DE19733195A1 - Highly compact laser scanning microscope - Google Patents
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Abstract
Description
Laser-Scanning Mikroskope, die Kurzpulslaser (z. B. Picosekunden- oder Ferntosekundenlaser) einsetzten, sind bislang vor allem aus der zeitaufgelösten und der Multi-Photonen-Mikroskopie bekannt.Laser scanning microscopes, the short pulse lasers (e.g. picosecond or remote tosecond lasers) have been used so far mainly from time-resolved and multi-photon microscopy known.
Aus WO 91/07651 ist ein Zwei-Photon-Laser-Scanning-Mikroskop bekannt, mit Anregung durch Laserpulse im Subpicosekundenbereich bei Anregungswellenlängen im roten oder infraroten Bereich.A two-photon laser scanning microscope with excitation is known from WO 91/07651 by laser pulses in the subpicosecond range at excitation wavelengths in the red or infrared range.
EP 666473 A1, WO 95/30166, DE 44 14 940 A1 beschreiben Anregungen im Picosekundenbereich und darüber, mit gepulster oder kontinuierlicher Strahlung. Ein Verfahren zum optischen Anregen einer Probe mittels einer Zwei-Photonen-Anregung ist in DE C2 43 31 570 beschrieben.EP 666473 A1, WO 95/30166, DE 44 14 940 A1 describe suggestions in Picosecond range and above, with pulsed or continuous radiation. One method for optically exciting a sample using two-photon excitation is described in DE C2 43 31 570.
DE 296 09 850 der Anmelderin beschreibt die Einkopplung der Strahlung von Kurzpulslasernin in einen mikroskopischen Strahlengang über Lichtleitfasern.DE 296 09 850 by the applicant describes the coupling in of the radiation from short-pulse lasers into a microscopic beam path over optical fibers.
Die eingesetzten Kurzpulslaser (Wellenlängen-durchstimmbare Laser wie auch Festwellenlängen-Laser) sind i.a. sehr voluminös und aufgrund ihrer hohen technischen Komplexität sehr teuer und für den Anwender nur sehr schwierig handhabbar. Im allgemeinen werden die Laser mit Hilfe von Strahlführungs-Systemen (z. B. Spiegeln oder Glasprismen) direkt optisch in das Scanmodul des Laser Scanning Mikroskops eingekoppelt. Dabei sind allgemein lange optische Strahlwege erforderlich, die das System justierempfindlich und von seiner Ausdehnung sehr groß machen. Bei der i.a. häufig erforderlichen Justage des Lasers (insbesondere auch bei Veränderung der Laserwellenlänge, Abstimmung) kommt es dann i.a. zur räumlichen Wanderung des aus dem Laser ausgekoppelten Laserstrahls. In der Folge ist der Laserstrahl innerhalb des Laser Scanning Mikroskops nicht länger optimal justiert ist. Das letztere Problem kann durch eine Faserkopplung (z. B. unter Einsatz von single-mode, polarisationserhaltenden Fasern) des Kurzpulslasers umgangen werden, so daß die Justage von Laser und Laser Scanning Mikroskop voneinander isoliert sind. Eine derartige Faserkopplung eines Kurzpulslasers in ein Laser Scanning Mikroskop ist prinzipiell möglich, ist aber für die kurzen Pulse aufgrund der optische Dispersion der Glasfaser, sowie der nicht-linearen optischen Effekte wie Selbstphasen-Modulation, Brillouin-Streuung, Raman-Streunung, etc., die bei den hohen Laserintensitäten im Glasfaserkern auftreten können, i.a. sehr problematisch. The short pulse lasers used (wavelength tunable lasers as well Fixed wavelength lasers) are generally very voluminous and due to their high technical Complexity very expensive and very difficult to handle for the user. In general the lasers with the help of beam guidance systems (e.g. mirrors or glass prisms) optically coupled directly into the scan module of the laser scanning microscope. Are there Generally long optical beam paths are required, which make the system sensitive to adjustment to make it very large. At the i.a. frequently required adjustment of the laser (especially when changing the laser wavelength, tuning) for spatial migration of the laser beam coupled out of the laser. As a result, the Laser beam within the laser scanning microscope is no longer optimally adjusted. The the latter problem can be solved by fiber coupling (e.g. using single-mode, polarization-maintaining fibers) of the short pulse laser are bypassed, so that the adjustment of Laser and laser scanning microscope are isolated from each other. Such a fiber coupling a short pulse laser in a laser scanning microscope is possible in principle, but is for the short pulses due to the optical dispersion of the glass fiber, as well as the non-linear optical effects such as self-phase modulation, Brillouin scattering, Raman scattering, etc., which can occur with the high laser intensities in the glass fiber core, i.a. very problematic.
