WO2010091754A1 - Photoconductive measurement tip, measurement setup, and use of the photoconductive measurement tip and/or the measurement setup - Google Patents
Photoconductive measurement tip, measurement setup, and use of the photoconductive measurement tip and/or the measurement setup Download PDFInfo
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- WO2010091754A1 WO2010091754A1 PCT/EP2009/066721 EP2009066721W WO2010091754A1 WO 2010091754 A1 WO2010091754 A1 WO 2010091754A1 EP 2009066721 W EP2009066721 W EP 2009066721W WO 2010091754 A1 WO2010091754 A1 WO 2010091754A1
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- G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
Definitions
- the invention relates to a photoconductive measuring tip for, in particular for direct temporal and spatial high-resolution field detection of the electrical component of an electromagnetic field, in particular for near-field detection and / or far-field detection with an arrangement of at least one carrier and a lateral Managerre- ckung on the Carrier disposed, mutually insulated first electrode and second electrode, which are connected to each other via a photoconductive material in the region of a photoconductive gap at a distal end. Furthermore, the invention relates to a measurement setup. The invention also relates to a use of the measuring tip and / or the measuring structure.
- THz radiation is the subject of diverse research and application.
- a generation and / or detection of high-power THz radiation in the material analysis is possible, for example, with arrangements of the type described in DE 10 2006 059 573 B3; but usually with photoconductive measuring tips, as in WO 2004/023566 A1.
- a A comparatively unusual arrangement of three measuring tips of WO 2006/072762 A1 serves for polarization-dependent detection of THz radiation.
- the application of THz radiation has received increasing attention as a promising method for detecting spatially resolved information of different material properties in the far-infrared range.
- diffraction effects limit the spatial resolution of imaging processes, especially in the THz range, namely, mainly due to the optical components of the structure such as lenses or parabolic mirrors.
- a local resolution limit is above a few hundred micrometers.
- complex near-field optical microscopes SNOM
- SNOM near-field optical microscopes
- Both static and dynamic apertures were used for this purpose.
- the sensitivity and bandwidth of the aperture-based approaches is severely limited because the amplitude of the transmitted fields decreases with the cube of the aperture diameter.
- THz radiation may be incident on a metallic wire tip in the sub-wavelength diameter region which is placed near the sample surface.
- Scattered light from the metal tip can provide information about the sample in the sub-wavelength local resolution range and can be collected in the far field (s-SNOM).
- s-SNOM far field
- the spatial resolution of a THz-s-SNOM structure critically depends on the radius of the stylus tip and the distance between the tip and the sample surface.
- the scattered near-field THz signal is also relatively small and underlain by a relatively large background contribution of scattered THz radiation resulting from reflected THz radiation of the sample surface.
- the time resolution is significantly reduced.
- a very efficient way to improve the signal-to-noise ratio in this type of s-SNOM configuration is to scan the near-field electric field directly or at least in close proximity to the probe tip via an electro-optically active crystal plate.
- the bad time resolution is not reduced, but is the full THz excitation bandwidth available for electro-optical sampling.
- the spatial resolution is diffraction limited to the size of the optical probe beam diameter of usually 10 ⁇ m.
- Photoconductive probes are based on low temperature gained galium arsenide (LT-GaAs) as switches with insulated electrodes. Such switches have been used to form a contact lens with a dielectric substrate to detect electrical signals on coplanar striplines. In direct contact mode and with a time resolution of 2.3 ps, a voltage sensitivity of 4 ⁇ V / (Hz) 1/2 could be achieved.
- LT-GaAs galium arsenide
- the invention begins, whose object is to provide a photoconductive measuring tip and a test setup and an associated use, by means of - A -
- the object is achieved by the invention by means of a photoconductive measuring tip of the type mentioned above, wherein according to the invention it is provided that at least in a front region of the arrangement comprising the front end of the electrodes a lateral limiting structure of the first and second electrodes with respect to a wavelength of the electrical component of the electro-magnetic field to be detected is designed to be non-wavelength-adapted and decreases towards the distal end, a measure of the reduction being continuous and the arrangement having a lateral dimension at the distal end in the region of the photoconductive gap below 20 ⁇ m.
- the lateral confinement structure of the first and second electrodes is non-wavelength-adjusted to a wavelength of the electrical component of the electromagnetic field to be detected.
- the limiting structure is free of a wavelength-resonant structure.
- the invention provides in principle, this to the distal end towards constantly downsize interpreted, with the extent of reduction, d. H. the decrease itself, runs steadily.
- the distal end in the region of the photoconductive gap should have a lateral dimension below 20 ⁇ m.
- the invention has recognized that, with regard to broadband, it is primarily the problem of learning that the approach via dipole antennas leads to deliberately giving up the broadband in order to enable high field sensitivity.
- the invention is based on the consideration that a photoconductive measuring tip-when the dipole shape is dispensed, or when a wavelength-adapted lateral limiting structure of the arrangement is used-is capable of particularly broadband for high-temporal field detection of the electrical component of an electromagnetic field To be available.
- the invention has recognized that a high sensitivity of the photoconductive measuring tip can be achieved in spite of abandoning resonant structures, that with a particularly small lateral dimension, ie transverse dimension, of the photoconductive measuring tip at the distal end not only a spatial resolution well below the wavelength to be detected the electrical component of the electromagnetic field is achieved, but over the at the distal end with a small transverse dimension caused electromagnetic "peak effect" a significant Field elevation is achieved.
- an improved PC-SNOM near-field measuring principle can be realized using the photoconductive measuring tip with a freely positionable photoconductive near-field measuring tip which is capable of high-resolution field detection with high sensitivity directly in time and space due to the peak effect at the distal end of the measuring tip to enable.
- Due to the substantial avoidance of wing-like electrode boundary structures or other resonant or wavelength-matched antenna boundary structures can be a high broadband with high sensitivity z. B. achieve with spatial submillimeter resolution and / or temporal subpicosecond resolution.
- the invention also leads to a near field and / or far field measurement setup, in particular
- PC-SNOM measurement setup This is preferably used for high-resolution field detection of the electrical component of an electromagnetic field.
- the measuring tip is attached to a body, in particular vitreous body holder.
- the invention leads to the use of the photoconductive measuring tip for direct temporally and spatially high-resolution field detection of the electrical component of an electromagnetic field in imaging methods.
- a use in the field of medical technology or material testing has proven to be advantageous.
- the profile of the lateral limiting structure is determined by an electrode spacing between the first and second electrodes and / or an electrode dimension of the first or second electrode.
- an electrode spacing and / or an electrode dimension are non-wavelength-adjusted, ie free from a wavelength-resonant structure.
- An electrode spacing and / or an electrode dimension have proven to be relatively critical to the realization of the inventive concept, and preferred electrode spacing and / or electrode dimension designs have been found to be particularly effective.
- an electrode spacing between the first and second electrodes and / or an electrode dimension of the first and / or second electrode can decrease towards the distal end.
- an electrode spacing and / or an electrode dimension in the region of the photoconductive gap can advantageously be less than 20 ⁇ m, preferably less than 5 ⁇ m.
- a measure of the reduction of the delimiting structure of the first and second electrodes is continuous.
- the mathematical sense-a first derivative of a profile of the lateral limiting structure in particular an electrode spacing and / or an electrode dimension
- a decrease in the electrode spacing and / or a decrease in the electrode dimension may be linear.
- a decrease in the electrode spacing and / or the electrode dimension may be curved, in particular conical or convex.
- this type of refinement provides that the first and second electrodes converge towards one another in the region of the photoconductive gap, and advantageously the electrodes themselves are pointed.
- a measure of the reduction of the boundary structure is continuous.
- spatial resolution, bandwidth, sensitivity and non-invasiveness are significantly improved.
- applications are developed in a variety of forms that could not be achieved with previous, known from the prior art resonant, relatively low spatial resolution and high invasiveness.
- This includes in particular the quality control and development of integrated ultra-high-frequency circuits or high-resolution THz imaging in the field of medical technology, bioanalytics, safety technology, eg As for spatially resolved spectroscopy for the detection of hazardous substances or the like.
- the present concept can be used in basic research, especially in the field of novel photonic materials and structures.
- the measuring tip has proven to be particularly advantageous for detecting the electrical component of an electromagnetic field in a wavelength range between 10 .mu.m and 10 mm.
- the limiting structure is designed to be non-wavelength-adapted in the wavelength ranges mentioned.
- a measuring tip is advantageous in which the lateral boundary structure at the distal end, in particular in the region of the photoconductive gap, is comparatively small. This has considerable advantages for achieving the electromagnetic "peak effect" since, according to the concept of the invention, it contributes significantly to increasing the sensitivity of the photoconductive measuring tip according to the invention of 20 .mu.m, in particular 10 .mu.m, preferably below 3 .mu.m
- Application-specific also allows a lower limit of the lateral limiting structure to be realized above 10 nm, preferably above 100 nm.
- the distal ends of the electrodes can advantageously be rounded.
- diameters between 1 .mu.m and 10 .mu.m, in particular in the range below 3 microns are provided.
- such dimensions ensure the realization of the electromagnetic "peak effect" and, on the other hand, take account of the broadband design of the near-field measuring tip according to the concept of the invention.
- an opening angle of a clearance space of the restriction structure is provided between the electrodes, which is in a range between 20 ° and 70 °.
- an opening angle of a distance space to the limiting structure of an electrode is provided which is between 5 ° and 25 °.
- the further design of the opening angle advantageously ensures that the lateral boundary structure of the electrodes is realized as far as possible from a dipole structure.
- a dipole structure largely combines wavelength-resonant properties and, in its simplest form, comprises parallel, coplanar or wing-like electrode structures.
- an opening angle of a distance space preferably between 30 ° and 60 °, in particular between 40 ° and 50 ° can be realized.
- An opening angle of a dimensioning space can be realized in a particularly advantageous manner between 10 ° and 15 °.
- the length dimension can be interpreted under development of the inventive concept for photoconductive probe.
- the front portion has a length dimension of less than 2 mm to the distal end.
- the length dimension of the front region to the distal end is designed below 1 mm, in particular below 500 ⁇ m.
- a rear region of the arrangement of the photoconductive near-field measuring tip which is closer to the proximal end of the near field measuring tip can also be advantageously designed.
- a boundary structure of the rear area in the geometric sense is designed similarly to a delimiting structure of the front area. So z. B. in the front and rear areas of the electrodes converge. As a result, geometric transitions, which can cause wavelength-resonant structures, advantageously avoided and thus support the broadband design of Nahfeldmessspitze. If necessary, however, limiting structures can also be realized in principle in the rear area, which are formed unlike a boundary structure of the front area. So can, for. B. in the front region, the electrodes converge and run parallel in the rear area.
- the rear region has a length dimension of not more than 10 mm, in particular below 2 mm, preferably below 1 mm.
- the proximal end preferably has a transverse dimension below 10 mm, preferably below 3 mm, in particular below 2 mm, preferably below 1 mm.
- the near-field measuring tip can basically be realized with different materials familiar to the person skilled in the art.
- a photoconductive material for the photoconductive gap in the form of an LT-GaAs-based material has proved to be particularly advantageous.
- LT-GaAs is characterized by a particularly short relaxation time of excited electrons and can thus provide a particularly broadband frequency sensitivity.
- a chromium or gold-based material has proved to be advantageous for the electrode material.
- the photoconductive Nahfeldmess can particularly advantageous to a body, for. As glass body, and be implemented with the body in the measurement setup.
- the photoconductive measuring tip can advantageously be inclined to the front plane of the radiation.
- other body can be used for mounting the photoconductive probe tip or other ways to implement the photoconductive probe used in the test setup.
- the body serves in particular as a carrier of electrical services, which are provided for electrical connection of the electrodes.
- a glass body has proved to be advantageous in order to make the photoconductive measuring tip available for a freely propagating excitation radiation and / or for the radiation to be detected. It has been found that the measuring structure with development of the concept of the invention particularly advantageously has optical components such that they are provided for a freely propagating excitation radiation and / or radiation to be detected.
- the measuring structure and / or the measuring tip can be used in particular in the context of imaging processes, preferably in the field of medical technology or in material testing.
- FIG. 1 shows a schematic representation of a first embodiment of a photoconductive measuring tip according to the concept of the invention in a comparatively simple embodiment
- FIG. 2 shows a schematic illustration of a second embodiment of a photoconductive measuring tip in a further development of the first embodiment
- FIG. 3 shows a schematic representation of a third embodiment of a photoconductive measuring tip in the form of a variant, in view (a) as a plan view and in view (b) as a side view; 4 shows a schematic representation of a fourth embodiment of a photoconductive measuring tip according to the concept of the invention as a modification of the first embodiment;
- FIG. 5 shows a schematic illustration of a fifth embodiment of a photoconductive measuring tip according to the concept of the invention as a modification of the third embodiment, in view (a) as a top view and in view (b) as a side view;
- Fig. 6 in view (a) is a detailed schematic representation of a photoconductive
- Measuring tip according to the second embodiment with dimension and material designation in view (b) an enlarged view of the front portion of the arrangement of the photoconductive probe tip and in view (c) an SEM image of the previously shown photoconductive probe tip in a freestanding realization on a Sapphire substrate formed form;
- FIG. 7 is a schematic representation of a measurement setup for field detection, in FIG.
- FIG. 8 exemplary far field and near field measurement results, which were achieved with the measurement setups shown in Fig. 6 and Fig. 7 and the photoconductive measuring tip shown there - on the left side of FIG. 8 corresponding
- Waveforms in the time domain as detected in the far field and in the near field - the two traces show an incident THz wave with polarization in both the X and Y directions, with the arrows evenly spaced at 4.5 ps (picoseconds) are justified.
- the right illustrations show the Fourier-transformed signal of the time domain for the polarization in the X direction and Y direction, respectively;
- 9 in view (a) is a schematic representation of a single element of a frequency-selective surface, which was used for experimental characterization of the previously explained photoconductive probe tip with dimensions in microns and in view (b) a spatially high-resolution pictorial representation of the individual element of the frequency-selective
- the image consists of 50 x 50 pixels with 3 x 3 ⁇ m 2 pixel size and the arrow represents the polarization direction of the transmitted electric field.
- the THz field amplitude is shown over a 10 ⁇ m wide metallic structure of view (b) along the X direction and Y direction - the shaded one
- Area indicates the areas of the underlying metallic structure.
- FIGS. 1 to 5 show, in the following, five particularly preferred embodiments of photoconductive measuring tips in a schematic representation which are suitable for near-field and far-field detection.
- FIGS. 6 to 9 furthermore show a concrete realization based on the second embodiment with exemplary THz measurement results in the far field and near field of a photoconductive measuring tip. All of the measuring tips shown in the following are particularly suitable for direct field and spatially high-resolution field detection of the electrical component of an electromagnetic field both in the far field and in the near field. It has been found that an implementation and use of a photoconductive measuring tip according to the concept of the invention and in particular according to the embodiments described herein is suitable, on an industrial scale, for.
- the photoconductive measuring tips shown below are suitable not only for the detection of electromagnetic radiation in the THz range, but in principle for the detection of electromagnetic radiation in the infrared or far infrared wavelength range between 10 .mu.m and 10 mm, in particular with comparatively high sensitivity in the wavelength range between 20 ⁇ m and 1 mm.
- the illustrated near-field photoconductive probes according to the concept of the invention are provided, at least in these wavelength ranges, with a boundary structure for the electrodes which is non-wavelength-matched, ie a lateral confinement structure substantially free of a wavelength-resonant structure.
- FIG. 1 shows a photoconductive near-field measuring tip 100 according to a first embodiment with an arrangement 140, at least one support 110 and lateral extension on the support 110, insulated from each other first electrode 120 and second electrode 130.
- the support 110 is complete formed in the form of LT-GaAs. Freestanding self-supporting LT-GaAs has proven to be advantageous in the present case, but does not generally have to be designed in such a way.
- the support may also be an AIA with deposited LT GaAs. Since the carrier 110 in the present case is formed entirely from LT-GaAs, the electrodes 120, 130 are thus at their distal end 150 - there in particular in the region of a photoconductive gap 235 exemplified in Fig.
- LT-GaAs has proved to be particularly suitable as a photoconductive material, since the charge carrier lifetime in LT-GaAs is comparatively short, and thus LT-GaAs enables frequency-wide field detection.
- the electrodes 120, 130 have a limiting structure 170, which is formed by the course of the inner, outer, upper, lower boundary of the first and second electrodes 120, 130.
- the course of the boundary is such that the lateral delimiting structure 170 decreases overall toward the distal end 150, specifically in such a way that a measure of the reduction runs steadily.
- the progression of the boundary change is continuous and results in a reduced dimension of the delimiting structure 170 on the distal end 150 and moreover a first derivative of a measure of the profile of the boundary of the lateral delimiting structure 170 towards the distal end is continuous.
- a measure of the reduction that is, a reduction course decreasing the delimiting structure 170 itself, is continuous.
- the electrode spacing 180 between the first electrode 120 and the second electrode as well as an electrode dimension 181, 182 decreases toward the distal end 50.
- the decrease in electron gap 180 and decrease in electrode dimension 181, 182 will be continuous also the first derivative of the same.
- the decrease in the electrode spacing 180 and the decrease in the electrode dimension 182 are chosen to be linear.
- the limiting structure of the electrodes selected in the first embodiment is adapted for a wavelength range of between 10 ⁇ m and 10 mm, which is to be detected in a broadband manner, in particular in the wavelength range between 20 ⁇ m and 1 mm.
- a lateral dimension of the arrangement 140 below the 20 ⁇ m is present at the distal end 150 in the region of the photoconductive gap Fig. 6 z. B. a photoconductive gap below 5 ⁇ m at 1.8 microns.
- a lateral dimension can also be selected clearly below 10 .mu.m, preferably below 3 .mu.m, as is explained, for example, in the specific design example of FIGS. 6 to 9.
- a field elevation in the region of the distal end 150 is achieved, which not only provides superior sensitivity to resonant electrode arrangements, in particular dipole arrangements, but also significantly increases spatial resolution.
- the first embodiment described here ensures the specifications according to the concept of the invention, in particular in a front region 160 comprising the distal end 150 of the electrodes 120, 130. This ensures that, in particular in a front region 160 of the photoconductive measuring tip 100 relevant to the coupling of an electromagnetic field, wavelength-matched or resonant generating structures are avoided - so ensures the broadband and high sensitivity of the photoconductive probe 100 for direct temporal and spatial high-resolution field detection in both the near field and far field.
