DE19841736C2 - Lichtkoppler für Breitbandstrahlung im Mikrowellen- bis Infrarotbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lichtwandler- oder Lichtkopp­ lereinrichtung für Breitbandstrahlung im Mikrowellen- bis Infrarotbereich gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und Verwendungen einer derartigen Einrichtung.

Es ist allgemein bekannt, Hohlspiegel oder Linsen zu benutzen, um Strahlung im freien Raum auf einen Wellenleiter zu fokus­ sieren. Als Koppler dienen dabei die aus der integrierten Op­ tik bekannten Gitter-, Prismen- und Endkoppler. Nachteilig an diesen herkömmlichen Kopplern ist der Aufwand an optischen Komponenten sowie die komplizierte Justierung. Im Falle des Gitterkopplers kommt als zusätzliche Beschränkung hinzu, daß die Resonanzbedingung nicht für breitbandige Strahlung erfüllt werden kann.

Es ist ferner bekannt (siehe z. B. von Exter et al. in "Optics Letters", Band 14, 1989, S. 1128 ff.), zur Erzeugung von puls­ förmiger Strahlung im THz-Bereich einen Aufbau zu verwenden, wie er schematisch in Fig. 6 gezeigt ist. Ein dünnes, schicht­ förmiges Halbleitermaterial 61 wird von einer Seite mit kurzen Farbstofflaserpulsen (Pfeil A) bestrahlt. Die emittierte In­ frarotstrahlung wird durch ein auf der entgegengesetzten Seite angeordnetes halbkugelförmiges Dielektrikum 62 hin zu einem optischen System 63 gesammelt, an das sich ein spektroskopi­ sches Meßsystem oder ein Detektor (nicht dargestellt) an­ schließt. Zusätzlich sind Elektroden 64 vorgesehen, zwischen denen ein elektrisches Feld zur Beeinflussung der Ströme elek­ trischer Ladungsträger ausgebildet sind, die im bestrahlten Bereich angeregt werden.

Mit dem Aufbau gemäß Fig. 6 wird zwar eine verhältnismäßig empfindliche Detektion der THz-Strahlung erzielt. Es sind je­ doch die folgenden Nachteile gegeben. Die THz-Strahlung ist relativ schmalbandig. Die Lichtkopplung vom Dielektrikum 62 zum optischen System 63 ist uneffektiv (Effektivität der Größenordnung 10^-4) und mit hohen Lichtverlusten verbunden, die eine weitere Verwendung der Infrarotstrahlung etwa für spek­ troskopische Zwecke ausschließen. Das mit dem optischen System 63 gesammelte Lichtfeld besitzt charakteristische Dimensionen, die mindestens so groß wie die Wellenlängen der Infrarotstrah­ lung sind. Damit wären selbst bei genügender Lichtleistung spektroskopische Anwendungen lediglich ohne oder nur mit einer geringen Ortsauflösung möglich. Schließlich ist der Aufbau ge­ mäß Fig. 6 auf bestimmte Dimensionen und Materialien der ver­ wendeten Komponenten beschränkt.

Aus der Publikation von A. Bonvalet et al. in "Applied Physics Letters" (Band 67, 1995, Seite 2907 ff.) ist die Erzeugung breitbandiger Infrarotstrahlung durch Bestrahlung von GaAs mit ultrakurzen Lichtpulsen (fs-Bereich) bekannt. Femtosekunden­ pulse (Pulsdauer im Bereich von 10 bis 15 fs) eines Titan- Saphir-Lasers werden mit einer Wiederholrate von 100 MHz auf GaAs mit einer charakteristischen Lichtfleckgröße von rd. 20 µm fokussiert. Bei einem als "optische Gleichrichtung" bezeichneten Vorgang im Halbleitermaterial kommt es nach der pulsförmigen Anregung von Ladungsträgern und deren Bewegung während der Relaxationszeiten zur Abstrahlung einer breitban­ digen Infrarotstrahlung, deren obere Grenzfrequenz im wesent­ lichen durch die Anregungszeit von Ladungsträgern (10 bis 15 fs) und deren untere Grenzfrequenz im wesentlichen durch die Relaxationszeit der Ladungsträger (rd. 100 fs) bestimmt wird. Die breitbandige Infrarotstrahlung wird mit einem Para­ bolspiegel gesammelt und anschließend detektiert.