Die Erfindung beschreibt ein hoch-kompaktes Laser Scanning Mikroskop mit einem in das Scanmodul integrierten Kurzpulslaser. Mit dieser Anordnung werden vorteilhaft eine optische Direktkopplung oder eine Faserkopplung des Kurzpulslasers mit dem Laser Scanning Mikroskop umgangen.The invention describes a highly compact laser scanning microscope with one in the Scan module integrated short pulse laser. With this arrangement, an optical one is advantageous Direct coupling or a fiber coupling of the short pulse laser with laser scanning Bypassed microscope.
Kurzpulslaser, der beispielsweise technisch in einer derart hoch-kompakten Bauform ausgeführt werden kann, sind diodenlaser-gepumpte Ionen-dotierte Faserlaser, z. B. diodengepumpte Er3⁺: dotierte Faserlaser mit einer Laseremission aus dem Laserresonator bei einer Wellenlänge von etwa 1550 nm. Diese Laserstrahlung kann außerhalb des Laserresonators mittels nicht-linearer optischer Kristalle aufgrund der hohen Laser-Intensitäten mit hoher Effizienz (resonant, nicht-resonant, quasi-phase matching) auf eine Wellenlänge von etwa 790 nm frequenzverdoppelt werden. Ein Teil der Strahlung wird in dem Kristall i.a. auch in die dritte Harmonische bei etwa 515 nm und in die vierte Harmonische bei etwa 387 nm umgewandelt werden. Ebenso treten alle anderen denkbaren nicht-linearen Konversionsprozesse mit einer bestimmten Konversionseffizienz in dem Kristall auf. Damit steht beispielhaft ein hoch-kompakter Kurzpulslaser mit mehreren simultan vorhandenen verschiedenen festen Ausgangswellenlängen für diverse mikroskopische Applikationen zur Verfügung.Short-pulse lasers, which can for example be implemented technically in such a highly compact design, are diode laser-pumped ion-doped fiber lasers, e.g. B. diode-pumped Er 3 ⁺: doped fiber laser with a laser emission from the laser resonator at a wavelength of about 1550 nm. This laser radiation can outside the laser resonator using non-linear optical crystals due to the high laser intensities with high efficiency (resonant, non-resonant , quasi-phase matching) can be frequency doubled to a wavelength of around 790 nm. Some of the radiation in the crystal will generally also be converted into the third harmonic at approximately 515 nm and the fourth harmonic at approximately 387 nm. Likewise, all other conceivable non-linear conversion processes occur with a certain conversion efficiency in the crystal. Thus, for example, a highly compact short-pulse laser with several simultaneously available different fixed output wavelengths is available for various microscopic applications.
Der Laser kann z. B. in einem kompakten Gehäuse bereitgestellt werden, das in dem Chassis des Scanmoduls befestigt wird und aus einer Öffnung in dem kompakten Gehäuse den Laserstrahl, evtl. justierbar, emittiert (Abb. 1). Der Laserstrahl kann ein außerhalb des kompakten Gehäuses angeordnetes optisches System durchlaufen, das ihn auf den geeigneten Strahldurchmesser und die geeignete Strahldivergenz transformiert. Dieses optische System kann derart variabel ausgeführt werden, daß es zur Anpassung des Strahls an die chromatischen Eigenschaften des mikroskop-optischen Systems geeignet ist (z. B. einen variablen Strahlaufweiter); ebenso kann es so ausgeführt werden, daß es zur Anpassung des Strahldurchmessers an den Objektiv-Pupillendurchmesser zur Optimierung des Verhältnisses aus Transmission und räumlicher Auflösung geeignet ist (variables Zoom).The laser can e.g. B. be provided in a compact housing that is attached to the chassis of the scan module and emits the laser beam, possibly adjustable, from an opening in the compact housing ( Fig. 1). The laser beam can pass through an optical system arranged outside the compact housing, which transforms it to the appropriate beam diameter and the appropriate beam divergence. This optical system can be designed in such a way that it is suitable for adapting the beam to the chromatic properties of the microscope-optical system (e.g. a variable beam expander); it can also be designed so that it is suitable for adapting the beam diameter to the objective pupil diameter in order to optimize the ratio of transmission and spatial resolution (variable zoom).
