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Die Erfindung betrifft ein Lasersystem für ein Mikroskop. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Lasersystems für ein Mikroskop.
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Lasersysteme finden heutzutage in den unterschiedlichsten Gebieten der Technik ihre Anwendung. Dabei werden die Laser regelmäßig für Beleuchtungszwecke eingesetzt, bei denen präzise Punktlichtquellen großer Intensität benötigt werden. Insbesondere in der Konfokalmikroskopie ist es wichtig, dass ein mit dem Lasersystem erzeugter Lichtstrahl, insbesondere eine Beleuchtungslichtstrahl eines konfokalen Mikroskops, besonders präzise ist. Präzise bedeutet in diesem Zusammenhang und nachfolgend, dass eine Abweichung eines oder mehrerer Ist-Werte eines bzw. mehrerer Parameter des erzeugten Lichtstrahls von entsprechenden Soll-Werten der Parameter möglichst gering, vorzugsweise vernachlässigbar gering ist. Der oder die Parameter sind beispielsweise eine Polarisation, eine Wellenlänge, eine Strahlqualität und/oder eine Abweichung des Lichtstrahls von einem vorgegebenen Strahlverlauf. Darüber hinaus werden insbesondere in der Konfokalmikroskopie besonders hohe Anforderungen an die Stabilität der Intensität des Lichtstrahls gestellt. Die tatsächliche Intensität des Lichtstrahls soll somit möglichst wenig von einer vorgegebenen Intensität abweichen.
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Diesen Anforderungen wird regelmäßig Rechnung getragen, indem besonders teuere und aufwendige Lasersysteme mit äußerst präzise arbeitenden Bauelementen hergestellt werden.
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Aus der
DE 197 02 753 A1 ist ein Laserscanmikroskop mit einer Laseranordnung zur Beleuchtung einer Probe mit mehreren Wellenlängen und mindestens einer der Laseranordnung nachgeordneten Lichtleitfaser zur Übertragung des Beleuchtungslichtes auf die Probe sowie einer das Probenlicht detektierenden Detektorvorrichtung bekannt. Der Lichtleitfaser ist eine in Längsrichtung der optischen Achse verschiebbare Kollimationsoptik nachgeordnet ist, die für unterschiedliche Wellenlängen die Einstellbarkeit der Fokuslage in der Probe gewährleistet.
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Die
DE 10 2006 047 910 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb einer Laserdiode oder LED, insbesondere zum Betrieb in einem Laser-Scanning-Mikroskop, wobei zur Leistungsreduzierung die Lichtstrahlung gepulst wird und die mittlere Leistung durch Einstellung der Pulsform eingestellt wird.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lasersystem für ein Mikroskop und ein Verfahren zum Betreiben eines Lasersystems für ein Mikroskop zu schaffen, die bei geringen Herstellungskosten für das Lasersystem das Erzeugen eines besonders präzisen und/oder bezüglich der Intensität stabilen Lichtstrahls ermöglichen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Die Erfindung betrifft gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Lasersystem mit einem Lasermodul, das einen Lichtstrahl erzeugt. Der Lichtstrahl durchdringt eine Strahlkorrekturvorrichtung, die erfindungsgemäß einen Frequenzumsetzer umfasst, mittels dessen eine Abweichung eines Ist-Werts mindestens eines Parameters des Lichtstrahls von einem Soll-Wert des Parameters korrigiert wird, wobei mittels des Frequenzumsetzers erfindungsgemäß eine Frequenz des Lichtstrahls in eine vorgegebene Frequenz umgesetzt wird. Die Erfindung zeichnet sich zudem auch dadurch aus, dass der Strahlkorrekturvorrichtung ein Lichtleiter und ein Messelement nachgeschaltet sind, wobei der Lichtleiter den korrigierten Lichtstrahl auf das Messelement umlenkt und das Messelement einen Ist-Wert der Intensität zumindest eines Teilstrahls des korrigierten Lichtstrahls erfasst. Eine äußere Regeleinrichtung, die mit einer Energieversorgung des Lasermoduls und mit dem Messelement gekoppelt ist, regelt den Ist-Wert der Intensität auf einen vorgegebenen Soll-Wert der Intensität.
