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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Lasermodul mit einem Träger und einer Mehrzahl von auf dem Träger angeordneten oberflächenemittierenden Halbleiterlasern.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Lasermoduls.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Lasermodul und ein Herstellungsverfahren der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass das Lasermodul einen gesteigerten Gebrauchsnutzen aufweist und eine größere Flexibilität bei dem Betrieb des Lasermoduls gegeben ist.
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Diese Aufgabe wird bei dem Lasermodul der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens ein optoelektrischer Detektor auf dem Träger oder unmittelbar neben dem Träger angeordnet ist.
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Der optoelektrische Detektor kann beispielsweise als Photodiode ausgebildet sein, insbesondere als PIN-Diode basierend auf Silizium oder Indium Gallium Arsenid (InGaAs).
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Die erfindungsgemäße Anordnung des mindestens einen optoelektrischen Detektors auf dem Träger oder unmittelbar neben dem Träger des Lasermoduls ermöglicht eine einfache und kostengünstige Bereitstellung eines sogenannten Feedbacksignals, d.h. eines Signals des Detektors, das wiederum abhängig ist von im Bereich des Detektors auftretender optischer Strahlung, beispielsweise von dem Lasermodul erzeugter Laserbestrahlung oder anderer Strahlung, welche in Abhängigkeit der von dem Lasermodul erzeugten Laserstrahlung erzeugt wird. Dies ist beispielsweise bei dem Einsatz des erfindungsgemäßen Lasermoduls zum optischen Pumpen eines Festkörperlasers der Fall. Bei dieser Konfiguration stellt das erfindungsgemäße Lasermodul Laserstrahlung zum optischen Pumpen des Festkörperlasers bereit, der in an sich bekannter Weise – beispielsweise im Falle eines passiv gütegeschalteten Festkörperlasers – sogenannte Riesenimpulse abgibt. Diese Riesenimpulse weisen eine andere Wellenlänge als die Wellenlänge des durch das Lasermodul bereitgestellten Pumplichts auf, sind vorteilhaft jedoch durch den optoelektrischen Detektor des erfindungsgemäßen Lasermoduls detektierbar. Dadurch kann der erfindungsgemäße optoelektrische Detektor vorteilhaft sowohl zur Detektion von mittels des Lasermoduls und der darauf angeordneten oberflächenemittierenden Halbleiterlasern erzeugten Laserstrahlung sowie zur Detektion von sekundärer Laserstrahlung, wie sie beispielsweise durch den laseraktiven Festkörper erzeugt wird, verwendet werden. Bei einer Ausführungsform kann dem Detektor auch ein Filter zugeordnet werden, das den Wellenlängenbereich des Detektors entsprechend einschränkt.
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Das erfindungsgemäße Lasermodul kann vorteilhaft beispielsweise für den Aufbau von Laserzündkerzen verwendet werden, bei denen es von Interesse ist, Laserstrahlung zu detektieren, die durch einen laseraktiven Festkörper in Reaktion auf das optische Pumpen mittels des Lasermoduls erzeugt worden ist.
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Die erfindungsgemäße Anordnung des optoelektrischen Detektors auf bzw. unmittelbar neben dem Träger, der die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser aufweist, bedingt den Vorteil, dass keine zusätzlichen optischen Elemente verwendet werden müssen, um ein zu detektierendes optisches Signal zu dem Detektor zu leiten. Insbesondere kann auf zusätzliche Lichtleitfasern oder lichtleitendes Material wie beispielsweise UV-Kleber oder Glasplatten verzichtet werden, was eine geringere Komplexität und einen kostengünstigen Aufbau des erfindungsgemäßen Lasermoduls ermöglicht.
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Insgesamt ermöglicht das erfindungsgemäße Lasermodul demnach eine einfache und kompakte Konstruktion eines VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)-Lasermoduls mit integrierter Feedbacksignalausgabe.