Die Breitbandlichtquelle nach A. Bonvalet et al. ist auf eine Untersuchung der optischen Gleichrichtung beschränkt. Die breitbandige Infrarotstrahlung ist zwar mit dem Detektor meß­ bar, andererseits wegen der geringen Effektivität der Licht­ sammlung mit dem Parabolspiegel jedoch an sich nicht für wei­ tere Anwendungen nutzbar. Da das Spektrum der Infrarotstrah­ lung entsprechend den angegebenen Frequenzgrenzen jedoch gera­ de den Bereich typischer molekularer Schwingungsfrequenzen einschließt, besteht ein Interesse an der Verwendung der breitbandigen Strahlung für spektroskopische Untersuchungen.

In DE-OS 44 37 575 wird ein spektroskopisches Verfahren unter Verwendung von zwei Strahlungsquellen beschrieben, die Pulszü­ ge mit geringfügig unterschiedlichen Repetitionsfrequenzen emittieren. Eine Vielzahl von Frequenzkomponenten wird dadurch delektiert, daß sie mit ganzzahligen Vielfachen des Unter­ schieds der Repetitionsfrequenzen moduliert sind. Dieses Zwei­ strahlmodulationsverfahren war bisher auf bestimmte Lichtquel­ len bzw. nichtlinear optische Lichtwandler beschränkt. Orts­ aufgelöste Analysen im Infrarotbereich waren bisher ausge­ schlossen.

Aus US 5 574 742 A ist eine Halbleiter-Wellenleiterstruktur bekannt, die einen Modenkoppler bildet, in dem Strahlungsmoden von einem Wellenleiter in einen benachbarten Wellenleiter um­ gekoppelt werden. EP 570 124 A1 beschreibt ein integriertes nichtlineares Wellenleiter-Spektrometer mit einer schichtför­ migen Modenkopplerstruktur. In der Modenkopplerstruktur wird mit einem nichtlinearen Wellenleitermaterial die Wirkung eines Gitters zur Erzielung einer spektralen Dispersion simuliert.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Lichtkopp­ lereinrichtung für breitbandige Emissionen an pulsförmig bestrahlten, optisch nichtlinearen Materialien anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Sammlungseffektivität auszeichnet und erweiterte Anwendungen für Analyse- oder Meß­ zwecke unter Einsatz der breitbandigen Emissionen erlaubt. Die Lichtkopplereinrichtung soll insbesondere in ihrer Gestaltung leicht an die jeweilige Anwendung angepaßt werden können. Die Aufgabe der Erfindung ist es auch, Anwendungen einer derarti­ gen Lichtkopplereinrichtung anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch eine Lichtkopplereinrichtung mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Aus­ führungsformen und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.

Abweichend von herkömmlichen Kopplern mit optischen Abbil­ dungssystemen wird erfindungsgemäß eine Lichtkopplereinrich­ tung geschaffen, bei der ein optisch nichtlineares, Material, das in einem Emissionsgebiet (oder: räumlicher Emissionsbe­ reich, aktiver Oberflächenbereich) zur Erzeugung breitbandiger Infrarot- oder Mikrowellenstrahlung eingerichtet ist, einen Wellenleiter trägt, der für eine Nahfeldeinkopplung der im Emissionsgebiet generierten Strahlung eingerichtet ist. Der Wellenleiter dient der inneren Leitung optischer Strahlung oder der Leitung von Oberflächenplasmonen und besitzt ein zum Emissionsgebiet hinweisendes Ende, das einen Kopplungsbereich bildet, der mit dem Emissionsgebiet überlappt oder an diesen angrenzt. Der Wellenleiter ist vorzugsweise schichtförmig mit einem am Kopplungsbereich abrupten Ende der Wellenleiter­ schicht ausgebildet. Die durch das Ende der Wellenleiter­ schicht auf dem optisch nichtlinearen Material gebildete Be­ grenzungslinie des Emissionsgebietes ist vorzugsweise an die Gestalt der Phasenfront der im Wellenleiter anzuregenden Welle angepaßt bzw. zu dieser kongruent.

