DE3704338A1 - Einrichtung zur erzeugung verschiedener laserwellenlaengen aus demselben lasermedium - Google Patents
Einrichtung zur erzeugung verschiedener laserwellenlaengen aus demselben lasermediumInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung ver
schiedener Laserwellenlängen aus demselben Lasermedium unter
Verwendung von Resonatorspiegeln.
Bisher erfolgt der Wechsel zwischen verschiedenen Laserwel
lenlängen aus einem Lasermedium (z. B. Ar+-, Kr+-, Nd:YAG-
Laser) durch Auswechseln der Resonatorspiegel bzw. durch
Einfügen frequenzselektiver Elemente in den Laserresonator
(z. B. Dye-Laser). Als frequenzselektive Elemente in diesem
Sinne sind beipielhaft zu nennen Prismen oder doppelbre
chende Filter (Lyot-Filter), Fabry-Perot-Filter oder Gas
druckzellen. Der gewünschte Effekt wird durch Verkippen oder
Verdrehen der Bauelemente bzw. durch Veränderung des Gas
druckes erreicht.
Limitierend für den durch diese genannten Elemente erzielba
ren Durchstimmbereich sind die spektralen Breiten der durch
die Resonatorspiegelbeschichtungen ermöglichten Laseremis
sionsbedingungen. Sind die Erfordernisse des Anwenders nicht
durch das Standardangebot von Resonatorspiegeln zu erfüllen,
ist eine kosten- und zeitaufwendige Entwicklung von speziel
len Resonatorspiegelbeschichtungen notwendig. Die erreich
bare Geschwindigkeit eines Umschalters zwischen verschiede
nen Laserwellenlängen wird durch die relativ großen erfor
derlichen mechanischen Stellwege begrenzt. Bei der Verwen
dung frequenzselektiver intra-cavity-Elemente kann anderer
seits immer nur ein sehr schmaler Spektralbereich zu einer
bestimmten Zeit zur Emission gebracht werden. Eine Lichtin
tensitätssteuerung und -regelung erfolgt üblicherweise durch
Veränderung der Pumpleistung oder zusätzliche intra-cavity-
Elemente (z. B. Irisblende). Eine Lichtintensitätsregelung
ist zwar mit diesen Methoden durchführbar, erfordert aber
zusätzlichen technischen Aufwand oder ist nur in engen Gren
zen und/oder mit geringer Regelgeschwindigkeit möglich
(Spectra-Physics, USA; Instruction Manual 171 Ion Laser
(C/171 9/77)).
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einrichtung der
e. g. Art derart auszubilden, daß möglichst unter Verwendung
von Standard-Resonatorspiegeln eine beliebige vorgebbare
Kombination von Laserwellenlängen simultan oder mindestens
sehr schnell (Umschaltzeit 1 ms) wechselbar und lichtin
tensitätsgeregelt zur Emission gebracht werden kann.
Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspru
ches 1 beschrieben.
Die übrigen Ansprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen
der Erfindung dar.
Bei der Erfindung ist demnach vorgesehen, daß mehrere Reso
natorspiegel in linearer Anordnung justiert und die Resona
torstrecken außerhalb des Lasermediums für verschiedene
Laserwellenlängen entkoppelt werden, wobei durch elektrome
chanische Justage in einem geschlossenen Regelkreis die
Lichtintensität der verschiedenen Laserwellenlängen getrennt
auf Sollwerte geregelt werden kann.
