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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung eines Laserstrahls.
Die Erfindung betrifft weiterhin auch eine Vorrichtung zur Stabilisierung
eines Laserstrahls.
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Bei
der Verwendung von Lasern jeglicher Art ist es bekannt, dass der
aus einem Laser austretende Laserstrahl eine Pendelbewegung ausführt. Ein
Laserstrahl ist daher nicht 100%ig richtungsstabil, was in empfindlichen
Versuchsanordnungen zu Störungen
führen
kann. Darüber
hinaus ist es bekannt, dass das Laserprofil, d. h. der Strahlquerschnitt
senkrecht zur Ausbreitungsrichtung nicht immer vollständig symmetrisch
ist. Dabei kann sich weiterhin ein Profil auch zeitlich ändern.
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Im
Stand der Technik ist es bekannt, insbesondere zur Verbesserung
der Richtungsstabilität und
somit zur Erzielung einer besseren sogenannten beam point stability
aktive Vorrichtungen einzusetzen und somit einen Laserstrahl beispielsweise über angesteuerte
Aktoren kontinuierlich in seiner Richtung zu stabilisieren. Solche
aktiven Vorrichtungen erweisen sich dabei jedoch zum einen als unzuverlässig und
zum anderen als aufwändig,
so dass es die Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren und eine
Vorrichtung bereitzustellen, mit denen auf einfache Art und Weise
und besonders bevorzugt ohne aktive Elemente eine Stabilisierung
eines Laserstrahls erzielt werden kann.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Stabilisierung eines Laserstrahls,
insbesondere zur Stabilisierung der Profilintensität und/oder der
Pendelbewegung eines Laserstrahls, welches sich erfindungsgemäß dadurch
auszeichnet, dass ein ursprünglicher
Laserstrahl aufgeteilt wird in zwei Teilstrahlen, wobei die beiden
Teilstrahlen relativ zueinander um 180 Grad um die Ausbreitungsrichtung herum
gedreht werden und beide Teilstrahlen wieder zu einem Gesamtstrahl überlagert werden.
Die Ausbreitungsrichtung bzw. der Laserstrahl bildet somit die Drehachse
dieser 180 Grad-Drehung.
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Ein
derartiges Verfahren kann durch eine rein passive Anordnung optischer
Elemente durchgeführt
werden, so dass das Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung
eine gegenüber
dem Stand der Technik regelkreislose Korrektur von Schwankungen
der Strahlrichtungs- oder auch der Profilinstabilität ermöglicht.
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Ein
solches Verfahren bzw. eine solche Vorrichtung, die zur Durchführung des
Verfahrens geeignet ist, hat dabei den Vorteil, dass durch die Drehung der
beiden Teilstrahlen um einen Winkelbetrag von 180 Grad um die Ausbreitungsrichtung
relativ zueinander und die nachfolgende Überlagerung zu einem neuen
Gesamtstrahl eine Symmetrisierung hervorruft. So ist beispielsweise
das Strahlprofil des überlagerten
Gesamtstrahls punktsymmetrisch zum Strahlmittelpunkt. Dies bedeutet,
dass eventuelle Profilinhomogenitäten, also z. B. einseitige
Intensitätsspitzen
in einem Profil, durch die Drehung punktsymmetrisch auf die andere
Seite des Strahlprofils übertragen
werden. Das so erzeugte Profil des Gesamtstrahls weist daher eine
höhere
Symmetrie auf und somit eine bessere Homogenität im Vergleich zum ursprünglichen
Strahl.
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Fehlinterpretationen,
die ansonsten in Versuchsaufbauten aufgrund derartiger ursprünglicher Profilinhomogenitäten hervorgerufen
werden können,
werden durch diese künstlich
eingeführte
Symmetrisierung deutlich verringert.
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Ebenso
werden Pendelbewegungen reduziert, da eine Pendelbewegung des ursprünglichen Strahls
in eine Richtung aufgrund der Aufspaltung in zwei Teilstrahlen ebenso
aufspaltet in zwei gegenläufige
Bewegungen der beiden Teilstrahlen, so dass sich aufgrund der anschließenden Überlagerung
der beiden zueinander gedrehten Teilstrahlen die exakt gegenläufigen Bewegungen
ausgleichen und somit zu einer höheren
Strahlstabilität
bezüglich
der Ausbreitungsrichtung führt.