- FIG. 2 shows a second embodiment of a photoconductive measuring tip 200 which, like the photoconductive measuring tip 100, has an arrangement 240 of a carrier 210 with electrodes 220, 230 which are in the region via a photoconductive material - in the present case LT-GaAs of the carrier 210 a photoconductive gap at a distal end 250 are interconnected.
- the lateral confinement structure of the first and second electrodes 220, 230 is designed to be non-wavelength-matched and downslope toward the distal end 250 with a progressive reduction in size, with a lateral dimension below 20 at the distal end 250 of the photoconductive gap ⁇ m is located.
- a field shield 261 is additionally applied to the electrodes 220, 230.
- This has advantages if the detection is to be carried out in strongly field-scattering areas.
- carrier generation can be effectively limited to the area of the photoconductive gap 235 ( Figure 6).
- the shielding 261 is formed in the form of a metal shield that continuously reduces in size, similar to the electrodes 220, 230, and covers it almost up to the distal end 250.
- the arrangement 240 at the distal end 250 is not covered by the shield 261.
- FIG. 2 This illustrated in Fig. 2 preferred second embodiment of a photoconductive Nahfeldmess rotate 200 is described in more detail in Fig. 6 in detail in the context of a structural design of a probe tip 200. There, it is also shown that the disadvantages of a low spatial resolution and low bandwidth previously known from resonant dipole structures of photoconductive measuring tips are deliberately avoided by measuring tips of the present type. Both the measuring tip 100 and the measuring tip 200 avoid the use of large-area photoconductive switches with a single contact line and resonant antenna elements.
- two adjacent pointed tapered planar electrodes 120, 130 and 220, 230 are provided in both embodiments according to the concept of the invention, which are applied in the context of the arrangement 140, 240 on a thin self-supporting photoconductive substrate - in the present case LT-GaAs - and their Electrode distance as well as their electrode dimension is to Tip down, with a measure of the reduction itself being steady. In other words, there are also kinks or the like. At least avoided in the front region of the arrangement. As a result, a comparatively high field elevation in the region of the photoconductive gap at the distal end 150, 250 is achieved, which makes it possible to limit the field detection to the tip region bounded by the photoconductive gap.
- the generation of the field enhancement in the present case is largely frequency-independent and the RC constant is comparatively small due to the extremely small switch area, so that a significantly higher bandwidth than with the previous solutions can be achieved.
- a particularly high degree of spatial resolution, bandwidth, sensitivity and non-invasiveness is achieved.
- FIG. 3 shows a third embodiment of a photoconductive measuring tip 300, whose arrangement 340 is formed with carrier 310 and electrodes 320, 330 similar to the measuring tip 100 of the first embodiment, so that with respect to the construction of the arrangement 340 to the corresponding description of FIG 1 is referred to.
- the arrangement 340 of the photoconductive measuring tip 300 is connected to a body which forms a further arrangement 341.
- the arrangement 341 has a further carrier 311 as well as a first electrical line 321 arranged thereon and a second electrical line 331.
- the further carrier 311 of the further arrangement 341 is connected to the carrier 310 of the arrangement 340, in the present case formed of transparent material in the form of a quartz glass.
- the first electrical lead 321 is connected to the first electrode 320 via an electrical contact 322, and the second electrical lead 331 is electrically connected to the second electrode 330 via a second electrical contact 332.
- the arrangement 340 of the photoconductive near-field measuring tip 300 is applied to the further arrangement 341 such that a front region 360 of the arrangement 340 encompassing the distal end 350 of the electrodes 320, 330 beyond the further arrangement 341 protrudes. In this way, a freely propagating excitation beam can generate charge carriers in the photoconductive gap at the distal end 350 of the electrodes.
- the support 311 of the further arrangement can in principle be formed from any sufficiently mechanically stable material.
- a transparent support 311 in the present case made of quartz glass, has proven to be advantageous, since it may be desirable in applications to view areas below the photoconductive near field probe 300, for example via a CCD camera or similar optical apparatus or opti - see adjustment.
- a non-wavelength-adapted design of the lateral boundary structure of the first electrical line 331 and second electrical line 321 is also ensured in the body of the further arrangement 341-analogous to the design of the delimiting structure of the first and second electrodes 120, 130, as exemplified by all Embodiments have been described with reference to the first embodiment of the photoconductive Nahfeldmess rotate 100 in Fig. 1.
- the line spacing 380 between the first and second electrical lines 321, 331 and the line dimensions 371, 372 of the first and second electrical lines 321, 331 decreases distal end 350 and decreases the decrease of the line spacing and the decrease of the line dimension 380, 371, 372 to the distal end 350 towards steadily.
- FIG. 4 shows a fourth embodiment of a photoconductive measuring tip 400, in turn comprising an arrangement 440 of a carrier 410, on which a first electrode 420 and a second electrode 430 are attached, and their lateral limiting structure - only in the front end comprising the distal end 450 Area 460 - a lateral boundary structure 470 of the first and second electrodes 420, 430, which is designed non-wavelength-adapted and substantially the Begrenzungsstruck- tures 170, 270, 370 of the embodiments of FIGS. 1 to 3 corresponds.
- the fourth embodiment of the measuring tip 400 in a significant area for the detection area - namely in the front area 460 - a broadband and highly sensitive detection of electromagnetic radiation in the wavelength range between 10 .mu.m and 10 mm, at least in the wavelength range between 20 ⁇ m and 1 mm is possible.
- a substantially coplanar design of the electrodes 420, 430 is possible in a rear region 461 of the measuring tip 400.
- the electrodes 420, 430 are coplanar in the rear region 461 and substantially pointed towards one another in the front region 460, ie they are angled toward one another at the transition between the rear region 461 and the front region 460.
- alternative electrode profiles can be realized.
- FIG. 5 shows a development of the measuring tip shown in FIG. 4 in the form of the photoconductive measuring tip 500. Analogous to the third embodiment of a photoconductive probe
- the arrangement 540 of the measuring tip 500 described in FIG. 4 is attached to a body of a further arrangement 541.
- the carrier 510 of the arrangement 540 is applied to the carrier 511 of the further arrangement 541 such that it projects beyond a front region 560. This ensures that the arrangement 540 of the measuring tip 500 in the region of the photoconductive gap can be excited by a freely propagating optical field.
- the first and second electrodes 520, 530 are electrically connected via respective contacts 522, 532 to a first and second electrical line 521, 531, the latter being mounted on the carrier 511 of the further device 541.
- the delimiting structure 570 'of the first and second electric lines 521, 531 is configured non-wavelength-matched, as described in connection with the third embodiment of the measuring tip in FIG. 3, ie, the limiting structure 570' decreases towards the distal end, wherein one dimension the reduction is continuous.
- line spacings 580 and line dimensions 571, 572 decrease towards the distal end 550, the decrease being continuous.
- Fig. 6 shows in view a the photoconductive Nahfeldmessspitze 200 of the second embodiment as shown in Fig. 2 - for the same parts or parts of the same function have been used in the same reference numerals.
- view (a) a dimension for a concrete implementation of the near-field photoconductive probe 200 is shown.
- the assembly 240 has a substantially triangular shape and is tapered from the proximal end 290 to the distal end 250.
- a non-wavelength-limited confinement structure 270 of the first and second electrodes 220, 230 decreases towards the distal end 250, a measure of the reduction being continuous.
- the arrangement 240 has a lateral dimension of 1161 ⁇ m at the proximal end 290-ie at the base of the triangle.
- the substantially isosceles lengths of the electrodes 220, 230 correspond substantially to the side length of the assembly 240, which in the present case is 1152 ⁇ m.
- the shield 260 in this case has a side length of 437 microns. It can also be seen from view (a) of FIG. 6 that an opening angle 291 of a spacing space of the delimiting structure 270 between the electrodes 220, 230 is present at 40 °. In principle, such an opening angle 291 can also be between 20 ° and 70 °.
- an opening angle range is as far as possible from a wavelength-resonant dipole structure - in the present case, an opening angle of 40 ° has proven to be particularly optimal.
- the opening angle 292 of the spacing space of the delimiting structure in each case one electrode 220, 230 results here from the further opening angle of 60 °, which denotes the spacing space of the delimiting structure 270 at the outer edges of the electrodes 220, 230 and in the present case at 60 °.
- Fig. 6 (b) a fragmentary enlarged view of the distal end 250 of the assembly 240 is shown. It can thus be seen that the distance 280 between the first and second electrodes 220, 230 and the dimensions 281, 282 of the same continuously decrease linearly as far as the distal end 250.
- the first electrode 220 is connected to the second electrode 230 in the region of the photoconductive gap 235 via a photoconductive material, in the present case LT GaAs
- the spacing 280 between the electrodes 220, 230 increases symmetrically up to one Dimension of the photoconductive gap 235 of 1.8 ⁇ m
- the carrier 210 is initially provided with an optically transparent electrically insulating region in the area of the distal end 250 Polymer layer 215.
- the shield 261 is mounted on the polymer layer 215 in the form of a metallic masking layer which also partially covers the electrodes 220, 230.
- the shield 261 leaves the region of the photoconductive gap 235 at the distal end 250 free to excite electric charge carriers, it has been found that in a simpler version currency form - as has already been described with reference to FIG 1 in the first embodiment of the photoconductive measuring tip. 100 - 261, the shield may be omitted. It has been found that a significant charge for the detection of charge carriers is also limited to the region of the photoconductive gap 235 even without shielding 261 and, if necessary, with a corresponding adjustment of the excitation fields.
- FIG. 6 (c) an SEM image of the above-explained photoconductive measuring tip 200 is shown in the present case, corresponding reference numerals being explained above
- the photoconductive measuring tip 200 is present ing produced as epitaxially grown layer system.
- the pair of "pointed" lines which form the electrodes 220, 230 is made of a layer structure of a 10 nm chromium layer and a 200 nm gold layer on the LT GaAs.
- the arrangement is coated with a 1 ⁇ m thick insulating and optically transparent polymer film and thermally cured.
- the polymer film is produced using a photo-resist layer as a masking layer and an isotropic dry etching process in an O 2 plasma.
- the step of 50 nm thick chromium masking which limits the optical excitation - but not necessarily in other embodiments - to the photoconductive gap 235 at the distal end 250 of the probe tip 200.
- the masking is deposited and lithographically
- those portions of the LT-GaAs carrier 210 which are not mi t are covered by the polymer film, here by using a wet chemical etching process which gives access to an aluminum arsenide layer.
- the underlying AlAs sacrificial layer is etched away completely with a 10% HF solution, resulting in a self-supporting freestanding LT-GaAs based chip-type device 240 of the present embodiment.
- the measuring tip 200 is applied to a body in the form of a 250 ⁇ m thick sapphire substrate, in the present case electrically connected by a bonding process to corresponding lines on the sapphire substrate.
- the attachment takes place in such a way that the measuring tip 200 protrudes beyond the sapphire substrate by a few 100 ⁇ m, as can be seen in the SEM image of FIG. 6 (c).
- Photoconductive probe tip 200 is experimentally characterized by a far-field THz and THz near-field as shown in FIGS. 8 and 9. The characterization is carried out in the context of a far-field measurement setup and near-field measurement setup, as shown in FIG.
- FIG. 7 shows in view (a) the measurement setup 700A with the described measurement tip 200 mounted on the above-described sapphire carrier 800.
- THz radiation from a surface emitter 900 is transmitted to the photopolymer via two parabolic mirrors 710, 720. tende gap 235 of the measuring tip 200 adjusted.
- the excitation of the surface emitter 900 is effected via an optical excitation pulse 910.
- the detection of the THz radiation 920 takes place by means of an optical detection pulse 930 of the previously described type.
- the THz radiation 920 can furthermore be polarized by a polarizer 730, in the present case in the form of a wire grid polarizer become.
- a near field measuring structure 700B with the photoconductive measuring tip 200 on the sapphire body as carrier 800 is shown enlarged, from which also the previously explained inclination angle ⁇ with respect to the XY plane of the incident THz wave and, if necessary .
- ⁇ inclination angle
- Fig. 7 (a) shows a measurement setup 700A used for far-field detection.
- Fig. 7 (b) shows a measurement setup 700B used for near-field detection.
- the far field setup 700A was used to determine the time response of the probe tip 200 for planar wave excitation.
- linearly polarized THz radiation in pulse form from an InAs surface emitter polymer is focused via a pair of parabolic mirrors 710, 720 onto the photoconductive probe tip 200 with a focus for THz radiation which is not substantially larger than the photoconductive one Gap 235.
- THz radiation in pulse form from an InAs surface emitter polymer is focused via a pair of parabolic mirrors 710, 720 onto the photoconductive probe tip 200 with a focus for THz radiation which is not substantially larger than the photoconductive one Gap 235.
- THz radiation the upper left portion of FIG. 8 for the incident THz radiation, each for polarization in the X and Y directions.
- the signal is characterized by several peaks at 25 ps, which become smaller with increasing time.
- the peak multiple reflections of the THz signal in the probe tip can be assigned.
- the THz radiation is conducted within the overlapping regions of the shield 260 and the pointed electrodes 220, 230.
- the Fourier-transformed signals in the time domain are shown in the upper right-hand part of FIG. Both frequency spectra show an amplitude drop for frequencies below 0.3 THz, which is typical of free propagating transmission configurations, which include a high-divergent point source and optical focusing on a sub-wavelength-sized detector.
- the signal amplitude for incident THz fields which are polarized in the Y direction is reduced compared to X polarized beams.
- the sensitivity difference between X and Y polarization is 4: 1.
- the near-field measuring structure shown in Fig. 7 (b) was used.
- the THz pulses were generated with a photoconductive dipole element which is illuminated by a 7 mW optical excitation beam through a dispersion compensated optical fiber.
- other excitation sources may also be used, for example, the surface emitter 900 of the far field structure of Fig. 7 (a).
- the transmitted signals are detected by the photoconductive measuring tip, which is arranged approximately 3 ⁇ m above the sample surface.
- the transmitted THz signals are measured in the time domain at the surface of a reference sample consisting of a polysilicon silicon (Si) wafer polished on both sides of 1 mm thick and more than 3000 ⁇ cm in resistivity.
- the sample is transparent in the corresponding THz frequency range but opaque to wavelengths of optical excitation and the detection beam.
- An additional 10.5 ⁇ m thick layer of black wax (Apiezon) is spin-deposited on top of the silicon wafer. This layer absorbs scattered light of the detection beam, which could otherwise be reflected from the back of the measuring tip 200.
- the measured data in the time domain are in the lower left part of FIG. 8 for X and Y polarization of the THz beams, respectively shown.
- the spatial resolution that can be achieved with the photoconductive probe tip of other THz frequencies is determined using a metallic test pattern with sub-wavelength dimensions and shown in FIG.
- the test structure is a frequency selective surface consisting of an array of asymmetrically double slotted metal ring resonators with subwavelength dimensions. Such a metal ring resonator with corresponding radius and Schlitzbelopung is shown in Fig. 9, view (a). Such structures are of particular interest for so-called biosensitive applications in the THz range, since they show strong resonance shifts when loaded with dielectrically active samples.
- the frequency-selective surface is profiled by means of a 10 nm chromium and 200 nm gold structure on the same wafer as the reference sample. The entire frequency-selective surface is located under an optically opaque layer of black wax.
- the image caused by the THz image is achieved by raster scanning the sample with the distal end 250 of the photoconductive probe tip 200. For this purpose, scanning steps of 3 ⁇ m step size in the X and Y direction are carried out, namely at a time interval of 0 ps in the time domain, which corresponds to the main amplitude of the THz radiation.
- the obtained image is shown in Fig. 9 in view (b).
- the spatially resolved electric field clearly shows the optically hidden ring resonator structure.
- the 10 ⁇ m wide metallic stripe lines and the asymmetrical slot arrangement of the frequency-selective surface are clearly resolved. No further signal contributions are detected in a reference measurement with a blocked THz beam.
- the spatial resolution can be determined by line measurements as shown in view (c) of FIG. 9. Therein, the THz field amplitude along the two bright lines shown in Fig. 9b is determined. Using the "10% - 90%" criterion becomes a achieved spatial resolution of up to 5 microns - corresponding to a proportion of ⁇ / 300 - along the X direction and a spatial resolution of 7 microns - corresponding to a proportion of ⁇ / 140 - determined along the Y direction; this for a wavelength at 1500 microns.
- the reduction of the measuring tip 200 itself can be achieved by simple optical masking methods.
- the rear side of the measuring tip 200 can also be masked in order to avoid the influence of optically reflected radiation from the sample surface.
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Abstract
Description
Photoleitende Messspitze, Messaufbau und Verwendung der photoleitenden Messspitze und/oder des Messaufbaus Photoconductive measuring tip, measuring setup and use of the photoconductive measuring tip and / or the measuring setup
Die Erfindung betrifft eine photoleitende Messspitze zur, insbesondere zur direkten zeitlich und räumlich hochauflösenden, Felddetektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes, insbesondere zur Nahfeld-Detektion und/oder Fernfeld- Detektion mit einer Anordnung wenigstens eines Trägers und einer in lateraler Erstre- ckung auf dem Träger angeordneter, voneinander isolierten ersten Elektrode und zweiten Elektrode, die über ein photoleitendes Material im Bereich einer photoleitenden Lücke an einem distalen Ende miteinander verbunden sind. Weiter betrifft die Erfindung einen Messaufbau. Die Erfindung betrifft auch eine Verwendung der Messspitze und/oder des Messaufbaus.The invention relates to a photoconductive measuring tip for, in particular for direct temporal and spatial high-resolution field detection of the electrical component of an electromagnetic field, in particular for near-field detection and / or far-field detection with an arrangement of at least one carrier and a lateral Erstre- ckung on the Carrier disposed, mutually insulated first electrode and second electrode, which are connected to each other via a photoconductive material in the region of a photoconductive gap at a distal end. Furthermore, the invention relates to a measurement setup. The invention also relates to a use of the measuring tip and / or the measuring structure.
