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Die
Erfindung betrifft ein Nahfeldmikroskop für eine nahfeldoptische Messung
an einer Probe und ein Verfahren zur Nahfeldmikroskopie.
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Die
optische Nahfeldmikroskopie basiert auf der Messung von Streulicht
an einer Nahfeldsonde, das durch eine optische Nahfeldwechselwirkung
zwischen der Nahfeldsonde und einer Probe beeinflusst ist. Zur Erzielung
eines hohen örtlichen
Auflösungsvermögens wird
als Nahfeldsonde z. B. eine Tastspitze verwendet, wie sie aus der
Atomkraftmikroskopie bekannt ist. Zur Erzeugung des Streulichts
wird die Nahfeldsonde fokussiert beleuchtet. Die Fokussierung soll
möglichst
frei von chromatischen Fehlern sein, um Messfehler bei der Beleuchtung
mit verschiedenen Wellenlängen,
z. B. im sichtbaren Spektralbereich oder im mittleren Infrarot-Spektralbereich zu
vermeiden. Bisher werden zur Fokussierung in der Nahfeldmikroskopie
transmittierende optische Bauelemente, z. B. optische Linsen verwendet,
mit denen die geforderte Unterdrückung
von chromatischen Fehlern wegen der Materialdispersion in den Bauelementen
nicht oder nur unzureichend erreicht werden kann.
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Zur
Vermeidung der chromatischen Fehler, die durch die Materialdispersion
verursacht werden, wurde von T. Nakano et al. ("Optik", Bd. 94, 1993, S. 159–162) vorgeschlagen,
die Beleuchtungsstrahlung mit reflektierenden optischen Bauelementen,
z. B. rotationssymmetrischen Hohlspiegelobjektiven zu fokussieren.
Als Hohlspiegelobjektiv wurde beispielsweise ein Reflektor in Form
eines Paraboloids verwendet, dessen Paraboloidachse senkrecht zur Oberfläche der
untersuchten Probe ausgerichtet ist. Mit diese Geometrie ergibt
sich eine Bestrahlung der Nahfeldsonde im wesentlichen senkrecht
zur Oberfläche,
wie dies auch in der Lichtmikroskopie mit Glasobjektiven üblich ist.
Ein Nachteil der herkömmlichen
Reflektoren besteht darin, dass die Polarisationsrichtung der Beleuchtungsstrahlung
im wesentlichen transversal ist, für die optische Nahfeldwechselwirkung
mit der Probe jedoch eine senkrecht zur Probe orientierte Lichtfeldstärke bevorzugt
wird. Wenn zur Lösung
dieses Problems eine Neigung des herkömmlichen Hohlspiegelobjektivs
eingeführt
wird, ergeben sich weitere Nachteile durch den Platzbedarf der Nahfeldsonde
und den Aufwand für
eine möglichst
komafreie Justierung.
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Von
K. Ueyanagi et al. wird in „Japanese Journal
of Applied Physics",
Band 39, 2000, S. 888–891
vorgeschlagen, einen Lesekopf zum nahfeldoptischen Auslesen eines
optischen Datenspeichers mit einem fokussierenden Reflektor auszustatten.
Der Reflektor ist ein so genannter SIM-Spiegel (SIM: Solid Immersion
Mirror) mit einer Oberfläche
in Form eines Halb-Paraboloiden.
Der Reflektor ist so ausgerichtet, dass die Paraboloidachse des
geschnittenen Paraboloiden parallel zur Oberfläche des optischen Datenspeichers
verläuft
und Beleuchtungsstrahlung, die entlang der Paraboloidachse auf die
Oberfläche
gerichtet wird, eine Fokussierung auf die Oberfläche des optischen Datenspeichers
erfährt.
Die Anwendung des von K. Ueyanagi beschriebenen SIM-Spiegels ist
auf das Auslesen optischer Datenspeicher beschränkt. Eine Anwendung in der optischen
Nahfeldmikroskopie ist ausgeschlossen, da der SIM-Spiegel weder genügend Raum
für eine Positionierung
der Nahfeldsonde im Fokus des Spiegels zur Verfügung stellt, noch eine Überwachung des
Betriebs der Nahfeldsonde ermöglicht.
