WO2013020713A1 - Laseranordnung - Google Patents

Laseranordnung Download PDF

Info

Publication number
WO2013020713A1
WO2013020713A1 PCT/EP2012/003431 EP2012003431W WO2013020713A1 WO 2013020713 A1 WO2013020713 A1 WO 2013020713A1 EP 2012003431 W EP2012003431 W EP 2012003431W WO 2013020713 A1 WO2013020713 A1 WO 2013020713A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sub
pulses
laser
focus
pulse
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/003431
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Heinrich Spiecker
Original Assignee
Lavision Biotec Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Lavision Biotec Gmbh filed Critical Lavision Biotec Gmbh
Priority to EP12753398.2A priority Critical patent/EP2742381A1/de
Priority to US14/237,455 priority patent/US9705275B2/en
Publication of WO2013020713A1 publication Critical patent/WO2013020713A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0071—Beam steering, e.g. whereby a mirror outside the cavity is present to change the beam direction
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
    • G02B27/144—Beam splitting or combining systems operating by reflection only using partially transparent surfaces without spectral selectivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/08—Arrangements of light sources specially adapted for photometry standard sources, also using luminescent or radioactive material
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H01S3/0085—Modulating the output, i.e. the laser beam is modulated outside the laser cavity
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/0004—Microscopes specially adapted for specific applications
    • G02B21/002—Scanning microscopes
    • G02B21/0024—Confocal scanning microscopes (CSOMs) or confocal "macroscopes"; Accessories which are not restricted to use with CSOMs, e.g. sample holders
    • G02B21/0052—Optical details of the image generation
    • G02B21/0076—Optical details of the image generation arrangements using fluorescence or luminescence
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B2207/00—Coding scheme for general features or characteristics of optical elements and systems of subclass G02B, but not including elements and systems which would be classified in G02B6/00 and subgroups
    • G02B2207/114—Two photon or multiphoton effect

