JP2004069379A

JP2004069379A - Method for controlling optical distance using evanescent waves

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Publication number: JP2004069379A
Application number: JP2002226391A
Authority: JP
Inventors: Noritaka Yamamoto; 山本　典孝; Takashi Hiraga; 平賀　隆; Toshiko Mizokuro; 溝黒　登志子; Andrews Rinkevichesu; リンケヴィチェス　アンドリュース; Hifuo Morita; 森田　一二夫
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Tokyo Instruments Inc
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST; Tokyo Instruments Inc
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2002-08-02
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-02
Also published as: JP4034141B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for controlling an optical distance using evanescent waves which facilitates a detecting operation of a distance between a probe and a material to be measured, replacement or handling of the probe and which can reduce in size a recorder/reproducer or an analyzer, when the method is applied to the recording/reproducing or the analyzer. <P>SOLUTION: A distance between a surface of an optical probe A, made of a dielectric for transmitting a measuring light and the material to be measured in a medium B having a refractive index smaller than the probe A, is detected based on the state of the evanescent waves generated on the surface of the probe A by totally reflecting the measured light transmitted through the probe A, in a flat surface-like boundary between the probe A and the medium B. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、走査型近接場顕微鏡などにおいて用いられる光距離制御方法に関し、エバネッセント波を利用してナノメートルオーダの距離制御を行う光距離制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、走査型近接場顕微鏡（ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が提案されている。この走査型近接場顕微鏡は、例えば、開口のあるプローブ先端を被測定材料上に波長よりずっと短いナノメートルオーダの距離に近づけてラスター走査しながらプローブを通して集光された光の強度を記録する光学顕微鏡である。この場合には、プローブは、米国特許４４６９５５４、特願平６−１３０３０２号にて提案されているように、ガラスキャピラリ及び光ファイバを尖鋭化し、さらに周囲を金属コートしたものを用いる。プローブの端からレーザ光を先端の開口まで導き、該開口から被測定材料の表面を励起することにより、超解像を得ることができるものである。
【０００３】
このような走査型近接場顕微鏡においては、プローブ先端と被測定材料の表面との間の距離を制御して、ナノメートルオーダの一定距離に維持しなければならない。
【０００４】
従来の針状のプローブにおいては、プローブの長さ、硬さにより一意的に決まる固有振動数（共振周波数）があり、この固有振動数にてプローブを励振させることにより、共振が起こり最も大きい振幅が得られる。また、外部励振のタイミングとプローブの応答とには、振動数に依存した特徴があり、共振点より低い振動数では９０°より小さい位相遅れが生じ、共振点より高い振動数では９０°より大きい位相遅れが生じることとなる。
【０００５】
このような針状のプローブを共振点付近の振動数で励振させながら、プローブ先端が被測定材料の表面に接近したとき、プローブは、原子間力を受け、振動数、位相及び振幅が変化する。これらの変化のいずれかを検出し、プローブ先端が被測定材料の表面に接近する前のシグナルに対するセットポイント値で維持するようにフィードバックをかけることにより、プローブ先端と被測定材料の表面との間の距離を一定に制御することができる。
【０００６】
プローブの振動状態を検出する方法としては、レーザ光をプローブの先端付近に照射し、このレーザ光のプローブによる反射光スポットの重心位置を光検出器を用いて検出する方法が考えられる。また、プローブに音叉型水晶振動子を接着しておき、これらプローブ及び音叉型水晶振動子の全体を励振して、音叉型水晶振動子の歪み信号を読み出すことにより、プローブの振動状態を検出する方法が考えられる。
【０００７】
なお、プローブの対向配置としては、被測定材料の表面に対して垂直に振動させる方法と、被測定材料の表面に対して平行に振動させる方法とが考えられる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のように、プローブにレーザ光を照射する距離制御方法においては、太さ（直径）が１００μｍ程度のプローブにレーザ光を正確に照射する操作が極めて煩雑であった。また、この距離制御方法においては、被測定材料に光が照射されてしまうことにより、この被測定材料からの反射光や散乱光が距離制御シグナルに影響して正確な制御が行えなくなる虞れがあった。さらに、この距離制御方法においては、被測定材料に光が照射されることによってこの被測定材料の光学特性自体が影響を受けてしまうことが懸念される。
【０００９】
そして、プローブに音叉型水晶振動子を接着して用いる距離制御方法においては、距離の検出操作が煩雑であり、また、プローブの製造及び再利用が困難であるという問題がある。
【００１０】
さらに、上述のような距離制御方法においては、プローブの機械的振動を利用して距離の検出を行っているため、プローブの形状は針状である必要がある。そのため、被測定材料へのプローブの接触によるプローブの破損が問題となっていた。
【００１１】
また、上述のようなプローブを用いた距離制御は、特開平１−２４５４４５号公報や特開平４−３２１９５５号公報に記載されているように、近接場光学を利用した記録再生装置（高密度メモリ）に応用することができる。すなわち、上述のような距離制御を応用することにより、プローブと記録媒体との間に電圧を印加することにより記録を行い、プローブにより記録ビットを検出することにより再生を行う記録再生装置や、記録及び再生中のプローブ（探針）位置制御を応用した記録再生装置、あるいは、プローブ（探針）を支持する弾性体の変形を利用して、記録及び再生中にプローブ（探針）を記録媒体の表面に追従させる記録再生装置を構成することができる。
【００１２】
しかし、このような記録再生装置においては、プローブが針状であることにより、プローブの振動状態の検出器を含めた高さを低くすることができず、システムの小型化が困難となっていた。
【００１３】
そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、プローブと被測定材料との間の距離の検出操作を容易とすることができ、また、プローブの交換や取扱いを容易とすることができ、さらに、記録再生装置や分析装置に応用した場合に、これら装置の小型化を図ることができるエバネッセント波を利用した光距離制御方法を提供しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明においては、本件出願人が先に、特願２００２−８０２３５において提案している平板型の近接場チップを光プローブとして用いる。この平板型の近接場チップは、一般的な顕微鏡において使用するスライドガラスに似た形状のチップであり、従来の針状のプローブ、ファイバプローブに比較して、取扱いが容易となっている。
【００１５】
また、この平板型の近接場チップは、使用に際しても、プリズム、もしくは、対物レンズの上に載せた状態で、顕微鏡下で位置合わせを行えば、被測定材料に対する位置合わせが容易に行える。
【００１６】
さらに、この平板型の近接場チップにおいては、制御光や励起光とのカップリングが容易であるとともに、制御光や励起光を近接場チップの内部においてこの近接場チップの表面で全反射させる全反射光学系を用いるため、被測定材料に対する光のもれはない。そして、このような全反射光学系を用いることにより、被測定材料と光プローブ（近接場チップ）とが離れている場合に、被測定材料に光を照射することはない。この点は、従来の散乱型プローブと異なり、被測定材料の光退色を生じさせることがない。