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Spiegeloptiken
mit angeschnittenen oder komplex geformten Reflektorflächen sind
für Anwendungen
zum Beispiel in der Kameratechnik oder Lichtmikroskopie in
WO 2005/078502 A1 ,
DE 103 01 633 A1 ,
US 2005/0117227 A1 und
DE PS 599 970 beschrieben.
Diese Spiegeloptiken sind jedoch nicht für die Nahfeldmikroskopie vorgesehen.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Nahfeldmikroskop
mit einer Spiegeloptik, insbesondere für eine nahfeldoptische Messung
an einer Probe bereitzustellen, mit dem die Nachteile der herkömmlichen
Nahfeldmikroskopie überwunden werden
und die einen erweiterten Anwendungsbereich besitzt. Die Spiegeloptik
soll ermöglichen,
dass eine Nahfeldsonde im Fokus der Spiegeloptik angeordnet und
beleuchtet werden kann. Des weiteren soll die Fokussierung der Beleuchtungsstrahlung
mit verminderten optischen Fehlern und einer optimierten Polarisationsrichtung
bereitgestellt werden. Die Aufgabe der Erfindung besteht des weiteren
in der Bereitstellung eines verbesserten optischen Nahfeldmikroskops
das eine in Bezug auf die optischen Fehler und die Polarisation
verbesserte Beleuchtung der Nahfeldsonde ermöglicht.
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Diese
Aufgaben werden durch eine Spiegeloptik und durch ein Nahfeldmikroskop
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen
und Anwendungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Gemäß einem
ersten Gesichtspunkt beruht die Erfindung auf der allgemeinen technischen
Lehre, eine Spiegeloptik mit einem paraboloidförmigen Reflektor bereitzustellen,
dessen Rand so geformt ist, dass auf einen Fokus des Reflektors
mindestens zwei Beleuchtungsstrahlengänge gerichtet werden können. Die
Oberfläche
(reflektierende Oberfläche) des
Reflektors ist so ausgeschnitten, dass mindestens zwei behinderungsfreie
Lichtwege gebildet werden können,
die durch den Fokus des Reflektors verlaufen. Vorteilhafterweise
wird durch die Bereitstellung mindestens eines Randausschnittes
des Reflektors eine Positionierung einer Nahfeldsonde im Fokus des
Reflektors so ermöglicht,
dass einerseits durch die Halterung der Nahfeld sonde die Beleuchtungsstrahlengänge nicht
behindert werden und andererseits durch den Reflektor der Betrieb
(Bewegung, Oszillation) der Nahfeldsonde nicht eingeschränkt wird.
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Die
Erfinder haben festgestellt, dass für die fehlerfreie Fokussierung
entlang des ersten Beleuchtungsstrahlengangs zur Anregung und Beobachtung von
Streulicht an der Nahfeldsonde ein Paraboloid, dessen Rand in einer
Ebene senkrecht zur Paraboloidachse einen Kreisbogen bildet, nicht
unbedingt erforderlich ist. Gemäß der Erfindung
ermöglicht
auch ein Paraboloid mit mindestens einem Randausschnitt, der zusätzlich einen
optischen Zugang zur Überwachung
der Probe und/oder der Nahfeldsonde entlang dem zweiten Beleuchtungsstrahlengang
eröffnet,
eine effektive Lichtsammlung an der Nahfeldsonde. Die beschnittene
Reflektorfläche
ermöglicht sowohl
die Fokussierung von kollimierter erster Beleuchtungsstrahlung auf
die Nahfeldsonde zur Erzeugung des Streulichts als auch die Fokussierung
von zweiter Beleuchtungsstrahlung zur Beobachtung der Probe und/oder
der Nahfeldsonde.
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Die
Form des erfindungsgemäß verwendeten
Reflektors repräsentiert
einen Teil eines Paraboloids. Mit dem Begriff „Paraboloid" wird hier jede geometrische
Fläche
mit einer Achse (Paraboloidachse) bezeichnet, für die ein Schnitt parallel
zur Paraboloidachse eine Parabel ergibt. Ein Schnitt senkrecht zur
Paraboloidachse ergibt einen Kreis. Der Paraboloid ist ein Rotationsparaboloid.
Der Schnittpunkt der Paraboloidachse mit dem Paraboloid wird als
Ursprung des Paraboloids bezeichnet.
