AT512216A1 - Multifunktionales lasersystem - Google Patents

Abstract

Multifunktionale Laservorrichtung, die konfiguriert ist, um als solche bei Multiphotonenverfahren, Nano-strukturierungsverfahren, optischer Kohärenztomografie, Terahertz-(THz)-Spektroskopie oder THz-Abbildung oder einer Kombination solcher Verfahren verwendet zu werden, und die einen modengekoppelten linearen (X- oder Z-gefalteten) fs-Laserresonator mit einer Wiederholungsrate von mindestens 300 MHz und höchstens 600 MHz und damit einer entsprechend geringen Resonatorlänge aufweist, wobei der fs-Laserresonator weiters ein Resonator mit dispersiven Spiegeln mit einer durchschnittlichen negativen GDD (Gruppenverzögerungsdispersion) im spektralen Bereich des Laserbetriebs und eingerichtet ist, Laserimpulse mit einer Impulsbreite von weniger als 30 fs zu erzeugen, und einen Pumplaser aufweist, der mit einer optischen Ausgangsleistung von weniger als 2 W arbeitet.

Description

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Allgemein betrifft die Erfindung eine Multifunktionslaservorrichtung mit einem modenverkoppelten fs-(Femtosekunden-)Impuls-Laserresonator mit linearem Hohlraum.

Mehr im Einzelnen bezweckt die Erfindung eine Ultrakurzpuls-Laservorrichtung, die eine solche Konfiguration aufweist, dass sie zur Verwendung für mehrere Anwendungen, die unterschiedliche, ja sogar gegensätzliche Vorrichtungsanforderungen, z.B. in Bezug auf die optische Ausgangsleistung, Spitzenleistung und Wiederholungsrate, haben können, geeignet ist. Dementsprechend ist die Erfindung bestrebt, eine Laservorrichtung zur Verfügung zu stellen, die einen wirkungsvollen Ausgleich zwischen den verschiedenen Anforderungen schafft, so dass ein- und dieselbe Vorrichtung für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden kann.

Was die verschiedenen Anwendungen anlangt, so wurden in letzter Zeit eine Menge neuer und interessanter Anwendungen auf dem Gebiet der optischen Technologien vorgeschlagen, z.B. für Diagnosesysteme, für Qualitätskontrolle, aber auch für Nano-strukturierung; insbesondere sind die optische Kohärenztomografie (OCT), multiple Photonen-(MP)-Verfahren wie MP-Mikroskopie (MPM), aber auch die MP-Polymerisation (MPP), insbesondere die Zweiphotonen-Photopolymerisation (TPP), sowie die Terahertz-(THz)-Spektroskopie und THz-Abbildung von Interesse. Derzeit werden üblicherweise recht unterschiedliche Lichtquellen, d.h. Laservorrichtungen, für diese Anwendungen herangezogen. Und zwar werden derzeit für die OCT Lumineszenzdioden (SLD), Swept Sources und Breitband-Ti:Sa-Laserquellen (Titan:-Saphir, A1203), für die TH2-Spektroskopie Faserlaser oder Standard-100-fs-Ti:Sa-Laser, für MP-Verfahren wiederum Faserlaser oder abstimmbare 100-fs-Ti:Sa-Laser und für TPP-Verfahren (auch TPA - Zweiphotonenabsorptionsverfahren genannt) Faserlaser und Standard-100-fs-Ti:Sa-Laser verwendet.

Es wäre somit von Vorteil und äußerst wünschenswert, eine einzige Laservorrichtung zu entwickeln und vorzusehen, die sich für alle oder'zumindest fast alle der obigen Zwecke und Funktionen eignet und die jeweiligen Anforderungen erfüllt, insbesondere mit verbesserten Funktionen und Ergebnissen, vor allem auch z.B. für eine Kombination solcher Verfahren, wie beispielsweise eine Kombination mehrerer Diagnoseverfahren (die so genannte „multimodale" Diagnostik).

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Mehr im Detail sind SLDs breitbandkohärente cw-Lichtquellen (cw - continuous wave Dauerstrich) und daher nicht für andere Anwendungen als OCT geeignet. Außerdem beeinflusst die mittlere Wellenlänge, eine modulierte Form der spektralen Intensität, wenn mehrere SLDs zur Erhöhung der spektralen Bandbreite und begrenzt verfügbaren Leistung kombiniert werden, die axiale Auflösung und Abtastrate der Fourier-Domain-OCT (FD) negativ.

Sodann liefern Ti:Sa-fs-Laser üblicherweise Impulse mit einer Dauer von etwa 100 fs und einer durchschnittlichen Leistung von 1 bis mehrere Watt bei einer mittleren Wellenlänge von 800 nm. Die Wiederholungsrate beträgt etwa 80 MHz, so dass eine Impulsenergie von etwa 10 bis 20 nJ erzielt werden kann.

Die dann notwendige Leistung des erforderlichen Pumplasers, d.h. die „Pumpleistung", beträgt 5 W bis über 10 W. Diese Laservorrichtungen sind ziemlich groß und von ziemlich hohem Gewicht (nämlich etwa 40 kg für den Laser und nochmals etwa 40 kg für die Elektronik), haben einen hohen Stromverbrauch und sind in der Tat meistens nur in der Forschung einsetzbar. Aufgrund der schmalen spektralen Bandbreite (typischerweise <10 nm FWHM - full width half maximum = Halbwertsbreite) und einer geringen Abstimmgeschwindigkeit sind sie für OCT-Anwendungen uninteressant.

Es sind Ti:Sa-Laser mit einer Wiederholungsrate von 500 MHz oder auch 1 bis 2 GHz bekannt, siehe EP-1181753 B, deren Resonatoren aber Ringresonatoren und äußerst empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen, insbesondere Temperaturveränderungen, sind, so dass diese Laser nur bei Laborarbeiten verwendet werden können. Zum Beispiel kann der Betriebstemperaturbereich für eine solche praxistaugliche Laservorrichtung, die am Markt unter der Bezeichnung „Gigajet 20" bekannt ist, bei 21°C + 5DC gewählt werden und muss konstant auf dem gewählten Wert gehalten werden. Weiters werden hohe Pumpleistungen von 5 bis 10 W benötigt, um die schwache Eigenphasenmodulation (SPM self-phase modulation) aufgrund der geringen Energie pro Impuls bei extrem hohen Impulswiederholungsraten auszugleichen. Femtosekunden-Ring-Oszillatoren ermöglichen physikalisch nur einen Durchgang durch eine Kerr-Linsen-Anordnung innerhalb eines Umlaufs innerhalb des Laserresonators. Im linearen Laserresonator gehen die Laserimpulse zweimal durch die Kerr-Linsen-Anordnung, bevor sie den Resonator verlassen, wodurch geringere Leistungen im Resonator

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A 1717/2011 und damit geringere Pumpleistungsbedingungen begünstigt werden.

Faser-fs-Laser sind ziemlich kompakt und von relativ geringem Gewicht, so dass sie sich für mobile Anwendungen eignen. Sie haben jedoch eine relativ geringe Ausgangsleistung (die 100 mW nicht signifikant übersteigt), so dass sie dort, wo höhere (Spitzen-) Leistungen benötigt werden, nicht einsetzbar sind - Faserlaser haben eine zu geringe Durchschnittsleistung und eine zu lange Impulsdauer (typischerweise > 100 fs). Daher werden sie kaum oder nie für MPM und OCT verwendet.

Die vorliegende Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, dass es einerseits günstiger ist, die optische Ausgangsleistung zu begrenzen, auch um Photoschäden an Gewebe oder Material zu vermeiden, d.h. eine geringere Durchschnittsleistung zu haben, so dass auch eine eher geringe Pumpleistung ausreicht, und um eine recht niedrige Impulsenergie zu verwenden (d.h. eine eher hohe Wiederholungsrate vorzusehen) , und andererseits mit kürzeren Impulsen zu arbeiten: Es wurde nämlich erkannt, dass bei fast allen obigen Anwendungen dieselben Ergebnisse mit einem Fünftel der Durchschnittsleistung bei derselben Wiederholungsrate mit Pulsen erzielt werden kann, die eine Breite von einem Fünftel einer gegebenen Impulsbreite (z.B. 20 fs / 100 fs) haben, da die Spitzenleistung entsprechend höher ist. Um entsprechend kurze Laserimpulse an der zu untersuchenden Probe zu ' erhalten, muss dann gewährleistet werden, dass die Laservorrichtung eine geringe Impulsbreite aufrecht erhält, d.h. keinen (übermäßigen) Anstieg der Impulsbreite erleidet, wie es bei einer zu hohen (positiven) Gruppenlaufzeitdispersion (GDD -group delay dispersion) des Systems der Fall ist. Dazu sollte ein entsprechendes GDD-Management verwendet werden, um die kurzen Laserimpulse an der Probe aufrecht zu erhalten.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, eine Laservorrichtung vorzusehen, die eine geringe Größe hat und kompakt ist, so dass sie dem beabsichtigten weiten Anwendungsbereich entspricht; die eine geringe Durchschnittsleistung liefert, so dass der Energieverbrauch niedrig ist und eine kompakte Pumpquelle (Energiequelle) mit geringem Aufwand verwendet werden kann; die Abläufe unter Verwendung einer breiten spektralen Bandbreite im Bereich von 50-200 nm FWHM {Halbwertsbreite) unterstützt, welche für OCT-Zwecke und auch für Kurzimpulsanwendungen anzuwenden sind; die Impulse von ausreichend kurzen Breiten erzeugt, damit eine nachgereicht R 60482 A 1717/2011 • · · t · t · ·· ·· ··· f 9 hohe Spitzenleistung aufgrund der kurzen Impulsbreiten und nicht aufgrund einer hohen Durchschnittsleistung erzielen wird; und die eine ausreichend hohe Wiederholungsrate aufweist, um Photoschäden an biologischen Proben zu vermeiden, welche aber ausreichend niedrig ist, um einen stabilen Laserbetrieb zu gewährleisten, und um genügend Zeit zwischen den optischen Impulsen zu haben, so dass Fluorophore in den Grundzustand zurückkehren können, bevor der nächste Impuls ankommt (1-2 ns).