【００１７】
すなわち、本発明に係るエバネッセント波を利用した光距離制御方法（請求項１に係る発明）は、光プローブと被測定材料との間の距離を検出して制御する光距離制御方法であって、測定光を透過させる誘電体からなる光プローブとこの光プローブの屈折率よりも小なる屈折率を有する媒質との平面状の界面において、上記光プローブ内を透過してきた測定光が全反射されることにより該光プローブの表面に生ずるエバネッセント波の状態に基づいて、該光プローブの表面と上記媒質中の被測定材料との間の距離を検出することを特徴とするものである。
【００１８】
このように、本発明に係るエバネッセント波を利用した光距離制御方法は、従来のようにプローブの機械的振動特性を利用する方法とはまったく異なるものである。
【００１９】
そして、エバネッセント波の物体表面への浸みだしは、波長程度の大きさを持っており、この浸みだしと検出しようとする距離との関係は、物質の屈折率と使用する波長で決まる。したがって、本発明は、真空中、気体中、液体中のいずれにおいても動作可能な走査型近接場顕微鏡（プローブ顕微鏡）を提供することができる。
【００２０】
すなわち、本発明（請求項２に係る発明）は、上記エバネッセント波を利用した光距離制御方法において、上記媒質は、真空、空気、窒素、酸素、その他の不活性または活性ガス、あるいは、これらの混合気体、水、有機または無機溶媒、あるいは、これらの混合溶媒であることを特徴とするものである。
【００２１】
そして、本発明（請求項３に係る発明）は、上記エバネッセント波を利用した光距離制御方法において、上記光プローブは、上記界面となる面と、この界面に斜めに入射される光束が入射される入射面と、この界面において全反射された光束が出射される出射面とを有するプリズムとして形成されていることを特徴とするものである。
【００２２】
そして、本発明（請求項４に係る発明）は、上記エバネッセント波を利用した光距離制御方法において、上記光プローブは、平板状に形成されており、この光プローブに対物レンズによって集光される光束が入射されることを特徴とするものである。
【００２３】
また、本発明（請求項５に係る発明）は、上記エバネッセント波を利用した光距離制御方法において、上記対物レンズは、開口数が１．４以上であって、断面がリング状の光束を入射され、上記光プローブに対して、この光プローブの上記界面に対して傾斜した光束のみを入射させることを特徴とするものである。
【００２４】
このように、本発明においては、プリズムや高開口数（ＮＡ）の対物レンズを用いて光プローブに光束を入射させるため、光学系の調整を容易に行うことができ、また、光プローブとして作製が容易で安価な近接場チップを利用できるので、操作性のよい走査型近接場顕微鏡を提供することができる。
【００２５】
さらに、本発明（請求項６に係る発明）は、上記エバネッセント波を利用した光距離制御方法において、上記エバネッセント波による干渉パターンの空間分布に基づいて、上記光プローブの表面と上記媒質中の被測定材料との間の距離を検出することを特徴とするものである。
【００２６】
ところで、プリズムを利用した単なる全反射光学系においては、反射光による検出において、その強度変化、周波数変化、位相変化などを検出するのが困難である。
【００２７】
そこで、本発明（請求項７に係る発明）は、上記エバネッセント波を利用した光距離制御方法において、上記光プローブは、光共振器の光学系の一部をなしていることを特徴とするものである。
【００２８】
すなわち、本発明においては、利用する光源としてレーザ共振器自体を内部構成として持っているために、高感度検出が可能である。本発明においては、エバネッセント波がレーザー発振を行っているレーザ共振器（キャビティー）内に生じており、外部から作用を及ぼすことが可能である構成となっている。すなわち、エバネッセント波に外部から物体（被測定材料）が接近することにより、レーザ発振の状態が変わることになり、この変化を検出することにより、物体（被測定材料）までの距離の検出を行うことができる。
【００２９】
そして、本発明（請求項８に係る発明）は、上記エバネッセント波を利用した光距離制御方法において、上記光共振器は、媒質の屈折率が有する非線形性を利用したモード同期共振器であり、かつ、２つの異なる波長光に対する二重共振器であることを特徴とするものである。
【００３０】
さらに、本発明（請求項９に係る発明）は、上記エバネッセント波を利用した光距離制御方法において、上記光共振器の利得媒体は、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶、Ｔｉ：Ａｌ_２Ｏ_３結晶、Ｃｒ：ＬｉＳｒＡｌＦ_６結晶、Ｃｒ：Ｍｇ_２ＳｉＯ_４結晶、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶、Ｙｂ：Ｃａ_４ＧｄＯ（ＢＯ_３）_３結晶、Ｙｂガラス、または、Ｎｄガラスのいずれかからなることを特徴とするものである。
【００３１】
また、本発明（請求項１０に係る発明）は、上記エバネッセント波を利用した光距離制御方法において、上記光共振器におけるモード変化を利用したシグナル共振損失の増大に基づいて、上記光プローブの表面と上記媒質中の被測定材料との間の距離を検出することを特徴とするものである。
【００３２】
また、本発明（請求項１１に係る発明）は、上記エバネッセント波を利用した光距離制御方法において、上記二重共振器のモード変化を利用したシグナル強度の差に基づいて、上記光プローブの表面と上記媒質中の被測定材料との間の距離を検出することを特徴とするものである。
【００３３】
すなわち、本発明におけるレーザとしては、媒体自体の光非線形性を利用したカーレンズモードロックレーザ発振を利用する。これは、自励モードロックのパルスレーザである。２つの異なる波長に対する二重レーザキャビティからなっており、両者の差をロックイン検出することによって、検出感度と時間応答性を上げている。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００３５】
図１に示すように、（誘電体）Ａの屈折率ｎ_１が（媒質）Ｂの屈折率ｎ_２よりも大きな場合（ｎ_１＞ｎ_２）、Ａ側から光を入射させるとき、これら物質の界面に対する入射角θがある角度（臨界角）θ_０よりも大きくなると、この光は物質ＡからＢ側に通り抜けず、界面で全反射される。このとき、この界面（全反射面）においては、エバネッセント波と呼ばれる光の電磁波が物質Ｂ側にわずかに浸みだしている。このエバネッセント波は、物質Ａの表面から離れるにしたがって指数関数に応じて強度が減少し、物質Ａの表面からの距離がｄの位置におけるエバネッセント波の強度Ｅは、以下の（１）式のように記述することができる。
【００３６】
Ｅ＝Ｅ_０・ｅｘｐ（−ｄ／Ｄ）　・・・・・・・・・・・・（１）
ここで、Ｅはエバネッセント波の強度、Ｅ_０は物質Ａ及び物質Ｂの界面（物質Ａの表面）におけるエバネッセント波の強度である。Ｄは、エバネッセント波の強度が１／ｅとなる位置の界面からの距離（浸みだし距離）であり、この距離は波長に依存する。そして、この浸みだし距離Ｄは、以下の（２）式によって記述される。
【００３７】
Ｄ＝｛λ_１／ｎ_１２π（ｓｉｎ^２θ−ｎ_１２）^１／２｝　・・・・・（２）
λ_１＝２πｃ／（ｎ_１ω）
ここで、ｎ_１は物質Ａの屈折率、λ_１は物質Ａ（ｎ_１）中における光の波長である。ｎ_１２は界面をなす物質の比屈折率で、ｎ_１２＝ｎ_２／ｎ_１（ｎ_１＞ｎ_２）である。今ｎ_１を屈折率１．３３の水、ｎ_２を屈折率１．０の真空とすると、ｎ_１２＝ｎ_２／ｎ_１＝０．７５となる。
【００３８】
具体的に、真空中における波長が７８０ｎｍ、４２２ｎｍの光を利用し、物質Ａとして、屈折率ｎ_１＝１．４５８９の石英を使い、物質Ｂを真空とした場合において、光の入射角θとエバネッセント波の浸みだし距離Ｄとの関係を計算すると、図２に示すように、臨界角θ_０に近いほど浸みだし距離Ｄが長くなることがわかる。
【００３９】
エバネッセント波は、図１中のＺ方向（物質Ａ及び物質Ｂの界面に垂直な方向）にエネルギの流れがないので、光が界面で全反射されている場合には、外部から観測することはできない。したがって、この場合には、入射強度Ｉは、反射強度Ｒに等しくなる。
【００４０】
ところで、近接場光学顕微鏡においては、このエバネッセント波の中に試料もしくはプローブとなる物体が入った状態で、両者が衝突することなく一定の距離を保つ必要がある。エバネッセント波の場に何らかの物体が入り込むと場が乱され、散乱、吸収などによりＺ方向にもエネルギの流れが生ずる。このエネルギの流れの量をＳとすると、以下の関係が成立する。
【００４１】
Ｉ＝Ｒ＋Ｓ
近接場光学顕微鏡では、ナノメートルスケールのプローブがエバネッセント波の場に入れられるので、Ｓは極めて小さな量となる。したがって、プローブの界面への接近を反射光強度Ｒの変化に基づいて検出しようとする場合、Ｒの変化量は極めて微量であるため、このような微量の変化を検出できる検出感度を実現することは困難である。しかも、Ｚ方向へのエネルギの流れの量Ｓは、界面に接近する物質の屈折率や形状により大きく影響を受けるので、測定毎に閾値の設定をしなければならず、測定は煩雑な作業となる。
【００４２】
そして、本発明に係るエバネッセント波を利用した光距離制御方法を実施する装置としては、図３に示すように、二重レーザ共振器を有する全反射励起・プリズム光学系を用いることができる。
【００４３】
この光学系においては、第１のミラー１と第２のミラー２とからなる主共振器が構成されている。この主共振器は、第１のミラー１側よりピコ秒レーザ素子１８からのレーザパルスを入射され、第１のミラー１及び第２のミラー２間に配置されたＮｄ：ＹＡＧ結晶４をレーザ媒体として、１０６４ｎｍの基本波でレーザ発振している。ここでは、カー媒体により自発的に超短パルス発振を行っている。
【００４４】