THz-Strahlung ist Gegenstand vielfältiger Forschung und Anwendung. Eine Erzeugung und/oder Detektion von THz-Strahlung hoher Leistung in der Materialanalyse ist z.B. mit Anordnungen der Art, wie sie in der DE 10 2006 059 573 B3 beschrieben ist, möglich; üblicherweise aber mit photoleitenden Messspitzen, wie in WO 2004/023566 A1. Eine vergleichsweise ungewöhnliche Anordnung aus drei Messspitzen der WO 2006/072762 A1 dient zur polarisationsabhängigen Detektion von THz-Strahlung.THz radiation is the subject of diverse research and application. A generation and / or detection of high-power THz radiation in the material analysis is possible, for example, with arrangements of the type described in DE 10 2006 059 573 B3; but usually with photoconductive measuring tips, as in WO 2004/023566 A1. A A comparatively unusual arrangement of three measuring tips of WO 2006/072762 A1 serves for polarization-dependent detection of THz radiation.
Insbesondere für bildgebende Verfahren hat die Anwendung von THz-Strahlung zunehmend Beachtung gefunden als vielversprechende Methode um im Bereich des fernen Infrarot räumlich aufgelöste Informationen verschiedener Materialeigenschaften zu detek- tieren. Allerdings beschränken Beugungseffekte die räumliche Auflösung von bildgebenden Verfahren, insbesondere im THz-Bereich, nämlich vor allem aufgrund der optischen Komponenten des Aufbaus wie Linsen oder Parabolspiegel. Üblicherweise liegt eine örtliche Auflösungsgrenze oberhalb von einigen hundert Mikrometern. Um eine Feldde- tektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes unterhalb von beispielsweise 500 μm Ortsauflösung zu erreichen, sind aufwändige nahfeldoptische Mikroskope (SNOM) eingesetzt worden. So konnten SNOM-Lösungsansätze zu einer örtlichen Auflösung unterhalb der Wellenlänge der zu detektierenden elektrischen Komponente erreicht werden. Dazu wurden sowohl statische als auch dynamische Aperturen eingesetzt. Allerdings ist die Sensitivität und Bandbreite der apertur-basierten Ansätze stark beschränkt, da die Amplitude der transmittierten Felder mit der dritten Potenz des Aperturdurchmessers abnimmt.Particularly for imaging techniques, the application of THz radiation has received increasing attention as a promising method for detecting spatially resolved information of different material properties in the far-infrared range. However, diffraction effects limit the spatial resolution of imaging processes, especially in the THz range, namely, mainly due to the optical components of the structure such as lenses or parabolic mirrors. Usually, a local resolution limit is above a few hundred micrometers. In order to achieve field detection of the electrical component of an electromagnetic field below, for example, 500 μm spatial resolution, complex near-field optical microscopes (SNOM) have been used. Thus, SNOM approaches to a local resolution below the wavelength of the electrical component to be detected could be achieved. Both static and dynamic apertures were used for this purpose. However, the sensitivity and bandwidth of the aperture-based approaches is severely limited because the amplitude of the transmitted fields decreases with the cube of the aperture diameter.
In einer alternativen SNOM Methode kann zum Beispiel THz-Strahlung auf eine metallische Drahtspitze im Subwellenlängen-Durchmesserbereich einfallen, welche nahe der Probenoberfläche angebracht wird. Gestreutes Licht von der Metallspitze kann Auf- schluss über die Probe im Subwellenlängen-Ortsauflösungsbereich geben und im Fernfeld gesammelt werden (s-SNOM). In dieser Konfiguration ist eine räumliche Auflösung im Bereich von 150 nm bei THz-Frequenzen berichtet worden. Die räumliche Auflösung eines THz-s-SNOM Aufbaus hängt allerdings kritisch vom Radius der Abtastspitze ab und dem Abstand zwischen der Spitze und der Probenoberfläche. Unglücklicherweise ist darüber hinaus das gestreute Nahfeld-THz-Signal relativ klein und von einem vergleichsweise großen Hintergrundbeitrag von gestreuter THz-Strahlung unterlegt, die von reflektierter THz-Strahlung der Probenoberfläche resultiert. Zusätzlich wird auch die Zeitauflösung erheblich reduziert.For example, in an alternative SNOM method, THz radiation may be incident on a metallic wire tip in the sub-wavelength diameter region which is placed near the sample surface. Scattered light from the metal tip can provide information about the sample in the sub-wavelength local resolution range and can be collected in the far field (s-SNOM). In this configuration, a spatial resolution in the range of 150 nm at THz frequencies has been reported. However, the spatial resolution of a THz-s-SNOM structure critically depends on the radius of the stylus tip and the distance between the tip and the sample surface. Unfortunately, the scattered near-field THz signal is also relatively small and underlain by a relatively large background contribution of scattered THz radiation resulting from reflected THz radiation of the sample surface. In addition, the time resolution is significantly reduced.
Ein sehr effizienter Weg das Signal/Rausch Verhältnis bei dieser Art von s-SNOM Konfiguration zu verbessern, besteht darin, das elektrische Nahfeld direkt oder wenigstens in enger Nachbarschaft der Tastspitze über eine elektrooptisch aktive Kristallplatte abzutasten. Zwar wird die schlechte Zeitauflösung dadurch nicht verringert, jedoch ist die volle THz-Anregungsbandbreite für das elektro-optische Sampling verfügbar. In diesem Fall ist die räumliche Auflösung beugungsbegrenzt auf die Größe des optischen Probe- Strahldurchmessers von üblicherweise 10 μm. Solche Ergebnisse wurden unter anderem geliefert von N. A. Seo et. al. in Opt. Express 15, 1 1781 - 11789 (2007).A very efficient way to improve the signal-to-noise ratio in this type of s-SNOM configuration is to scan the near-field electric field directly or at least in close proximity to the probe tip via an electro-optically active crystal plate. Although the bad time resolution is not reduced, but is the full THz excitation bandwidth available for electro-optical sampling. In this case, the spatial resolution is diffraction limited to the size of the optical probe beam diameter of usually 10 μm. Such results have been provided, inter alia, by NA Seo et. al. in Opt. Express 15, 1 1781-11789 (2007).
Eine vielversprechende SNOM Alternative zur Nahfeldabtastung basiert auf miniaturisierten photoleitenden Messspitzen (PC-SNOM). Photoleitende Messtaster basieren auf niedrigtemperaturgewonnenem GaliumArsenid (LT-GaAs) als Schalter mit isolierten Elektroden. Solche Schalter sind unter Bildung einer Kontaktlinse mit einem dielektrischen Substrat verwendet worden um elektrische Signale auf koplanaren Streifenleitun- gen zu detektieren. In direktem Kontaktmodus und bei einer zeitlichen Auflösung von 2.3 ps konnte eine Spannungssensitivität von 4 μV/(Hz)1/2 erreicht werden. Um die Invasivität solcher photoleitender Schalter mit Messspitze zu verringern ist es vorteilhaft großvolu- mige dielektrische Substrate zu vermeiden und statt dessen ultradünne photoleitende (photokonduktive PC) Filme (Dicke ca. 1 μm) auf LT-GaAs als selbstfreistehende Subs- träte zu nutzen - so berichtet beispielsweise durch R. K. Lai et al. in Applied. Phyics. Letters. 69, 1843 - 1845 (1996). Obwohl die Verwendung von isolierten PC-Schaltern eine hohe Feldsensitivität bietet, ist die räumliche und zeitliche Auflösung begrenzt aufgrund der hohen RC-Zeitkonstanten und der räumlich recht ausgedehnten Feldankopp- lung des photokonduktiven Schalters (PC-Schalters) in einem nicht kontaktierten Modus. Unter Verwendung einer Dipol-Antenne mit einem schmalen integrierten PC-Gap können RC-Konstanten reduziert werden - so beispielsweise beschrieben in US 2003/0184328 A1 - jedoch ist die räumliche Feldankopplung immer noch definiert durch die λ/2 -Länge der Dipolarme. So konnten räumliche und zeitliche Auflösungen im Bereich von 100μm und einigen Pikosekunden berichtet werden, die allerdings kaum wiederholt reproduzierbar waren.A promising SNOM alternative to near field scanning is based on miniaturized photoconductive probes (PC-SNOM). Photoconductive probes are based on low temperature gained galium arsenide (LT-GaAs) as switches with insulated electrodes. Such switches have been used to form a contact lens with a dielectric substrate to detect electrical signals on coplanar striplines. In direct contact mode and with a time resolution of 2.3 ps, a voltage sensitivity of 4 μV / (Hz) 1/2 could be achieved. In order to reduce the invasiveness of such photoconductive switches with measuring tip, it is advantageous to avoid large-volume dielectric substrates and instead to use ultra-thin photoconductive (photoconductive PC) films (thickness about 1 μm) on LT-GaAs as self-standing substrates reported, for example, by RK Lai et al. in Applied. Phyics. Letters. 69, 1843-1845 (1996). Although the use of isolated PC switches offers high field sensitivity, the spatial and temporal resolution is limited due to the high RC time constant and the spatially quite large field coupling of the photoconductive switch (PC switch) in a non-contacted mode. By using a dipole antenna with a narrow integrated PC gap, RC constants can be reduced - for example as described in US 2003/0184328 A1 - but the spatial field coupling is still defined by the λ / 2 length of the dipole arms. Thus, spatial and temporal resolutions in the range of 100 microns and a few picoseconds were reported, which, however, were hardly reproducible.
Es hat sich gezeigt, dass der Ansatz einer direkten zeitlich und räumlich hochauflösenden Felddetektion mittels photoleitender Nahfeld-Messspitzen zwar gutes Potenzial hat aufgrund der - mit wellenlängen-resonanter Auslegung als Dipol - hohen Feldsensitivität für die eingangs genannten Anwendungen in großem Maßstab zum Einsatz zu kommen. Wünschenswert ist es jedoch, eine verbesserte Ortsauflösung und Breitbandigkeit zu erreichen.It has been shown that the approach of a direct temporal and spatial high-resolution field detection by means of near-field photoconductive measuring probes has good potential due to the - with wavelength-resonant design as a dipole - high field sensitivity for the large-scale applications mentioned above. However, it is desirable to achieve improved spatial resolution and broadband.
An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine photoleitende Messspitze und einen Messaufbau sowie eine zugehörige Verwendung anzugeben, mittels der - A -At this point, the invention begins, whose object is to provide a photoconductive measuring tip and a test setup and an associated use, by means of - A -
eine hohe Ortsauflösung und breitbandige Detektion mit guter Zeitauflösung erreicht werden kann, wobei dennoch eine hohe Feldsensitivität gegeben sein sollte.a high spatial resolution and broadband detection with good time resolution can be achieved, yet a high field sensitivity should be given.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung mittels einer photoleitenden Messspitze der eingangs genannten Art gelöst, wobei erfindungsgemäß vorgesehen ist, dass wenigstens in einem das vordere Ende der Elektroden umfassenden vorderen Bereich der Anordnung eine laterale Begrenzungsstruktur der ersten und zweiten Elektrode, bezüglich einer Wellenlänge der elektrischen Komponente des zu detektierenden elektro-magnetischen Feldes nicht-wellenlängenangepasst ausgelegt ist, und sich zum distalen Ende hin verkleinert, wobei ein Maß der Verkleinerung stetig verläuft und die Anordnung eine laterale Abmessung am distalen Ende im Bereich der photoleitenden Lücke unterhalb 20 μm hat.The object is achieved by the invention by means of a photoconductive measuring tip of the type mentioned above, wherein according to the invention it is provided that at least in a front region of the arrangement comprising the front end of the electrodes a lateral limiting structure of the first and second electrodes with respect to a wavelength of the electrical component of the electro-magnetic field to be detected is designed to be non-wavelength-adapted and decreases towards the distal end, a measure of the reduction being continuous and the arrangement having a lateral dimension at the distal end in the region of the photoconductive gap below 20 μm.
Gemäß dem Konzept der Erfindung ist vorgesehen, dass die laterale Begrenzungsstruktur der ersten und zweiten Elektrode nicht-wellenlängenangepasst an eine Wellenlänge der elektrischen Komponente des zu detektierenden elektromagnetischen Feldes ist. Mit anderen Worten ist die Begrenzungsstruktur frei von einer wellenlängen-resonanten Struktur. Dazu sieht die Erfindung im Grundsatz vor, diese zum distalen Ende hin sich stetig verkleinernd auszulegen, wobei auch das Maß der Verkleinerung, d. h. die Abnahme selbst, stetig verläuft. Insbesondere soll das distale Ende im Bereich der photoleitenden Lücke eine laterale Abmessung unterhalb von 20 μm haben.According to the concept of the invention, it is provided that the lateral confinement structure of the first and second electrodes is non-wavelength-adjusted to a wavelength of the electrical component of the electromagnetic field to be detected. In other words, the limiting structure is free of a wavelength-resonant structure. For this purpose, the invention provides in principle, this to the distal end towards constantly downsize interpreted, with the extent of reduction, d. H. the decrease itself, runs steadily. In particular, the distal end in the region of the photoconductive gap should have a lateral dimension below 20 μm.
Die Erfindung hat erkannt, dass sich hinsichtlich der Breitbandigkeit vor allem das Prob- lern stellt, dass der Ansatz über Dipol-Antennen dazu führt, die Breitbandigkeit bewusst aufzugeben, um eine hohe Feldsensitivität zu ermöglichen.The invention has recognized that, with regard to broadband, it is primarily the problem of learning that the approach via dipole antennas leads to deliberately giving up the broadband in order to enable high field sensitivity.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine photoleitende Messspitze - bei Aufgabe der Dipolform, bzw. bei Aufgabe einer wellenlängen-angepassten lateralen Begrenzungsstruktur der Anordnung - in der Lage ist, besonders breitbandig für eine zeitlich hochauflösende Felddetektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes zur Verfügung zu stehen. Die Erfindung hat erkannt, dass eine hohe Sensitivität der photoleitenden Messspitze trotz Aufgabe resonanter Strukturen dadurch erreicht werden kann, dass mit einer besonders geringen lateralen Abmessung, d. h. Querabmessung, der photoleitenden Messspitze am distalen Ende nicht nur eine Ortsauf- lösung deutlich unterhalb der zu detektierenden Wellenlänge der elektrischen Komponente des elektromagnetischen Feldes erreicht wird, sondern über den am distalen Ende mit geringer Querabmessung bewirkten elektromagnetischen „Spitzeneffekt" eine deutliche Feldüberhöhung erreicht wird. Überraschend wurde festgestellt, dass dies den Verlust an Messsensitivität durch Aufgabe der resonanten Struktur mehr als aufhebt. Im Ergebnis wird somit nicht nur eine verbesserte Messsensitivität bei deutlich verbesserter Ortsauflösung erreicht, sondern im Ansatz bereits eine hohe Breitbandigkeit und damit frequenz- breite Einsatzmöglichkeit der photoleitenden Nahfeld- oder Fernfeld-Messspitze.The invention is based on the consideration that a photoconductive measuring tip-when the dipole shape is dispensed, or when a wavelength-adapted lateral limiting structure of the arrangement is used-is capable of particularly broadband for high-temporal field detection of the electrical component of an electromagnetic field To be available. The invention has recognized that a high sensitivity of the photoconductive measuring tip can be achieved in spite of abandoning resonant structures, that with a particularly small lateral dimension, ie transverse dimension, of the photoconductive measuring tip at the distal end not only a spatial resolution well below the wavelength to be detected the electrical component of the electromagnetic field is achieved, but over the at the distal end with a small transverse dimension caused electromagnetic "peak effect" a significant Field elevation is achieved. Surprisingly, it was found that this more than compensates for the loss of measurement sensitivity by abandoning the resonant structure. As a result, not only an improved measuring sensitivity is achieved with significantly improved spatial resolution, but in the beginning already a high bandwidth and thus frequency-wide use of the photoconductive near field or far field measuring tip.
Insbesondere kann unter Verwendung der photoleitenden Messspitze ein verbessertes PC-SNOM Nahfeld-Messprinzip mit einer frei positionierbaren photoleitenden Nahfeld- Messspitze verwirklicht werden, die in der Lage ist, direkt zeitlich und räumlich hochauflösend eine Felddetektion mit hoher Sensitivität aufgrund des Spitzeneffekts am distalen Ende der Messspitze zu ermöglichen. Aufgrund der weitgehenden Vermeidung von flügelartigen Elektroden-Begrenzungsstrukturen oder sonstigen resonanten bzw. wellen- längenangepassten Antennen-Begrenzungsstrukturen lässt sich eine hohe Breitbandigkeit bei hoher Sensitivität z. B. mit räumlicher Submillimeter-Auflösung und/oder zeitlicher Subpikosekunden-Auflösung erreichen.In particular, an improved PC-SNOM near-field measuring principle can be realized using the photoconductive measuring tip with a freely positionable photoconductive near-field measuring tip which is capable of high-resolution field detection with high sensitivity directly in time and space due to the peak effect at the distal end of the measuring tip to enable. Due to the substantial avoidance of wing-like electrode boundary structures or other resonant or wavelength-matched antenna boundary structures can be a high broadband with high sensitivity z. B. achieve with spatial submillimeter resolution and / or temporal subpicosecond resolution.
Die Erfindung führt auch auf einen Nahfeld- und/oder Fernfeld-Messaufbau, insbesondereThe invention also leads to a near field and / or far field measurement setup, in particular
PC-SNOM Messaufbau. Dieser dient vorzugsweise der hochauflösenden Felddetektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes. Vorzugsweise ist die Messspitze dabei an einem Körper, insbesondere Glaskörperhalter angebracht.PC-SNOM measurement setup. This is preferably used for high-resolution field detection of the electrical component of an electromagnetic field. Preferably, the measuring tip is attached to a body, in particular vitreous body holder.
Weiter führt die Erfindung auf die Verwendung der photoleitenden Messspitze zur direkten zeitlich und räumlich hochauflösenden Felddetektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes bei bildgebenden Verfahren. Insbesondere hat sich eine Verwendung im Bereich der Medizintechnik oder der Materialprüfung als vorteilhaft erwiesen.Furthermore, the invention leads to the use of the photoconductive measuring tip for direct temporally and spatially high-resolution field detection of the electrical component of an electromagnetic field in imaging methods. In particular, a use in the field of medical technology or material testing has proven to be advantageous.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen, aus denen sich weitere Vorteile und Ergänzungen zum Konzept der Erfindung ergeben.Advantageous developments of the invention can be taken from the subclaims, from which further advantages and additions to the concept of the invention result.