Ein Lasershutter (Strahlunterbrecher) zur Sicherstellung der Lasersicherheit des Gerätes ist in das Scanmodul des Laser Scanning Mikroskops im Laserstrahlengang zu integrieren. Dieser kann beispielhaft als ein mechanischer Strahlunterbrecher ausgeführt werden. A laser shutter (beam interrupter) to ensure the laser safety of the device is in to integrate the scanning module of the laser scanning microscope in the laser beam path. This can be implemented, for example, as a mechanical beam interrupter.
Die Laserstrahlung kann durch ein wellenlängenselektives optisches Element zur Auswahl der in der Applikation erforderlichen Laserwellenlänge geführt werden. Dieses Element kann als ein dielektrisches Filter, ein akusto-optisches, elektro-optisches, ein refraktives oder dispersives Element oder eine Kombination daraus ausgeführt werden.The laser radiation can be selected by a wavelength-selective optical element laser wavelength required in the application. This element can be used as a dielectric filter, an acousto-optical, electro-optical, a refractive or dispersive Element or a combination thereof.
Die Laserstrahlung kann durch ein intensitäts-abschwächendes Element zur Einstellung der in der Applikation erforderlichen Laserleistung geführt werden. Dieses Element kann als ein Neutralfilter, ein akusto-optisches, elektro-optisches, ein refraktives oder dispersives Element oder eine Kombination daraus ausgeführt werden. Im Falle eines akusto-optisches Element kann dieses auch vorteilhaft als Pulse-Picker zur Variation der Pulswiederholrate des Lasers (zeitliche Isolation einzelner Laserpulse aus der kontinuierlichen Abfolge von Laserpulsen) eingesetzt werden.The laser radiation can be adjusted by an intensity-attenuating element the laser power required for the application. This item can be considered a Neutral filter, an acousto-optical, electro-optical, a refractive or dispersive element or a combination of both. In the case of an acousto-optical element can also be advantageous as a pulse picker for varying the pulse repetition rate of the laser (temporal isolation of individual laser pulses from the continuous sequence of laser pulses) be used.
Eine Prechirp-Einheit, bestehend z. B. aus einer Gitter- oder Prismensequenz oder einer Kombination daraus, kann in den Laserstrahlengang (Beleuchtungsstrahlengang) eingebracht werden zur Bereitstellung negativer Dispersion zur Kompensation der i.a. positiven Dispersion des optischen Systems aus Scanmodul, Mikroskop und Probe. Damit die Bereitstellung möglichst transform-limitierter Laserpulse am Ort der Probe vorteilhaft möglich.A pre-chirp unit consisting of e.g. B. from a grid or prism sequence or A combination of these can be introduced into the laser beam path (illuminating beam path) are used to provide negative dispersion to compensate for the i.a. positive dispersion of the optical system consisting of scan module, microscope and sample. So the deployment Laser pulses, which are as limited as possible, are advantageously possible at the location of the sample.
Die Laserstrahlung trifft danach auf einen Hauptstrahlteiler (z. B. einen dielektrischen Farbteiler), der die Laserstrahlung in Richtung der zu untersuchenden Probe lenkt. Dieser Hauptstrahlteiler, der als einer von vielen Farbteilern in einem Hauptstrahlteilerrevolver ausgeführt sein kann, kann auch gleichzeitig als das wellenlängenselektive optische Element zur Auswahl der applikativ erforderlichen Laserwellenlänge ausgeführt werden. Im Fall einer nicht optischen Nachweistechnik (z. B. OBIC oder LIVA) kann der Hauptstrahlteiler auch als ein Vollspiegel ausgeführt werden.The laser radiation then strikes a main beam splitter (e.g. a dielectric one) Color splitter), which directs the laser radiation in the direction of the sample to be examined. This Main beam splitter, which is one of many color splitters in a main beam splitter turret can also be used as the wavelength-selective optical element Selection of the laser wavelength required by application. In the case of one, not The main beam splitter can also be used as an optical detection technology (e.g. OBIC or LIVA) Full mirror can be executed.