レーザ媒体としては、Ｎｄ：ＹＡＧ結晶の他に、Ｔｉ：Ａｌ_２Ｏ_３結晶、Ｃｒ：ＬｉＳｒＡｌＦ_６結晶、Ｃｒ：Ｍｇ_２ＳｉＯ_４結晶、Ｙｂ：ＹＡＧ結晶、Ｙｂ：Ｃａ_４ＧｄＯ（ＢＯ_３）_３結晶、Ｙｂガラス、または、Ｎｄガラス等、カーレンズモード同期可能なあらゆる固体レーザの利得媒体が使用可能である。
【００４５】
なお、主共振器内に可飽和吸収層を設ければ、超短パルス発振はさらに安定する。過飽和吸収層は、光強度が強いときに透過率が高くなり、光強度が弱いときには透過率が小さくなる性質を有するため、パルス光が存在するときに透過率が上がり、パルス光が存在しないときに透過率が下がることにより、パルス発振を助長する働きがある。
【００４６】
そして、主共振器内には、この主共振器の軸に対して傾斜された平板状のビームスプリッタ５が配置されている。このビームスプリッタ５は、主共振器の基本波１０６４ｎｍに対して高い透過率を有し、５３２ｎｍに対して高い反射率を有している。また、このビームスプリッタ５と第２のミラー２との間には、基本波を倍波（５３２ｎｍ）に変換するＳＨＧ結晶６が配置されている。この光学系においては、これら第２のミラー２、ＳＨＧ結晶６及びビームスプリッタ５を含む副共振器が構成されている。すなわち、ＳＨＧ結晶６によって倍波（５３２ｎｍ）に変換されたレーザ光は、ビームスプリッタ５の第２のミラー２側の面によって反射されて主共振器外に出射され、プリズム７を経て第３のミラー３に至る。そして、第２のミラーと第３のミラー３とが副共振器を構成している。
【００４７】
プリズム７は、図４に示すように、ビームスプリッタ５からのレーザ光が入射される入射面７ａと、この入射面７ａより入射したレーザ光が全反射される反射面８と、反射面８において全反射されたレーザ光が出射される出射面７ｂとを有して形成されている。出射面７ｂに対向して、第３のミラー３が配置されている。すなわち、出射面７ｂからの出射光が第３のミラー３によって反射され、プリズム７を介して第２のミラー２に戻されることにより、副共振器が構成されている。
【００４８】
プリズム７の反射面８に対しては、レーザ光は、この反射面で全反射されることとなる入射角で入射される。そして、この反射面８は、近接場顕微鏡としてエバネッセント波を利用するための面ともなっている。すなわち、この反射面８上（プリズム７の外側）にエバネッセント波１３が発生し、この反射面８に被測定材料（試料）が接近しエバネッセント波１３の領域に入ると、副共振器のレーザ発振に影響が生じるので、副共振器のレーザ発振の変化に基づいて、被測定材料の反射面８への接近を検出することができる。
【００４９】
なお、ＳＨＧ結晶６が配置される位置が第２のミラー２とビームスプリッタ５との間となっていることにより、被測定材料の反射面８への接近によって副共振器のレーザ発振が変化したとき、主共振器の発振は影響を受けないようになっている。
【００５０】
第３のミラー３は、波長５３２ｎｍの光に対して高い反射率を有しており、副共振器のアウトプットミラーとなっている。被測定材料の反射面８への接近によって生ずるシグナル光は、この第３のミラー３を透過して、図３に示すように、ミラー１９を経て、第１の光検出器９に入射する。
【００５１】
一方、ビームスプリッタ５の裏面（第１のミラー１側の面）においては、基本波（１０６４ｎｍ）の一部が反射される。このようにしてビームスプリッタ５の裏面によって反射されたレーザ光は、参照光として利用される。すなわち、この参照光は、ミラー２０，２１を経て、ＮＤ（Ｎｅｕｔｒａｌ　Ｄｅｎｓｉｔｙ）フィルタ２２，２３により強度をシグナル光と同じ程度に調整されるとともに、ＳＨＧ結晶１０によって倍波（５３２ｎｍ）に変換されて、第２の光検出器１１に入射する。
【００５２】
第１及び第２の光検出器９，１１は、検出感度特性を互いに等しくなされた高速の光検出器である。これら各光検出器９，１１の出力は、比較器（減算器）２４に入力され、比較結果（差信号）が信号処理装置（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｓｉｇｎａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）２５に送られる。信号処理装置２５は、送られた比較結果（差信号）に基づいて、制御装置（ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）２６を介して、ＰＺＴスキャナ１２を制御する。ＰＺＴスキャナ１２は、ピエゾ素子を用いた３次元ステージであり、被測定材料を支持して、この被測定材料をｘ，ｙ，ｚの３軸方向にナノメートルスケールで移動させることができる。
【００５３】
そして、プリズム７の反射面８上には、図４に示すように、光プローブとなる平板型近接場チップ１７が、マッチングオイルを介して配置されている。ＰＺＴスキャナ１２によって支持された被測定材料は、反射面８に対向し、この平板型近接場チップ１７に接近することとなる。
【００５４】
この平板型近接場チップ１７は、一般的な顕微鏡において使用するスライドガラスに似た平板形状の誘電体からなるチップであり、表面はナノメートルスケールで平坦化されている。この平板型近接場チップ１７の材料としては、市販されている屈折率１．６５のガラス板を用いることができる。この平板型近接場チップ１７は、従来の針状のプローブ、ファイバプローブに比較して、取扱いが容易である。
【００５５】
また、この平板型近接場チップ１７は、被測定材料に対向する表面のほぼ中央に、直径及び高さが５０ｎｍ乃至１００ｎｍ程度の微小突起を有している。この突起部分は誘電体でもよいし、金属であってもよい。この微小突起により、平板型近接場チップ１７の表面上に形成されるエバネッセント場が乱され、エバネッセント波１３は、散乱光に変換される。この平板型近接場チップ１７は、プリズム７上に載せた状態で、顕微鏡下で位置合わせを行えば、被測定材料に対する位置合わせが容易に行える。
【００５６】
被測定材料が平板型近接場チップ１７に波長程度の距離まで接近すると、エバネッセント波を介して副共振器における発振に影響が生ずる。レーザ媒体自体の光学非線形効果を利用したモード同期短パルスの発振は、共振器（キャビティ）内のパワーに大きな依存性をもつため、このとき、副共振器におけるＳＨＧ発振強度が弱くなる。このように副共振器における発振強度が弱くなること自体は、上述したように、主共振器における発振に影響を与えない。
【００５７】
すなわち、この光学系における主・副共振器は、モードロックレーザとして動作している。平板型近接場チップ１７に対する被測定材料の距離の変化により相互作用に変化が生ずると、副共振器におけるモードロックレーザの横モード（ＴＥＭ００ガウシアン形状等）のビーム径が変化する。これは、モードホッピングではない。このようにレーザ光のビーム径が変化することにより、プリズム７の反射面８での相互作用量も変化するため、結果として、第１の光検出器９において観測されているレーザ強度（シグナル光強度）が変化することとなる。
【００５８】
このような副共振器におけるレーザ強度の変化を、主共振器における発振に対応している参照光を基準として検出すれば、平板型近接場チップ１７に対する被測定材料の距離の変化を検出することができる。
【００５９】
なお、レーザ発振の繰返しは１ｋＨｚで行っている。毎回の繰返し発振において、主共振器からの参照光と副共振器からのシグナル光との強度差を信号処理装置２５においてロックイン検出することで、さらに平板型近接場チップ１７と被測定材料との間の距離の検出感度を高めることができる。その結果、平板型近接場チップ１７と被測定材料との間の距離を安定して検出することができ、この検出結果に基づいて、これら平板型近接場チップ１７と被測定材料との間の距離が一定となるように制御することができる。
【００６０】
具体的な距離制御の数値は、利用する光の波長と、用いるプリズム７の屈折率や入射角度に依存するが、これは、図２に示した距離Ｄにほぼ等しくなる。
【００６１】
プリズム７の反射面８上に発生するエバネッセント波の空間分布は、図４に示すように、平行な縞状のものとなる。すなわち、この光学系においては、上述のように、光共振器が構成されているので、プリズム７内を透過するレーザ光は、入射方向に進行する光とこれの逆方向に進行する光の両方がある。そのため、反射面８上に生ずるエバネッセント波１３は、入射波と反射波との干渉波となっている。図４に示すように、反射面８に垂直な軸をｚ軸とし、反射面８に平行な軸をｘ軸及びｙ軸としたとき、エバネッセント波１３がなす縞は、ｙ方向に平行な縞となる。この縞の間隔Ｇは、プリズム７の屈折率をｎ、プリズム７内のレーザ光の波長をλ、反射面８に対する入射角をθとしたとき、以下の（３）式のように示される。
【００６２】
Ｇ＝λ／（２ｎｓｉｎθ）　　　　・・・・・・・・・・（３）
この事実は、Ａ．Ｊ．Ｍｅｉｘｎｅｒ　ｅｔ　ａｌ．，Ａｐｐｌ．，Ｏｐｔ（３３）３４，７９９５−８０００（１９９４）、ＤＰ．Ｔｓａｉ　ｅｔ　ａｌ．，Ｕｌｔｒａｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ　５７，１３０−１４０（１９９５）においても確認されている。
【００６３】
そして、本発明に係るエバネッセント波を利用した光距離制御方法を実施する装置としては、図５に示すように、上述の実施の形態におけるプリズム７に代えて、ＮＡ（開口数）が１．４程度と大きな対物レンズ１４を用いて構成することができる。
【００６４】
この対物レンズ１４に対しては、ビームスプリッタ５により反射された副共振器において発振しているレーザ光が、ミラー２７により反射されて光軸に平行に入射される。対物レンズ１４に入射されたレーザ光は、図６に示すように、平板型近接場チップ１７に入射され、この平板型近接場チップ１７の表面部において集光されて全反射され、対物レンズ１４に戻る。対物レンズ１４に戻ったレーザ光は、図５に示すように、ミラー２８によって反射されて、副共振器をなす第３のミラー３に向かう。
【００６５】
