JP2003287522A - Near-field photoexcited squid microscope apparatus - Google Patents

Near-field photoexcited squid microscope apparatus

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JP2003287522A
JP2003287522A JP2002089341A JP2002089341A JP2003287522A JP 2003287522 A JP2003287522 A JP 2003287522A JP 2002089341 A JP2002089341 A JP 2002089341A JP 2002089341 A JP2002089341 A JP 2002089341A JP 2003287522 A JP2003287522 A JP 2003287522A
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optical fiber
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真洋 大坊
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a near-field photoexcited SQUID microscope apparatus whose spatial resolution is on a nanometer scale. <P>SOLUTION: The near-field photoexcited SQUID microscope apparatus is provided with a near-field optical probe (30) which is arranged near a sample (2) and by which near-field light emitted from its tip by light from a light source is made to act on the sample, a SQUID (superconducting quantum interference device) (40) used to detect a change in a magnetic field in a sample region on which the near-field light acts, and a scanning means (13) used to relatively move a near-field light action point on the surface of the sample. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、近接場光で試料を
励起し、試料の磁場の状態をスクイド(SQUID:S
uperconducting Quantum In
terference Device:超伝導量子干渉
素子)で計測し画像化する近接場光励起スクイド顕微鏡
装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention excites a sample with near-field light and changes the state of the magnetic field of the sample to SQUID (SQUID: S
upperconducting Quantum In
The present invention relates to a near-field photoexcited SQUID microscope apparatus that measures and images with a terence device (superconducting quantum interference device).

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、レーザ光を試料に照射して、照射
個所における磁場の変化をスクイドで検出し、その信号
から画像を得ることができる走査型スクイド顕微鏡装置
が知られている(特開2001−50934号公報参
照)。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known a scanning SQUID microscope apparatus capable of irradiating a sample with a laser beam, detecting a change in a magnetic field at an irradiation position with a SQUID, and obtaining an image from the signal (Japanese Patent Laid-Open No. 2000-242242). See 2001-50934).

【0003】このようなスクイド顕微鏡装置において
は、励起光としてレーザ光101が試料202に照射さ
れ、これによって生じる試料202における照射個所の
磁気変化をスクイド103で検出し、画像化していた。
そして、このような従来の装置においては、励起光は、
レーザ光101を光ファイバ等で導いてそのまま試料2
02に照射するか、レーザ光101を対物レンズ104
で集光して試料202に照射している。
In such a SQUID microscope apparatus, the sample 202 is irradiated with the laser beam 101 as excitation light, and the SQUID 103 detects the magnetic change of the irradiated portion of the sample 202, which is imaged.
And, in such a conventional device, the excitation light is
Sample 2 as it is by guiding laser light 101 with an optical fiber or the like
02 or the laser beam 101 is applied to the objective lens 104.
The sample 202 is focused and irradiated onto the sample 202.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述の
ようにレーザ光を対物レンズで試料面に集光する場合で
あっても、その光の集光サイズは光の波長程度が限界で
あった。そのため、ナノメートルスケール空間サイズの
分解能で光磁気分布を高感度に計測することが望まれて
いる。
However, even when the laser light is condensed on the sample surface by the objective lens as described above, the condensed size of the light is limited to about the wavelength of the light. Therefore, it is desired to measure the magneto-optical distribution with high resolution at a resolution of nanometer scale space size.

【0005】本発明は上記問題点に鑑みてなされたもの
であり、ナノメートルスケールの空間分解能を持つ近接
場光励起スクイド顕微鏡装置を提供することを目的とす
る。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a near-field photoexcitation SQUID microscope apparatus having a spatial resolution on the nanometer scale.

【0006】[0006]

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明では光を対物レンズなどで試料に集光するの
ではなく、先鋭化した光ファイバを試料に近づけた時に
発生する近接場光で試料を励起する。近接場光は開口径
が数十ナノメートルの光ファイバ先端から放射され、従
来の回折限界を超えた微小サイズでの光励起を可能とす
る。これにより走査型スクイド顕微鏡装置の空間分解能
を著しく向上することができ、さらに、スクイドはその
光ファイバ先端付近に一体形成できるので、光軸と磁気
軸の位置ずれが皆無となり、安定的に動作する。また、
試料とスクイド、試料と光ファイバ先端の位置合わせが
同時にできるので、操作性が格段に良くなる。
In order to solve the above-mentioned problems, in the present invention, near-field light generated when a sharpened optical fiber is brought close to a sample rather than focusing the light on the sample by an objective lens or the like. To excite the sample. Near-field light is emitted from the tip of an optical fiber with an aperture diameter of several tens of nanometers, enabling optical excitation at a minute size that exceeds the conventional diffraction limit. As a result, the spatial resolution of the scanning SQUID microscope device can be significantly improved, and since the SQUID can be integrally formed near the tip of the optical fiber, there is no positional deviation between the optical axis and the magnetic axis, and stable operation is possible. . Also,
Since the sample and the SQUID and the sample and the tip of the optical fiber can be aligned at the same time, the operability is remarkably improved.

【0007】即ち、本発明に係る近接場光励起スクイド
顕微鏡装置は、試料に近接して配置され、光源からの光
により先端から放出される近接場光を前記試料に作用さ
せる近接場光プローブと、前記近接場光が作用した試料
領域の磁場変化を検出するスクイド(超伝導量子干渉素
子:SQUID)と、試料表面の近接場光作用点を相対
的に移動させる走査手段とを備えたことを特徴とする。
That is, the near-field light-excited SQUID microscope apparatus according to the present invention is arranged in the vicinity of a sample, and the near-field optical probe that causes the near-field light emitted from the tip by the light from the light source to act on the sample, A SQUID (superconducting quantum interference device: SQUID) for detecting a magnetic field change in the sample region on which the near-field light acts, and a scanning unit for relatively moving the near-field light action point on the sample surface. And

【0008】前記本発明に係る近接場光励起スクイド顕
微鏡装置によれば、試料には近接場光が作用するが、こ
の近接場光は試料の微小領域、すなわち光の回折限界を
越えた極めて小さな個所にだけ作用するものであるた
め、試料の微小領域を観察領域とすることができ、ま
た、試料の磁場変化はスクイドで検出するものとしてい
るから、微小領域の極めて小さな磁場の変化を確実に観
察できる。そして、走査手段によりこの磁場変化の状態
を試料の観察面にわたって観察できる。
According to the near-field light-excited SQUID microscope apparatus according to the present invention, near-field light acts on a sample, but this near-field light is a minute region of the sample, that is, an extremely small portion exceeding the diffraction limit of light. Since it acts only on the microscopic region, the microscopic region of the sample can be used as the observation region, and since the change in the magnetic field of the sample is detected by the SQUID, it is possible to reliably observe extremely small changes in the magnetic field in the microscopic region. it can. Then, the state of this magnetic field change can be observed over the observation surface of the sample by the scanning means.

