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DE19531802A1 - Scanning near field optical microscope - Google Patents

Scanning near field optical microscope

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Publication number
DE19531802A1
DE19531802A1 DE19531802A DE19531802A DE19531802A1 DE 19531802 A1 DE19531802 A1 DE 19531802A1 DE 19531802 A DE19531802 A DE 19531802A DE 19531802 A DE19531802 A DE 19531802A DE 19531802 A1 DE19531802 A1 DE 19531802A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
optical
scanning
feedback
light
near field
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE19531802A
Other languages
German (de)
Inventor
Guenter Guttroff
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Individual
Original Assignee
Individual
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Priority to DE19531802A priority Critical patent/DE19531802A1/en
Publication of DE19531802A1 publication Critical patent/DE19531802A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01Q60/00Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/18SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/22Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • GPHYSICS
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Abstract

The microscope has a light source for scanning the examined object, and is operated in the reflection mode, with the incorporation of an optical near field interference feedback. A special arrangement of optical fibres is used for the collecting the reflected light, with a magneto-optical data memory being used for storing the optical data. Preferably the optical fibres (1) enclosed by a metal layer (2) are supplied with light from a laser light source, and are moved across the scanned surface (3) with the detection of the intensity of the reflected light by a detector (6).

Description

Das Auflösungsvermögen von optischen Instrumenten ist im Allgemeinen durch die Wellenlänge λ des verwendeten Lichtes begrenzt. Dies führt dazu, daß mit konventionellen optischen Mikroskopen, die mit sichtbarem Licht arbeiten (400 nm < λ < 800 nm), ein maximales Auflösungsvermögen von ca. 1 µm erreicht wird. Die Speicherdichte von Magneto-optischen Datenspeichern (Scientific American 8/95, Seite 31), die einen Laser in Kombination mit einem Linsensystem verwenden, ist demzufolge ebenfalls auf dieses räumliche Auflösungsvermögen limitiert.The resolution of optical instruments is generally due to the Wavelength λ of the light used is limited. This means that with conventional optical microscopes that work with visible light (400 nm < λ <800 nm), a maximum resolution of about 1 µm is achieved. The Storage density of magneto-optical data storage devices (Scientific American 8/95, Page 31) using a laser in combination with a lens system consequently also limited to this spatial resolution.

Fortschritte der letzten Zeit in der Scanning Probe Microscopy (SPM), ein Forschungsgebiet, das von der Raster-Tunnel-Mikroskopie (RTM) (siehe Physical Review Letters 50, 120 (1983) G. Binnig, Ch. Gerber, E. Weibel, H. Rohrer) geboren wurde, haben dazu geführt, daß auch das Auflösungsvermögen in der Mikroskopie mit sichtbarem Licht extrem gesteigert wurde.Recent advances in scanning probe microscopy (SPM) Research area by scanning tunneling microscopy (RTM) (see Physical Review Letters 50, 120 (1983) G. Binnig, Ch. Gerber, E. Weibel, H. Rohrer) have led to the fact that the resolution in microscopy with visible light was extremely increased.

RTM kann Atome "sichtbar" machen, hat also Auflösungen im sub Å Bereich. Für eine Vielzahl von Anwendungen wie z. B. Untersuchung von biologischen Materialien, Halbleiterstrukturen, insbesondere von optoelektronischen Bauelementen eignet sich aber besonders sichtbares Licht.RTM can make atoms "visible", so it has resolutions in the sub Å range. For a variety of applications such as B. Examination of biological materials, Semiconductor structures, in particular optoelectronic components, are suitable but particularly visible light.

Scanning Near Field Optical Microscopy (SNOM) funktioniert grob nach folgendem Prinzip:
(siehe Science 257, 189 (1992); General description of SNOM; E. Betzig and J.K. Trautman)
(siehe Science 264, 264 pp. 1740-1745 June 1994; Near-Field Spectroscopy of a Luminescent System; H.F. Hess, E. Betzig, T.D. Harris . . . )
(siehe Journal Applied Physics 73 (3) 1 February 1993 : Resolution in collection mode scanning optical microscopy; E.L Buckland, P.J Moyer and M.A Paesler)
Scanning Near Field Optical Microscopy (SNOM) works roughly according to the following principle:
(see Science 257, 189 (1992); General description of SNOM; E. Betzig and JK Trautman)
(see Science 264, 264 pp. 1740-1745 June 1994; Near-Field Spectroscopy of a Luminescent System; HF Hess, E. Betzig, TD Harris...)
(see Journal Applied Physics 73 (3) 1 February 1993: Resolution in collection mode scanning optical microscopy; EL Buckland, PJ Moyer and MA Paesler)

(Abb. 1a)
Eine extrem klein dimensionierte Lichtquelle (Probe) (1) wird mit Hilfe eines Piezo Scanning Systems (3) über eine beliebige Oberfläche (Sample) (2) bewegt.
(Fig. 1a)
An extremely small-sized light source (sample) ( 1 ) is moved with the aid of a piezo scanning system ( 3 ) over any surface (sample) ( 2 ).