Definitions

  • the invention relates to a laser arrangement according to the preamble of claim 1 or to a method according to the preamble of claim 17.
  • This laser arrangement and the method can be used, for example, for laser microscopy, in particular for laser scanning microscopy, or for laser material processing, in particular for rapid prototyping , be used.
  • the speed and image quality with which data can be recorded depending on the light output in the focus of the laser.
  • the image quality depends on the screening process and the quality of the focus.
  • the scanning (scanning) must be smaller than half the size of the focus size, on the other hand the number of photons contributing to the signal must be high enough per grid point, so that due to the Poisson statistics a sufficiently accurate localization of the photons can be achieved observed objects is possible.
  • a compromise between gentle imaging, measuring speed and resolution must usually be found. Therefore, in dynamic measurements where many images need to be taken in sequence, it is often necessary to choose the sample to be coarser than the optical resolution.
  • laser scanning microscopy uses methods in which line scans, polygon scans and the approach of dot patterns are operated, the information being collected repeatedly along the line or on the individual points.
  • sampling rates of several hundred to several thousand hertz are to be achieved.
  • the individual points within the line scan or the approached points are therefore very often covered by the laser beam.
  • the problem of fading and photo damage is thus increasingly present.
  • dynamic measurements do not always have the claim of a very small focus volume.
  • single neurons or Somata approached by means of 2-photon microscopy with the laser which have a diameter in the range of 10 ⁇ .
  • the interest here is to measure the light intensity from the somata integrally.
  • This process can be refined by replacing the pinhole with a small area detector.
  • Confocal microscopy and confocal microscopy using a so-called area-scan descanner only makes sense if the sample is sufficiently transparent and the image on the detector succeeds without errors. In doing so, scattering of the generated light damages the assignment on the planar detector and leads to loss of light in confocal microscopy.
  • ultrashort pulse lasers In material processing with ultrashort pulse lasers, laser scanners are also used today. Alternatively, the workpiece can also be moved.
  • the use of ultrashort pulse lasers has the advantage that the material removal takes place instantaneously and thermal damage in the surroundings of the processing surface can be largely avoided. You go to higher and higher powers to increase the processing speed. In this case, thermal damage to the workpiece, which leads to a reduction in the removal quality, then increasingly occurs for the instantaneous removal by the laser pulse.
  • the focused incident laser beam locally generates a plasma in which increasingly free electrons are present. These are excited by the electric field of the laser to oscillate and act at high electron densities in hot plasmas as a mirror for the exciting laser, making further energy input into the plasma by the laser is impossible.
  • the present invention is concerned with such a division, wherein the distribution of the laser to different points is designed so that these points can overlap, since the laser pulses do not impinge simultaneously on the material to be processed.
  • Short pulse lasers are also used for rapid prototyping and for the production of microcomponents.
  • the focused laser is irradiated in a light-curable liquid.
  • liquids that can be hardened by multi-photon processes are used.
  • the structure is generated either by scanning the laser beam or by moving the slide.
  • the processing speed is usually not limited by the available laser power, but by the scanning speed in the structure generation.
  • a beam splitter which splits a laser beam into a line or an array of different beams.
  • This division is temporally and spatially fixed and can not be adapted.
  • the division is done by a central beam splitter, to which the light is repeatedly reflected by mirror pairs.
  • the division is caused by different angles between the mirrors and the central divider. Since the laser beams must combine to produce foci in the entrance pupil of an objective, one of the requirements is that the spacings of the mirror pairs to the central divider be chosen so that the beam axes intersect at a point.
  • the different distances of the mirror pairs to the central divider additionally have the function of ensuring that the partial beams do not reach the specimen at the same time.
  • temporal multiplexing This characteristic of the beam, referred to as temporal multiplexing, is essential for multiphoton microscopy, since interference of the waves of different sub-beams would lead to loss of the z-resolution.
  • a variabilization of the pattern of Foki is not possible with the beam splitter described in DE 199 04 592. If the pattern is to be small, the property of multiplexing would be omitted, because then the time intervals between the illumination of the individual foci would also be small and the partial beams would start to overlap in time.
  • WO 201 1 / 052248A1 describes a beam splitting apparatus that generates a plurality of pulsed beams that illuminate an object, creating delays between the individual beams so that the response of the object to the beams can be separated in time.
  • the invention solves the problem of making particularly fast scanning methods possible, wherein the subpulses generated by the beam splitter are always detected separately.
  • the separation takes place in that the time delay of the individual subpulses is so great that the detector is able to temporally separate the response of the subpulses.
  • the method is aimed at a laser scanning microscope, in particular at a fluorescence microscope, the fluorescence having typical fluorescence lifetimes of up to several nanoseconds. Therefore, the object of the invention is that the time delays are so great that the fluorescence generated in response to the pulses are generated at a time interval of several nanoseconds. Therefore, it is necessary that the path distance differences are large.
  • US 2010/0053743 A1 describes an apparatus for a real-time capable 3-dimensional laser scanning microscopy method for single-photon and multi-photon fluorescence microscopy.
  • the real-time capability of the apparatus is ensured by using a beam splitter which illuminates different points with each other, even in different focusing planes, with temporal delay.
  • the method also aims to separate the signals from the different points in time and place and to obtain a separate image information from each of the individual focus volumes.
  • the separation takes place on the one hand by a Descannhabilit on a multi-channel detector and on the other hand by the temporal demultiplexing by means of a fast detector and the delays between the individual pulses.
  • WO 2009/035768 describes an illumination method using passive pulse dividers and DE 100 50 540 A1 describes a method for laser microscopy, in which focal planes of a group of laser pulses adjacent to one another are generated in order to fluorescence along a line or along a surface - cause radiation from a sample.
  • the object of the present invention is to improve the known laser arrangements and methods with structurally simple means to the extent that higher resolutions result with regard to the use in the microscopy sector, preferably with a low-noise signal and / or a smaller damage to the sample, or As regards the application in the material processing area, a more precise, faster and less damaging processing of an object results.
  • a primary laser radiation or primary laser pulses are divided by a beam splitting optics into a series of partial beams, secondary pulses or sub-pulses.
  • the invention provides that the mutual spatial and / or temporal relationship of the focus volumes from the secondary primary laser pulse resulting secondary pulses or Sub- Pulse is variably adjustable.
  • the focused sub-pulses can independently interact with the object.
  • the invention makes it possible to offset the focus volumes of adjacent sub-pulses, either spatially or temporally, sufficiently far in relation to each other that no undesirable interaction arises, such as interferences between the focus volumes.
  • the focus volumes can also be set so close to one another, if required, that the lighting of a subarea of the object that is as complete as possible is created.
  • the laser arrangement according to the invention has the advantage that it is extremely flexible with regard to the illumination of the object or of a partial area of the object.
  • the time difference between the arrival of different subpulses at their respective foci is at most 3 nanoseconds. This is achieved by the fact that the optical path lengths (ie the integration of the geometric path lengths multiplied by the refractive index) of the beam paths to be covered by the individual sub-pulses differ by a maximum amount that corresponds to the time difference of 3 nanoseconds divided by the speed of light.
  • the maximum time difference is even shorter, for example less than 2 nanoseconds or even less than a nanosecond.
  • the illumination of the foci of all sub-pulses lies within the fluorescence lifetime of the material of the sample. It has proven to be particularly suitable for various applications if the division of the primary laser pulse into subpulses is lossless or at least as low as possible, and if the beam power in all subbeams or the energy in all subpulses is approximately the same.
  • the mutual spatial relationship of the focus volumes of the resulting from a common primary laser pulse sub-pulses is adjustable so that the focus volumes touch or at least partially overlap.
  • a complete or at least largely complete illumination of a given region of the sample can be achieved in this way.
  • the focal volumes of the sub-pulses emerging from a common primary laser pulse are arranged in a common plane or in a common three-dimensional volume element (voxel). are net.
  • the dimensions of the illuminated region of the plane or the dimensions of the voxel to be illuminated are preferably predeterminable in order to be able to adapt the arrangement and the spatial relationship of the focus volumes to these predetermined dimensions. Such an adaptation was impossible with conventional laser arrangements.
  • the focus volumes of the sub-pulses emerging from a common primary laser pulse are adjustable so that the secondary or sub-pulses are focused into a common focus volume.
  • This has the advantage that the common focus volume experiences all the radiation of the primary laser pulse.
  • undesirable side effects in particular of a non-linear nature, may be avoided by the individual sub-pulses arriving in a temporally staggered manner in the common focus volume.
  • the handling of the laser arrangement according to the invention can be made particularly simple by providing an adjustment device for adjusting the mutual spatial and / or temporal relationship of the focus volumes of the resulting from a common primary laser pulse sub-pulses.
  • This adjustment device can also be set up to automatically adjust the temporal and / or the positional relationship of the individual focus volumes.
  • the adjusting device is associated with the beam splitting optics.
  • the adjustment device has at least a first degree of freedom to adjust the spatial relationship of a first sub-pulse to a second sub-pulse so as to define a group of focus volumes of two sub-pulses.
  • a first degree of freedom to adjust the spatial relationship of a first sub-pulse to a second sub-pulse so as to define a group of focus volumes of two sub-pulses.
  • the setting device still has at least one further degree of freedom in order to form the spatial relationship of the group of the focal volumes fixed with the preceding degree of freedom or degrees set another group of focus volumes of sub-pulses.
  • This makes it possible, for example, to generate a two-dimensional or three-dimensional array of sub-pulses so as to illuminate a given sub-area of the object.
  • the adjustment device may comprise, for example, at least one piezo actuator.
  • a controllable shutter is provided in at least one optical path of a sub-pulse.
  • the path of the beam can be interrupted in order to adjust the optical paths of other sub-pulses independently of this optical path. It is particularly advantageous if in the optical paths of all sub-pulses (except for possibly a single sub-pulse) each have a separately controllable shutter is provided so that the path of each sub-pulse adjusted independently of the other sub-pulses can be. This considerably facilitates the adjustment of the laser arrangement according to the invention.
  • a pilot laser beam is provided, preferably a continuous wave pilot laser beam, which can be coupled into the beam splitting optical system on an optical axis substantially identical to an optical axis of the primary laser pulses.
  • This pilot laser beam may have a wavelength at which the human eye has high sensitivity. It can thus be used for setting and adjusting the laser arrangement according to the invention, in particular for adjusting the position of the individual focus volumes in the object.
  • the pilot laser could be a HeNe laser or a frequency-multiplied semiconductor laser.
  • a beam splitter and imaging optics in order to image the spatial distribution of a group of the subpulses originating from a common primary laser pulse on a surface detector.
  • the spatial relationship of the focus volumes of the individual sub-pulses can be controlled and the adjustment of the laser arrangement can be simplified. If the position of the SubPulse is adjusted and checked by means of an area detector, the wavelength of the pilot laser can be selected such that it is at the edge or outside the spectral range. Ches is in which the beam splitter is to be operated. This ensures that the adjustment can also be checked during operation.
  • This area detector could, for example, be a CCD camera or a CMOS camera.
  • a scanning device can be provided, by means of which a predetermined area of the object can be rasterized by groups of focus volumes of sub-pulses. This makes it possible to sequentially illuminate wide areas of the object or even the entire object in order to obtain information from all the illuminated areas of the object or to process all illuminated areas of the object depending on the purpose of use.
  • the invention also relates to a method having the features of claim 17.
  • This method provides that the size of a two-dimensional area (pixel) or a three-dimensional area (volume element or voxel) is specified on or in the object, and that (if necessary automatically), the spatial and / or temporal relationship of the focus volumes of the individual sub-pulses is preferably set variably such that this predetermined area of the object is optimally illuminated. It is particularly advantageous if, as a further parameter, the size of the individual focus volumes can also be variably adjusted.
  • the laser beam or the individual partial beams preferably passes over the sample in a raster process.
  • the signal that arises during the so-called dwell time is assigned to a pixel.
  • the focus of the laser passes over the object area associated with the pixel.
  • the object area can range from 100 nanometers to several micrometers.
  • the diameter of a submicrometer laser focus is such that with a pixel size of, for example, 2 microns, the swept area is 2 x 0.3 microns when the focus diameter is 0.3 microns.
  • the pixel is thus only illuminated in one line and not on its entire area of 2 x 2 microns.
  • Homogeneous illumination of the pixel in the example mentioned can be produced if, for example, 8 beams, each with a beam diameter of 0.3 micrometers, are arranged next to each other in such a way that a short line is created, with a length of 2 micrometers, which is perpendicular to the scanning direction , If the point spread functions of all beams are always integrated over the dwell time, a dwelltime integrated total point spread function results.
  • This calculated point spread function has a residual ripple, which is less than 20% depending on the numerical aperture of the lens, wavelength and wavelength of the exciting laser up to a pixel size of 2 microns.
  • Such a residual ripple of less than 20% is referred to as "homogeneous illumination" of an object area or of a pixel in the meaning of the invention as defined above, the entire area associated with the image is illuminated almost homogeneously since, as it traverses the next pixel column, the line produced by the beam splitter seamlessly joins the line of the previous line.
  • the invention also relates to the use of the laser arrangement according to the invention or the method according to the invention either in microscopy - for example in laser or laser scanning microscopy - or in the field of material processing, there in particular for rapid prototyping.
  • the invention it is possible to variably set the focus positions in one, two or even three dimensions.
  • the laser arrangement in a laser scanning microscope it is also possible to dynamically adapt the beam pattern or the pattern of the focus positions to the scanning mode of the microscope. It is possible to sweep the area of the specimen or the object corresponding to a grid point (pixel or voxel) as far as possible completely through the rays of the beam pattern.
  • the laser arrangement according to the invention permits dynamic adaptation of the area of the object illuminated by the group of focus volumes of sub-pulses to the structure which is to be processed or produced by means of rapid prototyping
  • the invention provides for the splitting of a primary laser beam and its reunification, wherein there is at least one controllable adjustable element on the path between the splitting and the reuniting, and the two optical paths between the primary splitting and the reuniting are not the same length so that the split laser beams hit the point of reunion at different times.
  • the beam splitting device can be combined with a laser, a laser scanner and a microscope, wherein the different sub-beams are focused on different points of the sample and the light emitted by the sample is collected on a detector. Due to the adaptability of the angles between the partial beams, it is possible to generate a dot pattern whose size is adapted to the object to be examined or to the pixel size in the image to be generated. A feature of the arrangement is that the angles introduced between the partial beams can also be very small, so that the pattern of foci generated in or on the sample is freely definable.
  • Figure 1 is a schematic representation of the spatial relationship of the focus volumes of individual
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a region of an exemplary embodiment of a laser arrangement according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a second region of the laser arrangement
  • 5a, 5b is a schematic representation of an application of the laser arrangement according to the invention.
  • FIG. 6 shows a laser arrangement as in FIG. 4 with an additional relay optic.
  • FIG. 1 shows the principal division of the beams or the position of the foci F or focus volumes F of several sub-pulses.
  • a central beam creates a focus in the sample (a).
  • a second beam is produced which produces a focus (b) in the sample.
  • the position of the focus is generated via a controllable mirror in the beam path between the divisions, which inserts an angle ⁇ i between the beams and thus a distance between the foci F in the sample.
  • a second controllable mirror produces an angle a 2 leading to two new foci (c).
  • FIG. 2b shows the division into eight beams, the beams being arranged in such a way that the beams or focal volumes sweep over equidistant lines during a scanning process along the indicated arrow direction.
  • the square shown represents a possible pixel area that is largely homogeneously illuminated on or in the sample or an object during the scanning of the focus pattern.
  • Figures 2c to 2e show the arrangement of the foci F as lines with different orientation. This arrangement can be used in conjunction with camera detection for fast scanning of large areas. It may be useful, even more than 8 beams, eg 16, 32 or 64 Rays to generate.
  • FIG. 2f shows a variant in which a field of 4 ⁇ 4 foci or focus volumes F is formed, in which the individual focus volumes contact one another and overall achieve almost complete illumination of a square pixel region.
  • the angles ⁇ 2 and ⁇ 3 shown in FIG. 1 are usually not coplanar with one another. If the beam diameter and thus also the numerical aperture are changed during the adaptation of the pattern to a pixel, the Z resolution can be adapted to a three-dimensional volume region, ie a so-called voxel, and this can be homogeneously illuminated.
  • FIG. 3 shows an embodiment of a laser arrangement 100 according to the invention, wherein a pulsed, primary laser beam 1 from a laser L strikes a beam splitter 2, is divided there and passes through two different optical paths 3, 4 back to the beam splitter 2, where the two partial beams again be divided and a total of 4 beams, each with a sub-pulse arise, which are performed in pairs over different paths 5, 6.
  • the beams are then reunited in a polarization coupler 7.
  • each two controllable mirror 8 with which the partial beams can be deflected and offset.
  • a part of the beams can be coupled out at a beam splitter 51 and focused on a flat detector 9, so that the beam angles can be detected.
  • a second area detector or position-sensitive detector or a quadrant diode or position-sensitive detector 10 can be used to check the beam position of the individual sub-beams.
  • An evaluation unit 11 is provided to change the setting of the mirror 8 by means of a control electronics 12 so that the beam pattern assumes the desired shape.
  • controllable shutter or beam locks 13 are provided with which the partial beams can be hidden, so as to examine the precise position of the individual Foki F sequentially and set. It makes sense to place the second detector 10 so that it is in a plane conjugate to the entrance aperture of the following focusing optics.
  • a bundle 14 of partial beams of the primary laser radiation 1 leaves the beam splitting optical unit 15 of the laser arrangement 100.
  • This beam splitting optical unit 15 is composed of the individual beam splitters 2, 7 and the mirrors 5, 8 provided therebetween.
  • the partial beams have a small beam Angular misalignment to each other.
  • the secondary or subpulses running on the individual sub-beams may have an adjustable time offset from one another.
  • each of the sub-beams (four sub-beams in the illustrated arrangement) is adjustable in two different directions. All partial beams pass via a scanning device 16 (see FIG. 4), for example a scanning mirror, onto the object or to the sample 20 and can be arranged there in the form of an arbitrary parallelogram or along a line. Alternatively to using a scanner mirror or scanner mirror pair, the sample may also be moved on a translator.
  • a scanning device 16 for example a scanning mirror
  • the beam of a pilot laser P can be coupled into the beam splitting optical system 15 in such a way that the beam of the pilot laser P and the beam of the laser L run on the same or at least approximately the same optical axis.
  • the beams are then both split and follow identical or nearly identical paths, without the need for additional optics.
  • FIG 4 shows schematically an embodiment of a scanning microscope, wherein one or more laser L generate a laser beam 1, which is divided in the beam splitting optical system 15 in a beam.
  • a scanner 16 which is either a polygon scanner, a galvanometric resonant or non-resonant scanner, an acousto-optic scanner (AOD) or a combination thereof.
  • AOD acousto-optic scanner
  • a transfer optics 17, 18 and a lens 19 the laser light is focused into a sample 20.
  • the light emitted there is either directed by means of a dichroic lens 21 onto a non-descanned detector 22 or "descanned" by means of an imaging optical system 24 onto a two-dimensional detector 25.
  • a control unit (computer) 12, 23 detects the data of the detectors 22, 25 and can display the images. It may be useful to install a variable telescope 26 between the laser 14 and the beam splitting optics 15, with which the beam diameter of the laser beam 1 can be adjusted. By the telescope 26, the size of the individual focus volumes F of all sub-pulses can be changed simultaneously.
  • FIG. 5 schematically shows the illumination of microscopic objects by means of the focus pattern, wherein in FIG. to illuminate a somata of a cell.
  • the focuses 26 of the rays are shown as dots.
  • Illumination with a line can also be used to quasi-simultaneously illuminate line-like structures, for example sections of a membrane M, in order to scan these sections quickly.
  • line-like structures for example sections of a membrane M
  • the arrows in the illustration indicate a rastering process, so that the membrane M is repainted repeatedly.
  • the foci are arranged so that they do not simultaneously cover the membrane in the case of a scanning process.
  • entire sections of a line-like object can then be quickly scanned and displayed at least at the intersection points of the beam paths with the object for very short scan paths. It may be useful to create a line of foci and to scan at an angle to the linear object over this.
  • the division of the laser beam 1 can be made to individual beam splitters 2, so that the split beams do not have to be redirected to the divider from which they were divided. It is also useful if more than one or two mirrors are provided between the division points.
  • the arrangement with individual beam splitters can also be chosen so that no mirror is present in one of the two beam paths. In particular, it makes sense if between the dividing points in both sub-beams or beams either a grade or an ungrade number of mirrors 3, 5, 8 are provided, it is the use of no mirror, so the direct path between one divider and the next, as even mirror number to evaluate.
  • the output beam bundles 14 are moved or tilted in a common direction and not in opposite directions.
  • the beam pattern remains intact in this case and moves only as a whole and the output rays are tilted as a whole in one direction.
  • This point is preferably in the vicinity of the entrance aperture of the following focusing optics or on the scanner 16, which in turn is imaged onto the entrance aperture of the focusing optics 19, see FIG. 4.
  • the image is preferably telecentric, so that the rays are parallel again after imaging run.
  • the necessary lenses would be arranged on the example of the embodiment in Figure 4 between the beam splitting optical system 15 and the scanner 16. This approach has the advantage that when adjusting and changing the beam pattern in the point outside the beam splitter little beam offset occurs and the rays of the focusing optics 17, 18 largely meet centrally.
  • the extent of the beam pattern is sufficiently limited, it is also possible to dispense with the use of two controllable mirrors 8 between the sub-points. In addition, it may also be possible to dispense with the measurement of the beam position in the detector 10. In particular, a suitable compromise can be found between the temporal offset of the sub-beams and the possible maximum size of the beam pattern. Depending on the application, this can be less than 1 ps but also several ns.
  • FIG. 1 A possible arrangement of a relay optics is shown in FIG. There, a virtual plane 29 lying in the beam splitter 15 is imaged by a relay lens pair 27 and 28 on the scanner 16.
  • the rays leaving the beam splitter 15 as collimated rays have an angle to each other. This angle is obtained by imaging on the scanner 16 through the lenses 27 and 28, whereby the property of collimation is also obtained by the telecentricity of the image.
  • the beam splitter 15 generates a beam offset of the individual beam bundles in the virtual plane 29, this beam offset is also imaged on the scanner, but not further increased by the angularity between the individual beam sections.
  • the temporal offset between the individual partial beams a not too large value, eg of a total of max. 3 nanoseconds, it is possible that the beam offset of the individual partial beams on the scanner at an angularity of several Milirad between the partial beams is less than 10% of the beam diameter itself.
  • variable patterns of the foci in the rastering process When used in microscopy, in particular in living organisms, it can be ensured by means of the variable patterns of the foci in the rastering process that the area associated with a pixel is homogeneously illuminated or swept by the foci of the pattern.
  • the variability of the pattern allows adaptation to the size of the pixels depending on the raster mode. It is furthermore advantageous if the adaptation to the pixel size, ie the scanning mode, takes place automatically, so that the sample is scanned homogeneously and therefore gently and efficiently even with changing scan modes at any time. If the sample 20 is scanned three-dimensionally, the scanning volume can be increased by the choice of the illumination of the objective 19, so that the volume which is assigned to one pixel in the three-dimensional image stack is illuminated (Voxel).
  • the aforementioned methods are particularly advantageous when the damage with a high power depends on the local temporary light power density.
  • the light generated in a sample by the beam pattern is detected by means of a time-resolved detector 22, 25. Then, if the rays strike the sample 20 within a sufficiently short time interval, the temporal response of the sample 20 may still be used for purposes of FLIM analysis.
  • the beam splitting optical system 15 according to the invention can still be regarded as a pulsed excitation with moderate temporal multiplexing on the order of up to a total of about 3 ns, with typical fluorescence lifetimes in the range between 500 ps and 5 ns remaining measurable.
  • the distribution of the pulses is distributed over time so that the individual pulses can be resolved by the detector 22, 25, then it is possible by means of the detector 22, 25. from the time structure of the response of sample 20 to the density distribution of the light-excited molecules within the beam pattern. If this functionality is used in conjunction with a scan, the signal can be used to generate a high-resolution image more quickly. Under suitable conditions, both location information and fluorescence lifetime in the distribution can be measured over the beam pattern.
  • the present invention also deals with the question of how, in the case of a diffraction-limited image acquisition, the gentle excitation in several foci can occur without losing resolution.
  • the excitation is combined in several pixels in a known excitation dot pattern with deconvolution or iterative reconstruction method, so that an image is formed, as it would arise with a single beam.
  • Pulse lasers L which have a pulse repetition rate in the range of, for example, 20 to 100 MHz, in particular 80 MHz (titanium sapphire laser or optical parametric oscillators) are generally used in the arrangement according to the invention.
  • the beam splitting provides a time delay between the beams so that no two beams pass through the sample 20 at the same time. This is favorable, since the beam cones, which penetrate above and below the focus F, are thus not irradiated simultaneously, even at different focus positions, and thus no interference occurs.
  • the multiplexing is preferably achieved by passing between two sub-points of at least one of the two beams 14 generated either over more than one mirror 5, 8 to the next sub-point or the number of mirrors between the sub-points in both beam paths is unequal.
  • Different optical paths 3, 4, which are generated by means of different refractive indices in the beam paths, have the disadvantage that the laser radiation is then also subjected to different chirp due to the dispersion.
  • the temporal structure of the illumination of the individual focus volumes is variable, in particular, by selectively fading in or out different groups of the sub-pulses. This can be done by means of the controllable shutter 13.
  • the scanner 16 can be omitted and replaced by a scanning sample stage.
  • the sample table may carry a liquid which can be hardened by means of two- or multiphoton processes.
  • the beam pattern can then be used to create three-dimensional structures quickly and with good fidelity.
  • the table can be moved by motorized control so that the pattern of foci is adapted to the structure to be generated. Different areas of the sample can be illuminated by means of different patterns.
  • a quick readjustment by means of the piezo mirror 8 is then advantageous.
  • an inverted microscope can be used for the rapid prototyping advantageously an inverted microscope can be used.
  • the present invention makes it possible to variably adapt the volume in the rapid prototyping, which produces the structure, so that the time necessary for the production of the component can be reduced. In this case, more massive parts of a component can be generated faster in fewer scans. It is also possible to quickly generate replicas of a component or a subunit of a component by setting a focus pattern. Thereby, e.g. Grid structures and arbitrary structures, such as basic cells in the form of rectangles and parallelograms, are generated particularly quickly. Such structures find e.g. Use as photonic crystals, three-dimensional matrices for cell culture and tissue engineering, micromechanical and micro-optical components, and microelectromechanical systems (MEMS) as sensors and actuators.
  • MEMS microelectromechanical systems

