DE102004052146A1 - Assembly to focus e.g. a light bundle, for optical lithography and the like, has an evanescent wave generator and amplifier for the seed evanescent fields to give a focus spot - Google Patents

Assembly to focus e.g. a light bundle, for optical lithography and the like, has an evanescent wave generator and amplifier for the seed evanescent fields to give a focus spot Download PDF

Info

Publication number
DE102004052146A1
DE102004052146A1 DE102004052146A DE102004052146A DE102004052146A1 DE 102004052146 A1 DE102004052146 A1 DE 102004052146A1 DE 102004052146 A DE102004052146 A DE 102004052146A DE 102004052146 A DE102004052146 A DE 102004052146A DE 102004052146 A1 DE102004052146 A1 DE 102004052146A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
wave generator
evanescent wave
photonic crystal
evanescent
focused
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102004052146A
Other languages
German (de)
Other versions
DE102004052146A9 (en
Inventor
Joachim Dipl.-Phys. Dr. Herrmann
Anton Dipl.-Phys. Dr. Husakou
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Forschungsverbund Berlin FVB eV
Original Assignee
Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Forschungsverbund Berlin FVB eV filed Critical Forschungsverbund Berlin FVB eV
Priority to DE102004052146A priority Critical patent/DE102004052146A1/en
Priority to DE200610019378 priority patent/DE102006019378A1/en
Publication of DE102004052146A1 publication Critical patent/DE102004052146A1/en
Publication of DE102004052146A9 publication Critical patent/DE102004052146A9/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G03PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03FPHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
    • G03F7/00Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
    • G03F7/70Microphotolithographic exposure; Apparatus therefor
    • G03F7/70383Direct write, i.e. pattern is written directly without the use of a mask by one or multiple beams
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y10/00Nanotechnology for information processing, storage or transmission, e.g. quantum computing or single electron logic
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y20/00Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02FOPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2202/00Materials and properties
    • G02F2202/32Photonic crystals

Abstract

The assembly to focus (S) electromagnetic rays e.g. a light bundle (LB) below the diffraction threshold as seed evanescent fields, has an evanescent wave generator (EWE) and diaphragm (B) with an amplifier (EWV) to amplify the seed evanescent waves in close spatial proximity to their point of origin at the EWE. At the same time, the phases of the amplified evanescent fields are matched. The EWE is a semiconductor absorber which can be saturated.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung unterhalb der Beugungsgrenze.The The invention relates to a method and an arrangement for focusing electromagnetic radiation below the diffraction limit.

Die Fokussierung von Lichtbündeln oder allgemeiner elektromagnetischer Strahlung auf eine extrem kleine Fläche mit hoher Energiedichte wird in einer großen Anzahl von technologischen Methoden oder optischen Instrumenten benötigt, wie beispielsweise in der optischen Lithographie, in der optischen und magneto-optischen Datenspeicherung, in der Laser-Materialbearbeitung, in der Konfokalen Rastermikroskopie (Scanning Confocal Mikroscopy), in der integrierten Optik und Nano-Optik, die die Ausführung von Operationen in räumlichen Dimensionen in der Größe der Wellenlänge erfordern.The Focusing of light bundles or more generally electromagnetic radiation to an extremely small size area with high energy density is used in a large number of technological Methods or optical instruments needed, such as in optical lithography, optical and magneto-optical Data storage, in laser material processing, in Confocal Scanning microscopy (Scanning Confocal Microscopy), in the integrated Optics and nano-optics, which is the execution of operations in spatial Require dimensions in the size of the wavelength.

Ein prominentes Beispiel ist die optische Lithographie, die ein wesentlicher Bestandteil bei der Herstellung integrierter Schaltkreise ist. Bei der optischen Lithographie passiert mittels optischer Linsen fokussiertes Licht oder VUV-Strahlung eine Photomaske, die das Muster für den gewünschten optischen Schaltkreis bildet, und wird anschließend durch eine Projektionslinse auf eine Scheibe (wafer) abgebildet, aus der durch photochemische Prozesse nach einer spezifischen Bearbeitung der intergrierte Schaltkreis entsteht.One Prominent example is the optical lithography, which is an essential Component in the production of integrated circuits is. at The optical lithography happens by means of optical lenses focused Light or VUV radiation a photomask representing the pattern for the desired optical circuit forms, and is then by a projection lens on a wafer, from the by photochemical processes after a specific processing the integrated circuit is created.

Dem Stand der Technik nach allgemein bekannt sind Möglichkeiten zur Verbesserung der Auflösung bei der optischen Lithographie, von denen hier nur die wichtigsten genannt werden.the State of the art according to well-known possibilities for improvement the resolution in optical lithography, of which only the most important to be named.

So besteht eine Möglichkeit in der Nutzung einer modifizierten Bestrahlung durch dipol- und quadrupolartige oder ringförmige Blenden oder durch partiell kohärentes Licht (siehe z.B. „Resolution enhancement techniques in optical lithography", SPIE Press, Bellingham, Washington, 2001, pp. 71–151). Die optische Nahfeld-Lithographie nutzt andererseits Evaneszenzfelder zur Erhöhung der Auflösungsgrenzen, wobei durch die Spitze einer konischen (tapered) Faser mit einem Spitzendurchmesser im Nanometerbereich eine starke Felderhöhung bewirkt wird, die für eine permanente Sensibilisierung des Photolacks mit einer Dicke von etwa 50 nm ausreichend ist. In der Literatur wurden verschiedene Ausführungsformen der Nahfeld-Lithographie beschrieben. In einer Realisierung (Kontakt-Lithographie) befinden sich alternierende Schichten von Absorbern (z.B. Chrom) auf der Oberfläche des Quarz-Substrates (Appl. Phys. Lett. 69, 3098 (1996)) oder werden innerhalb des Substrats eingebettet (conformable embedded-amplitude mask, siehe z.B. Appl. Phys. Lett. 81, 1315 (2002)). Die Amplituden-Maske befindet sich somit bei der Kontakt-Lithographie im direkten Kontakt mit der Schicht des Photolacks. Die Auflösung kann bei dieser Methode sehr groß sein, dagegen ist bei der Kontakt-Lithographie der direkte Kontakt des Photolacks und der Maske notwendig, wodurch bei der industriellen Anwendung beträchtliche Probleme entstehen.So there is a possibility in the use of a modified irradiation by dipole and quadrupole-like or annular Dazzle or by partially coherent Light (see, e.g., "Resolution enhancement techniques in optical lithography ", SPIE Press, Bellingham, Washington, 2001, pp. 71-151). The On the other hand, near-field optical lithography uses evanescent fields to increase the resolution limits, being through the tip of a tapered fiber with a Tip diameter in the nanometer range causes a strong field increase will that for a permanent sensitization of the photoresist with a thickness of about 50 nm is sufficient. In the literature were different embodiments of near-field lithography. In a realization (contact lithography) there are alternating layers of absorbers (e.g., chromium) on the surface of the quartz substrate (Appl. Phys. Lett. 69, 3098 (1996)) or embedded within the substrate (conformable embedded-amplitude mask, see e.g. Appl. Phys. Lett. 81, 1315 (2002)). The amplitude mask is therefore in direct contact with contact lithography with the layer of the photoresist. The resolution can with this method be very tall whereas contact lithography is the direct contact of the Photoresist and the mask necessary, thereby reducing the industrial Application considerable problems arise.

Eine andere bekannte Variante zur Erhöhung der Auflösung ist die optische Raster Nahfeld-Lithographie (Scanning Near-Field Lithography), bei der modulierte Lichtimpulse in eine konische Faser mit einer Spitze eingekoppelt und in das Nahfeld der zu strukturierenden Schicht gebracht werden. Die zu schreibende Information erfolgt hierbei direkt über die Modulation des Lasers. Nachteilig bei dieser Methode ist die geringe Transmission der Faser.A another known variant for increasing the resolution is the optical grid near-field lithography (Scanning Near-Field Lithography), in which modulated light pulses into a conical fiber coupled with a tip and in the near field of structuring Be brought layer. The information to be written takes place here directly over the Modulation of the laser. The disadvantage of this method is the low Transmission of the fiber.

In einer anderen Ausführungsform, beispielsweise beschrieben in US 6,340,813 wird die Endöffnung der Faserspitze mit einer dünnen Schicht eines sättigbare Farbstoffs verbunden, wodurch der Durchgang eines Lichtbündels nur erfolgen kann, wenn der sättigbare Farbstoff durch die Bestrahlung des Lasers infolge Sättigung transparent wird. Dadurch kann der Durchmesser der Nahfeldblende variabel und von der Intensität oder der Temperatur abhängig eingestellt werden.In another embodiment, for example described in US 6,340,813 For example, the end opening of the fiber tip is bonded to a thin layer of saturable dye, whereby the passage of a light beam can only occur if the saturable dye becomes transparent due to the irradiation of the laser due to saturation. As a result, the diameter of the near field diaphragm can be set variably and dependent on the intensity or the temperature.

Ein weiteres wichtiges Anwendungsfeld für fokussierte Laserbündel ist die optische und magneto-optische Datenspeicherung, bei der Information durch Fokussierung eines Laserstrahls auf eine möglichst kleine Fläche auf einen Datenträger gespeichert wird (s. beispielsweise T. W. McDaniel, Handbook of magneto-optical data recording: materials, subsystems, techniques, Noyes Publishing, Westwood (USA), 1997, pp.1–32, 425–547). Bei der optischen Datenspeicherung werden physikalische Änderungen im Medium (speziell z.B. strukturelle Änderungen zwischen dem kristallinen und amorphen Zustand) auf dieser Fläche durch Erwärmung bewirkt. Bei magneto-optischen Speichersystemen verursacht die Erwärmung eine Ausrichtung magnetischer Domänen längs eines angelegten magnetischen Feldes. Die physikalischen Grenzen bei konventionellen Geräten für eine maximal mögliche Speicherdichte ist hier analog wie bei der Lithographie infolge der Beugungsbegrenzung durch die Wellenlänge des optischen Strahls vorgegeben. Dem Stand der Technik nach wurden verschiedene mögliche Lösungen zur Erhöhung der Bitrate bei der optischen Datenspeicherung untersucht. In einer ersten Variante der optischen Nahfeld Datenspeicherung (Appl. Phys. Lett. 61, 142 (1992)) wurde ein Raster- Nahfeldmikroskop (Scanning Near-Field Microscope) mit einer konischen optischen Faser mit einer Spitze in das Nahfeld des magneto-optischen Mediums zum Schreiben und Lesen der Information gebracht, wodurch Strukturen kleiner als 100 nm aufgenommen werden konnten. Eine andere Lösung (s. US 2003/035361 und Appl. Phys. Lett. 65, 388 (1994)) verwendet eine Festkörper-Immersionslinse (Solid Immersion Lens, SIL), die infolge der hohen Brechzahl den fokussierten Bündelradius verkleinern kann. Die magnetische Diskette befindet sich auch hier im Nahfeld der Grenzschicht der Linse mit einer Distanz unterhalb der Wellenlänge, wodurch Evaneszenzfelder im Nahfeld eine lokale Erwärmung der magnetischen Schicht bewirken. Ein Problem bei einer praktischen Anwendung dieser beiden Techniken ist jedoch die unter praktischen Bedingungen schwer zu steuernde sehr kleinen Distanz der Spitze bzw. der Festkörper-Immersionslinse zur Diskette, wodurch nur kleine Aufnahme-Geschwindigkeiten und kleine Aufnahme-Flächen möglich sind. Zur Vermeidung dieser Probleme wurde in US 6,226,258 ; US 6,661,745 B1 ; Appl. Phys. Lett. 73, 2078 (1998) eine super-auflösende Nahfeldstruktur (super-RENS) mit einem zusätzlich zur magnetischen Schicht integrierten Material verwendet, das sich im Nahfeld-Bereich der magnetischen Schicht (GeSbTe) befindet. In der super-RENS werden dabei durch das einfallende Licht infolge von intensitätsabhängigen Prozessen blendenartige Bereiche sowie Streuzentren erzeugt, wodurch Evaneszenzfelder auf einer kleineren Fläche als dem Spot des anregenden Lichtbündels entstehen und eine Nahfeld-Aufnahme auf der Aufnahme-Schicht unterhalb der Beugungsbegrenzung möglich wird. Modifikationen dieser Methode lassen sich auch für die optische Lithographie nutzen (s. US 6,692,894 und US 6,340,813 ).Another important field of application for focused laser bundles is the optical and magneto-optical data storage, in which information is stored on a data carrier by focusing a laser beam on the smallest possible area (see, for example, TW McDaniel, Handbook of magneto-optical data recording: materials, subsystems, techniques, Noyes Publishing, Westwood (USA), 1997, pp.1-32, 425-547). In optical data storage, physical changes in the medium (especially, for example, structural changes between the crystalline and amorphous states) on this surface are caused by heating. In magneto-optic memory systems, heating causes alignment of magnetic domains along an applied magnetic field. The physical limits in conventional devices for a maximum possible storage density is given here analogously as in lithography due to the diffraction limit by the wavelength of the optical beam. The prior art has examined various possible solutions for increasing the bit rate in optical data storage. In a first variant of optical near-field data storage (Appl. Phys. Lett., 61, 142 (1992)), a scanning Near-Field Microscope with a conical optical fiber with a tip in the near field of the magneto-optical medium for writing and reading the information, whereby structures smaller than 100 nm could be recorded Another solution (see US 2003/035361 and Appl. Phys. Lett., 65, 388 (1994)) uses a solid-immersion lens (SIL) which, due to the high refractive index, can reduce the focused beam radius. The magnetic disk is also located in the near field of the boundary layer of the lens at a distance below the wavelength, whereby Evaneszenzfelder in the near field cause local heating of the magnetic layer. A problem with a practical application of these two techniques, however, is the very difficult under practical conditions to control very small distance of the tip or the solid immersion lens to the disk, whereby only small recording speeds and small recording areas are possible. To avoid these problems was in US 6,226,258 ; US Pat. No. 6,661,745 B1 ; Appl. Phys. Lett. 73, 2078 (1998) used a super-resolution near-field structure (super-RENS) with a material integrated in addition to the magnetic layer, which is located in the near field region of the magnetic layer (GeSbTe). In the super-RENS are created by the incident light due to intensity-dependent processes dazzle-like areas and scattering centers, creating evanescent fields on a smaller area than the spot of the exciting light beam and a near-field recording on the recording layer below the diffraction limit is possible. Modifications of this method can also be used for optical lithography (s. US 6,692,894 and US 6,340,813 ).

