DE10215162B4

DE10215162B4 - Strahlteilervorrichtung und Laserrastermikroskop

Info

Publication number: DE10215162B4
Application number: DE10215162A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Spiecker
Original assignee: Lavision Biotec GmbH
Current assignee: Lavision Biotec GmbH
Priority date: 2002-04-05
Filing date: 2002-04-05
Publication date: 2006-01-05
Anticipated expiration: 2022-04-06
Also published as: US20030189757A1; DE10215162A1; JP3927513B2; US7088517B2; JP2004004704A

Abstract

Strahlteilervorrichtung, umfassend mindestens zwei parallel und beabstandet zueinander angeordnete hochreflektierende Spiegel, zwischen denen ein teildurchlässiger Spiegel angeordnet ist, wobei der teildurchlässige Spiegel unterschiedliche Abstände zu den hochreflektierenden Spiegeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der teildurchlässige Spiegel zumindest einen als Voll- oder Antireflektor ausgebildeten Abschnitt aufweist, wobei der teildurchlässige Spiegel verschieblich zwischen den hochreflektierenden Spiegeln angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strahlteilervorrichtung, umfassend mindestens zwei parallel und zueinander beabstandet angeordnete hochreflektierende Spiegel, zwischen denen ein teildurchlässiger Spiegel angeordnet ist, wobei der teildurchlässige Spiegel unterschiedliche Abstände zu den hochreflektierenden Spiegeln aufweist, sowie ein Laserrastermikroskop mit einer solchen Strahlteilervorrichtung.

Mit einer derartigen, aus DE 199 04 592 C2 bekannten Strahlteilervorrichtung können Lichtstrahlen, z. B. Laserlichtstrahlen gleicher Intensität bei einer Wellenlänge erzeugt werden. Wird eine Probe demzufolge mit mehreren Strahlen gleicher Intensität bestrahlt, so ergibt sich im Falle von Ein- oder Mehr-Photonen-Anregung ein Signal, das an jeder Stelle der Probe, auf der ein Teilstrahl auftrifft, gleich ist.

Im Einzelnen ist bei dieser Strahlteilervorrichtung vorgesehen, dass die eigentliche Teilung an dem zwischen den hochreflektierenden Spiegeln angeordneten teildurchlässigen Spiegel erfolgt. Hierbei wird der Strahl zur einen Hälfte transmittiert und zur anderen Hälfte reflektiert. Die beiden hieraus resultierenden Strahlteile werden dann mittels Spiegel erneut auf die Strahlteilerplatte zurückgeworfen, wobei sich dann die Strahlteile, die zum zweiten Mal auf den teilreflektierenden bzw. teildurchlässigen Spiegel treffen, in ihrer Anzahl erneut verdoppeln, jedoch bei entsprechend geringerer Intensität, die Leistung des einzelnen Strahles halbiert sich bei jedem Teilvorgang. Auf diese Weise können zwei Strahlbündel mit jeweils 1, 2, 4, 8, 16 usw. Strahlen erzeugt werden, die bei geeigneter Einstellung der Winkel der hochreflektierenden Spiegel alle zueinander einen inkrementellen Winkel aufweisen. Durch eine bestimmte Optik wird nun dafür gesorgt, dass die beiden Strahlbündel so aufeinandergelegt werden, dass ein Strahlbündel entsteht, bei dem sich die Strahlen der beiden Teilbündel gegenseitig abwechseln. Das Strahlbündel erzeugt mittels eines Objektivs in der Probe fokussiert eine Linie von Foki, wobei diese einzelnen Foki einen äquidistanten Abstand zueinander haben.

Es hat sich nun allerdings herausgestellt, dass die mikroskopischen Proben, die mit einer Strahlung beaufschlagt werden, so wie es mit der zuvor beschriebenen Strahlteilervorrichtung möglich ist, eine Streuung des Lichtes erzeugen. Diese Streuung erfolgt sowohl bei der Anregung, als auch bei der Abbildung auf einem Detektor bzw. auf die Zwischenbildebene, die mit dem Auge beobachtet wird. Diese Streuung vermindert die Bildqualität, da der Kontrast reduziert ist. Das heißt, dass auf Grund der Streuung die Bereiche des Bildes, die in unmittelbarer Nachbarschaft zu dem Anregungsfokus durch den auf die Probe gerichteten Strahl liegen, zusätzlich erhellt werden. Gewünscht sind aber im Falle starker Streuung diskrete Foki, damit nur das Licht aus dem Fokus selber sauber ausgewertet werden kann. Das heißt, dass es sinnvoll ist, zur Untersuchung bestimmter Proben die Abstände der Foki zueinander zu ändern. Das ist beispielsweise auch dann der Fall, wenn dicke Proben untersucht werden sollen. Denn die Verminderung der Fokusqualität führt bei dicken Proben zu einer geringeren Signalausbeute, die bei nichtlinearer Anregung stark von der Leistungsdichte und somit von der Qualität des Fokus abhängig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Strahlteilervorrichtung der eingangs beschriebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass der Abstand der Foki oder die Anzahl der Foki ohne größeren Justageaufwand geändert werden kann. Zudem soll auch ein Laserrastermikroskop mit einer solchen Strahlteilervorrichtung entwickelt werden.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Strahlteilervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Laserrastermikroskop mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst.

