DE102012015923B3

DE102012015923B3 - Method for optical near-field measurement with transmission probes

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Publication number: DE102012015923B3
Application number: DE102012015923A
Authority: DE
Inventors: Christoph Zeh; Rico Illing; Bernd Köhler; Jörg Opitz; Lukas Eng
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Dresden
Priority date: 2012-08-10
Filing date: 2012-08-10
Publication date: 2013-11-28
Anticipated expiration: 2032-08-11
Also published as: WO2014023382A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Nahfeld-Messung mit Transmissionssonden, insbesondere für die optische Nahfeld-Mikroskopie oder Nahfeld-Spektroskopie. Bei dem Verfahren wird als Transmissionssonde eine optische Faser mit einer metallischen oder metallisch beschichteten Spitze eingesetzt, in der ein Grundmodus der in Richtung der Spitze propagierenden optischen Strahlung durch ein langperiodisches Fasergitter in einen höheren Modus und/oder ein höherer Modus der in Richtung des Detektors propagierenden rückgestreuten Strahlung in einen Grundmodus konvertiert wird, wobei der höhere Modus eine gegenüber dem Grundmodus erhöhte Transmission der optischen Strahlung durch die Spitze ermöglicht. Das langperiodische Fasergitter wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren akustisch erzeugt und bei der Detektion eine aus der akustischen Erzeugung des Fasergitters resultierende Frequenzverschiebung der durch das Fasergitter propagierten optischen und/oder rückgestreuten Strahlung genutzt, um die vom Untersuchungsort rückgestreute Strahlung von anderer Streustrahlung zu unterscheiden. Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lässt sich eine Erhöhung der räumlichen Auflösung sowie des Signal-Rausch-Verhältnisses erreichen.The present invention relates to a method for optical near-field measurement with transmission probes, in particular for near-field optical microscopy or near-field spectroscopy. In the method, the transmission probe used is an optical fiber with a metallic or metallic coated tip, in which a fundamental mode of optical propagation of the tip direction through a long-period fiber grating into a higher mode and / or a higher mode of propagating in the direction of the detector backscattered radiation is converted into a fundamental mode, wherein the higher mode allows compared to the basic mode increased transmission of the optical radiation through the tip. The long-period fiber grating is acoustically generated in the proposed method and used in the detection of a resulting from the acoustic generation of the fiber grating frequency shift propagated through the fiber grating optical and / or backscattered radiation to distinguish the backscattered from the site radiation from other scattered radiation. With the proposed method, an increase in the spatial resolution and the signal-to-noise ratio can be achieved.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Nahfeld-Messung mit Transmissionssonden, insbesondere für die optische Nahfeld-Mikroskopie oder die Nahfeld-Spektroskopie, bei dem ein Untersuchungsort mit optischer Strahlung beleuchtet und vom Untersuchungsort rückgestreute Strahlung mit einem optischen Detektor erfasst wird, wobei die optische Strahlung durch eine Transmissionssonde an den Untersuchungsort oder die rückgestreute Strahlung durch eine Transmissionssonde zum Detektor geführt wird, und als Transmissionssonde eine optische Faser mit einer metallischen oder metallisch beschichteten Spitze eingesetzt wird.The present invention relates to a method for optical near-field measurement with transmission probes, in particular for optical near-field microscopy or near-field spectroscopy, in which an examination site is illuminated with optical radiation and radiation backscattered from the examination site is detected with an optical detector, wherein the optical Radiation is passed through a transmission probe to the site or the backscattered radiation through a transmission probe to the detector, and as the transmission probe, an optical fiber is used with a metallic or metallic coated tip.

Optische Nahfeld-Mikroskopie (SNOM) ist eine optische Abbildungstechnik, bei der Oberflächen punktweise abgetastet werden. Dabei wird eine höhere Auflösung erzielt, als es mit konventionellen Lichtmikroskopen möglich ist. Bei konventionellen Mikroskopen ist die erreichbare Auflösung durch Beugung auf etwa die Hälfte der optischen Wellenlänge begrenzt. Bei SNOM wird das Licht durch eine Nanosonde (Spitze) auf ein sehr kleines Volumen von < (100 nm)³ an der Oberfläche einer Probe fokussiert und/oder das von der Oberfläche der Probe rückgestreute Licht aus einem derartig kleinen Volumen eingesammelt. Hierzu können Transmissionssonden eingesetzt werden, durch die die optische Strahlung zur Beleuchtung der Probe an den Untersuchungsort geführt wird. Es ist auch möglich, den Untersuchungsort von außen zu beleuchten und die rückgestreute Strahlung durch die Transmissionssonde zum Detektor zu führen.Near-field optical microscopy (SNOM) is an optical imaging technique in which surfaces are scanned point by point. This achieves a higher resolution than is possible with conventional light microscopes. In conventional microscopes, the achievable resolution is limited by diffraction to about half the optical wavelength. In SNOM, the light is focused by a nano-probe (tip) to a very small volume of <(100 nm) ³ at the surface of a sample and / or the light backscattered from the surface of the sample is collected from such a small volume. For this purpose, transmission probes can be used, through which the optical radiation is guided to illuminate the sample at the examination site. It is also possible to illuminate the examination site from the outside and to guide the backscattered radiation through the transmission probe to the detector.

Stand der TechnikState of the art

Konventionelle Transmissionssonden bestehen aus einer angespitzten Glasfaser mit einer optisch dichten Metallbeschichtung, in die am Ende der Spitze eine Apertur eingebracht ist. Die Apertur hat typischerweise einen Durchmesser von 150 bis 30 nm und lässt nur ein stark lokalisiertes (und abklingendes) Feld passieren. Dadurch wird die Oberfläche der zu untersuchenden Probe mit einem kleinen Leuchtfleck beleuchtet, dessen Größe im Wesentlichen durch den Durchmesser der Apertur gegeben ist. Da die Apertur nur einen kleinen Durchmesser im Vergleich zur optischen Wellenlänge aufweist, ist die Transmission der optischen Strahlung durch die Spitze sehr gering. Damit muss beim Abtasten der Oberfläche vergleichsweise langsam gemessen werden, da die Signale pro Untersuchungsort bzw. Messpunkt eine gewisse Zeit integriert werden müssen. Zum anderen kann die örtliche Auflösung nicht durch Verringerung des Aperturdurchmessers beliebig erhöht werden, da die Transmission dann immer weiter abfällt. Ein Vorteil von Transmissionssonden besteht darin, dass keine externen Optiken erforderlich sind, wenn die Beleuchtung und die Detektion durch die Spitze der Transmissionssonde erfolgen. Dies ist jedoch nur mit Sonden aussichtsreich, die eine ausreichend hohe Transmission der optischen Strahlung ermöglichen.Conventional transmission probes consist of a sharpened glass fiber with an optically dense metal coating, in which an aperture is introduced at the end of the tip. The aperture typically has a diameter of 150 to 30 nm and allows only a highly localized (and decaying) field to pass. As a result, the surface of the sample to be examined is illuminated with a small spot whose size is essentially given by the diameter of the aperture. Since the aperture has only a small diameter compared to the optical wavelength, the transmission of the optical radiation through the tip is very small. Thus, the surface must be measured comparatively slowly when scanning the surface, since the signals must be integrated for a certain time per examination site or measuring point. On the other hand, the local resolution can not be arbitrarily increased by reducing the aperture diameter, since the transmission then drops further and further. An advantage of transmission probes is that no external optics are required when the illumination and detection are done through the tip of the transmission probe. However, this is promising only with probes that allow a sufficiently high transmission of optical radiation.

Es sind Transmissionssonden bekannt, bei denen Oberflächenplasmonen in der metallischen oder metallisch beschichteten Sondenspitze genutzt werden, um eine höhere Transmission und gute Fokussierung zu erreichen. Dabei wird keine Apertur in der Sondenspitze mehr benötigt. In konischen Spitzen muss dafür die Eingangsstrahlung radial polarisiert sein und eine antisymmetrische Feldverteilung bezüglich der Strahlachse aufweisen. Diese Feldverteilung kann an einen geführten, elektromagnetischen Oberflächenmodus der konischen Metallstruktur ankoppeln, welcher entlang der Sondenspitze bis zum Ende der Spitze transmittiert wird. Durch die radiale Feldverteilung kommt es zu einer konstruktiven Interferenz aller Teilwellen am Ende der Spitze, die dort zu einer starken Feldüberhöhung führt. Dabei ist es nicht entscheidend, ob es sich um eine hohle Metallspitze (Hohlkegel), eine nicht leitende Spitze mit metallischer Beschichtung von geeigneter Dicke oder um eine Vollmetallspitze handelt.Transmission probes are known in which surface plasmons in the metallic or metallically coated probe tip are used in order to achieve higher transmission and good focusing. No aperture in the probe tip is needed anymore. In conical peaks for this, the input radiation must be radially polarized and have an antisymmetric field distribution with respect to the beam axis. This field distribution may couple to a guided electromagnetic surface mode of the conical metal structure which is transmitted along the probe tip to the end of the tip. Due to the radial field distribution, there is a constructive interference of all partial waves at the end of the tip, which leads there to a strong field elevation. It does not matter whether it is a hollow metal tip (hollow cone), a non-conductive tip with a metallic coating of suitable thickness or a full metal tip.

