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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz, insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts.
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Stand der Technik
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Zur optischen Abstandsmessung von Objekten ist u.a. ein auch als LIDAR bezeichnetes Messprinzip bekannt, bei welchem ein in seiner Frequenz zeitlich verändertes optisches Signal zu dem betreffenden Objekt hin ausgestrahlt und nach an dem Objekt erfolgter Rückreflexion ausgewertet wird.
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1a zeigt lediglich in schematischer Darstellung einen für sich bekannten prinzipiellen Aufbau, in welchem ein von einer Lichtquelle 110 ausgesandtes Signal mit zeitlich veränderter Frequenz (auch als „Chirp“ bezeichnet) in zwei Teilsignale aufgespalten wird, wobei diese Aufspaltung z.B. über einen nicht dargestellten teildurchlässigen Spiegel erfolgt. Die beiden Teilsignale werden über einen Signalkoppler 150 gekoppelt und an einem Detektor 160 einander überlagert, wobei das erste Teilsignal 111 als Referenzsignal ohne Reflexion an dem mit „140“ bezeichneten Objekt zum Signalkoppler 150 und zum Detektor 160 gelangt. Das zweite am Signalkoppler 150 bzw. am Detektor 160 eintreffende Teilsignal 121 verläuft hingegen über einen optischen Zirkulator 130 zum Objekt 140, wird von diesem zurückreflektiert und gelangt somit im Vergleich zum ersten Teilsignal 111 mit einer Zeitverzögerung und entsprechend veränderter Frequenz zum Signalkoppler 150 und zum Detektor 160.
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Über eine (nicht dargestellte) Auswerteeinrichtung wird das vom Detektor 160 gelieferte Messsignal relativ zur Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 110 ausgewertet, wobei die zu einem bestimmten Zeitpunkt erfasste, im Diagramm von 1b dargestellte Differenzfrequenz 131 zwischen den Teilsignalen 111, 121 charakteristisch für den Abstand des Objekts 140 von der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 110 ist. Gemäß 1b kann dabei zum Erhalt zusätzlicher Information hinsichtlich der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Objekt 140 und der Messvorrichtung bzw. der Lichtquelle 110 der zeitabhängige Frequenzverlauf des von der Lichtquelle 110 ausgesandten Signals auch so beschaffen sein, dass zwei Abschnitte vorliegen, in denen die zeitliche Ableitung der von der Lichtquelle 110 erzeugten Frequenz zueinander entgegengesetzt ist.
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Zur Realisierung der hinsichtlich der Frequenz des ausgesandten Lichtes durchstimmbaren Lichtquelle 110 ist eine Anordnung bekannt, bei welcher wie in 5 schematisch dargestellt ein Laser 501 über einen optischen Koppler 515 z.B. in Form eines Prismas an einen WGM-Resonator 510 (WGMR = „whispering gallery mode resonator“) optisch gekoppelt ist, wobei aufgrund der Verwendung des WGM-Resonators 510 eine vergleichsweise hohe Resonatorgüte, eine geringe Linienbreite und eine große Kohärenzlänge erzielt werden können.
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Über die Bereitstellung einer möglichst hohen Kohärenzlänge hinaus besteht jedoch auch für die Durchführung hochgenauer Abstandsmessungen (z.B. mit Genauigkeiten im MikrometerBereich über Entfernungen von mehreren Metern) der Bedarf nach einem möglichst großen durchstimmbaren Frequenzbereich der Lichtquelle 110.
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Grundsätzlich erfolgt diese Frequenzdurchstimmung („sweep“) der Lichtquelle im Falle des in 5 dargestellten Aufbaus z.B. durch Beaufschlagung des (aus elektrooptischem Kristallmaterial gefertigten) WGM-Resonators 510 mit elektrischer Spannung. Ein hierbei in der Praxis auftretendes Problem ist, dass der für den durchstimmbaren Frequenzbereich maßgebliche freie Spektralbereich (FSR= „free spectral range“= „freier Spektralbereich“) des WGM-Resonators 510 gering ist. Insbesondere ist der durchstimmbare Frequenzbereich („sweep range“) durch die maximal zulässige elektrische Spannung sowie die Abmessungen des WGM-Resonators 510 begrenzt.
