JP2005181085A - Optical trap probe near-field light microscope and near-field optical detection method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は光トラッププローブ近接場光顕微鏡装置及び近接場光検出方法に関し、詳細には走査型近接場光学顕微鏡(以下SNOMと略す)による、ナノオーダの計測・加工技術に関する。 The present invention relates to an optical trap probe near-field light microscope apparatus and a near-field light detection method, and more particularly to a nano-order measurement / processing technique using a scanning near-field optical microscope (hereinafter abbreviated as SNOM).
近年、走査型トンネル顕微鏡(以下STMと略す)、走査型原子間力顕微鏡(以下AFMと略す)をはじめとする走査型プローブ顕微鏡(以下SPMと略す)の技術により、ナノオーダの計測及び加工が行われている。このSPMの中にあって、回折限界以下の微小領域での光学的特性を検出することが可能なSNOMは、バイオテクノロジーなど様々な分野での測定装置及び評価装置として用いられている。このSNOMでは、回折限界以下の寸法の微細構造体をプローブとして用い、プローブ先端部を照明することでその近傍に近接場光を発生させる。この状態でプローブを試料面上で走査させることにより、プローブ近傍に局在している近接場光と試料面との電磁気的な相互作用により散乱、あるいは試料面を透過した近接場光を検出することで、試料面の光学的情報を得ることができる。また、このようなSNOM技術を応用した、光記録装置や微細加工装置の研究開発も進められている。 In recent years, measurement and processing of nano-orders have been carried out by scanning probe microscopes (hereinafter abbreviated as SPM), including scanning tunneling microscopes (hereinafter abbreviated as STM) and scanning atomic force microscopes (hereinafter abbreviated as AFM). It has been broken. SNOM, which is in this SPM and can detect optical characteristics in a minute region below the diffraction limit, is used as a measuring device and an evaluation device in various fields such as biotechnology. In this SNOM, a fine structure having a dimension smaller than the diffraction limit is used as a probe, and near-field light is generated in the vicinity thereof by illuminating the probe tip. By scanning the probe on the sample surface in this state, the near-field light scattered by the electromagnetic interaction between the near-field light localized near the probe and the sample surface or near-field light transmitted through the sample surface is detected. Thus, optical information on the sample surface can be obtained. In addition, research and development of optical recording devices and microfabrication devices using such SNOM technology is also underway.
このSNOMにおいては、近接場光発生用又は検出用のプローブの形態によって開口型、散乱型の2つに大別できる。前者の代表例として、光ファイバの端部を先鋭化した後に遮光膜で覆い、一部ファイバコアを露出させることにより形成した微小開口を用いたもので例えば非特許文献1で提案されたものがあり、また後者の代表例としては、先鋭化した金属探針によるもので例えば非特許文献2などがある。また、後者の他の代表例として、レーザトラップした粒子をプローブとして用いたSNOMが非特許文献3に記載されている。当該非特許文献3では、波長1064nmのレーザにより小さい直径(40nm)の金微粒子をプローブとして用いて、ガラスの微細構造の観察を行っている。このレーザトラップした粒子をプローブとして用いたSNOMについて図面を用いて以下に説明する。
This SNOM can be roughly classified into an aperture type and a scattering type depending on the form of the probe for generating or detecting near-field light. As a typical example of the former, the end portion of the optical fiber is sharpened and then covered with a light shielding film, and a part of the fiber core that is formed by exposing a part of the fiber core is used. In addition, a typical example of the latter is a sharpened metal probe, for example, Non-Patent
