DE102006022197B3 - Coherent radiation source e.g. laser, for optical coherence tomography, has luminescence material layer for radiation conversion arranged in cross section area of focused output radiation - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Strahlungsquelle, welche Strahlung eines Lasers als Ausgangsstrahlung für eine Frequenzkonversion verwendet.The The invention relates to a radiation source, which radiation of a Lasers as output radiation for used a frequency conversion.
In
Die räumliche Kohärenz der alternativ vorgeschlagenen Laserdiode wird nicht genutzt. Die Laserstrahlung verlässt die Laserdiode immer mit einem großen Divergenzwinkel, was aus der Beugungstheorie folgt. Da keinerlei optische Elemente zur Fokussierung vorgesehen sind, kann auch das konvertierte Licht keine hohe räumliche Kohärenz aufweisen und ist somit für OCT-Anwendungen mit Punktscan ungeeignet.The spatial coherence the alternative proposed laser diode is not used. The Laser radiation leaves the laser diode always with a large divergence angle, resulting in the diffraction theory follows. There are no optical elements for focusing are provided, the converted light can not be high spatial coherence and is therefore for OCT applications with point scan unsuitable.
Gemäß
In
In
Andere Verfahren zur Frequenzkonversion, wie SHG, SMF und OPO, basieren auf nichtlinearen Mehrphotonen-Prozessen, für die teure nichtlineare Kristalle erforderlich sind. Diese verfahren konvertieren nur die Schwerpunktwellenlänge, aber verbreitern das Wellenlängenspektrum nicht. Sie sind daher zur Erzeugung kurzkohärenter Strahlung ungeeignet.Other Frequency conversion methods such as SHG, SMF and OPO are based on nonlinear multiphoton processes, for the expensive nonlinear crystals required are. These methods only convert the centroid wavelength, but broaden the wavelength spectrum Not. They are therefore unsuitable for generating short-coherent radiation.
Bei der optischen Kohärenztomographie (OCT) werden Strahlungsquellen benötigt, die sich:
- a) gut fokussieren lassen (vorzugsweise auf weniger als ca. 100 μm2),
- b) eine geringe longitudinale Kohärenzlänge aufweisen (ca. 10... 100 μm),
- c) eine hinreichend hohe Strahlungsleistung aufweisen (mindestens einige mW). Diese Anforderungen werden von Superluminiszenzdioden (SLD) grundsätzlich erfüllt. Allerdings sind derartige SLD aufwendig in der Herstellung und daher relativ teuer.
- a) focus well (preferably less than about 100 μm 2 ),
- b) have a low longitudinal coherence length (about 10... 100 μm),
- c) have a sufficiently high radiation power (at least a few mW). These requirements are basically met by superluminescent diodes (SLD). However, such SLD are expensive to manufacture and therefore relatively expensive.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine neue Strahlungsquelle zu schaffen, die insbesondere für die optische Kohärenztomographie geeignet ist. Sie soll kostengünstiger als Superluminiszenzdioden sein und eine geringere Kohärenzlänge ermöglichen, was zu einer höheren OCT-Auflösung führt.The Invention sets itself the task of a new radiation source create that in particular for the optical coherence tomography suitable is. It should be cheaper as superluminescent diodes and allow a lower coherence length, what to a higher one OCT resolution leads.
Die Lösung der Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The solution The object succeeds according to the invention with the features of the claim 1.
