DE3704338C2 - Einrichtung zur Erzeugung verschiedener Laserwellenlängen aus demselben Lasermedium - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Erzeugung ver­ schiedener Laserwellenlängen nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Bisher erfolgt der Wechsel zwischen verschiedenen Laserwel­ lenlängen aus einem Lasermedium (z. B. Ar⁺-, Kra⁺-, Nd:YAG- Laser) durch Auswechseln der Resonatorspiegel bzw. durch Einfügen frequenzselektiver Elemente in den Laserresonator (z. B. Dye-Laser). Als frequenzselektive Elemente in diesem Sinne sind beispielhaft zu nennen Prismen oder doppelbre­ chende Filter (Lyot-Filter), Fabry-Perot-Filter oder Gas­ druckzellen. Der gewünschte Effekt wird durch Verkippen oder Verdrehen der Bauelemente bzw. durch Veränderung des Gas­ druckes erreicht.

Limitierend für den durch diese genannten Elemente erzielba­ ren Durchstimmbereich sind die spektralen Breiten der durch die Resonatorspiegelbeschichtungen ermöglichten Laseremis­ sionsbedingungen. Sind die Erfordernisse des Anwenders nicht durch das Standardangebot von Resonatorspiegeln zu erfüllen, ist eine kosten- und zeitaufwendige Entwicklung von speziel­ len Resonatorspiegelbeschichtungen notwendig. Die erreich­ bare Geschwindigkeit eines Umschalters zwischen verschiede­ nen Laserwellenlängen wird durch die relativ großen erfor­ derlichen mechanischen Stellwege begrenzt. Bei der Verwen­ dung frequenzselektiver intra-cavity-Elemente kann anderer­ seits immer nur ein sehr schmaler Spektralbereich zu einer bestimmten Zeit zur Emission gebracht werden. Eine Lichtin­ tensitätssteuerung und -regelung erfolgt üblicherweise durch Veränderung der Pumpleistung oder zusätzliche intra-cavity- Elemente (z. B. Irisblende). Eine Lichtintensitätsregelung ist zwar mit diesen Methoden durchführbar, erfordert aber zusätzlichen technischen Aufwand oder ist nur in engen Gren­ zen und/oder mit geringer Regelgeschwindigkeit möglich (Spectra-Physics, USA; Instruction Manual 171 Ion Laser (C/171 9/77)).

Eine Vorrichtung der gattungsgemäßen Art ist aus der DE 33 01 092 A1 bekannt.

Aus "Laser Spectroscopy", W. Demtröder, Springer Verlag (1981) Seiten 303 und 304 ist die Verwendung von Pockelzellen für die Regelung der Laserintensität bekannt.

Desweiteren ist aus W. Koechner: "Solid-State Laser Engineering", Springer Verlag, New York, Heidelberg, Berlin, 1976, Seiten 411-413 die Verwendung von Pockelzellen als reine Intracavity-Elemente bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einrichtung der e. g. Art derart auszubilden, daß eine beliebige vorgebbare Kombination von Laserwellenlängen simultan oder mindestens sehr schnell (Umschaltzeit 1 ms) wechselbar und lichtin­ tensitätsgeregelt zur Emission gebracht werden kann.

Die Lösung ist in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspru­ ches 1 beschrieben.

Der weitere Anspruch stellt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung dar.

Bei der Erfindung ist demnach vorgesehen, daß mehrere Reso­ natorspiegel in linearer Anordnung justiert und die Resona­ torstrecken außerhalb des Lasermediums für verschiedene Laserwellenlängen entkoppelt werden, wobei durch elektrome­ chanische Justage in einem geschlossenen Regelkreis die Lichtintensität der verschiedenen Laserwellenlängen getrennt auf Sollwerte geregelt werden kann.

