DE102014005219A1

DE102014005219A1 - Verfahren und System zum Bilden einer optischen Falle

Info

Publication number: DE102014005219A1
Application number: DE102014005219.2A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2015-10-01

Abstract

Verfahren zum Erzeugen einer optischen Falle mittels einer Anordnung von mindenstens zwei Nahfeldspitzen, dadurch gekennzeichnet, dass (a) durch die selektive elektromagnetische Anregung der Nahfeldspitzen Nahfelder an der Spitze erzeugt werden und (b) die Nahfelder so überlagert werden, dass ein Intensitätsminimum entsteht, welches als optische Falle dient.

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und System zum Bilden einer optischen Falle, welche Objekte mittels Dipolkräften (Gradientenkräften) in einem Intensitätsminimum fangen kann. Das Intensitätsminimum wird durch Nahfelder erzeugt und kann in seiner Ausdehnung unterhalb der Beugungsgrenze liegen. Die gefangenen Objekte können hierbei mit den nahfelderzeugenden Elementen der optischen Falle in Wechselwirkung treten, wodurch diese Wechselwirkungen manipulierbar werden.
Stand der Technik
Die Darlegung des aktuellen Standes der Technik erfolgt in drei Teilen. Im ersten Teil wird Bezug auf die Grundlagen der optischen Kräfte genommen, im 2. Teil wird der Stand der Technik optischer Fallen dargelegt und der 3. Teil bespricht den Stand der Technik im Bereich der plasmonischen Nahfeldspitzen, unter anderem auch die Kopplung von Emittern an diese.
Optische Potentiale kommen durch Dipolkräfte zustande. Durch ein äußeres Lichtfeld kann ein Objekt polarisiert werden und in Abhängigkeit von der Verstimmung des anregenden Lichts, steht das induzierte Dipolmoment parallel (rotverstimmt) oder antiparallel (blauverstimmt) zum anregenden Lichtfeld. Im blauverstimmten Fall entstehen Kräfte, welche das polarisierte Objekt hin zu Orten minimaler Feldintensität treiben. Eine einfache Möglichkeit eine Dipolfalle zu erzeugen ist die Bildung einer stehenden Welle durch Überlagerung zweier entgegengesetzt propagierender Strahlen gleicher Wellenlänge. In diesem Fall beträgt die räumliche Ausdehnung in einer Raumrichtung ca. eine halbe Wellenlänge und ist somit beugungsbegrenzt.
Es ist bekannt, dass die Beugungsgrenze durch die Existenz von evaneszenten Nahfeldern, wie sie in der Nähe von Nanoobjekten entstehen, überwunden werden kann. Diese evanszenten Felder treten z. B. an dielektrischen Grenzflächen auf, oder aber auch an Strukturen die so genannte Oberflächenplasmonen ausbilden können (z. B. metallische Strukturen). Diese Nahfelder sind auch dazu geeignet Mikrofallen zu erzeugen, wie z. B. G Sagué u. a. "Blue-detuned evanescent field surface traps for neutral atoms based an mode interference in ultrathin optical fibres". In: New Journal of Physics 10.11 (2008), S. 113008 gezeigt hat, kann im evaneszenten Feld einer optischen Faser eine Atomfalle durch ein Intensitätsminimum erzeugt werden. Das gefangene Atom in diesem Aufbau kann zudem optisch an die Faser koppeln, wodurch eine Anregung und das Auslesen der Emission ermöglicht werden.
Seit einigen Jahren gibt es Bestrebungen die Nahfelder in der Nähe von Nanostrukturen für die Erzeugung von optischen Fallen zu nutzen, siehe Mathieu L Juan u. a. "Plasmon nano-optical tweezers". In: Nature Photonics 5.6 (2011), S. 349–356 (Dokument [2]). Das Fangen von dielektrischen Teilchen mittels Nahfeldern wurde bereits vor längerem untersucht und wird seit einiger Zeit umgesetzt, siehe z. B. Dokument [2]. Im Gegensatz zu den meisten dieser Verfahren, bei denen das Fallenpotential durch ein Intensitätsmaximum erzeugt wird, wird in der vorliegenden Erfindung die Fallenerzeugung mittels eines Intensitätsminimums betrachtet.
V. V. Klimov u. a. "Laser nanotraps and nanotweezers for cold atoms: 3D gradient dipole force trap in the vicinity of scanning near-field optical microscope tip". In: Optics Communications 259.2 (2006), S. 883–887 haben die Möglichkeit der Erzeugung einer Falle in der Nähe einer Nahfeldspitze eines optischen Rasternahfeldmikroskops untersucht und konnten durch die Einführung eines vereinfachten Zwei-Dipolmodells (Felder unterhalb der Spitze werden durch einen elektrischen und einen magnetischen Dipol modelliert) zu bestimmten Bedingungen für die erfolgreiche Erzeugung einer Dipolfalle gelangen. D. E. Chang u. a. "Trapping and Manipulation of Isolated Atoms Using Nanoscale Plasmonic Structures'. In: Phys. Rev. Lett. 103 (12 2009), S. 123004 haben einen Aufbau untersucht in dem eine Überlagerung einer anregenden ebenen Welle und dem zugehörigen Streufeld einer Silberspitze ein Intensitätsminimum in der Nähe der Silberspitze erzeugt wurde. Sie kamen zu dem Schluss, dass dieser Aufbau für das Fangen von neutralen Atomen geeignet ist. Wang Zheng-Ling u. a. "Nanoscale guiding for cold aoms based an surface plasmons along the tips of metallic wedges". In: Chinese Physics B 22.7 (2013), S. 073701 (Dokument [5]) haben die Möglichkeit der Erzeugung einer Falle durch die Anregung einer keilförmigen Struktur durch eine ebene Welle untersucht und zeigten, dass hierbei ein Intensitätsminimum zwischen den Spitzen erzeugbar ist. Desweiteren wurde auch die Möglichkeit untersucht Fallenpotentiale an plasmonischen Nanokugeln zu erzeugen (M. Gullans u. a. "Nanoplasmonic Lattices for Ultracold Atoms". In: Phys. Rev. Lett. 109 (23 2012), S. 235309). Hierbei erfolgt die Anregung der Nanokugeln im Frequenzbereich oberhalb der lokalen Plasmonenresonanz, wodurch das induzierte Dipolmoment in der Kugel antiparallel zum anregenden Feld steht und es so durch Überlagerung mit der ebenen Welle zu einem Intensitätsminimum kommt.