Die Darstellung der Lichtquelle ist durch verschiedene Methoden realisierbar, was aber für das elementare Funktionsprinzip des SNOMs unerheblich ist.The representation of the light source can be realized by different methods, what but is irrelevant to the elementary operating principle of the SNOM.

Für jeden Punkt p(x,y) wird die Intensität des reflektierten und/oder transmittierten Lichtes mittels eines Lichtkollektionssystems (4) und Detektors (5) gemessen, man erhält also ein Intensitätsprofil I(x,y) im Reflexions- und/oder Transmissionsmodus. Des weiteren ist es möglich, indem man einen Spektrometer parallel zu Detektor "anschließt", ein Spektroskopieprofil I(x,y,λ) einer Oberfläche zu erstellen.For each point p (x, y), the intensity of the reflected and / or transmitted light is measured by means of a light collection system ( 4 ) and detector ( 5 ), so an intensity profile I (x, y) is obtained in the reflection and / or transmission mode . Furthermore, by "connecting" a spectrometer parallel to the detector, it is possible to create a spectroscopy profile I (x, y, λ) of a surface.

Verschiedene Methoden der Darstellung der Lichtquelle:Different methods of displaying the light source:

(a)
Halbleiterlaser können bereits in Dimensionen von 100 nm hergestellt werden. Man verwendet zum Teil direkt solche Halbleiterlaser als Lichtquelle zum Scannen.
(a)
Semiconductor lasers can already be produced in dimensions of 100 nm. Such semiconductor lasers are sometimes used directly as a light source for scanning.

(b) (Abb. 1b)
Es ist möglich Glasfaser herzustellen deren Ende konisch auf eine Kreisfläche mit einem Durchmesser unterhalb von ca. 50 nm zuläuft (1). Koppelt man kohärentes Licht eines Laser in diese Glasfaser, die zuvor noch von einer lichtundurchlassigen Metallschicht (2) beschichtet wurde, so wird das Laserlicht am Ende der Faser auf eine Querschnittsfläche mit einen Durchmesser unterhalb von 50 nm "komprimiert" , folglich hat man eine Lichtquelle, deren Dimension weit unterhalb der Wellenlänge des verwendeten Lichtes liegt.
(b) (Fig. 1b)
It is possible to manufacture glass fiber, the end of which tapers to a circular area with a diameter below approx. 50 nm ( 1 ). If you couple coherent light from a laser into this glass fiber, which was previously coated with an opaque metal layer ( 2 ), the laser light at the end of the fiber is "compressed" to a cross-sectional area with a diameter of less than 50 nm whose dimension is far below the wavelength of the light used.

Das Kernproblem allgemein in der Scanning Probe Microscopy SPM ebenso in der Scanning Near Field Optical Microscopy ist, einen Feedback (Rückkopplungsmechanismus) zu finden, der einen konstanten Abstand von Probe und Sample garantiert. Berechnungen und Experimente zeigen:
Die Probe (d. h. die Lichtquelle) muß bis zu einem Abstand von ca. 10-100 nm an die Sample gebracht werden damit man ein günstiges optisches Nahfeld erhält, was letztendlich in einem guten Auflösungsvermögen resultiert.
The main problem in general in the Scanning Probe Microscopy SPM as well as in the Scanning Near Field Optical Microscopy is to find a feedback (feedback mechanism) that guarantees a constant distance between sample and sample. Calculations and experiments show:
The sample (ie the light source) must be brought to the sample up to a distance of approx. 10-100 nm in order to obtain a favorable optical near field, which ultimately results in a good resolution.

Um dies zu verwirklichen benützt man zur Zeit Feedbacks die schon für Atomic Force Microscopy (AFM) und RTM entwickelt wurden und nicht auf spezielle Eigenschaften des optischen Nahfeldes basieren.To achieve this, feedback is currently being used for Atomic Force Microscopy (AFM) and RTM were developed and not based on special properties of the optical near field.