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laseranordnung (100) mit einem Laser (L) zum Erzeugen von primären Laserpulsen (1), einer Strahlteilungsoptik (15) zum Aufteilen eines primären Laserpulses in eine Mehrzahl von zeitlich gestaffelten Sub-Pulsen, sowie mit einer Fokussieroptik (17 - 19) zum Fokussieren der Sub-Pulse in oder auf ein Objekt (20) derart, dass jeder Sub-Puls in ein eigenes Fokusvolumen (F) fokussiert wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die gegenseitige räumliche und/oder zeitliche Beziehung der Fokusvolumina (F) der aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulse variabel einstellbar ist. Die Erfindung bezieht sich auch auf ein entsprechendes Verfahren.

Description

Laseranordnung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Laseranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 17. Diese Laseranordnung und das Verfahren können beispielsweise zur Laser-Mikroskopie, insbesondere zur Laser-Rastermikroskopie, oder zur Lasermaterialbearbeitung, insbesondere zum Rapid Prototyping, verwendet werden.
Im Bereich der Laser-Raster-Mikroskopie (konfokale Mikroskopie, 2-Photonen- Mikroskopie, Cars-Mikroskopie, Raman-Mikroskopie) ist die Geschwindigkeit und Bildqualität, mit der Daten aufgenommen werden können, abhängig von der Lichtausbeute im Fokus der Laser. Es treten insbesondere bei dynamischen Messungen Probleme durch lokale Fotoschädigung auf. Die Bildqualität hängt vom Rasterprozess und der Qualität des Fokus ab. Um optimale Auflösung zu erreichen, müssen einerseits die Abtastung (Raste- rung) kleiner als halb so groß sein wie die Fokusgröße, andererseits muss die Anzahl der zum Signal beitragenden Photonen pro Rasterpunkt hoch genug sein, damit auf Grund der Poissonstatistik eine ausreichend genaue Lokalisation der beobachteten Objekte möglich ist. In der Praxis muss in der Regel ein Kompromiss zwischen schonender Abbildung, Messgeschwindigkeit und Auflösung gefunden werden. Bei dynamischen Messungen, bei denen viele Bilder in Folge aufgenommen werden müssen, ist es daher oft notwendig, die Abtastung gröber als die optische Auflösung zu wählen.
Es ist generell nicht einfach, die Größe des Fokus selber zu beeinflussen, da dieser unter anderem durch die numerische Apertur des Beleuchtungsobjektivs gegeben ist. Verringert man die numerische Apertur durch Verringerung der Ausleuchtung des Objektivs, so wird in vielen Fällen die z-Auflösung entlang des Strahls des Mikroskops deutlich verschlechtert. So geschieht es, dass in vielen Fällen Bilder mit grober Pixelauflösung mit sehr feinen Foki abgerastert werden, so dass die Fokusvolumina zwischen den einzelnen Zeilen sich nicht überlappen und weite Bereiche des Objektes nicht zum Bild beitragen können. Diese Unterabtastung hat neben der verringerten Auflösung auch zur Folge, dass ein großer Teil der Probe innerhalb des Bildfeldes nicht vom Laserstrahl überstrichen wird und daher auch nicht zur Bildintensität beiträgt. Es ist nicht möglich, die Beleuchtungsstärke beliebig zu steigern und die Lichtausbeute aus dem Fokusvolumen beliebig zu erhöhen, da in vielen Fällen insbesondere bei den nichtlinearen mikroskopischen Techniken, die kurze Laserpulse verlangen, die Schädi- gung stark nichtlinear von der eingestrahlten mittleren Leistung der Laser abhängt.
Die einzige Möglichkeit, die Gesamtlichtausbeute zu erhöhen, besteht in der parallelen Beleuchtung verschiedener Volumina im Objekt. Es gibt derzeit keine Möglichkeit, das zu jedem Zeitpunkt abgetastete Volumen dynamisch an die Pixelgröße des finalen Bildes anzupassen, ohne dabei die Z-Auflösung zu verlieren.
Zur Erhöhung der Messgeschwindigkeit werden in der Laser-Raster-Mikroskopie Verfahren eingesetzt, bei denen Linien-Scans, Polygon-Scans und das Anfahren von Punktmustern betrieben wird, wobei die Informationen entlang der Linie oder auf den einzelnen Punkten wiederholt gesammelt wird. Hierbei sollen Abtastraten von mehreren hundert bis mehreren tausend Hertz erreicht werden. Die einzelnen Punkte innerhalb des Linien- Scans oder die angefahrenen Punkte werden also sehr oft vom Laserstrahl überstrichen. Das Problem des Ausbleichens und der Photoschädigung ist somit verstärkt vorhanden. Auf der anderen Seite haben solche dynamischen Messungen nicht immer den Anspruch eines sehr kleinen Fokusvolumens. Es werden z.B. im Bereich der Neurowissenschaften mittels 2-Photonen-Mikroskopie einzelne Neuronen bzw. Somata mit dem Laser angefahren, die einen Durchmesser im Bereich von 10 μηι haben. Dabei besteht das Interesse darin, die Leuchtintensität aus den Somata integral zu vermessen. Um die lokale Schädigung in den Somata gering zu halten, werden z.B. unterschiedliche Punkte innerhalb des Somatas nacheinander angefahren bzw. eine Linie durch das Somata als Datenaufnah- mevolumen definiert [Göbel W, Kampa BM, Helmchen F.:„Imaging cellular network dy- namics in three dimensions using fast 3D laser scanning"; Nat Methods 4: 73-79, 2007].
Bei den Linien-Scan- und Punkt-Scan-Verfahren ist es daher wünschenswert, das zu ei- nem Zeitpunkt abgetastete Objektvolumen an die morphologische Struktur zu adaptieren. Die damit erhöhte Photostabilität und Lichtausbeute wären für dynamische Messungen sehr interessant. So wäre es z.B. für die Untersuchung neurophysiologischer Prozesse mit spannungssensitiven Farbstoffen wünschenswert, wenn Signaländerungen von weniger als 1 % lokal mit einer Abtastrate von mehreren 100 Hz möglich wären. Wenn man in der Laser-Scanning-Mikroskopie beugungsbegrenzte, hochauflösende Bilder generiert, kann die Auflösung nur dann gewonnen werden, wenn das Fokusvolumen beugungsbegrenzt klein ist, oder wenn das angeregte Volumen bildgebend auf einen Flä- chendetektor abgebildet wird. In der konfokalen Mikroskopie werden beide Prinzipien gleichzeitig verwendet, indem ein kleines Fokusvolumen auf ein Lochblende (Pinhole) abgebildet wird und somit die Anregungspunktfunktion und die Detektionspunktfunktion überlagert wird. Dieses Verfahren lässt sich verfeinern, indem man an die Stelle des Pin- holes einen kleinen, flächigen Detektor setzt. Die konfokale Mikroskopie und auch die konfokale Mikroskopie unter Verwendung eines sogenannten flächigen Descanned- Detektors macht nur dann Sinn, wenn die Probe hinreichend transparent ist und die Abbildung auf den Detektor fehlerfrei gelingt. Dabei schadet Streuung des erzeugten Lichtes der Zuordnung auf den flächigen Detektor und führt zu Verlust von Licht in der konfokalen Mikroskopie.
Bei der Materialbearbeitung mit Ultrakurzpulslasern werden heutzutage auch Laserscanner verwendet. Alternativ kann auch das Werkstück bewegt werden. Die Verwendung von Ultrakurzpulslasern hat den Vorteil, dass der Materialabtrag instantan geschieht und thermische Schäden in der Umgebung der Bearbeitungsfläche weitgehend vermieden werden können. Man geht zu immer höheren Leistungen, um die Bearbeitungsgeschwindigkeit zu steigern. Dabei treten dann zunehmend zu dem instantanen Abtrag durch den Laserpuls thermische Schäden des Werkstücks auf, die zur Verminderung der Abtragsqualität führen. Der fokussiert auftreffende Laserstrahl erzeugt lokal ein Plasma, in dem zunehmend freie Elektronen vorliegen. Diese werden vom elektrischen Feld des Lasers zur Oszillation angeregt und wirken bei hohen Elektronendichten in heißen Plasmen als Spiegel für den anregenden Laser, womit ein weiterer Energieeintrag in das Plasma durch den Laser unmöglich wird. Diese Effekte (Mirageeffekt) machen es notwendig, beim Übergang zu hö- heren Laserleistungen das Licht auf eine größere Fläche zu verteilen. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer solchen Aufteilung, wobei die Verteilung des Lasers auf unterschiedliche Punkte so gestaltet ist, dass diese Punkte sich auch überlappen können, da die Laserpulse nicht gleichzeitig auf dem zu bearbeitenden Material auftreffen. Kurzpulslaser werden auch für Rapid-Prototyping-Verfahren und für die Herstellung von Mikrobauteilen verwendet. Dabei wird der fokussierte Laser in eine durch Licht aushärtbare Flüssigkeit eingestrahlt. Um besonders kleine und in allen Dimensionen eingeschränkte Strukturen erzeugen zu können, werden Flüssigkeiten verwendet, die durch Mehrphoto- nenprozesse aushärtbar sind. Die Struktur wird entweder durch Scannen des Laserstrahls oder durch eine Bewegung des Objektträgers erzeugt. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit ist in der Regel nicht durch die zur Verfügung stehende Laserleistung beschränkt, sondern durch die Scangeschwindigkeit bei der Strukturerzeugung. Aus der DE 199 04 592 A1 ist ein Strahlteiler bekannt, der einen Laserstrahl in eine Linie bzw. ein Array von verschiedenen Strahlen aufteilt. Diese Aufteilung ist zeitlich und räumlich fix und kann nicht adaptiert werden. Die Aufteilung geschieht durch einen zentralen Strahlteiler, auf den das Licht wiederholt durch Spiegelpaare zurückgeworfen wird. Die Aufteilung wird durch unterschiedliche Winkel zwischen den Spiegeln und dem zentralen Teiler hervorgerufen. Da sich die Laserstrahlen zur Erzeugung von Foki in der Eintrittspupille eines Objektives vereinen müssen, ist eine der Anforderungen, dass die Abstände der Spiegelpaare zum zentralen Teiler so gewählt sind, dass die Strahlachsen sich in einem Punkt schneiden. Die unterschiedlichen Abstände der Spiegelpaare zum zentralen Teiler haben zusätzlich die Funktion zu gewährleisten, dass die Teilstrahlen die Probe nicht zum gleichen Zeitpunkt erreichen. Diese als zeitliches Multiplexing bezeichnete Eigenschaft des Strahlbündels ist essentiell für die Multiphotonen-Mikroskopie, da eine Interferenz der Wellen unterschiedlicher Teilstrahlen zum Verlust der z-Auflösung führen würde. Eine Variabilisierung des Musters der Foki ist mit dem in DE 199 04 592 beschrieben Strahlteiler nicht möglich. Soll das Muster klein sein, würde die Eigenschaft des Mul- tiplexing wegfallen, weil dann auch die zeitlichen Abstände zwischen der Beleuchtung der einzelnen Foki klein würden und die Teilstrahlen beginnen, sich zeitlich zu überlappen.
Aus der US 2009/0067458 ist eine gattungsgemäße Laseranordnung mit einem Strahlteiler bekannt, der allerdings eine reine zeitliche Aufteilung der Laserpulse bewirkt. Alle Teil- strahlen treffen in der Probe einen gemeinsamen Punkt. Die Eigenschaft des Multiplexing wird in diesem Fall erreicht, indem das Volumen zwischen den Spiegelpaaren und dem zentralen Teiler durch unterschiedliche Gläser ausgefüllt ist, die unterschiedliche Dispersionen aufweisen und daher die Teilstrahlen unterschiedlich verzögern. Die Aufteilung an dieser Anordnung ist durch die feste Montage der Elemente nicht variabel. Die WO 201 1/052248A1 beschreibt einen Strahlteilerapparat, der eine Vielzahl von gepulsten Strahlen erzeugt, die ein Objekt beleuchten, wobei Verzögerungen zwischen den einzelnen Strahlen erzeugt werden, so dass die Antwort des Objektes auf die Strahlen zeitlich getrennt werden kann. Die Erfindung löst die Aufgabe besonders schnelle Scan- ningverfahren möglich zu machen, wobei die von dem Strahlteiler erzeugten Subpulse immer getrennt detektiert werden. Die Trennung erfolgt, indem das zeitliche Delay der einzelnen Subpulse so groß ist, dass der Detektor in der Lage ist, die Response der Subpulse zeitlich zu separieren. Das Verfahren zielt auf ein Laser-Scanning-Mikroskop ab, insbesondere auf ein Fluoreszenzmikroskop, wobei die Fluoreszenzen typische Fluores- zenzlebensdauern von bis zu mehreren Nanosekunden aufweisen. Daher besteht die Aufgabe der Erfindung darin, dass die zeitlichen Verzögerungen so groß sind, dass die Floreszenzen, die als Response auf die Pulse erzeugt werden, in einem zeitlichen Abstand von mehreren Nanosekunden erzeugt werden. Daher ist es nötig, dass die Weg- streckendifferenzen groß sind. Eine weitere Anforderung, die das schnelle Scannen an den in WO 2011/052248A1 beschriebenen Apparat hat, ist, dass die Strahlen an unterschiedliche Punkte innerhalb des Objektes gelenkt werden sollen, dies geschieht durch die Einstellung entweder der Winkel zwischen den Strahlen oder eines Versatzes zwischen den Strahlen, Die Verbindung aus dem großen zeitlichen Versatz und den Winkeln macht es nötig, eine aufwändige Optik zu verwenden, die dafür sorgt, dass die finale Fo- kussieroptik zentral durch alle Teilstrahlen getroffen wird. Hierzu werden in der Anmeldung eine Serie von Relays verwendet.
