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Die Erfindung betrifft ein Konfokalmikroskop, das als Lichtquelle eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung aufweist, mit einem Laser und einem an den Laser angebundenen optischen Wellenleiter.
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Diodenlaser werden zur Erzeugung von Laserstrahlung für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Bestandteil eines Diodenlasers ist eine Laserdiode. Dabei handelt es sich um eine in Durchlassrichtung betriebene Halbleiterdiode, die mittels stimulierter Emission Laserlicht erzeugt. Das Lasermedium ist dabei der Halbleiterkristall der Laserdiode. Die Laserdiode selbst weist als reflektive optische Elemente eine Front- und eine Rückfacette auf, an denen das erzeugte Licht hin und zurück reflektiert wird. Somit bildet die Laserdiode einen internen Resonator aus.
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Diodenlaser der zuvor beschriebenen Art werden, je nach Anwendung, in optischen Anordnungen mit einer Vielzahl von der Laserlichtquelle nachgeordneten optischen Elementen verbaut. Diese optischen Elemente, die sich in typischen Aufbauten wenige Zentimeter entfernt von dem Diodenlaser befinden, verursachen Rückkopplungen der emittierten Laserstrahlung in die Laserdiode aufgrund von Reflektionen an den Oberflächen der optischen Elemente und aufgrund von Streulicht. Diese Rückkopplungen führen zu unerwünschten Instabilitäten aufgrund von Modensprüngen und Interferenzeffekten. Es entstehen dadurch z.B. weitere „externe“ Resonatoren, die zu einem komplizierten, meist nichtlinearen Zusammenspiel mit dem internen Resonator führen können. Die Gesamtanordnung aus Diodenlaser mit nachfolgenden optischen Elementen, die, wie zuvor beschrieben, die emittierte Laserstrahlung in den Diodenlaser zurückkoppeln, weist damit eine Vielzahl von Resonanzmoden der erzeugten Laserstrahlung auf. Während des Betriebs der Vorrichtung kommt es zu einem fluktuierenden Wechsel zwischen verschiedenen Resonanzmoden. Vor allem im Pulsbetrieb, in dem sich die Länge des internen Resonators aufgrund der Abwärme der Laserdiode permanent durch die thermische Ausdehnung des Halbleiters verändert, kommt es zu charakteristischen Modensprüngen, wenn ein parasitärer externer Resonator zur momentanen internen Resonatorlänge passt. In Verbindung mit polarisationsempfindlichen optischen Elementen, wie sie bei einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommen, wie z.B. polarisationserhaltenden optischen Fasern, Polarisatoren, Polarisationsstrahlteilern usw., bewirkt die durch den Modenwettbewerb und die Modensprünge hervorgerufene permanente Wellenlängen- und Polarisationsänderung der erzeugten Laserstrahlung eine schwankende Leistungsmodulation, die bei vielen Anwendungen störend ist. Beispielsweise bei Einsatz eines Diodenlasers als Lichtquelle in einem Konfokalmikroskop, bewirkt die durch das Ausschalten der Laserdiode am Zeilenende erzeugte Resonatorlängenänderung Modensprünge, die Leistungsmodulation, Bildrauschen oder auch unerwünschte Streifenmuster im erzeugten Bild verursachen. Der Lichtdetektor des Konfokalmikroskops empfängt dann entsprechend Strahlung mit schwankender Amplitude, wobei die Schwankungen dem eigentlichen Bildkontrast überlagert sind.
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Aus der
US 5,485,481 ist ein Diodenlaser bekannt, bei dem eine Laserdiode mit einem optischen Wellenleiter direkt verbunden ist. In den optischen Wellenleiter ist zur Unterdrückung von Modenrauschen ein teilreflektives Element in Form eines Faser-Bragg-Gitters integriert. Bei dem Faser-Bragg-Gitter handelt es sich um ein spektral selektives, teilreflektives Element, das in dem entsprechenden Wellenlängenbereich Strahlung in die Laserdiode zurückkoppelt. Das spektral selektive Faser-Bragg-Gitter legt die Wellenlänge der erzeugten Laserstrahlung auf diejenige Wellenlänge fest, bei der das Faser-Bragg-Gitter reflektiert. Zwar werden durch diese vorbekannte Ausgestaltung Instabilitäten aufgrund von Modensprüngen reduziert. Jedoch eignet sich das beschriebene Vorgehen nur für Laserlichtquellen, die bei einer einzigen festgelegten Wellenlänge emittieren. Für multichromatische und/oder mehrmodige Laserlichtquellen ist die bekannte Vorgehensweise ungeeignet. Ein weiterer Nachteil des bekannten Verfahrens ist, dass eine spezielle (meist wellenlängenselektierte) optische Faser mit integriertem Faser-Bragg-Gitter eingesetzt werden muss. Dadurch wird die Laserlichtquelle aufwändig und teuer.