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Das
hier beschriebene Verfahren bzw. eine Vorrichtung mit einer Anordnung
entsprechender optischer Elemente zur Durchführung dieses Verfahrens ist
daher besonders geeignet für
jegliche Versuchsaufbauten, in denen ein oder mehrere Laserstrahlen
als Mess- oder Manipulationsmittel eingesetzt werden und eine hohe
Präzision
gefordert ist. Beispielhafte Anwendungen sind z. B. die optische Pinzette,
die Cantileverbeleuchtung in einem Rasterkraftmikroskop oder jegliche
Orts-, Intensitäts-
oder auch Kraftmesssysteme, die auf Laserpositionsdetektoren basieren.
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Wesentlich
für das
erfindungsgemäße Verfahren
ist es dabei, dass die aus einem ursprünglich erzeugten Laserstrahl
aufgespaltenen zwei Teilstrahlen relativ zueinander um 180 Grad
gedreht und wiedervereinigt werden. Dabei ist es zunächst für das grundsätzliche
Wirkprinzip der Erfindung unerheblich, um welche Winkelbeträge die beiden
Teilstrahlen jeweils um ihre Ausbreitungsrichtung gedreht werden,
solange der Gesamtbetrag der relativen Drehung beider Teilstrahlen
zueinander 180 Grad beträgt,
bevor diese wieder exakt überlagert
werden.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
wird es dabei vorgesehen sein, einen ursprünglichen Laserstrahl derart
aufzuteilen, dass einer der beiden Teilstrahlen sich in der ursprünglichen
Ausbreitungsrichtung des ursprünglichen
Laserstrahls weiter ausbreitet und lediglich der andere Teilstrahl,
insbesondere somit der, der aus der ursprünglichen Richtung aufgrund
der Aufteilung abgelenkt wird, alleinig um 180 Grad gedreht wird.
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Sodann
können
anschließend
beide Teilstrahlen wieder zu einem Gesamtstrahl überlagert werden. Diese Ausführung wird
bevorzugt, da Maßnahmen
zur Manipulation der Drehung um die Ausbreitungsrichtung lediglich
auf einen der Teilstrahlen angewandt werden müssen, was das Verfahren vereinfacht
und präziser
durchzuführen
erlaubt, als wenn beide Teilstrahlen gedreht werden.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
bzw. eine Vorrichtung zur Durchführung
desselbigen hat dabei weiterhin den Vorteil, dass die Maßnahmen
zur Stabilisierung eines Laserstrahls vollständig außerhalb eines Resonators durchgeführt werden
können
und somit ein Eingriff in einen ansonsten empfindlichen Laserresonator
vollständig
unterbleiben kann. Insbesondere werden Intensitätsverluste, die ansonsten durch
bekannte Eingriffe zur Strahlenstabilisierung in Laserresonatoren,
wie beispielsweise Raumfilter etc. vollständig vermieden.
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In
bevorzugter Ausführung
ist es dabei vorgesehen, dass der ursprüngliche Laserstrahl linear polarisiert
ist und in einem nicht polarisierend wirkenden Strahlteiler, wie
beispielsweise einem Strahlteilerwürfel, in die beiden Teilstrahlen
aufgeteilt wird. Hierbei kann die Aufteilung derart erfolgen, dass
einer der Teilstrahlen die ursprüngliche
Ausbreitungsrichtung beibehält.
Allgemein kann es dabei bei jeglicher Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen
sein, die Aufteilung derart vorzunehmen, dass beide Teilstrahlen
zumindest im Wesentlichen, bevorzugt exakt die gleiche Intensität aufweisen. Weiterhin
ist es bevorzugt, dass beide Teilstrahlen bei der Überlagerung
unter Berücksichtigung
aller Verluste an den optischen Elementen in den jeweiligen Strahlwegen
im Wesentlichen die gleiche, bevorzugt exakt die gleich Intensität aufweisen.
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Eine
Drehung des einen Teilstrahls um seine Ausbreitungsrichtung um 180
Grad kann bevorzugt dadurch erfolgen, dass dieser Teilstrahl mehrfach, insbesondere
dreimal in seiner Richtung umgelenkt wird. Hierbei kann durch eine
zweifache Umlenkung die Ausbreitungsrichtung des vom ursprünglichen Laserstrahl
abgeteilten Teilstrahls zunächst
um 180 Grad geändert
werden, woraufhin dann dieser umgelenkte Teilstrahl nochmals umgelenkt
wird, um eine Ausbreitungsrichtung zu erhalten, die dem ursprünglichen
Laserstrahl bzw. dem zweiten Teilstrahl entspricht.
