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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beleuchtung bzw. Bestrahlung
eines Objekts, einer Probe oder dgl. zum Zweck der Bildaufnahme
oder Analyse, insbesondere zur Anwendung in einem Lasermikroskop,
vorzugsweise in einem Konfokalmikroskop, mit einer das Beleuchtungslicht
aussendenden Laserlichtquelle, wobei das Laserlicht unmittelbar oder über
eine Glasfaser in einen Beleuchtungsstrahlengang eingekoppelt wird.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine entsprechende Vorrichtung.
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Die
Erfindung bezieht sich ganz allgemein auf ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Beleuchtung bzw. Bestrahlung eines Objekts, einer
Probe oder dgl., wobei es sich dabei im Konkreten um die Anwendung
bei der Konfokalmikroskopie handeln kann. Konfokalmikroskope mit
herkömmlichen Gas-, Festkörper-, Halbleiter- oder
Faserlasern, insbesondere auch mit Weißlichtlasern, sind
beispielsweise aus der
DE
101 15 589 A1 oder aus der
DE 101 15 509 A1 bekannt.
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Aus
der Praxis ist es auch bereits bekannt, bei Weißlichtlasern
ein sogenanntes Superkontinuum zu erzeugen, nämlich mit
Hilfe einer photonischen Glasfaser, einer Photonic-Bandgag-Faser,
einer Tapered-Faser, einer Holy-Faser, einer dotierten Faser, etc.
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Außerdem
sind aus der Praxis triggerbare Pulslaser bekannt, zum Beispiel
TiSa-Laser oder Laser mit SESAM-Technik (SESAM = Semiconductor Saturable
Absorber Mirror, sättigbarer Absorberspiegel aus Halbleitermaterial).
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Beim
Einsatz der meist teuren Laserbeleuchtungen ist problematisch, dass
jeder Laser im Betrieb altert, beispielsweise durch Gas-Degradation.
Außerdem altern die Optiken, der Resonator, aktive Medien,
etc. aufgrund der thermischen Belastung. Wird das Laserlicht in
eine Glasfaser eingekoppelt, beispielsweise beim Weißlichtlaser
unter Lichtbelastung, degeneriert die photonische Glasfaser, was sich
durch eine allmähliche Abnahme der Ausgangsleistung über
die Betriebsdauer hinweg bemerkbar macht.
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In
Bezug auf das Altern des Lasers oder das Erblinden einer Glasfaser über
deren Lebensdauer hinweg ist bemerkenswert, dass bei den meisten
Anwendungen von Laserlicht, so insbesondere bei der Laserscanmikroskopie,
das Laser-Beleuch tungslicht nur für einen Bruchteil der
Zeit verwendet wird, während der Laser ständig
eingeschaltet ist bzw. bleibt. So benötigt man das Laserlicht
regelmäßig nur zur eigentlichen Bildaufnahme und
nicht etwa in den meist langen Pausen zwischen den Aufnahmen.
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Aus
der Praxis ist es bereits bekannt, die Laserlichtquelle kontinuierlich
zu betreiben, jedoch die Lichtleitfaser und/oder im Beleuchtungsstrahlengang befindliche
optische Bauteile, die einem Alterungsprozess unterliegen, zu schützen.
Dies erfolgt bei kontinuierlich betriebener Laserlichtquelle über
Shutter, EOM, AOM, AOTF, etc., womit das Laserlicht in der Zeit
geblockt wird, in der es zur Bildaufnahme nicht benötigt
wird. Der Laser bleibt dabei bei voller Leistung eingeschaltet.
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Ein
Abschalten der Laserlichtquelle macht zur Verringerung des Verschleißes
der Laserlichtquelle keinen Sinn, da nämlich eine ganz
erhebliche Zeit erforderlich ist, damit der Laser nach dem Einschalten
wieder betriebsbereit ist und dabei stabil arbeitet.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Beleuchtung bzw. Bestrahlung eines Objekts,
einer Probe oder dgl. zum Zweck der Bildaufnahme oder Analyse anzugeben,
wonach insbesondere die hinsichtlich der Laser-Lebensdauer empfindlichen
Komponenten insbesondere dann geschont werden, wenn der Laser betriebsbereit
sein soll, jedoch das Laserlicht, zeitweise, nicht benötigt wird.