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Der geringe freie Spektralbereich (FSR) des WGM-Resonators 510 erfordert wiederum eine entsprechend starke Begrenzung der Verstärkungsbandbreite des Lasers 501, da zur Sicherstellung eines Ein-Moden-Betriebs der freie Spektralbereich (FSR) des WGM-Resonators 510 größer sein muss als die Verstärkungsbandbreite des Lasers 501. In dem Aufbau von 5 wird aus diesem Grund als Laser 501 typischerweise ein DFB-Laser („Distributed Feedback Laser“) mit geringer spektraler Verstärkungsbandbreite eingesetzt.
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Vor dem obigen Hintergrund ergibt sich ein vergleichsweise geringer Durchstimmbereich hinsichtlich der Frequenz des von der Lichtquelle 110 ausgesandten Lichtes von größenordnungsmäßig einigen 100 MHz bis zu wenigen GHz, was sich für die vorstehend genannten hochgenauen Messanwendungen als unzureichend erweisen kann.
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Zum Stand der Technik wird lediglich beispielhaft auf
US 2016/0299228 A1 verwiesen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Vor dem obigen Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz, insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts, bereitzustellen, welche über einen möglichst großen Frequenzbereich durchstimmbar ist, womit insbesondere bei der Abstandsermittlung von bewegten Objekten mit Abständen in der Größenordnung von mehreren Metern eine hochgenaue Abstandsermittlung auf wenige Mikrometer (µm) realisierbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz, insbesondere zur Verwendung in einer Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts, weist auf:
- - einen Laser;
- - einen ersten WGM-Resonator, welcher an den Laser optisch gekoppelt ist; und
- - einen zweiten WGM-Resonator, welcher an den Laser optisch gekoppelt ist.
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Der Erfindung liegt insbesondere das Konzept zugrunde, in einer durchstimmbaren Lichtquelle zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Abstandsmessung zwei WGM-Resonatoren mit unabhängig voneinander (insbesondere auf geringfügig, z.B. um 10% voneinander verschiedene Werte) einstellbaren freien Spektralbereichen (FSR) zu betreiben. Auf diese Weise kann, wie im Weiteren noch detaillierter beschrieben, im Vergleich zu dem eingangs anhand von 5 beschriebenen Konzept bei weiterhin hoher Kohärenz des ausgesandten Lichtes eine signifikante Vergrößerung des Durchstimmbereichs der Lichtquelle hinsichtlich der Frequenz des ausgesandten Lichtes erzielt werden, so dass auch für Objekte in einer Entfernung von mehreren Metern hochgenaue Abstandsmessungen mit Genauigkeiten im Mikrometerbereich realisierbar sind.
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Durch die erfindungsgemäße Bereitstellung von zwei WGM-Resonatoren wird insbesondere erreicht, dass durch Änderung des freien Spektralbereichs (FSR) von einem der WGM-Resonatoren oder beider WGM-Resonatoren (d.h. Einstellung unterschiedlicher FSR-Kombinationen) Verschiebungen der im Frequenzspektrum zusammenfallenden Moden der beiden WGM-Resonatoren und damit der Frequenz des ausgesandten Lichtes über die gesamte Verstärkungsbandbreite des Lasermediums hinweg realisierbar sind mit der Folge, dass ein im Vergleich zum Einsatz eines einzigen WGM-Resonator erheblich vergrößerter Durchstimmbereich realisiert wird.
