WO1996030797A1 - Micro-optical probe for a scanning microscope - Google Patents

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WO1996030797A1
WO1996030797A1 PCT/EP1996/001322 EP9601322W WO9630797A1 WO 1996030797 A1 WO1996030797 A1 WO 1996030797A1 EP 9601322 W EP9601322 W EP 9601322W WO 9630797 A1 WO9630797 A1 WO 9630797A1
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WO
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micro
optical
optical waveguide
probe according
piezoelectric exciter
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PCT/EP1996/001322
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German (de)
French (fr)
Inventor
Manfred Weihnacht
Karlheinz Bartzke
Günter Martin
Wolfgang Richter
Original Assignee
Carl Zeiss Jena Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders

Definitions

  • the invention relates to a micro-optical probe for scanning microscopes
  • a tip in a range of less than 1 nm is brought to a conductive sample surface using piezo positioning technology. If an electrical voltage is applied between the tip and the sample surface, a tunnel current of the order of magnitude begins to flow. A change in the gap between the tip and the sample surface of z. B. 0.1 nm causes a change in the tunnel current by an order of magnitude. This strong distance dependency is used to track the needle by means of the piezo positioning technique. /G. Binning, H. Rohrer, "Scanning tunneling microscopy - from birth to adokescence", Rev. Mod. Phys. 49 (1982) 1, 57-61 /.
  • Crystal corner metal coated and the tip is exposed again, for example by ion etching.
  • the light emerging from the aperture shines through the object or turns on reflected by it and detected by a light-sensitive detector as a measurement signal.
  • the probe is guided mechanically over the object surface using a stylus, such as with a profilometer, or interferometrically
  • Another near-field optical microscopy method is. become known from EP 0 545 538.
  • a single-mode glass fiber is drawn out to a fine tip and coated with metal using vapor deposition techniques.
  • An aperture for the passage of light is kept clear at the tip of the fiber.
  • the probe is guided over the object surface in that the glass fiber tip is set into lateral vibrations by a piezo tube, these vibrations are damped by the proximity of the object surface, and the vibration damping is measured by an additional optical system.
  • the measurement signals of the optical system are used for probe guidance.
  • a photosensitive detector detects the light transmitting or reflecting the object and forms the measurement signal.
  • Light intensities are relatively low and therefore lead to slow scanning times of an image.
  • the invention is based on the object with a new one
  • the optical waveguide is enclosed by the piezoelectric exciter in a wide range.
  • an optical system for coupling light in / out of the light source / light receiver downstream of the optical system is attached to the side of the optical waveguide facing away from the object.
  • the optical system consists of a lenticular part facing the optical waveguide, a fiber core and an optical fiber.
  • the optical waveguide has the geometric shape of a bar on the side facing away from the object.
  • the optical waveguide consists of silicon carbide (SiC).
  • the piezoelectric exciter is made of aluminum nitride (A1N).
  • the piezoelectric exciter has the geometric shape of a bar clamped in the middle.
  • the piezoelectric exciter has the geometric shape of a beam clamped on one side.
  • the piezoelectric exciter consists of a material which is transparent to the light wavelength used and has a refractive index which is lower than that of the optical waveguide and that the piezoelectric exciter forms a cladding for the optical waveguide.
  • the end of the optical waveguide facing away from the object is optically coupled to a semiconductor diode which can emit or receive light.
  • the optical waveguide consists of a doped semiconductor material and the end of the optical waveguide facing away from the object is provided with an electrical contact.
  • optical waveguide itself is designed as a piezoelectric exciter.
  • a high light intensity is achieved with the solution according to the invention, which shortens the times for scanning a micro-optical image.
  • the cross section of the optical waveguide can be very small, which means that local illumination of an object with high light intensity or local detection 5 the light intensity in the near field of an object with low optical losses is possible.
  • micro-optical probe according to the invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.
  • An optical waveguide 4 a thin-film waveguide, consists of the silicon carbide (SiC) material, which is transparent and particularly highly refractive for the wavelength used.
  • a micro-probe tip 2 of the optical waveguide 4 facing the object 1 has in each of the two directions perpendicular to the light propagation a width which is approximately equal to half the wavelength of the light used, divided by the refractive index n of the material of the optical waveguide 4.
