DE19741122C2 - Arrangement for measurement and structuring (near field arrangement) - Google Patents
Arrangement for measurement and structuring (near field arrangement)Info
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an arrangement according to the preamble of Claim 1.
Damit optische Anordnungen, die das an einer Strahlungsaustrittsöffnung vorhandene Nahfeld ausnutzen, z. B. optisches Nahfeldmikroskop, die Möglichkeit zum Messen bzw. Strukturieren von Proben wahrnehmen können, muss der Abstand zur Probe beim Abtasten kontrolliert werden.So that optical arrangements that at a radiation exit opening exploit existing near field, e.g. B. near-field optical microscope Being able to measure or structure samples, the distance to the sample must be checked when scanning.
Es ist bekannt, optische Nahfeldanordnungen zum Messen bzw. zum
Schreiben/Lesen einzusetzen. Eine derartige Anordnung, die die
Intensitätsrückwirkungen in einem Faserlaser zur Abstandsbestimmung
ausnutzt, wird von D. Betzig u. a. in Appl. Phys. Lett. 63 (26), 1993, Seite 3550
|1| beschrieben. Die Benutzung einer Nahfeldanordnung zum Speichern bzw.
Auslesen von Daten wird von E. Betzig u. a. in Appl. Phys. Lett. 61 (2), 1992,
Seite 142 vorgestellt. Im weiteren sind 32 Patente mit den entsprechenden
Patentnummern (US-Patent Database) aufgelistet, die den Geräte- und
Anwendungsaspekt wiedergeben:
5214282: Method and apparatus for processing a minute portion of a
specimen
5539197: Scanning near-field optical microscope having a medium denser
than air in the gap between the probe chip and the sample being
measured
5333495: Method and apparatus for processing a minute portion of a
specimen
5479024: Method and apparatus for performing near-field optical
microscopy
5581083: Method for fabricating a sensor on a probe tip used for atomic
force microscopy and the like
5517280: Photolithography system
5294790: Probe unit for near-field optical scanning microscope
5473157: Variable temperature near-field optical microscope
5449901: Fine surface observing apparatus
5354985: Near field scanning optical and force microscope including
cantilever and optical waveguide
5018865: Photon scanning tunneling microscopy
4829177: Point projection photoelectron microscope with hollow needle
5583286: Integrated sensor for scanning probe microscope
5581193: Multiple source and detection frequencies in detecting threshold
phenomena associated with and/or atomic or molecular spectra
5559328: Small cavity analytical Instruments
5548113: Co-axial detection and illumination with shear force dithering in
a near-field scanning optical microscope
5546223: Method for external excitation of subwavelength light sources
that is integrated into feedback methodologies
5538898: Method suitable for identifying a code sequence of a
biomolecule
5504366: System for analyzing surfaces of samples
5471064: Precision machining method, precision machining apparatus
and data storage, apparatus using the same
5469734: Scanning apparatus linearization and calibration system
5461600: Hig-density optical data storage unit and method for writing and
reading information
5397896: Multiple source and detection frequencies in detecting threshold
phenomena associated with and/or atomic or molecular spectra
5382789: Near field scanning optical microscope
5304795: High resolution observation apparatus with photon scanning
microscope
5288999: Manufacturing method including near-field optical microscopic
examination of a semiconductor wafer
5288998: Manufacturing method including photoresist processing using a
near-field optical probe
5288997: Manufacturing method, including near-field optical microscopic
examination of a magnetic bit pattern
5288996: Near field optical microscopic examination of genetic material
5281814: System for imaging and detecting threshold phenomena
associated with and/or atomic or molecular spectra of a
substance by reflection of an AC electrical signal
5199090: Flying magnetooptical read/write head employing an optical
integrated circuit waveguide
5105305: Near field scanning optical microscope using a fluorescent
probeIt is known to use optical near-field arrangements for measuring or for writing / reading. Such an arrangement, which uses the intensity effects in a fiber laser to determine the distance, is described by D. Betzig and others in Appl. Phys. Lett. 63 (26), 1993, page 3550 | 1 | described. The use of a near field arrangement for storing or reading out data is described by E. Betzig inter alia in Appl. Phys. Lett. 61 (2), 1992, page 142. In addition, 32 patents are listed with the corresponding patent numbers (US Patent Database), which reflect the device and application aspect:
5214282: Method and apparatus for processing a minute portion of a specimen
5539197: Scanning near-field optical microscope having a medium denser than air in the gap between the probe chip and the sample being measured
5333495: Method and apparatus for processing a minute portion of a specimen
5479024: Method and apparatus for performing near-field optical microscopy
5581083: Method for fabricating a sensor on a probe tip used for atomic force microscopy and the like
5517280: Photolithography system
5294790: Probe unit for near-field optical scanning microscope
5473157: Variable temperature near-field optical microscope
5449901: Fine surface observing apparatus
5354985: Near field scanning optical and force microscope including cantilever and optical waveguide
5018865: Photon scanning tunneling microscopy
4829177: Point projection photoelectron microscope with hollow needle
5583286: Integrated sensor for scanning probe microscope
5581193: Multiple source and detection frequencies in detecting threshold phenomena associated with and / or atomic or molecular spectra
5559328: Small cavity analytical instruments
5548113: Co-axial detection and illumination with shear force dithering in a near-field scanning optical microscope
5546223: Method for external excitation of subwavelength light sources that is integrated into feedback methodologies
5538898: Method suitable for identifying a code sequence of a biomolecule
5504366: System for analyzing surfaces of samples
5471064: Precision machining method, precision machining apparatus and data storage, apparatus using the same
5469734: Scanning apparatus linearization and calibration system
5461600: Hig-density optical data storage unit and method for writing and reading information
5397896: Multiple source and detection frequencies in detecting threshold phenomena associated with and / or atomic or molecular spectra
5382789: Near field scanning optical microscope
5304795: High resolution observation apparatus with photon scanning microscope
5288999: Manufacturing method including near-field optical microscopic examination of a semiconductor wafer
5288998: Manufacturing method including photoresist processing using a near-field optical probe
5288997: Manufacturing method, including near-field optical microscopic examination of a magnetic bit pattern
5288996: Near field optical microscopic examination of genetic material
5281814: System for imaging and detecting threshold phenomena associated with and / or atomic or molecular spectra of a substance by reflection of an AC electrical signal
5199090: Flying magnetooptical read / write head employing an optical integrated circuit waveguide
5105305: Near field scanning optical microscope using a fluorescent probe
Interferometrische Methoden zur Bestimmung des Abstands zwischen Strahlungsaustrittsöffnung und Probe werden von S. Pilevar u. a. in Ultramicroscopy 61, 1995, Seite 223 |2| bzw. von U. Schwarz u. a. in Opt. Comm. 134, 1997, Seite 301 |3| beschrieben.Interferometric methods for determining the distance between Radiation outlet and sample are from S. Pilevar u. a. in Ultramicroscopy 61, 1995, page 223 | 2 | or by U. Schwarz u. a. in opt. Comm. 134, 1997, page 301 | 3 | described.
Die bekannten Verfahren zur Abstandsbestimmung beruhen auf einer direkten Wechselwirkung Faserspitze-Probe. Die Kontrolle des Abstands Faserspitze- Probe kann auf unterschiedliche Weise bewerkstelligt werden.The known methods for determining the distance are based on a direct one Interaction of fiber tip and sample. Checking the distance fiber tip Trials can be accomplished in different ways.
Der meist benutzte Kontrollmechanismus beruht auf der Messung der Dämpfung einer oszillierenden Spitze durch Scherkräfte (E. Betzig u. a. in Appl. Phys. Lett. 60, 1992, Seite 2484). Diese Dämpfung wird optisch vermessen dadurch, dass ein Laserstrahl seitlich auf die Spitze gerichtet wird und die durch die Bewegung der Spitze hervorgerufene Modulation der Laserintensität gemessen wird. Es gibt eine Vielzahl von Abwandlungen dieses Verfahrens. The most common control mechanism is based on measuring the Damping an oscillating tip due to shear forces (E. Betzig et al. In Appl. Phys. Lett. 60, 1992, page 2484). This attenuation is measured optically in that a laser beam is directed laterally onto the tip and the modulation of the laser intensity caused by the movement of the tip is measured. There are a variety of variations on this process.
Folgende gravierende Nachteile können nicht beseitigt werden. Die Bewegung der Spitze muss in sehr geringem Abstand zur Probe (< 100 nm) messend verfolgt werden, eine Probenrauhigkeit führt dazu, dass die Laserintensität variiert, ohne dass eine Dämpfung der Probenbewegung vorhanden ist. Die von der Seite eingestrahlte Laserintensität ist ca. 105 mal intensiver als das Licht, das durch die Faserspitze tritt und kann, wenn die Probe spektroskopisch untersucht wird, via Streustrahlung zu Verfälschungen des Messresultats führen. Darüber hinaus muss das Kontrollsystem bei Auswechslung der Spitze jeweils neu eingerichtet werden.The following serious disadvantages cannot be eliminated. The movement of the tip must be monitored at a very short distance from the sample (<100 nm); sample roughness means that the laser intensity varies without there being any damping of the sample movement. The laser intensity irradiated from the side is approx. 10 5 times more intense than the light that passes through the fiber tip and, if the sample is examined spectroscopically, can lead to falsification of the measurement result via scattered radiation. In addition, the control system must be set up each time the tip is replaced.
