DE2740183A1

DE2740183A1 - Einrichtung zur fokussierung elektromagnetischer strahlung auf eine probe

Info

Publication number: DE2740183A1
Application number: DE19772740183
Authority: DE
Inventors: Henning Dipl Phys Vogt
Original assignee: Leybold Heraeus GmbH
Current assignee: Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1977-09-07
Filing date: 1977-09-07
Publication date: 1979-03-08
Also published as: GB2004084A; FR2402884A1; US4208585A

Description

LEYBOLD-IiERAEUS GMBH & CO KG 5000 Köln-Bayental

Einrichtung zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung auf eine Probe

DieErfindung betrifft eine Einrichtung zur Fokussierung elektromagnetischerStrahlung, vorzugsweise gepulster Laserstrahlung, auf eine Probe mit Hilfe eines optischen Bauteiles zur Fokussierung der Strahlung und einem Spiegel zur Umlenkung der Strahlung.

Es ist bekannt, für die Mikroanalyse von Testkörpern Laserstrahlung zur Verdampfung des Probenmaterials und zur Plasmaerzeugung einzusetzen. Dabei ist es erwünscht, extrem kleine Brennflecken, und zwar in der Größenordnung einiger Mikrometer, zu erzeugen, um nicht nur Informationen über die chemische Zusammensetzung sondern auch über die Struktur des Probenmaterials zu erhalten. Die Probe ist dabei in der Regel in einer Vakuumkammer untergebracht, in der sich auch disVorrichtungen zur Analyse des verdampftenProbenmaterials, z.B. u.a. ein Flugzeitmassenspektrometer, befinden. Ist die Probe sehr dünn (0,1 - 0,5 um), dann kann die Fokussierung der Laserstrahlung auf der dem Missenspektrcr.eter zugeviar.dten Seite der Probe durch die Probe hindurch erfolgen.Ist die Probe dicker und für das Laserlicht nicht transparent, dann muß die Laserstrahlung z.B. mit Hilfe eines Fensters in die Vakuumkammer eingeführt und dort mit Hilfe eines Spiegels auf die Probe abgelenkt werden. Die vorliegende Erfindung betrifft eine solche Einrichtung zur Auflichtfokussierung elektromagnetischer Strahlung auf eine Probe.

9098 10/0528

Aus einem Aufsatz von J.F. Eloy und J.L. Dumas in "Methodes physiques d¹analyse", Juli bis September 1966, Seiten 251 ff, ist es bekannt, das Laserlicht durch ein Fenster in die Vakuumkammer einzuführen, in der Vakuumkammer eine Linse zur Fokussierung des Laserlichts vorzusehen und diesen fokussierten Laserstrahl mit Hilfe eines Planspiegels in Richtung Probe abzulenken. Bei dieser Einrichtung besteht der Nachteil, daß die Linse eine große Brennweite haben muß, da sie relativ weit von der Probe entfernt angeordnet ist. Dadurch können Brennflecken kleiner als 2OyUm nicht erzeugt werden.

Weiterhin ist es aus einem Aufsatz von R.A. Bingham und P.L. Salter in "International Journal of Mass. Spectroscopie and Ion Physics", 21 (1976) Seite 133 bekannt, den Laserstrahl zunächst mit Hilfe eines Planspiegels in Richtung Probe umzulenken und zwischen diesem Planspiegel und der Probe ein Linsen system anzuordnen. Bei dieser vorbekannten Einrichtung ist der Vorteil₍mit kurzbrennweitigen Linsen arbeiten zu können, durch denNachteil erkauft, daß relativ große optische Bauteile in unmittelbarer Nähe der Probe angeordnet sein müssen, was insgesamt den Aufbau der Einrichtung kompliziert. Außerdem muß das Linsensystem beim Arbeiten mit verschiedenen Laserlicht-Wellenläncen als Achromat ausgebildet sein, d.h., von der Wellenlänge des Laserlichtes unabhängig sein. Ein solcher Achromat ist aber sehr kostspielig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das Ziel, extrem kleine Brennflecken auf der Probe im Auflicht zu erzeugen, mit äußerst einfachen Mitteln erreicht ist.

909810/0528

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein sphärischer Spiegel zur Fokussierung und Umlenkung der Strahlung vorgesehen ist. Der wesentliche Vorteil dieser Maßnahmen besteht darin, daß der relativ kleine Spiegel platzsparend ist und in unmittelbarer Nähe der Probe untergebracht sein kann. Die Fokussierung des Laserlichts auf die Probe kann deshalb mit sehr kurzer Brennweite erfolgen, so daß Strahltaillen bzw. Brennflecken mit sehr kleinen Durchmessern erzielt werden können. Ein aufwendiger Achromat in unmittelbarer Nähe der Probe ist nicht mehr erforderlich, da die Fokussierung elektromagnetischer Strahlung mit Hilfe eines sphärischen Spiegels von der Wellenlänge unabhängig ist.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme besteht darin, dem sphärischen Spiegel eine langbrennweitige Linse vorzulagern. Durch Verschiebung dieser Linse kann eine axiale Verschiebung des Brennfleckes und damit eine genaue Justierung des Brennfleckes auf die Oberfläche der Probe bewirkt werden. Eine solche Einrichtung ist erforderlich, wenn die Lage der Probe rifinjustiert werden kann. Wird mit Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge gearbeitet, dann muß diese Linse zwar auch als Achromat ausgebildet sein; sie kann aber außerhalb des vakuumdichten Gehäuses angeordnet sein, so daß in der Nähe der Probe möglichst wenig Bauteile vorhanden sind.

