen. Solche Plasmonen beschreiben korrelierte Zustände, insbesondere Schwingungen, der Leitungselektronen in einem Metall. Grundsätzlich sind jedoch auch korrelierte elektronische Zustände in nicht-metallischen Objekten denkbar.
Angeregte beziehungsweise erregte Plasmonen erzeugen ihrerseits ein elektromagnetisches Feld, welches Nahfeld-Bestandteile aufweist. Hierbei ist es bekannt, dass Plasmonen, welche auf räumlich beabstandeten Objekten angeregt sind, auf elektromagnetischem Wege miteinander wechselwirken können.
Außerdem können die auf einem ersten Objekt angeregten Plasmonen durch elektromagnetische Wechselwirkung auf einem weiteren, insbesondere beabstandeten Objekt, wiederum Plasmonen erregen. Diesbezüglich wird beispielhaft auf die Veröffentlichung „Coupling between surface plasmons and fabryperot modes in metallic double meander structures", P. Schau et al., Proceedings of SPIE, Vol. 7711 77111 (2010), verwiesen, welche die elektromagnetische Kopplung von Plasmonen auf paarweise angeordneten, beabstandeten Meander-Strukturen beschreibt.
Bei geeigneter Strukturierung, insbesondere mit charakteristischen Strukturgrößen im Bereich der Wellenlänge des Nutz-Lichtes, können metallische Strukturen als Nahfeld-Linsen wirken, also ein Nahfeld auf einen Fokus-Bereich bündeln. Bekannt sind beispielsweise planare Strukturen in der Art einer Fresnel-Zonenplatte mit Strukturgrößen unterhalb oder im Bereich der Wellenlänge des Nutz-Lichtes, beispielsweise aus der Veröffentlichung „Radiationless electromagnetic interference: Evanescent-Field Lenses and Perfect Focussing", R. Merlin, Science, Vol. 317, 927–929 (2007); sowie aus der Veröffentlichung „Near-field Focussing Plates and their Design", A. Grbic et al., IEEE Transactions an Antenna and Propagation, Vol. 56, No. 10, 3159–3165 (2008).
Nachteilig bei derartigen Strukturen ist jedoch, dass der Fokus-Bereich dieser Nahfeldlinsen aufgrund der Strukturierung räumlich festgelegt ist. Insofern steht die Fokussierung beziehungsweise der Fokus-Bereich nach Herstellung fest. Ohne Bewegung der Linse selbst ist es nicht ohne Weiteres möglich, den Fokus-Bereich zu verändern oder zu verschieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Nahfeldlinse zur Fokussierung eines Nahfeldes bereitzustellen, welche auf einfache Art eine Veränderung des Fokusbereiches beziehungsweise der Fokussierung ermöglicht.
Diese Aufgabe wird durch eine Nahfeldlinse gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Diese Nahfeldlinse weist einen ersten Plasmonenträgerabschnitt auf, auf welchem mit einfallendem Nutz-Licht Plasmonen erregbar beziehungsweise anregbar sind, sowie einen zweiten Plasmonenträgerabschnitt, auf welchem zur Erzeugung des zu fokussierenden Nahfeldes Plasmonen erregbar beziehungsweise anregbar sind. Die Nahfeldlinse weist ferner ein dielektrisches Kopplungsmedium zur elektromagnetischen Kopplung des ersten Plasmonenträgerabschnittes und des zweiten Plasmonenträgerabschnittes auf, wobei der erste Plasmonenträgerabschnitt und der zweite Plasmonenträgerabschnitt derart an dem Kopplungsmedium angeordnet sind, dass durch Erregung von Plasmonen auf dem ersten Plasmonenträgerabschnitt Plasmonen auf dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt erregbar sind. Dabei ist das Kopplungsmedium derart ausgebildet, dass es einen Brechungsindex für das Nutz-Licht aufweist, wobei der Brechungsindex zur Veränderung der Fokussierung des Nahfeldes durch eingestrahltes Kontroll-Licht lokal von einem Ausgangswert zu einem abweichenden Wert veränderbar ist. Dabei ist die Veränderung auf den abweichenden Wert reversibel, das heißt der Brechungsindex ist auf den Ausgangswert zurückveränderbar.
Da der Brechungsindex des Kopplungsmediums – durch entsprechende lokale Einstrahlung des Kontroll-Lichtes – lokal von einem Ausgangswert auf einen abweichenden Wert veränderbar ist, kann in dem Kopplungsmedium beispielsweise ein Brechungsindex-Profil mit einem ausgeprägten Extremum, insbesondere ein gaußförmiges Profil, erzeugt werden. Insbesondere ist der Brechungsindex des Kopplungsmediums zur Erzeugung eines kontinuierlich verlaufenden Brechungsindex-Profils kontinuierlich veränderbar.
Dieses Brechungsindex-Profil hat Einfluss auf das vom zweiten Plasmonenträgerabschnitt erzeugte Nahfeld, da die elektromagnetische Kopplung des ersten Plasmonenträgerabschnittes über das bzw. durch das Kopplungsmedium erfolgt. Es hat sich herausgestellt, dass ein Brechungsindex-Profil mit einem Extremum zu einem Nahfeld führen kann, welches auf einen Fokusbereich fokussiert ist. Dieser Fokusbereich kann kleiner als die Wellenlänge des Nutz-Lichtes sein. Er kann insbesondere eine Ausdehnung kleiner als 1 μm, insbesondere auch wenige 100 nm aufweisen.
Da die Veränderung des Brechungsindex auf den abweichenden Wert reversibel ist, also lokal auf den Ausgangswert zurückveränderbar ist, kann gezielt ein gegenüber dem ursprünglichen Brechungsindex-Profil verändertes oder verschobenes zweites Brechungsindex-Profil erzeugt werden. Diesem zweiten Brechungsindex-Profil ist dann eine veränderte Fokussierung oder ein veränderter, insbesondere verschobener, Fokusbereich zugeordnet.
Die Variation des Brechungsindex erfolgt mit einem vom Nutz-Licht unabhängigen Kontroll-Licht. Die elektromagnetischen Felder des Nutz-Lichtes und des Kontroll-Lichtes durchdringen sich aufgrund des Superpositionsprinzips im Wesentlichen wechselwirkungsfrei beziehungsweise störungsfrei. Das Kontroll-Licht wird insbesondere in Form eines gebündelten Strahles lokal in das Kopplungsmedium eingestrahlt. Zur Veränderung des Brechungsindex kann das Kontroll-Licht insbesondere unter einem anderen Winkel und/oder auf einen anderen Bereich der Nahfeldlinse eingestrahlt werden als das Nutz-Licht.
Mit der Nahfeldlinse kann somit der Vorteil erzielt werden, dass der Fokus des Nahfeldes gezielt veränderbar beziehungsweise verlagerbar ist. Dies ist auf einfache Weise dadurch möglich, dass die Einstrahlung des Kontroll-Lichtstrahls gezielt verändert wird.
Bei Verwendung der Nahfeldlinse in einer optischen Anordnung können beispielsweise photonisch funktionale Elemente (z. B. Quantenpunkte, Wellenleiter) gezielt angesprochen werden. Auf diese Weise kann mit der Nahfeldlinse eine optische Schaltmatrize bereitgestellt werden, mit welcher einzelne photonische Elemente aus einer Vielzahl hochpräzise angesteuert werden können. Die Einkopplung in die photonischen Elemente ist dabei für das fokussierte Nahfeld besonders effektiv, insbesondere im Vergleich zu einem fokussierten Fernfeld.
Zu den genannten Vorteilen trägt bei, dass die Nahfeldlinse zur Fokussierung den beschriebenen Mechanismus über die Anregung von Plasmonen nutzt. Zum einen ist einer Plasmonenschwingung in der Regel eine sehr viel kleinere Wellenlänge zugeordnet, als die Wellenlänge des anregenden Nutz-Lichtes. Dies ermöglicht es, die Nahfeldlinse auf eine Längenskala unterhalb der Lichtwellenlänge des Nutz-Lichtes zu miniaturisieren. Zum anderen ist aufgrund des Mechanismus über gekoppelte Plasmonen die Funktionalität der Nahfeldlinse in gewissen Bereichen unabhängig vom Einfallswinkel des Nutz-Lichtes auf die Nahfeldlinse. Dadurch kann der Aufwand bei der Kalibrierung einer optischen Anordnung mit der Nahfeldlinse verringert werden.