【0009】また、本発明の近接場光励起スクイド顕微
鏡装置において、前記近接場光プローブは、光ファイバ
のコア先端を先鋭化し、先端から近接場光が放出される
光ファイバ型であり、スクイドのピックアップコイルは
該光ファイバの端面又は端面近傍の側面に、該光ファイ
バに一体形成されたことを特徴とする。
In the near-field light-excited SQUID microscope apparatus of the present invention, the near-field optical probe is an optical fiber type in which the near-field light is emitted from the tip by sharpening the tip of the core of the optical fiber. The coil is characterized in that it is integrally formed with the optical fiber on the end face of the optical fiber or on the side face near the end face.

【0010】前記本発明に係る近接場光励起スクイド顕
微鏡装置によれば、近接場光は光ファイバのコア先端を
先鋭化して形成された近接場光プローブの先端から試料
の微小領域に作用する。そして、この近接場光によって
発生する試料の磁場は、該光ファイバの端面又は端面近
傍の側面に光ファイバに一体に設けられたピックアップ
コイルからスクイドによって検出される。この際、磁場
を検出するピックアップコイルは近接場光が照射される
近接場光プローブの光軸と磁気検出軸の位置ずれがなく
なり、安定的に動作する。また、試料とピックアップコ
イル、試料と光ファイバ型近接場光プローブ先端の位置
合わせが同時にできるので、操作性が格段に良くなる。
According to the near-field light excitation SQUID microscope apparatus according to the present invention, the near-field light acts on the minute region of the sample from the tip of the near-field optical probe formed by sharpening the tip of the core of the optical fiber. Then, the magnetic field of the sample generated by the near-field light is detected by the SQUID from the pickup coil integrally provided on the end face of the optical fiber or on the side face near the end face. At this time, the pickup coil for detecting the magnetic field operates stably because there is no misalignment between the optical axis of the near-field optical probe irradiated with the near-field light and the magnetic detection axis. Further, since the sample and the pickup coil and the sample and the tip of the optical fiber type near-field optical probe can be aligned at the same time, the operability is remarkably improved.

【0011】本発明の近接場光励起スクイド顕微鏡装置
において、近接場光プローブは、光ファイバ型であり、
スクイドは該光ファイバの端面又は端面近傍の側面に、
一体形成されたことを特徴とする。
In the near-field optical excitation SQUID microscope apparatus of the present invention, the near-field optical probe is an optical fiber type,
Squid is on the end face of the optical fiber or on the side face near the end face,
It is characterized by being integrally formed.

【0012】前記本発明に係る近接場光励起スクイド顕
微鏡装置によれば、近接場光は光ファイバのコア先端を
先鋭化して形成された近接場光プローブの先端から試料
の微小領域に作用する。そして、この近接場光によって
発生する試料の磁場は、該光ファイバの端面又は端面近
傍の側面に光ファイバに一体に設けられたスクイドによ
って検出される。この際、磁場を検出するスクイドは近
接場光が照射される近接場光プローブの光軸と磁気検出
軸の位置ずれがなくなり、安定的に動作する。また、試
料とスクイド、試料と光ファイバ型近接場光プローブ先
端の位置合わせが同時にできるので、操作性が格段に良
くなる。
According to the near-field light excited SQUID microscope apparatus according to the present invention, the near-field light acts on the minute region of the sample from the tip of the near-field optical probe formed by sharpening the tip of the core of the optical fiber. The magnetic field of the sample generated by the near-field light is detected by the SQUID provided integrally with the optical fiber on the end face of the optical fiber or the side face near the end face. At this time, the SQUID for detecting the magnetic field operates stably because there is no positional deviation between the optical axis of the near-field optical probe irradiated with the near-field light and the magnetic detection axis. Further, since the sample and the SQUID and the sample and the tip of the optical fiber type near-field optical probe can be aligned at the same time, the operability is remarkably improved.

【0013】また、本発明に係る近接場光励起スクイド
顕微鏡装置は、近接場光プローブ−試料間距離を一定に
し、光源の出力を一定にし、検出された磁場の強度を走
査位置に応じて再配置して画像化することを特徴とす
る。
Further, the near-field optical excitation SQUID microscope apparatus according to the present invention makes the distance between the near-field optical probe and the sample constant, makes the output of the light source constant, and rearranges the strength of the detected magnetic field according to the scanning position. It is characterized in that it is imaged.

【0014】さらに、本発明に係る近接場光励起スクイ
ド顕微鏡装置は、光源の出力を一定にし、検出される磁
場の強度を一定とするように、近接場光プローブ−試料
間距離を変化させ、該光プローブ−試料間距離の値を走
査位置に応じて再配置して画像化することを特徴とす
る。
Further, the near-field light-excited SQUID microscope apparatus according to the present invention changes the near-field light probe-sample distance so as to make the output of the light source constant and the strength of the detected magnetic field constant. It is characterized in that the value of the distance between the optical probe and the sample is rearranged according to the scanning position for imaging.

【0015】さらにまた、本発明に係る近接場光励起ス
クイド顕微鏡装置は、近接場光プローブ−試料間距離を
一定にし、検出される磁場が一定強度になるように光源
の強度を調節し、そのときの光源の出力を再配置して画
像化することを特徴とする。
Furthermore, the near-field optical excitation SQUID microscope apparatus according to the present invention makes the distance between the near-field optical probe and the sample constant, and adjusts the intensity of the light source so that the detected magnetic field has a constant intensity. It is characterized by rearranging the output of the light source of (1) and imaging.