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Die
DE 102 35 669 A1 beschreibt eine Positionsmesseinrichtung, die eine Laserlichtquelle umfasst, die derart mit Rückkopplungsmitteln wechselwirkt, das in der Laserlichtquelle eine Anregung mehrerer Moden erfolgt und ein Multimode-Betrieb resultiert.
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Die
US 5 887 009 offenbart ein Konfokalmikroskop, das als Lichtquelle einen Faserlaser verwendet.
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Aus der
WO 2009/024490 A2 ist ein Konfokalmikroskop mit Laserlichtquelle bekannt, bei dem das Laserlicht über eine Faser in einen Beleuchtungsstrahlengang eingekoppelt wird. Die Laserlichtquelle wird auf ein Triggersignal hin unmittelbar vor der Bildaufnahme schnell eingeschaltet.
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Die
DE 199 54 704 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb eines festkörperlaserbasierten Konfokalmikroskops, bei dem zur Vermeidung von Bildfehlern der Scanvorgang mit der Phase der kontinuierlichen Intensitätsemission des Festkörperlasers synchronisiert wird.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Konfokalmikroskop bereitzustellen. Die oben beschriebenen Nachteile sollen vermieden werden.
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Diese Aufgabe löst die Erfindung durch ein Konfokalmikroskop mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Nicht spektral selektiv bedeutet im Sinne der Erfindung, dass das teilreflektive Element im relevanten Wellenlängenbereich allenfalls breitbandig spektral selektiv sein darf, wobei jedenfalls keine Selektion einzelner Moden wie im Stand der Technik erfolgt.
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Bei dem Laser des erfindungsgemäßen Konfokalmikroskops handelt es sich um einen Diodenlaser, der wenigstens eine Laserdiode enthält.
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Die oben erwähnten Reflektionen und Streuungen an optischen Elementen, die dem Diodenlaser in einem anwendungsspezifischen Aufbau nachgeordnet sind, koppeln die erzeugte Laserstrahlung aus geringer Distanz zurück in den Diodenlaser. Die optische Weglänge beträgt dabei wenige Zentimeter. Der so entstehende externe parasitäre Resonator verursacht zufällige Modensprünge, die zu den unerwünschten Leistungsschwankungen führen. Außerdem kann es zu unerwünschten Interferenzerscheinungen an einem Lichtdetektor des verwendeten Aufbaus (z.B. Konfokalmikroskop) kommen.
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Erfindungsgemäß wird nun eine Rückkopplung in den Diodenlaser aus größerer Distanz, und zwar mit einer optischen Weglänge von wenigstens 10 cm, vorzugsweise wenigstens 20 cm, besonders bevorzugt wenigstens 50 cm erzwungen. Aufgrund der großen optischen Weglänge zwischen dem teilreflektiven Element und dem Diodenlaser entsteht ein weiterer Resonator, dessen Resonanzwellenlängen sehr dicht beieinander liegen. Die erwähnten, an sich unerwünschten Modensprünge treten bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach wie vor auf, und zwar sogar mit deutlich erhöhter Rate. Die Frequenz der Modensprünge, d.h. die Zahl der Modensprünge pro Zeiteinheit wird aber durch die Erfindung so hoch, dass die damit verbundenen Leistungsmodulationen außerhalb der Bandbreite der bei den meisten Anwendungen verwendeten Fotodetektoren liegen. Das oben erwähnte Bildrauschen bzw. die Bildstreifen in der Konfokalmikroskopie treten mit einer erfindungsgemäßen Laserlichtquelle daher nicht mehr auf.
