DE202009007789U1 - Broadband light source and microscope - Google Patents

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Abstract

Breitbandige Lichtquelle mit einem mikrostrukturierten optischen Element, das das Licht einer Primärquelle spektral verbreitert, dadurch gekennzeichnet, dass dem mikrostrukturierten Element in Lichtrichtung zur Verbesserung des Strahlprofils eine monomodige Faser nachgeordnet ist.Broadband light source with a microstructured optical element which spectrally broadens the light of a primary source, characterized in that the microstructured element in the direction of light to improve the beam profile is followed by a monomode fiber.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Stand der Technik:State of the art:

Die Patentschrift US 6,097,870 offenbart eine Anordnung zur Generierung eines Breitbandspektrums im sichtbaren und infraroten Spektralbereich. Die Anordnung basiert auf einer mikrostrukturierten Faser, in die das Licht eines Pumplasers eingekoppelt wird. Das Pumplicht wird in der mikrostrukturierten Faser durch nichtlineare Effekte verbreitert. Als mikrostrukturierte Faser findet sogenanntes Photonic-Band-Gap-Material oder ”photon crystal fibres”, ”holey fibers” oder ”microstructured fibers” Verwendung.The patent US 6,097,870 discloses an arrangement for generating a broadband spectrum in the visible and infrared spectral range. The arrangement is based on a microstructured fiber into which the light of a pump laser is coupled. The pump light is broadened in the microstructured fiber by non-linear effects. The microstructured fiber used is so-called photonic band gap material or "photon crystal fibers", "holey fibers" or "microstructured fibers".

Eine weitere Anordnung zur Generierung eines Breitbandspektrums ist in der Veröffentlichung von Birks et al.: ”Supercontinuum generation in tapered fibers”, Opt. Lett. Vol. 25, p.1415 (2000) , offenbart.Another arrangement for generating a broadband spectrum is in the publication of Birks et al .: "Supercontinuum generation in tapered fibers", Opt. Lett. Vol. 25, p.1415 (2000) , disclosed.

In der Anordnung wird eine herkömmliche Lichtleitfaser mit einem Faserkern, die zumindest entlang eines Teilstücks eine Verjüngung aufweist verwendet. Lichtleitfasern dieser Art sind als sog. ”tapered fibers” bekannt. [0005]In the arrangement is a conventional optical fiber with a fiber core, at least along a section a taper has been used. Optical fibers of this Art are known as so-called "tapered fibers". [0005]

Insbesondere in der Mikroskopie, der Endoskopie, der Flusszytometrie, der Chromatographie und in der Lithographie sind zur Beleuchtung der Objekte universelle Beleuchtungseinrichtungen mit hoher Leuchtdichte wichtig. In der Scanmikroskopie wird eine Probe mit einem Lichtstrahl abgerastert. Hierzu werden oft Laser als Lichtquelle eingesetzt. Aus der Offenlegungsschrift DE 101 15 488 A1 ist eine Vorrichtung zur Beleuchtung eines Objekts, die ein mikrostrukturiertes optisches Element beinhaltet, das das Licht eines Lasers spektral verbreitert, bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine Optik, die das spektral verbreiterte Licht zu einem Beleuchtungslichtstrahl formt. Außerdem ist in der Offenlegungsschrift die Verwendung der Vorrichtung zur Beleuchtung in einem Mikroskop, insbesondere in einem Scanmikroskop, offenbart.In particular in microscopy, endoscopy, flow cytometry, chromatography and lithography, universal illumination devices with high luminance are important for illuminating the objects. In scanning microscopy, a sample is scanned with a light beam. For this purpose, lasers are often used as the light source. From the publication DE 101 15 488 A1 is an apparatus for illuminating an object, which includes a microstructured optical element, which widens the light of a laser spectrally known. The device comprises an optical system which forms the spectrally broadened light into an illumination light beam. Furthermore, the publication discloses the use of the device for illumination in a microscope, in particular in a scanning microscope.