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Der
Reflektor weist einen ersten Rand auf, der die Paraboloidfläche in einer
Richtung parallel zur Paraboloidachse beschränkt. Der erste Rand wird hier
auch als Hauptöffnung
des Paraboloids bezeichnet. Typischerweise erstreckt sich die Hauptöffnung in
einer Ebene senkrecht zur Paraboloidachse.
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Wenn
der Reflektor gemäß einer
abgewandelten Ausführungsform
der Erfindung für
eine schräge
Ausrichtung relativ zur Probenoberfläche vorgesehen ist, kann sich
die Hauptöffnung
in einer Ebene erstrecken, die mit der Paraboloidachse einen Winkel ungleich
90° bildet.
Der erfindungsgemäß verwendete
Reflektor weist einen zweiten Rand auf, der durch die Bereitstellung
des Randausschnittes für
den zweiten Beleuchtungsstrahlengang gebildet wird. Der zweite Rand
wird hier auch als Seitenöffnung
des Paraboloids bezeichnet. Allgemein wird die Seitenöffnung durch
einen Schnitt des Paraboloids gebildet, dessen Schnittebene nicht
durch den Ursprung des Paraboloids und nicht senkrecht zur Paraboloidachse
verläuft.
Typischerweise wird der Randausschnitt durch eine Schnittebene des
Paraboloids gebildet, die parallel zur Paraboloidachse mit einem
Abstand von dieser verläuft.
Insbesondere bei der Anwendung mit einem schräg gestellten Reflektor kann
die Schnittebene relativ zur Paraboloidachse geneigt sein.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung bildet der Reflektor einen Halb-Paraboloid. Der Reflektor
weist in diesem Fall zusätzlich
einen dritten Rand auf, der die Paraboloidform in oder nahe einer
Mittelebene des Paraboloids beschränkt. Der dritte Rand wird hier
auch als Basisöffnung
des Paraboloids bezeichnet. Der Begriff "Halb-Paraboloid" umfasst hier sowohl die genaue Halbierung
als auch den Fall eines an der Basisöffnung zusätzlich beschnittenen Paraboloids.
Vorteilhafterweise kann damit die Spiegeloptik so relativ zu einer
ebenen Oberfläche
einer zu untersuchenden Probe angeordnet werden, dass die Paraboloidachse
parallel zu oder in der Oberfläche
der Probe verläuft.
Vorteilhafterweise ist bei dieser Ausführungsform der Erfindung der
erste Beleuchtungs strahlengang parallel zur Oberfläche der
Probe ausgerichtet. Die Polarisation der ersten Beleuchtungsstrahlung
kann so ausgerichtet werden, dass an der Nahfeldsonde eine Beleuchtung
mit einer im wesentlichen senkrecht zur Oberfläche der Probe orientierten
Lichtfeldstärke (Polarisation)
bereitgestellt wird.
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Durch
die Ränder
des paraboloidförmigen Reflektors
werden relativ zum Fokus des Reflektors Öffnungswinkel aufgespannt,
die Räume
für die
Nahfeldsonde und die ersten und zweiten Beleuchtungsstrahlengänge frei
lassen. Gemäß einer
bevorzugten Variante der Erfindung ist der zwischen dem zweiten und
dem dritten Rand in einer Mittelebene gebildete Öffnungswinkel α des Reflektors
in einem Bereich von 20° bis
70° gewählt. Für diesen
Winkelbereich haben die Erfinder festgestellt, dass die Beleuchtung des
Fokus über
den ersten Beleuchtungsstrahlengang mit hoher Effektivität möglich ist,
ohne dass der zweite Beleuchtungsstrahlengang zu stark beschnitten
wird.
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Der
erste Rand des Paraboloids bildet die Hauptöffnung mit einem vorbestimmten Öffnungswinkel β. Der Öffnungswinkel β repräsentiert
den Winkel, unter dem Strahlung auf dem ersten Beleuchtungsstrahlengang
auf den Fokus zuläuft. Wenn
der Öffnungswinkel β im Bereich
von 30° bis 240° gewählt ist,
kann die Lichtsammlung im Fokus des Reflektors vorteilhafterweise
verbessert werden.
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Ein
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Spiegeloptik besteht darin,
dass gleichzeitig mehrere Betriebsbedingungen der Nahfeldmikroskopie
erfüllt
werden können,
welche die Bewegung der Probe relativ zur Nahfeldsonde und relativ
zum Spiegelobjektiv, die Halterung der Nahfeldsonde, die Umkehrbarkeit
des ersten Beleuchtungsstrahlengangs zum Auslesen des Streulichts
und den optischen Zugang zur mikroskopischen Überwachung der Nahfeldsonde
und/oder zum Auslesen einer Verbiegung der Nahfeldsonde umfassen.
