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Die
Erfindung betrifft ein Laser-Scanning-Mikroskop, wie es beispielsweise
in
DE 19702753 A1 beschrieben
ist.
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In
der Mehrzahl der konfokalen Systeme werden aktuell so genannte Lasermodule
verwendet. Darunter sind Funktionseinheiten zu verstehen, die mehrere
Laser unterschiedlicher Wellenlänge auf einen Strahl kollinear
vereinigen und die vereinigte Strahlung über eine Lichtleitfaser
zum Scankopf transportieren.
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Zusätzlich
besteht die Möglichkeit, die Strahlung individuell zu modulieren,
bzw. abzuschwächen und einzelne Laserlinien aus dem Gemisch
zu selektieren. Die Strahlvereinigung wird dabei über Spiegel und
dichroitische Teiler im Freistrahl realisiert. Dazu sind alle Komponenten
auf einer gemeinsamen Grundplatte bzw. mit einer festen, möglichst
stabilen Position zueinander zu montieren.
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Andere
Lösungen sehen eine individuelle Faserkopplung der Laser
und eine Strahlvereinigung über eine rohrförmige
Vereinigungseinheit vor, an deren Ausgang wiederum eine Faserkopplung
für die Lichtleitung zum Scankopf sitzt (
DE 19633185 A1 ).
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Es
sind aber auch Lösungen bekannt, die eine individuelle
Faserkopplung der Laser zum Scankopf vorsehen (
JP 2003270543 ).
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Für
die Freistrahllösung werden üblicherweise Dejustagen
im Rahmen des Transports (Schock und Temperatur), sowie über
Temperaturzyklen im Rahmen der Betriebsbedingungen beim Kunden beobachtet,
die eine Nachjustage durch den Service sowohl beim Aufstellen des
Gerätes, als auch über die Zeitdauer der Nutzung
erforderlich machen.
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Die
Lasermodule sind in der Regel groß und schwer, da die Montage
mit einem festen Bezug der Komponenten zueinander, beispielsweise
auf einer stabilen Granitplatte oder einem Stahlrahmen montiert,
notwendig ist. Entsprechend hoch sind die Aufwände für
einen sicheren Transport. Ebenfalls von Bedeutung ist die geringe
Flexibilität bezüglich der Aufstellung beim Kunden
aufgrund des hohen Platzbedarfs.
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Ein
weiterer Nachteil ist die geringe Flexibilität bezüglich
der Integration neuer Lichtquellen, bzw. der hohe zeitliche Aufwand,
vordefinierte Lichtquellen im bestehenden Aufbau zu ergänzen
(nachzurüsten).
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Erfindung:
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Die
Erfindung betrifft daher eine fasergekoppelte Freistrahlbaugruppe
zur Realisierung der Beleuchtung von Laser-Scanning-Mikroskopen
mit individueller Faserkopplung der Laser zum Scankopf, Strahlvereinigung
sowie Strahlmodulation und Abschwächung.
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Ein
wesentlicher Vorteil wird erzielt in Bezug auf Justagefreiheit sowohl
in der Systemintegration als auch bei Aufstellung des Gerätes
beim Kunden sowie über die Betriebsdauer. Dadurch werden
die Folgekosten gering gehalten und die Inbetriebnahme des Gerätes
kann auf ein einfaches ,plug and play' reduziert werden. Justagefreiheit
bedeutet, dass die Überlagerung der einzelnen Fasereingänge
bezüglich Ort und Winkel nur einmal, das heißt
bei Zusammenbau der Gruppe, justiert wird und ansonsten justagefrei
bleibt, sowohl nach dem Transport als auch unter den Betriebsbedingungen
beim Kunden.
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1:
Dargestellt ist die Außenwand A eines Scankopfs an der über
(bis auf einen nicht dargestellte- Anschläge ein Gehäuse
G einer Strahlvereinigereinheit SV mit einer Spiegeltreppe SP1,
2 ..., das Buchsen zur Aufnahme von Steckern aufweist, die Lichtleitfasern
FS an das Gehäuse G ankoppeln, die von unterschiedlichen
Lichtquellen stammen.
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Das
vereinigte Licht nach der Spiegeltreppe wird zum Mikroskop, vorzugsweise über
einen AOTF weitergeleitet.
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2:
Laser L werden über Fasern FS und Koppelstellen KS, die
sich im Scankopf selbst an einer Strahlvereinigereinheit SV oder,
über
Fasern mit SV verbunden, außerhalb des Scankopfes befinden
können, individuell in den Strahlengang des LSM im Scankopf
SK eingekoppelt.