Vorzugsweise ist wenigstens in dem vorderen Bereich der Anordnung der Verlauf der lateralen Begrenzungsstruktur bestimmt durch einen Elektrodenabstand zwischen der ersten und zweiten Elektrode und/oder eine Elektrodenabmessung der ersten oder zwei- ten Elektrode. Unter Weiterbildung des Konzepts der Erfindung ist ein Verlauf des Elektrodenabstands und/oder der Elektrodenabmessung nicht-wellenlängenangepasst, d. h. frei von einer wellenlängen-resonanten Struktur. Ein Elektrodenabstand und/oder eine Elektrodenabmessung haben sich als vergleichsweise kritisch hinsichtlich der Realisierung des erfinderischen Konzepts erwiesen und bevorzugte Auslegungen des Elektrodenabstands- und/oder der Elektrodenabmessung haben sich als besonders wirkungsvoll erwiesen.Preferably, at least in the front region of the arrangement, the profile of the lateral limiting structure is determined by an electrode spacing between the first and second electrodes and / or an electrode dimension of the first or second electrode. Under development of the concept of the invention, a course of the electrode spacing and / or the electrode dimension is non-wavelength-adjusted, ie free from a wavelength-resonant structure. An electrode spacing and / or an electrode dimension have proven to be relatively critical to the realization of the inventive concept, and preferred electrode spacing and / or electrode dimension designs have been found to be particularly effective.
Besonders vorteilhaft kann ein Elektrodenabstand zwischen der ersten und zweiten Elektrode und/oder eine Elektrodenabmessung der ersten und/oder zweiten Elektrode zum distalen Ende hin abnehmen. Insbesondere kann ein Elektrodenabstand und/oder eine Elektrodenabmessung im Bereich der photoleitenden Lücke vorteilhaft unterhalb 20 μm liegen, vorzugsweise unterhalb 5 μm liegen.Particularly advantageously, an electrode spacing between the first and second electrodes and / or an electrode dimension of the first and / or second electrode can decrease towards the distal end. In particular, an electrode spacing and / or an electrode dimension in the region of the photoconductive gap can advantageously be less than 20 μm, preferably less than 5 μm.
Unter Weiterbildung des Konzepts der Erfindung hat es sich insbesondere als vorteilhaft erwiesen, dass eine Abnahme des Elektrodenabstands und/oder eine Abnahme einer Elektrodenabmessung zum distalen Ende hin stetig verläuft. Dadurch wird in besonders vorteilhafter Weise erreicht, dass ein Maß der Verkleinerung der Begrenzungsstruktur der ersten und zweiten Elektrode stetig verläuft. Vorteilhaft kann beispielsweise - im mathematischen Sinn ausgedrückt - eine erste Ableitung eines Verlaufs der lateralen Begrenzungsstruktur, insbesondere eines Elektrodenabstands und/oder einer Elektrodenabmessung stetig sein. Beispielsweise kann eine Abnahme des Elektrodenabstands und/oder eine Abnahme der Elektrodenabmessung linear verlaufen. Es kann sich auch als vorteil- haft erweisen, dass eine Abnahme des Elektrodenabstands und/oder der Elektrodenabmessung gekrümmt, insbesondere konisch oder konvex, verläuft. Dadurch lässt sich vorteilhaft ein anwendungsangepasstes Ansprechverhalten der photoleitenden Messspitze hinsichtlich ihrer Sensitivität unter Berücksichtigung des Konzepts der Erfindung erreichen.In a further development of the concept of the invention, it has proven particularly advantageous for a decrease in the electrode spacing and / or a decrease in an electrode dimension to run continuously towards the distal end. As a result, it is achieved in a particularly advantageous manner that a measure of the reduction of the delimiting structure of the first and second electrodes is continuous. Advantageously, for example-in the mathematical sense-a first derivative of a profile of the lateral limiting structure, in particular an electrode spacing and / or an electrode dimension, may be continuous. For example, a decrease in the electrode spacing and / or a decrease in the electrode dimension may be linear. It may also be advantageous for a decrease in the electrode spacing and / or the electrode dimension to be curved, in particular conical or convex. As a result, an application-adapted response behavior of the photoconductive measuring tip can advantageously be achieved with regard to its sensitivity, taking into account the concept of the invention.
Vereinfacht ausgedrückt sehen diese Art von Weiterbildungen vor, dass die erste und zweite Elektrode zur Bildung einer Spitze im Bereich der photoleitenden Lücke aufeinander zulaufen und vorteilhaft die Elektroden selbst spitz ausgebildet sind. Ein Maß der Verkleinerung der Begrenzungsstruktur ist dabei stetig. Durch Verzicht auf resonante Antennenelemente werden Ortsauflösung, Bandbreite, Empfindlichkeit und Nichtinvasivi- tat wesentlich verbessert. Dadurch werden Anwendungsbereiche in vielfältiger Form erschlossen, die mit bisherigen, aus dem Stand der Technik bekannten resonanten, vergleichsweise niedrigen Ortsauflösungen und hoher Invasivität nicht erreicht werden konnten. Dazu gehört insbesondere die Qualitätsprüfung und Entwicklung von integrier- ten Höchstfrequenzschaltungen oder die hochauflösende THz-Bildgebung im Bereich der Medizintechnik, Bioanalytik, Sicherheitstechnik, z. B. zur ortsaufgelösten Spektroskopie zum Nachweis von Gefahrstoffen oder dergleichen. Darüber hinaus findet das vorliegende Konzept in der Grundlagenforschung, insbesondere im Bereich neuartiger photoni- scher Materialien und Strukturen Verwendungsmöglichkeiten.Put simply, this type of refinement provides that the first and second electrodes converge towards one another in the region of the photoconductive gap, and advantageously the electrodes themselves are pointed. A measure of the reduction of the boundary structure is continuous. By eliminating resonant antenna elements, spatial resolution, bandwidth, sensitivity and non-invasiveness are significantly improved. As a result, applications are developed in a variety of forms that could not be achieved with previous, known from the prior art resonant, relatively low spatial resolution and high invasiveness. This includes in particular the quality control and development of integrated ultra-high-frequency circuits or high-resolution THz imaging in the field of medical technology, bioanalytics, safety technology, eg As for spatially resolved spectroscopy for the detection of hazardous substances or the like. In addition, the present concept can be used in basic research, especially in the field of novel photonic materials and structures.
Die Messspitze hat sich insbesondere als vorteilhaft zur Detektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes in einem Wellenlängenbereich zwischen 10 μm und 10 mm erwiesen. Darüber hinaus lassen sich unter Berücksichtigung des Konzepts der Erfindung problemlos auch Wellenlängenbereiche zwischen 20 μm und 1 mm erschließen. Nach der erfindungsgemäßen Auslegung der photoleitenden Messspitze ist in den genannten Wellenlängenbereichen die Begrenzungsstruktur nicht- wellenlängenangepasst ausgelegt.The measuring tip has proven to be particularly advantageous for detecting the electrical component of an electromagnetic field in a wavelength range between 10 .mu.m and 10 mm. In addition, taking into account the concept of the invention, it is also possible to tap into wavelength ranges between 20 μm and 1 mm without problems. According to the inventive design of the photoconductive measuring tip, the limiting structure is designed to be non-wavelength-adapted in the wavelength ranges mentioned.
Grundsätzlich lassen sich unterschiedliche konstruktive Weiterbildungen der Nahfeld- und/oder Fernfeld-Messspitze realisieren. Vorteilhaft ist eine Messspitze, bei der die laterale Begrenzungsstruktur am distalen Ende, insbesondere im Bereich der photoleitenden Lücke vergleichsweise klein ist. Dies hat erhebliche Vorteile zur Erreichung des elektromagnetischen „Spitzeneffekts", da dieser gemäß dem Konzept der Erfindung ganz wesentlich zur Erhöhung der Sensitivität der erfindungsgemäßen photoleitenden Messspitze beiträgt. Eine laterale Abmessung der lateralen Begrenzungsstruktur, insbesonde- re Elektrodenabstand und/oder Elektrodenabmessung, liegt vorteilhaft unterhalb von 20 μm, insbesondere 10 μm, vorzugsweise unterhalb von 3 μm. Applikationsspezifisch lässt auch eine untere Grenze der lateralen Begrenzungsstruktur oberhalb von 10 nm, vorzugsweise oberhalb von 100 nm realisieren.In principle, different constructive developments of the near field and / or far field measuring tip can be realized. A measuring tip is advantageous in which the lateral boundary structure at the distal end, in particular in the region of the photoconductive gap, is comparatively small. This has considerable advantages for achieving the electromagnetic "peak effect" since, according to the concept of the invention, it contributes significantly to increasing the sensitivity of the photoconductive measuring tip according to the invention of 20 .mu.m, in particular 10 .mu.m, preferably below 3 .mu.m Application-specific also allows a lower limit of the lateral limiting structure to be realized above 10 nm, preferably above 100 nm.
Zur Verbesserung der Breitbandigkeit lassen sich vorteilhaft die distalen Enden der Elektroden gerundet realisieren. Vorzugsweise sind dabei Durchmesser zwischen 1 μm und 10 μm, insbesondere im Bereich unterhalb von 3 μm vorgesehen. Solche Abmessungen stellen einerseits die Realisierung des elektromagnetischen „Spitzeneffekts" sicher und berücksichtigen andererseits die breitbandige Auslegung der Nahfeldmess- spitze gemäß dem Konzept der Erfindung.To improve the broadband, the distal ends of the electrodes can advantageously be rounded. Preferably, diameters between 1 .mu.m and 10 .mu.m, in particular in the range below 3 microns are provided. On the one hand, such dimensions ensure the realization of the electromagnetic "peak effect" and, on the other hand, take account of the broadband design of the near-field measuring tip according to the concept of the invention.
Vorzugsweise ist ein Öffnungswinkel eines Abstandsraumes der Begrenzungsstruktur zwischen den Elektroden vorgesehen, der in einem Bereich zwischen 20° und 70° liegt. Vorteilhaft ist auch ein Öffnungswinkel eines Abstandsraumes zur Begrenzungsstruktur einer Elektrode vorgesehen, der zwischen 5° und 25° liegt. Durch die weiterbildende Auslegung der Öffnungswinkel wird in vorteilhafter Weise gewährleistet, dass die laterale Begrenzungsstruktur der Elektroden möglichst fern einer Dipolstruktur realisiert ist. Unter Weiterbildung des Konzepts der Erfindung wurde erkannt, dass eine Dipolstruktur weitgehend wellenlängen-resonante Eigenschaften in sich vereint und dazu - in seiner einfachsten Ausprägung - parallele, seien es koplanare oder flügelartige Elektrodenstrukturen umfasst. Durch die weiterbildende Auslegung der Öffnungswinkel des Abstandsraumes bzw. Abmessungsraumes lässt sich eine laterale Begrenzungsstruktur der ersten und/oder zweiten Elektrode erreichen, welche einer Dipolstruktur vergleichsweise unähnlich ist. Im Rahmen von besonders bevorzugten Weiterbildungen lässt sich ein Öffnungswinkel eines Abstandsraumes, vorzugsweise zwischen 30° und 60°, insbesondere zwischen 40° und 50° realisieren. Ein Öffnungswinkel eines Abmessungsraumes lässt sich in besonders vorteilhafter Weise zwischen 10° und 15° realisieren.Preferably, an opening angle of a clearance space of the restriction structure is provided between the electrodes, which is in a range between 20 ° and 70 °. Advantageously, an opening angle of a distance space to the limiting structure of an electrode is provided which is between 5 ° and 25 °. The further design of the opening angle advantageously ensures that the lateral boundary structure of the electrodes is realized as far as possible from a dipole structure. Under development of the concept of the invention, it has been recognized that a dipole structure largely combines wavelength-resonant properties and, in its simplest form, comprises parallel, coplanar or wing-like electrode structures. As a result of the further design of the opening angle of the distance space or dimension space, a lateral delimiting structure of the first and / or second electrode can be achieved, which is comparatively dissimilar to a dipole structure. In the context of particularly preferred developments, an opening angle of a distance space, preferably between 30 ° and 60 °, in particular between 40 ° and 50 ° can be realized. An opening angle of a dimensioning space can be realized in a particularly advantageous manner between 10 ° and 15 °.
In vorteilhafter Weise lässt sich die Längenabmessung unter Weiterbildung des erfindungsgemäßen Konzepts zur photoleitenden Messspitze auslegen. Vorzugsweise hat der vordere Bereich eine Längenabmessung unterhalb von 2 mm bis zum distalen Ende. Dadurch lässt sich insbesondere die breitbandige Auslegung der photoleitenden Messspitze unterstützen. Vorzugsweise ist die Längenabmessung des vorderen Bereichs bis zum distalen Ende unterhalb von 1 mm, insbesondere unterhalb von 500 μm ausgelegt. Je nach Anwendungsfall lassen sich auch Längenabmessungen des vorderen Bereichs unterhalb von 300 μm, insbesondere unterhalb von 100 μm realisieren. Darüber hinaus lässt sich unter Weiterbildung des erfinderischen Konzepts auch ein hinterer Bereich der Anordnung der photoleitenden Nahfeldmessspitze vorteilhaft auslegen, welcher dem proximalen Ende der Nahfeldmessspitze näher liegt. In besonders bevorzugter Weise ist dazu eine Begrenzungsstruktur des hinteren Bereichs im geometrischen Sinne ähnlich zu einer Begrenzungsstruktur des vorderen Bereichs ausgelegt. So können z. B. im vorderen und hinteren Bereich die Elektroden aufeinander zulaufen. Dadurch werden Geometrieübergänge, welche wellenlängen-resonante Strukturen hervorrufen können, vorteilhaft vermieden und unterstützen somit die breitbandige Auslegung der Nahfeldmessspitze. Bei Bedarf können jedoch grundsätzlich im hinteren Bereich auch Begrenzungsstrukturen realisiert werden, welche unähnlich zu einer Begrenzungsstruktur des vorderen Bereichs ausgebildet sind. So können, z. B. im vorderen Bereich die Elektroden aufeinander zulaufen und im hinteren Bereich parallel verlaufen. Vorzugsweise hat der hintere Bereich eine Längenabmessung von nicht mehr als 10 mm, insbesondere unterhalb von 2 mm, vorzugsweise unterhalb von 1 mm. Das proximale Ende hat vorzugsweise eine Querabmessung unterhalb von 10 mm, vorzugsweise unterhalb von 3 mm, insbesondere unterhalb von 2 mm, vorzugsweise unterhalb von 1 mm. Durch die Begrenzung der Längenabmessung des hinteren Bereichs und/oder der Querabmessung des proximalen Endes der Nahfeldmessspitze wird unter Weiterbildung des Konzepts der Erfindung vorteilhaft eine breitbandige Auslegung der photoleitenden Nahfeldmessspitze noch weiter verbessert.Advantageously, the length dimension can be interpreted under development of the inventive concept for photoconductive probe. Preferably, the front portion has a length dimension of less than 2 mm to the distal end. As a result, in particular the broadband design of the photoconductive measuring tip can be supported. Preferably, the length dimension of the front region to the distal end is designed below 1 mm, in particular below 500 μm. Depending on the application, it is also possible to realize length dimensions of the front region below 300 μm, in particular below 100 μm. In addition, with development of the inventive concept, a rear region of the arrangement of the photoconductive near-field measuring tip which is closer to the proximal end of the near field measuring tip can also be advantageously designed. In a particularly preferred manner, a boundary structure of the rear area in the geometric sense is designed similarly to a delimiting structure of the front area. So z. B. in the front and rear areas of the electrodes converge. As a result, geometric transitions, which can cause wavelength-resonant structures, advantageously avoided and thus support the broadband design of Nahfeldmessspitze. If necessary, however, limiting structures can also be realized in principle in the rear area, which are formed unlike a boundary structure of the front area. So can, for. B. in the front region, the electrodes converge and run parallel in the rear area. Preferably, the rear region has a length dimension of not more than 10 mm, in particular below 2 mm, preferably below 1 mm. The proximal end preferably has a transverse dimension below 10 mm, preferably below 3 mm, in particular below 2 mm, preferably below 1 mm. By limiting the length dimension of the rear region and / or the transverse dimension of the proximal end of the near field measuring tip, a broadband design of the photoconductive near field measuring tip is advantageously further improved while developing the concept of the invention.
Die Nahfeldmessspitze lässt sich grundsätzlich mit unterschiedlichen, dem Fachmann geläufigen Materialen realisieren. Als besonders vorteilhaft hat sich dabei ein photoleitendes Material für die photoleitende Lücke in Form eines LT-GaAs-basierenden Materials erwiesen. LT-GaAs zeichnet sich durch eine besonders kurze Relaxationszeit von angeregten Elektronen aus und kann somit eine besonders breitbandige Frequenzsensi- tivität zur Verfügung stellen. Für das Elektrodenmaterial hat sich insbesondere ein chrom- oder goldbasierendes Material als vorteilhaft erwiesen.The near-field measuring tip can basically be realized with different materials familiar to the person skilled in the art. A photoconductive material for the photoconductive gap in the form of an LT-GaAs-based material has proved to be particularly advantageous. LT-GaAs is characterized by a particularly short relaxation time of excited electrons and can thus provide a particularly broadband frequency sensitivity. In particular, a chromium or gold-based material has proved to be advantageous for the electrode material.