この光学系は、上述のプリズム７が対物レンズ１４に置き換わっている以外は、構成上に差異はないが、後述するように、プリズム７を用いた構成とは異なる効果が得られる。なお、対物レンズ１４としては、例えば、オリンパス社製「ＡＰＯ１００ＸＯＨＲ−ＳＰ３」（エバネッセント波用対物レンズ）等を使用することができる。
【００６６】
この対物レンズ１４に入射されるレーザ光は、図６に示すように、対物レンズ入射口１５の大きさまでビーム径を拡大され、マスク１６によって、ＮＡ１．４以下に相当する部分をカットされたリング状のビームとなされて対物レンズ１４に入射される。
【００６７】
このように、ＮＡ１．４程度に相当する部分からなるリング状のビームが対物レンズ１４に入射されることにより、平板型近接場チップ１７においては、全反射照明ができることとなる。この場合にも、入射波と反射波とによる干渉パターンが平板型近接場チップ１７の表面に生ずるが、その形は同心円状のリングとなる。このときのエバネッセント波の空間分布を計算すると、図７に示すように、同心円状の縞状となっている。そして、このように対物レンズ１４を用いた場合には、ＸＹ平面内の同心円パターンとその中心部分で強度が最大である分布を持たせることが可能であり、深さＺ方向にも空間分布が得られ、これを計算すると、図７に示すような分布となっている。このときのエバネッセント波の分布における縞の間隔は、上述の（３）式により、およそ波長の半分の周期となる。
【００６８】
そして、図６に示すように、平板型近接場チップ１７をこの同心円状干渉パターンの中心部にセットすることにより、チップ部分を用いた距離検出（制御）を行うことが可能となる。
【００６９】
平板型近接場チップ１７は、従来の開口型プローブのように金属で覆われていないために、ＡＦＭプローブとして空間分解能の高い計測が行え、近接場光学計測においても、高分解能の検出が行える。また、この光学系においては、近接場相互作用を行った結果の検出光は、被測定材料に対して励起光側からも反対側からも検出することができる。
【００７０】
さらに、対物レンズ１４を用いた光学系においては、この対物レンズ１４の中心部分を通常の顕微鏡光学系として利用できるため、広い波長範囲での光学計測を行うことができ、偏光の制御も容易である。したがって、本発明は、吸収測定、蛍光測定、時間分解吸収測定、時間分解蛍光測定等に利用可能である。さらに、本発明は、光記録、光加工技術など、幅広いアプリケーションに利用することができる。
【００７１】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係るエバネッセント波を利用した光距離制御方法においては、平板型の近接場チップを光プローブとして用いている。この平板型の近接場チップは、取扱いが容易である。また、この平板型の近接場チップは、プリズム、もしくは、対物レンズの上に載せた状態で、顕微鏡下において、被測定材料に対する位置合わせが容易に行える。さらに、この平板型の近接場チップにおいては、制御光や励起光とのカップリングが容易であり、被測定材料に対する光のもれがないので、被測定材料の光退色を生じさせることがない。
【００７２】
このように、本発明においては、従来のように先鋭化された探針から構成されている光プローブという形態を採らずに、平板型のプローブ（近接場チップ）を利用していることにより、操作の煩雑さが解消されるとともに、システムの小型化が可能となり、光記録再生装置などにも応用可能である。
【００７３】
また、本発明においては、微小発光が針状のプローブの先端にあるものではないため、プローブ（探針）自体を破壊してしまうことがなく、プローブの取り替え作業も必要ないという点で安価な装置を使用することができ、操作性は格段に向上する。
【００７４】
また、本発明は、真空中、気体中、液体中のいずれにおいても動作可能な走査型近接場顕微鏡（プローブ顕微鏡）を提供することができる。
【００７５】
さらに、本発明においては、プリズムや高開口数（ＮＡ）の対物レンズを用いて光プローブに光束を入射させるため、光学系の調整を容易に行うことができ、また、光プローブとして作製が容易で安価な近接場チップを利用できるので、操作性のよい走査型近接場顕微鏡を提供することができる。
【００７６】
そして、本発明においては、利用する光源としてレーザ共振器自体を内部構成として持っているために、高感度検出が可能である。本発明においては、エバネッセント波がレーザー発振を行っているレーザ共振器（キャビティー）内に生じており、外部から作用を及ぼすことが可能である構成となっている。すなわち、エバネッセント波に外部から物体（被測定材料）が接近することにより、レーザ発振の状態が変わることになり、この変化を検出することにより、物体（被測定材料）までの距離の検出を行うことができる。
【００７７】
すなわち、レーザ共振器における損失の変化により、プローブと物体（被測定材料）との間の距離の検出を行うことにより、感度のよい距離検出を行うことができる。
【００７８】
また、本発明におけるレーザとしては、媒体自体の光非線形性を利用したカーレンズモードロックレーザ発振を利用する。これは、自励モードロックのパルスレーザである。２つの異なる波長に対する二重レーザキャビティからなっており、両者の差をロックイン検出することによって、検出感度と時間応答性を上げている。
【００７９】
本発明は、広い波長範囲で利用でき、偏光の制御も容易である。したがって、本発明は、吸収測定、蛍光測定、時間分解吸収測定、時間分解蛍光測定等に利用可能である。さらに、光記録、光加工技術など、幅広いアプリケーションに利用することができる。
【００８０】
すなわち、本発明は、プローブと被測定材料との間の距離の検出操作を容易とすることができ、また、プローブの交換や取扱いを容易とすることができ、さらに、記録再生装置や分析装置に応用した場合に、これら装置の小型化を図ることができるエバネッセント波を利用した光距離制御方法を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るエバネッセント波を利用した光距離制御方法において、エバネッセント波が物質の表面に浸みだす様子を示す側面図である。
【図２】上記エバネッセント波を利用した光距離制御方法において、エバネッセント波が物質の表面に浸みだす様子を計算によりシュミレーションした結果を示すグラフである。
【図３】上記エバネッセント波を利用した光距離制御方法において使用する二重レーザ共振器を有する全反射励起・プリズム光学系の構成を示す側面図である。
【図４】上記全反射励起・プリズム光学系の要部となるプリズムの構成を示す側面図である。
【図５】上記エバネッセント波を利用した光距離制御方法において使用する二重レーザ共振器を有する全反射励起・プリズム光学系の構成の他の形態を示す側面図である。
【図６】上記図５に示した全反射励起・プリズム光学系の要部となる対物レンズの構成を示す側面図である。
【図７】上記図５に示した全反射励起・プリズム光学系において得られるエバネッセント波の干渉パターンを計算によりシュミレーションした結果を示すグラフである。
【符号の説明】
１　第１のミラー
２　第２のミラー
３　第３のミラー
４　Ｎｄ：ＹＡＧ結晶
５　ビームスプリッタ
６　ＳＨＧ結晶
７　プリズム
８　反射面
９　第１の光検出器
１０　ＳＨＧ結晶
１１　第２の光検出器
１２　ＰＺＴスキャナ
１３　エバネッセント波（干渉波）
１４　対物レンズ
１５　対物レンズ入射口
１６　マスク
１７　平板型近接場チップ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an optical distance control method used in a scanning near-field microscope and the like, and more particularly to an optical distance control method for performing distance control on the order of nanometers using an evanescent wave.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, a near-field scanning optical microscope has been proposed. This scanning near-field microscope is, for example, an optical system that records the intensity of light collected through a probe while raster-scanning the tip of an apertured probe on a material to be measured close to a distance on the order of nanometers, which is much shorter than the wavelength. It is a microscope. In this case, as the probe, a glass capillary and an optical fiber which are sharpened and the periphery thereof is coated with a metal are used as proposed in U.S. Pat. No. 4,469,554 and Japanese Patent Application No. 6-130302. Super-resolution can be obtained by guiding laser light from the end of the probe to the opening at the tip and exciting the surface of the material to be measured from the opening.