Als Laserstrahl-Scanner können für die Strahlablenkung in x- und y-Richtung Galvanometer- Scanner eingesetzt werden. Im Falle der Multi-Photonen-Mikroskopie wird die Fluoreszenz in der Probe mit einer oder mehrerer der zur Verfügung stehenden Laserwellenlängen angeregt. Der Nachweis der Fluoreszenzstrahlung erfolgt dann i.a. in einer Multikanal-Anordnung nach Abb. 2, in der der Einsatz von konfokalen Blenden zum Erreichen der 3D-Auflösung nicht notwendig ist. In einer Variante können jedoch konfokale Pinholes eingesetzt werden, um die Tiefenauflösung weiter zu über diejenige in der einfachen Multi-Photonen-Mikroskopie zu steigern (Abb. 3).Galvanometer scanners can be used as laser beam scanners for beam deflection in the x and y directions. In the case of multi-photon microscopy, the fluorescence in the sample is excited with one or more of the available laser wavelengths. The fluorescence radiation is then generally detected in a multi-channel arrangement as shown in Fig. 2, in which the use of confocal diaphragms is not necessary to achieve the 3D resolution. In a variant, however, confocal pinholes can be used to further increase the depth resolution over that in simple multi-photon microscopy ( Fig. 3).
Detektion eines optischen oder eines nicht-optischen Signals, in de-scannter oder in nicht-de scannter Detektor-Konfiguration.Detection of an optical or a non-optical signal, in de-scanned or in non-de scanned detector configuration.
Je nach Tastverhältnis der gepulsten Laserstrahlung kann ein Lock-In Verstärker oder ein Box- Car Verstärker zum phasenempfindlichen Nachweis der Detektionssignale, synchronisiert mit der Pulswiederholrate des Lasers eingesetzt werden. Dadurch ergibt sich ein erheblich verbessertes Signal-zu-Rausch-Verhältnis durch Reduzieren der Bandbreite im Nachweissystem, in dem Rauschen zur Detektion kommt.Depending on the pulse duty factor of the pulsed laser radiation, a lock-in amplifier or a box Car amplifier for phase-sensitive detection of the detection signals, synchronized with the pulse repetition rate of the laser. This results in a significant Improved signal-to-noise ratio by reducing the bandwidth in the Detection system in which noise is detected.
Der Einsatz von Wellenlängen um 1550 nm ist bespielsweise in der mikroskopischen Inspektion von Halbleitern, insbesondere strukturierten Silizium-Wafern interessant. Wellenlängen um 1550 nm werden auch durch hoch-dotiertes Silizium noch gut transmittiert. Nur im unmittelbaren Bereich des Objektivfokus, und damit tiefendiskriminierend, kommt es zur Anregung nicht-linearer optischer Prozesse, wie der Multi-Photonen-Anregung (z. B. auch OBIC oder LIVA als nicht-optische Detektionstechniken) oder der Erzeugung höherer Harmonischer. Damit können diese nicht-linearen Prozesse als mikroskopische Kontrastverfahren auch im Zusammenhang mit dicken Silizium-Substarten zur 3D-aufgelösten Mikroskopie z. B. im Bereich der zerstörungsfreien Wafer-Inspektion eingesetzt werden.The use of wavelengths around 1550 nm is, for example, in the microscopic Inspection of semiconductors, especially structured silicon wafers interesting. Wavelengths around 1550 nm are still well transmitted by highly doped silicon. It only happens in the immediate area of the lens focus, and therefore deeply discriminatory for the excitation of non-linear optical processes, such as multi-photon excitation (e.g. also OBIC or LIVA as non-optical detection techniques) or generating higher ones More harmonious. This allows these non-linear processes to be considered microscopic Contrast method also in connection with thick silicon subtypes for 3D resolution Microscopy e.g. B. in the field of non-destructive wafer inspection.
Die Wellenlänge um 790 nm eignet sich bespielsweise insbesondere zu universellen Anregung von 2-Photonen-Prozessen in üblicherweise zur Fluoreszenzmarkierung biologischer Proben eingesetzten Farbstoffe.For example, the wavelength around 790 nm is particularly suitable for universal excitation of 2-photon processes in usually for fluorescent labeling of biological samples dyes used.