Das abrupte, kantenförmige Ende des Wellenleiters ragt in das Nahfeld des im Emissionsgebiet generierten Strahlungsdipols. Die Strahlungeigenschaften (insbesondere Emissionsspektrum dieser Strahlung) sind abhängig vom optisch nichtlinearen Ma­ terial. Somit ist auch das Nahfeld dieser Strahlung eine Ei­ genschaft des bestrahlten Materials innerhalb der Grenzen des Emissionsgebiets. Der Abstand des Endes des Wellenleiters vom Emissionsgebiet bzw. die Ausmaße des Emissionsgebiets werden somit anwendungsabhängig je nach dem verwendeten Material zur Erzeugung der breitbandigen Strahlung gewählt. Der Abstand ist kleiner oder etwa gleich der kleinsten in der Emission auftre­ tenden und anwendungsabhängig interessierenden Wellenlänge.

Das Emissionsgebiet ist ein freiliegender Abschnitt des op­ tisch nichtlinearen Materials, der zur Bestrahlung mit kohä­ renten, kurzen Lichtpulsen eingerichtet ist. Gemäß einer be­ sonderen Ausführungsform der Erfindung ist eine Bestrahlungs­ optik vorgesehen, mit der aus den einfallenden Lichtpulsen ein Lichtfleck mit einer vorbestimmten Geometrie (z. B. Strich- oder Kurvenform) gebildet wird. Das Emissionsgebiet ist dem­ entsprechend geformt. Das Ende der Wellenleiterschicht ist als Grenze an die Geometrie des Lichtflecks angepaßt.

Gegenstand der Erfindung sind auch die Anwendung einer derar­ tigen Lichtkopplereinrichtung beim Aufbau einer Tastspitze für die optische Nahfeldmikroskopie oder bei ATR-Meßanordnungen (s. unten), wobei vorzugsweise die oben genannte spektroskopi­ sche Zweistrahlmodulationsmethode implementiert wird.

Die Erfindung besitzt die folgenden Vorteile. Die Lichtkopp­ lereinrichtung ist einfach aufgebaut. Die gewünschte Licht­ fleckgeometrie des Emissionsgebiets läßt sich verhältnismäßig einfach mit optischen Mitteln realisieren und ebenso ist die Ausbildung von ein- oder mehrdimensionalen Wellenleitern auf dem jeweiligen optisch nichtlinearen Material relativ einfach möglich. Es wird eine breitbandige Infrarot- oder Mikrowellen­ strahlungsquelle mit einer Spot-Größe geschaffen, die minde­ stens eine charakteristische Dimension besitzt, die wesentlich kleiner als die im Spektrum der generierten Strahlung enthal­ tenen Wellenlängen ist. Damit wird erstmalig eine langwellige Breitband-Strahlungsquelle geschaffen, die Fokussierungen und somit ortsaufgelöste Messungen erlaubt, die bisher nur mit ra­ stermikroskopischen Verfahren zugänglich waren. Das Emissions­ spektrum überdeckt die interessierende molekulare Schwingungs­ energie im Bereich von 300 bis 3000 cm^-1.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im fol­ genden unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrie­ ben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsge­ mäßen Lichtkopplereinrichtung (Ausschnitt),

Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung mit einem strichförmigen Emissionsge­ biet,

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eine weitere Ausfüh­ rungsform der Erfindung mit einem gekrümmten Emissionsgebiet,

Fig. 4 eine schematische Perspektivansicht einer Ausfüh­ rungsform der Erfindung, die für Anwendungen in der Nahfeldspektroskopie eingerichtet ist,

Fig. 5 eine schematische Schnittansicht (analog zu Fig. 1) zur Illustration der erfindungsgemäßen Lichtkopplung, und

Fig. 6 eine herkömmliche Lichtquelle zur Erzeugung breitban­ diger Infrarotstrahlung (Stand der Technik).

