DE2558053A1

DE2558053A1 - Laser beam focussing using parallel auxiliary beam - uses objective to focus auxiliary beam onto surface giving required main beam focus

Info

Publication number: DE2558053A1
Application number: DE19752558053
Authority: DE
Inventors: Ernst Dipl Phys Dr Remy
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-12-22
Filing date: 1975-12-22
Publication date: 1977-06-23
Also published as: DE2558053B2; DE2558053C3

Abstract

An auxiliary parallel laser beam in the visible wavelength range is superposed on the main laser beam, so that both beams are focussed by the same objective (4). One or both beams are so influenced by optical means, that focal points of the two beams are at a required distance. The object surface is then placed at the focal point (7) of the visible beam. The main laser beam comes to a focus (8) further away from the objective than the auxiliary beam, so that when the auxiliary beam is focussed on the surface a patch or microarea is illuminated by the main laser beam.

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Einstellen eines Laserstrahl-Method and device for setting a laser beam

brennpunktes auf einen Bereich in gewünschtem Abstand von einer Objektoberfläche oder Grenzfläche die auf Mikrobereiche beschränkte j4aterialzerstörung oder -anregung mittels Laserstrahlen ist zu einem wichtigen Werxzeug der Forschung geworden. Ein Anwendungsbeispiel ist in der biologischen Forschung die gezielte Zerstörung bestimmter Bereiche von Gewebezellen, Zellkernen, Chromosomen usw. uid die Untersuchung des Verhaltens der so beschädigten Zellen bzw. die Analyse des aus den betreffenden Bereichen verdampften Materials (vgl. z.B. DT-PS 2 141 387). Bei diesen und anderen Anwendungen ergibt sich häufig das Problem, den von der Objektivoptik erzeugten Brennfleck des Laserstrahls exakt auf einen zu beeinflussenden itikrobereich einzustellen, der nicht an der Objektoberfläche, sondern in tieferen Bereichen in einem bestimmten Abstand von dieser Oberfläche liegt. Dieses Problem ist dann besonders schwierig, wenn mit unsichtbarer Laserstrahlung gearbeitet wird, wenn das Objekt selbst für sichtbares Licht undurchlässig und damit der zu beeinflussende Iviikrobereich nicht direkt beobachtbar ist, und/oder wenn die Einstellung auf den Mikrobereich bereits erfolgt sein muß, bevor der Laserstrahl überhaupt eingeschaltet wird, d.h. wenn "Probeschüsse mit dem Laserstrahl auf das Objekt aus bestimmten Gründen nicht möglich sind. focus on an area at the desired distance from an object surface or interface, the destruction or excitation of material limited to microscopic areas by means of laser beams has become an important tool in research. A Application example in biological research is the targeted destruction of certain Areas of tissue cells, cell nuclei, chromosomes, etc. uid the investigation of the Behavior of the cells damaged in this way or the analysis of the cells concerned Areas of vaporized material (see e.g. DT-PS 2 141 387). With these and others Applications often results in the problem created by the objective optics Focal point of the laser beam exactly on one to be influenced set iticro area, which is not on the object surface, but in deeper areas Areas at a certain distance from this surface. This problem is particularly difficult when working with invisible laser radiation, when the object itself is opaque to visible light and therefore the one to be influenced The micro-range is not directly observable and / or if the setting is on the Micro-range must have already been done before the laser beam is even switched on is, i.e. when "test shots with the laser beam at the object from certain Reasons are not possible.

Es ist bereits bekannt, einem unsichtbaren Laserstrahl einen sichtbaren Hilfslaserstrahl kollinear zu überlagern, um den unsichtbaren Laserstrahl zu "markieren' und mittels dieser Markierung justieren zu können (DT-OS 1 614 336). It is already known that an invisible laser beam becomes a visible one To superimpose the auxiliary laser beam collinearly in order to "mark" the invisible laser beam and to be able to adjust by means of this marking (DT-OS 1 614 336).

