DE4244268A1 - Hochauflösendes optisches System mit einer Tastspitze - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hochauflösendes optisches System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Systeme gemäß der Erfindung eignen sich insbesondere für die optische Nahfeld-Abtastmikroskopie (NSOM = near-field scanning optical microscopy). Bestimmte Aspekte der vor­ liegenden Erfindung ermöglichen generell eine Erhöhung der Auflösung von optischen Systemen mit Festkörperimmersion.

Lichtmikroskope werden in vielen Bereichen der Wissenschaft und der Industrie benutzt. Die durch Beugung gegebene Auflösungsgrenze von etwa einer halben Wellenlänge des Lichts ist seit langem erreicht und es werden große Anstrengungen gemacht diese zu unterschreiten. Besonders wichtig ist dies z. B. für die Biologie, wo man es mit Zellbestandteilen im Größenbereich einiger 100 nm bis unter 10 nm zu tun hat, und außerdem in der Mikroelektronik, die heute mit Strukturbreiten von weniger als 100 nm arbeitet.

Die Auflösungsgrenze klassischer Lichtmikroskope, die für grünes Licht von 500 nm Wellenlänge 250 nm beträgt, kann durch eine Immersionsflüssigkeit mit einem Brechungsindex von beispielsweise n = 1,5 zwischen Objektivlinse und Objekt um den Faktor 1,5 verkleinert werden. Aus der US-A-5,004,307 ist ferner ein Lichtmikroskop mit Festkörper-Immersion bekannt, das als Immersionsmedium eine etwa kugelsegment­ förmige Linse aus einem Material mit hohem Brechungsindex enthält. Bei einem dort angegebenen Beispiel wird eine Immersionslinse aus GaP (n = 3,5) verwendet, die eine 3,5- fach höhere Auflösung ermöglicht. Die Auflösungsgrenze für grünes Licht beträgt in diesem Falle 71 nm.

Mit Abtastung arbeitende Mikroskope ermöglichen noch höhere Auflösungen. In der Folge der Entwicklung abtastender Mikroskope wie STM (scanning tunneling microscopy) und AFM (atomic force microscopy) ist auch die abtastende Licht­ mikroskopie (NSOM = near-field scanning optical microscopy) bekannt geworden (Betzig et al, Science 257, 189 (1992)). Bei dieser Technik wird das Licht durch eine Tastspitze in Form einer ausgezogenen und zugespitzten Glasfaser, die bis auf die Spitze mit Metall beschichtet ist, an das zu unter­ suchende Objekt herangeführt. Die Tastspitze wird entlang der zu untersuchenden Oberfläche bewegt, wobei das trans­ mittierte oder gestreute Licht von einem Detektor registriert wird. Durch Speicherung in einem Computer läßt sich ein Bild der Oberfläche des Objekts erzeugen. Die erreichbare Bild­ auflösung hängt direkt vom Durchmesser des von der Spitze ausgehenden Lichtbündels ab. Dieser kann praktisch ca. 30 nm nicht unterschreiten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System mit einer Tastspitze anzugeben, das eine höhere Auflösung als die bekannten NSOM-Systeme ermöglicht. Diese Aufgabe wird durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete optische System gelöst.