Eine erfindungsgemäße Lichtkopplereinrichtung (oder: Licht­ quelle für breitbandige Infrarot- oder Mikrowellenstrahlung) besteht im wesentlichen aus einem optisch nichtlinearen Mate­ rial 11, das mindestens einen Wellenleiter 12 trägt. Das op­ tisch nichtlineare Material ist ein Material mit einem optisch nichtlinearen Koeffizienten höherer Ordnung, der ungleich 0 ist. Beispiele sind optisch nichtlineare Koeffizienten zweiter (χ⁽²⁾) oder höherer Ordnung. Es kann sich um ein anorganisches (z. B. GaAs, ZnTe) oder ein organisches (Polymer) optisch nichtlineares Material handeln. Es kann anwendungsabhängig auch ein speziell angepaßtes Material mit einer bestimmten elektronischen Band- oder Zustandsstruktur zur Erzielung eines vorbestimmten Relaxationsverhaltens sein. Über die Wahl eines Materials mit besonders kurzen oder besonders langen Relaxa­ tionszeiten kann beispielsweise (dann noch in Abhängigkeit von der Pulsdauer der pulsförmigen Bestrahlung) eine relativ schmal- bzw. breitbandigere Emission erzeugt werden.

Das optisch nichtlineare Material 11 ist beispielsweise ein Substrat- oder Wafer-Material mit einer Dicke im Bereich von 300 µm bis 1 mm. Es ist jedoch auch der Einsatz größerer Substratschichtdicken möglich.

Der Wellenleiter 12 ist Schicht- oder faserförmig auf dem Sub­ strat 11 angebracht. Dies erfolgt vorzugsweise durch herkömm­ liche Schichtabscheidungstechniken, wie z. B. Aufdampfen. Es ist aber auch möglich, beispielsweise bei einem Wellenleiter in Faserform, diesen auf dem Substrat aufzukleben.

Der Wellenleiter besteht aus einem zur Plasmonleitung oder zur total reflektierenden Wellenleitung geeigneten Material wie z. B. inerten Metallen (Platin, Gold, Aluminium) oder Dielek­ trika (z. B. Glas) oder Halbleiter (z. B. Germanium). Die Schichtdicke des Wellenleiters 12 wird bei Metallen im Bereich von 50 nm bis 500 nm, vorzugsweise bei 200 nm gewählt, kann bei Nicht-Metallen aber auch im µm-Bereich liegen.

Der Lichtwellenleiter 12 besitzt ein abruptes Ende 13, das so nahe am Emissionsgebiet 14 oder an diesen angrenzend angeord­ net ist, daß im Emissionsgebiet 14 generierte breitbandige Strahlung im Nahfeld in den Lichtwellenleiter 12 eingekoppelt wird. Das Ende 13 des Wellenleiters 12 kann z. B. weniger als eine mittlere Wellenlänge der breitbandigen Emission von der Mitte des Emissionsgebiets 14 beabstandet sein. Verschiedene Gestaltungen des Emissionsgebiets 14 bzw. des Endes des Wel­ lenleiters 12 werden weiter unten unter Bezug auf die Fig. 2 bis 4 erläutert.

Beim bestimmungsgemäßen Einsatz einer erfindungsgemäßen Licht­ kopplereinrichtung wird pulsförmiges Anregungslicht entspre­ chend einer vorbestimmten Lichtfleckgeometrie auf dem optisch nichtlinearen Material 11 fokussiert. Das freiliegende Emissionsgebiet 14 wird entsprechend dem Pfeil A mit Lichtpul­ sen bestrahlt. Die Lichtpulse besitzen beispielsweise eine Pulslänge im Bereich unterhalb von 20 fs und einen Impulsab­ stand von rd. 10 ns. Die Leistung der Einzelpulse beträgt rd. 10 kW, so daß sich eine mW-Dauerleistung ergibt. Es wird vor­ zugsweise ein strich- (gerade oder gekrümmt) oder punktförmi­ ger Lichtfleck gebildet, der eine Strichbreite bzw. einen Punktdurchmesser im Bereich von 3 bis 10 µm besitzt.