Die Nahfeldlinse kann daher gemeinsam mit den anzusteuernden photonisch-funktionalen Elementen miniaturisiert und integriert verbaut werden. Die Nahfeldlinse ermöglicht dann eine präzise Fokussierung des Nahfeldes zur Ansteuerung der photonisch-funktionalen Elemente.
Die Nahfeldlinse nutzt den eingangs beschriebenen Mechanismus, durch Anregung beziehungsweise Erregung von Plasmonen auf dem ersten Plasmonenträgerabschnitt mittels des Nutz-Lichtes auf dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt Plasmonen zu induzieren. Diese erzeugen das Nahfeld, welches mittels der Nahfeldlinse zu fokussieren ist. Denkbar ist jedoch auch, dass durch das einfallende Nutz-Licht Plasmonen auf beiden Plasmonenträgerabschnitten angeregt werden und miteinander wechselwirken.
In diesem Zusammenhang soll der Begriff Plasmonenträgerabschnitt nicht notwendigerweise eingeschränkt auf ein einstückiges, selbsttragendes Bauteil verstanden werden. Denkbar ist auch, dass die Nahfeldlinse einen Abschnitt aufweist, an welchem eine Vielzahl oder ein Ensemble von insbesondere regelmäßig oder periodisch angeordneten Einzelabschnitten vorgesehen sind, auf denen Plasmonen erregbar sind. In diesem Fall bildet dieser Abschnitt mit den Einzelabschnitten den jeweiligen Plasmonenträgerabschnitt der Nahfeldlinse.
Die Kopplung der Plasmonen auf dem ersten und dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt erfolgt durch elektromagnetische Wechselwirkung, insbesondere mittels den Plasmonen zugeordneten lokalen elektromagnetischen Feldern. Dabei wirkt das Kopplungsmedium bei der Wechselwirkung zwischen Plasmonen des ersten und des zweiten Plasmonenträgerabschnitts mit. Insbesondere ist das Kopplungsmedium derart räumlich zwischen den Plasmonenträgerabschnitten oder im Bereich des ersten oder zweiten Plasmonenträgerabschnittes angeordnet, dass die die Wechselwirkung vermittelnden elektromagnetischen Felder das Kopplungsmedium durchsetzen.
Durch die Wechselwirkung zwischen den Plasmonen auf dem ersten Plasmonenträgerabschnitt und dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt wird die mit dem Nutz-Licht eingestrahlte Energie auf den zweiten Plasmonenträgerabschnitt übertragen und steht zumindest teilweise in dem Nahfeld zur Verfügung. Damit kann eine hohe effektive Transmission durch die Nahfeldlinse erzielt werden. Die Qualität der Transmission ist von der Art der Kopplung beeinflusst. Eine besonders hohe effektive Transmission wird erzielt, wenn die Nahfeldlinse derart ausgebildet ist, dass eine resonante Kopplung zwischen den Plasmonen auf den ersten und dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt stattfindet. Es ist jedoch auch eine nicht-resonante Wechselwirkung möglich.
Die beschriebene, insbesondere resonante, Kopplung der Plasmonen auf dem ersten Plasmonenträgerabschnitt und dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt kann dazu führen, dass sich die Nahfeldlinse für das eingestrahlte Nutz-Licht wie ein Metamaterial mit negativem Brechungsindex verhält.
Unter einem Metamaterial wird in der Elektrodynamik beziehungsweise in der Optik ein Verbundmaterial verstanden, dessen elektromagnetische Eigenschaften sowohl von den am Verbund beteiligten Materialien, als auch von der Strukturierung des Verbundmaterials geprägt werden. Dabei wirkt sich insbesondere eine Strukturierung in einem Größenbereich kleiner als die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes aus.
Ein Metamaterial mit negativem Brechungsindex hat insbesondere die Eigenschaft der Linkshändigkeit für elektromagnetische Wellen. Im Gegensatz zur Ausbreitung elektromagnetischer Wellen im Vakuum bilden in diesem Fall die Vektoren der elektrischen Feldstärke, der magnetischen Feldstärke und der Propagationsrichtung (das heißt des Wellenvektors) ein linkshändiges System. Liegt die elektrische Feldstärke beispielsweise in X-Richtung und die magnetische Feldstärke in Y-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems, so schreitet die elektromagnetische Welle in Richtung der negativen Z-Achse fort. Die Richtung des Energietransportes der Welle, gegeben durch die Richtung des Poynting-Vektors, ist jedoch wie auch im Falle der Wellenausbreitung im Vakuum in Richtung der positiven Z-Achse. Diese effektive Umkehrung der Wellenausbreitung kann dazu beitragen, dass die Nahfeldlinse fokussierend für das Nutz-Licht wirkt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Nahfeldlinse ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So weist das Kopplungsmedium vorzugsweise Bestandteile auf, beispielsweise organische Moleküle oder Molekülgruppen, welche durch Einstrahlung des Kontroll-Lichts zwischen wenigstens einer ersten und einer weiteren Konfiguration, insbesondere zwischen isomeren Strukturen, schaltbar sind, wobei das Kopplungsmedium bei Vorliegen der ersten Konfiguration einen anderen Brechungsindex aufweist als bei Vorliegen der weiteren Konfiguration.
Dabei sind die Bestandteile, welche in ihrer Konfiguration schaltbar sind, insbesondere in dem Kopplungsmedium fixiert, das heißt relativ zum Kopplungsmedium ortsfest angeordnet. Beispielsweise kann das Kopplungsmedium als Polymer aufgebaut sein, welches als funktionale Gruppen die genannten schaltbaren Bestandteile enthält. Insbesondere weist das Kopplungsmedium eine Vielzahl von Azobenzol-Seitengruppen auf, wobei eine solche Azobenzol-Seitengruppe eine cis/trans-Isomerie aufweist.
Durch Einstrahlen des Kontroll-Lichtes kann die Azobenzol-Seitengruppe zwischen der cis-Stellung und der trans-Stellung geschaltet werden. Durch Einstrahlung des Kontroll-Lichtes kann demnach in einem derartigen Kopplungsmedium ein Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Konfigurationen, insbesondere cis- und trans-Stellung, verschoben werden. Bei entsprechend lokaler Einstrahlung des Kontroll-Lichtes kann folglich lokal ein bestimmtes Verhältnis der verschiedenen Konfigurationen im Kopplungsmedium erzeugt werden.
Da den verschiedenen Konfigurationen unterschiedliche Brechungsindizes des Kopplungsmediums zugeordnet sind, kann durch lokale Einstrahlung des Kontroll-Lichtes ein gewünschtes, insbesondere kontinuierliches, Brechungsindex-Profil erzeugt werden.
Vorteilhafterweise ist das Kopplungsmedium derart ausgebildet, dass durch Einstrahlen von Kontroll-Licht mit einer bestimmten Rückschalt-Polarisation und/oder durch Erwärmen des Kopplungsmediums auf eine Rückschalt-Temperatur ausgehend von einer Betriebs-Temperatur der Brechungsindex des Kopplungsmediums von dem abweichenden Wert auf den Ausgangswert zurückveränderbar ist. Das Kopplungsmedium weist insofern einen reversibel veränderbaren Brechungsindex auf.
Eine optische Kontrolle über die Polarisationsrichtung des Kontroll-Lichtes erlaubt eine besonders gezielte Veränderung und Rückveränderung des Brechungsindex. Die genannte thermische Rückschaltung hingegen ermöglicht es, den Brechungsindex im gesamten Kopplungsmedium auf einfache Weise auf den Ausgangswert zurückzusetzen.