図10はレーザトラップSNOMの構成を示す概略断面図である。同図において、光トラップ用レーザ光源1から発振した光はレンズ2でコリメートされ、レーザ光源1から発振された光と同一波長の光を選択的に反射させるダイクロイックミラー3で折り返されて純水14に浸っている対物レンズ4に入射する。対物レンズ4で集光された光は、純水14中に分散している微粒子5を捕捉する。非特許文献3の実験系では、トラップ光波長(1064nm)に対し、捕捉される微粒子(直径40nm)が十分に小さいため、トラップ光の焦点付近の光強度分布に基づく勾配力により微粒子を3次元的に捕捉できている。一方、微粒子5に対して働く力が、対物レンズ4の焦点位置に引き寄せられる方向であることを利用し、試料9の表面付近に焦点位置を配置することで、微粒子5が試料9の表面に常に接触した状態を保つことができる。そして、光トラップ用レーザ光源1からのレーザ光で捕捉されている微粒子5に対し、近接場光発生用レーザ光源6から発振されたレーザ光が、コリメートレンズ7、ビームスプリッタ8、対物レンズ4を介して入射し、微粒子5の周囲に近接場光を発生させる。この近接場光が試料9の表面と相互作用し散乱した光は、対物レンズ4、集光レンズ11、外乱光を除去するためのピンホール12を介し検出器13に入射する。試料9を搭載している走査用ステージ10を用いて、試料9を、微粒子5に対して相対的に走査し、各走査位置において、先に示した近接場光検出方法によって信号を取得することにより、試料9の表面全体の近接場光情報を得ることができる。
FIG. 10 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of the laser trap SNOM. In the figure, light oscillated from a
このようなレーザトラップした粒子をプローブとして用いたSNOMでは、従来のプローブを用いたSNOMに対して、試料とプローブが衝突することによって互いが破損することがなく、プローブ寸法・形状を一定にできるため、取得データの再現性が高い、粒子を常に試料面に接触させておくことができるため、プローブ−試料間の距離制御が不要等の利点がある。但し、入手可能な粒子の寸法・形状のばらつきに依存する。 In SNOM using such laser trapped particles as a probe, the sample size and shape can be made constant without causing damage to each other due to collision between the sample and the probe compared to SNOM using conventional probes. Therefore, there is an advantage that the reproducibility of the acquired data is high and the particle can be kept in contact with the sample surface at all times, so that the distance control between the probe and the sample is unnecessary. However, it depends on variations in the size and shape of available particles.
しかし、レーザによりトラップした金微粒子をプローブとした非特許文献3のSNOMでは、更なる高分解能化を考慮すると、粒子を更に小径化する必要があるが、小径化する程トラップ光の熱エネルギに起因するブラウン運動の増加で位置誤差の拡大を引き起こす。一般に、安定的(捕捉位置のばらつきが少ない状態)にトラップするためには、トラップ光の出力を向上させなければならないが、粒子径が小さくなるに伴い、単位光出力あたりの捕捉力が低下し、ブラウン運動による捕捉位置のばらつきや偏差量の割合が増大する。よって、近接場光検出信号のS/Nが低下しまう。
However, in the SNOM of Non-Patent
そこで、特許文献1では、粒子からの戻り光を臨界角法で検出することにより、プローブと試料間の距離検出を可能とするSNOMが提案されている。
しかしながら、特許文献1は単一粒子をプローブとして用いたSNOMであるため、前述した非特許文献3と同様の、粒子の小径化に伴う問題が生じる。また、戻り光の光量変化を検出することにより粒子のトラップ光軸方向変位情報を得る「臨界角法」が提案されているが、ブラウン運動している粒子からの戻り光によって粒子の位置情報を得ることは事実上困難と考えられる。
However, since
本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、光トラッププローブを安定的に捕捉でき、かつ検出される近接場光検出信号において高いS/Nを得ることを可能とする光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置及び近接場光検出方法を提供することを目的とする。 The present invention is intended to solve these problems, and an optical trap probe capable of stably capturing an optical trap probe and obtaining a high S / N in a detected near-field light detection signal. An object is to provide a near-field optical microscope apparatus and a near-field light detection method.
