DE4446185C2 - Vorrichtung zum Einkoppeln eines UV-Laserstrahls in ein konfokales Laser-Scanmikroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln eines UV-Laserstrahls in ein konfokales Laser-Scanmikroskop, mit einem UV-Laser und einer Einrichtung zum Parallelausrichten des UV-Laserstrahls auf den Strahlengang des Laser-Scan­ mikroskops, und mit einem zwischen dem UV-Laser und der Justiereinrichtung ange­ ordneten flexiblen Lichtleitfaserelement, das den UV-Laserstrahl zu dem Laser-Scan­ mikroskop leitet und dabei die Übertragung mechanischer Schwingungen des UV-Lasers auf das Laser-Scanmikroskop vermindert.

Aus dem Stand der Technik sind prinzipiell zwei unterschiedliche Möglichkeiten zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines Lasers in ein Laser-Scanmikroskop bekannt. Bei­ spielhaft sei hier auf die Offenlegungsschrift der internationalen Patentanmeldung WO 92/18850 und auf die Offenlegungsschrift der europäischen Patentanmeldung 0 592 089 hingewiesen. In beiden Druckschriften wird eine direkte Einkopplung des UV-Laser-Lichts über eine mechanisch starre Anordnung von optischen Bausteinen, wie Linsen, Filter, Lochblenden, etc. beschrieben. Infolge dieser Art der Einkopplung entstehen sehr große optisch-mechanisch zusammenhängende Systeme mit not­ wendigerweise langen Strahlengängen. Lange Strahlengänge wiederum führen zu Justierinstabilitäten des Systems. Ein großes Problem bei der Justierung solcher Sy­ steme stellen die durch die Kühlung bedingten Vibrationen des Lasers dar. Bei einer optisch-mechanischen Direkteinkopplung des Laser-Lichtstrahls in das Scan­ mikroskop werden die Vibrationen der Laserkühlung oftmals auf das Mikroskop übertragen, so daß Bildstörungen entstehen und eine dauerhafte Justierung erheb­ lich erschwert wird.

Alternativ zu einer Direkteinkopplung besteht die Möglichkeit der faseroptischen Lichteinkopplung, wie sie bspw. in der US 5 161 053 u. a. auch für die Ein­ kopplung von UV-Laserlicht beschrieben wird. Das Laserlicht wird über ein flexibles Lichtleitfaserelement in den Strahlengang des Mikroskops geleitet. Auf diese Weise läßt sich der Laser von dem Mikroskop quasi mechanisch entkoppeln, so daß die kühlungsbedingten Vibrationen des Lasers nicht auf das Mikroskop übertragen wer­ den, sondern von dem flexiblen Lichtleitfaserelement abgefangen werden. Außerdem können dadurch die Strahllängen des Systems erheblich verkürzt werden. Es sind bereits Lichtleitfasern für UV-Laserlicht auf dem Markt. Tests haben jedoch gezeigt, daß deren Transparenz bei Bestrahlung mit mehr als 10 mW bereits nach wenigen Stunden irreversibel auf weniger als 10% der ursprünglichen Transparenz zurück­ geht. Zurückzuführen ist dies vermutlich auf chemische bzw. photochemische Reaktionen zwischen der eigentlichen lichtleitenden Faser und deren Beschichtung, der sog. Coating. Aus diesem Grunde werden bislang UV-Laser in der Regel direkt in das Mikroskop eingekoppelt.

Die DD 2 16 323 A1 beschreibt einen elektromechanischen Licht-Chop­ per für vier verschiedene Wellenlängen, bei dem eine einzige rotierende Scheibe sowohl das Primärlicht als auch das zu messende Sekundärlicht herausfiltert. Im nachveröffentlichten "Hanbook of Biological Confocal Microscopy", 2. Edition, edited by J.B. Pawley, Plenum Press (1995), Kapitel 27, Seite 434 wird die zerstörerische Wirkung von UV-Strahlung auf Reflexionsbeschichtungen von Linsen und Spiegeln beschrieben.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, zugleich die Meßgenauigkeit und die Lebensdauer eines UV-Laser-Scanmikroskops zu erhöhen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einkoppeln eines UV-Laserstrahls in ein konfokales Laser-Scanmikroskop löst die voranstehende Aufgabe durch die Merk­ male des Patentanspruchs 1. Danach ist die eingangs genannte Vorrichtung derart ausgebildet, daß zwischen dem Ausgang des UV-Lasers und dem Eingang des Lichtleitfaserelements ein Strahlunterbrecher angebracht ist, der den UV-Laserstrahl zu dem Lichtleitfaserelement nur dann freigibt, wenn der UV-Laserstrahl für die Bild­ aufnahme tatsächlich auch benötigt wird und somit die UV-Belastung des Licht­ leitfaserelements herabsetzt.

Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, daß zur Minimierung des Justierauf­ wands die mechanische Entkopplung des Lasers vom Mikroskop erforderlich ist. Es ist ferner erkannt worden, daß Lichtleitfaserelemente, die sich für Licht anderer Wellenlängen bewährt haben, auch in Verbindung mit UV-Laserlicht das Mittel der Wahl sind. Davon ausgehend ist erkannt worden, daß die Verschlechterung der Transparenz einer Lichtleitfaser zum einen von der Bestrahlungsleistung und zum anderen von der Bestrahlungsdauer abhängt, so daß die Lebensdauer einer Licht­ leitfaser bzw. deren Brauchbarkeit zum Einkoppeln des UV-Laserlichts erheblich verlängert werden kann, wenn eine Bestrahlung der Lichtleitfaser nur während des Scannens, also zur Aufnahme von Bildern, erfolgt. Es ist nämlich auch erkannt wor­ den, daß eine Bestrahlung des Lichtleitfaserelements mit UV-Laserlicht bspw. wäh­ rend des Anlaufens des Lasers oder der Objekteinrichtung vor dem eigentlichen Ab­ bilden bzw. anderen Experimentvorbereitungszeiten oder zum Justieren der ge­ samten optischen Anordnung nicht erforderlich ist. Es ist schließlich erkannt worden, daß eine Bestrahlung des Lichtleitfaserelements auf einfache und vorteilhafte Weise mit Hilfe eines zwischen dem UV-Laser und dem Lichtleitfaserelement angeordneten Strahlunterbrechers abgestellt werden kann, der das Lichtleitfaserelement nur wäh­ rend des Scannens freigibt.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, einen solchen Strahlunterbrecher zu reali­ sieren. Der Strahlunterbrecher kann in Form einer mechanischen Blende oder Fahne realisiert sein, durch die der Lichtstrahl des UV-Lasers einfach ausblendbar ist. Dabei ist zu beachten, daß sich derartige mechanische Strahlunterbrecher relativ langsam schalten lassen. Die Schaltung kann bspw. elektromagnetisch angetrieben werden und automatisch mit dem Scannen synchronisiert werden. Der Strahlunterbrecher kann aber auch in vorteilhafter Weise durch elektro- und/oder magneto-optische Modulationsmittel gebildet sein, durch die der Lichtstrahl des UV-Lasers abgelenkt wird. Als derartige optische Schalter können bspw. Modulationsmittel in Form von schnellen Flüssigkristallen oder anderen optisch aktiven Komponenten eingesetzt werden, die computergesteuert geschaltet werden können und so ebenfalls zeitlich mit dem Scannen koordiniert werden können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die erfindungsgemäße Vorrichtung einen oder mehrere Filter umfassen, die zwischen dem UV-Laser und dem Strahlunterbre­ cher oder zwischen dem Strahlunterbrecher und dem Lichtleitfaserelement angeord­ net sind. Derartige Filteranordnungen werden zum Ausblenden von bestimmten Wellenlängenbereichen des Laserlichts eingesetzt. Die Notwendigkeit zur Verwen­ dung von Filteranordnungen ergibt sich in der Regel aus der Art der durchzuführen­ den Messungen und Meßobjekte. Wesentlich ist, daß bei der beanspruchten Anord­ nung der Filter im Strahlengang vor dem Lichtleitfaserelement auch die Filter vom Mikroskop mechanisch entkoppelt sind. Dies ist insbesondere bei Verwendung eines Filterrades vorteilhaft, das mehrere Filter umfaßt welche durch mechanische Bewe­ gung, nämlich Drehung des Rades, im Strahlengang positioniert werden. Die Dre­ hung des Filterrades ist genauso wie die Kühlung des UV-Lasers mit Vibrationen verbunden, die möglichst nicht auf das Mikroskop übertragen werden sollten.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines Single-Mode-Lichtleitfaser­ elements erwiesen, da sich dann das Licht im Laser-Scanmikroskop besonders gut fokussieren läßt. Zur besseren Energieübertragung vom UV-Laser zum Laser-Scan­ mikroskop sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vor­ richtung an einem Ende des Lichtleitfaserelements ein Lichteinkoppler und entspre­ chend am anderen Ende des Lichtleitfaserelements ein Lichtauskoppler angeordnet.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß der UV-Laserstrahl nur dann in die Lichtleitfaser gespeist wird, wenn er zur Bildauf­ nahme tatsächlich benötigt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Justie­ rung des UV-Lasedichtstrahls auf den Strahlengang des Laser-Scanmikroskops auch mit sichtbarem Licht vorgenommen werden kann. D.h., daß der UV-Laser zum Ju­ stieren nicht eingeschaltet sein muß, zumindest jedoch eine Bestrahlung des Lichtleitfaserelements mit UV-Laserlicht zum Justieren nicht erforderlich ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zur Justierung mit sichtbarem Licht ein optischer Baustein zwischen dem Lichtleitfaserelement und der eigentlichen Justiereinrichtung angeordnet, über den das aus dem Lichtleitfaserele­ ment austretende sichtbare Licht mit definiertem Strahlengang auf die Justier­ einrichtung geführt wird. In der Regel wird der optische Baustein zur Parallelisierung des aus dem Lichtleitfaserelement austretenden sichtbaren Lichts dienen. Es kann sich dabei in vorteilhafter Weise um eine Lochblenden-Optik mit einer Linse oder ei­ nem Linsensystem, einer sog. Pinhole-Optik, handeln. Möglich wäre auch der Einsatz einer Teleoptik zur Verkürzung des Strahlengangs. Der optische Baustein dient ledig­ lich zur Justierung mit sichtbarem Licht. Beim eigentlichen Scannen mit UV-Laserlicht spielt dieser optische Baustein keine Rolle. Er könnte daher nach dem Justieren aus dem Strahlengang der Meßanordnung entfernt werden, bspw. durch Herausschwen­ ken.