Dementsprechend sieht die vorliegende Erfindung eine Mehr-zweck- oder Multifunktions-Laservorrichtung vor, die konfiguriert ist, um als solche bei Multiphotonenverfahren, Nanostrukturierungsverfahren, optischer Kohärenztomografie, Terahertz-(THz)-Spektroskopie oder THz-Abbildung oder einer Kombination solcher Verfahren verwendet zu werden, und die einen modengekoppelten linearen (X- oder Z-gefalteten) fs-Laserreso-nator mit einer mäßig hohen Wiederholungsrate von mindestens 300 MHz und höchstens 600 MHz und damit einer entsprechend geringen Resonatorlänge aufweist, wobei der fs-Laserresonator weiters ein Resonator mit dis-persiven Spiegeln mit einer durchschnittlichen negativen GDD (Gruppenlaufzeitdispersion) im spektralen Bereich des Laserbetriebs und eingerichtet ist, Laserimpulse mit einer Impulsbreite von weniger als 30 fs zu erzeugen, und einen Pumplaser aufweist, der mit einer optischen Ausgangsleistung von weniger als 2 W arbeitet.

Vorzugsweise sind alle Spiegel des fs-Laserresonators mit Ausnahme des Ausgangskopplers durchschnittlich negativ dispersive Spiegel über den Betriebswellenlängenbereich, um eine große spektrale Bandbreite (> 100 nm) zu erzielen.

Hierzu sei bemerkt, dass es für eine Ausgangsbandbreite von z.B. 40-100 nm FWHM bei einer Strahlung mit einer mittleren Wellenlänge von etwa 800 nm + 100 nm nicht notwendig ist, dass alle Spiegel dispersive Spiegel sind.

Die Laservorrichtung ist sodann vorzugsweise weiters konfiguriert, um eine modengekoppelte durchschnittliche Ausgangsleistung von weniger als 200 mW beispielsweise bei Pumpleistungswerten von 1-2 W zu liefern.

Das Verstärkungsmaterial bzw. der Laserkristall der Laservorrichtung kann Ti:Sa sein.

Der Pumplaser weist vorzugsweise eine Frequenzverdoppelungs-Laserdiode auf. Ein solches Pumpmodul ist besonders vorteilhaft

NACHGEREICHT ·· ·· ···· « ··«· ·· • •«V« · · # · r 60482 : :: :-'V~· :* a 1717/2011 •· ·· ··· · « ·· bei einem Ti:Sa-Laserkristall.

Andererseits kann es für bestimmte Zwecke wünschenswert sein, dass der Laserresonator ein Verstärkungsmaterial aufweist, welches aus der Gruppe umfassend Cr:LiSAF, CriLiCAF und CrrFor-sterit ausgewählt ist. Dabei ist es möglich, einfach eine Laserdiode als Pumplaser zu verwenden.

Insbesondere im Fall eines Ti:Sa-Verstärkungsmediums ist der fs-Laserresonator vorzugsweise eingerichtet, Laserstrahlen mit einer mittleren Wellenlänge von etwa 800 nm zu liefern; die Strahlen haben vorzugsweise eine Bandbreite größer als 100 nm.

Weiters wird bevorzugt, dass die Wiederholungsrate höchstens 500 MHz beträgt.

Weiters wird bevorzugt, dass der Ausgangskoppler ein teilweise reflektierender dispersiver Spiegel ist.

Der Laserresonator ist vorzugsweise konfiguriert, um Laserimpulse mit einer Spitzenleistung von mindestens 10 kW zu emittieren unter Berücksichtigung der Laserimpulse mit ihrer kürzesten (bandbreitenbeschränkten) Impulsdauer entsprechend ihrer spektralen Bandbreite, z.B. nach geeigneter Dispersionskompensation .

Bei der vorliegenden Laservorrichtung ist es auf vorteilhafte Weise möglich, dass der Laserresonator, vorzugsweise zusammen mit dem Pumplaser bzw. einem Pumpmodul, in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse untergebracht ist.

Dann betrifft die Erfindung auch eine Kombination der vorliegenden Laservorrichtung mit einer Dispersionskompensationsvorrichtung, nämlich insbesondere für Anwendungen, die von einer hohen Spitzenleistung profitieren.

Mit einer Konfiguration wie dargelegt kann trotz der erhöhten Wiederholungsrate eine ziemlich hohe Spitzenleistung im Vergleich zu Oszillatoren gemäß dem Stand der Technik erzielt werden; beispielsweise eine Spitzenleistung von 22 kW bei einer Wiederholungsrate von 300 MHz und einer Impulsdauer von 30 fs bei einer modengekoppelten durchschnittlichen Ausgangsleistung von 200 mW; sowie eine Spitzenleistung von 33 kW bei einer Wiederholungsrate von 300 MHz und einer Impulsdauer von 10 fs und einer modengesperrten durchschnittlichen Ausgangsleistung von 100 mW. Eine solche Spitzenleistung ist insbesondere für alle MP-Verfahren von großer Bedeutung. Mit Vorrichtungen des Standes der Technik ist es möglich, z.B. eine Spitzenleistung

NACHGEREICHT A 1717/2011 R 60482 » · · t·· « · · ff· • * ♦ «_ A ·«.·« v · · ··+« *«···* · ·· ··· ♦ · ·* von 2 kW bei einer Wiederholungsrate von 1 GHz und einer Impulsdauer von 50 fs (bei einer Pumpleistung von 1,7 W) zu erzielen.

Betreffend die Anwendung der vorliegenden Laservorrichtung in MP-Verfahren (wie beispielsweise MPM, MPP, Nanostrukturie-rung, aber auch CARS - kohärente Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (coherent anti-stokes Raman spectroscopy)), wurden eine bevorzugte Impulsdauer von 15-30 fs (was dem Absorptionsspektrum von Fluorophoren entspricht) und eine bevorzugte Wiederholungsrate von 300-500 MHz bei Beschränkung der Durchschnittsleistung auf etwa 30 mW an der Probe zur Verhinderung von Photoschäden ermittelt. Eine Reduktion des Krümmungsradius (ROC) der Fokussierspiegel (5, 6 in Fig. 1) von typischerweise 50-100 mm auf nur 30 mm ist möglich; dementsprechend kann die Länge der Resonatorarme auf 1/3-1/10 der Armlänge von Resonatoren des Standes der Technik reduziert werden, und die entsprechenden Wiederholungsraten liegen dann im oben genannten Bereich, insbesondere zwischen 300 und 600 MHz. Weiters ist die Pumpleistung anstelle einer Pumplaserleistung von >10 W wie bei üblichen Lasern auf (höchstens) 2 W beschränkt, was auch bedeutet, dass der Auskopplungsgrad um einen Faktor von 1/5 von 20-25% bei Standard-Wiederholungsraten von 70-100 MHz auf 4-6% der Leistung innerhalb des Resonators entsprechend der höheren Wiederholungsrate verringert wird. Letztere verringert die Impulsenergie, die aus, aber nicht in dem Oszillator (Resonator) verfügbar ist. Der stabile Betrieb des Lasers ist somit nach wie vor gesichert, u.zw. auch im Fall von störenden Umwelteinflüssen und Temperaturabweichungen .

