DE2558053C3

DE2558053C3 - Method and device for adjusting the focal point of a working laser beam on a desired micro-area of an object

Info

Publication number: DE2558053C3
Application number: DE19752558053
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Phys. Dr. 8000 Muenchen Remy
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-12-22
Filing date: 1975-12-22
Publication date: 1979-03-29
Also published as: DE2558053B2; DE2558053A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs I.The invention relates to a method according to the preamble of claim I.

Ein derartiges Verfahren ist zur Anwendung in der Mikrochirurgie aus der US-PS 37 10 798 bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren werden koinzidente, d. h. auf der gleichen Achse und in der gleichen Ebene liegende Brennpunkte des Hilfs- und Arbeitslaserstrahls erzeugt, um mittels des Hilfslaserstrahlbrennpunktes gleichzeitig auch den Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls auf die beobachtete Oberfläche des zu behandelnden Objektes einstellen zu können, so daß er an dieser Oberfläche seine gewünschte materialzer= störende Wirkung entfaltet. In dem Maße, wie die Materialzerstörung des Objektes von dieser Oberfläche her fortschreitet, kann die Einwirkung des Arbeitslaserstrahls unter entsprechender Nachstellung der beiden Laserstrahlbrennpunkte auch in tiefere Schichten verlagert werden.Such a method is known from US Pat. No. 3,710,798 for use in microsurgery. at In this known method, coincident, i.e. H. on the same axis and in the same plane Generated lying focal points of the auxiliary and working laser beam by means of the auxiliary laser beam focal point at the same time also the focal point of the working laser beam on the observed surface of the to to be able to adjust the object to be treated, so that it has its desired materialzer = on this surface disruptive effect unfolds. To the extent that the material destroys the object from this surface progresses, the action of the working laser beam can be adjusted with the corresponding adjustment of the two Laser beam focal points can also be shifted into deeper layers.

Mit einer noch wesentlich kleinere Mikrobereiche als bei der Mikrochirurgie erfassenden Materialzerstörung oder -anregung mittels Laserstrahl wird in der mikrobiologischen Zellforschung gearbeitet, wobei eine gezielte Beeinflussung bzw. Zerstörung von subzellularen Bereichen wie Zellkernen, Chromosomen u.dgl. angestrebt wird (vgl. DE-AS 21 41 387). Hierbei ergibt sich häufig das Problem, den von der Objektivoptik erzeugten Brennfleck des Laserstrahls exakt auf einenWith a significantly smaller micro-areas than with microsurgery detecting material destruction or excitation by means of a laser beam is used in microbiological cell research, whereby a targeted influencing or destruction of subcellular areas such as cell nuclei, chromosomes and the like. is sought (see. DE-AS 21 41 387). The problem often arises here, that of the objective optics generated focal spot of the laser beam exactly on one

ίο zu beeinflussenden Mikrobereich einzustellen, der nicht an der Objektoberfläche, sondern in tieferen Bereichen in einem bestimmten Abstand von dieser Oberfläche liegt Dieses Problem ist dann besonders schwierig, wenn mit unsichtbarer Laserstrahlung gearbeitet wird,ίο set the micro-range to be influenced that does not on the object surface, but in deeper areas at a certain distance from this surface This problem is particularly difficult when working with invisible laser radiation, wenn das Objekt selbst für sichtbares Licht undurchlässig und damit der zu beeinflussende Mikrobereich nicht diiekt beobachtbar ist, und/oder wenn die Einstellung auf den Mikrobereich bereits erfolgt sein muß, bevor der Laserstrahl überhaupt eingeschaltet wird, d. h. wennif the object itself is impermeable to visible light and thus the micro-area to be influenced is not diiect is observable, and / or when the setting on the micro-range must have already occurred before the laser beam is even switched on, d. H. if »Probeschüsse« mit dem Laserstrahl auf das Objekt aus bestimmten Gründen nicht möglich sind."Test shots" with the laser beam at the object are not possible for certain reasons.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art und eine Vorrichtung zu seiner Durchführung zu schaffen, womitThe invention is based on the object of a method of the type mentioned and a To create a device for its implementation, with what in einfacher und sehr exakter Weise eine Einstellung des Brennpunkts eines Arbeitslaserstrahls auf einen gewünschten Abstand von einer Objektoberfläche oder allgemeiner von einer beobachtbaren Grenzfläche des Objekts (z. B. einer charakteristischen optischen Grenz-a setting of the Focal point of a working laser beam at a desired distance from an object surface or more generally from an observable boundary surface of the object (e.g. a characteristic optical boundary

jo fläche zwischen Objektbereichen) möglich istjo area between object areas) is possible