Ein anderes Anwendungsbeispiel, das eine scharfe Fokussierung optischer Strahlung auf eine kleine Fläche erfordert, ist die Laser-Nano-Material-Bearbeitung zur Herstellung kleinster Strukturen und photonischer Geräte im Nanometer-Bereich. Eine Variante dazu ist die Nutzung der Zwei-Photonen-Photopolymerisation durch scharf fokussiertes Laserlicht in Resin oder anderen geeigneten Medien (Opt. Lett. 22, 132 (1997). Diese Methode wurde z.B. zur Herstellung von unterschiedlichsten Mikro-Geräten (siehe z.B. Applied Surface Science 208–209, 153 (2003)) sowie von 3D-Defekten in Photonischen Kistallen genutzt. Die räumliche Auflösung wird hierbei ebenfalls durch die Beugungsbegrenzung vorgegeben.One another application example, which is a sharp focusing optical Radiation on a small area requires, laser nano-material processing is the smallest to manufacture Structures and photonic devices in the nanometer range. A variant of this is the use of two-photon photopolymerization by sharply focused laser light in resin or other suitable Media (Opt Lett 22, 132 (1997)) Production of a wide variety of microdevices (see for example Applied Surface Science 208-209, 153 (2003)) and 3D defects in photonic crystals. The spatial resolution is also given by the diffraction limit.

In der Optischen Nahfeld Mikroskopie (Optical Near-Field Microscopy) wird in der Konfiguration im Bestrahlungsmodus (illumination mode, I-mode) das Objekt mit dem aus der Spitze einer konischen optischen Faser austretendem Licht bestrahlt, wobei sich die Spitze im Nahfeld der Probe auf einem Substrat befindet. Das dadurch entstehende Streulicht wird durch einen Photo- Vervielfacher gemessen, wobei Auflösungen unterhalb der Beugungsbegrenzung möglich sind. In der Konfiguration des Sammelmodus (Collection Mode) wird das Objekt dagegen von der unteren Seite der Probe bestrahlt, wobei Evaneszenzfelder entstehen, die durch eine sich im Nahfeld des Objekts sich befindende Faserspitze gesammelt und als nachweisbares Signal weitergeleitet werden.In Optical Near-Field Microscopy is in the configuration in the irradiation mode (illumination mode, I-mode) the object with the from the top of a conical optical Fiber emitted light exiting, with the tip in the near field the sample is located on a substrate. The resulting stray light is through a photomultiplier measured, with resolutions below the diffraction limit are possible. In the configuration In Collective Mode (Collection Mode), the object is replaced by the irradiated on the lower side of the sample, whereby evanescent fields are formed, by a located in the near field of the object itself fiber tip collected and forwarded as a detectable signal.

In der Konfokalen Rastermikroskopie (Scanning Confocal Mikroscopy) wird das Objekt durch ein stark fokussiertes Lichtbündel bestrahlt und die Probe durch die Fokusebene bewegt. Diese Methode erlaubt bereits in der konventionellen Ausführung eine Auflösung unterhalb der Beugungsgrenze. Für bestimmte Anwendungen ist aber eine deutlich weiter verbesserte mikroskopische Auflösung notwendig.In Confocal Scanning Microscopy (Scanning Confocal Microscopy) the object is irradiated by a strongly focused light beam and the sample is moved through the focal plane. This method allows already in the conventional version a resolution below the diffraction limit. For However, certain applications is a significantly improved microscopic resolution necessary.

Die Fokussierung von Licht auf einen extrem kleinen Fleck unterhalb der Hälfte der Wellenlänge für eine Verringerung der bestrahlten Fläche als auch eine Erhöhung der Intensität bei gleicher Laserleistung hat über die erwähnten Anwendungsfelder hinaus auch eine hohe Bedeutsamkeit für eine Vielzahl anderer Prozesse sowohl in weiteren Anwendungsfeldern als auch in der Grundlagenforschung, wie z.B. in der integrierten Optik und der Nanooptik, die die Ausführung von Operationen in räumlichen Dimensionen in der Größe oder sogar unterhalb der Wellenlänge erfordern, der nichtlinearen Optik, in der Entwicklung von Quantencomputern und vielen anderen.The Focusing light on an extremely small spot below half the wavelength for a reduction the irradiated area as well as an increase the intensity at the same laser power has over the mentioned Areas of application also have a high significance for a multitude of others Processes in other fields of application as well as in basic research, such as. in the integrated optics and nano-optics, the execution of Operations in spatial Dimensions in size or even below the wavelength non-linear optics, in the development of quantum computers and many others.

Die physikalische Grenze für den kleinsten Bündeldurchmesser bei der Fokussierung von optischen bzw. allgemein elektromagnetischen Strahlenbündeln durch Linsen oder andere fokussierende Instrumente der konventionellen Optik liegt infolge der Beugung bei etwa der Hälfte der Wellenlänge. Die Ursachen für diese Beugungsbegrenzung liegen in der konventionellen Optik darin, dass ein Teil der räumlichen Fourierkomponenten E(kx, ky, kZ, ω) (die so genannten Evaneszenzkomponenten), die der Bedingung

Figure 00050001
genügen, wobei λ die Wellenlänge und z die Ausbreitungsrichtung des Bündels ist, bei der Ausbreitung und Fokussierung von Licht in Luft oder im Vakuum verloren geht.The physical limit for the smallest bundle diameter in the focusing of optical or general electromagnetic radiation bundles by lenses or other focusing instruments of conventional optics is due to the diffraction at about half of the wavelength. The reasons for this diffraction limitation are in conventional optics in that a part of the spatial Fourier components E (k x , k y , k Z , ω) (the so-called evanescent components), the condition
Figure 00050001
where λ is the wavelength and z is the propagation direction of the beam which is lost in the propagation and focusing of light in air or in vacuum.

Dem Stand der Technik nach bekannt sind photonische Kristalle sowie andere optische Medien mit einer negativen Brechzahl. Bereits 1968 entwickelte V. Veselago in Sov. Phys. Usp. 10, 509 (1968) die Hypothese, dass Materialien mit einer negativen Brechzahl existieren könnten, ohne dass dadurch Gesetze der Physik verletzt wären. Ein solches Material würde eine Reihe neuer optischer Phänomene ermöglichen, wie eine negative Brechung (d.h. eine Brechung beim Übergang vom Vakuum in ein Medium vom Lot weg an Stelle zum Lot hin wie in üblichen Medien). Der Energiefluss in einem solchen Medium wäre entgegengesetzt zum Wellenvektor gerichtet, deshalb nennt man solche Medien mit negativer Brechzahl auch „linkshändige Medien". Dieses Thema bekam erst einige Zeit später eine unerwartete Aktualität, als eine negative Brechzahl für elektromagnetische Wellen mit einer Wellenlänge im mm-Bereich (beschrieben in Phys. Rev. Lett. 84, 4184 (2000) und Appl. Phys. Lett. 77, 2248 (2000)) in einem Metamaterial realisiert wurde, das aus einer regelmäßigen Anordnung metallischer Schlaufen zusammengesetzt ist. Kürzlich wurde dieses Phänomen direkt experimentell verifiziert (s. Science 292, 77 (2001) und Phys. Rev. Lett. 90, 137401 (2003)).The prior art discloses photonic crystals as well as other optical media having a negative refractive index. Already in 1968 V. Veselago developed in Sov. Phys. Usp. 10, 509 (1968) hypothesized that materials with a negative refractive index could exist without violating laws of physics. Such a material would allow for a variety of new optical phenomena, such as negative refraction (ie, refraction when moving from the vacuum to a medium away from the solder rather than to the solder as in conventional media). The energy flow in such a medium This would be called "negative-refractive index" and "left-handed media." This topic did not become unexpectedly relevant until some time later, when a negative refractive index for electromagnetic waves with a wavelength in the mm range (described in Phys. Rev. Lett., 84, 4184 (2000) and Appl. Phys., Lett., 77, 2248 (2000)) in a metamaterial composed of a regular array of metallic loops Recently, this phenomenon has been directly experimentally verified (see FIG. Science 292, 77 (2001) and Phys. Rev. Lett. 90, 137401 (2003)).

Die große physikalische Bedeutung dieses Themas wurde insbesondere durch eine theoretische Arbeit von Pendry in Phys. Rev. Lett. 85, 3966 (2000) deutlich, in der gezeigt wurde, dass eine Schicht aus einem Material mit einer negativen Brechung eine perfekte Linse bildet, die die evaneszenten Moden verstärkt und mit den Strahlungsmoden zusammengesetzt zu einer perfekten Abbildung unterhalb der durch die Wellenlänge gegebenen Auflösung führt. Künstliche Metamaterialien wie sie oben beschrieben wurden, sind jedoch nur für Wellen im Millimeter bis Mikrometer Bereich anwendbar. Im Jahre 2000 wurde in Phys. Rev. B 62, 10696 (2000) theoretisch vorausgesagt, dass in Photonischen Kristallen mit spezifisch gewählten Parametern eine effektive negative Brechzahl im optischen und infraroten Bereich auftreten kann. Später wurde gezeigt, dass unter bestimmten Bedingungen photonische Kristalle auch Evaneszenzwellen mittels eines resonanten Kopplungsmechanismus zu gebundenen photonischen Oberflächenzuständen verstärken, wobei der Kristall eine effektive positive Brechzahl besitzt (s. beispielsweise WO 03/088419; WO 03/044897; Phys. Rev. B 68, 045115 (2003) und Phys. Rev. B 68, 245110 (2003)). Dieses Phänomen wurde von den Autoren mit „all-angle negative refraction (AANR)" bezeichnet. Im Folgenden werden beide Fälle kurz als „negative Brechung" bezeichnet.The size The physical meaning of this topic was especially determined by a theoretical work of Pendry in Phys. Rev. Lett. 85, 3966 (2000) clearly, in which it was shown that a layer of a material with a negative refraction forms a perfect lens that evanescents Strengthen fashions and combined with the radiation modes to form a perfect image below that by the wavelength given resolution leads. artificial However, metamaterials as described above are only for waves in the millimeter to micrometer range applicable. In the year 2000 became in phys. Rev. B 62, 10696 (2000) theoretically predicted that in photonic crystals with specifically chosen parameters an effective Negative refractive index in the optical and infrared range occur can. Later was shown to be photonic crystals under certain conditions also evanescent waves by means of a resonant coupling mechanism to strengthen bound photonic surface states, the crystal a has effective positive refractive index (see, for example, WO 03/088419; WO 03/044897; Phys. Rev. B 68, 045115 (2003) and Phys. Rev. B 68, 245110 (2003)). This phenomenon was named "all-angle negative refraction (AANR) ". The following are both cases short as "negative Refraction ".

Kürzlich wurde eine Abbildung durch eine dünne Schicht eines Photonischen 2D-Kristall für langwellige Strahlung im Mikrometer-Bereich experimentell demonstriert (s. Nature 426, 404 (2003)).Recently became a picture through a thin one Layer of a 2D photonic crystal for long-wave radiation in the Micrometer range experimentally demonstrated (see Nature 426, 404 (2003)).

Die zuletzt genannten Veröffentlichungen, die die Verstärkung von Evaneszenzwellen mittels photonischer Kristalle oder Metamaterialien mit einer negativen Brechzahl betreffen, sind bisher nur für die Abbildung von Strukturen unterhalb der Wellenlänge angewandt worden.The latter publications, the the reinforcement of evanescent waves by means of photonic crystals or metamaterials with a negative refractive index are so far only for the picture of structures below the wavelength has been applied.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren und eine Anordnung zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung unterhalb der Beugungsgrenze anzugeben, wodurch die physikalische Grenze für den kleinsten Bündeldurchmesser bei der Fokussierung elektromagnetischer Strahlung überwunden und eine höhere Intensität auf einer kleineren Fläche realisiert werden kann.task The invention is now a method and an arrangement for focusing indicate electromagnetic radiation below the diffraction limit, whereby the physical limit for the smallest bundle diameter overcome in the focusing of electromagnetic radiation and a higher one intensity on a smaller area can be realized.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung unterhalb der Beugungsgrenze gelöst, mindestens umfassend die Verfahrensschritte Fokussieren eines von einer Quelle einfallenden elektromagnetischen Strahlenbündels mit üblichen Mitteln, Erzeugung evaneszenter Wellenfelder der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung als Seedfelder und Verstärkung dieser Seedevaneszenzfelder in unmittelbarer räumlichen Nähe ihrer Erzeugung, wobei die Phasen der verstärkten Evaneszenzwellen einander angepasst sind.The The object is achieved by a Method for focusing electromagnetic radiation below the diffraction limit solved, at least comprising the steps of focusing one from a source incident electromagnetic radiation beam by conventional means, generation evanescent wave fields of the electromagnetic to be focused Radiation as seed fields and strengthening of these seed evanescence fields in the immediate spatial Close to her Generation, wherein the phases of the amplified evanescent waves each other are adjusted.