Kurze Erläuterung dieser Feedbacks:
- Atomic Force Feedback:
In diesem Falle wird die Glasfaserspitze aus (b) zum Schwingen mit einer bestimmten Frequenz angeregt, bringt man nun diese oszillierende Glasfaserspitze in die Nähe von Atomen, so verändert sich diese Oszillationsfrequenz. Exakt dieser, bisher noch ungeklärte Effekt wird zur Konstruktion eines Feedbacks benutzt.
- RTM Feedback:
(siehe: Applied Physics Letters: 62 (12), 22 March 1993: "Simultaneous Scanning tunneling and Optical Near-Field imaging with a micropipette" Authors: Klony Lieberman, Aaron Lewis)
Diese Techniken markieren den aktuellen Stand der Technik.
Brief explanation of these feedbacks:
- Atomic Force Feedback:
In this case, the glass fiber tip from (b) is excited to oscillate at a certain frequency. If this oscillating glass fiber tip is brought close to atoms, this oscillation frequency changes. Exactly this, as yet unexplained effect is used to construct feedback.
- RTM feedback:
(see: Applied Physics Letters: 62 (12), March 22, 1993: "Simultaneous Scanning tunneling and Optical Near-Field imaging with a micropipette" Authors: Klony Lieberman, Aaron Lewis)
These techniques mark the current state of the art.

Nachteile dieser Feedbacks liegen v.a. in der niedrigen Scan-Geschwindigkeit was eine geringe "Bildwiederholfrequenz" der Mikroskope, die nach diesen Methoden arbeiten, zur Folge hat. Des weiteren sind zum Teil sehr eingeschränkt anwendbar und weitaus aufwendiger und kostenintensiver.Disadvantages of this feedback are mainly what in the low scan speed a low "refresh rate" of the microscope using these methods work results. Furthermore, some of them are very limited and applicable far more complex and costly.

Neuartiger Feedback, für den der Patentschutz beantragt wird:
Beschreibung der mechanischen Anordnung (Abb. 2):
Tube Scanner (3) haben im Normalfall einen "Scanbereich" in x,y,z-Richtung von einigen µm.
Novel feedback for which patent protection is requested:
Description of the mechanical arrangement ( Fig. 2):
Tube scanners ( 3 ) normally have a "scan area" in the x, y, z direction of a few µm.

Mit Hilfe einer x,y,z Positionierungsplattform (1) wird deswegen der Tube Scanner (3) mit dem Sample (4) zuerst "grob" bis auf eine Entfernung z kleiner als 1 µm an die Glasfaserspitze (6) "herangefahren". Das Sample ist mittels einer Halterung (2) an die Positionierungsplattform befestigt, ebenso das Sample auf dem Tube Scanner. Die Kollektionsglasfaser (7) sind symmetrisch um die Glasfaserspitze (6) angeordnet, der Winkel α zwischen (6) und (7) beträgt jeweils 45°.With the help of an x, y, z positioning platform ( 1 ), the tube scanner ( 3 ) with the sample ( 4 ) is therefore "roughly" moved up to the glass fiber tip ( 6 ) up to a distance z less than 1 µm. The sample is attached to the positioning platform using a holder ( 2 ), as is the sample on the tube scanner. The collection glass fiber ( 7 ) are arranged symmetrically around the glass fiber tip ( 6 ), the angle α between ( 6 ) and ( 7 ) is 45 ° in each case.

(6) und (7) werden mit Hilfe einer speziellen Halterung (5) präzise positioniert, so daß die imaginären Achsen der Kollektionsglasfasern (7) die Spitze von (6) schneiden. Der Abstand zu diesen Fokuspunkt kann entsprechend der numerischen Apertur dieser Glasfasern gewählt werden.( 6 ) and ( 7 ) are precisely positioned with the help of a special holder ( 5 ) so that the imaginary axes of the collection glass fibers ( 7 ) intersect the tip of (6). The distance to this focal point can be selected according to the numerical aperture of these glass fibers.

Zusammenfassend gesagt wird also jeweils ein Ende der Kollektionsfaser (7) und die Spitze der Glasfaser (6) von der Halterung (5) eingespannt, die jeweiligen anderen Enden können, wie im Nachfolgenden beschrieben, an anderen optischen Geräten angeschlossen werden.In summary, one end of the collection fiber ( 7 ) and the tip of the glass fiber ( 6 ) are clamped by the holder ( 5 ), the other ends can be connected to other optical devices as described below.