Als wesentlich für die erfindungsgemäße Einrichtung werden
folgende Punkte angesehen:
- - Kombination von mehr als zwei Standard-Resonatorspiegeln in linearer Anordnung,
- - spektrale Verteilung der emittierten Laserwellenlängen breiter als bei Verwendung von nur zwei Resonatorspiegeln,
- - hohe Schalt- und Regelfrequenz durch kurze Stellwege bzw. Einsatz nicht mechanisch arbeitender Elemente,
- - Umschaltung und Lichtintensitätsregelung mehrerer im Prin zip beliebiger Laserwellenlängen (-gruppen) aus einem Lasermedium.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe
sondere darin, daß durch Kombination standardgemäßer Resona
torspiegel ohne aufwendige Neuentwicklung von Resonatorspie
gelbeschichtungen die Emission zusätzlicher Laserwellenlän
gen (-gruppen) möglich wird. Da dieses Ziel ohne Verwendung
mehrerer Lasermedien erreicht wird, bleibt der apparative
Aufwand im Vergleich zu Systemen, die beispielsweise mit
mehreren Farbstofflasern arbeiten, gering. Des weiteren kann
nicht nur zwischen beliebigen einzelnen Laserwellenlängen,
sondern auch zwischen Laserwellenlängengruppen umgeschaltet
werden und dies darüber hinaus mit größerer Geschwindigkeit
als bisher und mit in weitem Bereich auch extern steuerbarer
Frequenz. Die Erfindung ermöglicht außerdem die Anwendung
einer einfachen Art der Lichtintensitätsregelung und Rausch
unterdrückung in einem geschlossenen Regelkreis, sowie eine
gepulste oder beliebig intensitätsmodulierte Laserlicht
emission. Alle dargelegten Funktionen sind darüber hinaus
von gebräuchlichen Laborrechnern ohne großen zusätzlichen
Aufwand ansteuerbar. Damit wird eine Integration des modifi
zierten Lasersystems in nachgeschaltete Experimente möglich
(z. B. Fluoreszenz-Diagnose). Durch die bereits genannten
erzielbaren Vorteile ergibt sich die Möglichkeit, durch
geringfügige Modifikation in den Standard-Resonatorspiegel
sätzen und serienmäßigen Einbau der der Erfindung zugrunde
liegenden Einrichtung, die Anwenderforderungen hinsichtlich
Verwendung mehrfarbiger oder laserwellenlängenumschaltbarer
und lichtintensitätsregelbarer Lasersysteme wesentlich um
fassender und kostengünstiger als bisher möglich zu erfül
len.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei
spielen mittels der Fig. 1-6 näher erläutert, wobei die
Figuren den schematischen Aufbau optischer bzw. mechano-
elektro-optischer Einrichtungen darstellen.
Durch die in Fig. 1 beispielhaft gezeigte lineare Anordnung
von vier Resonatorspiegeln 1-4 kann erreicht werden, daß
die Laseremissionsbedingungen für mehrere λ₁, λ₂ oder alle
Laserwellenlängen der sonst nur wahlweise möglichen Laser
wellenlängen aus dem Lasermedium 7 durch die Resonatorspie
gelkombination 1 und 3 bzw. 2 und 4 gleichzeitig erfüllt
werden. Die Bedingung hierfür ist ggf. lediglich die Ent
spiegelung der rückseitigen (mit Pfeil gekennzeichneten)
Oberflächen 5, 6 der Resonatorspiegel 2 und 3, die in diesem
Beispiel jeweils Resonatorbegrenzung für eine mögliche La
serwellenlängen (-gruppen) λ₁ bzw. g₂ darstellen, während
sie für die jeweils andere Laserwellenlänge (-gruppe) ein
intra-cavity-Element darstellen und deshalb möglichst gerin
ge Verluste für diese Wellenlängen aufweisen sollten.
Strichliert hervorgehoben ist in Fig. 1 jeweils nur der
resonatorinterne Bereich für die beiden Laserwellenlängen
(-gruppen λ₁, λ₂). Durch die Wahl der Positionierung der für
eine Lichtemission aus dem jeweiligen Resonator heraus benö
tigten teildurchlässigen Resonatorspiegel 5, 6 können die
beiden Laserwellenlängen (-gruppen) am gleichen oder an den
gegenüberliegenden Enden der Gesamtanordnung austreten.
Zwecks Justierbarkeit werden die Resonatorspiegel 1-4
zweckmäßigerweise auf unabhängig voneinander feinjustierbare
x/y-Justierfassungen (nicht dargestellt) montiert.
Durch Einfügen weiterer Resonatorspiegel in die Anordnung
können weitere Laserwellenlängen (-gruppen) zur Emission
gebracht werden. Durch Wahl oder Anfertigung geeigneter
Resonatorspiegelbeschichtungen können auch zwei oder mehrere
der Resonatorspiegel durch einen einzigen Resonatorspiegel
ersetzt werden.
Die Aufgabe des Umschaltens und Lichtintensitätsregeln kann
prinzipiell auf verschiedene Art und Weise gelöst werden.
Das Prinzip ist anhand der in Fig. 2 dargestellten Anordnung
für zwei Laserwellenlängen (-gruppen) mit Piezotranslatoren
8, 9 beispielhaft erläutert:
Alle Resonatorspiegel 1-4 sind wieder in unabhängig von
einander feinjustierbaren x/y-Verstelleinheiten montiert,
die horizontalen (oder vertikalen) Verkippungen der Resona
torspiegel 1 und 4 zusätzlich mit Piezotranslatoren 8, 9
elektromechanisch ansteuerbar. Spiegel 1 und 2 sind bei
spielsweise auf der linken Seite des Lasermediums 7 angeordnet;
die Laserwellenlänge λ₂ kann die Gesamtanordnung eben
falls auf dieser Seite verlassen.
