DE19815306A1

DE19815306A1 - Laserresonatorkonstruktion mit verbessertem Signal-Rausch-Wert (S/N) am Ausgang eines fasergekoppelten Einmodenlasers für mehrere Wellenlängen als Beleuchtungsquelle für ein Laser-Raster-Mikroskop

Info

Publication number: DE19815306A1
Application number: DE19815306A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dr Simon
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1997-04-08
Filing date: 1998-04-06
Publication date: 1998-11-12
Also published as: US5910963A

Description

Stichworte

Mehrwellenlängenlaser, Laserresonatorkonstruktion, Transversalmodestruktur, Einmodenfaserkupplung, Signal-Rausch-Wert, Bildqualität, Laser-Raster- Mikroskopie, konfokale Laser-Raster-Mikroskopie.

0. Erfindung

Die Erfindung beschreibt eine Laserresonatorkonstruktion, die eine Laseraus beute mit extrem hohem Signal-Rausch-Wert (S/N) in jeder Laserlinie eines Mehr wellenlängenlasers liefert, der an eine Einmodenfaser oder an eine polarisations erhaltende Einmodenfaser gekoppelt ist, wie dies z. B. bei einem Ar- oder ArKr- Ionengaslasers der Fall ist, sowie die Anwendung dieses Lasers als Lichtquelle zur Beleuchtung eines Laser-Raster-Mikroskops.

I. Gaußsche Grundmode

Bei vielen Anwendungen ist es erforderlich, daß das Licht, welches bei einer bestimmten Wellenlänge aus dem Laser austritt, seitlich das räumliche Strahlprofil einer einfachen Gaußschen TEM₀₀-Mode aufweist. Dies erfordert gewisse technische Mittel, um die Ausbreitung von Moden höherer Ordnung (TEM_nm) bei dieser Wellenlänge (Laserlinie) innerhalb des Resonatorhohlraumes zu unterbinden. In der Regel löst man dies durch Einsatz von resonator-internen Blenden (z. B. variable Irisblenden oder Festblenden wie beispielsweise die Laserentladungsröhrchen). Diese bewirken ausreichend große Verluste für Gaußsche Moden höherer Ordnung, so daß bei diesen Moden nach einem Durch lauf durch den Resonatorhohlraum die Verstärkung durch das aktive Medium nicht größer ist als die Resonatorverluste (Gaußsche Moden höherer Ordnung haben im Vergleich zur Gaußschen Grundmode größere Strahldurchmesser; siehe dazu Bild 1). Demzufolge sind diese Resonatormoden auch nicht in der Lage, die Laserschwelle zu erreichen. Sie sind daher in der Laserausbeute nicht vorhanden.

