DE3524927A1 - Lichtleiter zur erzeugung oder photometrischen ausmessung kleinster lichtpunkte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters zur Erzeugung oder photometrischen Ausmessung kleinster Lichtpunkte sowie auf einen ent­ sprechenden Lichtleiter.

Kleinste Lichtpunkte werden üblicherweise mittels Linsen bzw. Linsensystemen erzeugt, wozu man zur Bündelung der Lichtstrahlen auf kleinste Lichtpunkte starke Sammel­ linsen benötigt, Nachteilig dabei ist, daß deren Brennpunkt nahe an der Linse liegt, was nur einen geringen Arbeitsabstand erlaubt. Außerdem haben starke Linsen nur eine geringe Tiefenschärfe, was das Foku­ sieren des Lichtes auf das zu beleuchtende Objekt erschwert. Der Abstand der Linse zum beleuchteten Objekt muß ständig genau eingehalten werden. Auch wird ein großer Anteil des Lichtes an der Linse absorbiert.

Hinzu kommt, daß zur Verringerung von Linsen­ fehlern und Herabsetzung der Reflexionsanteile des Lichtes an den Grenzflächen der Linsen besonders vergütete und damit teure Linsen benötigt werden.

Damit bei Verwendung von Linsen ein scharf umrissener kleiner Lichtpunkt entsteht, muß mit parallelem Licht in die Linse einge­ strahlt werden. Zu dessen Herstellung werden entweder weitere Linsen benutzt, was einen weiteren lntensitätsverlust, größeren Aufwand und Platzbedarf bedeutet. Dabei entsteht Streulicht und eine "Verschmierung" des Lichtpunktes. Man kann dies zwar vermeiden, wenn man als Lichtquelle einen Laser benutzt, der in guter Näherung ein paralleles Lichtbün­ del liefert. Dies bedeutet aber bei der Verwendung des relativ preiswerten Helium/Neon- Lasers eine Begrenzung auf eine Frequenz. Laser mit mehreren Laserfrequenzen sind wiederum sehr teuer. Die Verwendung eines Lasers führt außerdem zu hohem Engeriebe­ darf. Nachteilig sind ferner auftretende Probleme der Kühlung, großer Platzbedarf sowie sicherheitstechnische Probleme.

Kleinste Lichtpunkte können ferner unter Verwendung von Lochblenden erzeugt werden. Dabei ist allerdings eines der Hauptprobleme die Herstellung von Löchern der erforder­ lichen Größenordnung in geeigneten Materialien.

Die Lochblende läßt nur einen kleinen Teil des zur Verfügung stehenden Lichtes auf das zu beleuchtende Objekt fallen, d.h. der lntensitätsverlust bei dieser Methode ist sehr groß.

Liegt die Lochblende unmittelbar auf dem zu beleuchtenden Gegenstand, dann ergeben sich Schwierigkeiten bei unebenen Gegenstän­ den beim Positionieren des Lichtpunktes und besonders beim Wechsel der Position. Ist die Blende dagegen vom zu beleuchtenden Objekt entfernt, dann braucht man wieder paralleles Licht, wenn man vermeiden will, daß der entstehende Lichtfleck verschmiert und größer wird. Bei Verwendung eines Lasers führt dies zu den oben angegebenen Nachteilen.

Bei Verwendung einer Lochblende tritt ferner die Schwierigkeit auf, daß, wenn man mit dem Lochdurchmesser in die Größenordnung der verwendeten Lichtwellenlänge kommt, Beugungseffekte meßbar in Erscheinung treten, die den entstehenden Lichtpunkt aufweiten.