Die grüne bzw. ultraviolette Wellenlänge bei 517 nm bzw. 387 nm, kann bespielsweise zur Untersuchung von Proben im Reflexionskontrast, Fluoreszenzkontrast, zur zeitaufgelösten Mikroskopie eingesetzt werden. Die grüne Strahlung bei 517 nm kann auch als sichtbare Pilotstrahlung zur Justage bei der Montage des optischen Systems eingesetzt werden.The green or ultraviolet wavelength at 517 nm or 387 nm can be used, for example Examination of samples in reflection contrast, fluorescence contrast, for time-resolved Microscopy can be used. The green radiation at 517 nm can also be seen Pilot radiation can be used for adjustment when assembling the optical system.
Insbesondere eignet sich das beschriebene System zur Anwendung in physiologischen Fragestellungen, z. B. zum Freisetzen von "caged compounds". Hier kann die Strahlung bei 790 nm mittels 3-Photonen-Prozessen zum "Uncagen" auch in tiefen Schichten dicker Präparate genutzt werden, während die Beobachtung der freigesetzten Ionen dann durch 2-Photonen- Anregung der zur Markierung eingesetzten Fluorophore erfolgt.The system described is particularly suitable for use in physiological Questions, e.g. B. to release "caged compounds". Here the radiation at 790 nm using 3-photon processes for "uncaging" even in deep layers of thick specimens be used, while the observation of the released ions then by 2-photon The fluorophores used for labeling are excited.
Die Erfindung ist durch folgende besonders vorteilhafte Schwerpunkte gekennzeichnet: The invention is characterized by the following particularly advantageous focal points:
- - Integration eines Kurzpulslasers in das Scanmodul eines Laser Scanning Mikroskops zur Bereitstellung eines hoch-kompakten Mikroskopsystem.- Integration of a short pulse laser in the scan module of a laser scanning microscope Provision of a highly compact microscope system.
- - Integration eines Kurzpulslasers (Festfrequenz- oder wellenlängendurchstimmbar) mit einer dem Laserresonator nachgeschalteten optischen Anordnung aus einem oder mehreren nicht-linearen optischen Kristallen zur Frequenzkonversion der Laserstahlung durch Frequenzverdopplung, Frequenzverdreifachung, Summen- oder Differenzfrequenz- Erzeugung, einem anderen optisch parametrischen Prozeß oder einer beliebigen Kombination daraus, zur Bereitstellung mehrerer Wellenlängen für diverse mikroskopische Applikationen.- Integration of a short pulse laser (fixed frequency or wavelength tunable) with one the laser resonator downstream optical arrangement of one or more non-linear optical crystals for frequency conversion of laser radiation Frequency doubling, frequency tripling, sum or difference frequency Generation, another optically parametric process or any Combination of these, to provide multiple wavelengths for various microscopic Applications.
- - Der Einsatz in der zeitaufgelösten Laser Scanning Mikroskopie.- Use in time-resolved laser scanning microscopy.
- - Der Einsatz in der konfokalen oder nicht-konfokalen Laser Scanning Mikroskopie unter Ausnutzung eines optischen Detektionssignal.- Use in confocal or non-confocal laser scanning microscopy Utilization of an optical detection signal.
- - Der Einsatz in der Laser Scanning Mikroskopie unter Ausnutzung eines nicht-optischen Detektionssignal.- Use in laser scanning microscopy using a non-optical Detection signal.
- - Der Einsatz in der Laser Scanning 2-Photonen Mikroskopie.- Use in laser scanning 2-photon microscopy.
- - Der Einsatz in der Materialuntersuchung, insbesondere der Frequenzverdopplung (SHG) an Oberflächen mit Hilfe eines Laser Scanning Mikroskops.- Use in material testing, especially frequency doubling (SHG) Surfaces with the help of a laser scanning microscope.
- - Der Einsatz in der Materialuntersuchung, insbesondere zur 2D- oder 3D-OBIC.- Use in material testing, especially for 2D or 3D OBIC.
- - Der kombinierte Einsatz zweier oder mehrerer Techniken, die in den vorigen Punkten beschrieben sind.- The combined use of two or more techniques in the previous points are described.
Fig. 1 Eine beispielhafte Ausführung der Integration eines kompakten Kurzpulslasers in das Scanmodul eines Laser Scanning Mikroskops. Fig. 1 shows an exemplary embodiment of the integration of a compact short pulse laser in the scan module of a laser scanning microscope.
Fig. 2 Optischer Strahlengang für die Ausführung der Integration eines kompakten Kurzpulslasers in das Scanmodul eines Laser Scanning Mikroskops ohne den Einsatz von konfokalen Blenden im Detektionsstrahlengang. Fig. 2 Optical beam path for the implementation of the integration of a compact short-pulse laser in the scan module of a laser scanning microscope without the use of confocal diaphragms in the detection beam path.