Des weiteren kann die Beleuchtung so polarisiert werden, dass die
Feldstärke
eine wesentliche Komponente entlang der Nahfeldsonde senkrecht zur
Oberfläche
der Probe enthält,
was insbesondere wegen der Antennenfunktion von metallisierten Tastspitzen
für die
sSNOM-Mikroskopie
(sSNOM: Scattering-Type Scanning Near-Field Optical Microscope)
von Vorteil ist.
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Wenn
die Spiegeloptik gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung mit einem Justierelement ausgestattet ist, können sich Vorteile
für eine
Justierung des ersten Beleuchtungsstrahlengangs relativ zur Paraboloidachse
des Reflektors ergeben. Das Justierelement ist ein optisches Bauteil
mit einem ebenen Reflektor, dessen Oberfläche senkrecht zur Paraboloidachse
des Reflektors angeordnet ist. Als Justierelement kann beispielsweise
ein ebener Spiegel oder ein anderes reflektierendes Bauteil mit
einer planen Oberfläche
verwendet werden.
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Das
Justierelement ist vorzugsweise an einem Rand des Reflektors angeordnet,
so dass Störungen
der ersten oder zweiten Beleuchtungsstrahlengänge vermieden werden. Besonders
bevorzugt ist die Positionierung am zweiten Rand, also am Umfang
des erfindungsgemäß vorgesehenen
Randausschnitts des Reflektors.
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Wenn
die Beleuchtungsintensität
an der Position des Justierelements für eine sichere Justierung nicht
ausreichend ist, kann gemäß einer
weiteren Variante der Erfindung die Spiegeloptik mit einem Ablenkelement
ausgestattet sein. Das Ablenkelement ist im sich öffnenden
Paraboloid im ersten Beleuchtungsstrahlengang angeordnet und lenkt
einen Teil der Beleuchtungsstrahlung aus dem ersten Beleuchtungsstrahlengang hin
zum Justierelement. Vorzugsweise ist das Ablenkelement eine plane
parallele, transparente Platte, z. B. aus Glas. Mit Hilfe des Ablenkelements
wird vorteilhafterweise der Rand des Reflektors der Spiegeloptik
ausgeleuchtet.
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Vorteilhafterweise
kann die Spiegeloptik in der Praxis mit verschiedenartigen optischen
Bauelementen realisiert werden. Gemäß einer Variante umfasst der
Reflektor der Spiegeloptik einen Hohlspiegel, mit dem vorteilhafterweise
chromatische Abbildungsfehler ausgeschlossen werden können. Alternativ
kann der Reflektor durch eine Festkörper-Immersionsoptik gebildet
werden, die eine reflektierende Grenzfläche entsprechend der erfindungsgemäß vorgesehenen
Paraboloidform enthält.
Die Festkörper-Immersionsoptik
ist vorzugsweise wie eine SIM-Linse aufgebaut. Vorteilhafterweise
kann mit der Verwendung der Festkörper-Immersionsoptik der Fokusdurchmesser
in Abhängigkeit
von dem Brechungsindex des Materials der Festkörper-Immersionsoptik verringert
und die Beleuchtungsstärke
an der Nahfeldsonde entsprechend vergrößert werden.
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Zur
Vermeidung von Reflektionsverlusten kann die Festkörper-Immersionsoptik mit
einer ebenen Eintrittsfläche
ausgestattet sein. Besonders bevorzugt ist die Bereitstellung einer
dielektrischen Beschichtung auf der Eintrittsfläche und/oder die Neigung der
Eintrittsfläche
gemäß dem Brewster-Winkel relativ
zum ersten Beleuchtungsstrahlengang.
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Der
Gegenstand der Erfindung ist ein Nahfeldmikroskop, das mindestens
eine erfindungsgemäße Spiegeloptik
und mindestens eine Nahfeldsonde enthält. Vorzugsweise ist die Spiegeloptik
im Nahfeldmikroskop relativ zu einer Probe auf einer Probenhalterung
so angeordnet, dass die Paraboloidachse des Reflektors parallel
zur Oberfläche
der Probe verläuft.