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Durch den erfindungsgemäßen Einsatz von zwei WGM-Resonatoren in der durchstimmbaren Lichtquelle wird weiter erreicht, dass das eingangs beschriebene, beim herkömmlichen, anhand von 5 beschriebenen Konzept bestehende Erfordernis einer Begrenzung der Verstärkungsbandbreite des Lasers (z.B. durch Verwendung eines DFB-Lasers) entfällt. Während nämlich bei dem herkömmlichen Ansatz unter Verwendung lediglich eines einzigen WGM-Resonators dem Umstand des vergleichsweise kleinen freien Spektralbereichs (FSR) dieses WGM-Resonators dadurch Rechnung getragen werden muss, dass die Verstärkungsbandbreite des Lasers entsprechend beschränkt werden muss, kann diese Einschränkung durch den erfindungsgemäßen Einsatz von zwei WGM-Resonatoren vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind zur Variation der Frequenz des ausgesandten optischen Signals der freie Spektralbereich des ersten WGM-Resonators und/oder der freie Spektralbereich des zweiten WGM-Resonators variierbar.
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Gemäß einer Ausführungsform ist durch diese Variation des freien Spektralbereichs (FSR) des ersten WGM-Resonators und/oder des freien Spektralbereichs (FSR) des zweiten WGM-Resonators eine Frequenz, bei welcher Moden des ersten WGM-Resonators und des zweiten WGM-Resonators zusammenfallen, über die gesamte Verstärkungsbandbreite des Lasers verschiebbar.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Laser einen optischen Halbleiterverstärker auf. Hierdurch kann in vorteilhafter Weise der Umstand ausgenutzt werden, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Verwendung von zwei WGM-Resonatoren das Erfordernis einer Begrenzung der Verstärkungsbandbreite des Lasers (z.B. durch Verwendung eines DFB-Lasers) entfällt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Lichtquelle einen Durchstimmbereich auf, welcher zumindest den Wellenlängenbereich von 20nm bis 100nm, insbesondere zumindest den Wellenlängenbereich von 5nm bis 150nm, umfasst.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die optische Kopplung des ersten WGM-Resonators und/oder des zweiten WGM-Resonators an den Laser über wenigstens ein Prisma realisiert.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die optische Kopplung des ersten WGM-Resonators und/oder des zweiten WGM-Resonators an den Laser über wenigstens einen Lichtwellenleiter realisiert.
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Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts, mit
- - einer Lichtquelle zum Aussenden eines optischen Signals mit zeitlich variierender Frequenz, wobei die Lichtquelle gemäß den vorstehend beschriebenen Merkmalen ausgestaltet ist;
- - einem Detektor zur Erzeugung eines Detektorsignals aus einer Überlagerung eines ersten Teilsignals und eines zweiten Teilsignals, wobei das erste Teilsignal und das zweite Teilsignal durch Zerlegung des von der Lichtquelle ausgesandten optischen Signals hervorgegangen sind, wobei das erste Teilsignal ohne vorherige Reflexion an dem Objekt zum Detektor gelangt und wobei das zweite Teilsignal nach Reflexion an dem Objekt zum Detektor gelangt, wobei das Detektorsignal für die Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des zweiten Teilsignals und der Frequenz des ersten Teilsignals charakteristisch ist; und
- - einer Auswerteeinrichtung zur Ermittlung eines Abstandes des Objekts auf Basis dieser Differenzfrequenz.
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Die Erfindung betrifft weiter auch ein Verfahren zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- - Aussenden eines optischen Signals, wobei das Signal eine zeitlich variierende Frequenz aufweist, unter Verwendung einer Lichtquelle mit den vorstehend beschriebenen Merkmalen;
- - Erfassen von durch Zerlegung dieses Signals erzeugten, einander überlagernden Teilsignalen mit einem Detektor, wobei ein erstes Teilsignal dieser Teilsignale ohne vorherige Reflexion an dem Objekt auf den Detektor auftrifft und wobei ein zweites Teilsignal dieser Teilsignale nach Reflexion an dem Objekt auf den Detektor auftrifft; und
- - Ermitteln eines Abstandes des Objekts auf Basis der Differenzfrequenz zwischen der Frequenz des zweiten Teilsignals und der Frequenz des ersten Teilsignals.
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Gemäß einer Ausführungsform werden der freie Spektralbereich (FSR) des ersten WGM-Resonators und/oder der freie Spektralbereich (FSR) des zweiten WGM-Resonators zur Variation der Frequenz des von der Lichtquelle ausgesandten optischen Signals variiert.
