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DE102011121559B3 - Method for performing multi-photon excitation with e.g. polarization, at output end of optical transmission system i.e. endoscopic device, involves applying laser pulse withdrawn from end of transmission system for multi-photon excitation - Google Patents

Method for performing multi-photon excitation with e.g. polarization, at output end of optical transmission system i.e. endoscopic device, involves applying laser pulse withdrawn from end of transmission system for multi-photon excitation Download PDF

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DE102011121559B3
DE102011121559B3 DE102011121559A DE102011121559A DE102011121559B3 DE 102011121559 B3 DE102011121559 B3 DE 102011121559B3 DE 102011121559 A DE102011121559 A DE 102011121559A DE 102011121559 A DE102011121559 A DE 102011121559A DE 102011121559 B3 DE102011121559 B3 DE 102011121559B3
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DE
Germany
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laser pulse
transmission system
pulse
optical transmission
output end
Prior art date
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Active
Application number
DE102011121559A
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German (de)
Inventor
Albrecht Lindinger
Alexander Patas
Georg Achazi
Monika Pawlowska
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Original Assignee
Individual
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Abstract

The method involves computing a control signal for a pulse shaper (120) for formation of a laser pulse with back-computed parameters, where the shaper is located in front of an input end in a beam path. The control signal is applied (130) to the shaper, and amplitude, phase and polarization are modulated for the laser pulse. The laser pulse is preformed based on the parameters. The preformed laser pulse is introduced (140) into an input end of an optical transmission system. The laser pulse withdrawn from an output end of the transmission system is applied (150) for multi-photon excitation. An independent claim is also included for a computer program product having a set of instructions for executing a method for performing multi-photon excitation.

Description

Gebiet der Technik:Field of Technology:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Durchführung von Mehrphotonenanregung mit zumindest einem erzeugten Laserpuls, der vordefinierte Amplitude, Phase und Polarisation am Ausgangsende eines optischen Übertragungssystems mit zumindest einer optischen Faser aufweist. Solche Verfahren sind vor allem in der Medizin insbesondere bei der endoskopischen Zweiphotonen-Mikroskopie anwendbar.The invention relates to a method for carrying out multiphoton excitation with at least one generated laser pulse having predefined amplitude, phase and polarization at the output end of an optical transmission system with at least one optical fiber. Such methods are particularly applicable in medicine especially in endoscopic two-photon microscopy.

Stand der Technik:State of the art:

Bekannt ist die Formung von kurzen Laserpulsen mittels eines Pulsformers in Amplitude, Phase und Polarisation. Ein solcher Pulsformer wird in DE 10 2006 029 035 A1 offenbart. Auf die dortige Beschreibung von Pulsformern wird verwiesen. Eine Ausführungsform eines geeigneten Pulsformers ist ein in 1 dargestellter räumlicher 4-f Pulsformer, der nahe der Fourierebene vier Flüssigkristallarrays mit geeignet ausgerichteten optischen Achsen wie beispielsweise für 45°, –45°, 45°, 0° und einen Polarisator hinter dem zweiten Array aufweist, wobei die Flüssigkristalle hinsichtlich der Änderung ihrer optischen Eigenschaften einzeln ansteuerbar sind. Bekannt sind Verfahren, in denen ein sehr kurzer Laserpuls mit einem Pulsformer in Amplitude, Phase und Polarisation geformt in eine optische Fasern geleitet und am Ausgangsende des die Faser enthaltenden optischen Übertragungssystems verwendet wird. Ein solches Verfahren unter Verwendung von Femtosekundenlaserpulsen ist für eine mikrostrukturierte Hohlkern-Faser in F. Weise et al., Optics Communications 284 (2011) 3759–3771 offenbart.The formation of short laser pulses by means of a pulse shaper in amplitude, phase and polarization is known. Such a pulse shaper is in DE 10 2006 029 035 A1 disclosed. Reference is made to the description of pulse shapers there. An embodiment of a suitable pulse shaper is an in 1 shown 4-f spatial pulse shaper, which has near the Fourierbene four liquid crystal arrays with suitably aligned optical axes such as 45 °, -45 °, 45 °, 0 ° and a polarizer behind the second array, wherein the liquid crystals with respect to the change of their optical Properties are individually controllable. Methods are known in which a very short laser pulse with a pulse shaper shaped in amplitude, phase and polarization is guided into an optical fiber and used at the output end of the fiber-containing optical transmission system. Such a method using femtosecond laser pulses is disclosed for a microstructured hollow core fiber in F. Weise et al., Optics Communications 284 (2011) 3759-3771.

Mehrphotonenanregungen sind durch Laserpulse verursachte Anregungen von Atomen oder Molekülen, für die mehr als ein Photon erforderlich ist, wie beispielsweise bei der Zweiphotonenanregung, bei der zwei üblicherweise in der Frequenz unterschiedliche Photonen für die gewünschte Anregung erforderlich sind, also bei der Anregung ein virtuelles Zwischenenergieniveau für das Elektron quasi als Zwischenschritt berücksichtigt wird. Zum Beispiel bei der medizinischen Bildgebung werden mehrphotonische Anregungen in Farbstoff-Markersubstanzen ausgenutzt. Aus V. V. Lozovoy et al., J. Chem. Phys. 118 (2003) 3187–3196 ist bekannt, dass es möglich ist, eine entsprechend geformte Phase des Laserpulses, wie zum Beispiel antisymmetrisch, zur selektiven mehrphotonischen Anregung einzusetzen. Insbesondere für endoskopische mittels optischer Faser durchzuführende Zweiphotonen-Mikroskopie ist es wegen der notwendigen räumlichen Enge wichtig, dass der Laserpuls bereits vor Eintritt in und nicht erst nach Austritt aus der optischen Faser geformt wird. Bei den mehrphotonischen Anregungen sind hohe Laserlichtintensitäten vor allem wegen der dann besseren Signalausbeute von Vorteil. Jedoch treten bei hohen Laserlichtintensitäten in der optischen Faser den Laserpuls deutlich verformende nichtlineare Prozesse auf.Multi-photon excitations are excitations of atoms or molecules caused by laser pulses, which require more than one photon, as in the two-photon excitation, where two usually different frequency photons are required for the desired excitation, that is, when excited, an intermediate virtual energy level the electron is considered as an intermediate step. For example, in medical imaging, multi-photonic excitations in dye-marker substances are exploited. From V.V. Lozovoy et al., J. Chem. Phys. 118 (2003) 3187-3196 it is known that it is possible to use a suitably shaped phase of the laser pulse, such as antisymmetric, for selective multi-photon excitation. In particular, for endoscopic two-photon microscopy to be performed by means of optical fiber, it is important because of the necessary spatial narrowness that the laser pulse is already formed before entry into and not out of the optical fiber. In the case of the multiphotonic excitations, high laser light intensities are advantageous, above all because of the then better signal yield. However, at high laser light intensities in the optical fiber, the laser pulse will experience significantly deforming non-linear processes.

Solche nichtlinearen Prozesse sind zum Beispiel die Selbstphasenmodulation, Kreuzphasenmodulation des Pulses sowie die Selbstaufsteilung des Laserpulsprofils. So kann beispielsweise auch die durch nichtlineare Prozesse vergrößerte spektrale Verschiebung die Effektivität der Mehrphotonenanregung erhöhen. In den bisher bekannten Verfahren zur Mehrphotonenanregung wurden diese nichtlinearen Prozesse entweder gar nicht bei der Pulsformung berücksichtigt, oder lediglich wie in F. Weise et al., Journal of Optics 13 (2011) 075301 rudimentär durch experimentelle Beobachtung des Einflusses eines einfachen zeitlichen Pre-Chirps des Laserpulses auf die spektrale Breite des Pulses zur Charakterisierung der optischen Faser untersucht. Eine gezielte Steuerung der kompletten Vorformung der Amplitude, Phase und Polarisation des Laserpulses, die nichtlineare Prozesse in der optischen Faser kompensiert oder sogar vorteilhaft für eine Mehrphotonenanregung ausnutzt ist mit den derzeit bekannten Verfahren zur Mehrphotonenanregung nicht möglich. Zwar ist in US020110299558A1 ein Verfahren mit einer Pulsformung offenbart, bei dem Parameter eines nichtlinearen Elements bei einem Übertragungssystem mit einer optischen Faser in der Berechnung des Pulsformerkontrollsignals mit berücksichtigt werden, doch weder ist dabei die Berechnungsmethode noch eine Anwendung auf Mehrphotonenanregung erwähnt. Für Mehrphotonenanregung stoßen die bisher dafür bekannten Pulsformverfahren unter Verwendung von optischen Fasern bei besonders vorteilhaften hohen Laserlichtintensitäten an ihre Grenzen.Such nonlinear processes are, for example, self-phase modulation, cross-phase modulation of the pulse and self-division of the laser pulse profile. For example, the spectral shift increased by nonlinear processes can increase the efficiency of multiphoton excitation. In the methods known to date for multiphoton excitation, these non-linear processes have either not been considered in pulse shaping, or rudimentary, as in F. Weise et al., Journal of Optics 13 (2011) 075301, by experimental observation of the influence of a simple temporal pre-chirp of the laser pulse on the spectral width of the pulse to characterize the optical fiber examined. Targeted control of the overall pre-shaping of the amplitude, phase and polarization of the laser pulse, which compensates for nonlinear processes in the optical fiber or even makes advantageous use of multiphoton excitation, is not possible with the currently known multiphoton excitation methods. True, is in US020110299558A1 discloses a method of pulse shaping in which parameters of a nonlinear element in an optical fiber transmission system are taken into account in the calculation of the pulse shaper control signal, but neither the calculation method nor an application to multiphoton excitation is mentioned. For multi-photon excitation, the previously known pulse shaping methods using optical fibers reach their limits at particularly advantageous high laser light intensities.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur Durchführung von Mehrphotonenanregung mit in Amplitude, Phase und Polarisation vordefiniertem durch optische Faser geleitetem Laserpuls bereitzustellen.The invention has for its object to provide an improved method for performing multiphoton excitation with pre-defined in amplitude, phase and polarization guided by optical fiber laser pulse.