Obwohl die physikalischen Probleme bei einer optischen Abbildung von punktähnlichen Objekten einerseits und bei einer Fokussierung von Lichtbündeln andererseits relativ nahe verwandt sind und starke Analogien besitzen, existieren jedoch charakteristische Unterschiede und es ist keineswegs von vornherein klar, dass beide Problemstellungen in analoger Weise gelöst werden können. Bei der Abbildung soll ein möglichst unverzerrtes Bild eines Objekts entstehen, während bei der Fokussierung von Licht die Bündel der Wellen auf eine sehr kleine Fläche konzentriert werden. Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Lösung ist besonders ein Unterschied wichtig: Während bei einer Abbildung unmittelbar hinter dem punktähnlichen Objekt Evaneszenzfelder existieren, die verstärkt werden können, ist dies bei gewöhnlichen optischen Anordnungen zur Fokussierung von Lichtbündeln nicht der Fall. Denn bei der Ausbreitung optischer Bündel über optische Weglängen, die viel größer als die Wellenlänge sind, gehen alle eventuell vorhandenen Evaneszenzkomponenten verloren, weshalb in einem von einer Quelle einfallenden und zu fokussierenden Bündel keine Evanezzenzwellen existieren, die als Seedfelder beispielsweise durch eine Schicht mit einer effektiven negativen Brechung verstärkt werden könnten.Even though the physical problems with an optical mapping of point-like Objects on the one hand and with a focus of light bundles on the other are relatively closely related and have strong analogies exist but characteristic differences and it is by no means a priori Clear that both problems are solved in an analogous way can. In the picture should be as possible undistorted image of an object emerge while focusing from light the bundles the waves are concentrated on a very small area. in the Connection with the solution according to the invention is a particular difference important: while in an image immediately behind the point-like object evanescence fields exist that intensifies can be this at ordinary optical arrangements for focusing of light bundles not the case. Because in the propagation of optical bundles over optical path lengths, the much bigger than the wavelength all evanescent components that may be present are lost, which is why in one of a source incident and to be focused bunch no Evanezzenzwellen exist, which as Seedfelder for example be reinforced by a layer with an effective negative refraction could.

Die Erfindung nutzt die Erkenntnis, dass eine Fokussierung elektromagnetischer Strahlung unterhalb der Wellenlänge dadurch erfolgen kann, dass durch geeignete Mittel aus dem einfallenden Strahlenbündel Evaneszenzwellen erzeugt werden, die dann als Seedfelder für die Verstärkung zur Verfügung stehen.The The invention makes use of the knowledge that focusing is electromagnetic Radiation below the wavelength can be done by suitable means from the incident ray beam Evanescence waves are generated, which are then used as seed fields for amplification disposal stand.

Ein wesentliches Ergebnis der der erfindungsgemäßen Lösung zugrunde liegenden Untersuchungen ist dabei, dass die Verstärkung der relativ schwachen Evaneszenzkomponenten für eine Superfokussierung ausreichend sind und insbesondere unter optimierten Parametern des Photonischen Kristalls und des Evaneszenzwellenerzeugers die Phasen der verstärkten Evaneszenzwellen angepasst werden, d.h. durch den Erzeugungs-und Verstärkungsprozess nur geringe Phasenunterschiede aller dominanten Fourierkomponenten entstehen, die im Wesentlichen eine konstruktive (und keine destruktive) Überlagerung ergeben. Dieses Ergebnis ist in keinster Weise von vornherein evident.An essential result of the investigations on which the solution according to the invention is based is that the amplification of the relatively weak evanescent components is sufficient for superfocusing and in particular under optimized parameters of the photonic crystal talls and the Evaneszenzwellenerzeugers the phases of the amplified evanescent waves are adjusted, ie caused by the generation and amplification process only small phase differences of all dominant Fourierkomponenten, which essentially give a constructive (and not destructive) superposition. This result is in no way evident from the outset.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird zur Erzeugung evaneszenter Wellenfelder der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung ein optisches Element, ein so genannter Evaneszenzwellenerzeuger, verwendet. Dieser erzeugt Evaneszenzfelder mit zwar kleiner aber für die anschließende Verstärkung ausreichend großer Amplitude.In an embodiment The invention is for generating evanescent wave fields of focusing electromagnetic radiation an optical element, a so-called Evaneszenzwellenerzeuger used. This generates Evanescent fields with smaller but sufficient for the subsequent reinforcement greater Amplitude.

In Ausführungsformen zum Evaneszenzwellenerzeuger ist vorgesehen, eine Blende mit einer Größe im Bereich oder unterhalb der Wellenlänge der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung zu verwenden. Es hat sich gezeigt, dass der Durchmesser einer kreisförmig angenommenen Blende nicht kleiner als die Wellenlänge sein muss, wodurch hohe Verluste vermieden werden können. Dies unterscheidet die hier vorgeschlagene Lösung von anderen Formen der Nahfeld-Optik, wie z.B. die Verwendung von konischen Fasern, bei denen eine Auflösung unterhalb der Beugungsbegrenzung wesentlich kleinere Spitzendurchmesser erfordern, die gleichzeitig zu einer kleinen Lichttransmission führen. Die Blende kann kreisförmig sein oder auch eine andere Form besitzen. Im erfindungsgemäßen Verfahren können zur Erzeugung der Evaneszenzwellenfelder auch ringförmige Blenden, dipol- und quadrupolartige Blenden oder Kombinationen von ringförmigen und quadrupolartigen Blenden verwendet werden. Die Erfindung ist nicht beschränkt auf diese Formen, da noch eine Vielzahl anderer Möglichkeiten existieren, die weitere Optimierungsvarianten eröffnen.In embodiments to Evaneszenzwellenerzeuger is provided, a diaphragm with a size in the range or below the wavelength of to use to focus electromagnetic radiation. It It has been shown that the diameter of a circular assumed aperture not smaller than the wavelength must be, whereby high losses can be avoided. This distinguishes the solution proposed here from other forms of Near-field optics, such as the use of conical fibers, at which a resolution below the diffraction limit much smaller tip diameter require that at the same time lead to a small light transmission. The Aperture can be circular or have another form. In the method according to the invention can for generating the evanescent wave fields also annular diaphragms, Dipole- and quadrupole-like diaphragms or combinations of ring-shaped and quadrupole-type diaphragms are used. The invention is not limited to these forms, since there are a multitude of other possibilities, to open the further optimization variants.

In weiteren Ausführungsformen zur Erzeugung der Evaneszenzwellenfelder werden die Marken, insbesondere aus Cr-Absorbern bestehend, in einer Photomaske bei der optischen Lithographie, die die Funktion einer Blende übernehmen, verwendet.In further embodiments to generate the evanescent wave fields, the marks, in particular consisting of Cr absorbers, in a photomask in the optical Lithography, which assume the function of a diaphragm used.

Auch sättigbare Absorber, beispielsweise Halbleiter- oder Halbleiter-Quantumwell Schichten, insbesondere aus ZnS oder einer Verbindung wie z.B. CdZnSe oder CdZnS, werden zur Evaneszenzwellenerzeugung eingesetzt. Die sättigbaren Absorber werden durch Sättigung nur im räumlichen Bereich der Spitzenintensität transparent, während die übrigen Bereiche undurchsichtig sind, wodurch die Wirkung einer Blende mit radial variablen Verlusten entsteht. Es können aber auch andere Substanzen als sättigbare Absorber verwendet werden, wie z.B. Farbstoffmoleküle. Ebenso können Schichten aus sättigbaren Absorbern mit der Photomaske integriert werden.Also saturable Absorber, for example, semiconductor or semiconductor quantum well layers, in particular ZnS or a compound such as e.g. CdZnSe or CdZnS used for Evaneszenzwellenerzeugung. The saturable absorbers are through saturation only in the spatial area the peak intensity transparent, while the remaining areas are opaque, whereby the effect of a diaphragm with radial variable losses. But it can also be other substances as saturable Absorber can be used, such. Dye molecules. As well can Layers of saturable Absorbers are integrated with the photomask.

Für den Einsatz als Evaneszenzwellenerzeuger ist auch die dem Stand der Technik nach bekannte super-auflösenden Nahfeldschicht (super-RENS) geeignet, wodurch mit der erfindungsgemäßen Lösung eine weitere Erhöhung der Auflösungsgrenzen und verbesserte Signal/Rauschverhältnisse erreicht werden. Bei Verwendung einer super-auflösenden Nahfeldschicht (super-RENS), beispielsweise bestehend aus einem Sb-Film, eingebettet in zwei SiN-Schichten, oder aus AgOx, PtO2 oder PdOx, eingebettet in zwei ZnS/SiO2-Schichten, werden die gewünschten Evaneszenzfelder infolge intensitätsabhängiger nichtlinearer Prozesse im Nahfeldbereich einer Aufnahmeschicht oder eines Photolacks erzeugt. Weiterhin können als Evaneszenzwellenerzeuger eine Festkörper-Immersionslinse (SIL) oder die Spitze einer konischen optischen Faser eingesetzt werden.For use as Evaneszenzwellenerzeuger also known in the prior art super-resolution near-field layer (super-RENS) is suitable, whereby the solution according to the invention, a further increase in the resolution limits and improved signal / noise ratios can be achieved. When using a super-resolution near-field layer (super-RENS), for example consisting of a Sb film embedded in two SiN layers, or from AgO x , PtO 2 or PdO x , embedded in two ZnS / SiO 2 layers generates the desired evanescent fields as a result of intensity-dependent nonlinear processes in the near field region of a recording layer or a photoresist. Furthermore, as evanescent wave generator, a solid immersion lens (SIL) or the tip of a conical optical fiber can be used.

Der folgende notwendige Schritt im erfindungsgemäßen Verfahren nach der Erzeugung von Evaneszenzwellenfeldern betrifft die Verstärkung der Evaneszenzwellen in unmittelbarer räumlichen Nähe ihrer Erzeugung. In Ausführungsformen hierfür ist vorgesehen, eine dünne Schicht aus einem photonischen Kristall mit einer Dicke im Bereich der Wellenlänge der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung und mit einer negativen Brechung des photonischen Kristalls im Bereich der Frequenz der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung zu verwenden. Vorzugsweise wird ein photonischer Kristall mit einer periodischen Anordnung von Stäben mit einer hohen Brechzahl in einer hexagonalen Anordnung oder mit zylindrischen Hohlräumen in einer periodischen quadratischen Anordnung oder mit einem quadratischen Gitter von kreuzförmig angeordneten Hohlräumen aus Luft, die in einem Material mit hoher Brechzahl angeordnet sind, verwendet. Möglich sind auch komplexere Strukturen, insbesondere auch solche mit einer vollständigen Bandlücke in drei Dimensionen (3D-PC), wodurch eine Super-Fokussierung in beiden transversalen Dimensionen möglich ist. Weiterhin sind auch metallische photonische Kristalle mit einer negativen Brechung verwendbar.Of the following necessary step in the process according to the invention after the production of evanescent wave fields relates to the amplification of the evanescent waves in the immediate spatial Close to her Generation. In embodiments therefor is provided, a thin Layer of a photonic crystal with a thickness in the range the wavelength the electromagnetic radiation to be focused and with a negative refraction of the photonic crystal in the frequency domain to use the electromagnetic radiation to be focused. Preferably, a photonic crystal with a periodic Arrangement of bars with a high refractive index in a hexagonal arrangement or with cylindrical cavities in a periodic square arrangement or with a square one Grid of cruciform arranged cavities of air, which are arranged in a material with a high refractive index, used. Possible are also more complex structures, especially those with a complete bandgap in three dimensions (3D PC), creating a super-focus in both transversal dimensions is possible. Continue to be Metallic photonic crystals with a negative refraction usable.

Die erfindungsgemäße Anordnung zur Durchführung des Verfahrens zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung unterhalb der Beugungsgrenze weist mindestens Mittel zur Erzeugung von evaneszenten Wellenfeldern der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung und Mittel zur Verstärkung dieser Evaneszenzwellen in unmittelbarer räumlichen Nähe ihrer Erzeugung auf, wobei gleichzeitig die Phasen der verstärkten Evaneszenzwellen angepasst sind und der Verstärker im Nahfeldbereich des Evaneszenzwellenerzeugers angeordnet ist.The inventive arrangement to carry out the method for focusing electromagnetic radiation below The diffraction limit has at least means for generating evanescent Wave fields of the electromagnetic radiation to be focused and means for reinforcement These waves of evanescence in the immediate vicinity of their production, wherein simultaneously adapted the phases of the amplified evanescent waves are and the amplifier is arranged in the near field region of the Evaneszenzwellenerzeugers.

In Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, dass das Mittel zur Erzeugung evaneszenter Wellenfelder der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung ein als Evaneszenzwellenerzeuger ausgebildetes optisches Element ist, insbesondere kann dieses eine Blende mit kreisförmiger, ringförmiger oder dipol- und quadrupolartiger Öffnung, ein sättigbarer Absorber oder die durch die Marken gegebene Strukturen einer Photomaske, super-auflösende Nahfeldstrukturen (super-RENS), Festkörper-Immersionslinsen oder die Spitzen konischer optischer Fasern sein.In embodiments The invention provides that the means for generating evanescent Wave fields of the electromagnetic radiation to be focused a trained as Evaneszenzwellenerzeuger optical element in particular, this can be a circular, annular or dipole and quadrupole type opening, a saturable one Absorber or the structures of a photomask given by the marks, super-resolution Near field structures (super-RENS), solid-state immersion lenses or the tips conical be optical fibers.

Zur Verstärkung der Evaneszenzwellen in unmittelbarer räumlichen Nähe ihrer Erzeugung und zur gleichzeitigen Anpassung der Phase der Evaneszenzwellen ist in Ausführungsformen der Erfindung eine dünne Schicht aus einem photonischen Kristall mit einer für die Frequenz der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung effektiven negativen Brechzahl angeordnet. Dabei kann der photonische Kristall als eine periodische Anordnung von Stäben mit einer hohen Brechzahl in einer hexagonalen Anordnung ausgebildet sein oder zylindrische Hohlräume in einer periodischen quadratischen Anordnung aufweisen oder aus einem quadratischen Gitter von kreuzförmigen Hohlräumen aus Luft in einem Material mit hoher Brechzahl bestehen. Andere Realisierungen sind die komplexeren Strukturen von 3D photonischen Kristallen, metallische photonische Kristalle oder photonische Kristalle, die periodische Strukturen aus Drähten und Stäben aufweisen.to reinforcement the waves of evanescence in the immediate vicinity of their generation and the Simultaneous adaptation of the phase of the evanescent waves is in embodiments the invention a thin Layer of a photonic crystal with one for the frequency the electromagnetic radiation to be focused effective negative refractive index arranged. In this case, the photonic crystal as a periodic Arrangement of bars with formed of a high refractive index in a hexagonal arrangement his or cylindrical cavities in a periodic square arrangement or off a square grid of cross-shaped cavities Air in a material with high refractive index exist. Other realizations are the more complex structures of 3D photonic crystals, metallic photonic crystals or photonic crystals that periodic structures of wires and bars exhibit.