Über einen Teilerspiegel 10 wird ein geringer Prozentsatz
als Teilstrahl 11 der ausgekoppelten Lichtintensität auf
einen Photodetektor 12 gelenkt. Das vom Photodetektor 12
erzeugte elektrische Signal 13 dient als Ist-Wert für die
Regelelektronik 14.
Die auskoppelbare Laser-Lichtintensität 11 hängt von der
Güte des optischen Resonators, in dem sich das Lasermedium 7
befindet, ab. Die Güte des optischen Resonators hängt auch
unter anderem von der Parallelität der Resonatorspiegel 1-4
ab und kann durch eine gezielte Dejustage der Resonator
spiegel aus der Optimalstellung auf jeden Wert zwischen Null
und Maximum eingestellt werden.
Der Ist-Wert 13 vom Photodetektor 12 wird nun mit einem
intern oder extern vorgegebenen und veränderbaren Soll-Wert
verglichen und die Ansteuerung 15, 16 der Piezotranslato
ren 8, 9 so angesteuert, daß eine Veränderung des Kippwin
kels der mit den Piezotranslatoren 8, 9 verbundenen Resona
torspiegel 1 bzw. 4 zu einer Veränderung der emittierten
Lichtintensität führt, derart, daß die Regelabweichung mini
miert wird.
Durch interne oder externe Schaltimpulse wird zwischen den
beiden Ansteuerungen 15 und 16 umgeschaltet. Der Resonator
spiegel, der jeweils nicht zur Emission beitragen soll, wird
in eine Position gebracht (stark dejustiert), die keine
Laserlichtemission zuläßt, während die Regelung auf Soll-
Wert für die andere Laserwellenlänge jeweils mit der anderen
Ansteuerung erfolgt.
Auch diese Einrichtung ist durch Hinzufügen weiterer piezo
translatorenangesteuerter Resonatorspiegel auf weitere
Laserwellenlängen (-gruppen) ausdehnbar. Wieder können ggf.
zwei oder mehrere Einzel-Resonatorspiegel durch einen geeig
net beschichteten Resonatorspiegel ersetzt werden.
Neben dem in Fig. 2 geschilderten Beispiel einer Güteverän
derung des optischen Resonators mittels Piezoelement-ge
steuerter Resonatorspiegel sind auch folgende, in den Fig. 3-6
dargestellte Varianten denkbar:
In der in Fig. 3 dargestellten Einrichtung erfolgt die
Umschaltung zwischen den Laserwellenlängen (-gruppen) und
deren Lichtintensitätsregelung mit Hilfe einer Pockelzelle
17 und einer Verzögerungsplatte 18. Da der Grad der Änderung
der Polarisationsrichtung von polarisiertem Laserwellenlän
gen abhängig ist, werden unterschiedliche Laserwellenlängen
nach Durchtritt durch die Pockelzelle 17 unterschiedlich
stark elliptisch polarisiert auf die Verzögerungsplatte 18
auftreffen, die bei entsprechender Dicke Licht bestimmter
elliptischer Polarisation und Wellenlänge wieder in linear
polarisiertes Licht umwandelt. Durch Wahl einer Spannung an
der Pockelzelle 17, die die Polarisation des durchtretenden
Lichts mindestens einmal um 360 Grad dreht, kann die o. g.
Bedingung wellenlängenselektiv und von der Spannung an der
Pockelzelle 17 abhängig erzielt werden. Durch geringfügigere
Änderungen der Spannung an der Pockelzelle 17 kann wieder
eine Lichtintensitätsregelung vorgenommen werden. Daraus
ergibt sich der
Vorteil, daß keine mechanischen Stellwege
zur Umschaltung und Regelung notwendig sind, aber auch der
Nachteil, daß mehr verlustbehaftete Oberflächen im Resonator
vorliegen und eine manuelle Justage der Resonatorspiegel
notwendig wird.