Zusammenfassung der Erfindung:Summary of the invention:

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Durchführung von Mehrphotonenanregung mit zumindest einem erzeugten Laserpuls, der vordefinierte Amplitude, Phase und Polarisation am Ausgangsende eines optischen Übertragungssystems, welches zumindest eine optische Faser enthält, aufweist, wobei das Verfahren die Schritte erstens des Bestimmens von Parametern der gewünschten Form des Laserpulses hinsichtlich Phase, Polarisation und Amplitude für die Mehrphotonenanregung, zweitens der Rückberechnung der Parameter der Form des Laserpulses vom Ausgangsende entlang der Faser zum Eingangsende des optischen Übertragungssystems mithilfe einer nichtlinearen Schrödingergleichung, wobei zumindest ein nichtlinearer physikalischer Parameter der optischen Faser berücksichtigt wird, drittens der Berechnung eines Kontrollsignals für den im Strahlengang vor dem Eingangsende befindlichen Pulsformer für die Formung eines Laserpulses mit den zurückberechneten Parametern, viertens der Anwendung des Kontrollsignals auf den Pulsformer und das Modulieren der Amplitude, Phase und Polarisation für einen in den Pulsformer geleiteten Laserpuls, wodurch der Laserpuls gemäß der zurückberechneten Form vorgeformt wird, fünftens der Einleitung des vorgeformten Laserpulses in das Eingangsende des optischen Übertragungssystems und sechstens der Anwendung des aus dem Ausgangsende des optischen Übertragungssystems austretenden Laserpulses für Mehrphotonenanregung enthält. Dadurch dass die Parameter des für die Mehrphotonenanregung richtigen Laserpulses erst bestimmt werden und dann mit diesen bestimmten Parametern die Rückrechnung entlang der optischen Faser mithilfe einer nichtlinearen Schödingergleichung unter Berücksichtigung nichtlinearer Parameter der Faser erfolgt, ist es möglich, ausgehend von den für die gewünschte Mehrphotonenanregung ermittelten Parameter des Laserpulses die richtigen Parameter des geeigneten Laserpulses vor dem Eingangsende des optischen Übertragungssystems komplett in Phase, Amplitude und Polarisation zu bestimmen und den Laserpuls im Pulsformer mit den berechneten Kontrollsignalen entsprechend in dieser komplex ausgestalteten Form vorzuformen. Die nichtlinearen Eigenschaften der optischen Faser werden also bei der kompletten Vorformung des Pulses vor der Faser bereits durch die mit der nichtlinearen Schrödingergleichung besonders gute Rückberechnung der Parameter der komplexen Ausgestaltung des Pulses berücksichtigt. Verformungen des Laserpulses durch Nichtlinearitäten bei hohen Laserlichtintensitäten können so effektiv ausgeglichen werden und sogar die nichtlinearen Parameter der optischen Faser vorteilhaft ausgenutzt werden. Am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems ist raumsparend lediglich die optische Auskopplung des Laserpulses aus der Faser. Es können vorteilhaft Laserpulse gezielt geformt werden, die dann mit sehr hohen Intensitäten am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems passend für die Mehrphotonenanregung geformt sind. Eine hohe Effektivität für die Mehrphotonenanregung wird auf diese Weise erreicht, was die Signalausbeute beispielsweise bei der Mehrphotonen-Mikroskopie erhöht. Auch erhöht die durch nichtlineare Prozesse vergrößerte spektrale Verschiebung bei gezielter erfindungsgemäßer Vorformung des Laserpulses die Effektivität der Mehrphotonenanregung.The object is achieved by a method for carrying out multiphoton excitation with at least one generated laser pulse having predefined amplitude, phase and polarization at the output end of an optical transmission system which contains at least one optical fiber, the method comprising the steps of first determining parameters of the desired shape of the laser pulse in terms of phase, polarization and amplitude for the Mehrphotonenanregung second, the back calculation of the parameters of the shape of the laser pulse from the output end along the Fiber to the input end of the optical transmission system using a nonlinear Schrödinger equation, taking into account at least one nonlinear physical parameter of the optical fiber; third, calculating a control signal for the pulse shaper located in the beam path in front of the input end to form a laser pulse with the parameters back-calculated; the control signal to the pulse shaper and modulating the amplitude, phase and polarization for a laser pulse guided into the pulse shaper thereby preforming the laser pulse according to the recalculated shape, fifthly the introduction of the preformed laser pulse into the input end of the optical transmission system and, sixthly, the application of containing the output end of the optical transmission system laser pulse for multiphoton excitation contains. By first determining the parameters of the laser pulse proper for multiphoton excitation, and then using these particular parameters to back-calculate along the optical fiber using a nonlinear Schödinger equation, taking into account nonlinear parameters of the fiber, it is possible to proceed from the parameters determined for the desired multiphoton excitation of the laser pulse to determine the correct parameters of the appropriate laser pulse before the input end of the optical transmission system completely in phase, amplitude and polarization and preforming the laser pulse in the pulse shaper with the calculated control signals accordingly in this complex designed form. The nonlinear properties of the optical fiber are thus taken into account in the complete preforming of the pulse before the fiber already by the back calculation of the parameters of the complex design of the pulse, which is particularly good with the nonlinear Schrödinger equation. Deformations of the laser pulse due to nonlinearities at high laser light intensities can thus be compensated effectively and even the nonlinear parameters of the optical fiber can be advantageously exploited. At the output end of the optical transmission system is space-saving only the optical coupling of the laser pulse from the fiber. Advantageously, laser pulses can be selectively formed, which are then formed with very high intensities at the output end of the optical transmission system suitable for multiphoton excitation. High efficiency for the multi-photon excitation is achieved in this way, which increases the signal yield, for example in multiphoton microscopy. The spectral shift increased by non-linear processes also increases the effectiveness of multiphoton excitation when the laser pulse is preformed according to the invention.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung angegeben.In the subclaims advantageous refinements and improvements of the respective subject of the invention are given.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Berechnung der Laserpulsparameter entlang der optischen Faser der nichtlineare Teil des Brechungsindex berücksichtigt. Dieser bei hohen Laserlichtintensitäten sehr wesentliche nichtlineare Parameter der optischen Faser ist entscheidend für die nichtlinearen Prozesse, wie Selbstphasenmodulation, Kreuzphasenmodulation des Pulses sowie die Selbstaufsteilung des Laserpulsprofils. Somit ist die Berücksichtigung des nichtlinearen Teils des Brechungsindex bei der Berechnung der Laserpulsparameter von Vorteil.According to an advantageous development of the method according to the invention, the non-linear part of the refractive index is taken into account in the calculation of the laser pulse parameters along the optical fiber. This nonlinear parameter of the optical fiber, which is very important at high laser light intensities, is decisive for the nonlinear processes, such as self-phase modulation, cross-phase modulation of the pulse and the self-division of the laser pulse profile. Thus, the consideration of the nonlinear part of the refractive index is advantageous in the calculation of the laser pulse parameters.

Von Vorteil ist die Anwendung eines Split-Step Fourier Verfahrens bei der Auswertung der nichtlinearen Schrödingergleichung.It is advantageous to use a split-step Fourier method in the evaluation of the nonlinear Schrödinger equation.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält es den Schritt der Ermittlung des Parameterraums aller mit dem technischen System möglichen Pulsformen am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems. Dabei umfasst das technische System neben dem optischen Übertragungssystem den Pulslaser und die Pulsformeinheit mit Pulsformer und Steuerung. Durch die Ermittlung des Parameterraums der möglichen Pulsformen am Ausgangsende des optischen Systems wird vorteilhaft die Auswahl von nicht mit dem technischen System realisierbaren Laserpulsparametern bereits bei der Bestimmung der Laserpulsparameter am Ausgangsende des optischen Systems verhindert.According to an advantageous development of the method according to the invention, it contains the step of determining the parameter space of all possible with the technical system pulse shapes at the output end of the optical transmission system. Besides the optical transmission system, the technical system includes the pulse laser and the pulse shaping unit with pulse shaper and controller. By determining the parameter space of the possible pulse shapes at the output end of the optical system, the selection of laser pulse parameters that can not be realized with the technical system is advantageously already prevented when determining the laser pulse parameters at the output end of the optical system.

Vorzugsweise wird die optische Transmission entlang der optischen Faser für die Rückrechnung auf einen ausreichend niedrigen Wert gesetzt, so dass bei der Rückrechnung die optische Transmission nicht größer als 1 wird. Bei nichtlinearen Prozessen können beispielsweise neue Frequenzen für den Laserpuls entstehen. So können normalerweise bei der Rückrechnung nicht handhabbare optische Transmission von über 1 auftreten. Um dennoch die Laserpulsparameter rückberechnen zu können, wird die optische Transmission für die Rückberechnung ausreichend herabgesetzt. Dieses hat den Vorteil, dass auch sonst nicht rückrechenbare Laserpulsformen mit dem Verfahren rückrechenbar und somit gezielt vorformbar sind.The optical transmission along the optical fiber is preferably set to a sufficiently low value for the recalculation, so that the optical transmission does not become greater than 1 during recalculation. In non-linear processes, for example, new frequencies for the laser pulse can arise. For example, unrecoverable optical transmission of more than 1 can normally occur during recalculation. Nevertheless, in order to be able to calculate back the laser pulse parameters, the optical transmission for the back calculation is reduced sufficiently. This has the advantage that otherwise not rückrückbare laser pulse shapes are rückrechenbar with the method and thus selectively preformed.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens enthält die Pulsformung am Pulsformer eine gezielte polarisationsabhängige Einberechnung der nichtlinearen Parameter der optischen Faser. Damit wird der unterschiedliche Einfluss der nichtlinearen Parameter auf die verschiedenen Polarisationsrichtungen bei der Vorformung des Laserpulses berücksichtigt, was die Genauigkeit zur gewünschten Pulsform am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems verbessert.According to an advantageous development of the method, the pulse shaping on the pulse shaper contains a specific polarization-dependent incorporation calculation of the nonlinear parameters of the optical fiber. Thus, the different influence of the non-linear parameters on the different polarization directions in the preforming of the laser pulse which improves the accuracy to the desired pulse shape at the output end of the optical transmission system.

