DE69413475T2

DE69413475T2 - Rückgekoppelte, reflektive Sonde für optischen Nahfeldnachweis

Info

Publication number: DE69413475T2
Application number: DE69413475T
Authority: DE
Inventors: Robert Eric Chatham New Jersey 07928 Betzig; Igal M. Eatontown New Jersey 07724 Brener; Stephen Gregory Warren New Jersey 07059 Grubb; David Andrew Barclay Fair Haven New Jersey 07704 Miller
Original assignee: AT&T Corp
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1993-07-29
Filing date: 1994-07-20
Publication date: 1999-04-15
Anticipated expiration: 2014-07-21
Also published as: JPH07174770A; DE69413475D1; US5389779A; EP0636914B1; JP3280165B2; EP0636914A1

Description

Stand der Technik

Die jüngsten Fortschritte haben die optische Nahfeld-Abtastmikroskopie (NSOM) soweit entwickelt, daß sie routinemäßig auf vielfältige Proben angewandt werden kann. Zum Beispiel werden in E. Betzig, J.K. Trautman, T.D. Harris, J.S. Weiner und R.L. Kostelak, , 1468 (1991); E. Betzig, P.L. Finn und J.S. Weiner, , 2484 (1992); und E. Betzig und J.K. Trautman, , 189 (1992) der Entwurf und die Anwendungen einer auf einer metallbeschichteten verjüngten Lichtleitfaser basierenden Sonde beschrieben. Die Weiterentwicklung von Nahfeldsonden bleibt dessenungeachtet ein Gebiet von aktivem Interesse. Zum Beispiel würde die Menge und Vielfalt von Anwendungen durch die Entwicklung von Sonden mit erhöhten Photonenfluß gesteigert werden. Bei der obengenannten verjüngten Fasersonde ist der Fluß zu einem großen Teil dadurch begrenzt, daß die übertragene Energie in abklingenden Moden innerhalb der Sonde exponentiell gedämpft wird, wenn sich der Sondendurchmesser auf Abmessungen verjüngt, die wesentlich kleiner als die Wellenlänge sind. Statt die Probe direkt über dieses vergleichsweise schwache emittierte Licht abzubilden, ist es jedoch prinzipiell möglich, lokale Eigenschaften der Probe durch ihren Einfluß auf die Randbedingungen an der emittierenden Öffnung der Sonde und durch deren folgende Auswirkung auf das elektromagnetische Feld in der Sonde selbst zu messen. Das Problem wird dann zu einem Problem der Messung dieser Feldänderungen mit ausreichender Geschwindigkeit und Empfindlichkeit zur Ermöglichung einer NSOM-Reflexionsmodendetektion mit großer Bandbreite.
Reflexionsrückkopplungssonden wurden in der Tat für den Betrieb in einer Höhe von mehr als einer Wellenlänge über der Probenoberfläche vorgeführt. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 4 860 276, ausgegeben an H. Ukita, et al. am 22.8.1989, einen optischen Kopf zum Lesen oder Schreiben digitaler Daten. Dieser Kopf, der von einem fliegenden Gleitträger geführt wird, enthält einen eigengekoppelten Halbleiterlaser, der sich in einem Abstand von einigen Mikrometern von der Aufzeichnungsoberfläche befindet. Die resultierende Fleckgröße hat einen Durchmesser von etwa 1 um, was jedoch nicht wesentlich kleiner als die bei Verwendung herkömmlicher Fokussierungsoptik erreichbaren Fleckgrößen ist. Somit erreicht die Sonde von Ukita das Ziel der Kombination der hohen Auflösung der Nahfelddetektion mit den relativ großen durch Reflexionsrückkopplung erzielbaren Rauschabständen nicht.