前記問題点を解決するために、本発明の光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置は、光トラッププローブと集光光束発生手段と光トラッププローブ走査手段と散乱光検出手段とを有している。そして光トラッププローブは誘電体微小構造物の表面の全体もしくは一部に金属部材が設けられている。集光光束発生手段は光トラッププローブを捕捉するためにレーザ光の集光光束を発生する。また、光トラッププローブ走査手段は、集光光束手段による集光光束によって光トラッププローブを捕捉した状態で被検体の表面に近接させる手段である。更に、散乱光検出手段は、集光光束が光トラッププローブと被検体の表面の双方により散乱されて発生する散乱光を、あるいは被検体を通過した一部の散乱光を検出する。よって、光トラッププローブを安定的に捕捉でき、かつ検出される近接場光検出信号において高いS/Nが得られると共に、被検体の内部物性情報を得ることができる。 In order to solve the above problems, the optical trap probe near-field optical microscope apparatus of the present invention includes an optical trap probe, a condensed light beam generation means, an optical trap probe scanning means, and a scattered light detection means. The optical trap probe is provided with a metal member on the whole or a part of the surface of the dielectric microstructure. The condensed light beam generating means generates a condensed light beam of laser light to capture the optical trap probe. The optical trap probe scanning means is a means for bringing the optical trap probe close to the surface of the subject in a state where the optical trap probe is captured by the condensed light beam by the condensed light beam means. Furthermore, the scattered light detection means detects scattered light generated by the scattered light beam being scattered by both the optical trap probe and the surface of the subject, or part of the scattered light that has passed through the subject. Therefore, the optical trap probe can be stably captured, high S / N can be obtained in the detected near-field light detection signal, and internal physical property information of the subject can be obtained.
また、本発明の光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置は、集光光束手段による集光光束とは発振波長の異なるレーザ光の光束を発生する発生手段と、光束を光トラッププローブに入射する光束入射手段と、光トラッププローブによって反射、散乱した光束を、光トラッププローブを捕捉するための集光光束の反射光又は散乱光とは分離して検出する検出手段とを具備している。よって、近接場光検出信号において安定したS/Nが得られる。 Further, the optical trap probe near-field optical microscope apparatus of the present invention includes a generating unit that generates a laser beam having a different oscillation wavelength from the condensed beam by the focused beam unit, and a beam incident that causes the beam to enter the optical trap probe. And detecting means for detecting the light beam reflected and scattered by the optical trap probe separately from the reflected light or scattered light of the condensed light beam for capturing the optical trap probe. Therefore, a stable S / N can be obtained in the near-field light detection signal.
更に、本発明の光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置は、集光光束手段による集光光束とは強度変調周波数の異なるレーザ光の光束を発生する発生手段と、光束を光トラッププローブに入射する光束入射手段と、光トラッププローブによって反射、散乱した光束を、光トラッププローブを捕捉するための集光光束の反射光又は散乱光とは分離して検出する検出手段とを具備している。よって、近接場光検出信号において安定したS/Nが得られる。 Further, the optical trap probe near-field optical microscope apparatus according to the present invention includes a generating unit that generates a laser beam having a different intensity modulation frequency from the focused beam by the focused beam unit, and a beam that enters the beam into the optical trap probe. Incident means and detection means for detecting the light beam reflected and scattered by the optical trap probe separately from the reflected or scattered light of the condensed light beam for capturing the optical trap probe. Therefore, a stable S / N can be obtained in the near-field light detection signal.
また、集光光束手段による集光光束を、光軸に垂直な断面光強度分布が中空形状である光束に変える手段を具備することにより、光トラッププローブの安定的な捕捉と近接場光を効率的に発生することが可能となる。 In addition, by providing a means for changing the condensed light beam by the condensed light beam means into a light beam whose cross-sectional light intensity distribution perpendicular to the optical axis has a hollow shape, stable capture of the optical trap probe and efficient near-field light can be achieved. Can be generated automatically.
更に、誘電体微小構造物が球形であることにより、高いS/Nでの近接場光検出が可能となる。 In addition, since the dielectric microstructure is spherical, near-field light detection with high S / N becomes possible.
また、金属部材がAu又はAgのいずれかであることにより、近接場光検出信号を増大することができる。 In addition, the near-field light detection signal can be increased when the metal member is either Au or Ag.
更に、光トラッププローブを捕捉するための集光光束の焦点位置を、前記集光光束の光軸に垂直な方向に移動させる手段を具備することにより、被検体の表面の各位置における近接場光信号の検出が可能となる。 Furthermore, by providing means for moving the focal position of the collected light beam for capturing the optical trap probe in a direction perpendicular to the optical axis of the collected light beam, near-field light at each position on the surface of the subject. The signal can be detected.
