DE4402059C1

DE4402059C1 - Faraday-Mikroskop sowie Verfahren zu dessen Justierung

Info

Publication number: DE4402059C1
Application number: DE4402059A
Authority: DE
Inventors: Wilfried Prof Dr Aenrae; Peter Prof Dr Goernert; Rudolf Dr Hergt; Jochen Dipl Phys Taubert; Reed Dipl Phys Werlich; Karl-Heinz Dr Geier; Lothar Dr Rer Nat Schreiber
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH; Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV
Current assignee: Institut fuer Physikalische Hochtechnologie eV; Jenoptik AG
Priority date: 1994-01-25
Filing date: 1994-01-25
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2014-01-26
Also published as: JPH07218425A; US5583690A

Description

Die Erfindung betrifft ein Faraday-Mikroskop zur Untersuchung von Proben mit magnetischen Streufeldern in einem Auflichtstrahlengang, wobei der Probe eine magnetooptische Schicht vorgeordnet wird und eine polarisationsoptische Auswertung der Beeinflussung der Indikationsschicht durch die Probe erfolgt, sowie ein Verfahren zu dessen Justierung.

Derartige Anordnungen sind aus
/1/ B.Ludescher u. a. "Faraday-Tieftemperatur-Mikroskop zur Beobachtung dynamischer Magnetisierungsvorgänge in Supraleitern" Laser und Optoelektronik 23 (4) (1991) S. 54-58
/2/ L.A.Dorosinskii u. a. Physica C 203 (1992) 149
/3/ M.V.Indenbohm u. a. Physica C 209 (1993) 259
bekannt.

In US 4410277 ist eine Vorrichtung zum Nachweis magneto-optischer Anisotropien insbesondere von magnetischen Aufzeichnungsträgern beschrieben.

Aus JP 3-185338 (A) ist ein Laserpolarisationsmikroskop zur Untersuchung magnetischer Domänen bekannt.

Aus DE 40 27 049 A1 ist ein Kerr-Mikroskop zur Überprüfung von Strompfaden unter Ausnutzung des polaren Kerr-Effektes bekannt.

Der magnetooptische Faraday-Effekt bewirkt die Drehung der Polaristionsebene von polarisiertem Licht um den Winkel w beim Durchgang durch ein magnetooptisches Material der Dicke d nach der Gleichung

w=R M(x) d

wobei R eine Materialkonstante des magnetooptischen Materials und M(x) die zum Lichtweg parallele Komponente der Magnetisierung im Punkt x bedeuten.

Die Drehung der Polarisationsebene wird sichtbar, indem das Licht bei gekreuzter Polarisator- Analysator-Stellung beobachtet wird. Mit Hilfe des Faraday-Effektes können z. B. dynamische Vorgänge in Supraleitern und magnetische Strukturen in magnetischen Speichermaterialien untersucht werden. Im allgemeinen ist die Konstante R so gering, daß der Faraday-Effekt nur in Spezialmaterialien beobachtet wird.

Bekannt ist ein "Faraday-Mikroskop" /1/, bei dem der zu untersuchende Supraleiter mit einer magnetooptisch aktiven Schicht bedampft wurde.

Da die erzielbare Faraday-Rotation sehr klein ist, wird zur Auswertung die Interferenz zwischen den Lichtstrahlen, die an der Oberfläche der magnetooptischen Schicht, und denjenigen, die in magnetfeldfreien Bereichen an der Oberfläche des Supraleiters reflektiert werden, ausgenutzt.

Nachteilig ist hierbei, daß jede zu untersuchende Probe erst im Vakuum bedampft werden muß.

Bekannt sind dünne magnetooptische Indikator-Platten /2, 3/, die auf die zu untersuchende Probe aufgelegt werden, da die laterale Auflösung und die Empfindlichkeit des Indikators stark mit wachsendem Abstand von der Probe abnehmen. Dabei besteht die Gefahr, daß die Probe zerkratzt wird. Außerdem muß zur Untersuchung flächenhaft ausgedehnter Proben eine große Indikatorplatte eingesetzt werden, wenn man das wiederholte Auflegen vermeiden will. Große Indikator-Platten sind aber schwierig herstellbar und teuer. Die Indikatorplatte besteht aus einem Substrat (Granat), auf dem die eigentliche magneto-optische Indikatorschicht abgeschieden wurde. Das Substrat besitzt einen hohen Brechungsindex (n ca. 2), so daß die optische Abbildung bei der Beobachtung der magnetooptischen Indikatorschicht beeinträchtigt ist.

Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein verbessertes Faraday-Mikroskop zur Untersuchung von Proben mit magnetischen Streufeldern sowie ein Verfahren zu dessen Justierung zu realisieren. Insbesondere sollen Beschädigungen der Probenoberfläche weitestgehend vermieden werden und verschiedene Proben untersucht werden können. Außerdem soll erreicht werden, daß die Indikatorschicht möglichst dicht an das zu untersuchende Gebiet der im allgemeinen nicht vollständig ebenen Probenoberfläche herangebracht werden kann.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 25 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 24 und 26. Eine bevorzugte Ausführung eines erfindungsgemäßen Mikroskopobjektives ist Gegenstand des Anspruches 24.

Besonders vorteilhaft ist ein spannungsarmes, für Polarisation geeignetes (Auflicht)- Mikroskopobjektiv, das als Abschlußelement eine magnetooptische Indikatorplatte besitzt, wobei in der optischen Rechnung für das Mikroskopobjektiv die Indikatorplatte einbezogen ist. Weiterhin besitzt das Objektiv einen Präparate- und Objektivschutz.

Das Arbeiten mit diesem Objektiv wird zusätzlich erleichtert, wenn eine automatische Fokussierung eingesetzt wird. Dabei wird zunächst mit einem anderen Objektiv geringer Tiefenschärfe auf die Probe automatisch fokussiert, dann die interessierende Objektstelle ausgewählt und auf das Objektiv mit Indikatorplatte umgeschaltet. Die Fokussierung fährt nun automatisch das Objektiv mit Indikatorplatte auf die minimale Probenentfernung. Voraussetzung ist hierfür, daß in einem Justiervorgang nach Montage des Mikroskopes die Differenz zwischen der Abgleichlänge des Objektives geringer Tiefenschärfe und des Objektives mit der Indikatorplatte bestimmt und gespeichert wurde.

Die Indikatorplatte besitzt im Normalfalll eine Spiegelschicht. Bei gut reflektierenden optisch isotropen Proben kann auch vorteilhaft eine transparente Indikatorplatte ohne Spiegelschicht eingesetzt werden. Zunächst kann damit die Probe ohne Polarisation beobachtet werden, womit ein Hellfeldbild erzielt wird. Nach Einschalten von Polarisator/Analysator wird eine Abbildung der magnetischen Eigenschaften der Probe erreicht. Damit ist eine Zuordnung zwischen Oberflächenstruktur der Probe und Magnetfeld-Kontrast ohne Einschalten eines weiteren Objektives möglich.

Bei stark reflektierenden, optisch isotropen Proben kann die Indikatorplatte vorteilhaft auch eine teildurchlässige Spiegelschicht besitzen. Im Hellfeld ohne Polarisator kann die teildurchlässige Spiegelschicht zur interferometrischen Einstellung des Abstandes Indikatorplatte- Probenoberfläche dienen. Die Interferenz kann auch zur Erfassung der Korrelation zwischen Oberflächentopologie und magnetischem Kontrast bei eingeschalteten Polarisator/Analysator genutzt werden.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das erfindungsgemäße Objektiv mit einer Stromspule oder Helmholtzspule umgeben wird. Mit der Stromspule kann ein Magnetfeld (längs der optischen Achse) erzeugt und moduliert werden, was zur Kontrastverbesserung (z. B. Eliminierung des Erdfeldes) und zur in-situ-Probenbeeinflussung genutzt werden kann.