Schematischer Aufbau (Abb. 3)Schematic structure ( Fig. 3)

Ein Computer mit Digital/Analog- und Analog/Digital-Wandler kontrolliert mittels verschiedener analoger und digitaler Ausgangssignale (Abb. 3., (x1, y1, z1), (2), (3)), die mit einem Hochspannungsverstärker entsprechend verstärkt werden, einerseits die Positionierungsplattform (Verstärkerausgangsignale (Abb. 3, (x2, y2, z2)) und andererseits die Position des Tube Scanners (Verstärkerausgangsignale (Abb. 3, (x3, y3, z3))). Das Licht eines Lasers gelangt mittels eines Laser-Glasfaserkopplers über das andere Ende der Eingangsglasfaser (Abb. 3, (4)) bis zu deren Spitze (Abb. 2, (6)). Die anderen Enden der Kollektionsglasfasern (Abb. 2, (7)) (Abb. 3, (5)) werden je nach Bedarf an Photodioden und Spektrometer und evtl. an andere Detektoren (Abb. 3, (11)) angeschlossen.A computer with digital / analog and analog / digital converter controls using various analog and digital output signals ( Fig. 3., (x1, y1, z1), ( 2 ), ( 3 )), which are amplified accordingly with a high-voltage amplifier , on the one hand the positioning platform (amplifier output signals ( Fig. 3, (x2, y2, z2)) and on the other hand the position of the tube scanner (amplifier output signals ( Fig. 3, (x3, y3, z3))) Laser fiber optic coupler over the other end of the input fiber ( Fig. 3, ( 4 )) to its tip ( Fig. 2, ( 6 )). The other ends of the collection fiber ( Fig. 2, ( 7 )) ( Fig. 3 , ( 5 )) are connected to photodiodes and spectrometers and possibly to other detectors ( Fig. 3, ( 11 )) as required.

Der Computer erhält zwecks Steuerung und Datenaufnahme über einen A/D-Wandler Signale vom Spektrometer (8) und der Photodiode (7). Beide Detektoren sind parallel über die Kollektionsglasfaser (5) an das SNOM angeschlossen. Der Spektrometer benötigt dabei geeignete Lichtfilter, das Ausgangssignal der Photodiode muß noch für die A/D-Karte des Computers entsprechend verstärkt werden.For control and data acquisition, the computer receives signals from the spectrometer ( 8 ) and the photodiode ( 7 ) via an A / D converter. Both detectors are connected to the SNOM in parallel via the collection fiber ( 5 ). The spectrometer requires suitable light filters, the output signal of the photodiode has to be amplified accordingly for the A / D card of the computer.

Funktionsweise: (Abb. 3)How it works: ( Fig. 3)

Die elementaren Funktionsweise des Feedbacks basiert auf der Abhängigkeit der Intensität des reflektierten Lichtes I von der Entfernung Probe-Sample z. Diese Funktion I(z) hängt zwar von der Art des Samples und der Wellenlänge des verwendeten Laserlichtes ab, topologisch erhält man aber einen typischen Kurvenverlauf I(z) wie in (Abb. 6) gezeigt. Die x-Achse des Graphen entspricht dem Abstand z von Probe-Sample, die y-Achse der Intensität I.The elementary functioning of the feedback is based on the dependence of the intensity of the reflected light I on the distance sample-sample z. This function I (z) depends on the type of sample and the wavelength of the laser light used, but topologically you get a typical curve shape I (z) as shown in ( Fig. 6). The x-axis of the graph corresponds to the distance z from the sample, the y-axis to the intensity I.

Grob kann man diesen Verlauf in zwei Bereiche einteilen:This course can be roughly divided into two areas:

  • - Bereich (a) : optische Nahfeldinterferenz, - area (a): optical near-field interference,
  • - Bereich (b) : optische Fernfeldinterferenz, z » λ.- Area (b): optical far field interference, z »λ.

Bei der Grobpositionierung des Tube Scanners steuert der Computer gleichzeitig die Positionierungsplattform (Abb. 2 (1)) bzw. das Scanning System (Abb. 2 (3)) und liest das Ausgangssignal der Photodiode, das proportional zu I(z) ist. Durch Vergleich mit der Referenzkurve (Abb. 6) ist es somit möglich das optische Nahfeld zu "finden" und einen Abstand Sample-Probe z < λ < 1 µm zu erreichen. Anschließend wird im optischen Nahfeld eine Referenzintensität IR definiert und der Scanprozeß gestartet. Der Computer gibt die Signale zum Abscannen eines bestimmten Bereichs (x,y).When roughly positioning the tube scanner, the computer simultaneously controls the positioning platform ( Fig. 2 ( 1 )) or the scanning system ( Fig. 2 ( 3 )) and reads the output signal of the photodiode, which is proportional to I (z). By comparison with the reference curve ( Fig. 6) it is thus possible to "find" the optical near field and to achieve a sample-sample distance z <λ <1 µm. A reference intensity I R is then defined in the optical near field and the scanning process is started. The computer gives the signals to scan a certain area (x, y).