また、被検体を3次元空間上で駆動する手段を具備することにより、被検体の表面の各位置における近接場光信号の検出が可能となる。 Further, by providing means for driving the subject in a three-dimensional space, it is possible to detect a near-field light signal at each position on the surface of the subject.
更に、別の発明としての近接場光検出方法によれば、誘電体微小構造物の表面の全体もしくは一部に金属部材を設けた光トラッププローブを用い、光トラッププローブを集光光束により捕捉した上で位置走査し被検体の表面に近接させ、集光光束が光トラッププローブと被検体の表面の双方により散乱されて発生する散乱光を、あるいは被検体を通過した一部の散乱光を検出する。 Furthermore, according to another embodiment of the near-field light detection method, an optical trap probe in which a metal member is provided on the whole or a part of the surface of the dielectric microstructure is used, and the optical trap probe is captured by the condensed light flux. Scan the position above and bring it close to the surface of the subject, and detect the scattered light generated by the scattered light beam scattered by both the optical trap probe and the surface of the subject, or part of the scattered light that has passed through the subject. To do.
また、別の発明としての近接場光検出方法によれば、光トラッププローブを捕捉するための集光光束とは波長の異なる光束を発生させ、光束を光トラッププローブに入射し、光トラッププローブによって反射、散乱した光束を、光トラッププローブを捕捉するための集光光束の反射光又は散乱光とは分離して検出する。よって、近接場光検出信号において安定したS/Nが得られる。 Further, according to another embodiment of the near-field light detection method, a light flux having a wavelength different from that of the collected light flux for capturing the optical trap probe is generated, and the light flux is incident on the optical trap probe. The reflected and scattered light beam is detected separately from the reflected light or scattered light of the condensed light beam for capturing the optical trap probe. Therefore, a stable S / N can be obtained in the near-field light detection signal.
更に、別の発明としての近接場光検出方法によれば、光トラッププローブを捕捉するための集光光束とは強度変調周波数の異なる光束を発生させ、光束を光トラッププローブに入射し、光トラッププローブによって反射、散乱した光束を、光トラッププローブを捕捉するための集光光束の反射光又は散乱光とは分離して検出する。よって、近接場光検出信号において安定したS/Nが得られる。 Furthermore, according to another embodiment of the near-field light detection method, a light flux having an intensity modulation frequency different from that of the collected light flux for capturing the optical trap probe is generated, the light flux is incident on the optical trap probe, and the optical trap The light beam reflected and scattered by the probe is detected separately from the reflected light or scattered light of the condensed light beam for capturing the optical trap probe. Therefore, a stable S / N can be obtained in the near-field light detection signal.
また、光トラッププローブを捕捉するための集光光束に、垂直な断面成分がリング状である光束を用いることにより、光トラッププローブの安定的な捕捉と近接場光を効率的に発生することが可能となる。 In addition, by using a light beam whose vertical cross-sectional component is a ring shape as the condensed light beam for capturing the optical trap probe, stable capture of the optical trap probe and efficient generation of near-field light can be achieved. It becomes possible.
更に、光トラッププローブを捕捉するための集光光束の焦点位置を、集光光束の光軸に垂直な方向に移動させ、光トラッププローブを被検体の表面上で走査することにより、または被検体を3次元空間上で駆動して光トラッププローブを被検体に対し相対的に走査することにより、被検体の表面の各位置における近接場光信号の検出が可能となる。 Further, the focal position of the condensed light beam for capturing the optical trap probe is moved in a direction perpendicular to the optical axis of the condensed light beam, and the optical trap probe is scanned on the surface of the object, or the object By driving the optical trap probe relative to the subject by driving in a three-dimensional space, it is possible to detect a near-field optical signal at each position on the surface of the subject.
本発明の光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置は、誘電体微小構造物の表面の全体もしくは一部に金属部材が設けられた光トラッププローブを安定的に捕捉した状態で近接場光を発生させて、検出される近接場光検出信号において高いS/Nを得ることが可能となる。 The optical trap probe near-field optical microscope apparatus of the present invention generates near-field light while stably capturing an optical trap probe in which a metal member is provided on all or a part of the surface of a dielectric microstructure. It is possible to obtain a high S / N in the detected near-field light detection signal.