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Vorteilhaft an der Erfindung ist weiterhin, dass der optische Detektor sehr aufgeräumt und unscheinbar angeordnet ist, insbesondere im Bezug auf die oberflächenemittierenden Halbleiterlaser, da der Detektor direkt neben oder auch zwischen den VCSEL-Chips angeordnet sein kann. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Detektor auf derselben Oberfläche des Trägers wie die oberflächenemittierenden Halbleiterlaserelemente angeordnet ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Montage, sogar ein nachträglicher Einbau des mindestens einen optoelektrischen Detektors in ein bestehendes VCSEL-Modul ist möglich, wodurch bestehende Lasermodule vorteilhaft um die erfindungsgemäße Funktionalität erweitert werden können.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Detektor in einem Randbereich einer Oberfläche des Trägers angeordnet ist, wodurch ein Strahlengang der von den oberflächenemittierenden Halbleiterlasern erzeugten Laserstrahlung nicht beeinträchtigt wird.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass mindestens ein Detektor so relativ zu dem Träger angeordnet ist, dass ein Winkel zwischen einer Oberflächennormalen einer Detektorfläche des Detektors und einer Oberflächennormalen einer die Halbleiterelemente aufweisenden Oberfläche des Trägers einen Wert zwischen etwa 0° und etwa 90°, vorzugsweise zwischen etwa 30° und etwa 60°, aufweist. Mit anderen Worten kann der optoelektrische Detektor bzw. die Photodiode gegenüber der Lichtaustrittsfläche der VCSEL-Elemente angewinkelt angeordnet sein, wodurch sich eine Signalstärke eines durch den Detektor aufgenommenen Signals erhöht.
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Besonders bevorzugt ist die Flächennormale der Detektorfläche bei der Verwendung des Lasermoduls zum optischen Pumpen eines Festkörperlasers so ausgerichtet, dass sie in etwa auf die Mitte einer Einkoppelfläche des Festkörperlasers weist, die zur Einkopplung des von dem Lasermodul erzeugten Laserlichts vorgesehen ist. Ein optimaler Anstell- bzw. Ausrichtungswinkel für die Flächennormale der Detektorfläche kann darüber hinaus von weiteren optischen Komponenten, die in dem Strahlengang des Lasermoduls angeordnet sind, abhängen. Beispielsweise kann bei der Vorsehung einer Fokussieroptik, welche zwischen dem Lasermodul und dem optisch zu pumpenden laseraktiven Festkörper angeordnet ist, auch eine von den vorstehenden Kriterien abweichende Ausrichtung der Flächennormalen der Detektorfläche vorteilhaft sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Träger als Schaltungsträger, insbesondere Platine, ausgebildet ist, und dass mindestens ein Detektor auf der Platine, insbesondere in einem Randbereich der Platine, angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Integration der Photodiode auf der Platine wird das erfindungsgemäße Lasermodul besonders kostengünstig, so dass es insbesondere auch für den Einsatz in Laserzündkerzen, beispielsweise für Brennkraftmaschinen, geeignet ist.
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Andere Anwendungsfelder des erfindungsgemäßen Lasermoduls sind beispielsweise die Lasermaterialbearbeitung bzw. Medizintechnik.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Träger auf einem insbesondere als Kühlblock ausgebildeten Element angeordnet ist, und dass mindestens ein Detektor ebenfalls auf dem Element angeordnet ist, insbesondere unmittelbar neben dem Träger. Das bedeutet, bei manchen Ausführungsformen ist es nicht erforderlich, den optoelektrischen Detektor direkt auf dem die Halbleiterlaser enthaltenden Träger anzuordnen. Vielmehr ist auch eine Nebeneinanderanordnung des Trägers und des mindestens einen optoelektrischen Detektors möglich, wodurch sich weitere Freiheitsgrade bei der Ausrichtung und Anordnung der Komponenten relativ zueinander ergeben.
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Die vorstehend beschriebene angewinkelte Ausrichtung des Detektors bezüglich der Oberflächennormalen der Halbleiterlaser ist sowohl bei der Anordnung des Detektors auf dem die Halbleiterlaser enthaltenden Träger sowie bei einer Nebeneinanderanordnung des Detektors relativ zu dem die Halbleiterlaser aufweisenden Träger möglich.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Detektorfläche des Detektors größer etwa 1,5 mm2 ist, vorzugsweise größer gleich etwa 2,0 mm2.
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Einer weiteren Ausführungsform zufolge können ein oder mehrere optoelektrische Detektoren vorgesehen sein, die gleichartig oder verschiedenartig nach mindestens einem der vorstehend beschriebenen Prinzipien relativ zu den oberflächenemittierenden Halbleiterlasern angeordnet sind.
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Als eine weitere Lösung der Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Lasermoduls angegeben, wobei ein Träger mit einer Mehrzahl von auf dem Träger angeordneten oberflächenemittierenden Halbleiterlasern bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß wird mindestens ein optoelektrischer Detektor auf dem Träger oder unmittelbar neben dem Träger angeordnet. Das Anordnen kann beispielsweise mittels Herstellen einer stoffschlüssigen Verbindung (Kleben, Löten u.dgl.) erfolgen, aber auch mittels Klemmen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Dabei können die in den Ansprüchen und der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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In der Zeichnung zeigt:
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1a schematisch eine Draufsicht auf ein Lasermodul gemäß einer ersten Ausführungsform,
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1b schematisch eine Seitenansicht des Lasermoduls gemäß 1a,
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2a schematisch eine Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lasermoduls,
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2b schematisch eine Seitenansicht der Konfiguration gemäß 2a in teilweisem Querschnitt,
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3a bis 3d jeweils schematisch eine Draufsicht auf weitere Ausführungsformen, und
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4 schematisch eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform.