Als wesentlich für die erfindungsgemäße Einrichtung werden folgende Punkte angesehen:

• - Kombination von mehr als zwei Standard-Resonatorspiegeln in linearer Anordnung,
• - spektrale Verteilung der emittierten Laserwellenlängen breiter als bei Verwendung von nur zwei Resonatorspiegeln,
• - hohe Schalt- und Regelfrequenz durch kurze Stellwege bzw. Einsatz nicht mechanisch arbeitender Elemente,
• - Umschaltung und Lichtintensitätsregelung mehrerer im Prin­ zip beliebiger Laserwellenlängen (-gruppen) aus einem Lasermedium.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbe­ sondere darin, daß durch Kombination standardgemäßer Resona­ torspiegel ohne aufwendige Neuentwicklung von Resonatorspie­ gelbeschichtungen die Emission zusätzlicher Laserwellenlän­ gen (-gruppen) möglich wird. Da dieses Ziel ohne Verwendung mehrerer Lasermedien erreicht wird, bleibt der apparative Aufwand im Vergleich zu Systemen, die beispielsweise mit mehreren Farbstofflasern arbeiten, gering. Des weiteren kann nicht nur zwischen beliebigen einzelnen Laserwellenlängen, sondern auch zwischen Laserwellenlängengruppen umgeschaltet werden und dies darüber hinaus mit größerer Geschwindigkeit als bisher und mit in weitem Bereich auch extern steuerbarer Frequenz. Die Erfindung ermöglicht außerdem die Anwendung einer einfachen Art der Lichtintensitätsregelung und Rausch­ unterdrückung in einem geschlossenen Regelkreis, sowie eine gepulste oder beliebig intensitätsmodulierte Laserlicht­ emission. Alle dargelegten Funktionen sind darüber hinaus von gebräuchlichen Laborrechnern ohne großen zusätzlichen Aufwand ansteuerbar. Damit wird eine Integration des modifi­ zierten Lasersystems in nachgeschaltete Experimente möglich (z. B. Fluoreszenz-Diagnose). Durch die bereits genannten erzielbaren Vorteile ergibt sich die Möglichkeit, durch geringfügige Modifikation in den Standard-Resonatorspiegel­ sätzen und serienmäßigen Einbau der der Erfindung zugrunde­ liegenden Einrichtung, die Anwenderforderungen hinsichtlich Verwendung mehrfarbiger oder laserwellenlängenumschaltbarer und lichtintensitätsregelbarer Lasersysteme wesentlich um­ fassender und kostengünstiger als bisher möglich zu erfül­ len.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei­ spielen mittels der Fig. 3-4 näher erläutert, wobei die Figuren den schematischen Aufbau optischer bzw. mechano- elektro-optischer Einrichtungen darstellen.

Die Fig. 1 und 2 betreffen bsp. des Laserresonators lediglich den Stand der Technik und deren der Erläuterung der grundlegenden Eigenschaften von Mehrwellen-Laserresonatoren.

Durch die in Fig. 1 bespielhaft gezeigte lineare Anordnung von vier Resonatorspiegeln 1-4 kann erreicht werden, daß die Laseremissionsbedingungen für mehrere λ₁, λ₂ oder alle Laserwellenlängen der sonst nur wahlweise möglichen Laser­ wellenlängen aus dem Lasermedium 7 durch die Resonatorspie­ gelkombination 1 und 3 bzw. 2 und 4 gleichzeitig erfüllt werden. Die Bedingung hierfür ist ggf. lediglich die Ent­ spiegelung der rückseitigen (mit Pfeil gekennzeichneten) Oberflächen 5, 6 der Resonatorspiegel 2 und 3, die in diesem Beispiel jeweils Resonatorbegrenzung für eine mögliche La­ serwellenlängen (-gruppen) λ₁ bzw. λ₂ darstellen, während sie für die jeweils andere Laserwellenlänge (-gruppe) ein intra-cavity-Element darstellen und deshalb möglichst gerin­ ge Verluste für diese Wellenlängen aufweisen sollten.