Ein weiteres Verfahren zur Abstandskontrolle basiert auf der Verwendung von Tunnelmikroskopie (U. Dürig u. a. in J. Appl. Phys. 59, 1986, Seite 3318). Für homogene Proben ist das Verfahren sehr gut geeignet. Der Hauptnachteil ist, dass die Proben leitfähig sein müssen. Andere Verfahren beruhen auf der Verwendung von atomic force microscopes (AFM), beschrieben von N. F. von Hulst u. a. in Scannung Probe Microsc. 36, 1992, Seite 36. Ein interessanter Kontrollmechanismus für den Abstand Spitze-Probe wurde von K. Karrai u. a. in Appl. Phys. Lett. 66, 1995, Seite 1842 beschrieben, dabei wird die Faserspitze auf einen Arm einer Quarzstimmgabel befestigt. Durch Wechselwirkung der Spitze mit der Probe tritt eine Dämpfung des Meßsystems auf, die sich in einer Änderung der Schwingkreisgüte ausdrückt. Nachteilig wirkt sich der hohe Präparationsaufwand aus. Die hohe Kreisgüte führt dazu, dass die Abtast(- scan-)geschwindigkeit gering ist. Weiterhin wurde versucht, die Impedanzänderung eines shear force gedämpften Piezoschwingers zur Abstandskontrolle auszunutzen (J. W. Hsu u. a. in Rev. Sci. Instr. 66, 1995, Seite 3177). Typische Regelfrequenzen (Scanraten) der genannten Methoden sind kleiner gleich 10 kHz.Another distance control method is based on the use of Tunnel microscopy (U. Dürig et al. In J. Appl. Phys. 59, 1986, page 3318). For The method is very suitable for homogeneous samples. The main disadvantage is that the samples must be conductive. Other methods are based on the Use of atomic force microscopes (AFM) described by N.F. Hulst u. a. in scan sample microsc. 36, 1992, page 36. An interesting one Control mechanism for the tip-sample distance was developed by K. Karrai et al. a. in Appl. Phys. Lett. 66, 1995, page 1842, the fiber tip attached to an arm of a quartz tuning fork. By interaction of the At the tip of the sample there is a damping of the measuring system, which is reflected in a Changes in the resonance circuit quality expresses. The high has a disadvantage Preparation effort. The high circular quality means that the scanning (- scan) speed is low. An attempt was further made to Change in impedance of a shear force damped piezo oscillator Use distance control (J. W. Hsu et al. In Rev. Sci. Instr. 66, 1995, Page 3177). Typical control frequencies (scan rates) of the methods mentioned are less than or equal to 10 kHz.
Bei den genannten Methoden ist das Einhalten eines Sicherheitsabstands zwischen Strahlungsaustrittsöffnung und Probe nicht zu garantieren. Der Vorschlag von Betzig |1|, einen Faserlaser einzusetzen, bei dem eines der Faserenden zu einer Spitze ausgezogen ist und bei dem die Probe als Endreflektor für den Laser verwendet wird (3-Spiegellaser), erlaubt, Reflexionsänderungen auf der Probenoberfläche in Intensitätsänderungen umzusetzen. Die Abstandsregelung erfolgt gemäß erprobter Standardmethoden.With the methods mentioned, a safety margin must be observed cannot be guaranteed between the radiation exit opening and the sample. The Betzig | 1 | suggests using a fiber laser in which one of the Fiber ends is extended to a tip and at which the sample as End reflector used for the laser (3-mirror laser), allowed Changes in reflection on the sample surface in changes in intensity implement. The distance control is carried out according to the tried and tested Standard methods.
Die in |2| beschriebene Methode beschränkt sich allein auf den messtechnischen Aspekt der Signalverarbeitung, wobei das von der Probe in die Strahlungseintrittsöffnung rückreflektierte Licht mit einem Referenzstrahl verglichen wird (Mach-Zehnder-Interferometer). Die in |3| beschriebene Anordnung gleicht dem ursprünglich, in |1| beschriebenen Messverfahren, mit Ausnahme der verwendeten Laser.The in | 2 | described method is limited to the metrological aspect of signal processing, whereby that of the sample in the radiation entrance opening reflects back light with a reference beam is compared (Mach-Zehnder interferometer). The in | 3 | described The arrangement is the same as that in | 1 | described measuring method, with Except for the lasers used.
Als Messgröße wird die Änderung der Laserintensität ausgewertet, die durch die Reflexionsänderung auf der Probenoberfläche hervorgerufen wird, bedingt durch die Änderung der Güte des an den Laser angekoppelten Resonators. 3- Spiegelanordnungen, von denen in |1| und |3| berichtet wird, sind bereits von Eichler u. a. in Zeitschr. f. angew. Physik 28 (3), 1969, Seite 125 |4| und Herziger u. a. in Phys. Lett 24A (12) 1967, Seite 684 beschrieben worden.The change in laser intensity, which is caused by the change in reflection on the sample surface is caused by changing the quality of the resonator coupled to the laser. 3 Mirror arrangements, of which in | 1 | and | 3 | are already reported by Eichler u. a. in journal f. Applied Physics 28 (3), 1969, page 125 | 4 | and heartfelt u. a. in Phys. Lett 24A (12) 1967, page 684.
Die in |1|-|3| beschriebenen Verfahren beruhen auf der Trennung der Methoden zur Aufnahme des Messsignals bei der Probenspektroskopie und der Regelung zur Einhaltung des Abstands Probe-Faserspitze für den Fall, dass die Probe ortsaufgelöst vermessen werden soll. Erstere ist rein optisch, letztere nutzt die oben beschriebenen Techniken aus, die wesentlich mechanischer Natur ist. Weiterhin sind das in |1| beschriebene Verfahren und die entsprechenden Folgeverfahren durch im Impulsbetrieb von Festkörperlasern auftretende Relaxationsoszillation in der Abtastgeschwindigkeit begrenzt.The in | 1 | - | 3 | The methods described are based on the separation of the methods for recording the measurement signal in sample spectroscopy and control to maintain the distance sample-fiber tip in case the sample to be measured in a spatially resolved manner. The former is purely optical, the latter uses it techniques described above, which is essentially mechanical in nature. Furthermore, they are in | 1 | described procedures and the corresponding Follow-up procedures by those occurring in the pulse operation of solid-state lasers Relaxation oscillation limited in the scanning speed.
Eine Vorrichtung zur exakten Positionierung eines Lasers zu einer zu vermessenden Oberfläche wird in der DE 195 31 802 beschrieben. Hierbei sind symmetrisch zum angespitzten Ende eines Faserlasers mehrere Kollektionsfasern angeordnet, deren imaginäre Achsen die Spitze des Faserlasers schneiden. An die Kollektionsfasern werden verschiedene optische Geräte angeschaltet, deren Ausgänge mit einem Computer verbunden sind, der in Abhängigkeit der empfangenen Ausgangsignale die Positionierungsplattform mit der zu vermessenden Oberfläche steuert.A device for exact positioning of a laser to one measuring surface is described in DE 195 31 802. Here are symmetrical to the pointed end of a fiber laser Collection fibers arranged, their imaginary axes the tip of the Cutting fiber lasers. Different optical fibers are attached to the collection fibers Devices switched on, the outputs of which are connected to a computer, which depending on the received output signals Controls positioning platform with the surface to be measured.
Eine weitere interferometrische Nahfeldanordnung ist in der EP 0 757 271 A2 beschrieben, bei der eine elektromagnetische Strahlungsquelle eine vorlaufende Welle erzeugt, die von einer Sondespitze empfangen und als Signalwelle zurückgesendet wird. Diese Signalwelle wird mit einer Referenzwelle überlagert und das Interferenzsignal wird durch einen Detektor ausgewertet. Diese Vorrichtung verfügt über Mittel zum Positionieren der Sondenspitze und des Werkstücks so nahe beieinander, dass eine Mehrpol- Kopplungswirkung entsteht, wodurch die elektrische Streufeldstärke der Signalwelle erhöht wird.Another interferometric near-field arrangement is in EP 0 757 271 A2 described in which an electromagnetic radiation source leading wave generated, received by a probe tip and as Signal wave is sent back. This signal wave is with a Reference wave superimposed and the interference signal is through a detector evaluated. This device has means for positioning the Probe tip and the workpiece so close together that a multi-pole Coupling effect arises, whereby the stray electric field strength Signal wave is increased.
Der hauptsächliche Nachteil aller genannten Methoden, die verfahrensspezifisch bei der Probenspektroskopie mit geringen Lichtintensitäten auskommen müssen, liegt im Messprinzip begründet, das allein auf der Detektion von Intensitätsänderungen beruht, so dass das Signal- Rauschverhältnis den Anforderungen nicht genügen kann. Der technologische Aufwand, der z. B. in |2| getrieben wird, um diesen Nachteil zu beheben, steht in keinem Verhältnis zu den erreichten Resultaten.The main disadvantage of all the methods mentioned, the process-specific in sample spectroscopy with low Light intensity must be based on the measuring principle, that is based solely on the detection of changes in intensity, so that the signal Noise ratio cannot meet the requirements. The technological Effort z. B. in | 2 | is driven to remedy this disadvantage disproportionate to the results achieved.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Materialcharakterisierung sowie zum Auslesen bzw. Einschreiben von Information im Nanometerbereich zu schaffen, die die Abstandsregelung zur Probe und den Arbeitsprozess auf der Probe vereinheitlicht, die kompakt, bedienungsfreundlich und kostengünstig ist.The object of the invention is an arrangement for material characterization as well as for reading or writing information in the nanometer range to create the sample distance control and the working process based on The sample is standardized, which is compact, easy to use and inexpensive is.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved by an arrangement with the features of claim 1 solved.
