DE69320992T2 - Optisches nahfeldmikroskop - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Nahfeldmikroskop, und im besonderen ein optisches Raster-Nahfeldmikroskop (SNOM). Insbesondere betrifft sie ein optisches Raster-Nahfeldmikroskop mit Blende (a-SNOM).
DER ERFINDUNG ZUGRUNDELIEGENDER ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
• Optische Nahfeldmikroskope sind auf dem Stand der Technik wohlbekannt. Ein erster, mehr theoretischer Vorschlag wurde bereits gemacht von E. A. Synge, "A Suggested Method for Extending Microscopic Resolution into the Ultra-Microscopic Region" in Phil. Mag. 6 (1928), S. 356-362. Später zeigte J. A. O'Keefe, "Resolving Power of Visible Light" in J. Opt. Soc. Am., Bd 46, Nr. 5, Mai 1956, S. 359, daß die Verwirklichung des Vorschlags in nächster Zeit nicht zu erwarten war, angesichts der - damals - noch ungelösten Schwierigkeit, eine Abtastbewegung über die betreffenden winzigen Abstände vornehmen zu können. Doch wurde die grundlegende Idee weiter verfolgt, wie aus der Veröffentlichung von E. A. Ash und G. Nicholls "Super-Resolution Aperture Scanning Microscope" in Nature, Bd. 237, Nr. 5357, Juni 1972, S. 510-515, hervorging.
• Alle diese Vorschläge benutzten ein nadelstichgroßes Loch in einer dünnen Membran als Blendenöffnung. Die Forderung, die zu untersuchende Oberfläche in einer Entfernung von der Membran anzuordnen, die etwa gleich dem Durchmesser der Blende war, implizierte die Einschränkung, daß nur Objekte untersucht werden konnten, die eine Oberflächenglätte aufwiesen, die signifikant besser als eine angelegte optische Wellenlänge war.
• Die erste praktische Realisierung eines optischen Raster- Nahfeldmikroskop wurde von W. D. Pohl in EP-A-0 112 401 (1982) berichtet. Hier ist die Blende als scharf zugespitzter optisch durchsichtiger Körper ausgeführt, der mit einer undurchsichtigen Schicht bedeckt ist, in der am Scheitel des Körpers eine Öffnung ausgebildet ist, wobei die Öffnung einen Durchmesser aufweist, der im Vergleich mit der Wellenlänge des verwendeten Lichts klein ist.
• Der Name optisches Raster-Nahfeldmikroskop (SNOM - Scanning nearfield optical microscope) zeigt heute die gesamte Vielfalt der Nahfeld-Geräte, und zwecks Information werden die nachstehenden Abhandlungen als Referenz angezogen, die sich alle auf theoretische und/oder praktische Einzelheiten des derzeitigen Standes der Technik auf dem Gebiet der optischen Nahfeldmikroskope beziehen.
• - U. Dürig, D. W. Pohl F. Rohner, in: J. Appl. Phys., Bd. 59, Nr. 10, 15. Mai 1986, S. 3318-3327.
• - T. Takase et al., US-A-5 138 159
• - D. Courjon, J. M. Vigoureux, M. Spajer, K. Sarayeddine, S. Leblanc in: Applied Optics, Bd. 29, Nr. 26, 10. September 1990, S. 3734-3740.
• - R. C. Reddick, R. J. Warmack, D. W. Chilcott, S. L. Sharp, T. L. Ferrell in: "Rev. Sci. Instr., Bd. 61, Nr. 12, Dezember 1990, S. 3669-3677.
• - E. Betzig, J. K. Trautman in: Science, Bd. 257, 10 Juli 1992, S. 189-195.
• Das klassische optische Raster-Nahfeldmikroskop benutzt eine winzige Blende mit einem Eingangspupillendurchmesser, der klein ist gegenüber der Wellenlänge des Lichts, das zur Beleuchtung des zu untersuchenden Objekts benutzt wird. Innerhalb der Klasse der SNOMs ist es daher als Raster- Nahfeldmikroskop mit Blende (a-SNOM - aperture-scanning nearfield microscope) bekannt. Auf die Blende ist ein Laserstrahl gerichtet, von dem ein winziger Teil durch die Blendenöffnung geht und auf die Oberfläche des Objekts trifft. Wenn das Objekt in einer Entfernung eingerichtet wird, die gegenüber der Wellenlänge ebenfalls klein ist, d. h. im Nahfeld, kann das vom Objekt reflektierte bzw. durchgelassene Licht gesammelt werden. Das durchgelassene Licht wird an einer senkrecht zur Probenoberfläche stehenden Achse und gegenüber der Blende gesammelt. In US-A-5 138 159 wird der Einsatz eines Hohlspiegels mit einer Zentralbohrung für den Laserstrahl zum Sammeln des reflektierten Lichts und zum Bündeln desselben an einem Detektor, der gegenüber der Probenebene angeordnet ist, beschrieben. Das aufgefangene Licht wird bearbeitet, um ein Bild der zu untersuchenden Oberfläche zu geben. Derzeit erzielen a-SNOMs mit sichtbarem Licht seitliche Auflosungen von etwa λ/20.
• Auf das Potential der verschiedenen SNOM-Techniken als Teil hochdichter Speichervorrichtungen wurde z. B. in der Europäischen Patentanmeldung EP-A-0 437 170 hingewiesen.