本発明の光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置では、誘電体微小構造物の表面の全体もしくは一部に金属部材を設けた光トラッププローブを用い、光トラッププローブを集光光束により捕捉した上で位置走査し被検体の表面に近接させ、集光光束が光トラッププローブと被検体の表面の双方により散乱されて発生する散乱光を、あるいは被検体を通過した一部の散乱光を検出する。 In the optical trap probe near-field optical microscope apparatus of the present invention, an optical trap probe in which a metal member is provided on the entire surface or part of the surface of the dielectric microstructure is used. Scanning is performed close to the surface of the subject, and the scattered light generated by the scattered light beam being scattered by both the optical trap probe and the surface of the subject or a part of the scattered light passing through the subject is detected.
図1は本発明の第1の実施例に係る光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置の構成を示す概略断面図である。同図において、図と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。本実施例の光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置によれば、光トラップ用レーザ光源1から発振した光はレンズ2でコリメートされ、レーザ光源1から発振された光と同一波長の光を選択的に反射させるダイクロイックミラー3で折り返され純水14に浸された対物レンズ4に入射する。対物レンズ4で集光された光は、媒質中に分散している光トラッププローブ15を捕捉する。ここで光トラッププローブ15の形態例を図2に示すと、誘電体球16の表面の一部に金属粒子17が固定されている。材質、概寸法の例としては、誘電体球16はシリカで直径数μm、金属粒子17は金で直径数十nmである。そして、誘電体球16に入射する光は、誘電体球16の表面での屈折し方向を変えるが、その際の光の運動量変化がトラップ力となる。対物レンズ4により集光された光で誘電体球16を捕捉するためには、誘電体球16の中心位置よりやや上側に焦点を配置する。光トラップ用レーザ光源1の光で捕捉されている光トラッププローブ15に対し、近接場光発生用レーザ光源6から発振されたレーザ光を、コリメートレンズ7、ビームスプリッタ8、対物レンズ4を介して入射させる。焦点位置は、誘電体球16の鉛直最下位置とする。このことにより、金属粒子17は、自身の質量による重力と、近接場光発生用レーザ光源6から発振されたレーザ光の集光位置の電界分布に基づく勾配力の作用で、誘電体球16の鉛直最下位置に概ね捕捉できる。この状態で、トラップ光軸方向に対物レンズ4を駆動できるアクチュエータ18により、光トラッププローブ15の金属粒子17と被検体の試料9の面との間隔が数nm〜100nm程度となる位置に光トラッププローブ15を移動させる。ここで、必要な対物レンズ4と試料9の面との初期相対位置は測定により予め取得しておく。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of an optical trap probe near-field optical microscope apparatus according to a first embodiment of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those in the figure denote the same components. According to the optical trap probe near-field optical microscope apparatus of this embodiment, the light oscillated from the optical
光トラッププローブ15が試料9の面に近接した状態で、近接場光発生用レーザ光源6から発振された光によって照明されることにより、金属粒子17の周囲に近接場光が発生する。近接場光が試料9の表面と相互作用し散乱した光は、対物レンズ4、集光レンズ11、外乱光を除去するためのピンホール12を介し検出器13に入射する。以上の手順で、試料9の表面の近接場光情報を得ることができる。
In the state where the
以上説明したように、本実施例では、従来技術のようなナノオーダの金属微粒子を直接トラップした場合と違い、トラップする粒子はトラップ光波長より大きい寸法の誘電体粒子であるため、ブラウン運動による位置誤差が発生しにくく、安定的にトラップできる。また、誘電体球16を球形とすることで、金属粒子17を試料9の表面に近い位置で固定することが可能となるため、高いS/Nでの近接場光検出が可能となる。更に、金属粒子17を、近接場光発生用レーザ光源6の波長に対して負の誘電率を持つ材質を採用することで、誘電体球16と金属粒子17の界面において表面プラズモンによる電磁界増強効果を得られ、金属粒子17の周囲に生じる近接場光を増大させることができ、S/Nの向上が見込める。一般に、近接場光発生用レーザ光源6として用いられるのは、波長が可視域〜近赤外域にある光源であるが、金、銀はその波長帯で負の誘電率を持つため、金属粒子17の材質として適している。また、図1に示すように、発振波長の異なるトラップ用レーザ光源と近接場光発生用レーザ光源を備えることにより、双方の光強度を独立に設定することが可能となる。単一の光束で、光トラッププローブの捕捉と近接場光発生を併用する場合には、プローブのトラップに必要とされるパワーが近接場光発生に最適なパワーと比較して過大なために、近接場光検出信号のS/Nが得られない可能性があるが、トラップ用光束と測定用光束を各々用意することでこの問題を回避できる。
As described above, in this embodiment, unlike the case of directly trapping nano-order metal fine particles as in the prior art, the trapped particles are dielectric particles having a size larger than the trap light wavelength, so that the position due to Brownian motion is Errors are unlikely to occur and can be trapped stably. In addition, by making the
