DE4446185A1 - Vorrichtung zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines UV-Lasers in ein Laser-Scanmikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines UV-Lasers in ein Laser-Scanmikroskop mit ei­ ner Justiereinrichtung zum Ausrichten des Lichtstrahls auf den Strahlengang des Laser-Scanmikroskops und mit einem zwischen dem UV-Laser und der Justiereinrichtung angeordneten flexiblen Lichtleitfaserelement.

Aus dem Stand der Technik sind prinzipiell zwei unterschiedli­ che Möglichkeiten zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines Lasers in ein Laser-Scanmikroskop bekannt. Beispielhaft sei hier auf die Offenlegungsschrift der internationalen Patentanmeldung WO 92/18850 und auf die Offenlegungsschrift der europäischen Pa­ tentanmeldung 0 592 089 hingewiesen. In beiden Druckschriften wird eine direkte Einkopplung des UV-Laser-Lichts über eine me­ chanisch starre Anordnung von optischen Bausteinen, wie Linsen, Filter, Lochblenden, etc. beschrieben. Infolge dieser Art der Einkopplung entstehen sehr große optisch-mechanisch zusammen­ hängende Systeme mit notwendigerweise langen Strahlengängen. Lange Strahlengänge wiederum führen zu Justierinstabilitäten des Systems. Ein großes Problem bei der Justierung solcher Sy­ steme stellen die durch die Kühlung bedingten Vibrationen des Lasers dar. Bei einer optisch-mechanischen Direkteinkopplung des Laser-Lichtstrahls in das Scanmikroskop werden die Vibra­ tionen der Laserkühlung oftmals auf das Mikroskop übertragen, so daß Bildstörungen entstehen und eine dauerhafte Justierung erheblich erschwert wird.

Alternativ zu einer Direkteinkopplung besteht die Möglichkeit der faseroptischen Lichteinkopplung, wie sie bspw. in der US-Schrift 5 161 053 u. a. auch für die Einkopplung von UV-Laser­ licht beschrieben wird. Das Laserlicht wird über ein flexibles Lichtleitfaserelement in den Strahlengang des Mikroskops gelei­ tet. Auf diese Weise läßt sich der Laser von dem Mikroskop quasi mechanisch entkoppeln, so daß die kühlungsbedingten Vi­ brationen des Lasers nicht auf das Mikroskop übertragen werden, sondern von dem flexiblen Lichtleitfaserelement abgefangen wer­ den. Außerdem können dadurch die Strahllängen des Systems er­ heblich verkürzt werden. Es sind bereits Lichtleitfasern für UV-Laserlicht auf dem Markt. Tests haben jedoch gezeigt, daß deren Transparenz bei Bestrahlung mit mehr als 10 mW bereits nach wenigen Stunden irreversibel auf weniger als 10% der ur­ sprünglichen Transparenz zurückgeht. Zurückzuführen ist dies vermutlich auf chemische bzw. photochemische Reaktionen zwi­ schen der eigentlichen lichtleitenden Faser und deren Beschich­ tung, der sog. Coating. Aus diesem Grunde werden bislang UV-La­ ser in der Regel direkt in das Mikroskop eingekoppelt.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines UV-Lasers in ein Laser- Scanmikroskop der in Rede stehenden Art anzugeben, mit der eine Übertragung der Vibration des Lasers auf das Mikroskop weitest­ gehend verhindert wird und die auch langfristig eingesetzt wer­ den kann, um den durch Wechseln der Einkopplungsvorrichtung be­ dingten Aufwand so gering wie möglich zu halten.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einkoppeln des Licht­ strahls eines UV-Lasers in ein Laser-Scanmikroskop löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Danach ist die eingangs genannte Vorrichtung derart ausgebil­ det, daß zwischen dem UV-Laser und dem Lichtleitfaserelement ein Scanshutter angeordnet ist, über den das Lichtleitfaserele­ ment nur während des Scannens, also zur Aufnahme von Bildern, für den Lichtstrahl des UV-Lasers freigebbar ist.

Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, daß zur Minimie­ rung des Justieraufwands die mechanische Entkopplung des Lasers vom Mikroskop erforderlich ist. Es ist ferner erkannt worden, daß Lichtleitfaserelemente, die sich für Licht anderer Wellen­ längen bewährt haben, auch in Verbindung mit UV-Laserlicht das Mittel der Wahl sind. Davon ausgehend ist erkannt worden, daß die Verschlechterung der Transparenz einer Lichtleitfaser zum einen von der Bestrahlungsleistung und zum anderen von der Be­ strahlungsdauer abhängt, so daß die Lebensdauer einer Licht­ leitfaser bzw. deren Brauchbarkeit zum Einkoppeln des UV-Laser­ lichts erheblich verlängert werden kann, wenn eine Bestrahlung der Lichtleitfaser nur während des Scannens, also zur Aufnahme von Bildern, erfolgt. Es ist nämlich auch erkannt worden, daß eine Bestrahlung des Lichtleitfaserelements mit UV-Laserlicht bspw. während des Anlaufens des Lasers oder der Objekteinrich­ tung vor dem eigentlichen Abbilden bzw. anderen Experimentvor­ bereitungszeiten oder zum Justieren der gesamten optischen An­ ordnung nicht erforderlich ist. Es ist schließlich erkannt wor­ den, daß eine Bestrahlung des Lichtleitfaserelements auf einfa­ che und vorteilhafte Weise mit Hilfe eines zwischen dem UV-La­ ser und dem Lichtleitfaserelement angeordneten Scanshutters ab­ gestellt werden kann, der das Lichtleitfaserelement nur während des Scannens freigibt.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, einen solchen Scan­ shutter zu realisieren. Der Scanshutter kann in Form einer me­ chanischen Blende oder Fahne realisiert sein, durch die der Lichtstrahl des UV-Lasers einfach ausblendbar ist. Dabei ist zu beachten, daß sich derartige mechanische Scanshutter relativ langsam schalten lassen. Die Schaltung kann bspw. elektromagne­ tisch angetrieben werden und automatisch mit dem Scannen syn­ chronisiert werden. Der Scanshutter kann aber auch in vorteil­ hafter Weise durch elektro- und/oder magneto-optische Modulati­ onsmittel gebildet sein, durch die der Lichtstrahl des UV-La­ sers abgelenkt wird. Als derartige optische Schalter können bspw. Modulationsmittel in Form von schnellen Flüssigkristallen oder anderen optisch aktiven Komponenten eingesetzt werden, die computergesteuert geschaltet werden können und so ebenfalls zeitlich mit dem Scannen koordiniert werden können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen oder mehrere Filter umfassen, die zwischen dem UV-Laser und dem Scanshutter oder zwischen dem Scanshutter und dem Lichtleitfaserelement angeordnet sind. Derartige Fil­ teranordnungen werden zum Ausblenden von bestimmten Wellenlän­ genbereichen des Laserlichts eingesetzt. Die Notwendigkeit zur Verwendung von Filteranordnungen ergibt sich in der Regel aus der Art der durchzuführenden Messungen und Meßobjekte. Wesent­ lich ist, daß bei der beanspruchten Anordnung der Filter im Strahlengang vor dem Lichtleitfaserelement auch die Filter vom Mikroskop mechanisch entkoppelt sind. Dies ist insbesondere bei Verwendung eines Filterrades vorteilhaft, das mehrere Filter umfaßt, welche durch mechanische Bewegung, nämlich Drehung des Rades, im Strahlengang positioniert werden. Die Drehung des Filterrades ist genauso wie die Kühlung des UV-Lasers mit Vi­ brationen verbunden, die möglichst nicht auf das Mikroskop übertragen werden sollten.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines Single- Mode-Lichtleitfaserelements erwiesen, da sich dann das Licht im Laser-Scanmikroskop besonders gut fokusieren läßt. Zur besseren Energieübertragung vom UV-Laser zum Laser-Scanmikroskop sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung an einem Ende des Lichtleitfaserelements ein Lichtein­ koppler und entsprechend am anderen Ende des Lichtleitfaser­ elements ein Lichtauskoppler angeordnet.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung be­ steht darin, daß der UV-Laserstrahl nur dann in die Lichtleit­ faser gespeist wird, wenn er zur Bildaufnahme tatsächlich benö­ tigt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Justie­ rung des UV-Laserlichtstrahls auf den Strahlengang des Laser- Scanmikroskops auch mit sichtbarem Licht vorgenommen werden kann. D.h., daß der UV-Laser zum Justieren nicht eingeschaltet sein muß, zumindest jedoch eine Bestrahlung des Lichtleitfaser­ elements mit UV-Laserlicht zum Justieren nicht erforderlich ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zur Justierung mit sichtbarem Licht ein opti­ scher Baustein zwischen dem Lichtleitfaserelement und der ei­ gentlichen Justiereinrichtung angeordnet, über den das aus dem Lichtleitfaserelement austretende sichtbare Licht mit definier­ tem Strahlengang auf die Justiereinrichtung geführt wird. In der Regel wird der optische Baustein zur Parallelisierung des aus dem Lichtleitfaserelement austretenden sichtbaren Lichts dienen. Es kann sich dabei in vorteilhafter Weise um eine Loch­ blenden-Optik mit einer Linse oder einem Linsensystem, einer sog. Pinhole-Optik, handeln. Möglich wäre auch der Einsatz einer Teleoptik zur Verkürzung des Strahlengangs. Der optische Baustein dient lediglich zur Justierung mit sichtbarem Licht. Beim eigentlichen Scannen mit UV-Laserlicht spielt dieser optische Baustein keine Rolle. Er könnte daher nach dem Justieren aus dem Strahlengang der Meßanordnung entfernt werden, bspw. durch Herausschwenken.