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1a zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Lasermoduls 100. Das Lasermodul 100 weist einen Träger 110 auf, auf dem eine Mehrzahl von oberflächenemittierenden Halbleiterlasern 120 angeordnet sind. Die Abstrahlrichtung der von den Halbleiterlasern erzeugten Laserstrahlung weist in 1a aus der Zeichenebene heraus. Vorliegend sind die auch als VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser)-Laser bezeichneten Halbleiterlaser in Form von vier Modulen 120a, 120b, 120c, 120d vorgesehen. Die einzelnen Module können beispielsweise individuell auf dem Träger 110 angeordnet sein.
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Bei dem Träger 110 kann es sich beispielsweise um einen Schaltungsträger, insbesondere um eine Platine oder ein vergleichbares, geeignetes Substrat handeln.
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Erfindungsgemäß ist mindestens ein optoelektrischer Detektor 130 auf dem Träger 110 angeordnet, wodurch sich eine besonders klein bauende Konfiguration für das Lasermodul 100 ergibt und gleichzeitig die Möglichkeit zur Detektion eines optischen Signals gegeben ist. Der Detektor 130 kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, von den Lasermodulen 120 erzeugte Laserstrahlung zu detektieren.
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Besonders bevorzugt ist der Detektor 130 jedoch auch dazu verwendbar, nicht direkt von den Lasermodulen 120 erzeugte Strahlung zu detektieren.
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1b zeigt eine Seitenansicht der Konfiguration gemäß 1a, wobei ersichtlich ist, dass das Lasermodul 100 dazu verwendet wird, einen Festkörperlaser 200 optisch zu pumpen. Die von VCSEL-Modulen 120 erzeugte Laserstrahlung (Strahlengang S) wird durch eine optionale Fokussieroptik 140 auf eine Stirnfläche 200a des laseraktiven Festkörpers 200 gebündelt, um diesen in an sich bekannter Weise optisch zu pumpen.
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Der erfindungsgemäß vorgesehene optische Detektor 130 kann vorteilhaft auch von dem laseraktiven Festkörper 200 infolge des optischen Pumpens erzeugte Laserstrahlung, die üblicherweise eine andere Wellenlänge aufweist als die Laserstrahlung S und der VCSEL-Module 120, detektieren, weil er sich unmittelbar in dem Bereich des Strahlengangs S der Anordnung befindet.
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Vorliegend ist der Detektor 130 bevorzugt als Photodiode, insbesondere PIN-Diode, oder dergleichen ausgebildet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Detektor 130 auf demselben Träger 110 angeordnet ist wie VCSEL-Module 120.
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2a zeigt eine weitere Ausführungsform 100a des erfindungsgemäßen Lasermoduls. Der optische Detektor 130a ist wiederum auf demselben Träger 110 angeordnet wie der oberflächenemittierende Halbleiterlaser 120. Im Unterschied zu der Konfiguration gemäß 1a, 1b ist bei der Konfiguration gemäß 2a der optische Detektor 130a hinsichtlich einer Oberflächennormalen seiner Detektorfläche so angeordnet, dass die Oberflächennormale einen von 0° verschiedenen Winkel zu der Oberflächennormalen der Trägerfläche 110 bzw. der Lichtaustrittsfläche der Laser 120 aufweist.
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2b zeigt eine Detailansicht der Konfiguration, aus der eine erste Oberflächennormale n1 der Trägerfläche 110 bzw. der VCSEL-Laser 120 ersichtlich ist. Ebenfalls aus 2b ist ersichtlich, dass der Detektor 130a so angeordnet ist, dass die Oberflächennormale n2 seiner Detektorfläche 130’ einen Winkel α mit der Oberflächennormale n1 der Trägerfläche 110’ einnimmt. Besonders bevorzugte Werte von α betragen zwischen etwa 0° und etwa 90°, vorzugsweise zwischen etwa 30° und etwa 60°.
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Generell kann bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Lasermoduls 100a zum optischen Pumpen eines laseraktiven Festkörpers 200 der Detektor 130a bezüglich seiner Oberflächennormale n2 (2b) so angeordnet sein, dass diese Oberflächennormale etwa auf einen Mittenbereich der Stirnfläche 200a (1b) des zu pumpenden laseraktiven Festkörpers 200 deutet. In diesem Fall kann von dem laseraktiven Festkörper 200 erzeugte Laserstrahlung mit optimaler Signalstärke durch den Detektor 130, 130a detektiert werden.
