DE2633965B2

DE2633965B2 - Einrichtung zur Parallelen und zentrischen Justierung eines mittels Strahlablenker manipulierbaren Laserstrahls

Info

Publication number: DE2633965B2
Application number: DE19762633965
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Remy
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-07-28
Filing date: 1976-07-28
Publication date: 1981-09-10
Also published as: DE2633965A1; DE2633965C3

Description

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Das Hauptpatent 25 59 925 schützt eine Einrichtung zur parallelen und zentrischen Justierung eines mittels Strahlablenker manipulierbaren Laserstrahls auf die optische Achse eines Mikroskopobjektivs, bei der ein Spiegel mit einer einen Mittelpunkt aufweisenden Figur aus das Laserlicht beugenden Strichen vorgesehen ist, der gegen das Mikroskopobjektiv derart auswechselbar ist, daß er senkrecht und seine Figur zentrisch zur Objektivachse liegt. Eine Justierhilfe bildet diese Einrichtung insofern, als der Laserstrahl, wenn er auf einen der Striche der Figur trifft, nicht nur reflektiert, sondern auch gebeugt wird und eine bezüglich dieses Striches symmetrische Beugungsfigur entsteht die auf einem im Weg des reflektierenden Lichts angeordneten Schirm beobachtet werden kann. Trifft der Strahl auf den Mittelpunkt der Figur, so entsteht ein entsprechendes zentralsymmetrisches Beugungsmuster, das die korrekte mittige Einstellung des Laserstrahls anzeigt.

Diese besonders einfache und rasche Möglichkeit, den Laserstrahl zu justieren und die Justierung jederzeit überprüfen zu können, ist mit besonderem Vorteil anwendbar bei laseroptischen Einrichtungen für mikroskopische, insbesondere mikrobiologische Untersuchungen, bei denen der durch das Mikroskopobjektiv auf ein Präparat fokussierte Laserstrahl als Werkzeug zum Zerstören, Verdampfen, Ionisieren od. dgl von eng lokalisierten, mikroskopischen Bereichen, z.B. innerhalb von Zellen, dient, wie aus DE-PS 2141 387 bekannt Eine äußerst exakte gegenseitige Justierung des Laserstrahls und der optischen Komponenten ist hierbei Voraussetzung für eine exakte Begrenzung und Lokalisierung der zu beeinflussenden Mikrobereiche. Das Justierungsproblem wird dabei zusätzlich dadurch erschwert, daß der Strahl des verwendeten Arbeitslasers selbst nicht für Justierzwecke beobachtet werden kann, insbesondere weil er in der Regel im UV-Bereich liegt und/oder im Impulsbetrieb arbeitet Man verwendet in solchem Fall einen zweiten, im sichtbaren Bereich kontinuierlich arbeitenden Hilfslaser, dessen Strahl dem des Leistungslasers kolünear überlagert wird und dessen Verlauf für Justieniwecke sichtbar macht (wie in der älteren Anmeldung P 25 58 053.4 beschrieben).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einrichtung nach dem Hauptpatent zu einer besonders an die vorgenannten Anwendungsfälle und deren Genauigkjitsanforderungen angepaßten Justierhilfe weiterzubilden, die eine noch einfachere und exaktere Beobachtung und Justierung des Laserstrahls ermöglicht

Dies wird gemäß der Erfindung bei einer Einrichtung gemäß dem Hauptpatent dadurch erreicht daß der Spiegel als lichtdurchlässige Platte ausgebildet ist, auf deren dem Laserstrahl zugewendeten Seite ein lediglich die Striche des Strichmusters bildender, die übrigen Bereiche der Platte freilassender reflektierender Belag aufgebracht ist

Man erzielt damit den Vorteil, daß einerseits das Strichmuster äußerst exakt hergestellt werden kann, nämlich durch Aufdampfen der Reflexionsschicht mit Hilfe des in der Halbleitertechnik bekannten Fotoätzverfahrens, d.h. mit einer durch Belichten einer Fotolackschicht und Wegätzen der belichteten Bereiche gebildeten Maske. Andererseits kann der Laserstrahl, soweit er nicht vom Strichmuster reflektiert und gebeugt wird, durch die Platte hindurchtreten und auch jenseits der Platte noch für Justier- oder andere Zwecke beobachtet werden. Hierfür ist es besonders vorteilhaft wenn die Rückseite der Platte mattiert ist so daß der Auftreffpunkt des Laserstrahls beobachtet und eine Grobjustierung vorgenommen werden kann.