Die US 2010/0053743A1 beschreibt einen Apparat für ein echtzeitfähiges 3- dimensionales Laser-Scanning-Mikroskopie-Verfahren für die Ein- und Multi-Photonen- Fluoreszenz-Mikroskopie. Die Echtzeitfähigkeit des Apparates wird dadurch gewährleistet, dass ein Strahlteiler eingesetzt wird, der unterschiedliche Punkte, und zwar auch in unterschiedlichen Fokussierebenen, mit zeitlichem Delay zueinander beleuchtet. Das Verfahren strebt auch an, die Signale von den unterschiedlichen Punkten zeitlich und örtlich voneinander zu separieren und aus jedem der einzelnen Fokusvolumina eine getrennte Bildinformation zu gewinnen. Die Trennung erfolgt einerseits durch ein Descannverfahren auf einen Multikanaldetektor und andererseits durch das zeitliche Demultiplexing mittels eines schnellen Detektors und den Verzögerungen zwischen den einzelnen Pulsen. Ferner beschreiben die WO 2009/035768 ein Beleuchtungsverfahren unter Verwendung von passiven Pulsteilern und die DE 100 50 540 A1 ein Verfahren zur Lasermikroskopie, bei dem in einer Ebene nebeneinander liegende Fokusvolumina einer Gruppe von Laserpulsen erzeugt werden, um entlang einer Linie oder entlang einer Fläche Fluoreszenz- Strahlung aus einer Probe hervorzurufen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die bekannten Laseranordnungen und Verfahren mit konstruktiv möglichst einfachen Mitteln dahingehend zu verbessern, dass sich hinsichtlich der Verwendung im Mikroskopiebereich höhere Auflösungen ergeben, vor- zugsweise mit einem rauschärmeren Signal und/oder einer geringeren Schädigung der Probe, oder dass sich hinsichtlich der Anwendung im Materialbearbeitungsbereich eine präzisere, schnellere und schädigungsärmere Bearbeitung eines Objekts ergibt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Laseranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In der erfindungsgemäßen Laseranordnung werden eine primäre Laserstrahlung beziehungsweise primäre Laserpulse durch eine Strahlteilungsoptik aufgeteilt in eine Serie von Teilstrahlen, Sekundärpulsen beziehungsweise Sub-Pulsen. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Laseranordnungen mit einer starren Verteilung der einzelnen Fokusvolumina der sekundären Laserpulse in der Probe beziehungsweise in dem Objekt sieht die Erfindung vor, dass die gegenseitige räumliche und/oder zeitliche Beziehung der Fokusvolumina aus dem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen sekundären Pulse beziehungsweise Sub-Pulse variabel einstellbar ist. Auf dem beleuchteten Objekt oder innerhalb des Objekts können die fokussierten Sub-Pulse unabhängig voneinander mit dem Objekt wechselwirken. In dieser Hinsicht ermöglicht es die Erfindung, die Fokusvolumina benachbarter Sub-Pulse entweder räumlich oder zeitlich genügend weit gegeneinander zu versetzen, dass keine unerwünschte Wechselwirkung wie beispielsweise Interfe- renzen zwischen den Fokusvolumina entstehen. Umgekehrt können die Fokusvolumina jedoch auch bei Bedarf so eng aneinander gesetzt werden, dass eine möglichst lückenlose Beleuchtung eines Teilbereichs des Objekts entsteht. Insgesamt hat die erfindungsgemäße Laseranordnung den Vorteil, dass sie extrem flexibel hinsichtlich der Beleuchtung des Objekts oder eines Teilbereichs des Objekts ist. Gemäß der Erfindung beträgt ferner die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen unterschiedlicher Sub-Pulse an ihren jeweiligen Foki maximal 3 Nanosekunden. Erreicht wird dies, indem sich die optischen Weglängen (d.h. die Integration der geometrischen Weglängen multipliziert mit dem Brechungsindex) der von den einzelnen Sub-Pulsen zurückzulegenden Strahlwege maximal um einen Betrag voneinander unterscheiden, der dividiert durch die Lichtgeschwindigkeit der Zeitdifferenz von 3 Nanosekunden entspricht. Denkbar wäre es auch, dass die maximale Zeitdifferenz noch kürzer ist, beispielsweise weniger als 2 Nanosekunden oder sogar weniger als eine Nanosekunde. Bei einer Anwendung im Mikroskopiebereich kann damit beispielsweise erreicht werden, dass die Beleuchtung der Foki aller Sub-Pulse innerhalb der Fluoreszenzlebensdauer des Materials der Probe liegt. Als besonders geeignet für verschiedene Anwendungszwecke hat es sich erwiesen, wenn die Aufteilung des primären Laserpulses in Sub-Pulse verlustfrei oder zumindest möglichst verlustarm geschieht und wenn die Strahlleistung in allen Teilstrahlen beziehungsweise die Energie in allen Sub-Pulsen in etwa gleich groß ist.
Günstig ist es ferner, wenn alle Teilstrahlen mit nur einer einzigen Optik in das Objekt fokussiert werden können. Dies kann dadurch realisiert werden, dass die Teilstrahlen die Eintrittspupille eines Scanners beziehungsweise eines Mikroskopobjektives nahezu zent- ral treffen. Diese Eigenschaft ist dann besonders gut gewährleistet, wenn die Strahlachsen der einzelnen Teilstrahlen bezüglich des Strahldurchmessers der Teilstrahlen um max. 10% gegenüber dem Zentrum der Eintrittspupille versetzt sind. In einem Beispiel wäre bei einem Strahldurchmesser von 4 mm ein Versatz in der Eintrittspupille von 400 Mikrometern akzeptabel.
Bevorzugt ist die gegenseitige räumliche Beziehung der Fokusvolumina der aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulse so einstellbar, dass sich die Fokusvolumina berühren oder zumindest teilweise überlappen. Wie bereits geschildert, kann dadurch eine lückenlose oder zumindest weitgehend lückenlose Beleuchtung eines vorgegebenen Bereichs der Probe erzielt werden.
Je nach Anwendungszweck kann es günstig sein, wenn die Fokusvolumina der aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulse in einer gemeinsamen Ebene oder in einem gemeinsamen dreidimensionalen Volumenelement (Voxel) angeord- net sind. Die Abmessungen des beleuchteten Bereichs der Ebene beziehungsweise die Abmessungen des zu beleuchtenden Voxels sind dabei vorzugsweise vorgebbar, um die Anordnung und die räumliche Beziehung der Fokusvolumina an diese vorgegebenen Dimensionen anpassen zu können. Eine solche Anpassung war mit herkömmlichen Laser- anordnungen unmöglich.
In einem anderen Anwendungsfall könnte es vorteilhaft sein, wenn die Fokusvolumina der aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulse so einstellbar sind, dass die sekundären beziehungsweise Sub-Pulse in ein gemeinsames Fokusvolu- men fokussiert werden. Dies hat den Vorteil, dass das gemeinsame Fokusvolumen die gesamte Strahlung des primären Laserpulses erfährt. Gleichzeitig können jedoch möglicherweise unerwünschte Nebeneffekte insbesondere nichtlinearer Art vermieden werden, indem die einzelnen Sub-Pulse zeitlich gestaffelt in dem gemeinsamen Fokusvolumen eintreffen.
Die Handhabung der erfindungsgemäßen Laseranordnung kann besonders einfach gestaltet werden, indem eine Einstellvorrichtung zum Einstellen der gegenseitigen räumlichen und/oder zeitlichen Beziehung der Fokusvolumina der aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulse vorgesehen ist. Diese Einstellvorrichtung kann auch zur automatischen Einstellung der zeitlichen und/oder der Lagebeziehung der einzelnen Fokusvolumina eingerichtet sein.
Im Interesse einer möglichst einfachen optischen Konfiguration ist es vorteilhaft, wenn die Einstellvorrichtung der Strahlteilungsoptik zugeordnet ist.
Vorzugsweise weist die Einstellvorrichtung mindestens einen ersten Freiheitsgrad auf, um die räumliche Beziehung eines ersten Sub-Pulses zu einem zweiten Sub-Puls einzustellen, um so eine Gruppe von Fokusvolumina zweier Sub-Pulse festzulegen. Bereits in dieser vergleichsweise simplen Konfiguration lassen sich die erfindungsgemäßen Vorteile erzielen.
Noch besser ist es jedoch, wenn die Einstellvorrichtung noch wenigstens einen weiteren Freiheitsgrad aufweist, um die räumliche Beziehung der Gruppe der mit dem beziehungsweise den vorangehenden Freiheitsgraden festgelegten Fokusvolumina zu einer weiteren Gruppe von Fokusvolumina von Sub-Pulsen einzustellen. Dies ermöglicht es, beispielsweise ein zwei- oder dreidimensionales Feld von Sub-Pulsen zu erzeugen, um so einen vorgegebenen Teilbereich des Objekts auszuleuchten. Um die Einstellung der räumlichen und/oder zeitlichen Beziehung der einzelnen Fokusvolumina der Sub-Pulse zu bewirken, kann die Einsteilvorrichtung beispielsweise wenigstens ein Piezo-Stellglied aufweisen.
Zweckmäßig ist es, wenn in wenigstens einem optischen Weg eines Sub-Pulses ein an- steuerbarer Shutter vorgesehen ist. Mittels dieses Shutters kann der Weg des Strahls unterbrochen werden, um unabhängig von diesem optischen Weg die optischen Wege anderer Sub-Pulse zu justieren. Besonders günstig ist es dabei, wenn in den optischen Wegen sämtlicher Sub-Pulse (bis auf möglicherweise einen einzigen Sub-Puls) jeweils ein separat ansteuerbarer Shutter vorgesehen ist, so dass der Weg jedes einzelnen Sub- Pulses unabhängig von den übrigen Sub-Pulsen justiert werden kann. Dies erleichtert die Justage der erfindungsgemäßen Laseranordnung erheblich.
In einer Ausführungsvariante der Erfindung ist ein Pilotlaserstrahl vorgesehen, vorzugsweise ein Dauerstrich-Pilotlaserstrahl, der auf einer mit einer optischen Achse der primä- ren Laserpulse im Wesentlichen identischen optischen Achse in die Strahlteilungsoptik einkoppelbar ist. Dieser Pilotlaserstrahl kann eine Wellenlänge haben, bei der das menschliche Auge eine hohe Empfindlichkeit aufweist. Er kann so zum Einstellen und Justieren der erfindungsgemäßen Laseranordnung verwendet werden, insbesondere zur Justage der Lage der einzelnen Fokusvolumina in dem Objekt. Insbesondere könnte es sich bei dem Pilotlaser um einen HeNe-Laser oder um einen frequenzvervielfachten Halbleiterlaser handeln.
Zweckmäßig kann es ferner sein, einen Strahlteiler und eine Abbildungsoptik vorzusehen, um die räumliche Verteilung einer Gruppe der aus einem gemeinsamen primären Laser- pulse hervorgegangenen Sub-Pulse auf einem Flächendetektor abzubilden. Auf diese Weise kann die räumliche Beziehung der Fokusvolumina der einzelnen Sub-Pulse kontrolliert und die Justage der Laseranordnung vereinfacht werden. Wird die Lage der SubPulse mittels eines Flächendetektors justiert und überprüft, so kann die Wellenlänge des Pilotlasers so gewählt werden, dass diese am Rand oder außerhalb des spektralen Berei- ches liegt, in dem der Strahlteiler betrieben werden soll. So kann gewährleistet werden, dass die Justage auch während des Betriebes überprüft werden kann.
Bei diesem Flächendetektor könnte es sich zum Beispiel um eine CCD-Kamera oder eine CMOS-Kamera handeln.
In einer weiteren Variante der Erfindung kann eine Scanneinrichtung vorgesehen sein, mittels derer ein vorgegebener Bereich des Objekts rasterbar ist durch Gruppen von Fokusvolumina von Sub-Pulsen. Dies ermöglicht es, weite Bereiche des Objekts oder sogar das gesamte Objekt sequentiell zu beleuchten, um je nach Anwendungszweck Informationen aus sämtlichen beleuchteten Bereichen des Objekts zu erhalten oder sämtliche beleuchteten Bereich des Objekts zu bearbeiten.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17. Dieses Verfahren sieht vor, dass die Größe eines zweidimensionalen Bereichs (Pixel) oder eines dreidimensionalen Bereichs (Volumenelement beziehungsweise Voxel) auf oder in dem Objekt vorgegeben wird, und dass (gegebenenfalls automatisch) die räumliche und/oder zeitliche Beziehung der Fokusvolumina der einzelnen Sub-Pulse vorzugsweise variabel so eingestellt wird, dass dieser vorgegebene Bereich des Objekts optimal ausgeleuchtet wird. Besonders günstig ist es dabei, wenn als weiterer Parameter auch die Größe der einzelnen Fokusvolumina variabel einstellbar ist.