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Durch die Rückkopplung der Laserstrahlung in den Diodenlaser aus größerer Distanz wird gleichzeitig die Kohärenzlänge der Laserstrahlung reduziert. Dadurch werden unerwünschte Interferenzeffekte minimiert.
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Das erfindungsgemäße Prinzip ist wellenlängenunabhängig. Das verwendete teilreflektive optische Element ist in dem Wellenlängenbereich, in dem der Diodenlaser emittiert, nicht spektral selektiv. Das bedeutet, dass auch ein wellenlängen-kombinierter Diodenlaser verwendet werden kann, d.h. eine Anordnung, bei der Strahlungen mehrerer Laserdioden bei verschiedenen Wellenlängen in einen einzigen optischen Wellenleiter eingekoppelt werden.
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Ohne Einschränkung der obigen Ausführungen können weiterhin, z.B. durch eine gezielte Beschichtung (Entspiegelung) des teilreflektiven Elements, einzelne Wellenlängen von der Rückkopplung ausgenommen werden. Diese Variante kann für die gemeinsame Verwendung von Diodenlaser und Festkörperlaser von Vorteil sein, da Festkörperlaser durch die erfindungsgemäße Art der Rückkopplung instabil werden können.
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Für die erfindungsgemäße Vorrichtung sind keinerlei spezielle optische Komponenten, wie z.B. ein Faser-Bragg-Gitter, wie es im Stand der Technik zum Einsatz kommt, erforderlich. Aus diesem Grund kann die Erfindung kostengünstig praktisch umgesetzt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist ein Lasersystem mit Wellenlängenüberlagerung von mehreren Diodenlasern vorgesehen, die bei verschiedenen Wellenlängen emittieren. Dies ermöglicht es, stabile multichromatische Laserstrahlung zu erzeugen.
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In der Praxis kann an den Diodenlaser des erfindungsgemäßen Konfokalmikroskops eine optische Faser als Wellenleiter angebunden sein. Die Anbindung erfolgt, wie meist üblich, über eine Faser-Steckverbindung. Die gängigen kommerziell verfügbaren Faser-Steckverbindungen können für die erfindungsgemäße Vorrichtung verwendet werden. Verbreitet sind sog. FC/PC-Stecker oder auch FC/APC-Stecker, die eine geringe Dämpfung aufweisen. Die Faser-Steckverbindung kann bei einer bevorzugten Ausgestaltung für die erfindungsgemäße Rückkopplung der erzeugten Laserstrahlung aus größerer Distanz in den Diodenlaser verwendet werden. Hierzu wird vorteilhaft das teilreflektive Element durch einen (z.B. geraden) Schliff an wenigstens einem der Faserenden in der Faser-Steckverbindung am Strahlungsausgang der Vorrichtung gebildet.
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Um dieses teilreflektive Interface vor Umwelteinflüssen und Abnutzungserscheinungen beim Ein- und Ausstecken zu schützen, oder auch um einen ausgangsseitigen Faserstecker mit APC (Winkelschliff) zu ermöglichen, kann bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung eine zweite Faser der ersten Faser nachgeschaltet sein, wobei die Anbindung der zweiten Faser auf an sich bekannte Art und Weise erfolgen kann.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann das teilreflektive Element durch einen Luftspalt zwischen zwei aufeinander folgenden Faserabschnitten der optischen Faser gebildet sein. Die Reflektion erfolgt in diesem Fall aufgrund der Brechungsindex-Änderung an der Grenzfläche zwischen Fasermaterial und Luft.
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Alternativ besteht die Möglichkeit, das teilreflektive Element durch eine Kontaktstelle zweier sich berührender Faserenden zu bilden, wobei wenigstens eines der Faserenden eine reflektive Beschichtung aufweist. Bei dieser Ausgestaltung kann ein Luftspalt vermieden werden. Die Beschichtung besteht aus einem Material, das aufgrund eines von dem Fasermaterial unterschiedlichen Brechungsindex die Reflektion bewirkt.
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Weiterhin besteht die Möglichkeit, das teilreflektive Element über eine Freistrahlstrecke an die optische Faser anzubinden. Zur Anbindung kann ein Strahlteiler oder ein ähnliches optisches Element verwendet werden. Als teilreflektives Element kommt in diesem Fall ein üblicher teilreflektiver Spiegel in Frage.