【0016】また、近接場光プローブ−試料間距離を、
光プローブと試料との間の原子間力又はシアフォースで
測定することを特徴とする。
Further, the distance between the near-field optical probe and the sample is
It is characterized by measuring by atomic force or shear force between the optical probe and the sample.

【0017】前記本発明に係る近接場光励起スクイド顕
微鏡装置によれば、スクイドで検出される磁場の強度、
近接場光プローブ−試料間距離、光源の出力値を走査位
置に応じて再配置して試料像を得ることができ、試料の
種類、観測の目的に応じた画像を得ることができる。ま
た、近接場光プローブ−試料間距離は、原子間力あるい
はシアフォースで選択して行なうことができ、試料種
類、観測の目的に応じた画像を得ることができる。
According to the near-field light excited SQUID microscope apparatus according to the present invention, the strength of the magnetic field detected by the SQUID,
The near-field optical probe-sample distance and the output value of the light source can be rearranged according to the scanning position to obtain a sample image, and an image according to the type of sample and the purpose of observation can be obtained. The near-field optical probe-sample distance can be selected by atomic force or shear force, and an image can be obtained according to the sample type and the purpose of observation.

【0018】そして、本発明に係る近接場光励起スクイ
ド顕微鏡装置は、光源は、出力光の波長を可変としたこ
とを特徴とする。
The near-field light-excited SQUID microscope apparatus according to the present invention is characterized in that the light source has a variable wavelength of output light.

【0019】前記発明に係る近接場光励起スクイド顕微
鏡装置によれば、試料の種類、観測の目的に応じた波長
の光で試料の顕微鏡装置画像を得ることができる。
According to the near-field light-excited SQUID microscope apparatus according to the present invention, a microscope apparatus image of a sample can be obtained with light having a wavelength depending on the type of the sample and the purpose of observation.

【0020】[0020]

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて説明する。図1は本発明の第1の実施の
形態例に係る近接場光励起スクイド顕微鏡装置の基本的
構成を示すブロック図、図2は本発明の実施の形態例に
係る近接場光励起スクイド顕微鏡装置の光ファイバ型プ
ローブ先端の構造を説明する斜視図、図3は図2に示し
た近接場光励起スクイド顕微鏡装置の光ファイバ型プロ
ーブ先端の側面図、図4は図2に示した光ファイバ型プ
ローブ先端の底面図、図5は光ファイバとスクイドが分
離されている実施の形態例の説明図、図6は光ファイバ
に検出コイルが設けられている実施の形態例の説明図で
ある。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a block diagram showing the basic configuration of a near-field light-excited SQUID microscope apparatus according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is an optical diagram of the near-field-light-excited SQUID microscope apparatus according to the embodiment of the present invention. FIG. 3 is a perspective view illustrating the structure of the fiber type probe tip, FIG. 3 is a side view of the optical fiber type probe tip of the near-field optical excitation SQUID microscope apparatus shown in FIG. 2, and FIG. 4 is a diagram of the optical fiber type probe tip shown in FIG. FIG. 5 is a bottom view, FIG. 5 is an illustration of an embodiment in which an optical fiber and a SQUID are separated, and FIG. 6 is an illustration of an embodiment in which a detection coil is provided in the optical fiber.

【0021】(第1の実施の形態例)本例に係る近接場
光励起スクイド顕微鏡装置1は、図1に示すように、試
料2に近接場光プローブ30から近接場光を作用させ、
この近接場光プローブ30に設けたスクイド40で磁気
を検出する検出部10と、検出部10の制御および画像
化を行なう制御部60とからなる。
(First Embodiment) As shown in FIG. 1, a near-field light-excited SQUID microscope apparatus 1 according to this embodiment causes near-field light to act on a sample 2 from a near-field optical probe 30,
The near-field optical probe 30 includes a detection unit 10 that detects magnetism with a SQUID 40, and a control unit 60 that controls the detection unit 10 and performs imaging.

【0022】検出部10は外部からの磁気を遮断する磁
気シールド11、内部を低温に保つデュアー12を備え
ており、デュアー12内部には、液体ヘリウム29が蓄
留され、内部は液体ヘリウム温度(4.2K)に保持さ
れる。
The detector 10 comprises a magnetic shield 11 for shutting off the magnetism from the outside, and a dewar 12 for keeping the inside temperature low. Inside the dewar 12, liquid helium 29 is stored, and the inside temperature of the liquid helium is ( Held at 4.2K).

【0023】また、デュアー12内には走査手段として
ピエゾ素子によって駆動され試料2をXYZの直交三方
向に移動させ、試料2表面の近接場光作用点を試料2に
対して相対的に移動させるXYZピエゾステージ13が
配置される。また、近接場光プローブ30には近接場光
プローブ30を軸方向に微小変位、または軸に垂直な方
向に微小に微小振動させる微小変位手段20が設けられ
ており、この微小動量は光てこを利用したプローブ変位
量測定手段(図示していない)で測定される。
Further, in the dewar 12, the sample 2 is driven by a piezo element as a scanning means to move the sample 2 in three directions of XYZ orthogonal to each other, and the near-field light action point on the surface of the sample 2 moves relatively to the sample 2. An XYZ piezo stage 13 is arranged. Further, the near-field optical probe 30 is provided with a micro-displacement means 20 for micro-displacement of the near-field optical probe 30 in the axial direction or micro-vibration in the direction perpendicular to the axis. It is measured by the utilized probe displacement amount measuring means (not shown).

【0024】本例では、近接場光プローブ30は、コア
21、クラッド22からなる光ファイバ14の先端部1
4aのコア21を先鋭化して形成されている。
In this example, the near-field optical probe 30 comprises a tip 21 of an optical fiber 14 composed of a core 21 and a clad 22.
It is formed by sharpening the core 21 of 4a.

