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Optisches Laser-Miroskogerät zum Laserbeschuß mikroskopischer Probenbereiche
Die Erfindung betrifft ein optisches Laser-Mikroskopgerät zum Laserbeschuß mikroskopischer
Probenbereiche, mit einem Mikroskop, einem beistungslaser und einer den Strahl des
Leistungslasers in die Objektivoptik des Mikroskops einblendenden Spiegelanordnung.
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Die mit einem solchen Gerät mögliche gezielte Zerstörung bzw. Beeinflussung
von ausgewählten 1#ikrobereichen eines biologischen Proberenmaterials mit dem Laserstrahl
kann ein wertvolles Hilfsmittel bei der Erforschung der Materialverteilung in Zellen
und Zellkernen, der gezielten Beeinflussung
von Genen und anderen
mikrobiologischen Untersuchungen sein. Es ist mit einem solchen Gerät unter bestimmten
Voraussetzungen möglich, biologisches iIaterial aus exakt lokalisierten Bereichen
von nur ca. 1 K durchmesser zu zerstören,zu verdampfen und/oder anzuregen bzw. auszuschneiden.
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Line wesentliche Voraussetzung für die l-ealisierung eines in der
Praxis brauchbaren Gerätes dieser Art ist eine Möglichkeit, den Leistungslaserstrahl
exakt Justieren und manipulieren zu können. Die Lage und Richtung des Strahles im
Raum muß so beeinflußt werden können, daß sie irnmer exakt mit einer bestimmte gewünschten
Lage, insbesondere mit der optischen Achse der Mikroskopanordnung, übereinstimmt.
Durch Störungen verursachte Abweichungen von dieser Lage müsen rasch erkannt, und
die Soll-Lage einfach und rasch wieder hergestellt werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät dieser Art so zu verbessern,
daß mit einfachen Mitteln eine rasche, leicht bedienbare, jederzeit kontrollierbare
und bei Störungen leicht wiederherstellbare Justierung des Leistungslaserstrahis
möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in an sich
bekannter Weise ein zweiter, im sichtbaren Wellenlängenbereich Laser als Justierlaser
derart angeordnet ist, daß sein Strahl, gegebenenfalls nach Umlenkung,
mit
dem des Leistungslasers kollinear verläuft, und daß im Weg der kollinearen Strahlen
des Justier- und Leistungslasers ein aus mindestens zwei Spiegeln bestehender Strahlausrichter,
mit dem in an sich bekannter Weise voneinander unabhängige Parallelverschiebungen
und Verkippungen der Strahlen in zwei zueinander senkrechten Ebenen um kleine Beträge
möglich sind, angeordnet ist.
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Die Überlagerung oder Markierung eines Leistungslaserstrahls mit
einem Justierlaserstrahl ist an sich bekannt (DT-OS 1 614 336). Sie ermöglicht es,
den Verlauf des Leistungslaserstrahls optisch zu kontrollieren, wenn der Leistungslaserstrahl
selbst der optischen Kontrolle nicht zugänglich ist, weil er im unsichtbaren Wellenbereich
oder mit zu kurzen Impulsen arbeitet, oder aus anderen Gründen. Die Erfindung bedient
sich dieses Hilfsmittels zusammen mit einem Strahlausrichter (beam aligner) zum
gemeinsamen Manipulieren beider Strahlen, um die gewünschte Justierung des Leistungslaserstrahls
relativ zu dem Strahlengang des nachgeschalteten Mikroskops herzustellen.
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Vorzugsweise bewirkt der Strahlausrichter oder ein ihm vor- oder
nachgeordneter Spiegel eine zusätzliche Umlenkung der Strahlen um 900. Damit ist
es möglich, die Strahlen quer zur Längsachse der Laser in die Mikroskopoptik einzulenken,
wodurch eine sehr kompakte, für Arbeitstische normaler Größe geeignete Form des
Gerätes geschaffen werden kann.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung trägt von den
an der Strahlausrichtung und/oder -umlenkung beteiligten Spiegeln mindestens ein
Teil eine für die Wellenlänge des Leistungslasers und zusätzlich eine für die Wellenlänge
des Justierlasers selektiv reflektierende Reflexionsschicht. Dadurch läßt sich vor
allem eine übermäßige Erwärmung des Spiegelmaterials durch absorbierte Laserstrahlung
verhindern. Ferner bleiben die Spiegel transparent für weißes Licht, so daß eine
Auflichtbeleuchtung in den Strahlengang eingeblendet werden kann. Von den beiden
Reflexionsschichten kann die eine auf der einen und die andere auf der anderen Seite
eines Spiegels angeordnet sein, es ist aber auch mit modernen Bedampfungstechniken
möglich, beide Schichten auf der gleichen Oberfläche anzubringen.