Bezüglich einer THz-Anwendung sei hier vorab erwähnt, dass Breitband-THz-Strahlung in erster Linie in LT-GaAs-Antennen erzeugt wird. Dabei hängt die THz-Intensität (d.h. das maximale Feld pro Impuls) nur von der Antennenkonstruktion, dem Antennenmaterial und der Vorspannung ab. Kurze Laserimpulse können die THz-Bandbreite auf höhere THz-Frequenzen erweitern. Eine hohe Wiederholungsrate kann die durchschnittliche THz-Leistung ohne Schädigung der THz-Antenne erhöhen und verbessert so das S/R-Verhältnis. Eine Grenze ergibt sich aus der Wärmeabstrahlung von der beleuchteten Fläche. Daher sollte die ideale Lichtquelle eine Impulsenergie aufweisen, die gerade ausreicht, um alle verfügbaren Träger zu erregen (Übergangsleitfähigkeit), und sie hat gleichzeitig eine hohe Wiederholungsrate, um diesen Prozess

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7* UM A 1717/2011 so oft wie möglich pro Zeiteinheit durchzuführen.

Bei aktuellen OCT-Verfahren liefert eine SLD eine Dauerstrich-(cw)-Leistung von einigen mW bis zu einigen 10 mW.

Im Fall von gepulsten Laserquellen müssen die Impulse bei ophthalmologischen oder biomedizinischen Anwendungen in Glasfasern gestreckt werden, bis die Spitzenleistung signifikant reduziert ist. Daher muss bei einem 80-MHz-Laserimpuls dieser auf über 1 ns gestreckt werden. Dazu sind etwa 100 m Glasfasern nötig. Wird jedoch ein Laser mit einer höheren Wiederholungsrate verwendet, ist eine entsprechend geringere Impulsstreckung notwendig, und es können kürzere Fasern verwendet werden. Bei einer Wiederholungsrate von 300-500 MHz reicht es aus, die Impulse verhältnismäßig geringer zu strecken, was die Konfiguration vereinfacht .

Sodann gestatten relativ hohe Wiederholungsraten von 300-600 MHz die Übertragung einer höheren Durchschnittsleistung von ultrakurzen Impulsen für den Fall, das ultrakurze Laserimpulse durch eine Lichtleitfaser geleitet werden, da die Impulsenergie und in der Folge Nichtlinearitäten, welche die Übertragung in Fasern stören, reduziert werden. Die Wiederholungsrate muss jedoch eine Obergrenze haben, da die beabsichtigte Spitzenleistung und Impulsenergie berücksichtigt werden müssen. Es hat sich gezeigt, dass auch hier wieder die optimale Wiederholungsrate im Bereich von 300-500 oder 600 MHz liegt.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf bevorzugte, vorteilhafte Ausführungsformen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, sowie auf die angeschlossenen Zeichnungen genauer beschrieben, worin:

Fig. 1 das Prinzip einer Laservorrichtung mit einem X-gefalteten Resonator insbesondere bei MPM-, THz- und OCT-Anwen-dungen zeigt;

Fig. 2 eine entsprechende Laservorrichtung mit einem Z-gefalteten Resonator darstellt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Standard-MPM-Aufbaus (Stand der Technik) ist;

Fig. 4 eine schematische Darstellung ähnlich wie Fig. 3 eines erfindungsgemäßen MPM-Aufbaus ist;

Fig. 5 eine Darstellung eines beispielhaften Versuchs-MPM-Aufbaus ist;

Fig. 6 in einem Diagramm die von der Impulsdauer abhängige

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Wirkung von GDD zeigt;

Fig. 7 in einem Diagramm die Ausgangsimpulsdauer über der Eingangsimpulsdauer ohne Dispersionsmanagement (GDD-Management) zeigt;

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Fig. 8 in einem Diagramm die GDD-Kompensation mit breitband-gechirpten Spiegeln (dispersiven Spiegeln) zeigt;

Fig. 9 in einem Diagramm die erhöhte Erregungseffizienz, d.h. die Intensität (in normalisierten Einheiten) gegenüber der Pulsdauer (in fs) für ein 10x-0bjektiv zeigt;

Fig. 10A und 10B Vergleichsbeispiele für Mikroskopabtastungen veranschaulichen, u.zw. (A) in Fig, 10A mit kürzerer Impulsdauer T und geringerer Durchschnittsleistung Pav als (B) in Fig. 10B;

Fig. 11 eine Darstellung des elektromagnetischen Spektrums ist, die die THz-Lücke zei gt;

Fig. 12 einen schematischen Aufbau eines THz-TDS mit einem Ti:Sa-Laser zeigt;

Fig. 13 schematisch einen Aufbau für OCT zeigt;

Fig. 14 ein Diagramm der axialen Auflösung in der Netzhaut (in pm) über der FWHM-Bandbreite (in pm) zeigt;

Fig. 15 eine perspektivische Ansicht einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Laservorrichtung ist; und

Fig. 16A und 16B Diagramme der Intensität des integrierten Signals der zweiten Harmonischen (SHG-Signal) des zu charakterisierenden Laserimpulses über der Zeit bzw. des Spektrums über der Wellenlänge für eine getestete Ausführungsform der vorliegenden Laservorrichtung zeigen.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Mehrzweckoder Multifunktions-Laservorrichtung 1, die sich für mehrere Anwendungen eignet, d.h. ein- und dieselbe Laservorrichtung 1 kann für die verschiedenen Anwendungen wie ausgeführt, beispielsweise MPM, THz und OCT, verwendet werden.

Die Laservorrichtung 1 enthält auf an sich bekannte Weise einen linearen Laserresonator 2, nämlich einen X-gefalteten Laserresonator 2, und einen Pumplaser 3, der nur schematisch dargestellt ist. Der Resonator 2 hat einen Ti:Sa-Laserkristall 4 als aktiven Laser oder Verstärkungsmedium wie an sich bekannt, der zwischen zwei halbkonkaven Fokussierspiegeln 5, 6 angeordnet ist; zumindest der Spiegel 5 ist ein dichroitischer Spiegel, der für die Strahlung 7 des Pumplasers 3, welche über eine Linse 8

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A 1717/2011 übertragen wird, durchlässig ist, aber die im Resonator 2 erzeugte Laserstrahlung 9 reflektiert. Der Laserkristall 4 dient sowohl als Verstärkungsmedium als auch als notwendige Nichtlinearität, die den bekannten Kerr-Effekt unterstützt, um die beabsichtigte modengekoppelte passive Laserstrahlung 9 zu generieren, wie an sich bekannt. Mit 10 und 11 sind zwei dispersive (oder gechirpte) Spiegel zur Gewährleistung einer durchschnittlichen negativen GDD im Spektralbereich des Laserbetriebs bezeichnet. Ein Auskoppelspiegel (OC-Spiegel) 12 dient zum Auskoppeln eines kleinen Teils der Strahlung 9 während jedes Umlaufs oder jeder Oszillation und zum Zurückreflektieren eines größeren Teil dieser Strahlung. Dieser OC-Spiegel 12 ist vorzugsweise ein teilweise reflektierender dispersiver Spiegel.

Sodann ist eine separate GDD-Managementeinheit 13 schematisch in Fig. 1 vor einer Faserübertragungseinheit 14 und einer nachfolgenden Anwendungseinheit wie z.B. für MP-Anwendungen, THz, OCT gezeigt. Im Fall von OCT könnte die Einheit 13 auch weggelassen werden.

Der Pumplaser 3 kann ein Nd-dotierter Dioden-gepumpter Festkörperlaser (DPSS - diode pumped solid state) mit Frequenzverdopplung, ein DBR-Taper-Diodenlaser mit Frequenzverdopplung und einer Pumpleistung von 0,1-2 W oder ein Argon-Ionenlaser, wie an sich bekannt, sein.

Auf ähnliche Weise veranschaulicht Fig. 2 einen linearen, u.zw. Z-gefalteten, Laserresonator 2 in einer Laservorrichtung 1, die wiederum weiters einen Pumplaser 3 und einen Auskoppelspiegel 12 aufweist. Der Resonator 2 enthält eine Linse 8, halbkonkave Spiegel 5, 6, einen Ti-Sa-Laserkristall 4 und dispersive Spiegel 10, 11. Weiters eine separate GDD-Kompensationseinheit 13 und eine Faserübertragungseinheit 14; an diese Faserübertragungseinheit 14 kann dann eine Anwendungseinheit, z.B. MPM, THz, OCT ... (nicht dargestellt} ähnlich wie im Fall der Fig. 1 angeschlossen werden.

Nachstehend werden einige Anwendungen der vorliegenden Multifunktions-Laservorrichtung 1 detailliert beschrieben.

Zuerst wird auf die Erfordernisse der Multiphotonenmikroskopie (MPM) eingegangen.