Bei der Kontrolle über die Polarisationsrichtung des Kontroll-Lichtes erfolgt insbesondere die Veränderung des Brechungsindex vom Ausgangswert auf den abweichenden Wert mit Kontroll-Licht einer Polarisationsrichtung, welche gegenüber der Rückschalt-Polarisation um 90° gedreht ist. Bei Verwendung eines thermisch rückschaltbaren Kopplungsmediums kann es für bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein, für die Nahfeldlinse eine Betriebs-Temperatur im Bereich oder unterhalb der Rückschalt-Temperatur zu wählen.
Dadurch steht eine mit dem Kontroll-Licht gezielt erzeugte Brechungsindex-Veränderung kurzzeitig zur Verfügung, wird jedoch automatisch auf thermischem Wege zurückverändert, wenn die Einstrahlung des Kontroll-Lichtes beendet wird.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Plasmonen auf dem ersten Plasmonenträgerabschnitt von Nutz-Licht mit einer Nutz-Wellenlänge erregbar und der Brechungsindex des Kopplungsmediums durch Kontroll-Licht mit einer Kontroll-Wellenlänge veränderbar, wobei die Kontroll-Wellenlänge von der Nutz-Wellenlänge verschieden ist d. h. abweicht. Insbesondere ist die Abweichung derart groß, dass eine Veränderung des Brechungsindex durch Licht der Nutz-Wellenlänge nicht oder nur in geringem Maße erfolgt.
Die Wahl verschiedener Wellenlängen hat den Vorteil, dass die Wirkung des Kontroll-Lichtes zur Brechungsindex-Veränderung durch den Betrieb mit Nutz-Licht nicht beeinträchtigt wird. Das Nutz-Licht und das Kontroll-Licht überlagern sich in der Nahfeldlinse im Wesentlichen ungestört. Zumindest ist die Vorgabe eines Brechungsindex-Profils möglich, welches auch bei andauernder Einstrahlung des Nutz-Lichtes über einen ausreichenden Zeitraum stabil ist.
Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn das Kopplungsmedium für die Kontroll-Wellenlänge zumindest im Wesentlichen transparent ist. Dadurch kann mit einem genügend fokussierten Strahl des Kontroll-Lichtes der Brechungsindex positionsgenau verändert werden. Demgegenüber ist es grundsätzlich nicht erforderlich, dass das Kopplungsmedium für Licht der Nutz-Wellenlänge ebenfalls transparent ist. Auch bei einem für die Nutz-Wellenlänge nicht transparenten Kopplungsmedium kann ein fokussiertes Nahfeld dadurch erzeugt werden, dass durch Erregung von Plasmonen auf dem ersten Plasmonenträgerabschnitt Plasmonen auf dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt induziert werden, welche das fokussierte Nahfeld erzeugen. Bei diesem auf der Kopplung der Plasmonen beruhenden Mechanismus ist ein transparentes Kopplungsmedium nicht zwingend erforderlich.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Nahfeldlinse ergibt sich dadurch, dass das Kopplungsmedium als ein die Nahfeldlinse strukturell tragender Trägerabschnitt ausgebildet ist, wobei der erste Plasmonenträgerabschnitt, der zweite Plasmonenträgerabschnitt und das Kopplungsmedium ein zusammenhängendes Volumen bilden. Dadurch ergibt sich ein kompakter Aufbau der Nahfeldlinse, was eine besonders einfache und günstige Herstellung ermöglicht.
Insbesondere ist die gesamte Nahfeldlinse einstückig ausgebildet, wobei ein erster Abschnitt der Nahfeldlinse den ersten Plasmonenträgerabschnitt, ein zweiter Abschnitt den zweiten Plasmonenträgerabschnitt und ein dritter Abschnitt das Kopplungsmedium bilden. Dabei ist denkbar, dass die Plasmonenträgerabschnitte durch Mikrostrukturierung, insbesondere optische oder elektronenstrahlbasierte Lithografie und eventuelle Metallisierung (beispielsweise Aufdampfen eines Metalls) auf dem Kopplungsmedium definiert werden.
Vorteilhafterweise weist das Kopplungsmedium einen ersten Flächenabschnitt auf, an dem der erste Plasmonenträgerabschnitt angeordnet ist, sowie einen zweiten Flächenabschnitt, an dem der zweite Plasmonenträgerabschnitt angeordnet ist. Insbesondere ist der erste Flächenabschnitt dem zweiten Flächenabschnitt gegenüberliegend am Kopplungsmedium ausgebildet. Dadurch wird eine kompakte Sandwich-Struktur realisiert, bei der sich das Kopplungsmedium räumlich zwischen dem ersten und dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt erstreckt.
Bei dieser Anordnung ist daher eine besonders effektive Beeinflussung der Wechselwirkung der Plasmonen auf dem ersten und dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt durch das Kopplungsmedium möglich. Außerdem ist eine einfache Herstellung der genannten Struktur dadurch möglich, dass der erste und der zweite Flächenabschnitt mit Methoden der Lithografie als Mesa-Struktur auf dem Kopplungsmedium ausgebildet werden.
Besonders vorteilhaft ist es, den ersten und/oder den zweiten Plasmonenträgerabschnitt metallisch, insbesondere aus Silber oder Gold, auszubilden.
In metallischen Materialien lassen sich plasmonische Schwingungen der Leitungselektronen mit Licht leicht anregen. Insbesondere die Metalle Silber und Gold zeichnen sich durch eine komfortable Handhabung in bekannten Mikrostrukturierungsverfahren (Lithografie und etwaiger Metallisierungsschritt) aus. Es lassen sich Strukturen und Profile auch im Nanometer-Bereich herstellen, ohne dass das Material reißt oder die Strukturierung ihre Form verliert. Dadurch werden viele Freiheitsgrade bei der Herstellung und Bearbeitung der Plasmonenträgerabschnitte eröffnet.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass der erste und der zweite Plasmonenträgerabschnitt plattenartig, insbesondere eben und/oder flächenhaft erstreckt, ausgebildet sind, wobei der erste Plasmonenträgerabschnitt parallel zum zweiten Plasmonenträgerabschnitt angeordnet ist. Insbesondere sind der erste Plasmonenträgerabschnitt und der zweite Plasmonenträgerabschnitt derart parallel zueinander an dem Kopplungsmedium angeordnet, dass sich das Kopplungsmedium räumlich zwischen dem ersten und dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt erstreckt.
Eine solche Sandwich-Struktur mit parallelen Platten lässt sich auch in kleinen Größenordnungen unterhalb eines Mikrometers vorteilhaft in aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten herstellen: Lithografie und Metallisierung zur Herstellung des ersten Plasmonenträgerabschnittes, Aufbringen des Kopplungsmediums, Lithografie und Metallisierung zur Herstellung des zweiten Plasmonenträgerabschnittes. Darüber hinaus bietet eine flächenhafte Ausgestaltung der Plasmonenträgerabschnitte die Möglichkeit, die Plasmonenträgerabschnitte in ihrem flächigen Bereich auf einfache Weise mit einer zusätzlichen Strukturierung zu versehen.
Als weitere Ausgestaltung der Nahfeldlinse ist vorgesehen, dass der erste und der zweite Plasmonenträgerabschnitt in einem Abstand zueinander angeordnet sind, welcher größer ist als eine, insbesondere ein Vielfaches einer, Nutz-Wellenlänge des Nutz-Lichtes.