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Gemäß einer Ausführungsform können hierbei der freie Spektralbereich (FSR) des ersten WGM-Resonators und/oder der freie Spektralbereich (FSR) des zweiten WGM-Resonators bei dieser Variation zumindest zeitweise auf um wenigstens 5%, insbesondere wenigstens 10%, jeweils bezogen auf den größeren Wert, voneinander verschiedene Werte eingestellt werden.
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Die Erfindung ist insbesondere zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung in LIDAR-Systemen (LIDAR= light detection and ranging“) einsetzbar. Bei im Rahmen der Erfindung hinsichtlich des Abstandes vermessenen Objekten kann es sich lediglich beispielhaft (und ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) um im Straßenverkehr bzw. Automobilbereich relevante Objekte (z.B. Fremdfahrzeuge) handeln, aber auch um Roboterkomponenten wie Roboterarme. Für solche Roboterarme kann zum einen eine Abstandsmessung zwecks Positionsverfolgung („tracking“) erfolgen. Des Weiteren können solche Roboterarme auch selbst zum dreidimensionalen Abscannen von Komponenten (in einem 3D-Scanner) ausgebildet und hierzu mit einer erfindungsgemäßen Lichtquelle ausgestattet sein.
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In weiteren Anwendungen kann die erfindungsgemäße Lichtquelle bzw. das Tuning der WGM-Resonatoren auch in der Telekommunikation zur raschen Umschaltung auf einen anderen Frequenzbereich oder in der optischen Kohärenztomographie (OCT = „optical coherence tomography“) eingesetzt werden.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind der Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von in den beigefügten Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1a-b eine schematische Darstellung (1a) sowie ein Diagramm (1b) zur Erläuterung von Aufbau und Funktionsweise einer Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts;
- 2a-b schematische Darstellungen zur Erläuterung des prinzipiellen möglichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Lichtquelle in beispielhaften Ausführungsformen;
- 3-4 schematische Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise einer erfindungsgemäßen Lichtquelle; und
- 5 eine schematische Darstellung zur Erläuterung von Aufbau und Wirkungsweise einer herkömmlichen Lichtquelle in einer Vorrichtung zur Abstandsmessung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Weiteren werden Aufbau und Funktionsweise einer erfindungsgemäßen Lichtquelle in einer Vorrichtung zum Ermitteln eines Abstandes eines bewegten Objekts in einer beispielhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die schematischen Darstellungen in 2-4 beschrieben.
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2a zeigt eine lediglich schematische Darstellung zur Erläuterung des prinzipiellen möglichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Lichtquelle. Die Lichtquelle weist einen Laser 201, einen ersten WGM-Resonator 210, welcher an den Laser 201 optisch gekoppelt ist, und einen zweiten WGM-Resonator 220, welcher ebenfalls an den Laser 201 optisch gekoppelt ist, auf. Die optische Kopplung erfolgt (ohne dass die Erfindung hierauf beschränkt wäre) gemäß 2a über jeweils ein Prisma 215 bzw. 225.
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In weiteren Ausführungsformen kann die optische Kopplung auch in beliebiger anderer geeigneter Weise (z.B. über Lichtwellenleiter) erfolgen. 2b zeigt in schematischer Darstellung eine hierfür beispielhafte Ausführungsform. Dabei erfolgt die optische Kopplung sowohl eines ersten WGM-Resonators 260 als auch eines zweiten WGM-Resonators 270 an einen Laser 251 über einen Lichtwellenleiter 255, wobei auf der dem Lichtwellenleiter 255 abgewandten Seite des Lasers 251 ein Spiegel 280 angeordnet ist. Gemäß 2b sind somit (in unter Fertigungsaspekten gegebenenfalls vorteilhafter Weise) beide WGM-Resonatoren 260, 270 auf ein- und derselben Seite des Lasers 251 angeordnet.