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Die
voranstehende Aufgabe ist durch die Merkmale der nebengeordneten
Patentansprüche 1 und 13 gelöst. Danach ist das
gattungsbildende Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle
auf ein Triggersignal hin unmittelbar vor dem eigentlichen Bedarf,
beispielsweise unmittelbar vor der Bildaufnahme, sehr schnell eingeschaltet
wird.
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Entsprechend
ist die gattungsbildende Vorrichtung dadurch gelöst, dass
die Laserlichtquelle auf ein Triggersignal hin unmittelbar vor dem
eigentlichen Bedarf, beispielsweise unmittelbar vor der Bildaufnahme,
sehr schnell einschaltbar ist.
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Erfindungsgemäß ist
erkannt worden, dass es möglich ist, die Laserlichtquelle
unmittelbar vor dem eigentlichen Bedarf, beispielsweise unmittelbar vor
der Bildaufnahme oder vor der durchzuführenden Analyse,
schnellstmöglich einzuschalten. Das Einschalten der Laserlichtquelle
erfolgt äußerst schnell auf ein Triggersignal
hin. Damit ist gewährleistet, dass der Laser tatsächlich
nur dann eingeschaltet ist, wenn beispielsweise das Konfokalmikroskop
Bilder aufnimmt. Wird das Laserlicht nicht benötigt, kann
die Laserlichtquelle manuell, oder vorzugsweise nach einer gewissen
Zeitverzögerung automatisch abgeschaltet werden.
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Das
zum Einschalten der Laserlichtquelle dienende Triggersignal kann
manuell oder automatisch durch Hardware oder Software ausgelöst
werden. Handelt es sich bei dem die Laserlichtquelle nutzenden Gerät
um ein Mikroskop, wird das zum Einschalten erforderliche Triggersignal
an die Laserlichtquelle dann geleitet, wenn der Benutzer vor der
eigentlichen Bildaufnahme die Vorbereitungen zur Bildaufnahme startet
oder gestartet hat. Aufgrund des Triggersignals wird die Laserlichtquelle
eingeschaltet. Das Einschalten der Laserlichtquelle erfolgt vorzugsweise
in weniger als 1/10 Sekunde, so dass der Benutzer den Einschaltvorgang
bzw. die Zeit bis zum störungsfreien und stabilen Betrieb
der Laserlichtquelle nicht als störend wahrnimmt.
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Das
Einschalten der Laserlichtquelle erfolgt über eine vorzugsweise
als Pumpdiode ausgeführte Pumpquelle der Laserlichtquelle.
Diese Pumpquelle wird bestromt, wodurch der Laser bzw. die Laserlichtquelle
aktiviert wird.
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In
ganz besonders vorteilhafter Weise dient zur Realisierung des schnellen
Einschaltvorgangs eine Regeleinrichtung mit einem Regelkreis, der
den Strom der Pumpquelle in Abhängigkeit von der Ausgangsleistung
der Laserlichtquelle regelt. Dazu umfasst die Regeleinrichtung eine
zur Detektion der Ausgangsleistung der Laserlichtquelle dienende Photodiode,
vorzugsweise eine sogenannte Monitor-Photodiode. Das dort detektierte
Signal wird ausgewertet und dient als Regelgröße
für den Regelkreis.
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Zur
Gewährleistung eines äußerst schnellen Einschaltvorgangs
und zur gleichzeitigen Vermeidung langer Einschwing- oder Stabilisierungsprozesse
der Laserlichtquelle ist in weiter vorteilhafter Weise ein dauerhaft
betriebener bzw. bestromter Seedlaser mit mindestens einem nachgeordneten
Laserverstärker vorgesehen. Insoweit umfasst die Laserlichtquelle
den dauerhaft betriebenen Seedlaser sowie den nach Bedarf zuzuschaltenden
Laserverstärker. Durch dauerhaftes Bestromen des Seedlasers
werden stabile Verhältnisse bei der Erzeugung der Laserstrahlung
erreicht. Das schnelle Schalten der Strahlung erfolgt durch Einschalten
bzw. Bestromen der Pumpquelle für den Laserverstärker.