Dadurch besteht die Möglichkeit, zwischen den Plasmonenträgerabschnitten ein ausreichend großes Volumen an Kopplungsmedium bereitzustellen, in dem der Brechungsindex veränderbar ist. Dies kann nützlich sein, um einen verstärkten Einfluss des Kopplungsmediums auf die Fokussierung des Nahfeldes zu erzielen. Zudem begünstigt ein vergleichsweise großer Abstand der meist metallischen Plasmonenträgerabschnitte die Einstrahlung des Kontroll-Lichtes in das Kopplungsmedium. Die genannte Ausgestaltung mit beabstandeten Plasmonenträgerabschnitten macht sich zunutze, dass aufgrund der – insbesondere resonanten – elektromagnetischen Kopplung der Plasmonen auf den beiden Plasmonenträgerabschnitten die Eigenschaften der Nahfeldlinse in gewissen Bereichen weitgehend unabhängig vom Abstand der Plasmonenträgerabschnitte zueinander sind. Insbesondere bei resonanter Kopplung der Plasmonen ist eine Wechselwirkung über vergleichsweise große Abstände möglich. Andererseits kann es unter gewissen Bedingungen vorteilhaft sein, wenn der erste und der zweite Plasmonenträgerabschnitt in geringerem Abstand als eine Nutz-Wellenlänge des Nutz-Lichtes zueinander angeordnet sind. Hierdurch kann beispielsweise eine hohe effektive Transmission für Nutz-Licht erzielt werden.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass der erste und/oder der zweite Plasmonenträgerabschnitt Strukturabschnitte aufweist, wobei die Strukturabschnitte, insbesondere meanderförmig, wellenartig, schachbrettartig oder als regelmäßiges Feld beziehungsweise Array, von Vertiefungen ausgebildet sind.
Die Strukturierung der Plasmonenträgerabschnitte ermöglicht es, die Eigenschaften der angeregten Plasmonen, insbesondere ihre Energie und/oder ihre Wellenlänge, zu beeinflussen. Ferner hat die Art der Strukturierung Einfluss auf die Fokussierung des Nahfeldes, insbesondere auf die Form des Fokusbereiches der Nahfeldlinse. So können parallele Meanderstrukturen, welche sich entlang einer Richtung auf einem Plasmonenträgerabschnitt erstrecken, zu einem im Wesentlichen eindimensionalen, das heißt sich entlang einer Richtung erstreckenden, Fokusbereich führen. Schachbrettartige Felder oder regelmäßige Felder von Vertiefungen, können hingegen zu einem Fokuspunkt (Null-dimensionaler Fokusbereich) führen. Anstelle der genannten Strukturierungen ist es jedoch auch denkbar, dass der erste und/oder der zweite Plasmonenträgerabschnitt eine Vielzahl von insbesondere sphärischen Einzelkörpern umfasst, welche regelmäßig oder in der Art eines Gitters angeordnet sind. Die Einzelkörper können jedoch auch als Split-Ring- oder Double-Split-Ringstrukturen ausgebildet sein. Insbesondere weisen die Stukturabschnitte periodische Nanostrukturen auf, welche eine Periodenlänge kleiner als eine Nutz-Wellenlänge des Nutz-Lichtes aufweisen, insbesondere eine Periodenlänge im Bereich von 100 nm, beispielsweise 10 nm bis 500 nm.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass der erste sowie der zweite Plasmonenträgerabschnitt jeweils eine Vielzahl von Strukturelementen aufweisen, wobei jeweils Strukturelemente auf dem ersten Plasmonenträgerabschnitt jeweiligen Strukturelementen auf dem zweiten Plasmonentägerabschnitt paarweise zugeordnet sind, insbesondere in Bezug auf das Kopplungselement paarweise gegenüberliegend angeordnet sind.
Diese Ausgestaltung ermöglicht es, das Kopplungsverhalten der Plasmonen auf dem ersten und dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt gezielt zu beeinflussen. Insbesondere kann ein etwaiges Resonanzverhalten der Kopplung der Plasmonen auf dem ersten und dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt maßgeschneidert werden.
Die genannten Strukturelemente können beispielsweise als Bogenelemente einer Meanderstruktur, als Bodenabschnitte von U-förmigen Strukturen oder als Vertiefungen einer schachbrettartigen Struktur ausgebildet sein. Denkbar sind auch jeweils paarweise zugeordnete Split-Ring-Elemente. Insbesondere weist der zweite Plasmonenträgerabschnitt eine dem ersten Plasmonenträgerabschnitt entsprechende Strukturierung auf, wobei die Strukturelemente auf dem ersten und dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt parallel verlaufend oder spiegelverkehrt zueinander in Bezug auf das Kopplungsmedium angeordnet sind. Die Strukturelemente weisen insbesondere Abmessungen kleiner als eine Nutz-Wellenlänge des Nutzlichtes auf. Insbesondere sind Abmessungen im Bereich von 100 nm bis 500 nm vorteilhaft. Insbesondere sind Abmessungen denkbar, welche im Bereich der Wellenlänge der zu erregenden Plasmonen liegen.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich auch dadurch, dass der erste und/oder der zweite Plasmonenträgerabschnitt eine Vielzahl von periodisch aneinander anschließend sich wiederholenden Elementarzellen zur Strukturierung aufweist, wobei die Elementarzellen derart ausgebildet sind, dass die erregten Plasmonen auf dem ersten Plasmonenträgerabschnitt und die erregten Plasmonen auf dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt resonant miteinander wechselwirken.
Eine derartige periodische Strukturierung ermöglicht es in vorteilhafter Weise, gezielt Eigenschaften wie Energie oder Impuls der erregten Plasmonen vorzugeben und damit die Eigenschaften der Nahfeldlinse festzulegen. Durch geeignete periodische Strukturierung können beispielsweise erlaubte Energiebänder für die Plasmonen oder ein bestimmtes Dispersionsverhalten vorgegeben werden, wie es für quantenmechanische Zustände oder elektromagnetische Felder in periodischen Strukturen bekannt ist. Eine resonante Wechselwirkung der Plasmonen auf dem ersten und dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt ermöglicht außerdem eine nahezu verlustfreie Übertragung von Energie durch die Nahfeldlinse, das heißt eine hohe effektive Transmission. Bei resonanter Kopplung sind ferner die Eigenschaften der Nahfeldlinse über gewisse Längenbereiche nahezu unabhängig vom Abstand der beiden Plasmonenträgerabschnitte zueinander und fast ausschließlich von der Strukturierung der Plasmonenträgerabschnitte geprägt. Hierbei ist anzumerken, dass eine resonante Kopplung der Plasmonen nicht notwendigerweise voraussetzt, dass die Erregung der Plasmonen mit einer bestimmten Wellenlänge des Nutz-Lichtes erfolgt. Vielmehr können die Eigenschaften der Plasmonen durch die Strukturierung der Plasmonenträgerabschnitte in gewissem Grad unabhängig von einfallenden Licht beeinflusst werden. Insbesondere kann die Nahfeldlinse in Bezug auf die Wellenlänge des Nutz-Lichtes eine Bandpass-Charakteristik aufweisen, das heißt für einen bestimmten Wellenlängenbereich ihre Funktionalität zur Nahfeldfokussierung aufweisen.
Die genannte Elementarzelle weist vorteilhafterweise eine Elementarlänge auf, welche kleiner ist als eine Nutz-Wellenlänge des Nutz-Lichtes, insbesondere im Bereich eines Viertels der Nutz-Wellenlänge, insbesondere im Bereich von 100 nm bis 500 nm. Unter der Elementarlänge der Elementarzelle wird dabei die Gitterkonstante der aus periodisch aneinander anschließend wiederholten Elementarzellen hervorgehenden Strukturierung verstanden.
Durch die periodische Wiederholung einer im Vergleich zur Wellenlänge des Nutz-Lichtes kleinen Elementarzelle wirkt die Nahfeldlinse für das Nutz-Licht effektiv wie ein homogenes Medium, dessen Eigenschaften durch die Struktur und den Inhalt der Elementarzelle beeinflusst wird. Insbesondere kann dadurch, wie eingangs erläutert, ein Metamaterial bereitgestellt werden, welches insbesondere einen negativen Brechungsindex für das Nutz-Licht aufweist. Andererseits kann es vorteilhaft sein, die Elementarlänge abgestimmt auf die gewünschte Wellenlänge der erregten Plasmonen zu wählen, insbesondere deutlich kleiner als eine Nutz-Wellenlänge des Nutz-Lichtes.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen, anhand derer die Figuren näher beschrieben und erläutert sind.