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Alternativ
kann die Paraboloidachse relativ zu der Oberfläche der Probe mit einem Reflektorwinkel
geneigt sein, der z. B. im Bereich oberhalb von 0° bis 60°, vorzugsweise
10° bis
45° gewählt ist,
wobei sich in diesem Fall Vorteile für die Justierung oder die Einstellung
einer bestimmten Polarisation der ersten Beleuchtungsstrahlung relativ
zur Ausrichtung der Probenoberfläche
ergeben können.
Insbesondere kann damit der erste Beleuchtungsstrahlengang über die
Tastspitze und ihre Halterung hinweg geführt werden, was einen kompakten
Aufbau ermöglicht.
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Um
bei dieser Variante eine möglichst
hohe Lichtsammlung durch den Reflektor zu erhalten, verläuft der
erste Rand vorzugsweise nicht durch eine Ebene senkrecht zur Paraboloidachse,
sondern durch eine Ebene senkrecht zur Probenoberfläche. Der
Winkel zwischen der vom ersten Rand aufgespannten Ebene und einer
Normalen auf der Paraboloidachse entspricht dem Reflektorwinkel.
Des Weiteren verläuft
der zweite Rand vorzugsweise nicht durch eine Ebene parallel zur
Paraboloidachse, sondern parallel zur Probenoberfläche. Der
Winkel zwischen der vom zweiten Rand aufgespannten Ebene und der
Paraboloidachse entspricht dann ebenfalls dem Reflektorwinkel.
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Das
erfindungsgemäße Nahfeldmikroskop ist
vorzugsweise mit einer Lichtquelleneinrichtung ausgestattet, mit
der über
den ersten Beleuchtungsstrahlengang die Nahfeldsonde im Fokus der
Spiegeloptik beleuchtet werden kann. Die Spiegeloptik und die Lichtquelleneinrichtung
sind vorzugsweise relativ zueinander fixiert, so dass die Justierungen während der
optischen Nahfeldmessung vermieden werden können. Vorteilhafterweise kann
die Lichtquelleneinrichtung für
Messungen mit spektraler Auflösung
Beleuchtungsstrahlen mit mehreren, verschiedenen Wellenlängen erzeugen.
Hierzu können beispielsweise
mehrere La serquellen in der Lichtquelleneinrichtung vorgesehen sein,
die verschiedene Emissionswellenlängen aufweisen. Die Beleuchtungsstrahlen
mit den verschiedenen Wellenlängen werden
parallel nebeneinander über
den ersten Beleuchtungsstrahlengang auf die Nahfeldsonde im Fokus
der Spiegeloptik fokussiert.
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Vorzugsweise
ist das Nahfeldmikroskop gemäß der Erfindung
ferner mit einer Detektoreinrichtung ausgestattet, mit der Streulicht
von der Nahfeldsonde detektiert werden kann. Vorteilhafterweise wird
mit der erfindungsgemäß verwendeten
Spiegeloptik ein großer
Raumwinkelbereich zur Sammlung der an der Nahfeldsonde gestreuten
Strahlung erfasst, so dass sich das Nahfeldmikroskop durch eine hohe
Sammlungseffizienz und ein verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis auszeichnet.
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Der
mit der Spiegeloptik erfasste Raumwinkelbereich entspricht einem
großen
Querschnitt des Parallelstrahls auf dem ersten Beleuchtungsstrahlengang.
Da der Parallelstrahl nicht kompakt, sondern rechteckig oder elongiert
deformiert ist, kann eine Teilung des Parallelstrahls in zwei oder
mehrere nebeneinander verlaufende Strahlen vorgesehen sein. Vorteilhafterweise
können
damit mehrere Strahlen auf die Nahfeldsonde gerichtet werden oder
das rückgestreute
Licht räumlich
getrennt detektiert werden.
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Ein
Verfahren zur nahfeldoptischen Messung an einer Probe unter Verwendung
einer erfindungsgemäßen Spiegeloptik
oder eines erfindungsgemäßen Nahfeldmikroskops
stellt einen unabhängigen Gegenstand
der Erfindung dar.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung der beigefügten
Zeichnungen ersichtlich. Es zeigen:
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1:
eine schematische Illustration der erfindungsgemäß geschnittenen Paraboloidform
des Reflektors einer Spiegeloptik,
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2:
eine schematische Seitenansicht einer nahfeldmikroskopischen Messanordnung
mit einer ersten Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Spiegeloptik,
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3:
eine schematische Draufsicht auf die in 2 gezeigte
Ausführungsform
der Erfindung, und
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4:
eine schematische Seitenansicht einer nahfeldmikroskopischen Messanordnung
mit einer weiteren Ausführungsform
einer erfindungsgemäßen Spiegeloptik.
