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e.g. polarization, at output end of optical transmission system i.e. endoscopic device, involves applying laser pulse withdrawn from end of transmission system for multi-photon excitation - Google Patents
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Abstract
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
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
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
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
In
Die mathematische Beschreibung der Rückrechnung im Verfahrensschritt
Für die Rückpropagation ist die entsprechende umgekehrte nichtlineare Schrödingergleichung zu lösen:
For the reverse propagation the corresponding inverse nonlinear Schrödinger equation has to be solved:
Damit folgt:
Diese Gleichung kann man auch in der folgenden Form schreiben:
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:
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
In
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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 |
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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 |
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