Kleinste Lichtpunkte können außerdem unter Verwendung von Lichtleitern erzeugt werden. Die dünnsten Lichtleiter, die angeboten werden, sind Lichtleitfasern von 12 µm Durchmesser. Ganz abgesehen davon, daß der Durchmesser dieser Lichtleitfasern für manche Meß- und Beleuchtungsaufgaben zu groß ist, treten bei ihrer Verwendung zur Erzeugung von Lichtpunkten folgende Nachteile auf:

Die Lichtleiter sind schwer zu handhaben und daher auch mechanisch leicht zu beschä­ digen. Da sie flexibel sind, braucht man eine Halterung für sie. Es ist unbedingt erforderlich, daß die Lichtleitfasern an ihren Enden geschliffen und poliert werden, was bei Fasern der angegebenen Größenordnung sehr aufwendig ist. Geschieht dies nicht, so tritt das Licht unter verschiedenen Winkeln aus den Enden aus. Es entsteht kein scharf umrandeter Lichtpunkt. Außerdem sind die lntensitätsverluste durch Reflektion an diesen Endstrukturen extrem groß. Ein weiterer Nachteil ist, daß wegen des geringen Durchmessers das Ankoppeln der Fasern an eine Lichtquelle extrem schwierig ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Lichtleiter bzw. ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen, der einen Durchmesser unterhalb 5 µm aufweist und bei dem - ohne Einbuße der Qualität des erzeugten Lichtpunktes - unterschiedliche Lichtquellen eingesetzt werden können.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß ein Teilstück eines aus einem hochbre­ chenden Stab aus optischem Glas mit einem niedrig brechenden Glasmantel bestehenden Lichtleitstabes unter Erhitzen auf einen Durchmesser im µ Bereich gezogen und möglichst an der am stärksten verjüngten Stelle durchbrochen wird, so daß zumindest ein Lichtleitstab mit sich verjüngendem Teilstück mit Mikrospitze entsteht, worauf das sich verjüngende Teilstück des Lichtleit­ stabes mit einem Metall beschichtet und die Mikrospitze geschliffen und poliert wird.

Als Ausgangsmaterial kann ein handelsübli­ cher Lichtleitstab verwendet werden, der aus einem hochbrechenden Stab aus optischem Glas besteht, auf den ein niedrig brechender Glasmantel aufgeschmolzen ist, der den Stab optisch isoliert. Der Lichtleitstab wird bei der Durchführung des Verfahrens zweckmäßigerweise an den Enden eingespannt und in seiner Mitte erhitzt. Er wird sodann auf einen Durchmesser von unter 1 µm ausgezogen und bricht an der verjüngten Stelle durch, so daß in der Regel zwei zu einem Ende hin auf unter 1 µm verjüngte Lichtleiter entstehen.

Im sich verjüngenden Teil der so hergestell­ ten Lichtleiter herrschen nicht mehr die Totalreflexionsbedingungen wie noch im Ausgangsmaterial. Es würde also am sich verengenden Teil Licht aus der Seitenfläche heraustreten. Um dies zu verhindern, werden die "gespitzten" Lichtleiter, d.h. das sich verjüngende Teilstück des Lichtleiters, mit Metall beschichtet. Dies geschieht zweckmäßigerweise, indem das sich verjüngende Teilstück durch Sputtern mit Metallionen, beispielsweise Goldionen, beschichtet wird.

Diese Metallschicht ist ein idealer Spiegel, der austretendes Licht in den Lichtleiter zurückreflektiert. Dies kann selbstverständ­ lich durch unterschiedliche Metalle erreicht werden.

Das sich verjüngende Teilstück des Lichtleit­ stabes wird zur Führung der Mikrospitze während des Schleifens und Polierens zweckmäßi­ gerweise in eine hierfür geeignete, niedrig schmelzende Metallegierung eingebettet. Eine solche Metallegierung ist die "Woodsche Legierung", die sich leicht ver- und bearbei­ ten läßt (sie schmilzt bei ca. 75 °C), und die im erstarrten Zustand spröde genug ist, so daß sie beispielsweise beim anschlies­ senden Schleifvorgang nicht sofort das Schleifpapier zusetzt.

Nach dem Schleifvorgang ist es ferner zweck­ mäßig, daß vor dem Polieren eine dünne Schicht der Metallegierung derart abgeätzt wird, daß die Mikrospitze etwas aus der Metallegierung herausragt.