• Abhängig von einer periodischen Modulation, wahrscheinlich verursacht durch Interferenz, ist die erfaßte Lichtintensität des beschriebenen a-SNOM jedoch unempfindlich gegenüber Variationen des Abstands zwischen Spitze und Probe. Es ist daher schwierig, das gemessene Signal zum Steuern der Annäherung und des Abstands von Spitze zu Probe zu benutzen.
• Die Grundlage des Betriebs eines zweiten SNOM-Typs, des herkömmlichen optischen Raster-Tunnelmikroskops (Scanning Tunneling Optical Microscope - STOM), wie beim Querverweis auf Courjon et al. und auch unter dem Namen Photonen-Raster- Tunnelmikroskop (Photon Scanning Tunneling Microscope - PSTM) bekannt, beschrieben unter dem oben angezogenen Querverweis auf Reddick et al. sowie auch im Patent US-A-5 018 865, ist das Proben-modulierte Tunneln von normalen intern reflektierten Photonen auf eine scharf zugespitzte optisch durchsichtige Spitze. Die Photonenquelle ist das flüchtige Feld, erzeugt von der internen Totalreflexion eines Lichtstrahls von der Probenoberfläche.
• Eine interne Reflexion wird bewirkt durch Setzen der Probenoberfläche an die Hypotenusenfläche des Totalreflexionsprismas. Der Lichtstrahl fällt senkrecht auf eine der Seitenflächen des Prismas ein, um von der Hypotenusenfläche totalreflektiert zu werden. Im PSTM, laut Beschreibung in der Europäischen Patentanmeldung DP-A-0 426 571, wurde das Prisma durch eine Halbkugel ersetzt.
• Die räumlichen Variationen der abklingenden Feldintensität bilden die Grundlage für das Abbilden. Sie sehen im wesentlichen eine exponentiell abklingende Wellenform senkrecht auf die Probenoberfläche vor. Photonen, die von der internen Totalreflexionsoberfläche zur Spitze tunneln, werden zu einem geeigneten Detektor geführt, der den Lichtfluß in ein elektrisches Signal umwandelt. Das PSTM erfaßt ein Signal nur, wenn die Spitze innerhalb der Dämpfungslänge der abklingenden Welle angeordnet ist, um eine genaue Entfernungssteuerung zu ermöglichen.
• Ein Nachteil des PSTM betrifft die Beleuchtung der Probe: In Gegensatz zu einem a-SNOM wird die ganze Probe während der gesamten Meßzeit beleuchtet. Somit vergrößert sich die Wahr scheinlichkeit von Schaden durch Aufheizen oder sonstige Auswirkungen des Lichts. Ferner zeigt das PSTM eine im Vergleich zu den a-SNOM-Techniken verminderte seitliche Auflosung infolge der durchsichtigen optischen Abtastspitze. Eine Möglichkeit, diese Auflosung zu verbessern, ist, die Spitze des PSTM durch ein undurchsichtiges Material auf eine Art abzudecken, die den a-SNOM-Technikern bekannt ist und nur eine winzige Öffnung laßt, die in diesem Fall dazu dient, das Licht von einem wohldefinierten Punkt auf der Probe zu sammeln, jedoch auf Kosten der aufgenommenen Lichtintensität.
• Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die bekannten Nahfeldmikroskope zu verbessern. Insbesondere zielt die neue Erfindung darauf ab, die beschriebenen Nachteile auszuschließen und ein mit einer verbesserten Abstandsteuerung versehenes a-SNOM vorzusehen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, den Anwendungsbereich für optische Nahfeld-Mikroskopie zu erweitern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung sieht ein optisches Nahfeldmikroskop vor mit Mitteln zum Erfassen der Intensität des Lichts, das durch eine Probe übertragen wird und aus dem Nahfeld mit einem Winkel θ abstrahlt, der sich im wesentlichen von der Richtung senkrecht zu einer Ebene unterscheidet, die von der Probe definiert wird, einschließlich Licht, das im Winkel θ abstrahlt, der großer ist als der Grenzwinkel θc. Die Erfindung fuhrt winkelaufgeloste Messung in die Nahfeld-Mikroskopie ein, insbesondere in einem Winkelbereich, der bisher von keinem Mikroskopietyp genutzt wurde.
• Bevor wir die Erfindung in näheren Einzelheiten erklären, soll zunächst das Konzept des Grenzwinkels beschrieben werden. Zwar ist dieses Konzept wohlbekannt, es kann jedoch durch unzusammenhängende Definitionen zu Fehlinterpretationen kommen, wie es gelegentlich auf dem Stand der Technik geschieht. Ein Grenzwinkel wird beobachtet, wenn Licht eine Grenze zwischen zwei Medien passiert, die unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, z. B. n&sub1; bzw. n&sub2;, mit n&sub1; < n&sub2;. Jeder einfallende Lichtstrahl, der aus dem weniger dichten Medium (n&sub1;) durch die Grenze geht, wird im dichteren Medium (n&sub2;) gebrochen in einem Winkel, der kleiner oder gleich dem Grenzwinkel ist. Der Sinus des Grenzwinkels &theta;c ist gleich n&sub2;/n&sub1;. Der Einfallswinkel