Die erfindungsgemäße Lösung hat ein breites Einsatzgebiet.The inventive solution a wide field of application.

So kann sie Anwendung finden in der Lithographie zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung unterhalb der Beugungsgrenze zwecks Verbesserung der Auflösung. Zur Realisierung des Evaneszenzwellenerzeugers können einerseits die Marken der in die Photomaske eingeätzten Strukturen verwendet werden. Diese Strukturen wirken wie eine Blende und erzeugen die notwendigen Seedevaneszenzfelder, die dann durch die einen photonischen Kristall aufweisende dünne Schicht oder durch ein anderes Material mit einer effektiven negativen Brechzahl verstärkt werden, wobei der Abstand der Marken größer als ihr Durchmesser sein muss. Wie bereits oben erwähnt und im Folgenden noch näher erläutert, können als Evaneszenzwellenerzeuger aber auch Strukturen eines sättigbaren Absorbers, super-auflösende Nahfeldstrukturen (super-RENS), Festkörper-Immersionslinsen oder konische optische Fasern mit einer Nadelspitze verwendet werden. In den Ausführungen zum Stand der Technik wurde bereits beschrieben, dass sich bei der Kontakt-Lithographie die Amplituden-Maske in direktem Kontakt mit der Schicht des Photolacks befinden muss. Zwar wird hierbei schon eine große Auflösung erzielt, jedoch wirkt sich der direkte Kontakt des Photolacks und der Maske nachteilig in der insdustriellen Anwendnung aus. Dagegen wird bei der erfindungsgemäßen Lösung diese strenge Forderung vermieden bzw. abgeschwächt.So It can be used in lithography for focusing electromagnetic radiation below the diffraction limit to improve the resolution. to Realization of the Evaneszenzwellenerzeugers can on the one hand the brands the etched into the photomask Structures are used. These structures act like a panel and generate the necessary seed evanescence fields, then through the photonic crystal-containing thin layer or by a other material reinforced with an effective negative refractive index, where the distance of the marks is greater than their diameter must be. As already mentioned above and explained in more detail below, can as Evaneszenzwellenerzeuger but also structures of a saturable Absorbers, super-dissolving Near field structures (super-RENS), solid-state immersion lenses or conical optical fibers are used with a needle point. In the versions The prior art has already been described that in the Contact lithography the amplitude mask in direct contact with the Layer of the photoresist must be located. Although this is already one size resolution achieved, however, the direct contact of the photoresist and affects the mask disadvantageous in the industrial application. On the other hand is in the inventive solution this strict requirement avoided or mitigated.

Die erfindungsgemäße Lösung ist ebenfalls in der optischen Datenspeicherung einsetzbar. Auch in dieser Anwendung können dabei ähnliche Varianten – wie bereits oben bei der optischen Lithographie beschrieben – verwendet werden. Bei einer industriellen Anwendung ist bei bisher bekannten Varianten der optischen oder magneto-optischen Nahfeld-Datenspeicherung die im Nanometer-Bereich liegende Steuerung des Abstands der Spitze einer konischen optischen Faser oder zur Festkörper-Immersionslinse besonders kritisch. Mittels der erfindungsgemäßen Lösung könnte dieses Problem vermieden werden. Eine Variante dazu ist die Verwendung von integrierten sättigbaren Absorbern wie Halbleiter- oder Halbleiter-Quantumwell-Schichten zur Erzeugung der Evaneszenzwellen, die mit dem Photonischen Kristell und der Aufnahmeschicht in eine gemeinsame Struktur integriert werden können. An Stelle des sättigbaren Absorbers können auch super-auflösenden Nahfeldstrukturen (super-RENS) verwendet werden. In anderen Ausführungsformen, wie bei der Verwendung von Festkörper-Immersionslinsen oder optischen konischen Fasern mit einer Spitze zur Erzeugung der Evaneszenzwellen könnten die kritischen Anforderungen hinsichtlich der Entfernung zur Aufnahmeschicht abgeschwächt werden, da die Verstärkung der Evaneszenzwellen um zwei bis drei Größenordnungen eine Vergrößerung des Abstands erlaubt. Außerdem kann durch die Verwendung photonischer Kristalle mit effektiver negativer Brechzahl als Mittel zur Verstärkung der erzeugten Evaneszenzwellenfelder die Auflösung und das Signal/Rauschverhältnis verbessert sowie Aufnahmegeschwindigkeiten, Aufnahmeflächen und Speicherkapazitäten erhöht werden.The inventive solution also usable in optical data storage. Also in this application can like it Variants - like already described above in optical lithography - used become. In an industrial application is in previously known Variants of optical or magneto-optical near-field data storage the nanometer-scale control of the distance of the tip a conical optical fiber or the solid immersion lens particularly critical. By means of the solution according to the invention this could Problem can be avoided. A variant of this is the use of built-in saturable Absorbers such as semiconductor or semiconductor quantum well layers to generate the waves of evanescence associated with the photonic crystal and the recording layer can be integrated into a common structure can. In place of the saturable Absorbers can also super-resolving Near field structures (super-RENS) are used. In other embodiments, as with the use of solid immersion lenses or optical conical fibers with a tip for generating the Evanescence waves could the critical requirements regarding the distance to the recording layer attenuated be as the reinforcement the waves of evanescence increase by two to three orders of magnitude Distance allowed. In addition, can by using photonic crystals with effective negative Refractive index as a means of amplification the generated evanescent wave fields improve the resolution and the signal-to-noise ratio and recording speeds, recording areas and storage capacities are increased.

Ein weiteres Anwendungsfeld der erfindungsgemäßen Lösung ist die optische Nanomaterialbearbeitung, bei der mit dem Stand der Technik nach bekannten Lösungen die räumliche Auflösung durch die Beugungsbegrenzung gegeben ist. Dies ist dagegen bei Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung nicht der Fall, wodurch eine Reduzierung der kleinstmöglichen zu bearbeitenden Strukturen ermöglicht wird.One Another field of application of the solution according to the invention is optical nanomaterial processing, in the known prior art solutions according to the prior art spatial Resolution through the diffraction limit is given. This is contrary to application not the solution of the invention the case, thereby reducing the smallest possible structures to be machined allows becomes.

Auch die Anwendung in der Raster-Nahfeldmikroskopie (SNOM) lässt eine Erhöhung der Auflösung und ein verbessertes Signal/Rauschverhältnis erwarten.Also the application in scanning near-field microscopy (SNOM) leaves a increase the resolution and expect an improved signal-to-noise ratio.

Ein weiteres Anwendungsfeld ist die konfokale Raster-Mikroskopie (Scanning Confocal Microscopy), deren Auflösung durch Bestrahlung des Objekts mittels stärker fokussierten Lichts unterhalb der Beugungssbegrenzung vergrößert werden kann.Another field of application is confocal scanning microscopy (Scanning Confocal Microscopy), the resolution of which by irradiation of Ob Effect can be increased by means of more focused light below the diffraction limit.

Die Erfindung soll in folgenden Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert werden.The Invention is intended in the following embodiments closer by means of drawings be explained.

Dabei zeigen:there demonstrate:

1 eine Prinzipskizze der erfindungsgemäßen Anordnung; 1 a schematic diagram of the arrangement according to the invention;

2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung mit sättigbarem Absorber; 2 a schematic representation of an inventive arrangement with saturable absorber;

3 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung für die optische Datenspeicherung mit einer nichtlinearen super-auflösenden Schicht (super-RENS); 3 a schematic representation of another inventive arrangement for optical data storage with a non-linear super-resolution layer (super-RENS);

4 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung für die magneto-optische Datenspeicherung mit einer nichtlinearen super-auflösenden Schicht (super-RENS); 4 a schematic representation of another arrangement according to the invention for the magneto-optical data storage with a non-linear super-resolution layer (super-RENS);

5 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung für die optische Lithographie mit Amplitudenmaske; 5 a schematic representation of another inventive arrangement for optical lithography with amplitude mask;

6 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung für die optische Raster-Lithographie, für die optische Nahfeld-Mikroskopie und die optische Nanomaterialbearbeitung mit konischer optischer Faser mit einer Spitze im Abbildungsmodus; 6 a schematic representation of another arrangement according to the invention for the optical scanning lithography, for the near-field optical microscopy and optical nanomaterial processing with conical optical fiber with a peak in the imaging mode;

7 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung für die optische Raster-Lithographie, für die optische Nahfeld- Mikroskopie und die optische Nanomaterialbearbeitung mit einer konischen Faser mit einer Spitze im Sammelmodus; 7 a schematic representation of another inventive arrangement for optical scanning lithography, for near-field optical microscopy and optical nanomaterial processing with a conical fiber with a peak in the collection mode;

8 eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäße Anordnung für die optische Datenverarbeitung und die optische Lithographie mit einer Festkörper-Immersionslinse; 8th a schematic representation of another inventive arrangement for optical data processing and optical lithography with a solid immersion lens;

9 Modellierungsergebnisse für eine Anordnung gem. 1 unter Verwendung des Models effektiver makroskopischer Medien mit negativer Brechzahl; 9 Modeling results for an arrangement acc. 1 using the model of effective macroscopic negative refractive index media;

10 Modellierungsergebnisse für einen als Mittel zur Verstärkung für erzeugte Evaneszenzwellen eingesetzten photonischen Kristall, aufweisend zylindrische Luftröhren in einem quadratischen Gitter; 10 Modeling results for a photonic crystal used as a means for amplifying generated evanescent waves, comprising cylindrical tracheas in a square grid;

11 Modellierungsergebnisse für einen als Mittel zur Verstärkung für erzeugte Evaneszenzwellen eingesetzten photonischen Kristall, aufweisend zylindrische Stäbe aus GaAs, angeordnet in einem hexagonalen Gitter in Luft; 11 Modeling results for a photonic crystal used as amplification means for generated evanescent waves, comprising GaAs cylindrical rods arranged in a hexagonal lattice in air;

12 Modellierungsergebnisse für einen als Mittel zur Verstärkung für erzeugte Evaneszenzwellen eingesetzten photonischen Kristall, aufweisend ein quadratisches Gitter von kreuzförmig geformten Hohlräumen aus Luft, angeordnet in Si; 12 Modeling results for a photonic crystal used as amplification means for generated evanescent waves, comprising a square lattice of cross shaped air cavities arranged in Si;

13 schematische Anordnung eines quadratischen Gitters von kreuzförmig geformten Hohlräumen aus Luft, angeordnet in Si in einem photonischen Kristall. 13 schematic arrangement of a square grid of cross-shaped cavities of air, arranged in Si in a photonic crystal.

In 1 ist die erfindungsgemäße Anordnung schematisch dargestellt, die ein optisches Element als Evaneszenzwellenerzeuger EWE, z.B. eine kreisförmige Blende B, zur Erzeugung von Seedevaneszenzwellen, und einen Evaneszenzwellenverstärker EWV, beispielsweise eine dünne Schicht eines Materials mit einer effektiven negativen Brechzahl, vorzugsweise einen photonischen Kristall, aufweist. Wie bereits erwähnt, wird ein von einer Quelle erzeugtes Lichtbündel LB mittels üblicher Methoden zunächst auf die Blende B fokussiert. Hier werden nun Evaneszenzfelder im Nahfeldbereich als Seedfeld mit ausreichend starker Amplitude erzeugt. Die Blende B weist einen Durchmesser im Bereich der Wellenlänge des Lichtbündels auf, wodurch Evaneszenzfelder mit zwar kleiner aber für die Verstärkung ausreichend großer Amplitude erzeugt werden. Im Evaneszenzwellenverstärker EWV, der sich direkt hinter dem optischen Element B in seinem Nahfeldbereich befindet, und eine Dicke im Bereich der Wellenlänge aufweist, werden die Evaneszenzfelder verstärkt, wobei unter optimierten Parametern des Photonisches Kristalls und des EWV gleichzeitig ihre Phasen näherungsweise angepasst sind. Die Überlagerung aller Komponenten des Feldes (sowohl der Strahlungskomponenten als auch der verstärkten Evaneszenzkomponenten) ergibt dann direkt hinter dem Evaneszenzwellenverstärker EWV ein fokussiertes Bündel, einen Spot S, mit einer Fläche, deren Größe unterhalb der Beugungsgrenze von λ/2 liegt.In 1 the arrangement according to the invention is shown schematically having an optical element as Evaneszenzwellenerzeuger EWE, eg a circular diaphragm B, for generating Seedevaneszenzwellen, and an Evaneszenzwellenverstärker EWV, for example a thin layer of a material having an effective negative refractive index, preferably a photonic crystal. As already mentioned, a light beam LB generated by a source is first focused on the diaphragm B by means of conventional methods. Here now evanescent fields in the near field area are generated as a seed field with sufficiently high amplitude. The diaphragm B has a diameter in the range of the wavelength of the light beam, whereby evanescent fields are generated with a smaller but for the amplification sufficiently large amplitude. In the evanescent wave amplifier EWV, which is located directly behind the optical element B in its near field region and has a thickness in the range of the wavelength, the evanescent fields are amplified, wherein their phases are approximately matched under optimized parameters of the photonic crystal and the ERA. The superimposition of all components of the field (both of the radiation components and of the amplified evanescent components) then yields, directly behind the evanescent wave amplifier EWV, a focused beam, a spot S, with an area whose magnitude is below the diffraction limit of λ / 2.