Es zeigen im Einzelnen:
1 schematische Darstellung einer optischen Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Nahfeldlinse;
2 eine weitere Anordnung mit einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Nahfeldlinse (schematisch);
3 eine wiederum andere Anordnung mit einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Nahfeldlinse;
4 eine Strukturformel eines Polymers zur Verwendung als Kopplungsmedium;
5 eine Darstellung der Veränderung des Brechungsindex des Polymers gemäß 4 in Abhängigkeit der Wellenlänge;
6 ein Simulationsergebnis für den räumlichen Intensitätsverlauf des Nahfeldes für eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Nahfeldlinse;
7 eine Darstellung zur Erläuterung der Simulation gemäß 6 (Brechungsindex-Profil);
8 ein Simulationsergebnis für die Nahfeldlinse entsprechend 6 mit verschobenem Brechungsindex-Profil.
In der folgenden Beschreibung der Figuren werden für entsprechende Bauteile beziehungsweise Merkmale jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die 1 zeigt eine optische Anordnung 10 mit einer Nahfeldlinse 20. Die Nahfeldlinse 20 ist dabei schematisch in einem Schnitt dargestellt. Die Nahfeldlinse 20 weist einen ersten Plasmonenträgerabschnitt 22, einen zweiten Plasmonenträgerabschnitt 24, sowie ein Kopplungsmedium 26 auf.
Der erste Plasmonenträgerabschnitt 22 und der zweite Plasmonenträgerabschnitt 24 sind plattenartig ausgebildet und erstrecken sich in einer Ebene senkrecht zur Schnittebene der Darstellung in 1. Das Kopplungsmedium 26 ist ebenfalls plattenartig, sich senkrecht zur Schnittebene der 1 erstreckend ausgebildet. Die Nahfeldlinse 20 ist als sandwich-artiges Bündel der genannten plattenartigen Gebilde aufgebaut, wobei der erste Plasmonenträgerabschnitt 22 und der zweite Plasmonenträgerabschnitt 24 parallel zueinander beabstandet angeordnet sind und sich das Kopplungsmedium 26 räumlich zwischen dem ersten Plasmonenträgerabschnitt 22 und dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt 24 erstreckt.
Die optische Anordnung 10 umfasst außerdem eine schematisch als Leuchtdiode (LED) dargestellte Kontroll-Lichtquelle 30, mit welcher ein Strahl eines Kontroll-Lichtes 32 auf die Nahfeldlinse 20, insbesondere auf beziehungsweise in das Kopplungsmedium 26 eingestrahlt werden kann. Der Strahl des Kontroll-Lichtes 32 wird dabei mittels einer nicht dargestellten Lichtführungseinrichtung gebündelt und gesteuert, so dass das Kontroll-Licht 32 lokal fokussiert an eine gewünschte Position auf beziehungsweise im Kopplungsmedium 26 eingestrahlt werden kann.
In der Darstellung der 1 ist ferner ein senkrecht auf den ersten Plasmonenträgerabschnitt 22 der Nahfeldlinse 10 einfallender Strahl eines Nutz-Lichtes 34 angedeutet. Dies soll jedoch nicht einschränkend als ein in der dargestellten Weise fokussierter Lichtstrahl verstanden werden, sondern lediglich ein auf den ersten Plasmonenträgerabschnitt 22 einfallendes Lichtwellenfeld, insbesondere eine ebene elektromagnetische Welle, symbolisieren.
In dem sich an den zweiten Plasmonenträgerabschnitt 24 anschließenden räumlichen Bereich außerhalb der Nahfeldlinse 20 ist wiederum als skizziertes Strahlenbündel ein mittels der Nahfeldlinse 20 fokussiertes elektromagnetisches Nahfeld 36 angedeutet.
Die optische Anordnung 10 umfasst ferner ein im Bereich des zweiten Plasmonenträgerabschnitts 24 außerhalb der Nahfeldlinse 20 angeordnetes photonisch funktionales Element 38, welches in der Darstellung der 1 als ein quantenmechanisch zu beschreibendes Objekt mit diskreten Energieniveaus, beispielsweise Quantenpunkt oder photonischer Resonator, symbolisiert ist. Das photonisch funktionale Element 38 ist dabei derart nahe im Bereich des zweiten Plasmonenträgerabschnitts 24 angeordnet, dass das Nahfeld 36 kontrolliert auf das photonisch funktionale Element 38 fokussierbar ist.
Außerdem umfasst die optische Anordnung 10 weitere photonisch funktionale Elemente 40, welche in der Darstellung der 1 auf der dem photonisch funktionalen Element 38 gegenüberliegenden Seite der Nahfeldlinse 20 angeordnet sind. Die weiteren photonisch funktionalen Elemente 40 sind dabei derart nahe im Bereich des ersten Plasmonenträgerabschnitts 22 angeordnet, dass sie mit einem wiederum durch Strahlenbündel und Pfeil angedeuteten Nahfeld 42 der Nahfeldlinse 20 Wechselwirken können. Somit kann, wie in 1 durch die Nahfeldlinse 20 durchsetzende Doppelpfeile angedeutet, mit der Nahfeldlinse 20 durch kontrollierte Fokussierung des Nahfeldes 36 beziehungsweise des Nahfeldes 42 eine elektromagnetische Kopplung der photonisch funktionalen Elemente 38 und 40 bereitgestellt werden. Die Nahfeldlinse 20 wirkt insofern als Schaltmatrize zur kontrollierten Kopplung verschiedener photonisch funktionaler Elemente 38, 40 miteinander beziehungsweise mit einem einfallenden Nutz-Licht 34.
Die in der 2 dargestellte weitere optische Anordnung 50 umfasst eine weiter ausgestaltete Nahfeldlinse 52, welche wiederum einen ersten Plasmonenträgerabschnitt 22, einen zweiten Plasmonenträgerabschnitt 24 sowie ein Kopplungsmedium 26 aufweist. Anders als in 1 sind photonisch funktionale Elemente 54, 54' vorgesehen, welche hier als parallel verlaufende plasmonische Wellenleiter 54, 54' ausgebildet sind. Bei der optischen Anordnung 50 wird mittels der Nahfeldlinse 52 das Nahfeld 36 kontrolliert in den plasmonischen Wellenleiter 54 eingekoppelt.
Anders als in der Darstellung der 1 sind bei der Nahfeldlinse 52 (2) der erste Plasmonenträgerabschnitt 22 und der zweite Plasmonenträgerabschnitt 24 strukturiert.
Hierzu weist der plattenartige zweite Plasmonenträgerabschnitt 24 eine Vielzahl von sich entlang des plattenartigen Plasmonenträgerabschnittes 24 erstreckenden Strukturabschnitten 56 auf, welche im Profil in der Art zweier über einen gemeinsamen Schenkel aneinander anschließender U's mit entgegengesetzter Öffnungsrichtung ausgebildet sind, und sich in der Art eines Doppelprofilelements erstrecken. Diese Strukturabschnitte 56 sind in einer Richtung senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung periodisch aneinander anschließend angeordnet. Insofern weist der zweite Plasmonenträgerabschnitt 24 eine meanderförmige beziehungsweise wellblechartige Struktur auf. Die Periodenlänge der Anordnung der Strukturabschnitte 56 ist in der 2 mit dem Bezugszeichen 58 versehen.
Die im Profil in der Art eines U's ausgebildeten Abschnitte eines jeden Strukturabschnitts 56 bilden jeweils zwei benachbart aneinander anschließende Strukturelemente 60 und 60'. Dabei ist das Strukturelement 60 mit der Öffnung seiner U-Form jeweils entgegengesetzt zur Öffnungsrichtung des U-förmigen Strukturelements 60' ausgerichtet.