II. Schwingungsmoden des Resonatorraumes

Die Ausbreitung der TEM_mm-Mode einer bestimmten Laserlinie (Wellenlänge λ ist durch die Ausbreitungstheorie für Gaußsche Moden (A.E. Siegman, "Lasers", University Science Books, Mill Valley, CA, 1986) beschrieben. Sofern der Laser resonator als Stehwellenresonator gestaltet ist, wird der Hohlraum in der Regel durch 2 konkave oder durch einen konkaven und einen Planspiegel gebildet, wobei die konkave Seite der Spiegel jeweils zum Hohlraum zeigt. Der Krüm mungsradius an der reflektierenden Fläche des Konkavspiegels muß dabei mit der Gaußschen Wellenfront des Laserstrahles übereinstimmen, der sich innerhalb des Resonatorraumes ausbreitet. Erst dann ist die Mode dem Hohlraum angepaßt und ändert sich nicht bei Reflexion am Konkavspiegel (Bedingung dafür, daß die Mode sich selbst nach einmaligem Durchlauf des Hohlraumes reproduziert). Die gleiche Bedingung gilt für den anderen Spiegel des Hohlraumes. Ausgehend vom Konkavspiegel breitet sich die Mode innerhalb des Hohlraumes aus, bis am Taillenpunkt, der entweder innerhalb des Hohlraumes (z. B. konfokaler, halb konfokaler oder quasi-konfokaler Hohlraum) oder auf einem Planspiegel liegt (halbkugelförmiger Hohlraum), eine Strahltaille entsteht (kleinster Strahldurch messer). Die Größe der Strahltaille richtet sich nach der Wellenlänge der Laser strahlung und nimmt bei größeren Wellenlängen zu. Daraus folgt, daß bei einem Mehrwellenlängenlaser, der eine feste hohlraum-interne Blende benutzt, eine bestimmte TEM₀₀-Mode einer Laserlinie größerer Wellenlänge stärker ausgeblen det wird als die gleiche Mode einer Laserlinie kürzerer Wellenlänge. In der Regel ist bei Mehrwellenlängenlasern, die für den Betrieb im Einzeltransversalmode ausgelegt sind (Gaußsche Grundmode TEM₀₀), die Laserlinie mit der größten Wellenlänge "überblendet" (d. h. für diese Wellenlänge ist die Blendengröße kleiner als der Strahldurchmesser in Blendenebene), wohingegen die Laserlinie mit der kleinsten Wellenlänge "unterblendet" ist (d. h. für diese Wellenlänge ist die Blendengröße größer als der Strahldurchmesser in Blendenebene (siehe Abb. 2a). Dies ergibt eine rein Gaußsche Grundausbeute (TEM₀₀) mit etwas geringerer Intensität bei der größten Wellenlänge, während die Ausbeute bei der kürzesten Wellenlänge immer noch aus einer Überlagerung von Gaußscher Grundmode und Moden höherer Ordnung besteht.

III. Moden-Konkurrenzverhalten

Die jeweilige Mode im Laserhohlraum ist nur dann imstande, die Laserschwelle zu erreichen, wenn der Zugewinn beim Durchlauf durch das aktive Lasermedium die Summe aller Durchlaufverluste übersteigt. Aus diesem Grunde konkurrieren alle zu einer bestimmten Laserlinie im Laserresonator vorhandenen Moden miteinan der, um so viel als möglich Linienumkehr in sich aufzunehmen. Diese Erschei nung ist bekannt als Moden-Konkurrenzverhalten. Sie führt zu einem zeitlichen Energieaustausch zwischen den unterschiedlichen Resonatormoden. Bei einer getrennten Resonatormode läßt sie sich als zeitliche Intensitätsschwankung beobachten. Da andererseits die Gesamtenergiemenge aller Resonatormoden für eine bestimmte Laserlinie konstant ist (solange keine Linienkonkurrenz stattfin det), läßt sich auch keine Schwankung in der Gesamtintensitätsausbeute der jeweiligen Linie feststellen.

IV. Einmodenfaserkupplung

Wenn die Ausbeute eines Mehrwellenlängenlasers laut Beschreibung unter I.-III. (rein Gaußsche Grundausbeute bei der größten Wellenlänge, während die Ausbeute bei der kürzesten Wellenlänge trotzdem noch eine Überlagerung einer Grundmode und anderer Moden höherer Ordnung darstellt) in eine Einmoden faser mit einer Grenzwellenlänge (λ_cut-off = 2.π.a.NA/2.405, wobei a und NA den Kernradius bzw. die numerische Apertur der Faser bezeichnen) eingekoppelt wird, die kürzer ist als die kürzeste durch den Laser ausgesendete Wellenlänge, so befördert die Faser nur die Gaußsche Grundmode (TEM₀₀) einer jeden Laser linie und blendet alle Moden höherer Ordnung aus (räumliche Filterfunktion der Einmodenfaser). Infolgedessen kann es durch die Trennung von Grundmode und Moden höherer Ordnung für die kürzeste Wellenlänge zu erheblichen Intensitäts schwankungen in der kürzesten Wellenlängenlinie am Ausgang der Einmoden faser kommen. Für viele Anwendungen (siehe VI.) kann dies nicht akzeptiert werden und bildete den Ansatzpunkt für diese Erfindung.