und der Brechungswinkel werden beide zur Normalen der Grenze gemessen, d. h. zu einer Achse, die an dem Ort senkrecht auf die Grenze steht, an dem der Strahl auf die Grenze trifft. Somit ist, gemäß dem Gesetz der klassischen Strahlenoptik, das Abstrahlen des Lichts in einen Kegel, der durch den Raumwinkel, definiert durch &theta;c, und die Grenze zwischen den zwei Medien liegt, verboten. Jedoch wurde festgestellt, daß in der Nahfeldoptik diese Einschränkung weniger streng ist, und die vorliegende Erfindung offenbart Mittel zum Erfassen von Licht, das in größeren Winkeln als &theta;c abstrahlt. Der Winkel &theta; definiert die Beobachtungsrichtung, unter Berücksichtigung der Tatsache, daß jeder Detektor einen endlichen Bereich aufweist, der für das Messen empfindlich ist. Somit ist die Intensität des gemessenen Lichts diejenige, die vom Nahfeld in einem Raumwinkel abgestrahlt wird, wobei der Raumwinkel von dem empfindlichen Bereich des Detektors mit &theta; im Mittelpunkt definiert wird. Dementsprechend wird eine Richtung als im wesentlichen abweichend von der Richtung senkrecht auf die Probenebene definiert, wenn diese Richtung nicht innerhalb des Beobachtungs-Raumwinkels der obigen Beschreibung liegt.
• Nehmen wir jetzt Bezug auf weitere Einzelheiten der Erfindung; das neue Mikroskop umfaßt Probenträgermittel mit einer Flache, auf die die Probe bei der Messung gelegt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bestehen die Probenträgermittel aus durchsichtigem Material und sind so gemacht, daß sich das Licht, das aus dem Probenbereich mit Winkeln &theta; abgestrahlt wird, die großer sind als der Grenzwinkel &theta;c, von diesem Bereich weg zum Lichterfassungsmittel fortpflanzen kann. Da der Bruchteil des Lichts, der in den klassisch verbotenen Bereich eindringt, bereits klein ist, ist es bedeutsam, daß an der Grenze zwischen dem Probenträgermittel und dem Lichterfassungsmittel ein weiterer Intensitätsverlust vermieden wird.
• Daher sind die Grenzen des Probenträgermittels entweder in einem Winkel geneigt, der sicherstellt, daß das von dem Winkel (oder dem Winkelbereich) abstrahlende zu messende Licht im wesentlichen senkrecht auf die Grenze trifft, oder mit dem Lichterfassungsmedium über ein Zwischenmedium mit einem Brechungsindex, der gleich oder großer ist als der Brechungsindex des Probenträgers, verbunden ist.
• Vorteilhafterweise besteht das Probenträgermittel aus einer Halbkugel, die mit der flachen Seite auf den Ort der Probe innerhalb des Nahfelds gelegt wird. Wenn man den Sitz des Nahfelds als punktförmige Strahlungsquelle ansieht, stellt die Krümmung der anderen Flache der Halbkugel sicher, daß aus dem Nahfeld abstrahlendes Licht sich senkrecht zur anderen Flache fortpflanzt, vorausgesetzt, der Ort des Nahfeldes ist in der flachen Seite zentriert. Die Halbkugelform des Probenträgers ermöglicht eine willkürliche Positionierung des Lichterfassungsmittels in jedem Winkel &theta; oder &phi;, wobei &phi; ein willkürlicher Winkel in einer Ebene parallel zur flachen Seite und auf diese Weise zur Oberfläche der Probe ist (Azimut-Winkel). Um die Halbkugel voll zu nutzen, muß zusätzlich entweder ein einstellbarer Lichtdetektor, der an jeden Punkt der Halbkugel angeordnet werden kann, oder eine Detektor-Anordnung, die wenigstens einen Teil der gekrümmten Oberfläche der Halbkugel abdeckt, vorgesehen sein.
• In den meisten relevanten Fallen jedoch beschrankt sich die Messung auf einen kleineren Bereich von A und &phi;: In der Regel beschrankt sich die meiste Strahlung, die in den verbotenen Bereich abstrahlt, auf einen Bereich von 20º über dem Grenzwinkel. Daher kann das Probenträgermittel entweder als kugelförmiger Abschnitt oder durch Verzicht auf die gekrümmte Außenfläche als Prisma ausgebildet sein, das geeignet gewählt wird, um das aus dem bevorzugten Bereich der Winkel abgestrahlte Licht zum Detektor zu fuhren. Wiederum wird entweder eine Reihe von Detektoren oder wenigstens ein beweglicher Detektor in diesen erfindungsgemäßen Ausführungsformen benutzt, wenn ein größerer Winkelbereich &theta; oder &phi; abgedeckt werden muß.
• Es konnte besonders nützlich sein, eines der beschriebenen Probenträgermittel ähnlich oder als Teil der optischen Standardstufe auszubilden, um den Einbau der Vorrichtung auch in andere optische Mikroskope, die nicht vom Nahfeldtyp sind, zu ermöglichen.