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1 illustriert
eine Ausführungsform
einer erfindungsgemäß verwendeten
Spiegeloptik 10, die durch einen Hohlspiegel gebildet wird.
Auf der inneren Krümmung
des Hohlspiegels ist der Reflektor 11 gebildet, dessen
Oberfläche
einen Ausschnitt eines Paraboloids mit dem Fokus 13 auf
der Paraboloidachse 12 bildet. Beim illustrierten Beispiel
verläuft die
Paraboloidachse 12 in x-Richtung. Die Paraboloidfläche öffnet sich
in x-Richtung.
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Die
Form des Reflektors 11 wird durch die folgenden drei Schnitte
des Paraboloids bestimmt. Der erste Schnitt verläuft parallel zur y-z-Ebene
zur Bildung des ersten (vorderen) Randes 16.1, 16.2 des Reflektors 11.
Die Hauptöffnung
des Paraboloids wird so beschnitten, dass der Fokus 13 außerhalb des
vom Reflektor 11 umschlossenen Raumes angeordnet ist. Die
zweiten und dritten Schnitte verlaufen parallel zur x-y-Ebene, wobei der
obere (zweite) Rand 15 und der untere (dritte) Rand 17 gebildet
werden. Mit dem oberen Rand 15 wird der erfindungsgemäß vorgesehene
Randausschnitt 14 als Seitenöffnung des Paraboloids gebildet.
Der untere Rand 17 liegt in einer Ebene 18, die
einen vorbestimmten Abstand z1 von der Paraboloidachse 12 mit
dem Fokus 13 aufweist. Der Abstand z1 beträgt z. B.
1 mm. Durch den dritten Rand wird die Form des Halb-Paraboloids
nahe der Mittelebene des Paraboloids beschränkt. Alternativ kann ein Halb-Paraboloid
geschaffen werden, in dem die Ebene 18 mit der Mittelebene
des Paraboloids zusammenfällt.
Relativ zum Fokus 13 bilden der untere Rand 17 und
der obere Rand 15 den Öffnungswinkel α (siehe 2)
und die Fußpunkte
der vorderen Ränder 16.1, 16.2 den Öffnungswinkel β (siehe 3).
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Der
Reflektor 11 ist so beschnitten, dass ein erster Beleuchtungsstrahlengang
I und ein zweiter Beleuchtungsstrahlengang II auf den Fokus 13 gerichtet
werden können.
Der erste Beleuchtungsstrahlengang I (schematisch illustriert) umfasst
alle parallel zur Paraboloidachse 12 (x-Richtung) auf den
Reflektor 11 fallenden Strahlen, die entsprechend der paraboloiden
Reflektorform in den Fokus 13 fokussiert werden. Das im
Fokus 13 mit einer Nahfeldsonde (siehe 2 bis 4)
allseits abgestrahlte Streulicht wird in umgekehrter Richtung mit
dem Reflektor 11 gesammelt und in die x-Richtung gelenkt. Der
zweite Beleuchtungsstrahlengang II verläuft senkrecht zur Paraboloidachse 12 und
zur Ebene 18. Der zweite Beleuchtungsstrahlengang II kann
von der Reflektorseite (wie dargestellt) oder von der entgegengesetzten
Seite oder von beiden Seiten auf den Fokus 13 gerichtet
sein. Durch den zweiten Beleuchtungsstrahlengang II wird ein Lichtweg
geschaffen, auf dem die Probe und/oder die Nahfeldsonde beobachtet
werden können.
Es kann insbesondere die Probenoberfläche mit einem Mikroskop und/oder die
Ausrichtung der Nahfeldsonde mit einem optischen Deflektionsdetektor
erfasst werden.
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Für die Anwendung
in der Nahfeldmikroskopie wird der Reflektor 11 durch eine
Metallfolie, z. B. aus Nickel oder eine beschichtete Hohlfläche eines optischen
Bauelements gebildet, wie dies in den 2 und 3 illustriert
ist. Gemäß einer
weiteren Variante kann eine Festkörper-Immersionsoptik vorgesehen
sein, die unten unter Bezug auf 4 beschrieben
ist.