Fig. 3 Optischer Strahlengang für die Ausführung der Integration eines kompakten Kurzpulslasers in das Scanmodul eines Laser Scanning Mikroskops mit den Einsatz von konfokalen Blenden im Detektionsstrahlengang. Fig. 3 Optical beam path for the implementation of the integration of a compact short-pulse laser in the scan module of a laser scanning microscope with the use of confocal diaphragms in the detection beam path.
Fig. 4 Der Strahlengang für eine erfindungsgemäße Kombination eines extern über eine optische Faser eingekoppelten Lasers für den Standardbetrieb eines Laser Scanning Mikroskopes und eines integrierten Kurzpulslasers. Fig. 4, the beam path of an inventive combination of an externally via an optical fiber coupled laser for the standard operation of a laser scanning microscope and an integrated short-pulse laser.
Fig. 1 zeigt schematisch das Gehäuse eines über eine Lichtdurchtrittsöffnung L mit einem mikroskopischen Strahlengang verbindbaren Scankopfes S, der im Detail in den nächsten Abbildungen beschrieben wird. Fig. 1, the housing shows schematically a connectible via a light aperture L with a microscopic optical path scan head S, which is described in detail in the next figures.
In dieses Gehäuse integriert ist das Gehäuse eines Kurzpulslasers KPL 32, der damit mit dem Scankopf S eine kompakte Einheit bildet.The housing of a short pulse laser KPL 32 is integrated into this housing, which thus forms a compact unit with the scan head S.
Vorteilhaft ist am Gehäuse des Scankopfes eine nicht dargestellte Abdeckung vorgesehen, die den Laser 32 mit abdeckt.A cover (not shown), which also covers the laser 32, is advantageously provided on the housing of the scan head.
In Fig. 2 sind schematisch eine Mikroskopeinheit M und ein Scankopf S dargestellt, die eine gemeinsame optische Schnittstelle aufweisen.A microscope unit M and a scan head S are shown schematically in FIG. 2, which have a common optical interface.
Der Scankopf S kann sowohl an den Phototubus eines aufrechten Mikroskopes sowie auch vorteilhaft an einen seitlichen Ausgang eines inversen Mikroskopes angesetzt werden (DE 43 23 129 A1).The scan head S can be attached to the phototube of an upright microscope as well can be advantageously applied to a lateral output of an inverted microscope (DE 43 23 129 A1).
In Fig. 2 ist ein zwischen Auflichtscan und Durchlichtscan mittels eines schwenkbaren Spiegels 14 umschaltbarer mikroskopischer Strahlengang dargestellt, mit Lichtquelle 1, Beleuchtungsoptik 2, Strahlteiler 3, Objektiv 4, Probe 5, Kondensor 5, Lichtquelle 7, Empfängeranordnung 8, einer ersten Tubuslinse 9, einem Beobachtungsstrahlengang mit einerzweiten Tubuslinse 10 und einem Okular 11 sowie einem Strahlteiler 12 zur Einkopplung des Scanstrahls dargestellt.In FIG. 2 a switchable between Auflichtscan and transmitted light scanning by a rotatable mirror 14 microscopic beam path is shown, with the light source 1, the illumination optics 2, beam splitter 3, lens 4, sample 5, the condenser 5, the light source 7, receiver arrangement 8, a first tube lens 9, an observation beam path with a second tube lens 10 and an eyepiece 11 and a beam splitter 12 for coupling the scan beam.
Bestandteil des Scankopfes ist erfindungsgemäß ein Kurzpulslaser 32 mit nachgeordneten Shutter 34 sowie Filtern 33 zur Wellenlängenselektion oder, wie in Fig. 4 schematisch dargestellt, mit nachgeordneten einem oder mehreren nichtlinearen optischen Kristallen 43 zur Frequenzkonversion durch Frequenzvervielfachung, Summen- oder Differenzerzeugung, der in oder an das Gehäuse, wie in Fig. 1 dargestellt, ansetzbar ist und über geeignete Strahlumlenkelemente, insbesondere Spiegel 38 gemäß Fig. 4, in den Scanstrahlengang, hier über Teilerspiegel 24 eingekoppelt wird.A component of the scan head is, according to the invention, a short-pulse laser 32 with downstream shutter 34 and filters 33 for wavelength selection or, as shown schematically in FIG. 4, with downstream one or more nonlinear optical crystals 43 for frequency conversion by frequency multiplication, sum or difference generation, in or on the casing, as shown in Fig. 1, can be attached and suitable ray deflection, in particular mirror 38 in accordance with, is injected into the scanning beam path here via splitter mirror 24 Fig. 4.