Der parallel zum zweiten Plasmonenträgerabschnitt 24 verlaufende erste Plasmonenträgerabschnitt 22 ist mit einer dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt 24 entsprechenden Strukturierung versehen (Strukturabschnitte 62, sowie aneinander anschließende Strukturelemente 64, 64'). Dabei sind die Strukturelemente 60, 60' des zweiten Plasmonenträgerabschnitts 24 den Strukturelementen 64, 64' des ersten Plasmonenträgerabschnitts 22 jeweils paarweise zugeordnet, d. h. jeweils ein Strukturelement 64 des ersten Plasmonenträgerabschnitts 22 liegt einem identisch ausgebildeten Strukturelement 60 des zweiten Plasmonenträgerabschnitts 24 in Bezug auf das Kopplungsmedium 26 gegenüber (entsprechend für Strukturelemente 60' und 64'). Damit liegen jeweils Strukturelemente 60 des zweiten Plasmonenträgerabschnittes 24, deren Öffnung ihrer U-Form dem Kopplungsmedium 26 abgewandt sind, jeweiligen Strukturelementen 64 des ersten Plasmonenträgerabschnittes 22 gegenüber, deren Öffnung ihrer U-Form vom Kopplungsmedium 26 zugewandt ist.
Die in der 3 dargestellte optische Anordnung 70 umfasst eine Nahfeldlinse 72 mit einer weiteren Ausgestaltung der Strukturierung des ersten Plasmonenträgerabschnitts 22 und des zweiten Plasmonenträgerabschnitts 24.
Bei der Nahfeldlinse 72 weist der erste Plasmonenträgerabschnitt 22 eine Vielzahl von würfelförmigen Strukturelementen 74 auf, welche jeweils mit einer ihrer Würfelflächen dem Kopplungsmedium 26 zugewandt ausgebildet sind. Die würfelförmigen Strukturelemente 74 sind periodisch und einheitlich, d. h. an einem gemeinsamen Raster ausgerichtet angeordnet. Daher steht jede Kante oder Fläche eines beliebigen würfelförmigen Strukturelementes 74 entweder parallel oder senkrecht zu einer beliebigen Kante oder Fläche eines beliebigen anderen würfelförmigen Strukturelements 74.
Der erste Plasmonenträgerabschnitt 22 hat demnach eine periodische Strukturierung mit einer in der 3 gestrichelt angedeuteten, quadratischen Elementarzelle 76. Jede Elementarzelle 76 umfasst ein würfelförmiges Strukturelement 74 und weist eine als Elementarlänge 78 bezeichnete Kantenlänge auf. Die periodische Strukturierung des ersten Plasmonenträgerabschnitts 22 ergibt sich dadurch, dass eine Vielzahl identisch ausgebildeter Elementarzellen 76 jeweils aneinander anschließend angeordnet sind.
In der gleichen Weise ist der plattenartige, zum ersten Plasmonenträgerabschnitt 22 parallele, zweite Plasmonenträgerabschnitt 24 strukturiert (dort Strukturelemente 80, Elementarzellen 82). Dabei ist je ein Strukturelement 80 auf dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt 24 einem Strukturelement 74 auf dem ersten Plasmonenträgerabschnitt 22 zugeordnet, das heißt in Bezug auf das Kopplungsmedium 26 gegenüberliegend ausgebildet.
Bei den in den 1 bis 3 dargestellten Nahfeldlinsen 20, 52, 72 bildet das Kopplungsmedium 26 einen Trägerabschnitt 90, welcher die jeweilige Nahfeldlinse 10, 52, 72 strukturell trägt. Dieser vom Kopplungsmedium 26 gebildete Trägerabschnitt 90 weist dabei jeweils einen ersten Flächenabschnitt 92 und einen zweiten Flächenabschnitt 94 auf. Die Flächenabschnitte 92 und 94 dienen zur Anordnung des ersten Plasmonenträgerabschnitts 22 beziehungsweise des zweiten Plasmonenträgerabschnitts 24 am Kopplungsmedium 26. Dabei ist der erste Plasmonenträgerabschnitt 22 an dem ersten Flächenabschnitt 92 angeordnet und der zweite Plasmonenträgerabschnitt 24 an dem zweiten Flächenabschnitt 94 angeordnet. Insgesamt sind die Nahfeldlinsen 10, 52, 72 als sandwich-artige Bündel aus dem plattenartigen ersten Plasmonenträgerabschnitt 22, dem als Trägerabschnitt 90 ausgebildeten Kopplungsmedium 26 mit dem ersten Flächenabschnitt 92 und dem zweiten Flächenabschnitt 94, sowie dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt 24 aufgebaut. Diese Bauteile der Nahfeldlinsen 20, 52, 72 bilden dabei ein zusammenhängendes Volumen. Denkbar sind jedoch auch andere Ausgestaltungen, insbesondere mit nicht plattenartig erstreckten Plasmonenträgerabschnitten oder ein nicht zusammenhängender Aufbau, bei dem beispielsweise der erste und/oder der zweite Plasmonenträgerabschnitt vom Kopplungsmedium 26 beabstandet ist.
Als Kopplungsmedium 26 findet bei den in den 1 bis 3 dargestellten Nahfeldlinsen 20, 52, 72 ein Polymer Verwendung, welches für das eingestrahlte Nutz-Licht bei einer Nutz-Wellenlänge einen Brechungsindex n aufweist. Der Brechungsindex n ist durch Einstrahlen des Kontroll-Lichtes 32 mit einer bestimmten Kontroll-Wellenlänge reversibel und lokal von einem Ausgangswert n₀ zu einem um eine Brechungsindex-Veränderung Δn abweichenden Wert veränderbar und zurückveränderbar ist.
Als Kopplungsmedium 26 kann beispielsweise das mit der Kurzbezeichnung „PAP” versehene Polymer Verwendung finden, wie es aus der Veröffentlichung „Large Spectral Bifringence in photoadressable Polymer Films", B. Lachut, et al., Advanced Materials, vol. 16, issue 19, 1746–1750 (2004) bekannt ist. Zur Erläuterung des Polymers PAP ist in der 4 eine aus der genannten Veröffentlichung entnommene Strukturformel wiedergegeben. An einem in eckigen Klammern angedeuteten Polymer-Rückgrat aus Polymethylmethacrylat (PMMA) sind demzufolge Seitenketten angehängt, welche jeweils zwei Azobenzol-Einheiten in Reihe aufweisen. Diese Seitenketten mit Azobenzol-Einheiten sind somit in der Polymer-Struktur lokal fixiert.
Das genannte Polymer hat die Eigenschaft, dass die Azobenzol-Seitenketten durch Photoisomerisation zwischen einer trans-Konfiguration und einer cis-Konfiguration umschaltbar sind. Wird ein Volumen des genannten Polymers mit einem geeigneten Kontroll-Licht einer Kontroll-Wellenlänge bestrahlt, so wird folglich ein Gleichgewicht zwischen den beiden isomeren Konfigurationen durch Photoisomerisation der Seitenketten in die eine oder andere Richtung verschoben.
Dabei hat sich herausgestellt, dass das genannte Polymer über einen bestimmten Wellenlängenbereich einen Brechungsindex aufweist, welcher vom Verhältnis der Menge an in cis-Konfiguration vorliegenden Seitenketten zur Menge an in trans-Konfiguration vorliegenden Seitenketten abhängt. Durch Einstrahlen eines Kontroll-Lichtes mit einer Kontroll-Wellenlänge in das PAP-Polymer kann somit eine Brechungsindex-Veränderung Δn erzeugt werden.
Zur Erläuterung zeigt die 5, welche der genannten Veröffentlichung entnommen ist, die Größe der in dem Polymer erzielbaren Brechungsindex-Veränderung Δn in Abhängigkeit der (Nutz-)Wellenlänge für drei verschiedene Strahlungsintensitäten eines Kontroll-Lichtes, das die Photoisomerisation und damit die Brechungsindex-Veränderung hervorruft. Die Daten wurden dabei für ein Kontroll-Licht mit einer Kontroll-Wellenlänge von 488 nm gewonnen.
Wie der 5 zu entnehmen ist, kann beispielsweise für eine Nutz-Wellenlänge von 800 nm je nach Strahlungsintensität des Kontroll-Lichts (0,5 W/cm²; 1,5 W/cm² oder 15 W/cm²) eine unterschiedlich große Brechungsindex-Veränderung Δn hervorgerufen werden (ca. 0,3; 0,35 oder 0,5).