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Die jeweiligen freien Spektralbereiche der beiden WGM-Resonatoren 210, 220 (unter erneuter Bezugnahme auf 2a) können durch Modifikation der jeweiligen physikalischen Parameter des jeweiligen elektrooptischen Materials wie z.B. des Brechungsindex oder der geometrischen Abmessungen in gezielter Weise eingestellt werden (entsprechend einem „Tuning“ der WGM-Resonatoren 210, 220), wobei diese Modifikation der physikalischen Parameter wiederum durch Beaufschlagung mit einer elektrischen Spannung, durch Druck- und/oder Wärmezufuhr oder in beliebiger anderer geeigneter Weise erfolgen kann.
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Der Laser 201 emittiert Photonen, welche zu einer Resonanzanregung sowohl des ersten WGM-Resonators 210 als auch des zweiten WGM-Resonators 220 führen. Durch „Tuning“ der WGM-Resonatoren 210, 220 kann somit die Frequenz, bei welcher die Moden der beiden WGM-Resonatoren 210, 220 zusammenfallen und bei welcher der Laser 201 emittiert, über die gesamte Verstärkungsbandbreite des Lasers 201 verschoben werden. Der durch Variation des freien Spektralbereichs (FSR) der WGM-Resonatoren 210, 220 erzielte Effekt ist in den Diagrammen von 3 und 4 verdeutlicht.
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3 zeigt für die beiden in der erfindungsgemäßen Lichtquelle eingesetzten WGM-Resonatoren 210, 220 die entsprechenden Moden für eine erste Einstellung bzw. Kombination der beiden freien Spektralbereiche (FSR) der WGM-Resonatoren 210, 220, wobei im rechten Teil von 3 ein Teilbereich der (in willkürlichen Einheiten) aufgetragenen Frequenzen entsprechend vergrößert dargestellt ist. Die Frequenz des durch den Laser 201 ausgesandten Lichtes entspricht derjenigen Frequenz, bei welchem die Moden der beiden WGM-Resonatoren 210, 220 zusammenfallen, was gemäß 3 bei der durch den eingezeichneten Kreis hervorgehobenen Frequenz von etwas weniger als 16 (willkürlichen) Frequenzeinheiten der Fall ist.
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Gemäß 4 führt die Einstellung einer anderen „FSR-Kombination“ der beiden freien Spektralbereiche (FSR) der WGM-Resonatoren 210, 220 durch entsprechendes „Tuning“ dieser WGM-Resonatoren 210, 220 dazu, dass die betreffenden Moden der WGM-Resonatoren 210, 220 bei einem anderen Frequenzwert zusammenfallen mit der Folge, dass der Laser 201 bei anderer Frequenz (gemäß 4 einem Wert von etwa 19 willkürlichen Frequenzeinheiten) emittiert.
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Da - wie aus 3 und 4 ersichtlich - die jeweiligen Moden der beiden WGM-Resonatoren 210, 220 über die gesamte Verstärkungsbandbreite des Lasers 201 hinweg existieren, lässt sich immer eine Kombination der jeweiligen freien Spektralbereiche (FSR) für die beiden WGM-Resonatoren 210, 220 finden, für welche ein Zusammenfallen der betreffenden Moden gerade bei einer gewünschten Frequenz des zu emittierenden Lichtes erfolgt. Im Ergebnis kann so durch Modifikation des freien Spektralbereichs (FSR) von wenigstens einem der WGM-Resonatoren 210, 220 eine Durchstimmung der Frequenz über die gesamte Verstärkungsbandbreite des Lasers 201 erzielt werden, womit etwa bei Einsatz der Lichtquelle in der Anordnung von 1 ein entsprechend großer Durchstimmbereich, welcher z.B. zumindest den Wellenlängenbereich von 20nm bis 100nm, vorzugsweise von 5nm bis 150nm umfassen kann, realisiert wird.
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Wenn die Erfindung auch anhand spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, erschließen sich für den Fachmann zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen, z.B. durch Kombination und/oder Austausch von Merkmalen einzelner Ausführungsformen. Dementsprechend versteht es sich für den Fachmann, dass derartige Variationen und alternative Ausführungsformen von der vorliegenden Erfindung mit umfasst sind und die Reichweite der Erfindung nur im Sinne der beigefügten Patentansprüche und deren Äquivalente beschränkt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2016/0299228 A1 [0010]