Eine Lösung des Problems, den Laserstrahl auf gewünschte Bereiche im Abstand von einer Objektoberfläche zu fokussieren, ist dadurch aber nicht gegeben, insbesondere da in tieferen Objektschichten regelmäßig auch der Fokus des Hilf slaserstrahls nicht direkt beobachtbar sein dürfte.One solution to the problem, the laser beam on desired areas focus at a distance from an object surface, but this is not possible, especially since the focus of the auxiliary laser beam is also regularly in deeper object layers should not be directly observable.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit der in einfacher und sehr exakter Weise eine Einstellung des Brennflecks eines fokussierten Laserstrahls auf einen gewünschten Abstand von einer Objekt oberfläche oder allgemeiner einer beobachtbaren Grenzfläche des Objektes (z.B. einer charakteristischen optischen Grenzfläche zwischen Objektbereichen) möglich ist. The invention is therefore based on the object of a method and specify a device with which a setting in a simple and very precise manner the focal point of a focused laser beam to a desired distance from an object surface or more generally an observable boundary surface of the object (e.g. a characteristic optical interface between object areas) is possible is.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß man dem Laserstrahl in an sich bekannter Weise einen parallelen Lichtstrahl, vorzugsweise einen Hilfslaserstrahl im sichtbaren Wellenlängenbereich derart überlagert, daß beide Strahlen durch das Objektiv fokussiert werden, daß man durch optische Beeinflussung des einen und/oder anderen Strahls eine bestimmte, dem gewünschten Abstand entsprechende Distanzzwischen den vom Objektiv erzeugten Brennpunkten der beiden Strahlen herstellt, und daß man die Objektoberfläche in den Brennpunkt des sichtbaren Strahls bringt. This object is achieved according to the invention in that one of the Laser beam in a manner known per se, a parallel light beam, preferably superimposed an auxiliary laser beam in the visible wavelength range in such a way that Both rays are focused through the lens, that one can be through optical manipulation of one and / or the other beam a certain distance corresponding to the desired distance Creates a distance between the focal points of the two beams produced by the objective, and that the object surface is brought into focus of the visible ray.

Durch die vorherige Herstellung einer bestimmten bekannten Distanz zwischen den Brennpunkten der beiden Strahlen braucht man dann nur noch den Brennpunkt des sichtbaren bzw. Hilfslaserstrahls an die Oberfläche des Objekts zu verlegen, was leicht mit einem Beobachtungsmikroskop festgestellt werden kann, und ist dann sicher, daß sich der Brennpunkt des Arbeitslaserstrahls im gewünschten Abstand von dieser Oberfläche befindet. By establishing a certain known distance beforehand between the focal points of the two rays one then only needs the focal point to relocate the visible or auxiliary laser beam to the surface of the object, what can be easily ascertained with an observation microscope, and then is ensure that the focal point of the working laser beam is at the desired distance from this surface is located.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bestent aus einem Arbeitslaser, einer Lichtauelle bzw. einem Hilfslaser im sichtbaren Wellenlängenbereich, -ins 1' Vorri chtung zum kollinearen Überlagern der Strahlen beider Laser, einem beide Laserstrahlen gemeinsam fokussierenden C bj ektiv und einer Einrichtung zum Verändern des Abstandes zwischen Objektiv und einem zu bestrahlenden Objekt, und ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dab im Strahl des einen und/oder anderen Lasers vor der Überlagerungseinrichtung eine veränderbare Fokussierungs- oder beIokussieruiigseinrichtung angeordnet ist. An apparatus for carrying out the method consists of one Working laser, a light source or an auxiliary laser in the visible wavelength range, -ins 1 'device for the collinear superimposition of the beams of both lasers, one both laser beams jointly focusing C bj ektiv and a device for Changing the distance between the lens and an object to be irradiated, and is characterized according to the invention in that in the beam of one and / or the other A variable focusing or focusing device in front of the superimposing device is arranged.

Diese Fokussierungs- oder Defokussierungseinrichtung kann insbesondere aus einer rz.nzahl von wahlweise in den Strahl einstellbaren Linsen unterschiedlicher Stärke bestehen oder aus einer Linsenanordnung mit kontinuierlich veränderbarer brennweite (Zoom). This focusing or defocusing device can in particular from a number of different lenses that can be optionally adjusted in the beam Strength or consist of a lens arrangement with continuously variable focal length (zoom).

Die Erfindung wird anhand der zeichnung näher erläutert, die schematisch eine stark vereinfachte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt. The invention is explained in more detail with reference to the drawing, which schematically shows a greatly simplified embodiment of a device according to the invention.