Während des Scannprozesses bei der Erzeugung eines Bildes, bestehend aus den Bildpixeln, überstreicht der Laserstrahl bzw. die einzelnen Teilstrahlen die Probe vorzugswei- se in einem Rasterprozess. Dabei wird das Signal, das während der sogenannten Dwell- time entsteht, einem Pixel zugeordnet. Während dieser Dwelltime (Synonym zu Pixel- Integrationszeit) überstreicht der Fokus des Lasers den dem Pixel zugeordneten Objektbereich. Der Objektbereich kann im Fall der Rastermikroskopie im Bereich von 100 Na- nometern bis zu mehreren Mikrometern liegen. Typischerweise ist der Durchmesser eines Laserfokus im Submikrometerbereich, so dass bei einer Pixelgröße von z.B. 2 Mikrometern die überstrichene Fläche eine Größe von 2 x 0,3 Mikrometer hat, wenn der Fokusdurchmesser 0,3 Mikrometer ist. Der Pixel wird damit nur auf einer Linie beleuchtet und nicht auf seiner ganzen Fläche von 2 x 2 Mikrometer. Eine homogene Ausleuchtung des Pixels in dem genannten Beispiel kann erzeugt werden, wenn z.B. 8 Strahlen mit jeweils einem Strahldurchmesser von 0,3 Mikrometern nebeneinander so angeordnet werden, dass eine kurze Linie entsteht, mit der Länge von 2 Mikrometern, die senkrecht auf der Scanrichtung steht. Integriert man die Point-Spread-Functions aller Strahlen über die Dwelltime immer, so entsteht eine dwellti- me-integrierte Gesamt-Point-Spread-Function. Diese so berechnete Pointspread-Function weist eine Restwelligkeit auf, die je nach numerischer Apertur des Objektives, Wellenlänge und Wellenlänge des anregenden Laser bis zu einer Pixelgröße von 2 Mikrometern geringer als 20% ist. Eine solche Restwelligkeit von weniger als 20% wird im Sinne der Erfindung als „homogene Ausleuchtung" eines Objektbereichs beziehungsweise eines Pixels bezeichnet. Je geringer die numerische Apertur ist, desto größere Pixel können mit einer Restwelligkeit von weniger als 20% ausgeleuchtet werden. Wird das Strahlmuster in der oben genannten Weise definiert, so wird die gesamte dem Bild zugeordnete Fläche nahezu homogen ausgeleuchtet, da beim Durchlaufen der nächsten Pixelspalte die Linie, die durch den Strahlteiler erzeugt wird, nahtlos an die Linie der vorhergehende Zeile anschließt.
Schließlich bezieht sich die Erfindung auch auf die Verwendung der erfindungsgemäßen Laseranordnung oder des erfindungsgemäßen Verfahrens entweder in der Mikroskopie - beispielsweise in der Laser- beziehungsweise der Laser-Raster-Mikroskopie - oder im Bereich der Materialbearbeitung, dort insbesondere zum Rapid Prototyping.
Bei der Erfindung ist es möglich, die Fokuspositionen in einer, zwei oder sogar drei Di- mensionen variabel einzustellen. Im Fall der Nutzung der Laseranordnung in einem Laser-Rastermikroskop ist es darüber hinaus möglich, das Strahlmuster beziehungsweise das Muster der Fokuspositionen dynamisch an den Rastermodus des Mikroskops anzupassen. Dabei ist es möglich, die einem Rasterpunkt (Pixel oder Voxel) entsprechende Fläche der Probe beziehungsweise des Objekts weitestgehend vollständig durch die Strahlen des Strahlenmusters zu überstreichen. Bei Anwendung der Erfindung im Bereich der Materialbearbeitung, insbesondere beim Rapid Prototyping, erlaubt die erfindungsgemäße Laseranordnung eine dynamische Anpassung des von der Gruppe von Fokusvolumina von Sub-Pulsen beleuchteten Bereichs des Objekts an die Struktur, die bearbeitet oder im Wege des Rapid Prototyping hergestellt werden soll. In einem anderen Aspekt sieht die Erfindung die Aufteilung eines primären Laserstrahls und seine Wiedervereinigung vor, wobei auf dem Weg zwischen der Aufteilung und der Wiedervereinigung mindestens ein steuerbares einstellbares Element vorhanden ist und die beiden optischen Wegstrecken zwischen der primären Teilung und der Wiedervereinigung nicht gleich lang sind, so dass die aufgeteilten Laserstrahlen den Punkt der Wiedervereinigung zu unterschiedlichen Zeitpunkten treffen. Die Aufteilung des Laserstrahls und Wiedervereinigung kann sich gemäß der erfindungsgemäßen Anordnung mehrfach wiederholen, wobei der Wiedervereinigungspunkt auch schon wieder ein neuer Teilpunkt sein kann, so dass eine Aufteilung in zwei, vier, acht oder sechzehn oder mehr Sub-Pulse oder Teilstrahlen möglich ist. In der mikroskopischen Anwendung kann die Strahlteilungseinrichtung mit einem Laser, einem Laserscanner und einem Mikroskop kombiniert werden, wobei die verschiedenen Teilstrahlen an unterschiedliche Punkte der Probe fokussiert werden und das von der Probe emittierte Licht auf einem Detektor gesammelt wird. Durch die Anpassbarkeit der Winkel zwischen den Teilstrahlen ist es möglich ein Punktmuster zu generieren, dessen Größe an das zu untersuchende Objekt bzw. an die Pixelgröße in dem zu erzeugenden Bild angepasst wird. Ein Merkmal der Anordnung ist es, dass die zwischen den Teilstrahlen eingefügten Winkel auch sehr klein sein können, so dass das Muster der in oder auf der Probe erzeugten Foki frei definierbar ist.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
Figur 1 eine Prinzipdarstellung der räumlichen Beziehung der Fokusvolumina einzelner
Sub-Pulse,
Figuren
2a bis 2f Beispiele für unterschiedliche Anordnungen einer Gruppe von Fokusvolumina von Sub-Pulsen,
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Bereichs eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laseranordnung,
Figur 4 eine schematische Darstellung eines zweiten Bereichs der Laseranordnung, Figuren
5a, 5b eine schematische Darstellung einer Anwendung der erfindungsgemäßen Laseranordnung und
Figur 6 eine Laseranordnung wie in Figur 4 mit einer zusätzlichen Relay-Optik.
Gleiche Komponenten sind in den Figuren durchgängig mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt die prinzipielle Aufteilung der Strahlen beziehungsweise der Lage der Foki F beziehungsweise Fokusvolumina F mehrerer Sub-Pulse. Ein zentraler Strahl erzeugt in der Probe einen Fokus (a). Bei einer ersten und zweiten Aufteilung des Strahls entsteht ein zweiter Strahl der einen Fokus (b) in der Probe erzeugt. Die Lage des Fokus wird über einen steuerbaren Spiegel im Strahlengang zwischen den Aufteilungen erzeugt, der einen Winkel < i zwischen den Strahlen einfügt und somit einen Abstand zwischen den Foki F in der Probe. Zwischen der zweiten Aufteilung der beiden Strahlen in dann vier Strahlen (a, b, c, c) und einer dritten Aufteilung erzeugt ein zweiter steuerbarer Spiegel einen Winkel a2, der zu zwei neuen Foki (c) führt. Zwischen der dritten Aufteilung in 8 Strahlen (a, b, c, c, d, d, d, d) und einer Wiedervereinigung der Strahlen z.B. in einem Polarisationsteilerwürfel ist ein dritter steuerbarer Spjegel eingefügt der einen Winkel a3 erzeugt und somit vier neue Foki (d). Es sind nun alle Muster möglich, die durch Wahl beziehungsweise beliebige Kombination der Winkel a1 t α2, oc3 erzeugt werden können. Figur 2 zeigt mögliche Anordnungen des Fokusmusters, wobei Figur 2a die Aufteilung in vier Foki in Form eines Parallelogramms darstellt. Figur 2b stellt die Aufteilung in acht Strahlen da, wobei die Strahlen so angeordnet sind, dass bei einem Scanprozess entlang der eingezeichneten Pfeilrichtung die Strahlen beziehungsweise Fokusvolumina äquidis- tante Linien überstreichen. Das gezeigte Quadrat stellt eine mögliche Pixelfläche dar, die auf oder in der Probe beziehungsweise einem Objekt während des Scannens des Fokusmusters weitgehend homogen ausgeleuchtet wird. Figur 2c bis 2e zeigen die Anordnung der Foki F als Linien mit unterschiedlicher Ausrichtung. Diese Anordnung kann in Verbindung mit einer Kameradetektion zur schnellen Abtastung großer Flächen verwendet werden. Dabei kann es sinnvoll sein, auch mehr als 8 Strahlen, z.B. 16, 32 oder 64 Strahlen, zu erzeugen. Figur 2f zeigt schließlich eine Variante, bei der ein Feld von 4 x 4 Foki beziehungsweise Fokusvolumina F gebildet wird, bei dem die einzelnen Fokusvolumina sich gegenseitig berühren und insgesamt eine fast vollständige Ausleuchtung eines quadratischen Pixelbereichs erreichen. Die in Figur 1 gezeigten Winkel α2 und α3 sind üblicherweise nicht koplanar zueinander. Wird bei der Anpassung des Musters an ein Pixel zusätzlich der Strahldurchmesser und damit auch die numerische Apertur verändert, so kann die Z-Auflösung an einen dreidimensionalen Volumenbereich, d.h. ein sogenanntes Voxel, angepasst werden und dieses homogen ausgeleuchtet werden. Figur 3 zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laseranordnung 100, wobei ein gepulster, primärer Laserstrahl 1 von einem Laser L einen Strahlteiler 2 trifft, dort aufgeteilt wird und über zwei unterschiedliche optische Wege 3, 4 wieder auf den Strahlteiler 2 gelangt, wo die beiden Teilstrahlen erneut aufgeteilt werden und insgesamt 4 Strahlen mit jeweils einem Sub-Puls entstehen, die paarweise über unterschiedliche Wege 5, 6 geführt werden. In der Ausführungsform gemäß Figur 3 werden die Strahlen dann in einem Polarisationskoppler 7 wieder vereinigt. Dafür ist es vorteilhaft, die Polarisation der Strahlen in einem der beiden Strahlwege 5 oder 6 um 90° zu drehen. Vom Polarisationskoppler 7 aus gelangt das Strahlbündel 14 zum Ausgang der Strahlteilungsoptik 15 und steht dann für die weitere Verwendung zur Verfügung.
In den Strahlwegen 4 und 6 befinden sich jeweils zwei steuerbare Spiegel 8, mit denen die Teilstrahlen abgelenkt und versetzt werden können. In der Anordnung kann ein Teil der Strahlen an einem Strahlteiler 51 ausgekoppelt werden und auf einen flächigen Detektor 9 fokussiert werden, so dass die Strahlwinkel erfassbar sind. Ein zweiter flächiger De- tektor oder positionsempfindlicher Detektor oder eine Quadrantendiode oder positionsempfindlichen Detektor 10 kann verwendet werden, um die Strahllage der einzelnen Teilstrahlen zu überprüfen. Eine Auswerteeinheit 11 ist vorgesehen, um die Einstellung der Spiegel 8 mittels einer Ansteuerelektronik 12 so zu verändern, dass das Strahlmuster die gewünschte Form annimmt. Zur besseren Auswertung des Prüfmusters auf dem flächigen Detektor 9, 10 sind ansteuerbare Shutter bzw. Strahlverschlüsse 13 vorgesehen, mit denen die Teilstrahlen ausgeblendet werden können, um so die präzise Position der einzelnen Foki F sequentiell zu prüfen und einzustellen. Sinnvollerweise wird der zweite Detektor 10 so platziert, dass er sich in einer zur Eintrittsapertur der folgenden Fokussieroptik konjugierten Ebene befindet. Schließlich verlässt ein Bündel 14 von Teilstrahlen der primären Laserstrahlung 1 die Strahlteilungsoptik 15 der Laseranordnung 100. Diese Strahlteilungsoptik 15 setzt sich zusammen aus den einzelnen Strahlteilern 2, 7 und den dazwischen vorgesehenen Spie- geln 5, 8. Im Strahlenbündel 14 haben die Teilstrahlen einen geringen Winkelversatz zueinander. Außerdem können die auf den einzelnen Teilstrahlen laufenden, sekundären beziehungsweise Sub-Pulse einen einstellbaren zeitlichen Versatz zueinander aufweisen. Der räumliche Winkel jeder der Teilstrahlen (bei der dargestellten Anordnung vier Teilstrahlen) ist in zwei unterschiedlichen Richtungen einstellbar. Alle Teilstrahlen gelangen über eine Scanneinrichtung 16 (siehe Figur 4), beispielsweise einen Scannspiegel auf das Objekt beziehungsweise auf die Probe 20 und können dort in Form eines beliebigen Parallelogramms oder entlang einer Linie angeordnet werden. Alternativ zur Verwendung eines Scannerspiegels oder Scannerspiegelpaars kann auch die Probe auf einer Translationseinrichtung bewegt werden.
Mittels des Strahlteilers 2 ist der Strahl eines Pilotlasers P in die Strahlteilungsoptik 15 einkoppelbar - und zwar so, dass der Strahl des Pilotlasers P und der Strahl des Lasers L auf derselben oder zumindest nahezu derselben optischen Achse laufen. Die Strahlen werden dann beide aufgeteilt und folgen identischen oder nahezu identischen Wegen, ohne dass eine zusätzliche Optik eingebaut werden muss.
Figur 4 zeigt schematisch eine Ausführungsform eines Rastermikroskops, wobei ein oder mehrere Laser L einen Laserstrahl 1 generieren, der in der Strahlteilungsoptik 15 in ein Strahlbündel aufgeteilt wird. Dieses trifft auf einen Scanner 16, der entweder ein Polygon- Scanner, ein galvanometrischer resonanter oder nichtresonanter Scanner, ein akusto- optischer Scanner (AOD) oder eine Kombination aus diesen ist. Mittels dieses Scanners 16, einer Transferoptik 17,18 und eines Objektivs 19 wird das Laserlicht in eine Probe 20 fokussiert. Das dort ausgesendete Licht wird entweder mittels eines Dichroiten 21 auf einen ,non-descanned'-Detektor 22 gelenkt oder .descanned' mittels einer Abbildungsop- tik 24 auf einen flächigen Detektor 25 abgebildet. Eine Steuereinheit (Computer) 12, 23 erfasst die Daten der Detektoren 22, 25 und kann die Bilder darstellen. Es kann sinnvoll sein, zwischen dem Laser 14 und der Strahlteilungsoptik 15 ein variables Teleskop 26 einzubauen, mit dem der Strahldurchmesser des Laserstrahls 1 angepasst werden kann. Durch das Teleskop 26 kann die Größe der einzelnen Fokusvolumina F aller Sub-Pulse gleichzeitig verändert werden.