Der gewünschte radial polarisierte Modus der Eingangsstrahlung entspricht dem TM01-Modus einer optischen Glasfaser mit kreisförmigem Querschnitt, welcher in eine Modengruppe mit der Bezeichnung LP11 eingeordnet wird. Dies sind in der Regel die ersten höheren Modi nach den Grundmodi LP01. Wenn der Faserkern selbst nur den Grundmodus führen kann, so kann die Faser dennoch sog. Mantelmodi führen, welche am Glas-Luft-Übergang der Faser total reflektiert werden. Auch diese Modi sind für die SNOM-Anwendung geeignet (LP11Clad). In doppelbrechenden Fasern, insbesondere Fasern mit elliptischem Kernquerschnitt, zerfallen die Ringmodi in Modi mit zwei antisymmetrischen Extrema (Minimum und Maximum), wobei die Aufspaltung der Ausbreitungskonstanten zwischen den Sub-Modi der LP11 zunimmt, die Paare (HE21evenelliptic, TE01elliptic) und (HE21oddelliptic, TM01elliptic) jedoch annähernd entartet bleiben. Aus einer Kombination der Modi TM01elliptic und der HE21oddelliptic lässt sich dann eine Feldverteilung äquivalent zum TM01-Modus in einer Faser mit kreisförmigem Querschnitt herstellen. Die unterschiedlichen Grund- und höheren Modi sind in 6 für eine kreissymmetrische Faser veranschaulicht. 6a zeigt hierbei die Kern-Modi der Faser (LP01- und LP11-Modengruppe), 6b die Mantel-Modi (LP11-Modengruppe) und 6c die Kern-Modi einer Faser mit elliptischem Kern (LP11-Modengruppe).The desired radially polarized mode of input radiation corresponds to the TM01 mode of an optical fiber of circular cross section, which is classified into a group of modes called LP11. These are usually the first higher modes after the basic modes LP01. If the fiber core itself can only guide the fundamental mode, the fiber can still carry so-called cladding modes, which are totally reflected at the glass-to-air transition of the fiber. These modes are also suitable for the SNOM application (LP11Clad). In birefringent fibers, particularly elliptical core cross-section fibers, the ring modes decay in modes with two antisymmetric extrema (minimum and maximum), splitting the propagation constants between the LP11 sub-modes, the pairs (HE21evenelliptic, TE01elliptic), and (HE21oddelliptic, TM01elliptic), however, remain almost degenerate. From a combination of TM01elliptic and HE21oddelliptic modes, a field distribution equivalent to the TM01 mode in a circular cross-section fiber can then be made. The different basic and higher modes are in 6 for a circularly symmetric fiber. 6a shows the core modes of the fiber (LP01 and LP11 mode group), 6b the coat modes (LP11 fashion group) and 6c the core modes of an elliptical core fiber (LP11 mode group).

Die US 2010/0 141 939 A1 zeigt ein Beispiel für die Nutzung einer Transmissionssonde in der optischen Nahfeld-Mikroskopie. Die Erzeugung der radial polarisierten optischen Eingangsstrahlung im TM01-Modus erfolgt hierbei im Freistrahl durch geeignete optische Komponenten vor der Einkopplung in die Transmissionssonde. The US 2010/0 141 939 A1 shows an example of the use of a transmission probe in near-field optical microscopy. The generation of the radially polarized optical input radiation in the TM01 mode takes place here in the free jet by means of suitable optical components before the coupling into the transmission probe.

Die US 7,778,498 B2 zeigt eine Technik zur Erzeugung der radialen Polarisation der optischen Strahlung direkt in einer optischen Faser. Hierzu wird ein langperiodisches optisches Fasergitter (LPG) mechanisch in der Faser erzeugt, durch das der Grundmodus LP01 der optischen Strahlung in einen höheren LP11 Modus konvertiert wird. Damit lässt sich die optische Strahlung vom Grundmodus auch in den TM01-Modus konvertieren.The US 7,778,498 B2 shows a technique for generating the radial polarization of the optical radiation directly in an optical fiber. For this purpose, a long-period optical fiber grating (LPG) is generated mechanically in the fiber, by which the fundamental mode LP01 of the optical radiation is converted into a higher LP11 mode. Thus, the optical radiation from the basic mode can also be converted to the TM01 mode.

Die US 7187816 B2 offenbart einen optischen Fasersensor mit einem eingebetteten langperiodischen Fasergitter, durch das eine interferometrische Messung mit dem Fasersensor ermöglicht wird.The US 7187816 B2 discloses an optical fiber sensor with an embedded long-period fiber grating that allows interferometric measurement with the fiber sensor.

Die Veröffentlichung von M. I. Bakunov, et al., ”Intermode conversion in a near-field optical fiber probe”, J. Appl. Phys. 96, 1775–1780 (2004), befasst sich mit dem Einfluss der geometrischen Form der metallisch beschichteten Spitze eines optischen Fasersensors für die optische Nahfeld-Mikroskopie auf die Modenpropagation und Modenkonversion in dem Fasersensor.The publication of M.I. Bakunov, et al., "Intermode conversion in a near-field optical fiber probe", J. Appl. Phys. 96, 1775-1780 (2004), deals with the influence of the geometric shape of the metallic coated tip of an optical fiber sensor for near-field optical microscopy on mode propagation and mode conversion in the fiber sensor.

C. Zeh et al.: ”Polarization mode preservation in elliptical index tailored optical fibers for apertureless scanning near-field optical microscopy”, Appl. Phys. Lett. 97, 103108 (2010), schlagen die Nutzung elliptischer, index-angepasster optischer Fasern für die optische Nahfeld-Mikroskopie vor.C. Zeh et al .: "Polarization mode preservation in elliptical index tailored optical fibers for apertural scanning near-field optical microscopy", Appl. Phys. Lett. 97, 103108 (2010), suggest the use of elliptical, index-adapted optical fibers for near-field optical microscopy.