Durch optische Gleichrichtung wird im Emissionsgebiet 14 eine breitbandige Emission erzeugt, in deren Nahfeld das Ende 13 des Wellenleiters 12 ragt. Die breitbandige Emission wird in oder auf den Wellenleiter 12 eingekoppelt und läuft als Schicht- oder Oberflächenwelle 15 durch den Wellenleiter 12 (Pfeil B). Anwendungsabhängig ist der Wellenleiter 12 so ein­ gerichtet, daß der aus der Wellenleiteroberfläche austretende, evaneszente Anteil der Welle 15 für spektroskopische Zwecke verwendet wird oder die Welle 15 auf einen bestimmten Endpunkt des Wellenleiters 12 (z. B. Tastspitze, s. Fig. 4) fokussiert wird. Der Wellenleiter 12 kann anwendungsabhängig eine Länge von mindestens 50 µm bis einige cm besitzen.

Die Wellenlänge der breitbandige Emission wird vorzugsweise im Spektralbereich gewählt, der für die Schwingungsspektroskopie von Interesse ist. Sie liegt je nach Pulsdauer des Anregungs­ lichts und Relaxationszeit des Materials 11 im Bereich von rd. 3 µm bis rd. 100 µm oder länger (Mikrowellen).

Die Fig. 2 und 3 zeigen verschiedene Gestaltungen des Emis­ sionsgebiets in Draufsicht (ohne das optisch nichtlineare Ma­ terial). Gemäß Fig. 2 ist der Wellenleiter ein Schichtwellen­ leiter 22 in Form eines geraden Streifens. Das gerade Ende 23 des Schichtwellenleiters 22 ist an den geraden-strichförmigen Beleuchtungsfleck bzw. das Emissionsgebiet 24 angepaßt. Die im Emissionsgebiet 24 erzeugte breitbandige Strahlung (THz- Strahlung) dringt in den unmittelbar benachbarten Schichtwel­ lenleiter 22 ein. Die Wellenfronten 25 verlaufen im wesentli­ chen senkrecht zur Begrenzung des Schichtwellenleiters 22. Bei der Gestaltung gemäß Fig. 3 ist der Schichtwellenleiter 32 von einem kreisausschnittsförmigen Ende 33 zu einem Fokussierungs­ ende 36 konvergierend ausgebildet. Das Emissionsgebiet 34 (d. h. der Beleuchtungsfleck des Anregungslichtes) ist gekrümmt strichförmig entsprechend einer Kreislinie entlang dem Ende 33 des Schichtwellenleiters 32 ausgebildet. Die Wellenfronten 35 der eingekoppelten THz-Strahlung laufen wie bei einer "um­ gekehrten" Kreiswelle auf einen Brennpunkt zu.

Die Geometrie eines geraden oder konvergierenden Wellenleiters wird anwendungsabhängig gewählt. Bildet der Wellenleiter selbst die Meßstrecke für ein die Oberfläche des Wellenleiters berührendes Probenmaterial so wird die gerade, streifenförmige Gestaltung gemäß Fig. 2 bevorzugt. Soll mit dem Wellenleiter hingegen die THz-Strahlung erst an den Meßort transportiert werden, so wird wegen der Fokussierungseigenschaften die konvergierende Geometrie gemäß Fig. 3 bevorzugt.

Im folgenden werden bevorzugte Anwendungen der erfindungsgemä­ ßen Lichtkopplereinrichtung beschrieben. Die Erfindung ist je­ doch nicht auf diese Anwendungen beschränkt, sondern kann vielmehr bei den bekannten infrarotspektroskopischen Meßver­ fahren implementiert werden.