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöstThis object is achieved by the characterizing features of claim 1

Man erzielt hierdurch den Vorteil, daß man lediglich zuvor eine bestimmte Distanz von gewünschtem BetragThis has the advantage that you only have to go a certain distance of the desired amount beforehand zwischen den Brennpunkten der beiden Strahlen einstellen und dann den Brennpunkt des sichtbaren Hilfslaserstrahls an die Ober- oder Grenzfläche des Objekts verlegen muß, was leicht mit einem Beobachtungsmikroskop festgestellt werden kann, und man dannset between the focal points of the two rays and then the focal point of the visible Auxiliary laser beam must move to the surface or boundary surface of the object, which can easily be determined with an observation microscope, and then you

■to sicher sein kann, daß sich der Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls in dem gewünschten Abstand von dieser Oberfläche befindet Es wird somit eine Einstellmöglichkeit auf nicht unmittelbar beobachtbare Mikrobereiche des Objektes geschaffen.■ to be sure that the focal point of the Working laser beam is located at the desired distance from this surface Possibility to adjust to micro-areas of the object that are not directly observable created.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit bevorzugten Merkmalen ist in den Ansprüchen 2 bis 5 angegeben.An apparatus for performing the method according to the invention with preferred features is shown in FIG claims 2 to 5 specified.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnung, die schematisch eine stark vereinfachteAn embodiment of the invention is based on the drawing, which is a greatly simplified schematic

Ausführungsform zeigt näher erläutert.Embodiment shows explained in more detail.

Aus einem z. B. im ultravioletten Bereich strahlenden Arbeitslaser 1 und einem im sichtbaren Wellenlängenbereich strahlenden Hilfslaser 2 mit jeweils vorgeschalteter (nicht dargestellter) Optik tritt je ein parallelesFrom a z. B. working laser 1 radiating in the ultraviolet range and an auxiliary laser 2 radiating in the visible wavelength range, each with upstream optics (not shown), a parallel occurs Strahlungsbündel aus, und die beiden Strahlungsbündel werden mittels eines teildurchlässigen Spiegels 3 kollinear überlagert und mittels eines weiteren teildurchlässigen Spiegels 3a gemeinsam in das Objektiv 4 einer Mikroskopoptik eingekoppelt, durch welches sieRadiation bundles from, and the two radiation bundles are by means of a partially transparent mirror 3 superimposed collinearly and jointly in the objective 4 by means of a further partially transparent mirror 3a coupled into a microscope optics, through which they auf ein Objekt 5 fokussiert werden. In den Strahl des Hilfslasers 2 zwischen diesem und dem Spiegel 3 können wahlweise Linsen 6 mit verschiedener Brennweite gebracht werden. Diese Linsen können beispielsweise auf einem geradlinig verschiebbaren Schieber oder aufbe focused on an object 5. In the beam of the Auxiliary laser 2 between this and the mirror 3 can optionally lenses 6 with different focal lengths to be brought. These lenses can, for example, on a linearly displaceable slide or on

f>5 einer drehbaren Revolverhalterung angeordnet sein. Durch diese Linsen 6 wird das Strahlungsbündel des Lasers 2 schwach konvergent (oder divergent), erhält also eine (in der Praxis sehr geringe) Abweichung vonf> 5 be arranged in a rotatable turret holder. The radiation beam from the laser 2 is weakly convergent (or divergent) obtained through these lenses 6 thus a (in practice very small) deviation from