Mit einer Helmholtzspule kann ein Magnetfeld senkrecht zur optischen Achse erzeugt werden, was zur Homogenisierung der Indikatorplatte genutzt werden kann.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Mikroskop mit einem Monochromator (z. B. wechsel baren Interferenzfiltern) ausgerüstet ist, um die Dispersion der Faraday-Rotation auszunutzen.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Mikroskop eine senkrecht zur optischen Achse verstellbare Aperturblende besitzt, so daß durch den Schrägeinfall des Lichtes bei exzentrischer Aperturblende auch in-plane Komponenten der Magnetisierung der Probe nachgewiesen werden können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Darstellungen weiter erläutert.

Der Gesamtaufbau des erfindungsgemäßen Mikroskopes ist schematisch in Bild 1 dargestellt. Das Licht einer Lichtquelle 1 mit dazugehöriger Beleuchtungsoptik 2 wird in einem Polarisator 3 linear polarisiert. Ein Umlenkelement oder Strahlteiler 4 lenkt das Licht in das erfindungsgemäße Objektiv 5. Vorteilhaft ist als Strahlteiler ein Berek-Prisma vorgesehen, da dieses ein homogenes Polarisationsfeld hoher Beleuchtungsstärke gewährleistet und somit optimaler Kontrast bei den oft geringen Lichtintensitäten erzielt werden kann.

Die magnetische Probe 6 bewirkt durch ihre Magnetfeldkomponente eine Drehung der Polarisationsebene des Lichtes in der Indikatorplatte 51. Das Licht wird an der Spiegelschicht der Indikatorplatte 51 reflektiert, passiert das Objektiv und gelangt über den Strahlteiler zum Analysator 7. Ist der Analysator 7 in gekreuzter Stellung zum Polarisator 3, so tritt nur dann Licht durch den Analysator, wenn eine Faraday-Rotation stattgefunden hat. Damit enthält das Licht, das über eine Abbildungsoptik zur Videokamera 8 oder zur visuellen Beobachtung gelangt, ein Bild der magnetischen Eigenschaften der Probe.

Vorteilhaft ist es, wenn eines der Polare oder beide drehbar ausgeführt sind, um eine Kontrastvariation durchführen zu können.

In Bild 2 ist schematisch der Aufbau des erfindungsgemäßen Objektivs dargestellt. Das Objektiv enthält als Abschlußelement die Indikatorplatte 51. Die gesamte Optik 54 einschließlich der Indikatorplatte 51 ist in einem Gleitrohr 52 angeordnet. Das Gleitrohr 52 ist in einem festen Rohr 53 geführt und wird mittels einer Feder 55 gegen einen Anschlag 56 gedrückt. Diese Anordnung realisiert den Präparateschutz sowie den Objektivschutz und gewährleistet den Kontakt der Indikatorplatte mit der Probe. Die Frontfassung 57 kann aus weicherem Material, z. B. Teflon, realisiert sein.

Bild 3 zeigt schematisch eine Variante des Aufbaus der Indikatorplatte 51. Auf einem geeignetem, oft einkristallinem Substrat 511 ist die magnetooptische Schicht 512 abgeschieden. Darauf folgt eine Spiegelschicht 513, die durch eine Schutzschicht 514 gegen Beschädigungen geschützt ist. Die Spiegelschicht hat auch den Vorteil, daß das Licht zweimal die Magnetooptische Indikatorschicht passiert, womit die Drehung der Polarisationsebene verdoppelt wird. Das Objektiv 5 ist in der Optikrechnung so dimensioniert, daß die Objektebene in der Spiegelschicht liegt.

Vorteilhaft ist es, wenn die Indikatorplatte eine Entspiegelungsschicht 515 trägt, weil das Substrat oft einen hohen Brechungsindex und damit eine hohe Eigenreflexion besitzt. Durch die Entspiegelungsschicht 515 wird der Kontrast verbessert.

Bei gut reflektierenden optisch isotropen Proben kann auch vorteilhaft eine transparente Indikatorplatte ohne Spiegelschicht 513 eingesetzt werden. Zunächst kann damit die Probe ohne Polarisator 3 beobachtet werden, womit ein Hellfeldbild erzielt wird. Nach Einschalten von Polarisator/Analysator wird eine Abbildung der magnetischen Eigenschaften der Probe erreicht. Damit ist eine Zuordnung zwischen Oberflächenstruktur der Probe und Magnetfeld-Kontrast ohne Einschalten eines weiteren Objektives möglich.

