DE102007003134A1

DE102007003134A1 - Laserscanmikroskop und strahlvereinigende optische Baugruppe

Info

Publication number: DE102007003134A1
Application number: DE200710003134
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. Huhse; Stefan Wilhelm
Original assignee: Carl Zeiss MicroImaging GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Microscopy GmbH
Priority date: 2007-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2008-07-24
Also published as: WO2008086792A1

Abstract

Bei einem Laserscanmikroskop besteht die Aufgabe, die Zusammenführung der Laserstrahlen in einen einzigen Strahlengang eines Laserscanmikroskops derart zu gestalten, dass die Leistungs- und Polarisationsparameter der Eingangsstrahlung durch Umwelteinflüsse weitestgehend unbeeinflusst bleiben. Das Laserscanmikroskop weist eine Beleuchtungseinrichtung mit mehreren, bei unterschiedlichen Wellenlängen emittierenden Lasern auf. Strahlausgangsseitig an den Lasern vorgesehene optische Fasern sind über eine für den sichtbaren Spektralbereich ausgebildete polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung mit einer weiteren optischen Faser verbunden, die an den Beleuchtungsstrahlengang des Laserscanmikroskops gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laserscanmikroskop sowie auf eine strahlvereinigende optische Baugruppe für ein Laserscanmikroskop.
Es sind konfokale Laserscanmikroskope bekannt, bei denen die von mehreren Lasern stammenden Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen über separate Lichtleitfasern geführt und nach dem Passieren verstellbarer Kollimatoren mit einer Freistrahloptik vereinigt werden, bevor über einen Hauptfarbteiler eine Strahlreflexion auf einen Scanner erfolgt.
Das Einkoppeln mehrerer unabhängiger Laser in eine Faser zur Übertragung zum Scankopf ist in Pawley: „Handbook of Confocal Microskopy", Plenum Press, 1994, Seite 151 beschrieben.
Die DE 197 02 753 C2 sieht auswechselbar und schaltbar ausgebildete Teilerspiegel vor, um Laserstrahlen verschiedener Einzel- und/oder Multiwellenlängenlaser auf einen kollinearen Strahl am Fasereingang einer zum Scankopf führenden optischen Faser zu vereinen.
Die DE 196 33 185 C2 verwendet einen monolithisch ausgebildeten Strahlvereiniger mit mehreren dichroitischen Einkoppelstellen, auf welche die Laserstrahlung mehrerer Laser entweder über optische Fasern oder direkt gerichtet ist.
Da die Strahlvereinigung über Freistrahlstrecken erfolgt, liegt eine Anfälligkeit gegenüber Änderungen der Umgebungsbedingungen sowie anderen äußeren Einflüssen vor. Je nach Positionierung des Strahlvereinigers kann es zu Verlusten der in das Laserscanmikroskop eingekoppelten Laserleistung und damit auch zu einer Instabilität der Laserintensität kommen oder aber die für die Bildüberdeckung erforderliche Überlagerung der einzelnen Farbkanäle wird ungenau.
Des Weiteren entstehen Aufwände für die Herstellung und insbesondere bei der Justage der Freistrahlkomponenten, die sich in den Montagekosten bzw. allgemein in den Herstellungskosten niederschlagen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, die Zusammenführung der Laserstrahlen in einen einzigen Strahlengang eines Laserscanmikroskops derart zu gestalten, dass die Leistungs- und Polarisationsparameter der Eingangsstrahlung durch Umwelteinflüsse weitestgehend unbeeinflusst bleiben.
Diese Aufgabe wird bei einem Laserscanmikroskop durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
Das Laserscanmikroskop weist eine Beleuchtungseinrichtung auf, die mehrere, bei unterschiedlichen Wellenlängen emittierende Laser enthält und bei der als Strahlausgänge der Laser vorgesehene optische Fasern über eine für den sichtbaren Spektralbereich ausgebildete polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung mit einer einzigen, an den Beleuchtungsstrahlengang des Laserscanmikroskops gekoppelten optischen Faser in faseroptischer Verbindung stehen.
Die faseroptische Koppelvorrichtung fungiert dementsprechend als polarisationserhaltender Wellenlängen-Multiplexer.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn die als polarisationserhaltende Single-Mode-Fasern ausgebildeten optischen Fasern über thermisch verschweißte Single-Mode-Faserzwischenstücke ohne Polarisationserhaltung optisch verbunden sind.
Damit wird erreicht, dass bei der Vereinigung mehrerer polarisationserhaltender Single-Mode-Fasern auf einen Faserausgang die Leistungsparameter der Eingangsstrahlung erhalten bleiben, da die erfindungsgemäße Koppeleinrichtung äußerst geringe Einfügeverluste aufweist. Durch den weitestgehenden Erhalt des Polarisationsauslöschungsverhältnisses (PER) beim faserbasierten einmodigen Multiplexing im sichtbaren Spektralbereich ist der Einsatz in der Laserscanmikroskopie gewährleistet.