Die Fig. 4 zeigt eine Anordnung mit einem Prisma 19 als
wellenlängenselektivem Element und die zwei mittels der
Piezoelemente 20, 21 angesteuerten Resonatorspiegel 3, 4,
mit denen das Umschalten und Regeln erfolgt, wobei die
beiden Resonatorspiegel 3 und 4 auf der gleichen, dem Laser
medium abgewandten Seite des Prismas 19 liegen. Ein Vorteil
ergibt sich dadurch, daß weniger intra-cavity-Elemente, die
nicht im Brewsterwinkel angeordnet sind, notwendig sind,
während der Nachteil entsteht, daß die Grundjustage nur mit
wellenlängengleichem Justagelaser ohne großen Aufwand mög
lich ist.
Die Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der das Umschalten und
Regeln mit zwei verlustarmen Lichtmodulatoren aus jeweils
einer Pockelzelle 22, 23 mit Polarisatoren 24, 25 im entkop
pelten Teil der Resonatorstrecke erfolgt. Kann auf eine
Lichtintensitätsregelung (über Reglereinheit 26) zumindest
einer Laserwellenlänge verzichtet werden, können die Licht
modulatoren 22-25 auch durch ein in den Strahlengang
kippbares Glasplättchen bzw. Graufilter anstelle Pockelzelle
22 und eine verschließbare Blende oder ähnliches anstelle
Pockelzelle 23 ersetzt werden. Der Vorteil besteht darin,
daß keine mechanischen Schalt- und Regelwege bei Verwendung
der Pockelzellen 22, 23 notwendig werden, während der Nach
teil bleibt, daß viele intra-cavity-Elemente bei Verwendung
der Pockelzellen vorliegen und mindestens eine Laserwellen
länge nicht lichtintensitätsregelbar bei der einfachen Va
riante ist.
Die Fig. 6 zeigt eine Möglichkeit, wie durch Verwendung von
Lichtmodulatoren, wie die Kombinationen Pockelzelle 22 bzw.
24 zu Polarisator 23 bzw. 25 gemäß Fig. 5, auf einfache Art
und Weise ein Umschalten verschiedener Laserwellenlängen λ₁-
λ₃ möglich ist, wenn diese sich durch ihren Verstärkungs
faktor im Lasermedium 7 unterscheiden. Die Resonatorspiegel
1-4 werden dann so angeordnet, daß der Resonatorspiegel
(z. B. 2) mit der Beschichtung für die schwächste Laserwel
lenlänge innen, der (z. B. 4) mit der Beschichtung für die
stärkste Laserwellenlänge außen sitzt.
Bei entsprechender Synchronisierung können die aufgeführten
Steuerungen mit den Reglereinheiten 14-16, 26, 27 auch für
quasi-kontinuierliche Laser eingesetzt werden, die Impuls
züge emittieren, z. B. Kupfer-Dampflaser. Die Umschaltung
auf verschiedene Wellenlängen kann sogar bei Einzelimpulsla
sern jeweils von Impuls zu Impuls erfolgen. Ein weiteres
mögliches Anwendungsgebiet liegt auf dem Gebiet der Krimina
listik mit laserinduzierten Fluoreszenzuntersuchungen von
Fingerabdrücken, Fasern, Farben, Dokumenten, Bildern und
Gemälden.
Im folgenden ist ein Anwendungsbeispiel, die hämatoporphy
rinderivat-unterstützte Fluoreszenzdiagnose mit zwei Wellen
längen-Anregung aufgeführt. Hierbei wird von der in Fig. 2
dargestellten Anordnung ausgegangen. Die dort bezeichneten
Komponenten sind folgendermaßen spezifiziert:
v = violett= 406.7 nm + 413.1 nm + 415.4 nm
b = blau= 468.0 nm + 476.2 nm + 482.5 nm
Durch ausnahmlose Verwendung von standardmäßigen Resonator
spiegeln werden die theoretisch optimalen Werte nicht er
reicht und wäre die Entkopplung der Resonatorstrecken nicht
vollständig. Etwa optimal wären folgende Refl. (%):
Das Lasermedium 7 ist Krypton Gas (Coherent Krypton Ion
Laser CR 3000 Innova); der Auskoppelspiegel 10 ein einfaches
Glasplättchen. Ein verschiebbarer Graukeil (nicht darge
stellt) vor der Photodiode 12 ermöglicht eine Anpassung der
Lichtintensität von Teilstrahl 11 auf die Empfindlichkeit
der Photodiode. Das elektrische Signal 13 wird im Gehäuse
der Einheit 14 zunächst einem Meßverstärker zugeführt. Die
so aufbereitete "Lichtintensität" wird mit einer potentiome
tereinstellbaren Sollwertspannung verglichen und mittels
PID-Reglerstufen (in Operationsverstärkerbauweise) ein Re
gelsignal erzeugt. Dieses Regelsignal steuert die Piezotrei
ber 15, 16 (Burleigh PZ 150 amplifier, 0-10 V→0-150 V)
an und zwar derart, daß die von den Piezoelementen (Bur
leigh PZO 030, Hub 30 µm) schließlich ausgeführte Verände
rung der Parallelstellung der betroffenen Resonatorspiegel
die Lichtintensität so ändert, daß der Unterschied zwischen
meßverstärktem Signal 13 und Sollwertspannung kleiner wird.