Hinsichtlich des Messaufbaus hat sich gezeigt, dass dieser sowohl als Fernfeld- oder Nahfeld-Messaufbau, vorzugsweise in Form eines photokonduktiven SNOM- Messaufbaus, realisiert werden kann. Die photoleitende Nahfeldmessspitze kann besonders vorteilhaft an einem Körper, z. B. Glaskörper, angebracht sein und mit dem Körper im Messaufbau implementiert sein. Aus Zugänglichkeitsgründen kann die photoleitende Messspitze vorteilhaft zur Frontebene der Strahlung geneigt sein. Selbstverständlich können auch andere Körper zur Anbringung der photoleitenden Messspitze genutzt werden oder andere Möglichkeiten zur Implementierung der photoleitenden Messspitze im Messaufbau genutzt werden. Der Körper dient insbesondere als Träger von elektri- sehen Leistungen, die zur elektrischen Anbindung der Elektroden vorgesehen sind. Ein Glaskörper hat sich darüber hinaus als vorteilhaft erwiesen, um die photoleitende Messspitze für eine frei propagierende Anregungsstrahlung und/oder für die zu detektierende Strahlung verfügbar zu machen. Es hat sich gezeigt, dass der Messaufbau unter Weiterbildung des Konzepts der Erfindung besonders vorteilhaft optische Komponenten derart aufweist, dass diese für eine frei propagierende Anregungsstrahlung und/oder zu detektierende Strahlung vorgesehen sind. Der Messaufbau und/oder die Messspitze lassen sich insbesondere im Rahmen bildgebender Verfahren, vorzugsweise im Bereich der Medizintechnik oder in der Materialprüfung einsetzen.With regard to the measurement setup, it has been shown that this can be realized both as a far field or near field measurement setup, preferably in the form of a photoconductive SNOM measurement setup. The photoconductive Nahfeldmessspitze can particularly advantageous to a body, for. As glass body, and be implemented with the body in the measurement setup. For reasons of accessibility, the photoconductive measuring tip can advantageously be inclined to the front plane of the radiation. Of course, other body can be used for mounting the photoconductive probe tip or other ways to implement the photoconductive probe used in the test setup. The body serves in particular as a carrier of electrical services, which are provided for electrical connection of the electrodes. In addition, a glass body has proved to be advantageous in order to make the photoconductive measuring tip available for a freely propagating excitation radiation and / or for the radiation to be detected. It has been found that the measuring structure with development of the concept of the invention particularly advantageously has optical components such that they are provided for a freely propagating excitation radiation and / or radiation to be detected. The measuring structure and / or the measuring tip can be used in particular in the context of imaging processes, preferably in the field of medical technology or in material testing.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinatio- nen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein.Embodiments of the invention will now be described below with reference to the drawing. This is not necessarily to scale the embodiments, but the drawing where appropriate for explanation, executed in a schematic and / or slightly distorted form. With regard to additions to the teachings directly recognizable from the drawing reference is made to the relevant prior art. It should be noted that various modifications and changes may be made in the form and detail of an embodiment without departing from the general idea of the invention. The disclosed in the description, in the drawing and in the claims features of the invention may be essential both individually and in any combination for the development of the invention. In addition, all combinations of at least two of the features disclosed in the description, the drawing and / or the claims fall within the scope of the invention. The general idea of the invention is not limited to the exact form or detail of the preferred embodiment shown and described below or limited to an article which would be limited in comparison to the subject matter claimed in the claims. For the given design ranges, values within the stated limits should also be disclosed as limit values and be arbitrarily usable and claimable.
Im Einzelnen zeigt die Zeichnung inIn detail, the drawing shows in
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze gemäß dem Konzept der Erfindung in einer vergleich- sweise einfachen Ausführung;1 shows a schematic representation of a first embodiment of a photoconductive measuring tip according to the concept of the invention in a comparatively simple embodiment;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze in Weiterbildung der ersten Ausführungsform;FIG. 2 shows a schematic illustration of a second embodiment of a photoconductive measuring tip in a further development of the first embodiment; FIG.
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze in Form einer Variante, in Ansicht (a) als Draufsicht und in Ansicht (b) als Seitenansicht; Fig. 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze gemäß dem Konzept der Erfindung in Abwandlung zur ersten Ausführungsform;3 shows a schematic representation of a third embodiment of a photoconductive measuring tip in the form of a variant, in view (a) as a plan view and in view (b) as a side view; 4 shows a schematic representation of a fourth embodiment of a photoconductive measuring tip according to the concept of the invention as a modification of the first embodiment;
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer photolei- tenden Messspitze gemäß dem Konzept der Erfindung in Abwandlung zur dritten Ausführungsform, in Ansicht (a) als Draufsicht und in Ansicht (b) als Seitenansicht;5 shows a schematic illustration of a fifth embodiment of a photoconductive measuring tip according to the concept of the invention as a modification of the third embodiment, in view (a) as a top view and in view (b) as a side view;
Fig. 6 in Ansicht (a) eine detaillierte schematische Darstellung einer photoleitendenFig. 6 in view (a) is a detailed schematic representation of a photoconductive
Messspitze gemäß der zweiten Ausführungsform mit Bemaßung und Materi- albezeichnung, in Ansicht (b) eine vergrößerte Darstellung des vorderen Bereichs der Anordnung der photoleitenden Messspitze und in Ansicht (c) eine SEM-Aufnahme der zuvor schematisch dargestellten photoleitenden Messspitze in einer freistehenden Realisierung auf einem Saphirsubstrat gebon- deten Form;Measuring tip according to the second embodiment with dimension and material designation, in view (b) an enlarged view of the front portion of the arrangement of the photoconductive probe tip and in view (c) an SEM image of the previously shown photoconductive probe tip in a freestanding realization on a Sapphire substrate formed form;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Messaufbaus zur Felddetektion, in7 is a schematic representation of a measurement setup for field detection, in FIG
Ansicht (a) ein Fernfeld-Aufbau mit optischen Komponenten zur Anregung, Übertragung der Anregungsstrahlung und Detektion, letztere umfassend die photoleitenden Fernfeldmessspitze gemäß dem Konzept der Erfindung, vorliegend gemäß der zweiten Ausführungsform, und in Ansicht (b) eine räumli- che Detaildarstellung der optischen Komponenten zur Nahfeld-Detektion umfassend die photoleitenden Nahfeldmessspitze gemäß der zweiten Ausführungsform;View (a) a far field setup with optical components for excitation, transmission of excitation radiation and detection, the latter comprising the photoconductive far field measuring tip according to the concept of the invention, according to the second embodiment, and in view (b) a spatial detail of the optical Near-field detection component comprising the near-field photoconductive probe according to the second embodiment;
Fig. 8 exemplarische Fernfeld- und Nahfeld messergebnisse, die mit den in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigten Messaufbauten bzw. der dort gezeigten photoleitenden Messspitze erzielt wurden - auf der linken Seite der Fig. 8 entsprechendeFig. 8 exemplary far field and near field measurement results, which were achieved with the measurement setups shown in Fig. 6 and Fig. 7 and the photoconductive measuring tip shown there - on the left side of FIG. 8 corresponding
Wellenformen in der Zeitdomäne, wie sie entsprechend im Fernfeld und im Nahfeld detektiert wurden - die beiden Messkurven zeigen eine einfallende THz-WeIIe mit Polarisierung jeweils in X-Richtung und Y-Richtung, wobei die Pfeile in einem gleichmäßigen Abstand von 4.5 ps (Pikosekunden) angeb- rächt sind. Die rechten Darstellungen zeigen das Fourier-transformierte Signal der Zeitdomäne jeweils für die Polarisierung in X-Richtung und Y- Richtung; Fig. 9 in Ansicht (a) eine schematische Darstellung eines Einzelelements einer frequenzselektiven Oberfläche, welche zur experimentellen Charakterisierung der zuvor erläuterten photoleitenden Messspitze genutzt wurde mit Dimensionsangaben in Mikrometer und in Ansicht (b) eine räumlich hochauflö- sende bildliche Darstellung des Einzelelements der frequenzselektivenWaveforms in the time domain as detected in the far field and in the near field - the two traces show an incident THz wave with polarization in both the X and Y directions, with the arrows evenly spaced at 4.5 ps (picoseconds) are justified. The right illustrations show the Fourier-transformed signal of the time domain for the polarization in the X direction and Y direction, respectively; 9 in view (a) is a schematic representation of a single element of a frequency-selective surface, which was used for experimental characterization of the previously explained photoconductive probe tip with dimensions in microns and in view (b) a spatially high-resolution pictorial representation of the individual element of the frequency-selective
Oberfläche unter Nutzung eines THz-Nahfeldbildes. Das Bild besteht aus 50 x 50 Pixeln mit 3 x 3 μm2 Pixelgröße und der Pfeil repräsentiert die Polarisierungsrichtung des übertragenen elektrischen Feldes. In Ansichten (c) und (d) ist die THz-Feldamplitude über eine 10 μm breite metallische Struktur der Ansicht (b) entlang der X-Richtung und Y-Richtung gezeigt - der schattierteSurface using a THz near field image. The image consists of 50 x 50 pixels with 3 x 3 μm 2 pixel size and the arrow represents the polarization direction of the transmitted electric field. In views (c) and (d), the THz field amplitude is shown over a 10 μm wide metallic structure of view (b) along the X direction and Y direction - the shaded one
Bereich zeigt die Bereiche der unterlegten metallischen Struktur an.Area indicates the areas of the underlying metallic structure.
Fig. 1 bis Fig. 5 zeigen im Folgenden fünf besonders bevorzugte Ausführungsformen von photoleitenden Messspitzen in schematischer Darstellung, die sich zur Nahfeld- und Fernfeld-Detektion eignen. Fig. 6 bis Fig. 9 zeigen darüber hinaus eine konkrete an der zweiten Ausführungsform angelehnte Realisierung mit beispielhaftem THz- Messergebnissen im Fernfeld und Nahfeld einer photoleitenden Messspitze. Alle im folgenden dargestellten Messspitzen eignen sich in besonders vorteilhafter Weise zur direkten zeitlich und räumlich hoch auflösenden Felddetektion der elektrischen Komponente eines elektromagnetischen Feldes sowohl im Fernfeld als auch im Nahfeld. Es hat sich gezeigt, dass eine Realisierung und ein Einsatz einer photoleitenden Messspitze gemäß dem Konzept der Erfindung und insbesondere gemäß der vorliegend beschriebenen Ausführungsformen geeignet ist, in industriellem Maßstab, z. B. für bildgebende Verfahren, problemlos vorteilhaft möglich ist - solche Verfahren mit bildgebender Funktion unter Nutzung von insbesondere THz-Strahlung haben sich im Bereich der Medizin- technik oder auch der Materialprüfung als besonders sinnvoll erwiesen. Grundsätzlich eignen sich die im Folgenden dargestellten photoleitenden Messspitzen nicht nur zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung im THz-Bereich, sondern grundsätzlich zur Detektion von elektromagnetischer Strahlung im infraroten, bzw. ferninfraroten Wellenlängenbereich zwischen 10 μm und 10 mm, insbesondere mit vergleichsweise hoher Sensitivität auch im Wellenlängenbereich zwischen 20 μm und 1 mm. Die dargestellten photoleitenden Nahfeldmessspitzen sind gemäß dem Konzept der Erfindung wenigstens in diesen Wellenlängenbereichen mit einer Begrenzungsstruktur für die Elektroden versehen, die nicht-wellenlängenangepasst ist, d. h. einer lateralen Begrenzungsstruktur, die weitgehend frei von einer wellenlängen-resonanten Struktur ist. Im Einzelnen zeigt Fig. 1 eine photoleitenden Nahfeldmessspitze 100 gemäß einer ersten Ausführungsform mit einer Anordnung 140, wenigstens eines Trägers 110 und in lateraler Erstreckung auf dem Träger 110 angeordneter, von einander isolierter erster Elektrode 120 und zweiter Elektrode 130. Vorliegend ist der Träger 110 vollständig in Form von LT- GaAs gebildet. Freistehendes selbsttragendes LT-GaAs hat sich vorliegend als vorteilhaft erwiesen, muss jedoch nicht generell derart ausgeführt sein z. B. kann der Träger auch ein AIAs mit aufgebrachtem LT-GaAs sein. Da der Träger 110 vorliegend vollständig aus LT-GaAs gebildet ist, sind die Elektroden 120, 130 somit an deren distalen Ende 150 - dort insbesondere im Bereich einer in Fig. 6 beispielhaft näher dargestellten photoleiten- den Lücke 235 - über photoleitendes Material in Form von LT-GaAs miteinander verbunden. Mit anderen Worten, es sind die Elektroden 120, 130 über die photoleitende Lücke am distalen Ende 150 voneinander elektrisch isoliert, wobei photooptisch angeregte Ladungsträger in dem photoleitenden Material generiert werden können, welche dann über die Elektroden messbare elektrische Felder verursachen. Vorliegend hat sich LT- GaAs als photoleitendes Material als besonders geeignet erwiesen, da die Ladungsträger-Lebensdauer in LT-GaAs vergleichsweise kurz ist und somit LT-GaAs eine frequenz- breitbandige Felddetektion ermöglicht.FIGS. 1 to 5 show, in the following, five particularly preferred embodiments of photoconductive measuring tips in a schematic representation which are suitable for near-field and far-field detection. FIGS. 6 to 9 furthermore show a concrete realization based on the second embodiment with exemplary THz measurement results in the far field and near field of a photoconductive measuring tip. All of the measuring tips shown in the following are particularly suitable for direct field and spatially high-resolution field detection of the electrical component of an electromagnetic field both in the far field and in the near field. It has been found that an implementation and use of a photoconductive measuring tip according to the concept of the invention and in particular according to the embodiments described herein is suitable, on an industrial scale, for. For example, for imaging methods, without problems advantageously possible - such methods with imaging function using in particular THz radiation have proven to be particularly useful in the field of medical technology or material testing. In principle, the photoconductive measuring tips shown below are suitable not only for the detection of electromagnetic radiation in the THz range, but in principle for the detection of electromagnetic radiation in the infrared or far infrared wavelength range between 10 .mu.m and 10 mm, in particular with comparatively high sensitivity in the wavelength range between 20 μm and 1 mm. The illustrated near-field photoconductive probes according to the concept of the invention are provided, at least in these wavelength ranges, with a boundary structure for the electrodes which is non-wavelength-matched, ie a lateral confinement structure substantially free of a wavelength-resonant structure. 1 shows a photoconductive near-field measuring tip 100 according to a first embodiment with an arrangement 140, at least one support 110 and lateral extension on the support 110, insulated from each other first electrode 120 and second electrode 130. In the present case, the support 110 is complete formed in the form of LT-GaAs. Freestanding self-supporting LT-GaAs has proven to be advantageous in the present case, but does not generally have to be designed in such a way. For example, the support may also be an AIA with deposited LT GaAs. Since the carrier 110 in the present case is formed entirely from LT-GaAs, the electrodes 120, 130 are thus at their distal end 150 - there in particular in the region of a photoconductive gap 235 exemplified in Fig. 6 - via photoconductive material in the form of LT GaAs interconnected. In other words, the electrodes 120, 130 are electrically insulated from each other via the photoconductive gap at the distal end 150, whereby photooptically excited charge carriers can be generated in the photoconductive material, which then cause measurable electric fields via the electrodes. In the present case, LT-GaAs has proved to be particularly suitable as a photoconductive material, since the charge carrier lifetime in LT-GaAs is comparatively short, and thus LT-GaAs enables frequency-wide field detection.
Die Elektroden 120, 130 weisen eine Begrenzungsstruktur 170 auf, die durch den Verlauf der - inneren, äußeren, oberen, unteren - Berandung der ersten und zweiten Elektrode 120, 130 gebildet ist. Der Verlauf der Berandung ist vorliegend derart, dass sich die laterale Begrenzungsstruktur 170 zum distalen Ende 150 hin insgesamt verkleinert und zwar so, dass eine Maß der Verkleinerung stetig verläuft. Mathematisch ausgedrückt ist der Verlauf der Berandungsänderung stetig und führt zu einem verkleinerten Abmaß der Begrenzungsstruktur 170 auf das distale Ende 150 zu und darüber hinaus ist eine erste Ableitung eines Maßes für den Verlauf der Berandung der lateralen Begrenzungsstruktur 170 zum distalen Ende hin stetig. Gemäß dem Konzept der Erfindung ist dies dadurch gewährleistet, dass ein Maß der Verkleinerung, d. h. ein die Begrenzungsstruktur 170 verkleinernder Verkleinerungsverlauf selbst stetig. Im vorliegenden konkreten Fall der photoleitenden Nahfeldmessspitze 100 nimmt insbesondere der Elektrodenabstand 180 zwischen der ersten Elektrode 120 und der zweiten Elektrode als auch eine Elektrodenabmessung 181 , 182 zum distalen Ende 50 hin ab. Würde man also einen Elektrodenabstand 180 oder eine Elektrodenabmessung 181 , 182 als Funktion des Weges X vom proximalen Ende 190 der photoleitenden Nahfeldmessspitze 100 zum distalen Ende 150 auftragen, so ist die Abnahme des Elektronenabstands 180 und die Abnahme der Elekt- rodenabmessung 181 , 182 stetig als auch die erste Ableitung derselben. Dazu ist gemäß der ersten Ausführungsform der photoleitenden Nahfeldmessspitze 100 die Abnahme des Elektrodenabstands 180 und die Abnahme der Elektrodenabmessung 182 linear verlaufend gewählt.The electrodes 120, 130 have a limiting structure 170, which is formed by the course of the inner, outer, upper, lower boundary of the first and second electrodes 120, 130. In the present case, the course of the boundary is such that the lateral delimiting structure 170 decreases overall toward the distal end 150, specifically in such a way that a measure of the reduction runs steadily. In mathematical terms, the progression of the boundary change is continuous and results in a reduced dimension of the delimiting structure 170 on the distal end 150 and moreover a first derivative of a measure of the profile of the boundary of the lateral delimiting structure 170 towards the distal end is continuous. According to the concept of the invention, this is ensured by the fact that a measure of the reduction, that is, a reduction course decreasing the delimiting structure 170 itself, is continuous. In the present specific case of the photoconductive near-field measuring tip 100, in particular the electrode spacing 180 between the first electrode 120 and the second electrode as well as an electrode dimension 181, 182 decreases toward the distal end 50. Thus, if one were to plot an electrode spacing 180 or an electrode dimension 181, 182 as a function of path X from proximal end 190 of near field photoconductive probe 100 to distal end 150, the decrease in electron gap 180 and decrease in electrode dimension 181, 182 will be continuous also the first derivative of the same. This is according to In the first embodiment of the near-field photoconductive probe 100, the decrease in the electrode spacing 180 and the decrease in the electrode dimension 182 are chosen to be linear.