また、図3は本発明の第2の実施例に係る光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置の構成を示す概略断面図である。同図に示す本実施例の光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置では、大気中での使用を前提として設計された対物レンズ19を用いており、大気中での光トラッププローブ操作も可能となる。
FIG. 3 is a schematic sectional view showing the configuration of the optical trap probe near-field optical microscope apparatus according to the second embodiment of the present invention. In the optical trap probe near-field optical microscope apparatus of the present embodiment shown in the figure, the
次に、図4は本発明の第3の実施例に係る光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置の構成を示す概略断面図である。同図に示す本実施例の光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置は、光トラッププローブ15で散乱された近接場光を、被検面を透過した後に検出する手段を備えている例である。本実施例によれば、第1の実施例同様の近接場光発生手順により、金属粒子17の周囲に発生した近接場光は、試料9の表面と相互作用し散乱する。ここで、試料9が光透過性を有する材質、例えば誘電体、金属薄膜などの場合は、散乱光の一部が試料9を透過し対物レンズ4に入射する。この入射光は、集光レンズ11、外乱光を除去するためのピンホール12を介して検出器13で検出する。以上の手順で、試料9の表面及び内部物性情報を含む近接場光を検出できる。
Next, FIG. 4 is a schematic sectional view showing a configuration of an optical trap probe near-field optical microscope apparatus according to a third embodiment of the present invention. The optical trap probe near-field optical microscope apparatus of the present embodiment shown in the figure is an example provided with means for detecting the near-field light scattered by the
図5は本発明の第4の実施例に係る光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置の構成を示す概略断面図である。同図に示す本実施例の光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置は、光トラッププローブ捕捉用光束の光路中にフィルタを挿入することにより、トラップ光束の断面強度分布を変化させている装置の例である。そして、本実施例では、光トラップ用レーザ光源1から発振されレンズ2でコリメートされた光束の断面強度分布を、光軸周辺部の透過率のみ低いフィルタ20を挿入することにより、光軸周辺部の光強度がその周囲と比較して低い「ドーナツ状」の中空強度分布を持つ光束とすることができる。ここで、トラップ光束の断面強度分布において、光軸周辺部で高い光強度を有する場合、トラップ光束を光トラッププローブ15に入射した際に、光トラッププローブ15を構成している金属粒子17が、トラップ光束のエネルギーによる影響で溶解、変形してしまう可能性がある。しかし、中空強度分布をもつトラップ光束を用いることにより、金属粒子に照射されるトラップ光束の成分の強度を低下させることができるため、トラップ光束のエネルギーによって金属粒子の溶解、変形を回避できる。特に、第1の実施例のように、光トラッププローブ15の誘電体構造物に対して付加している金属粒子17が十分に小さく、かつ光トラッププローブ15の最下点、すなわち集光光束の光軸近傍で金属粒子が保持されている場合には、中空強度分布のトラップ光を用いることにより金属粒子17に照射されるトラップ光束の強度を非常に低くできるため、効果が大きい。また、中空強度分布にすることの更なる効果として、従来、集光光束の光軸付近の光は、光トラッププローブ15を試料に押付ける力を発生させてしまうが、その成分を低下させることにより光トラッププローブ15の捕捉力の向上効果も得られる。
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of an optical trap probe near-field optical microscope apparatus according to a fourth embodiment of the present invention. The optical trap probe near-field optical microscope apparatus of this embodiment shown in the figure is an example of an apparatus in which the cross-sectional intensity distribution of the trap light beam is changed by inserting a filter in the optical path of the light beam for capturing the optical trap probe. is there. In this embodiment, by inserting a filter 20 having a low cross-sectional intensity distribution of the light beam oscillated from the
なお、ここでは断面強度分布の整形手段としてフィルタ挿入による例を挙げたが、ホログラム素子による回折効果を用いたビーム整形方法等、断面強度分布を中空分布にする方法であれば他の方法でも良い。 In addition, although the example by filter insertion was given here as a shaping means of the cross-sectional intensity distribution, other methods may be used as long as the cross-sectional intensity distribution is a hollow distribution such as a beam shaping method using a diffraction effect by a hologram element. .