Zur Zeit sind abstimmbare Oszillatoren auf Ti:Sa-Basis, die mit Wiederholungsraten von 70-80 MHz arbeiten und Impulse im Bereich von 100 fs liefern, Standardquellen zur Verwendung in

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Ά 1717/2011 der Multiphotonenmikroskopie. Es wurde erkannt, dass kürzere Laserimpulse der nichtlinearen Mikroskopie auf mehrere Arten Vorteile bringen können: {1) Die Erregungseffizienz steigt linear mit einer abnehmenden Impulsdauer. Diese Abhängigkeit wurde experimentell sowohl für die Zweiphotonen-Fluoreszenzmikroskopie als auch für die Mikroskopie unter Erzeugung der zweiten Harmonischen für Impulsdauern von bis zu weniger als 20 fs nachgewiesen. Eine Verringerung der Impulsdauer erlaubt somit die Verwendung einer geringeren Durchschnittsleistung und den Einsatz von potentiell kostengünstigeren und kompakteren Laserquellen. (2) Die Eindringtiefe steigt mit abnehmender Impulsdauer bei konstanter Durchschnittsleistung aufgrund der erhöhten Erregungseffizienz und des verbesserten Kontrastes. (3) Schäden an Proben, die eine lineare Absorption aufweisen, können durch die Verwendung geringerer Durchschnittsleistungen in Verbindung mit kürzeren Impulsen verhindert werden. (4) Der Abbildungskontrast kann bei Proben, die eine Streuung und einen Einphotonen-induzierten Hintergrund zeigen, durch Verringerung der Impulsdauer verbessert werden, weil diese nachteiligen Wirkungen von der Durchschnittsleistung abhängen, die aufgrund der verbesserten Erregungseffizienz mit kürzeren Impulsen verringert werden kann.

Die hohe Dispersion von Mikroskopen und die Beschränkung (Dispersion höherer Ordnung) von herkömmlichen Dispersionsvor-kompensationsvorrichtungen (wie Kompressoren auf Prismen- oder Gitterbasis) haben bis heute in der nichtlinearen Mikroskopie die Verwendung von Impulsen, welche eine signifikant kürzere Dauer als 100 fs haben, in großem Maßstab weitgehend verhindert. Mit dem Aufkommen von hochdispersiven Spiegeln wird die Lieferung von Impulsen von bis zu weniger als 15 fs über mit Objektiven mit hoher numerischer Apertur ausgestattete Standardmikroskope möglich. Kompressoren auf Spiegelbasis sind kompakte, benutzerfreundliche Vorrichtungen mit hohem Durchsatz und moderaten Preisen, die Laserimpulse mit einer Dauer von weit unter 100 fs für die nichtlineare Mikroskopie weithin verfügbar machen. Auch wenn die Lieferung von Impulsen, die kürzer als 10 fs sind, an Mikroskopproben nachgewiesen wurden, sind solche extremen Impulsdauern aufgrund der äußersten Sorgfalt, die bei

NACHGEREICHT R 60482 ϊγ*;-· : »· ··· · · • · »· A 1717/2011 der Dispersionskompensation angewendet werden muss, nach wie vor nicht praktikabel (wenn auch sicherlich hilfreich für eine beschränkte Anzahl von Anwendungen). Weiters deckt die spektrale Bandbreite von sub-20-fs-Impulsen die Erregerbandbreite mehrerer üblicher Fluorophore ab. Daraus kann geschlossen werden, dass Impulse mit einer Dauer im Bereich von 15-30 fs für die nichtlineare Mikroskopie ideal geeignet sind.

Photoschäden sind ein größeres Anliegen in der Multiphotonenmikroskopie mit biologischen Proben. Es wurde nachgewiesen, dass diese Wirkung rein nichtlinearer Natur im Femtosekunden-Impulsbereich ist. Es wurde gezeigt, dass Schäden meistens infolge von Multiphotonenionisation und von durch freie Elektronen induzierten chemischen Bindungsbrüchen auftreten, d.h. Mechanismen, die von thermischen Effekten völlig unabhängig sind. Daraus folgt, dass der Eintritt eines Schadens eine Obergrenze für die Spitzenleistung festlegt, d.h. für die höchste Energie, die pro Impuls bei einer gegebenen Impulsdauer und einer gegebenen Wiederholungsrate abgegeben werden kann. Das führt wiederum zu einem eingeschränkten Umfang des nachweisbaren nichtlinearen Signals. Diese Beschränkung kann durch Erhöhen der Wiederholungsrate umgangen werden. Geschieht das, während die Impulsenergie konstant gehalten wird, führt das zu einer höheren Durchschnittsleistung, die untrennbar mit einer größeren, komplexeren und teureren Quelle verbunden ist. Es wurde jedoch gefunden, dass die Wiederholungsrate vorzugsweise erhöht werden kann, während sowohl die Impulsenergie als auch die Impulsdauer verringert werden können. Eine entsprechende Wahl dieser Parameter resultiert in einer effizienten, schadlosen Erregung der Probe bei verhältnismäßig geringeren Durchschnittsleistungen.

Es wurde gezeigt, dass bei Einsatz von Quellen mit einer Wiederholungsrate von 1 GHz Auswirkungen durch Photoschäden abgeschwächt werden können; sowohl bei der Mikroskopie unter Erzeugung der zweiten Harmonischen als auch bei der Zwei-photonen-Fluoreszenzmikroskopie konnten Proben höheren Durchschnittsleistungen ausgesetzt werden (ohne Photoschäden oder Photobleichung zu induzieren) , verglichen mit 70-MHz-Quellen mit der gleichen Impulsdauer und -energie. Bei einer Wiederholungsrate von 1 GHz ist jedoch die Periode der Impulsfolge 1 ns, während die Relaxationszeiten der erregten Fluoreszenzzustände in biologischem Gewebe typischerweise im Bereich von einigen

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Nanosekunden liegt. Aufgrund der Überlappung der Erregung mit dem verbleibenden Fluoreszenzsignal bei dieser Wiederholungsrate werden daher die Ergebnisse der Fluoreszenzlebensdauer-Multi-photonenmikroskopie beeinträchtigt, und die Reproduzierbarkeit und Interpretierbarkeit der Ergebnisse kann ernsthaft in Frage gestellt werden. Weiters wird erwartet, dass eine Bestrahlung mit Impulsen in kürzeren Zeitintervallen als die Relaxationszeit zu einer Absorption im erregten Zustand führt, wodurch die Gefahr einer Schädigung steigt und die Interpretation der Messwerte kompliziert wird. Das kann dadurch verhindert werden, dass die Verzögerung zwischen benachbarten Impulsen auf etwa 2-3 ns erhöht wird, was Wiederholungsraten von etwa 300-500 MHz entspricht.

In Fig. 3 ist ein Standard-MPM-Aufbau gezeigt, der eine abstimmbare 80-MHz-Oszillatoreinrichtung 1' aufweist, welche Impulse im 100-fs-Bereich liefert; mit 20' ist einen Eingabeimpuls mit einer Dauer im 100-fs-Bereich und mit 21 ein Mikroskop mit einer positiven Dispersion (GDD) typischerweise zwischen 5000 und 15000 fs2bezeichnet. Die Impulse werden dementsprechend gestreckt, wie schematisch am Impuls 22' an einer Probe 23 (im Fokus des Mikroskops) gezeigt ist, u.zw. auf eine typische Dauer zwischen 150 und 500 fs.

Im Gegensatz dazu zeigt Fig. 4 schematisch einen erfindungsgemäßen MPM-Aufbau mit einer 300-600-MHz-Oszillatoreinrichtung 1, die Impulse 20 im 15-30-fs-Bereich abgibt. Dann kann eine auf Spiegeln basierende Dispersions-(GDD)-Vorkompensationseinheit 13 (siehe auch Fig. 1) mit einer negativen Dispersion zwischen -5000 und -15000 fs2 verwendet werden. Mit 21 ist wieder ein Mikroskop mit einer positiven Dispersion (GDD) typischerweise zwischen 5000 und 15000 fs2bezeichnet. Danach hat der Impuls 22 an der Probe 23 (im Fokus des Mikroskops) eine typische Dauer von unter 30 fs, dies im Gegensatz zu Fig. 3, und aufgrund des GDD-Managements wie beschrieben.

Fig. 5 zeigt einen solchen MPM-Aufbau etwas detaillierter. Dieser Aufbau weist die Laservorrichtung 1, die GDD-Kompensa-tionseinheit 13 basierend auf DMs (Dispersionsspiegeln) zur Einführung der notwendigen negativen GDD für die Vorkompensation der positiven GDD des Mikroskops 21 mit einem Autokorrelator 24 zur Impulscharakterisierung, einem Teleskop 25, einem Abtastobjektiv 26, einer Röhrenlinse 27 und einem Objektiv 28 auf.