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Die
Strahlvereinigungseinheit SV weist wie ausgeführt ein Gehäuse
auf und kann dadurch sehr kompakt und stabil ausgebildet werden
Das spart Justieraufwände und Kosten. Im SV kann vorteilhaft auch
ein AOTF zur Wellenlängenauswahl und individuellen Steuerung
der Intensität integriert sein.
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3 zeigt
eine Spiegeltreppe aus dichroitischen Spiegeln in einem Gehäuse,
in das mehrere Eingangslaser über Fasern und im Gehäuseinnern angeordneten
Kollimatorlinsen eingekoppelt werden.
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Eine
Ausgangsfaser hinter dem letzten Spiegel der Spiegeltreppe dient
zur flexiblen Integration in den Beleuchtungsstrahlengang des LSM.
Die Ausgangsfaser dient nicht nur dazu, die Strahlvereinigung optisch
in den Scankopf zu integrieren (die gesamte Strahlvereinigungsgruppe
befindet sich in einer vorteilhaften Ausführung bereits
im oder am Scankopf), sondern vorteilhaft auch zur Stabilitätserhöhung.
Die Stabilitätserhöhung ergibt sich dadurch, dass
Dejustagen, die einen Orts oder/und Winkelfehler zur Folge haben
in Intensitätsfehler aufgrund resultierender Einkoppelverluste
umgewandelt werden.
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Ein
im Freistrahlaufbau tolerierbarer Winkelfehler von 100 μrad
wird durch die Korrekturfaser in einen Intensitätsfehler
von ca. 5% übersetzt.
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Zusätzlich
addieren sich die Ablagen einzelner Einkoppelports zueinander nicht,
wie in der Freistrahllösung, sondern alle Einkoppelports
zeigen eine individuelle Wechselwirkung mit der Einkopplung in die
Korrekturfaser. Ähnliches gilt für laterale Dejustagen.
Aufgrund der nachfolgenden Teleskope kann in der Freistrahllösung
ein Parallelversatz von ca. 50 μm akzeptiert werden. In
Bezug auf die Korrekturfaser liegt dieser Wert mindestens doppelt
so hoch, wenn man einen ca. 5%igen Intensitätsverlust zulässt.
Die verwendete Korrekturfaser ist vorteilhaft eine monomodige, breitbandige,
polarisationserhaltende Faser. Alternativ kann auch jeder andere
Energieleiter, der diese Eigenschaften hat, z. B. Plastikfaser,
in Silizium geätzter Wellenleiter o. ä. eingesetzt werden.
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Falls
eine Korrekturfaser verwendet wird, kann diese in einem Kreis oder
nierenförmig gelegt werden, um so eine bessere Modenfilterung
zu erreichen und damit die Qualität des Ausgangssignals weiter
zu steigern.
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Die
Verwendung einer Korrekturfaser eröffnet darüber
hinaus gerätetechnische Möglichkeiten, die eine
völlige Entkopplung der in den Scankopf integrierten Beleuchtungseinheit
vom Rest des Strahlengangs erlauben (flexibles Gerätedesign,
kompakte Bauform) – Weiter wird auf die 7–10 und die
zugehörige Beschreibung verwiesen.
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Ein
wichtiger Aspekt ist, dass die Strahlvereinigungseinheit eine vorjustierte
Baugruppe darstellt, die während der späteren
Schritte der Systemintegration und bei der Geräteinstallation
vor Ort beim Kunden oder auch, wenn Laser beim Kunden im Feld ergänzt/nachgerüstet
werden sollen, nicht weiter justiert zu werden braucht. Bei entsprechend
genauer Ausführung der Faserstecker bleibt die Strahlüberlagerung
beim Lösen und Stecken der Steckverbinder erhalten.
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4: Hier ist in 4a ein
Strahlvereiniger dargestellt, wobei der vereinigte Ausgangsstrahl
direkt als Ausgangsstrahl in das Mikroskop (den Scankopf) eingekoppelt
wird.
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In 4b werden
die Laser von mehreren Seiten eingekoppelt um eine kompaktere symmetrische
und damit stabilere Bauform zu realisieren. Die Einkopplung kann
auch in mehreren Ebenen, beispielsweise senkrecht und parallel zur
Zeichenebene in den Strahlvereiniger erfolgen.