Die transparente Schutzschicht 514 kann dabei so dimensioniert sein, daß sie außerdem die Funktion einer Entspiegelungsschicht übernimmt, womit der Kontrast erhöht wird.

Bei stark reflektierenden, optisch isotropen Proben kann die Indikatorplatte vorteilhaft auch eine teildurchlässige Spiegelschicht 513 besitzen. Im Hellfeld ohne Polarisator 2 kann die teildurchlässige Spiegelschicht zur interferometrischen Einstellung des Abstandes Indikatorplatte-Probenoberfläche dienen. Die Interferenz kann auch zur Erfassung der Korrelation zwischen Oberflächentopologie und magnetischen Kontrast bei eingeschalteten Polarisator/Analysator genutzt werden.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das erfindungsgemäße Objektiv 5 mit einer kleinen Stromspule 13 umgeben wird. Damit kann ein Magnetfeld längs der optischen Achse erzeugt und moduliert werden, was zur Kontrastverbesserung (z. B. Eliminierung des Erdfeldes) und zur in-situ-Probenbeeinflussung genutzt werden kann. Mit einer Helmholtz-Spule 16 kann ein Magnetfeld senkrecht zur optischen Achse, d. h. parallel zur Probenoberfläche erzeugt werden, was zur Homogenisierung der Indikatorplatte genutzt werden kann.

Ist das Mikroskop mit einer automatischen Fokussierung ausgerüstet, die auf die Objektivfokussierung 11 oder Tischfokussierung 12 wirkt, so wird zunächst in einem Justiervorgang nach Montage des Mikroskopes die Differenz zwischen der Abgleichlänge des Objektives 10 geringer Tiefenschärfe und des Objektives 5 mit der Indikatorplatte bestimmt und gespeichert. Dann wird mit dem Objektiv 10 mit geringer Tiefenschärfe auf die Probe automatisch fokussiert, anschließend die interessierende Objektstelle ausgewählt und der Objektivrevolver 9 auf das Objektiv 5 mit Indikatorplatte umgeschaltet. Die Fokussierung fährt nun automatisch das Objektiv 5 mit Indikatorplatte auf die minimale optimale Probenentfernung.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Mikroskop mit einem Monochromator 14 (z. B. wechselbaren Interferenzfiltern) ausgerüstet ist, um die Dispersion der Faraday-Rotation auszunutzen. Damit kann dann mit der Wellenlänge gearbeitet werden, bei der die magnetooptische Schicht 512 ihre maximale Faraday-Rotation besitzt.

Vorteilhaft ist es weiterhin, wenn das Mikroskop eine senkrecht zur optischen Achse verstellbare Aperturblende 15 besitzt, so daß durch den Schrägeinfall des Lichtes bei exzentrischer Aperturblende auch in-plane Komponenten der Magnetisierung der Probe nachgewiesen werden können.

Ein vorteilhaftes Beispiel eines Mikroskopobjektives mit integrierter Indikatorplatte der Flächen F1, F2 sowie der Linsenflächen F3-F15 mit Abständen d1-d14 sowie Krümmungsradien r1-r15 ist in Bild 4 dargestellt.

Die optischen Parameter betragen hierbei:

Claims

1. Faraday-Mikroskop zur Untersuchung von Proben mit magnetischen Streufeldern in einem Auflichtstrahlengang, wobei der Probe eine magnetooptische Indikationsschicht vorgeordnet ist und eine polarisationsoptische Auswertung der Beeinflussung der Indikationsschicht durch die Probe erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikationsschicht im Abschluß eines Mikroskop objektives angeordnet ist.

2. Faraday-Mikroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikationsschicht auf einem optisch transparenten Trägersubstrat angeordnet ist, wobei Indikationsschicht und Trägersubstrat in die optische Rechnung des Mikroskopobjektives einbezogen sind.