Diodengepumpte Faserlaser bieten in Kombination mit Faserverstärkern eine viel versprechende Ausgangsbasis für die Realisierung kompakter und bedienungsfreundlicher interferometrischer Nahfeldanordnungen, die auf dem Prinzip eines Laserinterferometers beruhen. Nahfeldanordnungen dieser Art profitieren von der Entwicklung der Faserlaser, deren Emissionsspektrum von Ultraviolett bis Infrarot reicht, und von der Vervollkommnung der Technologie der Faserspitzenherstellung. Neben der Ausstrahlungswellenlänge der Faserlaser ist auch die Ausstrahlungsform - Gleichlicht, Impuls - wählbar.Diode-pumped fiber lasers in combination with fiber amplifiers offer one promising starting point for the realization more compact and easy-to-use interferometric near-field arrangements based on the Principle of a laser interferometer based. Near field arrangements of this type benefit from the development of fiber lasers, whose emission spectrum of From ultraviolet to infrared, and from the perfection of technology the manufacture of fiber tips. In addition to the emission wavelength of The form of emission - constant light, pulse - can also be selected with fiber laser.
Die genannte interferometrische Nahfeldanordnung kombiniert in vorteilhafter Weise einen Faserlaser mit einem entdämpften Messresonator.The interferometric near-field arrangement mentioned advantageously combines A fiber laser with an undamped measuring resonator.
Der Messresonator enthält in vorteilhafter Ausgestaltung ein strahlungsverstärkendes Medium, das ebenfalls als Faser ausgebildet ist. Der Faserlaser und der Faserverstärker sind mit den gleichen Ionen Seltener Erden in bekannter Weise dotiert. Die Höhe der Dotierungskonzentration, die für die Laser- bzw. Verstärkerwirkung ausschlaggebend ist, kann in bekannter Weise unterschiedlich gewählt werden. Die Faser, die als Verstärker vorgesehen ist (Faserverstärker), wird einseitig nach bekannten Methoden, mit einer Spitze versehen. Der Durchmesser der Strahlungsaustrittsöffnung der Spitze kann in bekannter Weise an die Erfordernisse angepasst werden. Das zu untersuchende Material (Probe), als dritter Spiegel, komplettiert in bekannter Weise das Laserinterferometer, vergl. |4|. Ein wesentlicher Vorteil der genannten interferometrischen Nahfeldanordnung ist, dass als Messsignal die einer Abstandsänderung zugeordnete Laserfrequenzänderung benutzt wird. Die Kalibrierung der Frequenzänderung mit einer bekannten Abstandsänderung erlaubt die Absolutangabe eines Probenhöhenprofils. Die Ausgangsleistung des Lasers steht, wie bei den beschriebenen Anordnungen |1|, |3|, als weitere Messgröße zur Verfügung, da sie bei lokalen refraktiven, reflexiven oder absorptiven Änderungen auf der Probe ebenfalls variiert. Die Überlegenheit der genannten Anordnung bezüglich des Signal-Rauschverhältnisses ist, um einen Vergleich zu benutzen, dem Übergang vom AM-Rundfunkempfang zum FM- Empfang analog.In an advantageous embodiment, the measuring resonator contains a radiation-amplifying medium, which is also designed as a fiber. The Fiber lasers and the fiber amplifier are made of the same rare earth ions endowed in a known manner. The level of the doping concentration required for the Laser or amplifier effect is decisive, can in a known manner can be chosen differently. The fiber that is intended as an amplifier (Fiber amplifier), is unilaterally by known methods, with a tip Mistake. The diameter of the radiation exit opening of the tip can be in be adapted to the requirements in a known manner. That too investigating material (sample), as a third mirror, completed in known See the laser interferometer, see | 4 |. A major advantage of Interferometric near-field arrangement mentioned is that the measurement signal a laser frequency change associated with a change in distance is used. The calibration of the frequency change with a known change in distance allows the absolute specification of a sample height profile. The output power of the laser, as in the described arrangements | 1 |, | 3 |, stands as another Measured variable available as it is used for local refractive, reflective or absorptive changes on the sample also varied. The superiority of mentioned arrangement with respect to the signal-to-noise ratio is one To use comparison, the transition from AM radio reception to FM Analog reception.
Einschwingvorgänge (Relaxationsoszillationen) spielen in der genannten Anordnung keine Rolle, da der Laser im stationären Zustand arbeitet. Die Abstrahlungsverluste am spitz zulaufenden Faserende werden in der Anordnung vorteilhafterweise durch die Verstärkung im Faserverstärker kompensiert. Ein weiterer Vorteil der genannten Anordnung für spektroskopische Anwendungen besteht in der einige Nanometer betragenden Wellenlängendurchstimmbarkeit des Lasers.Settling processes (relaxation oscillations) play in the above Arrangement does not matter because the laser works in a stationary state. The Radiation losses at the tapered fiber end are in the Arrangement advantageously through the reinforcement in the fiber amplifier compensated. Another advantage of the arrangement for spectroscopic applications exist in the range of a few nanometers Wavelength tunability of the laser.
Erfindungsgemäß lassen sich mit der genannten Anordnung Höhenunterschiede ΔLV auf einer Probenoberfläche im Bereich 10-2 nm < ΔLv < 100 nm nachweisen. Der besondere Vorteil der hier beschriebenen interferometrischen Nahfeldanordnung liegt beim Nachweis geringer Brechungsindex- bzw. Absorptionsgradänderungen, der über Intensitätsrückwirkungen erfolgt. Bei einer Ortsauflösung von < 100 nm können Reflexionsgradunterschiede < 10-6, Brechungsindexunterschiede Δn von Δn < 10-5 bzw. Absorptionsgradvariationen von ca. 10-3 detektiert werden. Erfindungsgemäß ist vorzusehen, dass die Laserlänge um mindestens λ/2 verschoben werden kann.According to the invention, with the arrangement mentioned, height differences .DELTA.L V on a sample surface can be detected in the range 10 -2 nm <.DELTA.L v <100 nm. The particular advantage of the interferometric near-field arrangement described here lies in the detection of small changes in refractive index or degree of absorption, which takes place via intensity feedback. With a spatial resolution of <100 nm, differences in reflectance <10 -6 , refractive index differences Δn of Δn <10 -5 and absorption degree variations of approx. 10 -3 can be detected. According to the invention, the laser length can be shifted by at least λ / 2.
Für den Anwendungsbereich Datenspeicher kann die beschriebene Nahfeldanordnung dazu verwendet werden, Daten sehr hoher Packungsdichte zu verarbeiten (Schreiben, Lesen). Angestrebte Werte sind z. B. Speicherdichten größer 200 bit/µm2 bei einer Schreibgeschwindigkeit von ca. 10 Mbit/s bzw. einer Lesegeschwindigkeit von 1 bis 10 Mbit/s.For the data storage area of application, the near field arrangement described can be used to process data of very high packing density (writing, reading). Target values are e.g. B. storage densities greater than 200 bit / µm 2 at a write speed of about 10 Mbit / s or a read speed of 1 to 10 Mbit / s.
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Lasermesstechnik, insbesondere in Bereichen, bei denen die Ortsauflösung im Nanometerbereich liegt. Das technische Problem, mit dem sich die Erfindung befasst, besteht darin, eine Anordnung zu schaffen, die gestattet, berührungslos den Abstand über einer Probe im Nanometerbereich konstant zu halten und lokale Änderungen absorptiver, refraktiver und reflexiver Natur, die eine Ortsausdehnung im Nanometerbereich besitzen, zu vermessen. Erfindungsgemäß sind auch zeitaufgelöste Messungen möglich. Die Anordnung soll kompakt, bedienungsfreundlich und störunempfindlich gegen Umwelteinflüsse sein. Die Regelgeschwindigkeit (Scanrate) soll größer sein als bei bekannten Verfahren und eine Empfindlichkeitssteigerung beim Nachweis reflektiver, refraktiver und absorptiver Änderungen (Probenspektroskopie) ermöglichen.The invention is in the field of laser measurement technology, in particular in Areas in which the spatial resolution is in the nanometer range. The technical problem with which the invention is concerned is one To create an arrangement that allows the distance over a contactless Keep sample constant in the nanometer range and local changes absorptive, refractive and reflexive nature, which a spatial extension in the Possess nanometer range. According to the invention time-resolved measurements possible. The arrangement is said to be compact, be user-friendly and insensitive to environmental influences. The Control speed (scan rate) should be greater than in known methods and an increase in sensitivity when detecting reflective, refractive and Enable absorptive changes (sample spectroscopy).