Gemäß einem ersten Beispiel ist die Lichtkopplereinrichtung Teil eines spektroskopischen Meßgerätes zur Untersuchung der Wechselwirkung der breitbandigen Infrarot- oder Mikrowellen­ strahlung mit einer Probe. Das Meßgerät umfaßt eine Pulslicht­ quelle für das Anregungslicht (z. B. Titan-Saphir-Laser), die Lichtkopplereinrichtung (z. B. gemäß Fig. 1), eine Probenhalte­ rung und eine Detektoreinrichtung. Mit der Probenhalterung wird eine Probe in Kontakt mit dem Schichtwellenleiter ge­ bracht. Das aus dem Schichtwellenleiter in den Raum hinausra­ gende evaneszente Feld tritt in Wechselwirkung mit der Probe. Die Detektoreinrichtung erfaßt Absorptionsänderungen oder Pha­ senverschiebungen des evaneszenten Feldes in an sich aus der ATR-Spektroskopie bekannter Weise. Es kann auch vorgesehen sein, daß der Schichtwellenleiter in einen freitragenden Faserwellenleiter übergeht, der eine Tauchsonde für Fluide (Flüssigkeiten oder Gase) bildet.

Ein besonderer Vorteil dieser zur ATR-Spektroskopie analogen Meßmethode besteht darin, daß das evaneszente Feld nur rd. ei­ ne Wellenlänge in das Probenmaterial hineinragt, so daß die Infrarotspektroskopie grenzflächenselektiv wirkt. Bevorzugte Anwendungen sind beispielsweise in der biochemischen Analytik gegeben, indem durch geeignete Präparation die Grenzfläche biologisch wirksam funktionalisiert und spezifisch die Adsorp­ tion von Stoffen oder eine Antikörper- oder eine Antigen- Reaktion in wässriger Umgebung spektroskopiert wird.

Gemäß einem zweiten Beispiel wird eine Tastspitze für die op­ tische Nahfeldmikroskopie mit einer erfindungsgemäßen Licht­ kopplereinrichtung versehen, wie dies schematisch in Fig. 4 illustriert ist. Fig. 4 zeigt im linken Teil eine Tastspitze 40 bzw. im rechten Teil ausschnittsweise vergrößert das pro­ benseitige Ende der Tastspitze 40 für die optische Nahfeldmi­ kroskopie. Das Ende der Tastspitze 40 (Cantilever-Spitze) be­ steht aus einem GaAs-Einkristall 41, dessen Seitenflächen ent­ sprechend den Kristallebenen so sauber gebrochen sind, daß ei­ ne Kristallspitze 41a als scharfer Punkt gebildet wird. Minde­ stens auf einer Seitenfläche des Einkristalls 41 wird ein kreisausschnittsförmiger Wellenleiter 42 aufgebracht. Dieser wird vorzugsweise als Goldschicht gebildet, die zur disper­ sionsfreien Plasmonwellenleitung eingerichtet ist. Das Anre­ gungslicht (Pfeil A) wird mit einem optischen System 47 als kreislinienförmiger Beleuchtungsfleck (Emissionsgebiet 44) auf die Seitenfläche des Einkristalls 41 an das äußere Ende 43 des Wellenleiters 42 fokussiert (s. Fig. 3). In bzw. auf dem Wel­ lenleiter 42 läuft die im Emissionsgebiet 44 erzeugte breit­ bandige Strahlung hin zum Ende 46 des Wellenleiters 42, das mit der punktförmigen Spitze 41a des Einkristalls 41 zusammen­ fällt. Die punktförmige Spitze 41a bildet einen Streupunkt, von dem die breitbandige Strahlung zu einer Probenoberfläche abstrahlt. Die Messung erfolgt analog zur optischen Nahfeldmi­ kroskopie (SNOM-Messung), wobei zusätzlich zur Ortsauflösung (bis zu 1 nm erreichbar) auch die spektrale Information der Wechselwirkung der am Streupunkt abgestrahlten breitbandigen Strahlung mit der Probe ausgewertet werden kann.

Der Durchmesser des Kreisausschnittes auf der Seitenfläche des Einkristalls 41 an der AFM- oder SNOM-Tastspitze wird vor­ zugsweise im Bereich von 50 bis 500 µm gewählt.