• Ferner ist es leicht möglich, die Messung von Licht, das im Winkel &theta;, der großer als der Grenzwinkel &theta;c ist, abgestrahlt wird, mit einer Messung des Lichts, das senkrecht zur Probenebene übertragen wird, wie aus SNOM-Techniken bekannt ist, oder mit der Messung des Lichts, das in beliebiger anderer Richtung innerhalb des klassisch zulässigen Kegels abstrahlt, d. h. des Kegels, der &theta;c als Grenzwinkel hat, zu kombinieren. Zusätzliche Informationen über die Probe können erhalten werden durch Vergleichen verschiedener Polarisierungsmodi, wie s- und p-polarisiertes Licht, d.i. Polari sationsrichtungen, die parallel und senkrecht zu der Ebene verlaufen, die durch die Richtung der Normalen auf die Probenoberfläche und die Beobachtungsrichtung stehen, d. h. &theta; und &phi;. Die Empfindlichkeit einer Messung wird weiter verbessert durch Addieren (bzw. Subtrahieren) der Lichtintensität, die in unterschiedlichen Richtungen gemessen wurde, und besonders durch Bringen des in unterschiedlichen Winkeln abgestrahlten Lichts zur Interferenz bzw. Überlagerung in einer phasenempfindlichen Weise durch Anlegen von Spiegeln, Strahlteilern und sonstigen, dem Fachmann bekannten Mitteln.
• Ferner stellte sich heraus, daß sich die Intensität des Lichts, das aus der Nahfeldstelle in den verbotenen Bereich abstrahlt, unzweideutig und empfindlicher mit dem Abstand zwischen dem Nahfeldgenerierungsmittel und dem Probenort verändert, als das von den SNOM-Vorrichtungen erfaßte übertragene Licht. Das von der neuen Vorrichtung erfaßte Licht kann daher vorzugsweise zum Vorsehen einer Annäherung und Steuerung des Abstands zwischen dem Nahfeldgeneratormittel und dem Probenort benutzt werden. Eine Abstandssteuerung, die eine Rückkopplungsschleife umfaßt, um die Lichtintensität auf einem konstanten Wert zu halten, ist als solche aus verschiedenen PSTM betreffenden Veröffentlichungen bekannt.
• Die vorstehenden und noch weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus den nachstehenden, in weitere Einzelheiten gehenden Beschreibungen erfindungsgemäßer, bevorzugter Ausführungsformen anhand der begleitenden Zeichnungen offenbar.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Die Erfindung wird nachstehend in mehreren Beispielen unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben:
• Fig. 1 illustriert schematisch die Grundelemente eines bekannten optischen Nahfeldmikroskops (a-SNOM);
• Fig. 2A, 2B zeigen die Grundelemente zweier Varianten einer ersten erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsform;
• Fig. 3 zeigte Einzelheiten einer anderen erfindungsgemäßen bevorzugten Ausführungsform;
• Fig. 4 zeigt ein Schaubild der erfaßten Lichtintensität, aufgetragen gegen den Abstand zwischen der Probe und der nahfeldgenerierenden Spitze in unterschiedlichen Beobachtungswinkeln.
BEISPIELE DER ERFINDUNG
• Nehmen wir Bezug auf Fig. 1; die Grundelemente eines bekannten optischen Raster-Nahfeldmikroskop (SNOM) werden gezeigt. Ein SNOM beinhaltet einen durchsichtigen Probenträger, im allgemeinen aus Glas oder Quarz, eine spitz zulaufende optische Faser 2, hergestellt z. B. durch Ätzen einer optischen Standardfaser in einer KOH-Lösung, und beschichtet mit einem undurchsichtigen Material, wie z. B. Aluminium. Die Faser 2 weist eine nichtabgedeckte Spitze auf, die als Blende dient. Verbunden mit der optische Faser ist eine Lichtquelle 3, die in der Lage ist, eine intensive Strahlung auszusenden. Geeignete Lichtquellen sind unterschiedliche Lasertypen, einschließlich Laserdioden. Messungen in den nachfolgenden erfindungsgemäßen Beispielen wurden mit einem 488 nm Argonlaserlichtstrahl gemacht.
• Ebenfalls befestigt an der Faser 2 sind Positionierelemente 4, 5 aus piezoelektrischem Material, um die Faserspitze in drei Dimensionen in Feinabstimmung zu verschieben. Die Posi tionierelemente werden mit elektrischen Signalen gesteuert, die von einer Abstandsteuerschaltung 6 bzw. einer Abtaststeuerschaltung 7 generiert werden. Das Z-Positionierelement 4 erlaubt eine Einstellung der Spitze auf eine vorgegebene Höhe über der Probenoberfläche. Das X-Y-Positionierelement 5 wird zum Bewegen der Spitze in einer Richtung parallel zur Probenoberfläche benutzt. Die Positionierelemente werden gehalten von mechanischen Stellgliedern (nicht dargestellt), die zur Grobeinstellung der Probe von einem Schrittmotor, einem DC-Motor, oder von Hand bewegt werden.
