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
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Abstract
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
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
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 Bedingunggenügen, 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 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:
In
Die
in
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
Die
in
In
Verschiedene
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Lösung können auch
in der optischen Lithographie angewendet werden. In
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
In
Zur
Demonstration der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Lösung, wie
sie in
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.
- (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
Für die Struktur
(iii) eines photonischen Kristalls – dargestellt in
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