Strichliert hervorgehoben ist in Fig. 1 jeweils nur der resonatorinterne Bereich für die beiden Laserwellenlängen (-gruppen λ₁, λ₂). Durch die Wahl der Positionierung der für eine Lichtemission aus dem jeweiligen Resonator heraus benö­ tigten teildurchlässigen Resonatorspiegel 5, 6 können die beiden Laserwellenlängen (-gruppen) am gleichen oder an den gegenüberliegenden Enden der Gesamtanordnung austreten. Zwecks Justierbarkeit werden die Resonatorspiegel 1-4 zweckmäßigerweise auf unabhängig voneinander feinjustierbare x/y-Justierfassungen (nicht dargestellt) montiert.

Durch Einfügen weiterer Resonatorspiegel in die Anordnung können weitere Laserwellenlängen (-gruppen) zur Emission gebracht werden. Durch Wahl oder Anfertigung geeigneter Resonatorspiegelbeschichtungen können auch zwei oder mehrere der Resonatorspiegel durch einen einzigen Resonatorspiegel ersetzt werden.

Die Aufgabe des Umschaltens und Lichtintensitätsregelns kann prinzipiell auf verschiedene Art und Weise gelöst werden.

Das Prinzip ist anhand der in Fig. 2 dargestellten Anordnung für zwei Laserwellenlängen (-gruppen) mit Piezotranslatoren 8, 9 beispielhaft erläutert:
Alle Resonatorspiegel 1-4 sind wieder in unabhängig von­ einander feinjustierbaren x/y-Verstelleinheiten montiert, die horizontalen (oder vertikalen) Verkippungen der Resona­ torspiegel 1 und 4 zusätzlich mit Piezotranslatoren 8, 9 elektromechanisch ansteuerbar. Spiegel 1 und 2 sind bei­ spielsweise auf der linken Seite des Lasermediums 7 angeord­ net; die Laserwellenlänge λ₂ kann die Gesamtanordnung eben­ falls auf dieser Seite verlassen.

Über einen Teilerspiegel 10 wird ein geringer Prozentsatz als Teilstrahl 11 der ausgekoppelten Lichtintensität auf einen Photodetektor 12 gelenkt. Das vom Photodetektor 12 erzeugte elektrische Signal 13 dient als Ist-Wert für die Regelelektronik 14.

Die auskoppelbare Laser-Lichtintensität 11 hängt von der Güte des optischen Resonators, in dem sich das Lasermedium 7 befindet, ab. Die Güte des optischen Resonators hängt auch unter anderem von der Parallelität der Resonatorspiegel 1-4 ab und kann durch eine gezielte Dejustage der Resonator­ spiegel aus der Optimalstellung auf jeden Wert zwischen Null und Maximum eingestellt werden.

Der Ist-Wert 13 vom Photodetektor 12 wird nun mit einem intern oder extern vorgegebenen und veränderbaren Soll-Wert verglichen und die Ansteuerungen 15, 16 der Piezotranslato­ ren 8, 9 so angesteuert, daß eine Veränderung des Kippwin­ kels der mit den Piezotranslatoren 8, 9 verbundenen Resona­ torspiegel 1 bzw. 4 zu einer Veränderung der emittierten Lichtintensität führt, derart, daß die Regelabweichung mini­ miert wird.

Durch interne oder externe Schaltimpulse wird zwischen den beiden Ansteuerungen 15 und 16 umgeschaltet. Der Resonator­ spiegel, der jeweils nicht zur Emission beitragen soll, wird in eine Position gebracht (stark dejustiert), die keine Laserlichtemission zuläßt, während die Regelung auf Soll- Wert für die andere Laserwellenlänge jeweils mit der anderen Ansteuerung erfolgt.

Auch diese Einrichtung ist durch Hinzufügen weiterer piezo­ translatorenangesteuerter Resonatorspiegel auf weitere Laserwellenlängen (-gruppen) ausdehnbar. Wieder können ggf. zwei oder mehrere Einzel-Resonatorspiegel durch einen geeig­ net beschichteten Resonatorspiegel ersetzt werden.