• Ein Lichtdetektor 8, wie z. B. ein Photovervielfacher, eine Photodiode oder eine ladungsgekoppelte Vorrichtung, wird in der Achse der Spitze an der gegenüberliegenden Seite des Probenträgers 1 angeordnet. Häufig enthält der Detektor 8 ein optisches Mikroskop, das vor dem Lichtdetektorelement angeordnet wird. In den nachstehenden Beispielen wird zum Messen der Lichtintensität ein Photovervielfacher eingesetzt. Der Lichtdetektor ist an eine bildverarbeitende und -analysierende Vorrichtung 9 angeschlossen. Alle wichtigen Steuereinheiten des SNOM werden von geeigneten Mikroprozessor- und Rechenmitteln überwacht und programmiert, die für die Zwecke der Fig. 1 in eine einzige Rechnereinheit 10 zusammengefaßt sind.
• Eine zu untersuchende Probe wird auf den Probenträger 1 gelegt. Nach einer ersten Grobeinstellung wird die Spitze der Faser 2 im Feinvorschub in die Nähe der Probenoberfläche gefahren bis die Probe innerhalb des optischen Nahfelds zu liegen kommt. Das optische Nahfeld wird beim Durchgang eines Lichtstrahls durch die optische Faser generiert. Das von der winzigen Öffnung im Scheitelpunkt der Spitze abgestrahlte Licht bildet ein Nahfeld, das innerhalb der mit den Abmessungen der Öffnung (20-50 nm) vergleichbaren Länge abnimmt. Das im wesentlichen in senkrechter Richtung durch die Probe und den Probenträger geführte Licht wird vom Lichtdetektor 8 aufgenommen und in elektrische Signale umgewandelt, die von der Bildverarbeitungsvorrichtung 9 in anzuzeigende Daten umgewandelt werden. Durch Abtasten der Probe in den horizontalen Richtungen wird ein komplettes Bild der Oberfläche gewonnen.
• Für die allgemeinen Elemente des optischen Nahfeldmikroskops bezieht sich die Beschreibung der nachstehenden Ausführungsformen auf Fig. 1.
• Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, die in Fig. 2A gezeigt wird, besteht der Probenträger 21 aus einer Halbkugel 211. Die Probe wird in die Mitte der flachen Oberfläche 212 der Halbkugel 211 unter die Spitze der konisch zugespitzten optischen Faser 22 gebracht. Im Gegensatz zu den bekannten SNOMs obiger Beschreibung ist ein Detektor 28 zum Aufnehmen des Lichts angebracht, das aus der Nahfeldzone 26 in einem Winkel außerhalb der Achse, insbesondere in einem Winkel &theta;, der großer ist als der Grenzwinkel &theta;c, abstrahlt. Wie in der Zeichnung gezeigt, strahlt das Licht aus dem Nahfeldbereich 26 in einen größeren Kegel ab, als er durch den Grenzwinkel definiert ist, und der Detektor 28 kann in unterschiedlichen Positionen angeordnet werden.
• In einem Abstand, der mit der Wellenlänge des angewandten Lichts vergleichbar ist, bleibt nur die Fernfeldkomponente des Lichts. Der Probenträger 21 dient als Übertragungsmedium für diese Fernfeldkomponente. Seine Halbkugelform stellt sicher, daß die Fernfeldkomponente im rechten Winkel auf die Grenze 213 trifft und mit nur geringfügiger Innenreflexion diese durchdringt. In der beschriebenen Ausführungsform wird der Detektor 28 dicht an der Grenze angeordnet, um eine weitere Dämpfung der Lichtintensität zu vermeiden. Es ist jedoch auch möglich, den Detektor an dieser Position durch eine Optikfaser zu ersetzen, die das aufgenommene Licht einem in der Ferne angeordneten Detektor zufuhrt. Diese Anordnung wird wichtig in Fallen, in denen die Abmessungen des Probenträgers 21 ein direktes Ankoppeln eines verhaltnismäßig großen Erfassungsmittels 28 verhindern.
• Weiter unter Bezugnahme auf Fig. 2A zeigt ein schraffierter Bereich 27 den bevorzugten Bereich für den Winkel &theta; innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, der etwa 20º umfaßt.
• In Fig. 2B ist eine Variante der ersten Ausführungsform gezeigt; in dieser ist die freiliegende Spitze der sich verjüngenden Faser durch eine mit Aluminium 23 beschichtete Spitze ersetzt. Eine winzige Öffnung 24 wird freigelassen, um das Nahfeld am Ort der Probe zu generieren. Diese Ausführungsform sieht eine erhöhte Auflosung gegenüber der ersten Variante vor, weil die nichtbeschichtete Spitze nur eine schlecht definierte Öffnung aufweist. Ferner ermöglichen Anordnungen 281-283 von Lichtdetektoren die Erfassung von Licht, das in unterschiedlichen Winkeln &theta; abstrahlt, die sowohl großer als auch kleiner sind als &theta;c, und so die Einsatzmöglichkeit des neuen Mikroskops auch für Winkelauflosungs-Messungen erweitern.