Hierzu sieht die erfindungsgemäße Lösung vor, dass ein diodengepumpter Faserlaser und ein mit der gleichen Diode gepumpter Faserverstärker in einer 3-Spiegelanordnung zusammengefasst sind. Der Faserlaser ist als 2- Modenlaser ausgebildet, wie er z. B. von I. M. Jauncay u. a. Electr. Lett. 24 (1), 1988, Seite 24 |5| beschrieben ist. Der Faserverstärker ist reflexionsfrei an den Faserlaser angespleißt. Der dritte Spiegel ist durch die Probe realisiert, die dadurch integraler Bestandteil und Untersuchungsobjekt zugleich ist. Die Rückwirkung der Probe auf die Lasereigenschaften lässt sich im Formalismus gekoppelter Resonatoren |4| beschreiben.For this purpose, the solution according to the invention provides that a diode-pumped Fiber laser and a fiber amplifier pumped with the same diode in one 3 mirror arrangement are summarized. The fiber laser is a 2- Mode laser trained as he z. B. by I. M. Jauncay u. a. Electr. Lett. 24 (1), 1988, page 24 | 5 | is described. The fiber amplifier is reflection-free at the Spliced fiber laser. The third mirror is realized by the sample that thereby being an integral part and object of investigation at the same time. The The reaction of the sample to the laser properties can be formalized coupled resonators | 4 | describe.
Der Faserlaser und der Faserverstärker benutzen zur Strahlungserzeugung bzw. Verstärkung je eine dotierte Standardmonomodefaser. Der Faserkern ist ein transversal monomodaler Lichtwellenleiter, der von einem cladding umgeben ist.The fiber laser and fiber amplifier use to generate radiation or amplification one doped standard monomode fiber. The fiber core is a transversely monomodal optical fiber that is cladding is surrounded.
Die Diodenlaserstrahlung, deren Strahlparameterprodukt an das der Laserfaser angepasst sein sollte, wird dazu benutzt, das strahlungsverstärkende Material, das sowohl in den Kern der Laser- als auch in den der Verstärkerfaser eingelagert ist, zu pumpen. Das optische Pumpen erfolgt erfindungsgemäß nach dem Tandemprinzip, d. h. der im strahlungsverstärkenden Material des Lasers nicht absorbierte Anteil der Pumpstrahlung wird zum Pumpen des strahlungsverstärkenden Materials im Verstärker benutzt. Die Faser, die den Faserverstärker bildet, ist einseitig nach bekannten Methoden verjüngt und besitzt eine Lichtaustrittsöffnung an der Spitze, deren Durchmesser gemäß der Herstellungstechnologie im 100 nm Bereich (oder darunter) liegt. Der angekoppelte Resonator (externer Resonator) wird durch einen Spiegel, den Laserresonator und externer Resonator gemeinsam haben (Mittenspiegel), und die der Spitze gegenüberstehende Probe gebildet. Das erfindungsgemäße Wirkprinzip der Anordnung lässt sich wie folgt beschreiben. Die Bestimmung des Höhenprofils beim Abscannen der Probe wird laserinterferometrisch realisiert. Dazu ist es nötig, die vom Laser ausgestrahlte Intensität einer Frequenzanalyse zu unterziehen. Erfindungsgemäß wird in der genannten Nahfeldanordnung die Änderung einer Laserfrequenz ausgenutzt, die bei Längenänderung des externen Resonators auftritt. Die Differenzfrequenz zweier Lasermoden, von denen eine unbeeinflusst sein soll, wird als Messsignal benutzt. Die unterschiedlichen Längen des externen Resonators, die durch das Höhenprofil der Probe bestimmt sind (nm-Bereich) entsprechen direkt den messbaren Differenzfrequenzen. Das genannte Regelprinzip zur Bestimmung des Höhenprofils der Probe macht sich zunutze, dass eine Resonanzfrequenz des Lasers (Mode) verschoben wird, wenn eine Resonanzfrequenz (Mode) des externen Resonators hinreichend dicht benachbart ist. Da die Längenvariation des externen Resonators entsprechend der Höhenvariation auf der Probe im nm-Bereich liegt, wird immer in der Nähe einer Laserresonanz gearbeitet. Im Falle der Koinzidenz der zu beeinflussenden Mode mit einer Mode des externen Resonators, misst man die ungestörte Differenzfrequenz der beiden Lasermoden. Eine kleine Längenänderung des externen Resonators führt dazu, dass sich diese Differenzfrequenz ändert. Hierauf beruht die Ausmessung des Höhenprofils in Einheiten der Differenzfrequenz. Eine definiert eingestellte Längenänderung des externen Resonators erlaubt eine Kalibrierung, so dass eine Absolutangabe der Höhendifferenzen möglich ist.The diode laser radiation, whose beam parameter product matches that of the laser fiber should be adapted, the radiation-amplifying material is used, both in the core of the laser and in the amplifier fiber is stored to pump. Optical pumping takes place according to the invention according to the tandem principle, d. H. the in the radiation-enhancing material of the Laser's non-absorbed portion of the pump radiation is used to pump the radiation-amplifying material used in the amplifier. The fiber that the Fiber amplifier forms, is tapered and unilaterally by known methods has a light exit opening at the tip, the diameter of which according to Manufacturing technology in the 100 nm range (or below). The coupled resonator (external resonator) is by a mirror, the Laser resonator and external resonator have in common (center mirror), and the sample opposite the tip was formed. The invention The principle of operation of the arrangement can be described as follows. The determination the height profile when scanning the sample is laser interferometric realized. For this it is necessary to determine the intensity emitted by the laser Undergo frequency analysis. According to the invention Near field arrangement exploited the change in a laser frequency, which at Length change of the external resonator occurs. The difference frequency two laser modes, one of which is said to be unaffected, is called Measurement signal used. The different lengths of the external resonator, which are determined by the height profile of the sample (nm range) directly the measurable difference frequencies. The above-mentioned rule principle for Determining the height profile of the sample takes advantage of that Resonance frequency of the laser (mode) is shifted when a Resonance frequency (mode) of the external resonator is sufficiently tight is adjacent. Because the length variation of the external resonator accordingly the height variation on the sample is in the nm range, is always close a laser resonance worked. In the case of coincidence the influencing mode with a mode of the external resonator, one measures the undisturbed difference frequency of the two laser modes. A small Changing the length of the external resonator leads to this Difference frequency changes. This is the basis for measuring the height profile in Units of the difference frequency. A defined change in length of the external resonator allows calibration, so that a Absolute indication of the height differences is possible.
Als zweite unabhängige Messgröße steht erfindungsgemäß neben der Differenzfrequenzänderung die Laserintensitätsänderung zur Verfügung, die es gestattet, lokal reflexive, refraktive und absorptive Änderung auf (in) der Probe zu erfassen.According to the invention, the second independent measured variable is next to the Difference frequency change the laser intensity change available it allowed locally reflective, refractive and absorptive change on (in) the sample capture.
Im folgenden soll anhand von Erläuterungen zu einzelnen Figuren die erfindungsgemäße Ausbildung der interferometrischen Nahfeldanordnung anschaulich verdeutlicht werden.In the following, the explanations for individual figures Formation of the interferometric near-field arrangement according to the invention be clearly illustrated.
Es zeigt schematisch im einzelnen:It shows schematically in detail:
Fig. 1 eine interferometrische Nahfeldanordnung gemäß der Erfindung; FIG. 1 is an interferometric near field according to the invention;
Fig. 2 ein Ersatzschema der in Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen interferometrischen Nahfeldanordnung; FIG. 2 shows an alternative diagram of the interferometric near-field arrangement according to the invention shown in FIG. 1;
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Standardmonomodefaser;3 shows a section through a standard single-mode fiber ;
Fig. 4a eine mögliche technische Ausgestaltung; FIG. 4a shows a possible technical embodiment;
Fig. 4b eine mögliche technische Ausgestaltung für Anwendungsfälle, bei denen neben höchster Ortsauflösung (nm-Bereich) zusätzlich höchste Zeitauflösung (Femtosekunden) gefordert sind; Figure 4b is a possible technical specifications for applications in which not only high spatial resolution (nm range) additionally high time resolution (femtoseconds) are required.
Fig. 5 das Resultat einer Messung der Pumpstrahlungsabsorption als Funktion der Faserlänge, dargestellt am Beispiel einer Nd3+- dotierten Monomode-Quarzglasfaser (Dotierungshöhe ~ 1000 ppm Nd2O3); FIG. 5 shows the result of a measurement of the pump radiation absorption as a function of fiber length, illustrated by the example of a Nd 3+ - doped mono mode silica fiber (doping height ~ 1000 ppm Nd 2 O 3);
Fig. 6a die einer Längenänderung des Verstärkerresonators (Höhenprofil der Probe) entsprechende Änderung der Differenzfrequenz der beiden Moden des Faserlasers (Parameter: Lv = 13 cm, m2 = 3 × 105; nL = 2 × 1014 s-1, R2 = T2 = 0,5, R3 = 0,01); Figure 6a shows the change in length of the Verstärkerresonators (height profile of the sample) corresponding change in the difference frequency of the two modes of the fiber laser (parameters:. L v = 13 cm, m 2 = 3 x 10 5; n L = 2 × 10 14 s -1, R 2 = T 2 = 0.5, R 3 = 0.01);
Fig. 6b die einer Längenänderung des Verstärkerresonators (Höhenprofil der Probe) entsprechende Änderung der Differenzfrequenz der beiden Moden des Faserlasers (Parameter: Lv = 13 cm, m2 = 3 × 105; nL = 2 × 1014 s-1, R2 = T2 = 0,5, R3 = 0,04); Figure 6b shows the change in length of the Verstärkerresonators (height profile of the sample) corresponding change in the difference frequency of the two modes of the fiber laser (parameters:. L v = 13 cm, m 2 = 3 x 10 5; n L = 2 × 10 14 s -1, R 2 = T 2 = 0.5, R 3 = 0.04);
Fig. 7a das zum Verständnis der Frequenzrückwirkung des Verstärkerresonators auf den Laser nützliche Resonanzfrequenzschema für Laser und Verstärker im Falle der Koinzidenzstellung, eine Lasermode stimmt mit einer Mode des Verstärkerresonators überein; Figure 7a shows the frequency for understanding the reaction of the Verstärkerresonators to the laser resonant frequency useful scheme for lasers and amplifiers in the event of coincidence position, a laser mode coincides with a mode of the Verstärkerresonators match.