Vorteilhaft ist eine entlang der optischen Achse verschiebbare Optik 38 vorgesehen, um den Fokus im Präparat definiert einzustellen und/oder zu verändern.Optics 38 which can be displaced along the optical axis are advantageously provided in order to adjust and / or change the focus in the specimen in a defined manner.
Hierdurch entfällt erstmalig vorteilhaft eine separate Lasereinheit, was neben der größeren Kompaktheit besondere Vorteile bezüglich der fest eingestellten Justierung hat. Irgendwelche Justier- oder Einkoppelprobleme bei der Fasereinkopplung entfallen ebenfalls. Weiterhin sind Mittel 35 zur nichtoptischen Detektion, insbesondere zur Strommessung bei der Halbleiterinspektion, sowie weitere Detektionsmittel, hier ein PMT mit vorgeordneter Optik und Filtern, ohne Durchgang des Objektlichtes durch die Scanmittel hinter dem Spiegel 12, der teildurchlässig ausgebildet ist, vorgesehen.For the first time, this advantageously eliminates the need for a separate laser unit, which, in addition to being more compact, has particular advantages with regard to the fixed adjustment. Any adjustment or coupling problems in fiber coupling are also eliminated. Furthermore, means 35 for non-optical detection, in particular for current measurement during semiconductor inspection, and further detection means, here a PMT with upstream optics and filters, without passage of the object light through the scanning means behind the mirror 12 , which is partially transparent, are provided.
Die Scaneinheit besteht weiterhin aus Scanningobjektiv 22, Scanner 23, Hauptstrahlteiler 24 und einer gemeinsamen Abbildungsoptik 25 für Detektionskanäle. Ein Umlenkprisma 27 hinter der Abbildungsoptik 25 spiegelt die vom Objekt 5 kommende Strahlung in Richtung dichroitischer Strahleiler 28 im konvergenten Strahlengang der Abbildungsoptik 25, denen Emissionsfilter 30 und geeignete Empfängerelemente 31 (PMT) nachgeordnet sind.The scanning unit also consists of scanning objective 22 , scanner 23 , main beam splitter 24 and a common imaging optics 25 for detection channels. A deflecting prism 27 behind the imaging optics 25 reflects the radiation coming from the object 5 in the direction of the dichroic beam guide 28 in the convergent beam path of the imaging optics 25 , to which emission filters 30 and suitable receiver elements 31 (PMT) are arranged.
Mittels eines teildurchlässigen Spiegels 18 wird ein Überwachungsstrahlengang in Richtung einer Monitordiode 19, der, vorteilhaft auf einem nicht dargestellten drehbaren Filterrad Linienfilter 21 sowie Neutralfilter 20 vorgeordnet sind, ausgeblendet.By means of a partially transparent mirror 18 , a monitoring beam path in the direction of a monitor diode 19 , which is advantageously arranged upstream of a line filter 21 and a neutral filter 20 , which is advantageously arranged on a rotatable filter wheel (not shown), is suppressed.
Vorteilhaft können bei der Mehrphotonenanregung durch die hohe räumliche Auflösung vor den Empfängern 31 angeordnete Pinoles entfallen, diese sind jedoch gerade bei einer Kombination mit weiteren Lasern wie in Fig. 5, in drei Richtungen räumlich verstellbar, dennoch gemäß Fig. 3 als Lochblenden 37 einsetzbar. In the case of multi-photon excitation, pinoles arranged in front of the receivers 31 can advantageously be omitted due to the high spatial resolution, but these can be spatially adjusted in three directions, especially when combined with other lasers as in FIG. 5, but can nevertheless be used as pinholes 37 according to FIG .