Aus einem z.B. im ultravioletten Bereich strahlenden Arbeitslaser 1 und einem im sichtbaren Wellenlängenbereich strahlen Hilfslaser 2 (oder auch einer konventionellen Lichtquelle) mit jeweils vorgeschalteter (nicht dargestellter) Optik tritt je ein paralleles Strahlungsbündel aus, und die beiden Strahlungsbündel werden mittels eines teildurchlassigen Spiegels 3 kollinear Überlagert und mittels eines weiteren teildurchlässigen Spiegels Da gemeinsam in das Objektiv 4 eier Mikroskopoptik eingekoppelt, durch welches sie auf ein Objekt 5 fokussiert werden. In den Strahl des Hilfslasers 2 zwischen diesem und dem Spiegel 3 können wahlweise Linsen 6 mit verschiedener Brennweite gebracht werden. Diese Linsen können beispielsweise auf einem geradlinig verscliiebbaren Schieber oder auf einer drehbaren Revolverhalterung angeordnet sein. Durch diese Linsen 6 wird das Strahlungsbündel des Lasers 2 schwach konvergent (oder divergent), erhält also eine (in der Uratis sehr geringe) Abweichung von der Parallelität. Dadurch wird erreicht, daß der Brennpunkt 7 des sichtbaren Laserstrahls in eines Abstand d obernalb (oder auch unterhalb) des Brennpunktes 8 des UV-Laserstrahls liegt. Bringt man das Objekt 5, das mittels einer nicht dargestellten Mechanik gehoben und gesenkt werden kann, in eine solche Stellung, daß der Brennpunkt 7 des sichtbaren Laserstrahls, wie dargestellt, an einer, z.B. der oberen Oberfläche liegt (was man z.b. durch ein an das Objektiv 4 mittels Teilerspiegel 9 angekoppeltes Mikroskopokular 10 beobachten kann), dann liegt der Brennpunkt 8 des UV-Laserstrahls im Abstand d von dieser Oberfläche. From a work laser that emits, for example, in the ultraviolet range 1 and an auxiliary laser 2 (or a conventional light source) with upstream optics (not shown) a parallel bundle of radiation emerges, and the two bundles of radiation are collinearly superimposed by means of a partially transparent mirror 3 and by means of Another partially transparent mirror Da together in the objective 4 eier microscope optics coupled, through which they are focused on an object 5. In the beam of the auxiliary laser 2 between this and the mirror 3 can optionally lenses 6 with different focal length can be brought. These lenses can for example a slide that can be locked in a straight line or on a rotatable revolver holder be arranged. The radiation beam of the laser 2 becomes weak through these lenses 6 convergent (or divergent), thus receives a (in the Uratis very small) deviation from the parallelism. This ensures that the focal point 7 of the visible Laser beam at a distance d above (or below) the focal point 8 of the UV laser beam lies. If you bring the object 5, which is not shown by means of a Mechanics can be raised and lowered in such a position that the focus 7 of the visible laser beam as shown on one, e.g., the top surface (which is e.g. Can observe microscope eyepiece 10), then the focal point 8 of the UV laser beam is at a distance d from this surface.

Der Abstand d hängt außer von der durch die Linsen 6 verursachten Konvergenz oder Divergenz des Hi».fslaserstrahls vom Laser 2 auch von der Farbabweichung des Objektiv 4 ab. The distance d depends, apart from that caused by the lenses 6 Convergence or divergence of the hi-fi laser beam from the laser 2 too on the color deviation of the lens 4.