Fig. 5 zeigt beispielhaft einen Wellenleiter 52 auf einem op­ tisch nichtlinearen Material 51 zur Illustration der Einkopp­ lung der im Emissionsgebiet 54 generierten breitbandigen Strahlung in Oberflächen-Plasmonenzustände auf dem metalli­ schen Wellenleiter 52 (z. B. aus Gold). Das einfallende, puls­ förmige Anregungslicht (Pfeil A) dringt rd. 1 µm in das Mate­ rial 51 ein und erzeugt angeregte, freibewegliche Ladungsträ­ ger. In oberflächennahen, inneren Feldern werden hochfrequente Ströme erzeugt, deren Grenzfrequenzen, wie oben erläutert, ei­ nerseits durch die Anstiegszeit des pulsförmigen Anregungs­ lichts und andererseits durch die Relaxationszeit der Ladungs­ träger bestimmt wird. Das elektrische Feld, das die hochfre­ quenten Ströme (i) induziert, steht senkrecht zur Oberfläche des Materials 51, so daß die breitbandige Mikrowellen- oder Infrarotemission eine vorbestimmte Polarisation besitzt, die senkrecht auf der Oberfläche steht. Die Polarisation der Ober­ flächenwelle (Pfeil P in Fig. 5) steht senkrecht auf dem Wel­ lenleiter oder kann auch um einige Grad in Ausbreitungsrich­ tung geneigt sein. Durch die nahezu völlige Parallelität bei­ der Polarisationsrichtungen wird die Einkopplung von der breitbandigen Emission in die Oberflächenwelle des Wellenlei­ ters 52 maximiert. Die Wellenleitereigenpolarisation ist somit vorteilhaft an die Emissionsgeneration im Emissionsgebiet 54 angepaßt. Dies stellt einen besonderen Vorteil der Erfindung dar, da die Strahlungssammlung wesentlich effektiver als bei dem herkömmlichen, optischen Methoden im Fernfeld ist. Die Ef­ fektivität der Einkopplung hängt von der Stärke der Überlap­ pung der räumlichen Verteilungen der Dipolfelder des Emissi­ onsgebietes einerseits bzw. der Wellenfelder der Oberflächen­ plasmonen andererseits ab und ist mit 10 oder einigen 10% er­ heblich höher als die Sammlungseffektivität herkömmlicher Sy­ steme (wie z. B. gemäß Fig. 6).

Die Kurvendarstellung 50 über den Wellenleiter 52 (Fig. 5) zeigt schematisch den Intensitätsverlauf des Oberflächenplas­ mons (Ausbreitungsrichtung Pfeil B) in Abhängigkeit von der Höhe über der Metalloberfläche (gepunktet: Null-Linie der In­ tensität) und dessen Schwingungsrichtung (Pfeil P) parallel zur Polarisation des Stromes i im Material 51.

Besondere Vorteile ergeben sich, wenn ein spektroskopisches Gerät entsprechend der ATR-Anordnung oder eine AFM-Tastspitze mit einer erfindungsgemäßen Lichtkopplereinrichtung in Kombi­ nation mit der eingangs erläuterten Zweistrahlmodulations­ methode betrieben werden. In diesem Fall ist vorgesehen, daß das Anregungslicht aus zwei, gemeinsam auf das Emissionsgebiet fokussierten Pulsfolgen besteht, die sich in der Repetitions­ frequenz geringfügig unterscheiden. Hinsichtlich der Einzel­ heiten der Zweistrahlmodulationsmethode wird vollständig auf den Offenbarungsgehalt der DE-OS 44 37 575 Bezug genommen. Durch Variation des Unterschieds zwischen den Repetitionsfre­ quenzen der zwei Anregungspulsfolgen kann die Wechselwirkung der jeweiligen Probe über den gesamten spektralen Variations­ bereich gemessen werden, ohne daß etwa Wellenlängen des Anre­ gungslichts oder Dispersionselemente verstellt werden müssen. Dies vereinfacht die Messung und erlaubt auch eine Miniaturi­ sierung spektroskopischer Meßgeräte bzw. deren Kombination mit der optischen Nahfeldmikroskopie.