Die US 2011/0210269 A1 offenbart ein nichtlineares optisches System, bspw. für die nichtlineare Mikroskopie, bei dem eine Einmodenfaser über einen als langperiodisches Fasergitter ausgebildeten Modenkonverter mit einer Mehrmodenfaser gekoppelt ist.The US 2011/0210269 A1 discloses a non-linear optical system, for example for non-linear microscopy, in which a single-mode fiber is coupled to a multimode fiber via a mode converter designed as a long-period fiber grating.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur optischen Nahfeld-Messung mit aperturlosen Transmissionssonden anzugeben, das eine nochmals verbesserte räumliche Auflösung sowie eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses ermöglicht.The object of the present invention is to specify a method for near-field optical measurement with apertureless transmission probes, which enables a further improved spatial resolution and an increase in the signal-to-noise ratio.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.The object is achieved by the method according to claim 1. Advantageous embodiments of the method are the subject of the dependent claims or can be found in the following description and the embodiments.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird in bekannter Weise der jeweils momentane Untersuchungsort beim Abtasten der Oberfläche einer Probe bzw. eines Objekts mit optischer Strahlung beleuchtet und vom Untersuchungsort rückgestreute Strahlung mit einem optischen Detektor erfasst. Die optische Strahlung wird dabei durch eine Transmissionssonde an den Untersuchungsort geführt, im Folgenden auch als Nahfeld-Beleuchtung bezeichnet, oder die vom Untersuchungsort rückgestreute Strahlung wird über die Transmissionssonde zum Detektor geführt, im Folgenden auch als Nahfeld-Detektion bezeichnet. Bei der Nahfeld-Detektion kann die Beleuchtung entweder ebenfalls durch die Transmissionssonde oder von außerhalb der Sonde erfolgen. Als Transmissionssonde wird eine optische Faser mit einer metallischen oder metallisch beschichteten Spitze eingesetzt, in der ein Grundmodus der in Richtung der Spitze propagierenden optischen Strahlung durch ein langperiodisches Fasergitter in einen höheren Modus konvertiert wird, der eine gegenüber dem Grundmodus erhöhte Transmission der optischen Strahlung durch die Spitze ermöglicht. Im Falle der Nahfeld-Detektion wird durch das langperiodische Fasergitter der entsprechende höhere Modus der in Richtung des Detektors propagierenden rückgestreuten Strahlung in den Grundmodus konvertiert. Das langperiodische Fasergitter wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren akustisch erzeugt, so dass die optische bzw. rückgestreute Strahlung durch das Fasergitter um die akustische Frequenz frequenzverschoben wird, mit der das Fasergitter erzeugt wird. Bei der Detektion wird dann diese Frequenzverschiebung genutzt, um die vom Untersuchungsort rückgestreute Strahlung von anderer Strahlung zu unterscheiden, die nicht vom Untersuchungsort stammt, aber den Detektor erreicht.In the proposed method, the respective instantaneous examination location is illuminated in a known manner when scanning the surface of a sample or an object with optical radiation, and radiation backscattered from the examination location is detected with an optical detector. The optical radiation is guided by a transmission probe to the examination site, hereinafter also referred to as near-field illumination, or the radiation backscattered from the examination site is guided via the transmission probe to the detector, hereinafter also referred to as near-field detection. In near-field detection, the illumination can also be done either through the transmission probe or from outside the probe. As a transmission probe, an optical fiber with a metallic or metallic coated tip is used, in which a fundamental mode of the propagating in the direction of the tip optical radiation is converted by a long periodic fiber grating in a higher mode, which compared to the basic mode increased transmission of optical radiation through the Tip allows. In the case of near-field detection, the corresponding higher mode of the backscattered radiation propagating in the direction of the detector is converted into the fundamental mode by the long-period fiber grating. The long-period fiber grating is generated acoustically in the proposed method, so that the optical or backscattered radiation is frequency-shifted by the fiber grating to the acoustic frequency with which the fiber grating is generated. During detection, this frequency shift is then used to differentiate the radiation backscattered from the examination site from other radiation which does not originate from the examination site but reaches the detector.

Durch die Nutzung eines akustisch erzeugten Fasergitters, im Folgenden auch als akustisches Fasergitter bezeichnet, und die entsprechende Detektion wird erreicht, dass nur die genau vom Untersuchungsort rückgestreute Strahlung detektiert wird. Dadurch wird die räumliche Auflösung der Nahfeld-Messung gegenüber anderen Techniken verbessert, bei denen auch von der Umgebung des Untersuchungsortes in den Detektor gelangende Strahlung detektiert wird. Gleichzeitig wird durch das vorgeschlagene Verfahren auch eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei der Nahfeld-Messung erreicht. Im Unterschied zur konventionellen Nahfeld-Mikroskopie wird dadurch nicht nur Licht aus dem Nahfeld gesammelt, vielmehr wird innerhalb der Nahfelder auch noch die Komponente ausgewählt, welche stärker fokussiert ist (das longitudinale elektrische Feld wird bevorzugt zu TM01-Modus umgewandelt).By using an acoustically generated fiber grating, also referred to below as an acoustic fiber grating, and the corresponding detection, it is achieved that only the radiation backscattered exactly from the examination location is detected. As a result, the spatial resolution of the near-field measurement is improved compared to other techniques in which radiation which also reaches the detector from the environment of the examination site is detected. At the same time, the proposed method also achieves an increase in the signal-to-noise ratio in the near-field measurement. In contrast to conventional near-field microscopy, this not only collects light from the near field, but also selects the component within the near fields which is more focused (the longitudinal electric field is preferably converted to TM01 mode).

Die Nutzung eines akustisch erzeugten Fasergitters hat den weiteren Vorteil, dass sich dieses durch Änderung der akustischen Anregungsfrequenz hinsichtlich der Gitterperiode durchstimmen sowie elektrisch schalten und steuern lässt. The use of an acoustically generated fiber grating has the further advantage that it can be tuned by changing the acoustic excitation frequency with respect to the grating period and can be electrically switched and controlled.

Unter optischer Strahlung ist bei dem vorgeschlagenen Verfahren der Wellenlängenbereich vom ultravioletten bis in den infraroten Spektralbereich zu verstehen. So kann bei dem Verfahren bspw. IR-Strahlung für die Beleuchtung und Detektion eingesetzt werden. Die Beleuchtung erfolgt dabei mit geeignet schmalbindiger Strahlung, an die das langperiodische Fasergitter angepasst ist. Vorzugsweise wird geeignete Laserstrahlung für die Beleuchtung eingesetzt. Die spektrale Bandbreite wird vorzugsweise passend zur Bandbreite des Gitters gewählt, um eine hohe Konversionseffizienz zu erhalten.Optical radiation in the proposed method is to be understood as meaning the wavelength range from the ultraviolet to the infrared spectral range. For example, in the method, IR radiation can be used for illumination and detection. The illumination takes place with suitable narrow-band radiation to which the long-period fiber grating is adapted. Preferably, suitable laser radiation is used for the illumination. The spectral bandwidth is preferably chosen to match the bandwidth of the grating in order to obtain a high conversion efficiency.

Die Verwendung der höheren Modi und deren selektive Anregung bzw. Messung ermöglicht es auch, einzelne Feldanteile des Nahfeldes gezielt zu messen bzw. anzuregen (z. B. Trennung transversaler und longitudinaler E-Feldanteile). Damit lassen sich neue Informationen über die Licht-Probe-Wechselwirkung bei nichtisotropen Materialien gewinnen.The use of the higher modes and their selective excitation or measurement also makes it possible to selectively measure or excite individual field components of the near field (for example, separation of transversal and longitudinal E field components). This provides new information about the light-probe interaction of non-isotropic materials.

Das langperiodische Fasergitter wird vorzugsweise durch eine entlang der Faser propagierende akustische Biegewelle erzeugt. Hierzu kann bspw. an geeigneter Stelle der Faser ein piezoelektrisches Element zur Anregung der Biegewelle angekoppelt werden.The long-period fiber grating is preferably generated by an acoustic bending wave propagating along the fiber. For this purpose, for example, at a suitable point of the fiber, a piezoelectric element for exciting the bending shaft can be coupled.

In einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens wird eine Faser mit einem kreisförmigen Faserkern für die Transmissionssonde eingesetzt. Mit dem Fasergitter wird dann ein radial polarisierter Modus mit antisymmetrischer Feldverteilung bezüglich der Strahlachse erzeugt, vorzugsweise der TM01-Modus.In one embodiment of the proposed method, a fiber is used with a circular fiber core for the transmission probe. The fiber grating then generates a radially polarized mode with antisymmetric field distribution with respect to the beam axis, preferably the TM01 mode.