Neben dem in Fig. 2 geschilderten Beispiel einer Güteverän­ derung des optischen Resonators mittels Piezoelement-ge­ steuerter Resonatorspiegel sind folgende, in den Fig. 3-4 dargestellte Varianten für die Erfindung von Bedeutung:

Die Fig. 3 zeigt eine Anordnung, bei der das Umschalten und Regeln mit zwei verlustarmen Lichtmodulatoren aus jeweils einer Pockelzelle 22, 23 mit Polarisatoren 24, 25 im entkop­ pelten Teil der Resonatorstrecke erfolgt. Kann auf eine Lichtintensitätsregelung (über Reglereinheit 26) zumindest einer Laserwellenlänge verzichtet werden, können die Licht­ modulatoren 22-25 auch durch ein in den Strahlengang kippbares Glasplättchen bzw. Graufilter anstelle Pockelzelle 22 und eine verschließbare Blende oder ähnliches anstelle Pockelzelle 23 ersetzt werden. Der Vorteil besteht darin, daß keine mechanischen Schalt- und Regelwege bei Verwendung der Pockelzellen 22, 23 notwendig werden, während der Nach­ teil bleibt, daß viele intra-cavity-Elemente bei Verwendung der Pockelzellen vorliegen und mindestens eine Laserwellen­ länge nicht lichtintensitätsregelbar bei der einfachen Va­ riante ist.

Die Fig. 4 zeigt eine Möglichkeit, wie durch Verwendung von Lichtmodulatoren, wie die Kombinationen Pockelzelle 22 bzw. 24 zu Polarisator 23 bzw. 25 gemäß Fig. 3, auf einfache Art und Weise ein Umschalten verschiedener Laserwellenlängen λ₁-λ₃ möglich ist, wenn diese sich durch ihren Verstärkungs­ faktor im Lasermedium 7 unterscheiden. Die Resonatorspiegel 1-4 werden dann so angeordnet, daß der Resonatorspiegel (z. B. 2) mit der Beschichtung für die schwächste Laserwel­ lenlänge innen, der (z. B. 4) mit der Beschichtung für die stärkste Laserwellenlänge außen sitzt.

Bei entsprechender Synchronisierung können die aufgeführten Steuerungen mit den Reglereinheiten 14-16, 26, 27 auch für quasi-kontinuierliche Laser eingesetzt werden, die Impuls­ züge emittieren, z. B. Kupfer-Dampflaser. Die Umschaltung auf verschiedene Wellenlängen kann sogar bei Einzelimpulsla­ sern jeweils von Impuls zu Impuls erfolgen. Ein weiteres mögliches Anwendungsgebiet liegt auf dem Gebiet der Krimina­ listik mit laserinduzierten Fluoreszenzuntersuchungen von Fingerabdrücken, Fasern, Farben, Dokumenten, Bildern und Gemälden.

Im folgenden ist ein Anwendungsbeispiel, die hämatoporphy­ rinderivat-unterstützte Fluoreszenzdiagnose mit zwei Wellen­ längen-Anregung aufgeführt. Hierbei wird von der in Fig. 2 dargestellten Anordnung ausgegangen. Die dort bezeichneten Komponenten sind folgendermaßen spezifiziert:
v = violett = 406.7 nm + 413.1 nm + 415.4 nm
b = blau = 468.0 nm + 476.2 nm + 482.5 nm

Durch ausnahmslose Verwendung von standardmäßigen Resonator­ spiegeln werden die theoretisch optimalen Werte nicht er­ reicht und wäre die Entkopplung der Resonatorstrecken nicht vollständig. Etwa optimal wären folgende Refl. (%):