Eine weitere Verbesserung ist die gezielte Vorformbarkeit des Laserpulses am Pulsformer in der Weise, dass am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems der Laserpuls in zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen unterschiedlich geformt und spektral zueinander verschoben ist. Dadurch können bei der mehrphotonischen Anregung beide Polarisationsrichtungen individuell geformt und zueinander verschoben genutzt werden, wie zum Beispiel mit dem Laserpulsteil der einen Polarisationsrichtung für eine Zweiphotonenanregung einer Substanz und mit dem Laserpulsteil der anderen Polarisationsrichtung für eine Zweiphotonenanregung einer anderen Substanz. Alternativ kann auch mit dem Laserpulsteil der einen Polarisationsrichtung der erste Zwischenschritt und mit dem der anderen Polarisationsrichtung der zweite Zwischenschritt der Zweiphotonenanregung erfolgen.A further improvement is the targeted preformability of the laser pulse on the pulse shaper in such a way that at the output end of the optical transmission system, the laser pulse is shaped differently in two different polarization directions and shifted spectrally to each other. Thereby, in the multi-photonic excitation, both polarization directions can be individually shaped and shifted from each other, for example with the laser pulse part of one polarization direction for a two-photon excitation of one substance and with the laser pulse part of the other polarization direction for a two-photon excitation of another substance. Alternatively, the first intermediate step may also be performed with the laser pulse part of one polarization direction and the second intermediate step of the two-photon excitation with the other polarization direction.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens enthält die Bestimmung der Parameter des Laserpulses eine iterative Optimierung des Verfahrens auf die Mehrphotonenanregung durch Veränderung zumindest eines Parameters des aus dem optischen Übertragungssystem austretenden geformten Laserpulses zurückermittelt auf das Kontrollsignal des Pulsformers. Dadurch können die Parameter des Laserpulses am Ausgangsende des optischen Systems gezielt für die Optimierung auf die Mehrphotonenanregung variiert werden, was eine viel sinnvollere und systematischere Veränderung ist, als eine Optimierung einzelner Parametern des Laserpulses am Eingangsende des optischen Übertragungssystems ohne zu wissen, wie sich dadurch der Puls am Ausgangsende verändert. Es wird insbesondere durch die nichtlinearen Parameter der optischen Faser der Laserpuls deutlich verformt.According to an advantageous development of the method, the determination of the parameters of the laser pulse contains an iterative optimization of the method for multiphoton excitation by changing at least one parameter of the shaped laser pulse emerging from the optical transmission system back to the control signal of the pulse shaper. Thereby, the parameters of the laser pulse at the output end of the optical system can be selectively varied for the optimization of the multi-photon excitation, which is a much more meaningful and systematic change, than an optimization of individual parameters of the laser pulse at the input end of the optical transmission system without knowing how this Pulse changed at the output end. In particular, the laser pulse is significantly deformed by the nonlinear parameters of the optical fiber.

Bei einer vorteilhaften Variante des Verfahrens ist die optische Faser eine Singlemoden-Glasfaser. Mit dem Verfahren können die deutlich zu Tage tretenden Effekte der nichtlinearen Parameter einer solchen optischen Faser gut genutzt werden.In an advantageous variant of the method, the optical fiber is a singlemode glass fiber. The method makes good use of the obvious effects of the nonlinear parameters of such an optical fiber.

Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des Verfahrens ist die optische Faser eine mikrostrukturierte Hohlkern-Faser. Hiermit können Laserpulse mit besonders hohen Lichtintensitäten mit wenig Dispersion übertragen werden.In a further advantageous variant of the method, the optical fiber is a microstructured hollow-core fiber. This laser pulses can be transmitted with very high light intensities with little dispersion.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens wird ein parametrisches Laserpulsformungsverfahren verwendet. Damit lassen sich die Laserpulse besonders einfach und gut formen.According to an advantageous development of the method, a parametric laser pulse shaping method is used. This makes the laser pulses particularly easy and easy to shape.

Gemäß einer vorteilhaften Variante ist das Verfahren für eine gezielte molekulare mehrphotonische Anregung nach der optischen Faser geeignet. Eine molekulare mehrphotonische Anregung ist somit auch bei hohen Faserlichtintensitäten am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems mit gezielt geformten Laserpulsen möglich.According to an advantageous variant, the method is suitable for a targeted molecular multi-photonic excitation after the optical fiber. A molecular multi-photonic excitation is thus possible even at high fiber light intensities at the output end of the optical transmission system with specifically shaped laser pulses.

Nach einer weiteren vorteilhaften Variante ist das Verfahren zur gezielten Veränderung und Verschiebung von Mehrphotonen-Spektren nach der optischen Faser geeignet. Dadurch können Mehrphotonen-Spektren besonders gut verändert und verschoben werden.According to a further advantageous variant, the method is suitable for the specific modification and displacement of multiphoton spectra after the optical fiber. As a result, multiphoton spectra can be changed and shifted particularly well.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Variante ist das Verfahren zur Bestimmung der molekularen Ausrichtung und der Anisotopie einer Probe geeignet, was die Analyse einer Probe deutlich verbessert. Insbesondere kann der Kontrast bezüglich einer unterschiedlichen molekularen Ausrichtung durch geeignete polarisationsabhängige Laserpulsformung erhöht werden.According to a further advantageous variant, the method is suitable for determining the molecular orientation and the anisotropy of a sample, which significantly improves the analysis of a sample. In particular, the contrast with respect to a different molecular orientation can be increased by suitable polarization-dependent laser pulse shaping.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist das optische Übertragungssystem Teil eines medizinischen Gerätes, wie beispielsweise eines Endoskopiegerätes. In der Medizin lässt sich das Verfahren besonders gut verwenden, weil insbesondere hohe Laserlichtintensitäten in gezielt geformten Pulsen im Körper des Lebewesens platzsparend für Mehrphotonenanregungen eingesetzt werden können.According to an advantageous development of the method, the optical transmission system is part of a medical device, such as an endoscopy device. In medicine, the method can be used particularly well, because in particular high laser light intensities can be used in targeted shaped pulses in the body of the living to save space for Mehrphotonenanregungen.

Die Aufgabe wird auch durch ein alternatives Verfahren zur Durchführung von Mehrphotonenanregung mit zumindest einem erzeugten Laserpuls, der vordefinierte Amplitude, Phase und Polarisation am Ausgangsende eines optischen Übertragungssystems, welches zumindest eine optische Faser enthält, aufweist, gekennzeichnet durch die Schritte erstens ermitteln des Parameterraums von möglichen Laserpulsformen am Eingangsende des optischen Übertragungssystems und deren dazugehörigen Kontrollsignalen für den Pulsformer, zweitens berechnen aus dem ermittelten Parameterraum am Eingangsende des optischen Übertragungssystems in Vorwärtsrichtung entlang der Faser mithilfe einer nichtlinearen Schrödingergleichung unter Berücksichtigung zumindest eines ihrer nichtlinearen physikalischen Parameter den Parameterraum der möglichen Laserpulsformen am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems zur Zuordnung von möglichen Laserpulsformen am Eingangsende zu dann Laserpulsformen am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems, drittens bestimmen von für die Mehrphotonenanregung passenden Parametern der Form des Laserpulses hinsichtlich Phase, Polarisation und Amplitude für die Mehrphotonenanregung, viertens auswählen der bestimmten Parameter des Laserpulses aus dem berechneten Parameterraum der möglichen Laserpulsformen am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems, fünftens bestimmen des dazugehörigen Pulsformerkontrollsignals des Laserpulses am Eingangsende des optischen Übertragungssystems aus der im zweiten Verfahrensschritt berechneten Zuordnung, sechstens anwenden des Kontrollsignals auf den Pulsformer und modulieren der Amplitude, Phase und Polarisation für einen in den Pulsformer geleiteten Laserpuls, wodurch der Laserpuls gemäß der für das Eingangsende des optischen Übertragungssystems bestimmten Form vorgeformt wird, siebtens einleiten des vorgeformten Laserpulses in das Eingangsende des optischen Übertragungssystems und achtens anwenden des aus dem Ausgangsende des optischen Übertragungssystems austretenden Laserpulses für Mehrphotonenanregung gelöst. Diese alternative Lösung der Aufgabe hat zusätzlich zu den für die erste Alternative aufgeführten Verbesserungen den Vorteil, dass nach Auswahl der Ausgangspulsform eine zeitsparende Einsetzung der zugeordneten Pulsformereinstellung ohne weitere Berechnung vorgenommen werden kann.The object is also achieved by an alternative method for performing multiphoton excitation with at least one generated laser pulse having predefined amplitude, phase and polarization at the output end of an optical transmission system containing at least one optical fiber, characterized by the steps of first determining the parameter space of possible Secondly, from the determined parameter space at the input end of the forward optical transmission system along the fiber using a nonlinear Schrödinger equation, taking into account at least one of its nonlinear physical parameters, calculates the parameter space of the possible laser pulse shapes at the output end of the laser beam optical transmission system for assigning possible laser pulse forms at the input end to then laser pulse forms at the output end d Third, determine the shape of the laser pulse in terms of phase, polarization and amplitude for multiphoton excitation, matching parameters suitable for multiphoton excitation Fifth, determine the associated pulse shape control signal of the laser pulse at the input end of the optical transmission system from the assignment calculated in the second step, apply the control signal to the pulse shaper and modulate the amplitude, phase and polarization for seventh introducing the preformed laser pulse into the input end of the optical transmission system, and eighth applying the laser pulse emerging from the output end of the optical transmission system for multiphoton excitation. This alternative solution of the task has, in addition to the improvements listed for the first alternative, the advantage that, after selection of the output pulse shape, a time-saving insertion of the assigned pulse shaping can be carried out without further calculation.

Auch für diese alternative Lösung der Aufgabe sind als Unteransprüche die gleichen vorteilhaften Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung wie die bei der ersten Alternative der Erfindung mit den gleichen Vorzügen realisierbar, außer der speziell für die Rückberechnung vorteilhaften Herabsetzung der Transmission für die Rückberechnung.Also for this alternative solution of the problem as sub-claims, the same advantageous refinements and improvements of the respective subject of the invention as in the first alternative of the invention with the same benefits realized, except the advantageous for the back calculation advantageous reduction of the transmission for the back calculation.