Auch die Justiereinrichtung kann auf unterschiedlichste Weise realisiert sein. Sie wird jedoch regelmäßig ein Ablenkungsele­ ment umfassen, wozu bspw. eine einstellbare Linse oder auch ein dichroitischer Strahlteiler oder Strahlvereiniger - je nach Meßanordnung - dienen kann.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorlie­ genden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und wei­ terzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Er­ läuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.

Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines UV-Lasers in ein Laser- Scanmikroskop.

Die in der einzigen Figur dargestellte Vorrichtung dient zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines UV-Lasers 1 in ein Laser- Scanmikroskop 2. Das Laser-Scanmikroskop 2 ist hier lediglich andeutungsweise durch einen sog. Scanspiegel 13 und ein Okular 14 dargestellt. Die Vorrichtung umfaßt eine Justiereinrichtung 3 zum Ausrichten des Laser-Lichtstrahls auf den Strahlengang des Laser-Scanmikroskops 2. Außerdem ist zwischen dem UV-Laser 1 und der Justiereinrichtung 3 ein flexibles Lichtleitfaserele­ ment 4 angeordnet. Aufgrund der Flexibilität des Lichtleitfa­ serelements 4 wird der Laser 1 quasi mechanisch vom Laser-Scan­ mikroskop 2 entkoppelt, so daß bspw. kühlungsbedingte Vibratio­ nen des Lasers 1 nicht auf das Laser-Scanmikroskop 2 übertragen werden.

Erfindungsgemäß ist zwischen dem UV-Laser 1 und dem Lichtleit­ faserelement 4 ein sog. Scanshutter 5 angeordnet, über den das Lichtleitfaserelement 4 nur während des Scannens, also zur Auf­ nahme von Bildern, für den Lichtstrahl des UV-Lasers 1 frei­ gebbar ist.

Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Scanshutter 5 in Form einer mechanischen Blende dargestellt, die den Laser- Lichtstrahl einfach vor dem Lichtleitfaserelement 4 ausblendet. Diese Blende 5 wird vorzugsweise automatisch, synchronisiert mit dem Scannen betätigt. Bei geöffnetem Scanshutter 5 fällt der Laserlichtstrahl auf einen am Ende des Lichtleitfaserele­ ments 4 angeordneten Lichteinkoppler 6. Entsprechend ist am an­ deren Ende des Lichtleitfaserelements 4 ein Lichtauskoppler 7 angeordnet. Das Lichtleitfaserelement 4 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Single-Mode-Lichtleitfaser.

Zwischen dem Lichtleitfaserelement 4 bzw. dem Lichtauskoppler 7 und der Justiereinrichtung 3 ist ein optischer Baustein 8 ange­ ordnet, der zur Justierung des aus dem Lichtleitfaserelement 4 austretenden Laser-Lichtstrahls dient. Die Justierung erfolgt allerdings nicht mit dem Laser-Lichtstrahl selbst, sondern bei - mit Hilfe des Scanshutters 5 - ausgeblendetem Laser-Licht­ strahl mit Hilfe von sichtbarem Licht, das aus dem Lichtleitfa­ serelement 4 austritt. Der optische Baustein 8 dient dazu, die­ ses sichtbare Licht zu parallelisieren. Dazu umfaßt der opti­ sche Baustein 8 eine Lochblendenoptik mit einer Lochblende 9 und zwei Linsen 10 und 11, die jeweils im Strahlengang vor und hinter der Lochblende 9 angeordnet sind. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner ein Umlenkspiegel 12 vorgesehen, der sich jedoch nicht auf die Funktion der Lochblendenoptik auswirkt. Mit Hilfe der Lochblendenoptik wird der Strahlengang des aus dem Lichtleitfaserelement 4 austretenden sichtbaren Lichts entsprechend dem zu erwartenden Strahlengang des Laser- Lichtstrahls ausgerichtet. Auf diese Weise ist eine Justierung der Gesamtanordnung für das UV-Laserlicht unter Zuhilfenahme von sichtbarem Licht möglich.