Für weitere Einzelheiten zu dem Polymer „PAP” und zur Gewinnung der in der 5 dargestellten Messergebnisse wird auf die genannte Veröffentlichung verwiesen, die somit durch Bezugnahme zum Gegenstand dieser Beschreibung gemacht wird.
Durch gezielte lokale Einstrahlung eines Kontroll-Lichtes, insbesondere mit der Kontroll-Wellenlänge 488 nm, kann folglich in einem Volumen des Polymers PAP ein räumlich variierendes, insbesondere kontinuierlich variierendes, Brechungsindex-Profil erzeugt werden.
Die Brechungsindex-Veränderung kann durch Erwärmen des Polymers PAP rückgängig gemacht werden. Auch diesbezüglich wird für Einzelheiten auf die genannte Veröffentlichung verwiesen.
In der 5 ist außerdem der Absorptionskoeffizient („extinction”) eines Films aus dem Polymer „PAP” bei der erläuterten Messdatenermittlung in Abhängigkeit der (Nutz-)Wellenlänge aufgetragen (als durchgezogene Linie mit Bezug zur rechten Ordinate des Diagrams der 5). Für Details wird auf die genannte Veröffentlichung verwiesen.
Gemäß 5 ist das Polymer PAP für Wellenlängen oberhalb cirka 600 nm im Wesentlichen transparent, für kürzere Wellenlängen im Wesentlichen intransparent. Wird dieses Polymer als Material für das Kopplungsmedium 26 bei den in den 1 bis 3 dargestellten Nahfeldlinsen 20, 52, 72 verwendet, so ergibt sich folglich eine hohe Transmission für Nutz-Licht mit einer Nutz-Wellenlänge im Bereich oberhalb cirka 600 nm. Vorteilhaft kann jedoch auch sein, für das Kopplungsmedium 26 ein Material zu verwenden, welches auch oder nur für das Kontroll-Licht im Wesentlichen transparent ist.
Zur Erläuterung der Funktion der Nahfeldlinsen 20, 52, 72 zeigt die 6 das Ergebnis einer Simulation für die räumliche Verteilung des elektromagnetischen Feldes.
Der Simulation wird eine Nahfeldlinse mit einer Struktur zugrunde gelegt, welche der Nahfeldlinse 52 gemäß 2 ähnlich ist. Dementsprechend ist in der 6 in Schnittdarstellung ein erster Plasmonenträgerabschnitt 22 angedeutet, welcher Strukturelemente 64, 64' aufweist. Die Strukturelemente 64, 64' schließen sich dabei periodisch aneinander an. Zur näheren Erläuterung der Strukturelemente 64, 64' wird auf die 2 verwiesen. Bei der in der 6 dargestellten Struktur ergibt sich eine Periodenlänge 58 von cirka 400 nm, das heißt eine Abmessung eines Strukturelements 64 beziehungsweise 64' von cirka 200 nm.
In der 6 ist außerdem ein zweiter Plasmonenträgerabschnitt 24 angedeutet, welcher sich in einem Abstand von etwa 600 nm parallel zum ersten Plasmonenträgerabschnitt 22 erstreckt. Der zweite Plasmonenträgerabschnitt 24 weist dabei eine dem ersten Plasmonenträgerabschnitt 22 entsprechende Strukturierung auf (siehe auch 2).
Der Zwischenraum zwischen dem ersten Plasmonenträgerabschnitt 22 und dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt 24 ist mit dem Kopplungsmedium 26 ausgefüllt. Für die Simulation wurden für dieses Kopplungsmedium 26 Eigenschaften des im Zusammenhang mit den 4, 5 erläuterten Polymers „PAP” angenommen.
Für die Simulation wurde ein auf den ersten Plasmonenträgerabschnitt 22 senkrecht auf den ersten Plasmonenträgerabschnitt 22 einfallendes Nutz-Licht angenommen. Dabei wurde die Erregung von Plasmonen auf dem ersten Plasmonenträgerabschnitt 22 und dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt 24, sowie ihre elektromagnetische Wechselwirkung berücksichtigt. In der 6 ist dann die sich aus den genannten Annahmen ergebende Intensitätsverteilung des elektromagnetischen Feldes inklusive Nahfeldes in der X-Z-Ebene senkrecht zu der Erstreckungsrichtung der Plasmonenträgerabschnitte 22 und 24 als Höhenlinienbild dargestellt.
Dem Kopplungsmedium 26 wurde dabei ein entlang der X-Achse, das heißt parallel zu der Erstreckungsrichtung der Plasmonenträgerabschnitte 22 und 24, kontinuierlich variierendes Brechungsindex-Profil zugeordnet. Der Verlauf des Brechungsindex n in Abhängigkeit der Position entlang der X-Achse ist in der 7 dargestellt.
Demnach variiert der Brechungsindex n vom Wert 2 bei X = 0 nm monoton fallend zu einem Wert cirka 1,5 bei X = 800 nm. Ein entsprechender Brechungsindex-Verlauf wurde in Richtung der negativen X-Achse angenommen. In dem Kopplungsmedium 26 wurde demnach eine entlang der X-Achse kontinuierlich verlaufende, um X = 0 nm symmetrische Brechungsindex-Variation mit einem Maximum bei X = 0 nm angenommen.
Für dieses Brechungsindex-Profil ergibt sich gemäß dem in der 6 dargestellten Simulationsergebnis ein Feldstärke-Maximum um X = 0 nm, welches sich ausgehend von dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt 24 um cirka einen Mikrometer in Richtung senkrecht zum zweiten Plasmonenträgerabschnitt 24 (also in Z-Richtung) erstreckt. Diese Feldverteilung weist erhebliche Nahfeld-Anteile auf. Insofern wird in dem dargestellten Beispiel das Nahfeld auf einen Fokus-Bereich mit einer Breite in X-Richtung im Bereich von 50 nm bis 150 nm fokussiert.
Wie der 6 zu entnehmen ist, ist die Feldverteilung im Wesentlichen frei von Nebenmaxima, das heißt das Nahfeld ist im Wesentlichen ausschließlich auf den genannten Fokusbereich gebündelt. Dies ist insbesondere auf den kontinuierlichen Verlauf und das Maximum des Brechungsindex-Profils gemäß 7 zurückzuführen.
Die 8 zeigt das Ergebnis einer Simulation, welcher bis auf den Verlauf des Brechungsindex-Profils dieselben Annahmen wie im Zusammenhang mit 6 zugrunde gelegt wurden. Im Gegensatz zu 6 wurde jedoch für die Simulation gemäß 8 dem Brechungsindex-Profil nach 7 zusätzlich ein linearer Anstieg des Brechungsindex zwischen X = +800 nm und X = –800 nm überlagert. Das so erzeugte Brechungsindex-Profil weist demnach ein in Richtung der negativen X-Achse verschobenes Maximum auf.
Als Ergebnis zeigt die in der 8 dargestellte Intensitätsverteilung des elektromagnetischen Feldes in der X-Z-Ebene ein Intensitätsmaximum, welches gegenüber der Darstellung in der 6 um cirka 350 nm in Richtung der negativen X-Achse verschoben ist. Auch dieses Intensitätsmaximum ist weitgehend frei von Nebenmaxima, und auf einen Fokusbereich mit einer Breite im Bereich von 50 nm bis 150 nm fokussiert.
Die Vorgabe des jeweiligen Brechungsindex-Profils erfolgt durch lokale Einstrahlung von Kontroll-Licht einer geeigneten Kontroll-Wellenlänge (vergleiche Erläuterungen zu den 4 und 5) in das Kopplungsmedium 26. Hierzu kann eine geeignete Strahlführungsvorrichtung zur Bündelung und Lenkung des Kontroll-Lichtes vorgesehen sein. Kommt beispielsweise Kontroll-Licht mit einer Kontroll-Wellenlänge von 488 nm zum Einsatz, so kann ein Strahl des Kontroll-Lichtes im Rahmen der bekannten optischen Auflösungsgrenze auf einen Bereich mit Abmessungen von cirka 500 nm fokussiert werden. Dieser Bereich ist durch eine kontinuierliche Intensitätsabnahme vom Zentrum zu seinen Rändern hin gekennzeichnet. Somit kann auf einfache Weise durch Einstrahlen eines gebündelten Kontroll-Lichtes in das Kopplungsmedium 26 ein Brechungsindex-Profil mit einem Verlauf in der Art der 7 erzeugt werden.