Die Nahfeldabhängigkeit von I(z) (siehe Referenzkurve (Abb. 6)) wird zur Konstruktion des Feedbacks verwendet, für den der Patentschutz beantragt wird.The near-field dependence of I (z) (see reference curve ( Fig. 6)) is used to construct the feedback for which patent protection is requested.

Grundsätzlich gibt es die Möglichkeit, den Feedback mit Hilfe von Analog- (Abb. 3, Option (6), (10), (9)) oder Digitalelektronik (Abb. 3, Signal (7)) zu steuern:
Eine digitale Lösungsvariante des Problems ist:
Der folgende Algorithmus in Pseudo-Code für den Feedback wird für jeden Punkt (x,y) des Scanbereichs durchlaufen:
Definitionen:
Basically there is the possibility to control the feedback with the help of analog ( Fig. 3, option ( 6 ), ( 10 ), ( 9 )) or digital electronics ( Fig. 3, signal ( 7 )):
A digital solution to the problem is:
The following algorithm in pseudo code for the feedback is run for each point (x, y) of the scan area:
Definitions:

  • - I = I (x,y,z): vom Computer eingelesenes Intensitätssignal von der Photodiode (Abb. 3, Signal (7)).- I = I (x, y, z): intensity signal read by the computer from the photodiode ( Fig. 3, signal ( 7 )).
  • - V: vom Computer ausgegebenes Signal zum Hochspannungsverstärker zur Steuerung der z-Ausdehnung des Tube Scanners. Die z- Ausdehnung sei dabei proportional zu V. (Abb. 3, Signal (z 1), (z2)) - V: signal from the computer to the high-voltage amplifier for controlling the z-expansion of the tube scanner. The z-expansion is proportional to V. ( Fig. 3, signal (z 1), (z2))
  • - dI: vom Benutzer definierter Toleranzbereich für die Intensität I- dI: tolerance range for intensity I defined by the user
  • - Nulldurchlauf= 1: vorher gelesenes Intensitätssignal war kleiner als das Referenzsignal IR und momentane Intensität ist größer. Oder genau umgekehrt.- zero crossing = 1: previously read intensity signal was less than the reference signal I R and the instantaneous intensity is greater. Or the other way around.
  • - Zustand = 0: Feedback ist aktiv- State = 0: feedback is active
  • - Zustand = 1: Feedback ist fertig- Condition = 1: feedback is ready
  • - Abs (x): absoluter Wert von x- Abs (x): absolute value of x

FUNCTION Feedback (Vstart, IR);
BEGIN
Zustand: = 0;
V: = Vstart;
Lese I;
WHILE (Zustand = 0) DO
BEGIN
IF ((Nulldurchlauf= 1) OR (Abs (I - IR) < dl)) THEN Zustand: = 1;
ELSE BEGIN
IF (I < IR) THEN erniedrige V;
IF (I < IR) THEN erhöhe V;
Lese I;
END;
END;
Feedback: = V;
END;
Die beiden Anweisungen:
IF(I < IR) THEN erniedrige V;
IF(I < IR) THEN erhöhe V;
FUNCTION feedback (V start , I R );
BEGIN
State: = 0;
V: = V start ;
Read I;
WHILE (state = 0) DO
BEGIN
IF ((zero crossing = 1) OR (Abs (I - I R ) <dl)) THEN state: = 1;
ELSE BEGIN
IF (I <I R ) THEN lower V;
IF (I <I R ) THEN increase V;
Read I;
END;
END;
Feedback: = V;
END;
The two instructions:
IF (I <I R ) THEN lower V;
IF (I <I R ) THEN increase V;

machen dabei von der funktionalen Abhängigkeit der Nahfeldinterferenz I(z) (Abb. 4, Bereich (a)) gebraucht, d. h. ist die Intensität I zu groß, so muß der Abstand Probe- Sample verkleinert bzw. die z-Ausdehnung und die Spannung V der Scanning Tube vergrößert werden. Und genau umgekehrt. make use of the functional dependence of the near-field interference I (z) ( Fig. 4, area (a)), ie if the intensity I is too high, the sample-sample distance must be reduced or the z-extension and the voltage V the scanning tube can be enlarged. And vice versa.