V. Neue Konstruktion des Laserresonators

Zur Realisierung einer Einmodenfaserkupplung mit geringem Rauschanteil (Grenzwellenlänge der Faser ist kleiner als alle durch den Laser ausgesendeten Wellenlängen) ist die Konstruktion des Laserresonators eines Mehrwellen längenlasers so abzuändern, daß sich für jede Laserwellenlänge lediglich die Gaußsche Grundmode (TEM₀₀) innerhalb des Resonatorhohlraumes aufbauen kann (siehe Abb. 2b). Daher müssen alle Moden höherer Ordnung für alle Laserlinien wirksam unterdrückt werden. Sowohl der Auskoppelspiegel als auch der hintere Spiegel (hochreflektierend) des Laserresonators sind in der folgenden Darlegung sowie in Abb. 2 als Konkavspiegel ausgebildet. Generell können diese Spiegel jedoch auch eben sein. Erhöht man den Krümmungsradius des hinteren Spiegels, so vergrößern sich die Strahltaillendurchmesser für alle Trans versalmoden innerhalb des Hohlraumes. Als Folge dessen wird ein großer Anteil einer jeden Mode an der betreffenden resonator-internen Hohlraumblende ausge blendet, was zu einer verminderten Ausgabeleistung bei jeder Laserwellenlänge führt. Da im Vergleich zur Gaußschen Grundmode alle Moden höherer Ordnung ein breiteres seitliches Strahlprofil aufweisen, unterliegen sie auch stärkeren Verlusten durch Ausblendung im Resonatorraum. Bei einem bestimmten Krüm mungsradius des hinteren Spiegels wird die Laserschwelle durch keine Mode höherer Ordnung mehr erreicht. Dies bewirkt einen sprunghaften Anstieg des Signal-Rausch-Wertes für jede der Laserlinien aus Ausgang aus der Einmoden faser (siehe Abb. 3-4).

Wie aus Abb. 2b zu entnehmen, bezweckt die Erfindung, diese Verbes serung des Signal-Rausch-Wertes eines fasergekoppelten Einmodenlasers für mehrere Wellenlängen durch Veränderung des Durchmessers der Strahltaille innerhalb des Resonatorhohlraumes zu erreichen. Dabei soll an den Elementen des Resonatoraufbaus nichts anderes modifiziert werden als der hintere und/oder vordere Spiegel des Hohlraumes. Dies geschieht unter Anwendung jeweils eines der folgenden Mittel:

a) Der Spiegelhalter wird so modifiziert, daß der Spiegel auf der optischen Achse des Resonators über eine bestimmte Weglänge (Δx≠0) verschoben werden kann.
b) Der Spiegelhalter wird so modifiziert, daß der Spiegel gekippt werden kann, bis die Normale seiner Oberfläche einen bestimmten Winkel (0≠0) mit der Resonator achse bildet (siehe Spiegel M5).
c) Der Spiegel wird entfernt und ein anderer Planspiegel, der an sinnvoller Lage im Laseraufbau angeordnet wird, dient als Resonatorspiegel (siehe M3).
d) Der Spiegel wird entfernt und ein anderer Konkavspiegel, der an sinnvoller Lage im Laseraufbau angeordnet wird, dient als Resonatorspiegel (siehe M4). e) Der Spiegel wird durch einen anderen Konkavspiegel mit vergrößertem Krüm mungsradius ersetzt.
f) Der Spiegelhalter wird mit der Möglichkeit zum wechselbaren Einsatz mehrerer Spiegel mit unterschiedlichem Krümmungsradius versehen.
g) Der Spiegelhalter wird so ausgestattet, daß am Laserresonator alle Modifika tionen vorgenommen werden können, die eine beliebige Kombination der unter a) bis f) beschriebenen Eingriffe darstellen.