Elektronische Schalter sorgen für Umschaltung der Regelwege
zwischen den beiden Piezotreibern und korrespondierenden
Sollwertgebern. Weitere Schaltungselemente ermöglichen einen
"Suchlauf" (=sägezahnartiges Scannen über den gesamten
Auslenkungsbereich) bei noch nicht gegebener (Einschalten)
oder durch starke Störungen verlorengegangener Lichtemis
sion. Umschaltsignal und Sollwertspannung können auch extern
vorgegeben werden. Im Anwendungsfall geschieht dies über
einen Computer angeschlossene digitale und analoge Ausgabe
boards (Eltec: E3-221 (Motorola MC 68010), APAL-1, ADDA-1).
Synchron mit den vom Computer generierten Lasereinstellungs
werten wird eine Bildverstärkerkamera zur ortsaufgelösten
Fluoreszenzdetektion angsteuert und das von der Kamera
erzeugte Videosignal digital gespeichert (256×256 Pixel
mit je 7 bzw. 8 bit Grauwerttiefe). Anschließend erfolgt
Wellenlängenumschaltung und Speicherung des nun mit der ande
ren Wellenlänge angeregten Fluoreszenzbildes. Zur Darstellung
kommt ein Differenzbild, das die Verteilung derjenigen
Substanzen (hier des Tumormarkers Hämatoporphyrin-Derivat)
am kontrastreichsten widerspiegelt, deren Fluoreszenzanre
gungsstärken sich bei den beiden Anregungswellenlängen am
stärktsten voneinander unterscheiden.
Weitere bisher erreichte Spezifikationen des Zweiwellenlängen-
Lasersystems sind:
Leistung:max: v: 1.5 W b. 0.15 W
geregelt:max: v: 1.1 W b. 0.12 W
Umschaltzeit:<1 ms
Umschaltfrequenz:0 - 600 Hz
Rauschunterdrückung: 0 - 150 Hz 20 dB
150 - 500 Hz 10 dB.
150 - 500 Hz 10 dB.
Insbesondere für die Ausgangsleistung im blauen Spektralbe
reich sind noch Reserven vorhanden durch Einsatz eines im
Blauen hochreflektierenden Resonatorspiegels anstelle von
Resonatorspiegel 3 und eines höher reflektierenden Spiegels
anstelle von Resonatorspiegel 1.
Claims (5)
1. Einrichtung zur Erzeugung verschiedener Laserwellenlängen
aus demselben Lasermedium unter Verwendung von Resonator
spiegeln, gekennzeichnet durch
- a) eine lineare Anordnung der Resonatorspiegel (1-4) außerhalb des Lasermediums (7), wobei
- b) ein Teil der Resonatorspiegel (2, 3) derart ausgebil det ist, daß sie
- c) für eine bestimmte Laserwellenlänge oder -gruppe als Resonatorbegrenzung dienen, der andere Teil jedoch
- d) für die jeweils andere(n) Wellenlänge(n) oder -grup pe(n) ein intra-cavity-Element darstellen.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
mindesten vier Resonatorspiegel (1-4) vorgesehen sind,
von denen jeweils zwei eine Resonatorbegrenzung bilden.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeich
net, daß die intra-cavity-Elemente Resonatorspiegel (2,
3) darstellen, bei denen eine Seite entspiegelt ist.
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Umschaltung und/oder
Intensitätsregelung der Laserwellenlänge oder -gruppe (λ₁-λ₃)
mittels Verkippung (8, 9) von Resonatorspiegeln (2,
3), Verwendung einer Pockelzelle (17) und Verzögerungs
platte (18), eines Prismas (19) oder Pockelzellen (22,
23) und Polarisatoren (24, 25) erfolgt.
5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrahl (11) einer
Laserstrahlung auskoppelbar und zur Regelung (14-16)
der emittierten Lichtintensität ausnutzbar ist.
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ID=6320812
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