Der Algorithmus gibt für jeden Punkt(x,y) des Scanbereichs den Wert der Spannung V aus, der gespeichert wird. Folglich erhält man ein Profil der konstanten Reflexionsintensität der Oberfläche VR(x,y).For each point (x, y) of the scan area, the algorithm outputs the value of the voltage V that is stored. A profile of the constant reflection intensity of the surface V R (x, y) is thus obtained.

Schließt man parallel zur Photodiode an eine andere Kollektionsglasfaser ein Spektrometer an, so erhält man zusätzlich ein Spektrum für jeden Punkt (x,y) des Scanbereichs I(x,y,λ).If you connect to another collection glass fiber parallel to the photodiode Spectrometer, you also get a spectrum for each point (x, y) of the Scan area I (x, y, λ).

Besondere Vorteile der Erfindung liegen v.a. in der Geschwindigkeit. Die in (2.2.1) und (2.2.2) beschrieben Feedbacks sind diesbezüglich prinzipiell limitiert. Ein prinzipielles Limit für den in (2.4) beschriebenen Mechanismus existiert nicht. Die Scanfrequenz kann also höher gewählt werden; folglich erhält man weitaus höhere Bildraten. Des weiteren eröffnen sich vor allem dadurch völlig neue Anwendungsmöglichkeiten (siehe 2.7). Die Mehrfachanordnung von Kollektionsglasfasern (Abb. 2 (6), (7)) ist für diese Art des Feedbacks von großem Vorteil. Einerseits erlaubt sie, die reflektierte Intensität von mehreren verschiedenen Winkeln α zu messen, was abhängig von der Oberflächenstruktur des Samples von Bedeutung ist. Andererseits ist diese Art der Kollektion des Lichtes weitaus kostengünstiger als die mit extrem aufwendigen Linsensystemen.Particular advantages of the invention are speed. In principle, the feedback described in (2.2.1) and (2.2.2) is limited. There is no fundamental limit for the mechanism described in (2.4). The scan frequency can therefore be chosen higher; consequently, you get much higher frame rates. Furthermore, this opens up completely new application options (see 2.7). The multiple arrangement of collection glass fibers ( Fig. 2 ( 6 ), ( 7 )) is of great advantage for this type of feedback. On the one hand, it allows the reflected intensity to be measured from several different angles α, which is important depending on the surface structure of the sample. On the other hand, this type of collection of light is far more cost-effective than that with extremely complex lens systems.

Anwendbarkeitapplicability

Diese Erfindung läßt es zu, optische Mikroskope zu konstruieren, deren Auflösungsvermögen im Bereich von ca. 10-50 nm liegt, im Gegensatz zu 1 µm bei konventionellen optischen Mikroskopen.This invention allows optical microscopes to be constructed whose Resolving power is in the range of approx. 10-50 nm, in contrast to 1 µm conventional optical microscopes.

Das Anwendungsspektrum ist somit sehr breit. Wegen des hohen räumlichen und spektralen Auflösung eignen sich solche Mikroskope besonders für Untersuchungen in der Biologie und in der Halbleiterforschung insbesondere für optoelektronische Bauelemente.The range of applications is therefore very broad. Because of the high spatial and Such microscopes are particularly suitable for investigations in spectral resolution biology and semiconductor research, especially for optoelectronic Components.

Eine besondere Ausführungsart der Erfindung ist (Abb. 4, Abb. 5):
(Magneto-Optische Datenspeicher: siehe Scientific American, August 1995; S.31)
A special embodiment of the invention is ( Fig. 4, Fig. 5):
(Magneto-optical data storage: see Scientific American, August 1995; p.31)

Verwendet man als Sample eine magneto-optisch aktive Oberfläche, so ist es auf Grund der hohen Geschwindigkeit des Feedbacks möglich, Daten zu lesen und zu speichern und zwar mit einer weitaus höheren Kompressionsdichte als mit konventionellen magneto-optischen Speichersystemen.If you use a magneto-optically active surface as a sample, it is open Due to the high speed of the feedback possible to read and read data save with a much higher compression density than with conventional magneto-optical storage systems.