【0025】そして、本例では前記近接場光プローブ3
0には前記近接場光が作用した試料領域の磁場変化を検
出するスクイド(超伝導量子干渉素子:SQUID)4
0がその先端に一体形成されている。なお、図1中符号
15はスクイド40と制御部60との制御線、16はX
YZピエゾステージ13をデュアー12内で支持する支
柱、17は光ファイバ14を保持する保持部、18はX
YZピエゾステージ13と制御部60とを接続する制御
線、19は微小変位手段20と制御部60とを接続する
制御線を示している。
In the present example, the near-field optical probe 3
Reference numeral 0 denotes a SQUID (superconducting quantum interference device: SQUID) 4 for detecting a change in the magnetic field in the sample region acted by the near-field light.
0 is integrally formed at the tip thereof. In FIG. 1, reference numeral 15 is a control line between the SQUID 40 and the control unit 60, and 16 is an X line.
A column that supports the YZ piezo stage 13 in the dewar 12, 17 is a holding portion that holds the optical fiber 14, and 18 is X.
A control line connecting the YZ piezo stage 13 and the control unit 60, and a control line 19 connecting the minute displacement means 20 and the control unit 60.

【0026】本例では、XYZピエゾステージ13は、
試料2を水平方向(XY方向)に移動して、近接場光プ
ローブ30に対して相対的に走査する他、試料2と近接
場光プローブ30との間隔(Z方向)を変化させること
ができるものである。このXYZピエゾステージ13
は、10μm以上の可動範囲と、0.1nm程度の位置
分解能が実現できるものである。
In this example, the XYZ piezo stage 13 is
In addition to moving the sample 2 in the horizontal direction (XY direction) to scan relatively to the near-field optical probe 30, the distance between the sample 2 and the near-field optical probe 30 (Z direction) can be changed. It is a thing. This XYZ piezo stage 13
Can realize a movable range of 10 μm or more and a position resolution of about 0.1 nm.

【0027】制御部60は、全体がコンピュータと各制
御部とを接続するインタフェースを備えたシステム制御
部61と、XYZピエゾステージ13の位置制御を行な
うステージ制御部62と、前記スクイド40の値を読み
取るスクイド制御部63と、光ファイバ14への光源を
含み光源の光量の制御を行なう光制御部64と、前記微
小変位手段20の変位量の制御を行なう変位量制御部6
5と、各制御部62〜65で検出した量を再配置して画
像化する画像表示部66とからなる。なお光源は波長を
適宜変更することができる可変波長光源あるいは複数光
源を選択して使用するようにする。
The control unit 60 has a system control unit 61 having an interface for connecting a computer to each control unit as a whole, a stage control unit 62 for controlling the position of the XYZ piezo stage 13, and a value for the SQUID 40. A SQUID control unit 63 for reading, a light control unit 64 for controlling the light amount of the light source including a light source to the optical fiber 14, and a displacement amount control unit 6 for controlling the displacement amount of the minute displacement means 20.
5 and an image display unit 66 that rearranges the amounts detected by the respective control units 62 to 65 to form an image. As the light source, a variable wavelength light source or a plurality of light sources whose wavelengths can be appropriately changed are selected and used.

【0028】検出部10のデュアー12内において、試
料2の直上に配置されている近接場光プローブ30は、
図2に示すように、光ファイバ14の先端部14aに位
置するコア21とクラッド22にスクイド40を一体に
形成したものである。本例では、光ファイバ14は単一
モードであり、そのクラッド22の先端面24にスクイ
ド40を形成している。スクイド40は超伝導リング4
1とリング中に2個所のジョセフソン接合42が形成さ
れ構成されてなる。なお図2中15aは制御線15の電
流リード線、15bは電圧リード線を示す。
The near-field optical probe 30 arranged directly above the sample 2 in the dewar 12 of the detector 10 is
As shown in FIG. 2, the SQUID 40 is integrally formed with the core 21 and the clad 22 located at the tip portion 14 a of the optical fiber 14. In this example, the optical fiber 14 is of a single mode, and the SQUID 40 is formed on the tip surface 24 of the clad 22. Squid 40 is a superconducting ring 4
Two Josephson junctions 42 are formed in the ring 1 and the ring. In FIG. 2, 15a indicates a current lead wire of the control line 15, and 15b indicates a voltage lead wire.

【0029】本例では、光ファイバ14のコア21は、
周辺のクラッド22よりも円錐状に外側に数μm〜10
μm飛び出て形成されており、コア21は先端に開口部
25を備えたテーパ部23として形成されている。本例
では光ファイバ14のコア21の直径は10μm程度あ
り、クラッド22の外径は100μm程度である。
In this example, the core 21 of the optical fiber 14 is
A few μm to the outer side of the clad 22 in a conical shape
The core 21 is formed so as to protrude by .mu.m, and is formed as a taper portion 23 having an opening 25 at its tip. In this example, the core 21 of the optical fiber 14 has a diameter of about 10 μm, and the cladding 22 has an outer diameter of about 100 μm.

【0030】図3及び図4はプローブ先端部の構成の具
体例を示すものである。本例ではコア21を取り囲むよ
うに超伝導リング41が形成され、ブリッジ弱結合によ
るジョセフソン接合42が設けられている。また先鋭化
されたコア21のテーパ部23は無駄な光が漏れないよ
うに遮光効果も兼ね備えた金属薄膜の導波ガイド26で
覆われている。テーパ部23の先端部分は金属薄膜が取
り払われており、直径50nm以下の開口部25が設け
られている。本例では、この開口部25から近接場光が
放射される。
3 and 4 show specific examples of the configuration of the probe tip. In this example, a superconducting ring 41 is formed so as to surround the core 21, and a Josephson junction 42 by weak bridge coupling is provided. Further, the sharpened taper portion 23 of the core 21 is covered with a waveguide 26 of a metal thin film which also has a light shielding effect so as to prevent useless light from leaking. The thin metal film is removed from the tip of the tapered portion 23, and an opening 25 having a diameter of 50 nm or less is provided. In this example, near-field light is emitted from the opening 25.