der Parallelität. Dadurch wird erreicht, daß der Brennpunkt 7 des sichtbaren Laserstrahls in einem Abstand d oberhalb (oder auch unterhalb) des Brennpunktes 8 des UV-Laserstrahls liegt Bringt man das Objekt 5, das mittels einer nicht dargestellten Mechanik gehoben und gesenkt werden kann, in eine solche Stellung, so daß der Brennpunkt 7 des sichtbaren Laserstrahls, wie dargestellt, an einer, z. B. der oberen Oberfläche liegt (was man z. B. durch ein an das Objektiv 4 mittels Teilerspiegel 9 angekoppeltes ι ο Mikroskopokular IO beobachten kann), dann liegt der Brennpunkt 8 des UV-Laserstrahls im Abstand d von dieser Oberfläche.of parallelism. This ensures that the focal point 7 of the visible laser beam lies at a distance d above (or below) the focal point 8 of the UV laser beam Position so that the focal point 7 of the visible laser beam, as shown, at a, z. B. the upper surface (which can be observed z. B. through a ι ο microscope eyepiece IO coupled to the objective 4 by means of a splitter mirror 9), then the focal point 8 of the UV laser beam lies at a distance d from this surface.

Der Abstand d hängt auller von der durch die Linsen 6 verursachten Konvergenz oder Divergenz des Hilfs- is laserstrahl vom Laser 2 auch von der Farbabweichung des Objektivs 4 ab. Je nachdem, ob dieses Objektiv 4 eine normale Farbabweichung hat (bei der kurzwelliges Licht stärker gebrochen wird als langwelliges) oder aber überkorrigiert ist, also eine negative Farbabweichung hat, wird man die Linsen 6 zweckmäßiger als Sammellinsen oder als Zerstreuungslinsen ausbilden, um den gewünschten Abstand d zwischen den beiden Brennpunkten 7 und 8 herzustellen, und um zu erreichen, daß entweder der Brennpunkt 7 des sichtbaren Laserlichtes oder der Brennpunkt 8 des in der Regel kurzwelligeren Arbeitslaserstrahls näher am Objektiv 4 liegt, je nachdem, ob die obere oder untere Objektoberfläche als Referenzfläche für die Einstellung des sichtbaren Brennflecks dienen soll. Bei transparenten Objekten kann auch eine optisch beobachtbare innere Grenzfläche, z. B. zwischen zwei Objektbereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex, als Referenzfläche dienen.Apart from the convergence or divergence of the auxiliary laser beam from the laser 2 caused by the lenses 6, the distance d also depends on the color deviation of the objective 4. Depending on whether this objective 4 has a normal color deviation (in which short-wave light is refracted more strongly than long-wave light) or is overcorrected, i.e. has a negative color deviation, the lenses 6 will be more expediently designed as converging lenses or as diverging lenses, around the desired distance d between the two focal points 7 and 8, and to achieve that either the focal point 7 of the visible laser light or the focal point 8 of the usually shorter-wave working laser beam is closer to the objective 4, depending on whether the upper or lower object surface is used as the reference surface to serve for the adjustment of the visible focal point. In the case of transparent objects, an optically observable inner interface, e.g. B. serve as a reference surface between two object areas with different refractive indices.

Anstelle mehrerer, wahlweise einstellbarer Linsen 6 kann man eine Linsenanordnung mit kontinuierlich veränderbarer Brennweite (Zoom) verwenden. Durch einen einfachen, einmaligen Meßvorgang kann man feststellen, welche Werte des Abstandes d den verschiedenen Linsen 6 bzw. den verschiedenen Stellungen der Zoom-Linsenanordnung entsprechen, und man kann die Linsen 6 bzw. die Zoom-Stellungen z. B. unmittelbar in Einheiten dieses Abstandes deichen.Instead of several, optionally adjustable lenses 6, a lens arrangement with a continuously variable focal length (zoom) can be used. By means of a simple, one-off measuring process, it is possible to determine which values of the distance d correspond to the various lenses 6 or the various positions of the zoom lens arrangement. B. dike immediately in units of this distance.