Die Platte ist vorzugsweise in einer Halterung befestigt, die z. B. mittels eines genormten Schraubgewindes oder andere Mittel an die zu justierende optische Komponente, also z. B. die Objektivrevolverhalterung eines Mikroskops, angesetzt werden kann. In der Halterung kann die Platte drehbar und in beliebiger Drehstellung feststellbar sein. Damit kann man die Strichfigur parallel zu den Achsen ausrichten, in denen z. B. mittels optischer Ablenkeinrichtungen die Lage des Laserstrahls verändert werden kann.

Man erhält auf diese Weise ein universell verwendbares Hilfsmittel zur Justierung von Laserstrahlen auf die optische Achse beliebiger optischer Komponenten.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert.

F i g. 1 zeigt auseinandergezogen die verschiedenen, miteinander verschraubbaren Bestandteile des Einsatzoder Vorsatzteils gemäß der Erfindung, und zwar in vergrößertem Maßstab;

F i g. 2 zeigt eine Draufsicht auf die Justierplatte;

F i g. 3 zeigt beispielhaft die Art der im Beobachtungsfeld erscheinenden Beugungsfigur;

F i g. 4 zeigt schematisch eine komplette laseroptische Einrichtung, in der die erfindungsgemäße Justiereinrichtung an mehreren Stellen angewendet werden kann.

Die in Fig. 1 dargestellte Halterung 1 ist mit ihrem Außengewinde 2 anstelle eines Objektivs in die (nicht dargestellte) Objektivfassung, insbesondere die Revolverhalterung, eines üblichen Forschungsmikroskops einschraubbar. Eine Drehfassung 3 ist z. B. mit ihrem Außengewinde 4 in das Innengewinde 5 der Halterung 1 einschraubbar und kann in jeder beliebigen Drehstellung mittels einer Madenschraube 6 festgelegt werden. Ein rundes, exakt plan geschliffenes Glasplättchen 7 wird in einen schulterförmigen Sitz 8 der Drehhalterung 3 eingesetzt (wobei der Umfang des Glasplättchens 7 und des Sitzes 8 einen konischen Paßsitz bilden können) und durch einen Konterring 9 gesichert, dessen Außengewinde 10 in das Innengewinde 11 der Drehhalterung 3 einschraubbar ist Auf die se Weise ist das Glasplättchen 7 exakt zur optischen Achse des Mikroskops, genauer gesagt zur optischen Achse der Mikroskopobjektive, zentriert und steht zu ihr senkrecht

Das Glasplättchen 7 trägt an der Oberseite einen 3-, reflektierenden Belag 12 in Form von zwei dünnen, sich in der optischen Achse rechtwinklig kreuzenden Strichen. Die Breite der Striche liegt in der Größenordnung von 1- bis lOOmal der Wellenlänge des Laserlichts, so daß sie beim Reflektieren des Laserlichts eine jo Beugung nach Art eines Beugungsspaltes hervorrufen. Vorzugsweise ist der reflektierende Belag 12 schmalbandig nur für die Wellenlänge des verwendeten sichtbaren Laserlichts reflektierend. Im Diadurverfahren oder z. B. auch durch Vakuumaufdampfung durch r, eine entsprechende, nach der Fotoätztechnik hergestellte Maske können derartige, schmalbandig reflektierende Beläge auch in Form sehr schmaler Striche aufgebracht werden unter entsprechendem Wegätzen bzw. Stehenlassen von mittels einer Schablone belichte- ₄« ten Bereichen einer Fotolackschicht