Mechanischer Aufbau (Abb. 4)Mechanical structure ( Fig. 4)

Eine magneto-optisch aktive Scheibe (1) wird von einer Halterung (2) in Rotation versetzt. Ein 1-dimensionales Positionierungssystem (3) bewegt den Kopf (4) exakt parallel zur x-Achse auf einer Strecke vom Mittelpunkt der Scheibe (1) bis zum Rand der selben. Der Kopf (4) selber hat ein 2-dimensionales Feinpositionierungssystem in Richtung der x- und y-Achse, mit dem der Abstand der Glasfaserspitze (5) zur Oberfläche der Scheibe entlang der y-Achse mit einer Präzision im nm-Bereich verändert werden kann. Gleichzeitig wird der Fehler der Translation des 1- dimensionalen Positionierungssystems (3) parallel zur x-Achse ebenfalls bis in den um-Bereich korrigiert. Technisch läßt sich dies ebenfalls mit Hilfe von piezoelektrisch aktiven Kristallen realisieren.A magneto-optically active disk ( 1 ) is set in rotation by a holder ( 2 ). A 1-dimensional positioning system ( 3 ) moves the head ( 4 ) exactly parallel to the x-axis over a distance from the center of the disc ( 1 ) to the edge of the same. The head ( 4 ) itself has a 2-dimensional fine positioning system in the direction of the x and y axis, with which the distance of the glass fiber tip ( 5 ) to the surface of the disk along the y axis can be changed with a precision in the nm range . At the same time, the translation error of the 1-dimensional positioning system ( 3 ) parallel to the x-axis is also corrected into the um range. Technically, this can also be achieved with the help of piezoelectrically active crystals.

Schematischer Aufbau und Funktionsweise (Abb. 5)Schematic structure and mode of operation ( Fig. 5)

Der Grundgedanke ist, dem konventionellen magneto-optischen Laufwerk ein zweites System hinzuzufügen, das komplett unabhängig vom ersten funktioniert. Das konventionelle System funktioniert im Groben folgendermaßen:
Der Kontrollelektronik (1), steuert zum einen mit dem Ausgangssignals x1 die Translation des 1-dimensionalen Positionierungssystems (Abb. 4, (3)), zum anderen mit den Ausgangssignalen o1-on verschiedene Parameter wie z. B. die Rotationsfrequenz des Drehmotors, auf dem die Halterung (Abb. 4, (2)) befestigt ist; die Intensität des Lasers 1 usw . . Gleichzeitig erhält (1) neben dem Intensitätssignal (Abb. 5, (7)) der Photodiode verschiedene andere Kontrollsignale i1-ik. Lese- und Schreibvorgänge werden gesteuert von (1) mit Hilfe des Lasers 1 und des Ausgangssignal (Abb. 5, (7)) der Photodiode 1, die von der Scheibenoberfläche reflektiertes Laserlicht über einen optischen Filter 1 und ein optisches System erhält.
The basic idea is to add a second system to the conventional magneto-optical drive that works completely independently of the first. The conventional system works roughly as follows:
The control electronics ( 1 ), on the one hand controls the translation of the 1-dimensional positioning system with the output signal x1 ( Fig. 4, ( 3 )), and on the other hand with the output signals o1-on various parameters such as B. the rotational frequency of the rotary motor on which the holder ( Fig. 4, ( 2 )) is attached; the intensity of the laser 1, etc. . At the same time, ( 1 ) receives various other control signals i1-ik in addition to the intensity signal ( Fig. 5, ( 7 )) from the photodiode. Reading and writing processes are controlled by ( 1 ) using the laser 1 and the output signal ( Fig. 5, ( 7 )) of the photodiode 1 , which receives laser light reflected from the surface of the pane via an optical filter 1 and an optical system.

Das hinzugefügte zweite System, für das der Patentschutz beantragt wird, besteht aus der Kontrollelektronik (2) mit Verstärker, einem Laser 2 mit der Wellenlänge λ₂, einem Glasfasermultiplexer, dem Kopf (Abb. 4, (4)) und einem 2. Detektorsystem. Der Glasfasermultiplexer koppelt das Licht der beiden Laser 1 und 2 mit der jeweiligen Wellenlänge λ₁ und λ₂ der beiden Glasfasern (3) in eine einzelne Glasfaser (Abb. 5, (4)) bzw. (Abb. 4, (5)).The added second system, for which patent protection is sought, consists of the control electronics ( 2 ) with an amplifier, a laser 2 with the wavelength λ₂, a glass fiber multiplexer, the head ( Fig. 4, ( 4 )) and a second detector system. The glass fiber multiplexer couples the light of the two lasers 1 and 2 with the respective wavelength λ₁ and λ₂ of the two glass fibers ( 3 ) into a single glass fiber ( Fig. 5, ( 4 )) and ( Fig. 4, ( 5 )).