Oberflächenplasmonen sind propagierende Ladungsdichtewellen, die ein räumlich begrenztes elektromagnetisches Feld in der Nähe der plasmonischen Struktur aufweisen können und die z. B. mittels strukturierter Oberflächen auch an freie Strahlung koppeln können. Wie Mark I. Stockman. "Nanofocusing of Optical Energy in Tapered Plasmonic Waveguides". In: Phys. Rev. Lett. 93 (13 2004), S. 137404 (Dokument [7]) gezeigt hat, können Plasmonen, welche auf einer plasmonischen Spitze hin zum spitzen Ende propagieren, am Apex zu enormen lokalen elektrischen Feldern führen. Diese Felder gehen mit sehr hohen räumlichen Frequenzen in den elektromagnetischen Feldkomponenten einher. Die Fokussierung von Oberflächenplasmonen ist hierbei nicht auf einen schmalen optischen Wellenlängenbereich limitiert, sondern kann auch im Mikrowellenbereich erfolgen, siehe Stefan A. Maier u. a. "Terahertz Surface Plasmon-Polariton Propagation and Focusing an Periodically Corrugated Metal Wires". In: Phys. Rev. Lett. 97 (17 2006), S. 176805. Die Anregung solcher Plasmonen kann z. B. durch eine Gitter-Kopplung erfolgen, wie sie z. B. durch C. Ropers u. a. "Grating-Coupling of Surface Plasmons onto Metallic Tips: A Nanoconfined Light Source". In: Nano Lett. 7.9 (2007), S. 2784–2788 oder auch von F. I. Baida u. a. "Superfocusing and Light Confinement by Surface Plasmon Excitation Through Radially Polarized Beam". In: Plasmonics 4.1 (2009), S. 51–59 (Dokument [10]) gezeigt wurde. Diese Spitzen finden unter anderem Anwendung in der optischen Rasternahfeldmikroskopie (SNOM). In die Gruppe dieser plasmonischen Nahfeldspitzen fallen auch aperturlose Nahfeldspitzen, welche aus spitz zulaufenden optische Fasern bestehen und deren spitz zulaufender Teil metallisch beschichtet ist, siehe:

• A. Bouhelier u. a. "Plasmon-coupled tip-enhanced near-field optical microscopy". In: Journal of Microscopy 210.3 (2003), S. 220–224
• W. Ding u. a. "Internal excitation and superfocusing of surface plasmon polaritons an a silver-coated optical fiber tip". In: Phys. Rev. A 75 (6 2007), S. 063822 und
• J Barthes u. a. "A coupled lossy local-mode theory description of a plasmonic tip". In: New Journal of Physics 14.8 (2012), S. 083041).

Bei diesen Nahfeldspitzen kann eine geführte Mode der optischen Faser an ein Plasmon der Beschichtung koppeln, welches dann zum Apex propagiert. Ähnliches lässt sich auch mit metallisch beschichteten Glasspitzen (oder auch Festkörperimmersionslinsen) erreichen, siehe z. B. H G Frey u. a. "Optimized apertureless optical near-field probes with 15 nm optical resolution". In: Nanotechnology 17.13 (2006), S. 3105. Diese werden durch eine äußere Beleuchtung angeregt. Eine weitere Form einer plasmonischen Nahfeldspitze lässt sich durch die optische Kopplung einer optischen Faser mit einer aufgesetzten metallischen Spitze bewerkstelligen, siehe Xue-Wen Chen u. a. "Highly EfFi-cient Interfacing of Guided Plasmons and Photoas in Nanowires". In: Nano Letters 9.11 (2009), S. 3756–3761 (Dokument [15]). Daneben ist auch der Einsatz von anderen, nicht rotationssymmetrischen Nahfeldspitzen ebenfalls möglich, wie z. B. pyramidenförmigen Nahfeldspitzen, siehe Nathan C. Lindquist u. a. "Three-Dimensional Plasmonic Nanofocusing". In: Nano Letters 10.4 (2010), S. 1369–1373 (Dokument [16]).
Im Falle von radialsymmetrischen Spitzen sollten auch besonders die Eigenschaften der sogenannten TM₀ Plasmonmode erwähnt werden. Diese kann nämlich ohne cutoff (Grenzquerschnitt) zum Apex der Nahfeldpitze propagieren. Hierdurch ist ein großer Teil der Feldenergie im Nahfeld am Apex enthalten, wobei nur ein kleiner Teil in Fernfeld emittiert wird (siehe Dokument [7]).
Aufgrund der elektromagnetischen Reziprozität wird eine plasmonische Spitze, die ein sehr hohes Nahfeld am Apex aufweist, auch eine gute Kopplung an das Nahfeld eines in der Nähe befindlichen Emitters haben. In der Nähe einer Spitze ist die Emissionsverstärkung sehr hoch, wobei der bevorzugte Zerfallskanal der optischen Energie des Emitters (Moden des freien Feldes, Plasmonenmoden oder dissipative Moden (lossy modes)) abhängig von dem Abstand zur Spitze ist, siehe Nader A. Issa u. a. "Fluorescence near metal tips: The roles of energy transfer and surface plasmon polaritons". In: Opt. Express 15.19 (2007), S. 12131–12144 (Dokument [17]). Die optische Strahlung von Einzel-Emittern lässt sich manipulieren, indem ein Großteil der spontanen Emission in geführte Moden übergehen kann, siehe Dokument [17] und auch A. V. Akimov u. a. "Method of efficient coupling of light with single-photon emitter". Pat. PCT/US2008/076906. 2007.