図6は本発明の第5の実施例に係る光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置の構成を示す概略断面図である。同図に示す本実施例の光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置は、光トラッププローブ15の捕捉用集光光束と近接場光発生用光束について、強度変調周波数の異なる光源を使用することにより、高いS/Nで近接場光検出を行うことが可能な装置の例である。先ず、光トラップ用レーザ光源1ではCW発振を行い、前述の手法で光トラッププローブ15を捕捉し、アクチュエータ18により光トラッププローブ15を試料9の面に近接させる。また、近接場光発生用レーザ光源6では、信号発生器21から受信した例えば数kHzの強度変調信号に基づいた近接場光発生用光束を生成する。この光束によって発生した近接場光の散乱成分を対物レンズ4、集光レンズ11を介して光検出器13で検出する。ここで、検出した光信号も先の信号発生器21で生成した信号と同一の強度変調周波数の信号となる。この信号と、信号発生器21の生成信号を基準信号としてロックインアンプ22に入力し処理することで、光検出器13で検出された信号成分のうち、信号発生器21からの基準信号に同期した成分のみの振幅変化を直流信号として抽出することが可能となる。光検出器13には、トラップ用集光光束の光トラッププローブ15における散乱光がわずかにダイクロイックミラー3を透過し入射してくる他、図示していない室内光の入射や、周辺機器からの電磁波受信といった環境外乱の影響を受けるおそれがあるが、この手法により影響を軽減でき、検出光のS/Nが向上する。
FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of an optical trap probe near-field optical microscope apparatus according to a fifth embodiment of the present invention. The optical trap probe near-field optical microscope apparatus of the present embodiment shown in the figure is high by using light sources having different intensity modulation frequencies for the trapped condensing light beam and the near-field light generating light beam of the
図7は本発明の第6の実施例に係る光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置の構成を示す概略断面図である。同図に示す本実施例の光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置は、光トラッププローブ15の捕捉用集光光束の焦点位置を、試料面に対し平行な面上で走査することにより、光トラッププローブ15を試料9の面上で2次元走査することが可能な装置である。同図に示すように、本実施例ではダイクロイックミラー3と対物レンズ4の間にガルバノミラー23とリレーレンズ24を備えている。2枚のガルバノミラー23を駆動し、入射光に対する角度を変更することで、光トラッププローブ15の捕捉用集光光束と近接場光発生用光束の焦点位置を、光束の光軸に垂直な平面内の任意の位置に移動させることができる。ガルバノミラー23の偏向角と、光束の焦点位置の移動量は、予め実験もしくは計算により取得しておく。ガルバノミラー23を、先に述べたように予め実験によって取得しておいた、ミラー偏向角と光束焦点位置移動量との相関情報を基に、試料9の表面を図8のような走査パターン25で駆動すると同時に、第1の実施例のように近接場光検出を行うことで、試料9の表面全体の光情報を取得できる。なお、光束の焦点位置の移動量、即ち図8の走査パターン25における領域の大きさは、例えば最大で±50μm程度である。
図9は本発明の第7の実施例に係る光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置の構成を示す概略断面図である。同図に示す本実施例の光トラッププローブ近接場光学顕微鏡装置は、試料9をその面に平行な方向に駆動することができる走査ステージ26に搭載することで、光トラッププローブ15に対し試料9の面を相対的に2次元走査することが可能な装置である。図9において、走査ステージ26はXY(2軸)ステージあるいはPZTチューブスキャナなどである。試料9が搭載された走査ステージ26を図8のような走査パターン25で駆動すると同時に、上述した近接場光検出を行うことで、試料9の表面全体の光情報を取得できる。なお、走査ステージ26の駆動量、即ち図8の走査パターン25における領域の大きさは、例えば最大で±50μm程度である。また、別の効果として、走査ステージ26を例えばPZTチューブスキャナなど、光トラッププローブ15の捕捉用集光光束の光軸方向に駆動できる機構を用いた場合は、第5の実施例におけるアクチュエータ18の代替として利用できるため、アクチュエータ18が不要となる。
FIG. 7 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of an optical trap probe near-field optical microscope apparatus according to a sixth embodiment of the present invention. The optical trap probe near-field optical microscope apparatus of the present embodiment shown in the same figure scans the focal position of the collected light flux for capturing of the