Es hat sich gezeigt, dass insbesondere mehrfarbige Beleuchtungslichtstrahlen, die aus Lichtquellen stammen, die mikrostrukturiertes optisches Material, insbesondere mikrostrukturierte optische Fasern beinhalten, aufgrund schlechter Strahleigenschaften nur eingeschränkt verwendbar sind. Insbesondere in der Mikroskopie werden bei Verwendung derartiger Beleuchtungslichtstrahlen oft mangelhafte Ergebnisse erzielt.It it has been found that in particular multicolored illumination light beams, which originate from light sources, the microstructured optical material, in particular microstructured optical fibers, due poor beam properties only limited use are. In particular, in microscopy are using such Illumination beams often achieved poor results.

DE 10331906 A offenbart für eine Lichtquelle mit einem mikrostrukturierten Element zur Verbreiterung des Lichtes einer Primärquelle eine separate Optik wie ein spezielles Objektiv zur Kompensation unterschiedlicher Divergenzen der Spektralanteile. DE 10331906 A discloses for a light source having a microstructured element for broadening the light of a primary source a separate optic such as a special objective for compensating for different divergences of the spectral components.

Erfindungsgemäß wurde nunmehr erkannt, dass mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1 eine überraschende Verbesserung des Strahlprofils erzielt wird, indem bei einer breitbandigen Lichtquelle mit einem mikrostrukturierten optischen Element, das das Licht einer Primärquelle spektral verbreitert,
dem mikrostrukturierten Element zur Verbesserung des Strahlprofils ein einmodiger Wellenleiter, vorzugsweise eine monomodige Faser nachgeordnet ist.According to the invention, it has now been recognized that a surprising improvement of the beam profile is achieved with the features of patent claim 1 by providing a broadband light source with a microstructured optical element which spectrally broadens the light of a primary source.
a single-mode waveguide, preferably a monomode fiber is arranged downstream of the microstructured element for improving the beam profile.

Weiterhin wird ein Mikroskop, insbesondere ein Rastermikroskop oder Laser-Scanning-Mikroskop beansprucht wobei
eine Lichtquelle mit einem mikrostrukturierten optischen Element, das das Licht einer Primärquelle spektral verbreitert, vorgesehen ist und
dass dem mikrostrukturierten Element zur Verbesserung des Strahlprofils ein einmodiger Wellenleiter, vorzugsweise eine monomodige Faser nachgeordnet istFurthermore, a microscope, in particular a scanning microscope or laser scanning microscope is claimed
a light source having a microstructured optical element which spectrally broadens the light of a primary source, and
in that a single-mode waveguide, preferably a monomode fiber, is arranged downstream of the microstructured element for improving the beam profile

Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.preferred Further developments are the subject of the dependent claims.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer dem mikrostrukturierten Element nachgeordneten monomodigen Faser verbessern sich die Strahleigenschaften, und am Ende der Faser tritt Licht mit für alle Wellenlängen nahezu gleichen Eigenschaften (abhängig von den Eigenschaften der Faser) aus.By the use according to the invention of a microstructured Element downstream monomode fiber improve the beam properties, and at the end of the fiber light comes in at all wavelengths almost the same properties (depending on the properties the fiber).

Von besonderem Vorteil gegenüber dem zitierten Stand der Technik ist der einfachere Aufbau, da keine komplizierte, an die Lichtquelle angepasste Optik benötigt wird.From particular advantage over the cited prior art is the simpler structure, because no complicated, to the light source adapted optics is needed.

Die Singlemode-Faser, die teilweise auch als Monomode-Faser bezeichnet wird, hat meistens einen Kerndurchmesser von typischerweise 3 bis 9 μm, der äußere Durchmesser beträgt ca. 125 μm. Die eigentliche Übertragung der Information erfolgt im Kern der Faser.The Singlemode fiber, sometimes referred to as a single mode fiber usually has a core diameter of typically 3 to 9 μm, the outer diameter is approx. 125 μm. The actual transfer of information takes place at the core of the fiber.

Monomodefasern sind Stufenindexfasern mit einem Kerndurchmesser von einigen Mikrometern (Größenordnung der zu übertragenden Wellenlängen). Sie haben den Vorteil, dass keine Intermodendispersion wie bei den Multimodefasern auftreten kann, da nur eine Schwingungsmode existiert. Die derzeitig verwendeten Monomodefasern bestehen meist aus Glas.Single-mode fibers are step index fibers with a core diameter of a few micrometers (order of magnitude the wavelengths to be transmitted). They have the advantage that no intermodal dispersion as with the multimode fibers can occur because only one vibration mode exists. The currently used single-mode fibers are usually made of glass.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figur nachfolgend beschrieben.In the drawing of the subject invention is shown schematically and will be described below with reference to the figure.