Die Erfindung bezieht sich daneben auch auf ein Computerprogrammprodukt gespeichert auf einem computerlesbarem Medium enthaltend Anweisungen zur Konfiguration eines Computers zur Berechnung der Rückberechnung bzw. Vorwärtsrechnung entlang der optischen Faser und der Kontrollsignale für den Pulsformer jeweils gemäß einem der erfindungsgemäßen Verfahren.The invention also relates to a computer program product stored on a computer-readable medium comprising instructions for configuring a computer to calculate the back-calculation along the optical fiber and the control signals for the pulse shaper respectively according to one of the methods of the invention.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen:Brief description of the drawings:

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.With reference to the drawings, embodiments of the invention will be explained.

Es zeigenShow it

1 eine schematische Darstellung eines Pulsformers aus dem Stand der Technik im Längsschnitt; 1 a schematic representation of a pulse shaper from the prior art in longitudinal section;

2 eine schematische Darstellung eines technischen Systems, mit dem das Verfahren durchführbar ist; 2 a schematic representation of a technical system with which the method is feasible;

3 in der Darstellungsform eines Flussdiagramms eine Ausführungsform des Verfahrens; 3 in the representation of a flowchart, an embodiment of the method;

4 in der Darstellungsform eines Flussdiagramms eine weitere Ausführungsform des Verfahrens mit iterativer Optimierung, 4 in the representation of a flowchart, another embodiment of the method with iterative optimization,

5 in der Darstellungsform eines Flussdiagramms eine weitere Ausführungsform des Verfahrens mit vorheriger Parameterraumzuordnung, 5 in the representation of a flowchart, another embodiment of the method with previous parameter space allocation,

6 räumliche Darstellung eines polarisationsgeformten Laserpulses nach einer optischen Faser, welcher antisymmetrische Phasen aufweist; 6 Spatial representation of a polarization-shaped laser pulse after an optical fiber having antisymmetric phases;

7 eine Diagrammdarstellung einer Transmissionsanpassung; 7 a diagram representation of a transmission adaptation;

8 eine Diagrammdarstellung eines Vergleichs der Laserpulsform am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems bei Verfahren einmal ohne und einmal mit Berücksichtigung von nichtlinearen Parametern der optischen Faser. 8th a diagram of a comparison of the laser pulse shape at the output end of the optical transmission system in processes once without and once taking into account nonlinear parameters of the optical fiber.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung:Detailed description of the invention:

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten. Alle Zeichnungen sind schematisch zu verstehen. Auf maßstabsgetreue Abbildungen wurde zum Zwecke erhöhter Klarheit der Darstellung verzichtet.In the figures, the same reference numerals designate the same or functionally identical components. All drawings are to be understood schematically. Scale-true images have been omitted for clarity of illustration.

In 1 ist ein Pulsformer 1 aus dem Stand der Technik im Längsschnitt schematische dargestellt. Der Pulsformer 1 enthält zwei zylindrische Linsen 3 und 4 mit einer Brennweite von beispielsweise 200 mm und zwei optische Gitter 6 und 7 mit zum Beispiel 1200 Rillen pro mm, welche einen polarisationsabhängigen Unterschied der Reflektivität für horizontal und vertikal polarisiertes Licht aufweisen können. Der Pulsformer 1 enthält weiter drei übliche doppelte Flüssigkristallarraymodulatoren 9, 10 und 11 wie zum Beispiel zwei SLM1280 und ein SLM-256 von CRi. Die optischen Achsen der drei doppelten Flüssigkristallarraymodulatoren 9, 10 und 11 haben eine Orientierung von +/–45 Grad. Zwischen dem ersten 9 und dem zweiten doppelten Flüssigkristallarraymodulatoren 10 befindet sich ein Polarisator 13 und vor und hinter dem dritten doppelten Flüssigkristallarraymodulatoren 11 jeweils eine Halbwellenplatte 15 und 16. Jeder der Modulatoren 9, 10 und 11 sind präzise zueinander auf einer Halterung montiert. Die Pixel der Modulatoren sind passend für das gleiche Frequenzband ωn zueinander ausgerichtet. Der Wellenlängenkalibrierungskoeffizient für die Flüssigkristallarrays ist im Bereich von 0.3415 nm/Pixel. Die Laserpulse werden im Bereich der Fourierebene der 4-f-Anordnung moduliert.In 1 is a pulse shaper 1 from the prior art shown in longitudinal section schematic. The pulse shaper 1 contains two cylindrical lenses 3 and 4 with a focal length of for example 200 mm and two optical gratings 6 and 7 with, for example, 1200 grooves per mm, which may have a polarization-dependent difference in reflectivity for horizontally and vertically polarized light. The pulse shaper 1 also contains three common double liquid crystal array modulators 9 . 10 and 11 such as two SLM1280 and one SLi-256 from CRi. The optical axes of the three double liquid crystal array modulators 9 . 10 and 11 have an orientation of +/- 45 degrees. Between the first 9 and the second double liquid crystal array modulator 10 there is a polarizer 13 and in front of and behind the third double liquid crystal array modulator 11 one half-wave plate each 15 and 16 , Each of the modulators 9 . 10 and 11 are precisely mounted to each other on a bracket. The pixels of the modulators are aligned with each other for the same frequency band ωn. The wavelength calibration coefficient for the liquid crystal arrays is in the range of 0.3415 nm / pixel. The laser pulses are modulated in the Fourier plane of the 4-f arrangement.

In 2 ist schematisch vorwiegend in Blockdarstellung eine Ausführungsform eines technischen Systems 20 zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung gezeigt. Mit einem Femtosekundenlaser 22 wird ein Femtosekundenlaserpuls erzeugt und dieser mit einem Stahlteiler 24 in einen ersten Puls für die Anwendung und einen zweiten Puls als Referenz für die Detektion aufgeteilt. Der erste Puls wird darauf in einem Pulsformer 1 entsprechend der Vorgabe der Rechen- und Steuereinheit 26 in Amplitude, Phase und Polarisation vorgeformt. In dieser Vorgabe sind die nichtlinearen Parameter der optischen Faser 28, wie zum Beispiel der nichtlineare Anteil des Brechungsindexes, mit berücksichtigt. Der im Pulsformer 1 vorgeformte Laserpuls wird dann am Eingangsende des optischen Übertragungssystems 30 mittels einer dafür üblichen Kollimierungsoptik 32 in die optische Faser 28 eingekoppelt und tritt am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems 30 aus der Faser 28 durch eine weitere Kollimierungsoptik 33 heraus. Mit Hilfe eines weiteren Strahlteilers 28 wird der Laserpuls erneut geteilt, wobei der eine Teil zur gewollten Mehrphotonenanregung verwendet wird und der andere deutlich schwächere Teil für die Analyse der Laserpulsform zusammen mit dem Referenzpuls im für die Laserpulsform üblich eingesetzten Detektor 37 benutzt wird. Ein solcher Detektor 37 enthält beispielsweise einen FROG, XFROG, PG-FROG, SEA-TADPOL, Autokorrelator oder Kreuzkorrelator. Das Detektionsergebnis wird zum Abgleich an die Rechen- und Steuereinheit 26 geleitet. Diese rechnet, soweit Korrekturen der Laserpulsform notwendig sind, Parameter des Laserpulses zurück entlang der Faser mit einer nichtlinearen Schrödingergleichung im Split-Step Fourier Verfahren unter Berücksichtigung von nichtlinearen Parametern der Faser, wie beispielsweise der nichtlineare Anteil des Brechungsindexes der Faser. Die zurückgerechneten Parameter für einen gewünschten Laserpuls werden in der Rechen- und Steuereinheit 26 in das Kontrollsignal für den Pulsformer 1 umgerechnet und der Pulsformer 1 entsprechend angesteuert.In 2 is schematically mainly in block diagram an embodiment of a technical system 20 shown for carrying out the method according to the invention. With a femtosecond laser 22 a femtosecond laser pulse is generated and this with a steel divider 24 divided into a first pulse for the application and a second pulse as a reference for the detection. The first pulse is placed on it in a pulse shaper 1 according to the specification of the computing and control unit 26 preformed in amplitude, phase and polarization. In this specification are the nonlinear parameters of the optical fiber 28 , such as the nonlinear component of the refractive index, is taken into account. The in the pulse shaper 1 preformed laser pulse is then at the input end of the optical transmission system 30 by means of a conventional collimation optics 32 into the optical fiber 28 coupled and occurs at the output end of the optical transmission system 30 from the fiber 28 through another collimation optics 33 out. With the help of another beam splitter 28 the laser pulse is divided again, wherein one part is used for the desired multi-photon excitation and the other much weaker part for the analysis of the laser pulse shape together with the reference pulse in the usual laser pulse shape used for the detector 37 is used. Such a detector 37 contains for example a FROG, XFROG, PG-FROG, SEA-TADPOL, autocorrelator or cross-correlator. The detection result is for comparison to the computing and control unit 26 directed. This calculates, as far as corrections of the laser pulse shape are necessary, parameters of the laser pulse back along the fiber with a nonlinear Schrödinger equation in the split-step Fourier method taking into account non-linear parameters of the fiber, such as the nonlinear component of the refractive index of the fiber. The recalculated parameters for a desired laser pulse are stored in the arithmetic and control unit 26 in the control signal for the pulse shaper 1 converted and the pulse shaper 1 controlled accordingly.

