Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verringerung des Intensitätsrauschens von gepulstem Laserlicht, das aus einer Abfolge von Laserpulsen besteht.

Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verringerung des Intensitätsrauschens von Laserpulsen eines aus einem optischen Bauteil austretenden Laserlichts.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Mikroskop mit einer Vorrichtung zur Verringerung des Intensitätsrauschens. Dabei umfasst das Mikroskop einen Laser, der eine Abfolge an Laserpulsen erzeugt. Ebenso umfasst das Mikroskop mindestens ein Objektiv, welches das vom Laser erzeugte Licht auf eine zu untersuchende Probe abbildet. Dem Laser ist ein optisches Bauelement nachgeschaltet, das das vom Laser erzeugte Licht bei einmaligem Durchlauf spektral verbreitert.

Das deutsche Patent DE 43 41 553 C1 offenbart eine Vorrichtung zum Homogenisieren der Lichtverteilung eines Laserstrahls. Dabei ist im Strahlengang des Laserstrahls ein optisches System vorgesehen, dass einen Strahlteiler und drei Umlenkspiegel aufweist. Der vom Strahlteiler reflektierte und von den Umlenkspiegeln umgelenkte Teilstrahl, sowie der vom Strahlteiler transmittierte Teilstrahl sind zu einem Gesamtstrahl zusammengeführt, dessen Teilstrahlen einen Versatz aufweisen. Durch die beiden einen Versatz aufweisenden Teilstrahlen ergibt sich eine sehr hohe Homogenität des Lichtstrahlbündels, wobei der Gesamtstrahl die gleiche Strahldivergenz aufweist, wie der Primärstrahl. Die Umlenkspiegel haben eine geringe numerische Apparatur und sind somit kostengünstig. Die Vorrichtung wird vorzugsweise in der Materialbearbeitung mittels Laserstrahlung eingesetzt.

Die deutsche Patentanmeldung DE 199 31 751 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Reduzierung der Peak-Leistung einer Laserpuls-Lichtquelle. Bei der Vorrichtung ist in dem Strahlengang wenigstens eine Strahlenteilereinrichtung angeordnet, durch die über reflektierende Bauteile eine Umwegleitung für wenigstens einen Teil Lichtstrahl mit anschließender Wiedervereinigung an einem Strahlvereinigungsglied mit dem oder den anderen Teil Lichtstrahlen zu einem Gesamtstrahl erzeugt wird.

Die deutsche Patentanmeldung DE 101 15 509 A1 offenbart eine Anordnung zum Untersuchen mikroskopischer Präparate mit einem Scanmikroskop. Das Scanmikroskop umfasst eine Beleuchtungseinrichtung, die einen Laser und ein optisches Bauelement umfasst, das dem Laser nachgeschaltet ist. Das optische Bauelement besteht vorzugsweise aus mikrostrukturiertem bzw. Photonic-Band-Gap-Material oder aus einer als Photonic-Band-Gap-Material ausgebildeten Lichtleitfaser. Alternativ geeignet ist aber auch jedes Material bzw. jede Faser, die das Spektrum verbreitert, also auch z.B. hochdotierte Gläser oder eine getaperte Faser. Das in das spektral verbreiternde Material, z.B. das Photonic-Band-Gap-Material, eingebrachte Laserlicht wird durch dieses Material spektral verbreitert, sodass dem Benutzer eine Vielzahl von Wellenlängen zur Beleuchtung der Probe zur Verfügung stehen. Nachteilig ist, dass die Intensitäten der Laserimpulse hinsichtlich der unterschiedlichen Wellenlängen zeitlich schwanken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Vorrichtung zu schaffen, mit der die starken Intensitätsschwankungen der einzelnen Laserimpulse der einzelnen Wellenlängen weggemittelt werden können.

Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Des weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem starke Schwankungen der einzelnen Laserpulse bei den einzelnen Wellenlängen weggemittelt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 12 umfasst.

Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Mikroskop zu schaffen, das eine spektral verbreiterte Laserbeleuchtung für eine Probe zur Verfügung stellt, und dabei sicherstellt, dass die einzelnen Laserimpulse bei den einzelnen Wellenlängen im Wesentlichen zeitlich konstante Intensitäten aufweisen. Diese Aufgabe wir durch ein Mikroskop gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 18 umfasst.

Die Vorrichtung zur Verringerung des Intensitätsrauschens von gepulstem Laserlicht, das aus einer Abfolge von Laserpulsen besteht, besitzt einen Eingang und einen Ausgang. Am Eingang der Vorrichtung ist ein erster Strahlteiler, und am Ausgang der Vorrichtung ist ein zweiter Strahlteiler vorgesehen. In optischer Wirkstellung zum ersten und zweiten Strahlteiler sind mehrere Umlenkmittel derart angeordnet, dass mindestens eine erste optische Laufstrecke, mindestens eine zweite optische Laufstrecke und mindestens eine dritte optische Laufstrecke ausgebildet ist. Die mindestens drei Laufstrecken sind derart bemessen, dass am Ausgang der Vorrichtung die Laserpulse in den verschiedenen optischen Laufstrecken zeitlich und räumlich zusammenfallen.

Die Laufstrecken entsprechen einem ganzzahligen Vielfachen der räumlichen Abstände der Pulse. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Vorrichtung drei optische Laufstrecken umfasst, die die oben erwähnten Bedingungen erfüllen, weil dann mit besonders geringen Verlusten gearbeitet werden kann.

Die erste optische Laufstrecke ist durch den ersten Strahlteiler und den zweiten Strahlteiler festgelegt. Die zweite optische Laufstrecke ist durch den ersten Strahlteiler, einem ersten Umlenkmittel, einem zweiten Umlenkmittel und dem zweiten Strahlteiler festgelegt. Die dritte optische Laufstrecke verläuft durch den ersten und zweiten Strahlteiler, ein drittes Umlenkmittel, ein viertes Umlenkmittel, und wieder den ersten und zweiten Strahlteiler.

Ebenso ist es denkbar, dass mehrere Vorrichtungen zur Verringerung des Intensitätsrauschens von Laserpulsen hintereinander geschaltet oder kaskadiert sind.

Ferner ist das Verfahren zur Verringerung des Intensitätsrauschens von Laserpulsen eines aus einem optischen Bauteil austretenden Laserlichts vorteilhaft, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

• • dass das aus dem optischen Bauteil austretende gepulste Laserlicht, das aus einer Abfolge von Laserpulsen besteht, in eine erste optische Laufstrecke, eine zweite optische Laufstrecke und eine dritte optische Laufstrecke aufgeteilt wird, wobei die erste optische Laufstrecke zwischen einem ersten Strahlteiler und einem zweiten Strahlteiler ausgebildet wird, wobei die zweite optische Laufstrecke durch den ersten Strahlteiler, einem ersten Umlenkmittel, einem zweiten Umlenkmittel und dem zweiten Strahlteiler gebildet wird, und wobei die dritte optische Laufstrecke durch den ersten Strahlteiler, den zweiten Strahlteiler, ein drittes Umlenkmittel, ein viertes Umlenkmittel, und wieder den ersten und zweiten Strahlteiler gebildet wird, und
• • dass das Laserlicht nach Durchlaufen der ersten optischen Laufstrecke, der zweiten optischen Laufstrecke und der dritten optischen Laufstrecke überlagert wird, wobei die Laserpulse aus den verschie denen optischen Laufstrecken zeitlich und räumlich zusammenfallen.