Durch einen Trigger bzw. ein Triggersignal wird signalisiert, dass Laserlicht
benötigt wird, wodurch die Pumpquelle, bei der es sich
in vorteilhafter Weise um eine Pumpdiode bzw. um Pumpdioden handelt,
für die Verstärkereinheit eingeschaltet wird.
Eine schnelle Regelung der Ausgangsleistung für diesen
Intervallbetrieb wird abermals über eine Montitor-Photodiode
generiert.
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In
ganz besonders vorteilhafter Weise ist der Laserverstärker
zwei- oder mehrstufig aufgebaut, umfasst nämlich der Laserverstärker
mindestens einen Vorverstärker und mindestens einen Leistungsverstärker.
Im Falle einer solchen Realisierung ist es von weiterem Vorteil,
wenn der oder die dem Seedlaser nachgeordneten Laserverstärker
durch Einschalten bzw. Bestromen der jeweiligen Pumpquelle aktiviert
werden, während der Seedlaser ständig arbeitet.
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Außerdem
ist es denkbar, dass die erste Stufe der Verstärkereinheit
ebenfalls dauerhaft betrieben bzw. bestromt wird. Auch hier ist
eine Regeleinrichtung mit einem Regelkreis vorgesehen, wonach der Strom
der Pumpquelle der Verstärkereinheit in Abhängigkeit
von der Ausgangsleistung der Laserlichtquelle geregelt wird. Zur
Detektion der Ausgangsleistung der Laserlichtquelle ist auch hier
eine Photodiode, vorzugsweise eine Monitor-Photodiode, vorgesehen.
Dabei sei angemerkt, dass es sich bei der Regeleinrichtung um die
gleiche Regeleinrichtung handeln kann, die zur Regelung der Pumplichtquelle
des Seedlasers erforderlich ist. Eine einzige Regeleinrichtung kann
sowohl zur Regelung der Bestromung der Pumpquelle des Seedlasers
als auch der Pumpquellen von Vorverstärker und Leistungsverstärker dienen.
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Weiter
sei angemerkt, dass die Aufspaltung der Laserlichtquelle bzw. des
Lasersystems insbesondere deshalb vorteilhaft ist, da sich die hinsichtlich
der Laser-Lebensdauer empfindlichen Komponenten in den Laserverstärkern
oder dem Laserverstärker nachgeschaltet befinden. Diese
kritischen Komponenten werden in erfindungsgemäßer
Weise nur dann betrieben, wenn sie auch tatsächlich benötigt
werden. Entsprechend findet eine Synchronisierung der Einschaltvorgänge
bzw. der Strombeaufschlagung der jeweiligen Pumpquellen statt, beispielsweise
synchronisiert mit dem Scanvorgang des konfokalen Scanmikroskops.
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Besonders
vorteilhaft lassen sich das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung einsetzen,
wenn nach der Laserlicht-Erzeugung nichtlineare optische Elemente
wie Frequenzverdoppler oder Frequenzvervielfacher, Frequenzmischer,
Frequenzkonvertierer (OPOs, etc.) oder spektral verbreiternde Elemente
wie Materialien zur Selbstphasenmodulation oder Kreuzphasenmodulation,
photonische Kristalle, photonische Kristallfasern, Superkontinuum
erzeugende Fasern (photonisch, mikrostrukturiert, geeignet dotiert
oder mit natürlicher negativer Gruppengeschwindigkeitsdispersion)
angeordnet sind. Typisch für alle diese zuvor genannten
Elemente ist, dass man relativ starke Laserlichtquellen, vorzugsweise
mit sehr kurz gepulster Strahlung, benötigt. Folglich ist
nicht nur die Alterung der Laserlichtquelle selbst, sondern insbesondere auch
die Alterung dieser der eigentlichen Laserlichtquelle nachgeordneten
Elemente erheblich.