【0031】ここで、この近接場光プローブ30の製作
方法について説明する。まず、光ファイバ14は石英系
単芯シングルモードファイバであり、コア21にはGe
2が10mol%程度ドープされたものを用いる。光
ファイバ14の端面を研磨して平坦な面を形成する。そ
の後、フッ酸系のエッチング液でウェットエッチングす
ると、コア21に含まれるGeO2 のエッチングレート
がSiO2 よりも遅いためコア21が円錐状に先鋭化さ
れたテーパ部23を形成できる。具体的にはHF(47
%):NH4 F(75%):H2 O=0.4:1:1、
液温35度として、コア先端部の曲率半径が50nmの
光ファイバプローブを製造した。
Here, a method of manufacturing the near-field optical probe 30 will be described. First, the optical fiber 14 is a silica-based single-core single-mode fiber, and the core 21 is made of Ge.
O 2 doped with about 10 mol% is used. The end surface of the optical fiber 14 is polished to form a flat surface. Then, when wet etching is performed with a hydrofluoric acid-based etching solution, the etching rate of GeO 2 contained in the core 21 is slower than that of SiO 2 , so that the tapered portion 23 in which the core 21 is sharpened conically can be formed. Specifically, HF (47
%): NH 4 F (75%): H 2 O = 0.4: 1: 1,
An optical fiber probe having a core temperature of 50 nm and a radius of curvature of 50 nm was manufactured at a liquid temperature of 35 degrees.

【0032】次に、Nbをスパッタリングによって光フ
ァイバ先端に堆積した。この時、膜厚が均一になるよう
に光ファイバを自転させるか、スパッタリングターゲッ
トの位置を公転させると良い。次に、その光ファイバ端
面を収束イオンビーム装置(FIB)で加工する。FI
Bはガリウムイオンを10nm程度に収束して、それを
走査することにより任意のパターンにイオンミリングす
る機能を有する。図4に示したように、スクイドと導波
ガイド以外のNb膜を除去する。端面に製作したスクイ
ドから電極を引き出すために、光ファイバの側面に通じ
る電極部も加工する。ジョセフソン接合はブリッジ型に
すると膜の堆積もイオンミリングも各1回で済むので製
作しやすい。本例ではジョセフソン接合が2つあるDC
型SQUIDを示したが、AC型SQUIDにすると、
接合が1個で済み、2つの接合のバランスをとる手間が
省けるので、さらに製作しやすくなる。
Next, Nb was deposited on the tip of the optical fiber by sputtering. At this time, it is advisable to rotate the optical fiber so that the film thickness becomes uniform or to revolve the position of the sputtering target. Next, the end face of the optical fiber is processed by a focused ion beam device (FIB). FI
B has a function of converging gallium ions to about 10 nm and scanning the gallium ions to perform ion milling in an arbitrary pattern. As shown in FIG. 4, the Nb film other than the SQUID and the waveguide is removed. In order to pull out the electrode from the SQUID manufactured on the end face, the electrode portion leading to the side face of the optical fiber is also processed. If the Josephson junction is of the bridge type, the film deposition and the ion milling only have to be done once, so it is easy to fabricate. DC with two Josephson junctions in this example
I showed the type SQUID, but if you use AC type SQUID,
Since only one joint is required and the labor for balancing the two joints can be saved, it is easier to manufacture.

【0033】次に、光ファイバを90度傾けて、側面方
向からスクイド引き出し電極部とコア先端部をミリング
する。これにより先端部を覆い隠していたNb膜が除去
され、開口部25が表出する。開口部25の径は小さい
方が空間分解能の向上を図れるが、光量が少なくなるの
で50nm程度が適当である。
Next, the optical fiber is tilted by 90 degrees, and the SQUID lead-out electrode portion and the core tip portion are milled from the side surface direction. As a result, the Nb film covering the tip portion is removed, and the opening 25 is exposed. The smaller the diameter of the opening 25 is, the more the spatial resolution can be improved, but the amount of light is small, so about 50 nm is appropriate.

【0034】その後、シールドされた制御線15として
細線ケーブルをスクイド40に接続し、信号をスクイド
制御部63に伝送できるようにする。
After that, a thin wire cable is connected to the SQUID 40 as the shielded control line 15 so that a signal can be transmitted to the SQUID control unit 63.

【0035】このように作成した近接場光プローブ30
を、図1に示すように配置する。本例では、このクライ
オスタット内の温度はNbが超伝導状態になる液体ヘリ
ウム温度(4.2K)である。冷却は図1のように、本
装置中の液体ヘリウムの中に浸してもよいが、冷凍機等
からの伝導冷却としてももちろん良い。
The near-field optical probe 30 prepared in this way
Are arranged as shown in FIG. In this example, the temperature in the cryostat is the liquid helium temperature (4.2K) at which Nb becomes a superconducting state. The cooling may be performed by immersing it in the liquid helium in the present apparatus as shown in FIG. 1, but conduction cooling from a refrigerator or the like may be used.

【0036】ここで、試料を半導体とすると、そのバン
ドギャップ以上のフォトンエネルギーを有する光を照射
すると試料には電子および正孔が発生する。これらの発
生および移動は微弱ではあるが電磁波を発生する。スク
イドは感度が高く、かつ高周波まで応答する。スクイド
の制御方法として2つの場合がある。
Here, when the sample is a semiconductor, electrons and holes are generated in the sample when irradiated with light having a photon energy larger than the band gap. Generation and movement of these are weak, but electromagnetic waves are generated. Squid is highly sensitive and responds up to high frequencies. There are two cases for controlling the SQUID.

【0037】一つは、フラックス・ロック・ループ(F
LL)回路(クローズドループ)を使う方法である。こ
の場合、ダイナミックレンジは6桁程度が実現できる。
しかしながら、周波数応答速度は1MHzが現実的な限
界である。
One is the flux lock loop (F
LL) circuit (closed loop). In this case, a dynamic range of about 6 digits can be realized.
However, the practical limit of the frequency response speed is 1 MHz.

【0038】もう一つは、オープンループでそのまま使
う方法である。ジョセフソン接合にマイクロ波帯域の電
磁波を照射すると、周波数に比例した直流電圧がジョセ
フソン接合に発生する。
The other method is to use it as it is in an open loop. When a Josephson junction is irradiated with an electromagnetic wave in the microwave band, a DC voltage proportional to the frequency is generated in the Josephson junction.