1 zeigt eine erfindungsgemässe Lichtquelle mit einem mikrostrukturierten optischen Element, das als mikrostrukturierte Lichtleitfaser MF ausgestaltet ist. 1 shows a light according to the invention source with a microstructured optical element, which is designed as a microstructured optical fiber MF.

Die mikrostrukturierte Lichtleitfaser MF verbreitert das Licht einer Primärlichtquelle, die vorteilhaft als Pulslaser L ausgeführt ist.The microstructured optical fiber MF widens the light of a Primary light source, which is advantageously designed as a pulse laser L. is.

Zwischen der Primärlichtquelle L und der mikrostrukturierten Lichtleitfaser MF sowie in Beleuchtungsrichtung nach der Faser MF befinden sich eine Fokussieroptiken O1, O2 die das Licht der Primärlichtquelle L auf das Eintrittsende der mikrostrukturierten Lichtleitfaser LF fokussieren (O1) bzw. das aus der Faser MF austretende Licht in eine erfindungsgemäße Singlemodefaser SMF, die vorteilhaft als Glasfaser ausgebildet sein kann, einkoppeln.Between the primary light source L and the microstructured optical fiber MF and in the direction of illumination after the fiber MF are a focusing optics O1, O2 the light of the primary light source L on the entrance end of the microstructured optical fiber LF focus (O1) or emerging from the fiber MF light in a single-mode fiber SMF according to the invention, the can be advantageously formed as a glass fiber, couple.

Die Singlemodefaser ist (nicht dargestellt) in bekannter Weise mit dem Beleuchtungsstrahlengang eines Mikroskops, vorzugsweise eines Laser-Scanning-Mikroskops LSM verbunden.The Singlemode fiber is (not shown) in a known manner with the Illumination beam path of a microscope, preferably a laser scanning microscope LSM connected.

Hier wird beispielhaft auf DE 19702753 A1 verwiesen, wo die Ankopplung von Lichtleitfasern an ein Scanmodul eines LSM dargestellt ist.Here is an example DE 19702753 A1 where the coupling of optical fibers to a scan module of an LSM is shown.

Vorteilhaft ist für die Faser SMF die Verwendung einer einmodigen Breitbandglasfaser mit polarisationserhaltenden Eigenschaften (PM-SM-Faser).Advantageous For the SMF fiber, the use of a single-mode broadband glass fiber with polarization-preserving properties (PM-SM fiber).

Wenn eine Photonic Crystal Fiber (PCF) oder getaperte Faser als mikrostrukturiertes optisches Element MF verwendet wird, kann die SM-Faser SMF (falls die Eigenschaften beider Fasern dies zulassen) auch vorteilhaft direkt an die mikrostrukturierte Faser gespleißt werden.If a photonic crystal fiber (PCF) or taped fiber as a microstructured optical element MF is used, the SM fiber SMF (if the properties of both fibers allow this) also advantageous be spliced directly to the microstructured fiber.

Zwischen dem mikrostrukturiertem Element MF und der Faser SMF könnten weitere Optiken (spektrale Filter, Polarisationsfilter, usw.) eingebracht werden.Between the microstructured element MF and the fiber SMF additional optics (spectral filters, polarizing filters, etc.) are introduced.

Statt einer Glasfaser können auch andere, einmodige Fasern aus anderem Material, z. B. Plastikfasern (plastic optical fibers, POF) verwendet werden, sofern sie einmodig sind.Instead of A glass fiber can also be made of other single-mode fibers other material, eg. B. Plastic fibers (POF) used, if they are single-mode.