Im Unterschied zu vergleichsweise schmalbandigen und resonant bzw. wellenlängenan- gepasst ausgelegten Dipolelektroden-Strukturen - deren Begrenzungsstruktur regelmäßig parallele Berandungsverläufe - vorsieht, handelt es sich bei der vorliegenden Auslegung der Begrenzungsstruktur der Elektroden um eine nicht-wellenlängenangepasste Struktur bezüglich einer vergleichsweise großen Bandbreite von Wellenlängen der elektrischen Komponente des zu detektierenden elektromagnetischen Feldes. Gemäß dem Konzept der Erfindung ist die in der ersten Ausführungsform gewählte Begrenzungsstruktur der Elektroden angepasst für einen besonders breitbandig zu detektierenden Wellenlängenbereich zwischen 10 μm und 10 mm, insbesondere im Wellenlängenbereich zwischen 20 μm und 1 mm. Vor diesem Hintergrund handelt es sich um eine Ausführungsform, die nicht nur THz-Strahlung, sondern darüber hinaus einen breiten ferninfraroten Wellenlän- genbereich detektieren kann.In contrast to comparatively narrowband and resonant or wavelength-adapted designed dipole electrode structures - whose boundary structure regularly parallel boundary curves - provides, is in the present design of the boundary structure of the electrodes to a non-wavelength-matched structure with respect to a relatively wide range of wavelengths electrical component of the electromagnetic field to be detected. According to the concept of the invention, the limiting structure of the electrodes selected in the first embodiment is adapted for a wavelength range of between 10 μm and 10 mm, which is to be detected in a broadband manner, in particular in the wavelength range between 20 μm and 1 mm. With this background, it is an embodiment that can detect not only THz radiation but also a wide far-infrared wavelength range.
Der gemäß dem Konzept der Erfindung in Kauf genommene Sensitivitätsverlust durch ausdrücklichen Verzicht auf eine wellenlängen-resonante Auslegung wird gemäß dem Konzept der Erfindung überkompensiert dadurch, dass am distalen Ende 150 im Bereich der photoleitenden Lücke eine laterale Abmessung der Anordnung 140 unterhalb 20 μm vorliegt - in Fig. 6 z. B. eine photoleitende Lücke unterhalb 5μm bei 1.8 μm. Je nach Bedarf lässt sich eine laterale Abmessung auch deutlich unterhalb von 10 μm, vorzugsweise unterhalb von 3 μm wählen, wie dies beispielsweise am konkreten Auslegungsbeispiel der Fig. 6 bis Fig. 9 erläutert ist. Dadurch wird gemäß dem Konzept der Erfindung aufgrund des elektromagnetischen Spitzeneffekts eine Feldüberhöhung im Bereich des distalen Endes 150 erreicht, der nicht nur eine überlegene Sensitivität gegenüber reso- nanten Elektrodenanordnungen, insbesondere Dipolanordungen, schafft, sondern darüber hinaus eine räumliche Auflösung deutlich erhöht.The loss of sensitivity according to the concept of the invention by expressly dispensing with a wavelength-resonant design is over-compensated according to the concept of the invention in that a lateral dimension of the arrangement 140 below the 20 μm is present at the distal end 150 in the region of the photoconductive gap Fig. 6 z. B. a photoconductive gap below 5μm at 1.8 microns. Depending on requirements, a lateral dimension can also be selected clearly below 10 .mu.m, preferably below 3 .mu.m, as is explained, for example, in the specific design example of FIGS. 6 to 9. As a result, according to the concept of the invention, due to the electromagnetic peak effect, a field elevation in the region of the distal end 150 is achieved, which not only provides superior sensitivity to resonant electrode arrangements, in particular dipole arrangements, but also significantly increases spatial resolution.
Die erste hier beschriebene Ausführungsform stellt die Vorgaben gemäß dem Konzept der Erfindung insbesondere in einem, das distale Ende 150 der Elektroden 120, 130 umfassenden vorderen Bereich 160 sicher. Dadurch ist gewährleistet, dass insbesondere in einem für die Ankopplung eines elektromagnetischen Feldes relevanten vorderen Bereich 160 der photoleitenden Messspitze 100 wellenlängenangepasste oder resonanz- erzeugende Strukturen vermieden werden - gewährleistet also die Breitbandigkeit und hohe Sensitivität der photoleitenden Messspitze 100 zur direkten zeitlich und räumlich hoch auflösenden Felddetektion sowohl im Nahfeld als auch Fernfeld.The first embodiment described here ensures the specifications according to the concept of the invention, in particular in a front region 160 comprising the distal end 150 of the electrodes 120, 130. This ensures that, in particular in a front region 160 of the photoconductive measuring tip 100 relevant to the coupling of an electromagnetic field, wavelength-matched or resonant generating structures are avoided - so ensures the broadband and high sensitivity of the photoconductive probe 100 for direct temporal and spatial high-resolution field detection in both the near field and far field.
Fig. 2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze 200, die ähn- lieh wie die photoleitende Messspitze 100 eine Anordnung 240 eines Trägers 210 mit Elektroden 220, 230 aufweist, die über ein photoleitendes Material - vorliegend LT-GaAs des Trägers 210 - im Bereich einer photoleitenden Lücke an einem distalen Ende 250 miteinander verbunden sind. Wiederum ist dem Konzept der Erfindung folgend, die laterale Begrenzungsstruktur der ersten und zweiten Elektrode 220, 230 nicht- wellenlängenangepasst ausgelegt und verkleinert sich mit stetig verlaufendem Verkleinerungsmaß zum distalen Ende 250 hin, wobei am distalen Ende 250 der photoleitenden Lücke eine laterale Abmessung unterhalb von 20 μm liegt. In Weiterbildung der ersten Ausführungsform der photoleitenden Nahfeldmessspitze 100 ist bei der zweiten Ausführungsform der photoleitenden Nahfeldmessspitze 200 zusätzlich eine Feldabschirmung 261 auf die Elektroden 220, 230 aufgebracht. Dies hat Vorteile, wenn die Detektion in stark feldstreuenden Bereichen vorgenommen werden soll. Außerdem lässt sich so eine Ladungsträgergenerierung auf den Bereich der photoleitenden Lücke 235 (Fig. 6) wirkungsvoll beschränken. Die Abschirmung 261 ist vorliegend in Form einer sich - ähnlich wie die Elektroden 220, 230 - stetig verkleinernden Metallabschirmung gebildet und diese fast bis zum distalen Ende 250 überdeckt. Um eine frei propagierende Ladungsträgeranregung im Bereich der photoleitenden Lücke zu ermöglichen, ist die Anordnung 240 am distalen Ende 250 nicht von der Abschirmung 261 abgedeckt.FIG. 2 shows a second embodiment of a photoconductive measuring tip 200 which, like the photoconductive measuring tip 100, has an arrangement 240 of a carrier 210 with electrodes 220, 230 which are in the region via a photoconductive material - in the present case LT-GaAs of the carrier 210 a photoconductive gap at a distal end 250 are interconnected. Again, in accordance with the concept of the invention, the lateral confinement structure of the first and second electrodes 220, 230 is designed to be non-wavelength-matched and downslope toward the distal end 250 with a progressive reduction in size, with a lateral dimension below 20 at the distal end 250 of the photoconductive gap μm is located. In a further development of the first embodiment of the photoconductive near field measuring tip 100, in the second embodiment of the photoconductive near field measuring tip 200, a field shield 261 is additionally applied to the electrodes 220, 230. This has advantages if the detection is to be carried out in strongly field-scattering areas. In addition, carrier generation can be effectively limited to the area of the photoconductive gap 235 (Figure 6). In the present case, the shielding 261 is formed in the form of a metal shield that continuously reduces in size, similar to the electrodes 220, 230, and covers it almost up to the distal end 250. In order to enable a freely propagating charge carrier excitation in the region of the photoconductive gap, the arrangement 240 at the distal end 250 is not covered by the shield 261.
Diese in Fig. 2 dargestellte bevorzugte zweite Ausführungsform einer photoleitenden Nahfeldmessspitze 200 ist in Fig. 6 im Detail im Rahmen einer konstruktiven Ausführung einer Messspitze 200 näher beschrieben. Dort wird auch gezeigt, dass die bisher bei resonanten Dipolstrukturen photoleitender Messspitzen bekannten Nachteile einer niedrigen Ortsauflösung und niedrigen Bandbreite durch Messspitzen der vorliegenden Art gezielt vermieden werden. Sowohl die Messspitze 100 als auch die Messspitze 200 vermeiden die Nutzung großflächiger photoleitender Schalter mit einer Einzelkontaktzulei- tung und resonanten Antennenelementen. Vielmehr sind bei beiden Ausführungsformen gemäß dem Konzept der Erfindung zwei benachbarte spitz zulaufende planare Elektroden 120, 130 bzw. 220, 230 vorgesehen, die im Rahmen der Anordnung 140, 240 auf einem dünnen selbsttragenden photoleitenden Substrat - vorliegend LT-GaAs - aufgebracht sind und deren Elektrodenabstand als auch deren Elektrodenabmessung sich zur Spitze hin verringert, wobei ein Maß der Verringerung selbst stetig ist. Mit anderen Worten, es werden auch Knicke oder dgl. jedenfalls im vorderen Bereich der Anordnung vermieden. Dadurch wird eine vergleichsweise starke Feldüberhöhung im Bereich der photoleitenden Lücke am distalen Ende 150, 250 erreicht, die es ermöglicht, die Feldde- tektion auf den durch die photoleitende Lücke begrenzten Spitzenbereich zu begrenzen. Die Erzeugung der Feldüberhöhung ist vorliegend weitgehend frequenzunabhängig und die RC-Konstante aufgrund der extrem kleinen Schalterfläche vergleichsweise klein, so dass eine deutlich höhere Bandbreite als mit den bisherigen Lösungen erreicht werden kann. Es wird somit ein besonders hoher Grad an Ortsauflösung, Bandbreite, Empfind- lichkeit und Nicht-Invasivität erreicht.This illustrated in Fig. 2 preferred second embodiment of a photoconductive Nahfeldmessspitze 200 is described in more detail in Fig. 6 in detail in the context of a structural design of a probe tip 200. There, it is also shown that the disadvantages of a low spatial resolution and low bandwidth previously known from resonant dipole structures of photoconductive measuring tips are deliberately avoided by measuring tips of the present type. Both the measuring tip 100 and the measuring tip 200 avoid the use of large-area photoconductive switches with a single contact line and resonant antenna elements. Rather, two adjacent pointed tapered planar electrodes 120, 130 and 220, 230 are provided in both embodiments according to the concept of the invention, which are applied in the context of the arrangement 140, 240 on a thin self-supporting photoconductive substrate - in the present case LT-GaAs - and their Electrode distance as well as their electrode dimension is to Tip down, with a measure of the reduction itself being steady. In other words, there are also kinks or the like. At least avoided in the front region of the arrangement. As a result, a comparatively high field elevation in the region of the photoconductive gap at the distal end 150, 250 is achieved, which makes it possible to limit the field detection to the tip region bounded by the photoconductive gap. The generation of the field enhancement in the present case is largely frequency-independent and the RC constant is comparatively small due to the extremely small switch area, so that a significantly higher bandwidth than with the previous solutions can be achieved. Thus, a particularly high degree of spatial resolution, bandwidth, sensitivity and non-invasiveness is achieved.
Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze 300, deren Anordnung 340 mit Träger 310 und Elektroden 320, 330 ähnlich wie die Messspitze 100 der ersten Ausführungsform ausgebildet ist, so dass in Bezug auf die Ausbildung der Anordnung 340 auf die entsprechende Beschreibung der Fig. 1 Bezug genommen wird. Vorliegend ist die Anordnung 340 der photoleitenden Messspitze 300 mit einem Körper verbunden, der eine weitere Anordnung 341 bildet. Die Anordnung 341 weist einen weiteren Träger 311 sowie eine darauf angeordnete erste elektrische Leitung 321 sowie eine zweite elektrische Leitung 331 auf. Dazu ist der - vorliegend aus transparentem Material in Form eines Quarzglases gebildete - weitere Träger 311 der weiteren Anord- nung 341 mit dem Träger 310 der Anordnung 340 verbunden. Ebenso ist die erste elektrische Leitung 321 mit der ersten Elektrode 320 über einen elektrischen Kontakt 322 verbunden und die zweite elektrische Leitung 331 ist über einen zweiten elektrischen Kontakt 332 mit der zweiten Elektrode 330 elektrisch verbunden. Mit anderen Worten ist - wie aus Ansicht (b) der Fig. 3 ersichtlich - die Anordnung 340 der photoleitenden Nahfeldmessspitze 300 auf der weiteren Anordnung 341 derart aufgebracht, dass ein das distale Ende 350 der Elektroden 320, 330 umfassender vorderer Bereich 360 der Anordnung 340 über die weitere Anordnung 341 hinausragt. Auf diese Weise kann ein frei propagierender Anregungsstrahl Ladungsträger in der photoleitenden Lücke am distalen Ende 350 der Elektroden erzeugen. Darüber hinaus kann der Träger 311 der weiteren Anordnung grundsätzlich aus einem beliebigen ausreichend mechanisch stabilen Material gebildet sein. Gleichwohl hat sich, wie oben beschrieben, ein transparenter Träger 311 , vorliegend aus Quarzglas, als vorteilhaft erwiesen, da es im Anwendungsfall ggf. erwünscht ist, Bereiche unterhalb der photoleitenden Nahfeldmessspitze 300 einzusehen, beispielsweise über eine CCD-Kamera oder dergleichen optische Apparatur oder opti- sehen Justage. Darüber hinaus ist auch beim Körper der weiteren Anordnung 341 eine nicht- wellenlängenangepasste Auslegung der lateralen Begrenzungsstruktur der ersten elektrischen Leitung 331 und zweiten elektrischen Leitung 321 gewährleistet - dies analog zur Auslegung der Begrenzungsstruktur der ersten und zweiten Elektrode 120, 130, wie sie beispielhaft für alle Ausführungsformen anhand der ersten Ausführungsform der photoleitenden Nahfeldmessspitze 100 in Fig. 1 beschrieben worden ist. Vorliegend ist analog zur Begrenzungsstruktur 370 der Anordnung 340 bei der Begrenzungsstruktur 370' der Anordnung 341 vorgesehen, dass der Leitungsabstand 380 zwischen der ersten und zweiten elektrischen Leitung 321 , 331 als auch die Leitungsabmessung 371 , 372 der ersten und zweiten elektrischen Leitung 321 , 331 zum distalen Ende 350 hin abnimmt und die Abnahme des Leitungsabstandes und die Abnahme der Leitungsabmessung 380, 371 , 372 zum distalen Ende 350 hin stetig verläuft.FIG. 3 shows a third embodiment of a photoconductive measuring tip 300, whose arrangement 340 is formed with carrier 310 and electrodes 320, 330 similar to the measuring tip 100 of the first embodiment, so that with respect to the construction of the arrangement 340 to the corresponding description of FIG 1 is referred to. In the present case, the arrangement 340 of the photoconductive measuring tip 300 is connected to a body which forms a further arrangement 341. The arrangement 341 has a further carrier 311 as well as a first electrical line 321 arranged thereon and a second electrical line 331. For this purpose, the further carrier 311 of the further arrangement 341 is connected to the carrier 310 of the arrangement 340, in the present case formed of transparent material in the form of a quartz glass. Likewise, the first electrical lead 321 is connected to the first electrode 320 via an electrical contact 322, and the second electrical lead 331 is electrically connected to the second electrode 330 via a second electrical contact 332. In other words, as can be seen from view (b) of FIG. 3, the arrangement 340 of the photoconductive near-field measuring tip 300 is applied to the further arrangement 341 such that a front region 360 of the arrangement 340 encompassing the distal end 350 of the electrodes 320, 330 beyond the further arrangement 341 protrudes. In this way, a freely propagating excitation beam can generate charge carriers in the photoconductive gap at the distal end 350 of the electrodes. In addition, the support 311 of the further arrangement can in principle be formed from any sufficiently mechanically stable material. Nevertheless, as described above, a transparent support 311, in the present case made of quartz glass, has proven to be advantageous, since it may be desirable in applications to view areas below the photoconductive near field probe 300, for example via a CCD camera or similar optical apparatus or opti - see adjustment. In addition, a non-wavelength-adapted design of the lateral boundary structure of the first electrical line 331 and second electrical line 321 is also ensured in the body of the further arrangement 341-analogous to the design of the delimiting structure of the first and second electrodes 120, 130, as exemplified by all Embodiments have been described with reference to the first embodiment of the photoconductive Nahfeldmessspitze 100 in Fig. 1. In the present case, analogous to the limiting structure 370 of the arrangement 340 in the delimiting structure 370 'of the arrangement 341, it is provided that the line spacing 380 between the first and second electrical lines 321, 331 and the line dimensions 371, 372 of the first and second electrical lines 321, 331 decreases distal end 350 and decreases the decrease of the line spacing and the decrease of the line dimension 380, 371, 372 to the distal end 350 towards steadily.
Fig. 4 zeigt eine vierte Ausführungsform einer photoleitenden Messspitze 400, wiederum umfassend eine Anordnung 440 eines Trägers 410, auf dem eine ersten Elektrode 420 und eine zweite Elektrode 430 angebracht ist und deren laterale Begrenzungsstruktur - nur in dem, das distale Ende 450 umfassenden, vorderen Bereich 460 - eine laterale Begrenzungsstruktur 470 der ersten und zweiten Elektrode 420, 430 aufweist, welche nicht-wellenlängenangepasst ausgelegt ist und im Wesentlichen den Begrenzungsstruk- turen 170, 270, 370 der Ausführungsformen der Fig. 1 bis Fig. 3 entspricht. Dadurch ist auch bei der vierten Ausführungsform der Messspitze 400 sichergestellt, dass in einem für die Detektion maßgeblichen räumlichen Bereich - nämlich im vorderen Bereich 460 - eine breitbandige und hochsensitive Detektion von elektromagnetischer Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 10 μm und 10 mm, jedenfalls im Wellenlängenbereich zwischen 20 μm und 1 mm möglich ist. Im Rahmen der vorliegenden Ausführungsform der Messspitze 400 wurde erkannt, dass in einem hinteren Bereich 461 der Messspitze 400 eine im Wesentliche koplanare Ausführung der Elektroden 420, 430 möglich ist. Dazu verlaufen die Elektroden 420, 430 im hinteren Bereich 461 koplanar und im vorderen Bereich 460 im Wesentlichen spitz aufeinander zu - sind also am Übergang zwischen dem hinteren Bereich 461 und dem vorderen Bereich 460 zueinander hin abgewinkelt. Selbstverständlich sind in Abwandlung des hinteren Bereichs bei anderen Ausführungsformen auch alternative Elektrodenverläufe realisierbar.4 shows a fourth embodiment of a photoconductive measuring tip 400, in turn comprising an arrangement 440 of a carrier 410, on which a first electrode 420 and a second electrode 430 are attached, and their lateral limiting structure - only in the front end comprising the distal end 450 Area 460 - a lateral boundary structure 470 of the first and second electrodes 420, 430, which is designed non-wavelength-adapted and substantially the Begrenzungsstruck- tures 170, 270, 370 of the embodiments of FIGS. 1 to 3 corresponds. As a result, it is also ensured in the fourth embodiment of the measuring tip 400 that in a significant area for the detection area - namely in the front area 460 - a broadband and highly sensitive detection of electromagnetic radiation in the wavelength range between 10 .mu.m and 10 mm, at least in the wavelength range between 20 μm and 1 mm is possible. In the context of the present embodiment of the measuring tip 400, it has been recognized that a substantially coplanar design of the electrodes 420, 430 is possible in a rear region 461 of the measuring tip 400. For this purpose, the electrodes 420, 430 are coplanar in the rear region 461 and substantially pointed towards one another in the front region 460, ie they are angled toward one another at the transition between the rear region 461 and the front region 460. Of course, in a modification of the rear region in other embodiments, alternative electrode profiles can be realized.
