JP5067754B2 - 近接場顕微装置とその分光・画像取得方法 - Google Patents
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近接場光は、物体の表面に極めて薄くまとわりついている光であり、通常の光のように空間中を伝播しない特性を有する。
しかし、近接場光は、通常の光のように空間中を伝播しないため、回折現象を生じない特性がある。そこで、近接場光を用いることで回折限界を超える分解能を有する顕微鏡が可能となる。かかる近接場光を用いる顕微鏡を「近接場顕微鏡」と呼ぶ。
非特許文献2は、試料に電磁波を照射した場合に、試料の表面近傍に生じる近接場光を微小なカンチレバーによって、伝播波に変換し、検出する方法を開示している。
非特許文献3は、エバネッセント波の波動光学的概念およびニアフィールド顕微鏡の解説と、エバネッセント場の発生方法として、全反射、回折格子、微小開口、および表面プラズモンを紹介している。
そのため、この発明の近接場偏光測定装置50は、図5に示すように、測定に使用する光の波長よりも小さい開口を先端に有し、該開口から直線偏光の近接場光を射出し、該近接場光を試料に照射する近接場プローブ54と、前記試料を透過した光を検出する検出手段52と、検出手段の前段に設置される検光子58と、検光子を光軸を中心として回転させ、その透過軸の角度を変更する検光子回転手段60とを備え、検光子回転手段により検光子を回転させることで試料の旋光度を測定するものである。
しかし、近接場光は、物体の表面に極めて薄くまとわりついている光であり、通常の光のように空間中を伝播しないため、波長によってきまる回折限界を超える空間分解能を有する近接場顕微鏡を実現するためには、近接場光をどのように発生させ、どのように試料へ照射し、反射、透過、あるいは散乱された光をどのように検出するかが問題となる。
上述した従来技術では、近接場光を外部へ伝播させるために、微小開口プローブやカンチレバーなど複雑な機構が必要となる問題点があった。
前記レーザー光を所定の集光点に集光させる集光レンズと、
前記レーザー光の集光点近傍で前記電磁波を発生させ、かつその外表面近傍に該電磁波の近接場光を発生させる電磁波発生素子と、
試料又はレーザー光を動かし、前記近接場光と試料を近接させて近接場光と試料の相互作用により近接場光を伝播光に変換する走査機構と、
前記試料を反射し、或いは前記試料で散乱した前記伝播光を検出して試料の画像を取得する電磁波検出器と、
前記レーザー光を透過させ、かつ、前記電磁波を前記電磁波検出器に向けて反射させるハーフミラーと、を備えたことを特徴とする近接場顕微装置が提供される。
前記レーザー光を所定の集光点に集光させ、
前記レーザー光の集光点近傍で前記電磁波を発生させ、電磁波発生素子の外表面近傍に該電磁波の近接場光を発生させ、
試料又はレーザー光を動かし、前記近接場光と試料を近接させて近接場光と試料の相互作用により近接場光を伝播光に変換し、
前記レーザー光を透過させ、かつ、前記電磁波を反射させるハーフミラーにより、前記試料を反射し、或いは前記試料で散乱した前記伝播光を電磁波検出器に向けて反射させ検出して試料の画像を取得する、ことを特徴とするマイクロ波から中赤外領域の分光・画像取得方法が提供される。
また、レーザー照射による電磁波の発生は、テラヘルツ波だけでなく、マイクロ波、ミリ波、遠赤外領域又は中赤外領域の電磁波において適用も可能であり、励起に用いるレーザーの波長以上の電磁波領域において、回折限界を超える画像の取得方法として有効である。
なお本発明はこれに限定されず、レーザー装置12は、2波長の連続又はナノ秒程度(1μs〜1ps)のパルスレーザー光を発生させる装置であってもよい。
マイクロ波から中赤外領域の所望の電磁波1は、例えば周波数0.3GHz〜120THzのマイクロ波、ミリ波、テラヘルツ波、遠赤外領域、又は中赤外領域の電磁波である。レーザー光2は、後述する実施例では、波長(近赤外から紫外)のフェムト秒レーザー(パルス幅1fs〜1ps)である。
この例では、電磁波発生素子16で発生した近接場光に試料4を近接させて電磁波発生素子16の外表面(この図で下面)に沿って走査し、近接場光と試料4の相互作用により近接場光を伝播光に変換する。試料4は、この例では、テストパターン5が表面に印刷された薄板であり、その表面で伝播光を反射する。
走査機構18は、試料4(テストパターン5が表面に印刷された薄板)を上面に載せて水平に移動する自動ステージである。なお、走査機構18による走査は、試料4を移動させる代わりに、レーザー光2(または電磁波1)を試料4に沿って走査してもよい。
この例では、集光レンズ14の上部にレーザー光2に対して45度の角度で配置されたハーフミラー22を有する。このハーフミラー22は、波長2.5μm〜100nm(近赤外から紫外)のレーザー光2を透過させ、かつ電磁波1(この例ではテラヘルツ波)を電磁波検出器20に向けて反射するTHzミラーである。
電磁波検出器20は、例えばTHz検出器であり、この例ではテストパターン5を透過し、かつ試料4の表面で反射したテラヘルツ波の強度を検出し、走査機構18による走査に対応するテラヘルツ波の強度変化から試料4(又はテストパターン5)の画像を形成する。
(1) レーザー装置12により、マイクロ波から中赤外領域の所望の電磁波1に対し、所定のレーザー光(その波長のより短い波長を持つ近赤外から紫外領域のパルスレーザー光2、または2波長の連続又はパルスレーザー光)を発生させる。
(2) 集光レンズ14により、レーザー光2を所定の集光点3に集光させる。
(3) 電磁波発生素子16により、レーザー光2の集光点3の近傍で電磁波1を発生させ、その外表面近傍に電磁波1の近接場光を発生させる。