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Bei der Kompensation der Abweichung des Ist-Werts des Parameters von dem Sollwert des Parameters kann die Intensität des Lichtstrahls verändert, insbesondere verringert werden. Die Verwendung des Lichtleiters in Verbindung mit der Regelung der Intensität auf den vorgegebenen Soll-Wert der Intensität tragen dazu bei, dass der Lichtstrahl bezüglich seiner Intensität besonders stabil ist. Dass der Lichtstrahl stabil ist, bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Intensität des Lichtstrahls besonders wenig, vorzugsweise keine Abweichung von dem vorgegebenen Sollwert der Intensität hat. Dabei umfasst die Abweichung auch Schwankungen des entsprechenden Ist-Werts des Parameters um einen anderen Wert. Ferner umfasst die Abweichung auch Drifteffekte des entsprechenden Parameterwerts, die beispielsweise aufgrund von Temperatur, Alterung oder Verschleiß des Lasersystems auftreten. Der Soll-Wert der Intensität ist beispielsweise fest vorgegeben oder wird von einer Anwendungsvorrichtung vorgegeben, die das Lasersystem nutzt.
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Mit der Strahlkorrekturvorrichtung können beispielsweise Abweichungen der Wellenlänge, der Polarisation, der Strahlqualität und/oder der Strahllage, also des tatsächlichen Strahlverlaufs des erzeugten Lichtstrahls gegenüber einem vorgegebenen Strahlverlauf, ausgeglichen werden. Dabei kann der Lichtleiter auch als Element der Strahlkorrekturvorrichtung angesehen werden, insbesondere zur Korrektur des Strahlverlaufs. Dies ermöglicht es, für das Lasersystem relativ preisgünstige Bauelemente, beispielsweise das Lasermodul und/oder die Strahlkorrekturvorrichtung, zu verwenden und dennoch einen derart präzisen und stabilen Lichtstrahl zu erzeugen, dass das Lasersystem als Lichtquelle in einem Mikroskop, insbesondere in einem Konfokalmikroskop verwendbar ist.
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Die Strahlkorrekturvorrichtung umfasst zumindest ein, vorzugsweise mehrere weitere Kompensationselemente. Die Kompensationselemente sind beispielsweise eine Blende, ein Pinhole, der Lichtleiter, ein Wellenlängenfilter und/oder ein Polfilter. Der Lichtleiter ist vorzugsweise als Monomode-Glasfaser ausgebildet, wobei der Kerndurchmesser der Monomode-Glasfaser vorzugsweise im Bereich der Wellenlänge des Lichtstrahls liegt, da dann das axiale Ende des Lichtleiters als Punktlichtquelle angesehen werden kann. Die Blende und der Lichtleiter tragen dazu bei, dass lediglich geringe und vorzugsweise gar keine Abweichungen im Strahlverlauf des Lichtstrahls auftreten. Insbesondere kann dadurch sichergestellt werden, dass der tatsächliche Strahlverlauf des Lichtstrahls dem vorgegebenen Strahlverlauf des Lichtstrahls entspricht. Zusätzlich garantieren das Pinhole und der Lichtleiter eine gleichbleibend hohe Strahlqualität. Der Wellenlängenfilter korrigiert Abweichungen der Wellenlänge und der Polfilter korrigiert Abweichungen der Polarisation. Das Pinhole kann dazu beitragen, die Strahlqualität zu erhöhen.
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Das Lasermodul umfasst vorzugsweise einen Halbleiterlaser, der beispielsweise eine oberflächenemittierende oder kantenemittierende Laserdiode umfasst.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das Lasersystem eine innere Regeleinrichtung. Die innere Regeleinrichtung regelt einen Ist-Wert des Stroms durch das Halbleitermodul auf einen Soll-Wert des Stroms. Die Soll-Werte des Stroms werden von der äußeren Regeleinrichtung vorgegeben.
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Die Erfindung betrifft gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Lasersystems für ein Mikroskop. Dabei wird mit Hilfe eines Lasermoduls der Lichtstrahl erzeugt und eine Abweichung des Ist-Werts mindestens eines Parameters des Lichtstrahls von einem Soll-Wert des Parameters korrigiert, indem mittels eines Frequenzumsetzers eine Frequenz des Lichtstrahls in eine vorgegebene Frequenz umgesetzt wird. Dabei zeichnet sich die Erfindung gemäß dem zweiten Aspekt zudem auch dadurch aus, dass der korrigierte Lichtstrahl in den Lichtleiter eingekoppelt wird und nachfolgend der Ist-Wert der Intensität des korrigierten Lichtstrahls erfasst wird und dass mit Hilfe der Energieversorgung des Lasermoduls der Ist-Wert der Intensität auf den Soll-Wert der Intensität geregelt wird.