Problemfeststellung
Der Anmelder der vorliegenden Erfindung hat folgende Probleme bei den bisherigen Lösungen der Erzeugung von optischen Fallen mittels Nanostrukturen und der Kopplung an diese Strukturen festgestellt.
Für die Erzeugung eines Intensitätsminimums, bei der eine Nanostruktur durch ein äußeres Feld angeregt wird, ist die Fallenposition durch die Geometrie und die dielektrische Permittivität festgelegt. D. h. nach Herstellung der Struktur sind das Fallenvolumen und die Fallenposition fest und können nicht verändert werden.
Bisherige Verfahren zur Fallenerzeugung mittels Nanostrukturen beruhen auf Erzeugung von Streufeldern, die aber stets abhängig von der Anregung sind und somit nicht unabhängig steuerbar sind, d. h. Erhöhung von Anregungsintensität und/oder Veränderung der Phase verändert/verändern nicht die Fallenposition oder das Fallenvolumen.
Da für die Fallenerzeugung vorwiegend die Nahfelder der gestreuten Strahlung genutzt werden, ist es schwierig festzustellen, ob die Bedingungen für eine Fallenerzeugung erfüllt sind, d. h. es fehlt eine Rückkopplung, welche Auskunft über die lokalen Felder gibt.
Die Kopplung eines gefangenen Emitters ist stark vom Abstand zur Nanostruktur abhängig und ist somit bei fester Fallenposition nicht beeinflussbar.
Die Anregung der Nahfeldspitzen im Modell vorgeschlagen in Dokument [5], führt zwar zu einem Minimum der Intensitätsverteilung zwischen den Spitzen, jedoch nicht zur vollständigen destruktiven Interferenz und somit weist die optische Falle nicht ideale Eigenschaften auf. Insbesondere ist die Fallentiefe nicht sehr hoch.
Für die optische Anregung von Nanostrukturen sind äußere Anregungen in Betracht gezogen worden, d. h. die Größe des Aufbaus muss stets optische Elemente wie Linsen unterbringen können. Insbesondere in Vakuumkammern führt das zu zusätzlichen Anforderungen an den optischen Aufbau.
Aufgabenstellung
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird in nachfolgenden Beispielen unter Bezugnahme auf folgende Zeichnungen beschrieben und erläutert:
zeigt die resultierenden elektrischen Feldlinien zweier antiparallel ausgerichteter Dipole. Die Orte der Dipole und die Dipolausrichtungen sind anhand von Pfeilen gekennzeichnet.
: Numerische Simulation der Feldintensität zwischen zwei Goldspitzen, bei denen die Nahfeldpitzen mit einer gleichphasigen Plasmonenmode gleicher Intensität angeregt wurden.
: Numerische Simulation der Feldintensität zwischen zwei Goldspitzen, bei denen die Nahfeldpitzen mit Plasmonenmoden unterschiedlicher Intensität und Phase angeregt wurden.
: Numerische Simulation der Feldintensität analog zu , bei dem der Spitzenabstand von 200 nm auf 100 nm verringert wurde.
: Numerische Simulation der Feldintensität zwischen zwei Goldspitzen, bei denen die Nahfeldpitzen mit gegenphasigen Plasmonenmoden gleicher Intensität angeregt wurden.
: Beispiele für Nahfeldspitzen geeignet für die Erzeugung einer Nahfeldfalle.
: Beispiel eines schematischen Aufbaus zur Erzeugung zweier Arme mit radial polarisierten Anregungsstrahlen.
: Beispiel eines schematischen Aufbaus zur Erzeugung einer optischen Falle mittels Nahfeldspitzen.
Definitionen verwendeter Begriffe
Wenn nicht anderweitig definiert, haben alle verwendeten wissenschaftlichen und technischen Bezeichnungen die gebräuchliche Bedeutung, verständlich für den Fachmann auf dem Gebiet der Erfindung.
Der Artikel „ein” bezieht sich hierin auf ein oder mehr als eines des grammatikalischen Objekts, d. h. also mindestens eines.
Der verwendete Begriff „Nahfeldspitze” bezieht sich auf eine spitz zulaufende Struktur an deren Spitze evaneszente Nahfelder erzeugt werden können. Das schließt unter anderem folgende Objekte ein: Spitzen, die für die Rasternahfeldmikroskopie verwendet werden, spitz zulaufende Festkörperlinsen, metallische Nanospitzen aufgebracht auf optischen Fasern, etc..
Der verwendete Begriff „elektromagnetische Falle” oder „optische Falle” bezieht sich auf ein attraktives Kraftfeld, erzeugt durch elektromagnetische Wellen, ausgehend von einer Anordnung von Nahfeldspitzen. Diese Falle dient dem physikalischen Halten und Manipulieren von atomaren, nanoskopischen oder auch mikroskopischen Objekten.
Der verwendete Begriff „Festkörperlinse” bezieht sich auf optische Linsen aus transparentem, lichtbrechendem Material. Das schließt auch Festkörperimmersionslinsen oder Glasspitzen ein.
Der verwendete Begriff „optischer Emitter” oder „Emitter” bezieht sich auf eine Quelle, welche im optischen Bereich elektromagnetischen Wellen aussendet.
Der verwendete Begriff „cutoff” bezieht sich auf einen Grenzquerschnitt bei optischen Fasern, unterhalb dessen propagierende Moden evaneszent werden.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen klarer verständlich. Diese Zeichnungen werden lediglich zur Veranschaulichung angegeben und sollen nicht auf die vorliegende Erfindung einschränkend ausgelegt werden. Insbesondere werden verschiedene Änderungen und Modifikationen innerhalb des Sinngehalts und Umfangs der Erfindung dem Fachmann auf dem Gebiet aus dieser ausführlichen Beschreibung offensichtlich sein.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erzeugung einer optischen Falle bereitzustellen, welches es ermöglicht die Form und Größe des Fallenvolumens zu verändern und auch die Fallenposition über einen weiten Bereich zu kontrollieren. Über die Steuerung der Fallenposition ist die elektromagnetische Kopplung an die Nahfeldspitzen manipulierbar und somit steuerbar. Über diese Kopplung kann eine optische Schnittstelle zu gefangenen Objekten realisiert werden.