  • the optical waveguide 4 is mechanically coupled to a piezoelectric exciter 3.
  • the end of the optical waveguide 4 facing away from the object is optically coupled to a light source 5 via an optical fiber 6.
  • An optical system consisting of the optical fiber 6 with a fiber core 8, is provided with a lens-shaped part 7 to avoid major coupling losses.
  • the piezoelectric exciter 3 has the geometric shape of a bar, which is held in its central part in the region of the vibration node. It is formed by the two layers 9, 10, which are made of aluminum nitride (A1N) exist.
  • the A1N has a lower refractive index than the SiC and therefore forms a cladding for the optical waveguide.
  • the optical waveguide 4 is arranged within the piezoelectric exciter 3 between the piezoelectric layers 9, 10 and, outside the piezoelectric exciter 3, has a taper 11 on the object side, which converts the light into the micro-probe tip 2.
  • the piezoelectric exciter 3 is excited to vibrate by means of the electrodes 12, 13.
  • the length L of the piezoelectric exciter 3 is selected so that it corresponds approximately to a quarter wavelength of the acoustic wave of the piezoelectric exciter 3 for a given excitation frequency. In this way, a longitudinal resonance of the piezoelectric exciter 3 parallel to the direction of propagation of the light is made possible.
  • the electrical leads 14, 15 for the electrodes 12, 13 of the piezoelectric exciter 3 are connected via contact islands 16. The entire arrangement is located on a substrate 17 made of silicon (Si).
  • the substrate 17 can have, for example, an area of approximately 1 mm and a thickness of approximately 300 ⁇ m.
  • the optical fiber 6 is fixed on the Si substrate 17 by means of a V-shaped groove etched into the substrate.
  • the piezoelectric exciter 3 and the part of the optical waveguide 2, 11 facing the object consist of self-supporting layers to ensure the free oscillation of the piezoresonator.

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Abstract

The proposed micro-optical probe is designed in such a way that the side of the micro-optical waveguide facing the object consists of an optically highly refractive microprobe tip and, in both the directions vertical to that of the light propagation towards to the object, has dimensions of B = μ/2n, μ being the wavelength in vacuo of the light used and n being the refractive index of the optical waveguide, which is coupled mechanically to the piezo-electric exciter.

Description

Mikrooptische Sonde für Rastermikroskope Micro-optical probe for scanning microscopes
Die Erfindung betrifft eine mikrooptische Sonde für RastermikroskopeThe invention relates to a micro-optical probe for scanning microscopes
Es ist allgemein bekannt, die Auflösungsgrenze der Lichtmikroskopie dadurch zu überwinden, daß mit Aperturen wesentlich kleiner als die Wellenlänge des Lichtes im Nahfeld der Oberfläche gearbeitet wird.It is generally known to overcome the resolution limit of light microscopy by working with apertures that are substantially smaller than the wavelength of the light in the near field of the surface.
Mit der Entwicklung der Tunnelmikroskopie wurden Voraussetzungen für Oberflächenmeßgrößen der Rastertunnelmikroskopie geschaffen.With the development of tunnel microscopy, prerequisites for surface parameters of scanning tunneling microscopy were created.
Bei der Tunnelmikroskopie wird mittels Piezostelltechnik eine Spitze in einem Bereich kleiner 1 nm an eine leitfähige Probenoberfläche gebracht. Wird zwischen Spitze und Probenoberfläche eine elektrische Spannung angelegt, so beginnt ein Tunnelstrom in nA-Größenordnung zu fließen. Eine Veränderung des Spaltes zwischen Spitze und Probenoberfläche von z. B. 0,1 nm bewirkt eine Veränderung des Tunnelstroms um eine Größenordnung. Diese starke Abstandsabhängigkeit wird ausgenutzt, um die Nadel mittels Piezostelltechnik der Probenoberfläche nachzuführen. /G. Binning, H. Rohrer, "Scanning tunneling microscopy - from birth to adokescence", Rev. Mod. Phys. 49 (1982) 1, 57 - 61/.In tunnel microscopy, a tip in a range of less than 1 nm is brought to a conductive sample surface using piezo positioning technology. If an electrical voltage is applied between the tip and the sample surface, a tunnel current of the order of magnitude begins to flow. A change in the gap between the tip and the sample surface of z. B. 0.1 nm causes a change in the tunnel current by an order of magnitude. This strong distance dependency is used to track the needle by means of the piezo positioning technique. /G. Binning, H. Rohrer, "Scanning tunneling microscopy - from birth to adokescence", Rev. Mod. Phys. 49 (1982) 1, 57-61 /.