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In Fig. 6 ist ein Diagramm dargestellt, welches einen Logarithmus des Verhältnisses der Impulsdauer i0ut der Ausgangsimpulse und jener, Tin, der Eingangsimpulse über der GDD {in fs2) zeigt, u.zw. für mehrere Eingangsimpulsdauern Tin, nämlich 5 fs (Kurve 30), 10 fs (Kurve 31), 20 fs (Kurve 32), 50 fs (Kurve 33), 100 fs (Kurve 34) und 200 fs (Kurve 35). Es ist zu sehen, dass die nachteilige Auswirkung der - positiven - GDD auf die Pulsdauer umso deutlicher ist, je kürzer die Pulsdauer ist. Um Impulse von ultrakurzer Breite, z.B. etwa 30 fs, verwenden zu können, ist es daher empfehlenswert, eine Kompensation der insbesondere vom Mikroskop 21 eingeführten positiven GDD vorzusehen. Das ist ähnlich wie im Fall der Laservorrichtung 1, wo eine positive GDD, wie sie beispielsweise durch den Kristall 4 und durch die Luft im Resonator 2 verursacht wird, kompensiert werden muss, und das kann unter Verwendung von dispersiven Spiegeln 10, 11, etc. erfolgen.

Als Beispiel zeigt Fig. 8 die Auswirkung eines üblichen Breitband-DM (dispersive mirror - dispersiver Spiegel) auf GDD-Kompensation, u.zw. im Wellenlängenbereich von 800 nm. Wie ersichtlich, können geringe Reflexionsverluste und GDD-Werte von -300 fs2/Aufprall im spektralen Bereich von 720-860 nm mit an sich bekannten dispersiven Spiegeln erzielt werden.

Die günstige Wirkung einer kurzen Impulsdauer auf die Intensität (oder Leistung) von Signalen, nämlich Zweiphotonen-Emissionsfluoreszenz, TPEF (Symbole 40) und SHGF und B (zweite Harmonische vorwärts und rückwärts; Symbole 41 und 42), ist aus Fig. 9 ersichtlich, wo die Intensität von TPEF und SHG über der mit 10x-0bjektiven erhaltene Pulsdauer gezeigt sind. Die Quadrate 40 stehen für die TPEF-Signale aus verdünnter Fluores-ceinlösung. Die Kreise 41 und die Dreiecke 42 stehen für SHG-Signale aus der Sehne eines Rattenschwanzes bei Vorwärts- bzw. Rückwärtsdetektion.

Sodann beweist ein Vergleich der Fig. 10A und 10B, dass ein stärkeres Fluoreszenzsignal bei geringerer Durchschnittsleistung generiert werden kann, indem kürzere Laserimpulse verwendet werden. Dabei wurde ein Paar DMs zur Kompensation von 12000 fs2 (der Dispersion eines Standard-Abtastmikroskops) bei 780 nm verwendet. In Abwesenheit eines Dispersionsmanagements sind die Impulse >400 fs an der Probe. Die Bilder zeigen Kollagen in einer Rattenschwanzprobe (Messdaten c/o J.D. McMullen und W.

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Zipfel, Cornell University).

Als nächstes wird auf eine THz-Anwendung der vorliegenden Laservorrichtung 1 Bezug genommen.

Wie aus Fig. 11 zu entnehmen ist, bezieht sich Terahertz-(THz)-Strahlung auf elektromagnetische Wellen, die sich bei Frequenzen im Bereich von 1012 Hz ausbreiten. Viele Materialien sind für THz durchlässig. THz-Strahlung ist ungefährlich für biologische Gewebe, weil sie (im Gegensatz zu Röntgenstrahlen) nicht ionisierend wirkt, und mit Terahertz-Strahlung erzeugte Bilder können eine relativ gute Auflösung (weniger als 1 mm) aufweisen. Auch haben viele Substanzen eindeutige spektrale Fingerabdrücke im Terahertz-Bereich, was bedeutet, dass Terahert z-Strahlen zur Identifizierung der Struktur mancher Materialien verwendet werden können. Der erfolgreiche Nachweis auf Basis von THz-Technologie schließt mehrere verschiedene Arten von Sprengstoffen, polymorphe Formen von vielen als aktive pharmazeutische Ingredienzien (API) in handelsüblichen Medikamenten verwendeten Verbindungen sowie mehrere illegale Betäubungsmittel ein. Da viele Materialien für THz-Strahlung durchlässig sind, können diese interessierenden Artikel durch für das Auge undurchsichtige Zwischenschichten wie Verpackungen und Gewand gesehen werden.

Diese Terahertz-Emission ist nicht zu sehen, weil ihre Frequenz etwa 300-mal niedriger ist als das für Menschen sichtbare Spektrum. Sie ist auch nicht fühlbar, weil die bei allen Frequenzen unter 1 THz gesendete Gesamtintensität unter einem Millionstel Watt pro Quadrat Zentimeter liegt. Daher wurde die Generierung und Detektion von THz-Strahlung zu einer globalen Herausforderung für die Fachwelt. Freie Elektronenlaser- oder Synchrotronlicht-Quellen können zwar helle THz-Strahlung erzeugen, doch sind beide kostenintensiv und unhandlich, da sie auf der Beschleunigungsinfrastruktur basieren, so dass sie für eine kommerzielle Anwendung nicht in Frage kommen. Ein anderer Ansatz beruht auf Vakuumelektronik wie Gyrotron- und Rückwärtswellenoszillatoren; erstere Vorrichtung sendet Strahlen jedoch nur im Bereich zwischen 0,02 bis 0,25 THz, während letztere nur bis höchstens 1 THz sendet. Daneben sind beide zuvor genannten Vorrichtungen auf die Vakuumröhrentechnik beschränkt, für die gefährlich hohe Spannungen zwingend sind. Halbleiter-Nanotechnologien bieten einen Ansatz zur Erzielung von THz auf Basis

NACHGEREICHT

I • ί ·· *·· · ···! «· * · # · * · ··· R 60482 : :ί 2 : *: Α 1717/2011 ** ·· ·*· · · ·· der Quantenzustände von Löchern (p-Germanium-Laser) oder Elektronen im Halbleiter-Teilband (Quantenkaskaden-Laser). Die beiden Obigen können kontinuierliche THz-Wellen generieren, brauchen aber Bedingungen unter kryogener Temperatur und Hochvakuum, wodurch sie eingeschränkt und außerhalb von Labors nicht weit verbreitet verwendbar sind.

Ti:Sa-Laser, die Impulse von sichtbarem oder Nah-Infrarot-licht (etwa 1014-1015 Hz) mit einer Dauer von weniger als 100 fs erzeugen können, werden zunehmend gebräuchlich und können mit geringen inkrementellen Kosten zur Generierung und Detektion von Terahertz-Strahlen verwendet werden. Der Aufbau wird als THz-Zeitbereichspektroskopie (THz-TDS - time domain spectroscopy) bezeichnet. Ein übliches Verfahren wird als photokonduktiver Emitter bezeichnet. Dabei wird ein elektrisches Feld von etwa 106 Vm"1 in einem hochohmigen Halbleiter durch Anlegen einer Gleichspannung zwischen einem Paar an seine Oberfläche gebundener Elektroden generiert. Ein Femtosekundenlaserimpuls beleuchtet den Halbleiter zwischen den Elektroden und erzeugt dabei eine große Dichte von mobilen Ladungsträgern (Elektronen und „Löcher'’) durch einen Effekt, der eng mit dem in Solarzellen verwendeten photoelektrischen Effekt verwandt ist. Diese Ladungsträger, die das breite elektrische Feld erfassen, beschleunigen bei etwa 1017 ms'2. Alle beschleunigenden Ladungen senden elektromagnetische Strahlung. Diese Ladungsträger, die ihre Höchstgeschwindigkeit in weniger als 10'12 s erreichen, senden einen einzigen elektrischen Feldimpuls, der kürzer als 10" 12 s ist und einen weiten Frequenzbereich bis zu einigen Terahertz aufweist. Typischerweise ist die durch dieses Verfahren erzeugte Durchschnittsleistung in einem stabilen, kohärenten Strahl mit wohlbekannten Zeitmerkmalen, und sie kann für Spektroskopie mit hoher spektraler Auflösung und hervorragendem Signal-Rausch-Verhältnis und sogar zur Abbildung verwendet werden.

Ein anderes Verfahren wird optische Rektifizierung genannt;

Ein ultrakurzer Hochleistungslaserimpuls passiert ein transparentes Kristallmaterial, welches einen Terahertz-Impuls sendet, ohne dass eine Spannung angelegt wird. Wird das angelegte elektrische Feld von einem Femtosekunden-Pulsbreiten-laser geliefert, ist die mit solch kurzen Impulsen assoziierte spektrale Bandbreite sehr groß. Durch das Mischen verschiedener

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Frequenzkomponenten wird eine Interferenzpolarisation erzeugt, die zur Emission von elektromagnetischen Wellen im Terahertz-Bereich führt. Der EOR-Effekt ist irgendwie ähnlich einer klassischen elektrodynamischen Strahlungsemission durch eine beschleunigende/verzögernde Ladung, außer dass hier die Ladungen in einer gebundenen Dipolform vorliegen und die THz-Generierung von der Suszeptibilität zweiter Ordnung des nichtlinearen optischen Mediums abhängt. Es ist ein beliebtes Verfahren zum Generieren von Strahlung im Bereich von wenigen THz bis zu einigen 10 THz.

