In this thesis, a new apertureless scanning near-field optical microscope (aSNOM) with the ability to resolve optical properties of surfaces with a lateral resolution better than 50 nm in a broadband infrared (IR) spectrum is described.
The high resolution beyond the diffraction limit is achieved by using the sharp tip of an atomic force microscope (AFM) to probe the local electromagnetic field of a sample situated at nanometer distance. A continuous wave (cw) laser beam is focused onto the apex of a metalized or dielectric AFM tip with an apex radius of about 10 nm. The backscattered light is mixed with a reference beam of the same wavelength and detected with a nitrogen cooled InSb-photovoltaic diode. This interferometric scheme allows to enhance the signal level and to detect both the amplitude and phase of the scattered light. The obtained signal is influenced by two components: the light scattered in a small vicinity of the tip apex containing near-field information from the sample, and a background field scattered from the body of the tip and from the sample. To suppress the background component, the AFM is used in non-contact mode with a small vibration amplitude, and the signal is demodulated at higher harmonics of the tip vibration frequency with a lock-in amplifier. By raster scanning the sample under the AFM tip, near-field information from the sample is obtained simultaneously with the topography.
Imaging in a broad infrared spectrum is achieved by using a cw optical parametric oscillator (cw-OPO) as light source. The OPO has been carefully characterized and gives the instrument the capability to image in a spectral region from 1.5 to 3.8 µm with a small gap between 2.0 and 2.3 µm. By using spherical mirrors instead of lenses, the setup is nearly achromatic.
As applications of the infrared aSNOM (IR-aSNOM), images of two different sub-wavelength gold structures on glass surfaces were taken. The first is a test sample that shows the capability of the instrument to image material contrast with a lateral resolution better than 50 nm, corresponding to λ/50. The second application shown is the investigation of split-ring resonators, which are of interest for the study of negative index materials. Maps of optical near-fields at the resonantly excited plasmonic structures are shown with similar resolution.

In dieser Arbeit wird ein neues, aperturloses, nahfeldoptisches Mikroskop beschrieben, das optische Eigenschaften einer Oberfläche mit einer besseren Auflösung als 50 nm in einem großen, infraroten Spektralbereich messen kann.
Um das hohe Auflösungsvermögen jenseits der Beugungsbegrenzung zu erreichen, wird das lokale elektromagnetische Feld mit der scharfen Spitze eines Rasterkraftmikroskops (RKM) untersucht. Ein Dauerstrich-Laser wird auf die metallbeschichtete oder dielektrische Spitze des RKM, die einen Apex-Radius von ungefähr 10 nm hat, fokussiert. Ein Referenzstrahl mit der selben Wellenlänge wird zu dem zurückgestreuten Licht gemischt und wird danach von einer InSb-Diode detektiert. Dieses interferometrische System verstärkt das Signal und ermöglicht die Messung der Amplitude und der Phase des zurückgestreuten Lichts. Das gemessene Signal wird zum einen von dem Nahfeld-Information tragenden, in der Nähe des Apex gestreuten Lichts, beeinflusst. Zum größeren Teil besteht das Signal aber aus einer Hintergrundkomponente, die von Licht herrührt, das am Rest der Spitze und der Probe gestreut wurde. Um das Hintergrundsignal zu unterdrücken, wird das RKM im Nicht-Kontakt-Modus mit kleiner Schwingungsamplitude verwendet und das gemessene Signal mit einem Lock-In-Verstärker bei einer höheren Harmonischen der Schwingungsfrequenz der Spitze demoduliert. Durch das Abrastern der Probe unter der Spitze werden Informationen sowohl über das Nahfeld als auch die Topografie der Probe gewonnen.
Die Abdeckung eines großen Spektralbereichs wird durch einen Dauerstrahl-optischparametrischen-Oszillator (OPO) als Lichtquelle erreicht. Der OPO wurde genau charakterisiert und verleiht dem Instrument die Fähigkeit, in einem Wellenlängenbereich von 1.5 bis 3.8 µm, mit einer kleinen Lücke zwischen 2.0 und 2.3 µm, Bilder aufzunehmen. Durch die Verwendung von sphärischen Spiegeln statt Linsen ist der Aufbau nahezu achromatisch.
Um die Funktionsfähigkeit des neuen Instruments nachzuweisen, werden zwei Glasproben mit Goldstrukturen, die kleiner als die Wellenlänge sind, untersucht. Mit der ersten Probe, einer Testprobe, wird gezeigt, dass das Instrument die Fähigkeit besitzt, Materialkontrast mit einer besseren Auflösung als 50 nm abzubilden. Als Zweites werden Split-Ring-Resonatoren, die bei der Forschung nach Materialien mit negativem Brechungsindex von Interesse sind, untersucht. Das Mikroskop zeigt dabei seine Fähigkeit, die optischen Nahfelder von plasmonisch resonanten Strukturen zu kartographieren.