VI. Laser-Raster-Mikroskopie

Die Erfindung schlägt vor, ein Lasersystem mit Resonatorkonstruktion wie unter V. beschrieben als Beleuchtungsquelle für ein Laser-Raster-Mikroskop (bzw. ein konfokales Laser-Raster-Mikroskop) verwendet wird. Siehe dazu Abb. 5a. Die Ausbeute eines fasergekoppelten Mehrwellenlängen-Einmodenlasers wird in den Beleuchtungsstrahlengang eines Laser-Raster-Mikroskops eingekoppelt und dazu ausgerichtet. Der Laserstrahl wird durch das Objektiv des Mikroskops in die Fokusebene des Objektivs fokussiert, die innerhalb des Objektes liegt. Das vom Objekt ausgehende Signal wird durch einen zweckentsprechenden Detektor gemessen. Die Signalerfassung kann durch Einsatz einer konfokalen Aufnahme anordnung erfolgen, in die auch ein zusätzliches Pinhole-System zur räumlichen Filterung integriert werden kann.

Bei der Betrachtung eines Lasersystems, das als Beleuchtungsquelle eines Laser-Raster-Mikroskopes eingesetzt werden soll, ergeben sich gewisse Forde rungen bezüglich der Leistungsparameter dieses Lasersystems, die erfüllt werden müssen, damit das Abbildungssystem des Mikroskops optimal funktioniert und maximal flexibel ist:

1.) Für viele Anwendungsfälle (z. B. konfokale Laser-Raster-Mikroskopie im biologischen Bereich) muß die Laserausbeute gleichzeitig in mehreren unter schiedlichen Wellenlängen verfügbar sein (λ₁<λ₂..<λ_n). Erst dann können die Vorteile von Mehrkanalanregungs- und Erfassungsanordnungen für die Unter suchung des Objektes zum Tragen kommen.

2.) Der Laserstrahl wird vom Objektiv des Mikroskops zu einem beugungsbe grenzten Fleck in der Fokusebene des Objektivs fokussiert. Sollte der Laser ein seitliches Raumprofil einer rein Gaußschen Mode TEM₀₀ aufweisen, so kann er auf die kleinstmögliche Fleckgröße fokussiert werden (∼(λ/NA)², wobei λ und NA die Laserwellenlänge bzw. die numerische Apertur des Mikroskopobjektivs kenn zeichnen). Nur in diesem Falle ist es immer möglich, das Auflösungsvermögen des Mikroskopobjektivs für die Bildentstehung voll auszunutzen. Andernfalls kön nen zusätzliche Beugungsverluste auftreten und die Bildqualität beeinträchtigen. Dementsprechend ist anzustreben, daß alle vom Laser ausgesendeten Wellen längen (λ₁. . .λ_n) als rein Gaußsches Grundmodeprofil (TEM₀₀) zur Verfügung stehen.

3.) Da der Signal-Rausch-Wert des aufgenommenen Bildes das Signal-Rausch- Verhältnis des als Beleuchtung verwendeten Lasers direkt widerspiegelt, ist es notwendig, daß die Laserausbeute in jeder einzelnen Emissionswellenlänge (λ₁. . .λ_n) mit dem größtmöglichen Signal-Rausch-Wert zur Verfügung steht, um beste Bildqualität zu sichern.

4.) Infolge des Einsatzes eines Lichtleiters zur Führung des Lichtstrahles von der Laserquelle bis zum Rastermikroskop lassen sich folgende zusätzlich Vorteile erzielen: Die Modularität der Gerätetechnik erhöht sich und es entsteht mehr Flexibilität zwischen den einzelnen Geräten. Da Teilsysteme in geringerem Maße gerätetechnisch integriert sind, wird eine kompaktere Konstruktion dieser Systeme möglich. Des weiteren ist das Mikroskopsystem sowohl mechanisch als auch thermisch von der Laserquelle getrennt.

Gemäß Erfindung werden die Anforderungen 1.) bis 4.) durch den unter I. bis V. beschriebenen fasergekoppelten Mehrwellenlängen-Einmodenlaser erfüllt.