Eine Strahlteilervorrichtung, bei der der Abstand der Foki ohne größeren Justageaufwand erhöht werden kann bzw. die Anzahl der Foki vermindert wird, zeichnet sich im Einzelnen dadurch aus, dass der teildurchlässige Spiegel zumindest einen als Voll- oder Antireflektor ausgebildeten Abschnitt aufweist, wobei der teildurchlässige Spiegel verschieblich zwischen den hochreflektierenden Spiegeln angeordnet ist. Schiebt man nun einen derartigen teildurchlässigen Spiegel mit Abschnitten ein, die insbesondere im Bereich der letzten Teilung sich durch ein vollreflektierendes Substrat oder durch ein volltransmittierendes Substrat auszeichnen, so halbiert sich die Zahl der Strahlen derart, dass die Länge der Fokuslinie halbiert ist. Führt man den teilreflektierenden Spiegel mit den entsprechenden volltransmittierenden bzw. vollreflektierenden Abschnitten weiter von der letzten Teilung aus gesehen in die Strahlteilervorrichtung, d. h. zwischen die beiden hochreflektierenden Spiegel ein, so halbiert sich die Strahlzahl erneut, und die Länge der Fokuslinie halbiert sich entsprechend ebenfalls. Dies kann durchgeführt werden, bis schließlich nur ein einzelner Strahl aus dem Bündel erhalten bleibt. Die Strahlintensität nimmt hierbei umgekehrt proportional zu der Verminderung der Anzahl der Strahlen entsprechend zu.

Im Gegensatz dazu erfolgt eine Ausdünnung der Strahlen innerhalb der Fokuslinie dann, wenn der teildurchlässige Spiegel mit seinem vollreflektierenden Substrat bzw. volltransmittierenden Substrat beginnend mit der ersten Teilung zwischen die beiden hochreflektierenden Spiegel eingeführt wird.

Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn parallel zu dem mindestens einen als Voll- oder Antireflektor ausgebildeten Abschnitt eine Kompensatorschicht vorgesehen ist, um die Dispersion der reflektierten und teilreflektierten Strahlen gleichzuhalten.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend beispielhaft näher erläutert.

1 zeigt eine Strahlteilervorrichtung;

2 zeigt eine Strahlteilervorrichtung mit Korrekturplatte;

3 zeigt die Zusammenfassung von Strahlteilbündeln zu einem Gesamtbündel;

4 zeigt eine Liste von Strahlen, wenn der Laserstrahl gemäß den 1 und 2 aufgeteilt wird und danach (3) zusammengefasst werden.