Die in 1 dargestellte Grundanordnung lässt sich für Anwendungen einsetzen, bei denen der zu steuernde im nm-Bereich liegende Abstand zwischen der Blende und dem photonischen Kristall keine großen technischen Schwierigkeiten bereitet. Dies könnte beispielsweise sowohl für die Laser- Nanomaterialbearbeitung als auch für spezifische Varianten der optischen Lithographie der Fall sein. Bei Anwendungen wie in der optischen Datenspeicherung, aber auch in Varianten der optischen Lithographie ist jedoch typischerweise die Verwendung einer Nahfeld-Blende mit einem Abstand kleiner als die Wellenlänge ein kritisches Problem, das technisch nur schwierig zu lösen ist. Zur Lösung dieses Problems werden in den 2 bis 8 einige Ausführungsbeispiele gezeigt, wie die erfindungsgemäße Lösung zur Superfokussierung in diesen Anwendungsfeldern implementiert werden kann.In the 1 The illustrated basic arrangement can be used for applications in which the distance to be controlled in the nm range between the diaphragm and the photonic crystal does not pose great technical difficulties. This could be the case, for example, both for laser nanomaterial processing and for specific variants of optical lithography. For applications such as optical data storage, but also in variants of optical lithography However, typically the use of a near-field aperture with a pitch smaller than the wavelength is typically a critical problem that is technically difficult to solve. To solve this problem are in the 2 to 8th Some embodiments show how the inventive solution for superfocusing can be implemented in these application fields.

2 zeigt schematisch eine Ausführung der Erfindung ohne Verwendung einer Nahfeld-Blende, wie sie in der optischen und magneto-optischen Datenspeicherung oder auch der optischen Nanolithographie angewendet werden kann. Hier wird eine Struktur mit einer Schicht aus einem sättigbaren Absorber SA als Evaneszenzwellenerzeuger, einem Evaneszenzwellenverstärker EWV, wie beispielsweise einem photonischen Kristall mit effektiver negativer Brechzahl und einer Aufnahmeschicht AS bei der optischen Datenverarbeitung bzw. einem Photolack PL bei der optischen Lithographie integriert. Die Photosensibilisierung der Aufnahmeschicht bzw. des Photolacks kann nur in den räumlichen Bereichen erfolgen, wo der sättigbare Absorber SA durch ein Laserbündel LB transparent gemacht wird, wodurch eine Blendenwirkung mit variablen Verlusten entsteht. Das Laserbündel LB wird mittels einer Linse L zunächst auf die Schicht mit einem sättigbaren Absorber SA fokussiert. Da das Laserbündel LB aus modulierten Lichtimpulsen besteht, wird mit diesen gleichzeitig die Information auf die Aufnahmeschicht oder den Photolack übertragen. Der Durchmesser des einfallenden Bündels LB liegt dabei bereits im Bereich seiner Wellenlänge, so dass die kleineren transparenten Bereiche eine räumliche Ausdehnung besitzen, in denen Evaneszenzfelder erzeugt werden, die in dem Evaneszenzwellenverstärker EWY verstärkt werden. Der fokussierte Spot S in der benachbarten Aufnahmeschicht AS oder der Schicht des Photolacks PL hat dadurch eine Ausdehnung unterhalb der Beugungsbegrenzung. Als sättigbare Absorber SA lassen sich dabei z.B. Halbleiterschichten oder Halbleiter-Quantum-Well-Absorber mit einer möglichst großen Bandlücke verwenden, die mit der Aufnahmeschicht bei der optischen Datenverarbeitung oder der Schicht eines Photolacks integrierbar sind. Für Wellenlängen im Bereich von 400 nm sind dafür z.B. ZnS oder geeignete Verbindungen dieses Materials verwendbar. 2 1 schematically shows an embodiment of the invention without the use of a near-field diaphragm, as it can be used in optical and magneto-optical data storage or also optical nanolithography. Here, a structure having a layer of a saturable absorber SA as an evanescent wave generator, an evanescent wave amplifier EWV such as a photonic crystal having an effective negative refractive index and a recording layer AS in optical data processing or a photoresist PL in optical lithography is integrated. The photosensitization of the recording layer or of the photoresist can take place only in the spatial regions where the saturable absorber SA is made transparent by a laser beam LB, whereby a diaphragm effect with variable losses is produced. The laser beam LB is first focused by means of a lens L onto the layer with a saturable absorber SA. Since the laser beam LB consists of modulated light pulses, the information is transferred to the recording layer or the photoresist at the same time. The diameter of the incident beam LB is already in the region of its wavelength, so that the smaller transparent regions have a spatial extent in which evanescent fields are generated, which are amplified in the evanescent wave amplifier EWY. The focused spot S in the adjacent recording layer AS or the layer of the photoresist PL thereby has an extension below the diffraction limit. As saturable absorber SA can be used, for example, semiconductor layers or semiconductor quantum well absorber with the widest possible band gap, which can be integrated with the recording layer in the optical data processing or the layer of a photoresist. For wavelengths in the range of 400 nm, for example, ZnS or suitable compounds of this material can be used.

Eine andere Variante zur Erzeugung von evaneszenten Wellen im Nahfeld ist die Verwendung von super-auflösenden Strukturen („Super-Resolution Near-Field Structures, super-RENS), wie sie oben bereits erläutert wurden. In den Schichten dieser Strukturen werden durch das einfallende Licht infolge einer intensitätsabhängigen nichtlinearen Wirkung kleine blendenartige Strukturen und Streuzentren erzeugt, die die Entstehung von Nahfeldern bewirken. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zum Unterschied zur in der Literatur beschriebenen Methode die in der super-RENS erzeugten Evaneszenzwellen jedoch nicht unmittelbar zum Schreiben und Abrufen der Daten in der optischen Datenspeicherung oder der optischen Lithographie verwendet, sondern zuvor durch einen photonischen Kristall mit effektiver negativer Brechzahl verstärkt. Die zusätzliche Integration eines deratigen photonischen Kristalls verbessert die Auflösung und das Signal/Rauschverhältnis bei der Datenspeicherung oder der optischen Lithographie deutlich.A another variant for generating evanescent waves in the near field is the use of super-resolution structures ("super-resolution Near-field structures, super-RENS), as already explained above. In the layers These structures are caused by the incident light as a result of intensity-dependent nonlinear Effect produces small diaphragm-like structures and scattering centers, which cause the formation of near fields. In one embodiment The invention is distinguished from the method described in the literature however, the evanescent waves produced in the super-RENS are not immediate for writing and retrieving data in optical data storage or the optical lithography, but previously by a photonic crystal reinforced with effective negative refractive index. The additional Integration of a deratigen photonic crystal improves the resolution and the signal-to-noise ratio in data storage or optical lithography clearly.

In 3 ist schematisch eine Anordnung mit der Verwendung einer solchen super-RENS Schicht für die optischen Datenspeicherung mittels phasenändernden Aufnahmeschichten dargestellt. Das einfallende Lichtbündel LB wird dabei durch eine Linse L auf die super-auflösende Struktur fokussiert. In diesem Ausführungsbeispiel besteht die super-auflösende Struktur aus einer Schicht des Substrats Sub, einem Schutzfilm SF1, einer super-RENS Schicht RENS, einer zweiten Schutzschicht SF2, einem Evaneszenzwellenverstärker EWV, beispielsweise einem photonischen Kristall mit einer effektiven negativen Brechzahl, einer dielektrischen Schicht DS1, der strukturändernden Aufnahmeschicht SAS, einer weiteren dielektrischen Schicht DS2, einer reflektierende Schicht RS und einer weiteren Schutzschicht SF3. In der Schicht RENS werden die Seed-Evaneszenzwellen durch die einfallende Strahlung erzeugt und durch die Schicht EWV weiter verstärkt, die dann durch Erwärmung strukturändernde Prozesse in einer Aufnahmeschicht SAS bewirken, wobei alternierende kristalline und amorphe Bereiche die Information speichern.In 3 Fig. 1 schematically shows an arrangement with the use of such a super-RENS layer for the optical data storage by means of phase-changing acquisition layers. The incident light beam LB is focused by a lens L on the super-resolution structure. In this embodiment, the super-resolution structure consists of a layer of the substrate Sub, a protection film SF1, a super-RENS layer RENS, a second protection layer SF2, an evanescent wave amplifier EWV, for example, a photonic crystal having an effective negative refractive index, a dielectric layer DS1 , the structure-changing recording layer SAS, another dielectric layer DS2, a reflective layer RS and another protective layer SF3. In the layer RENS, the seed evanescence waves are generated by the incident radiation and further amplified by the layer EWV, which then cause structure-changing processes in a recording layer SAS by heating, with alternating crystalline and amorphous regions storing the information.

Die in 3 gezeigte Anordnung für die Anwendung der erfindungsgemäßen Lösung in der optischen Datenspeicherung mittels strukturändernder (phasenändernder) Prozesse kann auch in der magneto-optischen Speicherung in analoger Weise angewendet werden.In the 3 arrangement shown for the application of the inventive solution in the optical data storage by means of structure-changing (phase-changing) processes can also be applied in the magneto-optical storage in an analogous manner.

In 4 ist die hierfür entsprechend modifizierte Anordnung dargestellt, wobei nun an Stelle der strukturändernden Schicht eine magneto-optische Schicht MOF eingefügt ist und zusätzlich ein Magnetfeld durch den Magnetkopf MK erzeugt wird.In 4 the corresponding modified arrangement is shown, wherein instead of the structure-changing layer, a magneto-optical layer MOF is inserted and in addition a magnetic field is generated by the magnetic head MK.

Verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung können auch in der optischen Lithographie angewendet werden. In 5 ist eine Vaiante dargestellt, bei der die Marken der Maske selbst als Erzeuger der Evaneszenzfelder wirken. Dabei wird ein Lichtbündel LB mittels einer Linse L auf die Lithographiemaske LM, dem Evaneszenzwellenerzeuger, mit einem Maskensubstrat MaSub fokussiert, wobei die Lithographiemaske LM aus alternierenden kleinen transparenten und undurchsichtigen Flächen besteht und die Schablone für den integrierten Schaltkreis bildet. Diese Strukturen wirken wie eine Blende und erzeugen die notwendigen Seedevaneszenzfelder, die dann durch den Evaneszenzwellenverstärker EWV, wieder beispielsweise einem photonischen Kristall mit einer effektiven negativen Brechzahl, verstärkt werden. Der Evaneszenzwellenverstärker EWV befindet sich unmittelbar hinter der Photomaske LM. Der auf einem Wafer W angeordnete Photoresist P kann so mit einem fokussierten Strahl, dessen Beleuchtungsfleck kleiner als die Beugungsbegrenzung ist, belichtet werden.Various embodiments of the solution according to the invention can also be used in optical lithography. In 5 is a Vaiante represented in which the marks of the mask itself act as a generator of evanescent fields. In this case, a light beam LB is focused by means of a lens L on the lithography mask LM, the Evaneszenzwellenerzeuger with a mask substrate MaSub, wherein the lithographic mask LM consists of alternating small transparent and opaque surfaces and the template for the inte formed circuit. These structures act like a diaphragm and generate the necessary seed evanescence fields, which are then amplified by the evanescent wave amplifier EWV, again for example a photonic crystal with an effective negative refractive index. The Evaneszenzwellenverstärker EWV is located immediately behind the photomask LM. The photoresist P arranged on a wafer W can thus be exposed with a focused beam whose illumination spot is smaller than the diffraction limit.

Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich auch zur Erhöhung der Auflösung und Verbesserung anderer bekannter Methoden zur optischen Rasterlithographie oder auch zur optischen Nahfeldmikroskopie (NOM) einsetzen. Eine Anordnung dazu im „Bestrahlungsmodus" (illumination mode) ist in 6 dargestellt, bei der ein Substrat Sub mit einer Oberflächenstruktur OS bestrahlt wird. Hierbei wird ein Lichtbündel LB in eine konische optische Faser OF mit einer metallisierten Spitze MS Spitze eingekoppelt. Im Unterschied zum Stand der Technik befindet sich am Ende der Spitze, die einen Durchmesser im nm-Bereich deutlich kleiner als die Wellenlänge besitzen kann und als Blende wirkt, und einem Evaneszenzwellenverstärker EWV, wie beispielsweise einem photonischen Kristall mit effektiver negativer Brechzahl. Durch den Evaneszenzwellenverstärker EWV werden die Evaneszenzwellen verstärkt, wodurch die Auflösung und das Signal/Rauschverhalten verbessert werden. In analoger Weise lässt sich auch die Verwendung von Festkörper-Immersionslinsen bei der optischen Datenspeicherung oder der optischen Lithographie mittels der erfindungsgemäßen Lösung verbessern.The inventive solution can also be used to increase the resolution and improvement of other known methods for optical raster lithography or for near-field optical microscopy (NOM). An arrangement in the "illumination mode" is in 6 shown in which a substrate Sub is irradiated with a surface structure OS. Here, a light beam LB is coupled into a conical optical fiber OF with a metallized tip MS tip. In contrast to the prior art is located at the end of the tip, which can have a diameter in the nm range significantly smaller than the wavelength and acts as a diaphragm, and an evanescent wave amplifier EWV, such as a photonic crystal with an effective negative refractive index. The evanescent wave amplifier EWV amplifies the evanescent waves, which improves resolution and signal-to-noise performance. The use of solid immersion lenses in optical data storage or optical lithography by means of the solution according to the invention can also be improved in an analogous manner.