Faserkopplung mehrerer Laser

Bestimmte Anwendungsfälle (z. B. Laser-Raster-Mikroskopie) verlangen mitunter nach einer Laserquelle, die gleichzeitig Strahlung als Vielfaches unterschiedlicher Emissionswellenlängen erzeugt (λ = λ_l. . .λ_n), welche die Anzahl der Wellenlängen (λ₁. . .λ_n) übersteigt, die von einem fasergekoppelten Mehrwellenlängen-Einmoden laser bereitgestellt werden. In diesen Fällen können die Ausbeute eines unter I. bis IV. beschriebenen fasergekoppelten Mehrwellenlängen-Einmodenlasers (bezeichnet als L₁, bei λ = λ_l. . .λ_n), und die Ausbeute eines oder mehrerer anderer Laser (bezeichnet als externe Laser L₂. .L_k, im allgemeinen bei λ_kj ≠ λ₁. . .λ_n = ) mitein ander überlagert werden, um einen gemeinsamen Strahl zu bilden, der die Laser strahlung aller gewünschten Wellenlängen in sich vereinigt (λ_i,λ_kj). Der (die) externe(n) Laser L₂. .L_k können im Sinne der Erfindung aufgebaute fasergekop pelte Mehrwellenlängen-Einmodenlaser sein bzw. auch jedem anderen Typ Einzellinien- oder Mehrlinienlaser angehören oder eine beliebige Kombination aus diesen Laserarten darstellen. Die Erfindung schlägt vor, die Überlagerung des von einem fasergekoppelten Mehrwellenlängen-Einmodenlaser gesendeten Ausgangsstrahles L₁ mit dem oder den von einem bzw. mehreren externen Lasern abgegebenen Ausgansstrahlen L₂. .L_k dadurch erreicht wird, daß die Ausgangs-strahlen der externen Laser L₂. .L_k in dieselbe Einmodenfaser wie der Mehrwellenlängenlaser L₁ eingekoppelt werden (siehe Abb. 5b). Ausgehend von I.-VI. lassen sich der höchste Signal-Rausch-Wert jeder konkreten Laserlinie (bei λ = λ_i,λ_kj) und die beste räumliche Überlagerung aller Laserstrahlen am Ausgang des Lichtleiters erreichen, wenn die rein Gaußschen Grundmoden (TEM₀₀) in allen Emissionswellenlängen λ sämtlicher in die Faser eingekoppelter Laser L₁, L₂. .L_k zur Verfügung stehen und wenn die Lichtleitfaser nur diese Moden befördert (d. h. λ_cut-off < = λ_i,λ_kj) Darüberhinaus haben am Aus gang des Lichtleiters die Strahlen aller Laser L₁, L₂. .L_k genau zueinander ausge richtet zu sein. Ist dies der Fall, so werden alle unter Vl.1.) -4.) genannten Leistungsparameter auch durch diesen Aufbau der Laserquelle erfüllt.

Bildbeschreibungen Abb. 1

Intensitätsverteilung von Gaußschen TEM₀₀-Moden in einem konfokalen Laser resonator mit rechtwinkligen Spiegeln. Moden höherer Ordnungen als TEM₀₀ haben einen größeren Strahldurchmesser und unterliegen stärkeren Beugungs verlusten.

Abb. 2a

Feldverteilung der Gaußschen Grundmoden TEM₀₀ im Hohlraum eines Mehrwel lenlängenlaserresonators mit Auskoppelspiegel (Konkavspiegel M1), hochreflek tierender hinterer Spiegel (Konkavspiegel M2) und Festblende (A) sind für drei Strahlen unterschiedlicher Wellenlänge dargestellt λ₁<λ₂<λ₃. Als Blende kann das Laserentladungsröhrchen selbst oder auch ein beliebig anderes Teil der Laseran ordnung dienen, das den Strahl innerhalb des Hohlraumes begrenzt. Die Laser strahlung, die durch den Auskoppelspiegel aus dem Resonatorhohlraum heraus geführt wird, wird mittels Linse (L) in den Einmodenlichtleiter (F) eingekoppelt, der gleichzeitig dazu dient, diese Strahlung dem Beleuchtungsstrahlengang eines Laser-Raster-Mikroskopes zuzuführen (siehe Abb. 5a). Infolge der unter schiedlichen Wellenlängen weisen die 3 Strahlen in der Blendenebene unter schiedliche Taillendurchmesser auf. Für den konkreten Resonatoraufbau nimmt der Durchmesser der Strahltaille mit größer werdender Laserwellenlänge zu. Daher wirkt die Blende auf größere Wellenlängen stärker beschneidend (im vorliegenden Fall λ₁), wohingegen die kürzeren Wellenlängen (im vorliegenden Fall λ₃) "unterblendet" sind. Aus diesem Grund ist es bei dieser Anordnung nicht möglich, Moden höherer Ordnung als TEM₀₀ mit Hilfe der Festblende zu unter drücken.