Auch die Justiereinrichtung kann auf unterschiedlichste Weise realisiert sein. Sie wird jedoch regelmäßig ein Ablenkungselement umfassen, wozu bspw. eine einstellbare Linse oder auch ein dichroitischer Strahlteiler oder Strahlvereiniger - je nach Meßan­ ordnung - dienen kann.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfol­ gende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbei­ spiels der Erfindung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.

Die einzige Figur zeigt in schematischer Darstellung einen möglichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines UV-Lasers in ein Laser-Scanmikroskop.

Die in der einzigen Figur dargestellte Vorrichtung dient zum Einkoppeln des Licht­ strahls eines UV-Lasers 1 in ein Laser-Scanmikroskop 2. Das Laser-Scanmikroskop 2 ist hier lediglich andeutungsweise durch einen sog. Scanspiegel 13 und ein Okular 14 dargestellt. Die Vorrichtung umfaßt eine Justiereinrichtung 3 zum Ausrichten des Laser-Lichtstrahls auf den Strahlengang des Laser-Scanmikroskops 2. Außerdem ist zwischen dem UV-Laser 1 und der Justiereinrichtung 3 ein flexibles Lichtleitfaserele­ ment 4 angeordnet. Aufgrund der Flexibilität des Lichtleitfaserelements 4 wird der La­ ser 1 quasi mechanisch vom Laser-Scanmikroskop 2 entkoppelt, so daß bspw. küh­ lungsbedingte Vibrationen des Lasers 1 nicht auf das Laser-Scanmikroskop 2 über­ tragen werden.

Erfindungsgemäß ist zwischen dem UV-Laser 1 und dem Lichtleitfaserelement 4 ein sog. Strahlunterbrecher 5 angeordnet, über den das Lichtleitfaserelement 4 nur wäh­ rend des Scannens, also zur Aufnahme von Bildern, für den Lichtstrahl des UV-La­ sers 1 freigebbar ist.

Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Strahlunterbrecher 5 in Form einer mechanischen Blende dargestellt, die den Laser-Lichtstrahl einfach vor dem Licht­ leitfaserelement 4 ausblendet. Diese Blende 5 wird vorzugsweise automatisch, syn­ chronisiert mit dem Scannen betätigt. Bei geöffnetem Strahlunterbrecher 5 fällt der Laserlichtstrahl auf einen am Ende des Lichtleitfaserelements 4 angeordneten Licht­ einkoppler 6. Entsprechend ist am anderen Ende des Lichtleitfaserelements 4 ein Lichtauskoppler 7 angeordnet. Das Lichtleitfaserelement 4 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Single-Mode-Lichtleitfaser.