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Im
Rahmen einer bevorzugten Ausführung dient die Laserlichtquelle
zum Einsatz in der Konfokalmikroskopie, wobei es sich bei der Laserlichtquelle
um einen sogenannten Superkontinuumlaser handelt, bei dem Pikosekundenpulse
erhebliche Energie (15 bis 20 W cw-Leistung bei 80 mHz Repetitionsrate)
in eine photonische Kristallfaser zur Weißlichterzeugung
eingekoppelt werden. Bei solchen Pulsenergien und Durchschnittsleistungen
altern sowohl die Verstärkereinheiten des Lasers als auch
die Superkontinuumfaser relativ schnell. Entsprechend ist es hier
von Vorteil, wenn die Laserlichtquelle in einen dauerhaft betriebenen
Seedlaser und nachgeordnet in eine zweistufig aufgebaute Verstärkereinheit
aufgespalten sind. Der Seedlaser wird dabei mit eigenen Monitor-Photodioden
geregelt. Die erste Stufe der Verstärkereinheit wird entsprechend
den voranstehenden Ausführungen kontinuierlich betrieben,
während die zweite Verstärkerstufe, nämlich
die eigentliche Leistungsstufe, über deren Pumpdioden beispielsweise
beim Betätigen eines Scanknopfes des Konfokalmikroskops
bestromt und geregelt wird.
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Nach
der erfindungsgemäßen Lehre lässt sich
sowohl die Lebensdauer des Leistungsverstärkers als auch
die der Lichtleitfaser insbesondere einer Super kontinuumfaser, erheblich
steigern, da üblicherweise die eigentliche Scanzeit bei
einem üblichen Konfokalmikroskop im Bereich von weniger
als 5% bis maximal 20% der gesamten Benutzungsdauer ausmacht. Trotz
des Erfordernisses des Einschaltens der Leistungsstufe ist ein ausreichend
stabiler Betrieb schon nach weniger als 1/10 Sekunde möglich,
so dass der Benutzer des Konfokalmikroskops den hier realisierten „Lifetime
Save Mode" gar nicht oder zumindest nicht störend wahrnimmt.
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Des
Weiteren sei angemerkt, dass ein erfindungsgemäßes
Ausschalten des Lasers zwischen einzelnen Frames oder einzelnen
Zeilen der Bildaufnahme denkbar ist. So lässt sich abermals
zur Alterung beitragende Zeit reduzieren.
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Weiter
sei angemerkt, dass das erfindungsgemäße Verfahren
und die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht nur
bei Konfokalmikroskopen Anwendung finden, sondern generell bei Systemen,
die eine im Vergleich zur Benutzungsdauer kleine Betriebszeit der
Laserbeleuchtung haben. Dies gilt insbesondere bei solchen Systemen,
bei denen nicht vorhersehbar ist, wann die Laserbeleuchtung tatsächlich benötigt
wird, zumal man hier lange Standby-Zeiten vermeiden kann.
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Es
gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden
Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden.
Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1 und
13 nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf
die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit
der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
In der Zeichnung zeigen
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1 in
einer schematischen Ansicht die Anordnung und den Strahlengang in
einem Laserscanmikroskop, bei dem die erfindungsgemäße
Vorrichtung das erfindungsgemäße Verfahren nutzt
und
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2 in
einer schematischen Ansicht den grundsätzlichen Aufbau
einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Nutzung
des erfindungsgemäßen Verfahrens im Strahlengang
eines Laserscanmikroskops.
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1 zeigt
am Beispiel eines Laserscanmikroskops 1 den Einsatz einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie die Anwendung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Beleuchtungslicht
wird von einer Laserlichtquelle 2 ausgesandt und gelangt über
einen Strahlumformer 3 in den Beleuchtungsstrahlengang 4 des
Laserscanmikroskops 1.
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Über
einen Strahlteiler 5 und eine Scaneinrichtung 6 gelangt
das Beleuchtungslicht durch ein Objektiv 7 fokussiert zur
Probe 8. Das von der Probe 8 zurückkehrende
Licht (ganz überwiegend Detektionslicht) gelangt durch
das Objektiv 7 und passiert die Scaneinrichtung 6 und
den Strahlteiler 5 und gelangt über eine Linsenanordnung 9 und
durch eine Blende 10 zum Detektor 11.