[0003]
In such a scanning near-field microscope, the distance between the tip of the probe and the surface of the material to be measured must be controlled to maintain a constant distance on the order of nanometers.
[0004]
In a conventional needle-shaped probe, there is a natural frequency (resonance frequency) uniquely determined by the length and hardness of the probe, and when the probe is excited at this natural frequency, resonance occurs and the largest amplitude occurs. Is obtained. In addition, the timing of the external excitation and the response of the probe have a characteristic depending on the frequency, and a phase delay smaller than 90 ° occurs at a frequency lower than the resonance point, and larger than 90 ° at a frequency higher than the resonance point. A phase delay will occur.
[0005]
When the probe tip approaches the surface of the material to be measured while exciting such a needle-shaped probe at a frequency near the resonance point, the probe receives an atomic force, and the frequency, phase and amplitude change. . By detecting any of these changes and applying feedback to maintain a set point value for the signal before the probe tip approaches the surface of the material to be measured, the distance between the probe tip and the surface of the material to be measured is increased. Can be controlled to be constant.
[0006]
As a method of detecting the vibration state of the probe, a method of irradiating a laser beam near the tip of the probe and detecting the position of the center of gravity of a light spot reflected by the probe of the laser beam using a photodetector can be considered. In addition, a tuning fork type crystal unit is bonded to the probe, and the whole of the probe and the tuning fork type crystal unit is excited to read out a distortion signal of the tuning fork type crystal unit, thereby detecting a vibration state of the probe. There is a method.
[0007]
In addition, as a facing arrangement of the probe, a method of vibrating perpendicularly to the surface of the material to be measured and a method of vibrating parallel to the surface of the material to be measured can be considered.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, as described above, in the distance control method of irradiating the probe with the laser beam, the operation of accurately irradiating the probe with a thickness (diameter) of about 100 μm with the laser beam is extremely complicated. Further, in this distance control method, since light is irradiated to the material to be measured, there is a possibility that reflected light or scattered light from the material to be measured affects the distance control signal and accurate control cannot be performed. there were. Furthermore, in this distance control method, there is a concern that the optical characteristics of the measured material may be affected by the irradiation of the measured material with light.
[0009]
In the distance control method using the tuning fork type crystal resonator bonded to the probe, there is a problem that the operation of detecting the distance is complicated, and it is difficult to manufacture and reuse the probe.
[0010]
Furthermore, in the distance control method as described above, since the distance is detected using the mechanical vibration of the probe, the probe needs to have a needle shape. Therefore, damage of the probe due to contact of the probe with the material to be measured has been a problem.
[0011]
Further, as described in JP-A-1-245445 and JP-A-4-321595, a distance control using a probe as described above is performed by a recording / reproducing apparatus (a high-density memory) using near-field optics. ). That is, by applying the distance control as described above, recording is performed by applying a voltage between the probe and the recording medium, and a recording / reproducing apparatus that performs reproduction by detecting a recording bit by the probe, or a recording / reproducing apparatus. A recording / reproducing apparatus to which the position control of a probe (probe) during reproduction is applied, or a recording medium during recording and reproduction using a deformation of an elastic body supporting the probe (probe) A recording / reproducing apparatus that can follow the surface of the device can be configured.
[0012]
However, in such a recording / reproducing apparatus, the height of the probe including the detector of the vibration state cannot be reduced due to the needle shape of the probe, which makes it difficult to miniaturize the system. .
[0013]
Therefore, the present invention has been proposed in view of the above-mentioned circumstances, and can facilitate the operation of detecting the distance between the probe and the material to be measured, and facilitate replacement and handling of the probe. Another object of the present invention is to provide an optical distance control method using an evanescent wave which can reduce the size of these devices when applied to a recording / reproducing device or an analyzing device.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, in the present invention, a flat near-field chip proposed by the present applicant in Japanese Patent Application No. 2002-80235 is used as an optical probe. This flat near-field chip is a chip having a shape similar to a slide glass used in a general microscope, and is easier to handle than conventional needle probes and fiber probes.
[0015]
When the flat near-field chip is used, it can be easily positioned with respect to the material to be measured by positioning it under a microscope while being mounted on a prism or an objective lens.
[0016]
Further, in this flat-plate type near-field chip, coupling with control light and excitation light is easy, and total control light and excitation light are totally reflected on the surface of the near-field chip inside the near-field chip. Since the reflection optical system is used, there is no light leakage to the material to be measured. Then, by using such a total reflection optical system, when the material to be measured and the optical probe (near-field chip) are separated from each other, the material to be measured is not irradiated with light. This point does not cause light fading of the material to be measured, unlike the conventional scattering probe.
[0017]
That is, an optical distance control method using an evanescent wave according to the present invention (the invention according to claim 1) is an optical distance control method for detecting and controlling a distance between an optical probe and a material to be measured, At a planar interface between an optical probe made of a dielectric material that transmits the measuring light and a medium having a refractive index smaller than the refractive index of the optical probe, the measuring light transmitted through the optical probe is totally reflected. Thus, the distance between the surface of the optical probe and the material to be measured in the medium is detected based on the state of the evanescent wave generated on the surface of the optical probe.
[0018]
As described above, the optical distance control method using the evanescent wave according to the present invention is completely different from the conventional method using the mechanical vibration characteristics of the probe.
[0019]
Then, the seepage of the evanescent wave into the object surface has a size of about the wavelength, and the relationship between the seepage and the distance to be detected is determined by the refractive index of the substance and the wavelength used. Therefore, the present invention can provide a scanning near-field microscope (probe microscope) that can operate in any of a vacuum, a gas, and a liquid.
[0020]
That is, according to the present invention (the invention according to claim 2), in the optical distance control method using the evanescent wave, the medium is vacuum, air, nitrogen, oxygen, other inert or active gas, or any of these. It is characterized by being a mixed gas, water, an organic or inorganic solvent, or a mixed solvent thereof.
[0021]
According to the present invention (an invention according to claim 3), in the optical distance control method using the evanescent wave, the optical probe includes a surface to be the interface and a light beam obliquely incident on the interface. Is formed as a prism having a light incident surface and an output surface from which a light beam totally reflected at the interface is output.
[0022]
According to the invention (an invention according to claim 4), in the optical distance control method using the evanescent wave, the optical probe is formed in a flat plate shape, and the optical probe is condensed by an objective lens. A light beam is incident.
[0023]
Further, according to the present invention (an invention according to claim 5), in the optical distance control method using the evanescent wave, the objective lens has a numerical aperture of 1.4 or more and receives a light beam having a ring-shaped cross section. The optical probe is characterized in that only a light beam inclined with respect to the interface of the optical probe is made incident.
[0024]
As described above, in the present invention, since the light flux is incident on the optical probe using the prism and the objective lens with a high numerical aperture (NA), the optical system can be easily adjusted, and the optical probe can be manufactured. Therefore, a scanning near-field microscope with good operability can be provided because an inexpensive near-field chip can be used.