Kurze Darstellung der Erfindung

Zur Erreichung dieser Ziele, und damit der Erzielung einer NSOM-Reflexionsmodendetektion mit großer Bandbreite, wurde ein System entwickelt, bei dem der Spitzen- und Öffnungsbereich einer NSOM-Sonde als ein Endreflektor eines optischen Resonators dient, der ein optisch emittierendes Medium enthält (das emittierende Medium kann zum Beispiel ein mit der Sonde kontinuierlicher Nd³&spplus;-dotierter Faserlaser sein). Die Feldänderungen in der Spitze zeigen sich dann als kleine Schwankungen des komplexen Reflexionsgrads an einem Ende des Resonators. Bekanntlich können diese Schwankungen zu erheblichen Änderungen der optischen Ausgangskenngrößen des emittierenden Mediums führen. Zum Beispiel können sie zu großen Änderungen der Ausgangsleistung aus dem anderen Ende eines Faserlasers führen, besonders wenn der Laser in der Nähe der Schwelle betrieben wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt schematisch eine beispielhafte Konfiguration für ein Reflexionsmoden-NSOM-System mit einer Faserlasersonde gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Fig. 2 ist ein Graph, der zeigt, wie das Ausgangssignal einer beispielhaften Faserlasersonde von der Eingangsleistung abhängt. Die beispielhafte Sonde wurde in einen Abstand von etwa 10-20 nm von einer reflektierenden Goldoberfläche gebracht und mit einer Spitze-Spitze-Amplitude von etwa 10 nm vertikal oszilliert. Die obere Kurve der Figur zeigt die Gleichstrom-Ausgangsleistung der Sonde, und die untere zeigt die nahfeld-induzierte Wechselstrommodulation.
Fig. 3 ist ein Graph, der zeigt, wie die induzierte Wechselstrommodulation von dem Abstand zwischen der Sondenspitze und einer stark reflektierenden Goldoberfläche (obere Kurve) und einer weniger reflektierenden Glasoberfläche (untere Kurve) abhängt.
Fig. 4 ist ein NSOM-Bild eines auf einem Glassubstrat ausgebildeten Chrom-Testmusters. Das Bild wurde mit einer Faserlasersonde gemäß einer Ausführungsform der Erfindung erzeugt.
Fig. 5 ist ein Scherkraftbild des Testmusters von Fig. 4. Dieses Bild wurde gleichzeitig mit dem Bild von Fig. 4 erzeugt.
Fig. 6 ist ein Graph, der zeigt, wie die Modulationsverstärkung einer beispielhaften Faserlasersonde von der Modulationsfrequenz abhängt. Die Modulationsverstärkung wird als prozentuale Spitze- Spitze-Ausgangsmodulation ausgedrückt und ist auf eine Spitze-Spitze-Schwankung der Pumpleistung von 2% normiert. Es sind drei Kurven gezeigt, die drei verschiedenen Gleichstrom-Ausgangsleistungspegeln entsprechen.
Fig. 7 ist ein Graph, der zeigt, wie die Ausgangsleistung eines Faserlasers von der Eingangs- Pumpleistung abhängt. Es sind fünf Kurven gezeigt, die jeweils verschiedene Endreflektorbedingungen darstellen. Die mittlere Kurve stellt eine beispielhafte Faserlaser-NSOM-Sonde dar.
Fig. 8 ist eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der Erfindung, bei der eine passive Nahfeldsonde an einer emittierenden Vorderseite eines Lasers angebracht ist.
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung einer Lichtquelle, die in Verbindung mit einer alternativen Ausführungsform der Erfindung nützlich ist. Diese Lichtquelle umfaßt einen fluoreszierenden Körper, der in einem Fabry-Perot-Resonator angeordnet ist.
Fig. 10 ist eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zur Detektion durch Modulation der Laserfrequenz ν.
Fig. 11 ist eine schematische Darstellung eines Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zur Detektion durch passive Phasenkopplung des Lasers.