3 zeigt als Flussdiagramm dargestellt eine Ausführungsform des Verfahrens. Im ersten Schritt 100 werden die Parameter der Form des Laserpulses hinsichtlich Phase, Polarisation und Amplitude für die gewünschte Mehrphotonenanregung bestimmt. Solche Parameter sind zum Beispiel Unterpulsintensitäten, -abstände, -chirps, -polarisationen, antisymmetrische Phasenfunktionen. Es wird aus früheren Messungen und/oder aus physikalischen Überlegungen die gewünschte Form des Laserpulses für eine gute Effektivität der gewünschten Mehrphotonenanregung wie beispielsweise eine Zweiphotonenanregung ermittelt. In diesem Fall wird ein parametrisches Laserpulsformverfahren verwendet, um die gewünschte Laserpulsform mit ihren Parametern als Modell zu erstellen. Dabei wählt der Benutzer Pulsparameter wie z. B. Unterpulsabstände, -intensitäten, -chirps, -phasendifferenzen, sowie Elliptizität, Hauptachsenwinkel, Umlaufrichtung (Helizität), usw.. Für jeden Unterpuls wird dann die jeweilige Intensität in beiden Komponenten des elektrischen Feldes aus der Gesamtintensität des Unterpulses und der Elliptizität errechnet. Die einzelnen Unterpulse werden nun gesondert für beide Komponenten nacheinander kombiniert. Daraus können somit die elektrischen Felder beider Komponenten des gesamten Pulses hergestellt werden. Denkbar sind aber auch andere Methoden eine gewünschte Laserpulsform im Modell zu kreieren. Im zweiten Schritt 110 des Verfahrens zur Mehrphotonenanregung werden die Parameter der für die bestimmte Mehrphotonenanregung ermittelten Laserpulsform vom Ausgangsende des optischen Übertragungssystems, das im Wesentlichen aus einer optischen Faser besteht, entlang der Faser zurück zum Eingangsende der optischen Faser berechnet. Bei dieser Berechnung wird insbesondere der nichtlineare Teil des Brechungsindexes der Faser mit berücksichtigt. In diesem Fall wird eine übliche Singlemode-Glasfaser verwendet. Denkbar sind auch andere optische Fasern wie zum Beispiel eine mikrostrukturierte Hohlkern-Faser, Kagomé-Faser, Bragg-Faser oder Hybrid-Faser. Je nach dem, welche Faser benutzt wird, sind die Parameter vor allem des Materials und der Form der Faser unterschiedlich. Diese Parameter einschließlich der nichtlinearen Parameter der Faser sind beispielsweise durch vorherige Messungen und Berechnungen bekannt. 3 shows a flowchart of an embodiment of the method. In the first step 100 For example, the parameters of the shape of the laser pulse are determined in terms of phase, polarization and amplitude for the desired multiphoton excitation. Such parameters include, for example, subpulse intensities, spacings, chirps, polarizations, antisymmetric phase functions. From previous measurements and / or for physical considerations, the desired shape of the laser pulse is determined for good effectiveness of the desired multi-photon excitation, such as two-photon excitation. In this case, a parametric laser pulse shaping method is used to model the desired laser pulse shape with its parameters. The user selects pulse parameters such. B. subpulse distances, intensities, chirps, phase differences, and ellipticity, major axis angle, direction of rotation (helicity), etc .. For each subpulse then the respective intensity in both components of the electric field from the total intensity of the subpulse and the ellipticity is calculated. The individual subpulses are now combined separately for both components in succession. From this, the electric fields of both components of the entire pulse can thus be produced. However, other methods are also conceivable for creating a desired laser pulse shape in the model. At the second step 110 In the method of multiphoton excitation, the parameters of the laser pulse shape determined for the particular multiphoton excitation are calculated along the fiber back to the input end of the optical fiber from the output end of the optical transmission system consisting essentially of an optical fiber. In this calculation, in particular the non-linear part of the refractive index of the fiber is taken into account. In this case, a conventional singlemode optical fiber is used. Also conceivable are other optical fibers such as a microstructured hollow core fiber, Kagome fiber, Bragg fiber or hybrid fiber. Depending on which fiber is used, the parameters are mainly different from the material and the shape of the fiber. These parameters, including the nonlinear parameters of the fiber, are known, for example, from previous measurements and calculations.

Die mathematische Beschreibung der Rückrechnung im Verfahrensschritt 110 ist wie folgt:
Für die Rückpropagation ist die entsprechende umgekehrte nichtlineare Schrödingergleichung zu lösen: ∂E / ∂z = α / 2E + β1 ∂E / ∂t + iβ₂ / 2 ∂²E / ∂t² – β₃ / 6 ∂³E / ∂t³ – iγ|E|2E + γ / ω₀ ∂ / ∂t(|E|2E) mit dem Absorptionskoeffizienten α, den Dispersionskoeffizienten β1, β2 und β3 und dem nichtlinearen Parameter γ. Diese Gleichung kann durch einfaches Konjugieren der Parameter für die nichtlineare Schrödingergleichung in Vorwärtsrichtung gewonnen werden. Sie bestimmt die Rückpropagation des totalen elektrischen Feldes E inklusive der ersten, zweiten und dritten Dispersionsordnung, der Selbstphasenmodulation, der Kreuzphasenmodulation und der Vierwellenmischung. Diese nichtlinearen Effekte, welche durch die Suszeptibilität dritter Ordnung bestimmt werden, beinhalten keinen Energieaustausch mit dem Medium und können daher zeitlich umgekehrt behandelt werden. Für eine vereinfachte Berechnung wird folgende Transformation vorgenommen. T = t – β1z
The mathematical description of the recalculation in the process step 110 is as follows:
For the reverse propagation the corresponding inverse nonlinear Schrödinger equation has to be solved: ∂E / ∂z = α / 2E + β 1 ∂E / ∂t + iβ₂ / 2 ∂²E / ∂t² - β₃ / 6 ∂³E / ∂t³ - iγ | E | 2 E + γ / ω₀ ∂ / ∂t (| E | 2 E) with the absorption coefficient α, the dispersion coefficients β 1 , β 2 and β 3 and the nonlinear parameter γ. This equation can be obtained by simply conjugating the parameters for the forward nonlinear Schrödinger equation. It determines the backpropagation of the total electric field E including the first, second and third dispersion order, the self-phase modulation, the cross-phase modulation and the four-wave mixing. These non-linear effects, which are determined by the third-order susceptibility, do not involve an energy exchange with the medium and can therefore be reversed in time. For a simplified calculation, the following transformation is performed. T = t - β 1 z

Damit folgt: ∂E / ∂z = α / 2E + iβ₂ / 2 ∂²E / ∂T² – β₃ / 6 ∂³E / ∂T³ – iγ|E|2E + γω / ₀ ∂ / ∂T(|E|2E) With that follows: ∂E / ∂z = α / 2E + iβ₂ / 2 ∂²E / ∂T² - β₃ / 6 ∂³E / ∂T³ - iγ | E | 2 E + γω / ₀ ∂ / ∂T (| E | 2 E)

Diese Gleichung kann man auch in der folgenden Form schreiben: ∂E / ∂z = (D ^ + N ^)E mit dem differentiellen Operator: D ^ = – iβ₂ / 2 ∂² / ∂T² + β₃ / 6 ∂³ / ∂T³ – α / 2 und dem nichtlinearem Operator: N ^ = –iγ|E|2 + γω / ₀ ∂ / ∂T(|E|2E) This equation can also be written in the following form: ∂E / ∂z = (D ^ + N ^) E with the differential operator: D ^ = - iβ₂ / 2 ∂² / ∂T² + β₃ / 6 ∂³ / ∂T³ - α / 2 and the nonlinear operator: N ^ = -iγ | E | 2 + γω / ₀ ∂ / ∂T (| E | 2 E)

Einzelne Terme können für eine vereinfachte Berechnung herausgenommen werden.Individual terms can be taken out for a simplified calculation.

Die Gleichung kann insbesondere für Pulse, die länger als etwa 1 ps sind, vereinfacht werden zu: ∂E / ∂z = α / 2E + iβ₂ / 2 ∂²E / ∂T² – β₃ / 6 ∂³E / ∂T³ – iγ|E|2E In particular, the equation can be simplified for pulses longer than about 1 ps to: ∂E / ∂z = α / 2E + iβ₂ / 2 ∂²E / ∂T² - β₃ / 6 ∂³E / ∂T³ - iγ | E | 2 E

Die umgekehrte nichtlineare Schrödingergleichung kann vorteilhaft durch die Split-Step-Fourier-Methode numerisch gelöst werden. Bei dieser Methode wird die Faser in kleine Segmente aufgeteilt und für jedes Segment die lineare und nichtlineare Berechnung einzeln separat durchgeführt. Um die Ableitungen des dispersiven Operators zu umgehen, wird der Dispersions-Schritt dabei im Frequenzraum ausgeführt. Bei genügend kleinteiliger Segmentierung gibt dieses Verfahren eine verlässliche Lösung der nichtlinearen Schrödingergleichung. Diese Berechnung kann mit einem entsprechenden Computerprogramm auf einem Standard-PC im Sekundenbereich mit genügend großer Auflösung durchgeführt werden. Die Benutzung der nichtlinearen Schrödingergleichung mit einer Split-Step Fourier-Methode zur Rückrechnung von Laserlicht entlang nichtlinearen optischen Medien ist eine bekannte Berechnungsmethode, deren Einsatz jedoch nicht für ein Verfahren zur Mehrphotonenanregung mit in Phase, Amplitude und Polarisation geformten Laserpulsen bekannt ist.The inverse nonlinear Schrödinger equation can advantageously be solved numerically by the split-step Fourier method. In this method, the fiber is divided into small segments and for each segment, the linear and non-linear calculation separately performed separately. In order to avoid the derivatives of the dispersive operator, the dispersion step is carried out in the frequency domain. Given sufficient small-scale segmentation, this method provides a reliable solution to the nonlinear Schrödinger equation. This calculation can be carried out with a corresponding computer program on a standard PC in the seconds range with sufficiently high resolution. The use of the non-linear Schrödinger equation with a split-step Fourier method for recalculating laser light along nonlinear optical media is a well known computational method, but its use is not known for a multi-photon excitation with phase, amplitude and polarization shaped laser pulses.