Im THz-TDS wechselwirkt das elektrische Feld des THz-Impulses im Detektor mit einem viel kürzeren Laserimpuls (z.B. 100 Femtosekunden), so dass ein elektrisches Signal erzeugt wird, welches zum Zeitpunkt, zu dem der Laserimpuls den Detektor ansteuert, proportional zum elektrischen Feld des THz-Irapulses ist. Durch Wiederholen dieser Vorgangsweise und Variieren der Zeitsteuerung des Ansteuerlaserimpulses ist es möglich, den THz-Impuls abzutasten und sein elektrisches Feld als Funktion der Zeit zu konstruieren. Anschließend wird eine Fourier-Transformation zum Extrahieren des Frequenzspektrums aus den Zeitbereichdaten verwendet. Bei THz-TDS werden zwei übliche Detektionsschemen verwendet: die photokonduktive Abtastung und die elektrooptische Abtastung. Die photokonduktive Detektion ist ähnlich der photokonduktiven Generierung. Dabei wird das elektrische Vorspannfeld an den Antennenleitungen durch das elektrische Feld des auf die Antenne fokussierten THz-Impulses generiert, anstatt von außen angelegt zu werden. Die Anwesenheit des elektrischen THz-Felds erzeugt Strom durch die Antennenleitungen, der üblicherweise unter Verwendung eines Niederbandbreitenverstärkers verstärkt wird. Dieser verstärkte Strom ist der gemessene Parameter, welcher der THz-Feldstärke entspricht. Auch hier haben die Träger im Halbleitersubstrat eine extrem kurze Lebensdauer. Die Stärke des elektrischen THz-Felds wird somit nur über einen extrem kurzen Zeitanteil (in der Größenordnung von Femtosekunden) der gesamten elektrischen Feld-Wellenform abgetastet. Die elektrooptische Abtastdetektion erfolgt unter Verwendung des Pockels-Effekts, bei dem bestimmte kristalline Werkstoffe in Anwesenheit eines elektrischen Felds doppelbrechend werden. Die durch das elektrische Feld eines Terahertz-Impulses bewirkte Doppelbrechung führt zu einer

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Veränderung der optischen Polarisation des Detektionsimpulses proportional zur Stärke des elektrischen Terahertz-Felds. Diese Veränderung der Polsarisation wird mit Hilfe von Polarisatoren und Photodioden gemessen.

Man kann hierin nachvollziehen, dass Ti:Sa-Laser eine Schlüsselrolle in der THz-TDS-Technologie spielen. Aufgrund der raschen Entwicklung aus industrieller Nachfrage und wissenschaftlicher Forschung benötigen die Menschen ein kompaktes THz-TDS- und THz-Bildgebungssystem. Die herkömmliche ultraschnelle Zeitbereichspektroskopie beruht auf Pump-Sonden-Schemen, siehe Fig. 12, bei denen ein einziger Femtosekunden-(fs)-Laser 1 Pumpimpulse 50 und durch einen Strahlteiler 52 getrennte Sondenimpulse 51 liefert. Die Ti:Sa-Laseroszillatoren des Standes der Technik benötigen Wasserkühler und einen relativ längeren Resonator, da sie mit einer Wiederholungsrate von unter 100 Hz arbeiten. Daher kann ein kompakter Ti:Sa-Laser 1 dieses Problem lösen und das THz-TDS-System zu einem tragbaren Instrument machen. Normalerweise liegt die Reaktionsbandbreite im Bereich von 0,1 bis 4 THz, und es kann jedes eine Laserimpulsdauer von unter 100 fs sendende Ti:Sa-System für diesen Aufbau adaptiert werden. Einhergehend mit dem Fortschritt bei der Generierung von THz-Mehrfachimpulsen wurde die feldaufgelöste Detektion entwickelt. Dieser Generierungsmechanismus von THz-Strahlung kann als phasenangepasster nichtlinearer optischer Prozess der zweiten Ordnung verstanden werden. Dabei ist festzustellen, dass das Sub-20-fs-Lasersystem 1 das Schlüsselinstrument für Ultra-breitband-THz-Apparate ist. Weiters umgeht das asynchrone optische Hochgeschwindigkeitsabtasten diese Probleme, indem mechanische Verzögerungsabtastgeräte aus ultraschnellen Zeitbereichspektroskopiesystemen eliminiert werden. Zu diesem Zweck werden zwei Femtosekundenlaser 1 mit Wiederholungsraten fR verwendet, die mit einem Offset von Af stabilisiert werden. Der schnellere Laser dient als Pumplaser, der langsamere als Sondenlaser. Infolge der Verstimmung kommen aufeinanderfolgende Paare von Pump- und Sondenimpulsen an der Probe 53 mit einer Verspätung an, die mit jedem Impulspaar inkrementell um 10 fs zunimmt. Die Verzögerung zwischen den Pump- 50 und Sondenimpulsen 51 wird somit linear von 0 auf 1 ns abgestuft. Die Abstufung wird wieder auf Null gesetzt, wenn der schnelle Pumplaser den Sondenlaser nach exakt 100 ps (dem ίην^^ςρη w^rt- R 60482 1«“·# ► · « A 1717/2011 von Afs) „überholt" und ein neuer Messzyklus beginnt. Die Zeitverzögerung τ als Funktion der Echtzeit t wird durch eine gerade lineare Beziehung angegeben: r=(Af/fR)xt. Daher führt eine hohe Wiederholungsrate des Lasers zu einer höherfrequenten Auflösung.

Bei 54 ist in Fig. 12 auch eine elektrooptische Abtastvorrichtung mit abgeglichenen Photodioden gezeigt, wie an sich bekannt.

Sodann ist die optische Kohärenztomografie (OCT) ein nichtinvasives optisches diagnostisches Bildgebungsverfahren, das eine in-vivo-Schnitttomografie, eine 3-D-Visualisierung von inneren Gewebemikrostrukturen, ermöglicht. Die OCT entspricht der Ultraschall-B-Modus-Abbildung, außer dass sie Licht verwendet; wodurch noch nie dagewesene Bildauflösungen erzielt werden, d.h. Ergebnisse im subzellularen Auflösemaßstab oder etwa 10-mal bessere Ergebnisse als mit herkömmlichem Ultraschall, indem die kurze zeitliche Kohärenz von Licht aus Breitband-Lichtquellen in Kombination mit niedriger Kohärenzinterferometrie genutzt wird. Im Gegensatz zu anderen nichtlinearen optischen Messtechniken, z.B. Multiphotonen- oder CARS-Mikroskopie, geht es nicht um die Nutzung der Spitzenleistung oder Spitzenstärke des Lichts, sondern nur darum, dass die Kohärenzzeit abnimmt, wenn die Bandbreite des Lichts zunimmt, wodurch die interferometrische Detektion von sehr geringen Abständen zwischen nebeneinander angeordneten Streukörpern (d.h. die axiale Auflösung, siehe Fig. 14) möglich wird. Die Lichtquelle kann unabhängig von ihrer Wiederholungsrate im cw- oder im Pulsmodus betrieben werden. Die erzielbare axiale Auflösung wird nur durch die FWHM-Bandbreite und die Gestalt der spektralen Intensität, aber auch vom optischen Rauschen bestimmt. In der Theorie kann eine 1,5-pm-Auflösung in Gewebe erreicht werden, wenn ein gaußsches spektrales Intensitätsprofil mit einer FWHM-Bandbreite von 150 nm verwendet wird.

Als medizinische Diagnosetechnik wird OCT für Anwendungen auf einer Reihe von medizinischen Gebieten einschließlich der Ophthalmologie, der Kardiologie und der Gastroenterologie untersucht. Frequenzbereich-(FD)-OCT hat einen Paradigmenwechsel in der OCT-Gemeinschaft bewirkt, da sie sich als äußerst vorteilhaft hinsichtlich Empfindlichkeit und Erfassungsgeschwindigkeit erwiesen hat. Es gibt zwei Varianten von FD-OCT: die auf Spektrometer basierende Spektralbereich-(SD)-OCT-Technik, die

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A 1717/2011 bei Wellenlängenbereichen von 780-850 nun dominiert, und die Swept-Source-OCT, die in Wellenlängenbereichen um etwa 1050 nm und 1300 nm dominiert.