Fig. 7b das Resonanzfrequenzschema (wie Fig. 7a) im Falle einer Änderung der Länge des Verstärkerresonators vergl. dazu Fig. 7a, die zu einer Verschiebung der Lasermode führt; FIG. 7b shows the resonance frequency scheme (like FIG. 7a) in the event of a change in the length of the amplifier resonator; FIG. 7a, which leads to a shift in the laser mode;
Fig. 8 die Resultate einer Messung der Kleinsignalverstärkung, dargestellt am Beispiel der Nd3+-dotierten Monomode Quarzglasfaser von Fig. 5; Fig. 8 shows the results of a measurement of the small signal gain, the example of Nd 3+ -doped single-mode silica fiber of FIG. 5;
Fig. 9 die prozentuale Änderung der Laserleistung ΔP/P und die prozentuale Änderung des effektiven Reflexionsvermögens |ΔReff|/Reff als Funktion der Änderung des Reflexionsvermögens ΔR3 des Spiegels M3 (Probe). Figure 9 shows the percent change of the laser power .DELTA.P / P and the percentage change of effective reflectivity |. .DELTA.R eff | / R eff as a function of change in the reflectivity of the mirror .DELTA.R 3 M 3 (sample).
Die in Fig. 1 dargestellte interferometrische Nahfeldanordnung besteht im wesentlichen aus zwei Monomode Quarzglasfasern, von denen die eine als Faserlaser C, die andere als Faserverstärker F ausgebildet ist. Die Länge des Faserlasers ist in bekannter Weise |5| so gewählt, dass nur zwei longitudinale Moden für den gewählten Anregungs(Pump-)bereich anschwingen können. Der Faserlaserresonator ist durch die Verspiegelung M1 und ein Intrafaser- Reflexionsgitter M2 abgeschlossen, der Faserverstärkerresonator, d. h. der an den Faserlaser angekoppelte Resonator durch M2, M3. (Eine elegante, technologisch aufwendige Realisierung eines 2-Modenlasers wird von S. V. Chernikov u. a. in Opt. Lett. 18 (23), 1993, Seite 2023 beschrieben.)The interferometric near-field arrangement shown in FIG. 1 essentially consists of two single-mode quartz glass fibers, one of which is designed as a fiber laser C, the other as a fiber amplifier F. The length of the fiber laser is in a known manner | 5 | chosen so that only two longitudinal modes can oscillate for the selected excitation (pumping) range. The fiber laser resonator is closed off by mirroring M 1 and an intrafiber reflection grating M 2 , the fiber amplifier resonator, ie the resonator coupled to the fiber laser by M 2 , M 3 . (An elegant, technologically complex implementation of a 2-mode laser is described by SV Chernikov inter alia in Opt. Lett. 18 (23), 1993, page 2023.)
Die Fig. 2 zeigt ein Ersatzschema zur Verdeutlichung der Wirkungsweise der Anordnung. Bei den Fasern handelt es sich um Standard-Monomodefasern. FIG. 2 shows an equivalent scheme of the operation of the arrangement. The fibers are standard single-mode fibers.
Der Schnitt durch eine derartige Faser mit dem zugehörigen Brechungsindex-n- Profil ist schematisch in Fig. 3 wiedergegeben. Charakteristische Faserdaten für eine Laserwellenlänge ~ 1 µm sind: Kerndurchmesser D ~ 5 µm; Durchmesser (cladding) N ~ 90 µm, Dicke (coating) O ~ 30 µm. Die numerische Apertur derartiger Fasern beträgt im allgemeinen ~ 0,2. The section through such a fiber with the associated refractive index-n profile is shown schematically in FIG. 3. Characteristic fiber data for a laser wavelength ~ 1 µm are: core diameter D ~ 5 µm; Diameter (cladding) N ~ 90 µm, thickness (coating) O ~ 30 µm. The numerical aperture of such fibers is generally ~ 0.2.
Als Dotierung des Kerns D kommen Seltene Erdmetalle in Frage. Die Dotierungshöhe kann an die Erfordernisse der zu realisierenden Anordnung angepasst und nach bekannten Fertigungsmethoden realisiert werden. Neben Quarzglas können Phosphat- bzw. fluoridisches Glas als Ausgangsmaterial zur Faserherstellung benutzt werden. Die Wahl der Dotanden legt in bekannter Weise die Emissionswellenlänge des Lasers fest. Die Dotierung des Faserverstärkermaterials muss bzgl. des Dotanden dem Faserlaser entsprechen, die Dotierungshöhe kann den Erfordernissen entsprechend frei gewählt werden. Als Pumplaser sollen Standardhalbleiterlaser A, die im Grundmode strahlen, verwendet werden. Die Pumpstrahlung H dient dazu, das strahlungsverstärkende Material D anzuregen. Um die erforderliche Pumpleistungsdichte im Faserkern zu erreichen, ist es zweckmäßig, die bekannte Master Laser Power Amplifier (MOPA) Kombination zu verwenden. Die Länge des Faserlasers C ist erfindungsgemäß so gewählt, dass Emission auf zwei longitudinalen Moden erfolgt und dass ein wesentlicher Teil der Pumpstrahlung (< 80%) in den Faserverstärker F eintritt und dort in Anregung des strahlungsverstärkenden Materials umgesetzt wird. Eine Voraussetzung für die Funktionsfähigkeit der Anordnung ist die bekannte Tatsache, dass die Emissionswellenlänge des MOPA und die Absorptionsbande des Dotanden im Bereich von 1 bis 2 nm übereinstimmen müssen. Faserlaser- und Faserverstärker (Laserresonator C und externer Resonator G) sind gemäß Standardmethoden über einen reflexionsfreien Spleiß E (Reflexionsvermögen << 10-4) miteinander verbunden. Die Faserspitze K mit der Lichtaustrittsöffnung L wird nach Standardmethoden an einem Ende der Verstärkerfaser angebracht. Sie steht der Probe I gegenüber. Der Abstand L-I, mit GF bezeichnet, ist bekannterweise vergleichbar mit der Größe der Lichtaustrittsöffnung L. Die Strahlungsverluste, die bekanntlich in zu Spitzen verjüngten Fasern auftreten, werden durch eine Abschwächung P berücksichtigt. Die Probe, die ein Reflexionsvermögen, charakterisiert durch M3 besitzt, stellt den Abschlussspiegel des externen Resonators dar. Die im Faserlaser C erzeugte und im Faserverstärker F verstärkte Laserstrahlung B dient der berührungslosen Regelung des Abstands GF zur Probe (Bereich 10 bis 100 nm) und zur Ausmessung absorptiver, refraktiver und reflexiver Variationen auf der Probe bzw. zum Einschreiben von Information in die Probe.Rare earth metals come into question as the doping of the core D. The doping level can be adapted to the requirements of the arrangement to be implemented and can be implemented using known manufacturing methods. In addition to quartz glass, phosphate or fluoride glass can be used as the starting material for fiber production. The choice of the dopants determines the emission wavelength of the laser in a known manner. The doping of the fiber amplifier material must correspond to that of the fiber laser with respect to the dopant; the doping level can be freely selected according to the requirements. Standard semiconductor lasers A, which radiate in basic mode, are to be used as pump lasers. The pump radiation H serves to excite the radiation-amplifying material D. In order to achieve the required pump power density in the fiber core, it is advisable to use the well-known master laser power amplifier (MOPA) combination. The length of the fiber laser C is selected according to the invention such that emission takes place in two longitudinal modes and that a substantial part of the pump radiation (<80%) enters the fiber amplifier F and is converted there into excitation of the radiation-amplifying material. A prerequisite for the functionality of the arrangement is the known fact that the emission wavelength of the MOPA and the absorption band of the dopant must match in the range from 1 to 2 nm. Fiber laser and fiber amplifiers (laser resonator C and external resonator G) are connected to one another in accordance with standard methods via a reflection-free splice E (reflectivity << 10 -4 ). The fiber tip K with the light exit opening L is attached to one end of the amplifier fiber using standard methods. It faces Sample I. The distance LI, designated GF, is known to be comparable to the size of the light exit opening L. The radiation losses which are known to occur in fibers which are tapered to a point are taken into account by an attenuation P. The sample, which has a reflectivity, characterized by M 3 , represents the final mirror of the external resonator. The laser radiation B generated in the fiber laser C and amplified in the fiber amplifier F serves for the contactless control of the distance GF from the sample (range 10 to 100 nm) and for measuring absorptive, refractive and reflective variations on the sample or for writing information into the sample.