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Die 2 und 3 illustrieren
eine Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen optischen
Nahfeldmikroskops 100 mit der Spiegeloptik 10,
einer Nahfeldsonde 20, einer Lichtquelleneinrichtung 30, einer
Detektoreinrichtung 40 und einer Kameraeinrichtung 50.
Die schematisch illustrierten Komponenten 20 bis 50 (in
Figur nur teilweise gezeigt) und eine Steuerungs- und Auswertungseinrichtung
(nicht dargestellt) des Nahfeldmikroskops 100 sind so aufgebaut,
wie es aus der herkömmlichen
Nahfeldmikroskopie bekannt ist.
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Die
Spiegeloptik 10 umfasst einen Spiegelkörper mit einer konkaven Oberfläche, die
den Reflektor 11 bildet. Die Oberfläche des Reflektors 11 repräsentiert
einen Ausschnitt eines Paraboloids, wie dies oben unter Bezug auf 1 beschrieben
wurde. Der Spiegelkörper
besteht z. B. aus Aluminium.
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Die
Spiegeloptik 10 ist mit dem Abstand z1 über der
Oberfläche 2 der
zu untersuchenden Probe 1 angeordnet. Der Öffnungswinkel α zwischen
dem unteren Rand 17 und dem oberen Rand 15 beträgt z. B.
50°. Parallel
zur Oberfläche 2 der
Probe 1 beträgt der Öffnungswinkel β (siehe 3)
z. B. 150°.
Die Paraboloidachse 12 des Reflektors 11 verläuft parallel
zur Oberfläche 2.
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Gemäß einer
abgewandelten Ausführungsform
der Erfindung kann die Paraboloidachse 12 relativ zur Oberfläche 2 um
einen Reflektorwinkel von z. B. 20° geneigt sein. Der erste Rand 16.1, 16.2 erstreckt
sich dann senkrecht zur Probenoberfläche in einer Ebene, die entsprechend
mit der Paraboloidachse einen Winkel von 70° aufspannt. Des Weiteren spannt
der zweite Rand 15 mit der Paraboloidachse entsprechend
dem Reflektorwinkel ebenfalls 20° auf.
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Am
oberen (zweiten) Rand 15 des Randausschnitts 14 ist
das Justierelement 19 angeordnet. Das Justierelement 19 umfasst
einen Planspiegel, dessen Oberfläche
senkrecht zur Paraboloidachse 12 ausgerichtet ist. Mit
dem Justierelement 19 kann die entlang dem ersten Beleuchtungsstrahlengang
I auf den Reflektor 11 gerichtete Strahlung genau parallel
zur Paraboloidachse 12 justiert werden. Hierzu genügt es, wenn
die Spiegelfläche
des Justierelements 19 geringe Maße von z. B. 1 mm aufweist. Falls
die Strahlintensität
am Rand 15 für
Justierzwecke nicht ausreichend ist, kann in den ersten Beleuchtungsstrahlengang
I eine planparallele, transparente Platte 19.1 (gestrichelt
gezeichnet) eingesetzt werden, mit der ein Teil des Lichts auf das
Justierelement 19 abgelenkt wird, ohne die Bestrahlung
der Tastspitze 21 wesentlich zu beeinträchtigen.
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Mit
dem Reflektor 11 wird das parallel zur Paraboloidachse 12 eingestrahlte
Licht auf die Tastspitze 21 fokussiert. Vorteilhafterweise
wird ermöglicht, eine
starke, zur Oberfläche 2 der
Probe 1 senkrecht stehende Komponente des elektrischen
Feldes auf die Tastspitze 21 zu fokussieren.
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Der
zweite Beleuchtungsstrahlengang II verläuft senkrecht zur Paraboloidachse 12 zwischen
der Nahfeldsonde 20 und der Kameraeinrichtung 50.
Im zweiten Beleuchtungsstrahlengang II ist ein Mikroskopobjektiv 51 angeordnet.
Vorzugsweise weist das Mikroskopobjektiv 51 einen Arbeitsabstand
ab, der größer als
die senkrechte Höhe
der Spiegeloptik 10 über
dem Fokus 13 ist. Es wird beispielsweise ein Cassegrain-Spiegelobjektiv
(NA = 0.55, Arbeitsabstand 23 mm) verwendet. Bei der Untersuchung
einer transparenten Probe 1 kann zusätzlich eine Beobachtung von
der Unterseite der Probe her vorgesehen sein.