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5:
In dieser Ausführungsform ist wie weiter vorn schon erwähnt
ein AOTF im Strahlvereinigergehäuse mit angeordnet.
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Um
den temperaturempfindlichen AOTF an den günstigsten Ort
im Scankopf zu platzieren, ist es auch denkbar, den Ein- und Ausgang
des AOTF mit einer Lichtleitfaser zu verbinden. Auf diese Weise kann
der AOTF an beliebigen Positionen im Gehäuse montiert werden.
Die ausgangsseitige Faser kann problemlos auf die optische Achse
des Gesamtsystems gebracht werden.
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Im
Gegensatz zu den bisher meistens verwendeten Aufbauten können
sowohl die Ausgangsfaser als auch der AOTF für den Bereich
von 400 nm bis 640 nm ausgelegt sein, und damit den gesamten sichtbaren
Spektralbereich abdecken. Auch eine spektrale Abdeckung über
diesen Bereich hinaus ist mit entsprechenden Bauteilen möglich.
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6 zeigt
in Anknüpfung an 2 und 3 im
Scankopf nach SV eine interne Korrekturfaser zur Übersetzung
von Orts und Winkelfehlern in Intensitätsfehler. Die Linse
L2 kann eine andere Brennweite als die Linse L1 haben und damit
mit dieser zusammen als Teleskop wirken (Strahlaufweitung).
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Sämtliche
Komponenten (Spiegeltreppe, AOTF, Faser mit Ein,- und Auskoppeloptik)
sind getrennt am Gehäuse/Scankopf befestigt
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7 zeigt
im Scankopf nach SV die interne Korrekturfaser zur Übersetzung
von Orts und Winkelfehlern in Intensitätsfehler; im Gegensatz
zu 1 ist die Faser direkt mit der Spiegeltreppe verbunden, wodurch
eine höhere Stabilität für die Einkopplung erreicht
wird. Die Linse L2 kann wiederum eine andere Brennweite als die
Linse L1 haben und damit mit dieser zusammen als Teleskop wirken
(Strahlaufweitung; Spiegeltreppe und Faser bilden eine Einheit, der
Linse L2 nachgeordnet.
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8 zeigt
im Scankopf die interne Korrekturfaser zur Übersetzung
von Orts- und Winkelfehlern in Intensitätsfehler; im Gegensatz
zu 2 ist die Faser wieder direkt mit der Spiegeltreppe
und zusätzlich direkt mit dem AOTF verbunden. Die Linse L2
hat dieselbe Brennweite wie die Linse L1, so dass eine 1:1 Transformation
des Strahldurchmessers von der Spiegeltreppe zum AOTF stattfindet.
Die Verbindung an Spiegeltreppe und/oder AOTF kann als sog. „Pigtailing"
ausgeführt sein (nicht lösbar), wodurch eine höhere
Langzeitstabilität und kompaktere Bauform (justagefreie
Präzisionssteckverbindung braucht mehr Platz (Bauraum))
für die Einkopplung erreicht wird, als auch prinzipiell
trennbar an Linse L1 (Spiegeltreppe) und/oder an Linse L2 (Eingang AOTF).
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9 zeigt
im Scankopf die interne Korrekturfaser zur Übersetzung
von Orts und Winkelfehlern in Intensitätsfehler; im Gegensatz
zu 8 ist zusätzlich am Ausgang des AOTF
eine Faser fest mit dem System verbunden. Die Linse L2 kann eine
andere Brennweite als die Linse L1 haben und damit mit dieser zusammen
als Teleskop wirken (Strahlaufweitung). Die Verbindung an Spiegeltreppe
und/oder AOTF kann wieder als sog. „Pigtailing" ausgeführt sein
(nicht lösbar), wodurch eine höhere Langzeitstabilität
und kompaktere Bauform (justagefreie Präzisionssteckverbindung
braucht mehr Platz (Bauraum)) für die Einkopplung erreicht
wird als auch prinzipiell trennbar an Linse L1 (Spiegeltreppe) und/oder
an Linse L2 (Eingang AOTF).
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Die
Trennstellen können durch präzise/hochgenaue Stecker
justagefrei ausgelegt werden.
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10:
Der Strahlvereiniger SV kann einen weiteren, unbestückten
Koppelport KP für einen weiteren Laser aufweisen.
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Dieser
kann sowohl als Freistrahleinkopplung (also ohne Kollimatorlinse)
als auch als Faserkopplung vorgesehen sein.