In Fig. 4a ist eine mögliche technische Ausgestaltung schematisch dargestellt. Im gewählten Beispiel ist die Faser vorgegebener Länge um einen Zylinder Q aus dielektrischen Material gewickelt und fixiert. Durch Anlegen einer Spannung an einen, nach bekannten Verfahren mit Kontakten versehenen derartigen Zylinder, kann über eine Zylinderdurchmesservergrößerung die Laserresonatorlänge C verändert werden. Es ist bekannt, dass mittels elektronischer Regelung am Piezozylinder die Laserleistung stabilisiert und die Lasermoden am Schwerpunkt des Verstärkerprofils gehalten werden können. Die Messung der Laserintensität kann mit einem elektronischen Nachweissystem RP bestehend aus Empfänger SA, SE; Messgerät U, V, RP: SA,V; SE, U erfolgen. Intensitätsänderungen, die auf Grund von Absorptionen in der Probe auftreten, können mit einem Strahlungsempfänger SA detektiert werden RP,A: SA, V. Mittels eines Teilerspiegels T kann die Laserintensität P an der Einkoppelseite in ein Nachweissystem RP,E: SE, U eingespiegelt werden. Dieses Nachweissystem RPE sollte aus einem Empfänger SE für Strahlungsintensität bestehen. Ein Teil des elektrischen Empfängersignals sollte bei Absorptionsmessungen zur Bildung der Differenzintensität DP = PA - PE verwendet und mit einem Oszillographen nachgewiesen werden, vergl. G. Herziger u. a. Zeitschr. f. angew. Physik 18, 2, 1964, Seite 67, der andere Teil sollte zur elektronischen Frequenzanalyse U (Spektrumanalysator) zur Verfügung stehen. Ein vorteilhaftes Merkmal der Erfindung ist die Tandempumpanordnung für Laser und Verstärker mit einem leistungsstarken Diodenlaser (MOPA).A possible technical configuration is shown schematically in FIG. 4a. In the selected example, the fiber of predetermined length is wound around a cylinder Q made of dielectric material and fixed. By applying a voltage to such a cylinder provided with contacts according to known methods, the laser resonator length C can be changed by increasing the cylinder diameter. It is known that the laser power can be stabilized by means of electronic control on the piezo cylinder and the laser modes can be kept at the center of gravity of the amplifier profile. The measurement of the laser intensity can be done with an electronic detection system R P consisting of receiver S A , S E ; Measuring device U, V, R P : S A , V; S E , U take place. Changes in intensity that occur due to absorption in the sample can be detected with a radiation receiver S A R P, A : S A , V. By means of a divider mirror T, the laser intensity P on the coupling-in side can be converted into a detection system R P, E : S E , U can be reflected. This detection system R PE should consist of a receiver S E for radiation intensity. Part of the electrical receiver signal should be used in absorption measurements to form the differential intensity DP = P A - P E and detected with an oscillograph, cf. G. Herziger et al. f. Appl. Physik 18, 2, 1964, page 67, the other part should be available for electronic frequency analysis U (spectrum analyzer). An advantageous feature of the invention is the tandem pump arrangement for lasers and amplifiers with a powerful diode laser (MOPA).
Soll eine Materialbeeinflussung oder Vermessung mit hoher Folgefrequenz (< 100 MHz) und/oder extrem kurzen Impulsen (Femto-/Pikosekunden Intensitätshalbwertsbreite) vorgenommen werden, ist die in Fig. 4b dargestellte technische Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung zu wählen. In diesem Falle wird die Strahlung eines Kurzpulslasers mit angekoppelter Transportfaser W über einen Richtungskoppler X, beide nach bekannten Verfahren realisiert, in die Verstärkerfaser, gemäß bekannter Technologie, eingekoppelt. Die Wellenlänge der Strahlung des Kurzpulslasers muss nicht im spektralen Verstärkungsbereich des Faserverstärkers liegen, sie sollte an den Strukturierungs- bzw. Vermessungsvorgang angepasst sein.If the material is to be influenced or measured with a high repetition frequency (<100 MHz) and / or extremely short pulses (femto- / picosecond intensity half-width), the technical configuration of the arrangement according to the invention shown in FIG. 4b should be selected. In this case, the radiation from a short-pulse laser with coupled transport fiber W is coupled into the amplifier fiber, according to known technology, via a directional coupler X, both realized according to known methods. The wavelength of the radiation from the short-pulse laser does not have to be in the spectral amplification range of the fiber amplifier, it should be adapted to the structuring or measurement process.
Mit der erfindungsgemäßen Kombination aus interferometrischer Nahfeldanordnung und Kurzpulslaser kann ein definierter Abstand zum Material an beliebigen Stellen der Materialoberfläche eingestellt werden, so dass das zu bestrahlende Gebiet immer die gleiche Größe besitzt und die Strukturierung bzw. Vermessung des Materials mit Impulsen erfolgen kann, deren zeitliche Breite und Folgefrequenz wählbar durch den angekoppelten Kurzpulslaser bestimmt sind.With the combination of interferometric Near-field arrangement and short-pulse laser can be a defined distance from the material can be set at any point on the material surface, so that too irradiating area always has the same size and structure or measurement of the material can be done with pulses, their temporal Width and repetition frequency can be selected using the coupled short pulse laser are determined.
In der Fig. 5 ist eine Messung zur Pumpstrahlungsabsorption, wie sie von P. Glas u. a. in Fiber and Integr. Optics 16 (1), 1997, Seite 103 |6| beschrieben wurde, für eine Nd3+-dotierte Monomode Quarzglasfaser (Dotierungshöhe ca. 1000 ppm Nd2O3) wiedergegeben. Für einen Laser, in dem zwei longitudinale Moden anschwingen, sollte eine Länge £ 10 cm vorgesehen werden; vergl. |5|. Die Faserlänge, die für Zwei-Modenbetrieb erforderlich ist, wird nach dem in |6| beschriebenen Abschneideverfahren bestimmt. Für die angegebene Faserlänge £ 10 cm werden gemäß Fig. 5 weniger als 10% Pumpstrahlung absorbiert. Bei vorgegebener Faserlänge kann der Prozentsatz von absorbierter Pumpstrahlung durch die Variation der Dotierungshöhe nach bekannten Verfahren geändert werden. Als Messgrößen stehen in der erfindungsgemäßen Nahfeldanordnung vorteilhafterweise sowohl die Laserfrequenz als auch die Laserintensität zur Verfügung. Das erfindungsgemäßen Messprinzip der Laserfrequenzänderung, das auf der Frequenzrückwirkung des Verstärkerresonators auf den Laserresonator beruht, lässt sich wie folgt beschreiben. In FIG. 5, a measurement is to pump radiation absorption as inter alia P. glass fiber and Integr Optics 16 (1), 1997, page 103 |. 6 | was described for an Nd 3+ -doped single-mode quartz glass fiber (doping level approx. 1000 ppm Nd 2 O 3 ). For a laser in which two longitudinal modes oscillate, a length of £ 10 cm should be provided; compare | 5 |. The fiber length required for two-mode operation is determined according to the in | 6 | described cutting process determined. According to FIG. 5, less than 10% of pump radiation is absorbed for the stated fiber length £ 10 cm. For a given fiber length, the percentage of pump radiation absorbed can be changed by varying the doping level according to known methods. Both the laser frequency and the laser intensity are advantageously available as measurement variables in the near-field arrangement according to the invention. The measuring principle of the laser frequency change according to the invention, which is based on the frequency reaction of the amplifier resonator on the laser resonator, can be described as follows.
Ist an den Laser kein externer Resonator angekoppelt, erhält man die
ungestörten Eigenfrequenzen des Lasers zu
If no external resonator is coupled to the laser, the undisturbed natural frequencies of the laser are obtained
m1 - ganze Zahl, n - Brechungsindexm 1 - integer, n - refractive index
Durch Ankopplung des externen Resonators wird die Lasereigenfrequenz
verschoben, so dass für die gestörte Eigenfrequenz gilt
By coupling the external resonator, the laser natural frequency is shifted, so that the perturbed natural frequency applies
d. h. die Gesamtphasenverschiebung muss wieder ein ganzzahliges Vielfaches
von π sein. Die Phasenverschiebung δ am Mittenspiegel M2 ist
ie the total phase shift must again be an integer multiple of π. The phase shift δ at the center mirror M 2 is
der Index L wurde bei R2,3 weggelassen.the index L was omitted at R 2.3 .
Mit ν = νL + νL und Entwicklung der trigonometrischen Funktionen bis zur
zweiten Ordnung folgt:
With ν = ν L + ν L and development of the trigonometric functions up to the second order follows:
Die normierte Darstellung der Frequenzverschiebung der Laserresonanzfrequenz ν1,L in Abhängigkeit von der Verstärkerresonatorlängenänderung ist in der Fig. 6a wiedergegeben. The standardized representation of the frequency shift of the laser resonance frequency ν 1, L as a function of the change in amplifier resonator length is shown in FIG. 6a.
Für einen 13 cm langen Verstärkerresonator ist m2 = 2Lv/λ ~ 3 × 105 (λlas = 1,05 × 10-4 cm). Die Frequenzverschiebung ΔνL beträgt in diesem Beispiel ~ ±6,5 × 106 s-1 für eine Längenänderung der Verstärkerresonatorlänge von ±76 nm. Man erhält, um den Koinzidenzpunkt = 0 herum, eine nahezu lineare Frequenzverschiebung der Laserresonanzfrequenz ν1,L bei Änderung der Verstärkerresonatorlänge. Die maximale Abweichung von der Linearität beträgt ~ 17%.For a 13 cm long amplifier resonator, m 2 = 2L v / λ ~ 3 × 10 5 (λ las = 1.05 × 10 -4 cm). The frequency shift Δν L in this example is ~ ± 6.5 × 10 6 s -1 for a change in length of the amplifier resonator length of ± 76 nm. Around the coincidence point = 0, an almost linear frequency shift of the laser resonance frequency ν 1, L is obtained Change in amplifier cavity length. The maximum deviation from linearity is ~ 17%.