Aus dem US-Patent 4,604,520 zur optischen Nahfeldmikroskopie ist bekannt, eine Apertur von 20 nm dadurch zu gewinnen, daß eine transparente pyramidaleFrom US Pat. No. 4,604,520 for near-field optical microscopy, it is known to obtain an aperture of 20 nm in that a transparent pyramidal
Kristallecke metallbeschichtet und die Spitze z.B. durch Ionenätzen wieder freigelegt wird. Das aus der Apertur austretende Licht durchstrahlt das Objekt oder wird an ihm reflektiert und von einem lichtempfindlichen Detektor als Meßsignal erfaßt. Die Führung der Sonde über die Objektoberfläche erfolgt mechanisch mittels Stylus wie beim Profilometer oder interferometrischCrystal corner metal coated and the tip is exposed again, for example by ion etching. The light emerging from the aperture shines through the object or turns on reflected by it and detected by a light-sensitive detector as a measurement signal. The probe is guided mechanically over the object surface using a stylus, such as with a profilometer, or interferometrically
(Nomarskirnethode) , kapazitiv oder über das evaneszente elektromagnetische Feld.(Nomarskirnethode), capacitive or via the evanescent electromagnetic field.
Der Nachteil dieser Methoden besteht u.a. in der aufwendigen Sondenpräparation und Sondenführung.The disadvantages of these methods include in the complex probe preparation and guide.
Eine weitere optische Nahfeldmikroskopie-Methode ist. aus EP 0 545 538 bekannt geworden. Dabei wird eine Monomodglasfaser zu einer feinen Spitze ausgezogen und durch Bedampfungstechniken metallummantelt. Eine Apertur für den Lichtdurchtritt wird an der Faserspitze freigehalten. Die Führung der Sonde über die Objektoberfläche erfolgt dadurch, daß die Glasfaserspitze von einem Piezoröhrchen in laterale Schwingungen versetzt wird, diese Schwingungen durch die Nähe der Objektoberfläche gedämpft werden und die Schwingungsdämpfung von einem zusätzlichen optischen System gemessen wird. Die Meßsignale des optischen Systems dienen der Sondenführung. Ein photoempfindlicher Detektor erfaßt das das Objekt transmittierende oder reflektierende Licht und bildet das Meßsignal.Another near-field optical microscopy method is. become known from EP 0 545 538. A single-mode glass fiber is drawn out to a fine tip and coated with metal using vapor deposition techniques. An aperture for the passage of light is kept clear at the tip of the fiber. The probe is guided over the object surface in that the glass fiber tip is set into lateral vibrations by a piezo tube, these vibrations are damped by the proximity of the object surface, and the vibration damping is measured by an additional optical system. The measurement signals of the optical system are used for probe guidance. A photosensitive detector detects the light transmitting or reflecting the object and forms the measurement signal.
Sowohl diese, als auch alle bekannten technischen Lösungen der Sonden nahfeldoptischer Rastermikroskope besitzen den Nachteil, daß die erreichbarenBoth these and all known technical solutions for the probes of near-field optical scanning microscopes have the disadvantage that the achievable ones
Lichtintensitäten relativ gering sind und deshalb zu langsamen Scannzeiten eines Bildes führen.Light intensities are relatively low and therefore lead to slow scanning times of an image.