In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Faser mit einem doppelbrechenden Faserkern mit länglichem Querschnitt genutzt, bspw. mit elliptischem Querschnitt. Die Nutzung einer doppelbrechenden Faser führt zu einer Modenaufspaltung. So werden bspw. durch einen elliptischen Querschnitt die HE21-Modi, die in der kreissymmetrischen Faser entartet sind, aufgespalten. Die Modi TM01elliptic und HE21oddelliptic entsprechen in der Summe wieder dem TM01-Modus. Durch ein zweites akustisch erzeugtes, langperiodisches Fasergitter können dann Abweichungen von einer perfekten Kegelform der Faser- bzw. Sondenspitze korrigiert werden, um eine maximale Transmission der optischen Strahlung durch die Spitze zu ermöglichen. Hierzu werden die beiden Fasergitter so erzeugt, dass das erste Fasergitter auf die resonante Kopplung zwischen HE11even und TM01elliptic und das zweite Fasergitter auf die resonante Kopplung zwischen HE11odd und HE21oddelliptic eingestellt ist. Im Folgenden wird dieses unterschiedliche Wirkung der beiden Fasergitter auf die Faser bzw. die Moden in der Faser auch als eine zueinander senkrechte Wirkung bezeichnet. Durch Anpassung der Stärke der beiden Gitter kann die relative Intensität der Modi TM01elliptic und HE21oddelliptic optimal für eine maximale Transmission der optischen Strahlung durch die Spitze eingestellt werden. Die relative Stärke der beiden Gitter kann elektrisch bspw. über die Anregungsleistungen der Piezoelemente verändert werden, welche die Faserschwingungen für die akustischen Fasergitter erzeugen. Über die Einstellung der Phase der Anregungssignale kann eine zusätzliche Kontrolle über die genaue Polarisationsverteilung in der Spitze ausgeübt werden.In a further embodiment, a fiber with a birefringent fiber core having an elongate cross section is used, for example with an elliptical cross section. The use of a birefringent fiber leads to a mode splitting. Thus, for example, by an elliptical cross section, the HE21 modes, which are degenerate in the circularly symmetric fiber, split. The TM01elliptic and HE21oddelliptic modes are the same as the TM01 mode. By a second acoustically generated, long-period fiber grating deviations from a perfect cone shape of the fiber or probe tip can then be corrected to allow maximum transmission of the optical radiation through the tip. For this purpose, the two fiber gratings are generated so that the first fiber grating is set to the resonant coupling between HE11even and TM01elliptic and the second fiber grating to the resonant coupling between HE11odd and HE21oddelliptic. In the following, this different effect of the two fiber gratings on the fiber or the modes in the fiber is also referred to as a mutually perpendicular action. By adjusting the strength of the two gratings, the relative intensity of the TM01elliptic and HE21oddelliptic modes can be optimally adjusted for maximum transmission of optical radiation through the tip. The relative strength of the two gratings can be changed electrically, for example, via the excitation powers of the piezoelements, which generate the fiber vibrations for the acoustic fiber gratings. By adjusting the phase of the excitation signals, additional control over the exact polarization distribution in the tip can be exercised.

Durch die Nutzung zweier langperiodischer Fasergitter, die so aufgebaut sind, dass sie eine zueinander senkrechte Wirkung auf die Faser haben, kann auch eine polarisationsunabhängige Umwandlung der optischen Strahlung aus den LP01-Modi in den TM01-Modus erreicht werden.By using two long-period fiber gratings designed to have a mutually perpendicular effect on the fiber, polarization-independent conversion of the optical radiation from the LP01 modes to the TM01 mode can also be achieved.

Durch die Nutzung eines akustischen Fasergitters werden die vom Gitter erzeugten optischen Modi gegenüber dem Eingangsmodus um die Frequenz der akustischen Welle Ω frequenzverschoben, mit der das akustische Gitter erzeugt wird. Die Frequenzverschiebung hängt einerseits davon ab, ob die akustische Welle und die optische Welle in gleicher oder in entgegengesetzter Richtung laufen, und andererseits auch davon, zwischen welchen optischen Modi gekoppelt wird. Für den Fall der Nahfeldbeleuchtung mit Kopplung von einem niedrigeren optischen Modus (mit höherer Ausbreitungskonstante) wie z. B LP01 in einen höheren optischen Modus (mit niedrigerer Ausbreitungskonstante) wie z. B. LP11 wird die Frequenz der optischen Strahlung um die akustische Frequenz erhöht, wenn die akustische und die optische Welle in entgegengesetzter Richtung laufen, und um die akustische Frequenz verringert, wenn die optische und die akustische Welle in gleicher Richtung laufen. Wird von einem höheren Modus wie z. B. LP11 in einen niedrigeren Modus wie z. B. LP01 gekoppelt, drehen sich die Vorzeichen der Frequenzverschiebung wieder um. Die akustischen Frequenzen zur Erzeugung des akustischen Fasergitters liegen im Bereich von ca. 100 kHz bis 10 MHz.By using an acoustic fiber grating, the optical modes generated by the grating are frequency shifted with respect to the input mode by the frequency of the acoustic wave Ω, with which the acoustic grating is generated. The frequency shift depends on the one hand on whether the acoustic wave and the optical wave in the same or in the opposite direction, and on the other hand also, between which optical modes is coupled. In the case of near-field illumination with coupling of a lower optical mode (with higher propagation constant) such. B LP01 into a higher optical mode (with lower propagation constants) such as For example, LP11 increases the frequency of the optical radiation by the acoustic frequency when the acoustic and optical waves are traveling in the opposite direction and reduces the acoustic frequency when the optical and acoustic waves are traveling in the same direction. Is from a higher mode such. B. LP11 in a lower mode such. B. LP01 coupled, the signs of the frequency shift turn around again. The acoustic frequencies for generating the acoustic fiber grating are in the range of about 100 kHz to 10 MHz.

Bei der Nahfeld-Beleuchtung werden bei dem vorgeschlagenen Verfahren die (interessierenden) stärker lokalisierten Nahfelder, die insbesondere durch den TM01-Modus und die Plasmonen verursacht werden, um die akustische Frequenz um Ω gegenüber weniger lokalisierten Nahfeldern frequenzverschoben, die durch andere Modi oder Streulicht verursacht werden. Aus dem detektierten Licht wird dann in einer Ausgestaltung die Schwebung mit der Frequenz Ω herausgefiltert und damit die räumliche Auflösung und das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert. Die Filterung basiert auf einer optischen Überlagerung (Interferenz) einer frequenzverschobenen und einer nicht-frequenzverschobenen Welle. Eine davon wird als Referenzsignal, die andere als Signal/Sondensignal bezeichnet. Im vorliegenden Falle der Faser kann genutzt werden, dass im Kern sowohl moduliertes Licht als auch nicht-moduliertes Licht auftritt. Damit erhält man am Photodetektor die obige Schwebung mit der Modulationsfrequenz (Frequenzverschiebung der optischen Welle durch das akustische Gitter). Für die Filterung wird dann in der Regel ein Lock-In-Verstärker eingesetzt, welcher als Referenzfrequenz die Frequenz Ω des akustischen Gitters eingespeist bekommt. Es werden dann Amplitude und Phase der Signalanteile bei dieser Referenzfrequenz als DC-Werte ausgegeben. Letztere stellen die eigentlichen Messwerte dar.In near-field illumination, in the proposed method, the more localized (interesting) localized fields, caused in particular by the TM01 mode and the plasmons, are frequency shifted by the acoustic frequency by Ω over less localized near fields caused by other modes or stray light become. From the detected light is then in one embodiment, the beat with the Frequency Ω filtered out and thus improves the spatial resolution and the signal-to-noise ratio. The filtering is based on an optical interference of a frequency-shifted and a non-frequency-shifted wave. One is referred to as a reference signal, the other as a signal / probe signal. In the present case of the fiber can be used that occurs in the core both modulated light and non-modulated light. This gives the above beat at the photodetector with the modulation frequency (frequency shift of the optical wave through the acoustic grating). For the filtering, a lock-in amplifier is then used as a rule, which receives the frequency Ω of the acoustic grating as the reference frequency. The amplitude and phase of the signal components at this reference frequency are then output as DC values. The latter represent the actual measured values.

Alternativ kann zur Erzeugung der Schwebung auch ein Teil des in die Faser eingekoppelten Lichtes vor der Einkopplung oder vor dem akustischen Gitter zunächst ausgekoppelt und dann vor dem Detektor als Referenz wieder mit dem Signal überlagert werden.Alternatively, to generate the beat, a part of the light coupled into the fiber can first be coupled out before the coupling or in front of the acoustic grid and then superimposed again with the signal in front of the detector as a reference.

In einer weiteren Ausgestaltung wird das akustische Fasergitter während der Messung periodisch ein- und ausgeschaltet. Dies führt zu einer Amplitudenmodulation des hoch-lokalisierten Nahfeld-Anteils, der insbesondere durch den TM01-Modus erzeugt wurde, und des Nahfeld-Anteils, welcher durch die anderen Modi (LP01) erzeugt wurde. Die vom Detektor erfasste Strahlung enthält in den angeschalteten Phasen des Gitters eine Schwebung mit der Frequenz Ω, welche wiederum demoduliert wird, um alleine den hoch-lokalisierten Nahfeld-Anteil zu erhalten. In den abgeschalteten Phasen des Gitters wird nur der Nahfeld-Anteil erfasst, welcher durch die anderen Modi (LP01) erzeugt wurde. Dadurch können mit der Amplitudenmodulation die verschiedenen Nahfeld-Anteile, die durch verschiedene Eingangsmodi erzeugt wurden, quasi parallel gemessen werden. Das periodische An- und Abschalten des Gitters ermöglicht auch eine zweite Nutzung der Lock-In-Technik zur Erfassung des hoch-lokalisierten Nahfeld-Anteils, um dadurch zusätzlich des Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern.In another embodiment, the acoustic fiber grating is periodically switched on and off during the measurement. This results in an amplitude modulation of the highly-localized near-field component generated in particular by the TM01 mode and the near-field component generated by the other modes (LP01). The radiation detected by the detector contains in the switched-on phases of the grid a beat with the frequency Ω, which in turn is demodulated in order to obtain the highly localized near-field component alone. In the off phases of the grid, only the near field component generated by the other modes (LP01) is detected. As a result, with the amplitude modulation, the various near-field components which were generated by different input modes can be measured virtually in parallel. The periodic switching on and off of the grid also allows a second use of the lock-in technique to detect the highly-localized near-field component, thereby additionally improving the signal-to-noise ratio.