Die 1 zeigt eine typische Ausführungsform des Strahlteilers. Darin ist mit 1 der 50 % strahlteilende Teil des Strahlteilersubstrates bezeichnet. An diesen grenzt auf beiden Seiten jeweils ein antireflektierender (AR) bzw. ein hochreflektierender HR Abschnitt 2 an. Die Einschubposition 3a–e, an die der Übergang 4a–d zwischen den Abschnitten des Strahlteilers geschoben werden kann, liegt zwischen den Teilungspunkten 5a–d. Der einlaufende Laserstrahl wird am Teilpunkt 5a zunächst in zwei Strahlen aufgespaltet. Diese werden an den beiden ersten hochreflektierenden Spiegeln S reflektiert und wieder auf das Strahlteilersubstrat 1 gelenkt und treffen dieses am Teilungspunkt 5b. Dort entstehen aus den zwei Teilstrahlen vier Teilstrahlen. An den folgenden Teilungspunkten 5b und 5d entstehen dann acht bzw. sechzehn Teilstrahlen, die sich bei geeigneter Einstellung der Winkel der hochreflektierenden Spiegel S in den Überschneidungspunkten 9 der Teilstrahlen treffen. Insgesamt entstehen aus dem Strahlbündel zwei Strahlbündel bestehend aus den Strahlen 1–8 und 1'–8'.
2 zeigt eine weitere verbesserte Ausführungsform des Strahlteilers. Bei diesem wird zusätzlich zu dem strahlteilenden Substrat 1 eine Korrekturplatte 6 als Kompensatorschicht in den Strahlteiler eingebaut. Diese Korrekturplatte hat die gleiche Stärke wie das strahlteilende Substrat. Wird der Strahlteiler für die Teilung eines Ultrakurzpulslasers verwendet, so bewirkt die Korrekturplatte, dass jeder Teilstrahl eine identische Strecke im Glas zurücklegt. Die Dispersion ist somit für alle Teilstrahlen gleich. Dieses hat den Vorteil, dass die einzelnen Teilstrahlen nach der Teilung identische Eigenschaften haben.
In 3 wird gezeigt, wie die beiden Teilbündel nach der Teilung zu einem einzigen Strahlbündel zusammengefasst werden können. Hierzu wird die Polarisation der Strahlen eines Strahlbündels in einer polarisationsdrehenden Lambda-halbe-Platte 8 um 90° gedreht. Die beiden Strahlbündel werden dann in einem Polarisationskoppler 7 zu einem Strahlbündel gekoppelt. Die Reihenfolge der einzelnen Strahlen ist nach der Kopplung 1'; 1; 2';2 ...; 7'; 7; 8', 8.
4 zeigt eine Liste der Strahlen, die entstehen, wenn der Laserstrahl gemäß 1 bzw. 2 aufgeteilt wird, und die beiden Strahlbündel gemäß 3 zu einem einzelnen Bündel zusammengefasst werden. In der Tabelle werden zwei Fälle betrachtet, die sich beide auf antireflektierende (AR) Abschnitte 2 des Strahlteilersubstrates beziehen. Dabei werden die Strahlen aufgelistet, die entstehen, wenn a) der Übergang zwischen den Abschnitten des Strahlteilers 4a sich an den verschiedenen Einschubpositionen 3a–e befindet, bzw. b) der Übergang zwischen den Abschnitten des Strahlteilers 4b sich an den Positionen 3a–e befindet. Der Einschub wird also in den beiden Tabellenteilen einmal von der Seite des letzten Teilpunktes aus 5d vorgenommen bzw. von der Seite des ersten Teilpunktes 5a. Erzeugt man nun aus dem Strahlbündel mittels einer Linse bzw. eines Objektives eine Linie von Foki, so wird im Fall a die Länge der Linie schrittweise halbiert, wobei sich die Anzahl der Strahlen jeweils halbiert, im Fall b) verringert sich die Strahlzahl ebenfalls schrittweise um einen Faktor 2, wobei allerdings der Abstand der Foki sich zueinander vergrößert. Sollen die Abstände der Foki für die unter b) gezeigten Einschubpositionen exakt identisch sein, so muss die Kopplung der Strahlbündel wie in 3 für jede Einschubposition leicht nachjustiert werden.

1: Strahlteilersubstrat
2: Antireflektierender (AR) bzw. hochreflektierender (HR) Abschnitt
3: Einschubpositionen
4: Übergang zwischen den Abschnitten des Strahlteilers
5: Teilungspunkte
6: Korrekturplatte
7: Polarisationskoppler
8: Polarisationsdrehende λ/2-Platte
9: Überscheidungspunkte der Teilstrahlen

Claims

Strahlteilervorrichtung, umfassend mindestens zwei parallel und beabstandet zueinander angeordnete hochreflektierende Spiegel, zwischen denen ein teildurchlässiger Spiegel angeordnet ist, wobei der teildurchlässige Spiegel unterschiedliche Abstände zu den hochreflektierenden Spiegeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der teildurchlässige Spiegel zumindest einen als Voll- oder Antireflektor ausgebildeten Abschnitt aufweist, wobei der teildurchlässige Spiegel verschieblich zwischen den hochreflektierenden Spiegeln angeordnet ist.
Strahlteilervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zu dem teildurchlässigen Spiegel eine Kompensatorschicht vorgesehen ist, um die Dispersion der reflektierten Strahlen mit denen der transmittierten Strahlen in Übereinstimmung zu bringen.
Strahlteilervorrichtung nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der teildurchlässige Spiegel nacheinander mehrere Strahlteilungen bewirkt und mit dem als Voll- oder Antireflektor ausgebildeten Abschnitt beginnend mit dem Bereich der letzten Strahlteilung zwischen die beiden hochreflektierenden Spiegel geschoben wird.
Strahlteilervorrichtung nach einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der teildurchlässige Spiegel nacheinander mehrere Strahlteilungen bewirkt und mit dem als Voll- oder Antireflektor ausgebildeten Abschnitt beginnend mit dem Bereich der ersten Strahlteilung zwischen die beiden hochreflektierenden Spiegel eingeführt wird.
Laserrastermikroskop gekennzeichnet durch eine Strahlteilervorrichtung gemäß einem oder mehrerer der voranstehenden Ansprüche.