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Die Lichtintensität der Lichtquelle kann dann einfach moduliert werden, indem der Soll-Wert der Intensität dynamisch, als veränderlich, vorgegeben wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine erste Ausführungsform eines Lasersystems, die nicht erfindungsgemäß ausgestaltet ist.
- 2 eine zweite Ausführungsform des Lasersystems, das erfindungsgemäß ausgestaltet ist,
- 3 ein Mikroskop mit dem Lasersystem.
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Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt ein Lasersystem 20, das insbesondere als Lichtquelle in einem Mikroskop, beispielsweise einem konfokalen Scan-Mikroskop dient. Das Lasersystem 20 umfasst ein Lasermodul 22, eine Strahlkorrekturvorrichtung 26, ein Messelement 34 und eine äußere Regeleinrichtung 37.
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Das Lasermodul 22 erzeugt einen Lichtstrahl 24. Der Lichtstrahl 24 durchläuft die Strahlkorrekturvorrichtung 26. Die Strahlkorrekturvorrichtung 26 umfasst zwei Kompensationselemente. Die Kompensationselemente sind ein Lichtleiter 31 und ein Wellenlängenfilter 33, die der Lichtstrahl 24 durchdringt. Die Strahlkorrekturvorrichtung 26 hat eine Kollimatoroptik 35. Der Lichtstrahl 24 ist über die Kollimatoroptik 24 auf den Wellenlängenfilter 33 gerichtet. Nach dem Wellenlängenfilter 33 ist der Lichtstrahl 24 über die Fokussieroptik 43 auf ein axiales Ende des Lichtleiters 31 gerichtet und ist in diesen eingekoppelt. Ein korrigierter Lichtstrahl 28 verlässt an einem anderen axialen Ende des Lichtleiters 31 den Lichtleiter 31 und die Strahlkorrekturvorrichtung 26 und trifft auf eine Linse 29. Nach der Linse 29 trifft der korrigierte Lichtstrahl 28 auf einen teildurchlässigen ersten Spiegel 30, der auch als Strahlteiler bezeichnet werden kann. Der erste Spiegel 30 lenkt einen korrigierten ersten Teillichtstrahl 32 auf ein Messelement 34 und lässt einen korrigierten zweiten Teillichtstrahl 38 durch, welcher nachfolgend auf eine Anwendungsvorrichtung 40 gerichtet ist. Das Messelement 34 ist elektrisch mit der äußeren Regeleinrichtung 37 gekoppelt, die wiederum mit dem Lasermodul 22 elektrisch gekoppelt ist. Die Anwendungsvorrichtung 40 ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein konfokales Scan-Mikroskop.
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Die Kollimatoroptik 24 kollimiert den Lichtstrahl 24 vor Auftreffen auf den Wellenlängefilter 33. Der Wellenlängenfilter 33 ist vorzugsweise ein schmalbandiger Bandpassfilter zum Ausschneiden eines interessierenden Wellenlängenbereichs und eignet sich zum Korrigieren einer Abweichung eines Ist-Werts der Wellenlänge des Lichtstrahls 24 von einem vorgegebenen Soll-Wert der Wellenlänge. Die Fokussieroptik 43 fokussiert den Lichtstrahl 24 auf den Lichtleiter 31, so dass der Lichtstrahl 24 in den Lichtleiter 31 eingekoppelt wird. Der Lichtleiter 31 korrigiert eine Abweichung eines Ist-Werts eines Strahlverlaufs des Lichtstrahls 24 von einem vorgegebenen Soll-Wert des Strahlverlaufs. In anderen Worten entspricht nach dem Lichtleiter 31 ein tatsächlicher Strahlverlauf des Lichtstrahls 24 zumindest näherungsweise einem vorgegebenen Strahlverlauf des Lichtstrahls 24. Das Messelement 34 erfasst einen Ist-Wert einer Intensität des ersten Teilstrahls 32. Dazu umfasst das Messelement 34 beispielsweise eine Photodiode 27. Der Ist-Wert der Intensität wird nun einer äußeren Regeleinrichtung 37 zugeführt. Die Regeleinrichtung bewirkt, dass beispielsweise eine Laserdiode 47 des Lasermoduls 22 genau so mit Energie versorgt wird, dass sich der Ist-Wert der Intensität an einen Soll-Wert der Intensität annähert oder dem Soll-Wert der Intensität entspricht. Die Laserdiode 47 ist vorzugsweise so dimensioniert, dass eine ausreichende Regelreserve zur Verfügung steht.