Figur 5 zeigt schematisch die Ausleuchtung mikroskopischer Objekte mittels des Fokus- musters, wobei in Figur 5a beispielhaft acht Strahlen z.B. ein Somata einer Zelle beleuchten. Die Foki 26 der Strahlen sind als Punkte dargestellt.
Die Ausleuchtung mit einer Linie kann, wie in Figur 5b gezeigt, auch dazu verwendet werden, linienartige Strukturen, zum Beispiel Abschnitte einer Membran M quasi simultan zu beleuchten, um diese Abschnitte schnell abzutasten. Hierbei ist es insbesondere interessant, spannungssensitive Farbstoffe in der Membran M anzuregen, um mit hoher Genauigkeit und Abtastrate Membranpotentiale bestimmen zu können. Die Pfeile in der Abbildung deuten einen Rasterprozess an, so dass die Membran M wiederholt überstrichen wird. Nicht dargestellt ist eine Variante des Scanprozesses, bei dem die Foki so angeord- net sind, dass sie die Membran im Falle eines Scanprozesses nicht gleichzeitig überstreichen. In Verbindung mit einem schnellen Detektor können dann bei sehr kurzen Scanwegen ganze Abschnitte eines linienartigen Objekts (Membran M oder auch Dendriten) schnell abgescannt und zumindest an den Kreuzungspunkten der Strahlwege mit dem Objekt dargestellt werden. Dabei kann es sinnvoll sein, eine Linie von Foki zu erzeugen und unter einem Winkel zum linienartigen Objekt über dieses zu scannen.
In einer weiteren, nicht dargestellten Ausführungsform kann die Teilung des Laserstrahls 1 an individuellen Strahlteilern 2 erfolgen, so dass die aufgeteilten Strahlen nicht wieder auf den Teiler gelenkt werden müssen, von dem sie geteilt wurden. Es ist auch sinnvoll, wenn zwischen den Teilungspunkten mehr als ein oder zwei Spiegel vorgesehen sind. Die Anordnung mit individuellen Strahlteilern kann auch so gewählt werden, dass in einem der beiden Strahlwege kein Spiegel vorhanden ist. Insbesondere ist es sinnvoll, wenn zwischen den Teilungspunkten in beiden Teilstrahlen oder Strahlbündeln jeweils entweder eine grade oder eine ungrade Anzahl an Spiegeln 3, 5, 8 vorgesehen sind, dabei ist die Verwendung keines Spiegels, also der direkte Weg zwischen einem Teiler und dem nächsten, als gerade Spiegelzahl zu werten. Damit wird erreicht, dass bei einem Versatz oder einer Winkeländerung des Eingangslaserstrahls die Ausgangsstrahlbündel 14 in eine gemeinsame Richtung bewegt oder verkippt werden und nicht gegensätzlich. Das Strahl- muster bleibt in diesem Fall in sich erhalten und bewegt sich nur als Ganzes und die Ausgangsstrahlen werden als Ganzes in eine Richtung verkippt.
Es kann weiterhin sinnvoll sein, die Ausgangsstrahlbündel aus einer virtuellen Ebene in- nerhalb des Strahlteilers 2, 7 mittels einer (z.B. telezentrischen) Abbildung auf einen außerhalb des Strahlteilers liegenden Punkt abzubilden. Dieser Punkt liegt vorzugsweise in der Nähe der Eintrittsapertur der folgenden Fokussieroptik oder auf dem Scanner 16, der seinerseits wieder auf die Eintrittsapertur der Fokussieroptik 19 abgebildet wird, siehe Figur 4. Die Abbildung ist vorzugsweise telezentrisch ausgebildet, so dass die Strahlen nach der Abbildung wieder parallel verlaufen. Die dafür notwendigen Linsen wären am Beispiel der Ausführungsform in Figur 4 zwischen der Strahlteilungsoptik 15 und dem Scanner 16 angeordnet. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass bei der Einstellung und Veränderung des Strahlmusters in dem Punkt außerhalb des Strahlteilers wenig Strahlversatz auftritt und die Strahlen die Fokussieroptik 17, 18 weitgehend zentral treffen. Wird die Ausdehnung des Strahlmusters ausreichend beschränkt, kann dabei auch darauf verzichtet werden, zwei steuerbare Spiegel 8 zwischen den Teilpunkten einzusetzen. Zudem kann eventuell auch auf die Messung der Strahllage im Detektor 10 verzichtet werden. Insbesondere kann ein geeigneter Kompromiss zwischen dem zeitlichen Versatz der Teilstrahlen und der möglichen maximalen Größe des Strahlmusters gefunden werden. Dieser kann je nach Anwendung kleiner als 1 ps aber auch mehrere ns betragen.
Eine mögliche Anordnung einer Relay-Optik ist in Figur 6 gezeigt. Dort wird eine im Strahlteiler 15 liegende virtuelle Ebene 29 durch ein Relay Linsenpaar 27 und 28 auf den Scanner 16 abgebildet. Die Strahlen, die den Strahlteiler 15 als kolliminierte Strahlen verlassen, haben zueinander einen Winkel. Dieser Winkel wird erhalten durch die Abbildung auf den Scanner 16 durch die Linsen 27 und 28, wobei die Eigenschaft der Kollimierung durch die Telezentrizität der Abbildung auch erhalten wird. Erzeugt der Strahlteiler 15 ei- nen Strahlversatz der einzelnen Strahlbündel in der virtuellen Ebene 29, so wird dieser Strahlversatz auch abgebildet auf den Scanner, aber nicht weiter durch die Winkeligkeit zwischen den einzelnen Teilstrahlen vergrößert. Wählt man für den zeitlichen Versatz zwischen den einzelnen Teilstrahlen einen nicht zu großen Wert, z.B. von insgesamt max. 3 Nanosekunden, so ist es möglich, dass der Strahlversatz der einzelnen Teilstrahlen auf dem Scanner bei einer Winkeligkeit von mehreren Milirad zwischen den Teilstrahlen kleiner als 10% vom Strahldurchmesser selbst zu halten ist.
In der Anwendung in der Mikroskopie insbesondere in lebenden Organismen kann mittels der variablen Muster der Foki im Rasterprozess dafür gesorgt werden, dass die Fläche, die einem Pixel zugeordnet ist, durch die Foki des Musters homogen ausgeleuchtet beziehungsweise überstrichen wird. Die Variabilität des Musters erlaubt dabei die Anpassung an die Größe der Pixel abhängig vom Rastermodus. Vorteilhaft ist weiterhin, wenn die Anpassung an die Pixelgröße, also den Scanmodus automatisch erfolgt, so dass auch bei wechselnden Scanmodi zu jedem Zeitpunkt die Probe homogen und damit schonend und effizient abgescant wird. Wird die Probe 20 dreidimensional abgetastet, kann das Abtastvolumen durch die Wahl der Ausleuchtung des Objektivs 19 vergrößert werden, so dass das Volumen, was einem Pixel im dreidimensionalen Bildstapel zugeordnet ist (Vo- xel), ausgeleuchtet wird. Dies kann mittels der Einstellung des variablen Teleskopes 26 geschehen. Dieses Verfahren sorgt dafür, dass die Probe 20 während des Rasterprozesses gleichmäßig belastet wird und es zu einer verringerten lokalen Schädigung kommt. Auch hier ist es Vorteilhaft, wenn die Anpassung der Anregungsapertur durch die Ausleuchtung des Objektivs automatisch an den dreidimensionalen Scanprozess erfolgt, wobei auch der Abstand der aufzunehmenden Ebenen beachtet werden muss.
Die vorgenannten Vorgehensweisen sind insbesondere vorteilhaft, wenn die Schädigung mit einer hohen Potenz von der lokalen temporären Lichtleistungsdichte abhängt.
In einer möglichen Anwendung des Strahlteilers wird das in einer Probe durch das Strahlmuster erzeugte Licht mittels eines zeitaufgelösten Detektors 22, 25 detektiert. Treffen dann die Strahlen innerhalb eines ausreichend kurzen zeitlichen Intervalls auf die Probe 20, so kann die zeitliche Antwort der Probe 20 noch zu Zwecken der FLIM-Analyse verwendet werden. Die Strahlteilungsoptik 15 gemäß der Erfindung kann bei moderatem zeitlichem Multiplexing in der Größenordnung bis insgesamt etwa 3 ns noch als gepulste Anregung betrachtet werden, wobei typische Fluoreszenzlebensdauern im Bereich zwischen 500 ps und 5 ns noch messbar bleiben.
Ist hingegen die Verteilung der Pulse zeitlich so weit verteilt, dass die einzelnen Pulse vom Detektor 22, 25 aufgelöst werden können, so ist es mittels des Detektors 22, 25 mög- lieh, aus der Zeitstruktur der Antwort der Probe 20 auf die Dichteverteilung der durch das Licht angeregten Moleküle innerhalb des Strahlmusters zu schließen. Wird diese Funktionalität zusammen mit einem Scanvorgang eingesetzt, so kann das Signal zur schnelleren Erzeugung eines hochaufgelösten Bildes verwendet werden. Bei geeigneten Bedingun- gen kann sowohl Ortsinformation, als auch Fluoreszenzlebensdauer in der Verteilung über das Strahlmuster vermessen werden.
Die vorliegende Erfindung befasst sich auch mit der Frage, wie man im Falle einer beu- gungsbegrenzten Bildaufnahme zu der schonenden Anregung in mehreren Foki kommen kann, ohne dabei Auflösung zu verlieren. Dabei wird die Anregung in mehreren Bildpunkten bei einem bekannten Anregungspunktmuster mit Dekonvolution oder iterativen Rekonstruktionsverfahren kombiniert, so dass ein Bild entsteht, wie es mit einem Einzelstrahl entstehen würde. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Daten in einem schnellen Rechner 23 verarbeitet und angezeigt werden, der zusätzliche Information über die Geometrie des Strahlmusters entweder mittels Autokorrelation aus dem Bild ermittelt oder die Informationen des Detektors 9 als Entfaltungskern verwendet.
In der erfindungsgemäßen Anordnung kommen in der Regel Pulslaser L zum Einsatz, die eine Pulswiederholrate im Bereich von beispielsweise 20 bis 100 MHz, insbesondere 80 MHz haben (Titan-Saphir-Laser oder optisch-parametrische Oszilatoren). Die Strahlaufteilung sorgt für ein zeitliches Delay zwischen den Strahlen, so dass keine zwei Strahlen gleichzeitig die Probe 20 durchqueren. Das ist günstig, da damit auch bei unterschiedlichen Fokuspositionen die Strahlkegel, die sich oberhalb und unterhalb des Fokus F durchdringen, nicht gleichzeitig durchstrahlt werden und somit keine Interferenz auftritt.
In der vorliegenden Erfindung wird das Multiplexing vorzugsweise erreicht, indem zwischen zwei Teilpunkten mindestens einer der beiden erzeugten Strahlbündel 14 entweder über mehr als einen Spiegel 5, 8 zum nächsten Teilpunkt geleitet wird oder die Anzahl der Spiegel zwischen den Teilpunkten in beiden Strahlengängen ungleich ist. Unterschiedli- che optische Wege 3, 4, die mittels unterschiedlicher Brechungsindizes in den Strahlengängen erzeugt werden, haben den Nachteil, dass die Laserstrahlung dann auch mit unterschiedlichem Chirp aufgrund der Dispersion beaufschlagt wird. Die zeitliche Struktur des Beleuchtens des einzelnen Fokusvolumina wird insbesondere dadurch veränderbar, dass man wahlweise unterschiedliche Gruppen der Sub-Pulse ein oder ausblendet. Dies kann mittels der ansteuerbaren Shutter 13 erfolgen. Insbesondere in materialwissenschaftlichen Anwendungen, bei der Laserbearbeitung und beim Rapid Prototyping kann der Scanner 16 weggelassen werden und durch einen scannenden Probentisch ersetzt werden. Der Probentisch kann eine mittels Zwei- oder Mehrphotonenprozessen aushärtbare Flüssigkeit tragen. Das Strahlmuster kann dann dazu verwendet werden, dreidimensionale Strukturen schnell und mit guter Wiedergabe- treue zu erstellen. Dabei kann der Tisch mittels motorisierter Ansteuerung so bewegt werden, dass das Muster von Foki an die zu erzeugende Struktur angepasst ist. Dabei können unterschiedliche Bereiche der Probe mittels unterschiedlicher Muster beleuchtet werden. Eine schnelle Neujustage mittels der Piezospiegel 8 ist dann vorteilhaft. Für das Rapid Prototyping kann vorteilhafterweise ein inverses Mikroskop eingesetzt werden.
Die vorliegende Erfindung macht es möglich, beim Rapid Prototyping das Volumen, was die Struktur erzeugt, variabel anzupassen, so dass die Zeit, die für die Erzeugung des Bauteils notwendig ist, reduziert werden kann. Dabei können massivere Teile eines Bauteils schneller in weniger Scanvorgängen erzeugt werden. Es ist auch möglich, durch Ein- stellen eines Fokusmusters schnell Replikate eines Bauteils beziehungsweise einer Untereinheit eines Bauteils zu erzeugen. Dabei können z.B. Gitterstrukturen und beliebige Strukturen, wie Basiszellen in Form von Rechtecken und Parallelogrammen, besonders schnell erzeugt werden. Solche Strukturen finden z.B. Verwendung als photonische Kristalle, dreidimensionale Matrices für Zellkultur und Gewebezüchtung, mikromechanische und mikrooptische Bauteile und in Mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) als Sensoren und Aktoren.