Die zusammengesetzten Teile gemäß F i g. 1 werden anstelle eines Objektivs in die Objektivfassung eines Mikroskops eingeschraubt In das Mikroskop wird der zu justierende kontinuierliche Hilfslaserstrahl eingekoppelt, der auf jeden Fall im sichtbaren Wellenlängenbereich liegen muß, dem aber zusätzlich ein weiterer, z. B. Impuls- oder unsichtbarer Laserstrahl als der eigentliche Arbeitslase'strahl überlagert sein kann. Der Laserstrahl bzw. die beiden überlagerten Laserstrahlen gemeinsam müssen durch geeignete Einstellmittel verstellbar, d. h. verschiebbar und/oder verkippbar sein, um sie justieren zu können. Dies kann im einfachsten Fall durch entsprechendes Verschieben und/oder Verkippen der Laser selbst erfolgen, für praktische Anwendung wird man sich aber eines sogenannten Strahlausrichters bedienen, der gegeneinander verdrehbare Spiegel oder Prismen enthält, die es gestatten, den Laserstrahl innerhalb einfs kleinen Einstellbereiches sowohl in zwei zur Strahlat"hse senkrechten Richtungen oo (x- und y-Richtung) parallel zu verschieben als auch in zwei zueinander senkrechten Ebenen (xz-Ebene und yz-Ebene) zu verkippen.

In Fig.4 sind die drei llauptteile oder Baugruppen einer kompletten Einrichtung zum Laserbeschuß von mikroskopischen Präparaten mit strichpunktierten Rechtecken umrandet, nämlich die Lasereinheit 20, eine Zwischenoptik 40 und eine Mikroskopeinheit 50.

In der Lasereinheit 20 befinden sich ein UV-Leistungslaser 21 mit vorgeschalteter Irisblende 22 zum Verändern des Durchmessers des Laserstrahls 23 und damit der Kaustik des Laserstrahl-Brennflecks im Präparat, und weiter ein Hilfs-Laser 24, der ein kontinuierliches Lichtbündel 25 im sichtbaren Bereich aussendet Beide aus den Lasern parallelgerichtet austretenden Lichtbündel laufen durch eine Filterwechselautomatik 26,26' mit z. B. Graufiltern sum Verändern der Helligkeit und werden durch einen teildurchlässigen Spiegel 27 vereinigt nachdem das Lichtbündel 25 einen Strahlausrichter 28 (beam aligner) durchlaufen hat mit dem es in zwei zueinander senkrechten Richtungen (x,y) parallelverschoben und in den entsprechenden Ebenen auch verkippt (φ, ω) werden kann, um die Kollinearität, d. h. Lage und Richtungsgleichheit mit dem Lichtbünde] 23 herzustellen, was durch eine vorzugsweise fluoreszierende Mattscheibe 29 mit Lupe 30 hinter dem Teilerspiegel 27 an einem ersten Punkt überprüft werden kann. Strahlausrichter 28 sind im Prinzip bekannt und haben mittels der angedeuteten Einstellknöpfe verdrehbare Spiegel. Vorzugsweise wird ein Strahlausrichter mit gleichzeitiger 90"-Umlenkung verwendet, wie in dem Hauptpatent beschrieben. Drehknöpfe sollen die Einstellmöglichkeiten der Strahlausrichter 28,33 andeuten, wobei aber jeder Strahlausrichter insgesamt vier einstellbare Freiheitsgrade x, y, φ, ω hat.

In dem einen und/oder anderen Lichtbündel 23,25 ist eine Einrichtung 31, 31' mit Wechsellinsen oder einer Optik mit veränderbarer Brennweite (Zoom) angeordnet, um dem jeweiligen Strahl eine vom anderen Strahl verschiedene geringfügige Divergenz oder Konvergenz zu geben, zwecks Einstellung eines gewünschten Abstandes zwischen den beiden Laserbrennpunkten, wie in der älteren Anmeldung P 25 58 053.4 beschrieben. Der durch den Teilerspiegel 27 vereinigte Laserstrahl 32 kann durch einen weiteren Strahlausrichter 33 wiederum in x, y, ψ und ω verschoben bzw. gekippt werden. Ein Teil des Leistungs-Laserstrahls kann aus dem Strahlausrichter 33 in einen Monitor 34 gelangen, der die Energiekonstanz des Leistungslasers überwacht, so daß deren Schwankungen kompensiert oder bei der Auswertung berücksichtigt werden können.