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Alternativ kann die Strahlkorrekturvorrichtung 26 mehr oder weniger Kompensationselemente umfassen. Beispielsweise kann die Strahlkorrekturvorrichtung 26 eine Blende oder, wie anhand von 2 weiter unten näher erläutert, einen Frequenzumsetzer 45 und/oder einen Polfilter 49, der zusätzlich oder alternativ zu dem Wellenlängenfilter 35 angeordnet sein kann, umfassen. Ferner kann auf die Fokussieroptik 43 und/oder auf die Kollimatoroptik 24 verzichtet werden oder es können eine oder mehrere zusätzliche Fokussieroptiken 43 oder Kollimatoroptiken 24 angeordnet sein.
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Die Blende, die beispielsweise alternativ oder zusätzlich zu dem Lichtleiter 31 angeordnet sein kann, bewirkt wie der Lichtleiter 31, dass der Strahlverlauf des Lichtstrahls 24 nach der Strahlkorrekturvorrichtung 26 exakt dem vorgegebenen Strahlverlauf entspricht. Der Polfilter 49 korrigiert Abweichungen eines Ist-Werts der Polarisation des Lichtstrahls 24 von einem vorgegebenen Soll-Wert der Polarisation. Das Anordnen eines Pinholes, das zusätzlich zu dem Lichtleiter 31 angeordnet sein kann, trägt wie der Lichtleiter 31 dazu bei, dass Ist-Werte der Strahlqualität und der Strahllage möglichst wenig von vorgegebenen Soll-Werten der Strahlqualität bzw. Strahllage abweichen.
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Die Wellenlänge, die Polarisation, die Strahllage und die Strahlqualität des Lichtstrahls 24 sind Parameter des Lichtstrahls 24. Die Abweichungen eines der Parameterwerte umfassen auch Schwankungen des entsprechenden Parameterwerts um einen anderen Wert. Insbesondere sind mit Abweichungen auch Drifteffekte gemeint, die aufgrund von Temperaturveränderungen, Alterung und/oder Verschleiß der Komponenten des Lasersystems 20 auftreten. Insbesondere umfassen die Drifteffekte Veränderungen der Effizienz der Laserdiode, des Wellenlängenspektrums des erzeugten Lichts, der Strahlform des Lichtstrahls 24, der Energieverteilung innerhalb des Lichtstrahls 24, der Richtung des Lichtstrahls 24, der Qualität der Fokussierung oder Kollimierung des Lichtstrahls 24 etc.
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Die Komponenten des Lasersystems 20 wirken so zusammen, dass der korrigierte Lichtstrahl 38 besonders präzise und bezüglich seiner Intensität stabil ist. Dass der Lichtstrahl besonders präzise ist bedeutet, dass Ist-Werte der Wellenlänge, der Polarisation, der Strahllage und/oder der Strahlqualität vorzugsweise keine oder möglichst geringe Abweichungen von entsprechenden Soll-Werten haben. In anderen Worten werden die Drifteffekte und/oder Schwankungen der einzelnen Parameter in Intensitätsschwankungen übersetzt und über die Emission der Laserdiode 47 ausgeregelt. Dadurch können einfache und günstige Komponenten für das Lasersystem 20 verwendet werden, ohne dass der korrigierte Lichtstrahl 38 an Präzision und Stabilität verliert. Somit kann das Lasersystem 20 besonders preisgünstig hergestellt werden und ermöglicht dennoch das Erzeugen eines besonders präzisen und stabilen Lichtstrahls und so den Einsatz des Lasersystems 20 in Geräten, bei denen hohe Anforderungen an die verwendete Lichtquelle gestellt werden.
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2 zeigt eine Ausführungsform des Lasersystems 20 mit einer inneren Regeleinrichtung 41. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind anstatt des Wellenlängenfilters 33 der Polfilter 49 und der Frequenzumsetzer 45 als Kompensationselemente in der Strahlkorrekturvorrichtung 26 angeordnet.
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Die innere Regeleinrichtung 41 bewirkt, dass ein Ist-Wert des Stroms zum Versorgen der Laserdiode 47 möglichst genau dem Soll-Wert des Stroms entspricht. Die innere Regeleinrichtung 41 erfasst den Ist-Wert des Stroms, vergleicht diesen mit dem Soll-Wert des Stroms und regelt den Ist-Wert des Stroms mittels einer Energieversorgung 39 der Laserdiode 47 auf den Soll-Wert des Stroms. Der Frequenzumsetzer 45 bewirkt, dass eine Frequenz des Lichtstrahls 24 in eine vorgegebene Frequenz umgesetzt wird. Beispielsweise kann der Frequenzumsetzer die Frequenz des Lichtstrahls 24 verdoppeln. Alternativ dazu kann zusätzlich noch der Wellenlängenfilter 33 angeordnet sein.