Das optische System gemäß der Erfindung ermöglicht eine sehr hohe Auflösung. Es ist einfach, leicht und trägheitsarm, so daß es sich zur Abtastung einer Oberfläche schnell bewegen läßt. Es macht mit Vorteil von der konvergenten Ausbreitung eines beugungsbegrenzten Lichtbündels in einem dielektri­ schen Material Gebrauch.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das die Linse bildende dielektrische Material zu einer Spitze ausgeformt, so daß das beugungsbegrenzte Bündel in der Nähe der Spitze in eine geführte Mode übergeht.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das optische System mit einer Wellenlänge betrieben, die im stark dispersiven Bereich nahe einer Resonanzanregungs­ wellenlänge des dielektrischen Materials, aus dem die Linse besteht, liegt. Zu beachten ist allerdings eine mit der dielektrischen Resonanz verbundene erhöhte Absorption. Die Schärfe der dielektrischen Resonanz und damit das Verhältnis von Brechungsindex zu Absorptionskoeffizienten läßt sich durch die Verwendung reiner Kristalle und tiefer Tempera­ turen maximieren. Dieser Aspekt läßt sich ganz allgemein bei optischen Systemen anwenden, bei denen ein optisches Element, wie ein Prisma, eine Linse, ein Festkörperimmersionselement u. dgl. mit möglichst hohem Brechungsindex benötigt wird.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines optischen Systems sehr hoher Auflösung, das z. B. in der abtastenden optischen Nahfeld-Mikroskopie (NSOM) verwendet werden kann;

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform einer Linse für ein optisches System der in Fig. 1 dargestellten Art;

Fig. 3 eine Linse aus einem Material mit hohem Brechungs­ index für ein optisches System der in Fig. 1 dar­ gestellten Art;

Fig. 4 eine schematische Ansicht eines optischen Systems, das mit einem Verfahren gemäß der Erfindung betrieben werden kann.

Fig. 5 eine Teilansicht einer weiteren Ausführungsform eines optischen Systems gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ein optisches System mit einer hochauflösenden optischen Tastspitze, das insbesondere für die optische Nahfeld- Abtastmikroskopie geeignet ist. Das optische System gemäß Fig. 1 enthält eine etwa kugelsegmentförmige, bei dem dar­ gestellten Ausführungsbeispiel etwa halbkugelförmige Linse 10 und eine sehr dünne Monomoden-Lichtleitfaser 12, die einen Durchmesser in der Größenordnung der verwendeten Lichtwellenlänge oder darunter haben kann und die in einem Schutzmantel 14 angeordnet ist. Das der Linse 10 abgewandte Ende der Lichtleitfaser ist mit einer nicht dargestellten Lichtquelle, z. B. einem Laser, optisch gekoppelt. Der Radius der Linse 10 liegt in der Größenordnung des minimalen Durchmessers eines fokussierten beugungsbegrenzten Licht­ bündels, also bei etwa 1 um. Die Linse 10 besteht aus einem Material mit relativ hohem Brechungsindex, z. B. < 2,5, vor­ zugsweise < 3,5, so daß das beugungsbegrenzte Bündel in der Linse konvergiert, wie durch Begrenzungslinien 13 des Bündels in der Linse dargestellt ist. Das Lichtbündel hat daher an der ebenen unteren Fläche der Linse einen Querschnitt, der wesentlich kleiner ist als der des eintretenden Bündels. An der Grenzfläche 16 zwischen der wenigstens annähernd sphärischen Lichteintrittsfläche der Linse 10 und dem kom­ plementär geformten Stirnende der aus Glas oder Quarz be­ stehenden Faser 12 können nicht dargestellte Interferenz­ schichten aus anderen Materialien vorgesehen sein (nicht dargestellt), um die Reflexion infolge des Brechungsindex­ sprunges zwischen der Faser 12 und der Linse 10 zu verringern.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein besonders hoher Brechungsindex der Linse 10 dadurch erreicht, daß die Wellenlänge des von einer nicht darge­ stellten Lichtquelle in die Faser 12 eingekoppelten Lichts in einem hochdispersiven Bereich in der Nähe einer Resonanz­ anregungswellenlänge des Linsenmaterials liegt. Dies läßt sich durch die Verwendung eines Lasers als Lichtquelle leicht erreichen. Die Wellenlänge des Lichts wird vorzugs­ weise so gewählt, daß der Brechungsindex mindestens das 1,5- fache des "normalen", in Tabellenwerken angegebenen Brechungsindex bei größerer Entfernung von der Bandkante bzw. Resonanzstelle beträgt. Die Linse 10 kann bespielsweise aus ZnO bestehen, dessen Bandkante im Blauen liegt. Das durch die Lichtleitfaser 12 eingestrahlte Licht wird in diesem Fall auf etwa 361 nm eingestellt, wodurch sich für das ZnO ein Brechungsindex von n = 7 und somit eine Auf­ lösungsgrenze von 26 nm ergibt. Wegen der hohen Absorption, die bei dem erwähnten Beispiel zu einer Eindringtiefe von nur 600 nm führt, wird man mit einem möglichst kurzen Licht­ weg in der Linse 10 arbeiten und der Radius der halbkugel­ förmigen Linse 10 beträgt dementsprechend, wie erwähnt, nur etwa 1 µm. Eine weitere Verkleinerung der Linse ist durch Zwischenschaltung eines zusätzlichen Immersionsmediums mit einem mittleren Brechungsindex (z. B. GaP (n = 3,5)) möglich.