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4 illustriert
Einzelheiten einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung, bei der die Spiegeloptik 10 eine Festkörper-Immersionsoptik
mit einem Spiegelkörper 10.1 aus
einem transparenten Material umfasst. Der Spiegelkörper 10.1 besteht
beispielsweise aus Glas oder ZnSe. Ein Vorteil dieser Ausführungsform
besteht darin, dass der Fokusdurchmesser entsprechend einem Faktor
verkleinert wird, der gleich dem Brechungsindex des Materials des
Spiegelkörpers 10.1 ist
(z.B. ZnSe: n = 2.4). Die Beleuchtungsstärke an der Nahfeldsonde vergrößert sich entsprechend
mit dem Faktor n2. Bei der Sammlung des
an der Nahfeldsonde gestreuten Lichtes werden Gewinne ähnlicher
Größenordnung
erzielt.
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Bei
der Spiegeloptik 10 gemäß 4 wird der
Reflektor 11 durch eine gekrümmte Oberfläche des Spiegelkörpers 10.1 gebildet.
Die Reflektion des ersten Beleuchtungsstrahlengangs I erfolgt durch
innere Totalreflektion oder durch eine metallische Beschichtung.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß 4 bildet
der Reflektor 11 einen Halb-Paraboloiden. Die durch den
Rand 17 aufgespannte Ebene enthält die Paraboloidachse 12 und
den Fokus 13. Der Spiegelkörper 10.1 wird gemäß 4 an
seiner an den Rand 17 angrenzenden Seite durch eine ebene
Oberfläche 10.2 begrenzt,
die den Fokus 13 enthält.
Die zu untersuchende Probe wird auf die Oberfläche 10.2 aufgebracht
und mit der Nahfeld sonde 20 abgerastert, wie dies von der
Nahfeldmikroskopie bekannt ist. Wenn sich die zu untersuchende Probe
auf einem gesonderten Substrat, z. B. einem Deckglas für die Mikroskopie,
befindet, so wird der Spiegelkörper 10.1 auf
der Seite der Oberfläche 10.2 um
die Dicke des gesonderten Substrats abgetragen.
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Vorteilhafterweise
kann das Probensubstrat auf dem Spiegelkörper 10.1 verschoben
werden, um verschiedene Bereiche der Probe nahfeldmikroskopisch
zu untersuchen. Dabei können
gemäß einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Mikroskopieverfahrens
die Nahfeldsonde 20 und der Reflektor 11 ortsfest
bleiben.
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Auf
der zum ersten Beleuchtungsstrahlengang I weisenden Seite weist
der Spiegelkörper 10.1 eine
ebene Eintrittsfläche 10.3 auf,
die zur Vermeidung von Reflektionsverlusten vorzugsweise mit einer
an die verwendeten Wellenlängen
angepassten dielektrischen Beschichtung versehen oder mit dem Brewsterwinkel
geneigt angeordnet ist.
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Die
in den 2 und 4 schematisch gezeigten Ausführungsformen
erfindungsgemäßer Nahfeldmikroskope 100 weisen
jeweils eine einzelne Spiegeloptik 10 auf. Gemäß einer
abgewandelten Ausführungsform
der Erfindung kann ein Nahfeldmikroskop mit zwei Spiegeloptiken
ausgestattet sein, von denen eine erste Spiegeloptik gemäß 2 der Beleuchtung
der Tastspitze 21 und die zweite Spiegeloptik gemäß 4 der
Sammlung des an der Tastspitze gestreuten Lichtes dient. In diesem
Fall wird der erste Beleuchtungsstrahlengang von einer Lichtquelleneinrichtung über die
erste Spiegeloptik zur Tastspitze aufgespannt, während ein zweiter Beleuchtungsstrahlengang
von der Tastspitze über
die zweite Spiegeloptik zur Detektoreinrich tung und ein dritter
Beleuchtungsstrahlengang zur Beobachtung der Probe und/oder der
Tastspitze vorgesehen sind.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen offenbarten
Merkmale der Erfindung können
sowohl einzeln als auch in Kombination für die Verwirklichung der Erfindung
in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.