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Die Intensität des Lichtstrahls 24, der von der Laserdiode 47 erzeugt wird, und damit auch des korrigierten Lichtstrahls 38 hängt unter anderem von dem Strom ab, der durch die Laserdiode 47 fließt. Beispielsweise wird von der äußeren Regeleinrichtung 37 ein Soll-Wert des Stroms vorgegeben. Ferner kann der Soll-Wert der Intensität des Lichtstrahls 24 fest vorgegeben sein, von der Anwendungsvorrichtung 40 vorgegeben werden oder zumindest durch diese bestimmt sein.
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3 zeigt ein weiteres konfokales Scan-Mikroskop, das als Lichtquelle das Lasersystem 20 hat. Der korrigierte Lichtstrahl 38 ist über eine erste Blende 42 und über einen zweiten teildurchlässigen Spiegel 44, der vorzugsweise als dichroitischer Strahlteiler ausgebildet ist, auf eine Umlenkvorrichtung 46 gerichtet. Die Umlenkvorrichtung ist ein Scanmodul, das den präzisen Lichtstrahl 38 nacheinander auf unterschiedliche zu untersuchende Bereiche einer Probe 50 umlenkt, so dass mit dem präzisen Lichtstrahl 38 ein zu untersuchender Bereich der Probe 50 gemäß einem vorgegebenen Abtastmuster abgetastet werden kann. Das Abtastmuster ist mäanderförmig. Bevor der präzise Lichtstrahl 38 auf die Probe 50 gerichtet wird, wird dieser mittels einer weiteren Fokussieroptik 48 auf die Probe 50 fokussiert.
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Alternativ oder zusätzlich zu der Umlenkvorrichtung 46 kann die weitere Fokussieroptik 48 oder zumindest eine Linse der weiteren Fokussieroptik 48 mit einer Aktoranordnung derart gekoppelt sein, dass die Aktoranordnung ein gezieltes Bewegen der Linse relativ zu dem korrigierten Lichtstrahl 38 und/oder relativ zu einem Gehäuse der Fokussieroptik 48 oder des Mikroskopgehäuses ermöglicht. Falls die Linse in der Ebene bewegt wird, so bewegt sich auch ein Fokuspunkt der Linse in der Ebene. Somit kann die Scanfunktion zum Umlenken des korrigierten Lichtstrahls 38 durch Bewegen der Fokussieroptik 48 oder zumindest der Linse der Fokussieroptik 48 in einer Ebene realisiert werden.
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Von der Probe 50 geht ein Detektionslichtstrahl 52 aus, der bis hin zum zweiten Spiegel 44 den gleichen Strahlverlauf wie der korrigierte Lichtstrahl 38 hat und der von dem zweiten Spiegel 44 über eine zweite Blende 54, insbesondere ein Pinhole, auf einen Detektor 56 gerichtet wird.
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Die Erfindung ist nicht auf die angegebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Beispielsweise kann das Lasersystem 20 als Lichtquelle für unterschiedlichste Geräte verwendet werden, bei denen Kosten gespart werden müssen und dennoch präzise und stabile Lichtstrahlen besonders benötigt werden, insbesondere für beliebige Mikroskope, insbesondere ein Scan-Mikroskop oder einen Laserscanner.
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Bezugszeichenliste
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- 20
- Lasersystem
- 22
- Lasermodul
- 24
- Lichtstrahl
- 26
- Strahlkorrekturvorrichtung
- 27
- Photodiode
- 28
- korrigierter Lichtstrahl
- 29
- Linse
- 30
- erster Spiegel
- 31
- Lichtleiter
- 32
- korrigierter erster Teillichtstrahl
- 33
- Wellenlängenfilter
- 34
- Messelement
- 35
- Kollimatoroptik
- 36
- Ist-Wert Intensität
- 38
- korrigierter zweiter Teillichtstrahl
- 39
- Energieversorgung
- 40
- Anwendungsvorrichtung
- 41
- innere Regeleinrichtung
- 42
- erste Blende
- 43
- Fokussieroptik
- 44
- zweiter Spiegel
- 46
- Umlenkvorrichtung
- 47
- Laserdiode
- 48
- weitere Fokussieroptik
- 49
- Polfilter
- 50
- Probe
- 52
- Detektionslichtstrahl
- 54
- zweite Blende
- 56
- Detektor