Durch das vorgeschlagene Verfahren wird eine Verbesserung des Auflösungsvermögens und des Signal-Rausch-Verhältnisses bei Nahfeld-Messungen mit Transmissionssonden ermöglicht. Dies gilt für Nahfeld-Beleuchtung, Nahfeld-Detektion und für die Kombination der beiden. Bei der Kombination von Nahfeld-Beleuchtung und Nahfeld-Detektion ergibt sich eine Frequenzverschiebung um die doppelte akustische Frequenz Ω. Dies resultiert daraus, dass zunächst durch eine kodirektionale Kopplung von beispielsweise LP01 zu LP11 eine Frequenzverschiebung –Ω erzeugt wird. Anschließend erfolgt eine kontradirektionale Kopplung von LP11 zu LP01, welche wiederum eine Verschiebung um –Ω bewirkt, so dass in der Summe eine Frequenzverschiebung von –2·Ω erhalten wird. Die Verwendung von optischen Glasfasern für wenigstens einen Teil der Transmissionssonden ermöglicht eine kompaktere Bauform und bessere Integration als mit Freistrahlaufbauten. Eine Kombination von Nahfeld-Beleuchtung und Nahfeld-Detektion ermöglicht einen Aufbau ohne klassische optische Geräte wie Linsen, Spiegel usw., und wird durch die Nutzung des vorgeschlagenen Verfahrens ermöglicht, das eine ausreichend hohe Transmission durch die Spitzen der Transmissionssonden bei gleichzeitig guter Fokussierung erreicht.The proposed method makes it possible to improve the resolving power and the signal-to-noise ratio in near-field measurements with transmission probes. This applies to near field illumination, near field detection, and the combination of the two. The combination of near-field illumination and near-field detection results in a frequency shift of twice the acoustic frequency Ω. This results from the fact that a frequency shift -Ω is first generated by a codirectional coupling of, for example, LP01 to LP11. This is followed by a contra-directional coupling from LP11 to LP01, which in turn causes a shift by -Ω, so that a total of -2 · Ω results in a frequency shift. The use of optical fibers for at least a portion of the transmission probes allows for a more compact design and better integration than with free jet assemblies. A combination of near-field illumination and near-field detection enables design without traditional optical devices such as lenses, mirrors, etc., and is made possible by the use of the proposed method, which achieves sufficiently high transmission through the tips of the transmission probes while maintaining good focus.

Das Verfahren lässt sich in unterschiedlichen Anwendungen der Nahfeld-Messungen einsetzen, bspw. für die Nahfeld-Mikroskopie, für die Nahfeld-Spektroskopie, in einem Nanosensor für Absorptions- und spektroskopische Messungen oder in einem Nahfeld-basierten Spektrometer.The method can be used in various applications of near field measurements, for example for near field microscopy, for near field spectroscopy, in a nanosensor for absorption and spectroscopic measurements or in a near-field-based spectrometer.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Beispielen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:The proposed method will be explained in more detail by means of examples in conjunction with the accompanying drawings. Hereby show:

1 eine schematische Darstellung einer Transmissionssonde, wie sie beim vorliegenden Verfahren eingesetzt werden kann; 1 a schematic representation of a transmission probe, as can be used in the present method;

2 ein Beispiel für den schematischen Aufbau zur Durchführung von Nahfeld-Messungen mit Nahfeld-Beleuchtung; 2 an example of the schematic structure for performing near-field measurements with near-field illumination;

3 ein Beispiel für den schematischen Aufbau zur Durchführung von Nahfeld-Messungen mit Nahfeld-Detektion; 3 an example of the schematic structure for performing near-field measurements with near-field detection;

4 ein Beispiel für den schematischen Aufbau zur Durchführung von Nahfeld-Messungen mit Nahfeld-Beleuchtung und Nahfeld-Detektion; 4 an example of the schematic structure for performing near-field measurements with near-field illumination and near-field detection;

5 eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Erzeugung eines akustischen Fasergitters; 5 a schematic representation of an arrangement for producing an acoustic fiber grating;

6 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Grund- und höheren Modi bei einer kreissymmetrischen Faser sowie einer Faser mit elliptischem Kern anhand der Polarisation der transversalen elektrischen Felder. 6 a representation illustrating the basic and higher modes in a circularly symmetric fiber and a fiber with elliptical core based on the polarization of the transverse electric fields.

Wege zur Ausführung der Erfindung Ways to carry out the invention

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird eine Spezialfaser eingesetzt, die eine Aufspaltung der Ausbreitungskonstanten der ersten höheren Modi mit asymmetrischer Feldverteilung erzeugt. Derartige Spezialfasern sind aus dem Stand der Technik bekannt, bspw. aus der bereits genannten US 7,778,498 B2 . Auch in der Veröffentlichung von C. Zeh et al., „Polarization mode preservation in elliptical index tailored optical fibers for apertureless scanning near-field optical microscopy”, Appl. Phys. Lett. 97, 103108 (2010), ist ein Beispiel für eine derartige Spezialfaser angegeben. In der Faser werden selektiv einzelne oder Kombinationen aus höheren Modi angeregt, welche die Faser stabil führt. Die Anregung erfolgt gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren durch ein akustisch erzeugtes langperiodisches Fasergitter (LPG), welches die fundamentalen Modi in der Faser in zur Anregung von propagierenden Oberflächenplasmonen geeignete, antisymmetrische höhere Modi, insbesondere radial polarisierte Modi wie beispielsweise TM01, koppelt. Die höheren Modi werden durch die Spezialfaser zur Spitze der Transmissionssonde (SNOM-Sonde) transmittiert, welche das Licht auf den gewünschten Untersuchungsort fokussiert.In the proposed method, a special fiber is used, which generates a splitting of the propagation constants of the first higher modes with asymmetric field distribution. Such special fibers are known from the prior art, for example. From the already mentioned US 7,778,498 B2 , Also, in the publication by C. Zeh et al., "Polarization mode preservation in elliptical index tailored optical fibers for apertural scanning near-field optical microscopy", Appl. Phys. Lett. 97, 103108 (2010), an example of such a special fiber is given. The fiber selectively energizes individual or combinations of higher modes that will stably guide the fiber. The excitation is performed according to the proposed method by an acoustically generated long period fiber grating (LPG) which couples the fundamental modes in the fiber into antisymmetric higher modes suitable for exciting propagating surface plasmons, particularly radially polarized modes such as TM01. The higher modes are transmitted through the special fiber to the tip of the transmission probe (SNOM probe), which focuses the light to the desired examination site.