Ein weiteres Ziel ist es, die Robustheit der Fallenerzeugung gegenüber geometrischen Fertigungsabweichungen zu erhöhen.
Darüber hinaus soll mit einer Realisierung dieses Verfahrens eine gleichzeitige Anregung des Emitters durch eine Überlagerung mit einer weiteren Photonenquelle anderer Wellenlänge ermöglicht werden, wobei eine Anregung unterhalb der Beugungsgrenze möglich ist. Dadurch kann eine räumlich hochselektive Anregung realisiert werden.
Die vorliegende Erfindung überwindet die oben genannten Unzulänglichkeiten, was im Nachfolgenden genauer ausgeführt wird.
Bevor die Erfindung in näheren Einzelheiten erklärt wird, soll zunächst das Konzept der Fallenerzeugung mittels elementarer, elektromagnetischer Quellen beschrieben werden. Betrachtet man das Feld zweier Dipole auf einer Zentralachse liegend und entlang dieser Achse ausgerichtet, wobei die Dipole antiparallel zueinander orientiert sind (Beispielhaft dargestellt in ) so erkennt man, dass es in der Mitte zwischen diesen Dipolen eine Stelle gibt, an der sich die Felder destruktiv überlagern. Das führt zu einem Minimum in der elektrischen Feldintensität, welches für die Erzeugung einer optischen Falle geeignet ist. Da diese Dipolfelder, sofern sie nahe beieinander liegen, hohen Nahfeldanteil besitzen können, kann das Minimum weit unterhalb der Beugungsgrenze liegen.
Es soll hierbei noch erwähnt werden, dass bei paralleler Ausrichtung der Dipole kein tatsächliches Minimum zustande kommt, sondern ein Sattelpunkt, bei dem auf der Achse zwischen den Dipolen ein Minumum ist, jedoch weist die Feldintensität in der Normalebene der Zentralachse in diesem Sattelpunkt ein Maximum auf.
Eine Grundlage der Erfindung ist die Erkenntnis, dass das Feld in der Umgebung einer Nahfeldspitze durch einen effektiven Dipol approximiert werden kann (Lukas Novotny u. a. "Principles of Nano-Optics". In: Principles of Nano-Optics, by Lukas Novotny and Bert Hecht, pp. 558. Cambridge University Press, June 2006. ISBN-10: 0521832241. ISBN-13: 9780521832243 1 (2006), S. 211). Bei einer äußeren Anregung (z. B. ebene Welle) lässt sich die Anregung des effektiven Dipols über Einführung einer Polarisierbarkeit beschreiben, d. h. das Streufeld ist proportional zum Anregenden Feld.
Nach Erkenntnis des Anmelders dieser Erfindung ist bei einer Nahfeldspitze, welche indirekt angeregt wird (z. B. durch ein einlaufendes Oberflächenplasmon auf der Nahfeldspitze, oder ein Feld im Inneren einer optischen Faser), das Feld unterhalb der Nahfeldspitze ebenfalls in Näherung gut durch einen Dipol darstellbar. Das erleichtert die konzeptuelle Vorstellung erheblich, obgleich das Modell nur eine Näherung ist und somit auch Grenzen in seiner Anwendbarkeit hat. Es ist hierbei noch sinnvoll zu erwähnen, dass im Gegensatz zu einer äußeren großflächigen Anregung der Nahfeldspitzen (z. B. durch eine ebene Welle), das Feld am Apex einer Nahfeldspitze durch diese Dipolfelder bestimmt ist und nicht eine Überlagerung mit dem anregenden Feld ist.
Verschiedene Ausführungsformen geeigneter Nahfeldspitzen sind in dargestellt. Alle Abbildungen zeigen einen Schnitt durch rotationssymmetrische Nahfeldspitzen. Pfeile zeigen hierbei den Fluss der optischen Anregung, welche in Form von geführten Moden, Plasmonenmoden oder auch freier optischer Strahlung vorliegt.
zeigt eine Realisierung mit zugespitzten optischen Fasern 3 mit einer Beschichtung 4 auf der Plasmonen angeregt werden können.
zeigt Nahfeldspitzen aus Vollmaterial 6 auf denen mittels eines Gitters 5 Fernfeldstrahlung an Oberflächenplasmonen koppeln kann, welche dann zum Apex propagieren können.
zeigt eine Realisierung mit zugespitzten optischen Fasern 7.
zeigt eine Glasspitze (oder auch Festkörperlinse) 8 mit einer Beschichtung 9 auf der Plasmonen angeregt werden können.
zeigt eine Realisierung, ähnlich zu der vorgeschlagen in Dokument [15]. Diese besteht aus optischen Fasern 11 auf denen metallische Spitzen 10 aufgebracht sind, auf denen Plasmonen angeregt werden können.
Für die Anregung der Nahfeldspitzen ist eine symmetrische Anregung mit transvers magnetischen Moden vorteilhaft, da damit der Fall realisiert wird, bei dem der angeregte Spitzendipol senkrecht steht. Ein Vorteil bei der Propagation von Plasmonenmoden ist, dass nur die symmetrische TM mode (Plasmonenmode) ohne cutoff bis zum Apex propagieren kann (Dokument [7]) und somit zu einem hohen Nahfeld führen kann. Diese Plasmonenmoden können sowohl auf den beschichteten Nahfeldspitzen, als auch auf den Nahfeldpitzen aus Vollmaterial propagieren. Im Falle einer unbeschichteten optischen Faser 7 oder unbeschichteten Immersionslinse 8 (ohne 9) hat die radialsymmetrische Anregung mittels TM Moden den Vorteil, dass am spitz zulaufenden Teil unterhalb eines gewissen Grenzwertradius die propagierende Welle innerhalb der Nahfeldspitze evaneszent wird. An der Grenzfläche des Apex stehen dann evaneszente Nahfelder zur Verfügung. Hierbei sind stumpfe Winkel der Spitze vorteilhaft, da damit die Propagationslänge vom Ort des Grenzwertradius zur Spitze kürzer ist und somit höhere Nahfelder am Apex möglich sind.