【0039】このようにして構成した近接場光励起スク
イド顕微鏡装置において、試料の画像を得るには次の3
通りの方法がある。これらの方法は試料の種類、測定目
的により適宜選択すればよい。
In the near-field light-excited SQUID microscope apparatus configured as described above, the following three steps are required to obtain an image of a sample.
There is a street way. These methods may be appropriately selected depending on the type of sample and the purpose of measurement.

【0040】すなわち、 近接場光プローブ−試料間距離を一定にし、光源の
出力を一定にし、検出された磁場の強度を走査位置に応
じて再配置して画像化する。 光源の出力を一定にし、検出される磁場の強度を一
定とするように、近接場光プローブ−試料間距離を変化
させ、該光プローブ−試料間距離の値を走査位置に応じ
て再配置して画像化する。 近接場光プローブ−試料間距離を一定にし、検出さ
れる磁場が一定強度になるように光源の強度を調節し、
そのときの光源の出力を再配置して画像化する。
That is, the distance between the near-field optical probe and the sample is made constant, the output of the light source is made constant, and the intensity of the detected magnetic field is rearranged in accordance with the scanning position for imaging. The near-field optical probe-sample distance is changed so that the output of the light source is constant and the strength of the detected magnetic field is constant, and the value of the optical probe-sample distance is rearranged according to the scanning position. To image. Near-field optical probe-the distance between the sample is constant, the intensity of the light source is adjusted so that the detected magnetic field has a constant intensity,
The output of the light source at that time is rearranged and imaged.

【0041】以上の場合において、近接場光プローブ−
試料間距離は、光プローブと試料との間の原子間力又は
シアフォースで測定することができる。これらの測定
は、前記変位量制御部65での駆動量をプローブ変位量
測定手段でモニタしつつ微小変位手段20を駆動制御し
て行なう。すなわち原子間力を測定する場合には近接場
光プローブ30を軸方向に微小に移動させ、一方シアフ
ォースによるときは、近接場光プローブ30を振動させ
その振幅を測定して、近接場光プローブ−試料間距離を
測定する。
In the above cases, the near-field optical probe-
The sample-to-sample distance can be measured by the atomic force or shear force between the optical probe and the sample. These measurements are performed by drivingly controlling the minute displacement means 20 while monitoring the drive amount in the displacement amount control section 65 by the probe displacement amount measuring means. That is, when measuring the interatomic force, the near-field optical probe 30 is slightly moved in the axial direction, while when using shear force, the near-field optical probe 30 is vibrated and its amplitude is measured. -Measure the distance between the samples.

【0042】(第2の実施の形態例)図5は本発明に係
る近接場光励起スクイド顕微鏡装置の第2の実施の形態
例を示すものである。本例は、光ファイバ14とスクイ
ド70とが分離されているタイプのものである。スクイ
ド70は平面基板72上に形成されており、試料2はス
クイド70の中央に配置される。この場合スクイド70
と試料2との化学反応および物理的な損傷を防止するた
めに、スクイド70には保護膜71を設けると良い。な
お、光ファイバ14の先端部14aの形状は、スクイド
を形成しないほかは、第1の実施の形態例と同一であ
る。また、画像の形成も第1の実施の形態例と同様に行
なう。
(Second Embodiment) FIG. 5 shows a second embodiment of the near-field light-excited SQUID microscope apparatus according to the present invention. In this example, the optical fiber 14 and the SQUID 70 are separated. The SQUID 70 is formed on the flat substrate 72, and the sample 2 is arranged in the center of the SQUID 70. In this case SQUID 70
In order to prevent a chemical reaction between the sample 2 and the sample 2 and physical damage, a protective film 71 may be provided on the SQUID 70. The shape of the tip portion 14a of the optical fiber 14 is the same as that of the first embodiment except that no SQUID is formed. Further, the image formation is performed in the same manner as in the first embodiment.

【0043】本例に係る近接場光励起スクイド顕微鏡装
置ではスクイド70が光ファイバとは一体化されていな
いので、低コストに製作できる。その反面、走査のため
に試料を動かすとスクイドも動くので、地磁気中を動く
ことによるノイズが発生する。そのため、光ファイバ側
を動かして走査するとよい。ただし、走査範囲を大きく
しすぎるとスクイド中心からのズレが大きくなり磁気効
率が悪くなる。
Since the SQUID 70 is not integrated with the optical fiber in the near-field light-excited SQUID microscope apparatus according to this example, it can be manufactured at low cost. On the other hand, when the sample is moved for scanning, the SQUID also moves, which causes noise due to movement in the earth's magnetism. Therefore, it is advisable to move the optical fiber side for scanning. However, if the scanning range is made too large, the deviation from the center of the SQUID becomes large and the magnetic efficiency deteriorates.

【0044】(第3の実施の形態例)図6は本発明に係
る近接場光励起スクイド顕微鏡装置の第3の実施の形態
例を示すものである。本例は、光ファイバ14の先端部
14aに第1の実施の形態で説明した方法で形成したN
b製ピックアップコイル81だけを設ける。スクイド
(図示していない)は光ファイバの先端から離れた場所
に磁気シールドされて配置する。なお、図6中符号8
2、83はピックアップコイル81と同時に作成され、
ピックアップコイル81とスクイドとを接続する信号
線、84はシールド材を示している。なお、光ファイバ
14の先端部14aの形状は、スクイドを形成しないほ
かは、第1の実施の形態例と同一である。また、画像の
形成も第1の実施の形態例と同様に行なう。
(Third Embodiment) FIG. 6 shows a third embodiment of the near-field light excitation SQUID microscope apparatus according to the present invention. In this example, N formed on the tip portion 14a of the optical fiber 14 by the method described in the first embodiment.
Only the pickup coil 81 made of b is provided. The SQUID (not shown) is magnetically shielded at a position away from the tip of the optical fiber. Incidentally, reference numeral 8 in FIG.
2,83 are made at the same time as the pickup coil 81,
A signal line connecting the pickup coil 81 and the SQUID, and 84 a shield material. The shape of the tip portion 14a of the optical fiber 14 is the same as that of the first embodiment except that no SQUID is formed. Further, the image formation is performed in the same manner as in the first embodiment.