(4) 走査機構18により、電磁波1の近接場光に試料4を近接させて前記外表面に沿って走査し、近接場光と試料4の相互作用により近接場光を伝播光に変換する。
(5) 電磁波検出器20により、試料4を透過又は反射し、或いは試料4で散乱した電磁波1の伝播光を検出して試料の画像を取得する。
電磁波の発生方法(2種類)と検出方法(2種類)で、計4種類の組合せがあり、以下のような特徴がある。
ただし、測定時間が長くなるため、正確な分光情報が必要ない場合には時間軸を固定した状態で、画像を取得するのがよい。
上述した図1は、本発明の実施例で使用した装置の概略図である。
パルスレーザー装置12により、波長2.5μm〜100nm(近赤外から紫外)のフェムト秒レーザー2(パルス幅1fs〜1ps)をTHz波発生用素子16に照射し、THz波1を発生させる。THz波発生用素子16には、非線形光学結晶、半導体結晶、バイアス印加した光伝導素子を用いることができる。
THz波1は、THz波発生用素子16のレーザー照射領域から放射される。試料4をTHz波発生領域の近くに(発生するTHz波の波長以下の距離に)配置し、試料4あるいはレーザー2を2次元的に走査することによって、THz波1の近接場画像(透過、反射あるいは散乱光)を取得する。この図は近接場光による反射像を取得する場合の概略図である。
この図から、THz波発生用素子16で発生したTHz波1は0.1未満〜1.0THzの範囲で広帯域な周波数成分を持っており、最も強い周波数は、この実験では約0.1THz(波長3mm)付近であることがわかる。
また、レーザー照射による電磁波1の発生は、テラヘルツ波だけでなく、マイクロ波、ミリ波、遠赤外領域又は中赤外領域の電磁波において適用も可能であり、励起に用いるレーザーの波長以上の電磁波領域において、回折限界を超える画像の取得方法として有効である。
2 レーザー光(波長2μm〜100nmのフェムト秒レーザー)、
3 集光点、4 試料、5 テストパターン、
10 近接場顕微装置、12 パルスレーザー装置、
14 集光レンズ(非球面プラスチックレンズ)、
16 電磁波発生素子(THz放射素子、CdTe)、
18 走査機構(自動ステージ)、
20 電磁波検出器(THz検出器)、
22 ハーフミラー(THzミラー)
Claims (10)
- マイクロ波から中赤外領域の所望の電磁波に対し、所定のレーザー光を発生させるレーザー装置と、
前記レーザー光を所定の集光点に集光させる集光レンズと、
前記レーザー光の集光点近傍で前記電磁波を発生させ、かつその外表面近傍に該電磁波の近接場光を発生させる電磁波発生素子と、
試料又はレーザー光を動かし、前記近接場光と試料を近接させて近接場光と試料の相互作用により近接場光を伝播光に変換する走査機構と、
前記試料を反射し、或いは前記試料で散乱した前記伝播光を検出して試料の画像を取得する電磁波検出器と、
前記レーザー光を透過させ、かつ、前記電磁波を前記電磁波検出器に向けて反射させるハーフミラーと、を備えたことを特徴とする近接場顕微装置。 - 前記所定のレーザー光は、前記電磁波に対し、その波長より短い波長を持つ近赤外から紫外領域のパルスレーザー光、または2波長の連続又はパルスレーザー光である、ことを特徴とする請求項1に記載の近接場顕微装置。
- 前記電磁波検出器は、発生した電磁波の強度、または任意の時刻における時間波形の振幅、またはその時間波形全体を検出する、ことを特徴とする請求項1に記載の近接場顕微装置。
- 前記電磁波は、マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ波、遠赤外領域又は中赤外領域の電磁波である、ことを特徴とする請求項1に記載の近接場顕微装置。
- 前記電磁波発生素子は、非線形光学結晶、半導体結晶、半導体デバイスまたは光伝導素子である、ことを特徴とする請求項1に記載の近接場顕微装置。
- マイクロ波から中赤外領域の所望の電磁波に対し、所定のレーザー光を発生させ、
前記レーザー光を所定の集光点に集光させ、
前記レーザー光の集光点近傍で前記電磁波を発生させ、電磁波発生素子の外表面近傍に該電磁波の近接場光を発生させ、
試料又はレーザー光を動かし、前記近接場光と試料を近接させて近接場光と試料の相互作用により近接場光を伝播光に変換し、
前記レーザー光を透過させ、かつ、前記電磁波を反射させるハーフミラーにより、前記試料を反射し、或いは前記試料で散乱した前記伝播光を電磁波検出器に向けて反射させ検出して試料の画像を取得する、ことを特徴とするマイクロ波から中赤外領域の分光・画像取得方法。 - 前記所定のレーザー光は、前記電磁波に対し、その波長より短い波長を持つ近赤外から紫外領域のパルスレーザー光、または2波長の連続又はパルスレーザー光である、ことを特徴とする請求項6に記載のマイクロ波から中赤外領域の分光・画像取得方法。
- 前記電磁波検出器は、発生した電磁波の強度、または任意の時刻における時間波形の振幅、またはその時間波形全体を検出する、ことを特徴とする請求項6に記載のマイクロ波から中赤外領域の分光・画像取得方法。
- 前記電磁波は、マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ波、遠赤外領域、又は中赤外領域の電磁波である、ことを特徴とする請求項6に記載のマイクロ波から中赤外領域の分光・画像取得方法。
- 前記電磁波発生素子は、非線形光学結晶、半導体結晶、半導体デバイスまたは光伝導素子である、ことを特徴とする請求項6に記載のマイクロ波から中赤外領域の分光・画像取得方法。
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