LU93062B1 - Vorrichtung und Verfahren zur Vereinigung von Lichstrahlen - Google Patents

Abstract

Im Hinblick auf eine sichere Vereinigung von Lichtstrahlen (1, 2) auch bei Licht- 5 strahlen (1,2) aus großen und überlappenden Wellenlängenbereichen mit konstruktiv einfachen Mitteln ist eine Vorrichtung zur Vereinigung von Lichtstrahlen (1, 2) bereitgestellt, wobei ein erster Lichtstrahl (1) mit Licht einer ersten Wellenlänge und ein zweiter Lichtstrahl (2) mit Licht einer zweiten Wellenlänge mittels eines optischen Bauteils zu einem vereinigten Lichtstrahl (3) zusammengeführt werden. Die 10 Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauteil ein doppelbre- chendes Polarisationsprisma (4) ist. Des Weiteren ist ein entsprechendes Verfahren zur Vereinigung von Lichtstrahlen (1, 2) angegeben.

Description

Beschreibung

Titel: Vorrichtung und Verfahren zur Vereinigung von Lichtstrahlen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vereinigung von Lichtstrahlen, wobei ein erster Lichtstrahl mit Licht einer ersten Wellenlänge und ein zweiter Lichtstrahl mit Licht einer zweiten Wellenlänge mittels eines optischen Bauteils zu einem vereinigten Lichtstrahl zusammengeführt werden.

Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind aus der Praxis bekannt und existieren in unterschiedlichen Ausführungsformen. Die bekannten Vorrichtungen werden bei unterschiedlichen optischen Anordnungen wie beispielsweise Mikroskopanordn-ungen eingesetzt, bei denen Lichtstrahlen mit definierten Wellenlängen zu einer zu untersuchenden Probe geführt werden. Häufig handelt es sich hierbei um Lichtstrahlen von Laserquellen, beispielsweise um Infrarot-Laserstrahlung. Dabei kann Licht von verschiedenen Laserquellen zusammengeführt werden, wobei die Laserquellen häufig über einen großen Wellenlängenbereich, beispielsweise 680 nm bis 1.300 nm, durchgestimmt beziehungsweise definiert werden können. Hierbei kommen häufig so genannte Ultrakurzpuls-Laser zum Einsatz, die ggf. durchstimmbare und ggf. zumindest teilweise überlappende Wellenlängenbereiche aufweisen können.

Bei den bekannten Vorrichtungen werden als optische Bauteile beispielsweise wel-lenlängenabhängige Strahlteiler oder Polarisationsteilerwürfel bzw. Polarisationsstrahlteiler eingesetzt. Dabei sind sowohl beim Strahlteiler als auch beim Polarisationsteilerwürfel bzw. Polarisationsstrahlteiler die verwendbaren Wellenlängenbereiche der Laser eingeschränkt. Mit einem wellenlängenabhängigen Strahlteiler können nur unterschiedliche Wellenlängen vereinigt werden, wobei die Wellenlängenbereiche einzelner Laser klar voneinander separiert sein müssen. Eine Überlappung von Wellenlängenbereichen der Laser kann mit einem Strahlteiler konstruktionsbedingt nur sehr eingeschränkt verarbeitet werden. Bei Polarisations-teilerwürfeln bzw. Polarisationsstrahlteilern hingegen sind keine jeweiligen großen Wellenlängenbereiche verarbeitbar. Beispielsweise sind solche Polarisationsteilerwürfel bzw. Polarisationstrahlteiler für große Wellenlängenbereiche von 680 nm bis 1.300 nm nicht mit gutem Polarisationsauslöschungsverhältnis und geringem

Chirp baubar, wobei diesbezüglich bedeutsam ist, dass heutzutage häufig benötigte und eingesetzte Ultrakurzpulse des Lichts nach einem Durchgang durch ein optisches Bauteil keine zu große Pulsverbreiterung - Chirp - erleiden sollen. Es ist in diesem Sinne grundsätzlich wünschenswert, eine so genannte Chirp-Kompensation in nur möglichst geringem Umfang erforderlich zu machen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der zuvor genannten Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine sichere Vereinigung von Lichtstrahlen auch bei Lichtstrahlen aus großen und überlappenden Wellenlängenbereichen mit konstruktiv einfachen Mitteln ermöglicht ist.

Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelost. Danach wird als optisches Bauteil ein doppelbrechendes Polari-sationsprisma verwendet.

In erfindungsgemäßer Weise ist zunâchst erkannt worden, dass eine sichere Vereinigung oder Zusammenführung von Lichtstrahlen nicht nur mit üblichen Strahlteilern oder Polarisationsteilerwürfeln bzw. Polarisationsstrahlteiler realisierbar ist. In weiter erfindungsgemäßer Weise ist dann erkannt worden, dass zur überraschend einfachen Lösung der voranstehenden Aufgabe ein doppelbrechendes Polarisationsprisma als vereinigendes optisches Bauteil eingesetzt werden kann. Derartige doppelbrechende Polarisationsprismen werden bislang lediglich als Polarisationsfilter mit hohem Löschungsvermögen verwendet. Derartige Polarisationsprismen auch - in hinsichtlich der Strahlrichtung quasi umgekehrter Weise - zur Strahlvereinigung zu verwenden, bildet eine elegante Lösung der voranstehenden Aufgabe. Man kann mit einem doppelbrechenden Polarisationsprisma zwei Laserstrahlen an diesem Polarisationsprisma sicher vereinigen, wobei jeweils ein voller Wellenlängenbereich einer Lichtquelle ohne Einschränkung genutzt werden kann. Dabei können die Lichtstrahlen auch dieselbe Wellenlänge aufweisen.

Folglich sind mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Vorrichtung und ein Verfahren angegeben, wonach eine sichere

Vereinigung von Lichtstrahlen auch bei Lichtstrahlen aus großen und überlappenden Wellenlängenbereichen mit konstruktiv einfachen Mitteln ermöglicht ist. Dabei können beispielsweise Lichtstrahlen breitbandiger Laserquellen mit überlappenden Wellenlängenbereichen hochflexibel eingesetzt werden. Neben einer hohen Vielfalt der Anwendungen ist auch gleichzeitig eine Redundanz der Lichtquellen gegeben, wobei bei einem Ausfall einer Lichtquelle die zweite Lichtquelle einen Lichtstrahl gewünschter Wellenlänge bereitstellen kann. Es können also nicht nur gleichzeitig Lichtstrahlen unterschiedlicher oder gleicher Wellenlänge bereitgestellt werden, sondern auch abwechselnd oder individuel! Lichtstrahlen aus einer der bereitgestellten Lichtquellen.

Bei herkömmlichen doppelbrechenden Polarisationsprismen sind die Ein-, Austritts-und Innenflächen eben poliert und die Ein- und Austrittsfläche senkrecht zum vorgegebenen Strahlengang orientiert. Dabei ist eine seitliche Austrittsfläche für einen „Abfallstrahl“ zwar poliert, aber nicht eben ausgebildet und auch nicht senkrecht zum austretenden Strahl orientiert, da ja nur der „Abfallstrahl“ durch die seitliche Austrittsfläche austritt. Für eine besonders sichere Strahlvereinigung ist es hingegen von Bedeutung, dass - bei dem erfindungsgemäßen quasi umgekehrten Betrieb des Polarisationsprismas - beide eintretenden Lichtstrahlen zur Vermeidung von Disper-sionseffekten senkrecht zu den Eintrittsflächen in das Polarisationsprisma eintreten. Folglich können zwei für die beiden Lichtstrahlen jeweils bereitgestellte Eintrittsflä-chen des Polarisationsprismas derart relativ zueinander orientiert sein, dass die Lichtstrahlen vor ihrer Vereinigung jeweils senkrecht zu den Eintrittsflächen in das Polarisationsprisma eintreten und anschließend im vereinigten Zustand senkrecht zu einer Austrittsfläche des Polarisationsprismas aus diesem austreten. Hierdurch werden Dispersionseffekte wirksam vermieden oder zumindest weitgehend unter-drückt. lm Gegensatz zu einem herkömmlichen doppelbrechenden Polarisationsprisma, bei dem der „Abfallstrahl“ nicht senkrecht zu seiner Austrittsfläche aus dem Polarisationsprisma austritt, kann hierfür die entsprechende Eintrittsfläche für einen der beiden Lichtstrahlen - von der üblichen regelmäßigen Würfelform abweichend -geneigt bereitgestellt und/oder poliert werden, so dass beide Lichtstrahlen senkrecht zu ihren Eintrittsflächen in das Polarisationsprisma eintreten können und die anschlie-ßende Vereinigung oder Zusammenführung der Lichtstrahlen sicher gewöhrleistet ist.

