WO1996006377A1

WO1996006377A1 - Vorrichtung zum einkoppeln des lichtstrahls eines uv-lasers in ein laser-scanmikroskop

Info

Publication number: WO1996006377A1
Application number: PCT/EP1995/002627
Authority: WO
Inventors: Johann Engelhardt; Heinrich Ulrich; Klaus Kierschke
Original assignee: Leica Lasertechnik Gmbh
Priority date: 1994-08-25
Filing date: 1995-07-06
Publication date: 1996-02-29
Also published as: EP0734539A1; US5903688A; EP0734539B1

Abstract

Eine Vorrichtung zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines UV-Lasers (1) in ein Laser-Scanmikroskop (2) mit einer Justiereinrichtung (3) zum Ausrichten des Lichtstrahls auf den Strahlengang des Laser-Scanmikroskops (2) und mit einem zwischen dem UV-Laser (1) und der Justiereinrichtung (3) angeordneten Lichtleitfaserelement (4), soll so ausgebildet werden, daß sie langfristig einsetzbar ist, um den durch Wechseln der Einkopplungsvorrichtung bedingten Aufwand so gering wie möglich zu halten. Dazu wird vorgeschlagen, zwischen dem UV-Laser (1) und dem Lichtleitfaserelement (4) ein Scanshutter (5) anzuordnen, über den das Lichtleitfaserelement (4) nur während des Scannens, also zur Aufnahme von Bildern, für den Lichtstrahl des UV-Lasers (1) freigebbar ist.

Description

"Vorrichtung zum Einkoppeln des Lichtsrahls eines UV-Lasers in ein Laser-Scanmikroskop"

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines UV-Lasers in ein Laser-Scaninikroskop mit einer Justiereinrichtung zum Ausrichten des Lichtstrahls auf den Strahlengang des Laser-Scanmikroskops und mit einem zwischen dem UV-Laser und der Justiereinrichtung angeordne¬ ten flexiblen Lichtleitfaserelement.

Aus dem Stand der Technik sind prinzipiell zwei unter¬ schiedliche Möglichkeiten zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines Lasers in ein Laser-Scanmikroskop bekannt. Beispiel¬ haft sei hier auf die Offenlegungsschrift der internationa¬ len Patentanmeldung WO 92/18850 und auf die Offenlegungs- schrift der europäischen Patentanmeldung 0 592 089 hinge¬ wiesen. In beiden Druckschriften wird eine direkte Einkopp- lung des UV-Laser-Lichts über eine mechanisch starre Anord¬ nung von optischen Bausteinen, wie Linsen, Filter, Loch¬ blenden, etc. beschrieben. Infolge dieser Art der Einkopp- lung entstehen sehr große optisch-mechanisch zusammen¬ hängende Systeme mit notwendigerweise langen Strahlen¬ gängen. Lange Strahlengänge wiederum führen zu Justierin¬ stabilitäten des Systems. Ein großes Problem bei der Ju¬ stierung solcher Systeme stellen die durch die Kühlung be- dingten Vibrationen des Lasers dar. Bei einer optisch¬ mechanischen Direkteinkopplung des Laser-Lichtstrahls in das Scanmikroskop werden die Vibrationen der Laserkühlung oftmals auf das Mikroskop übertragen, so daß Bildstörungen entstehen und eine dauerhafte Justierung erheblich er¬ schwert wird.

Alternativ zu einer Direkteinkopplung besteht die Möglich- keit der faseroptischen Lichteinkopplung, wie sie bspw. in der US-Schrift 5 161 053 u.a. auch für die Einkopplung 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 Mi¬ kroskop übertragen werden, sondern von dem flexiblen Licht¬ leitf serelement 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 zurückgeht. 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.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich¬ tung zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines UV-Lasers in ein Laser-Scan ikroskop der in Rede stehenden Art anzugeben, mit der eine Übertragung der Vibration des Lasers auf das Mikroskop weitestgehend verhindert wird und die auch lang- fristig eingesetzt werden kann, um den durch Wechseln der Einkopplungsvorrichtung bedingten Aufwand so gering wie möglich zu halten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einkoppeln des Licht¬ strahls eines UV-Lasers in ein Laser-Scanmikroskop löst die voranstehende Aufgabe durch die Merkmale des Patentan¬ spruchs 1. Danach ist die eingangs genannte Vorrichtung derart ausgebildet, daß zwischen dem UV-Laser und dem Lichtleitfaserelement ein Scanshutter angeordnet ist, über den das Lichtleitf serelement nur während des Scannens, al¬ so zur Aufnahme von Bildern, für den Lichtstrahl des UV- Lasers freigebbar ist.

Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, daß zur Mini¬ mierung des Justieraufwands die mechanische Entkopplung des Lasers vom Mikroskop erforderlich ist. Es ist ferner er¬ kannt worden, daß Lichtleitfaserelemente, die sich für Licht anderer Wellenlängen bewährt haben, auch in Verbin¬ dung mit UV-Laserlicht das Mittel der Wahl sind. Davon aus¬ gehend ist erkannt worden, daß die Verschlechterung der Transparenz einer Lichtleitfaser zum einen von der Bestrah- lungsleistung und zum anderen von der Bestrahlungsdauer ab- hängt, so daß die Lebensdauer einer Lichtleitfaser bzw. de¬ ren Brauchbarkeit zum Einkoppeln des UV-Laserlichts erheb¬ lich verlängert werden kann, wenn eine Bestrahlung der Lichtleitfaser nur während des Scannens, also zur Aufnahme von Bildern, erfolgt. Es ist nämlich auch erkannt worden, daß eine Bestrahlung des Lichtleitfaserelements mit UV- Laserlicht bspw. während des Anlaufens des Lasers oder der Ob ekteinrichtung vor dem eigentlichen Abbilden bzw. ande¬ ren Experimentvorbereitungszeiten oder zum Justieren der gesamten optischen Anordnung nicht erforderlich ist. Es ist schließlich erkannt worden, daß eine Bestrahlung des Licht¬ leitfaserelements auf einfache und vorteilhafte Weise mit Hilfe eines zwischen dem UV-Laser und dem Lichtleitfasere¬ lement angeordneten Scanshutters abgestellt werden kann, der das Lichtleitfaserelement nur während des Scannens freigibt.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, einen solchen Scan- shutter zu realisieren. Der Scanshutter kann in Form einer mechanischen Blende oder Fahne realisiert sein, durch die der Lichtstrahl des UV-Lasers einfach ausblendbar ist. Da¬ bei ist zu beachten, daß sich derartige mechanische Scans¬ hutter relativ langsam schalten lassen. Die Schaltung kann bspw. elektromagnetisch angetrieben werden und automatisch mit dem Scannen synchronisiert werden. Der Scanshutter 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 akti¬ ven Komponenten eingesetzt werden, die computergesteuert geschaltet werden können und so ebenfalls zeitlich mit dem Scannen koodiniert werden können.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann die erfindungsge¬ mäße Vorrichtung einen oder mehrere Filter umfassen, die zwischen dem UV-Laser und dem Scanshutter oder zwischen dem Scanshutter und dem Lichtleitfaserelement angeordnet sind. Derartige Filteranordnungen werden zum Ausblenden von be¬ stimmten Wellenlängenbereichen des Laserlichts eingesetzt. Die Notwendigkeit zur Verwendung von Filteranordnungen er¬ gibt sich in der Regel aus der Art der durchzuführenden Messungen und Meßobjekte. Wesentlich ist, daß bei der bean- spruchten Anordnung der Filter im Strahlengang vor dem

Lichtleitfaserelement auch die Filter vom Mikroskop mecha¬ nisch entkoppelt sind. Dies ist insbesondere bei Verwendung eines Filterrades vorteilhaft, das mehrere Filter umfaßt, welche durch mechanische Bewegung, nämlich Drehung des Ra- des, im Strahlengang positioniert werden. Die Drehung des Filterrades ist genauso wie die Kühlung des UV-Lasers mit Vibrationen verbunden, die möglichst nicht auf das Mikro¬ skop übertragen werden sollten.

Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung eines Single-Mode-Lichtleitfaserelements erwiesen, da sich dann das Licht im Laser-Scanmikroskop besonders gut fokusieren läßt. Zur besseren Energieübertragung vom UV-Laser zum La- ser-Scanmikroskop sind in einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung an einem Ende des Licht¬ leitfaserelements ein Lichteinkoppler und entsprechend am anderen Ende des Lichtleitfasesrelements ein Lichtauskopp- ler angeordnet.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, daß der" UV-Lasersstrahl nur dann in die Lichtleitfaser gespeist wird, wenn er zur Bildaufnahme tat¬ sächlich benötigt wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Justierung des UV-Laserlichtstrahls auf den Strah¬ lengang 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 vorteilhaf¬ ten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zur Justierung mit sichtbarem Licht ein optischer Baustein zwi¬ schen dem Lichtleitfaserelement und der eigentlichen Ju¬ stiereinrichtung angeordnet, über den das aus dem Licht- leitfaserelement austretende sichtbare Licht mit definier¬ tem Strahlengang auf die Justiereinrichtung geführt wird. In der Regel wird der optische Baustein zur Parallelisie- rung des aus dem Lichtleitf serelement austretenden sicht¬ baren Lichts dienen. Es kann sich dabei in vorteilhafter Weise um eine Lochblenden-Optik mit einer Linse oder einem Linsensystem, einer sog. Pinhole-Optik, handeln. Möglich wäre auch der Einsatz einer Teleoptik zur Verkürzung des Strahlengangs . Der optische Baustein dient lediglich 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 Strahlen¬ gang der Meßanordnung entfernt werden, bspw. durch Heraus- schwenken.

Auch die Justiereinrichtung kann auf unterschiedlichste Weise realisiert sein. Sie wird jedoch regelmäßig ein Ab¬ lenkungselement umfassen, wozu bspw. eine einstellbare Lin¬ se oder auch ein dichroitischer Strahlteiler oder Strahl- vereiniger - je nach Meßanordnung - dienen kann.

Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vor¬ liegenden Erfindung in vorteilhaf er Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die dem Patent- anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Er¬ findung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausge- staltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.

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

Die in der einzigen Figur dargestellte Vorrichtung dient zum Einkoppeln des Lichtstrahls 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 Lichtleitfaserelement 4 angeordnet. Aufgrund der Flexibilität des Lichtleitfaserelements 4 wird der La¬ ser 1 quasi mechanisch vom Laser-Scanmikroskop 2 entkop¬ pelt, so daß bspw. kühlungsbedingte Vibrationen des Lasers 1 nicht auf das Laser-Scanmikroskop 2 übertragen werden.

Erfindungsgemäß ist zwischen dem UV-Laser 1 und dem Licht¬ leitfaserelement 4 ein sog. Scanshutter 5 angeordnet, über den das Lichtleitfaserelement 4 nur während des Scannens, also zur Aufnahme von Bildern, für den Lichtstrahl des UV- Lasers 1 freigebbar ist.

Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Scanshut¬ ter 5 in Form einer mechanischen Blende dargestellt, die den Laser-Lichtstrahl einfach vor dem Lichtleitfaserelement 4 ausblendet. Diese Blende 5 wird vorzugsweise automatisch, synchronisiert mit dem Scannen betätigt. Bei geöffnetem Scanshutter 5 fällt der Laserlichtstrahl auf einen am Ende des Lichtleitf serelements 4 angeordneten Lichteinkoppler 6. Entsprechend ist am anderen Ende des Lichtleitfaserele¬ ments 4 ein Lichtauskoppler 7 angeordnet. Das Lichtleitfa¬ serelement 4 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Single-Mode-Lichtleitfaser.

Zwischen dem Lichtleitf serelement 4 bzw. dem Lichtauskopp¬ ler 7 und der Justiereinrichtung 3 ist ein optischer Bau¬ stein 8 angeordnet, der zur Justierung des aus dem Licht¬ leitfaserelement 4 austretenden Laser-Lichtstrahls dient. Die Justierung erfolgt allerdings nicht mit dem Laser- Lichtstrahl selbst, sondern bei - mit Hilfe des Scanshut- ters 5 - ausgeblendetem Laser-Lichtstrahl mit Hilfe von sichtbarem Licht, das aus dem Lichtleitfaserelement 4 aus¬ tritt. Der optische Baustein 8 dient dazu, dieses 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 hin¬ ter der Lochblende 9 angeordnet sind. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist ferner ein Umlenkspiegel 12 vorge- sehen, der sich jedoch nicht auf die Funktion der Loch¬ blendenoptik auswirkt. Mit Hilfe der Lochblendenoptik wird der Strahlengang des aus dem Lichtleitfaserelement 4 aus¬ tretenden sichtbaren Lichts entsprechend dem zu erwartenden Strahlengang des Laser-Lichtstrahls ausgerichtet. Auf diese Weise ist eine Justierung der Gesamtanordnung für das UV- Laserlicht 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 Scanspiegel 13, durch das Okular 14, durch die Tubuslinse 15 und das Objektiv 16 auf das Objekt 17 gelenkt. Der vom Objekt 17 zurücklaufende Licht-strahl wird in zwei Teilstrahlen mit unterschiedlicher Wellen-länge aufgeteilt. Diese Teilstrah- len werden in unterschiedliche Richtung gelenkt.