• Eine beschichtetet Spitze mit einer Öffnung wird auch in dem Beispiel angewandt, das in den Fig. 3A-B illustriert wird, wobei Fig. 3B eine Draufsicht auf die Fig. 3A darstellt und eine Ebene durch die Probe zeigt. Der kreisrunde Probenträger 31 ist so eingerichtet, daß er in eine Standard-Optikbühne 311 paßt, die in herkömmlichen Mikroskopen benutzt wird. Eine Anordnung von Lichtdetektoren 38, 381 ist an derem Umfang angeordnet zum Erfassen der Azimut-Verteilung des aus dem Nahfeldbereich 36 um den Probenort 35 abgestrahlten Lichts, d. h. der Lichtintensität unter verschiedenen Winkeln &phi;. Durch Einsatz mehrerer Lichtdetektoren 381 in einer Linie, die senkrecht auf dem Umfang steht, läßt sich die Veränderung der Lichtintensität gegen den Winkel &theta; messen.
• Gemäß dem oben beschriebenen Brechungsgesetz unterliegt in größeren Winkeln als &theta;c abgestrahltes Licht einer internen Totalreflexion an der gegenüberliegenden Grenze des Trägers 381. Somit ist der Träger in der Lage, das Licht durch eine Reihe von Totalreflexionen zu leiten, wie von optischen Fasern bekannt ist. Die schraffierten Bereiche 37 zeigen diesen Lichtleiteffekt. Der Bereich der Winkel, in denen das Licht durch die Seitenwand 312 strahlt, hängt ab von der Geometrie und dem Brechungsindex des Materials. Wenn die Seitenwand 312 vertikal steht, wird Licht, das in Winkeln zwischen 41,3º und 48,7º abstrahlt, weitergeleitet, wenn BK7 verwendet wird, das am meisten verwendete optische Glas mit n = 1,515, und zwischen 43,2º und 46,8º beim Einsatz von Quarzglas mit einem Brechungsindex von 1,460. Der Radius des Trägers beeinflußt dieses Ergebnis nicht. Durch Schrägstellen der Seitenwand 312 um einen Winkel größer als 5º wird der gesamte interessierende Winkelbereich, etwa 20º, übertragen. Der Probenträger weist einen Radius von 5,1 mm und eine Dicke von 1,5 mm auf.
• Die Detektoren 38, 381 können auch effizient an den transparenten Probenträger 31 gekoppelt werden entweder durch Vorsehen eines optischen Kontakts mit der Seitenwand, der oberen und/oder der unteren Fläche, durch Anwenden eines optischen Klebers, Immersionsöls oder sonstiger, dem Fachmann bekannter Mittel, um eine Grenze ohne scharfen Übergang zu erhalten, die den Brechungsindex berücksichtigt.
• Da die Abmessung des Trägers mit der Detektoranordnung in der Regel kleiner als 1 cm ist und der Durchmesser des Frontendes der konisch zugespitzten Faser 33 die Größenordnung von einigen um nicht übertrifft, kann die ganze Vorrichtung in eine übliche optische Buhne 311 eines Linsen- oder Konfokalmikroskops eingebaut werden.
• Ein bedeutsamer Vorteil des Lichts, das aus dem Nahfeld mit Winkeln &theta; abstrahlt, die großer sind als der Grenzwinkel &theta;c, ist den Ergebnissen nach die starke und unzweideutige Abhängigkeit seiner Intensität vom Abstand zwischen der Nahfeld-generierenden Blendenöffnung und der Oberfläche der Probe. Diese Abhängigkeit wird in Fig. 4 illustriert, die die gemessenen Lichtintensität gegen den Abstand für einen Winkel 8 = 47º, 41, und &theta; = 0º, 42, auftragt, d. h. Übertragung entlang der Achse, die senkrecht auf der Probenoberfläche steht. Das in Richtung der Normalen übertragene Licht zeigt eine ausgesprochene Modulierung und verhindert dadurch die Anwendung eines Signals für Abstandsteuerungszwecke. Andererseits zeigt das Licht, das aus dem Nahfeld in einem Winkel abstrahlt, der großer ist als der Grenzwinkel, eine glatte exponentielle Zunahme. Durch Verwendung der gemessenen Lichtintensität 41 als Eingang für Abstandsteuerungsschaltung 6 (siehe Fig. 1) laßt sich leicht eine Ruckkopplungsschleife herstellen, die eine genaue Steuerung der Hohe der Spitze beim Abtasten der Probe ermöglicht.
• Die Auflosung und der Kontrast der Messungen kann noch weiter verbessert werden durch Verwenden von phasenempfindlicher Überlagerung (Interferenz) von Licht, das aus unterschiedlichen Winkeln abstrahlt. Überlagern des Lichts, das mit &theta; = 55º, jedoch an entgegengesetzten Azimut-Winkeln &phi; abstrahlt, durch Verwenden geeignet angeordneter Spiegel und Stahlteiler, ergibt ein erfaßtes Signal, das proportional ist zu
• P(55º)+P*(55º)+2 P(55º)P*(55º)cos(&psi;-&psi;*-&Delta;&psi;)
• Hierbei wird die Winkel-Leistungsdichte für die beiden Azimut-Richtungen mit P bzw. P* bezeichnet, und (&psi;-&psi;*- &Delta;&psi;) ist die Phasendifferenz der beiden Lichtstrahlen, erweitert durch eine zusätzlich eingeführte Phasenverschiebung &Delta;&psi;. Durch Einführen einer Phasenverschiebung &Delta;&psi; = 180º verschwindet das Signal in Abwesenheit der Probe. Das heißt, die Probe selbst läßt sich mit höherem Kontrast und Auflösung abbilden als nur durch Beobachten der Lichtintensitäten.