Weiter ist ein Mikroskop von Vorteil, das eine Vorrichtung zur Verringerung des Intensitätsrauschens einer Abfolge von Laserimpulsen umfasst, die von einem Laser erzeugt worden sind. Das Mikroskop umfasst mindestens ein Objektiv, das das von dem Laser erzeugte Licht auf eine zu untersuchende Probe abbildet. Dem Laser ist ein optisches Bauelement nachgeschaltet, das das vom Laser erzeugte Licht bei spektral verbreitert. Dem optischen Bauelement ist eine Vorrichtung nachgeschaltet, wobei die Vorrichtung einen Eingang und einen Ausgang aufweist. Am Eingang ist ein erster Strahlteiler und am Ausgang ist ein zweiter Strahlteiler vorgesehen. In optischer Wirkstellung zum ersten und zweiten Strahlteiler sind mehrere Umlenkmittel derart angeordnet, dass mindestens eine erste optische Laufstrecke, eine zweite optisch Laufstrecke und mindestens eine dritte optische Laufstrecke ausgebildet ist, die derart bemessen sind, dass am Ausgang der Vorrichtung die Laserpulse in den verschiedenen optischen Laufstrecken zeitlich und räumlich zusammenfallen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben. Dabei zeigen:

1: die erfindungsgemäße Vorrichtung, die in ein Konfokalmikroskop eingesetzt, bzw. im Beleuchtungsstrahlengang eines Konfokalmikroskops angeordnet ist;

2 ein Vergleich zwischen den Laserpulsen am Eingang der erfindungsgemäßen Vorrichtung und den Laserpulsen am Ausgang der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

3: einen schematischen Aufbau der Vorrichtung zur Verringerung des Intensitätsrauschens von Laserpulsen;

4: eine Anordnung bei der die erfindungsgemäße Vorrichtung kaskadiert ist;

5: die erfindungsgemäße Vorrichtung, die mit Stellelementen und einem Rechner verbunden ist, um die Laufstrecken der einzelnen Laserpulse innerhalb der Vorrichtung abzugleichen; und

6: eine graphische Darstellung der Mittelung der Intensitätsschwankungen in Abhängigkeit von der Anzahl der die Vorrichtung durchlaufenden Pulse.

1 zeigt ein Konfokalmikroskop, das ein optisches Bauelement 3 zur spektralen Verbreiterung eines von einem Pulslaser 1 erzeugten Laserpulses verwendet. Der Pulslaser 1 definiert einen gepulsten Laserstrahl, der durch das optische Bauelement 3 geleitet wird. Das optische Bauelement ist vorzugsweise ein „Photonic-Band-Gap-Material". Das optische Bauelement 3 kann als Lichtleitfaser ausgebildet sein. Ebenso ist es möglich, dass in einer anderen Ausführungsform das optische Bauelement 3 aus einer herkömmlichen Lichtleitfaser besteht, die in einem Bereich eine Verjüngung des Außendurchmessers aufweist. Hier spricht man von einer „getaperte Faser". Eine weitere Ausführungsform kann aus hochdotierten Fasern bestehen, die analog zu den Photonic-Band-Gap-Materialien arbeiten. Nach dem Verlassen des optischen Bauelements 3 tritt das spektral breitbandige Licht 4 in eine Vorrichtung 20 ein, die zur Verringerung des Intensitätsrauschens der aus dem optischen Bauelement 3 austretenden Lichtpulse vorgesehen ist. Das aus der Vorrichtung 20 austretende Beleuchtungslicht wird mit einer ersten Optik 5 auf ein Beleuchtungspinhole 6 abgebildet und trifft anschließend auf einen Strahlteiler 7. Vom Strahlteiler 7 gelangt das spektral breitbandige Beleuchtungslicht 4 zu einer zweiten Optik 8, die einen parallelen Lichtstrahl 4a erzeugt, der auf einen Scanspiegel 9 trifft. Dem Scanspiegel sind mehrere Optiken 10 und 11 nachgeschaltet, die den Lichtstrahl 4a formen. Der Lichtstrahl 4a gelangt zu einem Objektiv 12, von dem er auf die Probe 13 abgebildet wird. Das von der Probe reflektierende oder ausgehende Licht definiert einen Beobachtungsstrahlengang 4b. Das Licht des Beobachtungsstrahlengangs 4b tritt abermals durch die zweite Optik 8 und wird auf ein Detektionspinhole 14 abgebildet, das vor einem Detektor 15 angebracht ist. Durch das optische Bauelement 3 ist es möglich, das für die Untersuchung der Probe 13 notwendige Laserlicht entsprechend der vom Benutzer gewünschten spektralen Zusammensetzung zur Verfügung zu stellen. Hinzu kommt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung 20 dafür sorgt, dass aus dem optischen Bauelement 3 austretenden Laserpulse in der Intensität gemittelt sind, sodass auf der Probe keinerlei oder nur geringe Intensitätsschwankungen der einzelnen Laserpulse vorliegen.