Abb. 2b

Um diesen Nachteil zu überwinden, wird der hintere Spiegel (M2) von seiner ursprünglichen Position x₀ entlang der Resonatorachse um eine bestimmte Ent fernung Δx<0 wegbewegt. Dadurch vergrößert sich der Krümmungsradius der Gaußschen Wellenfront bei x₀ im Vergleich zu seinem ursprünglichen Wert. Infolgedessen vergrößern sich auch die Taillendurchmesser aller Transversal resonatormoden durch diese Modifizierung des Laserhohlraumes. Dies ist exem plarisch für die TEM₀₀-Mode des Strahles mit der Wellenlänge λ₃ dargestellt. Da das seitliche Strahlprofil der jeweiligen Resonatormode umso größer wird, je höher die Ordnung (m,n) der Mode ist (siehe Abb. 1), sorgt die Blende bei einer bestimmten Stellung x₀+Δx nur noch für ausreichend Verluste, um die Resonatormoden dementsprechend höherer Ordnungen (n≧n_s, m≧m_s) daran zu hindern, die Laserschwelle zu erreichen, wohingegen mehrere Moden niederer Ordnung (n<n_s, m<m_s) die Blende ohne Verluste passieren. Indem man den hinteren Spiegel weiter vom Auskoppelspiegel wegschiebt, verringert sich die Anzahl dieser Moden niederer Ordnung, da die Strahltaillendurchmesser der Resonatormoden noch einmal größer werden. Die endgültige Position x₁ des hinteren Spiegels ist dann erreicht, wenn die blendenbedingten Verluste bei allen Moden mit höherer Ordnung als TEM₀₀ ausreichend sind, um diese Moden an der Erreichung der Laserschwelle zu hindern. In diesem Falle baut sich für den Laser strahl der Wellenlänge λ₃ nur die Gaußsche Grundmode innerhalb des Laserhohl raumes auf und es kommt zu keinen Konkurrenzerscheinungen mehr. Am Aus gang der Lichtleitfaser verbessert sich das Signal-Rausch-Verhältnis jeder vom Mehrlinienlaser ausgesendeten Wellenlänge mit λ≧λ₃ bis zum optimalen Wert, weil bei dieser Anordnung die Resonatormoden der Laserwellenlängen mit λ≧λ₃ (im vorliegenden Fall λ₁ und λ₃) "überblendet" sind, wie aus Abb. 2a ersichtlich. Davon ausgehend entspricht der Laser und im Anschluß daran der Ausgang der Lichtleitfaser bei diesen Wellenlängen auch den Gaußschen Grund moden TEM₀₀, die eine etwas geringere Intensität als bei der ursprünglichen Hohlraumkonfiguration aufweisen. Bei einer bestimmten Position x_p sind in Abhängigkeit von den Krümmungsradien der Resonatorspiegel die Wellenfronten der Gaußschen Grundmode TEM₀₀ eben. Anstatt den hinteren Spiegel nach x₁ zu verschieben, kann daher ein als hinterer Resonatorspiegel dienender Planspiegel bei x=x_p in den Laserhohlraum eingesetzt werden, um alle anderen Moden außer TEM₀₀ zu unterdrücken. Mit zunehmender Entfernung von x_p nimmt der Krüm mungsradius der Wellenfronten der Gaußschen TEM₀₀-Mode innerhalb des Resonatorraumes ab, bis er an der Oberfläche des hinteren Spiegels oder an der des vorderen Spiegels seinen Minimalwert erreicht. Von daher läßt sich die ange strebte Ausgrenzung aller Moden höherer Ordnung als TEM₀₀ auch dadurch reali sieren, daß man als hinteren Spiegel einen weiteren Konkavspiegel bei x=x₂ in den Hohlraum des Lasers einbringt, dessen Krümmungsradius dem Krümmungs radius der entsprechenden Wellenfronten bei x₂ angepaßt ist. Konkret kann der ursprünglich hintere Spiegel des Resonators gegen einen anderen Spiegel ausge-tauscht werden, der einen angemessen größeren Krümmungsradius aufzuweisen hat (R₁<R₂).