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Dieser
mehrfach umgelenkte Teilstrahl kann somit parallel und in einem
Abstand zum ursprünglichen
Laserstrahl bzw. zu dem anderen Teilstrahl verlaufen. Eine Überlagerung
der beiden Teilstrahlen kann dann derart erfolgen, dass der Parallelversatz der
beiden Teilstrahlen, von denen der eine, der mehrfach umgelenkt
wurde, nunmehr auch um 180 Grad um seine Ausbreitungsrichtung gedreht
ist, eliminiert wird.
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Hierzu
kann es vorgesehen sein, dass entweder der nicht umgelenkte Teilstrahl
oder der mehrfach umgelenkte Teilstrahl unter Beibehaltung seiner Ausbreitungsrichtung
parallel versetzt wird, so dass hierdurch beide Teilstrahlen wieder
zu einem Gesamtstrahl überlagert
werden. In bevorzugter Ausführung
ist es dabei vorgesehen, den ursprünglich nicht abgelenkten Teilstrahl
parallel zu versetzen und mit dem mehrfach umgelenkten und um 180
Grad gedrehten Teilstrahl zu überlagern.
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Für die Überlagerung
kann ein Strahlteiler, z. B. Strahlteilerwürfel dienen, der bei reversiertem Strahlengang
für die
Teilstrahlen kombinierend wirkt. In bevorzugter Ausführung kann
ein polarisierend wirkender Strahlteiler eingesetzt werden, wie
beispielsweise ein polarisierend wirkender Strahlteilerwürfel.
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Um
in einem solchen polarisierenden Würfel eine einwandfreie Überlagerung
durch Transmission des einem (z. B. des mehrfach umgelenkten) Teilstrahls
und Reflektion des anderen (z. B. parallel zu versetzenden) Teilstrahls
durchzuführen,
müssen
die beiden Teilstrahlen zwei verschiedene, senkrecht zueinander
stehende Polarisationen aufweisen, so dass je nach Anordnung eines
polarisierend wirkenden Strahlteilerwürfels, d. h. ob die Überlagerung
auf den mehrfach umgelenkten Teilstrahl oder auf den ursprünglich nicht
abgelenkten Teilstrahl erfolgen soll, einer der beiden Teilstrahlen
in seiner Polarisation um 90 Grad gedreht werden muss.
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Bei
der bevorzugten Ausführung,
bei der die Überlagerung
auf den mehrfach umgelenkten Teilstrahl erfolgt, wird es bevorzugt
vorgesehen sein, denjenigen Teilstrahl um 90 Grad in seiner Polarisation
zu drehen, der den ersten Strahlteiler ohne Ablenkung durchlaufen
hat. Hierfür
kann beispielsweise eine Halbwellenplatte eingesetzt werden.
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Die Überlagerung
der beiden Teilstrahlen mit zueinander senkrecht stehender Polarisation
hat dabei neben dem Vorteil, einen polarisierend wirkenden Strahlteilerwürfel nahezu
verlustfrei hierfür
einsetzen zu können,
den weiteren Vorteil, dass Interferenzeffekte zwischen den beiden
zu überlagernden
Teilstrahlen keine Rolle spielen. Es besteht daher keine Gefahr,
dass das Profil des so überlagerten
Gesamtstrahls Interferenzartefakte aufweist.
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Da
der überlagerte
Gesamtstrahl nunmehr zwei senkrecht zueinander stehende Polarisationsanteile
aufweist, kann es in einer weiteren bevorzugten Ausführung vorgesehen
sein, dass durch einen linearen Polarisationsfilter unter 45 Grad
zu den beiden Polarisationsrichtungen der Gesamtstrahl linear polarisiert
wird. Dies führt
lediglich zu einem Intensitätsverlust
auf etwa 70% der ursprünglichen
Intensität.
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Dabei
kann es sodann vorgesehen sein, den so erhaltenen linear polarisierten
Gesamtstrahl mit wenigstens einem weiteren polarisationsdrehenden optischen
Element in eine gewünschte
lineare Polarisationsrichtung zu drehen und so eine solche Polarisationsrichtung
zu erhalten, die beispielsweise für ein entsprechend vorgesehenes
Experiment oder eine sonstige Versuchsanordnung benötigt wird.