Claims (14)

1. Ein optisches Nahfeldmikroskop enthaltend transparente Probenträgermittel (21, 31) mit einer Haltefläche für eine Probe (25, 35) mit einem Grenzwinkel &theta;c, Nahfeld- Mittel (2-7, 22-24, 32-34) zum Generieren eines Nahfelds (26, 36) aus Licht anliegend an die Haltefläche des Probenträgermittels, Positioniermittel (4-7) zum Einrichten des Abstands zwischen der Haltefläche und den Nahfeld-Mitteln, und Lichterfassungsmittel (8, 28, 281- 283, 38, 381),

dadurch gekennzeichnet daß

das Lichterfassungsmittel (8, 28, 281-283, 38, 381) angeordnet ist zum Messen der Intensität des Lichts, das in einem Winkel &theta; abstrahlt, der größer ist als der Grenzwinkel &theta;c, wobei der Winkel &theta; von der Normalen auf die Fläche aus gemessen wird.

2. Mikroskop gemäß Anspruch 1, in dem das Nahfeld-Mittel ein Lichtfortpflanzungsmedium (2, 22, 32) mit einem konisch zulaufenden Endteil aufweist.

3. Mikroskop gemäß Anspruch 1, in dem das Nahfeld-Mittel ein Lichtfortpflanzungsmedium (2, 22, 32) mit einem konisch zulaufenden Endteil aufweist, das mit einem undurchsichtigen Material (23, 33) abgedeckt ist, das eine enge Blendenöffnung (24, 34) im Scheitel des konisch zulaufenden Endteils läßt.

4. Mikroskop gemäß Anspruch 1, das ferner Abtastmittel (4-7) zum Bewegen des Nahfeldmittels und des Probenträgermittels relativ zueinander in mindestens einer Richtung parallel zur tragenden Fläche aufweist.