【0045】本例では、光ファイバ先端にジョセフソン
接合を作る必要がないので、加工が容易になる。一面、
ピックアップコイルとスクイドの距離を長くしすぎる
と、その間をつなぐ配線からのノイズ混入が無視できな
くなりS/N比が悪くなるおそれがあるため、シールド
を十分に行なう必要がある。
In this example, since it is not necessary to make a Josephson junction at the tip of the optical fiber, processing becomes easy. one side,
If the distance between the pick-up coil and the SQUID is too long, noise from the wiring connecting the pick-up coil and the SQUID cannot be ignored and the S / N ratio may deteriorate. Therefore, it is necessary to sufficiently shield the shield.

【0046】[0046]

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る近接
場光励起スクイド顕微鏡装置によれば、試料に近接場光
プローブから近接場光を作用させ、スクイドにより近接
場光が作用した試料領域の磁場変化を検出するようにし
たので、空間分解能が数ナノメートル程度になり、従来
よりも100倍以上向上した。
As described above, according to the near-field light-excited SQUID microscope apparatus according to the present invention, the near-field light is made to act on the sample from the near-field optical probe, and the near-field light is acted on by the SQUID. Since the change in the magnetic field is detected, the spatial resolution is about several nanometers, which is 100 times more improved than the conventional one.

【0047】また、ピックアップコイルを近接場光プロ
ーブと一体として構成した本発明にあっては、ピックア
ップコイルを試料から数ミクロンの距離に配置すること
ができたので、磁気感度が大幅に向上した。さらに、ピ
ックアップコイルと光ファイバを一体化したので、光軸
と磁気軸の位置関係が一定となり、精度と安定性が向上
した。
Further, in the present invention in which the pickup coil is integrated with the near-field optical probe, the pickup coil can be arranged at a distance of several microns from the sample, so that the magnetic sensitivity is greatly improved. Furthermore, since the pickup coil and the optical fiber are integrated, the positional relationship between the optical axis and the magnetic axis becomes constant, improving accuracy and stability.

【0048】また、スクイドを近接場光プローブと一体
として構成した本発明にあっては、スクイドを試料から
数ミクロンの距離に配置することができたので、磁気感
度が大幅に向上した。さらに、スクイドと光ファイバを
一体化したので、光軸と磁気軸の位置関係が一定とな
り、精度と安定性が向上した。
Further, in the present invention in which the SQUID is integrally formed with the near-field optical probe, the SQUID can be arranged at a distance of several microns from the sample, so that the magnetic sensitivity is significantly improved. Furthermore, since the SQUID and the optical fiber are integrated, the positional relationship between the optical axis and the magnetic axis becomes constant, improving accuracy and stability.

【0049】さらに、スクイドで検出される磁場の強
度、近接場光プローブ−試料間距離、光源の出力値を走
査位置に応じて再配置して試料像を得る本発明にあって
は、試料の種類、観測の目的に応じた画像を得ることが
できる。また、近接場光プローブ−試料間距離は、原子
間力あるいはシアフォースで選択して行なうことがで
き、試料種類、観測の目的に応じた画像を得ることがで
きる。
Furthermore, in the present invention, the intensity of the magnetic field detected by the SQUID, the near-field optical probe-sample distance, and the output value of the light source are rearranged according to the scanning position to obtain a sample image. Images can be obtained according to the type and purpose of observation. The near-field optical probe-sample distance can be selected by atomic force or shear force, and an image can be obtained according to the sample type and the purpose of observation.

【0050】そして、出力光の波長を変え得ることがで
きる本発明によれば、試料の種類、観測の目的に応じた
波長の光で試料の顕微鏡装置画像を得ることができる。
Further, according to the present invention in which the wavelength of output light can be changed, it is possible to obtain a microscope image of a sample with light having a wavelength according to the type of sample and the purpose of observation.

【0051】以上のように本発明に係る近接場光励起ス
クイド顕微鏡装置によれば、半導体の微小領域での解析
を可能とし、材料開発、量子デバイスの開発における重
要な評価装置とすることができる。
As described above, the near-field photoexcitation SQUID microscope apparatus according to the present invention enables analysis in a minute area of a semiconductor, and can be an important evaluation apparatus in material development and quantum device development.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施の形態例に係る近接場光励起スク
イド顕微鏡装置の基本的構成を示すブロック図である。
FIG. 1 is a block diagram showing a basic configuration of a near-field light excitation SQUID microscope apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図2】本発明の実施の形態例に係る近接場光励起スク
イド顕微鏡装置の光ファイバ型プローブ先端の構造を説
明する斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view illustrating a structure of a tip of an optical fiber type probe of a near-field light excitation SQUID microscope apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図3】本発明の実施の形態例に係る近接場光励起スク
イド顕微鏡装置の光ファイバ型プローブ先端の側面図で
ある。
FIG. 3 is a side view of the tip of an optical fiber type probe of the near-field light excitation SQUID microscope apparatus according to the embodiment of the present invention.

【図4】本発明の実施の形態例に係る近接場光励起スク
イド顕微鏡装置の光ファイバ型プローブ先端の底面図で
ある。
FIG. 4 is a bottom view of the tip of the optical fiber type probe of the near-field light excitation SQUID microscope apparatus according to the embodiment of the present invention.

【図5】本発明の実施の形態例に係る近接場光励起スク
イド顕微鏡装置の光ファイバとスクイドが分離されてい
るタイプの説明図である。
FIG. 5 is an explanatory diagram of a type in which an optical fiber and a SQUID are separated in a near-field light excitation SQUID microscope apparatus according to an embodiment of the present invention.

【図6】本発明のその他の実施の形態例に係る近接場光
励起スクイド顕微鏡装置の光ファイバに検出コイルが設
けられているタイプの説明図である。
FIG. 6 is an explanatory diagram of a type in which a detection coil is provided in an optical fiber of a near-field light excitation SQUID microscope apparatus according to another embodiment of the present invention.