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Da
bei herkömmlichen Laserscanmikroskopen die eigentliche
Scanzeit meist weniger als 5% der gesamten Benutzungsdauer beträgt,
altern sowohl die Laserlichtquelle 2 als auch nachgeschaltete optische
Elemente, vor allem aber auch zum An- bzw. Einkoppeln dienende Lichtleitfasern
erheblich.
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2 zeigt
ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Beleuchtung bzw. Bestrahlung der Probe 8 bei
dem in 1 gezeigten Laserscanmikroskop 1.
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Erfindungsgemäß wird
die Laserlichtquelle 2 auf ein Triggersignal hin unmittelbar
vor dem eigentlichen Bedarf, d. h. unmittelbar vor der Bildaufnahme, schnell
eingeschaltet.
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Bei
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst die Laserlichtquelle 2 einen
Seedlaser 12, der dauerhaft betrieben bzw. bestromt ist.
Die Bestromung des Seedlasers 12 erfolgt über
eine eigens dem Seedlaser 12 zugeordnete Pumpquelle 13.
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Der
eigentliche Laserverstärker ist zweistufig aufgebaut, umfasst
nämlich einen Vorverstärker 14 und einen
Leistungsverstärker 15. Sowohl dem Vorverstärker 14 als
auch dem Leistungsverstärker 15 ist eine Pumpquelle 16, 17 zugeordnet,
um nämlich den Vorverstärker 14 und den
Leistungsverstärker 15 zu bestromen bzw. schnell
zu aktivieren.
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Bei
dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel werden
der Vorverstärker 14 und der Seedlaser 12 dauerhaft
betrieben. Dies bedeutet, dass die Pumpquellen 13 und 16 den
Seedlaser 12 und den Vorverstärker 14 dauerhaft
bestromen.
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Die
Pumpquellen 13, 16 und 17 werden über eine
Regeleinrichtung 18 angesteuert bzw. beaufschlagt. Die
Regeleinrichtung 18 umfasst einen Regelkreis, der den Strom
der jeweiligen Pumpquelle 13, 16 und 17 in
Abhängigkeit von der Ausgangsleistung der Laserlichtquelle 2 regelt.
Zur Detektion der Ausgangsleistung der Laserlichtquelle 2 ist
eine Photodiode 19 oder eine Anordnung entsprechender Photodioden
vorgesehen, die vorzugsweise als Monitor-Photodiode(n) ausgeführt
ist (sind).
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In 2 ist
des Weiteren dargestellt, dass die Laserlichtquelle 2 durch
geeignete Mittel 20 als Superkontinuumlaser genutzt wird.
Diesen Mittel 20 ist die Photodiode 19 zur Leistungsmessung
nachgeordnet. Ermittelte Leistungsdaten werden der Regeleinrichtung 18 zugeführt.
Das Laserlicht wird über ein AOTF 21 in der Wellenlänge
selektiert und in den Strahlengang des Laserscanmikroskops 1 eingekoppelt.
Von dort aus führt eine Triggerleitung 22 zur
Regeleinrichtung 18, die wiederum die Pumpquellen 13, 16 und 17 beaufschlagt.
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Schließlich
angemerkt, dass das voranstehend erörterte Ausführungsbeispiel
lediglich der beispielhaften Erörterung der beanspruchten
Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.
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- 1
- Laserscanmikroskop,
Lasermikroskop
- 2
- Laserlichtquelle
- 3
- Strahlumformer
- 4
- Beleuchtungsstrahlengang
- 5
- Strahlteiler
- 6
- Scaneinrichtung
- 7
- Objektiv
- 8
- Probe
- 9
- Linsenanordnung
- 10
- Blende
- 11
- Detektor
- 12
- Seedlaser
- 13
- Pumpquelle
(von 12)
- 14
- Vorverstärker
- 15
- Leistungsverstärker
- 16
- Pumpquelle
(von 14)
- 17
- Pumpquelle
(von 15)
- 18
- Regeleinrichtung
- 19
- Photodiode
- 20
- Mittel
zur Erzeugung eines Superkontinuumlasers
- 21
- AOTF
- 22
- Triggerleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10115589
A1 [0002]
- - DE 10115509 A1 [0002]