Im Folgenden Verfahrensschritt 120 wird das so für das Eingangsende des optischen Übertragungssystems aus den zurückberechneten Parametern erhaltene elektrische Feld des Laserpulses in ein Kontrollsignal für den im Strahlengang vor dem Eingangsende befindlichen Pulsformer für die Formung eines Laserpulses mit den zurückberechneten Parametern umgerechnet. Darauf wird dieses berechnete Kontrollsignal im Verfahrensschritt 130 auf den Pulsformer angewandt und die Amplitude, Phase und Polarisation für einen in den Pulsformer geleiteten Laserpuls moduliert. Auf diese Weise wird der Laserpuls gemäß der zurückberechneten Form vorgeformt. Dieser vorgeformte Laserpuls wird im Verfahrensschritt 140 in das Eingangsende des optischen Übertragungssystems eingeleitet. In diesem Fall wird dabei der Laserpuls mittels einer präzisen Kollimierungsoptik in die optische Faser eingekoppelt. Als letzter Verfahrensschritt 150 erfolgt die Anwendung des aus dem Ausgangsende des optischen Übertragungssystem austretenden Laserpulses mit oder nahezu mit der gewünschten Pulsform für die Mehrphotonenanregung. Das optische Übertragungssystem ist beispielsweise als Teil eines medizinischen Endoskopiegeräts vorstellbar. Die Mehrphotonenanregung kann eine gezielte molekulare mehrphotonische Anregung sein. Auch eine gezielte Veränderung und Verschiebung von Mehrphotonen-Spektren ist denkbar. Ein Beispiel der Verwendung einer solchen Mehrphotonenanregung ist die Bestimmung der molekularen Ausrichtung und der Anisotopie einer Probe.In the following process step 120 the electric field of the laser pulse thus obtained for the input end of the optical transmission system is converted into a control signal for the pulse shaper located in the beam path in front of the input end for shaping a laser pulse with the parameters calculated back. Then this calculated control signal in the process step 130 applied to the pulse shaper and the amplitude, phase and polarization modulated for a guided in the pulse shaper laser pulse. In this way, the laser pulse is preformed according to the back-calculated shape. This preformed laser pulse is in the process step 140 introduced into the input end of the optical transmission system. In this case, the laser pulse is coupled into the optical fiber by means of precise collimation optics. As the last procedural step 150 the application of the emerging from the output end of the optical transmission system laser pulse with or near the desired pulse shape for the Mehrphotonenanregung. The optical transmission system is conceivable, for example, as part of a medical Endoskopiegeräts. The multiphoton excitation can be a targeted molecular multi-photon excitation. A targeted change and shift of multiphoton spectra is conceivable. An example of the use of such multi-photon excitation is the determination of the molecular orientation and anisotopy of a sample.

In 4 ist als Flussdiagramm eine weitere Ausführungsform des Verfahrens mit iterativer Optimierung dargestellt. Im ersten Verfahrensschritt 200 erfolgt die Ermittlung des Parameterraumes aller mit dem technischen System möglichen Pulsformen am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems. Dabei wird für die realisierbaren Eingangspulsenergien ein Parameterscan der Pulsformparameter am Ausgangsende mit Bestimmung der Parametergrenzen durchgeführt. Im zweiten Schritt 210 werden die auf die gewünschte Mehrphotonenanregung optimierten Parameter der Laserpulsform aus dem ermittelten Parameterraum bestimmt. Dieses erfolgt durch ein iteratives Optimierungsverfahren, welches die aus Schritt 210 folgenden Verfahrensschritte durchläuft, um dann wieder bei nicht ausreichend gutem Ergebnis zum Schritt 210 zurückzukommen. Dabei wird bei einer aus dem ermittelten Parameterraum für die Mehrphotonenanregung gewählten Laserpulsform zumindest ein Parameter veränderlich gehalten. Mit den Parametern einer Ausgangslaserpulsform erfolgt im Schritt 220 eine Rückrechnung der Pulsparameter entlang der Faser gemäß Schritt 110 in 3 mit einer nichtlinearen Schrödingergleichung und der Split-Step-Fourier-Methode. Wie in Schritt 120 in 3 wird dann in Schritt 230 ein Kontrollsignal für den im Strahlengang vor dem Eingangsende befindlichen Pulsformer für die Formung eines Laserpulses mit den zurückberechneten Parametern berechnet. Darauf wird dieses berechnete Kontrollsignal im Verfahrensschritt 240 auf den Pulsformer angewandt und die Amplitude, Phase und Polarisation für einen in den Pulsformer geleiteten Laserpuls moduliert. Auf diese Weise wird der Laserpuls gemäß der zurückberechneten Form vorgeformt. Dieser vorgeformte Laserpuls wird im Verfahrensschritt 250 in das Eingangsende des optischen Übertragungssystems eingeleitet. In diesem Fall wird dabei der Laserpuls mittels einer präzisen Kollimierungsoptik in die optische Faser eingekoppelt. Als weiterer Verfahrensschritt 260 erfolgt die Anwendung des aus dem Ausgangsende des optischen Übertragungssystem austretenden Laserpulses mit oder nahezu mit der ausgewählten Pulsform für die Mehrphotonenanregung. Im nächsten Schritt 270 wird das Ergebnis der Mehrphotonenanregung ermittelt. Erfüllt das ermittelte Ergebnis die Erwartungen nicht, wird der veränderliche Parameter bei der zu wählenden Pulsform für die Mehrphotonenanregung entsprechend dem Optimierungsalgorithmus im Schritt 210 verändert und erneut mit dieser veränderten Pulsform die Schritte 220 bis 270 durchgeführt, bis letztendlich nach ausreichend vielen solcher Iterationsschritte die optimale bzw. ausreichend gute Pulsform des Laserpulses für das Ergebnis der Mehrphotonenanregung gefunden ist. Dann bricht das Iterationsverfahren zur Bestimmung der Laserpulsform ab.In 4 is shown as a flowchart, another embodiment of the method with iterative optimization. In the first process step 200 the determination of the parameter space of all possible with the technical system pulse shapes at the output end of the optical transmission system. In this case, a parameter scan of the pulse shape parameters is carried out at the output end with determination of the parameter limits for the realizable input pulse energies. At the second step 210 the parameters of the laser pulse shape optimized for the desired multiphoton excitation are determined from the determined parameter space. This is done by an iterative optimization method, which is the one from step 210 goes through the following process steps, then again when not sufficiently good result for the step 210 come back. At least one parameter is kept variable in the case of a laser pulse shape selected from the determined parameter space for the multiphoton excitation. With the parameters of an output laser pulse shape takes place in the step 220 a recalculation of the pulse parameters along the fiber according to step 110 in 3 with a nonlinear Schrödinger equation and the split-step Fourier method. As in step 120 in 3 will then step in 230 a control signal for the located in the beam path in front of the input end pulse shaper for the formation of a laser pulse with the calculated back parameters calculated. Then this calculated control signal in the process step 240 applied to the pulse shaper and the amplitude, phase and polarization modulated for a guided in the pulse shaper laser pulse. In this way, the laser pulse is preformed according to the back-calculated shape. This preformed laser pulse is in the process step 250 introduced into the input end of the optical transmission system. In this case, the laser pulse is coupled into the optical fiber by means of precise collimation optics. As a further process step 260 the application of the output from the output end of the optical transmission system laser pulse with or near the selected pulse shape for the Mehrphotonenanregung. In the next step 270 the result of multiphoton excitation is determined. Meets that If the result obtained does not meet the expectations, the variable parameter in the pulse shape to be selected becomes the multiphoton excitation according to the optimization algorithm in step 210 changed and again with this altered pulse shape the steps 220 to 270 carried out until finally, after sufficiently many such iteration steps, the optimal or sufficiently good pulse shape of the laser pulse for the result of Mehrphotonenanregung is found. Then the iteration process terminates to determine the laser pulse shape.

In 5 ist in der Form eines Flussdiagramms eine weitere Ausführungsform des Verfahrens mit vorheriger Parameterraumzuordnung gezeigt. Das Verfahren zur Durchführung von Mehrphotonenanregung mit zumindest einem erzeugten Laserpuls, der vordefinierte Amplitude, Phase und Polarisation am Ausgangsende eines optischen Übertragungssystems mit einer optischen Faser aufweist ermittelt vorab im Schritt 300 den möglichen Parameterraum von möglichen Laserpulsformen am Eingangsende des optischen Übertragungssystems und deren dazugehöriges Kontrollsignal für den Pulsformer. Dazu werden insbesondere die untere und obere Grenze der veränderbaren Parameter bestimmt. Vor allem die Grenzen der Laserpulsintensität und die Parametergrenzen zur jeweiligen Laserpulsenergie werden dabei ermittelt. Im nächsten Schritt 310 wird aus dem ermittelten Parameterraum am Eingangsende des optischen Übertragungssystems in Vorwärtsrichtung entlang der optischen Faser der Parameterraum der möglichen Laserpulsformen am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems berechnet. Die Berechnung erfolgt wieder durch eine nichtlineare Schrödingergleichung mit Split-Step-Fourier-Methode wie sie in Rückwärtsrichtung zu Schritt 110 in 3 beschrieben ist. Dadurch wird eine eindeutige Zuordnung von möglichen Laserpulsformen am Eingangsende zu dann Laserpulsformen am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems je nach Pulsintensität gewonnen. Bei der Berechnung werden nichtlineare physikalische Parameter der Faser, wie beispielsweise ihr nichtlinearer Anteil des Brechungsindexes, berücksichtigt. Mit dieser berechneten Zuordnung des Parameterraumes der möglichen Laserpulsformen am Eingangsende zu demjenigen am Ausgangende des optischen Übertragungssystems wird eine direkte Zuordnung von Kontrollsignalen für den Pulsformer vor dem Eingangsende des optischen Übertragungssystems zu möglichen Pulsformen am Ausgangsende also die Laserpulsform bei der Mehrphotonenanregung erreicht. Damit entfällt bei Auswahl der Pulsform am Ausgangende des optischen Übertragungssystems die Rückberechnung entlang der Faser, denn aus der in Schritt 300 bestimmten Zuordnung kann das Kontrollsignal für den Pulsformer direkt ohne Berechnung abgelesen werden. In Verfahrensschritt 310 werden also passende Parameter der Form des Laserpulses hinsichtlich Phase, Polarisation und Amplitude für die Mehrphotonenanregung bestimmt und in Schritt 320 diese aus dem berechneten Parameterraum der möglichen Laserpulsformen am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems ausgewählt. Aus der in Schritt 300 berechneten Zuordnung werden im nächsten Schritt 330 das dazugehörige Pulsformerkontrollsignal des Laserpulses am Eingangsende des optischen Übertragungssystems ermittelt. Dieses Kotrollsignal wird in Schritt 340 auf den Pulsformer angewandt und die Amplitude, Phase und Polarisation für einen in den Pulsformer geleiteten Laserpuls moduliert, wodurch, der Laserpuls gemäß der für das Eingangsende des optischen Übertragungssystems bestimmten Form vorgeformt wird. Im Schritt 350 wird der vorgeformte Laserpuls in das Eingangsende des optischen Übertragungssystems eingeleitet und kommt am Ausgangsende in der gewünschten bzw. nahezu gewünschten Form heraus. Im letzten Schritt 360 wird der aus dem Ausgangsende des optischen Übertragungssystems austretenden Laserpuls für Mehrphotonenanregung angewendet.In 5 In the form of a flow chart, another embodiment of the method with prior parameter space allocation is shown. The method for performing multiphoton excitation with at least one generated laser pulse having predefined amplitude, phase and polarization at the output end of an optical transmission system with an optical fiber is determined in advance in step 300 the possible parameter space of possible laser pulse forms at the input end of the optical transmission system and their associated control signal for the pulse shaper. In particular, the lower and upper limits of the variable parameters are determined for this purpose. Above all, the limits of the laser pulse intensity and the parameter limits to the respective laser pulse energy are determined. In the next step 310 is calculated from the determined parameter space at the input end of the optical transmission system in the forward direction along the optical fiber, the parameter space of the possible laser pulse shapes at the output end of the optical transmission system. The calculation is done again by a nonlinear Schrödinger equation using the split-step Fourier method as in step backwards 110 in 3 is described. As a result, an unambiguous assignment of possible laser pulse shapes at the input end to then laser pulse shapes at the output end of the optical transmission system is obtained depending on the pulse intensity. The calculation takes into account nonlinear physical parameters of the fiber, such as its non-linear part of the refractive index. With this calculated assignment of the parameter space of the possible laser pulse forms at the input end to that at the output end of the optical transmission system, a direct assignment of control signals for the pulse shaper before the input end of the optical transmission system to possible pulse shapes at the output end so the laser pulse shape in the multiphoton excitation is achieved. This eliminates the back calculation along the fiber when selecting the pulse shape at the output end of the optical transmission system, because of the in step 300 certain assignment, the control signal for the pulse shaper can be read directly without calculation. In process step 310 Thus, suitable parameters of the shape of the laser pulse with regard to phase, polarization and amplitude are determined for the multiphoton excitation and in step 320 these are selected from the calculated parameter space of the possible laser pulse shapes at the output end of the optical transmission system. Out of step 300 calculated assignment will be in the next step 330 determines the associated Pulse Former Control signal of the laser pulse at the input end of the optical transmission system. This Kotrollsignal is in step 340 is applied to the pulse shaper and modulates the amplitude, phase and polarization for a laser pulse guided into the pulse shaper, thereby preforming the laser pulse according to the shape intended for the input end of the optical transmission system. In step 350 The preformed laser pulse is introduced into the input end of the optical transmission system and comes out at the output end in the desired or almost desired shape. In the last step 360 the laser pulse for multiphoton excitation emerging from the output end of the optical transmission system is applied.