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Die
Strahlvereinigung der über den freien Koppelport eingekoppelten
Laser kann dabei herkömmlich mit dichroitischen Teilerschichten,
oder aber polarisationsoptisch und damit wellenlängenunabhängig
umgesetzt werden.
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Am
Ausgang der Spiegeltreppe ist in diesem Fall eine schaltbare lambda/2
Platte vorzusehen, um für reflektierte und transmittierte
Strahlen gleiche Polarisationsrichtung am Ausgang der Spiegeltreppe
zu erhalten (zwingend für die nachfolgende Kopplung in den
AOTF). Über die Integration eines solchen freien Koppelport
wird die Flexibilität der Lasereinkopplung deutlich erhöht;
denkbar
ist zum Beispiel die Kombination von Laserquellen gleicher Wellenlänge
mit unterschiedlicher Leistung aus verschiedenen Modulen über
diese Einheit (Bleichlaser, Manipulationslaser), oder auch breitbandig
emittierende Laserlichtquellen oder breitbandig durchstimmbare Laserlichtquellen
zusätzlich einzukoppeln.
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Optional
könnte zwischen Strahlvereinigung und AOTF bzw. Korrekturfaser
bzw. in der Strahlvereinigung noch ein Filterrad eingebaut werden,
um bei mehrfarbigen Lasern (z. B. Ar-Laser) gezielt nur eine Emissionslinie
auszuwählen (nicht dargestellt) Auch Shutter zur Unterdrückung
nicht verwendeter Laser können für jeden Port
einzeln oder/und für alle Ports gemeinsam am Ausgang angebracht
werden. Dies können sowohl sicherheitsrelevante Shutter
(Lasersicherheit) als auch funktionale Shutter sein. Ziel dieser
Shutter ist die vollständige Restlichtausblendung in entsprechend
kritischen Anwendungen, bei denen die Unterdrückung durch
einen AOTF nicht ausreicht (zum Beispiel bei der Fluoreszenz-Korrelations-Spektroskopie
(FCS)). Ein wesentliches Element der geschilderten Lösungsansätze
ist unter anderem die hochgenaue und reproduzierbare Steckung der individuell
fasergekoppelten Laser an die Strahlvereinigungseinheit. Die notwendige
Präzisionssteckung kann u. a. auf drei möglichen
Wegen erreicht werden.
- a) Verwendung von hochpräzisen
Fasersteckern mit separater Kollimationslinse. Die Buchsen am Strahlvereiniger
und die Faserstecker selbst müssen in diesem Fall so präzise
ausgeführt sein, dass sich der Lichtaustritt am Faserstecker
bei jeder Steckung immer nahezu am gleichen Ort befindet, und der
Strahl unter dem gleichen Winkel austritt – die Genauigkeit
wird dabei durch die Forderungen des weiteren Strahlverlaufs hinter
dem Strahlvereiniger vorgegeben. Um die Kollimation der Laserstrahlung
in einem definierten Bereich zu halten, muss ebenfalls die axiale
Position der Faser zur Kollimationsoptik entsprechend genau und
reproduzierbar sein.
- b) Verwendung von präzisen Fasersteckern mit integriertem
Kollimator – ähnlich wie bei a), jedoch ist die
Position der Faser zum Kollimator fixiert. Durch den im Stecker
integrierten Kollimator muss nur der Winkel des Steckers zur optischen Achse
sehr genau eingehalten werden, der Ort (laterale und axiale Position)
ist wegen des parallelen Strahlengangs hinter dem Kollimator relativ unkritisch.
- c) Faser-Faser-Steckung außerhalb der eigentlichen
Strahlvereinigung. Die Glasfaser wird fest mit der Spiegeltreppe
verbunden, bzw. wird nur einmal bei Erstmontage gesteckt. Die Strahlüberlagerung
wird dabei entweder über eine Justage der Spiegeltreppe,
oder über kinematische Lagerung des Faserendes durchgeführt.
Das freie Ende der Faser wird mit einem Präzisions-Faserstecker
versehen (z. B. FC-PC), so dass der fasergekoppelte Laser, der mit
einem gleichartigen Faserstecker versehen ist, über eine
Faserbuchse als Zwischenstück mit der fest am Strahlvereiniger
montierten Faser verbunden werden kann (direkter Kontakt beider
Faserkerne).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19702753
A1 [0001]
- - DE 19633185 A1 [0004]
- - JP 2003270543 [0005]