Ausgehend von dem geschilderten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit einer neuenBased on the described prior art, the invention is based on the object with a new one
Anordnung die erreichbaren Lichtintensitäten zu erhöhen und gleichzeitig die Zeiten für das Scannen eines mikroskopischen Bildes zu verkürzen. Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Sonde dadurch gelöst, daß die dem Objekt zugewandte Seite des optischen Wellenleiters als optisch hochbrechende Mikrotastspitze derart ausgebildet ist, daß sie in beiden zur Lichtausbreitung senkrechten Richtungen jeweils zum Objekt hin auslaufend eine Breite von annähernd B = —— besitzt, wobei λ die Vakuumwellenlänge des verwendeten Lichtes und n der Brechungsindex des optischen Wellenleiters ist und daß der optische Wellenleiter mit einem piezoelektrischen Erreger mechanisch gekoppelt ist.Arrangement to increase the achievable light intensities and at the same time to shorten the times for scanning a microscopic image. This object is achieved in the case of a generic probe in that the side of the optical waveguide facing the object is designed as an optically high-refractive micro-probe tip such that it has a width of approximately B = —— tapering toward the object in both directions perpendicular to the propagation of light, where λ is the vacuum wavelength of the light used and n is the refractive index of the optical waveguide and that the optical waveguide is mechanically coupled to a piezoelectric exciter.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der optische Wellenleiter von dem piezoelektrischen Erreger in einem breiten Bereich umschlossen.According to a preferred development of the invention, the optical waveguide is enclosed by the piezoelectric exciter in a wide range.
Es ist vorteilhaft, daß an der dem Objekt abgewandten Seite des optischen Wellenleiters ein optisches System zur Lichtein-/-auskopplung der dem optischen System nachgeordneten Lichtquelle/Lichtempfänger angebracht ist.It is advantageous that an optical system for coupling light in / out of the light source / light receiver downstream of the optical system is attached to the side of the optical waveguide facing away from the object.
Bei einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung besteht das optische System aus einem dem optischen Wellenleiter zugewandten linsenförmigen Teil, einem Faserkern und einer Lichtleitfaser.In an advantageous embodiment of the invention, the optical system consists of a lenticular part facing the optical waveguide, a fiber core and an optical fiber.
Es ist weiterhin von Vorteil, daß der optische Wellenleiter an der dem Objekt abgewandten Seite die geometrische Form eines Balkens aufweist.It is furthermore advantageous that the optical waveguide has the geometric shape of a bar on the side facing away from the object.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besteht der optische Wellenleiter aus Siliciumkarbid (SiC) .According to one embodiment of the invention, the optical waveguide consists of silicon carbide (SiC).
Es ist auch von Vorteil, daß der piezoelektrische Erreger aus Aluminiumnitrid (A1N) besteht. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung besitzt der piezoelektrische Erreger die geometrische Form eines mittig eingespannten Balkens.It is also advantageous that the piezoelectric exciter is made of aluminum nitride (A1N). In a further advantageous embodiment of the invention, the piezoelectric exciter has the geometric shape of a bar clamped in the middle.
Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung besitzt der piezoelektrische Erreger die geometrische Form eines einseitig eingespannten Balkens.In a further embodiment of the invention, the piezoelectric exciter has the geometric shape of a beam clamped on one side.
Es ist weiterhin vorteilhaft, daß der piezoelektrische Erreger aus einem für die verwendete Lichtwellenlänge transparenten Material mit einem Brechungsindex besteht, der geringer als der des optischen Wellenleiters ist und daß der piezoelektrische Erreger ein cladding für den optischen Wellenleiter bildet.It is also advantageous that the piezoelectric exciter consists of a material which is transparent to the light wavelength used and has a refractive index which is lower than that of the optical waveguide and that the piezoelectric exciter forms a cladding for the optical waveguide.
Bei einer weiter bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist das dem Objekt abgewandte Ende des optischen Wellenleiters mit einer Halbleiterdiode optisch gekoppelt, die Licht emittieren oder empfangen kann.In a further preferred development of the invention, the end of the optical waveguide facing away from the object is optically coupled to a semiconductor diode which can emit or receive light.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung besteht der optische Wellenleiter aus einem dotierten Halbleitermaterial und es ist das dem Objekt abgewandte Ende des optischen Wellenleiters mit einem elektrischen Kontakt versehen.According to one embodiment of the invention, the optical waveguide consists of a doped semiconductor material and the end of the optical waveguide facing away from the object is provided with an electrical contact.
Es ist weiterhin vorteilhaft, daß der optische Wellenleiter selbst als piezoelektrischer Erreger ausgestaltet ist.It is also advantageous that the optical waveguide itself is designed as a piezoelectric exciter.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine hohe Lichtintensität erreicht, wodurch sich die Zeiten für das Scannen eines mikrooptischen Bildes verkürzen.A high light intensity is achieved with the solution according to the invention, which shortens the times for scanning a micro-optical image.