Abb. 3

Der verbesserte Signal-Rausch-Wert eines fasergekoppelten Mehrwellenlängen- Einmodenlasers wird veranschaulicht anhand der Messungen, die speziell für die Emissionslinien eines RYB-ArKr-Ionenlasers bei λ₁=647 nm, λ₂=568 nm und λ₃=488 nm in Abhängigkeit von der Resonatorlänge durchgeführt wurden. Die Laserlinie bei 647 nm besteht ausschließlich aus der Gaußschen Grundmode, auch beim ursprünglichen Resonatoraufbau. Eine Vergrößerung des Durchmes sers der resonator-internen Mode (dargestellt als Resonatorlänge) für diese Laserlinie durch weiteres Wegbewegen des hochreflektierenden Elementes bringt eine verminderte Ausgangsleistung bei 647 nm mit sich, und, je näher die Linie an die Laserschwelle herankommt, auch die Abnahme des Signal-Rausch-Wertes. Für die anderen Laserlinien bei 488 nm und 568 nm gibt es eine definierte Hohl raumkonstruktion, bei der alle Moden höherer Ordnung infolge der Blendenver luste unterdrückt werden. Dies führt zu einem sprungartigen Anstieg des Signal- Rausch-Wertes nach dem Faserausgang. Werden diese Laserlinien mit Hilfe einer unter V. beschriebenen Methode auf die Gaußsche Grundmode beschränkt, leiden sie nicht mehr unter Konkurrenzerscheinungen zwischen den Moden. Dies wiederum erbringt in der jeweiligen Laserlinie eine Ausbeute mit erheblich gesenkten optischen Rauschanteilen bzw. einem höheren Signal-Rausch-Wert.

Abb. 4

Laserausgangsleistungen, gemessen speziell für die in Abb. 3 beschrie benen Laserlinien. Für die bei λ₂=568 nm und λ₃=488 nm ausgesendeten Wel lenlängen bleibt die Ausgansleistung relativ konstant, während die Ausgangs leistung bei λ₁=647 nm infolge der in der Beschreibung zu Abb. 3 erwähn ten Gründe abnimmt.

Abb. 5a

Fasergekoppelter Mehrwellenlängen-Einmodenlaser mit verbessertem Signal- Rausch-Wert, eingesetzt als Beleuchtungsquelle für ein Laser-Raster-Mikroskop. Die Ausbeute des faser-(F) gekoppelten Lasers (L) wird mit Hilfe eines Faseraus gangskopplers (O) in den Beleuchtungsstrahlengang eines Mikroskops (M) einge koppelt und mittels Justiervorrichtung (AD) ausgerichtet. Der Laserstrahl wird vom Objektiv des Mikroskops (MO) in die Fokusebene (FP) des Objektivs fokussiert, die innerhalb des Objektes (SP) liegt. Das vom Objekt ausgehende Signal wird mit einem passenden Detektor (D) gemessen. Die Signalerfassung kann unter Verwendung einer konfokalen Aufnahmeanordnung (CD) erfolgen, in die zusätz lich ein optisches Pinhole-System (PS) zur räumlichen Filterung integriert sein kann. Das Rastern des Laserstrahles geschieht mit Hilfe des optischen Raster systems (S).