Als Justiereinrichtung 3 dient in dem hier dargestellten Aus­ führungsbeispiel ein dichroitischer Strahlteiler bzw. Strahl­ vereiniger. Der Laserstrahl wird über den Scanspiegel 13, durch das Okular 14, durch die Tubuslinse 15 und das Objektiv 16 auf das Objekt 17 gelenkt. Der vom Objekt 17 zurücklaufende Licht­ strahl wird in zwei Teilstrahlen mit unterschiedlicher Wellen­ länge aufgeteilt. Diese Teilstrahlen werden in unterschiedliche Richtung gelenkt.

Der nicht abgelenkte Teil des vom Objekt 17 kommenden Licht­ strahls (Fluoreszenzlicht oder Reflexionslicht) wird über eine Pinhole-Optik 18 dem konfokalen Detektor 19 zugeführt.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfin­ dungsgemäßen Vorrichtung zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines UV-Lasers in ein Laser-Scanmikroskop, die in der einzigen Figur nicht dargestellt sind, wird auf den allgemeinen Teil der Be­ schreibung verwiesen.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die erfindungsge­ mäße Lehre nicht auf das voranstehend erörterte Ausführungsbei­ spiel beschränkt ist. Die erfindungsgemäße Lehre läßt sich vielmehr auch bei Verwendung von konstruktiv andersartigen Scanshuttern und einer anderen optischen Anordnung für das Ju­ stieren mit sichtbarem Licht realisieren.

Claims (13)

1. Vorrichtung zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines UV-La­ sers (1) in ein Laser-Scanmikroskop (2) mit einer Justierein­ richtung (3) zum Ausrichten des Lichtstrahls auf den Strahlen­ gang des Laser-Scanmikroskops (2) und mit einem zwischen dem UV-Laser (1) und der Justiereinrichtung (3) angeordneten flexi­ blen Lichtleitfaserelement (4), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem UV-Laser (1) und dem Lichtleitfaserelement (4) ein Scanshutter (5) angeordnet ist, über den das Lichtleitfaserelement (4) nur während des Scannens, also zur Aufnahme von Bildern, für den Lichtstrahl des UV-Lasers (1) freigebbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanshutter (5) in Form einer mechanischen Blende oder Fahne realisiert ist, durch die der Lichtstrahl des UV-Lasers (1) ausblendbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanshutter (5) durch elektro- und/oder magneto-optische Modulationsmittel gebildet ist, durch die der Lichtstrahl des UV-Lasers (1) ablenkbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem UV-Laser und dem Scanshutter oder zwischen dem Scanshutter und dem Lichtleitfaserelement mindestens ein Filter angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem UV-Laser und dem Scanshutter oder zwischen dem Scanshutter und dem Lichtleitfaserelement mehrere austauschbare Filter, vorzugsweise ein Filterrad, zum Auswählen von bestimmten Wellenlängenbereichen angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Lichtleitfaserelement (4) eine Single- Mode-Lichtleitfaser dient.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß an einem Ende des Lichtleitfaserelements (4) ein Lichteinkoppler (6) und entsprechend am anderen Ende des Lichtleitfaserelements (4) ein Lichtauskoppler (7) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen dem Lichtleitfaserelement (4) und der Justiereinrichtung (3) mindestens ein optischer Baustein (8) angeordnet ist, über den sichtbares Licht mit definiertem Strahlengang aus dem Lichtleitfaserelement (4) auf die Justier­ einrichtung (3) führbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Baustein (8) das aus dem Lichtleitfaserelement (4) austretende sichtbare Licht parallelisiert.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Baustein (8) eine Lochblenden- Optik mit einer Linse (10, 11) oder einem Linsensystem umfaßt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Baustein (8) nach dem Ausrich­ ten des aus dem Lichtleitfaserelement (4) austretenden sichtba­ ren Lichts auf den Strahlengang des Laser-Scanmikroskops (2) entfernbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche I bis 11, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Justiereinrichtung mindestens eine ein­ stellbare Linse umfaßt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Justiereinrichtung (3) mindestens einen dichroitischen Strahlteiler oder Strahlvereiniger umfaßt.