Die erfindungsgemäße faseroptische polarisationserhaltende Single-Mode-Faserkopplung für den sichtbaren Spektralbereich gewährleistet, insbesondere in Laserscanmikroskopen, eine stabile, justagefreie Strahlvereinigung von Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen, indem Strahlen aus mindestens zwei polarisationserhaltenden Single-Mode-Fasern in eine polarisationserhaltende Single-Mode-Faser eingekoppelt werden.
Die bestehende Aufgabe wird ferner bei einer strahlvereinigenden optischen Baugruppe für ein Laserscanmikroskop durch die Merkmale des Anspruches 12 gelöst.
Die strahlvereinigende optische Baugruppe, die zur Einkopplung von mehreren, in optischen Fasern geführten Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen in eine gemeinsame, an den Beleuchtungsstrahlengang des Laserscanmikroskops gekoppelte optische Faser dient, weist eine für den sichtbaren Spektralbereich ausgebildete polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung auf, mit der die zur Strahlführung der Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen vorgesehenen optischen Fasern mit der gemeinsamen optischen Faser in faseroptischer Verbindung stehen.
Weitere zweckmäßige und vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Laserscanmikroskops und der strahlvereinigenden optischen Baugruppe ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 zwei über ein Stück nicht polarisationserhaltende Single-Mode-Faser miteinander verlustarm verbundene polarisationserhaltende Single-Mode-Fasern
2 eine einfache polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung mit zwei miteinander thermisch verschmolzenen Single-Mode-Faser-Zwischenstücken
3 einen durch Kaskadierung polarisationserhaltender faseroptischer Koppeleinrichtungen hergestellten faserbasierten Wellenlängen-Multiplexer
4 eine einzelne polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung, die mehr als zwei polarisationserhaltende Single-Mode-Fasern mit einer weiteren polarisationserhaltenden Single-Mode-Faser faseroptisch verbindet
5 eine erste Ausführung einer Beleuchtungseinrichtung für ein Laserscanmikroskop
6 eine zweite Ausführung einer Beleuchtungseinrichtung für ein Laserscanmikroskop
Die in 1 und 2 dargestellte Faserverbindung zwischen zwei aktiv zueinander justierten polarisationserhaltenden Single-Mode-Fasern 1, 2 mit entsprechenden Stressrods 1.1, 2.1 wird durch Spleißtechniken über ein kurzes, 15–20 mm langes Faserzwischenstück 3 aus einer Single-Mode-Faser hergestellt, das nicht polarisationserhaltend ist und das außerdem als Verbindungstück zu einem anderen Faserzwischenstück 4 dient, welches mit einer polarisationserhaltenden Single-Mode-Faser 5 verspleißt ist und ein freies, „ungenutztes" Faserende 5' aufweist.
Wie 2 zu entnehmen ist, werden die zwei kurzen Faserzwischenstücke 3, 4, insbesondere durch bekannte Techniken des thermischen Verschmelzens miteinander verbunden, so dass eine für den sichtbaren Spektralbereich ausgebildete polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung auf Schmelzkopplerbasis zwischen einem Paar polarisationserhaltender Single-Mode-Fasern 1, 5 und einer weiteren polarisationserhaltenden Single-Mode-Faser 2 hergestellt wird.
Auf diese Weise lässt sich gemäß 3 durch Kaskadierung z. B. über drei Koppeleinrichtungen 6, 7, 8 ein faserbasiertes Multiplexing realisieren, bei dem mehrere, in polarisationserhaltenden Single-Mode-Fasern 9 geführte Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen aus dem sichtbaren Spektralbereich über polarisationserhaltende Single-Mode-Fasern 10 schließlich in einer polarisationserhaltenden Single-Mode-Faser 11 derart kollinear vereint werden können, dass die Polarisationseigenschaften auch nach dem Multiplexing erhalten bleiben.
In 3 und 4 sind mit 12 Spleiße zwischen den polarisationserhaltenden Single-Mode-Fasern 9 bis 11 und nichtpolarisationserhaltenden Single-Mode-Faser-Stücken 13 bezeichnet.
Eine in 4 gezeigte polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung 14 führt mehr als zwei fasergeführte Laserstrahlen polarisationserhaltend in einer optischen Faser kollinear zusammen, indem die auf der Eingangsseite befindlichen polarisationserhaltenden Single-Mode-Fasern 9 mit einer einzigen polarisationserhaltenden Single-Mode-Faser 11 am Ausgang vereinigt werden.
Für die vier Eingänge können gemäß diesem Ausführungsbeispiel folgende Wellenlängenbereiche vorgesehen sein:

1. Eingang → Wellenlänge = 450 nm bis 514 nm (Argon Ionen Laser);
2. Eingang → Wellenlänge = 543 nm bis 561 nm (HeNe oder DPSS Laser);
3. Eingang → Wellenlänge = 594 nm (HeNe Laser);
4. Eingang → Wellenlänge = 633 nm bis 640 nm (HeNe oder Diodenlaser).

Die Beleuchtungseinrichtung gemäß 5 enthält mehrere Einzellinien- und/oder Multilinienlaser 15, 16, 17, die individuell sowie transport- und langzeitstabil an ausgangsseitig vorgesehene polarisationserhaltende Single-Mode-Fasern 9 gekoppelt sind.
Mittels einer polarisationserhaltenden faseroptischen Koppeleinrichtung 18, die sowohl entsprechend 2 kaskadenartig oder gemäß 4 ausgebildet sein kann, sind die einzelnen Fasern 9 verlustarm und unter Beibehaltung des Polarisationsauslöschungsverhältnisses auf eine einzelne polarisationserhaltende Single-Mode-Faser 11 zusammengeführt, so dass sich die Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen in dieser Faser 11 kollinear überlagern. Die einzelne Faser 11 ist mit ihrem strahlausgangsseitigen Faserende zur optischen Achse O-O einer Scaneinrichtung 19 eines Laserscanmikroskops ausgerichtet, so dass die sich kollinear überlagernden Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen der Scaneinrichtung 19 und damit dem Laserscanmikroskop bereitgestellt werden können.
Bei der in 5 gezeigten bevorzugten Ausführung ist die polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung 18 in einem Lasermodul 20 integriert. Das hat den Vorteil, dass die Scaneinrichtung 19 über eine Stecker-Buchse-Verbindung 21 sehr einfach mit dem Lasermodul 20 verbunden werden kann.
Aber auch die direkte Integration einer aufgrund der Spleiß- und Schmelztechnik sehr flach zu bauenden polarisationserhaltenden faseroptischen Koppeleinrichtung 22 im Scanmodul 19 (6) weist Vorteile auf. Das Lasermodul 20 reduziert sich auf die individuelle Faserkopplung der verwendeten Laser 15, 16 17, die dann lediglich noch in einem entsprechend belüfteten Gehäuse montiert werden müssen.
In einer weiteren nicht dargestellten Ausführung der Erfindung ist es auch möglich, die polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung ohne Faserzwischenstück aufzubauen, indem durch thermische Verschmelzung zweier polarisationserhaltender Fasern ein Schmelzkoppler ausgebildet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19702753 C2 [0004]
- DE 19633185 C2 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Pawley: „Handbook of Confocal Microskopy", Plenum Press, 1994, Seite 151 [0003]