[0025]
Further, according to the present invention (an invention according to claim 6), in the optical distance control method using the evanescent wave, the surface of the optical probe and the object in the medium are based on a spatial distribution of an interference pattern by the evanescent wave. It is characterized by detecting a distance from a measurement material.
[0026]
By the way, in a mere total reflection optical system using a prism, it is difficult to detect a change in intensity, a change in frequency, a change in phase, and the like in detection by reflected light.
[0027]
Therefore, the present invention (the invention according to claim 7) is characterized in that, in the optical distance control method using the evanescent wave, the optical probe forms a part of an optical system of an optical resonator. It is.
[0028]
That is, in the present invention, since the laser resonator itself is used as an internal configuration as a light source to be used, high-sensitivity detection is possible. In the present invention, an evanescent wave is generated in a laser resonator (cavity) that performs laser oscillation, and has a configuration capable of exerting an action from the outside. That is, when an object (material to be measured) approaches the evanescent wave from the outside, the state of laser oscillation changes, and by detecting this change, the distance to the object (material to be measured) is detected. be able to.
[0029]
According to the present invention (an invention according to claim 8), in the optical distance control method using the evanescent wave, the optical resonator is a mode-locked resonator using nonlinearity of a refractive index of a medium, Further, it is a double resonator for two different wavelengths of light.
[0030]
Further, according to the present invention (an invention according to claim 9), in the optical distance control method using the evanescent wave, the gain medium of the optical resonator is a Nd: YAG crystal, Ti: Al ₂ O ₃ Crystal, Cr: LiSrAlF ₆ Crystal, Cr: Mg ₂ SiO ₄ Crystal, Yb: YAG crystal, Yb: Ca ₄ GdO (BO ₃ ) ₃ It is characterized by being made of any one of crystal, Yb glass, and Nd glass.
[0031]
Further, according to the present invention (an invention according to claim 10), in the optical distance control method using the evanescent wave, the surface of the optical probe is increased based on an increase in signal resonance loss using a mode change in the optical resonator. And detecting a distance between the material and the material to be measured in the medium.
[0032]
Further, according to the present invention (an invention according to claim 11), in the optical distance control method using the evanescent wave, the surface of the optical probe is determined based on a signal intensity difference using a mode change of the double resonator. And detecting a distance between the material and the material to be measured in the medium.
[0033]
That is, a Kerr lens mode-locked laser oscillation utilizing the optical nonlinearity of the medium itself is used as the laser in the present invention. This is a self-excited mode-locked pulsed laser. It consists of a dual laser cavity for two different wavelengths, and lock-in detection of the difference between the two increases the detection sensitivity and time response.
[0034]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0035]
As shown in FIG. 1, the refractive index n of (dielectric) A ₁ Is the refractive index n of (medium) B ₂ Greater than (n ₁ > N ₂ ), When light is incident from the A side, the incident angle θ with respect to the interface between these substances is a certain angle (critical angle) θ. ₀ When it is larger than this, the light does not pass from the substance A to the side B and is totally reflected at the interface. At this time, at this interface (total reflection surface), a light electromagnetic wave called an evanescent wave slightly permeates the material B side. The intensity of the evanescent wave decreases in accordance with the exponential function as the distance from the surface of the substance A increases, and the intensity E of the evanescent wave at a position at a distance d from the surface of the substance A is expressed by the following equation (1). Can be described.
[0036]
E = E ₀ ・ Exp (-d / D) ・・・・ (1)
Where E is the intensity of the evanescent wave, E ₀ Is the intensity of the evanescent wave at the interface between the substance A and the substance B (the surface of the substance A). D is the distance (leaching distance) from the interface at the position where the intensity of the evanescent wave is 1 / e, and this distance depends on the wavelength. The seepage distance D is described by the following equation (2).
[0037]
D = ｛λ ₁ / N ₁ 2π (sin ² θ-n ₁₂ ) ^1/2 ｝・・・・・ (2)
λ ₁ = 2πc / (n ₁ ω)
Where n ₁ Is the refractive index of the substance A, λ ₁ Is the substance A (n ₁ ) Is the wavelength of light. n ₁₂ Is the relative refractive index of the material forming the interface, n ₁₂ = N ₂ / N ₁ (N ₁ > N ₂ ). Now ₁ Is a water having a refractive index of 1.33, n ₂ Is a vacuum having a refractive index of 1.0, n ₁₂ = N ₂ / N ₁ = 0.75.
[0038]
Specifically, using light having a wavelength of 780 nm or 422 nm in a vacuum, a refractive index n ₁ When the material B is evacuated using quartz having a refractive index of 1.4589, the relationship between the incident angle θ of light and the leaching distance D of the evanescent wave is calculated. As shown in FIG. ₀ It can be seen that the leaching distance D becomes longer as the distance becomes closer to.
[0039]
Since the evanescent wave has no energy flow in the Z direction in FIG. 1 (the direction perpendicular to the interface between the substance A and the substance B), when light is totally reflected at the interface, it cannot be observed from the outside. Can not. Therefore, in this case, the incident intensity I becomes equal to the reflection intensity R.
[0040]
By the way, in the near-field optical microscope, it is necessary to keep a certain distance without collision between the evanescent wave and a sample or an object serving as a probe in the evanescent wave. If any object enters the field of the evanescent wave, the field is disturbed, and energy flows in the Z direction due to scattering, absorption, and the like. When the amount of this energy flow is S, the following relationship is established.
[0041]
I = R + S
In a near-field optical microscope, S is a very small amount because a nanometer-scale probe is put into the field of an evanescent wave. Therefore, when the approach of the probe to the interface is to be detected based on the change in the reflected light intensity R, the amount of change in R is extremely small. Therefore, it is necessary to realize a detection sensitivity capable of detecting such a small change. It is difficult. In addition, the amount S of energy flow in the Z direction is greatly affected by the refractive index and the shape of the substance approaching the interface, so that a threshold must be set for each measurement, which requires a complicated operation. Become.
[0042]
As an apparatus for performing the optical distance control method using an evanescent wave according to the present invention, as shown in FIG. 3, a total reflection excitation / prism optical system having a double laser resonator can be used.
[0043]
In this optical system, a main resonator including a first mirror 1 and a second mirror 2 is configured. The main resonator receives a laser pulse from the picosecond laser element 18 from the first mirror 1 side, and transmits the Nd: YAG crystal 4 disposed between the first mirror 1 and the second mirror 2 to the laser medium. The laser oscillates with a fundamental wave of 1064 nm. Here, ultrashort pulse oscillation is spontaneously performed by a Kerr medium.
[0044]
As a laser medium, in addition to the Nd: YAG crystal, Ti: Al ₂ O ₃ Crystal, Cr: LiSrAlF ₆ Crystal, Cr: Mg ₂ SiO ₄ Crystal, Yb: YAG crystal, Yb: Ca ₄ GdO (BO ₃ ) ₃ Any solid-state laser gain medium that can be Kerr-lens mode-locked, such as crystal, Yb glass, or Nd glass, can be used.
[0045]
If a saturable absorption layer is provided in the main resonator, the ultrashort pulse oscillation is further stabilized. The supersaturated absorption layer has a property that the transmittance increases when the light intensity is high, and the transmittance decreases when the light intensity is low. Therefore, when the pulse light exists, the transmittance increases and when the pulse light does not exist. The lowering of the transmittance has the function of promoting pulse oscillation.
[0046]
In the main resonator, a plate-shaped beam splitter 5 inclined with respect to the axis of the main resonator is arranged. The beam splitter 5 has a high transmittance for the fundamental wave of 1064 nm of the main resonator and a high reflectance for 532 nm. An SHG crystal 6 for converting a fundamental wave into a harmonic (532 nm) is arranged between the beam splitter 5 and the second mirror 2. In this optical system, a sub-resonator including the second mirror 2, the SHG crystal 6, and the beam splitter 5 is configured. That is, the laser light converted into a harmonic (532 nm) by the SHG crystal 6 is reflected by the surface of the beam splitter 5 on the second mirror 2 side, emitted out of the main resonator, and passed through the prism 7 to the third mirror. It reaches mirror 3. Then, the second mirror and the third mirror 3 constitute a sub-resonator.