Auch jede andere Form von einmodigem Wellenleiter oder ”Energieleiter” wäre denkbar wie beispielsweise Wellenleiter auf SiChips.Also any other form of single-mode waveguide or "energy ladder" would be conceivable, such as waveguides on SiChips.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 6097870 [0001] - US 6097870 [0001]
  • - DE 10115488 A1 [0004] - DE 10115488 A1 [0004]
  • - DE 10331906 A [0006] - DE 10331906 A [0006]
  • - DE 19702753 A1 [0019] - DE 19702753 A1 [0019]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

  • - Birks et al.: ”Supercontinuum generation in tapered fibers”, Opt. Lett. Vol. 25, p.1415 (2000) [0002] - Birks et al .: "Supercontinuum generation in tapered fibers", Opt. Lett. Vol. 25, p.1415 (2000) [0002]

Claims (13)

Breitbandige Lichtquelle mit einem mikrostrukturierten optischen Element, das das Licht einer Primärquelle spektral verbreitert, dadurch gekennzeichnet, dass dem mikrostrukturierten Element in Lichtrichtung zur Verbesserung des Strahlprofils eine monomodige Faser nachgeordnet ist.Broadband light source with a microstructured optical element which spectrally broadens the light of a primary source, characterized in that the microstructured element in the direction of light to improve the beam profile is followed by a monomode fiber. Lichtquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte optische Element Photonic-Band-Gap-Material beinhaltet.Light source according to claim 1, characterized that the microstructured optical element photonic band gap material includes. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte optische Element als Lichtleitfaser ausgestaltet ist.Light source according to one of claims 1 or 2, characterized in that the microstructured optical element is designed as an optical fiber. Lichtquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte optische Element eine Verjüngung (tapered Fiber) aufweist.Light source according to claim 3, characterized that the microstructured optical element is a rejuvenation (tapered fiber). Lichtquelle nach einem der Ansprüche 3–4, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte optische Element eine Photonic-Crystal-Faser (mikrostrukturierte Faser, Holey Fiber) ist.Light source according to one of claims 3-4, characterized characterized in that the microstructured optical element is a Photonic crystal fiber (microstructured fiber, holey fiber) is. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass der monomodige Wellenleiter eine polarisationserhaltende (SM)-Faser ist.Light source according to one of claims 1-5, characterized in that the monomode waveguide is a polarization-maintaining (SM) fiber is. Lichtquelle nach einem der Ansprüche 1–6, als Bestandteil eines Mikroskops, insbesondere eines Rastermikroskop oder eines konfokalen Rastermikroskops.A light source according to any one of claims 1-6, as part of a microscope, in particular a scanning microscope or a confocal scanning microscope. Mikroskop, das eine Lichtquelle mit einem mikrostrukturierten optischen Element, das das Licht einer Primärquelle spektral verbreitert, beinhaltet, dadurch gekennzeichnet, dass dem mikrostrukturierten Element in Lichtrichtung zur Verbesserung des Strahlprofils ein monomodiger Wellenleiter, insbesondere eine monomodige Faser nachgeordnet ist.Microscope, which is a light source with a microstructured optical element that spectrally illuminates the light of a primary source widened, includes, characterized in that the microstructured element in the light direction to improve the beam profile a monomodiger Waveguide, in particular a monomode fiber is arranged downstream. Mikroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte optische Element Photonic-Band-Gap-Material beinhaltet.Microscope according to claim 8, characterized in that that the microstructured optical element photonic band gap material includes. Mikroskop nach einem der Ansprüche 8–9, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte optische Element als Lichtleitfaser ausgestaltet ist.Microscope according to one of claims 8-9, characterized characterized in that the microstructured optical element as Optical fiber is designed. Mikroskop nach einem der Ansprüche 8–9, dadurch gekennzeichnet, dass das mikrostrukturierte optische Element eine Photonic-Crystal-Faser (mikrostrukturierte Faser, Holey Fiber) ist.Microscope according to one of claims 8-9, characterized characterized in that the microstructured optical element is a Photonic crystal fiber (microstructured fiber, holey fiber) is. Mikroskop nach einem der Ansprüche 8–11, dadurch gekennzeichnet, dass der monomodige Wellenleiter eine polarisationserhaltende (SM)-Faser ist.Microscope according to one of claims 8-11, characterized in that the monomode waveguide is a polarization-maintaining (SM) fiber is. Mikroskop nach einem der Ansprüche 8–12, dadurch gekennzeichnet, dass das Mikroskop ein Rastermikroskop, insbesondere ein konfokales Rastermikroskop, ist.Microscope according to one of claims 8-12, characterized characterized in that the microscope is a scanning microscope, in particular a confocal scanning microscope is.
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Title
Birks et al.: "Supercontinuum generation in tapered fibers", Opt. Lett. Vol. 25, p.1415 (2000)

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