Statt der Linsenanordnung 6 im Strahl des Hilfslaisers (oder zusätzlich dazu) kann man in den Strahl des Arbeitslasers 1 wahlweise einstellbare Linsen verwenden, um den Abstand d zu erzeugen. Das kann zwar einen erhöhten apparativen Aufwand bedeuten, insbesondere, wenn Speziallinsen für UV- c ,zr IR-Strahlung verwendet werden müssen, hat aber den Verteil, dafl' bei Änderung des Abstandes d die einmal vorgenommene Scharfeinstellung des sichtbaren Laserbrennflecks auf die jeweilige Objektoberfläche erhalten bleibt, das Objekt al'-<> nicht neu justiert werden muß.Instead of the lens arrangement 6 in the beam of the auxiliary laser (or in addition to it), lenses which can be set optionally can be used in the beam of the working laser 1 in order to generate the distance d. This can mean an increased expenditure on equipment, especially if special lenses for UV c , zr IR radiation have to be used, but has the distribution that when the distance d is changed, the focus of the visible laser focal point on the respective object surface is maintained remains, the object al '- <> does not have to be readjusted.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

Claims

Patentansprüche:Patent claims:

I. Verfahren zum Einstellen des Brennpunktes eines Arbeitslaserstrahls auf einen gewünschten Mikrobereich eines Objektes, wobei man dem Arbeitslaserstrahl einen im sichtbaren Wellenlängenbereich liegenden Hilfslaserstrahl kollinear überlagert, beide Laserstrahlen gemeinsam auf einen durch ein Mikroskop beobachtbaren Bereich des Objektes fokussiert und das Objekt so einstellt, daß der Brennpunkt des Hilfslaserstrahls auf einer durch das Mikroskop beobachtbaren Oberfläche oder Grenzschicht des Objektes scharf erscheint, dadurch gekennzeichnet, daß man zwecks Einstellung des Arbeitslaserstrahl-Brennpunktes auf einen Bereich in einem gewünschten Abstand von der Oberfläche oder Grenzschicht des Objektes eine auf einen gewünschten Betrag einstellbare axiale Distanz zwischen den Brennpunkten des Arbeitslasers und des Hilfslasers erzeugtI. Method of adjusting the focus of a working laser beam to a desired one Micro-area of an object, whereby an auxiliary laser beam lying in the visible wavelength range is superimposed collinearly on the working laser beam, both laser beams together on one Focuses on the area of the object observable through a microscope and adjusts the object so that the focal point of the auxiliary laser beam on a surface that can be observed through the microscope, or Boundary layer of the object appears sharp, characterized in that for the purpose Adjustment of the working laser beam focal point to an area at a desired distance from the surface or boundary layer of the object is an axial adjustable to a desired amount Distance between the focal points of the working laser and the auxiliary laser generated

Z Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Arbeitslaser, einem im sichtbaren Wellenlängenbereich arbeitenden Hilfslaser, einer die Strahlen der beiden Laser kollinear überlagernden Überlagerungsvorrichtung, einem die beiden Strahlen auf ein Objekt fokussierenden Objektiv eines Mikroskops, einer Einrichtung zum Verändern des Abstandes des Objekts vom Objektiv, und einer im Strahl nur des Hilfslasers oder des Arbeitslasers vor der Oberlagerungseinrichtung angeordneten Linsenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung (6) brennweitenverstellbar ausgebildet istZ device for performing the method according to claim 1, with a working laser, an im Auxiliary laser working in the visible wavelength range, one of the beams from the two lasers is collinear superimposing superimposing device, one focusing the two beams on an object Objective of a microscope, a device for changing the distance of the object from the objective, and one in the beam only of the auxiliary laser or the Working laser lens arrangement arranged in front of the overlay device, characterized in that the lens arrangement (6) is designed to be adjustable in focal length

3. Vorrichtung nach Arspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung aus einer Anzahl von wahlweise in den La»erstrthl einstellbaren Sammel- und/oder Zerstreuungslinsen (6) unterschiedlicher Stärke besteht3. Device according to Arspruch 1, characterized in that the lens arrangement consists of a number consists of collecting and / or diverging lenses (6) of different strengths, which can be optionally set in the laser beam

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung aus einer Zoom-Linsenanordnung besteht.4. Apparatus according to claim 2, characterized in that the lens arrangement consists of a Zoom lens assembly consists.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsenanordnung in Einheiten der Distanz der vom Objektiv erzeugten Brennpunkte der beiden Laserstrahlen kalibriert ist.5. Device according to one of claims 2 to 4, characterized in that the lens arrangement in units of the distance between the focal points of the two laser beams generated by the lens is calibrated.