Die Unteransprüche 2 bis 10 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs. Die Erzeugung kurzkohärenter Strahlung erfolgt mittels Laserlicht, das auf eine gekühlte Leuchtstoffschicht fokussiert wird. Als Laserquellen kommen bevorzugt Laserdioden im Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 800 nm zum Einsatz. Eine konventionelle Laserdiode (grundsätzlich ist hier jede Art von Laser möglich) strahlt kohärente Laserstrahlung ab. Die Kohärenzlänge liegt typischerweise im Meter-Bereich. Die Laserstrahlung wird auf die Leuchtstoffschicht fokussiert, die auf einem transparenten Trägermaterial aufgebracht ist. Der Leuchtstoff wandelt die Laserstrahlung in kurzkohärente Strahlung gemäß seinem Emissionsspektrum um. Leuchtstoffe mit hoher Konversionseffizienz (bis zu 90%) sind dem Fachmann bekannt. Die Dicke der Leuchtstoffschicht wird so gewählt, dass das Laserlicht nahezu vollständig absorbiert und somit maximal ausgenutzt wird.The under claims 2 to 10 are advantageous embodiments of the main claim. The Generation of short coherence Radiation takes place by means of laser light, which is on a cooled phosphor layer is focused. As laser sources are preferably laser diodes in Wavelength range between 400 nm and 800 nm are used. A conventional laser diode (basically any type of laser is possible here) radiates coherent Laser radiation from. The coherence length is typically in the meter range. The laser radiation is on the Fluorescent layer focused on a transparent substrate is applied. The phosphor converts the laser radiation into short-coherent radiation according to its emission spectrum around. Phosphors with high conversion efficiency (up to 90%) are known to the skilled person. The thickness of the phosphor layer is chosen so that the laser light almost completely absorbed and thus exploited to the maximum.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung ist die räumliche und damit thermische Entkopplung des Licht erzeugenden Lasers von dem Ort der kurzkohärenten Lichterzeugung, was z.B. bei LEDs nicht gegeben ist.A significant advantage of the invention is the spatial and thus thermal decoupling of the light-generating laser from the location of the short-coherent light generation, which is not ge, for example, in LEDs give is.
Der Fokusdurchmesser der Laserstrahlung bestimmt die Leuchtfläche der kurzkohärenten Strahlung. Um hohe Leuchtdichten erreichen zu können, wird der Leuchtstoff effektiv gekühlt. Daher weist das transparente Trägermaterial eine möglichst hohe Wärmeleitung auf. Die vom Trägermaterial aufgenommene Wärme wird dann über gut wärmeleitende Kupferblöcke und/oder Peltier-Elemente abgeführt. Sollte diese Art der Kühlung nicht ausreichen, kann der Leuchtstoff mittels eines Luftstroms zusätzlich gekühlt werden.Of the Focus diameter of the laser radiation determines the luminous area of the short coherent Radiation. In order to achieve high luminance, the phosphor is effectively cooled. Therefore, the transparent support material one possible high heat conduction on. The of the carrier material absorbed heat will then over good heat conducting copper blocks and / or Peltier elements dissipated. Should this type of cooling not sufficient, the phosphor can by means of an air flow additionally cooled.
Da das kurzkohärente Licht aus einem kleinen Volumen von typischerweise weniger als 1000 μm3 emittiert wird, kann es mit einer zweiten Optik relativ gut kollimiert werden. Die im Leuchtstoff erzeugte kurzkohärente Strahlung weist in der Regel eine zu große spektrale Breite (d.h. zu geringe Kohärenzlänge) auf. Daher wird ein Spektralfilter nachgeschaltet, der sich im kollimierten Strahlengang befindet. Dieser Spektralfilter ist vorzugsweise ein Bandpass mit der gewünschten spektralen Breite und Charakteristik. Anschließend wird die kurzkohärente Strahlung zur Beleuchtung verwendet. Beispielsweise wird sie für eine OCT-Messung in die Vorderkammer oder auf die Netzhaut des menschlichen Auges fokussiert.Since the short-coherent light is emitted from a small volume of typically less than 1000 μm 3 , it can be relatively well collimated with a second optic. The short-coherent radiation generated in the phosphor generally has too great a spectral width (ie, too short a coherence length). Therefore, a spectral filter is located downstream, which is located in the collimated beam path. This spectral filter is preferably a bandpass with the desired spectral width and characteristic. Subsequently, the short-coherent radiation is used for illumination. For example, it is focused for OCT measurement in the anterior chamber or on the retina of the human eye.
Im Gegensatz zu den Limitierungen bei LEDs können hier weitaus höhere Flächenleuchtdichten der kurzkohärenten Strahlung erzielt werden, da sich prinzipiell beliebig viele Laserstrahlen ohne nennenswerte Verluste auf eine kleine Leuchtfläche fokussieren lassen. Begrenzt ist die Laserintensität im wesentlichen nur durch die thermische Stabilität des Leuchtstoffs.in the Contrary to the limitations of LEDs, far higher surface luminance can be achieved here the short-coherent one Radiation can be achieved because in principle any number of laser beams Focus on a small illuminated area without significant losses to let. The laser intensity is essentially limited only by the thermal stability of the Phosphor.