2 zeigt die Laserpulse, wie sie aus dem optischen Bauteil 3 (1) austreten. Auf der Abszisse 17 ist die Zeit t aufgetragen, auf der Ordinate 18 ist die Intensität I aufgetragen. Die Pulse 16 sind im gleichen zeitlichen Abstand &Dgr;t voneinander beabstandet. Jedoch schwanken die Pulse unmittelbar nach dem Austreten aus dem optischen Bauteil 3 hinsichtlich der Intensität. Die Pulse 19 sind hinsichtlich ihrer Intensität, wie ebenfalls in 2 gezeigt, nach der Mittlung konstant. Der zeitliche Abstand &Dgr;t der einzelnen Pulse 19 ist nach der Mittlung unverändert.

3 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung 20 zur Verringerung des Intensitätsrauschens von gepulstem Laserlicht. Die Vorrichtung 20 umfasst einen Eingang 21 und einen Ausgang 22. Über den Eingang 21 wird das aus dem optischen Bauteil 3 austretende Laserlicht 4 in die Vorrichtung 20 eingespeist. Dem Eingang 21 ist ein erster Strahlteiler 23 nachgeordnet. Der erste Strahlteiler 23 ist als Neutralstahlteiler ausgebildet, d.h. der Strahlteiler 23 ist unabhängig von der Wellenlänge des auf den Strahlteiler 23 auftreffenden Lichts. Dem Ausgang 22 ist ein zweiter Strahlteiler 24 vorgeordnet. Der zweite Strahlteiler 24 ist ebenfalls als Neutralstrahlteiler ausgebildet. Die Vorrichtung 20 ist von einem Gehäuse 25 umgeben, in dem der Eingang 21 und der Ausgang 22 ausgebildet sind. Im Gehäuse 25 der Vorrichtung 20 ist ferner ein erstes Umlenkmittel 26, ein zweites Umlenkmittel 27, ein drittes Umlenkmittel 28 und ein viertes Umlenkmittel 29 vorgesehen. Die Vorrichtung 20 hat eine erste Laufstrecke 201, eine zweite Laufstrecke 202 und eine dritte Laufstrecke 203 ausgebildet. Die erste optische Laufstrecke 201 ist zwischen dem ersten Strahlteiler 23 und dem zweiten Strahlteiler 24 bestimmt. Die zweite Laufstrecke 202 der Vorrichtung 20 ist durch den ersten Strahlteiler 23, dem ersten Umlenkmittel 26, dem zweiten Umlenkmittel 27 und dem zweiten Strahlteiler 24 bestimmt. Die dritte optische Laufstrecke 203 der Vorrichtung 20 ist durch den ersten Strahlteiler 23, den zweiten Strahlteiler 24, dem dritten Umlenkmittel 28, dem vierten Umlenkmittel 29, und wieder dem ersten und zweiten Strahlteiler bestimmt.