Die Photodioden 1 und 2 erhalten über die Kollektionsglasfasern (Abb. 4, (6)), (Abb. 5, (5)) von der Oberfläche der Disc (Abb. 4, (1)) reflektiertes Licht. Aus nachfolgenden Gründen erhält jede Photodioden noch einen entsprechenden optischen Filter.The photodiodes 1 and 2 receive light reflected from the surface of the disc ( Fig. 4, ( 1 )) via the collection glass fibers ( Fig. 4, (6)), ( Fig. 5, ( 5 )). For the following reasons, each photodiode is given a corresponding optical filter.

Die Kontrollelektronik (1) steuert die mit den Signalen (xx1) und (xx2) die Position des Feinpositionierungssystems (Abb. 4, (4)) parallel zur x-Achse. Der Feedback, der einen konstanten Abstand der Glasfaserspitze garantieren soll, ist in der Kontrollelektronik (1) integriert und kann aus einem digitalen oder analogen Schaltkreis bestehen. (1) vergleicht dabei das Ausgangssignal der Photodiode (Abb. 5, (6)) mit einem definierten Referenzwert und korrigiert mit Hilfe des Ausgangssignals (y1) die y-Position des Feinpositionierungssystems (Abb. 4 (4)). So wird also dafür gesorgt, daß die Glasfaserspitze den Nahfeldinterferenzbereich nicht verläßt. Durch einen einfachen Trick lassen sich die beiden System voneinander entkoppeln. Filter 1 sorgt dafür, daß nur Licht der Wellenlänge λ₁ zur Photodiode 1 gelangt. Filter 2 läßt nur Licht von Laser 2 der Wellenlänge λ₂ zur 2. Photodiode. Beide System können demzufolge unabhängig voneinander arbeiten.The control electronics ( 1 ) control the position of the fine positioning system with the signals (xx1) and (xx2) ( Fig. 4, (4)) parallel to the x-axis. The feedback, which is intended to guarantee a constant distance between the glass fiber tip, is integrated in the control electronics ( 1 ) and can consist of a digital or analog circuit. ( 1 ) compares the output signal of the photodiode ( Fig. 5, ( 6 )) with a defined reference value and uses the output signal (y1) to correct the y position of the fine positioning system ( Fig. 4 ( 4 )). This ensures that the glass fiber tip does not leave the near field interference area. The two systems can be decoupled from each other with a simple trick. Filter 1 ensures that only light of wavelength λ 1 reaches photodiode 1 . Filter 2 only allows light from laser 2 of wavelength λ₂ to the second photodiode. As a result, both systems can work independently of one another.

Anwendbarkeitapplicability

Magneto-Optical Discs haben momentan eine Speicherkapazität von ca. 1 GB. Ein Bit benötigt dabei die Fläche von 1 µm × 1 µm. Glasfaserspitzen von 20 nm Durchmesser können heute schon hergestellt werden. Rein theoretisch ließe sich somit die Speicherkapazität von optischen Speichermedien um den Faktor 50² auf ca. 2500 GB vergrößern.Magneto-Optical Discs currently have a storage capacity of approx. 1 GB. One bit requires the area of 1 µm × 1 µm. Glass fiber tips with a diameter of 20 nm can already be manufactured today. In theory, this could be done Storage capacity of optical storage media by a factor of 50² to approx. 2500 GB enlarge.

Claims (2)

1. Optisches Nah Feld Mikroskop (Scanning Near Field Optical Microscope - SNOM), das eine Lichtquelle zum Scannen verwendet und im Reflexionsmodus arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß ein optischer Nahfeldinterferenz-Feedback verwendet wird. In Kombination mit einer speziellen Anordnung von Glasfasern zur Kollektion des reflektierten Lichtes.1. Optical near-field optical microscope (Scanning Near Field Optical Microscope - SNOM), which uses a light source for scanning and works in reflection mode, characterized in that an optical near-field interference feedback is used. In combination with a special arrangement of glass fibers for the collection of the reflected light. 2. Identische Anordnung nach Patentanspruch (1) in Kombination mit einem magneto­ optischen Datenspeicher zur Speicherung und zum Lesen von Daten.2. Identical arrangement according to claim (1) in combination with a magneto optical data storage for storing and reading data.
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