Der Lichtleiter gemäß der Erfindung zur Erzeugung oder photometrischen Ausmessung kleinster Lichtpunkte besteht somit aus einem Stab aus optischem Glas mit einem niedrig brechenden Glasmantel und mit einem sich verjüngenden Ende mit Mikrospitze. Der sich verjüngende Teil des Lichtleiters weist dabei eine Metallschicht auf. Der Durchmesser der Mikrospitze beträgt weniger als 5 µm.

Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich Lichtleiter mit verschiedenen Spitzendurchmessern bis in den Bereich von wenigen µm sowie verschieden lange und verschieden geformte Lichtleiter herstellen.

Am unverjüngten Ende des Lichtleiters gemäß der Erfindung (einige mm Durchmesser) können sehr unterschiedliche Lichtquellen (Leuchtdio­ den, Hg-Lampen, Laser) leicht und ohne große lntensitätsverluste angekoppelt wer­ den. Da man das spitze Lichtleiterende z.B. mit Hilfe eines Mikromanipulators ohne große Schwierigkeiten auf das zu beleuchten­ de Objekt aufsetzen kann, entsteht an einem definierten Ort ein scharf umrissener Lichtpunkt ohne Streulicht. Die Größe des Lichtpunktes läßt sich dabei auch durch Änderung des Abstandes der Lichtleiterspitze vom zu beleuchtenden Objekt variieren. Denn der aus dem Lichtleiter austretende Lichtstrahl hat einen Öffnungswinkel von ca. 60°.

Ausführungsbeispiel:

Als Ausgangsmaterial wurde ein handelsüb­ licher Lichtleitstab, Typ LST (Außendurch­ messer 1,5 mm) verwendet, der aus einem hochbrechenden Stab aus optischem Glas bestand, auf den ein niedrig brechender Glasmantel aufgeschmolzen ist, der den Stab optisch isoliert. Mit Hilfe eines Mikro-Pipetten Pullers - der gewöhnlich für die Herstellung von Mikroelektroden aus Glaskapillaren gebraucht wird - wurde der Lichtleitstab an den Enden eingespannt und seine Mitte in einer Heizplatinwendel erhitzt. Mit einem Elektromagneten wurde der Lichtleitstab dann auf einen Durchmesser von unter 1 µm ausgezogen und brach dabei an der verjüngten Stelle durch. Dabei entstan­ den zwei zu einem Ende hin auf unter 1 µm verjüngte Lichtleiter, von denen einer teilweise in der Zeichnung schematisch dargestellt ist. Die "gespitzten" Lichtleiter 1 wurden sodann mit Goldatomen besputtert, so daß sich auf dem Glas eine dünne Gold­ schicht 2 (s. Zeichnung) bildete.

Zur Bearbeitung der winzigen Endfläche der Mikrospitze, die nach dem Abbrechen noch zersplittert und rauh war, wurde der Lichtleiter zur stabilen Führung der Mikro­ spitze in einer speziellen Metallegierung 3 (Woodsches Metall) eingebettet, wie dies aus der Zeichnung ersichtlich ist. In einem zweistufigen Schleifvorgang mit wasserfestem Siliziumkarbid/Papier von unterschiedlicher Körnung (500 und 1200) wurde die Endfläche behandelt, wobei das Objekt ständig mit Wasser umspült wurde.

Um die Reste der Legierung von der "grob" bearbeiteten Endfläche und eine dünne Schicht der Legierung zu entfernen, wurde das Objekt sodann in einer 10%igen HNO-Lösung kurz geätzt. Das immer noch rauhe Lichtleiterende ragte danach etwas aus dem Einbettungsma­ terial heraus.

Nun schloß sich der Poliervorgang an, wozu eine Poliermaschine, auf der sich ein Nylon­ tuch mit aufgebrachter Diamantpaste mit 6 µm Körnung befand, benutzt wurde. Hiernach war die Endfläche ausreichend plan. Zum Schluß wurde die Legierung im Heißwasser­ bad und Reste davon mittels einer HNO-Lösung entfernt.