Bei einem Ausführungsbeispiel können die beiden Eintrittsflächen für die Lichtstrahlen in einem Winkel (beispielsweise 78 Grad) zueinander geneigt sein, der dem doppetten eines Winkels entspricht, der zwischen den beiden Grenzwinkeln der Totalreflexion der verschiedenen Polarisationsrichtungen liegt. In vorteiihafter Weise liegt der Winkel zwischen den beiden Grenzwinkeln der Totalreflexion, die sich aus den beiden Brechzahlen des doppelbrechenden Materials bei der mittleren verwendeten Wellenlänge ergeben, und in besonders vorteiihafter Weise mittig zwischen diesen beiden Grenzwinkeln der Totalreflexion, und in ganz besonders vorteiihafter Weise liegt der halbe Winkel zwischen den beiden Eintrittsflächen mittig zwischen dem größten und dem kleinsten Grenzwinkel der Totalreflexion des verwendeten doppelbrechenden Materials, die sich jeweils bei Variation von Polarisation und verwendeten Wellenlängen finden. Sämtliche vorangehend genannten Winkel be-ziehen sich auf die jeweiligen Flächennormalen.

Bei einem weiteren konkreten Ausführungsbeispiel kann das Polarisationsprisma zwei durch einen Spalt oder Luftspalt voneinander separierte Prismenteile aufweisen. Dabei erfährt der eine der beiden in das Polarisationsprisma eintretenden Lichtstrahlen beim Durchgang durch den Spalt keine wesentliche Richtungsablen-kung, wohingegen der andere der beiden Lichtstrahlen an einer Grenzfläche des Spalts im Wesentlichen total reflektiert wird, wobei dieser andere Lichtstrahl in die Strahlrichtung des ersten Lichtstrahls reflektiert wird, um die Vereinigung der beiden Lichtstrahlen zu gewöhrleisten. Der Spalt oder Luftspalt zwischen den Prismenteilen liefert Grenzflächen zu einem optisch dünneren Medium.

Ganz konkret kann es sich bei dem Polarisationsprisma um ein Glan-Prisma, ein Glan-Taylor-Prisma oder um ein Glan-Foucault-Prisma handeln. Das Polarisationsprisma ist ein Polarisationsprisma für hohe Leistung.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung oder des Verfahrens kann im Strahlengang nach dem Polarisationsprisma eine Blende zum Ausblenden von Ne-benstrahlen angeordnet sein. Bei der Strahlvereinigung mittels des Polarisations-prismas treten üblicherweise unerwünschte Nebenstrahlen auf, die mittels einer nach dem Polarisationsprisma angeordneten Blende - z.B. Spalt- oder Lochblende - auf einfache Weise ausgeblendet werden können. Folglich kann ein vereinigter Lichtstrahl auf besonders sichere Weise bereitgestellt werden. lm Hinblick auf eine besonders sichere Strahlvereinigung kann im Strahlengang mindestens eines Lichtstrahls vor dem Polarisationsprisma eine λ/2-Verzögerungs-platte zur Einstellung der Polarisationsrichtung angeordnet sein. Dies ermöglicht eine sichere Abstimmung der Polarisationsrichtungen der zu vereinigenden Lichtstrahlen zur besonders sicheren Bereitstellung des vereinigten Lichtstrahls. Die λ/2-Verzögerungsplatte kann hierbei achromatisch oder apochromatisch oder superach-romatisch (beispielsweise aus Quarz und MgF2) ausgeführt sein.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Polarisationsprisma aus Kalkspat (Calcit, Ca[C03]) ausgebildet sein. Es sind jedoch auch andere Materialien für das Polarisationsprisma denkbar.

Bei einer weiteren konkreten Ausführungsform können die Lichtstrahlen jeweils von einem Laser erzeugt sein. Derartige Laser können Lichtstrahlen über einen großen Wellenlängenbereich bereitstellen.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können zwei Laserstrahlen mit zueinander gekreuzter Polarisation mittels des Polarisationsprismas vereinigt werden, wobei jeweils die kompletten möglichen - auch überlappenden - Wellenlängenbereiche der Laser ohne Einschränkung genutzt werden können.