【図7】従来の走査型スクイド顕微鏡装置の一例を示す
説明図である。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of a conventional scanning SQUID microscope apparatus.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 近接場光励起スクイド顕微鏡装置 2 試料 10 検出部 11 磁気シールド 12 デュアー 13 XYZピエゾステージ(走査手段) 14 光ファイバ 14a 先端部 15 制御線 20 微小変位手段 21 コア 22 クラッド 23 テーパ部 24 先端面 25 開口部 26 導波ガイド 30 近接場光プローブ 40 スクイド 41 超伝導リング 42 ジョセフソン接合 60 制御部 61 システム制御部 62 ステージ制御部 63 スクイド制御部 64 光制御部 65 変位量制御部 66 画像表示部 70 スクイド 71 保護膜 72 平面基板 81 ピックアップコイル 1 Near-field excitation SQUID microscope device 2 samples 10 Detector 11 Magnetic shield 12 Dewar 13 XYZ piezo stage (scanning means) 14 optical fiber 14a tip 15 control lines 20 Micro displacement means 21 core 22 Clad 23 Tapered part 24 Tip surface 25 openings 26 Waveguide 30 Near-field optical probe 40 Squid 41 Superconducting ring 42 Josephson junction 60 control 61 System control unit 62 Stage control unit 63 SQUID control unit 64 Light control unit 65 Displacement control unit 66 Image display section 70 Squid 71 Protective film 72 flat board 81 pickup coil

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 吉澤 正人 岩手県盛岡市高松4−17−19 岩大高松宿 舎2−405 Fターム(参考) 2G017 AA01 AD32 2G053 AA30 AB01 AB13 CA10 CA18 CA20 DB11 DB19 4M113 AC07 AC08 AC22 BA04 CA13 CA42    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Masato Yoshizawa             4-17-19 Takamatsu, Morioka-shi, Iwate Iwadai Takamatsujuku             Sha 2-405 F-term (reference) 2G017 AA01 AD32                 2G053 AA30 AB01 AB13 CA10 CA18                       CA20 DB11 DB19                 4M113 AC07 AC08 AC22 BA04 CA13                       CA42

Claims (8)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 試料に近接して配置され、光源からの光
により先端から放出される近接場光を前記試料に作用さ
せる近接場光プローブと、 前記近接場光が作用した試料領域の磁場変化を検出する
スクイドと、 試料表面の近接場光作用点を相対的に移動させる走査手
段と、 を備えたことを特徴とする近接場光励起スクイド顕微鏡
装置。
1. A near-field optical probe which is arranged close to a sample and applies near-field light emitted from a tip by light from a light source to the sample, and a magnetic field change in a sample region acted by the near-field light. A near-field light-excited SQUID microscope apparatus, comprising: a SQUID for detecting the above, and a scanning means for relatively moving the near-field light action point on the sample surface.
【請求項2】 近接場光プローブは、光ファイバのコア
先端を先鋭化し、先端から近接場光が放出される光ファ
イバ型であり、 スクイドのピックアップコイルは該光ファイバの端面又
は端面近傍の側面に、該光ファイバに一体形成されたこ
とを特徴とする請求項1記載の近接場光励起スクイド顕
微鏡装置。
2. The near-field optical probe is an optical fiber type in which the tip of the core of the optical fiber is sharpened and near-field light is emitted from the tip, and the pickup coil of the SQUID is an end face of the optical fiber or a side face near the end face. The near-field light-excited SQUID microscope apparatus according to claim 1, wherein the near-field light-excited SQUID microscope apparatus is integrally formed with the optical fiber.
【請求項3】 近接場光プローブは、光ファイバ型であ
り、スクイドは該光ファイバの端面又は端面近傍の側面
に、一体形成されたことを特徴とする請求項1記載の近
接場光励起スクイド顕微鏡装置。
3. The near-field optical excitation SQUID microscope according to claim 1, wherein the near-field optical probe is an optical fiber type, and the SQUID is integrally formed on an end face of the optical fiber or a side face near the end face. apparatus.
【請求項4】 近接場光プローブ−試料間距離を一定と
し、 光源の出力を一定とし、 検出された磁場の強度を走査位置に応じて再配置して画
像化することを特徴とする請求項1,請求項2又は請求
項3記載の近接場光励起スクイド顕微鏡装置。
4. The near-field optical probe-sample distance is kept constant, the output of the light source is kept constant, and the detected magnetic field strength is rearranged in accordance with the scanning position for imaging. 1. The near-field light excited SQUID microscope apparatus according to claim 2 or claim 3.
【請求項5】 光源の出力を一定とし、 検出される磁場の強度を一定とするように、 近接場光プローブ−試料間距離を変化させ、該光プロー
ブ−試料間距離の値を走査位置に応じて再配置して画像
化することを特徴とする請求項1,請求項2又は請求項
3記載の近接場光励起スクイド顕微鏡装置。
5. The near-field optical probe-sample distance is changed so that the output of the light source is constant and the strength of the detected magnetic field is constant, and the value of the optical probe-sample distance is set to the scanning position. The near-field photo-excited SQUID microscope apparatus according to claim 1, wherein the image is relocated and imaged.
【請求項6】 近接場光プローブ−試料間距離を一定に
し、 検出される磁場が一定強度になるように光源の強度を調
節し、 そのときの光源の出力を再配置して画像化することを特
徴とする請求項1,請求項2又は請求項3記載の近接場
光励起スクイド顕微鏡装置。
6. The near-field optical probe-sample distance is kept constant, the intensity of the light source is adjusted so that the detected magnetic field has a constant intensity, and the output of the light source at that time is rearranged for imaging. The near-field light-excited SQUID microscope apparatus according to claim 1, claim 2, or claim 3.
【請求項7】 近接場光プローブ−試料間距離を、光プ
ローブと試料との間の原子間力又はシアフォースで測定
することを特徴とする請求項4,請求項5又は請求項6
記載の近接場光励起スクイド顕微鏡装置。
7. The near-field optical probe-sample distance is measured by an atomic force or shear force between the optical probe and the sample.
The near-field light-excited SQUID microscope apparatus described.
【請求項8】 前記光源は、出力光の波長が可変である
ことを特徴とする請求項1,請求項2,請求項3,請求
項4,請求項5,請求項6又は請求項7記載の近接場光
励起スクイド顕微鏡装置。
8. The light source according to claim 1, wherein the wavelength of the output light is variable, claim 1, claim 2, claim 3, claim 4, claim 5, claim 6 or claim 7. Near-field optically excited SQUID microscope system.
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