Fig. 5 zeigt eine Weiterbildung der in Fig. 4 dargestellten Messspitze in Form der photo- leitenden Messspitze 500. Analog zur dritten Ausführungsform einer photoleitendenFIG. 5 shows a development of the measuring tip shown in FIG. 4 in the form of the photoconductive measuring tip 500. Analogous to the third embodiment of a photoconductive probe
Messspitze 300, wie sie in Fig. 3 beschrieben wurde, ist vorliegend gemäß dem gleichen Prinzip die in Fig. 4 beschriebene Anordnung 540 der Messspitze 500 an einem Körper einer weiteren Anordnung 541 angebracht. Dazu ist - ähnlich wie in Fig. 3 beschrieben - der Träger 510 der Anordnung 540 derart auf dem Träger 511 der weiteren Anordnung 541 aufgebracht, dass dieser mit einem vorderen Bereich 560 übersteht. Dadurch ist gewährleistet, dass die Anordnung 540 der Messspitze 500 im Bereich der photoleitenden Lücke durch ein frei propagierendes optisches Feld angeregt werden kann. Die erste und zweite Elektrode 520, 530 ist über entsprechende Kontakte 522, 532 elektrisch mit einer ersten und zweiten elektrischen Leitung 521 , 531 verbunden, wobei letztere auf dem Träger 511 der weiteren Anordnung 541 aufgebracht sind. Die Begrenzungsstruktur 570' der ersten und zweiten elektrischen Leitung 521 , 531 ist - ähnlich wie anhand der dritten Ausführungsform der Messspitze in Fig. 3 beschrieben - nicht- wellenlängenangepasst ausgelegt, d. h., die Begrenzungsstruktur 570' verkleinert sich zum distalen Ende hin, wobei ein Maß der Verkleinerung stetig verläuft. Insbesondere nehmen Leitungsabstände 580 und Leitungsabmessungen 571 , 572 zum distalen Ende 550 hin ab, wobei die Abnahme stetig verläuft.Measuring tip 300, as described in FIG. 3, is presently the same In principle, the arrangement 540 of the measuring tip 500 described in FIG. 4 is attached to a body of a further arrangement 541. For this purpose-similarly as described in FIG. 3-the carrier 510 of the arrangement 540 is applied to the carrier 511 of the further arrangement 541 such that it projects beyond a front region 560. This ensures that the arrangement 540 of the measuring tip 500 in the region of the photoconductive gap can be excited by a freely propagating optical field. The first and second electrodes 520, 530 are electrically connected via respective contacts 522, 532 to a first and second electrical line 521, 531, the latter being mounted on the carrier 511 of the further device 541. The delimiting structure 570 'of the first and second electric lines 521, 531 is configured non-wavelength-matched, as described in connection with the third embodiment of the measuring tip in FIG. 3, ie, the limiting structure 570' decreases towards the distal end, wherein one dimension the reduction is continuous. In particular, line spacings 580 and line dimensions 571, 572 decrease towards the distal end 550, the decrease being continuous.
Fig. 6 zeigt in Ansicht a die photoleitende Nahfeldmessspitze 200 der zweiten Ausführungsform wie sie in Fig. 2 dargestellt ist - für gleiche Teile oder Teile gleicher Funktion wurden vorliegend gleiche Bezugszeichen verwendet. Darüber hinaus ist in Ansicht (a) eine Bemaßung für eine konkrete Ausführung der photoleitenden Nahfeldmessspitze 200 angegeben. Daraus ist ersichtlich, dass die Anordnung 240 eine im Wesentlichen dreiecksförmige Form hat und vom proximalen Ende 290 zum distalen Ende 250 hin spitz zuläuft. Insbesondere verkleinert sich dazu eine nicht-wellenlängenangepasste Begrenzungsstruktur 270 der ersten und zweiten Elektrode 220, 230 zum distalen Ende 250 hin, wobei ein Maß der Verkleinerung stetig verläuft. Vorliegend hat die Anordnung 240 am proximalen Ende 290 - also an der Basis des Dreiecks - eine laterale Abmessung von 1161 μm. Die im Wesentlichen gleichschenkligen Längen der Elektroden 220, 230 entsprechen im Wesentlichen der Seitenlänge der Anordnung 240, welche vorliegend bei 1152 μm liegt. Die Abschirmung 260 hat vorliegend eine Seitenlänge von 437 μm. Aus Ansicht (a) der Fig. 6 ist auch ersichtlich, dass ein Öffnungswinkel 291 eines Abstandsraumes der Begrenzungsstruktur 270 zwischen den Elektroden 220, 230 vorliegend bei 40° liegt. Grundsätzlich kann ein solcher Öffnungswinkel 291 auch zwischen 20° und 70° liegen. Gemäß dem Konzept der Erfindung wurde erkannt, dass ein solcher Öffnungswinkelbereich möglichst weit entfernt von einer wellenlängenresonanten Dipolstruktur ist - vorliegend hat sich ein Öffnungswinkel von 40° als besonders optimal erwiesen. Ebenso ist vorliegend ein Öffnungswinkel 292 eines Abmessungsraumes der Begrenzungs- struktur 270 jeweils einer Elektrode 220 oder 230 bei 10° gewählt worden. Der Öffnungswinkel 292 des Abstandsraumes der Begrenzungsstruktur jeweils eine Elektrode 220, 230 ergibt sich vorliegend aus dem weiteren Öffnungswinkel von 60°, welcher den Ab- standsraum der Begrenzungsstruktur 270 an den Außenkanten der Elektroden 220, 230 bezeichnet und vorliegend bei 60° liegt.Fig. 6 shows in view a the photoconductive Nahfeldmessspitze 200 of the second embodiment as shown in Fig. 2 - for the same parts or parts of the same function have been used in the same reference numerals. In addition, in view (a), a dimension for a concrete implementation of the near-field photoconductive probe 200 is shown. It can be seen that the assembly 240 has a substantially triangular shape and is tapered from the proximal end 290 to the distal end 250. In particular, a non-wavelength-limited confinement structure 270 of the first and second electrodes 220, 230 decreases towards the distal end 250, a measure of the reduction being continuous. In the present case, the arrangement 240 has a lateral dimension of 1161 μm at the proximal end 290-ie at the base of the triangle. The substantially isosceles lengths of the electrodes 220, 230 correspond substantially to the side length of the assembly 240, which in the present case is 1152 μm. The shield 260 in this case has a side length of 437 microns. It can also be seen from view (a) of FIG. 6 that an opening angle 291 of a spacing space of the delimiting structure 270 between the electrodes 220, 230 is present at 40 °. In principle, such an opening angle 291 can also be between 20 ° and 70 °. According to the concept of the invention, it has been recognized that such an opening angle range is as far as possible from a wavelength-resonant dipole structure - in the present case, an opening angle of 40 ° has proven to be particularly optimal. Likewise, in the present case, an opening angle 292 of a dimensional space of the boundary structure 270 of each electrode 220 or 230 at 10 °. The opening angle 292 of the spacing space of the delimiting structure in each case one electrode 220, 230 results here from the further opening angle of 60 °, which denotes the spacing space of the delimiting structure 270 at the outer edges of the electrodes 220, 230 and in the present case at 60 °.
Es ist zu verstehen, dass selbst bei Beibehaltung der vorliegenden geometrischen Form und Proportion unabhängig von der vorliegenden Ausführungsform, wie sie in Fig. 6(a) gezeigt ist, auch photoleitende Messspitzen realisiert werden können, welche insbeson- dere kleinere Abmessungen als die vorliegend gewählte Abmessung aufweisen.It is to be understood that, even while maintaining the present geometric shape and proportion, regardless of the present embodiment as shown in Fig. 6 (a), photoconductive probe tips which are particularly smaller in size than those selected herein can be realized Have dimension.
In Fig. 6(b) ist eine ausschnittsweise vergrößerte Darstellung des distalen Endes 250 der Anordnung 240 gezeigt. Daraus ist ersichtlich, dass der Abstand 280 zwischen der ersten und zweiten Elektrode 220, 230 als auch die Abmessungen 281 , 282 derselben bis zum distalen Ende 250 hin stetig linear abnehmen. An der „Spitze" der Anordnung 240 ist die erste Elektrode 220 mit der zweiten Elektrode 230 im Bereich der photoleitenden Lücke 235 über ein photoleitendes Material, vorliegend LT-GaAs, verbunden. Der Abstand 280 zwischen den Elektroden 220, 230 nimmt symmetrisch bis zu einer Abmessung der photoleitenden Lücke 235 von 1 ,8 μm ab. Um vorliegend die Anregung von photoleiten- den Trägern in der photoleitenden Lücke 235 auf ein ausreichendes Maß zu begrenzen, ist im Bereich des distalen Endes 250 der Träger 210 zunächst mit einer optisch transparenten elektrisch isolierenden Polymerschicht 215 bedeckt. Auf der Polymerschicht 215 ist die Abschirmung 261 in Form einer metallischen Maskierungsschicht angebracht, welche auch die Elektroden 220, 230 teilweise abdeckt. Die Abschirmung 261 lässt den Bereich der photoleitenden Lücke 235 am distalen Ende 250 frei, um dort die Anregung von elektrischen Ladungsträgern zu ermöglichen. Es hat sich gezeigt, dass in einer einfacheren Ausführungsform - wie sie bereits anhand von Fig. 1 anhand der ersten Ausführungsform der photoleitenden Messspitze 100 beschrieben worden ist - die Abschirmung 261 weggelassen werden kann. Es hat sich gezeigt, dass eine für die Detekti- on signifikante Anregung von Ladungsträgern auch ohne Abschirmung 261 und ggf. bei entsprechender Justage der Anregungsfelder auf den Bereich der photoleitenden Lücke 235 beschränkt ist.In Fig. 6 (b), a fragmentary enlarged view of the distal end 250 of the assembly 240 is shown. It can thus be seen that the distance 280 between the first and second electrodes 220, 230 and the dimensions 281, 282 of the same continuously decrease linearly as far as the distal end 250. At the "tip" of the array 240, the first electrode 220 is connected to the second electrode 230 in the region of the photoconductive gap 235 via a photoconductive material, in the present case LT GaAs The spacing 280 between the electrodes 220, 230 increases symmetrically up to one Dimension of the photoconductive gap 235 of 1.8 μm In order to limit the excitation of photoconductive carriers in the photoconductive gap 235 to a sufficient extent, the carrier 210 is initially provided with an optically transparent electrically insulating region in the area of the distal end 250 Polymer layer 215. The shield 261 is mounted on the polymer layer 215 in the form of a metallic masking layer which also partially covers the electrodes 220, 230. The shield 261 leaves the region of the photoconductive gap 235 at the distal end 250 free to excite electric charge carriers, it has been found that in a simpler version currency form - as has already been described with reference to FIG 1 in the first embodiment of the photoconductive measuring tip. 100 - 261, the shield may be omitted. It has been found that a significant charge for the detection of charge carriers is also limited to the region of the photoconductive gap 235 even without shielding 261 and, if necessary, with a corresponding adjustment of the excitation fields.
In Fig. 6(c) ist vorliegend eine SEM-Aufnahme der zuvor erläuterten photoleitenden Messspitze 200 gezeigt, wobei entsprechende Bezugszeichen die zuvor erläutertenIn FIG. 6 (c), an SEM image of the above-explained photoconductive measuring tip 200 is shown in the present case, corresponding reference numerals being explained above
Elemente der Anordnung 240 bezeichnen. Die photoleitende Messspitze 200 ist vorlie- gend als epitaktisch gewachsenes Schichtsystem hergestellt. Auf einer 1 ,3 μm dicken Schicht von LT-GaAs des Trägers 210. Das Paar „angespitzter" Leitungen, welche die Elektroden 220, 230 bilden, ist aus einem Schichtaufbau einer 10 nm Chromschicht und einer 200 nm Goldschicht auf dem LT-GaAs-T räger aufgebracht. Darüber ist die Anord- nung mit einem 1 μm dicken isolierenden und optisch transparenten Polymerfilm belegt und thermisch ausgeheilt. Der Polymerfilm ist unter Verwendung einer photo-resist- Schicht als Maskierungsschicht und einem isotropen Trockenätzvorgang in einem O2- Plasma hergestellt. Als nächstes folgt im Rahmen der Herstellung der Schritt einer 50 nm dicken Chrommaskierung, welche die optische Anregung - vorliegend aber nicht notwen- digerweise in anderen Ausführungsformen - auf die photoleitenden Lücke 235 am distalen Ende 250 der Messspitze 200 beschränkt. Die Maskierung wird deponiert und lithographisch strukturiert. Als nächstes werden diejenigen Bereiche des LT-GaAs-T rägers 210 weggeätzt, welche nicht mit dem Polymerfilm bedeckt sind, hier durch Anwendung eines chemischen Nassätzvorgangs, welcher Zugriff auf eine Aluminium-Arsenid-Schicht gibt. Danach wird die unterliegenden AlAs-Opferschicht komplett mit einer 10% HF-Lösung weggeätzt, was zu einer selbsttragenden freistehenden LT-GaAs-basierten chipartigen Anordnung 240 der vorliegenden Ausführungsform führt. Schließlich wird die Messspitze 200 auf einen Körper in Form eines 250 μm dicken Saphirsubstrats aufgebracht, vorliegend durch einen Bondingprozess elektrisch angebunden an entsprechende Leitungen auf dem Saphirsubstrat. Die Anbringung erfolgt dabei so, dass die Messspitze 200 über das Saphirsubstrat um einige wenige 100 μm hinausragt, wie dies in der SEM-Aufnahme der Fig. 6(c) zu sehen ist.Designate elements of the arrangement 240. The photoconductive measuring tip 200 is present ing produced as epitaxially grown layer system. On a 1, 3 .mu.m thick layer of LT GaAs of the carrier 210. The pair of "pointed" lines which form the electrodes 220, 230 is made of a layer structure of a 10 nm chromium layer and a 200 nm gold layer on the LT GaAs. In addition, the arrangement is coated with a 1 μm thick insulating and optically transparent polymer film and thermally cured.The polymer film is produced using a photo-resist layer as a masking layer and an isotropic dry etching process in an O 2 plasma. Next, as part of the fabrication, the step of 50 nm thick chromium masking, which limits the optical excitation - but not necessarily in other embodiments - to the photoconductive gap 235 at the distal end 250 of the probe tip 200. The masking is deposited and lithographically Next, those portions of the LT-GaAs carrier 210 which are not mi t are covered by the polymer film, here by using a wet chemical etching process which gives access to an aluminum arsenide layer. Thereafter, the underlying AlAs sacrificial layer is etched away completely with a 10% HF solution, resulting in a self-supporting freestanding LT-GaAs based chip-type device 240 of the present embodiment. Finally, the measuring tip 200 is applied to a body in the form of a 250 μm thick sapphire substrate, in the present case electrically connected by a bonding process to corresponding lines on the sapphire substrate. The attachment takes place in such a way that the measuring tip 200 protrudes beyond the sapphire substrate by a few 100 μm, as can be seen in the SEM image of FIG. 6 (c).
Die photoleitenden Messspitze 200 wird experimentell durch ein THz-Fernfeld und THz- Nahfeld, wie sie in Fig. 8 und Fig. 9 gezeigt sind, charakterisiert. Die Charakterisierung erfolgt im Rahmen eines Fernfeld-Messaufbaus und Nahfeld-Messaufbaus, wie sie in Fig.Photoconductive probe tip 200 is experimentally characterized by a far-field THz and THz near-field as shown in FIGS. 8 and 9. The characterization is carried out in the context of a far-field measurement setup and near-field measurement setup, as shown in FIG.
7 gezeigt sind. Für den Aufbau werden 150 fs-Pulse bei 76 MHz Repetitionsrate und einer optischen Wellenlänge von λ=800 nm zur Anregung und Detektion der breitbandi- gen THz-Pulse genutzt. Um den Abstand zwischen der photoleitenden Messspitze 200 und der Chromoberfläche zu minimieren wird die photoleitende angespitzte Messspitze um einen Winkel von etwa α = 20° in Bezug auf die X-Y-Ebene der einfallenden THz-7 are shown. For the setup, 150 fs pulses are used at 76 MHz repetition rate and an optical wavelength of λ = 800 nm for excitation and detection of the broadband THz pulses. In order to minimize the distance between the photoconductive probe tip 200 and the chromium surface, the photoconductive sharpened probe tip is tilted at an angle of about α = 20 ° with respect to the X-Y plane of the incident THz axis.
WeIIe für alle Experimente gedreht.We'll shoot for all experiments.
Fig. 7 zeigt in Ansicht (a) dazu den Messaufbau 700A mit der beschriebenen Messspitze 200, angebracht auf dem zuvor beschriebenen Saphirträger 800. THz-Strahlung von einem Oberflächenemitter 900 wird über zwei Parabolspiegel 710, 720 auf die photolei- tende Lücke 235 der Messspitze 200 justiert. Die Anregung des Oberflächenemitters 900 erfolgt über einen optischen Anregungspuls 910. Die Detektion der THz-Strahlung 920 erfolgt mittels eines optischen Detektionspulses 930 der zuvor beschriebenen Art. Die THz-Strahlung 920 kann darüber hinaus durch einen Polarisator 730, vorliegend in Form eines Drahtgitterpolarisators, polarisiert werden.FIG. 7 shows in view (a) the measurement setup 700A with the described measurement tip 200 mounted on the above-described sapphire carrier 800. THz radiation from a surface emitter 900 is transmitted to the photopolymer via two parabolic mirrors 710, 720. tende gap 235 of the measuring tip 200 adjusted. The excitation of the surface emitter 900 is effected via an optical excitation pulse 910. The detection of the THz radiation 920 takes place by means of an optical detection pulse 930 of the previously described type. The THz radiation 920 can furthermore be polarized by a polarizer 730, in the present case in the form of a wire grid polarizer become.