Claims
Ansprüche
Laseranordnung (100) mit einem Laser (L) zum Erzeugen von primären Laserpulsen (1), einer Strahlteilungsoptik (15) zum Aufteilen eines primären Laserpulses in eine Mehrzahl von zeitlich gestaffelten Sub-Pulsen, sowie mit einer Fokussieroptik (17, 18) zum Fokussieren der Sub-Pulse in oder auf ein Objekt (20) derart, dass jeder Sub-Puls in ein eigenes Fokusvolumen (F) fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenseitige räumliche und/oder zeitliche Beziehung der Fokusvolumina (F) der aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulse variabel einstellbar ist, wobei sich ferner die optischen Weglängen der von den einzelnen Sub-Pulsen zurückzulegenden Strahlwege (3,
4, 5, 6) maximal so sehr voneinander unterscheiden, dass die Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen unterschiedlicher Sub-Pulse an ihren jeweiligen Foki (F) maximal 3 Nanosekunden beträgt
Laseranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gegenseitige räumliche Beziehung der Fokusvolumina (F) der aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulse so einstellbar ist, dass sich die Fokusvolumina (F) berühren oder zumindest teilweise überlappen.
Laseranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokusvolumina (F) der aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulse in einer gemeinsamen Ebene oder in einem gemeinsamen dreidimensionalen Volumenelement angeordnet sind.
Laseranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokusvolumina (F) der aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulse so einstellbar sind, dass die aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulse in ein gemeinsames Fokusvolumen (F) fokussiert werden.
5. Laseranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einsteilvorrichtung (12, 8) zum Einstellen der gegenseitigen räumlichen Beziehung der Fokusvolumina (F) der aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulse vorgesehen ist.
6. Laseranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsteilvorrichtung (8, 12) der Strahlteilungsoptik (15) zugeordnet ist.
7. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsteilvorrichtung (8, 12) mindestens einen ersten Freiheitsgrad aufweist, um die räumliche Beziehung eines ersten Sub-Pulses zu einem zweiten Sub-Puls einzustellen, um so eine Gruppe von Fokusvolumina (F) zweier SubPulse festzulegen.
8. Laseranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsteilvorrichtung (8, 12) wenigstens einen weiteren Freiheitsgrad aufweist, um die räumliche Beziehung der Gruppe der mit dem bzw. den vorangehenden Freiheitsgraden festgelegten Fokusvolumina (F) zu einer weiteren Gruppe von Fokusvolumina von Sub-Pulsen einzustellen.
9. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einsteilvorrichtung wenigstens ein Piezo-Stellglied aufweist, insbesondere an einem steuerbaren Spiegel (8).
10. Laseranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem optischen Weg eines Sub-Pulses ein ansteuerbarer Shutter (13) vorgesehen ist.
1 1. Laseranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein Pilotlaserstrahl (P), vorzugsweise ein Dauerstrich- Pilotlaserstrahl, auf einer mit einer optischen Achse der primären Laserpulse im Wesentlichen identischen optischen Achse in die Strahlteilungsoptik (15) einkop- pelbar ist.
12. Laseranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass ein Flächendetektor (9,10) vorgesehen ist, auf den die räumliche
Verteilung einer Gruppe der aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulse abgebildet ist.
13. Laseranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Flä- chendetektor (9, 10) eine CCD-Kamera oder MOS-Kamera ist.
14. Laseranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Scan-Einrichtung (16) vorgesehen ist, mittels derer ein vorgegebener Bereich des Objekts (20) rasterbar ist durch Gruppen von Fokusvolumina (F) von Sub-Pulsen.
15. Laseranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Strahlteilungsoptik (15) in allen unterschiedlichen Strahlwegen (3, 4, 5, 6) zwischen einem Strahlteiler (2) und dem nachfolgenden Wiedervereinigungspunkt (2, 7) für die am Strahlteiler (2) aufgeteilten Teilstrahlen entweder jeweils eine gerade Anzahl oder eine ungerade Anzahl an Spiegeln (3, 5, 8) vorhanden ist.
16. Laseranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass eine Abbildungsoptik (27, 28) vorhanden ist, die derart angeordnet ist, dass ein Ausgangsstrahlbündel von Sub-Pulsen von einer virtuellen Ebene innerhalb der Strahlteilungsoptik (15) auf einen Punkt abgebildet wird, der auf der Scan-Einrichtung (16) oder an einer Eintrittsapertur der Fokussieroptik (17, 18) liegt.
17. Verfahren zum Beleuchten eines Bereichs eines Objekts (20) durch fokussierte Laserstrahlung, wobei die Laserstrahlung zunächst in Form von primären Laser- pulsen (1 ) vorliegt, die mittels einer Strahlteilungsoptik (15) in eine Mehrzahl von zeitlich gestaffelten Sub-Pulsen aufgeteilt werden, wobei mittels einer Fokussier- optik (17, 18, 19) jeder der Sub-Pulse in ein eigenes Fokusvolumen (F) in oder auf dem Objekt fokussiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe eines innerhalb oder auf dem Objekt zu beleuchtenden, zweidimensionalen oder dreidimensionalen Bereichs variabel festgelegt und in Abhängigkeit davon die gegenseitige räumliche und/oder zeitliche Beziehung der Fokusvolumina (F) der aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulse eingestellt wird, so dass die Fokusvolumina (F) alle aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulse innerhalb des festgelegten Bereichs liegen, wobei ferner die aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen SubPulse mit einer Zeitdifferenz von maximal 3 Nanosekunden ihre jeweiligen Foki (F) erreichen.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich auch die Größe der Fokusvolumina (F) der einzelnen Sub-Pulse so eingestellt wird, dass die Gruppe der aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Puls einander berührt oder sich zumindest teilweise überlappt.
19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der Fokusvolumina (F) der Sub-Pulse so eingestellt wird, dass der vorgegebene, zweidimensionale oder dreidimensionale Bereich möglichst gleichmäßig beleuchtet oder überstrichen wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fläche in oder auf dem Objekt, die der eines Pixel entspricht, während der Pixel-Integrationszeit zumindest weitgehend homogen von den aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulsen beleuchtet wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Änderung der Pixelgröße automatisch eine entsprechende Änderung der Größe des innerhalb oder auf dem Objekt durch die Gruppe von Sub-Pulsen beleuchteten, zweidimensionalen oder dreidimensionalen Bereichs erfolgt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgegebener Teilbereich des Objekts gerastert wird durch das Scannen einer Gruppe von Fokusvolumina von Sub-Pulsen über den vorgegebenen Teilbereich.
23. Verwendung einer Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder Einsatz des Verfahrens nach einem der Ansprüche 17 bis 22 zur Mikroskopie eines Objekts (20) oder zu einer Materialbearbeitung des Objekts (20) oder zum Rapid Prototyping.
PCT/EP2012/003431 2011-08-11 2012-08-10 Laseranordnung WO2013020713A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12753398.2A EP2742381A1 (de) 2011-08-11 2012-08-10 Laseranordnung
US14/237,455 US9705275B2 (en) 2011-08-11 2012-08-10 Laser assembly