6 zeigt eine räumliche Darstellung eines polarisationsgeformten Laserpulses nach einer optischen Faser, welcher antisymmetrische Phasen aufweist. Der Laserpuls mit einer Länge von ungefähr drei Pikosekunden hat in den zwei Polarisationsebenen unterschiedliche Formen, wobei deren Maxima zeitlich zueinander deutlich verschoben sind. Dieser Doppelpuls nach der Faser hat senkrecht zueinander linear polarisierte quadratisch gechirpte Unterpulse. Ein Unterpuls hat hierbei eine antisymmetrische kubische Phase für den Zweiphotonen-Übergang bei 388 nm und der andere eine für den Zweiphotonen-Übergang bei 392 nm. 6 shows a spatial representation of a polarization-shaped laser pulse after an optical fiber having antisymmetric phases. The laser pulse with a length of approximately three picoseconds has different shapes in the two polarization planes, with their maxima being shifted significantly in time relative to one another. This double pulse after the fiber has linearly polarized square chirped subpulses perpendicular to each other. A subpulse has an antisymmetric cubic phase for the two-photon transition at 388 nm and the other one for the two-photon transition at 392 nm.

7 zeigt eine Diagrammdarstellung einer Transmissionsanpassung. Da durch nichtlineare Effekte in der Faser die Spektralkomponenten verändert werden, ist eine Änderung des eingehenden Spektrums erforderlich. Dies wird durch Amplitudenmodulation im Pulsformer realisiert. Die durch Rückrechnung erhaltene Transmission wird in den Pulsformer eingegeben, so dass man auf der Auskoppelseite den vordefinierten Laserpuls erhält. Die Transmission kann dabei nicht größer als 1 sein, die Rückrechnung liefert jedoch teilweise größere Werte. Um dieses Problem zu umgehen wird so skaliert, dass man insgesamt eine Transmission kleiner als 1 vorgibt damit auch höhere Transmissionswerte als dieses Mittel möglich werden. Es wird also bereits für die Rückrechnung eine feste mittlere Transmission so klein eingegeben, dass die maximale Transmission nicht größer als 1 wird, welches mit entsprechend intensitätsangepassten nichtlinearen Effekten einhergeht. Die 7 zeigt ein Beispiel der dann auf die Pixel des Modulators des Pulsformers zu schreibenden Transmission als Ergebnis einer mit Hilfe eines ausreichend unter eins gesetzten Transmissionsmittelwerts erfolgten Rückrechnung für eine bestimmte Laserpulsform für die Mehrphotonenanregung. 7 shows a diagram representation of a transmission adaptation. Since the spectral components are changed by non-linear effects in the fiber, a change in the incoming spectrum is required. This is realized by amplitude modulation in the pulse shaper. The transmission obtained by recalculation is entered into the pulse shaper so that the predefined laser pulse is obtained on the decoupling side. The transmission can not be greater than 1, however, the recalculation provides some larger values. To circumvent this problem is scaled so that one specifies a total transmission of less than 1 so that higher transmission values than this means are possible. Thus, for the recalculation, a fixed average transmission is entered so small that the maximum transmission does not become greater than 1, which is accompanied by correspondingly intensity-adjusted nonlinear effects. The 7 FIG. 4 shows an example of the transmission to be written onto the pixels of the modulator of the pulse shaper as a result of a recalculation for a specific laser pulse form for the multiphoton excitation, which is carried out with the aid of a transmission mean value set sufficiently below one.

In 8 sind in Diagrammdarstellung zwei Beispiele eines Vergleichs der Laserpulsform am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems bei Verfahren einmal ohne und einmal mit Berücksichtigung von nichtlinearen Parametern der optischen Faser gezeigt. Diese experimentell vermessenen Laserpulse stimmen gut mit den nach dem erfindungsgemäßen Verfahren vorbestimmten Pulsformen überein und sind klar besser als die ohne Berechnung des nichtlinearen Verhaltens gewonnen nur dispersionskompensierten Pulse. In der Bestimmung sind als nichtlineare Prozesse die Selbstphasenmodulation und Selbstaufsteilung enthalten, für nicht zu hohe Pulsintensitäten sind dies die führenden Terme, so dass damit bereits eine gute Übereinstimmung mit den experimentell gefundenen Pulsformen vorliegt.In 8th 2, two examples of a comparison of the laser pulse shape at the output end of the optical transmission system in methods once without and once taking into account nonlinear parameters of the optical fiber are shown diagrammatically. These experimentally measured laser pulses agree well with the pulse shapes predetermined by the method according to the invention and are clearly better than those obtained without calculation of the non-linear behavior only dispersion-compensated pulses. In the determination, the non-linear processes include the self-phase modulation and self-division, for not too high pulse intensities these are the leading terms, so that there is already a good match with the experimentally found pulse shapes.

Claims (19)