Bei der in Fig. 2 dargestellten zweiten Ausführungsform bildet die einer abzutastenden Fläche 18 (Fig. 1) zugewandte Seite der Linse 10a nicht eine Ebene sondern eine Spitze und ist bis auf das Vorderende der Spitze mit einer Metall­ schicht 15 versehen. Ein optisches System für die NSOM mit einer aus GaP bestehenden Linse 10a gem. Fig. 2 als Tast­ spitze ergibt wegen der in GaP verkürzten Wellenlänge eine gegenüber bisherigen Glasfaserspitzen mindestens doppelt so hohe Auflösung. Da zusätzlich der Konvergenzwinkel (vorzugs­ weise 300) der Strahlung in den von der Metallschicht 12 umgebenen, als Wellenleiter arbeitenden Teil der Linse 10a wesentlich größer ist als bei den üblichen Glasfaserspitzen, wird hier der durch den cut-off-Effekt des Metall-Hohl­ leiters auftretende Reflexionsverlust stark verringert, womit sich auch die Effizienz der Lichtübertragung erheblich verbessert.

Wenn man für die Immersionslinse ein Material mit einem Brechungsindex n 5 verwendet, wird die Fokussierung durch eine Metallisierung nicht mehr wesentlich verbessert, da der Durchmesser eines beugungsbegrenzten Lichtbündels bereits kleiner wird als die Eindringtiefe des Lichts in das Metall. Man kann dann eine wesentlich flachere "Spitzenform" wählen, die leichter herzustellen und stabiler zu betreiben ist. Wie Fig. 3 zeigt, ist dementsprechend die der abzutastenden Fläche zugewandte Fläche 17 der Linse 10b wenigstens annähernd sphärisch und hat einen größeren Radius als die der abzutastenden Fläche abgewandte Seite 16. Die Fläche 17 kann beispielsweise auch kegelstumpfförmig sein.

Die oben erläuterte Erhöhung des Brechungsindex einer Fest­ körperimmersionslinse durch Wahl einer Lichtwellenlänge in der Nähe einer Resonanzstelle des Linsenmaterials kann auch bei einer optischen Einrichtung angewendet werden, bei der die Einkopplung des Lichts von der nicht dargestellten Lichtquelle in eine als Immersionsspitze dienende Linse nicht durch eine Lichtleitfaser sondern durch eine andere Lichtübertragungseinrichtung, z. B. durch ein klassisches Mikroskopobjektiv 20 erfolgt, wie es in Fig. 4 vereinfacht dargestellt ist. Das Mikroskopobjektiv 20 fokussiert ein Lichtbündel 22 von einer nicht dargestellten Lichtquelle auf die sphärische obere Fläche der Linse 10. Die Größe der Linse 10 ist ungefähr gleich dem Durchmesser der Taille des Fokus des vom Mikroskopobjektiv 12 fokussierten Lichtbündels, also etwa 1 µm. Die Wellenlänge des Lichts liegt, wie oben erläutert wurde, in der Nähe einer Resonanzstelle des Linsenmaterials, so daß der effektive Brechungsindex minde­ stens 1,5 mal größer ist als der konventionelle Brechungs­ index. Das Lichtbündel tritt daher aus der ebenen unteren Fläche der Linse mit einem Querschnitt aus, der wesentlich kleiner ist als der des eintretenden Bündels.