Die Lichtkopplereinrichtung kann wie folgt modifiziert werden. Es ist nicht zwingend erforderlich, daß das optisch nichtli­ neare Material und der Wellenleiter ebene Gebilde sind. Der Wellenleiter kann auch in nicht-planarer Geometrie, z. B. auf der Oberfläche eines Zylinders, aufgebracht und betrieben wer­ den. Es sind veränderte Geometrien des Emissionsgebiets abwei­ chend von der gezeigten kreisförmigen Krümmung realisierbar. Abweichend von den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Aus­ führungsformen kann vorgesehen sein, daß das Emissionsgebiet von beiden oder allen Seiten durch Wellenleiter begrenzt wird. Mit einem volumenförmigen, z. B. kugelförmigen, optisch nicht­ linearen Material kann vorgesehen sein, daß die verschiedenen, das Emissionsgebiet begrenzenden Wellenleiter die breitbandige Strahlung zu einem gemeinsamen Fokussierungspunkt führen. Die­ se Gestaltungsmöglichkeiten stellen einen wichtigen Vorteil dar. Je nach Anwendung wird der Wellenleiter für eine bestimm­ te Wellenführung (z. B. Konvergenz auf einen Fokus oder gerade streifenförmige Leitung in einer Ebene) gestaltet. An die dann ausgebildeten Wellenfronten ist das (Einkoppel-)ende des Wel­ lenleiters und damit das Emissionsgebiet bzw. der Leuchtfleck auf dem optisch nichtlinearen Material angepaßt.

Claims (10)

1. Lichtkopplereinrichtung für eine THz-Wellen-Strahlungs­ quelle mit einem optisch nichtlinearen Material (11, 21, 31, 41, 51), das ein Emissionsgebiet (14, 24, 34, 44, 54) auf­ weist, in dem bei Bestrahlung mit kurzen Lichtpulsen breit­ bandige Strahlung im THz-Bereich erzeugt und emitiert wird, wobei das Emissionsgebiet in mindestens einer Richtung eine Abmessung aufweist, die kleiner ist als eine im Spektrum der erzeugten Strahlung enthaltene und für die Verwendung der Strahlung relevante Wellenlänge ist, wobei mindestens ein Wellenleiter (12, 22, 32, 42, 52) mit einem zum Emissions­ gebiet hinweisenden Ende, das einen Kopplungsbereich zum Ein­ koppeln der emitierten Strahlung in den Wellenleiter bildet, in das Nahfeld des Emissionsgebietes hineinragt.

2. Lichtkopplereinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der das Emissionsgebiet strichförmig gerade (14, 24) oder gekrümmt (34, 44) ausgebildet ist, wobei die Form des Kopplungsbereiches kongruent zur Form des Emissionsgebiets ist.

3. Lichtkopplereinrichtung gemäß Anspruch 1, bei der der Kopplungsbereich eine Form besitzt, die der Geometrie der Phasenfront der auf dem Wellenleiter geführten Infrarot- oder Mikrowellenstrahlung entspricht.

4. Lichtkopplereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das optisch nichtlineare Material eine im wesentlichen ebene Oberfläche besitzt und ein Substrat für den als Schichtwellenleiter ausgebildeten Wellenleiter bildet.

5. Lichtkopplereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das optisch nichtlineare Material anorganisches Halbleitermaterial oder organisches Polymermaterial ist.

6. Lichtkopplereinrichtung gemäß Anspruch 5, bei der das optisch nichtlineare Material GaAs oder ZnTe ist.

7. Lichtkopplereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Wellenleiter aus Metall oder einem dielektrischen Material besteht.

8. Lichtkopplereinrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Infrarot- oder Mikrowellenstrahlung Wellenlängen im Bereich von 3 µm bis 100 µm besitzt.

9. Tastspitze für die Nahfeldmikroskopie, an deren Spitzenende eine Lichtkopplereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 angebracht ist.

10. Spektroskopisches Meßgerät, das für ATR-Messungen eingerichtet ist und eine Lichtkopplereinrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält.