WO2001011408A1 - Device for focussing light onto an object - Google Patents

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WO2001011408A1
WO2001011408A1 PCT/EP2000/007672 EP0007672W WO0111408A1 WO 2001011408 A1 WO2001011408 A1 WO 2001011408A1 EP 0007672 W EP0007672 W EP 0007672W WO 0111408 A1 WO0111408 A1 WO 0111408A1
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laser
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optical
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PCT/EP2000/007672
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Gerhard Leuchs
Susanne Quabis
Ralf Dorn
Oliver GLÖCKL
Manfred Eberler
Marc D. Levenson
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Gerhard Leuchs
Susanne Quabis
Ralf Dorn
Gloeckl Oliver
Manfred Eberler
Levenson Marc D
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Abstract

The invention relates to a device for focussing light onto an object. Said device comprises at least one light source that is preferably formed by a laser. The inventive device also comprises at least one optical focussing element and a device for fixing the relative position of the focussing element and the object. The light which is sent through the focussing element is present in the form of a radially polarised ring mode.

Description

Einrichtung zum Fokussieren von Licht auf ein Objekt Device for focusing light on an object
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Fokussieren von Licht auf ein Objekt, mit mindestens einer vorzugsweise von einem Laser gebildeten Lichtquelle, mit wenigstens einem optischen Fokussierelement und einer Einrichtung zum Festlegen der relativen Lage von Fokussierelement und Objekt.The invention relates to a device for focusing light onto an object, with at least one light source preferably formed by a laser, with at least one optical focusing element and a device for determining the relative position of the focusing element and the object.
Bei einer Vielzahl von optischen Anwendungen, insbesondere im Bereich Mikroskopie, Lithographie und optische bzw. magneto-optische Datenspeicherung ist es wünschenswert, Licht auf einer möglichst kleinen Fläche konzentrieren zu können. (Der Begriff „optisch" bezieht sich dabei auf alle Arten elektromagnetischer Strahlung einschließlich sichtbares Licht, infrarote und ultraviolette Strahlung.)In a large number of optical applications, in particular in the field of microscopy, lithography and optical or magneto-optical data storage, it is desirable to be able to concentrate light on the smallest possible area. (The term "optical" refers to all types of electromagnetic radiation including visible light, infrared and ultraviolet radiation.)
Bei optischen und magneto-optischen Datenspeicherverfahren wird die Aufzeichnungsdichte im wesentlichen durch die Größe des auf das Medium fokussierten Brennflecks beschränkt. Wie allgemein bekannt ist, gilt für denIn optical and magneto-optical data storage methods, the recording density is essentially limited by the size of the focal spot focused on the medium. As is well known, applies to the
Durchmesser dieses Brennflecks näherungsweise der Zusammenhang Durchmesser = g * λ/ NA, wobei λ die Wellenlänge des verwendeten Lichts bezeichnet und NA für die numerische Apertur der fokussierenden Optik steht, g hat für eine homogene Beleuchtung der Eintrittspupille der fokussierenden Optik den Wert 1 ,22. Um denDiameter of this focal spot approximately the relationship diameter = g * λ / NA, where λ denotes the wavelength of the light used and NA stands for the numerical aperture of the focusing optics, g has the value 1, 22 for homogeneous illumination of the entrance pupil of the focusing optics. To the
Brennfleckdurchmesser zu verkleinern gibt es daher mehrere Möglichkeiten:There are several ways to reduce the focal spot diameter:
Man kann die Wellenlänge λ durch den Einsatz neuer Laserlichtquellen verkleinern.The wavelength λ can be reduced by using new laser light sources.
Konventionelle CD Schreib-Lesegeräte werden bei einer Wellenlänge von 780nm betrieben, bei DVDs verwendet man eine Wellenlänge von 635nm. Die Kosten für Laserdioden, die Licht mit noch kürzerer Wellenlänge, bevorzugt im blauenConventional CD read / write devices are operated at a wavelength of 780nm, with DVDs a wavelength of 635nm is used. The cost of laser diodes, the light with an even shorter wavelength, preferably in the blue
Spektralbereich, emittieren, verhindern bisher den Einsatz in Geräten für denSpectral range, emit, prevent the use in devices for the
Massenmarkt.Mass market.
Ein anderer Ansatzpunkt zielt darauf ab, die numerische Apertur NA zu erhöhen. Dies kann auf mehrere Arten bewerkstelligt werden:Another starting point is aimed at increasing the numerical aperture NA. This can be done in several ways:
Beleuchtet man das Objekt durch eine kleine Blende, deren Ausdehnung kleiner als die Beleuchtungswellenlänge ist, so enthält das Winkelspektrum des austretenden Lichts auch Wellen mit imaginärem Wellenvektor. Im Fernfeld sind diese nichtpropagierenden (evaneszenten) Anteile vernachlässigbar, da ihre Amplitude mit zunehmendem Abstand von der Blende exponentiell abfällt. Man findet dort näherungsweise die Feldverteilung eines Dipols vor. In einem Abstand von der Blende, der kleiner als die Beleuchtungswellenlänge ist, kann der Anteil der evaneszenten Wellen am Gesamtfeld nicht vernachlässigt werden und führt dazu, daß die Größe der Blende im wesentlichen den Bereich bestimmt, in dem das Licht konzentriert ist. Die Anwendbarkeit dieses Verfahrens für die optische Datenspeicherung wurde u.a. von E. Betzig, M. Isaacson und A. Lewis (Appl. Phys. Lett. 61 , 142-144, 1992) demonstriert. In einer anderen Variante (siehe Patent WO 98/18122) wird das Licht an die Spitze zweier gekreuzter, spitz zulaufender Prismen geführt, die am Ende einen Austrittsschlitz besitzen, dessen Breite kleiner als die halbe Wellenlänge ist.If the object is illuminated through a small aperture, the extent of which is smaller than the illumination wavelength, the angular spectrum of the emerging light also contains waves with an imaginary wave vector. These are in the far field non-propagating (evanescent) parts negligible, since their amplitude decreases exponentially with increasing distance from the aperture. One finds approximately the field distribution of a dipole there. At a distance from the diaphragm that is smaller than the illumination wavelength, the proportion of evanescent waves in the total field cannot be neglected and leads to the size of the diaphragm essentially determining the region in which the light is concentrated. The applicability of this method for optical data storage has been demonstrated by E. Betzig, M. Isaacson and A. Lewis (Appl. Phys. Lett. 61, 142-144, 1992), among others. In another variant (see patent WO 98/18122), the light is guided to the tip of two crossed, tapering prisms which have an exit slit at the end, the width of which is smaller than half the wavelength.
Da die numerische Apertur als NA=n*sin(q) definiert ist (q= halber Öffnungswinkel des fokussierenden Objektivs) kann man auch den Brechungsindex n des Mediums, in das hineinfokussiert wird, erhöhen. Dies wird seit langem bei sog. Immersionsmikroskopen durch die Zugabe von hochbrechendem Immersionsöl zwischen Objektiv und untersuchtem Objekt ausgenutzt. Bei optischen und magneto-optischen Datenspeichern, bei denen sich der Schreib-Lesekopf relativ zum Speichermedium bewegt, kann dieses Verfahren nicht angewendet werden.Since the numerical aperture is defined as NA = n * sin (q) (q = half opening angle of the focusing lens), you can also increase the refractive index n of the medium into which you are focusing. This has been used for a long time in so-called immersion microscopes by adding high-index immersion oil between the objective and the examined object. This method cannot be used for optical and magneto-optical data memories in which the read / write head moves relative to the storage medium.
Allerdings ist es möglich, das Licht in ein hochbrechendes Medium zu fokussieren, so daß sich der Fokus an der Grenzfläche zwischen diesem und einem dahinter liegenden optisch dünneren Medium befindet. Der Vorteil einer aufgrund der hohen Brechkraft des Mediums verkleinerten Brennfleckgröße geht aber nach Eintritt des Lichts in das optisch dünnere Medium wieder verloren. Wie bei dem oben beschriebenen Verfahren, das als Lichtquelle eine sub-λ-Öffnung verwendet, bleibt das Licht jedoch innerhalb eines Abstandes kleiner als die Lichtwellenlänge auf einen verkleinerten Brennfleck reduziert. Man muß deshalb dafür Sorge tragen, daß sich das zu beleuchtende Medium innerhalb dieses Bereichs befindet. Wird die Geometrie des hochbrechenden Mediums in Form einer Halbkugel gewählt und die flache Seite dem zu beleuchtenden Medium zugewandt, so kann diese sog. Solid Immersion Lens (SIL) ohne weitere Aberrationen zu verursachen in den Strahlengang eines fokussierenden Objektivs eingebracht werden (siehe dazu auch US-Patent 5,125,750). Schließlich kann man durch Ausnutzen von nichtlinearen Effekten eine Verkleinerung der effektiv auf einem auszulesenden Speichermedium wirksamen Brennfleckgröße erreichen. Ist beispielsweise die Reflektivität des Mediums von seiner Temperatur abhängig (Phasenübergang zwischen fester und flüssiger Phase) so befindet sich der bereits ausgelesene und damit stark erwärmte Teil des Mediums im geschmolzenen (d.h. schwach reflektierenden) Zustand. Im Bereich des Brennflecks ist dann nur der noch nicht ausgelesene Teil in der Lage, das Licht stark ("1"-Bit) oder schwach ("0"- Bit) zu reflektieren, (siehe Gijs Bouwhuis and J.H.M. Spruit, Appl. Opt. Vol. 29(1990) pp. 3766-3768;However, it is possible to focus the light in a highly refractive medium, so that the focus is at the interface between this and an optically thinner medium behind it. The advantage of a smaller focal spot size due to the high refractive power of the medium is lost again after the light enters the optically thinner medium. As with the method described above, which uses a sub-λ aperture as the light source, the light remains reduced to a smaller focal spot within a distance smaller than the light wavelength. Care must therefore be taken to ensure that the medium to be illuminated is within this range. If the geometry of the highly refractive medium is chosen in the form of a hemisphere and the flat side faces the medium to be illuminated, this so-called solid immersion lens (SIL) can be introduced into the beam path of a focusing lens without causing further aberrations (see also US -Patent 5,125,750). Finally, by taking advantage of nonlinear effects, the focal spot size that is effectively effective on a storage medium to be read out can be reduced. If, for example, the reflectivity of the medium is dependent on its temperature (phase transition between solid and liquid phase), the part of the medium that has already been read out and is therefore highly heated is in the molten (ie weakly reflecting) state. In the area of the focal spot, only the part that has not yet been read is able to reflect the light strongly ("1" bit) or weakly ("0" bit) (see Gijs Bouwhuis and JHM Spruit, Appl. Opt. Vol. 29 (1990) pp. 3766-3768;
Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32 (1993) pp. 5210-5213Jpn. J. Appl. Phys. Vol. 32 (1993) pp. 5210-5213
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Apparatur zur Verfügung zu stellen, mit deren Hilfe Licht auf weiter unten näher beschriebene Objekte fokussiert werden kann, wobei die Brennfleckgröße im Vergleich zu beugungsbegrenzen, herkömmlichen Beleuchtungssystemen reduziert ist.The object of the present invention is to provide an apparatus by means of which light can be focused on objects described in more detail below, the focal spot size being reduced in comparison to conventional illumination systems with diffraction limits.
Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das durch das Fokussierelement gesandte Licht in Form einer radial polarisierten Ringmode vorliegt. Die Grundidee besteht also nicht in erster Linie in einer Verkürzung der Wellenlänge des fokussierten Lichts oder eine Erhöhung der numerischen Apertur des beleuchtenden optischen Systems mit Hilfe von Immersions- oder Nahfeldtechniken, sondern durch die Modifikation der zu fokussierenden Feldverteilung hinsichtlich ihrer Polarisations- und Intensitätsverteilung. Es wird eine radial polarisierte Ringmode benutzt, die nach der Fokussierung - verglichen mit einem linear polarisierten Strahl mit homogener Intensitätsverteilung - eine halb so große Brennfleckgröße aufweist. Je nach beleuchtetem Objekt ergeben sich verschiedene Ausführungsformen, die weiter unten detailliert beschrieben werden. Für Anwendungen in der Lithographie besteht das Objekt aus einem bevorzugt aus Silizium gefertigten Trägermaterial, auf das eine lichtempfindliche Schicht aufgebracht ist. Für Anwendungen im Bereich der Mikroskopie wird eine zu untersuchende Probe punktweise beleuchtet und abgerastert. Bei einer weiteren Ausführungsform als Datenspeichersystem besteht das beleuchtete Objekt aus einem optischen bzw. magneto-optischen Speichermedium. Zum Zwecke der Reparatur von Photomasken wird am Ort des Brennflecks gezielt Material verdampft oder abgeschieden. Allgemein kann die vorliegende Erfindung überall dort eingesetzt werden, wo Licht auf einen möglichst kleinen Bereich fokussiert werden soll.This is achieved according to the invention in that the light transmitted by the focusing element is in the form of a radially polarized ring mode. The basic idea is not primarily to shorten the wavelength of the focused light or to increase the numerical aperture of the illuminating optical system with the help of immersion or near-field techniques, but by modifying the field distribution to be focused with regard to its polarization and intensity distribution. A radially polarized ring mode is used which, after focusing, has a focal spot size that is half as large compared to a linearly polarized beam with a homogeneous intensity distribution. Depending on the illuminated object, there are various embodiments which are described in detail below. For applications in lithography, the object consists of a carrier material, preferably made of silicon, to which a light-sensitive layer is applied. For applications in the field of microscopy, a sample to be examined is illuminated and scanned point by point. In a further embodiment as a data storage system, the illuminated object consists of an optical or magneto-optical storage medium. For the purpose of repairing photomasks, material is evaporated or deposited at the location of the focal spot. In general, the present invention can be used wherever light is to be focused on the smallest possible area.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.The invention is explained in more detail below with reference to the drawings.
Abb. 1 : Intensitätsverteilung einer radial polarisierten Ringmode als Funktion desFig. 1: Intensity distribution of a radially polarized ring mode as a function of
Abstandes p von der Symmetrieachse. Abb. 2: Durch die Überlagerung zweier orthogonal polarisierter TEM01- und TEM10-Distance p from the axis of symmetry. Fig. 2: By superimposing two orthogonally polarized TEM 01 - and TEM 10 -
Moden läßt sich eine radial polarisierte Ringmode erzeugen. Die Pfeile deuten dieA radially polarized ring mode can be generated in modes. The arrows indicate that
Polarisationsrichtung an.Direction of polarization.
Abb. 3: Eine kollimierte radial polarisierte Ringmode wird mit Hilfe einer Linse derFig. 3: A collimated radially polarized ring mode is created with the help of a lens
Brennweite f fokussiert. Abb. 4: Vor der Fokussierung wird ein Teil der radial polarisierten Ringmode mittels einer in den Strahlengang eingebrachten Ringblende ausgeblendet.Focal length f focused. Fig. 4: Before focusing, part of the radially polarized ring mode is faded out by means of a ring diaphragm inserted into the beam path.
Abb. 5: Abhängigkeit der Brennfleckfläche von der NA des fokussierenden Elements für homogene, linear polarisierte Feldverteilung und radial polarisierte Ringmode, jeweils mit und ohne Ringblende. Abb. 6: Schematischer Aufbau eines optischen Datenspeichersystems, bei dem eineFig. 5: Dependence of the focal spot area on the NA of the focusing element for homogeneous, linearly polarized field distribution and radially polarized ring mode, each with and without a ring diaphragm. Fig. 6: Schematic structure of an optical data storage system in which one
Lichtquelle benutzt wird, die eine radial polarisierte Ringmode zur Verfügung stellt.Light source is used, which provides a radially polarized ring mode.
Abb. 7: Schematischer Aufbau eines Lithographiesystems, bei dem eine Lichtquelle benutzt wird, die eine radial polarisierte Ringmode zur Verfügung stellt.Fig. 7: Schematic structure of a lithography system using a light source that provides a radially polarized ring mode.
Abb. 8: Schematischer Aufbau eines zur Reparatur von lithographischen Masken geeigneten Systems, bei dem eine Lichtquelle benutzt wird, die eine radial polarisierteFig. 8: Schematic structure of a system suitable for repairing lithographic masks, in which a light source is used that uses a radially polarized one
Ringmode zur Verfügung stellt.Ring fashion provides.
Abb. 9: Schematischer Aufbau eines konfokalen Mikroskops, bei dem eine Lichtquelle benutzt wird, die eine radial polarisierte Ringmode zur Verfügung stellt.Fig. 9: Schematic structure of a confocal microscope using a light source that provides a radially polarized ring mode.
Abb. 10 Schematischer Aufbau zur Erzeugung einer radial polarisierten Ringmode Abb. 11 Teilabbildung b) zeigt den schematischen Aufbau einesFig. 10 Schematic structure for generating a radially polarized ring mode. Fig. 11 Part b) shows the schematic structure of a
Polarisationskonverters, der aus vier Halbwellenplatten gefertigt ist. Die Hauptachsen sind durch Linien angedeutet. Teilabbildung a) und c) zeigen den Polarisationszustand des Lichts vor (a) und nachPolarization converter, which is made of four half-wave plates. The main axes are indicated by lines. Parts a) and c) show the polarization state of the light before (a) and after
(b) dem Durchgang durch den Polarisationskonverter.(b) the passage through the polarization converter.
Abb. 12 Schematischer Aufbau eines optischen Systems zur Beleuchtung einesFig. 12 Schematic structure of an optical system for illuminating a
Objekts mit Hilfe einer Immersionslinse, die die Brennfieckfläche einer durch ein optisches Fokussierelement vorfokussierten radial polarisierten Ringmode weiter reduziert.Object with the help of an immersion lens, which further reduces the focal area of a radially polarized ring mode pre-focused by an optical focusing element.
Abb. 13 Schematischer Aufbau eines optischen Systems zur evanzeszentenFig. 13 Schematic structure of an optical system for the evanscent
Beleuchung eines Objekt mit Hilfe einer als Resonator wirkenden hochreflektierend beschichteten Immersionslinse. Abb. 14 Schematischer Aufbau eines Resonators, bei dem Licht an der Basis einesIllumination of an object with the help of a highly reflective coated immersion lens that acts as a resonator. Fig. 14 Schematic structure of a resonator, in which light at the base of a
Prismas teilweise reflektiert und teilweise auf ein Objekt ausgekoppelt wird und zugehörige Beleuchtungseinrichtung.Partially reflected prism and partially coupled to an object and associated lighting device.
Abb. 15 Schematischer Aufbau eines Lasersystems, bei dem der Strahlengang so verläuft, daß das Licht an der Basisfläche eines Prismas teilweise reflektiert und teilweise auf ein Objekt ausgekoppelt wird.Fig. 15 Schematic structure of a laser system in which the beam path runs in such a way that the light is partially reflected on the base surface of a prism and partially coupled out onto an object.
Abb. 16 Schematischer Aufbau eines Resonators, bei dem Licht in einer Glasfaser geführt und an einer Stelle der Faser teilweise auf ein Objekt ausgekoppelt wird und zugehörige Beleuchtungseinrichtung.Fig. 16 Schematic structure of a resonator in which light is guided in a glass fiber and partially coupled out to an object at one point of the fiber and the associated lighting device.
Abb. 17 Schematischer Aufbau eines Resonators, der in Form einer zweidimensionale Wellenleiterstruktur ausgeführt ist mit zugehöriger Beleuchtungseinrichtung.Fig. 17 Schematic structure of a resonator, which is designed in the form of a two-dimensional waveguide structure with associated lighting device.
Unter einer radialpolarisierten Ringmode wird in dieser Patentschrift eine elektromagnetische Feldverteilung mit folgenden Kennzeichen verstanden:In this patent specification, a radially polarized ring mode is understood to mean an electromagnetic field distribution with the following characteristics:
• Elektrisches und magnetisches Feld zeigen bezüglich einer durch die Ausbreitungsrichtung festgelegten Achse radiale Symmetrie.• The electric and magnetic fields show radial symmetry with respect to an axis determined by the direction of propagation.
• Die Feldstärke nimmt auf der Symmetrieachse einen nicht wesentlich von Null verschiedenen Wert an und hat ein oder mehrere Intensitätsmaxima in festen Abständen R0, R1 t ... von der Symmetrieachse (siehe Abb. 1).• The field strength on the axis of symmetry assumes a value that does not differ significantly from zero and has one or more intensity maxima at fixed distances R 0 , R 1 t ... from the axis of symmetry (see Fig. 1).
• Das elektrische Feld ist lokal jeweils in einer radial zur Symmetrieachse liegenden Richtung linear polarisiert.• The electric field is locally linearly polarized in each case in a direction lying radially to the axis of symmetry.
• In einer beliebigen, senkrecht zur Symmetrieachse liegende Ebene hat die Phase für alle Punkte, die den selben Abstand zur Symmetrieachse haben, den gleichen Wert. Eine solche Feldverteilung läßt sich z.B. durch die Überlagerung zweier orthogonal polarisierter TEM0m- und TEMm0-Moden erzeugen (m ungerade). Eine besonders geeignete Mode ergibt sich durch die Überlagerung einer in x-Richtung polarisierten TEM10- und einer in y-Richtung polarisierten TEM01-Mode (siehe Abb. 2).• In any plane perpendicular to the axis of symmetry, the phase has the same value for all points that are at the same distance from the axis of symmetry. Such a field distribution can be generated, for example, by superimposing two orthogonally polarized TEM 0m and TEM m0 modes (m odd). A particularly suitable mode results from the superposition of a TEM 10 mode polarized in the x direction and a TEM 01 mode polarized in the y direction (see FIG. 2).
Ringmode = in x-Richtung polarisierte in y-Richtung polarisierteRing mode = polarized in the x direction polarized in the y direction
TEM10-Mode + TEM01-ModeTEM 10 mode + TEM 01 mode
rr
E(χ, y) ex xe -(χ2 +y2 )/ w2 r 2 . ~2 w2E ( χ , y) ex xe - (χ 2 + y 2 ) / w 2 r 2. ~ 2 w 2
+ e- • ye -(x2 +y2 )/+ e- • ye - (x 2 + y 2 ) /
χl e-(χ2 +y2 )/ 2 = Je-p2 w2 ERingmode (x>y) vyj χ l e - ( χ2 + y 2 ) / 2 = J e -p 2 w 2 E ring fashion ( x > y) vyj
Ein eleganter Aufbau, um eine radialpolarisierte Ringmode zu erzeugen wird im folgenden beschrieben (siehe auch Abb. 10):An elegant setup to create a radially polarized ring mode is described below (see also Fig. 10):
Ein von einer kohärenten, polarisierten (bevorzugt aus einem Laser bestehenden) Lichtquelle 35 zur Verfügung gestellter Lichtstrahl wird zunächst mit Hilfe eines Teleskops, das aus den Linsen 36 und 37 besteht, aufgeweitet. Falls die Lichtquelle durch zurückreflektiertes Licht gestört wird (wie dies typischerweise bei einem Diodenlaser der Fall ist), kann nach der Lichtquelle ein optischer Isolator 38 in den Strahlengang eingebracht werden. Durch einen zwischen den Linsen 36 und 37 angebrachten Modenfilter (Lochblende) 39 werden höhere transversale Moden herausselektiert, so daß das Licht nach dem Teleskop in Form einer linear polarisierten TEM00-Mode vorliegt.A light beam provided by a coherent, polarized (preferably consisting of a laser) light source 35 is first widened with the aid of a telescope consisting of the lenses 36 and 37. If the light source is disturbed by back-reflected light (as is typically the case with a diode laser), an optical isolator 38 can be introduced into the beam path after the light source. Higher transverse modes are selected out by a mode filter (pinhole) 39 attached between the lenses 36 and 37, so that the light after the telescope is in the form of a linearly polarized TEM 00 mode.
Das zentrale Element des Aufbaus ist der hinter dem Teleskop angebrachte Polarisationskonverter 40. Dieser besteht aus mindestens drei Halbwellenplatten, die in Form von Kreissegmenten geschnitten sind und die so aneinandergefügt werden, daß wieder eine kreisförmige Platte entsteht. Um störende Effekte zu minimieren, die durch Keilwinkel zwischen den einzelnen Segmenten hervorgerufen werden, kann der Polarisationskonverter in einem transparenten Gefäß gehaltert werden, das mit Indexmatching-Öl gefüllt ist, dessen Brechungsindex gleich dem Brechungsindex des Materials ist, aus dem die Halbwellenplatten gefertigt sind. Die Hauptachsen der Halbwellenplatten sind dabei so ausgerichtet, daß die Polarisationsrichtung des einfallenden, linear polarisierten Strahls innerhalb eines jeden Segments in eine Richtung gedreht wird, die radial vom Zentrum des einfallenden Lichtstrahls wegzeigt.The central element of the structure is the polarization converter 40, which is attached behind the telescope. It consists of at least three half-wave plates which are cut in the form of circular segments and which are joined to one another in such a way that a circular plate is formed again. In order to minimize disruptive effects caused by wedge angles between the individual segments, the polarization converter can be held in a transparent container with the Index matching oil is filled, whose refractive index is equal to the refractive index of the material from which the half-wave plates are made. The main axes of the half-wave plates are oriented such that the direction of polarization of the incident, linearly polarized beam within each segment is rotated in a direction that points radially away from the center of the incident light beam.
Abb. 11b zeigt einen Polarisationskonverter, der aus vier Halbwellenplatten 40i, 40ii, 40iii und 40iv besteht. In Abb. 11a und Abb. 11c ist die Polarisation des Strahls vor 11a hinter 11 c dem Polarisationkonverter dargestellt. Die so nach dem Polarisationskonverter entstandene Feldverteilung besteht aus einem Modengemisch und enthält unter anderem die gewünschte TEM0r und TEM10-Mode in orthogonaler Polarisation. Um diese beiden gewünschten Moden herauszuselektieren und alle anderen zu unterdrücken, wird ein Fabry-Perot-Resonator 41 als räumlicher Modenfilter benutzt. Das Teleskop und die Krümmungsradien der Spiegel, aus denen der Fabry-Perot-Resonator besteht, werden dabei so aufeinander abgestimmt, daß sich ein maximaler Überlapp zwischen den zu selektierenden Moden und den zugehörigen Eigenmoden des Resonators ergibt. Um den Resonator aktiv zu stabilisieren, kann der Spiegelabstand mit Hilfe eines piezoelektrischen Verstellelements periodisch variiert werden. Das vom Resonator transmittierte Licht ist dann ebenfalls periodisch in seiner Intensität moduliert. Ein Teil dieses Lichts kann benutzt werden, um mittels einer Lock-In-Regelung den Spiegelabstand ständig so nachzustellen, daß die TEM10- und die TEM01-Mode in Resonanz sind.Fig. 11b shows a polarization converter consisting of four half-wave plates 40i, 40ii, 40iii and 40iv. In Fig. 11a and Fig. 11c the polarization of the beam is shown in front of 11a behind 11c the polarization converter. The field distribution thus created after the polarization converter consists of a mode mixture and contains, among other things, the desired TEM 0 r and TEM 10 mode in orthogonal polarization. In order to select out these two desired modes and to suppress all others, a Fabry-Perot resonator 41 is used as a spatial mode filter. The telescope and the radii of curvature of the mirrors that make up the Fabry-Perot resonator are matched to one another in such a way that there is a maximum overlap between the modes to be selected and the associated eigenmodes of the resonator. In order to actively stabilize the resonator, the mirror spacing can be varied periodically with the aid of a piezoelectric adjusting element. The light transmitted by the resonator is then also periodically modulated in intensity. Part of this light can be used to constantly adjust the mirror distance by means of a lock-in control so that the TEM 10 and TEM 01 modes are in resonance.
Wird eine solche radialpolarisierte Ringmode mit Hilfe einer Linse bzw. eines Linsensystems 1 (siehe Abb. 3) fokussiert, so zeigt der Brennfleck ebenfalls vollständige radiale Symmetrie. Im Gegensatz dazu ist beim Brennfleck einer linear polarisierten Feldverteilung diese Symmetrie gebrochen, da durch die lineare Polarisation eine Richtung ausgezeichnet ist. Bei homogener Intensitätsverteilung und starker Fokussierung hat der Brennfleck hier die Form einer verdellten Ellipse (Hundeknochen).If such a radially polarized ring mode is focused with the aid of a lens or a lens system 1 (see FIG. 3), the focal spot also shows complete radial symmetry. In contrast, this symmetry is broken in the focal spot of a linearly polarized field distribution, since one direction is distinguished by the linear polarization. With a homogeneous intensity distribution and strong focus, the focal spot has the shape of a twisted ellipse (dog bones).
Unter dem Begriff Brennfleck wird hier die Energiedichteverteilung des elektrischen Feldes in der Brennebene verstanden. Bei einer fokussierten, radial polarisierten Ringmode ist die Fläche dieses Brennflecks (von der Energiedichteverteilung eingenommene Fläche bei der Hälfte des Maximalwerts) dabei nur bei sehr starker Fokussierung (d.h. hoher numerischer Apertur des fokussierenden Elements) etwas kleiner als im Fall einer linear polarisierten Feldverteilung mit annähernd konstantem Intensitätsprofil. Die Brennfieckfläche läßt sich jedoch weiter verkleinern, wenn (wie in Abb. 4 dargestellt) eine ringförmige Blende 2 in den Strahlengang gebracht wird. Dadurch werden die niederfrequenten Komponenten des Winkelspektrums der fokussierten Feldverteilung unterdrückt.The term focal spot here means the energy density distribution of the electric field in the focal plane. With a focused, radially polarized Ring mode, the area of this focal spot (area occupied by the energy density distribution at half the maximum value) is only slightly smaller with very strong focusing (i.e. high numerical aperture of the focusing element) than in the case of a linearly polarized field distribution with an approximately constant intensity profile. However, the focal area can be further reduced if (as shown in Fig. 4) an annular diaphragm 2 is brought into the beam path. This suppresses the low-frequency components of the angular spectrum of the focused field distribution.
Abb. 5 zeigt die Abhängigkeit der Brennfleckfläche von der numerischen Apertur NA des fokussierenden Elements 1 , jeweils für linear polarisierte, homogene Feldverteilung und radial polarisierte Ringmode. Bei den mit Dreieck und Kreuz gekennzeichneten Kurven treffen die Felder jeweils direkt auf das Fokussierelement, bei den anderen beiden Kurven ist eine Blende eingefügt, die nur einen ringförmigen Anteil zwischen 90% und 100% des Radius der Eingangsapertur des fokussierenden Elements passieren läßt. Bei starker Fokussierung (NA>0.85) und Verwendung einer Ringblende lassen sich also mit Hilfe der radial polarisierten Ringmode Brennfleckflächen erreichen, die deutlich kleiner als die bei Beleuchtung mit linear polarisiertem Licht erzeugbaren Brennflecke sind. Zwischen das eigentliche Fokussierelement und das Objekt kann zusätzlich eine Festkörperimmersionslinse (Solid Immersion Lens) angebracht werden, die aus einem Material mit hohem Brechungsindex besteht. Da die Wellenlänge im Material um den Faktor n verkleinert ist, reduziert sich die Fläche des Brennflecks um den Faktor n2. Die hemisphärisch geformte Immersionslinse muß dabei so angebracht werden, daß die gekrümmte Fläche dem Fokussierelement zugewandt ist und die ebene Fläche mit der Brennebene des Systems ohne Immersionslinse zur Deckung kommt. Das beleuchtete Objekt muß sich dann allerdings in einem Abstand von der ebenen Fläche der Immersionslinse befinden, der kleiner als die Beleuchtungswellenlänge ist.Fig. 5 shows the dependence of the focal spot area on the numerical aperture NA of the focusing element 1, in each case for linearly polarized, homogeneous field distribution and radially polarized ring mode. In the case of the curves marked with a triangle and cross, the fields each meet directly with the focusing element, with the other two curves an aperture is inserted which only allows an annular portion between 90% and 100% of the radius of the entrance aperture of the focusing element to pass. If the focus is strong (NA> 0.85) and a ring diaphragm is used, the radially polarized ring mode can be used to achieve focal spot areas that are significantly smaller than the focal spots that can be generated when illuminated with linearly polarized light. A solid immersion lens, which consists of a material with a high refractive index, can additionally be attached between the actual focusing element and the object. Since the wavelength in the material is reduced by a factor of n, the area of the focal spot is reduced by a factor of n 2 . The hemispherically shaped immersion lens must be attached so that the curved surface faces the focusing element and the flat surface coincides with the focal plane of the system without an immersion lens. However, the illuminated object must then be at a distance from the flat surface of the immersion lens that is smaller than the illumination wavelength.
Abb. 6 zeigt den schematischen Aufbau eines optischen Datenspeichersystems, bei dem eine Lichtquelle 3 verwendet wird, die eine radialpolarisierte Ringmode zur Verfügung stellt. Die Ringmode wird dann mittels einer Ringblende 2 gefiltert und mit Hilfe eines optischen Fokussierelements 1 auf einen Datenträger 4 fokussiert. Ein Servo-System 5 erlaubt es, eine oder mehrere Komponenten des Fokussierelements zu bewegen und den Brennfleck dadurch exakt in eine bestimmte Tiefe im Datenträgermaterial bzw. auf die Oberfläche des Datenträgers zu fokussieren. Zum Schreiben von Informationen emittiert die Lichtquelle mit hoher Intensität. Dadurch werden Löcher in die Oberfläche der Datenspeicherschicht gebrannt bzw. andere physikalische Eigenschaften der Schicht verändert. Um Null- oder Eins-Bits schreiben zu können, wird die Intensität der Lichtquelle entweder direkt oder durch einen externen Modulator 6 moduliert. Zum Lesen der Informationen wird die Lichtquelle auf eine schwächere Intensität eingestellt, die nicht ausreicht, um die auf der Datenspeicherschicht gespeicherten Informationen zu verändern. Das vom Datenspeicher reflektierte Licht wird über einen Strahlteiler 7 auf einen Detektor 8 gelenkt, der mit einer Dekodiereinheit verbunden ist. Der Datenträger wird mit Hilfe von Stellelementen relativ zum Brennfleck bewegt und ist im einfachsten Fall in Form einer rotierenden Scheibe ausgeführt. Die Menge der auf dem Datenträger speicherbaren Information wird durch die Brennfleckgröße festgelegt. Durch die radial polarisierte Ringmode und bei Verwendung einer Ringblende 2 kann diese Fleckgröße etwa halbiert und die Speicherdichte dadurch verdoppelt werden.Fig. 6 shows the schematic structure of an optical data storage system in which a light source 3 is used which provides a radially polarized ring mode. The ring mode is then filtered by means of a ring diaphragm 2 and focused on a data carrier 4 with the aid of an optical focusing element 1. On Servo system 5 makes it possible to move one or more components of the focusing element and thereby to focus the focal spot exactly to a certain depth in the data carrier material or on the surface of the data carrier. The light source emits with high intensity for writing information. This burns holes in the surface of the data storage layer or changes other physical properties of the layer. In order to be able to write zero or one bits, the intensity of the light source is modulated either directly or by an external modulator 6. To read the information, the light source is set to a weaker intensity, which is not sufficient to change the information stored on the data storage layer. The light reflected from the data memory is directed via a beam splitter 7 to a detector 8 which is connected to a decoding unit. The data carrier is moved relative to the focal spot with the aid of adjusting elements and, in the simplest case, is designed in the form of a rotating disk. The amount of information that can be stored on the data carrier is determined by the size of the focal spot. Due to the radially polarized ring mode and when using a ring diaphragm 2, this spot size can be halved and the storage density can thereby be doubled.
Abb. 7 zeigt den schematischen Aufbau eines Lithographiesystems zum punktweisen Schreiben von Strukturen, bei dem eine Lichtquelle 3 verwendet wird, die eine radial polarisierte Ringmode zur Verfügung stellt. Die Ringmode wird mittels einer Ringblende 2 gefiltert und durch ein Fokussierelement 1 auf einen mit einer lichtempfindlichen Schicht 10 versehenen Wafer 11 fokussiert. Mittels eines Servo- Systems 5 kann das Fokussierelement 1 so verschoben werden, daß der Brennfleck in der Ebene der lichtempfindlichen Schicht 10 liegt. Zum Schreiben von Strukturen wird der Wafer parallel zur Brennebene durch ein Stellelement 12 verfahren und an den entsprechenden Stellen punktweise belichtet. Die Lichtquelle kann dazu entweder direkt oder mit Hilfe eines Modulators 6 in ihrer Leistung variiert werden.Fig. 7 shows the schematic structure of a lithography system for point-by-point writing of structures, in which a light source 3 is used which provides a radially polarized ring mode. The ring mode is filtered by means of a ring diaphragm 2 and focused by a focusing element 1 onto a wafer 11 provided with a light-sensitive layer 10. The focusing element 1 can be displaced by means of a servo system 5 such that the focal spot lies in the plane of the light-sensitive layer 10. To write structures, the wafer is moved parallel to the focal plane by an actuating element 12 and exposed at certain points at the corresponding points. The light source can be varied either directly or with the aid of a modulator 6.
Zur Reparatur von Masken, wie sie vor allem in der Lithographie Verwendung finden, dient das in Abb. 8 skizzierte System. Die zu reparierende Maske 13, die üblicherweise aus einer Glasplatte besteht, auf die eine Chromstruktur aufgebracht ist, wird dabei mit Hilfe eines aus Mikroskopobjektiv 14, Tubuslinse 15 und Okular 16 bestehenden Mikroskops auf Defekte untersucht. Die Lichtquelle 17, die Linsen 18 und 19 sowie der Strahlteiler 20 bilden das Beleuchtungssystem. Neben der hier skizzierten Auflichtanordnug ist auch eine Beleuchtung mit Durchlichtanordnung oder Dunkelfeldbeleuchtung möglich. Über einen zweiten Strahlteiler 21 wird eine radial polarisierte Ringmode in den Strahlengang des Mikroskops eingekoppelt, die von der Lichtquelle 3 zur Verfügung gestellt wird. Nach der Filterung mit Hilfe einer Ringblende 2 wird sie vom Mikroskopobjektiv 14 auf die Maske 13 fokussiert. Bei der Inspektion der Maske arbeitet die Lichtquelle 3 mit niedriger Intensität. Mittels eines x-y-z- Verschiebeelements 22 wird die Maske so lange verschoben, bis eine schadhafte Stelle unter dem Brennfleck der Ringmode zu liegen kommt. Der Shutter 23 wird dann geschlossen und die Intensität der Lichtquelle 3 auf einen geeigneten Wert erhöht. Nach dem Öffnen des Shutters verdampft an der Stelle des Brennflecks der Ringmode überschüssiges Material (z.B. Chrom). Alternativ kann auch eine fehlende Struktur auf der Maske abgeschieden werden. Verschiebeeinheit und Maske befinden sich dazu in einem Behältnis 24, das mit einem geeigneten, chromhaltigen Prozeßgas befüllt ist. Um die optischen Elemente vor Abscheidungen des Prozeßgases zu schützen wird die Maske durch ein Fenster 25 beleuchtet. Aufgrund der hohen Intensität im Brennfleck wird das Prozeßgas zersetzt und Chrom scheidet sich ab (chemische Dampfabscheidung). Die gegenüber herkömmlichen Verfahren stark verkleinerte Brennfleckfläche der fokussierten Ringmode erlaubt eine präzisere und gezieltere Reparatur.The system outlined in Fig. 8 is used to repair masks, which are mainly used in lithography. The mask 13 to be repaired, which usually consists of a glass plate to which a chromium structure is applied, is made using a microscope objective 14, tube lens 15 and eyepiece 16 Existing microscope examined for defects. The light source 17, the lenses 18 and 19 and the beam splitter 20 form the lighting system. In addition to the incident light arrangement outlined here, illumination with transmitted light arrangement or dark field illumination is also possible. A radially polarized ring mode, which is made available by the light source 3, is coupled into the beam path of the microscope via a second beam splitter 21. After filtering with the aid of a ring diaphragm 2, the microscope objective 14 focuses it on the mask 13. When the mask is inspected, the light source 3 operates at low intensity. The mask is shifted by means of an xyz shift element 22 until a defective spot comes to lie under the focal spot of the ring mode. The shutter 23 is then closed and the intensity of the light source 3 is increased to a suitable value. After opening the shutter, the ring mode evaporates excess material (e.g. chrome) at the location of the focal spot. Alternatively, a missing structure can also be deposited on the mask. For this purpose, the displacement unit and mask are located in a container 24 which is filled with a suitable process gas containing chromium. In order to protect the optical elements from deposits of the process gas, the mask is illuminated by a window 25. Due to the high intensity in the focal spot, the process gas is decomposed and chromium separates (chemical vapor deposition). The focal spot area of the focused ring mode, which is greatly reduced compared to conventional methods, allows a more precise and targeted repair.
Die konfokale Mikroskopie ist ein Verfahren, bei dem ein zu untersuchendes Objekt punktweise beleuchtet und abgerastert wird und das bei transparenten Objekten (z.B. Zellen) eine dreidimensionale Vermessung erlaubt. Die laterale Ortsauflösung wird im wesentlichen durch die kleinste erzielbare Querschnittsfläche des ins Medium fokussierten Beleuchtungsstrahls begrenzt. Bei Beleuchtung mit einer fokussierten radial polarisierten Ringmode läßt sich diese Querschnittsfläche reduzieren.Confocal microscopy is a procedure in which an object to be examined is illuminated and scanned point-by-point and which allows three-dimensional measurement for transparent objects (e.g. cells). The lateral spatial resolution is essentially limited by the smallest achievable cross-sectional area of the illumination beam focused in the medium. When illuminated with a focused, radially polarized ring mode, this cross-sectional area can be reduced.
Abb. 9 zeigt schematisch den Aufbau eines konfokalen Miroskops, bei dem zur Beleuchtung des Objekts eine Lichtquelle 3 benutzt wird, die eine radial polarisierte Ringmode zur Verfügung stellt. Nach der Filterung durch eine Ringblende 2 wird die Ringmode mittels eines Mikroskopobjektivs 26 fokussiert. Das Objekt 27 ruht auf einem x-y-z-Verschiebeelement 28 und kann damit so positioniert werden, daß der Fokus an jedem gewünschten Punkt innerhalb des Objekts zu liegen kommt. Das im Bereich des Fokus entstehende Streulicht wird Mittels des Mikroskopobjektivs 26, des Strahlteilers 34, der Tubuslinse 29 und der Linse 30 auf einen Detektor 31 gelenkt.Fig. 9 shows schematically the structure of a confocal miroscope, in which a light source 3 is used to illuminate the object, which provides a radially polarized ring mode. After filtering through a ring diaphragm 2, the ring mode is focused by means of a microscope objective 26. Object 27 rests an xyz displacement element 28 and can thus be positioned so that the focus comes to lie at any desired point within the object. The scattered light which arises in the area of the focus is directed onto a detector 31 by means of the microscope objective 26, the beam splitter 34, the tube lens 29 and the lens 30.
Eine Besonderheit des konfokalen Mikroskops ist die zwischen Tubuslinse 29 und Linse 30 angebrachte Lochblende 32, die verhindert, daß Licht aus einem Bereich außerhalb des Fokus auf den Detektor gelangt. In Abb. 9 ist dies durch die gestrichelt gezeichneten Strahlen angedeutet. Für eine Vermessung wird ein Volumenelement des Objekts nach dem anderen von der Steuereinheit 33 in den Fokus verfahren und die vom Detektor 31 gemessene rückgestreute Intensität ausgewertet. Neben der in Abb. 9 dargestellten Beleuchtung in Auflicht ist auch eine Beleuchtung in Durchlichtanordnung möglich.A special feature of the confocal microscope is the pinhole 32, which is attached between the tube lens 29 and the lens 30 and prevents light from an area outside the focus from reaching the detector. This is indicated in Fig. 9 by the rays drawn in dashed lines. For a measurement, one volume element of the object after the other is moved into focus by the control unit 33 and the backscattered intensity measured by the detector 31 is evaluated. In addition to the illumination in incident light shown in Fig. 9, illumination in a transmitted light arrangement is also possible.
Abb. 12 zeigt den schematischen Aufbau eines optischen Systems, mit dessen Hilfe eine von der Lichtquelle 3 zur Verfügung gestellte radial polarisierte Ringmode auf ein Objekt 42 fokussiert werden kann. Bei dem Objekt kann es sich (wie an anderer Stelle näher beschrieben) um ein optisches Datenspeichermedium, eine Photomaske, einen mit photoempfindlichem Material beschichteten Wafer oder eine mit einem Mikroskop zu untersuchende Probe handeln.Fig. 12 shows the schematic structure of an optical system with the aid of which a radially polarized ring mode provided by the light source 3 can be focused on an object 42. The object (as described in more detail elsewhere) can be an optical data storage medium, a photomask, a wafer coated with photosensitive material or a sample to be examined with a microscope.
Nach der Filterung mit Hilfe einer Ringblende 2 wird die Ringmode mittels eines optischen Fokussierelements 1 fokussiert. Zusätzlich ist hier eine Festkörper- Immersionslinse (sog. Solid Immersion Lens) 43 symmetrisch zur optischen Achse 44 so angebracht, daß ihre flache Unterseite dem Objekt zugewandt ist und darüberhinaus in der Ebene liegt, in der sich auch bei Abwesenheit der Immersionslinse der Brennfleck des vom Fokussierelement 1 fokussierten Lichts befindet.After filtering with the aid of a ring diaphragm 2, the ring mode is focused using an optical focusing element 1. In addition, a solid immersion lens (so-called solid immersion lens) 43 is attached symmetrically to the optical axis 44 in such a way that its flat underside faces the object and, moreover, lies in the plane in which the focal spot of the lens is located even in the absence of the immersion lens Focusing element 1 is focused light.
In diesem Fall treffen alle vom Fokussierelement 1 ausgehenden Strahlen senkrecht auf die gekrümmte Fläche der Immersionslinse 43, so daß keine weiter Deformation der Wellenfront stattfindet. Allerdings ist die Wellenlänge des Lichts innerhalb der Immersionslinse um den Faktor n verkleinert, so daß sich die Fläche des Brennflecks auf der flachen Seite der Immersionslinse um den Faktor n2 verkleinert, n bezeichnet dabei die Brechzahl des Materials, aus dem die Immersionslinse gefertigt ist. Um den Vorteil der so verkleinerten Brennfleckfläche nutzen zu können, muß sich das beleuchtete Objekt allerdings in einer Entfernung von der flachen Seite der Immersionslinse befinden, die kleiner als die Beleuchtungswellenlänge ist.In this case, all the rays emanating from the focusing element 1 hit the curved surface of the immersion lens 43 perpendicularly, so that no further deformation of the wavefront takes place. However, the wavelength of light within the immersion lens is reduced by a factor of n, so that the area of the focal spot changes reduced by a factor of n 2 on the flat side of the immersion lens, n denotes the refractive index of the material from which the immersion lens is made. In order to take advantage of the reduced focal spot area, however, the illuminated object must be at a distance from the flat side of the immersion lens that is smaller than the illumination wavelength.
Je größer die numerische Apertur des fokussierenden Elements 1 gewählt wird und je weniger achsennahe Strahlen von der Ringblende 2 durchgelassen werden, desto größer wird der Winkel α den die flachsten Strahlen zur optischen Achse einnehmen. Ist die Bedingung sin(α) > n"1 erfüllt, werden alle Strahlen an der flachen Seite der Immersionslinse total reflektiert. Am Ort des Brennflecks entsteht dann unterhalb der Immersionslinse ein rein evaneszentes Feld, das mit zunehmendem Abstand von der Immersionslinse exponentiell abfällt. Um das Objekt mit einer reproduzierbaren, konstanten Intensität zu beleuchten, muß dieses deshalb in eine exakt regelbare Entfernung zur Immersionslinse gebracht werden, wozu im allgemeinen eine aufwendige Positioniereinrichtung 45 nötig ist. Wird die Immersionslinse auf ihrer gekrümmten Fläche mit einer hochreflektierenden Beschichtung 46 versehen (siehe Abb. 13), so läßt sich erreichen, daß die Intensität auf dem Objekt weniger stark vom Abstand zwischen Objekt und Immersionslinse abhängt. Die beschichtete gekrümmte Fläche der Halbkugel bildet zusammen mit der flachen Unterseite, an der Totalreflexion stattfindet, einen optischen Resonator, in dem sich ein starkes elektromagnetisches Feld aufbaut, wenn das an der gekrümmten Fläche eingekoppelte Licht die Resonanzbedingung erfüllt. Befindet sich kein Objekt in der Umgebung der Unterseite der Immersionslinse, wird die Feldstärke bzw. die Zahl der im Resonator gespeicherten Photonen nur durch die begrenzte Reflektivität der Spiegel und Justagefehler begrenzt. Die Amplitude der evaneszenten Wellen wird dann ebenfalls maximal. Nähert man ein Objekt an die flache Unterseite der Immersionslinse an, so wird ein Teil des dort reflektierten Lichts über das evaneszente Feld auf das Objekt ausgekoppelt (frustrierte Totalreflexion). Je näher das Objekt der Grenzfläche kommt, desto mehr steigt die Amplitude des evaneszenten Feldes am Ort des Objekts an und desto mehr Licht wird auf das Objekt ausgekoppelt. Gleichzeitig sinkt durch diesen so geschaffenen Verlustkanal aber auch die Zahl der im Resonator gespeicherten Photonen und damit die Amplitude der evaneszenten Wellen, so daß die Intensität auf dem Objekt wieder sinkt. Der Resonator wirkt also wie ein Regelkreis, der dafür sorgt, daß die Intensität auf dem Objekt wesentlich weniger empfindlich vom Abstand zwischen dem Objekt und der Immersionslinse abhängt, als im Fall der unbeschichteten Immersionslinse.The larger the numerical aperture of the focusing element 1 is selected and the fewer rays near the axis are let through by the ring diaphragm 2, the greater the angle α which the flattest rays make to the optical axis. If the condition sin (α)> n "1 is fulfilled, all rays are totally reflected on the flat side of the immersion lens. At the location of the focal spot, a purely evanescent field then arises below the immersion lens, which field decreases exponentially with increasing distance from the immersion lens To illuminate the object with a reproducible, constant intensity, it must therefore be brought into a precisely controllable distance from the immersion lens, which generally requires an expensive positioning device 45. If the immersion lens is provided with a highly reflective coating 46 on its curved surface (see Fig 13), so that the intensity on the object is less dependent on the distance between the object and the immersion lens The coated curved surface of the hemisphere, together with the flat underside, on which total reflection takes place, forms an optical resonator in which a strong electromagnetic Field builds up when the light coupled into the curved surface meets the resonance condition. If there is no object in the vicinity of the underside of the immersion lens, the field strength or the number of photons stored in the resonator is only limited by the limited reflectivity of the mirrors and adjustment errors. The amplitude of the evanescent waves then also becomes maximum. If you approach an object to the flat underside of the immersion lens, part of the light reflected there is coupled out to the object via the evanescent field (frustrated total reflection). The closer the object comes to the interface, the more the amplitude of the evanescent field increases at the location of the object and the more light is coupled out onto the object. At the same time, the loss channel thus created also reduces the number of photons stored in the resonator and thus the amplitude of the evanescent waves, so that the intensity on the object drops again. The resonator thus acts like a control loop, which ensures that the intensity on the object is significantly less sensitive to the distance between the object and the immersion lens than in the case of the uncoated immersion lens.
Abb. 14 zeigt den schematischen Aufbau eines Resonators, der aus den Spiegeln 51 und 52 sowie einem Prisma 53 besteht. Die Geometrie des Resonators und die Brechzahl n des Materials, aus dem das Prisma 53 gefertigt ist, sind dabei so gewählt, daß das im Resonator geführte Licht an der Grenzfläche zwischen der Basis des Prismas und der Umgebung (typischerweise Luft) Totalreflexion erfährt. An der Stelle der Totalreflexion entstehen dann evaneszente (nicht propagierende) Wellen, deren Amplitude mit zunehmendem Abstand von der Basisfläche des Prismas exponentiell abfällt. Ein Objekt 54, das mit Hilfe eines Positionierelements 55 an die Grenzfläche angenähert wird, muß sich deshalb in einem Abstand in der Größenordnung der Wellenlänge oder darunter zur Grenzfläche befinden, wenn es mit nachweisbarer Intensität beleuchtet werden soll.Fig. 14 shows the schematic structure of a resonator, which consists of mirrors 51 and 52 and a prism 53. The geometry of the resonator and the refractive index n of the material from which the prism 53 is made are selected so that the light guided in the resonator experiences total reflection at the interface between the base of the prism and the environment (typically air). At the point of total reflection, evanescent (non-propagating) waves then arise, the amplitude of which decreases exponentially with increasing distance from the base surface of the prism. An object 54 which is approximated to the interface with the aid of a positioning element 55 must therefore be at a distance of the order of the wavelength or below the interface if it is to be illuminated with detectable intensity.
Die beleuchtete Fläche auf dem Objekt wird im wesentlichen durch den Strahldurchmesser der im Resonator propagierenden Mode an der Stelle der Totalreflexion bestimmt. Um das Objekt auf einer möglichst kleinen Fläche zu beleuchten, wird der Krümmungsradius und die Position der Spiegel so gewählt, daß sich die Strahltaille dieser Resonatormode an der Stelle der Totalreflexion befindet. Durch die Anwesenheit des Mediums 53 mit der Brechzahl n verringert sich die Brennfleckfläche (Querschnittsfläche der Strahltaille) zusätzlich um den Faktor n2 (Immersionseffekt).The illuminated area on the object is essentially determined by the beam diameter of the mode propagating in the resonator at the point of total reflection. In order to illuminate the object on the smallest possible area, the radius of curvature and the position of the mirrors is selected so that the beam waist of this resonator mode is at the point of total reflection. The presence of the medium 53 with the refractive index n additionally reduces the focal spot area (cross-sectional area of the beam waist) by the factor n 2 (immersion effect).
Das von einer Lichtquelle 56, die bevorzugt einen Laser umfaßt, zur Verfügung gestellte Pumplicht wird mit Hilfe einer Fokussiereinrichtung 57 in den Resonator eingekoppelt. Für eine effektive Einkopplung ist das Fokussierelement so anzupassen, daß der Überlapp zwischen der Mode des Pumplichts und der angeregten Eigenmode des Resonators möglichst groß wird. Erfüllt der Resonator die Resonanzbedinung, was entweder durch eine Verstimmung der Wellenlänge des Pumplichts oder durch eine Variation der Resonatorlänge mittels eines Verstellelements 57, das an einem der beiden Spiegel angebracht ist, geschehen kann, so baut sich im Resonator ein starkes Feld auf. Befindet sich kein Objekt in der Umgebung der Prismenbasis, erfährt das im Resonator umlaufende Licht dort vollständige Totalreflexion und die Zahl der im Resonator gespeicherten Photonen (bzw. die Feldstärke) wird nur durch die begrenzte Reflektivität der Spiegel sowie Justagefehler etc. begrenzt. Die Amplitude der evaneszenten Wellen wird dann ebenfalls maximal. Nähert man ein Objekt 54 an das hier als Prisma ausgeführte Medium an, so wird ein Teil des an der Prismenbasis reflektierten Lichts auf das Objekt ausgekoppelt (frustrierte Totalreflexion). Je näher das Objekt der Grenzfläche kommt, desto mehr steigt die Amplitude der evaneszenten Wellen am Ort des Objekts an und desto mehr Licht wird auf das Objekt ausgekoppelt. Gleichzeitig sinkt durch diesen so geschaffenen Verlustkanal aber auch die Zahl der im Resonator gespeicherten Photonen und damit die Amplitude der evaneszenten Wellen, so daß die Intensität auf dem Objekt wieder sinkt. Der Resonator wirkt also wie ein Regelkreis, der dafür sorgt, daß die Intensität auf dem Objekt wesentlich weniger empfindlich vom Abstand zwischen dem Objekt und dem Medium (Prisma) abhängt als im Fall der Beleuchtung der Grenzfläche (Prismenbasis) unter Totalreflexion ohne zusätzlichen Resonator.The pump light provided by a light source 56, which preferably comprises a laser, is coupled into the resonator with the aid of a focusing device 57. For an effective coupling, the focusing element has to be adjusted in such a way that the overlap between the mode of the pump light and the excited natural mode of the resonator becomes as large as possible. If the resonator fulfills the resonance condition, either by detuning the wavelength of the pump light or by varying the resonator length by means of an adjusting element 57, which is attached to one of the both mirrors is attached can happen, a strong field is built up in the resonator. If there is no object in the vicinity of the prism base, the light circulating in the resonator experiences total total reflection there and the number of photons stored in the resonator (or the field strength) is only limited by the limited reflectivity of the mirrors and adjustment errors etc. The amplitude of the evanescent waves then also becomes maximum. If one approaches an object 54 to the medium embodied here as a prism, part of the light reflected at the prism base is coupled out onto the object (frustrated total reflection). The closer the object comes to the interface, the more the amplitude of the evanescent waves increases at the location of the object and the more light is coupled out onto the object. At the same time, however, the loss channel created in this way also reduces the number of photons stored in the resonator and thus the amplitude of the evanescent waves, so that the intensity on the object drops again. The resonator thus acts like a control loop, which ensures that the intensity on the object depends much less sensitively on the distance between the object and the medium (prism) than in the case of illumination of the interface (prism base) with total reflection without an additional resonator.
Die Lichtquelle kann auch, wie in Abb. 15 schematisch dargestellt, in den Resonator integriert werden. Die Kombination aus laseraktivem Medium 59 und optischer Pumpquelle 60 bildet dann zusammen mit den Spiegeln 51 und 52 sowie der unter Totalreflexion beleuchteten Grenzfläche des Mediums 53, die als Resonator fungieren, ein Lasersystem.As shown schematically in Fig. 15, the light source can also be integrated into the resonator. The combination of laser-active medium 59 and optical pump source 60 then forms a laser system together with the mirrors 51 and 52 and the interface of the medium 53 illuminated under total reflection, which function as a resonator.
Das Medium, an dessen Grenzfläche die Totalreflexion stattfindet kann auch, wie in Abb. 16 dargestellt, als optische Lichtleitfaser 61 ausgeführt sein. Das im Medium propagierende Licht wird dann im Gegensatz zu den oben beschriebenen Ausführungsformen nicht nur an einer Stelle total reflektiert, sondern unter periodischer Totalreflexion im Medium geführt. Der Resonator kann entweder durch eine hochreflektierende Beschichtung der Faserenden gebildet werden oder durch am Faseranfang und am Faserende angebrachte Spiegel (62 und 63). Zum Auskoppeln von Licht auf ein Objekt 54 muß der um den Faserkern 64 angebrachte Fasermantel 65, dessen Brechzahl etwas geringer ist als die des Faserkerns soweit entfernt werden, daß das Objekt 54 bis auf eine Entfernung, die kleiner als die Lichtwellenlänge ist, an die Grenzfläche zwischen Faserkern und Fasermantel, an der die evaneszenten Wellen entstehen, angenähert werden kann.The medium at whose interface the total reflection takes place can also be designed as an optical optical fiber 61, as shown in FIG. 16. In contrast to the embodiments described above, the light propagating in the medium is then not only totally reflected at one point, but is guided in the medium with periodic total reflection. The resonator can either be formed by a highly reflective coating on the fiber ends or by mirrors (62 and 63) attached to the beginning and end of the fiber. In order to couple light onto an object 54, the fiber cladding 65, which has a refractive index which is slightly lower than that of the fiber core, must be removed to such an extent that the object 54 is removed from the interface to a distance which is less than the light wavelength between the fiber core and the fiber cladding, on which the evanescent waves arise, can be approximated.
Mit Hilfe einer Lichtquelle 66 und eines Fokussiersystems 67 wird auch hier von außen Licht in den Resonator eingekoppelt. Die Faser selbst kann auch mit einem laseraktiven Material dotiert sein und optisch gepumpt werden, so daß ein Faserlaser entsteht.With the aid of a light source 66 and a focusing system 67, light is also coupled into the resonator from the outside. The fiber itself can also be doped with a laser-active material and optically pumped, so that a fiber laser is created.
Bei der in Abb. 17 dargestellten Anordnung ist der Resonator bzw. das Medium in dem die Totalreflexion stattfindet in Form einer zweidimensionalen Wellenleiterstruktur 75 ausgeführt. Diese besteht aus einer Halbkugel oder Kugelkalotte, deren äußere Schale eine höhere Brechzahl n' besitzt als der Innenbereich, der aus einem Material mit der Brechzahl n gefertigt ist. Eine solche Struktur läßt sich z.B. aus einer gläsernen Kugel herstellen, bei der in einer geeigneten Schmelze an der Kugeloberfläche die Natriumionen teilweise gegen Silberionen ausgetauscht werden und die anschließend in zwei Halbkugeln bzw. Kugelabschnitte zersägt wird. Licht, das an der flachen Seite der Halbkugel in die Schale mit der Brechzahl n' eingekoppelt wird, propagiert darin unter Totalreflexion zum Pol 76 und weiter bis zu einer dem Einkoppeipunkt gegenüberliegenden Stelle. Die flache Seite ist mit einer hochreflektierenden Beschichtung 77 versehen, so daß die äußere Schale zu einem Resonator wird. Mit Hilfe der Beleuchtungseinrichtung 78 wird auf der flachen Seite der Halbkugel bzw. Kugelkalotte Licht an allen Punkten der Schale eingekoppelt. Je weiter dieses Licht zum Pol propagiert, desto steiler wird der Winkel zwischen der Propagationsrichtung und der optischen Achse 79. Am Pol treffen alle Strahlen unter einem Winkel von 90° zur optischen Achse aufeinander. Die Halbkugel wirkt deshalb wie eine Linse mit einer numerischen Apertur von NA=n' sin(90°)=n'. Wie weiter oben erwähnt wurde, sinkt die auf einem Fokussierelement erzielbare minimale Brennfleckfläche mit zunehmender numerischer Apertur. Die Fläche des sich am Pol der Halbkugel ausbildenden Brennflecks ist deshalb kleiner als dies mit konventionellen Fokussierelementen (z.B. Mikroskopobjektiven) erreicht werden kann, da diese den maximalen Aperturwinkel von 90° in der Praxis nicht erreichen.In the arrangement shown in FIG. 17, the resonator or the medium in which the total reflection takes place is in the form of a two-dimensional waveguide structure 75. This consists of a hemisphere or spherical cap, the outer shell of which has a higher refractive index n 'than the inner region, which is made of a material with the refractive index n. Such a structure can be produced, for example, from a glass sphere, in which the sodium ions are partially exchanged for silver ions in a suitable melt on the surface of the sphere and which is then sawn into two hemispheres or spherical sections. Light that is coupled into the shell with the refractive index n ' on the flat side of the hemisphere propagates therein under total reflection to pole 76 and further to a point opposite the coupling-in point. The flat side is provided with a highly reflective coating 77 so that the outer shell becomes a resonator. With the aid of the lighting device 78, light is coupled in at all points of the shell on the flat side of the hemisphere or spherical cap. The further this light propagates to the pole, the steeper the angle between the direction of propagation and the optical axis 79. At the pole, all rays meet at an angle of 90 ° to the optical axis. The hemisphere therefore acts like a lens with a numerical aperture of NA = n ' sin (90 °) = n ' . As mentioned above, the minimum focal spot area that can be achieved on a focusing element decreases with increasing numerical aperture. The area of the focal spot forming at the pole of the hemisphere is therefore smaller than with conventional focusing elements (e.g. Microscope objectives) can be achieved, since these do not reach the maximum aperture angle of 90 ° in practice.
Damit am Pol nur rein evaneszente Wellen entstehen, die auf ein in Polnähe befindliches Objekt 54 ausgekoppelt werden können, darf das von der Beleuchtungseinrichtung kommende Licht nur in den Bereich der Schalenstruktur mit der Brechzahl n' und nicht in den Innenbereich mit der Brechzahl n eingekoppelt werden. Dies kann am einfachsten durch eine zwischen Halbkugel und Lichtquelle angebrachte Blende 80 geschehen, die alles Licht absorbiert, das auf den Innenbereich der Halbkugel treffen würde. Alternativ kann auch die flache Seite der Halbkugel im Innenbereich mit einer absorbierenden Schicht versehen werden. Eine besonders kleine Brennfleckfläche läßt sich durch die Einkopplung einer radial polarisierten Ringmode erreichen. Für eine effiziente Einkopplung in die Schalenstruktur befindet sich zwischen der Beleuchtungseinrichtung, die eine radial polarisierte Ringmode zur Verfügung stellt, und dem Resonator ein geeignetes diffraktives Element 81 , das dafür sorgt, daß der Hauptteil der von der Lichtquelle emittierten Lichts auf die Schalenstruktur gelenkt wird. Die äußere Schale der Halbkugel kann auch bei dieser Ausführungsform aus einem laseraktiven Material bestehen. Der daraus entstehende Laserresonator muß dann ebenfalls von außen optisch gepumpt werden. So that only purely evanescent waves occur at the pole, which can be coupled out to an object 54 located near the pole, the light coming from the lighting device may only be coupled into the area of the shell structure with the refractive index n ' and not into the inner area with the refractive index n , The easiest way to do this is through an aperture 80, which is arranged between the hemisphere and the light source and absorbs all light that would strike the interior of the hemisphere. Alternatively, the flat side of the hemisphere can be provided with an absorbent layer on the inside. A particularly small focal spot area can be achieved by coupling in a radially polarized ring mode. For efficient coupling into the shell structure, there is a suitable diffractive element 81 between the lighting device, which provides a radially polarized ring mode, and the resonator, which ensures that the majority of the light emitted by the light source is directed onto the shell structure. The outer shell of the hemisphere can also consist of a laser-active material in this embodiment. The resulting laser resonator must then also be optically pumped from the outside.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e : Patent claims:
1. Einrichtung zum Fokussieren von Licht auf ein Objekt, mit mindestens einer vorzugsweise von einem Laser gebildeten Lichtquelle, mit wenigstens einem optischen Fokussierelement und einer Einrichtung zum Festlegen der relativen1. Device for focusing light onto an object, with at least one light source preferably formed by a laser, with at least one optical focusing element and a device for determining the relative
Lage von Fokussierelement und Objekt, dadurch gekennzeichnet, daß das durch das Fokussierelement gesandte Licht in Form einer radial polarisierten Ringmode vorliegt.Position of the focusing element and object, characterized in that the light transmitted through the focusing element is in the form of a radially polarized ring mode.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch ein strahlformendes Element zum Erzeugen einer radial polarisierten Ringmode aus mindestens einer einfallenden linear polarisierten Welle mit vorzugsweise gaußförmiger Intensitätsverteilung.2. Device according to claim 1, characterized by a beam-shaping element for generating a radially polarized ring mode from at least one incident linearly polarized wave with a preferably Gaussian intensity distribution.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte strahlformende Element einen Polarisationskonverter enthält, der aus mindestens drei Halbwellenplatten besteht, die im wesentlichen senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des auf den Polarisationskonverter treffenden Lichtstrahls in einer Segmentanordnung angebracht sind, so daß die von den Halbwellenplatten eingenommene Fläche den wesentlichen Teil des Strahlquerschnitts ausmacht und deren Halbachsen jeweils so ausgerichtet sind, daß die Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts innerhalb einer jeden Platte in eine Richtung gedreht wird, die radial vom Zentrum des einfallenden Lichtstrahls wegzeigt.3. Device according to claim 2, characterized in that said beam-shaping element contains a polarization converter, which consists of at least three half-wave plates, which are mounted substantially perpendicular to the direction of propagation of the light beam striking the polarization converter in a segment arrangement, so that the half-wave plates occupies the major part of the beam cross-section and the semiaxes are each aligned so that the direction of polarization of the incident light within each plate is rotated in a direction that points radially away from the center of the incident light beam.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß genannter Polarisationskonverter in einem im Bereich des einfallenden und auslaufenden Lichtstrahls transparenten Gefäß gelagert ist, das ganz oder teilweise mit einem Medium ausgefüllt ist, dessen Brechungsindex größer als der von Luft und im wesentlichen gleich dem Brechungsindex des Materials ist, aus dem die Halbwellenplatten gefertigt sind.4. Device according to claim 3, characterized in that said polarization converter is stored in a transparent in the area of the incident and outgoing light beam, which is completely or partially filled with a medium whose refractive index is greater than that of air and substantially equal to the refractive index of the material from which the half-wave plates are made.