Die Leistung eines OCT-Systems wird in erster Linie durch seine axiale Auflösung 60 oder 61 (s. Fig. 14), die Querauflösung, den dynamischen Bereich (d.h. die Empfindlichkeit) und von Datenerfassungsspezifikationen bestimmt. Bei einer typischen Auflösung von 10 pm bietet die OCT bereits signifikant detailliertere Strukturinformationen als jede andere herkömmliche klinische Abbildungstechnik. In jüngster Zeit haben hochwertige ophthalmologische OCT-Vorrichtungen bereits eine axiale Auflösung von 5 pm in Gewebe bei Abtastraten von bis zu 26.000 A-Abtastungen (axial) pro Sekunde erzielt. Ihre Leistung (Geschwindigkeit und Auflösung) wird in erster Linie durch handelsübliche Breitband-Lichtquellen bei 800 nm (meist SLDs) mit einer Ausgangsnutzleistung im Bereich von 10 mW bis 20 mW bestimmt. OCT mit einer höheren Auflösung und Geschwindigkeit hätte potentiell große Auswirkungen auf die Diagnose von Krankheiten in Gebieten wie Ophthalmologie, Kardiologie, Gastroenterologie oder Onkologie. Axiales Hochgeschwindigkeitsscannen in der OCT wurde möglich durch das Aufkommen von Hochgeschwindigkeits-CMOS-Kameras, Axialscans bis zu 312.000 Abtastungen pro Sekunde wurden von einer renommierten Gruppe am MIT (Massachusetts Institute of Technology) unter Verwendung eines herkömmlichen Ti:Sa-Lasersystems nachgewiesen (s. Benjamin Potsaid, Iwona Gorczynska, Vivek J. Srinivasan, Yueli Chen, James Jiang, Alex Cable und James G. Fujimoto, „Ultrahigh speed spectral / Fourier domain OCT ophthalmic imaging at 70,000 to 312,500 axial scans per second", Op. Express 16, 15149-15169 (2008)). Aufgrund der sehr schnellen Abtastung muss mehr Lichtleistung aus der Probe (bzw. dem Auge) eingefangen werden, welche nicht durch eine superlumineszierende LED (SLD) zur Verfügung gestellt werden kann. Vorteile von hohen Erfassungsgeschwindigkeiten sind eine dicht abgetastete dreidimensionale OCT (3D-OCT) und/oder eine verbesserte seitliche Auflösung aufgrund von Patientenartefakten mit reduzierter Bewegung. Die Fourier-Domain-OCT mit Hochgeschwindigkeitskameras hat in der Tat die OCT-Technologie revolutioniert. Sie ermöglicht Hochgeschwindigkeitsscannen ohne Beiziehung von beweglichen mechanischen Komponenten, z.B.

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Stufen, Polygonspiegeln oder abstimmbaren Fabry-Perot-Filtern, wie sie bei der Verwendung von Swept-Source-Lichtquellen erforderlich sind.

Schnelles Abtasten in Kombination mit einem asymmetrischen Interferometer 55 (s. Fig. 13) zur Unterstützung eines höheren Signaldurchsatzes auf Kosten eines reduzierten Durchsatzes von der Quelle zur Probe steigert den Energiebedarf von der Quelle auf 10-50 mW. Dieser Energiepegel in Kombination mit einem Gauß’sehen Spektrum von >100 nm FWHM, zentriert bei 800 nm, wird idealerweise von einem kompakten modengekoppelten Ti:S-Oszillator 1 mit einer möglichst hohen Wiederholungsrate zur Reduktion der Spitzenleistung geliefert, wie bereits oben ausgeführt. ' Schließlich wird auf Anwendungen mit einer höheren Sättigungsrate und Faserführung Bezug genommen.

Ultrakurze Laserimpulse, die durch Lichtleitfasern wandern, werden nicht nur von Materialdispersion beeinträchtigt, sondern unterliegen auch nichtlinearen Auswirkungen aufgrund ihrer Beschränkung auf den ziemlich kleinen Kern des Wellenleiters.

Die Ausbreitung von Lichtimpulsen durch eine Lichtleitfaser wird üblicherweise durch zwei Parameter, genannt nichtlineare Länge Lnl und Dispersionslänge L0, beschrieben. r = ‘-‘NL 2 πη^Ρ T 2ttc t2

LjD~ AJ d worin D die Faserdispersion, τ die unverzerrte Impulsdauer, λ die Mitten-Wellenlänge, Aeff die effektive Fläche, P die Spitzenleistung und μ2 den nichtlinearen Brechungsindex bezeichnen. Ist LD viel kleiner als Lhl, werden die Impulse je nach ihrem Anfangschirpen linear gestreckt oder komprimiert. Sie sehen die Faser mehr oder weniger als volumentransparent. Im Gegensatz dazu unterliegen die Impulse, wenn Lnl kürzer als LD ist, einer Spektrumverbreiterung oder Spektrumverengung und verlieren ihre Fähigkeit, mit der ursprünglichen Impulsdauer aus der Faser auszutreten. Um nichtlineare Effekte zu vermeiden, soll die Impulsspitzenleistung P so gering wie möglich gehalten werden, damit Lnl über L0 ansteigt. In diesem Fall findet eine lineare Streckung in einem kürzeren Zeitmerkmal statt, wodurch

NACHGEREICHT R 60482 • · • · • Φ ΦΦ A 1717/2011 verhindert wird, dass sich nichtlineare Wechselwirkungen signifikant entwickeln. Die Ausgangsleistung am Ende einer Übermittlung von kurzen Impulsen über Faserwird somit im Grunde durch die Impulsspitzenleistung beschränkt. Für Femtosekundenlaser mit einer gegebenen Impulsdauer wird die Spitzenintensität der Impulse in der Faser mit Hilfe der durchschnittlichen Ausgangsleistung des Lasers eingestellt. Da die Impulsspitzenleistung umgekehrt proportional zur Wiederholungsrate des Laserimpulses ist, kann daher die Faserausgangsleistung durch Erhöhung der Laserwiederholungsrate unter Aufrechterhaltung derselben Spitzenintensität innerhalb der Faser entsprechend erhöht werden. Eine doppelt so hohe Wiederholungsrate bei derselben durchschnittlichen Ausgangsleistung des Lasers verringert beispielsweise die Impulsspitzenleistung auf die Hälfte, was bedeutet, dass bei Wiederherstellung derselben Impulsspitzenleistung ab der niedrigeren Wiederholungsrate eine doppelt so hohe Durchschnittsleistung durch die Faser übertragen werden kann.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass für ultrakurze Impulse von Ti:Sa-Lasern ein weites Anwendungsfeld auf dem Gebiet der Spektroskopie, Nano-/Mikromaterialbearbeitung oder THz-Generierung gefunden wurde, beispielsweise wo der scharfe Anstieg im elektrischen Feld des Lichts oder die Spitzenleistung des Impulses am wichtigsten ist. In jüngster Zeit kommt großes Interesse an der Faserführung solcher intensiver optischer Impulse auf, da diese eine große Flexibilität für Laserintegration bietet oder den Zugang zu stetig in Bewegung befindlichen, schwierig erreichbaren Regionen oder unter ungünstigen Umweltbedingungen gestattet. Die Faserführung wurde erfolgreich für dreidimensionale Hochauflösungsabbildungen in der nichtlinearen optischen Mikroskopie nachgewiesen, S.L. Fu, X. Gan und M. Gu, „Nonlinear Optical Microscopy based on Double-clad Photonic Crystal Fibers", Opt. Express 13, 5528-5534 (2005). Sie hat auch entscheidende Auswirkungen auf die Multiphotonenendoskopie und erweitert potentiell die Fähigkeit von kohärenter Anti-Stokes-Raman-Streuung (CARS - Anti-Stokes Raman Scattering) auf endoskopische Anwendungen, S.H. Wang, T.B. Huff und J.X. Cheng, „Coherent Anti-Stokes Raman Scattering Imaging with a Laser Source delivered by a Photonic Crystal Fiber", Opt. Lett. 31, 1417-1419 (2006). Auf dem Gebiet der Terahertz-Wissenschaft

NACHGEREICHT r 604 82 : :: .**. a 1717/2011 *· M IM * t ·· wurden fasergekoppelte THz-Sender und -Empfänger für die ultraschnelle Kohärenzspektroskopie verwendet, S.A. Crooker, „Fiber-coupled antennas for ultrafast coherent tera-hertz spectroscopy in low temperatures and high magnetic fields", Rev. Sei. Instrum., Bd. 73, Ausg. 9, S. 3258-3264 (2002). Bis heute ist die durchschnittliche optische Ausgangsleistung von einer Faserführung des Standes der Technik aufgrund der zuvor genannten Nichtlinearitäten stark eingeschränkt. Die Erhöhung der Wiederholungsrate des Lasers macht proportional mehr optische Leistung für faserbasierte Anwendungen verfügbar.