Eine derart ausgebildete Transmissionssonde 1 ist in der 1 schematisch angedeutet. Die im Grundmodus in der Faser 2 propagierende optische Strahlung (Strahl B1) wird durch das in der Figur angedeutete akustische Fasergitter 4 (LPG) in optische Strahlung mit einem höheren Modus gekoppelt bzw. konvertiert. Diese optische Strahlung mit dem höheren Modus (Strahl B2) gelangt bis an die Spitze 3 der Faser, die hier metallisch beschichtet ist. Die Fokussierung der Strahlung erfolgt durch diese plasmonische Spitze 3. Das Licht erzeugt an bzw. auf der Metalloberfläche der Spitze Oberflächenplasmonen. Diese sind an die Metalloberfläche der Spitze gebunden und laufen am Ende der Spitze zusammen, wo sie im hoch-lokalisierten Nahfeld 5 ein starkes elektromagnetisches Feld erzeugen. Dieses stark fokussierte Feld mit hoher Intensität kann für die Nahfeld-Mikroskopie benutzt werden. Der beschriebene Ablauf wird als Nahfeld-Beleuchtung bezeichnet. Bei der Modenumwandlung zwischen den LP01- und den LP11-Modi ist zu beachten, dass die Kopplung durch ein LPG in der Regel polarisationsabhängig ist. Dies bedeutet, dass abhängig von der genauen Geometrie nur einer der LP11-Modi (z. B. HE11even) zum TM01-Modus koppelt.Such a trained transmission probe 1 is in the 1 indicated schematically. The basic mode in the fiber 2 propagating optical radiation (beam B1) is by the indicated in the figure acoustic fiber grating 4 (LPG) coupled in optical radiation with a higher mode or converted. This optical radiation with the higher mode (beam B2) reaches to the top 3 the fiber that is metallically coated here. The focusing of the radiation takes place through this plasmonic tip 3 , The light generates surface plasmons at or on the metal surface of the tip. These are tied to the metal surface of the tip and converge at the end of the tip, where they meet in the highly-localized near field 5 generate a strong electromagnetic field. This highly focused high intensity field can be used for near field microscopy. The described procedure is referred to as near-field illumination. When converting between the LP01 and LP11 modes, it should be noted that the coupling through an LPG is usually polarization-dependent. This means that depending on the exact geometry, only one of the LP11 modes (eg, HE11even) couples to the TM01 mode.

Auch der umgekehrte Prozess ist möglich. Dabei wird eine lokale Feldverteilung (Nahfeld 5) an einer Probenoberfläche durch die Transmissionssonde 1 mit hoher Auflösung abgetastet. Das eingesammelte Licht, durch den Strahl B3 der rückgestreuten optischen Strahlung in der 1 angedeutet, enthält Modenkomponenten von mindestens LP01 und TM01. Das akustische Fasergitter 4 wandelt Licht im TM01-Modus aus dem rückgestreuten Strahl B3 in mindestens einen der LP01 Grundmodi (z. B. HE11even), der dann wie mit dem Strahl B4 angedeutet, in Richtung des Detektors geführt wird. Gleichzeitig wird der HE11even-Modus aus dem Strahl B3 durch das akustische Fasergitter 4 in den TM01-Modus in Strahl B4 gewandelt. Dieser TM01-Modus sowie alle nicht Grund-Modi im Strahl B4 können durch geeignete Mode-Stripper aus der Faser entfernt werden. Übrig bleibt im Kern der Faser 2 nur noch das Licht, das von der Spitze aus dem TM01-Modus kam und in den HE11even-Modus gekoppelt wurde, sowie das Licht im HE11odd-Modus, d. h. jeweils dem anderen LP01-Modus, welches nicht vom akustischen Fasergitter 4 umgewandelt wurde.The reverse process is also possible. In doing so, a local field distribution (near field 5 ) on a sample surface through the transmission probe 1 scanned with high resolution. The collected light, through the beam B3 of the backscattered optical radiation in the 1 indicated, contains fashion components of at least LP01 and TM01. The acoustic fiber grating 4 converts light in the TM01 mode from the backscattered beam B3 into at least one of the LP01 fundamental modes (eg HE11even), which is then guided in the direction of the detector as indicated by the beam B4. At the same time, the HE11even mode becomes beam B3 through the acoustic fiber grating 4 converted to TM01 mode in beam B4. This TM01 mode as well as all non-fundamental modes in beam B4 can be removed from the fiber by suitable mode strippers. Remains in the core of the fiber 2 only the light that came from the top of the TM01 mode and was coupled in the HE11even mode, and the light in the HE11odd mode, ie in each case the other LP01 mode, which is not the acoustic fiber grating 4 was converted.

Durch die akustische Erzeugung des LPG werden die vom Gitter erzeugten Modi gegenüber dem Eingangsmodus um die Frequenz der akustischen Welle Ω frequenzverschoben. Durch eine Demodulation der akustischen Frequenz kann eine Verbesserung der räumlichen Auflösung des SNOM sowie eine Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses (SNR) erzielt werden, indem bei der Detektion besonders das Licht herausgefiltert wird, welches durch stärker lokalisierte Nahfelder erzeugt wurde und dessen Frequenz hier um die akustische Frequenz verschoben ist. Die oben genannte Filterung kann durch gezielte Verstärkung, z. B. mittels Interferometrie und Lock-In-Technik erfolgen. Dies wurde bereits weiter oben erläutert und ist in 2 nochmals schematisch dargestellt.Due to the acoustic generation of the LPG, the modes generated by the grid are frequency-shifted with respect to the input mode by the frequency of the acoustic wave Ω. By demodulating the acoustic frequency, it is possible to achieve an improvement in the spatial resolution of the SNOM and an increase in the signal-to-noise ratio (SNR) by filtering out in particular the light which has been generated by more localized near fields and whose frequency is detected here shifted by the acoustic frequency. The above filtering can be achieved by targeted reinforcement, z. B. by interferometry and lock-in technique. This has already been explained above and is in 2 again shown schematically.

2 zeigt schematisch ein Beispiel für eine Anordnung zur Nahfeld-Beleuchtung gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren. Über einen Laser 6 wird die optische Strahlung 7 in die Transmissionssonde 1 eingekoppelt und zur Spitze 3 der Transmissionssonde geführt. Das akustische Fasergitter 4 konvertiert den Grundmodus der optischen Strahlung 7 in einen zur Erzeugung von Oberflächenplasmonen in der Spitze 3 geeigneten höheren Modus, vorzugsweise den TM01-Modus. Die Spitze wird hierbei sehr nahe an die Oberfläche der zu untersuchenden Probe 8 herangebracht, so dass dort durch die Spitze 3 eine sehr hohe Fokussierung der optischen Strahlung 7 an dem entsprechenden Untersuchungsort auftritt. Die vom Untersuchungsort rückgestreute Strahlung 9 wird über ein optisches System 10 und einen Spiegel 18 auf einen Detektor 11 abgebildet, der die vom Untersuchungsort rückgestreute Strahlung 9 erfasst. In diesem Beispiel wird vor der Einkopplung in die Transmissionssonde 1 ein Teil der Strahlung 7 durch einen Strahlteiler 17 als Referenzstrahl 19 ausgekoppelt. Der Referenzstrahl 19 wird dann über einen weiteren Strahlteiler 17 vor dem Detektor wieder mit der vom Untersuchungsort rückgestreuten Strahlung 9 überlagert. Daraus ergibt sich eine Amplitudenmodulation der detektierten Intensität mit der akustischen Frequenz Ω. Aus dem erfassten Messsignal (Referenzstrahl 19 und rückgestreute Strahlung 9) kann damit der um die akustische Frequenz Ω frequenzverschobene Signalanteil mit einer Lock-In-Technik herausgefiltert werden. Dieser Messanteil entspricht dem im hoch-lokalisierten Nahfeld vom Untersuchungsort rückgestreuten Licht, das von anderen Streuanteilen bereinigt ist. 2 schematically shows an example of an arrangement for near-field illumination according to the proposed method. About a laser 6 becomes the optical radiation 7 in the transmission probe 1 coupled and to the top 3 led the transmission probe. The acoustic fiber grating 4 converts the fundamental mode of optical radiation 7 into one for generating surface plasmons in the tip 3 suitable higher mode, preferably the TM01 mode. The tip is very close to the surface of the sample to be examined 8th brought there, so there by the top 3 a very high focusing of the optical radiation 7 occurs at the appropriate examination site. The radiation backscattered from the examination site 9 is about an optical system 10 and a mirror 18 on a detector 11 imaged the backscattered radiation from the site 9 detected. In this example, before coupling into the transmission probe 1 a part of the radiation 7 through a beam splitter 17 as a reference beam 19 decoupled. The reference beam 19 is then over another beam splitter 17 in front of the detector again with the radiation backscattered from the examination site 9 superimposed. This results in a Amplitude modulation of the detected intensity with the acoustic frequency Ω. From the acquired measurement signal (reference beam 19 and backscattered radiation 9 ) can thus be filtered by a frequency of the acoustic frequency Ω signal component with a lock-in technique. This measurement component corresponds to the light backscattered from the examination site in the highly localized near field, which is adjusted for other scattered parts.