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Bei
dem zuvor beschriebenen Verfahren wird die Aufteilung des ursprünglichen
Laserstrahls in zwei Teilstrahlen sowie die Zusammenfügung der beiden
Teilstrahlen zu einem neuen Gesamtstrahl bevorzugterweise durch
die bereits eingangs genannten Strahlteilerwürfel vorgenommen. Dabei soll bevorzugt
der erste Strahlteilerwürfel
für die
Aufspaltung nicht polarisierend und der zweite für die Zusammenführung der
Laserstrahlen polarisierend wirken.
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Als
weitere optische Elemente kommen beispielsweise für die Umlenkung
des ausgekoppelten Teilstrahls und zur Bewirkung der 180 Grad-Drehung um
die Ausbreitungsrichtung Spiegel, insbesondere oberflächenbeschichtete
Spiegel zum Einsatz. Um den Parallelversatz einer der beiden Teilstrahlen
zu vollziehen, wird einer der Teilstrahlen bevorzugt mit einem Spiegel,
beispielsweise wiederum einem Oberflächenspiegel, um 90 Grad abgelenkt
und dieser abgelenkte Strahl auf den Strahlteilerwürfel zur Kombination
der beiden Teilstrahlen justiert, so dass die interne Oberfläche des
kombinierend wirkenden Strahlteilerwürfels wiederum um 90 Grad ablenkend wirkt
und hierdurch insgesamt der Parallelversatz erfolgt.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist anhand der nachfolgenden Figur erklärt, wobei
sowohl das durchzuführende
Verfahren als auch gleichsam die hierfür eingesetzte Vorrichtung und
deren optische Komponenten erläutert
werden.
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Die
hier dargestellte Anordnung von optischen Elementen dient zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
und bildet somit die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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Erkennbar
ist hier, dass ein linear polarisierter Laserstrahl 1 mit
einer vertikalen Polarisationsrichtung auf einen Strahlteilerwürfel ST
trifft, in welchem der ursprüngliche
Laserstrahl 1 aufgespalten wird in zwei Teilstrahlen 2 und 3,
die jeweils die vertikale Polarisation beibehalten haben. Dabei
verläuft aufgrund
der Aufspaltung im Strahlteilerwürfel
ST bei optimaler Justage die Ausbreitungsrichtung dieser beiden
Teilstrahlen senkrecht zueinander, wobei der eine den Strahlteiler
ST durchlaufenden Teilstrahl die ursprüngliche Ausbreitungsrichtung
des Laserstrahls 1 aufweist.
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Um
erfindungsgemäß die Drehung
von 180 Grad um die Ausbreitungsrichtung der beiden Teilstrahlen
relativ zueinander zu bewirken, ist es hier in dieser Ausführung vorgesehen,
nur den Teilstrahl 3 zu drehen, der aus dem Strahlteilerwürfel ST
unter 90 Grad zur ursprünglichen
Ausbreitungsrichtung herausreflektiert wird.
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Hierfür wird der
Teilstrahl 3 zunächst
mit einem Spiegel SP2 unter 90 Grad abgelenkt, so dass die Ausbreitungsrichtung
des Laserteilstrahls 3 zwischen den beiden Spiegeln SP2
und SP3 senkrecht zu derjenigen Ebene steht, die durch den unabgelenkten
Teilstrahl 2 und den aus dem Strahlteilerwürfel ST
abgelenkten Teilstrahl 3 aufgespannt wird.
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Eine
weitere Umlenkung erfolgt wiederum um 90 Grad mit einem Spiegel
SP3 derart, dass die Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls 3 nunmehr
entgegen der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls 3 ist, nachdem
er den Strahlteilewürfel
ST verlassen hat.
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Eine
weitere 90 Grad-Umlenkung erfolgt mit einem Spiegel SP4 derart,
dass der Teilstrahl 3 nunmehr eine Ausbreitungsrichtung
aufweist, die dem ursprünglichen
Laserstrahl 1 bzw. dem nicht abgelenkten Teilstrahl 2 entspricht,
d. h. diese beiden Teilstrahlen sind nunmehr, nach dieser dreifachen
Umlenkung in einem Abstand parallel zueinander, wobei der Abstand
gegeben ist durch den Abstand zwischen den Reflektionsstellen des
Laserteilstrahls 3 auf den beiden Spiegeln SP2 und SP3.