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Wenn das teilreflektive Element gemäß der Erfindung zwischen zwei aufeinander folgenden Faserabschnitten gebildet wird, kann zweckmäßig zur Ein- bzw. Auskopplung der Laserstrahlung in die aufeinandertreffenden Faserenden eine GRIN-Linse verwendet werden. Es handelt sich um übliche Komponenten, die in faseroptischen Aufbauten verwendet werden. Diese weisen einen Brechungsindexverlauf auf, so dass die auf das Faserende auftreffende Strahlung in den Faserkern fokussiert wird.
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Bei einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist im Strahlengang zwischen teilreflektivem Element und Laser ein Strahlteiler angeordnet, über den ein Teil der von dem teilreflektiven Element zurückgekoppelten Strahlung auf einen Fotosensor geführt wird. Da das Signal des Fotosensors zur Intensität der zurückgekoppelten Strahlung proportional ist und diese wiederum, entsprechend der Reflektivität des teilreflektiven Elements, proportional zur Intensität der in den Wellenleiter insgesamt eingekoppelten Strahlung ist, kann der Fotosensor zur Überwachung der in den Wellenleiter eingekoppelten Strahlungsleistung verwendet werden. Vorteilhaft kann der Fotosensor dann mit einem Regler verbunden sein, der aus dem Signal des Fotosensors ein Stellsignal ableitet. Dieses kann zur Ansteuerung von Aktoren verwendet werden, z.B. um den Laser nach Maßgabe eines Sollwerts zu regeln.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1: Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung in einem erfindungsgemäßen Konfokalmikroskop als Blockdiagramm;
- 2: verschiedene Realisierungsmöglichkeiten für das teilreflektive Element bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
- 3: Ausführungsbeispiel mit Leistungsüberwachung.
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Die 1 zeigt eine Vorrichtung zur Erzeugung von Laserstrahlung in einem erfindungsgemäßen Konfokalmikroskop als Blockdiagramm. Die Vorrichtung weist einen Diodenlaser 1 auf. Die darin enthaltene Laserdiode 2 mit Rückfacette 3 ist schematisch angedeutet. An den Diodenlaser 1 ist ein optischer Wellenleiter in Form einer optischen Faser 4 angebunden. Über den optischen Wellenleiter 4 wird die von dem Diodenlaser 1 emittierte elektromagnetische Strahlung der jeweiligen Anwendung (nicht dargestellt) zugeführt. Die dargestellte Vorrichtung weist ein teilreflektives Element 5 auf, das in die optische Faser 4 eingebunden ist. Gemäß der Erfindung ist das teilreflektive Element 5 in dem Wellenlängenbereich der von dem Diodenlaser 1 emittierten Laserstrahlung nicht spektral selektiv. Wesentliches Merkmal der Erfindung ist, dass mittels des teilreflektiven Elementes 5 die Laserstrahlung aus größerer Distanz in den Diodenlaser 1 zurückgekoppelt wird. In der 1 ist die optische Weglänge L zwischen dem teilreflektiven Element 5 und der Rückfacette der Laserdiode 2 illustriert. Die optische Weglänge L soll gemäß der Erfindung wenigstens 10 cm, vorzugsweise wenigstens 20 cm, besonders bevorzugt wenigstens 50 cm betragen.
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Die 2 illustriert, auf welche Weise das in die optische Faser 4 eingebundene teilreflektive Element 5 praktisch realisiert werden kann.
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In 2a) ist das teilreflektive optische Element 5 durch einen Luftspalt zwischen zwei aufeinander folgenden Faserabschnitten 4' und 4" gebildet. Die Breite des Luftspalts sollte größer als λ/2, d.h. größer als die halbe Wellenlänge der von dem Diodenlaser 2 emittierten elektromagnetischen Strahlung sein. Wie in 2a) angedeutet, wird ein Teil der von links her, d.h. aus Richtung des Diodenlasers 1 durch den Faserabschnitt 4' propagierenden Laserstrahlung an dem Luftspalt reflektiert. Ein Teil propagiert weiter durch den Faserabschnitt 4''.
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Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2b) berühren sich die Faserenden der Faserabschnitte 4' und 4'', wobei eines der Faserenden der Faserabschnitte 4', 4'' eine reflektive Beschichtung aufweist.