[0047]
As shown in FIG. 4, the prism 7 has an incident surface 7a on which the laser beam from the beam splitter 5 is incident, a reflecting surface 8 on which the laser light incident from the incident surface 7a is totally reflected, and a reflecting surface 8. An emission surface 7b from which the totally reflected laser light is emitted is formed. The third mirror 3 is arranged so as to face the emission surface 7b. That is, light emitted from the emission surface 7b is reflected by the third mirror 3 and returned to the second mirror 2 via the prism 7, thereby forming a sub-resonator.
[0048]
The laser light is incident on the reflecting surface 8 of the prism 7 at an incident angle at which the laser light is totally reflected by the reflecting surface. The reflecting surface 8 also serves as a surface for using an evanescent wave as a near-field microscope. That is, an evanescent wave 13 is generated on the reflecting surface 8 (outside of the prism 7), and when the material to be measured (sample) approaches the reflecting surface 8 and enters the region of the evanescent wave 13, the laser oscillation of the sub-cavity occurs. Therefore, the approach of the material to be measured to the reflection surface 8 can be detected based on the change in the laser oscillation of the sub-cavity.
[0049]
Since the position where the SHG crystal 6 is disposed is between the second mirror 2 and the beam splitter 5, the laser oscillation of the sub-resonator changes due to the approach of the material to be measured to the reflection surface 8. At this time, the oscillation of the main resonator is not affected.
[0050]
The third mirror 3 has a high reflectance for light having a wavelength of 532 nm, and serves as an output mirror of the sub-resonator. The signal light generated by the approach of the material to be measured to the reflecting surface 8 passes through the third mirror 3 and enters the first photodetector 9 via the mirror 19 as shown in FIG.
[0051]
On the other hand, a part of the fundamental wave (1064 nm) is reflected on the back surface (the surface on the first mirror 1 side) of the beam splitter 5. The laser light reflected by the back surface of the beam splitter 5 in this manner is used as reference light. That is, the intensity of the reference light is adjusted to the same degree as that of the signal light by ND (Neutral Density) filters 22 and 23 via mirrors 20 and 21, and is converted into a harmonic (532 nm) by the SHG crystal 10. , And enters the second photodetector 11.
[0052]
The first and second photodetectors 9 and 11 are high-speed photodetectors having the same detection sensitivity characteristics. The outputs of the photodetectors 9 and 11 are input to a comparator (subtractor) 24, and the comparison result (difference signal) is sent to a signal processing device (Digital Signal Processor) 25. The signal processing device 25 controls the PZT scanner 12 via a controller 26 based on the sent comparison result (difference signal). The PZT scanner 12 is a three-dimensional stage using a piezo element. The PZT scanner 12 supports a material to be measured and can move the material to be measured on the nanometer scale in the x, y, and z axes.
[0053]
As shown in FIG. 4, a flat near-field chip 17 serving as an optical probe is arranged on the reflecting surface 8 of the prism 7 via a matching oil. The material to be measured supported by the PZT scanner 12 faces the reflection surface 8 and approaches the flat near-field chip 17.
[0054]
The plate-type near-field chip 17 is a chip made of a plate-shaped dielectric material similar to a slide glass used in a general microscope, and its surface is flattened on a nanometer scale. As a material for the flat near-field chip 17, a commercially available glass plate having a refractive index of 1.65 can be used. The flat near-field tip 17 is easier to handle than conventional needle-like probes and fiber probes.
[0055]
Further, the flat near-field chip 17 has minute projections having a diameter and a height of about 50 nm to 100 nm substantially at the center of the surface facing the material to be measured. This protrusion may be a dielectric or a metal. The evanescent field formed on the surface of the flat near-field chip 17 is disturbed by these minute projections, and the evanescent wave 13 is converted into scattered light. If the flat near-field chip 17 is positioned under a microscope while being mounted on the prism 7, the positioning with respect to the material to be measured can be easily performed.
[0056]
When the material to be measured approaches the flat near-field chip 17 to a distance of about the wavelength, the oscillation in the sub-resonator is affected via the evanescent wave. Oscillation of a mode-locked short pulse utilizing the optical nonlinear effect of the laser medium itself largely depends on the power in the resonator (cavity), so that the SHG oscillation intensity in the sub-resonator is weakened. The weakening of the oscillation intensity in the sub resonator does not affect the oscillation in the main resonator as described above.
[0057]
That is, the main and sub-cavities in this optical system operate as mode-locked lasers. When the interaction changes due to a change in the distance of the material to be measured from the flat near-field chip 17, the beam diameter of the transverse mode (TEM00 Gaussian shape or the like) of the mode-locked laser in the sub-cavity changes. This is not mode hopping. When the beam diameter of the laser beam changes in this manner, the amount of interaction on the reflecting surface 8 of the prism 7 also changes. As a result, the laser intensity (signal light) observed in the first photodetector 9 is changed. Intensity).
[0058]
If the change in the laser intensity in the sub-cavity is detected with reference to the reference light corresponding to the oscillation in the main resonator, the change in the distance of the material to be measured with respect to the flat near-field chip 17 can be detected. Can be.
[0059]
The laser oscillation is repeated at 1 kHz. In each repetitive oscillation, the signal processing device 25 lock-in detects the intensity difference between the reference light from the main resonator and the signal light from the sub-resonator, and furthermore, the flat plate near-field chip 17 and the material to be measured , The detection sensitivity of the distance between them can be increased. As a result, the distance between the flat near-field chip 17 and the material to be measured can be stably detected. Based on the detection result, the distance between the flat near-field chip 17 and the material to be measured can be determined. Control can be performed so that the distance is constant.
[0060]
The specific numerical value of the distance control depends on the wavelength of the light to be used and the refractive index and the incident angle of the prism 7 to be used, and this is almost equal to the distance D shown in FIG.
[0061]
The spatial distribution of the evanescent wave generated on the reflecting surface 8 of the prism 7 is a parallel stripe as shown in FIG. That is, in this optical system, as described above, since the optical resonator is configured, the laser light transmitted through the prism 7 is both light traveling in the incident direction and light traveling in the opposite direction. There is. Therefore, the evanescent wave 13 generated on the reflection surface 8 is an interference wave between the incident wave and the reflected wave. As shown in FIG. 4, when the axis perpendicular to the reflecting surface 8 is the z-axis and the axes parallel to the reflecting surface 8 are the x-axis and the y-axis, the stripes formed by the evanescent wave 13 are stripes parallel to the y-direction. It becomes. When the refractive index of the prism 7 is n, the wavelength of the laser light in the prism 7 is λ, and the incident angle with respect to the reflection surface 8 is θ, the interval G between the stripes is expressed by the following equation (3).
[0062]
G = λ / (2 nsin θ) (3)
This fact is explained in A. J. Meixner et al. , Appl. , Opt (33) 34, 7995-8000 (1994), DP. Tsai et al. , Ultramicroscopy 57, 130-140 (1995).
[0063]
As an apparatus for implementing the optical distance control method using an evanescent wave according to the present invention, as shown in FIG. 5, instead of the prism 7 in the above-described embodiment, the NA (numerical aperture) is 1.4. It can be configured using an objective lens 14 that is as large as possible.
[0064]
Laser light oscillating in the sub-resonator reflected by the beam splitter 5 is reflected by the mirror 27 and is incident on the objective lens 14 in parallel with the optical axis. As shown in FIG. 6, the laser light incident on the objective lens 14 is incident on the flat near-field chip 17, is condensed and totally reflected on the surface of the flat near-field chip 17, Return to The laser beam returned to the objective lens 14 is reflected by the mirror 28 and travels to the third mirror 3 forming a sub-resonator, as shown in FIG.
[0065]
This optical system has no difference in configuration except that the above-described prism 7 is replaced by the objective lens 14, but has an effect different from that of the configuration using the prism 7, as described later. As the objective lens 14, for example, "APO100XOHR-SP3" (evanescent wave objective lens) manufactured by Olympus Corporation can be used.
[0066]
As shown in FIG. 6, the laser beam incident on the objective lens 14 has a beam diameter enlarged to the size of the objective lens entrance 15, and a ring having a portion corresponding to an NA of 1.4 or less cut by a mask 16. The beam is formed into a beam and is incident on the objective lens 14.