In einem einfachen Fall einer Fallenerzeugung, werden zwei Nahfeldspitzen umgeben von einem Medium oder im Vakuum so angeordnet, dass die erzeugten Dipolfelder entlang der Zentralachse der Spitzen ausgerichtet sind und antiparallel zueinander stehen. Modellhaft wird damit der Fall in realisiert. Die Phasenlage der Dipole lässt sich hierbei über die Phase der indirekten Anregung einer der Nahfeldspitzen steuern. Hierbei lässt sich dann ein Intensitätsminimum des elektrischen Feldes erzeugen, welches als optische Falle genutzt werden kann. Ist der Aufbau symmetrisch und die Anregungsintensität der Nahfeldpitzen gleich, so wird sich das Intensitätsminimum in der Mitte zwischen diesen Nahfeldpitzen befinden.
Beispielhaft ist das anhand einer dreidimensionalen numerischen Feldsimulation (Elektrodynamik) in dargestellt. Die Nahfeldspitzen (1,2) bestehen hierbei aus Gold und wurden jeweils mit einer TM₀ Plasmonenmode angeregt (Wellenlänge von 780 nm), welche zum Apex der Nahfeldspitze propagiert. Der Abstand zwischen den Spitzen betrug hierbei 200 nm und die Nahfeldspitzen befinden sich im Vakuum. Die normierte Feldintensität ist anhand von Kontourlinien dargestellt, welche eine logarithmische Skala mit Basis 2 verwenden (hier wurde zur besseren Darstellung lediglich der Bereich von 2⁰ bis 2⁸ dargestellt). Das erreichte Minimum der Feldintensität, welches als optische Falle genutzt werden kann, liegt bezüglich seiner Ausdehnung deutlich unterhalb der Beugungsgrenze, wie zu entnehmen ist.
Die Fallenausdehnung und auch die Form, lassen sich durch den Abstand der Nahfeldspitzen zueinander steuern. Liegen diese Nahfeldspitzen näher beieinander, so enhält das Nahfeld am Intensitätsminimum höhere räumliche Frequenzen und somit sind steilere Fallenpotentiale realisierbar.
Exemplarisch ist das anhand einer numerischen Simulation in dargestellt (ähnlich zur Simulation wie in angegeben), wobei der Abstand der Nahfeldspitzen von 200 nm auf 100 nm reduziert wurde. Die beschriebene Verkleinerung des Fallenvolumens und die Erhöhung der Fallensteilheit, sind anhand der Kontourlinien der Feldintensität deutlich erkennbar.
Als nächstes wird der Fall einer steuerbaren Fallenposition betrachtet. Nimmt man einen Aufbau von zwei angeregten Nahfeldspitzen und verringert die Anregung einer der Nahfeldspitzen, so kann, wenn zugleich die Phasenlage der Anregung angepasst wird, das erzeugte Minimum hin zur Nahfeldspitze mit der verringerten Anregungsintensität verschoben werden.
Beispielhaft ist das anhand einer numerischen Simulation (ähnlich wie in angegeben) in dargestellt. Hierbei wurde die Anregungsintensität auf zehn Prozent des ursprünglichen Wertes reduziert und eine Phasenverzögerung von 24° eingestellt. Die Darstellung der Feldintensität erfolgt wie für beschrieben. Das erreichte Minimum der Feldintensität liegt wie zuvor beschrieben näher an der Nahfeldspitze 2.
Damit das Intensitätsminimum zwischen den beiden Nahfeldpitzen auf den Wert Null sinkt, muss eine optimale Phasenverzögerung eingestellt werden. Weicht die eingestellte Phasenverzögerung von dem optimalen Wert ab, so äußert sich das u. a. dadurch, dass das Intensitätsminimum in seiner Tiefe abnimmt. Dies erlaubt es die Fallentiefe zu steuern.
Ist in einer der beschriebenen optischen Fallen ein Objekt gefangen, so wird durch die Präsenz der Nahfeldspitzen eine optische Manipulation der Objekte ermöglicht. Zu einem können die Nahfeldspitzen für eine optische Anregung des Objekts genutzt werden und zum anderen kann eine Kopplung der emittierten Nahfelder an die Nahfeldspitzen erfolgen. Ist also in einer der beschriebenen optischen Fallen ein Objekt gefangen, so kann man über adiabatische Anpassung der Anregung (Amplitude und Phase) die Fallenposition steuern und kann damit auch die Kopplung des Objekts an die Nahfeldspitzen verändern (wie in Dokument [17] beschrieben). Damit kann über die Einstellung der optimalen Entfernung zur Nahfeldspitze die gewünschte Kopplung verstärkt werden. Dabei sind die möglichen Kopplungskanäle, je nach Ausführung der Nahfeldspitze, Oberflächenplasmonen, freie Strahlung (u. a. Antenneneffekt der Nahfeldspitze) oder geführte Moden in optischen Fasern. Die Signale können dann mittels entsprechender Vorrichtungen, die dem Fachmann bekannt sind, ausgelesen werden.
Ist nun ein Objekt gefangen in der optischen Falle, so lässt sich dieses Objekt anregen über eine (oder mehrere) weitere Wellenlängen oder auch mittels optischer Pulse. Eine Art der Anregung kann hierbei über Fernfeldanregung erfolgen, d. h. es wird ein Feld fokussiert, wobei dieses allerdings beugungsbegrenzt ist. Eine Anregung die unter die Beugungsgrenze kommt, lässt sich über die Nahfeldspitzen bewerkstelligen. Dazu werden diese bevorzugt so angeregt, dass an der Fallenposition ein nicht verschwindendes Feld entsteht. Somit ist die Methode z. B. für die Spektroskopie von gefangenen Objekten geeignet.