Die Erfindung ist insbesondere geeignet, die begrenzte Leuchtdichte von LEDs bei der Weitfeld-Fluoreszenzmikrokopie (insbesondere bei 540-580 nm) zu überwinden. Weiterhin ist auch ein Einsatz in der scannenden OCT-Mikroskopie vorgesehen. Für OCT-Gerate mit einer Fasereinkopplung des kurzkohärenten Lichtes wird eine preisgünstigen Laserdiode eingesetzt. Die Einkopplung der Laserstrahlung erfolgt in eine Lichtleitfaser mit einem Kerndurchmesser, der etwa der lateralen Auflösung (Fokusdurchmesser) der OCT-Anwendung entspricht. Das Faserende der Lichtleitfaser wird mit dem Leuchtstoff beschichtet, der die Laserstrahlung weitgehend absorbiert und Licht der gewünschten Wellenlänge emittiert. Der Leuchtstoff wird mittels eines UV-aushärtenden Klebstoffs auf das Faserende aufgebracht.The Invention is particularly suitable, the limited luminance of LEDs in far-field fluorescence microscopy (especially at 540-580 nm). Furthermore, it is also used in scanning OCT microscopy intended. For OCT devices with a fiber coupling of the short-coherent light becomes a low-cost laser diode used. The coupling of the laser radiation takes place in an optical fiber with a core diameter of about the lateral resolution (focus diameter) corresponds to the OCT application. The fiber end of the optical fiber is coated with the phosphor, the laser radiation largely absorbed and light the desired wavelength emitted. The phosphor is made by means of a UV-curing Adhesive applied to the fiber end.
Zweckmäßigerweise erfolgt nach einer Kollimation der Strahlung eine spektrale Filterung des emittierten kurzkohärenten Lichtes mit einem Absorptions- und/oder Interferenzfilter, so daß das zur gewünschten Kohärenzfunktion korrespondierende Wellenlängenspektrum (z.B. Gauss-Funktion mit FWHM = 20-40 nm) entsteht. Im weiteren wird das Faserende auf die Probe abgebildet.Conveniently, After a collimation of the radiation, a spectral filtering takes place of the emitted short-coherent Light with an absorption and / or interference filter, so that the desired coherence function corresponding wavelength spectrum (e.g., Gaussian function with FWHM = 20-40 nm). In the further the fiber end is imaged on the sample.
Zur Wärmeabfuhr sollte sich das Faserende in einer Bohrung eines Kupferblockes befinden. Zusätzlich ist auch hier eine Luftstromkühlung sinnvoll.to heat dissipation the fiber end should be in a hole of a copper block. additionally Here is an air flow cooling meaningful.
Durch die Verwendung eines Leuchtstoffes wird die kohärente Laserstrahlung in inkohärente (Fluoreszenz-)Strahlung mit einer Bandbreite von typisch 100 nm umgewandelt. Daher ist meist eine spektrale Nachfilterung notwendig.By the use of a phosphor turns the coherent laser radiation into incoherent (fluorescence) radiation converted with a bandwidth of typically 100 nm. Therefore, mostly a spectral post-filtering necessary.
Es existieren dauerstabile Leuchtstoffe mit Konversionseffizienzen bis zu 90%. Die kurzkohärente Strahlungsquelle wird insbesondere in Augen-Diagnosegeräten auf OCT-Basis eingesetzt. Grundsätzlich kann die Strahlungsquelle aber auch für alle anderen Arten von OCT-Messungen eingesetzt werden.It Permanently stable phosphors with conversion efficiencies exist up to 90%. The short-coherent Radiation source is particularly in eye diagnostic devices Used OCT basis. in principle But the radiation source can also be used for all other types of OCT measurements be used.
Ein anderes Einsatzgebiet ist die Fluoreszenzmikroskopie, bei der es Fluorophore gibt, für die keine effizienten Halbleiter-Strahlungsquellen zur Verfügung stehen.One Another field of application is fluorescence microscopy, in which it There are fluorophores for that do not have efficient semiconductor radiation sources available.