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing a configuration of an optical trap probe near-field optical microscope apparatus according to a seventh embodiment of the present invention. The optical trap probe near-field optical microscope apparatus of the present embodiment shown in the same figure is mounted on a
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。 In addition, this invention is not limited to the said Example, It cannot be overemphasized that various deformation | transformation and substitution are possible if it is description in a claim.
1;光トラップ用レーザ光源、2;レンズ、3;ダイクロイックミラー、
4,19;対物レンズ、5;微粒子、6;近接場光発生用レーザ光源、
7;コリメートレンズ、8;ビームスプリッタ、9;試料、
10;走査用ステージ、11;集光レンズ、12;ピンホール、
13;検出器、14;純水、15;光トラッププローブ、16;誘電体球、
17;金属粒子、18;アクチュエータ、20;フィルタ、21;信号発生器、
22;ロックインアンプ、23;ガルバノミラー、24;リレーレンズ、
25;走査パターン、26;走査ステージ。
1; laser light source for optical trap; 2; lens; 3; dichroic mirror;
4, 19; objective lens, 5; fine particle, 6; laser light source for generating near-field light,
7; collimating lens, 8; beam splitter, 9; sample,
10; scanning stage, 11; condenser lens, 12; pinhole,
13; Detector, 14; Pure water, 15; Optical trap probe, 16; Dielectric sphere,
17; metal particles, 18; actuator, 20; filter, 21; signal generator,
22; lock-in amplifier, 23; galvanometer mirror, 24; relay lens,
25; Scanning pattern, 26; Scanning stage.
Claims (14)
該光トラッププローブを捕捉するためにレーザ光の集光光束を発生する集光光束発生手段と、
該集光光束手段による前記集光光束によって前記光トラッププローブを捕捉した状態で、被検体の表面に近接させる光トラッププローブ走査手段と、
前記集光光束が前記光トラッププローブと被検体の表面の双方により散乱されて発生する散乱光を、あるいは被検体を通過した一部の散乱光を検出する散乱光検出手段と
を有することを特徴とする光トラッププローブ近接場光顕微鏡装置。 An optical trap probe in which a metal member is provided on the whole or a part of the surface of the dielectric microstructure;
A condensed light beam generating means for generating a condensed light beam of laser light to capture the optical trap probe;
An optical trap probe scanning means for bringing the optical trap probe close to the surface of the subject in a state where the optical trap probe is captured by the condensed light flux by the condensed light flux means;
Scattered light detection means for detecting scattered light generated by scattering of the condensed light beam by both the optical trap probe and the surface of the subject, or a part of the scattered light that has passed through the subject. An optical trap probe near-field optical microscope apparatus.
The near-field light detection method according to claim 9, wherein the subject is driven in a three-dimensional space to scan the optical trap probe relative to the subject.
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