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Eine erfindungsgemäß bevorzugte Ausführungsform der Anordnung zur
Strahlablenkung und gleichzeitigen Umlenkung um 900 besteht aus zwei Spiegeln, die
zueinander in einem Winkel von 450 angeordnet sind, dessen Winkelhalbierende mit
der Richtung des ankommenden Leistungs- und Justierlaserstrahls einen Winkel von
450 einschließt. Bei dieser Anordnung wird jede Versetzung von an der Vorderseite
und Rückseite der Spiegel reflektierten Strahlanteilen vermieden.
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Die erforderliche Manipulation des umgelenkten Strahls, d.h. seine
Verlagerung in beiden Raumrichtungen nach Lage und Richtung erfolgt vorteilhafterweise
so, daß die aus beiden
Spiegeln bestehende Anordnung als Ganzes
um zwei Achsen drehbar ist, die aufeinander senkrecht stehen und sich annähernd
im Auftreffpunkt des Strahlenverlaufs auf dem ersten Spiegel schneiden, und von
denen die eine parallel zur Winkelhalbierenden verläuft, und daß der im Strahlenverlauf
zweite Spiegel für sich um zwei Achsen drehbar ist, die aufeinander senkrecht stehen
und annähernd in der Ebene dieses Spiegels verlaufen.
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Die 90°-Umlenkung der Strahlen gestattet es in einfacher-Weise, zusätzliche
Ein- und/oder Ausblendungen vorzunehmen, Insbesondere kann der erste Spiegel für
den Strahl des Leistungslasers geringfügig durchlässig sein und in -Verlängerung
des auf ihn treffenden Strahles ein Monitor zur Energie- oder Leistungsmessung angeordnet
sein. Der zweite Spiegel kann für außerhalb der Wellenlänge des Leistungs- und Ziellasers
liegendes Licht durchlässig sein, und in Verlängerung des von ihm reflektierten
Strahles kann eine Auflichtbeleuchtungsquelle für das Mikroskop angeordnet sein.
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Die Erfindung schafft nicht nur Mittel zur Justierung der überlagerten
Laserstrahlen, sondern auch ein Mittel, um festzustellen, wann die gewünschte, zentrische
Justierung erreicht ist. Hierzu ist am Ort des Mikroskopobjektivs ein auswechselbarer,
zur optischen Achse senkrecht stehender Spiegel mit einer bezüglich der optischen
Achse zentrierten, das Licht beugenden Figur angeordnet, und im Weg des vom Spiegel
reflektierten
Lichtes eine Blende zur Beobachtung des entstehenden
Beugungsbildes angeordnet. Ein Spiegel mit einem eingeritzten Stichkreuz erzeugt
dann, wenn es genau im Mittelpunkt vom Laserstrahl getroffen wird, ein reflektiertes
Beugungsbild mit einer kreuzförmigen Anordnung von punktförmigen Beugungsmaximen.
Dieses Beugungsbild kann laufend beobachtet werden, und sein Verschwinden deutet
sofort eine Störung der Justierung an.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist auch ein einfaches Mittel
vorgesehen, um die laufende konstante Überlagerung des Justierlaserstrahls mit dem
Leistungslaserstrahl herzustellen und zu kontrollieren. Sie besteht darin, daß der
Leistungslaser ein UV-Laser mit für W-Licht selektiv reflektierenden Resonanzspiegeln
ist, und daß dieser längs seiner optischen Achse vom Justierlaser durchstrahlt wird.