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3a zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform. Das Lasermodul 100b weist wiederum vier einzelne VCSEL-Module 120a, ..., 120d auf, die auf einem Träger 110 angeordnet sind. Ebenfalls auf dem Träger 110, und dort in einem Randbereich R, angeordnet sind zwei optoelektrische Detektoren 132, 134.
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Das Lasermodul 100b verfügt ferner über einen zur Entwärmung dienenden Kühlblock 110a, der auch bei den vorstehend unter Bezugnahme auf die 1a bis 2b beschriebenen Varianten vorhanden sein kann.
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3b zeigt eine weitere Ausführungsform 100c, bei der zwei optoelektrische Detektoren 132, 134 in einander gegenüberliegenden Randbereichen R, R’ des Trägers 110 angeordnet sind.
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3c zeigt eine weitere Erfindungsvariante. Bei dem Lasermodul 100d der 3c sind zwei optische Detektoren 132, 134 in in 3c horizontaler Richtung nebeneinander in dem Randbereich R angeordnet.
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3d zeigt eine weitere Ausführungsform 100e, bei der wiederum vier VCSEL-Module 120a, 120b, 120c, 120d vorhanden sind. Mögliche Positionen zur Anordnung mindestens eines optoelektrischen Detektors (nicht in 3d gezeigt) sind durch die Zwischenbereiche Z, Z1, Z2, Z3, Z4 angegeben. Alternativ oder ergänzend kann mindestens ein optoelektrischer Detektor auch in Randbereichen R, R’, vgl. beispielsweise die 3a bis 3c, angeordnet sein. Kombinationen hieraus sind ebenfalls denkbar.
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4 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform 100f des erfindungsgemäßen Lasermoduls. Im Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Konfigurationen ist der optische Detektor 132’ bei der Ausführungsform gemäß 4 nicht auf dem Trägerelement 110, welches die VCSEL-Module 120a, 120b, 120c, 120d aufweist, angeordnet, sondern unmittelbar neben dem Trägerelement 110. Beispielsweise ist der Detektor 132’ ebenso wie das Trägerelement 110 auf dem gemeinsamen Element 110a, das beispielsweise als Kühlblock dienen kann, angeordnet.
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Beispielhaft erfolgt eine Detektion von Laserimpulsen, die der laseraktive Festkörper 200 (2a) erzeugt, über den Nachweis von Streulicht, welches von dem laseraktiven Festkörper 200 zu dem Detektor 130a gelangt. Das bedeutet, für die Detektion wird das rückwärtig aus dem laseraktiven Festkörper 200 reflektierte Licht verwendet.
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Besonders bevorzugt ist mindestens ein optoelektrischer Detektor als Surface Mounted Device (SMD)-Bauteil ausgebildet, was eine besonders klein bauende Konfiguration und eine dementsprechend einfache Integration auf bzw. neben den Träger 110 ermöglicht.
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Besonders bevorzugt weist mindestens ein optoelektrischer Detektor des erfindungsgemäßen Lasermoduls einen Detektionsbereich von etwa 400 nm (Nanometer) bis etwa 1200 nm auf. Um eine gezielte Detektion des von dem laseraktiven Festkörper
200 erzeugten Laserlichts zu ermöglichen, kann beispielsweise die in
DE 10 2011 100 811.2 beschriebene Vorgehensweise angewandt werden.
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Alternativ oder ergänzend können dem Detektor ein oder mehrere optische Filter 130a zugeordnet werden.
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Beispielsweise kann für den optischen Detektor eine Silizium-PIN-Diode vom Typ DPD-015-057 von Everlight Electronics verwendet werden.
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Das erfindungsgemäße Lasermodul ermöglicht vorteilhaft eine Detektion von a) der mittels der oberflächenemittierenden Halbleiterlaser erzeugten Laserstrahlung und/oder b) sekundärer Laserstrahlung, welche beispielsweise durch eine mittels des Lasermoduls optisch gepumpte Komponente 200 (1b) erzeugt wird.
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Es ist zu beachten, dass die Pumpoptik 140 sowie der Festkörperlaser 200 kein wesentlicher Bestandteil der Erfindung sind, sondern diese optional mit dem erfindungsgemäßen Lasermodul 100 verwendet werden können.
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Eine weitere besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist durch eine Laserzündkerze für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, oder einen (stationären) Gasmotor angegeben, wobei die Laserzündkerze mindestens ein Lasermodul gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist.
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So kann das Lasermodul gemäß der vorliegenden Erfindung insbesondere innerhalb einer in einem Zündkerzenschacht einer Brennkraftmaschine montierbaren, zum Beispiel einschraubbaren, Laserzündkerze angeordnet sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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