Das Lasermedium 7 ist Krypton (Coherent Krypton Ion Laser CR 3000 Innova); der Auskoppelspiegel 10 ein einfaches Glasplättchen. Ein verschiebbarer Graukeil (nicht darge­ stellt) vor der Photodiode 12 ermöglicht eine Anpassung der Lichtintensität von Teilstrahl 11 auf die Empfindlichkeit der Photodiode. Das elektrische Signal 13 wird im Gehäuse der Einheit 14 zunächst einem Meßverstärker zugeführt. Die so aufbereitete "Lichtintensität" wird mit einer potentiome­ tereinstellbaren Sollwertspannung verglichen und mittels PID-Reglerstufen (in Operationsverstärkerbauweise) ein Re­ gelsignal erzeugt. Dieses Regelsignal steuert die Piezotrei­ ber 15, 16 (Burleigh PZ 150 amplifier, 0-10 V → 0-150 V) an und zwar derart, daß die von den Piezoelementen (Bur­ leigh PZO 030, Hub 30 µm) schließlich ausgeführte Verände­ rung der Parallelstellung der betroffenen Resonatorspiegel die Lichtintensität so ändert, daß der Unterschied zwischen meßverstärktem Signal 13 und Sollwertspannung kleiner wird.

Elektronische Schalter sorgen für Umschaltung der Regelwege zwischen den beiden Piezotreibern und korrespondierenden Sollwertgebern. Weitere Schaltungselemente ermöglichen einen "Suchlauf" (= sägezahnartiges Scannen über den gesamten Auslenkungsbereich) bei noch nicht gegebener (Einschalten) oder durch starke Störungen verlorengegangener Lichtemis­ sion. Umschaltsignal und Sollwertspannung können auch extern vorgegeben werden. Im Anwendungsfall geschieht dies über einen Computer angeschlossene digitale und analoge Ausgabe­ boards (Eltec: E3-221 (Motorola MC68010), APAL-1, ADDA-1). Synchron mit den vom Computer generierten Lasereinstellungs­ werten wird eine Bildverstärkerkamera zur ortsaufgelösten Fluoreszenzdetektion angesteuert und das von der Kamera erzeugte Videosignal digital gespeichert (256 × 256 Pixel mit je 7 bzw. 8 bit Grauwerttiefe). Anschließend erfolgt Wellenlängenumschaltung und Speicherung des nun mit der ande­ ren Wellenlänge angeregten Fluoreszenzbildes. Zur Darstel­ lung kommt ein Differenzbild, das die Verteilung derjenigen Substanzen (hier des Tumormarkers Hämatoporphyrin-Derivat) am kontrastreichsten widerspiegelt, deren Fluoreszenzanre­ gungsstärken sich bei den beiden Anregungswellenlängen am stärksten voneinander unterscheiden.

Weitere bisher erreichte Spezifikationen des Zweiwellenlängen Lasersystems sind:

Insbesondere für die Ausgangsleistung im blauen Spektralbe­ reich sind noch Reserven vorhanden durch Einsatz eines im Blauen hochreflektierenden Resonatorspiegels anstelle von Resonatorspiegel 3 und eines höher reflektierenden Spiegels anstelle von Resonatorspiegel 1.

Claims (2)

1. Einrichtung zur Erzeugung verschiedener Laserwellenlängen aus demselben Lasermedium unter Verwendung einer linearen Anordnung von Resonatorspiegeln außerhalb des Lasermediums, wobei ein Teil der Resonatorspiegel derart ausgebildet ist, daß sie für eine bestimmte Laserwellenlänge oder -gruppe als Resonatorbegrenzung dienen, der andere Teil jedoch für die jeweils andere(n) Wellenlänge(n) oder -gruppe(n) allen­ falls ein intra-cavity-Element darstellen, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Umschaltung und/oder Intensitätsregelung der Laserwellenlänge oder -gruppe (λ₁-λ₃) mittels Ver­ wendung zweier Pockelzellen (22, 23) mit Polarisatoren (24, 25) durchgeführt wird, wobei mindestens eine Pockelzelle (23) mit Polarisator (25) in einem nicht gemeinsamen Teil der beiden sich über­ lappenden Laserresonatoren angeordnet sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstrahl einer Laserstrahlung auskoppelbar und zur Regelung der emittierten Lichtintensität ausnutzbar ist.