7 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsgemäßen Anordnung für die optische Raster-Lithographie, für die optische Nahfeld-Mikroskopie und die optische Nanomaterialbearbeitung im Rahmen des „Sammelmodus" (collection mode) mittels Bestrahlung eines Substrats Sub mit einer Oberflächenstruktur OS als Mittel zur Erzeugung von evaneszenten Wellenfeldern durch ein mittels einer Linse L fokussiertem Lichtbündel LB. Ein photonischer Kristall ist als Mittel zur Verstärkung der Evaneszenzwellen EWV vorgesehen. Die Aufnahme-Spitze AFS einer Messanordnung im Sammelmodus eines Nahfeldmikroskops wechselwirkt mit den verstärkten Evaneszenzwellen, die in Fernfeldstrahlung gewandelt und zum Nachweis mittels Photodetektoren genutzt werden. 7 shows a schematic representation of another arrangement according to the invention for optical scanning lithography, optical near-field microscopy and optical nano-material processing in the "collection mode" by irradiation of a substrate Sub with a surface structure OS as a means for generating evanescent A photonic crystal is provided as a means for amplifying the evanescent waves EWV The recording tip AFS of a measuring arrangement in the collection mode of a near-field microscope interacts with the amplified evanescent waves, which are converted into far-field radiation and for detection by means of photodetectors be used.

In 8 ist eine Anordnung dazu dargestellt, wobei ein Lichtbündel LB in eine Festkörper-Immersionlinse FIL eingekoppelt wird. Infolge ihrer hohen Brechzahl wird das räumliche Spektrum des Bündels LB innerhalb der Linse FIL wesentlich verbreitert, so dass Evaneszenzwellen die untere Begrenzung der Festkörper-Immersionslinse FIL durchdringen und durch den in unmittelbarer Nähe sich befindenden Evaneszenzwellenverstärker EWV verstärkt werden. Dadurch wird die Auflösung und das Signal/Rauschverhältnis einer Festkörper-Immersionslinse verbessert.In 8th an arrangement is shown, wherein a light beam LB is coupled into a solid immersion lens FIL. As a result of their high refractive index, the spatial spectrum of the bundle LB within the lens FIL is substantially widened, so that evanescent waves penetrate the lower boundary of the solid-state immersion lens FIL and are amplified by the evanescent wave amplifier EWV in the immediate vicinity. This improves the resolution and the signal-to-noise ratio of a solid-state immersion lens.

Zur Demonstration der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Lösung, wie sie in 1 in ihrer Grundausführung dargestellt ist, wird zunächst die Beugung eines räumlichen Bündels durch eine kreisförmige Blende mittels der exakten Beugungstheorie berechnet (beispielsweise beschrieben in Ann. Phys. 7, 157 (1950)). Für das Material der Blende wurden dabei die zwei Grenzfälle einer ideal leitenden sowie einer perfekt absorbierenden Oberfläche betrachtet. Zum Verständnis des Mechanismus der Superfokussierung wird zunächst das Medium mit einer negativen Brechzahl im Rahmen eines effektiven makroskopischen Modells als ein homogenes Medium mit einer effektiven dielektrischen Permeabilität ε und magnetischen Permeabilität μ beschrieben. Im Falle eines photonischen Kristalls können diese Parameter aus der Bandstruktur des Kristalls bestimmt werden. Eine solche Beschreibung im Bereich negativer Brechzahl ist wegen der isotropen Form der Oberflächen gleicher Frequenz im k-Raum möglich. Eine optimale Verstärkung der Evaneszenzfelder wird in dem Fall realisiert, wenn die effektiven Medienparameter die Bedingung ε = μ = n = –1 erfüllen bzw. nur kleine Abweichungen von dieser Bedingung besitzen. Die Ausbreitungskoeffizienten für S- bzw. P-polarisierte Wellen können durch die Anwendung der gewöhnlichen Grenzbedingungen für das elektrische und das magnetische Feld an einer Grenzschicht mit unterschiedlichem effektiven ε und μ erhalten werden (siehe z.B. Appl. Phys. Lett. 82, 1506 (2003)). Das elektrische Feld nach Durchgang durch die Schicht mit negativer Brechzahl lässt sich durch eine räumliche Fouriertransformation exakt berechnen. Die Modellierungsergebnisse sind in 9 dargestellt. Die Amplituden der Fourierkomponenten nach Durchgang durch die Blende sind in 9(a) abgebildet. Die Evaneszenzfelder sind dabei jene Komponenten, die sich außerhalb des Kreises mit dem Radius 2π/λμm den Koordinatenursprung k = 0 befinden. Wie zu erkennen ist, besitzen diese Komponenten eine sehr kleine aber endliche Amplitude der Größenordnung 10–2 nach Durchgang durch die Blende. Die Verstärkung dieser Komponenten um einen Faktor von etwa 102 durch die Schicht mit negativer Brechzahl ist in 9(b) dargestellt. Durch inverse Fouriertransformation lässt sich daraus die transversale Verteilung des räumlichen Bündels nach Durchgang durch die Schicht mit negativer Brechzahl berechnen, die in 9(c) abgebildet ist. Wie zu erkennen ist, erfolgt durch die hier betrachtete Anordnung eine Fokussierung der Strahlung auf einen Fleck mit einem Durchmesser (FWHM) von ca. 0,15 λ, d.h. unterhalb der Beugungsbegrenzung. Die Abhängigkeit des Durchmessers des fokussierten Ausgangsbündels von der Schichtlänge für eine Blende mit einem Durchmesser von 1,0 λ ist in 9(d) dargestellt. Infolge der unterschiedlichen Grenzbedingungen für die S- und P-Komponenten ergeben sich unterschiedliche Fleckdurchmesser in Richtung parallel (gefüllte Kreise) bzw. senkrecht (gefüllte Dreiecke) zum einfallenden elektrischen Feld. Die Kurven wurden für die Parameter ε = –1 + 10–4 (i – 1) und μ = –1 + 10–4 (i – 1) berechnet, der kleinste Bündeldurchmesser ist hierbei 0,12 λ in x-Richtung und 0,16 λ in y-Richtung, dies entspricht einer Fläche des Bündels von 0,019 λ2. Bei einer 100 mal größeren Abweichung der Parameter ε und μ vom idealen Wert –1, mit ε = –1 + 10–2 (i – 1) und μ = –1 + 10–2 (i – 1) wird eine Superfokussierung mit etwas größerem Fleckdurchmesser von 0,23 λ bzw. 0,33 λ erreicht, wie es in der Kurve mit den offenen Dreiecken bzw. Kreisen in 9(d) gezeigt wird.To demonstrate the mode of action of the solution according to the invention, as described in 1 In its basic version, the diffraction of a spatial beam through a circular aperture is first calculated by means of the exact diffraction theory (for example described in Ann. Phys. 7, 157 (1950)). For the material of the panel, the two limiting cases of an ideally conducting and a perfectly absorbing surface were considered. To understand the mechanism of superfocusing, the medium with a negative refractive index in the context of an effective macroscopic model is first described as a homogeneous medium with an effective dielectric permeability ε and magnetic permeability μ. In the case of a photonic crystal, these parameters can be determined from the band structure of the crystal. Such a description in the range of negative refractive index is possible because of the isotropic shape of the surfaces of the same frequency in k-space. An optimal amplification of the evanescent fields is realized in the case when the effective media parameters satisfy the condition ε = μ = n = -1 or have only small deviations from this condition. The propagation coefficients for S- and P-polarized waves, respectively, can be obtained by applying the ordinary electric and magnetic field boundary conditions at a boundary layer with different effective ε and μ (see, for example, Appl. Phys. Lett., 82, 1506 (2003) )). The electric field after passing through the layer with negative refractive index can be calculated exactly by a spatial Fourier transformation. The modeling results are in 9 shown. The amplitudes of the Fourier components after passing through the aperture are in 9 (a) shown. The evanescence fields are those components that are outside the circle with the radius 2π / λμm the coordinate origin k = 0. As can be seen, these components have a very small but finite amplitude of the order of 10 -2 after passing through the aperture. The gain of these components by a factor of about 10 2 through the negative refractive index layer is in 9 (b) shown. By inverse Fourier transform it can be calculated from the transverse distribution of the spatial beam after passing through the layer with negative refractive index, which in 9 (c) is shown. As can be seen, the arrangement considered here focusses the radiation onto a spot with a diameter (FWHM) of approximately 0.15λ, ie below the diffraction limit. The dependence of the By of the focused output beam of the layer length for a diaphragm with a diameter of 1.0 λ is in 9 (d) shown. Due to the different boundary conditions for the S and P components, different spot diameters result in the direction parallel (filled circles) and perpendicular (filled triangles) to the incident electric field. The curves were calculated for the parameters ε = -1 + 10 -4 (i-1) and μ = -1 + 10 -4 (i-1), the smallest bundle diameter being 0.12 λ in the x-direction and 0 , 16 λ in the y direction, this corresponds to an area of the beam of 0.019 λ 2 . With a 100 times greater deviation of the parameters ε and μ from the ideal value -1, with ε = -1 + 10 -2 (i-1) and μ = -1 + 10 -2 (i-1), a superfocusing with something larger spot diameter of 0.23 λ and 0.33 λ achieved, as in the curve with the open triangles or circles in 9 (d) is shown.

Die Beschreibung eines mikrostrukturierten Materialsystems, wie es zur physikalischen Realisierung einer negativen Brechzahl notwendig ist, durch ein homogenes Medium mit negativer Brechzahl ist eine Näherungsmethode, die bestimmte Einschränkungen erfordert und durch eine Analyse konkreter möglicher realer Materialien ergänzt werden sollte. Wie bereits erläutert, besitzen photonische Kristalle mit bestimmten geometrischen Strukturen und Parametern die Eigenschaften einer negativen Brechung, wobei der mögliche Frequenzbereich bis in den optischen Bereich ausgedehnt werden kann. Die gewählte Frequenz muss dabei unterhalb der tiefsten Bandlücke liegen. Weiterhin können auch photonische Kristalle mit einer effektiven positiven Brechzahl infolge von Resonanzen zu gebundenen photonischen Oberflächenzuständen Evaneszenzfelder verstärken.The Description of a microstructured material system, as described for physical realization of a negative refractive index necessary is, by a homogeneous medium with negative refractive index is one Approximation method that certain restrictions requires and through an analysis of concrete potential real materials added should be. As already explained, have photonic crystals with certain geometric structures and parameters the properties of a negative refraction, where the possible Frequency range can be extended to the optical range. The chosen one Frequency must be below the lowest band gap. You can also continue Photonic crystals with an effective positive refractive index due to resonances to bound photonic surface states amplify evanescent fields.

Im Folgenden werden hier drei Typen photonischer Kristalle betrachtet:

  • (i) zylindrische Luftröhren (ε = 1) mit einem Radius von 0,35 a, die in einem Material aus Silizium (ε = 12 im IR-Bereich), in quadratischen Gitter mit der Gitterkonstante a angeordnet sind,
  • (ii) zylindrische Stäbe aus Galliumarsenid (ε = 12,96) und einem Radius von 0,35a, die in einem hexagonalen Gitter mit dem Gitterabstand a in Luft angeordnet sind,
  • (iii) quadratische Gitter von „+" -geformten Hohlräumen aus Luft, die in Silizium eingebracht sind und geometrische Parameter besitzen, wie sie 13(b) zu entnehmen sind.
In the following, three types of photonic crystals are considered:
  • (i) cylindrical tracheas (ε = 1) with a radius of 0.35 a, which are arranged in a material of silicon (ε = 12 in the IR range), in square lattices with the lattice constant a,
  • (ii) cylindrical rods of gallium arsenide (ε = 12.96) and a radius of 0.35a arranged in a hexagonal lattice with the lattice spacing a in air,
  • (iii) square lattices of "+" shaped voids of air, introduced into silicon and possessing geometric parameters such as 13 (b) are to be taken.

Zunächst ist zu bemerken, dass diese photonischen Kristalle eine Bandlücke in nur zwei Dimensionen (2D photonische Kristalle) besitzen, während bei der Ausbreitung längs der dritten Dimension keine Effekte, die durch Bandlücken bewirkt werden, auftreten können. Entsprechend tritt eine negative Brechzahl auch nur längs dieser Richtungen auf. Deswegen wird hier auch nur das 2D-Ausbreitungsproblem betrachtet, wobei Superfokussierung nur längs der einen transversalen Richtung erfolgt, nicht jedoch in der anderen Richtung. Das fokussierte Bündel zeigt dann nur in einer transversalen Richtung einen Durchmesser unterhalb der Wellenlänge. 3D photonische Kristalle mit negativer Brechung (s. beispielsweise Appl. Phys. Lett. 81, 2352 (2002)) wurden jedoch bereits erfolgreich demonstriert. Es wird erwartet, dass bei Verwendung solcher Kristalle völlig analog, wie es hier für die 2D-Kristalle gezeigt wird, eine Superfokussierung unterhalb der Beugungsbegrenzung hinsichtlich beider transversaler Richtungen erfolgt. Weiterhin existieren metallische photonische 3D Kristalle mit einer negativen Brechung in allen drei räumlichen Dimensionen.First is to note that these photonic crystals have a bandgap in only have two dimensions (2D photonic crystals) while at the spread along the third dimension no effects caused by band gaps will be able to occur. Accordingly, a negative refractive index occurs only along this Directions on. That's why here is only the 2D propagation problem considered superfocusing only along the one transverse Direction, but not in the other direction. That focused bunch then shows a diameter only in a transverse direction below the wavelength. 3D photonic crystals with negative refraction (see, for example Appl. Phys. Lett. 81, 2352 (2002)) have already been successful demonstrated. It is expected that when using such crystals completely analogous, as it is here for the 2D crystals are shown, a super-focusing below the diffraction limit with respect to both transverse directions he follows. Furthermore, metallic photonic 3D crystals exist with a negative refraction in all three spatial dimensions.