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102011109999A DE102011109999A1 (de) 2011-08-11 2011-08-11 Laseranordnung
DE102011109999.2 2011-08-11

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013020713A1 true WO2013020713A1 (de) 2013-02-14

Family

ID=46763007

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/003431 WO2013020713A1 (de) 2011-08-11 2012-08-10 Laseranordnung

Country Status (4)

Country Link
US (1) US9705275B2 (de)
EP (1) EP2742381A1 (de)
DE (1) DE102011109999A1 (de)
WO (1) WO2013020713A1 (de)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014202646A1 (de) * 2014-02-13 2015-08-13 Leica Microsystems Cms Gmbh Verfahren zum Herstellen eines Objekts aus einem Werkstoff und/oder zum Bearbeiten eines Objekts
JP2018507782A (ja) * 2015-02-23 2018-03-22 エレクトロ サイエンティフィック インダストリーズ インコーポレーテッド 広範囲の改質のためのレーザシステム及び方法
AU2017207827B2 (en) * 2016-01-12 2021-09-30 Magic Leap, Inc. Beam angle sensor in virtual/augmented reality system
ES2932185T3 (es) 2016-02-26 2023-01-16 Univ Southern California Obtención de imágenes volumétricas optimizadas con iluminación de volumen selectivo y detección de campo de luz
JP6701322B2 (ja) * 2016-03-14 2020-05-27 オリンパス株式会社 点像分布関数の測定装置、測定方法、画像取得装置および画像取得方法
EP4097530A1 (de) * 2020-01-31 2022-12-07 The Rockefeller University Verfahren zur schnellen volumtrischen abtastung
CN111638594A (zh) * 2020-05-27 2020-09-08 南方科技大学 一种光学系统

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19904592A1 (de) 1999-02-05 2000-09-28 Lavision Gmbh Optische Vorrichtung
DE10050540A1 (de) 2000-10-11 2002-05-02 Lavision Biotec Gmbh Verfahren zur flächigen Anregung von Strahlungsemission in einer Ebene
EP1657579A1 (de) * 2004-11-11 2006-05-17 Riken Beleuchtungsvorrichtung für ein Mikroskop
US20090011614A1 (en) * 2004-06-18 2009-01-08 Electro Scientific Industries, Inc. Reconfigurable semiconductor structure processing using multiple laser beam spots
US20090067458A1 (en) 2007-09-12 2009-03-12 Na Ji Nonlinear imaging using passive pulse splitters and related technologies
US20100053743A1 (en) 2006-07-13 2010-03-04 Massimo Galimberti Apparatus for real-time three-dimensional laser scanning microscopy, with detection of single- and multi-photon fluorescence and of higher order harmonics
WO2011052248A1 (en) 2009-11-02 2011-05-05 Olympus Corporation Beam splitter apparatus, light source apparatus, and scanning observation apparatus

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6083584A (ja) * 1983-10-13 1985-05-11 Rikagaku Kenkyusho 生細胞内への物質移入法
DE10215162B4 (de) * 2002-04-05 2006-01-05 Lavision Biotec Gmbh Strahlteilervorrichtung und Laserrastermikroskop
DE102004014181A1 (de) * 2004-03-23 2005-10-06 Carl Zeiss Meditec Ag Material-Bearbeitungsvorrichtung und -verfahren
WO2006128442A1 (de) * 2005-05-31 2006-12-07 W.O.M. World Of Medicine Ag Verfahren und vorrichtung zur optischen charakterisierung von gewebe

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19904592A1 (de) 1999-02-05 2000-09-28 Lavision Gmbh Optische Vorrichtung
DE10050540A1 (de) 2000-10-11 2002-05-02 Lavision Biotec Gmbh Verfahren zur flächigen Anregung von Strahlungsemission in einer Ebene
US20090011614A1 (en) * 2004-06-18 2009-01-08 Electro Scientific Industries, Inc. Reconfigurable semiconductor structure processing using multiple laser beam spots
EP1657579A1 (de) * 2004-11-11 2006-05-17 Riken Beleuchtungsvorrichtung für ein Mikroskop
US20100053743A1 (en) 2006-07-13 2010-03-04 Massimo Galimberti Apparatus for real-time three-dimensional laser scanning microscopy, with detection of single- and multi-photon fluorescence and of higher order harmonics
US20090067458A1 (en) 2007-09-12 2009-03-12 Na Ji Nonlinear imaging using passive pulse splitters and related technologies
WO2009035768A2 (en) 2007-09-12 2009-03-19 Howard Hughes Medical Institute Nonlinear imaging using passive pulse splitters
WO2011052248A1 (en) 2009-11-02 2011-05-05 Olympus Corporation Beam splitter apparatus, light source apparatus, and scanning observation apparatus

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Handbook of Biological Confocal Microscopy", 1 January 2006, SPRINGER SCIENCE+BUSINESS MEDIA, ISBN: 978-0-38-725921-5, article JÖRG BEWERSDORF ET AL: "Multifocal Multi-Photon Microscopy", pages: 550 - 560, XP055039836 *
EGNER A ET AL: "TIME MULTIPLEXING AND PARALLELIZATION IN MULTIFOCAL MULTIPHOTON MICROSCOPY", JOURNAL OF THE OPTICAL SOCIETY OF AMERICA. A, OPTICS AND IMAGE SCIENCE, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, US, vol. 17, no. 7, 31 July 2000 (2000-07-31), pages 1192 - 1201, XP002343740, ISSN: 0740-3232, DOI: 10.1364/JOSAA.17.001192 *
GÖBEL W; KAMPA BM; HELMCHEN F.: "nlmaging cellular network dynamics in three dimensions using fast 3D laser scanning", NAT METHODS, vol. 4, 2007, pages 73 - 79, XP007908185, DOI: doi:10.1038/NMETH989
S. W. HELL ET AL: "Space-multiplexed multifocal nonlinear microscopy", JOURNAL OF MICROSCOPY, vol. 202, no. 3, 1 June 2001 (2001-06-01), pages 457 - 463, XP055040106, ISSN: 0022-2720, DOI: 10.1046/j.1365-2818.2001.00918.x *

Also Published As

Publication number Publication date
US9705275B2 (en) 2017-07-11
EP2742381A1 (de) 2014-06-18
DE102011109999A1 (de) 2013-02-14
US20140246612A1 (en) 2014-09-04

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2535754B1 (de) Abtastmikroskop und Verfahren zur lichtmikroskopischen Abbildung eines Objektes
DE102011000835B4 (de) Abtastmikroskop und Verfahren zur lichtmikroskopischen Abbildung eines Objektes
EP2587295B1 (de) Verfahren und Anordnung zur Beleuchtung einer Probe
EP3489735B1 (de) Verfahren und anordnung zur lichtblattmikroskopie
EP1576404B1 (de) Mikroskop mit beobachtungsrichtung senkrecht zur beleuchtungsrichtung
DE102007047464B4 (de) Optische Anordnung zur Photomanipulation
EP1248132B1 (de) Verfahren und Anordnung zur tiefenaufgelösten optischen Erfassung einer Probe
EP2480926B1 (de) Mikroskop
WO2013020713A1 (de) Laseranordnung
DE102013015931A1 (de) Hochauflösende Scanning-Mikroskopie
EP1720052A1 (de) Vorrichtung zur Steuerung von Lichtstrahlung
DE102013213781A1 (de) Verfahren und optische Anordnung zum Manipulieren und Abbilden einer mikroskopischen Probe
EP1720054A2 (de) Verfahren und Vorrichtung zur einstellbaren Veränderung von Licht
EP3497501A1 (de) Lichtblattmikroskop
EP1615064A1 (de) Reflektiver Phasenfilter für ein Rastermikroskop
DE10155002A1 (de) Verfahren und Anordnung zur tiefenaufgelösten optischen Erfassung einer Probe
EP4220270A1 (de) Verfahren und vorrichtung zum untersuchen einer probe
DE10118463A1 (de) Verfahren und Anordnung zur tiefenaufgelösten optischen Erfassung einer Probe
DE102014008098A1 (de) Spektral flexible, schnell umschaltbare optische Filtervorrichtung
EP2784564A1 (de) Lichtmikroskop und Verfahren zum Untersuchen einer mikroskopischen Probe
DE102012218920A1 (de) Vorrichtung zur Beleuchtung einer Probe
DE102021107821B4 (de) Lichtblatt-fluoreszenzmikroskop und verfahren zur tomographischen darstellung
DE102014203656B4 (de) Lasermikrodissektionsverfahren und Verwendung eines Lasermikrodissektionssystems
LU92846B1 (de) Verfahren und Beleuchtungsanordnung zum Beleuchten einer Probenschicht mit einem Lichtblatt
DE102014117596A1 (de) Lichtmikroskop und Verfahren zum Untersuchen einer mikroskopischen Probe mit einem Lichtmikroskop

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12753398

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14237455

Country of ref document: US