In der Zwischenoptik 40 befinden sich eine Zwischenlinse 41 und eine Blende 42. Letztere besteht aus einer für beide Laserwellenlängen durchlässigen Platte, die an ihrer dem Laser zugewandten Seite einen selektiv nur für die Wellenlänge des Leistungslasers undurchlässigen Blendenbelag 43 mit sehr kleiner Mittelöffnung trägt. Die andere Seite der Platte 42 ist mattiert, jedoch unter Freilassung des zentralen Bereiches, damit der Leistungslaserstrahl nicht an der Mattierung gestreut wird. An einer gemeinsamen, z. B. rohrförmigen Halterung 44 ist einerseits die Linse 41 mittels eines Einsteckrohrs 45 in Achsrichtung (z-Richtung) verschiebbar und andererseits die Blende 42 in der zur optischen Achse senkrechten Ebene (x- und y-Richtung) verschiebbar befestigt. Damit kann die Blende 42 in den von der Linse 41 erzeugten Zwischenfokus des Leistungslaserstrahls eingestellt werden. Die gemeinsame Halterung 44 ist ihrerseits an einer Führung 46 in Achsrichtung (z-Richtung) hin und her verschiebbar, um den von der Linse 41 erzeugten Zwischenfokus in die Zwischenbildeber.e des Mikroskopobjektivs zu bringen. Die Führung 46 ist wiederum justierbar, nämlich in zwei zur Achse rechtwinkligen Richtungen (x- und y-Richtung) parallelverschiebbar und ferner in zwei zueinander senkrech-

In der Mikroskopeinheit 50 wird der eintretende, überlagerte Laserstrahl 32 mittels eines selektiv verspiegelten Teilerspiegels 51 in das Mikroskopobjektiv 52 eingekoppelt und durch dieses auf das Präparat 53 fokussiert, um dort an gewünschter Stelle die beabsichtigte Wirkung auszulösen. Das Präparat 53 befindet sich auf einem in x-, y- und z-Richtung verschiebbaren Präparattisch und kann mittels Lampe 54, Köhlersche Beleuchtungsoptik 55 bzw. Kondensor 56 in Durchlicht, Dunkelfeld oder Phasenkontrast beleuchtet werden. Ferner ist eine Lampe 57, eine Köhlersche Beleuchtungsoptik 58 und ein Teilerspiegel 59 für Auflichtbeleuchtung vorgesehen. Die Beobachtung des Präparats 53 und der in ihm ausgelösten Wirkung erfolgt über den Teüerspiege! 60 im Mikroskop-Binokular 61, und ferner ist eine Kamera 62 für fotografische Aufnahmen und/oder für Darstellung auf einem Fernsehschirm vorgesehen. Vor dem Teilerspiegel 60 befindet sich ein selektives Sperrfilter 63 für z. B. UV-Licht des Lasers 21 und eine Tubuslinse 64 zur Anpassung des Zwischenbildes vom Objektiv 52 an die Bildebene des Binokulars 61 bzw. der Kamera 62. Die Teilerspiegel 27 und 51 sind vorzugsweise als Doppelprismenspiegel oder als dünne Folien (pellicle) ausgebildet, um seitliche Versetzungen zu vermeiden und dabei gleichzeitig die optische Güte von dicken Spiegeln erreichen zu können. Die Zwischenoptik 40 ist vorzugsweise als Ganzes aus dem Strahlengang schwenkbar, und der Teilerspiegel um 90° schwenkbar, um den Laserstrahl auf eine entfernte Wand zu projizieren zur Überprüfung der Kollinearität der Laserstrahlen an einem zweiten Punkt entfernt von der Mattscheibe 29.