Ausführliche Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform

Mit Bezug auf Fig. 1 wurde eine hybride Nahfeld-Faserlasersonde 105 mit einem Laser- Verstärkungsbereich 107 durch Ziehen einer ND³&spplus;- dotierten Einmoden-Lichtleitfaser in einer Pipetten- Ziehvorrichtung und Aufbringen einer Aluminiumbeschichtung 110 gemäß dem Verfahren zur Herstellung passiver Fasersonden von E. Betzig, J.K. Trautman, T.D. Harris, J.S. Weiner und R.L. Kostelak, , 1468 (1991) erzeugt. Die verwendete Faser hatte ein Δ von etwa 1% und einen gleichförmig mit ND³&spplus;- Ionen dotierten Kern mit einem Durchmesser von 3,4 um, was bei der Pumpwellenlänge (753 nm) zu einer gemessenen Dämpfung von 0,89 dB/cm führte. In das abgespaltene Ende 120 wurde Pumplicht mit 753 nm aus einem Kr&spplus;-Laser eingekoppelt, und die resultierende 1060-nm-Laseremission wurde wie in der Figur gezeigt durch den Detektor 125 nach der Isolation von der Pumpe an demselben Ende gemessen. Zum Halten des verjüngten Endes der Sonde in dem Nahfeld wurde ein Nahfeld- Abtastkopf mit integrierter Scherkraftrückkopplung verwendet, der durch einen Elektroniksatz gesteuert wurde, der die gleichzeitige Erfassung der Nahfeld- Reflexions- und Scherkrafttopographiebilder gestattet (Scherkraftrückkopplung wird in E. Betzig, P.L. Finn und J.S. Weiner, , 2484 (1992) beschrieben). Niederfrequente Leistungsschwankungen bei dem Kr&spplus;-Laser erforderten die Verwendung einer aktiven Schaltung mit einem akustooptischen Modulator zur Stabilisierung der 1060-nm-Faserlaseremission in einer Bandbreite von Gleichstrom bis zu etwa 10 kHz. Demzufolge wurde das Nahfeldsignal erzeugt, indem der Probe eine kleine vertikale Zitterbewegung (mit ungefähr 10 nm Spitze-Spitze) einer etwas höheren Frequenz (etwa 36 kHz) vermittelt wurde und das der Faserlaseremission überlagerte resultierende Wechselstromsignal mit einem Fanghilfeverstärker demoduliert wurde.
Wie in Fig. 2 gezeigt, betrug das induzierte Wechselstromsignal bei Pumpleistungspegeln unterhalb der Schwelle im wesentlichen Null, stieg aber danach rasch bis auf einen wesentlichen Anteil der Gesamt- Laserausgangsleistung an. Zum Beispiel wurde bei einer Ausgangsleistung von 0,37 mW eine Modulation von 22% beobachtet. Diese Modulationsamplitude entspricht 4,3 · 10¹&sup4; am Detektor empfangenen Photonen pro Sekunde. Zusammen mit der in der Fig. 3 gezeigten beobachteten Empfindlichkeit dieses Signals sowohl für den Probenreflexionsgrad als auch den Abstand der Spitze zu der Probe deuten diese Ergebnisse darauf hin, daß die als reflektive oder topographische Bit codierten Daten mit Geschwindigkeiten lesbar sein werden, die wesentlich größer als 1 MHz sind.
Zur Bewertung der räumlichen Auflösung wurde durch Elektronenstrahllithographie ein Testmuster aus 11 nm dicken Chromstrukturelementen auf einem Glassubstrat hergestellt. Die in Fig. 4 bzw. 5 gezeigten optischen und Scherkraftbilder wurden durch NSOM- und Scherkraftmikroskopie erzeugt. Es ist wünschenswert, diese Bilder bei der Messung der Auflösung zu vergleichen, weil sich die topographischen Daten aus dem Scherkraftsignal in das Nahfeldbild einkoppeln können, was zu der unerwünschten Einführung von Informationen mit hoher räumlicher Frequenz führt. Dies trifft insbesondere auf die Faserlasersonde zu, bei der die Empfindlichkeit des Nahfeldsignals für den Abstand zwischen Öffnung und Probe sehr groß ist. Da sich die Bilder von Fig. 4 und 5 in wesentlichen Aspekten unterscheiden, kann aus diesen Figuren mit Sicherheit angenommen werden, daß das optische Signal direkt ausgewertet wird. Insbesondere sind die erscheinenden Linienstärken wesentlich größer in dem Scherkraftbild, da sie durch eine Faltung der wahren Linienstärke mit dem äußeren, metallisierten Durchmesser der Sonde bestimmt werden, während die Nahfeld-Stärken aus einer Faltung der wahren Linienstärke mit dem wesentlich kleineren Durchmesser der Öffnung resultieren. Daher wurde gefolgert, daß die Daten in Fig. 4 eine Auflösung von 150 nm oder besser zeigen (d. h. 150 nm ist der mittlere Linienabstand in dem Muster) und tatsächlich Informationen enthalten, die nicht genau mit Fig. 5 korrelieren, und zwar bei räumlichen Frequenzen, die einer Auflösung von 100 nm oder besser entsprechen. Dies ist völlig im Einklang mit der in den hier beschriebenen Experimenten verwendeten Öffnungsgröße von 130-150 nm.
Aus den Ergebnissen der Experimente folgt, daß Daten, wenn der Rauschabstand nur durch Schrotrauschen begrenzt ist, mit Packungsdichten von etwa 29 Gbit/Zoll² und mit Geschwindigkeiten von etwa 50 Mbit pro Sekunde (z. B. aus einem Medium mit Reflexionsphasenänderung) gelesen werden können (dabei wird ein Leistungsrauschabstand von etwa 25 dB und ein Kontrast, der etwa die Hälfte des in den hier beschriebenen Laborexperimenten erzielten Kontrasts beträgt, angenommen).
Folglich wurde festgestellt, daß der hier beschriebenen Hybridsonde durch die Relaxationsoszillationsfrequenz frlx des Lasers eine wesentliche Bandbreitenbeschränkung auferlegt wird, d. h. die erforderliche Zeitdauer, damit der Pumpstrahl eine Besetzungsinversion herstellen kann, ist wesentlich größer als die erforderliche Zeitdauer für das Abklingen der Besetzungsinversion durch angeregte Emission. Dies führt zu einer Grenz-frlx für die maximale Frequenz, mit der die Ausgangsleistung moduliert werden kann, die näherungsweise durch den folgenden theoretischen Ausdruck gegeben ist:
Bei einer typischen NSOM-Sonde betragen die Resonatorlänge L 70 cm, der Brechungsindex n 1,5, die Lebensdauer der spontanen Nd³&spplus;-Emission τ 500 us, das Verhältnis von Pumpleistung während des Normalbetriebs zu der an der Schwelle r 1,15 und die Reflexionsgrade an den abgespaltenen und verjüngten Enden des Resonators R&sub1; 0,04 bzw. R&sub2; 0,01. Diese Werte ergeben frlx 92 kHz, was zu einem wesentlich niedrigeren Grenzwert für die Lesegeschwindigkeit führt, als aufgrund der Schrotrauschbetrachtungen alleine erwartet werden würde.
Durch Auftragen der durch eine kleine Wechselstromvariation der Pumpleistung induzierten normierten Ausgangsleistungsmodulation von 10-100 kHz wurde der Frequenzgang der Sonde bestimmt, wie in Fig. 6 dargestellt. Bei allen drei gezeigten Ausgangsleistungspegeln liegt frlx in derselben Größenordnung wie oben vorhergesagt wurde. Außerdem nimmt die Empfindlichkeit oberhalb von frlx mit einer sehr starken Steilheit von 15 dB/Oktave ab. Durch höhere Leistungspegel wird gemäß Gleichung 1 eine etwas bessere frlx erzielt; sogar 3,0 mW, die für die Kurve mit der schnellsten Ansprechzeit verwendet wurden, reichen jedoch aus, um eine wärmeinduzierte Beschädigung der Sonde zu verursachen. Bei einer vorsichtigeren (und auch typischen) Betriebsleistung von 0,38 mW beträgt frlx 34 kHz, was die Wahl der in den experimentellen Versuchen von Fig. 2-5 Verwendeten vertikalen Zitterfrequenz erklärt.
Mit Bezug auf Fig. 6 sollte beachtet werden, daß die bei frlx auftretende Verstärkungsspitze ausgenutzt werden kann, um eine optimale Empfindlichkeit zu erzielen. Die Modulationsverstärkung ist bei allen Frequenzen unterhalb von frlx bei 0,38 mW etwas besser als bei 3,0 mW, weil dies dem Punkt der optimalen Empfindlichkeit entlang der Schwellenkurve näher kommt. Bei einer noch niedrigeren Leistung von 0,12 mW nimmt die Verstärkung jedoch schnell ab, da ihr Grenzwert bei der Erreichung der Schwelle letztlich verschwinden muß.
Wie oben erwähnt, besteht eine Art der Ausnutzung dieser Verstärkungsspitze darin, den Abstand zwischen der Sonde und der Probenoberfläche mit oder in der Nähe der Frequenz frlx zu modulieren. Ein alternatives Verfahren besteht darin, die Pumpleistung des Lasers mit oder in der Nähe dieser Frequenz zu modulieren. Noch ein weiteres Verfahren ist möglich, bei dem die Sonde zum Lesen eines auf der Probenoberfläche eingeprägten Musters, wie zum Beispiel einer regelmäßigen Anordnung von Bit gespeicherter Daten in einem optischen oder magnetooptischen Speichermedium verwendet werden soll. In einem solchen Fall kann die Abtastung der Probe dergestalt erfolgen, daß aufeinanderfolgende Bit (oder andere Strukturelemente der Oberfläche) mit einer Frequenz von frlx oder ungefähr frlx unter der Sonde vorbeilaufen.
Zur Verbesserung der Bandbreite der Hybridsonde werden mehrere Verfahren in Betracht gezogen. Zum Beispiel kann frlx mit geeignet starker Dotierung und einem ausreichend kurzen Resonator wesentlich vergrößert werden. Tatsächlich wurde bereits ein Impulsbetrieb mit einer Wiederholungsfrequenz von 2,5 MHz in einem 1 cm langen dotierten Nd³&spplus;-Faserlaser demonstriert (siehe z. B. L.A. Zenteno, E. Snitzer, H. Po, R. Tumminelli und F. Hakimi, , 671 (1989)). Zweitens können anstelle von Fasern andere Lasersysteme mit wesentlich höherer frlx verwendet werden. Zum Beispiel glaubt der Verfasser, daß eine passive NSOM-Sonde mit einem Halbleiterdiodenlaser kombiniert werden kann, um ein System zu bilden, das sowohl zu hoher Geschwindigkeit als auch zu hoher Auflösung fähig ist. In diesem Fall wird die Empfindlichkeit ein wichtigerer Gesichtspunkt als die Bandbreite sein, da Diodenlaser frlx-Werte im GHz- Bereich aufweisen.
Aus Daten wie den in Fig. 7 gezeigten wurde abgeschätzt, daß der effektive Reflexionsgrad am Nahfeld-Ende des Resonators in einem typischen der erfindungsgemäßen Faserlasersonden etwa 1% beträgt. Dieser niedrige Reflexionsgrad ist auf den Umstand zurückzuführen, daß die Verjüngung den größten Teil der zurückreflektierten Energie nicht in den Kern, sondern in die Ummantelung streut. Die große Empfindlichkeit für Nahfeld-Störungen wird dann durch eine Umlenkung eines kleinen Teils dieses gestreuten Lichts zurück in das Verstärkungsmedium und/oder durch eine kleine Änderung der Phase der reflektierten Energie verursacht. Es wird angenommen, daß es wünschenswert sein wird, diese charakteristischen Eigenschaften bei der Entwicklung etwaiger neuer Hybridwandler, die einen Laser mit einer Nahfeldsonde kombinieren, beizubehalten.
Die oben beschriebenen beispielhaften Sonden erstreckten sich zusammen mit faseroptischen Lasern. Es sollte jedoch beachtet werden, daß eine solche Sonde Verstärkung typischerweise nur in einem anfänglichen Teil aufweist und in der Umgebung der Sondenspitze keine wesentliche Verstärkung aufweist. Dies trifft im allgemeinen auch dann zu, wenn die Sonde gleichförmig mit optisch emittierenden Ionen dotiert ist (vorausgesetzt, daß die Gesamtlänge die Absorptionslänge für Pumpstrahlung übersteigt). Somit verhält sich ein Endteil des optischen Resonators typischerweise in Bezug auf Laseremission nicht als ein aktiver, sondern als ein passiver Resonator.
Tatsächlich kann, wie oben erwähnt, eine emittierende Vorderseite eines Lasers oder einer anderen Lichtquelle durch eine rein passive Nahfeldsonde, die an der emittierenden Vorderseite angebracht ist, an die Probe angekoppelt werden. Eine solche kombinierte Baugruppe ist in Fig. 8 gezeigt. Der Reflexionsgrad der Grenzfläche zwischen z. B. der Laserdiode 200 und der passiven Sonde 210 kann von ungefähr Null bis auf ungefähr 100% verändert werden, indem zum Beispiel geeignete reflexmindernde Beschichtungen aufgebracht werden. Dieser Reflexionsgrad beeinflußt die optische Rückkopplung und damit den Betrieb der Lichtquelle. Wenn zum Beispiel der Reflexionsgrad groß genug ist, so daß die Diode sogar ohne die angebrachte Sonde in dem Laserbetrieb arbeitet, dann kann die kombinierte Baugruppe als ein an einen außerhalb des Lasers selbst befindlichen passiven Resonator angekoppelter Laser beschrieben werden. Andererseits kann der Reflexionsgrad zu gering für einen Laserbetrieb der isolierten Diode sein. In diesem Fall kann die kombinierte Baugruppe als ein an einen externen passiven Resonator oder Resonatorteil angekoppelter optischer Verstärker beschrieben werden.
Man beachte, daß der Reflexionsgrad an der Sondenspitze so gewählt werden kann, daß die Empfindlichkeit der Sonde maximiert wird. Zum Beispiel kann der Reflexionsgrad der Spitze einer gezogenen Lichtleitfasersonde durch Veränderung des Materials, mit dem die Spitze beschichtet wird, verändert werden. Es ist einzusehen, daß die optischen
Ausgangskenngrößen auch anderer Arten von Lichtquellen durch das Nahfeld einer Probenoberfläche verändert werden können. Es ist beabsichtigt, auch diese in den Schutzbereich der Erfindung miteinzuschließen. Als Beispiel kann eine geeignete Lichtquelle, wie in Fig. 9 gezeigt, durch einen fluoreszierenden Körper 300 bereitgestellt werden, der in einem Fabry-Perot- Resonator enthalten ist, der so kurz ist, daß die Fluoreszenzemission des Körpers im wesentlichen auf eine einzige Resonanzschwingungsart beschränkt ist. Es wird erwartet, daß die Abstimmung eines solchen Resonators empfindlich für das Nahfeld der zum Beispiel durch eine in einem der Endreflektoren 320 des Resonators befindliche Öffnung 310 mit Abmessungen unterhalb der Wellenlänge hindurch gemessenen Probenoberfläche ist. Veränderungen bei der Abstimmung des Resonators führen zu erkennbaren Veränderungen zum Beispiel der Intensität der Fluoreszenzemission. Der fluoreszierende Körper 300 ist zum Beispiel eine mit einer geeigneten fluoreszierenden Spezies wie zum Beispiel Erbium dotierte Siliziumdioxidschicht mit einer Dicke von einer halben Wellenlänge, die in verteilten Bragg-Reflektoren eingeschlossen ist, die abwechselnde Silizium- und Siliziumdioxidschichten 330, 340 mit einer Dicke von einer Viertelwellenlänge umfassen. Als Alternative ist der fluoreszierende Körper eine Galliumarsenid-Quantenmulde, die in der Mitte einer AlGaAs-Schicht einer Dicke von einer halben Wellenlänge eingebettet ist, und die Schichten 330 und 340 umfassen abwechselnd AlGaAs und AlAs. Diese und andere Strukturen können ohne weiteres durch bekannte Verfahren hergestellt werden, wie zum Beispiel durch Unterdruckverdampfung und Molekularstrahlepitaxie.
Zumindest in manchen Fällen kann es nützlich sein, Abbildungssignale nicht durch Amplitudenmodulation sondern durch Frequenzmodulation zu demodulieren, und zwar entweder durch optische Überlagerung oder durch passive Phasenkopplung des Laser-Sonden-Systems. Von solchen Verfahren wird erwartet, daß sie deutlich über die Schwelle hinaus Empfindlichkeit bewahren. Optische Überlagerung ist ein nützliches Demodulationsverfahren, wenn die Frequenz ν der Laserstrahlung moduliert wird. Im Gegensatz dazu führt das Phasenkopplungsverfahren zu einer Modulation der Ausgangs-Impulsfrequenz fml des Lasers. Beide Frequenzen können durch effektive Phasenänderungen der reflektierten Welle aus der Sondenspitze beeinflußt werden, wenn die Spitze relativ zu der Probenoberfläche bewegt wird oder wenn sich der Reflexionsgrad der Probenoberfläche ändert.
Wie in Fig. 10 gezeigt emittiert ein Laser, der als Beispiel durch die optische Nahfeld-Mikroskopspitze 400, das Verstärkungsmedium 410 und den Ausgangskoppler 420 gebildet wird, Licht in das Laserfrequenzmeßsystem 430 hinein, das zum Beispiel ein optischer Überlagerungsdemodulator ist. Wenn sich der Reflexionsgrad oder die Höhe der Probenoberfläche ändert, werden entsprechende Änderungen der Laserfrequenz ν demoduliert.
Bei dem alternativen Demodulationsverfahren von Fig. 11 wird dem Resonator ein sättigungsfähiger Absorber 500 hinzugefügt, um eine passive Phasenkopplung zu bewirken. Passive Phasenkopplung bewirkt, daß der Laser eine Folge optischer Impulse emittiert, deren Wiederholungsfrequenz fml von der optischen Länge des Laserresonators abhängt. Somit verändert sich, wenn der Reflexionsgrad oder die Höhe der Probenoberfläche verändert wird, die effektive optische Länge des Resonators ebenfalls, und diese Änderung bewirkt eine Änderung der Frequenz fml. Die phasengekoppelte Impulsfolge wird in das Impulsfrequenzmeßsystem 510 gespeist. Ein geeignetes solches Verfahren wird z. B. in W.H. Knox, "In situ Measurement of Complete Intracavity Dispersion in an Operating Ti : Sapphire Femtosecond Laser", , (1992), 514-516, beschrieben. Dieser Artikel von Knox demonstriert außerdem expilizit, daß das Verfahren der Messung der Impulswiederholungsfrequenz aus einem passiv phasengekoppelten Laser sehr empfindlich für optische Prozesse in Laserresonatoren ist. Insbesondere wird die Impulswiederholungsfrequenz ohne weiteres so gewählt, daß sie in einem Bereich liegt, der elektronisch gemessen werden kann.