In Fig. 6b wurde der Reflexionsgrad der Probe auf 4% heraufgesetzt. Für eine Längenänderung des Verstärkerresonators von ±48 nm erhält man eine Frequenzverschiebung der Lasermode von ±1,7 × 107 s-1. Die maximale Abweichung von der Linearität beträgt < 5%.In Fig. 6b the reflectance of the sample was increased to 4%. For a change in length of the amplifier resonator of ± 48 nm, a frequency shift of the laser mode of ± 1.7 × 10 7 s -1 is obtained . The maximum deviation from linearity is <5%.
Die Fig. 7a, b veranschaulichen schematisch, wie das Messsignal, dessen Größe nach Formel (4) bzw. Fig. 6a, 6b zu bestimmen ist, durch Differenzfrequenzbildung der beiden Lasermoden zustande kommt. FIGS. 7a, b schematically illustrate how the measurement signal, the size of which is to be determined according to formula (4) or FIGS. 6a, 6b, comes about by forming the difference frequency of the two laser modes.
In Fig. 7a sind die Frequenzen der beiden Lasermoden mit ν1,L; ν2,L bezeichnet.
Die Differenzfrequenz, die mit einem elektronischen Spektrenanalysator (Rp: U)
gemessen werden kann, ist mit ν2,L - ν1,L = ΔνDiff,L bezeichnet. Für das gezeigte
Beispiel ist ΔνDiff,L = 2,1 × 109 s-1. Die Frequenzbandbreite der Lasermoden ist
mit δνL bezeichnet. Für den Verstärkerresonator wurde der Index V an den
relevanten Größen verwendet. In Koinzidenzstellung stimmt die Laserfrequenz
ν1,L mit einer Modenfrequenz des Verstärkerresonators, ν1,V bezeichnet,
überein, ν1,L - ν1,V = 0. Als Bedingung ist vorausgesetzt, dass die Frequenz der
zweiten Lasermode soweit von der nächstbenachbarten
Verstärkerresonatormode entfernt ist, dass für ihre Differenz
In Fig. 7a the frequencies of the two laser modes with ν 1, L ; ν 2, L. The difference frequency that can be measured with an electronic spectrum analyzer (R p : U) is denoted by ν 2, L - ν 1, L = Δν Diff, L. For the example shown, Δν Diff, L = 2.1 × 10 9 s -1 . The frequency bandwidth of the laser modes is designated δν L. The index V on the relevant variables was used for the amplifier resonator. In the coincidence position, the laser frequency ν 1, L coincides with a mode frequency of the amplifier resonator, ν 1, V , ν 1, L - ν 1, V = 0. The condition is that the frequency of the second laser mode is as far from that of the next one Amplifier resonator mode is removed for their difference
Δν2,L-4,V << δνL,V
Δν 2, L-4, V << δν L, V
gilt oder zahlenmäßig für das gewählte Beispiel: 3,2 × 108 s-1 << 2 × 106 s-1. Da in der Koinzidenzstellung ΔLV = 0 ist, hat in Fig. 6a, 6b den Wert 0. Wird die Probe I an der Spitze vorbei gefahren, ändert sich ΔLV. Damit ändern sich gemäß Gleichung (1) die Modenfrequenzen (ν1,V bis ν4,V) des Verstärkerresonators, vergl. Fig. 7b. (Man ersetze in Gl. (1) Index L durch V). Das hat gemäß Gl. (4) eine Verschiebung der Laserfrequenz (ν1,L) der Mode 1,L zur Folge. Die spektrale Lage ν2,L der unbeeinflussten Mode 2,L ändert sich nicht, so lange die Bedingung Δν2,L-4,V << δνL,V erfüllt ist. Je nach aktueller Länge des Verstärkerresonators LV + ΔLV ergibt sich eine aktuelle Differenzfrequenz ΔνDiff,L, die sich von der ungestörten Differenzfrequenz ΔνU Diff,L (Koinzidenzstellung, = 0) unterscheidet. Die Änderung der Differenzfrequenz kann elektronisch detektiert (Rp: SE,U) werden. Mittels bekannter elektronischer Methoden kann das Messsignal entweder in einen niederfrequenten Bereich transformiert oder in ein DC-Signal umgewandelt werden. Die Auflösungsgrenze elektronischer Spektralanalysatoren liegt bei ca. 100 s-1, das entspricht einer Höhendifferenz auf der Probe (Längenänderung des Resonators) von ~ 10-2 nm. Um derartig kleine Höhendifferenzen zu messen, ist eine Messzeit von 10 bis 100 ms erforderlich. Das Höhenprofil der Probe stellt sich im Resultat der Messung als ortsabhängige Differenzfrequenz dar. Wird ein konstanter Abstand Faserspitze-Probe gefordert, kann die gemessene Differenzfrequenz als Stellgröße für eine Einrichtung zur Probenverschiebung (Kompensation von ΔLV) benutzt werden. Damit ist ein berührungsloses Abscannen der Probe I möglich. Vorteilhafterweise lässt sich erfindungsgemäß eine direkte Kalibrierung der Frequenzänderung in Einheiten der Länge vornehmen. Dazu ist es nur erforderlich, die Probe mittels Piezosteller um eine definierte Länge ΔLV aus der Koinzidenzstellung = 0 heraus zu verschieben und die dazu gehörige Differenzfrequenz zu messen. Die Scangeschwindigkeit ist durch die Einschwingzeit des Lasers gegeben, die sich aus der Frequenzbandbreite der Moden herleiten lässt. Sie beträgt ca. 0,1 bis 1 µs.applies or numerically for the selected example: 3.2 × 10 8 s -1 << 2 × 10 6 s -1 . Since ΔL V = 0 in the coincidence position, it has the value 0 in FIGS. 6a, 6b . If sample I is moved past the tip, ΔL V changes. The mode frequencies (ν 1, V to ν 4, V ) of the amplifier resonator thus change in accordance with equation (1), cf. FIG. 7b. (In Eq. (1) replace index L with V). According to Eq. (4) a shift in the laser frequency (ν 1, L ) of mode 1, L results. The spectral position ν 2, L of the unaffected mode 2, L does not change as long as the condition Δν 2, L-4, V << δν L, V is fulfilled. Depending on the current length of the amplifier resonator L V + ΔL V , a current difference frequency Δν Diff, L results, which differs from the undisturbed difference frequency Δν U Diff, L (coincidence setting, = 0). The change in the differential frequency can be detected electronically (R p : S E , U). Using known electronic methods, the measurement signal can either be transformed into a low-frequency range or converted into a DC signal. The resolution limit of electronic spectral analyzers is approx. 100 s -1 , which corresponds to a height difference on the sample (change in length of the resonator) of ~ 10 -2 nm. To measure such small height differences, a measuring time of 10 to 100 ms is required. The height profile of the sample is shown in the result of the measurement as a location-dependent difference frequency. If a constant distance between fiber tip and sample is required, the measured difference frequency can be used as a manipulated variable for a device for sample displacement (compensation of ΔL V ). This enables a contactless scanning of sample I. A direct calibration of the frequency change in units of length can advantageously be carried out according to the invention. For this it is only necessary to move the sample by means of piezo-actuators by a defined length .DELTA.L V from the coincidence position = 0 and out to measure the associated differential frequency. The scanning speed is given by the settling time of the laser, which can be derived from the frequency bandwidth of the modes. It is approximately 0.1 to 1 µs.
Die Bedingung Δν2,L-4,V << δνL,V ist nur dann, speziell für den angekoppelten
Resonator G zu erfüllen, wenn dieser Resonator durch Einbringen eines
strahlungsverstärkenden Materials D entdämpft wird. Die Frequenzbandbreite
ist gegeben durch
The condition Δν 2, L-4, V << δν L, V can only be met, especially for the coupled resonator G, if this resonator is attenuated by introducing a radiation-amplifying material D. The frequency bandwidth is given by
(H. Boersch u. a. Phys. Lett 4, 1963, Seite 191).(H. Boersch et al. Phys. Lett 4, 1963, page 191).
δνV ist die Frequenzbandbreite des entdämpften Resonators, δ ο|V ist die Bandbreite ohne Verstärkung, Go ist der Verstärkungskoeffizient.δν V is the frequency bandwidth of the undamped resonator, δ ο | V is the bandwidth without amplification, G o is the amplification coefficient.
Mit Fig. 8 ist Go für Lv = 13 cm: Go = 1,56 × 105. Mit einer Finesse F des passiven
Resonators F = 2 wird
. With Figure 8 G o is cm for L v = 13: G o = 1.56 x 10 5. With a finesse F of the passive resonator F = 2
(vergl. Fig. 7a), d. h. δνV ~ 1 × 106 s-1. Die Bandbreite des Lasers wird in |5| mit 1-2 × 106 s-1 angegeben, so dass die oben genannten Bedingungen für das gewählte Beispiel sehr gut erfüllt sind.(see FIG. 7a), ie δν V ~ 1 × 10 6 s -1 . The bandwidth of the laser is shown in | 5 | indicated with 1-2 × 10 6 s -1 , so that the above conditions are very well fulfilled for the selected example.