Der Querschnitt des optischen Wellenleiters kann sehr gering sein, wodurch eine lokale Beleuchtung eines Objektes mit großer Lichtstärke oder die lokale Erfassung 5 der Lichtintensität im Nahfeld eines Objektes mit geringen optischen Verlusten möglich ist.The cross section of the optical waveguide can be very small, which means that local illumination of an object with high light intensity or local detection 5 the light intensity in the near field of an object with low optical losses is possible.
Die erfindungsgemäße mikrooptische Sonde soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.The micro-optical probe according to the invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.
Bei der in der Figur schematisch dargestellten mikrooptischen Sonde sind der Übersichtlichkeit wegen einzelne Teile nicht in den tatsächlich vorteilhaften Größen zueinander wiedergegeben.In the micro-optical probe shown schematically in the figure, individual parts are not shown in the actually advantageous sizes for the sake of clarity.
Mit der mikrooptischen Sonde können die optischen Eigenschaften eines Objektes 1 gemessen werden. Ein optischer Wellenleiter 4, ein Dünnschicht-Wellenleiter, besteht aus dem für die verwendete Wellenlänge transparenten und besonders hochbrechenden Material Siliziumkarbid (SiC) . Eine dem Objekt 1 zugewandte Mikrotastspitze 2 des optischen Wellenleiters 4 besitzt in den beiden zur Lichtausbreitung senkrechten Richtungen jeweils eine Breite, die etwa gleich der halben Wellenlänge des verwendeten Lichtes, dividiert durch den Brechungsindex n des Materials des optischen Wellenleiters 4 ist. Der optische Wellenleiter 4 ist mit einem piezoelektrischen Erreger 3 mechanisch gekoppelt. Das dem Objekt abgewandte Ende des optischen Wellenleiters 4 ist mit einer Lichtquelle 5 optisch über eine Lichtleitfaser 6 gekoppelt. Ein optisches System, bestehend aus der Lichtleitfaser 6 mit einem Faserkern 8 ist zur Vermeidung größerer Koppelverluste mit einem linsenförmigen Teil 7 versehen. Dadurch wird das Licht der Lichtquelle 5 auf das dem Objekt abgewandte Ende des optischen Wellenleiters 4 fokussiert. Der piezoelektrische Erreger 3 besitzt die geometrische Form eines Balkens, der in seinem Mittelteil im Bereich des Schwingungsknotens gehaltert ist. Er wird durch die beiden Schichten 9, 10 gebildet, die aus Aluminiumnitrid (A1N) bestehen. Das A1N besitzt eine niedrige Brechzahl als das SiC und bildet deshalb ein Cladding für den optischen Wellenleiter. Der optische Wellenleiter 4 ist innerhalb des piezoelektrischen Erregers 3 zwischen den piezoelektrischen Schichten 9, 10 angeordnet und besitzt außerhalb des piezoelektrischen Erregers 3 objektseitig einen Taper 11, der das Licht in die Mikrotastspitze 2 überführt. Der piezoelektrische Erreger 3 wird mittels der Elektroden 12, 13 zu Schwingungen angeregt. Die Länge L des piezoelektrischen Erregers 3 ist so gewählt, daß sie in etwa einer viertel Wellenlänge der akustischen Welle des piezoelektrischen Erregers 3 bei vorgegebener Anregungsfrequenz entspricht. Auf diese Weise wird eine Längsresonanz des piezoelektrischen Erregers 3 parallel zur Ausbreitungsrichtung des Lichtes ermöglicht. Die Länge L ergibt sich dabei nährungsweise nach der Formel L = c/(4f), wobei c die Schallgeschwindigkeit im piezoelektrischen Erreger 3 und f die Frequenz der piezoelektrisch angeregten Schwingung ist. Bei einer Arbeitsfrequenz von f = 50 MHz und einer Schallgeschwindigkeit von c = 2,5 • 10^ m/s für AIN ergibt sich eine Länge L = 12,5 um für den piezoelektrischen Erreger. Die elektrischen Zuleitungen 14, 15 für die Elektroden 12, 13 des piezoelektrischen Erregers 3 sind über Kontaktinseln 16 angeschlossen. Die gesamte Anordnung befindet sich auf einem Substrat 17 aus Silizium (Si) .The optical properties of an object 1 can be measured with the micro-optical probe. An optical waveguide 4, a thin-film waveguide, consists of the silicon carbide (SiC) material, which is transparent and particularly highly refractive for the wavelength used. A micro-probe tip 2 of the optical waveguide 4 facing the object 1 has in each of the two directions perpendicular to the light propagation a width which is approximately equal to half the wavelength of the light