Abb. 5b

Die Beleuchtung des Laser-Raster-Mikroskopes (LSM) erfolgt mittels fasergekop pelten Mehrwellenlängen-Einmodenlasers (L₁) laut Beschreibung zu Abb. 5a. Die Ausgangsstrahlen der Laser (L₂ L₃. .L_k) werden über dieselbe Einmoden faser (F) wie der fasergekoppelte Mehrwellenlängen-Einmodenlaser (L₁) sowie über entsprechende optische Systeme (OS₁, OS₂2. .OS_k) in das Mikroskop einge koppelt. Auf diese Art überlagern sich die Strahlen meherer Laser (L₁, L₂, L₃. .L_k) und werden gemeinsam in den Beleuchtungsstrahlengang des Mikroskops einge koppelt. Am Ausgang der Lichtleitfaserwerden die Strahlen aller Laser L₁, L₂. .L_k genau zueinander ausgerichtet. Durch die Zuführung von Laserstrahlung zusätz licher Wellenlängen (λ_kj) in das Mikroskop läßt sich mit minimalem Aufwand eine wesentliche Steigerung in der Flexibilität des Systems erreichen. Der (die) Laser L₂. .L_k können fasergekoppelte Mehrwellenlängen-Einmodenlaser im Sinne der Beschreibung dieser Erfindung oder beliebig andere Laser mit mehreren oder einer Wellenlänge bzw. auch beliebige Kombinationen davon sein.

Claims

1. Fasergekoppelter Mehrwellenlängen-Einmodenlaser, bei dem zwecks Unterdrückung höherer oder transversaler Moden in Bezug auf TEM₀₀ im Resonatorraum des Lasers zumindest für eine ausgesendete Laserwellen länge

a) mindestens ein Resonatorspiegel auf der Resonatorachse bewegt werden kann, um die Resonatorlänge zu variieren, oder
b) mindestens ein Resonatorspiegel soweit gekippt werden kann, daß dessen Oberflächennormale einen Winkel von (0≠0) mit der Resonatorachse bildet, oder
c) mindestens ein Resonatorspiegel gegen einen (anderen) Konkavspiegel mit anderem Krümmungsradius ausgetauscht wird, oder
d) mindestens ein Resonatorspiegel durch einen Planspiegel ersetzt wird, oder
e) mindestens ein Spiegelhalter so gestaltet ist, daß mehrere auswechselbare Spiegel unterschiedlichen Krümmungsradius' verwendet werden können, oder
f) eine Anordnung getroffen wird, die die unter 1a) bis 1f) genannten Merkmale beliebig kombiniert.

2. Fasergekoppelter Mehrwellenlängen-Einmodenlaser, bei dem zur Vergrößerung der Strahltaillendurchmesser der Transversalmoden des Laserhohlraumes eine der Methoden nach 1a) bis 1f) angewendet wird.

3. Fasergekoppelter Mehrwellenlängen-Einmodenlaser, bei dem zur Erhöhung des Signal-Rausch-Wertes der Ausbeute dieses Lasers in mindestens einer Emissionswellenlänge eine der Methoden gemäß 1a) bis 1f) angewendet wird.

4. Lasersysteme entsprechend 1 bis 3

4a. versehen mit resonator-interner Festblende, oder
4b. versehen mit verstellbarer resonator-interner Blende, oder
4c. versehen mit einer resonator-internen Blende, die definiert ist durch ein beliebiges Teil in der Laseranordnung zur Begrenzung des Lasers innerhalb des Resonatorhohlraumes, z. B. durch das Laserentladungsröhrchen, oder
4d. ohne resonator-interne Blenden.

5. Fasergekoppelter Mehrwellenlängen-Einmodenlaser gemäß 1. bis 4., bei dem die Einmodenfaser als polarisations-erhaltende Faser ausgebildet ist.

6. Fasergekoppelter Mehrwellenlängen-Einmodenlaser 1. bis 5., wobei der Ausgangsstrahl von mindestens einem anderen Laser in dieselbe Lichtleit faser wie der Mehrwellenlängen fasergekoppelte Einmodenlaser einge koppelt wird.

7. Integration von Lasersystemen gemäß 1. bis 6. als Beleuchtungs- Systeme für

7a. Laser-Raster-Mikroskope, oder
7b. konfokale Laser-Raster-Mikroskope.