Nachdem ein bestimmtes Brechungsindex-Profil vorgegeben wurde ist ein Zurückverändern des Brechungsindex auf den Ausgangswert n0 beispielsweise durch Erwärmen möglich (siehe oben). Danach kann durch Einstrahlen des Kontroll-Lichtes ein abweichendes Brechungsindex-Profil vorgeben werden. Dies führt auf die erläuterte Weise zu einem veränderten Fokus-Bereich. Insgesamt kann durch geeignete lokale Einstrahlung des Kontroll-Lichtes in das Kopplungsmedium 26 der Fokusbereich des Nahfeldes auf einfache Weise gezielt verändert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Coupling between surface plasmons and fabryperot modes in metallic double meander structures”, P. Schau et al., Proceedings of SPIE, Vol. 7711 77111 (2010) [0006]
„Radiationless electromagnetic interference: Evanescent-Field Lenses and Perfect Focussing”, R. Merlin, Science, Vol. 317, 927–929 (2007) [0007]
„Near-field Focussing Plates and their Design”, A. Grbic et al., IEEE Transactions an Antenna and Propagation, Vol. 56, No. 10, 3159–3165 (2008) [0007]
„Large Spectral Bifringence in photoadressable Polymer Films”, B. Lachut, et al., Advanced Materials, vol. 16, issue 19, 1746–1750 (2004) [0086]

Claims

Nahfeldlinse (20, 52, 72) zur Fokussierung eines elektromagnetischen Nahfeldes (36), insbesondere im optischen Bereich, – mit einem ersten Plasmonenträgerabschnitt (22), auf welchem mit einfallendem Nutz-Licht (34) Plasmonen erregbar sind, – mit einem zweiten Plasmonenträgerabschnitt (34), auf welchem zur Erzeugung des Nahfeldes (36) Plasmonen erregbar sind, – und mit einem dielektrischen Kopplungsmedium (26) zur elektromagnetischen Kopplung des ersten (22) und des zweiten (24) Plasmonenträgerabschnitts, wobei der erste Plasmonenträgerabschnitt (22) und der zweite Plasmonenträgerabschnitt (24) derart an dem Kopplungsmedium (26) angeordnet sind, dass durch Erregung von Plasmonen auf dem ersten Plasmonenträgerabschnitt (22) Plasmonen auf dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt (24) erregbar sind, und wobei das Kopplungsmedium (26) derart ausgebildet ist, dass es einen Brechungsindex (n) für das Nutz-Licht (34) aufweist, welcher zur Veränderung der Fokussierung des Nahfeldes (36) durch eingestrahltes Kontroll-Licht (32) lokal von einem Ausgangswert zu einem abweichenden Wert veränderbar ist, und dass der Brechungsindex auf den Ausgangswert zurückveränderbar ist.
Nahfeldlinse (20, 52, 72) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmedium (26) Bestandteile, insbesondere organische Moleküle oder Molekülgruppen, aufweist, welche durch Einstrahlung des Kontroll-Lichts (32) zwischen wenigstens einer ersten und einer weiteren Konfiguration, insbesondere zwischen einer ersten und einer weiteren isomeren Struktur, schaltbar sind, wobei das Kopplungsmedium bei Vorliegen der ersten Konfiguration einen anderen Brechungsindex (n) aufweist als bei Vorliegen der weiteren Konfiguration.
Nahfeldlinse (20, 52, 72) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmedium (26) derart ausgebildet ist, dass durch Einstrahlen von Kontroll-Licht mit einer Rückschalt-Polarisation und/oder durch Erwärmen des Kopplungsmediums (26) auf eine Rückschalt-Temperatur der Brechungsindex von dem abweichenden Wert auf den Ausgangswert zurückveränderbar ist.
Nahfeldlinse (20, 52, 72) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plasmonen auf dem ersten Plasmonenträgerabschnitt (22) von Nutz-Licht (34) mit einer Nutz-Wellenlänge erregbar sind, und der Brechungsindex (n) des Kopplungsmediums (26) durch Kontroll-Licht (32) mit einer Kontroll-Wellenlänge veränderbar ist, wobei die Kontroll-Wellenlänge von der Nutz-Wellenlänge verschieden ist.
Nahfeldlinse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmedium für die Kontroll-Wellenlänge zumindest im Wesentlichen transparent ist.
Nahfeldlinse (20, 52, 72) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmedium (26) als ein die Nahfeldlinse (20, 52, 72) strukturell tragender Trägerabschnitt (90) ausgebildet ist, wobei der erste Plasmonenträgerabschnitt (22), der zweite Plasmonenträgerabschnitt (24) und das Kopplungsmedium (26) ein zusammenhängendes Volumen bilden.
Nahfeldlinse (20, 52, 72) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopplungsmedium (26) einen ersten Flächenabschnitt (92) aufweist, an dem der erste Plasmonenträgerabschnitt (22) angeordnet ist, und einen zweiten Flächenabschnitt (94) aufweist, an dem der zweite Plasmonenträgerabschnitt (24) angeordnet ist, wobei insbesondere der erste Flächenabschnitt (92) dem zweiten Flächenabschnitt (94) gegenüberliegend ausgebildet ist.
Nahfeldlinse (20, 52, 72) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (22) und/oder der zweite (24) Plasmonenträgerabschnitt metallisch, insbesondere aus Silber oder Gold, ausgebildet ist.
Nahfeldlinse (20, 52, 72) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (22) sowie der zweite (24) Plasmonenträgerabschnitt plattenartig, insbesondere eben und/oder flächenhaft erstreckt, ausgebildet sind, wobei der erste Plasmonenträgerabschnitt (22) parallel zum zweiten Plasmonenträgerabschnitt (24) angeordnet ist.
Nahfeldlinse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (22) und der zweite (24) Plasmonenträgerabschnitt in einem Abstand zueinander angeordnet sind, welcher größer als eine, insbesondere ein Vielfaches einer, Nutz-Wellenlänge des Nutz-Lichtes (34) ist.
Nahfeldlinse (52) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (22) und/oder der zweite (24) Plasmonenträgerabschnitt Strukturabschnitte (56) aufweist, welche insbesondere meanderförmig, wellenartig, schachbrettartig oder als regelmäßiges Feld von Vertiefungen ausgebildet sind.
Nahfeldlinse (52, 72) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (22) und der zweite (24) Plasmonenträgerabschnitt eine Vielzahl von Strukturelementen aufweisen, wobei jeweils Strukturelemente (60, 74) auf dem ersten Plasmonenträgerabschnitt (22) jeweiligen Strukturelementen (62, 80) auf dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt (24) paarweise zugeordnet sind, insbesondere in Bezug auf das Kopplungsmedium (26) paarweise gegenüberliegend angeordnet sind.
Nahfeldlinse (72) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (22) und/oder der zweite (24) Plasmonenträgerabschnitt eine Vielzahl von periodisch aneinander anschließend wiederholten Elementarzellen (76, 82) zur Strukturierung aufweist, wobei die Elementarzellen (76, 82) derart ausgebildet sind, dass die erregten Plasmonen auf dem ersten Plasmonenträgerabschnitt (22) und die erregten Plasmonen auf dem zweiten Plasmonenträgerabschnitt (24) resonant wechselwirken.
Nahfeldlinse (72) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementarzelle (76, 82) eine Elementarlänge (78) kleiner als eine Nutz-Wellenlänge des Nutz-Lichtes (34), insbesondere im Bereich eines Viertels der Nutz-Wellenlänge, insbesondere im Bereich von 100 nm bis 500 nm, aufweist.