used, divided by the refractive index n of the material of the optical waveguide 4. The optical waveguide 4 is mechanically coupled to a piezoelectric exciter 3. The end of the optical waveguide 4 facing away from the object is optically coupled to a light source 5 via an optical fiber 6. An optical system, consisting of the optical fiber 6 with a fiber core 8, is provided with a lens-shaped part 7 to avoid major coupling losses. As a result, the light from the light source 5 is focused on the end of the optical waveguide 4 facing away from the object. The piezoelectric exciter 3 has the geometric shape of a bar, which is held in its central part in the region of the vibration node. It is formed by the two layers 9, 10, which are made of aluminum nitride (A1N) exist. The A1N has a lower refractive index than the SiC and therefore forms a cladding for the optical waveguide. The optical waveguide 4 is arranged within the piezoelectric exciter 3 between the piezoelectric layers 9, 10 and, outside the piezoelectric exciter 3, has a taper 11 on the object side, which converts the light into the micro-probe tip 2. The piezoelectric exciter 3 is excited to vibrate by means of the electrodes 12, 13. The length L of the piezoelectric exciter 3 is selected so that it corresponds approximately to a quarter wavelength of the acoustic wave of the piezoelectric exciter 3 for a given excitation frequency. In this way, a longitudinal resonance of the piezoelectric exciter 3 parallel to the direction of propagation of the light is made possible. The length L results approximately from the formula L = c / (4f), where c is the speed of sound in the piezoelectric exciter 3 and f is the frequency of the piezoelectrically excited oscillation. With an operating frequency of f = 50 MHz and a speed of sound of c = 2.5 • 10 ^ m / s for AIN, a length L = 12.5 µm results for the piezoelectric exciter. The electrical leads 14, 15 for the electrodes 12, 13 of the piezoelectric exciter 3 are connected via contact islands 16. The entire arrangement is located on a substrate 17 made of silicon (Si).
Das Substrat 17 kann beispielsweise eine Fläche von ca. lmm^ und eine Dicke von ca. 300 μm besitzen.The substrate 17 can have, for example, an area of approximately 1 mm and a thickness of approximately 300 μm.
Die Fixierung der Lichtleitfaser 6 auf dem Si-Substrat 17 erfolgt durch eine in das Substrat eingeäzte V-förmige Nut.The optical fiber 6 is fixed on the Si substrate 17 by means of a V-shaped groove etched into the substrate.
Der piezoelektrische Erreger 3 und der dem Objekt zugewandte Teil des Lichtwellenleiters 2, 11 bestehen aus freitragenden Schichten, um die freie Schwingung des Piezoresonators zu gewährleisten . The piezoelectric exciter 3 and the part of the optical waveguide 2, 11 facing the object consist of self-supporting layers to ensure the free oscillation of the piezoresonator.

Claims

Patentansprüche claims
1. Mikrooptische Sonde für Rastermikroskope, bestehend aus einem piezoelektrischen Erreger (3), einem optischen Wellenleiter (4) und einer Mikrotastspitze1. Micro-optical probe for scanning microscopes, consisting of a piezoelectric exciter (3), an optical waveguide (4) and a micro-probe tip
(2), dadurch gekennzeichnet daß die dem Objekt zugewandte Seite des optischen Wellenleiters (4) als optisch hochbrechende Mikrotastspitze (2) derart ausgebildet ist, daß sie in beiden zur(2), characterized in that the side of the optical waveguide (4) facing the object is designed as an optically highly refractive micro-probe tip (2) in such a way that in both of them the
Lichtausbreitung senkrechten Richtungen jeweils zumLight propagation perpendicular directions to each
Objekt hin auslaufend Abmessungen von annähernd B = -—^ besitzt, wobei λ die Vakuumwellenlänge des verwendeten Lichtes und n der Brechungsindex des optischen Wellenleiters (4) ist und daß der optischeObject tapering has dimensions of approximately B = -— ^, where λ is the vacuum wavelength of the light used and n is the refractive index of the optical waveguide (4) and that the optical
Wellenleiter (4) mit dem piezoelektrischen Erreger (3) mechanisch gekoppelt ist.Waveguide (4) is mechanically coupled to the piezoelectric exciter (3).
2. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter (4) von dem piezoelektrischen Erreger (3) in einem breiten Bereich umschlossen ist.2. Micro-optical probe according to claim 1, characterized in that the optical waveguide (4) from the piezoelectric exciter (3) is enclosed in a wide range.
3. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Objekt abgewandten3. Micro-optical probe according to claim 1 and 2, characterized in that on the object facing away
Seite des optischen Wellenleiters (4) ein optisches System zur Lichtein-/-auskopplung der dem optischen System nachgeordneten Lichtquelle/Lichtempfänger (5) angebracht ist.On the side of the optical waveguide (4), an optical system for coupling light in / out of the light source / light receiver (5) arranged downstream of the optical system is attached.
4. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System aus einer dem optischen Wellenleiter (4) zugewandten Lichtleitfaser (6) mit einem linsenförmigen Teil (7) und einem Faserkern (8) besteht.4. Micro-optical probe according to claim 1 to 3, characterized in that the optical system consists of an optical waveguide (4) facing optical fiber (6) with a lenticular part (7) and a fiber core (8).
5. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter (4) an der dem Objekt abgewandten Seite die geometrische Form eines Balkens aufweist.5. Micro-optical probe according to claim 2 to 4, characterized in that the optical waveguide (4) the side facing away from the object has the geometric shape of a bar.
6. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter (4) aus Siliciumkarbid (SiC) besteht.6. Micro-optical probe according to claim 1 to 5, characterized in that the optical waveguide (4) consists of silicon carbide (SiC).
7. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrischen Erreger (3) aus Aluminiumnitrid (A1N) besteht.7. Micro-optical probe according to claim 1 to 6, characterized in that the piezoelectric exciter (3) consists of aluminum nitride (A1N).
8. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Erreger (3) die geometrische Form eines mittig eingespannten Balkens besitzt.8. Micro-optical probe according to claim 1 to 7, characterized in that the piezoelectric exciter (3) has the geometric shape of a centrally clamped bar.
9. Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Erreger (3) die geometrische Form eines einseitig eingespannten Balkens besitzt.9. Micro-optical probe according to claim 1 to 7, characterized in that the piezoelectric exciter (3) has the geometric shape of a beam clamped on one side.
10.Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der piezoelektrische Erreger (3) aus einem für die verwendete Lichtwellenlänge transparenten Material besteht, der geringer als der des optischen Wellenleiters (4) ist und daß der piezoelektrische Erreger (3) ein cladding für den optischen Wellenleiter (4) bildet.10. Micro-optical probe according to claim 1 to 9, characterized in that the piezoelectric exciter (3) consists of a transparent material for the light wavelength used, which is less than that of the optical waveguide (4) and that the piezoelectric exciter (3) cladding for the optical waveguide (4) forms.
11.Mikrooptische Sonde nach Anspruch 3 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Objekt abgewandte Ende des optischen Wellenleiters (4) mit einer Halbleiterdiode optisch gekoppelt ist, die Licht emittieren oder empfangen kann.11. Micro-optical probe according to claim 3 to 10, characterized in that the end of the optical waveguide (4) facing away from the object is optically coupled to a semiconductor diode which can emit or receive light.
12.Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter (4) aus einem dotierten Halbleitermaterial besteht und daß das dem Objekt abgewandte Ende des optischen Wellenleiters (4) mit einem elektrischen Kontakt versehen ist.12. Micro-optical probe according to claim 1 to 11, characterized in that the optical waveguide (4) consists of a doped semiconductor material and that the end of the optical waveguide (4) facing away from the object is provided with an electrical contact.
13.Mikrooptische Sonde nach Anspruch 1 und 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Wellenleiter (4) selbst als piezoelektrischer Erreger (3) ausgestaltet ist. 13. Micro-optical probe according to claim 1 and 3 to 11, characterized in that the optical waveguide (4) itself is designed as a piezoelectric exciter (3).
PCT/EP1996/001322 1995-03-30 1996-03-26 Micro-optical probe for a scanning microscope WO1996030797A1 (en)

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DE19511612 1995-03-30
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