Zwischen dem Lichtleitfaserelement 4 bzw. dem Lichtauskoppler 7 und der Justier­ einrichtung 3 ist ein optischer Baustein 8 angeordnet, der zur Justierung des aus dem Lichtleitfaserelement 4 austretenden Laser-Lichtstrahls dient. Die Justierung erfolgt allerdings nicht mit dem Laser-Lichtstrahl selbst, sondern bei - mit Hilfe des Strahl­ unterbrechers 5 - ausgeblendetem Laser-Lichtstrahl mit Hilfe von sichtbarem Licht, das aus dem Lichtleitfaserelement 4 austritt. Der optische Baustein 8 dient dazu, die­ ses sichtbare Licht zu parallelisieren. Dazu umfaßt der optische Baustein 8 eine Lochblendenoptik mit einer Lochblende 9 und zwei Linsen 10 und 11, die jeweils im Strahlengang vor und hinter der Lochblende 9 angeordnet sind. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner ein Umlenkspiegel 12 vorgesehen, der sich jedoch nicht auf die Funktion der Lochblendenoptik auswirkt. Mit Hilfe der Lochblendenoptik wird der Strahlengang des aus dem Lichtleitfaserelement 4 austretenden sichtbaren Lichts entsprechend dem zu erwartenden Strahlengang des Laser-Lichtstrahls aus­ gerichtet. Auf diese Weise ist eine Justierung der Gesamtanordnung für das UV-La­ serlicht unter Zuhilfenahme von sichtbarem Licht möglich.

Als Justiereinrichtung 3 dient in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein dichroitischer Strahlteiler bzw. Strahlvereiniger. Der Laserstrahl wird über den Scan­ spiegel 13, durch das Okular 14, durch die Tubuslinse 15 und das Objektiv 16 auf das Objekt 17 gelenkt. Der vom Objekt 17 zurücklaufende Lichtstrahl wird in zwei Teilstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge aufgeteilt. Diese Teilstrahlen werden in unterschiedliche Richtung gelenkt.

Der nicht abgelenkte Teil des vom Objekt 17 kommenden Lichtstrahls (Fluoreszenzlicht oder Reflexionslicht) wird über eine Pinhole-Optik 18 dem konfo­ kalen Detektor 19 zugeführt.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrich­ tung zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines UV-Lasers in ein Laser-Scanmikroskop, die in der einzigen Figur nicht dargestellt sind, wird auf den allgemeinen Teil der Be­ schreibung verwiesen.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Lehre nicht auf das voranstehend erörterte Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Die erfindungs­ gemäße Lehre läßt sich vielmehr auch bei Verwendung von konstruktiv andersartigen Strahlunterbrechern und einer anderen optischen Anordnung für das Justieren mit sichtbarem Licht realisieren.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Einkoppeln eines UV-Laserstrahls in ein konfokales Laser-Scanmikroskop,

• - mit einem UV-Laser (1) und einer Einrichtung (3, 8) zum Parallelausrichten des UV-Laserstrahls auf den Strahlengang des Laser-Scanmikroskops (2),
• - und mit einem zwischen dem UV-Laser (1) und der Justiereinrichtung (3) an­ geordneten flexiblen Lichtleitfaserelement (4), das den UV-Laserstrahl zu dem Laser-Scan­ mikroskop (2) leitet und dabei die Übertragung mechanischer Schwingungen des UV-Lasers (1) auf das Laser-Scanmikroskop (2) vermindert,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß zwischen dem Ausgang des UV-Lasers (1) und dem Eingang des Licht­ leitfaserelements (4) ein Strahlunterbrecher (5) angebracht ist,
• - der den UV-Laserstrahl zu dem Lichtleitfaserelement (4) nur dann freigibt, wenn der UV-Laserstrahl für die Bildaufnahme tatsächlich auch benötigt wird und somit die UV-Belastung des Lichtleitfaserelements (4) herabsetzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlunterbre­ cher (5) als eine den UV-Laserstrahl ausblendende mechanische Blende oder als ein den UV-Laserstrahl ablenkender elektro- und/oder magneto-optischer Modulator ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem UV-Laser (1) und dem Strahlunterbrecher (5) eine Filteranordnung zum Einstel­ len eines gewünschten Wellenlängenbereichs eingebracht ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Lichtleitfaserelement (4) als Single-Mode-Lichtleitfaser aus­ gebildet ist und/oder einen Lichteinkoppler (6) sowie einen Lichtauskoppler (7) auf­ weist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Einrichtung (3, 8) zum Parallelausrichten des UV-Laserstrahls auf den Strahlengang des Laser-Scanmikroskops (2) eine Justiereinrichtung (8) auf­ weist, die mit sichtbarem Licht justierbar und nach dem Justiervorgang aus dem Strahlengang des Laser-Scanmikroskops (2) entfernbar ist.