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Bei den Ausführungsbeispielen in den 2c), 2d) und 2e) ist das teilreflektive Element 5 über eine Freistrahlstrecke an die optische Faser 4 angebunden. Zur Bildung der Freistrahlstrecke dienen bei den Ausführungsbeispielen der 2c) und 2d) jeweils Linsenpaare. In dem Ausführungsbeispiel der 2e) kommen mit den Faserenden verbundene Gradientenlinsen (GRINs) zum Einsatz. Bei den Ausführungsbeispielen der 2c) und 2d) können die Faserenden mit Endkappen (gestrichelt angedeutet) ausgestaltet sein. In 2c) erfolgt die Reflektion an dem Faserende des Faserabschnitts 4' durch den Übergang vom Fasermaterial in Luft. Bei den Ausführungsbeispielen der 2d) und 2e) befindet sich in der Freistrahlstrecke jeweils ein teilreflektiver Spiegel 6.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der 2f) befindet sich an den Faserenden der Faserabschnitte 4' und 4'' jeweils eine Gradientenlinse (GRIN). Die Faserenden berühren sich, wobei im Bereich der Berührungsstelle eine reflektive Beschichtung vorgesehen ist.
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Die 2g) zeigt eine Variante, bei der das teilreflektive Element 5 durch eine Endkappe der Faser 4 gebildet wird. Dabei wird durch einen Brechungsindexsprung zwischen Kern (n1) und Endkappe (n2) eine Reflektion erreicht. Ein Rückreflex von z.B. 2-5% der durch die Faser 4 propagierenden Gesamtlichtleistung ist ausreichend für den erfindungsgemäßen Zweck und lässt sich mit dieser Lösung durch geeignete Wahl der Brechungsindices realisieren.
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Der in 2a) angedeutete Luftspalt kann bei einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung innerhalb einer Faser-Steckverbindung, wie oben beschrieben, realisiert werden, indem ein entsprechender Schliff an wenigstens einem der Faserenden in der Faser-Steckverbindung angebracht wird.
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Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein kollimierter Laserstrahl (gegebenenfalls bestehend aus Strahlung bei mehreren überlagerten Wellenlängen) eines (nicht dargestellten) Lasers in eine Faser 4 gekoppelt. Die Faser 4 weist ein teilreflektives Element 5 entsprechend dem Ausführungsbeispiel der 2b) auf. Ein Teil der Strahlung wird in Richtung des Fasereingangs (nach links) reflektiert. Der austretende Strahl wird durch eine Fokuslinse 7 kollimiert und trifft auf einen Strahlteiler 8. Dieser lenkt einen Teil der Strahlung auf einen Fotosensor 9 in Form einer Fotodiode ab. Da die Endflächen der Faser 4 einen Winkelschliff besitzen, ist die hier gemessene Leistung nur proportional zum reflektierten Anteil der Strahlung in der Faser und somit auch proportional zur eingekoppelten Leistung. Das Signal des Fotosensors erlaubt es daher, die Leistung des Lasers zu regeln, um eine konstante Ausgangleistung über eine lange Zeit zu erhalten. Es kann auch, durch Anbindung des Fotosensors 9 an einen Regler (nicht dargestellt), zur aktiven Steuerung von geeigneten Aktoren verwendet werden, z.B. um die maximale Koppeleffizienz zu erreichen und dauerhaft zu halten. Der transmittierte Anteil der zurückgekoppelten Strahlung kann zur Stabilisierung und zur Vermeidung von Schwankungen der Strahlungsamplitude verwendet werden, wie oben beschrieben. Wesentliche Vorteile dieser Art der Leistungsüberwachung sind die breite spektrale Einsetzbarkeit, die geringen Kosten sowie der geringe Elektronik- und Softwareaufwand.
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Die Prozentangaben in 3 in Kombination mit den Pfeilrichtungen geben die Verhältnisse der Leistungen der eingekoppelten Strahlung (100%), der reflektierten Strahlung und der transmittierten Strahlung an den verschiedenen Stellen im Strahlengang an. Zu erkennen ist, dass bei dem Ausführungsbeispiel 0,5% der ursprünglich vom Laser emittierten Strahlungsleistung auf den Fotosensor 9 geführt werden, während 4,5% in den Laser zurückgekoppelt werden.