In Fig. 4 ist ein optional ansetzbarer externer Laser 42 ist über eine Lichtleitfaser 41 mit der Lasereinkoppeleinheit des Scankopfes S verbunden und wird mittels einer verschieblichen Kollimationsoptik 40 sowie Strahlumlenkelement 39 in den Abtaststrahlengang eingekoppelt.In FIG. 4, an optional attachable external laser 42 is connected via an optical fiber 41 with the Lasereinkoppeleinheit of the scan head S and is displaceable by means of a collimation lens 40 and beam deflector coupled into the scanning beam path. 39
Es kann sich hier auch um einen nicht dargestellten Lasermodul mit mehreren Einzel- und Multiwellenlängenlasern handeln, die einzeln oder gemeinsam in eine oder mehrere Fasern eingekoppelt werden.It can also be a laser module (not shown) with several individual and Multi-wavelength lasers act individually or together in one or more fibers be coupled.
Weiterhin kann die Einkopplung auch über mehrere Fasern gleichzeitig erfolgen, deren Strahlung mikroskopseitig nach Durchlaufen einer nicht dargestellten Anpaßoptik durch Farbvereiniger gemischt wird.Furthermore, the coupling can also take place simultaneously via a plurality of fibers, their Radiation on the microscope side after passing through a matching lens (not shown) Color combiner mixed becomes.
Auch die Mischung der Strahlung verschiedener Laser am Fasereingang über nicht dargestellte Teilerspiegel ist möglich.Also the mixing of the radiation from different lasers at the fiber input via not shown Dividing mirror is possible.
Der erfindungsgemäß in den Scankopf integrierte Kurzpulslaser 32 wird hier mittels Umlenkelementen 38 bezüglich seiner Richtung geometrisch an den weiteren Scanstrahlengang und die Lage des Spiegels 39 angepaßt.The short-pulse laser 32 integrated into the scan head according to the invention is geometrically adapted here by means of deflection elements 38 with respect to its direction to the further scanning beam path and the position of the mirror 39 .
Claims (2)
Unteransprüche, sämtlich nach einem der vorhergehenden Ansprüche:
- - im zweiten Gehäuse/im Scanteil Detektionsmittel zur Erfassung der von der Probe kommenden Strahlung integriert
- - Einkoppelmittel zur Strahlanpassung bezüglich Durchmesser und Divergenz
- - variable Einkoppelmittel
- - entlang der optischen Achse verschiebbare Einkoppellinse
- - Verschluß am Laserausgang
- - einstellbare Filter am Laserausgang
- - intensitätsabschwächendes Element am Laserausgang
- - Mittel zur einstellbaren Frequenzkonversion der Laserstrahlung
- - Frequenzverdopplung, Verdreifachung, Summen- oder Differenzfrequenzerzeugung
- - als nicht-lineare optische Kristalle
- - Detektionsmittel zur Erfassung der Mehrphotonenanregung zumindest teilweise ohne vorgeordnete pinholes
- - Laser in separatem Gehäuse, das in das zweite Gehäuse integriert ist/an dieses angesetzt ist
- - Anwendung in der Halbleiterinspektion
- - zur Multiphotonenanregung
- - zur Erzeugung eines nichtoptischen Detektionssignalsignals
- - OBIC-Anwendung
- - Kombination eines solchen LSM mit einem weiteren Laser, dessen Strahlung in das zweite Gehäuse eingeführt wird
- - Einführung über Lichtleiter
- - Wellenlängen: diodengepumpte Er3+: dotierte Faserlaser mit einer Wellenlänge von etwa 1550 nm
- - Verdopplung der Frequenz mittels nichtlinearer optischer Kristalle auf etwa 790 nm.
Subclaims, all according to one of the preceding claims:
- - Detection means for detecting the radiation coming from the sample are integrated in the second housing / in the scan part
- - Coupling means for beam adjustment with regard to diameter and divergence
- - variable coupling means
- - Coupling lens displaceable along the optical axis
- - Closure at the laser output
- - adjustable filters at the laser output
- - Intensity attenuating element at the laser output
- - Means for adjustable frequency conversion of the laser radiation
- - Frequency doubling, tripling, sum or difference frequency generation
- - as non-linear optical crystals
- - Detection means for detecting the multi-photon excitation at least partially without upstream pinholes
- - Laser in a separate housing, which is integrated in the second housing / attached to it
- - Application in semiconductor inspection
- - for multiphoton excitation
- - To generate a non-optical detection signal
- - OBIC application
- - Combination of such an LSM with another laser, the radiation of which is introduced into the second housing
- - Introduction via light guide
- - Wavelengths: diode-pumped Er3 +: doped fiber lasers with a wavelength of approximately 1550 nm
- - Doubling of the frequency to about 790 nm by means of nonlinear optical crystals.
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