Zur Kontrolle der einzelnen Schritte bei der Bearbeitung der Lichtleiterfläche wurde ein Auflichtmikroskop mit Polarisation und Differentialinterferenzkontrast benutzt.

Anwendungsbeispiel:

Ein Lichtleiter der im Ausführungsbeispiel beschriebenen Art wurde verwendet, um Struktu­ ren der photoempfindlichen Oberflächenmembran des Ventralnervphotorezeptors des Pfeil­ schwanzkrebses Limulus polephemus zu er­ kennen. Dazu wurden an dem unverjüngten Ende des Lichtleiters als Lichtquelle Leuchtdio­ den angekoppelt. Ein kleiner Ausschnitt der Photorezeptormembran wurde so optisch gereizt. Die Intensität des entstandenen kleinen Lichtpunktes war dabei ungefähr 1400 × höher als die der verwendeten Leucht­ diodenanordnung.

Mit den als Lichtquelle verwendeten Leucht­ dioden ließen sich Lichtreize von extrem kurzer Pulsdauer erzeugen und verschieden­ ste Lichtreizprogramme über die ansteuernde Elektronik leicht bewerkstelligen.

Durch die Heranführung der Lichtleiter­ spitze bis an die Membran der Photorezeptorzelle gelangte kein Streulicht in die die Zelle umgebende physiologische Salzlösung, durch das der Ort der Erregung auf der Photore­ zeptormembran sonst "verwischt" worden wäre.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten des Licht­ leiters:

Kleinste Lichtquellen und -punkte werden überall dort gebraucht, wo kleinste Strukturen mit Lichtquellen erzeugt oder untersucht werden. Also in den verschiedensten Berei­ chen wie Photobiophysik, Photochemie, Halb­ leiterphysik, usw. Mit dem erfindungsgemäßen Lichtleiter kann man nicht nur kleinste Lichtpunkte mit verschiedensten Lichtquellen erzeugen, sondern auch unterschiedlichste Lichtquellen in ihrer Struktur mit µm-Auf­ lösung photometrisch ausmessen. Dazu ersetzt man die Lichtquelle durch ein Photonen­ nachweisgerät, z.B. Photodiode oder Photo­ multiplier, und kann so auf umgekehrtem Weg Photonen, die durch die Lichtleiter­ spitze in den Lichtleiter eindringen, am anderen Ende nachweisen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Herstellung eines Lichtleiters zur Erzeugung oder photometrischen Ausmessung kleinster Lichtpunkte, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstück eines aus einem hochbrechen­ den Stab aus optischem Glas mit einem niedrig brechenden Glasmantel bestehenden Lichtleit­ stabes unter Erhitzen auf einen Durchmesser im µm Bereich gezogen und möglichst an der am stärksten verjüngten Stelle durchge­ brochen wird, so daß zumindest ein Licht­ leitstab (1) mit sich verjüngendem Teilstück mit Mikrospitze entsteht, worauf das sich verjüngende Teilstück des Lichtleitstabes mit einem Metall beschichtet und die Mikro­ spitze geschliffen und poliert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das sich verjüngende Teilstück des Lichtleitstabes (1) durch Sputtern mit Metall beschichtet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das sich verjüngende Teilstück des Lichtleitstabes (1) zur Führung der Mikrospitze während des Schleifens und Polierens in eine hierfür geeignete, niedrig schmelzende Metallegierung (3) eingebettet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Polieren auf der Seite der Mikrospitze eine dünne Schicht der Metall­ legierung derart abgeätzt wird, daß die Mikrospitze etwas aus der Metalllegierung herausragt.

5. Lichtleiter zur Erzeugung oder photome­ trischen Ausmessung kleinster Lichtpunkte, bestehend aus einem hochbrechenden Stab aus optischem Glas mit einem niedrig bre­ chenden Glasmantel, gekennzeichnet durch ein sich verjüngendes Ende mit Mikrospitze.

6. Lichtleiter nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der sich verjüngende Teil des Lichtleiters eine Metallschicht (2) aufweist.

7. Lichtleiter nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Mikrospitze weniger als 5 µm beträgt.