3 zeigt in schematisierter Darstellung ein Beispiel für eine Anordnung zur Nahfeld-Detektion. Hierbei wird die Oberfläche der in diesem Beispiel transparenten Probe 8 am Untersuchungsort durch eine externe Lichtquelle 12, bspw. durch einen Laser, von unten beleuchtet. Das von dem Untersuchungsort gestreute Licht 9 wird über die Transmissionssonde 1 teilweise erfasst. Wie bereits weiter oben in Verbindung mit 1 erläutert, wird das eingesammelte Licht über das akustische Fasergitter 4 in einen der LP01-Grundmodi gewandelt und zum Detektor 11 geführt. Alle Nicht-Grundmodi können durch geeignete Moden-Stripper aus dem zwischen dem Gitter und dem Detektor liegenden Teil der Faser entfernt werden. Durch das akustische Fasergitter 4 ist das erfasste Licht nach der Umwandlung in einen der Grundmodi um die akustische Frequenz Ω frequenzverschoben. Im Detektor 11 kann daher dieser Signalanteil in gleicher Weise gefiltert werden, wie bereits in Verbindung mit der Detektion bei der Nahfeld-Beleuchtung erläutert. Streulicht, das nicht der Bedingung für die Konvertierung im akustischen Fasergitter 4 entspricht, wird nicht umgewandelt und damit auch nicht frequenzverschoben, so dass der Detektor wiederum eine Schwebung mit der akustischen Frequenz Ω detektiert und daraus die entsprechende frequenzverschobene Komponente extrahiert werden kann. 3 shows a schematic representation of an example of an arrangement for near-field detection. Here, the surface of the sample transparent in this example becomes 8th at the examination site by an external light source 12 , for example by a laser, illuminated from below. The light scattered from the examination site 9 is via the transmission probe 1 partially recorded. As mentioned above in connection with 1 explained, the collected light through the acoustic fiber grating 4 converted to one of the LP01 basic modes and to the detector 11 guided. All non-fundamental modes may be removed by appropriate mode strippers from the portion of the fiber between the grating and the detector. Through the acoustic fiber grating 4 the detected light is frequency shifted by the acoustic frequency Ω after the conversion into one of the basic modes. In the detector 11 Therefore, this signal component can be filtered in the same way, as already explained in connection with the detection in the near-field illumination. Stray light that is not the condition for conversion in the acoustic fiber grating 4 corresponds, is not converted and thus not frequency shifted, so that the detector again detects a beat with the acoustic frequency Ω and from this the corresponding frequency-shifted component can be extracted.

Sowohl bei der Nahfeld-Beleuchtung als auch bei der Nahfeld-Detektion können in einer Ausgestaltung des Verfahrens zwei akustische Fasergitter hintereinander erzeugt werden. Diese werden so dimensioniert, dass sie die weiter oben beschriebene zueinander senkrechte Wirkung auf die Faser haben. Dadurch kann eine polarisationsunabhängige Umwandlung allen Lichtes von LP01-Modi zu TM01-Modi und umgekehrt erreicht werden. Die beiden Gitter werden in einer doppelbrechenden Faser mit unterschiedlichen akustischen Frequenzen erzeugt.Both in the near-field illumination and in the near-field detection, in one embodiment of the method, two acoustic fiber gratings can be generated one behind the other. These are dimensioned so that they have the mutually perpendicular effect on the fiber described above. This allows polarization-independent conversion of all light from LP01 modes to TM01 modes and vice versa. The two gratings are produced in a birefringent fiber with different acoustic frequencies.

In einer weiteren Ausgestaltung wird eine Spezialfaser mit doppelbrechender Struktur genutzt. Dies kann bspw. eine elliptische oder generell eine nicht kreissymmetrische Struktur sein. Durch die elliptische Struktur werden die HE21-Modi, die in einer kreissymmetrischen Faser entartet sind, aufgespalten in die Modi HE21evenelliptic und HE21oddelliptic. Die Modi TM01elliptic und HE21oddelliptic entsprechen in der Summe wieder dem TM01-Modus einer kreissymmetrischen Faser, wobei TM01elliptic und HE21oddelliptic verschiedene Ausbreitungskonstanten haben. Beim Übergang von Strahl B3 zu Strahl B4 (vgl. 1) koppelt der TM01-Modus aus der Spitze hauptsächlich in die Modi HE21oddelliptic und TM01elliptic. Diese können einzeln detektiert werden, indem ein zusätzliches akustisches Fasergitter benutzt wird. Das erste akustische Fasergitter wird auf resonante Kopplung zwischen HE11even und TM01elliptic und das zweite auf resonante Kopplung zwischen HE11odd und HE21oddelliptic eingestellt. Durch gezielte Anpassung der Stärke der beiden Gitter über die akustische Anregung kann die relative Intensität der Modi TM01elliptic und HE21oddelliptic eingestellt werden, um eine möglichst hohe Transmission durch die Spitze zu erreichen. Damit lassen sich bspw. Abweichungen von einer perfekten Kegelform der Spitze korrigieren.In a further embodiment, a special fiber with birefringent structure is used. This may be, for example, an elliptical or generally non-circularly symmetrical structure. The elliptical structure splits the HE21 modes degenerate into a circularly symmetric fiber into HE21evenelliptic and HE21oddelliptic modes. The TM01elliptic and HE21oddelliptic modes are in sum equal to the TM01 mode of a circularly symmetric fiber, with TM01elliptic and HE21oddelliptic having different propagation constants. During the transition from beam B3 to beam B4 (cf. 1 ), the tip TM01 mode mainly couples to the HE21oddelliptic and TM01elliptic modes. These can be detected individually using an additional acoustic fiber grating. The first acoustic fiber grating is tuned to resonant coupling between HE11even and TM01elliptic and the second to resonant coupling between HE11odd and HE21oddelliptic. The relative intensity of the TM01elliptic and HE21oddelliptic modes can be adjusted by deliberately adjusting the strength of the two grids over the acoustic excitation, in order to achieve the highest possible transmission through the tip. Thus, for example, deviations from a perfect conical shape of the tip can be corrected.

Bei der Nahfeld-Detektion kann auch ein Core-Mode-Blocker eingesetzt werden, um LP01-Licht aus dem Strahl B3 zu entfernen (vgl. 1). Anschließend wird der TM01-Modus durch das akustische Fasergitter 4 in einen LP01-Modus gekoppelt, der vom Detektor erfasst wird. Alle anderen LP11-Anteile lassen sich durch Mode-Stripper entfernen. Dadurch kann der TM01-Modus aus der Spitze selektiv gemessen werden.In near-field detection, a core-mode blocker can also be used to remove LP01 light from the beam B3 (cf. 1 ). Subsequently, the TM01 mode becomes the acoustic fiber grating 4 coupled into an LP01 mode, which is detected by the detector. All other LP11 components can be removed by Mode Stripper. This allows the TM01 mode to be selectively measured from the tip.