Verfahren zur Durchführung von Mehrphotonenanregung mit zumindest einem erzeugten Laserpuls, der vordefinierte Amplitude, Phase und Polarisation am Ausgangsende eines optischen Übertragungssystems (30), welches zumindest eine optische Faser (28) enthält, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte enthält: – bestimmen (100) von Parametern der gewünschten Form des Laserpulses hinsichtlich Phase, Polarisation und Amplitude für die Mehrphotonenanregung; – berechnen (110) der Parameter der Form des Laserpulses vom Ausgangsende entlang der mindestens einen Faser (28) zum Eingangsende des optischen Übertragungssystems (30) mithilfe einer nichtlinearen Schrödingergleichung, wobei zumindest ein nichtlinearer physikalischer Parameter der mindestens einen optischen Faser (28) berücksichtigt wird; – berechnen (120) eines Kontrollsignals für den im Strahlengang vor dem Eingangsende befindlichen Pulsformer (1) für die Formung eines Laserpulses mit den zurückberechneten Parametern; – anwenden (130) des Kontrollsignals auf den Pulsformer (1) und modulieren der Amplitude, Phase und Polarisation für einen in den Pulsformer (1) geleiteten Laserpuls, wodurch der Laserpuls gemäß der zurückberechneten Form vorgeformt wird; – einleiten (140) des vorgeformten Laserpulses in das Eingangsende des optischen Übertragungssystems (30), und – anwenden (150) des aus dem Ausgangsende des optischen Übertragungssystems (30) austretenden Laserpulses für Mehrphotonenanregung.Method for carrying out multiphoton excitation with at least one generated laser pulse, the predefined amplitude, phase and polarization at the output end of an optical transmission system ( 30 ) comprising at least one optical fiber ( 28 ), characterized in that the method comprises the following steps: - determine ( 100 ) of parameters of the desired shape of the laser pulse in terms of phase, polarization and amplitude for the multi-photon excitation; - to calculate ( 110 ) the parameter of the shape of the laser pulse from the output end along the at least one fiber ( 28 ) to the input end of the optical transmission system ( 30 ) using a nonlinear Schrödinger equation, wherein at least one nonlinear physical parameter of the at least one optical fiber ( 28 ) is taken into account; - to calculate ( 120 ) a control signal for the pulse generator located in the beam path in front of the input end ( 1 ) for shaping a laser pulse with the parameters calculated back; - apply ( 130 ) of the control signal on the pulse shaper ( 1 ) and modulate the amplitude, phase and polarization for one in the pulse shaper ( 1 ), whereby the laser pulse is preformed according to the back-calculated shape; - initiate ( 140 ) of the preformed laser pulse into the input end of the optical transmission system ( 30 ), and - apply ( 150 ) from the output end of the optical transmission system ( 30 ) exiting laser pulse for multiphoton excitation. Verfahren nach Anspruch 1, wobei bei der Berechnung der Laserpulsparameter entlang der mindestens einen optischen Faser (28) der nichtlineare Teil des Brechungsindex berücksichtigt wird.Method according to claim 1, wherein in the calculation of the laser pulse parameters along the at least one optical fiber ( 28 ) the non-linear part of the refractive index is taken into account. Verfahren nach Anspruch 2, wobei bei der Auswertung der nichtlinearen Schrödingergleichung ein Split-Step Fourier Verfahren angewendet wird.The method of claim 2, wherein in the evaluation of the non-linear Schrödinger equation a split-step Fourier method is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei es den Schritt (200) der Ermittlung des Parameterraums aller mit dem technischen System möglichen Pulsformen am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems (30) enthält.Method according to one of claims 1 to 3, wherein it comprises the step ( 200 ) the determination of the parameter space of all possible with the technical system pulse shapes at the output end of the optical transmission system ( 30 ) contains. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die optische Transmission entlang der mindestens einen optischen Faser (28) für die Berechnung entlang der mindestens einen Faser (28) auf einen ausreichend niedrigen Wert gesetzt wird, so dass bei der Rückrechnung die optische Transmission nicht größer als 1 wird.Method according to one of claims 1 to 4, wherein the optical transmission along the at least one optical fiber ( 28 ) for the calculation along the at least one fiber ( 28 ) is set to a sufficiently low value so that the optical transmission does not become greater than 1 during the recalculation. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Pulsformung am Pulsformer (1) eine gezielte polarisationsabhängige Einberechnung der nichtlinearen Parameter der mindestens einen optischen Faser (28) enthält.Method according to one of claims 1 to 5, wherein the pulse shaping on the pulse shaper ( 1 ) a specific polarization-dependent incorporation of the non-linear parameters of the at least one optical fiber ( 28 ) contains. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei am Pulsformer (1) der Laserpuls gezielt in der Weise vorformbar ist, dass am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems (30) der Laserpuls in zwei unterschiedliche Polarisationsrichtungen unterschiedlich geformt und spektral zueinander verschoben ist.Method according to one of claims 1 to 6, wherein at the pulse shaper ( 1 ) the laser pulse is preformable in such a way that at the output end of the optical transmission system ( 30 ) The laser pulse is shaped differently in two different directions of polarization and spectrally shifted from each other. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Bestimmung der Parameter des Laserpulses eine iterative Optimierung des Verfahrens auf die Mehrphotonenanregung durch Veränderung zumindest eines Parameters des aus dem optischen Übertragungssystems (30) austretenden geformten Laserpulses zurückermittelt auf das Kontrollsignal des Pulsformers (1) enthält.Method according to one of claims 1 to 7, wherein the determination of the parameters of the laser pulse, an iterative optimization of the method on the Mehrphotonenanregung by changing at least one parameter of the optical transmission system ( 30 ) exiting formed laser pulse back to the control signal of the pulse shaper ( 1 ) contains. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mindestens eine optische Faser (28) eine Singlemoden-Glasfaser ist.Method according to one of claims 1 to 8, wherein the at least one optical fiber ( 28 ) is a single-mode optical fiber. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mindestens eine optische Faser (28) eine mikrostrukturierte Hohlkern-Faser ist.Method according to one of claims 1 to 8, wherein the at least one optical fiber ( 28 ) is a microstructured hollow core fiber. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei ein parametrisches Laserpulsformungsverfahren verwendet wird.A method according to any one of claims 1 to 10, wherein a parametric laser pulse shaping method is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei es zu einer gezielten molekularen mehrphotonischen Anregung nach der mindestens einen optischen Faser (28) geeignet ist. Method according to one of claims 1 to 11, wherein it is for a targeted molecular multi-photonic excitation after the at least one optical fiber ( 28 ) suitable is. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei es zur gezielten Veränderung und Verschiebung von Mehrphotonen-Spektren nach der mindestens einen optischen Faser (28) geeignet ist.Method according to one of claims 1 to 12, wherein it is used for the targeted modification and displacement of multiphoton spectra after the at least one optical fiber ( 28 ) suitable is. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei es zur Bestimmung der molekularen Ausrichtung und der Anisotopie einer Probe geeignet ist.A method according to any one of claims 1 to 13, wherein it is suitable for determining the molecular orientation and anisotopy of a sample. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das optische Übertragungssystem (30) Teil eines medizinischen Gerätes, wie beispielsweise eines Endoskopiegerätes, ist.Method according to one of claims 1 to 14, wherein the optical transmission system ( 30 ) Is part of a medical device, such as an endoscopy device. Computerprogrammprodukt, gespeichert auf einem computerlesbaren Medium, enthaltend Anweisungen zur Konfiguration eines Computers zur Berechnung der Rückrechnung entlang der mindestens einen optischen Faser (28) und der Kontrollsignale für den Pulsformer (1) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15.A computer program product stored on a computer-readable medium, comprising instructions for configuring a computer to calculate the recalculation along the at least one optical fiber ( 28 ) and the control signals for the pulse shaper ( 1 ) according to a method according to any one of claims 1 to 15. Verfahren zur Durchführung von Mehrphotonenanregung mit zumindest einem erzeugten Laserpuls, der vordefinierte Amplitude, Phase und Polarisation am Ausgangsende eines optischen Übertragungssystems (30), welches zumindest eine optische Faser (28) enthält, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren die folgenden Schritte enthält: – ermitteln (300) des Parameterraums von möglichen Laserpulsformen am Eingangsende des optischen Übertragungssystems (30) und deren dazugehörige Kontrollsignale für den Pulsformer (1); – berechnen (310) – aus dem ermittelten Parameterraum am Eingangsende des optischen Übertragungssystems (30) in Vorwärtsrichtung entlang der mindestens einen Faser (28) mithilfe einer nichtlinearen Schrödingergleichung unter Berücksichtigung zumindest eines der nichtlinearen physikalischen Parameter der mindestens einen Faser (28) – des Parameterraums der möglichen Laserpulsformen am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems (30) zur Zuordnung von möglichen Laserpulsformen am Eingangsende zu Laserpulsformen am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems (30); – bestimmen (310) von für die Mehrphotonenanregung passenden Parametern der Form des Laserpulses hinsichtlich Phase, Polarisation und Amplitude für die Mehrphotonenanregung; – auswählen (320) der bestimmten Parameter des Laserpulses aus dem berechneten Parameterraum der möglichen Laserpulsformen am Ausgangsende des optischen Übertragungssystems (30); – bestimmen (330) des dazugehörigen Pulsformerkontrollsignals für den Laserpuls am Eingangsende des optischen Übertragungssystems (30) aus der im zweiten Verfahrensschritt berechneten Zuordnung; – anwenden (340) des Kontrollsignals auf den Pulsformer (1) und modulieren der Amplitude, Phase und Polarisation für einen in den Pulsformer (1) geleiteten Laserpuls, wodurch der Laserpuls gemäß der für das Eingangsende des optischen Übertragungssystems (30) bestimmten Form vorgeformt wird; – einleiten (350) des vorgeformten Laserpulses in das Eingangsende des optischen Übertragungssystems (30); – anwenden (360) des aus dem Ausgangsende des optischen Übertragungssystems (30) austretenden Laserpulses für Mehrphotonenanregung.Method for carrying out multiphoton excitation with at least one generated laser pulse, the predefined amplitude, phase and polarization at the output end of an optical transmission system ( 30 ) comprising at least one optical fiber ( 28 ), characterized in that the method comprises the following steps: 300 ) of the parameter space of possible laser pulse forms at the input end of the optical transmission system ( 30 ) and its associated control signals for the pulse shaper ( 1 ); - to calculate ( 310 ) - from the determined parameter space at the input end of the optical transmission system ( 30 ) in the forward direction along the at least one fiber ( 28 ) using a nonlinear Schrödinger equation considering at least one of the non-linear physical parameters of the at least one fiber ( 28 ) - the parameter space of the possible laser pulse forms at the output end of the optical transmission system ( 30 ) for assigning possible laser pulse shapes at the input end to laser pulse shapes at the output end of the optical transmission system ( 30 ); - determine ( 310 ) parameters of the shape of the laser pulse with respect to phase, polarization and amplitude suitable for multiphoton excitation, for multiphoton excitation; - choose ( 320 ) of the determined parameter of the laser pulse from the calculated parameter space of the possible laser pulse shapes at the output end of the optical transmission system ( 30 ); - determine ( 330 ) of the associated pulse-shaping control signal for the laser pulse at the input end of the optical transmission system ( 30 ) from the assignment calculated in the second method step; - apply ( 340 ) of the control signal on the pulse shaper ( 1 ) and modulate the amplitude, phase and polarization for one in the pulse shaper ( 1 ) laser pulse, whereby the laser pulse according to that for the input end of the optical transmission system ( 30 ) preformed in certain shape; - initiate ( 350 ) of the preformed laser pulse into the input end of the optical transmission system ( 30 ); - apply ( 360 ) from the output end of the optical transmission system ( 30 ) exiting laser pulse for multiphoton excitation. Verfahren nach Anspruch 17, wobei es ein oder mehrere der Merkmale der Ansprüche 2, 3 und 6 bis 15 enthält.A method according to claim 17, comprising one or more of the features of claims 2, 3 and 6 to 15. Computerprogrammprodukt, gespeichert auf einem computerlesbaren Medium, enthaltend Anweisungen zur Konfiguration eines Computers zur Berechnung der Rechnung entlang der mindestens einen optischen Faser (28) und der Kontrollsignale für den Pulsformer (1) gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 17 und 18.A computer program product stored on a computer-readable medium, comprising instructions for configuring a computer to calculate the computation along the at least one optical fiber ( 28 ) and the control signals for the pulse shaper ( 1 ) according to a method according to one of claims 17 and 18.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE10336057A1 (en) * 2003-08-01 2005-03-03 Freie Universität Berlin Method and device for separating molecules with different excitation spectra
US20100100006A1 (en) * 2006-10-26 2010-04-22 Cornell Research Foundation, Inc Production of optical pulses at a desired wavelength using soliton self-frequency shift

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10336057A1 (en) * 2003-08-01 2005-03-03 Freie Universität Berlin Method and device for separating molecules with different excitation spectra
US20100100006A1 (en) * 2006-10-26 2010-04-22 Cornell Research Foundation, Inc Production of optical pulses at a desired wavelength using soliton self-frequency shift

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