Je nach dem, ob dieses Objektiv 4 eine normale Farbabweichung hat (bei der kurzwelliges Licht stärker gebrochen wird als langwelliges) oder aber überkorrigiert ist, also eine negative Farbabweichung hat, wird man die Linsen 6 zweckmäßiger als Sammellinsen oder als Zerstreuungslinsen ausbilden, um den gewünschten Abstand d zwischen den beiden Brennpunkten 7 und 8 herzustellen, und um zu erreichen, daß entweder der Brennpunkt 7 des sichtbaren Laserlichtes oder der Brennpunkt 8 des in der Regel kurzwelligeren Arbeitslaserstrahls näher am Objektiv 4 liegt, je nach dem ob die obere oder untere Objektoberfläche als Referenzfläche für die Einstellung des sichtbaren Brennflecks dienen soll. Bei transparenten Objekten kann auch eine optisch beobachtbare innere Grenzfläche, z.B. zwischen zwei Objektbereichen mit unterschiedlichem Brechungsindex, als Referenzfläche dienen, Anstelle mehrerer, wahlweise einstellbarer Linsen 6 kann man eine Linsenanordnung mit kontinuierlich veränderbarer Brennweite (Zoom) verwenden. Durch einen einfachen, einmalignen meßvorgang kann man feststellen, welche Werte des Abstandes d den verschiedenen Linsen 6 bzw. den verschiedenen Stellungen der Zoom-Linsenanordnung entsprechen, und man kann die Linsen 6 bzw. die Zoom-Stellungen z.B. unmittelbar in Einheiten dieses Abstandes d eichen.Depending on whether this lens 4 has a normal color deviation (in which short-wave light is refracted more strongly than long-wave light) or overcorrected is, so has a negative color deviation, the lenses 6 will be more useful than Form converging lenses or as diverging lenses in order to achieve the desired distance d between the two focal points 7 and 8, and to achieve that either the focal point 7 of the visible laser light or the focal point 8 of the usually shorter-wave working laser beam closer to the lens 4, depending on whether the upper or lower object surface as a reference surface for the setting of the visible focal point is to serve. In the case of transparent objects, a optically observable inner interface, e.g. between two object areas with different refractive index, serve as a reference surface, instead of several, Optionally adjustable lenses 6 can be a lens arrangement with continuously Use changeable focal length (zoom). With a simple, one-off measuring process it is possible to determine which values of the distance d are used by the various lenses 6 or correspond to the various positions of the zoom lens arrangement, and one can the lenses 6 or the zoom positions e.g. directly in units of this distance d oak.

Statt der Linsenanordnung 6 im Strahl des Hilfslasers (oder zusätzlich dazu) kann man in den Strahl des Arbeitslasers 1 wahlweise einstellbare Linsen verwenden, um den Abstand d zu erzeugen. Das kann zwar einen erhöhten apparativen Aufwand bedeuten, insbesondere wenn Speziallinsen für W- oder IR-Strahlung verwendet -werden müssen, hat aber den Vorteil, daß bei Änderung des Abstandes d die einmal vorgenommene Scharfeinstellung des sichtbaren Laserbrennflecks auf die Jeweilige Objektoberfläche erhalten bleibt, das Objekt also nicht neu Justiert werden muß. Instead of the lens arrangement 6 in the beam of the auxiliary laser (or additionally in addition) one can optionally use adjustable lenses in the beam of the working laser 1, to create the distance d. This can mean an increased expenditure on equipment, especially if special lenses for UV or IR radiation have to be used, but has the advantage that when the distance d is changed, the focus setting once carried out the visible laser focal point on the respective object surface is retained, the object does not have to be readjusted.

L e e r s e i t eL e r s e i t e

Claims

Claims Ö method for setting a through a lens focused laser beam on an area, in particular a Nikro area, of an object at the desired distance from an object surface or boundary layer, thereby g e -k e n n n e i c h n e t that one is familiar with the laser beam a parallel light beam, in particular an auxiliary laser beam, in the visible wavelength range superimposed so that both beams are focused by the lens that a certain, the distance between the two generated by the lens, corresponding to the desired distance Establishes focal points of the two rays, and that the object surface or - brings the interface into the focus of the visible ray.

2. Apparatus for performing the method according to claim 1, with a working laser, a light source or

an auxiliary laser in the visible wavelength range, a device for the collinear superimposition of the beams of the two lasers, one of the two laser beams jointly focusing lens and a device for changing the distance between the lens and an object to be irradiated; i c h n e t that in the beam of one and / or the other laser (1, 2) a variable focusing or defocusing device in front of the superimposing device (3) (6) is arranged.

Device according to Claim 2, characterized in that it is indicated t that the device from a number of optionally adjustable in the beam Collecting and / or diverging lenses (6) of different strengths exist.

4. Apparatus according to claim 3, characterized in that g e k e n n -z e i c h n e t that the device consists of a focusing and / or delocussing optics with adjustable zoom (zoom).

5. Device according to one of claims 1 to, characterized g e k e n It does not indicate that the focusing and / or defocusing device in units of the distance between the focal points of the two laser beams generated by the lens is calibrated.