Durch das akustische Fasergitter lässt sich auch ein optischer Filter realisieren, um bspw. Fluoreszenzsignale oder Raman-verschobene Signale mit einer anderen Wellenlänge zu detektieren. Die Beleuchtungswellenlänge sei hierbei λ1, die gewünschte Messwellenlänge sei λ2. Die Gitterresonanz zwischen dem TM01-Modus aus dem Strahl B3 auf den HE11even-Modus im Strahl B4 wird auf die Wellenlänge λ2 eingestellt. Dies erfolgt durch Erzeugung des akustischen Fasergitters 4 mit einer akustischen Frequenz Ω passend zur Resonanz bei der Wellenlänge λ2. Die vom Strahl B3 kommenden HE11-Modi der Wellenlänge λ1 werden damit durch das Gitter nicht in den TM01-Modus gekoppelt. Alle LP11-Modi im Strahl B4 werden durch Mode-Stripper entfernt. Es wird nur noch Licht aus den LP01-Modi detektiert. Um die Anteile der LP01-Modi bei einer Wellenlänge bei λ1 aus dem Strahl B3 zu entfernen, kann wieder ein Core-Mode-Blocker verwendet werden.The optical fiber grating can also be used to realize an optical filter in order, for example, to detect fluorescence signals or Raman-shifted signals having a different wavelength. Let the illumination wavelength be λ1, the desired measurement wavelength λ2. The grating resonance between the TM01 mode from the beam B3 and the HE11even mode in the beam B4 is set to the wavelength λ2. This is done by generating the acoustic fiber grating 4 with an acoustic frequency Ω matching the resonance at the wavelength λ2. The coming of the beam B3 HE11 modes of wavelength λ1 are thus not coupled by the grid in the TM01 mode. All LP11 modes in beam B4 are removed by mode stripper. Only light from the LP01 modes is detected. In order to remove the portions of the LP01 modes at a wavelength at λ1 from the beam B3, again a core-mode blocker can be used.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren ist auch eine gleichzeitige Nahfeld-Detektion und Nahfeld-Beleuchtung möglich, wie sie in 4 beispielhaft schematisch dargestellt ist. In dieser Variante erfolgen sowohl die Beleuchtung als auch die Detektion durch die Spitze der Transmissionssonde 1. Dadurch wird keine externe Optik benötigt, was ein wesentlicher Vorteil dieser Methode ist. Die grundsätzlichen Abläufe sind identisch denen der Nahfeld-Beleuchtung und Nahfeld-Detektion. Im Beispiel der 4 wird die vom Laser 6 kommende Strahlung 7 über einen faseroptischen Strahlteiler zunächst in zwei Faserzweige aufgeteilt. Die Strahlung in einem der Faserzweige dient als Referenzstrahlung 19. Der andere Faserzweig führt die Strahlung 7 über einen faseroptischen Zirkulator 21 und die Sondenfaser 22 zur Transmissionssonde 1. Aus dem Nahfeld 5 rückgestreute Strahlung 9 wird dann über den faseroptischen Zirkulator 21 und einen weiteren Faserabschnitt zu einem zweiten faseroptischen Strahlteiler 20 geführt und dort mit dem Referenzstrahl 19 überlagert. Die beiden Faserzweige führen in diesem Beispiel zu zwei getrennten Detektoren 11, die beide zur Messung genutzt werden können. Die beiden Detektoren erhalten jeweils einen Anteil des Messsignals, das in diesem Beispiel mit der doppelten akustischen Frequenz moduliert ist und entsprechend gefiltert werden kann.In the proposed method, a simultaneous near-field detection and near-field illumination is possible, as in 4 is shown schematically by way of example. In this variant, both the illumination and the detection are carried out by the tip of the transmission probe 1 , As a result, no external optics is needed, which is a major advantage of this method. The basic processes are identical to those of near-field illumination and near-field detection. In the example of 4 will be the one from the laser 6 coming radiation 7 initially divided into two fiber branches via a fiber optic beam splitter. The radiation in one of the fiber branches serves as reference radiation 19 , The other fiber branch carries the radiation 7 via a fiber optic circulator 21 and the probe fiber 22 to the transmission probe 1 , From the near field 5 backscattered radiation 9 is then over the fiber optic circulator 21 and another fiber section to a second fiber optic beam splitter 20 guided and there with the reference beam 19 superimposed. The two fiber branches lead in this example to two separate detectors 11 that can both be used for measurement. The two detectors each receive a portion of the measurement signal, which in this example is modulated at twice the acoustic frequency and can be filtered accordingly.

5 zeigt schließlich noch ein Beispiel für die Erzeugung des akustischen Fasergitters mit Hilfe eines Piezoelementes. Hierzu wird an eine Stelle der Faser 2 über einen Aluminiumkegel 13, der ein akustisches Horn bildet, ein Piezoelement 14 gekoppelt, der über eine elektrische Ansteuerschaltung 15 zur Erzeugung akustischer Schwingungen angeregt wird. Die Schwingungen werden durch über den Aluminiumkegel 13 auf die Faser 2 übertragen und erzeugen dort die sich mit der akustischen Frequenz ausbreitenden Biegewellen 16, die in der Figur schematisch angedeutet sind. Durch geeignete Wahl der akustischen Frequenz und der Stärke dieser Biegeschwingungen lässt sich das gewünschte akustische Fasergitter erzeugen. Durch den Einsatz von akustischen Dämpfungselementen beidseitig des erzeugten Gitters lässt sich die akustische Schwingung auf diesen Bereich der Faser begrenzen. 5 Finally, shows an example of the generation of the acoustic fiber grating using a piezoelectric element. This is done to a point of the fiber 2 over an aluminum cone 13 which forms an acoustic horn, a piezo element 14 coupled, via an electrical drive circuit 15 is excited to generate acoustic vibrations. The vibrations are transmitted through the aluminum cone 13 on the fiber 2 transmitted there and generate the propagating with the acoustic frequency bending waves 16 , which are indicated schematically in the figure. By suitable choice of the acoustic frequency and the strength of these bending vibrations, the desired acoustic fiber grating can be produced. Through the use of acoustic damping elements on both sides of the generated grid, the acoustic oscillation can be limited to this area of the fiber.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: Transmissionssondetransmission probe
22: Spezialfaserspecial fiber
33: Faserspitzefiber tip
44: akustisches Fasergitteracoustic fiber grating
55: Nahfeldnear field
66: Laserlaser
77: optische Strahlungoptical radiation
88th: Probesample
99: rückgestreute bzw. transmittierte Strahlungbackscattered or transmitted radiation
1010: optisches Systemoptical system
1111: Detektordetector
1212: externe Lichtquelleexternal light source
1313: Aluminiumkegelaluminum cone
1414: Piezoelementpiezo element
1515: elektrische Ansteuerschaltungelectrical drive circuit
1616: akustische Biegewelleacoustic bending wave
1717: Strahlteilerbeamsplitter
1818: Spiegelmirror
1919: Referenzstrahlreference beam
2020: faseroptischer Strahlteilerfiber optic beam splitter
2121: faseroptischer Zirkulatorfiber optic circulator
2222: Sondenfaserprobe fiber

Claims

Method for optical near-field measurement with transmission probes, in particular for near-field optical microscopy or near-field spectroscopy, in which - an examination site with optical radiation ( 7 ) and backscattered radiation from the site of the investigation ( 9 ) with an optical detector ( 11 ), - the optical radiation ( 7 ) by a transmission probe ( 1 ) to the examination site and / or the backscattered radiation ( 9 ) via the transmission probe ( 1 ) to the detector ( 11 ), - as a transmission probe ( 1 ) an optical fiber ( 2 ) with a metallic or metallic coated tip ( 3 ) is used, in which at least one basic mode of the in the direction of the tip ( 3 ) propagating optical radiation ( 7 ) by a long-period fiber grating ( 4 ) in at least one higher mode or at least one higher mode in the direction of the detector ( 11 ) propagating backscattered radiation ( 9 ) is converted into at least one basic mode, wherein the higher mode has a relation to the basic mode increased transmission of the optical radiation through the tip ( 3 ), - the long-period fiber grating ( 4 ) is generated acoustically and - in the detection one from the acoustic generation of the fiber grating ( 4 ) resulting frequency shift through the fiber grating ( 4 ) propagated optical or backscattered radiation ( 7 . 9 ) is used to reflect the radiation backscattered from the site ( 9 ) to distinguish from other radiation.

Method according to claim 1, characterized in that the fiber grating ( 4 ) through one along a portion of the fiber ( 2 ) propagating acoustic bending wave ( 16 ) is produced.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that the higher mode is a radially polarized mode with antisymmetric field distribution with respect to a beam axis of the optical radiation ( 7 ).

Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that the higher mode is an LP11 mode, in particular a TM01 mode.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the detection of a beating one with the detector ( 11 ) Measuring signal is filtered out with an acoustic frequency with which the fiber grating ( 4 ) was generated.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the fiber grating ( 4 ) is periodically switched on and off during the measurement and the detection takes place with a lock-in technique.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that as optical fiber ( 2 ) a fiber with a birefringent fiber core is used with an elongated, in particular elliptical cross-section and another long periodic fiber grating is acoustically generated, the one with respect to the first fiber grating ( 4 ) vertical effect on the modes of the fibers ( 2 ) has propagating radiation.

A method according to claim 7, characterized in that the two fiber gratings are adjusted so that by the first fiber grating ( 4 ) a resonant coupling between a TM01elliptic and a HE11even mode and through the second fiber grating a resonant coupling between a HE21oddelliptic and a HE11odd mode occurs.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that a further long-period fiber grating is generated acoustically, the one with respect to the first fiber grating ( 4 ) vertical effect on the modes of the fibers ( 2 ) has propagating radiation.

Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that the relative intensity of the two fiber gratings is adjusted so that a maximum transmission of the optical radiation ( 7 ) through the top ( 3 ).

A method according to claim 1, characterized in that the examination site with optical radiation ( 7 ) of a first wavelength and the radiation backscattered from the examination site ( 9 ) via the transmission probe ( 1 ) to the detector ( 11 ), wherein the fiber grating ( 4 ) for conversion from the higher mode to the basic mode to a second wavelength to detect fluorescence signals or Raman shifted signals of the second wavelength induced by the optical radiation at the examination site.