Insbesondere ist es schwierig, leistungsstarke LEDs oder Laserdioden mit Schwerpunktwellenlängen im Bereich 540-580 nm zu finden. Diese spektrale Lücke wird durch die Strahlungsquelle gefüllt.Especially It is difficult to find powerful LEDs or laser diodes with focal wavelengths in the Range 540-580 nm. This spectral gap is due to the radiation source filled.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigen:The The invention will be described below with reference to exemplary embodiments. Show it:
Gemäß
Die
Leuchtstoffschicht konvertiert das kohärente Anregungslicht über Luminiszenz
(im engeren Sinne in der Regel über
Fluoreszenz) in kurzkohärente
Strahlung mit der Schwerpunktwellenlänge λ2 > λ1. Es
wird hier ausschließlich
1-Photonen-Anregung betrachtet, da die Wirkungsquerschnitte für Mehr-Photonen-Anregungen
zu klein sind. Somit stellt λ2-λ1 die Stokes-Verschiebung der Luminiszenz dar.
Die Kohärenzlänge der
Luminiszenzstrahlung ist in guter Näherung gegeben durch:
Dabei ist Δλ die spektrale Halbwertsbreite des Luminiszenzlichtes. λ1 kann im Bereich 300-2000 nm liegen, λ2 im Bereich 350-2500 nm. Für OCT-Anwendungen am Auge oder an der Haut ist bevorzugt: λ1 = 600-1300 nm, λ2 = 650-1400 nm, besonders bevorzugt: λ1 = 750-900 nm, λ2 = 800-950 nm.Δλ is the spectral half-width of the luminescent light. λ 1 can be in the range 300-2000 nm, λ 2 in the range 350-2500 nm. For OCT applications on the eye or on the skin, preference is given to: λ 1 = 600-1300 nm, λ 2 = 650-1400 nm, particularly preferably: λ 1 = 750-900 nm, λ 2 = 800-950 nm.
Da
das Luminiszenzlicht aus einem kleinen Volumen, definiert durch
den Fokusdurchmesser des Lasers
Nachfolgend
wird das Luminiszenzlicht der OCT-Anwendung
Als Leuchtstoffe kommen alle verfügbaren Leuchtstoffe mit geeigneten Eigenschaften (Anregung- und Emissions-Spektren, Ausbleichresistenz, Temperaturfestigkeit) in Frage. Als anorganische Leuchtstoffe geeignet sind beispielsweise so genannte „Phosphore", wie Silikat-Germanat, Europium (II) aktivierte Erdalkali-Ortho-Silikatleuchtstoffe, oder Quantum Dots auf Halbleiterbasis.When Phosphors come in all available phosphors with suitable properties (excitation and emission spectra, Fading resistance, temperature resistance) in question. As inorganic phosphors suitable are, for example, so-called "phosphors", such as silicate germanate, europium (II) activated alkaline earth ortho silicate phosphors, or quantum dots on a semiconductor basis.
Als organische Leuchtstoffe kommen insbesondere alle Laserfarbstoffe, wie die Rhodamin- oder Styryl-Farbstoffe in Frage.When organic phosphors come in particular all laser dyes, such as the rhodamine or styryl dyes in question.
Die
Bei
Eine spektrale Filterung wurde hier noch nicht vorgenommen, wäre aber für eine OCT-Anwendung sinnvoll, um das Nebenmaximum bei ca. 790 nm zu unterdrücken.A Spectral filtering has not yet been done here, but would be for one OCT application useful to suppress the secondary maximum at about 790 nm.
In
den Beschreibungen zu den
Die
Anordnung gemäß
Durch
die rotierende Scheibe
Die
Anordnung gemäß
In
der Anordnung gemäß
Die
Darstellung in
- 11
- Laserlaser
- 22
- erste fokussierende Optikfirst focusing optics
- 33
- LeuchtstoffschichtPhosphor layer
- 44
- kollimierende Optikcollimating optics
- 55
- Spektralfilterspectral
- 66
- OCT-AnwendungOCT application
- 77
- transparenter Trägertransparent carrier
- 88th
- Wärmeableitungheat dissipation
- 99
- Motorengine
- 1010
- rotierende Scheiberotating disc
- 1111
- zweite fokussierende Optiksecond focusing optics
- 1212
- Lichtleiteroptical fiber
- 1313
- verspiegelte Oberflächemirrored surface
- 1414
- Lichtleitfaseroptical fiber
- RR
- Radiusradius
- λ1 λ 1
- Wellenlängewavelength
- λ2 λ 2
- Wellenlängenwavelength
- ΔλΔλ
- WellenlängenbereichWavelength range
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