Verläuft bei dieser Anordnung der Justierlaserstrahl nicht exakt kollinear mit der
optischen Achse des Leistungslasers, so erzeugt die, wenn auch geringfügige, Restreflexion
des Justierlaserstrahls an den Resonatorspiegeln des Leistungslasers Nebenreflexe,
die leicht beobachtbar sind und deren Verschwinden als Kriterium für die exakte
Überlagerung der beiden Laserstrahlen verwendet werden kann.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung näher
erläutert.
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Die Zeichnung zeigt schematisch eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße
Geräteanordnung.
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Das Gesamtgerät besteht im wesentlichen aus zwei Gehäusen, dem langgestreckten
Lasergehäuse 1, in dem die Laser und die optischen Einrichtungen zur Strahlablenkung
untergebracht sind, und dem damit fest verbundenen, hier nur schematisch als Rechteck
angedeuteten Mikroskopgehäuse 2. Letzteres ist nur der deutlicheren Darstellung
halber in einer um 900 gedrehten Anordnung gezeigt, in Wirklichkeit verläuft die
optische Achse der Mikroskopanordnung senkrecht zur Zeichenebene nach hinten.
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In dem Lasergehäuse 1 befinden sich parallel nebeneinander ein Justierlaser
3 und ein Leistungslaser 7. Der Justierlaser 3 ist insbesondere ein He-Ne-Laser,
der im roten, d.h.
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sichtbaren Wellenlängenbereich strahlt. Durch Umlenkspiegel 4, 5,
von denen einer oder beide beweglich sein können, wird ein Strahl 6 so umgelenkt,
daß er die Resonatorspiegel 7 und das lasernde Medium 9 des Leistungslasers durchläuft,
der vorzugsweise ein Stickstoff-Laser ist und im W strahlt. Durch Manipulieren an
den Umlenkspiegeln 4, 5 bzw. Positionieren des Leistungslasers 7 oder Justierlasers
3 kann der Justierlaserstrahl 6 exakt mit dem Strahl des Leistungslasers 7 überlagert
werden, so daß aus dem Leistungslaserstrahl ein überlagerter Strahl 10 austritt.
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Der Strahl 10 trifft auf einen ersten ebenen Spiegel 11,
der
in solchem Winkel (von ca. 67,50) zum Strahl 10 steht, daß er diesen um 450 zu einem
zweiten ebenen Spiegel 12 reflektiert, der den Strahl wiederum unter 450 zurückwirft,
so daß der zweimal umgelenkte Strahl 10' unter einem Winkel von 900 zur ursprünglichen
Richtung in das Mikroskopgehäuse 2 eintreten kann. Hier wird der Strahl durch einen
weiteren Umlenkspiegel 14 um 900 umgelenkt, so daß er in der optischen Achse des
Mikroskops verläuft, die man sich, wie erwähnt, nicht in der Zeichenebene, wie dargestellt,
sondern senkrecht zur Zeichenebene verlaufend denken muß. Der Strahl wird dann durch
die Objektivoptik, von der hier stellvertretend nur zwei Blenden 15 angedeutet sind,
auf ein Objekt fokussiert.
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Um den umgelenkten Strahl 10 exakt nach Lage und Richtung so zu justieren,
daß er nach der Umlenkung mit der optischen Achse des Mikroskops zusammenfällt,
kann er mit den Spiegeln 11 und 12, die beweglich sind, bezüglich beider Raumachsen
nach Lage und Richtung verändert werden. Man erkennt aus der Zeichnung, daß die
Ebenen der Spiegel 11 und 12 auf der Zeichenebene etwa senkrecht stehen und miteinander
einen Winkel a einschließen, der 450 beträgt und dessen Winkelhalbierende 13 zur
Richtung des ankommenden Strahles 10 ebenfalls unter einem Winkel a von etwa 450
steht. Die beiden Spiegel 11 und 12 sind auf einem (nicht dargestellten) gemeinsamen
Halter montiert, der um zwei zueinander senkrechte Achsen drehbar ist, nämlich um
eine erste Achse a, die parallel zur Winkelhalbierenden 13 verläuft, und um eine
zweite Achse b, die senkrecht zur Achse a
und zur Zeichenebene
steht. Durch dieses gemeinsame Schwenken beider Spiegel 11 und 12 kann der umgelenkte
Strahl- 10' annähernd parallel zu sich selbst verschoben werden. Zusätzlich ist
der Spiegel 12 relativ zu dem Halter ebenfalls um zwei Achsen schwenkbar, von denen
die eine Achse c z.B. in der Zeichenebene unter 450 zur Ebene des Spiegels 11 verläuft
und die andere Achse d parallel zur Achse b liegt. Hierdurch kann der umgelenkte
Strahl 10' nach beiden Raumrichtungen verkippt werden. Die Achsen a, b, c und d
liegen vorzugsweise in derjenigen Oberfläche des zugehörigen Spiegels 11 bzw. 12,
an der die Reflexion erfolgt. Man kann den Spiegeln für die beiden Komponenten des
überlagerten Strahles 10, d.h. für die Wellenlänge des Leistungslasers und die des
Justierlasers, selektiv reflektierende Oberflächenbeschichtungen geben. Diese sitzen
vorzugsweise auf derselben, dem ankommenden Strahl zugewendeten Oberfläche der Spiegel.