Claims

1. Vorrichtung zum Sammeln von Informationen von einer Oberfläche einer Probe, mit folgendem:

a) einer Lichtquelle (105; 200, 210; 300, 310, 320; 400, 410, 420) mit einem ersten optischen Resonator (110, 120; 320; 400, 420), und weiterhin mit einem emittierenden Vorderseitenteil (110; 210; 310; 400), durch den hindurch Strahlung aus dem ersten optischen Resonator emittiert wird;

b) Mitteln zur Plazierung des emittierenden Vorderseitenteils (110; 210; 310; 400) in der Nähe der Oberfläche der Probe, so daß der optische Resonator relativ zu mindestens einer Wellenlänge λ aus dem optischen Resonator (110, 120; 320; 400, 420) emittierter Strahlung reflektierend mit einer Stelle auf der Oberfläche der Probe gekoppelt wird;

c) Mitteln zum Abtasten der Stelle über einen Teil der Oberfläche der Probe hinweg; und

d) Mitteln (125; 430; 510) zur Erfassung von Änderungen einer charakterischen Ausgangsgröße der Lichtquelle,

dadurch gekennzeichnet, daß:

e) der emittierende Vorderseitenteil (110; 210; 310; 400) eine maximale Ausdehnung L in mindestens einer zu der Oberfläche der Probe parallelen Abmessung aufweist, die weniger als λ beträgt; und

f) die Plazierungsmittel so ausgelegt sind, daß sie den emittierenden Vorderseitenteil (110; 210; 310; 400) in einer Distanz von der Oberfläche der Probe plazieren, die kleiner oder ungefähr gleich L ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei:

a) die Lichtquelle (105) einen Wellenleitungskörper aus Glas umfaßt; und

b) mindestens ein Teil (107) des besagten Körpers mit einer fluoreszierenden Spezies dotiert wird, so daß der besagte dotierte Teil Strahlung emittieren kann, wenn er in geeigneter Weise durch Pumpstrahlung angeregt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei:

a) der Wellenleitungskörper aus Glas eine Lichtleitfaser mit einem verjüngten Endteil mit einem Ende ist; und

b) der emittierende Vorderseitenteil (110) am Ende des verjüngten Endteils definiert ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle einen Laser umfaßt, der erste optische Resonator sich in dem Laser befindet und mindestens ein Teil des Resonators einen Verstärkungsbereich des Lasers umfaßt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die Lichtquelle einen Laser (200) umfaßt, in dem sich ein zweiter optischer Resonator befindet; der erste optische Resonator sich außerhalb des Lasers befindet; und der erste optische Resonator optisch an den zweiten optischen Resonator angekoppelt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei: die Lichtquelle eine optisch an den Laser (200) angekoppelte Lichtleitfaser (210) mit einem bezüglich des Lasers fernen verjüngten Endteil umfaßt; der emittierende Vorderseitenteil in dem verjüngten Endteil definiert ist; und der erste optische Resonator in der Lichtleitfaser (210) definiert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die Lichtquelle (200) einen optischen Verstärker umfaßt, in dem sich ein zweiter optischer Resonator befindet; der erste optische Resonator sich außerhalb des optischen Verstärkers befindet; und der erste optische Resonator optisch an den zweiten optischen Resonator angekoppelt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei: die Lichtquelle eine optisch an den optischen Verstärker angekoppelte Lichtleitfaser (210) mit einem bezüglich des optischen Verstärkers fernen verjüngten Endteil umfaßt; der emittierende Vorderseitenteil in dem verjüngten Endteil definiert ist; und der erste optische Resonator in der Lichtleitfaser (210) definiert ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle einen fluoreszierenden Körper (300) umfaßt, der sich in dem ersten optischen Resonator (320) befindet.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der erste optische Resonator (320) eine Länge von ungefähr λ/2 aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die Lichtquelle einen Laser (400, 410, 420) und Mittel (500) zur Phasenkopplung des Lasers bei einer variablen Phasenkopplungsfrequenz fml umfaßt; und die Erfassungsmittel Mittel (510) zur Erfassung von Änderungen von fml umfassen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die Lichtquelle einen Laser (400, 410, 420) umfaßt, der in der Lage ist, Strahlung mit der Wellenlänge λ und der Frequenz ν = c/λ zu emittieren, wobei c die Vakuum- Lichtgeschwindigkeit ist; und die Erfassungsmittel Mittel (430) zur Erfassung von Änderungen von ν umfassen.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Erfassungsmittel Mittel (125) zur Erfassung von Änderungen der Intensität von aus der Lichtquelle emittierter Strahlung umfassen.

14. Verfahren zum Sammeln von Informationen von einer Oberfläche einer Probe, das folgendes umfaßt:

a) Betreiben einer Lichtquelle (105; 200, 210; 300, 310; 400, 410, 420) mit einem optischen Resonator (110, 120; 320; 400, 420), so daß in dem optischen Resonator elektromagnetische Strahlung anwesend ist und ein Teil der Strahlung in dem optischen Resonator durch einen emittierenden Vorderseitenteil (110; 210; 310; 400) hindurch emittiert wird; wobei

b) während a) der emittierende Vorderseitenteil in der Nähe der Oberfläche der Probe plaziert wird, so daß der optische Resonator relativ zu mindestens einer Wellenlänge λ von der Lichtquelle emittierter Strahlung reflektierend mit einer Stelle auf der Oberfläche der Probe gekoppelt wird;

c) während b) die Stelle über einen Teil der Oberfläche der Probe hinweg abgetastet wird; und

d) während c) Änderungen einer charakterischen Ausgangsgröße der Lichtquelle erfaßt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt b) so ausgeführt wird, daß:

e) der emittierende Vorderseitenteil eine maximale Ausdehnung L in mindestens einer zu der Oberfläche der Probe parallelen Abmessung aufweist, die weniger als λ beträgt; und

f) sich der emittierende Vorderseitenteil (110; 210; 310; 400) in einer Distanz von der Oberfläche der Probe befindet, die kleiner oder ungefähr gleich L ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei: die Lichtquelle (400, 410, 420) in der Lage ist, Strahlung mit einer Frequenz ν = c/λ zu emittieren, wobei c die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit ist; und der Schritt d) die Erfassung von Änderungen von ν umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 14, wobei: die Lichtquelle einen Laser (400, 410, 420) umfaßt; der Schritt a) die Phasenkopplung des Lasers umfaßt, so daß Strahlungsimpulse mit einer Phasenkopplungsfrequenz fmi emittiert werden; und der Schritt d) die Erfassung von Änderungen von fml umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 14, wobei: die Lichtquelle einen Laser (400, 410, 420) mit einer Relaxationsoszillationsfrequenz frlx umfaßt; das Verfahren weiterhin den während des Schritts a) stattfindenden Schritt der Modulation der Strahlungsintensität in dem optischen Resonator mit einer Modulationsfrequenz umfaßt; und der Schritt d) die Erfassung einer Intensität von aus dem Laser emittierter Strahlung und die Erfassung von Änderungen der Wechselstromkomponente der besagten Intensität mit der Modulationsfrequenz umfaßt.

18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Modulationsschritt die Modulation des Abstands zwischen der Oberfläche der Probe und dem emittierenden Vorderseitenteil umfaßt.

19. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Schritt des Betreibens der Lichtquelle das Pumpen des Lasers mit einem Pumpleistungspegel umfaßt und der Modulationsschritt die Modulation des Pumpleistungspegels umfaßt.

20. Verfahren nach Anspruch 17, 18 oder 19, wobei die Modulationsfrequenz ungefähr gleich frlx ist.

21. Verfahren nach Anspruch 14, wobei: die Lichtquelle einen Laser mit einer Relaxationsoszillationsfrequenz frlx umfaßt; das Verfahren weiterhin die Bereitstellung einer Probe umfaßt, auf deren Oberfläche ein Muster aufgeprägt ist; der Schritt c) das Abtasten der Stelle über das Muster hinweg umfaßt, so daß Strahlung in dem optischen Resonator durch das Muster mit einer Modulationsfrequenz moduliert wird; und der Schritt c) so ausgeführt wird, daß die Modulationsfrequenz ungefähr gleich frlx ist.

22. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Erfassungsschritt die Erfassung von Änderungen der Intensität von aus der Lichtquelle emittierter Strahlung umfaßt.