Aufgrund des möglichen kompakten Aufbaus eines doppelbrechenden Polarisationsprismas kann eine Chirp-Kompensation sehr gering gehalten werden oder gegebenenfalls auch ganz eingespart werden. Ein für einen Lichtstrahl bereitgestellter Eintrittsflächenbereich muss üblicherweise lediglich einen Durchmesser von 1-2 mm aufweisen. Insoweit ist es ausreichend, wenn lediglich ein derart kleiner Flächenbe-reich in geeigneter Weise poliert wird. Dies ist insoweit vorteilhaft, als es schwierig ist, eine Fläche eines Polarisationsprismas zu polieren, das beispielsweise aus Kalkspat hergestellt ist. Hierbei handelt es sich um ein weiches und sprödes und daher schwierig zu polierendes Material, insbesondere entlang des erforderlichen Winkels zur Kristallrichtung.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere für die so genannte „nichtlineare Mikroskopie“ von besonderem Vorteil. Dies ist insbesondere durch die geringen

Laufwege für das Licht und das geringe Chirp-Kompensationserfordernis bei einem kompakten Polarisationsprisma wie beispielsweise einem Glan-Prisma bedingt. Bei der nichtlinearen Mikroskopie werden zur Bildgebung nichtlineare optische Effekte genutzt. Beispiel für nichtlineare mikroskopische Verfahren sind: • Multiphotonen-Mikroskopie, insbesondere die 2-Photonen-Mikroskopie und die 3-Photonen-Mikroskopie • Erzeugung von höheren Harmonischen, insbesondere Second Harmonie Generation (SHG) und Third Harmonie Generation (THG) • CARS (Coherent Anti Stokes Raman Scattering) • Coherent Raman Scattering • Vierwellenmischung

• STED

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erlâuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erlöutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiei eines erfindungsgemäßen optischen Bauteils in Form eines doppelbrechenden Polarisationsprismas und

Fig. 2 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiei einer optischen Anordnung mit einem erfindungsgemößen Polarisationsprisma gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiei eines erfin-dungsgemäßen optischen Bauteils in Form eines doppelbrechenden Polarisationsprismas 4 zur Vereinigung von Lichtstrahlen 1 und 2. Dabei werden ein erster Lichtstrahl 1 mit Licht einer ersten Wellenlange und ein zweiter Lichtstrahl 2 mit Licht einer zweiten Wellenlänge mittels des Polarisationsprismas 4 zu einem vereinigten Lichtstrahl 3 zusammengeführt.

Der Lichtstrahl 1 tritt hierbei durch eine Eintrittsfläche 5 in das Polarisationsprisma 4 ein. Dabei trifft der Lichtstrahl 1 senkrecht auf die Eintrittsfläche 5. Der Lichtstrahl 2 tritt durch die Eintrittsfläche 6 - ebenfalls in senkrechter Richtung - in das Polarisationsprisma 4 ein. Dabei ist die Eintrittsfläche 6 in Abweichung zu bekannten doppelbrechenden Polarisationsprismen derart zur Eintrittsfläche 5 geneigt, dass auch der zweite Lichtstrahl 2 in senkrechter Richtung auf seine Eintrittsfläche 6 auftrifft und in das Polarisationsprisma 4 eintritt. Die bekannte Form eines Polarisationsprismas ohne geneigte Seitenfläche ist gestrichelt dargestellt. Durch die in geeigneter Weise gewählte Neigung der Eintrittsflächen 5 und 6 relativ zueinander ist eine sichere Vereinigung oder Zusammenführung der ersten und zweiten Lichtstrahlen 1 und 2 in den vereinigten Lichtstrahl 3 ermöglicht, der durch die Austrittsfläche 7 ebenfalls in senkrechter Richtung aus dem Polarisationsprisma 4 austritt.

Das Polarisationsprisma 4 weist einen Luftspalt 8 auf, der die beiden, das Polarisationsprisma 4 bildenden Prismenteile 9 und 10 voneinander separiert.

Das Polarisationsprisma 4 kann beispielsweise aus Kalkspat ausgebildet sein und als so genanntes Glan-Prisma realisiert sein.

Fig. 2 zeigt in einer schematischen Darstellung den Einsatz des Polarisationsprismas 4 in einer optischen Anordnung, bei der Licht aus zwei Laserquellen vereinigt und einem Mikroskopaufbau zugeführt werden kann.