Die erfmdungsgemäße Justiereinrichtung mit der Platte 7 mit Beugungsfigur gemäß F i g. 1 bis 3 kann nun an verschiedenen Stellen der Anordnung gemäß F i g. 4 zur Justierung der optischen Komponenten bzw. des ten, durch die Achse verlaufenden Ebenen verkippbar Laserstrahls verwendet werden. In der Mikroskopeinheit 50 kann die Platte T an der Revolverhalterung des Mikroskops angebracht und an die Stelle des Objektivs 52 geschwenkt werden und dann als Hilfe für die > Einjustierung des Laserstrahls 32 mittels des Strahlausrichters 33 dienen. In der Zwischenoptik 40 kann die Platte 7" vor der Zwischenlinse 41 in die Halterung 44 eingesetzt werden, um die gesamte Zwischenoptik mittig zum Laserstrahl 35 auszurichten. In der

ίο Lasereinheit 20 kann eine entsprechende Platte T" an die Wechsellinsen- oder Zoomeinrichtung 31, 31' oder auch die Wechselfilter 26 angesetzt werden, um deren mittige Justierung zum Laserstrahl 23,25 vornehmen zu können. Die von den Platten 7', 7", T" erzeugten

ι ·, Beugungsmuster können auf einem jeweils im Strahlengang vor der Platte angeordneten Lcchbiendenschirm aufgefangen und beobachtet werden, wobei dieser Schirm vorzugsweise möglichst weit entfernt von der jeweiligen Beugungsplatte und selbstverständlich an einer der Beobachtung zugänglichen Stelle angeordnet sein sollte. Vorzugsweise ist der Schirm bei 35, 35' unmittelbar vor dem Hilfslaser 24 oder dem Leistungslaser 21 angeordnet Die von der Platte T am Objektivhalter erzeugte Beugungsfigur kann auch im Okular 61 beobachtet werden, falls der Teilerspiegel 51 für die Wellenlänge des Hilfslaserstrahls teildurchlässig ist.

Das Erscheinen der vollständigen Beugungsfigur auf dem Schirm 35, 35' zeigt, wie bereits erwähnt, das

jo mittige Auftreffen des Laserstrahls auf der jeweiligen Strichmusterplatte 7', 7", 7'" an. Liegt die Beugungsfigur auf dem Schirm 35,35' exzentrisch zur Mittelachse, so bedeutet dies, daß der Laserstrahl nicht senkrecht auf die Platte auftrifft. Durch Nachjustieren am Strahlaus-

r> richter 33 in x, y, φ und ω kann außer dem mittigen auch das senkrechte Auftreffen einjustiert werden, so daß der Laserstrahl dann kollinear zur optischen Achse des Mikroskopobjektivs 52 verläuft

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur parallelen und zentrischen Justierung eines mittels Strahlablenker manipulierbaren Laserstrahls auf die optische Achse eines Mikroskopobjektivs, bei der ein Spiegel mit einer einen Mittelpunkt aufweisenden Figur aus das Laserlicht beugenden Strichen vorgesehen ist, der gegen das Mikroskopobjektiv derart auswechselbar ist, daß er senkrecht und seine Figur zentrisch zur Objektivachse liegt, nach Patent 25 59 925, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (7) als lichtdurchlässige Platte ausgebildet ist, auf deren dem Laserstrahl zugewendeten Seite ein lediglich die Striche des Strichmusters (12) bildender, die übrigen Bereiche der Platte freilassender reflektierender Belag aufgebracht ist

2. Einrichtung nach Ansprucn 1, dadurch gekennzeichnet, daß der das Strichmuster bildende reflektierende Belag durch Aufdampfen unter Anwendung des Fotoätzverfahrens hergestellt ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Figur ein Strichkreuz ist

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die vom Laserstrahl abgewandte Seite der Platte mattiert ist

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet daß der reflektierende Belag selektiv nur für ein schmales Wellenlängenband im sichtbaren Bereich reflektierend ist

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte exakt zentriert in einer an die zu justierende optische Komponente, insbesondere an die Objektivhalterung eines Mikroskops, anschraubbaren oder ansteckbaren Halterung befestigt ist

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte an der Halterung in ihrer Ebene drehbar gelagert und in beliebiger Drehstellung feststellbar ist.