5. Einrichtung nach Anspruch 3, bestehend aus einem hinter dem Polarisationskonverter angeordneten Filterelement, bevorzugt in Form eines optischen Resonators, dadurch gekennzeichnet, daß die Transmission des genannten Filterelements nur für die TEM0m- und die TEMm0-Mode (m ungerade) einer auf das Filterelement treffenden elektromagnetischen Feldverteilung wesentlich von Null verschieden ist.5. Device according to claim 3, consisting of a filter element arranged behind the polarization converter, preferably in the form of a Optical resonator, characterized in that the transmission of said filter element is substantially different from zero only for the TEM 0m and TEM m0 modes (m odd) of an electromagnetic field distribution striking the filter element.
6. Einrichtung nach Anspruch 1 mit mindestens einer vor oder hinter einem dem Fokussierelement angeordneten Blende, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende als Ringlochblende ausgebildet ist und nur einen ringförmigen Teil des auf die Blende treffenden Lichts passieren läßt.6. Device according to claim 1 with at least one in front of or behind one of the focusing element arranged aperture, characterized in that the aperture is designed as an annular aperture and only an annular part of the light striking the aperture can pass.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das von der fokussierten, radial polarisierten, ringförmigen Feldverteilung beleuchtete Objekt ein optisches oder magnetooptisches Datenspeichermedium ist.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the object illuminated by the focused, radially polarized, annular field distribution is an optical or magneto-optical data storage medium.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß genannte Einrichtung die Beleuchtungseinrichtung für ein mit Hilfe eines Mikroskops punktweise betrachtetes Objekt bildet.8. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that said device forms the illumination device for an object viewed with the aid of a microscope.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das beleuchtete Objekt aus einem mit lichtempfindlichem Material beschichteten9. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the illuminated object made of a coated with light-sensitive material
Substrat besteht.Substrate exists.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das beleuchtete Objekt aus einem Material besteht, das am Ort des Brennflecks unter dem Einfluß der Beleuchtung verdampft oder auf dem mittels chemischer10. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the illuminated object consists of a material which evaporates at the location of the focal spot under the influence of the lighting or on the chemical
Dampfabscheidung Material angelagert wird.Vapor separation material is deposited.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch, eine Festkörper-Immersionslinse, durch welche das in Form einer radial polarisierten Ringmode vorliegende Licht auf das Objekt gelangt.11. Device according to one of claims 1 to 9, characterized by, a solid immersion lens through which the present in the form of a radially polarized ring mode reaches the object.
12. Einrichtung zum Auskoppeln von Licht auf ein Objekt, bei der das Licht in einem optisch dichteren Medium an einer Grenzfläche total reflektiert wird und das Objekt mit einem unter der Wellenlänge liegenden Abstand von der Grenzfläche angeordnet ist nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß ein Resonator vorgesehen ist, in dessen Strahlengang das optisch dichtere Medium angeordnet ist, wobei das im Resonator geführte Licht an der Grenzfläche total reflektiert und teilweise auf das Objekt ausgekoppelt wird, wobei das in den Resonator eingekoppelte bzw. im Resonator geführte Licht in Form einer radial polarisierten Ringmode vorliegt.12. Device for coupling light onto an object, in which the light is totally reflected in an optically denser medium at an interface and that An object at a distance below the wavelength from the interface is arranged according to one of claims 1 to 11, characterized in that a resonator is provided, in the beam path of which the optically denser medium is arranged, the light guided in the resonator being total at the interface is reflected and partially coupled out onto the object, the light coupled into the resonator or guided in the resonator being in the form of a radially polarized ring mode.
13. Einrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Beleuchtungseinrichtung vorgesehen ist, die Licht in Form einer Ringmode zur13. The device according to claim 12, characterized in that a lighting device is provided, the light in the form of a ring mode
Verfügung stellt, das in den Resonator eingekoppelt wird.Provides that is coupled into the resonator.
14. Einrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Blende vorgesehen ist, die nur einen ringförmigen Teil des auf die Blende treffenden Lichts zum Resonator passieren läßt.14. Device according to claim 13, characterized in that an aperture is provided which allows only an annular part of the light incident on the aperture to pass to the resonator.
15. Einrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang vor dem Resonator mindestens ein geeignetes diffraktives Element angebracht ist, so daß ein wesentlicher Teil der in genannter Ringmode enthaltenen Lichtleistung auf die Wellenleiterstruktur des Resonators gelenkt und eingekoppelt wird.15. Device according to claim 13 or 14, characterized in that at least one suitable diffractive element is attached in the beam path in front of the resonator, so that a substantial part of the light power contained in the ring mode is directed onto the waveguide structure of the resonator and coupled.
16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß genannter Resonator Teil eines Laserresonators ist und ein laseraktives Medium im Strahlengang des Resonators angebracht ist.16. Device according to one of claims 12 to 15, characterized in that said resonator is part of a laser resonator and a laser-active medium is attached in the beam path of the resonator.
17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator von einer ganz oder teilweise mit einer reflektierenden Beschichtung versehenen Festkörper-Linse gebildet ist.17. Device according to one of claims 12 to 16, characterized in that the resonator is formed by a fully or partially provided with a reflective coating solid lens.
18. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch dichtere Medium im wesentlichen in Form einer Halbkugel oder Kugelkalotte gefertigt ist, und daß das im Resonator geführte Licht in das Medium an dessen gekrümmter Fläche eintritt und die flache Seite der Halbkugel die dem Objekt zugewandte Grenzfläche bildet, an der das Licht total reflektiert und teilweise auf das Objekt ausgekoppelt wird.18. Device according to one of claims 12 to 17, characterized in that the optically denser medium is made essentially in the form of a hemisphere or spherical cap, and that the light guided in the resonator into the medium occurs at its curved surface and the flat side of the hemisphere forms the interface facing the object, at which the light is totally reflected and partially coupled out onto the object.
19. Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der in Form einer Halbkugel bzw. Kugelkalotte gefertigter Resonator an seiner gekrümmten Fläche ganz oder teilweise mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen ist.19. The device according to claim 18, characterized in that the resonator manufactured in the form of a hemisphere or spherical cap is provided in whole or in part on its curved surface with a highly reflective coating.
20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch dichtere Medium aus einer optischen Lichtleitfaser besteht, wobei der um den Faserkern angebrachte Fasermantel an der Stelle der Auskopplung eine Dicke besitzt, die kleiner als die Lichtwellenlänge ist.20. Device according to one of claims 12 to 17, characterized in that the optically denser medium consists of an optical fiber, wherein the fiber cladding attached to the fiber core has a thickness at the point of coupling, which is smaller than the light wavelength.
21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser ganz oder teilweise aus einem laseraktiven Material gefertigt ist, und daß eine21. The device according to claim 20, characterized in that the optical fiber is made entirely or partially of a laser-active material, and that a
Einrichtung zum optischen Pumpen des laseraktiven Materials vorgesehen ist.Device for optically pumping the laser-active material is provided.
22. Einrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator aus einem zweidimensionalen Wellenleiter besteht, der im wesentlichen in Form einer Halbkugel oder Kugelkalotte gefertigt ist, und daß die22. Device according to one of claims 12 to 17, characterized in that the resonator consists of a two-dimensional waveguide, which is made essentially in the form of a hemisphere or spherical cap, and that
Brechzahl im äußeren Bereich einen größeren Wert hat als im Innenbereich und das im Resonator geführte Licht auf der flachen Seite, die ganz oder teilweise mit einer hochreflektierenden Schicht versehen ist, in den Resonator eingekoppelt und in der Umgebung des Pols teilweise auf ein Objekt ausgekoppelt wird.Refractive index in the outer area has a greater value than in the inner area and the light guided in the resonator on the flat side, which is wholly or partially provided with a highly reflective layer, is coupled into the resonator and partially coupled out to an object in the vicinity of the pole.
23. Einrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator auf der gekrümmten Fläche ganz oder teilweise mit einer hochreflektierenden Beschichtung versehen ist.23. The device according to claim 22, characterized in that the resonator is provided in whole or in part on the curved surface with a highly reflective coating.
24. Einrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Schicht der Halbkugel oder Kugelkalotte, die den zweidimensionalen Wellenleiter bildet, aus einem laseraktiven Material gefertigt ist, und daß eine Vorrichtung zum optischen Pumpen des genannten laseraktiven Materials vorgesehen ist. 24. Device according to claim 22 or 23, characterized in that the outer layer of the hemisphere or spherical cap, which forms the two-dimensional waveguide, is made of a laser-active material, and that a device for optically pumping said laser-active material is provided.
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