Für eine symmetrische Anordnung von Nahfeldspitzen, wie z. B. in dargestellt, ist eine Anregung der Nahfeldspitzen geeignet, bei der eine Nahfeldspitze mit einem Phasenversatz von 180° betrieben wird. Modellhaft wird hierdurch der Fall realisiert, wie zuvor beschrieben, bei dem zwei Dipole parallel zueinander schwingen. Hierdurch kann dann an der Fallenposition ein Sattelpunkt der Feldintensität erzeugt werden, der für die Anregung genutzt werden kann. Die Sattelfläche der Feldintensität liegt hierbei so, dass in vertikaler Richtung (hin zu den Nahfeldspitzen) das Feld ansteigt und in lateraler Richtung das Feld abfällt. Aufgrund der hohen räumlichen Frequenzen des Nahfelds kann die Halbwertsbreite der Feldintensität in lateraler Richtung (Normalebene zur Zentralachse) hierbei deutlich unterhalb der Beugungsgrenze liegen und ermöglicht somit eine räumlich hochselektive Anregung.
Exemplarisch ist das anhand einer numerischen Simulation (ähnlich wie in angegeben) in dargestellt. Hierbei wurde eine Phasenverzögerung des anregenden Oberflächenplasmons von 180° eingefügt. Die Darstellung der Feldintensität erfolgt gemäß der Beschreibung für . Der Sattelpunkt liegt wie zuvor beschrieben an der Fallenposition bei gleichphasiger Anregung der Nahfeldspitze (Vergleich auch ). Soll sich der Sattelpunkt der Anregung nicht mittig zwischen den Nahfeldspitzen befinden, so kann dies über die Anpassung der Anregung erfolgen, ähnlich wie in der Beschreibung für dargestellt.
Anhand der Veranschaulichung mittels parallel schwingender Dipole, bei denen es zwischen den Nahfeldspitzen zu einem Sattelpunkt der Feldintensität kommt, kann das aufgeführte Problem der nicht vollständigen destruktiven Interferenz in Dokument [5] nachvollzogen werden. Aufgrund der Polarisation einer ebenen Welle werden im vereinfachten Modell in den Keilen Dipolmomente angeregt, welche auf einer Achse liegen und parallel zueinander schwingen. Wie auch den Resultaten von Dokument [5] zu entnehmen ist entsteht so eine Sattelfläche der Feldintensität zwischen den Nahfeldspitzen. Die Möglichkeit der Anregung zweier antiparalleler Dipole, durch Steuerung der Phasenlage der Anregung, wie sie in der vorliegenden Erfindung dargelegt ist, lässt die Erzeugung eines echten Feldminimums zu und führt somit zu verbesserten Falleneigenschaften.
Die Lage der Nahfeldspitzen lässt sich über eine optische Rückkopplung erfassen. Dies wird anhand von numerischen Simulationen dargelegt werden. In einem ähnlichen Modell gemäß des Modells in , in dem Nahfeldspitze 2 unangeregt ist, beträgt der Transmissionskoeffizient des Oberflächenplasmons ca. 0.3 und der Reflexionskoeffizient ca. 0.3 (als Transmission wird hier der Koeffizient der auslaufenden Plasmonenmode auf Nahfeldspitze 2 genommen). D. h. in diesem Fall werden rund 9% der Energie des anregenden Plasmons in der reflektierten Mode auf Nahfeldspitze 1 und auch in der transmittierten Mode enthalten sein, welche auf Nahfeldpitze 2 propagiert. Ändert man den Abstand der Spitzen 1 und 2 auf 20 nm, so erhöht sich der Transmissionskoeffizient nun von 0.3 auf 0.44 und die Reflexion verringert sich von 0.3 auf 0.18, d. h. nun werden ca. 19% der Energie übertragen und nur ca 3% reflektiert. Über diese Rückkopplung ist es nun möglich zur Kenntniss über die Lage der Spitzen zueinander zu gelangen. Nutzt man dieses Signal als Eingang für eine Abstandssteuersschaltung, lässt sich leicht eine Rückkoplungsschleife herstellen, die eine genaue Steuerung des Abstands ermöglicht. Je nach Typ der verwendeten Nahfeldspitze wird das Auslesen dieses Signals über dem Fachmann bekannte Verfahren erfolgen. Die optische Rückkopplung und die Anpassbarkeit der Anregung ermöglichen es etwaige Fertigungsabweichungen der Nahfeldspitzen zu korrigieren, da mittels der Rückkopplungsschleife die Anregung angepasst werden kann. Diese Art von Rückkopplung lässt sich mit vielen Nahfeldspitzen erreichen und die Art der Detektion dieser Rückkopplung hängt von der verwendeten Nahfeldspitze ab. Zudem sei erwähnt, dass eine Lagenbestimmung durch Einsatz eines Scherkraft-Mechanismus, wie er in der Rasternahfeldmikroskopie bekannt ist, erfolgen kann.
Werden Objekte einer Probe in die Nähe einer optischen Falle des zuvor beschriebenen Typs gebracht, so können diese aufgrund der herrschenden Dipolkräfte gefangen werden. Diese Objekte können z. B. Nanopartikel oder Moleküle in einer stark verdünnten Lösung sein oder auch kalte Atome in einem Hochvakuum. Durch die Steuerung der Anregung der Nahfeldspitzen kann die Fallenposition verändert werden und somit ist auch die optische Kopplung an die Nahfeldspitzen veränderbar, d. h. die Emission in das Fernfeld und in geführte Moden kann beeinflusst werden. Insbesondere kann damit eine hohe Emissionsverstärkung des gefangenen Objekts bewirkt werden, da das Nahfeld des emittierenden Objekts optische Energie übertragen kann, z. B. in geführte Moden einer optischen Faser, geführte Moden einer plasmonischen Spitze (oder einer plasmonischen Beschichtung) oder auch in Moden innerhalb einer Festkörperlinse. Diese optische Energie kann dann über entsprechende Methoden ausgekoppelt werden.