Der Lichtstrahl 1 ist durch einen Modulator 13 zur Modulation der Lichtintensität und einen Shutter 14 zu dem Polarisationsprisma 4 geführt.

Der zweite Lichtstrahl 2 ist durch einen Modulator 17 zur Modulation der Lichtinten-sität und einen Shutter 18 zu einem Spiegel 20 geführt, von dem der Lichtstrahl 2 zur λ/2-Verzögerungsplatte 12 reflektiert und über einen Justage-Spiegel 21 zum Polarisationsprisma 4 geführt wird.

Der durch das Polarisationsprisma 4 vereinigte Lichtstrahl 3 gelangt zur Blende 11, um unerwünschte Nebenstrahlen auszublenden. Von dort wird der vereinigte Lichtstrahl 3 zur Anwendung in Form beispielsweise eines Mikroskops geführt.

Die die Lichtstrahlen 1 und 2 erzeugenden Laserquellen können beispielsweise Licht in einem Wellenlängenbereich von 690 bis 1.040 nm und 680 bis 1.300 nm liefern. Diese großen Wellenlängenbereiche lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf einfache und sichere Weise zusammenführen. Dabei kann die Wellenlänge aus beiden durch Lichtquellen bereitgestellten Wellenlängenbereichen beliebig ausgewählt und kombiniert werden.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zur Vermeidung von Wieder-holungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.

Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zur Erörte-rung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

Bezugszeichenliste 1 erster Lichtstrahl 2 zweiter Lichtstrahl 3 vereinigter Lichtstrahl 4 Polarisationsprisma 5 Eintrittsfläche 6 Eintrittsfläche 7 Austrittsfläche 8 Luftspalt 9 Prismenteil 10 Prismenteil 11 Blende 12 λ/2-Verzögerungsplatte 13 Modulator 14 Shutter 17 Modulator 18 Shutter 20 Spiegel 21 Justage-Spiegel

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Vereinigung von Lichtstrahlen (1, 2), wobei ein erster Licht-strahl (1) mit Licht einer ersten Wellenlänge und ein zweiter Lichtstrahl (2) mit Licht einer zweiten Wellenlänge mittels eines optischen Bauteils zu einem vereinigten Lichtstrahl (3) zusammengeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Bauteil ein doppelbrechendes Polarisationsprisma (4) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei für die beiden Lichtstrahlen (1, 2) jeweils bereitgestellte Eintrittsflächen (5, 6) des Polarisati-onsprismas (4) derart relativ zueinander orientiert sind, dass die Lichtstrahlen (1, 2) vor ihrer Vereinigung jeweils senkrecht zu den Eintrittsflächen (5, 6) in das Polarisationsprisma (4) eintreten und im vereinigten Zustand senkrecht zu einer Austrittsflä-che (7) des Polarisationsprismas (4) aus diesem austreten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Ein-trittsflächen (5, 6) in einem Winkel von beispielsweise etwa 78 Grad zueinander ge-neigt sind, der dem doppetten eines Winkels entspricht, der zwischen den beiden Grenzwinkeln der Totalreflexion der verschiedenen Polarisationsrichtungen liegt.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Polarisationsprisma (4) zwei durch einen Spalt oder Luftspalt (8) voneinander separierte Prismenteile (9, 10) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Polarisationsprisma (4) ein Glan-Prisma, ein Glan-Taylor-Prisma oder ein Glan-Foucault-Prisma ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang nach dem Polarisationsprisma (4) eine Blende (11) zum Ausblenden von Nebenstrahlen angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang mindestens eines Lichtstrahls (1,2) vor dem Polarisationsprisma (4) eine λ/2-Verzögerungsplatte (12) zur Einstellung der Polarisationsrichtung angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Polarisationsprisma (4) aus Kalkspat ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtstrahlen (1, 2) jeweils von einem Laser erzeugt sind.

10. Verfahren zur Vereinigung von Lichtstrahlen (1, 2), insbesondere mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei ein erster Lichtstrahl (1) mit Licht einer ersten Wellenlänge und ein zweiter Lichtstrahl (2) mit Licht einer zweiten Wellenlänge mittels eines optischen Bauteils zu einem vereinigten Lichtstrahl (3) zusammengeführt werden, dadurch gekennzeichnet, dass als optisches Bauteil ein doppelbrechendes Polarisationsprisma (4) verwendet wird.