Für den Betrieb in Verbindung mit einem lichtbetriebenen Speichermedium 26 (siehe Betzig, 1.c.) kann es vorteilhaft sein, die Tastspitze in einen Linsenteil 10c und einen Immersionsteil 24 aufzuteilen. Der Immersionsteil 24 kann in vorteilhafter Weise als ebener Film fest auf das eigentliche Speichermedium 26 aufgebracht sein und als Korrosionsschutz­ schicht wirken. Der Linsenteil 10c kann aus einem Material mit einem Brechungsindex bestehen, der sich etwas vom Brechungsindex des Immersionsteils 24 unterscheidet, insbesondere etwas kleiner ist. Der Linsenteil 10c kann z. B. aus GaP und der Immersionsteil 24 aus ZnO bestehen.

Wie bei NSOM üblich, kann die Tastspitze mit einer piezo­ elektrischen Bewegungseinheit sowie einer z. B. auf dem AFM- Prinzip arbeitenden Abstandssensorik betrieben werden.

Die beschriebene Systeme können auch als Lichtempfangs­ vorrichtungen hohen Auflösungsvermögens betrieben werden. An die Stelle der Lichtquelle tritt dann ein Lichtsensor und die abzutastende Fläche wird geeignet beleuchtet, wenn sie nicht selbst Licht emittiert. Der Begriff "Licht" soll insbesondere den sichtbaren Spektralbereich umfassen, die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt sonder kann auch für andere Spektralbereiche, wie Infrarot und Ultraviolett, Anwendung finden.

Claims (13)

1. Hochauflösendes optisches System mit einer Tastspitze und einer mit dieser optisch gekoppelten Lichtübertragungs­ einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Tastspitze eine Linse (10) aus einem Material mit so hohem Brechungsindex enthält, daß ein in die Linse eingestrahltes Lichtbündel in der Linse konvergiert, und daß die Lichtübertragungsein­ richtung einen Faserlichtleiter (12) enthält.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserlichtleiter (12) eine Monomoden-Lichtleitfaser ist.

3. Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Linse eine dem Faserlichtleiter (12) zugewandte, wenigstens annähernd sphärische Oberfläche aufweist.

4. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (10) eine dem Faser­ lichtleiter (12) abgewandte ebene Fläche aufweist.

5. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (10) eine dem Faser­ lichtleiter (12) abgewandte gewölbte Fläche aufweist (Fig. 3).

6. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (10a) auf der dem Faserlichtleiter (12) abgewandten Seite spitz zuläuft.

7. Optisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der spitz zulaufende Teil der Linse (10a) mit einer Metallbeschichtung (15) versehen ist, die das Ende der Spitze freiläßt (Fig. 2).

8. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Faserlichtleiter (12) abgewandten Seite der Linse (10c) ein getrenntes festes Immersionsmedium (24) vorgesehen ist.

9. Optisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Immersionsmedium (24) auf einer abzutastenden Fläche angeordnet ist.

10. Optisches System nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die abzutastende Fläche durch ein optisches Speichermedium gebildet ist (Fig. 5).

11. Verfahren zum Betrieb eines optischen Systems, das eine Tastspitze mit einer Linse aus einem Material mit hohem Brechungsindex und eine mit der Linse optisch gekoppelte Lichtübertragungseinrichtung enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System mit Licht einer Wellenlänge betrieben wird, die in der Nähe einer Resonanz­ stelle des Linsenmaterials liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Wellenlänge so gewählt ist, daß der Brechungsindex des Linsenmaterials mindestens das 1,5-fache des normalen Brechungsindex beträgt.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht in die Linse mit beugungsbegrenztem Querschnitt eingestrahlt wird.