Zunächst wird wieder der Durchgang durch eine Blende, deren Material als vollständig absorbierend angenommen wird, berechnet. Das elektromagnetische Feld in der Öffnung kann deshalb entsprechend der Kirchhoff-Bedingung gleich dem einfallenden Feld angenommen werden. Die Ausbreitung durch den 2D-Photonischen Kristall wird mit Hilfe der „corrected plane-wave expansion method" (beschrieben beispielsweise in „Optical properties of photonic crystals", Springer, 2001, S.81–90) berechnet, wobei wegen des hohen Kontrasts der elektrischen Permeabilität im photonischen Kristall eine hohe Zahl von Koeffizienten der ebenen Wellen (bis zu 104) berücksichtigt werden müssen. Die räumliche Struktur des fokussierten Bündels an der Ausgangsfläche des photonischen Kristalls kann dann durch die inverse Fouriertransformation gewonnen werden.First, the passage through an aperture whose material is assumed to be completely absorbent is calculated again. The electromagnetic field in the aperture can therefore be assumed equal to the incident field according to the Kirchhoff condition. The propagation through the 2D photonic crystal is calculated using the "corrected plane-wave expansion method" (described, for example, in "Optical properties of photonic crystals", Springer, 2001, pp. 81-90), where, due to the high contrast of the electric permeability in the photonic crystal a large number of coefficients of the plane waves (up to 10 4 ) must be considered. The spatial structure of the focused beam at the output surface of the photonic crystal can then be obtained by the inverse Fourier transform.

Die Ergebnisse für die drei verschiedenen Strukturen (i), (ii) und (iii) sind in den 10, 11 und 12 dargestellt. Superfokussierung wird in allen drei Fällen erreicht, wie es in den Teilbildern (b) und (c) dieser Figuren zu erkennen ist. Der kleinste Bündeldurchmesser ist 0,29 λ für die Struktur (i); 0,25 λ für (ii) und 0,25 λ für (iii). Eine Verstärkung der Intensität ist dabei nur im Falle der 11(c) zu erkennen. In den anderen beiden Fällen ist die Verringerung der Intensität trotzt des Auftretens der Superfokussierung durch die starke Reflexion an den Grenzflächen Luft – photonischer Kristall und photonischer Kristall – Luft zu erklären. Für Grenzflächen homogener Luft-Silizium-Schichten ist der Intensitäts-Reflexionskoeffizient 0,32. Dies erklärt die Reduzierung der Intensität an der Ausgangsfläche im Falle der 10(c) und 11(c). Die Amplituden (ausgezogene Kurven) und Phasen (gestrichelte Kurven) der Fourierkomponenten der transversalen Verteilungen sind in denThe results for the three different structures (i), (ii) and (iii) are given in the 10 . 11 and 12 shown. Superfocusing is achieved in all three cases, as can be seen in the panels (b) and (c) of these figures. The smallest bundle diameter is 0.29λ for the structure (i); 0.25λ for (ii) and 0.25λ for (iii). An increase in intensity is only in the case of 11 (c) to recognize. In the other two cases, the reduction in intensity, despite the appearance of superfocusing, is explained by the strong reflection at the air - photonic crystal and photonic crystal - air interfaces. For interfaces of homogeneous air-silicon layers, the intensity reflection coefficient is 0.32. This explains the reduction in intensity at the output surface in the case of 10 (c) and 11 (C). The amplitudes (solid curves) and phases (dashed curves) of the Fourier components of the transverse distributions are in the

10(b), 11(b) und 12(b) dargestellt. In allen Fällen ist der bedeutende Beitrag der Evaneszenz-Komponenten im Spektrum mit λkx > 2π klar zu erkennen. Das Spektrum ist am breitesten im Falle des hexagonalen Gitters in 11, besitzt aber in der räumlichen Verteilung einige bemerkbare Seitenpeaks infolge der nicht kompensierten Phasen (11(c)). Für die Strukturen (i) and (iii) in 10 und 12 beeinflusst die Anwesenheit von starken Seitenpeaks im räumlichen Spektrum infolge von Resonanzen in der Transmission die räumliche Struktur des Bündels, wobei die Resonanzen die Superfokussierung in etwa dem gleichen Maß beeinflussen wie der Teil der Evaneszenzkomponenten. In 10(a), 11(a), 12(a) ist die Transmissionsfunktion für den Übergang in die 0. Bragg Ordnung dargestellt, die die bedeutende Verstärkung der Evaneszenzkomponenten durch die Schicht aus dem Photonischen Kristall mit einer effektiven negativen Brechung demonstriert. 10(d), 11(d) und 12(d) stellen die Abhängigkeit der Bündeldurchmesser (FWHM) vom Bündeldurchmesser dar. 10 (B) 11 (Federation 12 (b) shown. In all cases, the significant contribution of the evanescent components in the spectrum with λk x > 2π can be clearly seen. The spectrum is widest in the world Trap of the hexagonal lattice in 11 but has some noticeable side peaks in the spatial distribution due to the uncompensated phases ( 11 (C)). For structures (i) and (iii) in 10 and 12 the presence of strong side peaks in the spatial spectrum due to resonances in the transmission affects the spatial structure of the beam, the resonances affecting the superfocusing to approximately the same degree as the part of the evanescent components. In 10 (A) 11 (A) 12 (a) shows the transmission function for transition to the 0. Bragg order demonstrating the significant enhancement of the evanescent components by the photonic crystal layer with an effective negative refraction. 10 (D) 11 (d) and 12 (d) represent the dependence of the bundle diameters (FWHM) on the bundle diameter.

Für die Struktur (iii) eines photonischen Kristalls – dargestellt in 13(b) – ist die räumliche Struktur des Feldes während der Ausbreitung durch diesen photonischen Kristall in 13(a) gezeigt. Wie zu sehen ist, dringt das Feld vom oberen Teil der Figur in den photonischen Kristall ein und erfährt innerhalb des Kristalls eine komplexe räumliche Umverteilung. Unmittelbar an der Rückseite des Kristalls ist die Strahlung auf einen Bündeldurchmesser von 0,3 λ fokussiert (siehe 13(a)). Wie zu erkennen ist, gehen mit der nachfolgenden Ausbreitung des Bündels durch Luft hinter dem photonischen Kristall die Evaneszenzkomponenten wieder verloren, wodurch die transversale Verteilung sich wieder verbreitert.For the structure (iii) of a photonic crystal - shown in 13 (b) - is the spatial structure of the field during propagation through this photonic crystal in 13 (a) shown. As can be seen, the field penetrates from the top of the figure into the photonic crystal and undergoes a complex spatial redistribution within the crystal. Immediately at the backside of the crystal the radiation is focused on a bundle diameter of 0.3 λ (see 13 (A)). As can be seen, with the subsequent propagation of the bundle by air behind the photonic crystal, the evanescent components are lost again, whereby the transverse distribution widens again.

Claims (46)

Verfahren zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung unterhalb der Beugungsgrenze, mindestens umfassend die Verfahrensschritte – Fokussieren eines von einer Quelle einfallenden elektromagnetischen Strahlenbündels mit üblichen Mitteln, – Erzeugung evaneszenter Wellenfelder der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung als Seedevaneszenzfelder und – Verstärkung dieser Seedevaneszenzwellen in unmittelbarer räumlichen Nähe ihrer Erzeugung, wobei die Phasen der verstärkten Evaneszenzfelder einander angepasst sind.Method for focusing electromagnetic Radiation below the diffraction limit, at least comprising the steps - Focus an electromagnetic radiation beam incident from a source by conventional means, - Generation evanescent wave fields of the electromagnetic to be focused Radiation as sea evanescence fields and - Reinforcement of these Seedevaneszenzwellen in the immediate spatial Close to her Generation, wherein the phases of the reinforced Evaneszenzfelder each other are adjusted. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem ein optisches Element zur Erzeugung evaneszenter Wellenfelder der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung, hier als Evaneszenzwellenerzeuger bezeichnet, verwendet wird.The method of claim 1, wherein an optical Element for generating evanescent wave fields of the to be focused electromagnetic radiation, here as Evaneszenzwellenerzeuger is used. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als Evaneszenzwellenerzeuger eine Blende mit einer Größe im Bereich oder unterhalb der Wellenlänge der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung verwendet wird.A method according to claim 2, wherein said evanescent wave generator a panel with a size in the range or below the wavelength the electromagnetic radiation to be focused is used. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem eine kreisförmige Blende verwendet wird.The method of claim 3, wherein a circular aperture is used. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem eine quadratische Blende verwendet wird.The method of claim 3, wherein a square Aperture is used. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als Evaneszenzwellenerzeuger eine ringförmige Blende mit einem äußeren Radius im Bereich oder unterhalb der Wellenlänge der zu fokussierenden Strahlung verwendet wird.A method according to claim 2, wherein said evanescent wave generator an annular Aperture with an outer radius in the range or below the wavelength of the radiation to be focused is used. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als Evaneszenzwellenerzeuger eine Doppel- oder Vierfach-Blende mit einem gegenseitigen Abstand im Bereich oder unterhalb der Wellenlänge der zu fokussierenden Strahlung verwendet wird.A method according to claim 2, wherein said evanescent wave generator a double or quadruple aperture with a mutual distance in the range or below the wavelength of the radiation to be focused is used. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als Evaneszenzwellenerzeuger ein sättigbarer Absorber verwendet wird.A method according to claim 2, wherein said evanescent wave generator a saturable Absorber is used. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem als sättigbarer Absorber eine Halbleiterschicht verwendet wird.A method according to claim 8, wherein said saturable Absorber a semiconductor layer is used. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem als sättigbarer Absorber eine Halbleiter-Quantum-Well-Struktur verwendet wird.A method according to claim 8, wherein said saturable Absorber a semiconductor quantum well structure is used. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, bei dem als Halbleiter-Material ZnS oder eine Verbindung aus diesem Material, wie CdZnSe oder CdZnS, verwendet wird.The method of claim 9 or 10, wherein as the semiconductor material ZnS or a compound of this material, such as CdZnSe or CdZnS, is used. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als Evaneszenzwellenerzeuger eine super-auflösenden Nahfeld-Struktur (super-RENS) verwendet wird.A method according to claim 2, wherein said evanescent wave generator a super-resolution near field structure (super-RENS) is used. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die super-auflösende Nahfeldstruktur aus einem Sb-Film, eingebettet in zwei SiN-Schichten, oder aus AgOx, PtO2 oder PdOx, eingebettet in zwei ZnS/SiO2-Schichten besteht.The method of claim 12, wherein the super-resolution near-field structure consists of an Sb film embedded in two SiN layers, or AgO x , PtO 2 or PdO x embedded in two ZnS / SiO 2 layers. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als Evaneszenzwellenerzeuger Marken in den Strukturen einer Photomaske verwendet werden.A method according to claim 2, wherein said evanescent wave generator Marks are used in the structures of a photomask. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Marken aus Cr-Absorbern bestehen.The method of claim 14, wherein the marks Cr absorbers exist. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10 und 14, bei dem als Evaneszenzwellenerzeuger Halbleiterschichten mit den Marken einer Photomaske kombiniert werden.A method according to claim 9 or 10 and 14, wherein as Evaneszenzwellenerzeuger semiconductor layers with the brands a photomask are combined. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als Evaneszenzwellenerzeuger eine Spitze einer konischen optischen Faser verwendet wird.A method according to claim 2, wherein said evanescent wave generator a tip of a conical optical fiber is used. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem als Evaneszenzwellenerzeuger eine Festkörper-Immersionslinse verwendet wird.A method according to claim 2, wherein said evanescent wave generator a solid immersion lens is used. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Verstärker der Evaneszenzwellen in unmittelbarer räumlichen Nähe ihrer Erzeugung eine dünne Schicht aus einem photonischen Kristall mit einer Dicke im Bereich der Wellenlänge der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung und einer effektiven negativen Brechung im Bereich der Frequenz der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung verwendet wird.Method according to Claim 1, in which the amplifier is the Evanescence waves in the immediate vicinity of their generation a thin layer of a photonic crystal having a thickness in the wavelength range of to be focused electromagnetic radiation and an effective negative refraction in the range of the frequency to be focused electromagnetic radiation is used. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem ein photonischer Kristall mit einer periodischen Anordnung von Stäben mit einer hohen Brechzahl in einer hexagonalen Anordnung verwendet wird.The method of claim 19, wherein a photonic Crystal with a periodic arrangement of rods with a high refractive index is used in a hexagonal arrangement. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem ein photonischer Kristall mit zylindrischen Hohlräumen in einer periodischen quadratischen Anordnung verwendet wird. 22 Verfahren nach Anspruch 19, bei dem ein photonischer Kristall, aufweisend ein quadratisches Gitter von kreuzförmig angeordneten Hohlräumen aus Luft, die in einem Material mit hoher Brechzahl angeordnet sind, verwendet wird.The method of claim 19, wherein a photonic Crystal with cylindrical cavities is used in a periodic square arrangement. 22 The method of claim 19, wherein a photonic crystal comprising a square grid of cross-shaped cavities Air arranged in a material of high refractive index, is used. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem ein photonischer Kristall, der vollständige Bandlücken in drei Dimensionen aufweist, verwendet wird.The method of claim 19, wherein a photonic Crystal, the whole bandgaps in three dimensions is used. Verfahren nach Anspruch 19 und 23, bei dem ein metallischer photonischer Kristall verwendet wird.The method of claim 19 and 23, wherein a metallic photonic crystal is used. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 zur Fokussierung elektromagnetischer Strahlung unterhalb der Beugungsgrenze, mindestens aufweisend Mittel zur Erzeugung von evaneszenten Wellenfeldern der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung als Seedevaneszenzfelder – einen Evaneszenzwellenerzeuger (EWE) – und Mittel zur Verstärkung dieser Seedevaneszenzwellen (EWV) in unmittelbarer räumlichen Nähe ihrer Erzeugung, wobei gleichzeitig die Phasen der verstärkten Evaneszenzfelder angepasst sind und das Mittel zur Verstärkung der Evaneszenzfelder (EWV) im Nahfeldbereich des Evaneszenzwellenerzeugers (EWE) angeordnet ist.Arrangement for carrying out the method according to claim 1 for focusing electromagnetic radiation below the diffraction limit, at least comprising means for generating evanescent wave fields of to be focused electromagnetic radiation as Seedevaneszenzfelder - one Evanescence Wave Generator (EWE) - and Means for reinforcement These Seedevaneszenzwellen (EWV) in the immediate vicinity of their Generation, where at the same time the phases of the enhanced evanescent fields and the means to enhance the evanescent fields (ERA) in the near field region of the Evaneszenzwellenerzeugers (EWE) arranged is. Anordnung nach Anspruch 25, bei der der Evaneszenzwellenerzeuger (EWE) eine Blende (B) einer Größe im Bereich oder unterhalb der Wellenlänge der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung ist.An assembly according to claim 25, wherein the evanescent wave generator (EWE) a diaphragm (B) of a size in the range or below the wavelength is to be focused electromagnetic radiation. Anordnung nach Anspruch 26, bei der die Blende kreisförmig ausgebildet ist.Arrangement according to claim 26, wherein the aperture is circular is. Anordnung nach Anspruch 26, bei der die Blende quadratisch ausgebildet ist.Arrangement according to claim 26, wherein the aperture is square is trained. Anordnung nach Anspruch 26, bei der die Blende ringförmig mit einem äußeren Radius im Bereich oder unterhalb der zu fokussierenden Strahlung ausgebildet ist.Arrangement according to claim 26, wherein the diaphragm is annular with an outer radius formed in the region or below the radiation to be focused is. Anordnung nach Anspruch 26, bei der die Blende als Doppel- oder Vierfach-Blende mit einem gegenseitigen Abstand im Bereich oder unterhalb der Wellenlänge der zu fokussierenden Strahlung ausgebildet ist.Arrangement according to Claim 26, in which the diaphragm is designed as Double or quadruple aperture with a mutual distance in the Range or below the wavelength of the radiation to be focused is trained. Anordnung nach Anspruch 25, bei der der Evaneszenzwellenerzeuger (EWE) ein sättigbarer Absorber (SA) ist.An assembly according to claim 25, wherein the evanescent wave generator (EWE) a saturable absorber (SA) is. Anordnung nach Anspruch 31, bei der der sättigbare Absorber (SA) aus einer Halbleiterschicht besteht.Arrangement according to claim 31, wherein the saturable Absorber (SA) consists of a semiconductor layer. Anordnung nach Anspruch 31, bei der der sättigbare Absorber (SA) aus einer Halbleiter-Quantum-Well-Struktur besteht.Arrangement according to claim 31, wherein the saturable Absorber (SA) consists of a semiconductor quantum well structure. Anordnung nach Anspruch 32 und 33, bei der das Halbleitermaterial aus ZnS oder ZnSe oder Verbindungen daraus besteht.Arrangement according to claim 32 and 33, wherein the semiconductor material ZnS or ZnSe or compounds thereof. Anordnung nach Anspruch 25, bei der der Evaneszenzwellenerzeuger (EWE) eine super-auflösende Nahfeldstruktur (super RENS) ist.An assembly according to claim 25, wherein the evanescent wave generator (EWE) a super-resolution Near field structure (super RENS) is. Anordnung nach Anspruch 35, bei der die super-auflösende Nahfeldstruktur aus einem Sb-Film, eingebettet in zwei SiN-Schichten, oder aus AgOx, PtO2 oder PdOx, eingebettet in zwei ZnS/SiO2-Schichten, gebildet ist.The device of claim 35, wherein the super-resolution near-field structure is formed of a Sb film embedded in two SiN layers, or AgO x , PtO 2, or PdO x embedded in two ZnS / SiO 2 layers. Anordnung nach Anspruch 25, bei der der Evaneszenzwellenerzeuger aus Marken einer Maske (LM) gebildet ist.An assembly according to claim 25, wherein the evanescent wave generator from marks of a mask (LM) is formed. Anordnung nach Anspruch 37, bei der die Marken aus Cr-Absorbern gebildet sind.Arrangement according to claim 37, in which the marks are made Cr absorbers are formed. Anordnung nach Anspruch 32 oder 33 und 37, bei der der Evaneszenzwellenerzeuger aus einer Halbleiterschicht und den Marken einer Photomaske gebildet ist.Arrangement according to claim 32 or 33 and 37, wherein the evanescence wave generator of a semiconductor layer and the Marks a photomask is formed. Anordnung nach Anspruch 25, bei der der Evaneszenzwellenerzeuger eine Spitze (MS) einer konischen optischen Faser (OF) ist.An assembly according to claim 25, wherein the evanescent wave generator is a tip (MS) of a conical optical fiber (OF). Anordnung nach Anspruch 25, bei der der Evaneszenzwellenerzeuger eine Festkörper-Immersionsliste (FIL) ist.Arrangement according to claim 25, wherein the Evaneszenzwellenerzeuger is a solid immersion list (FIL). Anordnung nach Anspruch 25, bei der das Mittel für die Verstärkung der Evaneszenzwellen (EWV) in unmittelbarer räumlichen Nähe ihrer Erzeugung eine dünne Schicht aus einem photonischen Kristall mit einer Dicke im Bereich der Wellenlänge der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung und einer effektiven negativen Brechung im Bereich der Frequenz der zu fokussierenden elektromagnetischen Strahlung ist.Arrangement according to Claim 25, in which the means for reinforcing the Evanescence waves (ERA) in the immediate vicinity of their generation a thin layer of a photonic crystal having a thickness in the wavelength range of to be focused electromagnetic radiation and an effective negative refraction in the range of the frequency to be focused electromagnetic radiation is. Anordnung nach Anspruch 42, bei der der photonische Kristall eine periodische Anordnung von Stäben mit einer hohen Brechzahl in einer hexagonalen Anordnung aufweist.Arrangement according to claim 42, wherein the photonic Crystal a periodic array of rods with a high refractive index in a hexagonal arrangement. Anordnung nach Anspruch 42, bei der der photonische Kristall zylindrische Hohlräume in einer periodischen quadratischen Anordnung aufweist.Arrangement according to claim 42, wherein the photonic Crystal cylindrical cavities in a periodic square arrangement. Anordnung nach Anspruch 42, bei der der photonische Kristall ein quadratisches Gitter von kreuzförmig angeordneten Hohlräumen aus Luft aufweist, die in einem Material mit hoher Brechzahl angeordnet sind.Arrangement according to claim 42, wherein the photonic Crystal a square grid of cross-shaped cavities Air, which is arranged in a material with high refractive index are. Anordnung nach Anspruch 42, bei der der photonische Kristall vollständige Bandlücken in allen drei Dimensionen aufweist.Arrangement according to claim 42, wherein the photonic Crystal complete bandgaps in all three dimensions. Anordnung nach Anspruch 42 und 46, bei der der photonische Kristall ein metallischer ist.Arrangement according to claim 42 and 46, wherein the photonic Crystal is a metallic one.
DE102004052146A 2004-10-22 2004-10-22 Assembly to focus e.g. a light bundle, for optical lithography and the like, has an evanescent wave generator and amplifier for the seed evanescent fields to give a focus spot Withdrawn DE102004052146A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004052146A DE102004052146A1 (en) 2004-10-22 2004-10-22 Assembly to focus e.g. a light bundle, for optical lithography and the like, has an evanescent wave generator and amplifier for the seed evanescent fields to give a focus spot
DE200610019378 DE102006019378A1 (en) 2004-10-22 2006-04-24 Electromagnetic ray beams focusing method for data storage medium, involves generating evanescent wave fields of pre-focused ray beams as input evanescent fields by utilizing non linear medium e.g. two-photon absorber