Der nicht abgelenkte Teil des vom Objekt 17 kommenden Licht-strahls (Fluoreszenzlicht oder Reflexionslicht) wird über eine Pinhole-Optik 18 dem konfokalen Detektor 19 zuge- führt.

Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der er¬ findungsgemäßen Vorrichtung zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines UV-Lasers in ein Laser-Scanmikroskop, die in der ein- zigen Figur nicht dargestellt sind, wird auf den allgemei¬ nen Teil der Beschreibung verwiesen.

Abschließend sei noch darauf hingewiesen, daß die erfin¬ dungsgemäße Lehre nicht auf das voranstehend erörterte Aus¬ führungsbeispiel beschränkt ist. Die erfindungsgemäße Lehre läßt sich vielmehr auch bei Verwendung von konstruktiv an¬ dersartigen Scanshuttern und einer anderen optischen Anord¬ nung für das Justieren mit sichtbarem Licht realisieren.

Bezugszeichenliste

1 UV-Laser

5 2 Laser-Scanmikroskop

3 Justiereinrichtung

4 Lichtleitfaserelement

5 Scanshutter

6 Lichteinkoppler 10 7 Lichtauskoppler

8 optischer Baustein

9 Lochblende

10 Linse

11 Linse

15 12 Umlenkspiegel

13 Scanspiegel

14 Okular

15 Tubuslinse

16 Objektiv 20 17 Objekt

18 Pinhole-Obptik

19 konfokaler Detektor

25

Claims

11Patentansprüche

1. Vorrichtung zum Einkoppeln des Lichtstrahls eines UV- Lasers (1) in ein Laser-Scanmikroskop (2) mit einer Ju¬ stiereinrichtung (3) zum Ausrichten des Lichtstrahls auf den Strahlengang des Laser-Scanmikroskops (2) und mit einem zwischen dem UV-Laser (1) und der Justiereinrichtung (3) angeordneten flexiblen Lichtleitfaserelement (4), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zwischen dem UV-Laser (1) und dem Lichtleitfaserelement (4) ein Scanshutter (5) angeordnet ist, über den das Lichtleitfase¬ relement (4) nur während des Scannens, also zur Aufnahme von Bildern, für den Lichtstrahl des UV-Lasers (1) freigeb- bar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanshutter (5) in Form einer mechanischen Blende oder Fahne realisiert ist, durch die der Lichtstrahl des UV-Lasers (1) ausblendbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Scanshutter (5) durch elektro- und/oder magneto¬ optische Modulationsmittel gebildet ist, durch die der Lichtstrahl des UV-Lasers (1) ablenkbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem UV-Laser und dem Scanshut¬ ter oder zwischen dem Scanshutter und dem Lichtleitfasere- lement mindestens ein Filter angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem UV-Laser und dem Scanshut¬ ter oder zwischen dem Scanshutter und dem Lichtleitfasere- lement mehrere austauschbare Filter, vorzugsweise ein Fil¬ terra_d, zum Auswählen von bestimmten Wellenlängenbereichen angeordnet sind.

6. _Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtleitfaserelement (4) eine Single-Mode-Lichtleitfaser dient.

₇. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an einem Ende des Lichtleitfaserele¬ ments ₍4) ein Lichteinkoppler (6) und entsprechend am ande¬ ren Ende des Lichtleitfaserelements (4) ein Lichtauskoppler (7) angeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Lichtleitfaserelement (4) und der Justiereinrichtung (3) mindestens ein optischer Baustein (8) angeordnet ist, über den sichtbares Licht mit _definiertem Strahlengang aus dem Lichtleitfaserelement (4) auf die Justiereinrichtung (3) führbar ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Baustein (8) das aus dem Lichtleitfasere¬ lement ₍4₎ austretende sichtbare Licht parallelisier .

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Baustein (8) eine Loch¬ blenden-Optik mit einer Linse (10, 11) oder einem Linsensy¬ stem umfaßt.

11. _Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Baustein (8) nach dem Aus¬ richten des aus dem Lichtleitfaserelement (4) austretenden sichtbaren Lichts auf den Strahlengang des Laser- Scanmikroskops (2) entfernbar ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch

:> gekennzeichnet, daß die Justiereinrichtung mindestens eine einstellbare Linse umfaßt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Justiereinrichtung (3) mindestens 0 einen dichroitischen Strahlteiler oder Strahlvereiniger um¬ faßt.