5. Mikroskop gemäß Anspruch 1, in dem das Probenträgermittel Lichtkopplungsmittel (211, 31) aufweist zum Fortpflanzen des Lichts, das aus dem Nahfeld-Mittel in einem Winkel &theta;, der größer ist als der Grenzwinkel &theta;c, abstrahlt, zum Lichterfassungsmittel.

6. Mikroskop gemäß Anspruch 1, in dem das Probenträgermittel lichtdurchlässige Kopplungsmittel (211, 31) aufweist zum Fortpflanzen des Lichts, das aus dem Nahfeld-Mittel in Winkeln &theta;, die größer sind als der Grenzwinkel &theta;c, zum Lichterfassungsmittel abstrahlt und in dem

das Lichterfassungsmittel eine Anordnung von Detektoren (281-283, 38, 381) aufweist, die an das Probenträgermittel entweder direkt oder über weitere Lichtfortpflanzungsmittel befestigt sind, um eine gleichzeitige Messung der Intensität des Lichtes, das in unterschiedlichen Winkeln &theta; und/oder unterschiedlichen Azimut- Winkeln &phi; abstrahlt, zu ermöglichen.

7. Mikroskop gemäß Anspruch 1, in dem das Probenträgermittel lichtdurchlässige Kopplungsmittel (211, 31) aufweist zum Fortpflanzen des Lichts, das aus dem Nahfeld-Mittel in Winkeln &theta;, die größer sind als der Grenzwinkel &theta;c, zum Lichterfassungsmittel abstrahlt und wobei

das Lichterfassungsmittel eine Anordnung von Detektoren (281-283, 38, 381) aufweist, die an das Probenträgermittel entweder direkt oder über weitere Lichtfortpflanzungsmittel befestigt sind, um eine gleichzeitige Messung der Intensität des Lichtes, das in unterschiedlichen Winkeln &theta; und/oder unterschiedlichen Azimut- Winkeln &phi; abstrahlt, zu ermöglichen und Mittel zum Addieren/Subtrahieren der Ausgänge aus der Anordnung aufweist.

8. Mikroskop gemäß Anspruch 1, in dem das Probenträgermittel eine Halbkugel (211) umfaßt mit einer flachen Oberfläche (212) als Trägerfläche, wobei die Halbkugel aus durchsichtigem Material besteht, zum Fortpflanzen des Lichts, das aus dem Nahfeld-Mittel in Winkeln &theta;, die größer sind als der Grenzwinkel &theta;c abstrahlt, zum Lichterfassungsmittel.

9. Mikroskop gemäß Anspruch 1, das ferner Mittel zur phasenempfindlichen Überlagerung von Licht aufweist, das aus dem Nahfeld in unterschiedlichen Winkeln &theta; und/oder unterschiedlichen Azimut-Winkeln &phi; abstrahlt.

10. Mikroskop gemäß Anspruch 1, in dem das Probenträgermittel eine vorzugsweise kreisrunde Platte (31) mit planparallelen Oberflächen aufweist, von denen eine die probentragende Fläche ist, und eine Frontfläche (312), die gegenüber der Senkrechten auf die planparallele Fläche geneigt angeordnet ist, wobei die Platte aus transparentem Material besteht zum Fortpflanzen des Lichts, das aus dem Nahfeld in Winkeln &theta;, die größer sind als der Grenzwinkel &theta;c, abstrahlt, zu den Lichterfassungsmitteln.

11. Verfahren der optischen Nahfeld-Mikroskopie, enthaltend die folgenden Schritte: Legen einer Probe mit einem Grenzwinkel &theta;c auf ein Probenträgermittel, Generieren eines Nahfelds aus Licht an der Probe, und Messen der Intensität von Licht, das aus dem Nahfeld in Winkeln &theta;, die größer sind als der Grenzwinkel &theta;c, abstrahlt.

12. Das Verfahren gemäß Anspruch 11, das ferner beinhaltet: Messen der Intensität von Licht, das aus dem Nahfeld in Winkeln &theta; von weniger als um 15º größer als der Grenzwinkel &theta;c, abstrahlt.

13. Das Verfahren gemäß Anspruch 11, in dem die gemessene Intensität von Licht, das aus dem Nahfeld in Winkeln &theta;, die größer sind als der Grenzwinkel &theta;c abstrahlt, zur Steuerung des Abstands zwischen der Oberfläche der Probe und dem Nahfeld-generierenden Mittel benutzt wird.

14. Das Verfahren gemäß Anspruch 11, in dem das aus dem Nahfeld in zwei unterschiedlichen Winkeln &theta; und/oder unterschiedlichen Azimut-Winkeln &phi; abstrahlende Licht phasenempfindlich überlagert wird bevor seine Intensität gemessen wird.