Claims

Laserscanmikroskop mit einer Beleuchtungseinrichtung, die mehrere, bei unterschiedlichen Wellenlängen emittierende Laser enthält und bei der als Strahlausgänge der Laser vorgesehene optische Fasern über eine für den sichtbaren Spektralbereich ausgebildete polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung (6, 7, 8, 14) mit einer einzigen, an den Beleuchtungsstrahlengang des Laserscanmikroskops gekoppelten optischen Faser in faseroptischer Verbindung stehen.
Laserscanmikroskop nach Anspruch 1, wobei die faseroptische Koppeleinrichtung (6, 7, 8, 14) als polarisationserhaltender Wellenlängenmultiplexer ausgebildet ist.
Laserscanmikroskop nach Anspruch 2, wobei die optischen Fasern als polarisationserhaltende Single-Mode-Fasern (1, 2, 5, 9, 10, 11) ausgebildet sind.
Laserscanmikroskop nach Anspruch 3, wobei die polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung (6, 7, 8, 14) als Schmelzkoppler ausgebildet ist.
Laserscanmikroskop nach Anspruch 4, wobei die polarisationserhaltenden Single-Mode-Fasern (9, 10, 11) über thermisch verschweißte Single-Mode-Faserzwischenstücke (3, 4, 13) ohne Polarisationserhaltung optisch verbunden sind.
Laserscanmikroskop nach Anspruch 4, wobei die Schmelzkopplung zwischen den polarisationserhaltenden Single-Mode-Fasern (9, 11) hergestellt ist.
Laserscanmikroskop nach Anspruch 5, wobei die polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung (6, 7, 8) als Kaskade ausgebildet ist, bei der jeweils ein Paar polarisationserhaltender Single-Mode-Fasern (9, 10) mit einer weiteren polarisationserhaltenden Single-Mode-Faser (10, 11) optisch verbunden sind.
Laserscanmikroskop nach Anspruch 8, wobei die polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung (14) für eine direkte optische Verbindung zwischen mehr als zwei polarisationserhaltenden Single-Mode-Fasern (9) mit einer weiteren polarisationserhaltenden Single-Mode-Faser (11) ausgebildet ist.
Laserscanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung (6, 7, 8, 14) in einem Lasermodul (20) untergebracht ist und die weitere polarisationserhaltende Single-Mode-Faser (11) den Strahlausgang des Lasermoduls (11) bildet.
Laserscanmikroskop nach Anspruch 9, wobei die Scaneinrichtung (19) über eine Stecker-Buchse-Verbindung (21) mit dem Lasermodul (20) verbunden ist.
Laserscanmikroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung (6, 7, 8, 14) in der Scaneinrichtung (19) untergebracht ist.
Strahlvereinigende optische Baugruppe für ein Laserscanmikroskop, die zur Einkopplung von mehreren, in optischen Fasern geführten Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen in eine gemeinsame, an den Beleuchtungsstrahlengang des Laserscanmikroskops gekoppelte optische Faser, eine für den sichtbaren Spektralbereich ausgebildete polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung (6, 7, 8, 14) aufweist, mit der die zur Strahlführung der Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen vorgesehenen optischen Fasern mit der gemeinsamen optischen Faser in faseroptischer Verbindung stehen.
Optische Baugruppe nach Anspruch 12, wobei die faseroptische Koppeleinrichtung (6, 7, 8, 14) als polarisationserhaltender Wellenlängenmultiplexer ausgebildet ist.
Optische Baugruppe nach Anspruch 13, wobei die optischen Fasern als polarisationserhaltende Single-Mode-Fasern (1, 2, 5, 9, 10, 11) ausgebildet sind.
Optische Baugruppe nach Anspruch 14, wobei die polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung (6, 7, 8, 14) als Schmelzkoppler ausgebildet ist.
Optische Baugruppe nach Anspruch 15, wobei die polarisationserhaltenden Single-Mode-Fasern (9, 10, 11) über thermisch verschweißte Single-Mode-Faserzwischenstücke (3, 13) ohne Polarisationserhaltung optisch verbunden sind.
Optische Baugruppe nach Anspruch 15, wobei die Schmelzkopplung zwischen den polarisationserhaltenden Single-Mode-Fasern (9, 11) hergestellt ist.
Optische Baugruppe nach Anspruch 16, wobei die polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung (6, 7, 8) als Kaskade ausgebildet ist, bei der jeweils ein Paar polarisationserhaltender Single-Mode-Fasern (9, 10) mit einer weiteren polarisationserhaltenden Single-Mode-Faser (10, 11) optisch verbunden sind.
Optische Baugruppe nach Anspruch 16, wobei die polarisationserhaltende faseroptische Koppeleinrichtung (14) für eine direkte optische Verbindung zwischen mehr als zwei polarisationserhaltenden Single-Mode-Fasern (9) mit einer weiteren polarisationserhaltenden Single-Mode-Faser (11) ausgebildet ist.