DE102011109999A1

DE102011109999A1 - Laseranordnung

Info

Publication number: DE102011109999A1
Application number: DE102011109999A
Authority: DE
Inventors: Dr. Spiecker Heinrich
Original assignee: Lavision Biotec GmbH
Current assignee: Miltenyi Biotec GmbH
Priority date: 2011-08-11
Filing date: 2011-08-11
Publication date: 2013-02-14
Also published as: EP2742381A1; US20140246612A1; WO2013020713A1; US9705275B2

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

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laseranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beziehungsweise auf ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15. 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 (Rasterung) 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 Fallen insbesondere bei den nichtlinearen mikroskopischen Techniken, die kurze Laserpulse verlangen, die Schädigung 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 μm 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 Datenaufnahmevolumen definiert [Göbel W, Kampa BM, Helmchen F.: „Imaging cellular network dynamics 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 einem 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 Flächendetektor abgebildet wird. In der konfokalen Mikroskopie werden beide Prinzipien gleichzeitig verwendet, indem ein kleines Fokusvolumen auf ein Lochblende (einhole) abgebildet wird und somit die Anregungspunktfunktion und die Detektionspunktfunktion überlagert wird. Dieses Verfahren lässt sich verfeinern, indem man an die Stelle des Pinholes 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 fuhren.
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 höheren 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 Mehrphotonenprozesse 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 Schrift 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 Teller 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 Variabiliserung 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 Multiplexing 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 Teilstrahlen 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.
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 Fluoreszenzstrahlung 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 oder 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 15. 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 Interferenzen 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.
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 zentral treffen.
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) angeordnet 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 Laseranordnungen 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 Fokusvolumen 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 Einstellvorrichtung beispielsweise wenigstens ein Piezo-Stellglied aufweisen.
Zweckmäßig ist es, wenn in wenigstens einem optischen Weg eines Sub-Pulses ein ansteuerbarer 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 erlelchtert 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 primären 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 Laserpulse 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 Sub-Pulse mittels eines Flächendetektors justiert und überprüft, so kann die Wellenlänge des Pilotlasers so gewählt werden, dass diese am Rand oder außerhalb des spektralen Bereiches 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 um 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 15. 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 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.
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 Dimensionen 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:
1 eine Prinzipdarstellung der räumlichen Beziehung der Fokusvolumina einzelner Sub-Pulse,
2a bis 2f Beispiele für unterschiedliche Anordnungen einer Gruppe von Fokusvolumina von Sub-Pulsen,
3 eine schematische Darstellung eines Bereichs eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laseranordnung,
4 eine schematische Darstellung eines zweiten Bereichs der Laseranordnung, und
5a, 5b eine schematische Darstellung einer Anwendung der erfindungsgemäßen Laseranordnung.
Gleiche Komponenten sind in den Figuren durchgängig mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt die prinzipielle Aufteilung der Strahlen beziehungsweise der Lage der 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 α₁ 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 α₂, 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 Spiegel eingefügt der einen Winkel α₃ erzeugt und somit vier neue Foki (d). Es sind nun alle Muster möglich, die durch Wahl beziehungsweise beliebige Kombination der Winkel α₁, α₂, α₃ erzeugt werden können.
2 zeigt mögliche Anordnungen des Fokusmusters, wobei 2a die Aufteilung in vier Foki in Form eines Parallelogramms darstellt. 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 äquidistante 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. 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. 2f zeigt schließlich eine Variante, bei der ein Feld von 4 × 4 Fokusvolumina F gebildet wird, bei dem die einzelnen Fokusvolumina sich gegenseitig berühren und insgesamt eine fast vollständige Ausleuchtung eines quadratischen Pixelbereichs erreichen. Die in 1 gezeigten Winkel α₁, 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.
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 3 werden die Strahlen dann in einem Polarisationskuppler 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 aus gelangt das Strahlbündel 14 zum Ausgang der Strahlteilungsoptik 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 Detektor 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 Spiegeln 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 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.
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 Polygonscanner, ein galvanometrischer resonanter oder nichtresonanter Scanner, ein akustooptischer 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 Abbildungsoptik 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 Große der einzelnen Fokusvolumina F aller Sub-Pulse gleichzeitig verändert werden.
5 zeigt schematisch die Ausleuchtung mikroskopischer Objekte mittels des Fokusmusters, wobei in 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 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 angeordnet 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 individueller 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 Strahlmuster 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 innerhalb 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 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 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.
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 (Voxel), 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 möglich, 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 Bedingungen kann sowohl Ortsinformation, als auch Fiuoreszenzlebensdauer in der Verteilung über das Strahlmuster vermessen werden.
Die vorliegende Erfindung befasst sich auch mit der Frage, wie man im Falle einer beugungsbegrenzten 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. Unterschiedliche 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 Wiedergabetreue 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 Einstellen 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19904592 A1 [0012]
DE 19904592 [0012]
US 2009/0067458 [0013]
WO 2009/035768 [0014]
DE 10050540 A1 [0014]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Göbel W, Kampa BM, Helmchen F.: „Imaging cellular network dynamics in three dimensions using fast 3D laser scanning”; Nat Methods 4: 73–79, 2007 [0006]

Claims

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.
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.
Laseranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstellvorrichtung (12, 8) zum Einstellen der gegenseitigen räumlichen Beziehung der Fokusvolumina (F) der aus einem gemeinsamen primären Laserpuls hervorgegangenen Sub-Pulse vorgesehen ist.
Laseranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (8, 12) der Strahlteilungsoptik (15) zugeordnet ist.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (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 Sub-Pulse festzulegen.
Laseranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung (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.
Laseranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellvorrichtung wenigstens ein Piezo-Stellglied aufweist, insbesondere an einem steuerbaren Spiegel (8).
Laseranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem optischen Weg eines Sub-Pulses ein ansteuerbarer Shutter (13) vorgesehen ist.
Laseranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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) einkoppelbar ist.
Laseranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, 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.
Laseranordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächendetektor (9, 10) eine CCD-Kamera oder MOS-Kamera ist.
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.
Verfahren zum Beleuchten eines Bereichs eines Objekts (20) durch fokussierte Laserstrahlung, wobei die Laserstrahlung zunächst in Form von primären Laserpulsen (1) vorliegt, die mittels einer Strahlteilungsoptik (15) in eine Mehrzahl von zeitlich gestaffelten Sub-Pulsen aufgeteilt werden, wobei mittels einer Fokussieroptik (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 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.
Verfahren nach Anspruch 15, 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.
Verfahren nach Anspruch 16, 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.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgegebener Teilbereich des Objekts gerastert wird durch das Scannen einer Gruppe von Fokusvolumina von Sub-Pulsen über den vorgegebenen Teilbereich.
Verwendung einer Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder Einsatz des Verfahrens nach einem der Ansprüche 15 bis 18 zur Mikroskopie eines Objekts (20) oder zu einer Materialbearbeitung des Objekts (20) oder zum Rapid Prototyping.