Als zweite unabhängige Messgröße steht erfindungsgemäß neben der Differenzfrequenzänderung die Intensitätsänderung der Laserstrahlung zur Verfügung, die mit dem Leistungsmesser Rp gemessen werden kann. Die Laserleistung lässt sich wie folgt berechnen, vergl. A. E. Siegman, Lasers, Univ. Sci. Books, Mill Valey, Calif. Kap. 12, Seite 487.In addition to the change in difference frequency, the change in intensity of the laser radiation, which can be measured with the power meter R p, is available as a second independent measurement variable. The laser power can be calculated as follows, see AE Siegman, Lasers, Univ. Sci. Books, Mill Valey, Calif. Cape. 12, page 487.
Dazu müssen bekannt sein:
die Verluste (Strahlungsverlust in der Faserspitze, Faserverluste, die Fläche
des Kerns D, die Sättigungsintensität der Faser (Materialkonstante), die
Kleinsignalverstärkung und das effektive Reflexionsvermögen des
angekoppelten Resonators.To do this, you must know:
the losses (radiation loss in the fiber tip, fiber losses, the area of the core D, the saturation intensity of the fiber (material constant), the small signal amplification and the effective reflectivity of the coupled resonator.
F - Fläche des Kerns, T2 - Transmissionsgrad des Auskoppelspiegels, Is - Sättigungsintensität, R1 - Reflexionsgrad des Spiegels M1, Reff - effektiver Reflexionsgrad der Spiegelkombination M2, M3. Das effektive Reflexionsvermögen Reff ist eine Funktion der Abstimmung der beiden Resonatoren zueinander, vergl. |4|; G0 - Kleinsignalverstärkungsfaktor. F - area of the core, T 2 - transmittance of the coupling-out mirror, I s - saturation intensity, R 1 - reflectance of the mirror M 1 , R eff - effective reflectance of the mirror combination M 2 , M 3 . The effective reflectivity R eff is a function of the coordination of the two resonators to one another, cf. | 4 |; G 0 - small signal gain factor.
In Fig. 8 ist die gemessene Kleinsignalverstärkung InG0/LL = g0 für das in Fig. 5
beschriebene Beispiel dargestellt. Die Bestimmung von G0 ist in |6| dargelegt.
Für das angegebene Beispiel ist F = 2,8 × 10-7 cm2, Is = 4,5 × 104 W/cm2,
G0 ~ 7 × 107 für LL + LV = 18 cm. Nach |4| kann der Einfluss des angekoppelten
Resonators durch ein effektives Reflexionsvermögen Reff berücksichtigt werden
In Fig. 8 the measured small-signal gain is InG 0 / L L = g 0 shown for in Fig. 5 described example. The determination of G 0 is in | 6 | explained. For the given example, F = 2.8 × 10 -7 cm 2 , I s = 4.5 × 10 4 W / cm 2 , G 0 ~ 7 × 10 7 for L L + L V = 18 cm. After | 4 | the influence of the coupled resonator can be taken into account by an effective reflectivity R eff
Die Fig. 9 zeigt die prozentuale Laserleistungsänderung ΔP/P und die prozentuale Änderung des effektiven Reflexionsvermögens |ΔReff|/Reff als Funktion der Reflexionsgradänderung ΔR3 des Spiegels M3. Um eine Änderung ΔR3 ~ 10-2 nachzuweisen, muss eine prozentuale Leistungsänderung ΔP/P von ~ 5% detektierbar sein, d. h. die Leistungsmessung mit Rp: SE,V darf nur mit einem Fehler < 1% behaftet sein. Die Absolutleistung für die genannten Parameter liegt bei ca. 1 mW. Die mit der Messanordnung Rp:SA,SE, V bestimmbaren ortsaufgelösten (100 nm-Bereich) Absorptionsänderungen können nach |6| mit den charakteristischen Daten der erfindungsgemäßen Anordnung bei ≧ 10-3 liegen. FIG. 9 shows the percentage change in laser power ΔP / P and the percentage change in the effective reflectivity | ΔR eff | / R eff as a function of the change in reflectance ΔR 3 of the mirror M 3 . In order to demonstrate a change ΔR 3 ~ 10 -2 , a percentage change in power ΔP / P of ~ 5% must be detectable, ie the power measurement with R p : S E , V may only be associated with an error <1%. The absolute power for the parameters mentioned is approx. 1 mW. The spatially resolved (100 nm range) absorption changes which can be determined with the measuring arrangement R p : S A , S E , V can be determined according to | 6 | with the characteristic data of the arrangement according to the invention are ≧ 10 -3 .
Die minimalen Reflexions- (ΔR) bzw. Brechungsindexänderungen (Δn), die ortsaufgelöst mit der erfindungsgemäßen Anordnung (Messanordnung Rp: SE, U) erfasst werden können, liegen im Bereich ΔR ≧ 10-6; Δn ≧ 10-5.The minimum reflection (ΔR) or refractive index changes (Δn), which can be detected in a spatially resolved manner using the arrangement according to the invention (measuring arrangement R p : S E , U), are in the range ΔR ≧ 10 -6 ; Δn ≧ 10 -5 .
Es ist denkbar, dass zu untersuchende Proben neben einem Höhenprofil auch Bereiche unterschiedlichen Reflexionsvermögens besitzen. Das kann unter Umständen die Aufnahme des Höhenprofils der Probe bzw. das Einhalten eines konstanten Abstands zur Faserspitze stören, wenn nur die Differenzfrequenzänderung gemessen wird. Wie der Vergleich der Fig. 6a, 6b zeigt, ist die Messung der Differenzfrequenz allein nicht eindeutig. Eine Reflexionsgradänderung kann eine Höhenänderung vortäuschen. Eine gleichseitige Messung der Laserleistung behebt die Nichteindeutigkeit, da gemäß Fig. 9 eine Reflexionsgradänderung direkt mit einer Laserleistungsänderung einhergeht.It is conceivable that samples to be examined have areas of different reflectivities in addition to a height profile. Under certain circumstances, this can interfere with the recording of the height profile of the sample or the maintenance of a constant distance from the fiber tip if only the difference in frequency is measured. As the comparison of FIGS. 6a, 6b shows, the measurement of the differential frequency alone is not clear. A change in reflectance can simulate a change in height. An equilateral measurement of the laser power eliminates the ambiguity, since according to FIG. 9 a change in reflectance is directly associated with a change in laser power.
Das Problem des Rauschens, d. h. der verstärkten spontanen Emission, ist nicht von wesentlicher Bedeutung, da nur in einem sehr eingeschränkten Frequenzbereich (Frequenzbandbreite der Moden) gearbeitet wird.The problem of noise, i. H. the increased spontaneous emission not essential, since only in a very limited Frequency range (frequency bandwidth of the modes) is worked.
Für die Strukturierung des Materials durch strahlungsinduzierte Veränderungen ist es unbedingt erforderlich, einen konstanten Abstand zur Materialoberfläche einzuhalten, da sonst die bestrahlten Bereiche unterschiedlich veränderte und/oder unterschiedliche Größe aufweisen. Die Regelung auf konstanten Abstand erfolgt über die Einstellung konstanter Differenzfrequenz und Laserleistung.For structuring the material through radiation-induced changes it is imperative to keep a constant distance from the material surface to be observed, otherwise the irradiated areas changed differently and / or have different sizes. The regulation on constant Distance takes place via the setting of constant differential frequency and Laser power.
Wird die Leistung der Pumplichtquelle A durch Steigerung des Diodenstroms mit einer an die Versuchsbedingungen angepassten Taktfrequenz nach bekannten Methoden erhöht (DC-Betrieb mit überlagerten Impulsen), was eine Vergrößerung der Leistung des Faserlasers nach sich zieht, kann im Material eine bestrahlungsstärkeabhängige Veränderung vorgenommen werden. Derartige Veränderungen mit angepasster Schreibgeschwindigkeit (0 bis 100 MHz) können in vorteilhafter Weise mit dem eingekoppelten Kurzpulslaser W ausgeführt werden.The power of the pump light source A is increased by increasing the diode current with a clock frequency adapted to the test conditions known methods increased (DC operation with superimposed pulses), which is a Increasing the power of the fiber laser can result in the material a radiation-dependent change can be made. Such changes with an adjusted writing speed (0 to 100 MHz) can advantageously with the coupled short pulse laser W run.
Die beschriebene Anordnung zur Vermessung bzw. Erzeugung von Strukturen im nm-Bereich ist als Realisierungsvariante anzusehen, die die Möglichkeiten zur (laser-)interferometrischen Vermessung von Abständen im Nanometerbereich bzw. die Bestimmung und Erzeugung von reflexiven, refraktiven und absorptiven Veränderungen in einer Probe mit höchster Orts- und Zeitauflösung mittels gekoppelter Resonatoren, wobei der eine als Faserlaser, der andere als Faserverstärker mit verjüngtem Ende ausgebildet ist, ausnutzt.The arrangement described for measuring or generating structures in the nm range is to be seen as an implementation variant that shows the possibilities for (laser) interferometric measurement of distances in Nanometer range or the determination and generation of reflective, refractive and absorptive changes in a sample with the highest spatial and time resolution by means of coupled resonators, the one being Fiber laser, the other designed as a fiber amplifier with a tapered end is exploited.
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