Der erste Stahlteiler 23, der zweite Strahlteiler 24 und die Umlenkmittel 26, 27, 28 und 29 sind derart im Gehäuse 25 der Vorrichtung 20 angeordnet, dass die erste optische Laufstrecke 201, die zweite Laufstrecke 202 und die dritte Laufstrecke 203 derart bemessen sind, dass am Ausgang 22 der Vorrichtung 20 die Laserpulse in den verschiedenen optischen Laufstrecken 201, 202 und 203 zeitlich und räumlich zusammenfallen. Die optischen Laufstrecken 201, 202 und 203 entsprechen ganzzahligen Vielfachen der räumlichen bzw. zeitlichen Abstände &Dgr;t der Pulse 16. In der bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung drei optische Laufstrecken 201, 202 und 203.

4 zeigt eine Kaskadierung der Vorrichtung 20 zur Verringerung des Intensitätsrauschens von gepulstem Laserlicht. Dazu werden mehrere Vorrichtungen 20 hintereinander geschaltet. Der Ausgang 22 einer Vorrichtung 20 ist mit dem Eingang 21 der darauffolgenden Vorrichtung 20 verbunden. Dadurch erreicht man eine mehrfache Überlagerung der Pulse, und somit eine weitere Ausnivellierung des Intensitätsrauschens der einzelnen Laserpulse. Der Aufbau der Vorrichtung 20 zur Verringerung des Intensitätsrauschens von gepulstem Laserlicht ist mit dem in 3 geschilderten Aufbau identisch, sodass hier auf den Aufbau der Vorrichtung 20 nicht näher eingegangen werden muss.

5 zeigt die Vorrichtung 20 zur Verringerung des Intensitätsrauschens von gepulstem Laserlicht, die mit einer Messeinrichtung 32 zur Überwachung der Pulsüberlagerung versehen ist. In dem Laserlicht, das aus dem Ausgang 22 der Vorrichtung 20 austritt, ist ein Auskoppelelement 30 vorgesehen, das einen kleinen Teil des aus der Vorrichtung 20 austretenden Laserlichts auskoppelt und auf die Messeinrichtung 32 richtet. Die Messeinrichtung 32 dient dazu, den Grad der Überlagerung der einzelnen Pulse zu bestimmen. Mindestens ein Umlenkelement in der zweiten optischen Laufstrecke 202 und der dritten optischen Laufstrecke 203 ist mit einem Stellelement 34, 36 versehen. In der hier dargestellten Ausführungsform ist das zweite Umlenkmittel 27 in der zweiten optischen Laufstrecke 202 mit dem Stellelement 34 versehen. Ebenso ist das dritte Umlenkelement 28 in der dritten optischen Laufstrecke 203 mit dem Stellelement 36 versehen. Die Stellelemente 34 und 36 sind über elektrische Leitungen 35 mit der Messeinrichtung 32 verbunden. Die Messeinrichtung 32 liefert über die elektrischen Leitungen 35 entsprechende Signale an die jeweiligen Stellelemente 34 und 36, damit die optischen Laufstrecken angepasst werden können, um somit eine optimale Überlagerung der Pulse am Ausgang 22 der Vorrichtung 20 zu erzielen. Bei der Überlagerung der Laserpulse gilt die Beziehung: a = c: (2 × f). Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit, f die Repetitionsrate des Lasers 1, und a ist dabei eine optische Weglänge innerhalb der Vorrichtung 20.

6 zeigt eine graphische Darstellung des Rauschverhaltens der optischen Pulsaddierung. Dabei ist auf der Abszisse 40 die Anzahl der Pulse aufgetragen. Auf der Ordinate 41 ist die Intensität der aus der Vorrichtung 20 austretenden Pulse in willkürlichen Einheiten aufgetragen. Der mit den Rauten markierte Graph 42 stellt die Pulse dar, so wie sie in die Vorrichtung 20 zur Pulsaddierung eingegeben werden. Es ist deutlich zu sehen, dass die Pulse des Graphen 42 um 20% um den Intensitätsmittelwert 100 schwanken. Der mit den ausgefüllten Kreisen dargestellte Graph 43 zeigt nach einer gewissen Anzahl von Pulsen, die ungefähr ≥ 20 ist, ein deutliches Einschwingen auf den Intensitätsmittelwert 100.