[0067]
As described above, when the ring-shaped beam having a portion corresponding to about NA 1.4 is incident on the objective lens 14, the flat near-field chip 17 can perform total reflection illumination. In this case as well, an interference pattern due to the incident wave and the reflected wave occurs on the surface of the flat near-field chip 17, but the shape is a concentric ring. When the spatial distribution of the evanescent wave at this time is calculated, as shown in FIG. 7, the evanescent wave has a concentric stripe shape. When the objective lens 14 is used as described above, it is possible to provide a concentric circle pattern in the XY plane and a distribution having the maximum intensity at the center thereof, and a spatial distribution also occurs in the depth Z direction. Obtained and calculated, the distribution is as shown in FIG. At this time, the interval between the stripes in the distribution of the evanescent wave is approximately a half of the wavelength according to the above equation (3).
[0068]
Then, as shown in FIG. 6, by setting the flat near-field chip 17 at the center of the concentric interference pattern, distance detection (control) using the chip portion can be performed.
[0069]
The flat-plate near-field chip 17 is not covered with metal unlike the conventional open-type probe, so that measurement with high spatial resolution can be performed as an AFM probe, and high-resolution detection can be performed even in near-field optical measurement. In this optical system, the detection light resulting from the near-field interaction can be detected from the excitation light side and the opposite side with respect to the material to be measured.
[0070]
Further, in the optical system using the objective lens 14, since the central portion of the objective lens 14 can be used as a normal microscope optical system, optical measurement can be performed in a wide wavelength range, and polarization control is easy. is there. Therefore, the present invention can be used for absorption measurement, fluorescence measurement, time-resolved absorption measurement, time-resolved fluorescence measurement, and the like. Further, the present invention can be used for a wide range of applications such as optical recording and optical processing technology.
[0071]
【The invention's effect】
As described above, in the optical distance control method using an evanescent wave according to the present invention, a flat near-field chip is used as an optical probe. This flat-plate near-field chip is easy to handle. The flat near-field chip can be easily positioned with respect to the material to be measured under a microscope while being mounted on a prism or an objective lens. Furthermore, in this flat-plate type near-field chip, coupling with control light or excitation light is easy, and there is no light leakage to the material to be measured, so that photobleaching of the material to be measured does not occur. .
[0072]
As described above, in the present invention, a flat probe (near-field tip) is used instead of an optical probe constituted by a sharpened probe as in the related art. The operation can be simplified, and the system can be downsized. The present invention can be applied to an optical recording / reproducing apparatus.
[0073]
In addition, in the present invention, since the minute light emission is not at the tip of the needle-shaped probe, the probe (probe) itself is not destroyed, and it is inexpensive in that there is no need to replace the probe. The device can be used, and the operability is significantly improved.
[0074]
Further, the present invention can provide a scanning near-field microscope (probe microscope) that can operate in any of a vacuum, a gas, and a liquid.
[0075]
Furthermore, in the present invention, since the light flux is incident on the optical probe using a prism or an objective lens with a high numerical aperture (NA), the optical system can be easily adjusted, and the optical probe can be easily manufactured. Therefore, a scanning near-field microscope with good operability can be provided.
[0076]
In the present invention, since the laser resonator itself is used as a light source as an internal configuration, high-sensitivity detection is possible. In the present invention, an evanescent wave is generated in a laser resonator (cavity) that performs laser oscillation, and has a configuration capable of exerting an action from the outside. That is, when an object (material to be measured) approaches the evanescent wave from the outside, the state of laser oscillation changes, and by detecting this change, the distance to the object (material to be measured) is detected. be able to.
[0077]
That is, by detecting the distance between the probe and the object (material to be measured) based on the change in the loss in the laser resonator, highly sensitive distance detection can be performed.
[0078]
As the laser in the present invention, Kerr lens mode-locked laser oscillation utilizing the optical nonlinearity of the medium itself is used. This is a self-excited mode-locked pulsed laser. It consists of a dual laser cavity for two different wavelengths, and lock-in detection of the difference between the two increases the detection sensitivity and time response.
[0079]
The present invention can be used in a wide wavelength range, and the control of polarization is easy. Therefore, the present invention can be used for absorption measurement, fluorescence measurement, time-resolved absorption measurement, time-resolved fluorescence measurement, and the like. Furthermore, it can be used for a wide range of applications such as optical recording and optical processing technology.
[0080]
That is, the present invention can facilitate the operation of detecting the distance between the probe and the material to be measured, and can facilitate replacement and handling of the probe. It is possible to provide an optical distance control method using an evanescent wave, which can reduce the size of these devices when applied to (1).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing a state in which an evanescent wave seeps into a surface of a substance in an optical distance control method using an evanescent wave according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a result obtained by simulating a state in which an evanescent wave seeps into a surface of a substance in the optical distance control method using the evanescent wave.
FIG. 3 is a side view showing a configuration of a total reflection pumping / prism optical system having a double laser resonator used in the optical distance control method using the evanescent wave.
FIG. 4 is a side view showing a configuration of a prism which is a main part of the total reflection excitation / prism optical system.
FIG. 5 is a side view showing another embodiment of the configuration of a total reflection excitation / prism optical system having a dual laser resonator used in the optical distance control method using the evanescent wave.
FIG. 6 is a side view showing a configuration of an objective lens which is a main part of the total reflection excitation / prism optical system shown in FIG.
FIG. 7 is a graph showing a result obtained by simulating an interference pattern of an evanescent wave obtained in the total reflection excitation / prism optical system shown in FIG. 5 by calculation.
[Explanation of symbols]
1 First mirror
2 Second mirror
3 Third mirror
4 Nd: YAG crystal
5 Beam splitter
6 SHG crystal
7 Prism
8 Reflective surface
9 First photodetector
10 SHG crystal
11 Second photodetector
12 PZT scanner
13. Evanescent wave (interference wave)
14 Objective lens
15 Objective lens entrance
16 Mask
17 Flat plate near-field chip

Claims

An optical distance control method for detecting and controlling the distance between the optical probe and the material to be measured,
At a planar interface between an optical probe made of a dielectric material that transmits the measuring light and a medium having a refractive index smaller than the refractive index of the optical probe, the measuring light transmitted through the optical probe is totally reflected. Detecting the distance between the surface of the optical probe and the material to be measured in the medium based on the state of the evanescent wave generated on the surface of the optical probe. Control method.

2. The medium according to claim 1, wherein the medium is vacuum, air, nitrogen, oxygen, other inert or active gas, or a mixed gas thereof, water, an organic or inorganic solvent, or a mixed solvent thereof. An optical distance control method using the evanescent wave described in the above.

The optical probe is formed as a prism having a surface serving as the interface, an incident surface on which a light beam obliquely incident on the interface is incident, and an emission surface from which a light beam totally reflected at the interface is emitted. The optical distance control method using an evanescent wave according to claim 1 or 2, wherein:

3. The optical probe according to claim 1, wherein the optical probe is formed in a flat plate shape, and a light beam condensed by an objective lens is incident on the optical probe. Light distance control method.

The objective lens has a numerical aperture of 1.4 or more, receives a light beam having a ring-shaped cross section, and causes the light probe to receive only a light beam inclined with respect to the interface of the light probe. The optical distance control method using an evanescent wave according to claim 4, characterized in that:

The distance between a surface of the optical probe and a material to be measured in the medium is detected based on a spatial distribution of an interference pattern caused by the evanescent wave. 3. An optical distance control method using an evanescent wave according to claim 1.

7. The optical distance control method using an evanescent wave according to claim 1, wherein the optical probe forms a part of an optical system of an optical resonator.

The evanescent wave according to claim 7, wherein the optical resonator is a mode-locked resonator using nonlinearity of a refractive index of a medium, and is a double resonator for two different wavelengths of light. Distance control method using

The gain medium of the optical resonator is Nd: YAG crystal, Ti: Al ₂ O ₃ crystal, Cr: LiSrAlF ₆ crystal, Cr: Mg ₂ SiO ₄ crystal, Yb: YAG crystal, Yb: Ca ₄ GdO (BO ₃ ). _The optical distance control method using an evanescent wave according to claim 7 or 8, wherein the optical distance control method is made of any one of _three crystals, Yb glass, and Nd glass.

The distance between a surface of the optical probe and a material to be measured in the medium is detected based on an increase in signal resonance loss using a mode change in the optical resonator. An optical distance control method using an evanescent wave according to claim 9.

9. The method according to claim 8, wherein a distance between a surface of the optical probe and a material to be measured in the medium is detected based on a difference in signal intensity using a mode change of the double resonator. An optical distance control method using an evanescent wave according to claim 9.