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102004052146A DE102004052146A1 (en) 2004-10-22 2004-10-22 Assembly to focus e.g. a light bundle, for optical lithography and the like, has an evanescent wave generator and amplifier for the seed evanescent fields to give a focus spot

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE102004052146A1 true DE102004052146A1 (en) 2006-06-22
DE102004052146A9 DE102004052146A9 (en) 2006-10-12

Family

ID=36571059

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102004052146A Withdrawn DE102004052146A1 (en) 2004-10-22 2004-10-22 Assembly to focus e.g. a light bundle, for optical lithography and the like, has an evanescent wave generator and amplifier for the seed evanescent fields to give a focus spot

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102004052146A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2931582A1 (en) * 2008-05-26 2009-11-27 Commissariat Energie Atomique OPTICALLY CLOSE FIELD EFFECT OPTICAL TRAP FORMING DEVICE AND TRAPPING DEVICE THEREFOR
CN104441849A (en) * 2014-11-14 2015-03-25 中国科学院上海光学精密机械研究所 Transition-metal-doped zinc sulfide or zinc selenide planar waveguide material and preparation method

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6340813B1 (en) * 1999-02-02 2002-01-22 Japan As Represented By Secretary Of Agency Of Industrial Science And Technology Variable-aperture optical near-field probe
US20030035361A1 (en) * 1996-05-01 2003-02-20 Terastor Corporation Near-field optical storage system with flying head
WO2003044897A1 (en) * 2001-11-16 2003-05-30 Marconi Uk Intellectual Property Ltd Multilayer imaging device with negativer permittivity or negative permeability layers
WO2003088419A1 (en) * 2002-04-09 2003-10-23 Massachusetts Institute Of Technology Photonic crystal exhibiting negative refraction without requiring a negative effective index
US20030209722A1 (en) * 1999-12-22 2003-11-13 Kabushiki Kaisha Toshiba Light-emitting element and method of fabrication thereof
US6692894B1 (en) * 1999-08-30 2004-02-17 Agency Of Industrial Science And Technology Photolithographic pattern-forming material and method for formation of fine pattern therwith

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030035361A1 (en) * 1996-05-01 2003-02-20 Terastor Corporation Near-field optical storage system with flying head
US6340813B1 (en) * 1999-02-02 2002-01-22 Japan As Represented By Secretary Of Agency Of Industrial Science And Technology Variable-aperture optical near-field probe
US6692894B1 (en) * 1999-08-30 2004-02-17 Agency Of Industrial Science And Technology Photolithographic pattern-forming material and method for formation of fine pattern therwith
US20030209722A1 (en) * 1999-12-22 2003-11-13 Kabushiki Kaisha Toshiba Light-emitting element and method of fabrication thereof
WO2003044897A1 (en) * 2001-11-16 2003-05-30 Marconi Uk Intellectual Property Ltd Multilayer imaging device with negativer permittivity or negative permeability layers
WO2003088419A1 (en) * 2002-04-09 2003-10-23 Massachusetts Institute Of Technology Photonic crystal exhibiting negative refraction without requiring a negative effective index

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ALFRED KWOK-KIT WONG: Resolution enhancement tech- niques in optical holography SPIE Press, Belling- ham, Washington, 2001, Seiten 71-90
ALFRED KWOK-KIT WONG: Resolution enhancement tech-niques in optical holography SPIE Press, Belling- ham, Washington, 2001, Seiten 71-90 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2931582A1 (en) * 2008-05-26 2009-11-27 Commissariat Energie Atomique OPTICALLY CLOSE FIELD EFFECT OPTICAL TRAP FORMING DEVICE AND TRAPPING DEVICE THEREFOR
WO2009144187A1 (en) 2008-05-26 2009-12-03 Commissariat A L'energie Atomique Device for trapping particles
US8237104B2 (en) 2008-05-26 2012-08-07 Commissariat A L'energie Atomique Et Aux Energies Alternatives Device for trapping particles
CN104441849A (en) * 2014-11-14 2015-03-25 中国科学院上海光学精密机械研究所 Transition-metal-doped zinc sulfide or zinc selenide planar waveguide material and preparation method

Also Published As

Publication number Publication date
DE102004052146A9 (en) 2006-10-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE60004146T2 (en) Method and arrangement for producing a photonic crystal
DE602004007388T2 (en) OPTICAL BENDING ELEMENT
DE102016214606B3 (en) Method and device for the lithographic production of a target structure at a non-planar starting structure
DE102007033752B4 (en) System and method for optical beam steering using nanowires and method of making the same
DE69928474T2 (en) OPTICAL PROBE FOR NAHFELD MEASUREMENTS
DE202011111072U1 (en) Device for the spatially resolved introduction of an intensity pattern of electromagnetic radiation into a photosensitive substance
EP1337881A1 (en) Method and device for producing a coupling grating for a waveguide
DD297721A5 (en) METHOD AND DEVICE FOR MICROLITHOGRAPHY IN THE OPTICAL NEEDLE FIELD
EP1373985B1 (en) Lithography system with beam guidance and method for producing digital holograms in a storage medium
DE112008002830T5 (en) Optical mask and light source device
US20220111470A1 (en) Method for fabricating nanostructured optical elements
EP0728322B1 (en) Microscopic electromagnetic radiation transmitter or detector
Kumar et al. Study of graphitic microstructure formation in diamond bulk by pulsed Bessel beam laser writing
DE102004052146A1 (en) Assembly to focus e.g. a light bundle, for optical lithography and the like, has an evanescent wave generator and amplifier for the seed evanescent fields to give a focus spot
EP1784670B1 (en) Method for producing photonic crystals
DE102013108584B3 (en) Substrate for the generation of surface plasmons and surface polarites by means of an excitation radiation, method for the production of the substrate and uses of the substrate
DE2120006C3 (en) Holographic memory
DE102014005219A1 (en) Method and system for forming an optical trap
Kondo et al. Three-dimensional recording by femtosecond pulses in polymer materials
DE10056561A1 (en) Device for focusing light onto a photosensitive object, preferably having laminar region, e.g. for microscopy, lithography, optical or magneto-optical data storage such as CD and DVD
DE102012109130B4 (en) Methods and apparatus for producing three-dimensional structures
DE102015012374A1 (en) THERMALLY ASSISTED MAGNETIC RECORDING HEAD WITH A TWIN-DIMENSIONAL THIN WAVE-GUARD FIXED AT THE OPTICAL POINT SIZE CONVERTER
DE102020204123A1 (en) A method for manufacturing a light deflection structure, use of a substrate with such a light deflection structure, and light deflection unit with such a light deflection structure
DE102014200742A1 (en) Method and device for reflecting an optical element
DE102010018538A1 (en) Method for modal influencing of optical radiation in a medium

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8197 Reprint of an erroneous patent document
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee

Effective date: 20110502