1. Ausführungsbeispiel
Für die Erzeugung von elektromagnetischen Fallen wird hier der Fall radialsymmetrischer Nahfeldspitzen besprochen, jedoch soll dies nicht einschränkend ausgelegt werden. Zum Beispiel ist der Einsatz von pyramidenförmigen Nahfeldspitzen ebenfalls möglich, wie z. B. verwendet in Dokument [16]. Für die Anregung ist eine radialsymmetrische Anregung zu bevorzugen, d. h. im Falle von optischen Fasern sind das TM_0n, Moden. Die TM₀₁ Mode hat den Vorzug den kleinsten cutoff Radius aufzuweisen und ist geeignet für eine effiziente Ankopplung an ein Plasmon, das auf der äußeren Beschichtung zur Nahfeldspitze propagiert. Im Falle des Einsatzes einer Feskörperlinse 8 lässt sich eine entsprechende Anregung bewerkstelligen durch radial polarisiertes Licht, das fokussiert ist auf einen Punkt entlang der Zentralachse der Feskörperlinse 8. Ähnlich lässt sich auch eine Kopplung mit dem Oberflächenplasmon einer Nahfeldspitze aus Vollmaterial 6 erzeugen. Hierbei kann die einfallende elektromagnetische Strahlung über eine Gitter-Kopplung 5 an das Oberflächenplasmon koppeln (siehe z. B. vorgeschlagenes Anregungsschema in Dokument [10]). Die Anregung des Obferflächenplasmons kann auch über die Ankopplung freier Strahlung an den zugespitzten Teil erfolgen. Voraussetzung für eine Fallenerzeugung, gemäß dem vorliegenden Verfahren, ist lediglich ein vernachlässigbares Feld der Anregung am Fallenort.
Eine mögliche Ausführung, die die beschriebenen Anregungsarten von Nahfeldspitzen erlaubt ist schematisch in dargestellt. Eine optische Quelle 12, geeignet sind z. B. unterschiedliche Lasertypen einschließlich Laserdioden, beleuchtet einen Modenkonverter 13 der radial polarisiertes Licht zur Verfügung stellt. In diesem Modenkonverter können auch optische Raumfilter enthalten sein, die aufgrund der Übersichtlichkeit in den Zeichnungen nicht dargestellt sind. Der radial polarisierte Strahl wird durch einen Strahlteiler in zwei Arme geteilt. Im ersten Arm durchläuft der Strahl einen Amplitudenmodulator 14 zum Einstellen der Anregungsintensität und eine phasenmodulierende Einheit 15 mit der die Phasenverzögerung eingestellt werden kann. Beide Einheiten sind elektronisch steuerbar und verbunden mit einer zentralen Steuereinheit 16. Die Phasenverzögerung kann hierbei auch durch Anbringen von Spiegeln, Strahlteilern und sonstigen, dem Fachmann bekannten Mitteln, erfolgen. Im 2. Arm ist durch einen Amplitudenmodulator 18 die Anregungsintensität ebenfalls über die Steuereinheit einstellbar.
Die Erzeugung radial polarisierter Strahlung und die Manipulation der Amplitude und/oder Phase lässt sich vorzugsweise auch über räumliche Lichtmodulatoren (SLM) bewerkstelligen. Diese lassen sich leicht über einen Computer steuern und können zudem etwaige Abweichungen wie Abbildungsfehler kompensieren. Bei Einsatz eines solchen SLM sind Änderungen an dem beschriebenen Aufbau vorzunehmen, die jedoch dem Fachmann leicht ersichtlich sind.
Durch den beschriebenen Aufbau stehen somit zwei radial polarisierte Strahlen zur Verfügung, die jeweils in ihrer Amplitude veränderbar sind und deren Phasenlage zueinander veränderbar ist.
Ein zweiter optischer Anregungskreis 20 kann auf analoge Weise aufgebaut sein und durch Strahlvereiner 17 auf den optischen Strahlengang des 1. Anregungskreises überlagert werden. Diese Strahlen werden dem restlichen Aufbau zugeführt (zusammengefasst als Einheit 19).
Diese Strahlen können nun in jeweils ein Ende einer optischen Faser (21, 22) eingekoppelt werden, welche am anderen Ende konisch zugespitzt ist und eine der beschriebenen Nahfeldspitzen darstellt. Dies ist schematisch in dargestellt. Eine der Fasern 21 ist an Positioniereinheiten 23, 24 aus piezoelektrischem Material befestigt, welche es erlauben die Nahfeldspitze 21 dreidimensional in feinen Schritten zu verfahren und gegenüber der anderen Nahfeldspitze 22 auszurichten. Diese Positioniereinheiten werden dabei von einer Steuereinheit 25 elektronisch gesteuert, welche zudem an eine Rückkopplungsschleife zur Abstandssteuerung mittels optischer Signale der Nahfeldspitzen verfügen kann. Die laterale Positioniereinheit (X-Y) 23 dient dem Ausrichten der Nahfeldspitzen zueinander. Die Z-Positioniereinheit 24 erlaubt es den Abstand der Nahfeldspitzen einzustellen. Die Positioniereinheiten werden von mechanischen Stellgliedern gehalten (nicht dargestellt) die der Grobeinstellung der Nahfeldspitzen dienen und entweder mechanisch, oder durch einen elektrischen Vorschub bewegt werden.
Die zuvor erzeugten radial polarisierten Strahlen des Anregungskreises werden in die Fasern eingekoppelt und propagieren über geführte Moden 26 der optischen Faser hin zum spitzen Ende, wo sie dann auf einer metallischen Beschichtung 27 Oberflächenplasmonen 28 anregen. Die Nahfeldspitzen können umgeben sein von einem flüssigem oder gasförmigem Medium 35, oder sich in einem Vakuum befinden. Die angeregten Oberflächenplasmonen wandern zum Apex 28 und erzeugen an den Spitzen ein Nahfeld 29, welches zur Erzeugung einer optischen Falle genutzt wird.