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Durch
die mehrfache Umlenkung ist es zu einer 180 Grad-Drehung des Teilstrahls 3 senkrecht
zu seiner Ausbreitungsrichtung gekommen, so dass es nunmehr erfindungsgemäß vorgesehen
ist, den Teilstrahl 3 nach dieser mehrfachen Umlenkung
mit dem Teilstrahl 2 wieder zu vereinen.
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Dafür ist es
vorgesehen, diese beiden Teilstrahlen in einem polarisierend wirkenden
Würfel
PW exakt miteinander zu überlagern.
Da dieser Würfel polarisierend
wirkt, ist es notwendig, dass der durch den Würfel hindurchtretende Teilstrahl 3 bei
dieser Anordnung eine vertikale Polarisation aufweist, die der Teilstrahl 3 in
dieser Anordnung beibehalten hat.
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Um
eine Reflektion des Teilstrahls 2 an der internen Reflektionsfläche des
Strahlteilerwürfels
PW zu bewirken, muss dieser jedoch bei der hier dargestellten Orientierung
des Strahlteilerwürfels
PW eine horizontale Polarisationsrichtung aufweisen, so dass es
hier zunächst
vorgesehen ist, im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler ST und
dem Strahlteiler PW an einer beliebigen Stelle eine Halbwellenplatte HWP
anzuordnen, um die Polarisationsrichtung von der vertikalen linearen
Polarisation in die horizontale linear Polarisation zu drehen.
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Es
können
sodann in dem Polarisationswürfel
PW die beiden Teilstrahlen 2 und 3 zu einem neuen
Gesamtstrahl 4 überlagert
werden, der nunmehr beide Polarisationsrichtungen aufweist, die
senkrecht zueinander stehen. Es kann demnach hier vorgesehen sein,
einen linear polarisierend wirkenden Filter in den Strahlengang
zu stellen unter 45 Grad zu den beiden Polarisationsrichtungen,
um eine linear Polarisation zu bewirken.
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Bei
dieser Ausführung
ist es erfindungsgemäß vorgesehen,
dass der Strahlteiler ST 50% des einfallenden ursprünglichen
Laserstrahls 1 reflektiert und 50% transmittiert. Bis auf
interne Reflektionsverluste an den reflektierenden bzw. transmittierenden Oberflächen entspricht
daher die Gesamtintensität des
rekombinierten Strahls 4 der ursprünglichen Intensität des Laserstrahls 1.
Die hier dargestellte Anordnung aus optischen Komponenten bildet
somit eine erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
wobei deutlich wird, dass sämtliche
optischen Elemente Passivelemente sind, so dass auf jegliche Regelung oder ähnliches
hier verzichtet werden kann und somit eine ausschließlich passive
Strahlstabilisierung bezüglich
Pendelbewegung und bezüglich
des Querschnittprofils des Laserstrahls erfolgt.
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Mit
Bezug auf die hier dargestellte Vorrichtung wird auch deutlich,
dass der Laserteilstrahl 3 auf seinem Weg bis zur Wiedervereinigung
mit dem Gesamtstrahl 4 einen etwas längeren Weg zurücklegt als
der Teilstrahl 2. Dieser Weg ergibt sich durch die Wegstrecken
zwischen dem Strahlteiler ST und dem Spiegel SP2 sowie dem Weg zwischen
dem Spiegel SP3 und dem Spiegel SP4. Die Wegdifferenz ist bei idealer
Anordnung dieses Aufbaus somit 2 × (ST-SP2).
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Aufgrund
dieser immer vorherrschenden Wegdifferenz kann daher die dargestellte
Anordnung nur für
kontinuierlich betriebene Laser verwendet werden. Es besteht jedoch
die Möglichkeit
den Strahlweg des Teilstrahls 2 zwischen den Strahlteilern
ST und PW künstlich
zu verlängern
und so die Weglängen
aneinander anzupassen. Dann können auch
Laserpulse wieder überlagert
werden.
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Diese
ansonsten vorherrschende Wegdifferenz zwischen den beiden Teilstrahlen 2 und 3 wird bevorzugt
möglichst
gering gewählt,
wobei die Differenzstrecke 2 × (ST-SP2) bevorzugt kleiner
gewählt wird
als die Strecke zwischen ST und PW.