In Ansicht (b) der Fig. 7 ist en Nahfeld-Messaufbau 700B mit der photoleitenden Messspitze 200 am Saphirkörper als Träger 800 vergrößert dargestellt, woraus auch der zuvor erläuterte Neigungswinkel α in Bezug auf die X-Y-Ebene der einfallenden THz-WeIIe und, ggf. bei entsprechender Justage in Bezug auf die ebenfalls dargestellte Probe 740, ersichtlich ist.In view (b) of FIG. 7, a near field measuring structure 700B with the photoconductive measuring tip 200 on the sapphire body as carrier 800 is shown enlarged, from which also the previously explained inclination angle α with respect to the XY plane of the incident THz wave and, if necessary . With appropriate adjustment with respect to the sample 740, also shown, can be seen.
Schematisch ist dazu auch in gestrichelter Umrandung die Anregungsseite des Messaufbaus 700B mit einem Dipolanregungselement 990 dargestellt.Schematically, the excitation side of the measurement setup 700B with a dipole excitation element 990 is also shown in dashed outline.
Fig. 7(a) zeigt einen Messaufbau 700A, wie er zur Fernfelddetektion benutzt wurde. Fig. 7(b) zeigt einen Messaufbau 700B, wie er zur Nahfelddetektion benutzt wurde.Fig. 7 (a) shows a measurement setup 700A used for far-field detection. Fig. 7 (b) shows a measurement setup 700B used for near-field detection.
Zunächst wurde der Fernfeldaufbau 700A genutzt, um das Zeitansprechverhalten der Messspitze 200 für eine planare Wellenanregung zu bestimmen. In diesem Aufbau 700A wird linear polarisierte THz-Strahlung in Pulsform von einem InAs-Oberflächenemitter- Polymer über ein Paar parabolischer Spiegel 710, 720 auf die photoleitende Messspitze 200 mit einem Fokus für die THz-Strahlung fokussiert, welcher nicht wesentlich größer ist als die photoleitende Lücke 235. Um das Zeitdomänen-Verhalten der Wellenformen zu veranschaulichen, sind diese im oberen linken Teil der Fig. 8 für die einfallende THz- Strahlung, jeweils für eine Polarisation in X- und Y-Richtung gezeigt. Für beide Polarisationen ist das Signal auf 25 ps charakterisiert durch mehrere Spitzen, welche mit zunehmender Zeit kleiner werden. Unter Nutzung numerischer Feldsimulationen können die Spitzen-Vielfachreflexionen des THz-Signals in der Messspitze zugeordnet werden. Die THz-Strahlung wird innerhalb der überlappenden Regionen der Abschirmung 260 und der zugespitzen Elektroden 220, 230 geleitet. Diese Zweielektroden-Wellenleiter-Sektion hat eine berechnete durchschnittliche effektive Dielektrizität er eff = 2,5 bei den vorliegenden THz-Frequenzen. Unter Berücksichtigung einer doppelt passierten Transmissionslänge von 430 μm korrespondiert die berechnete effektive Dielektrizität exakt dem gemessenen zeitlichen Abstand von Δt = 4.5 ps der mehrfachen Spitzen. Die Halbwärtsbreite der Hauptspitze bei t = 0 ps entspricht 0,46 ps und 0,51 ps jeweils für die X- und Y- Polarisation, was einem nutzbaren spektralen Bereich von etwa 0,1 bis 2,5 THz entspricht. Die Fourier-transformierten Signale in der Zeitdomäne sind im oberen rechten Teil der Fig. 8 gezeigt. Beide Frequenzspektren zeigen einen Amplitudenabfall für Frequenzen unterhalb von 0,3 THz, was typisch für frei propagierende Transmissionskonfi- gurationen ist, die eine hochdivergente Punktquelle und optische Fokussierung auf einen subwellenlängen-bemessenen Detektor umfassen. Wie von der Elektrodenanordnung zu erwarten fällt die Signalamplitude für einfallende THz-Felder die in Y-Richtung polarisiert sind im Vergleich zu X-polarisierten Strahlen ab. Der Sensitivitätsunterschied zwischen X- und Y-Polarisation beträgt 4:1.First, the far field setup 700A was used to determine the time response of the probe tip 200 for planar wave excitation. In this construction 700A, linearly polarized THz radiation in pulse form from an InAs surface emitter polymer is focused via a pair of parabolic mirrors 710, 720 onto the photoconductive probe tip 200 with a focus for THz radiation which is not substantially larger than the photoconductive one Gap 235. To illustrate the time-domain behavior of the waveforms, these are shown in the upper left portion of FIG. 8 for the incident THz radiation, each for polarization in the X and Y directions. For both polarizations, the signal is characterized by several peaks at 25 ps, which become smaller with increasing time. Using numerical field simulations, the peak multiple reflections of the THz signal in the probe tip can be assigned. The THz radiation is conducted within the overlapping regions of the shield 260 and the pointed electrodes 220, 230. This two-electrode waveguide section has a calculated average effective dielectric e r eff = 2.5 at the THz frequencies present. Taking into account a doubly transmitted transmission length of 430 μm, the calculated effective dielectricity corresponds exactly to the measured time interval of Δt = 4.5 ps of the multiple peaks. The half-width of the main peak at t = 0 ps corresponds to 0.46 ps and 0.51 ps for the X and Y Polarization, which corresponds to a usable spectral range of about 0.1 to 2.5 THz. The Fourier-transformed signals in the time domain are shown in the upper right-hand part of FIG. Both frequency spectra show an amplitude drop for frequencies below 0.3 THz, which is typical of free propagating transmission configurations, which include a high-divergent point source and optical focusing on a sub-wavelength-sized detector. As expected from the electrode arrangement, the signal amplitude for incident THz fields which are polarized in the Y direction is reduced compared to X polarized beams. The sensitivity difference between X and Y polarization is 4: 1.
Um die Subwellenlängenauflösung der Messspitze 200 zu bestimmen, wurde der in Fig. 7(b) gezeigte Nahfeldmessaufbau genutzt. Aus praktischen Gründen wurden die THz- Pulse mit einem photoleitendem Dipolelement erzeugt, welches mittels eines 7 mW optischen Anregungsstrahls durch eine dispersionskompensierte optische Faser beleuch- tet ist. Selbstverständlich können auch andere Anregungsquellen genutzt werden, beispielsweise der Oberflächenemitter 900 des Fernfeldaufbaus der Fig. 7(a). Der THz- Strahl propagiert in Z-Richtung durch eine Probe, welche in einem festen Abstand A = 1.0 mm über dem THz-Emitter positioniert ist, was einen λ/2 Wellenlängenabstand einer frei propagierenden THz-WeIIe bei einer Frequenz von f = 0.15 THz entspricht. Die transmit- tierten Signale werden durch die photoleitende Messspitze detektiert, welche etwa 3 μm oberhalb der Probenoberfläche angeordnet ist.In order to determine the sub-wavelength resolution of the measuring tip 200, the near-field measuring structure shown in Fig. 7 (b) was used. For practical reasons, the THz pulses were generated with a photoconductive dipole element which is illuminated by a 7 mW optical excitation beam through a dispersion compensated optical fiber. Of course, other excitation sources may also be used, for example, the surface emitter 900 of the far field structure of Fig. 7 (a). The THz beam propagates in the Z direction through a sample which is positioned at a fixed distance A = 1.0 mm above the THz emitter, which is a λ / 2 wavelength distance of a freely propagating THz wave at a frequency of f = 0.15 THz equivalent. The transmitted signals are detected by the photoconductive measuring tip, which is arranged approximately 3 μm above the sample surface.
Zunächst werden die transmittierten THz-Signale in der Zeitdomäne an der Oberfläche einer Referenzprobe gemessen, welche aus einem beidseitig polierten Schmelzzonen- Silizium (Si)-Wafer von 1 mm Dicke und mehr als 3000 Ωcm spezifischen Widerstand besteht. Die Probe ist in dem entsprechenden THz-Frequenzbereich transparent aber opak für Wellenlängen bei optischer Anregung und für den Detektionsstrahl. Eine zusätzliche 10,5 μm dicke Schicht von schwarzem Wachs (Apiezon) wird spin-deponiert auf der Oberseite des Silizium-Wafers. Diese Schicht absorbiert gestreutes Licht des Detektions- Strahls, welches ansonsten reflektiert werden könnte von der Rückseite der Messspitze 200. Die gemessenen Daten in der Zeitdomäne sind im unteren linken Teil der Fig. 8 jeweils für eine X- und Y-Polarisierung der THz-Strahlen dargestellt. Die deutlichsten Unterschiede im Vergleich zu den Fernfeld-Daten bestehen in der Pulsverbreitung an der Hauptspitze mit einer Halbwertzeit von 1 ,2 ps für X-polarisierte und 0,9 ps für Y- polarisierte THz-Strahlung sowie einem zusätzlichen Anteil eines DC-Signals. Aufgrund des Abstandes zwischen Nahfeldemitter und Detektor ergibt sich jedenfalls für Frequen- zen unterhalb von 0,15 THz eine deutliche niederfrequente Kopplung. Deswegen findet man in der Frequenzdomäne das Maximum der Signalamplitude bei der Frequenz 0, wie sich dies in den vorher transformierten Daten im unteren rechten Teil der Fig. 8 zeigt. Eine moderate Erniedrigung der hochfrequenten spektralen Komponenten ist ebenfalls zu beobachten, was auf die Abwesenheit von fokussierenden optischen Elementen zurückzuführen ist. Eine weitere spezielle Beobachtung in dieser Nahfeldkonfiguration besteht darin, dass Signalreflexionen von der den Referenzprobenoberflächen zusätzlich zu den messspitzeninternen Reflexionen detektiert werden, welche wiederum mittels Pfeilen im unteren linken Teil der Fig. 8 gezeigt sind. Wie bei den Fernfeldmessungen wird eine deutliche Reduzierung der Messspitzensensitivität für die Y-Polarisierung beobachtet.First, the transmitted THz signals are measured in the time domain at the surface of a reference sample consisting of a polysilicon silicon (Si) wafer polished on both sides of 1 mm thick and more than 3000 Ωcm in resistivity. The sample is transparent in the corresponding THz frequency range but opaque to wavelengths of optical excitation and the detection beam. An additional 10.5 μm thick layer of black wax (Apiezon) is spin-deposited on top of the silicon wafer. This layer absorbs scattered light of the detection beam, which could otherwise be reflected from the back of the measuring tip 200. The measured data in the time domain are in the lower left part of FIG. 8 for X and Y polarization of the THz beams, respectively shown. The most significant differences compared to the far-field data are the pulse spread at the main peak with a half-life of 1.2 ps for X-polarized and 0.9 ps for Y-polarized THz radiation and an additional portion of a DC signal. Due to the distance between the near field emitter and the detector, the frequency below 0.15 THz a significant low-frequency coupling. Therefore, one finds in the frequency domain, the maximum of the signal amplitude at the frequency 0, as shown in the previously transformed data in the lower right part of Fig. 8. A moderate lowering of the high-frequency spectral components can also be observed, which is due to the absence of focusing optical elements. Another particular observation in this near-field configuration is that signal reflections from the reference sample surfaces are detected in addition to the in-peak reflections, again shown by arrows in the lower left portion of FIG. As with the far field measurements, a significant reduction in the probe sensitivity for the Y polarization is observed.
Die räumliche Auflösung, die mit der photoleitenden Messspitze weiterer THz- Frequenzen erreicht werden kann, wird unter Verwendung einer metallischen Teststruktur mit Subwellenlängen-Abmessungen bestimmt und in Fig. 9 dargestellt. Die Teststruktur ist eine frequenzselektive Oberfläche, welche aus einem Array von asymmetrisch doppelt geschlitzten Metallringresonatoren mit Subwellenlängen-Abmessungen besteht. Ein solcher Metallringresonator mit entsprechender Radius- und Schlitzbemaßung ist in Fig. 9, Ansicht (a) gezeigt. Solche Strukturen sind insbesondere interessant für sogenannte biosensible Anwendungen im THz-Bereich, da diese starke Resonanzverschiebungen bei Beladung mit dielektrisch aktiven Proben verzeichnen. Die frequenzselektive Oberfläche ist profiliert mittels einem 10 nm Chrom- und 200 nm Gold-Aufbau auf dem gleichen Wafer wie die Referenzprobe. Die gesamte frequenzselektive Oberfläche ist unter einer optisch opaken Schicht von schwarzem Wachs angeordnet.The spatial resolution that can be achieved with the photoconductive probe tip of other THz frequencies is determined using a metallic test pattern with sub-wavelength dimensions and shown in FIG. The test structure is a frequency selective surface consisting of an array of asymmetrically double slotted metal ring resonators with subwavelength dimensions. Such a metal ring resonator with corresponding radius and Schlitzbemaßung is shown in Fig. 9, view (a). Such structures are of particular interest for so-called biosensitive applications in the THz range, since they show strong resonance shifts when loaded with dielectrically active samples. The frequency-selective surface is profiled by means of a 10 nm chromium and 200 nm gold structure on the same wafer as the reference sample. The entire frequency-selective surface is located under an optically opaque layer of black wax.
Das durch das THz-FeId hervorgerufene Bild wird durch Raster-Scannen der Probe mit dem distalen Ende 250 der photoleitenden Messspitze 200 erreicht. Dazu werden Scanschritte von 3 μm Schrittgröße in X- und Y-Richtung durchgeführt und zwar bei einem Zeitabstand von 0 ps in der Zeitdomäne, was der Hauptamplitude der THz-Strahlung entspricht. Das erzielte Bild ist in Fig. 9 in Ansicht (b) gezeigt. Das räumlich aufgelöste elektrische Feld zeigt deutlich die optisch verborgene Ringresonatorstruktur. Die 10 μm breiten metallischen Streifenlinien und die asymmetrische Schlitzanordnung der frequenzselektiven Oberfläche sind klar aufgelöst. Es werden keine weiteren Signalbeiträge in einer Referenzmessung mit einem geblockten THz-Strahl detektiert. Die räumliche Auflösung kann bestimmt werden über Linienmessungen, wie sie in Ansicht (c) der Fig. 9 dargestellt sind. Dabei wird die THz-Feldamplitude entlang der zwei hellen Linien, die in Fig. 9 b gezeigt sind, bestimmt. Unter Verwendung des „10% - 90%"-Kriteriums wird eine räumliche Auflösung von bis zu 5 μm - entsprechend einem Anteil von λ/300 - entlang der X-Richtung erreicht und eine räumliche Auflösung von 7 μm - entsprechend einem Anteil von λ/140 - entlang der Y-Richtung bestimmt; dies für eine Wellenlänge bei 1500 μm.The image caused by the THz image is achieved by raster scanning the sample with the distal end 250 of the photoconductive probe tip 200. For this purpose, scanning steps of 3 μm step size in the X and Y direction are carried out, namely at a time interval of 0 ps in the time domain, which corresponds to the main amplitude of the THz radiation. The obtained image is shown in Fig. 9 in view (b). The spatially resolved electric field clearly shows the optically hidden ring resonator structure. The 10 μm wide metallic stripe lines and the asymmetrical slot arrangement of the frequency-selective surface are clearly resolved. No further signal contributions are detected in a reference measurement with a blocked THz beam. The spatial resolution can be determined by line measurements as shown in view (c) of FIG. 9. Therein, the THz field amplitude along the two bright lines shown in Fig. 9b is determined. Using the "10% - 90%" criterion becomes a achieved spatial resolution of up to 5 microns - corresponding to a proportion of λ / 300 - along the X direction and a spatial resolution of 7 microns - corresponding to a proportion of λ / 140 - determined along the Y direction; this for a wavelength at 1500 microns.
Zusammenfassend ist vorliegend eine attraktive Alternative zu eingangs erläuterten SNOM Konzepten aufgrund des Konzepts der Erfindung ermöglicht worden, dies mit einer Subwellenlängenauflösung bei räumlicher Bildgebung. Darüber hinaus ermöglicht das Konzept der Erfindung eine hohe zeitliche und räumliche Auflösung mit minimaler Invasivität in Kombination bei den transmittierten THz-Signalen. Eine räumliche Auflösung unterhalb von 5 μm wurde demonstriert bei einem Abstand der photoleitenden Messspitze und einer metallischen Teststruktur von etwa 13 μm. Im Rahmen der Erfindung liegen auch Weiterbildungen und Verbesserungen, insbesondere zur Erhöhung der räumlichen Auflösung der Messspitze, durch Reduzierung des Abstandes zwischen Messspitze und Probe als auch Reduzierung der Messspitze selbst und insbesondere der photoleitenden Lücke 235. Dabei kann die Größe der photoleitenden Lücke sicherlich durch weitere Instrumentierung von geeigneten Herstellungswerkzeugen im Bereich der Nanotechnologie erreicht werden. Die Reduzierung der Messspitze 200 selbst kann durch einfache optische Maskierungsmethoden erreicht werden. Beispielsweise kann auch die Rückseite der Messspitze 200 maskiert werden, um den Einfluss optisch reflektierter Strahlung von der Probenoberfläche zu vermeiden. Solche und andere Verbesserungen bzw. Weiterbildungen liegen im Rahmen des Konzepts der Erfindung. In summary, in the present case, an attractive alternative to the SNOM concepts explained at the outset has been made possible on the basis of the concept of the invention, with a sub-wavelength resolution in spatial imaging. Moreover, the concept of the invention allows high temporal and spatial resolution with minimal invasiveness in combination with the transmitted THz signals. A spatial resolution below 5 microns was demonstrated at a distance of the photoconductive probe tip and a metallic test structure of about 13 microns. In the context of the invention, further developments and improvements, in particular for increasing the spatial resolution of the measuring tip, by reducing the distance between the measuring tip and sample and reducing the measuring tip itself and in particular the photoconductive gap 235. The size of the photoconductive gap certainly by more Instrumentation of suitable manufacturing tools in the field of nanotechnology can be achieved. The reduction of the measuring tip 200 itself can be achieved by simple optical masking methods. For example, the rear side of the measuring tip 200 can also be masked in order to avoid the influence of optically reflected radiation from the sample surface. Such and other improvements or developments are within the scope of the concept of the invention.
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