Es wird nun auf Fig. 15 Bezug genommen, in der eine praxis-taugliche Laservorrichtung 1 gezeigt ist, die entsprechend den obigen Lehren ausgebildet ist. Diese Laservorrichtung 1 hat ein hermetisch verschlossenes Gehäuse 65, in welchem der Laserresonator 2 (s. Fig. 1, 2) und vorzugsweise auch der Pumplaser (Modul) 3 enthalten sind. Um die kompakte, kleinbauende Vorrichtungseinheit zu demonstrieren, ist auch eine herkömmliche Laserschutzbrille 66 abgebildet.

Die entsprechenden spezifischen Parameter dieser praxistauglichen Laservorrichtung 1 lauten wie folgt:

Modengekoppelte durchschnittliche Ausgangsleistung = 100 mW

Pulsdauer = 8,5 fs

Bandbreite = 171 nm FWHM

Wiederholungsrate = 330 MHz

Pumpleistung = 1,1 W

Spitzenleistung = 35 kW

Mitten-Wellenlänge = 793 μΐη.

Die entsprechenden Diagramme, welche die gemessene Korrelation (vs. Zeit) und die spektrale Intensität (vs. Wellenlänge) für diese praxistaugliche Laservorrichtung 1 wie oben ausgeführt veranschaulichen, sind in den Fig. 16A und 16B gezeigt.

Aus Obigem geht hervor, dass mit der vorliegenden Erfindung eine Multifunktions-Laservorrichtung 1 vorgesehen wird, die eine derartige Konfiguration aufweist, dass ein- und dieselbe Vorrichtung 1 in ganz unterschiedlichen Anwendungen verwendet werden kann, nämlich in MP-Verfahren (einschließlich MPM-Verfahren, MPP-Verfahren, TPP-Verfahren, Nanostrukturierungs-verfahren, aber auch CARS-Verfahren), in OCT-Verfahren, in Faserführungsfällen und in THz-Verfahren; die Konfiguration weist einen modengekoppelten linearen fs-Resonator, auch

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Oszillator genannt, zur Erzeugung von fs-Laserimpulsen mit einer Dauer von weniger als 30 fs auf; die Länge des Laserstrahlwegs in diesem fs-Laserresonator ist so dimensioniert, dass eine Wiederholungsrate zwischen 300 und 600 MHz (oder vorzugsweise zwischen 300 und 600 MHz) gegeben ist; der Laserresonator enthält zumindest einige dispersive Spiegel (DMs) mit negativer GDD, so dass die durchschnittliche GDD des Resonators im Betriebs-Spektralbereich negativ ist; vorgesehen ist auch ein Pumplaser, dessen optische Ausgangsleistung auf höchstens 2 W beschränkt ist. Bei einer Ausführungsform der Laservorrichtung, bei welcher die Bandbreite geringer als 100 nm ist, d.h. zwischen 40 und 100 nm liegt, wobei die Mitten-Wellenlänge beispielsweise 800 nm + 100 nm beträgt, genügt es, dass nur manche Spiegel des Resonators DMs sind; bei einer breiteren Bandbreite, vorzugsweise >100 nm FWHM bei 800 nm, wird bevorzugt, dass alle Spiegel des Resonators DMs sind (natürlich mit Ausnahme des Auskopplers). Die durchschnittliche Ausgangsleistung des Resonators ist relativ gering, nämlich vorzugsweise geringer als 200 mW, wogegen die Spitzenleistung der Laserimpulse mindestens 10 kW beträgt. Der Pumplaser ist vorzugsweise ein moderner Pumplaser mit einer frequenzverdoppelten Halbleiter-Laserdiode oder ein frequenzverdoppelter DPSS-Laser. NACHGEREICHT |

Claims (15)

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   9 9 99 A 1717/2011 Patentansprüche: 1. Multifunktionale Laservorrichtung, die konfiguriert ist, um als solche bei Multiphotonenverfahren, Nanostrukturierungs-verfahren, optischer Kohärenztomografie, Terahertz-(THz}-Spektroskopie oder THz-Abbildung oder einer Kombination solcher Verfahren verwendet zu werden, und die einen modengekoppelten linearen (X- oder Z-gefalteten) fs-Laserresonator mit einer Wiederholungsrate von mindestens 300 MHz und höchstens 600 MHz und damit einer entsprechend geringen Resonatorlänge aufweist, wobei der fs-Laserresonator weiters ein Resonator mit dispersiven Spiegeln mit einer durchschnittlichen negativen GDD (Gruppenverzögerungsdispersion) im spektralen Bereich des Laserbetriebs und eingerichtet ist, Laserimpulse mit einer Impulsbreite von weniger als 30 fs zu erzeugen, und einen Pumplaser aufweist, der mit einer optischen Ausgangspumpleistung von weniger als 2 W arbeitet.
2. 2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei alle Spiegel des fs-Resonators mit Ausnahme des Auskopplers dispersive Spiegel sind.
3. 3. Laservorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Ausgangskoppler ein teilweise reflektierender dispersiver Spiegel ist.
4. 4. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiters konfiguriert, um eine modengekoppelte durchschnittliche Ausgangsleistung von weniger als 200 mW zu liefern.
5. 5. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiters mit Ti:Sa als Verstärkungsmaterial.
6. 6. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Pumplaser eine frequenzverdoppelte Laserdiode aufweist.
7. 7. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Laserresonator ein Verstärkungsmaterial aufweist, welches aus der Gruppe umfassend Cr:LiSAF, CrtLiCAF und Cr:Forsterit ausgewählt ist.
8. 8. Laservorrichtung nach Anspruch 7, wobei der Pumplaser eine Laserdiode ist.
9. 9. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der fs-Laserresonator eingerichtet, Laserstrahlung mit einer Mitten-Wellenlänge von etwa 800 nm zu liefern.
10. 10. Laservorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Strahlung eine Bandbreite größer als 100 nm hat. NACHGEREICHT R 60482 • · · • ♦ ♦ • · ·

    *·· · ♦ ·♦ A 1717/2011
11. 11. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Wiederholungsrate höchstens 500 MHz beträgt.
12. 12. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Laserresonator konfiguriert ist, um Laserimpulse mit einer Spitzenleistung von mindestens 10 kW zu emittieren unter Berücksichtigung der Laserimpulse mit ihrer kürzesten (bandbreitenbeschränkten) Impulsdauer entsprechend ihrer spektralen Bandbreite, z.B. nach entsprechender Dispersionskompensation.
13. 13. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Laserresonator in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse untergebracht ist.
14. 14. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Laserresonator und ein Pumpmodul in einem hermetisch verschlossenen Gehäuse untergebracht sind.
15. 15. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in Kombination mit einer Dispersionskompensationsvorrichtung für Anwendungen, die von einer hohen Spitzenleistung profitieren. NACHGEREICHT aaa# ·· a a * ♦ aa aa #· aaa* · a a · · · · a a + a ··· · · · · · a eaaa • · · * i · ·· aa aaa · 1/7

    Fig.1 1 /

    14 Fig. 2 NACHGEREICHT

    Fig. 4 NACHGEREICHT *· »* ·♦·· t ♦ · * * • ·* · ·*« « t * < · » I · · · »· ·· tt* ···

    3/7

    Fig. 5 t = 5 fs in τ. = 10 fS in τ = 20 fS m τ. = 50 fs m τ. = 100 fs in τ. = 200 fs Fig. 6 nachgereicht It*· »* f* >· ···· · ····· · ··· • · · · ·*« · ♦ · * Ψ · · · · . ** · · · $ I · * «··«· ·· t« ··· · · ·« 4/7

    Fig. 7

    Fig. 8 I NACHGEREICHT ·· *··· · • «Μ M • · m m • · • ♦ • « * • · • · ··· • · « * · • · • « • · « . i # • • » • · • • • · »· ·· • • «* 5/7 Intensität (normalisiert)

    Fig.9

    Fig. 10B Fig. 10A NACHGEREICHT Elektronik

    ΐ> 300 GHz - 3 THz <= THi-Spalt 6/7 Photon ik

    Fig. 11 Ml/-

    BS /' Pump strahl l> -1- Probe

    Abgeglichene Photodioden 54 i

    52 50 Emitter V M2 51 M3 M4 t ! ZnTe i WP .-'rll 14- ........:........V4 L- Sondenstrahl -/ M5 Elektro-Optisches Abtasten Fig. 12

    Bildanzeige Fig. 13 Für Mittenwellenlänge

    Fig. 14 | NACHGEREICHT *· ·· «··· • ·*·· ·%· § · • 4 • * • 9 · • • • · ··· • • • ·· • * * • a··* • • · « • * « * • • • * ·· «· » • • »· 7/7

    Korrelationssignal (V) KORRELATION SPEKTRUM

    Fig. 16A Fig. 16B NACHGEREICHT