Beim Durchtritt des Laserlichts durch das Fenster und bei der Umlenkung des Laserstrahls an dem sphärischen Spiegel treten Abbildungsfehler auf. Im Rahmen der Erfindung ist es deshalb weiterhin vorteilhaft, wenn zwischen dem sphärischenSpiegel und der Probe eine weitere Glasplatte angeordnet ist. Mit einer derartigen einfachen, nur wenig Platz benötigenden Glasplatte können die Abbildungsfehler korrigiert v/erden.

909810/0528

Schließlich kann zwischen dt:m sphärischen Spiegel und der langbrennweitigen Linse ein Strahlteiler angeordnet sein. Mit Hilfe dieses Strahlteilers kenn^ieine Auflichtbeleuchtung für die Probe und eine Beobachtungsoptik kollinear angeschlossen werden.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sollen anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles erläutert werden.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist die mit Hilfe der. Laserstrahlung zu verdampfende Probe mit 1 bezeichnet. Die Probe 1 ist an einem Deckelflansch 2 gehaltert, mit dem das Gehäuse 3 vakuumdicht verschließbar ist. Im Gehäuse 3 sind die der Analyse des verdampften Probenmaterials dienenden Mittel (dargestellt ist nur ein Teil eines Flugzeitmassenspektrometers 4) untergebracht.

Der Deckelflansch 2 weist außerdem ein vorzugsweise aus Quarzglas bestehendes Fenster 5 auf, das dem Durchtritt des Laserlichts in das Gehäuse 3 dient. Die Achse des Laserlichts ist mit 6 bzeichnet. Die Laserlichtquelle selbst ist nicht dargestellt.

Beim dargestellten Ausführungsbeispiel tritt das Laserlicht zunächst durch die Linse 7. Diese hat eine relativ lange Brennweite und fokussiert den Laserstrahl nur schwach. Dieser schwach fokussierte Laserstrahl tritt durch das Fenster 5 hindurch und trifft auf den sphärischen Spiegel 8, der das Laserlicht nicht nur in Richtung Probe 1 umlenkt, sondern auch noch auf dieOberflache der Probe 1 fokussiert. Der Spiegel 8

909810/0528

ist nicht sehr platzraubend, so daß er relativ nah bei der Probe 1 untergebracht werden kann. Seine Brennweite kann deshalb relativ kurz gewählt werden, so daß Brennflecken mit sehr kleinen Durchmessern (kleiner 5 ^m) auf der Oberfläche der Probe 1 erzeugt werden können. Eine genaue Fokussierung des Brennflecks auf der Oberfläche der Probe 1 kann durch axiale Verschiebung der Linse (vergl. Doppelpfeil 9)erfolgen.

Zwischen der Linse 7 und dem Fenster 5 ist noch ein Strahlteiler 10 angeordnet. Mit Hilfe dieses Strahlteilers kenn'über die optische Achse 11 eine Auflichtbeleuchtung und Beobachtungsoptik kollinear angeschlossen werden. Schließlich ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel zwischen der Probe 1 und dem sphärischenSpiegel 8 noch eine Glasplatte 12 angeordnet. Mit Hilfe dieser Glasplatte können Abbildungsfehler, die infolge des Durchtritts des Laserlichts durch das Fenster 5 und infolge der Umlenkung am sphärischen Spiegel 8 entstehen, kompensiert werden.

Wie die einzelnen im Gehäuse 3 angeordneten optischen Bauteile (8 und 12) gehaltert sind, ist nicht dargestellt. Es ist jedoch zweckmäßig, diese am Deckelflansch 2 zu befestigen, so daß sie als gesamte Einheit aus dem Gehäuse 3 herausnehmbar sind.

909810/062«

-V

Leerseite

Claims

77.029 ANSPRÜCHE

1. Einrichtung zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise gepulster Laserstrahlung, auf eine Probe mit Hilfe eines optischen Bauteiles zur Fokussierung der Strahlung und einem Spiegel zur Umlenkung der Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß ein sphärischer Spiegel (8) zur Fokussierung und Umlenkung der Strahlung vorgesehen ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem sphärischen Spiegel (8) eine langbrennweitige, axial verschiebbare Linse (7) vorgelagert ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2 mit einem vakuumdichten Gehäuse für die Unterbringung der Probe und einem in einer Gehäusewandung befindlichen Fenster für den Durchtritt der Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß der sphärische Spiegel (8) innerhalb und die Linse (7) außerhalb des Gehäuses (3) angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem sphärischen Spiegel (8) und der Probe (1) eine v/eitere Glasplatte (12) zur Korrektur von Abbildungsfehlern angeordnet ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Linse (7) und dem sphärischen Spiegel (8) ein Strahlteiler (10) vorgesehen ist.

909810/0528

ORIGINAL INSPECTED

Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß zum vakuumdichten Verschluß des Gehäuses (3) ein Deckelflansch (2) vorgesehen ist, daß dieser Deckelflansch (2) mit dem Fenster (5) für den Durchtritt des Laserlichts in das
Gehäuse (3) ausgerüstet ist und daß an dem Deckelflansch (2) die Probe (1) und die optischen Bauteile (8) und (12) gehaltert sind.

909810/0528