3. Faraday-Mikroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikationsschicht Bestandteil einer Indikatorplatte ist, die mit den optischen Elementen des Mikroskopobjektives in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet ist.

4. Faraday-Mikroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatorplatte in Richtung der Probe mit einer Schutzschicht versehen ist.

5. Faraday-Mikroskop nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß in Lichtrichtung vor dem Trägersubstrat eine Entspiegelungsschicht vorgesehen ist.

6. Faraday-Mikroskop nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß in Lichtrichtung nach der Indikationsschicht eine Entspiegelungsschicht vorgesehen ist.

7. Faraday-Mikroskop nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht als Entspiegelungsschicht ausgebildet ist.

8. Faraday-Mikroskop nach einem der Ansprüche 2-7, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägersubstrat ein einkristallines Substrat ist.

9. Faraday-Mikroskop nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Indikationsschicht in Lichtrichtung eine Spiegelschicht nachgeordnet ist.

10. Faraday-Mikroskop nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelschicht zwischen der Indikationsschicht und der Schutzschicht angeordnet ist.

11. Faraday-Mikroskop nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel schicht teildurchlässig ausgebildet ist.

12. Faraday-Mikroskop nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroskopobjektiv mit der Indikatorschicht in einem Gleitrohr angeordnet ist, das in einem Außenrohr verschiebbar geführt ist.

13. Faraday-Mikroskop nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitrohr federnd gelagert ist und seine Verschiebung durch einen Anschlag begrenzt wird.

14. Faraday-Mikroskop nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung der Drehung der Polarisationsebene durch die Indikatorplatte eine gekreuzte Polarisator/Analysator-Anordnung vorgesehen ist, wobei zur Kontrastvariation mindestens eines der Polare drehbar ausgeführt ist.

15. Faraday-Mikroskop nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatorplatte in unmittelbarer Nähe der Probe angeordnet ist.

16. Faraday-Mikroskop nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Indikatorplatte auf die Probe aufgesetzt ist.

17. Faraday-Mikroskop nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beeinflussung der magnetischen Eigenschaften der Probe ein zuschaltbares Magnet feld in der Nähe des Mikroskopobjektives vorgesehen ist.

18. Faraday-Mikroskop nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Mikroskop objektiv von einer stromdurchflossenen Spule umgeben ist und ein Magnetfeld parallel zur optischen Achse, zuschaltbar, erzeugt wird.

19. Faraday-Mikroskop nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß mittels einer Helmholtz-Spule zuschaltbar ein Magnetfeld senkrecht zur optischen Achse erzeugt wird.

20. Faraday-Mikroskop nach einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg des Mikroskopes ein Monochromator mit einstellbarer Wellenlänge vorge sehen ist.

21. Faraday-Mikroskop nach einem der Ansprüche 1-20, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang eine verstellbare Aperturblende vorgesehen ist.

22. Faraday-Mikroskop nach einem der Ansprüche 1-21, dadurch gekennzeichnet, daß Beleuchtungs- und Auswertestrahlengang über einen Strahlenteiler vereinigt werden.

23. Faraday-Mikroskop nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler ein Berek-Prisma ist.

24. Faraday-Mikroskop nach einem der Ansprüche 1-23, gekennzeichnet durch folgende optischen Parameter des Mikroskopobjektives mit Linsenflächen der Flächennummern 3-15 und Abständen d1-d14 und einer vorgeordneten Indikatorplatte der Flächennr. 1 und 2

25. Verfahren zur Justierung eines Faraday-Mikroskopobjektives mit integrierter Indikatorplatte bezüglich einer supraleitenden Probenoberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß in einem ersten Schritt ein anderes Objektiv geringer Tiefenschärfe auf die Probenoberfläche fokussiert wird und in einem zweiten Schritt das Mikroskopobjektiv mit integrierter Indikatorplatte in den Strahlengang eingesetzt und auf eine minimale Probenentfernung eingestellt wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Justierung die Differenz der Abgleichlänge des Objektives geringer Tiefenschärfe und des Objektives mit integrierter Indikatorplatte ermittelt und bei der Einstellung auf die minimale Probenentfernung einbezogen wird.