In dieser Ausführungsform wird durch Verwendung von optischen Fasern keine externe Optik benötigt, was ein wesentlicher Vorteil dieser Methode sein kann.
Ist ein optischer Emitter gefangen in der Falle, so kann dieser durch das optische Feld des zweiten Leselichtkreises 20 angeregt werden.
Die Emission eines in der Falle 29 gefangenen optischen Emitters kann an Oberflächenplasmonen 30 koppeln, welche dann wiederum an geführte Moden der optischen Faser 31 oder freie Strahlung 32 koppeln kann. Die freie Strahlung 32 kann durch Anbringen eines geeigneten Detektors 33 ausgelesen werden. Die angeregten geführten Moden 31 lassen sich auskoppeln und können ebenfalls durch einen Detektor 34 ausgelesen werden. Dieser Aufbau erlaubt es auch andere Nahfeldspitzen zu verwenden, wie z. B. unbeschichtete zugespitzte optische Fasern, schematisch dargestellt in , oder optische Fasern mit metallischen Spitzen, schematisch dargestellt in . Durch Anpassung des Aufbaus, welche dem Fachmann ersichtlich ist, lassen sich auch die zugespitzten Feskörperimmersionslinsen (beispielhaft dargestellt in ) verwenden, wobei hier erwähnt werden soll, dass eine unbeschichtete Variante dieser Linsen ebenfalls für eine Erzeugung eines Nahfeldes geeignet ist.
Bezugszeichenliste

1: Nahfeldspitze aus Gold
2: Nahfeldspitze aus Gold
3: Zugespitzte optische Faser
4: Beschichtung
5: Gitter
6: Nahfeldspitze aus Vollmaterial
7: Zugespitzte optische Faser
8: Nahfeldspitze
9: Beschichtung
10: Metallische Spitze
11: Optische Faser
12: Optische Quelle
13: Modenkonverter
14: Amplitudenmodulator
15: Phasenmodulator
16: Steuereinheit
17: Strahlvereiner
18: Amplitudenmodulator
19: Zusammenfassung eines Teilsystems zur Fallenerzeugung
20: Optische Quelle
21: Zugespitzte optische Faser
22: Zugespitzte optische Faser
23: XY-Positioniereinheit
24: Z-Positioniereinheit
25: Steuereinheit
26: Geführte Mode
27: Beschichtung
28: Plasmon
29: Nahfeld
30: Plasmon
31: Geführte Mode
32: Freie Strahlung
33: Detektor
34: Detektor
35: Medium

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

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Claims

Verfahren zum Erzeugen einer optischen Falle mittels einer Anordnung von mindenstens zwei Nahfeldspitzen, dadurch gekennzeichnet, dass (a) durch die selektive elektromagnetische Anregung der Nahfeldspitzen Nahfelder an der Spitze erzeugt werden und (b) die Nahfelder so überlagert werden, dass ein Intensitätsminimum entsteht, welches als optische Falle dient.
Verfahren nach Hauptanspruch 1., dadurch gekennzeichnet, dass die Fallencharakteristik (z. B. Position, Form und Tiefe) über die Anregung der Nahfeldspitzen steuerbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Fallenform über den Abstand der Nahfeldspitzen zueinander steuerbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gefangene Objekte an die Nahfeldspitzen optisch gekoppelt sind und dadurch optisch manipuliert werden.
Verfahren nach Anspruch 4., dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Feld (anderer Wellenlänge als das zur Fallenerzeugung genutzte) überlagert wird und zur Anregung des gefangenen Objekts genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 4. oder 5., dadurch gekennzeichnet, dass die optische Kopplung der Emitter an die Nahfeldspitzen über die Fallenposition steuerbar ist.
Verfahren zum effizienten nanoskopischen optischen Abtasten von kleinen Signalen chemischer Proben, bestehend aus den Schritten: (a) Fangen von einzelnen oder mehreren Probenobjekten im Intensitätsminimum einer Nahfeldfalle, (b) Erzeugen einer starken Kopplung zwischen dem gefangenen Objekt und einer Nahfeldspitze durch Steuerung der Fallenposition, (c) Anregung des gefangenen Objekts und Auslesen der emittierten Strahlung durch optische Kopplung an Nahfeldspitzen.
System zur optischen Wechselwirkung mit einer Substanz (Anregung und Auslesen), bestehend aus (a) mindenstens einer optischen Falle erzeugt nach Verfahren gemäß Hauptanspruch 1. und (b) mindestens einem Detektor zum Messen der optischen Antwort der Substanz.
System nach Anspruch 8., gekennzeichnet dadurch, dass optische Falle mindestens ein Objekt beeinhaltet aus der Gruppe, bestehend aus: Aperturspitzen, aperturlose Nahfeldspitzen, Festkörperlinsen, spitz zulaufende optische Fasern, beschichtete Festkörperlinsen, beschichtete Glasspitzen, Nanospitzen, metallische Spitzen aufgebracht auf optische Fasern.
System nach Anspruch 8., gekennzeichnet dadurch, dass mindenstens ein Detektor (33, 34) ein Element der nachfolgenden Gruppe darstellt: Fluoreszenz Detektoren, Fluoreszenz Mikroskope, Fluoreszenz Spektrometer, Raman Spektrometer, Photodioden, Streulichtdetektoren, Photomultiplier (Photoelektronenvervielfacher), optische Sensoren, Sensoren auf Basis ladungsgekoppelter Bauteile (CCD), CMOS Sensoren, Interferometer.
System nach Anspruch 8., gekennzeichnet dadurch, dass mindenstens eine der Nahfeldspitzen mittels einem Nanopositionierer (24, 23) bewegt und positioniert werden kann.