Es ist aber auch möglich, den einen Belag auf der Vorderseite und den anderen auf
der Rückseite der Spiegel anzubringen. Dadurch würde sich z.B. eine Versetzung des
an der Rückseite des Spiegels 11 reflektierten Justierlaserstrahles 6' gegenüber
dem an der Vorderseite reflektierten Strahlanteil ergeben, wobei diese Versetzung
aber nach der erneuten Reflexion am Spiegel 12 wieder verschwindet.
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Um feststellen zu können, wann durch Verschwenken der Spiegel 11
und 12 die zur optischen Achse des Mikroskops exakt kollineare Lage der Laserstrahlen
erreicht ist, kann man entweder
am Ort der mit dem Mikroskop zu
beobachtenden Probe oder anstelle der Objektivoptik einen Spiegel 16 anbringen.
Bei exakt senkrechtem Auftreffen des Laserstrahles läuft dieser in sich selbst zurück,
was an jeder beliebigen Stelle des Strahlenganges oder unter Verwendung geeigneter
optischer Mittel, z.B. Strahlteiler, an jeder beliebigen Stelle beobachtet werden
kann. Trägt der Spiegel eine bezüglich der optischen Achse zentrierte, das Licht
Nicht beugende Figur, z.B.
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ein Strichkreuz, und trifft der die Mikroskopoptik durchlaufende Laserstrahl
exakt auf den Mittelpunkt dieser beugenden Figur, so kann das durch das Okular beobachtet
werden. Andererseits erzeugt diese ein in Reflexion beobachtbares Beugungsbild,
das an beliebiger Stelle des Strahlengangs beobachtet werden kann, z.B. auf einer
zwischen Leistungslaser 7 und Strahlablenker 11, 12 angeordneten Blende 18 oder
an jeder anderen Stelle nach Einschaltung z.B. eines Strahlteilers.
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Die auf der Blende 18 entstehende Beugungsfigur ist in dem Zeichnungseinschub
19 schematisch, z.B. für den Fall des Strichkreuzes als beugende Figur, dargestellt
und besteht dann aus einer die mittlere Blendenöffnung 19' umgebenden kreuzförmigen
Anordnung von punktförmigem Beugungsmaxima mit abnehmender Intensität.
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Der Spiegel 11 kann so ausgebildet sein, daß er einen geringen Teil
des ankommenden Leistungslaserstrahls 10 durchläßt, der dann mit einem Energiemonitor
22 ständig überwacht
werden kann. Dieser befindet sich in einem
mit dem Gehäuse 1 fest verbundenen Gehäusefortsatz 21.
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Der Spiegel 12 ist bei selektiver Verspiegelung für Licht anderer
Wellenlänge als die des Leistungslasers und des Justierlasers durchlässig, so daß
von einer Lichtquelle 23 ausgehendes Licht nach Durchtritt durch eine Zwischenoptik
24, z.B. Kökler'sche Beleuchtungsoptik, den umgelenkten Laserstrahl 10' überlagert
und zur Auflichtbeleuchtung des Gesichtsfeldes im Mikroskop verwendet werden kann.