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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung sowie ein Verfahren
zur Unterdrückung
von Speckle-Strukturen eines gepulsten, zur Materialbearbeitung
verwendeten Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene.
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Kohärentes Licht,
insbesondere Laserlicht kann bei Überlagerung mit sich selbst
Interferenzerscheinungen aufweisen, die insbesondere als sogenannte
Speckle-Strukturen auftreten können.
Bei der Verwendung von Laserlicht zur Materialbearbeitung werden
in der Regel die Laserstrahlen durch Homogenisatoren derart mit
sich selbst überlagert,
dass in der Bearbeitungsebene regelmäßige Intensitätsschwankungen
auftreten, die den vorgenannten interferenzbedingten Speckle-Strukturen
entsprechen. Derartige Speckle-Strukturen können sich bei vielen Anwendungen
als ausgesprochen störend
oder nicht akzeptierbar erweisen. Insbesondere wenn die Materialbearbeitung über einen
thermischen Prozess erfolgt, der einen gewissen Leistungsschwellwert
voraussetzt, wie dies beispielsweise bei Schweißanwendungen oder auch bei
Druckanwendungen der Fall ist, kann durch lokale Intensitätsschwankungen der
aufgebrachten Laserstrahlung eine lokal fehlerhafte Bearbeitung
die Folge sein.
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Das
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem ist die Schaffung
einer Anordnung sowie die Angabe eines Verfahrens der eingangs genannten
Art, die mit vergleichsweise einfachen Mitteln und/oder vergleichsweise
effektiv Speckle-Strukturen unterdrücken können.
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Dies
wird erfindungsgemäß hinsichtlich
der Anordnung durch eine Anordnung der eingangs genannten Art mit
den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 sowie hinsichtlich
des Verfahrens durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit den
kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 11 erreicht.
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Gemäß Anspruch
1 ist vorgesehen, dass die Anordnung Strahlteilermittel zur Aufteilung
des Laserstrahles in zwei Teilstrahlen sowie Strahlvereinigungsmittel
zur Zusammenführung
der beiden Teilstrahlen umfasst, wobei die Anordnung derart gestaltet
ist, dass einer der beiden Teilstrahlen zwischen den Strahlteilermitteln
und den Strahlvereinigungsmitteln eine derartige Phasenverschiebung
erfährt, dass
bei Überlagerung
der Teilstrahlen in der Bearbeitungsebene keine Speckle-Strukturen
entstehen oder dass bei Überlagerung
der Teilstrahlen in der Bearbeitungsebene Speckle-Strukturen einer
vorgegebenen Form und/oder Größe entstehen.
Durch eine derartige Phasenverschiebung des ersten Teilstrahls gegenüber dem
zweiten Teilstrahl kann erreicht werden, dass zwar zu bestimmten
Zeitpunkten Interferenzen in der Bearbeitungsebene auftreten, diese
sich jedoch bei unter Umständen
nicht mehr oder nur unwesentlich miteinander phasenkorrelierten
Teilstrahlen zeitlich wegmitteln, so dass keine Speckle-Strukturen
auftreten.
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Gemäß Anspruch
2 kann vorgesehen sein, dass die Strahlteilermittel derart ausgebildet
sind, dass der Laserstrahl in zwei gleiche Teilstrahlen aufgeteilt
wird.
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Gemäß Anspruch
3 kann dabei vorgesehen sein, dass die Teilstrahlen hinsichtlich
ihrer Intensität gleich
sind.
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Gemäß Anspruch
4 kann vorgesehen sein, dass die beiden Teilstrahlen einander hinsichtlich
ihres Querschnittes im Wesentlichen entsprechen.
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Gemäß Anspruch
5 kann vorgesehen sein, dass die beiden Teilstrahlen symmetrisch
zueinander sind, derart, dass in der Bearbeitungsebene diejenigen
Querschnittsabschnitte der Teilstrahlen überlagert werden, die demselben
und entsprechenden Querschnittsabschnitt des Laserstrahles entnommen sind.
Zwei im Wesentlichen identische und zueinander symmetrische Teilstrahlen
können
in der Bearbeitungsebene derart miteinander überlagert werden, dass an jedem
Ort der Bearbeitungsebene einander entsprechende Bereiche des ersten
Teilstrahles mit entsprechenden Bereichen des zweiten Teilstrahles überlagert
werden, wobei jeweils die an einem Ort miteinander überlagerten
Bereiche der Teilstrahlen die gleiche Intensität aufweisen. Wenn somit das elektromagnetische
Feld des zweiten Teilstrahles gegenüber dem elektromagnetischen
Feld des ersten Teilstrahles eine Phasenverschiebung erfährt, kann durch
die gleichen Intensitäten
einander entsprechender Bereiche der beiden Teilstrahlen im Überlagerungsbereich
wirkungsvoll eine Unterdrückung
der Speckle-Strukturen vorgenommen werden.
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Gemäß Anspruch
6 kann vorgesehen sein, das zwischen den Strahlteilermitteln und
den Strahlvereinigungsmitteln ein elektrooptischer Modulator angeordnet
ist, der die Phase eines der beiden Teilstrahlen verschieben oder
verändern
kann. Insbesondere wenn die Kohärenzlänge des
Laserstrahles sehr groß ist,
kann es aparativ sehr aufwändig
sein, die Differenz des optischen Weges der beiden Teilstrahlen
größer als
die Kohärenzlänge zu wählen. In diesem
Fall ist es sicherlich sinnvoll, die Phasenverschiebung oder Phasenveränderung
eines der beiden Teilstrahlen mit anderen Mitteln, insbesondere mittels
eines elektrooptischen Modulators herbeizuführen. Vermittels eines elektrooptischen
Modulators lässt
sich dabei insbesondere eine vergleichsweise beliebige Phasenverschiebung
herbeiführen,
so dass die Speckle-Strukturen nicht nur unterdrückt sondern beliebig verändert werden
können.
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Gemäß Anspruch
7 kann vorgesehen sein, dass die Strahlteilermittel als teildurchlässiger Spiegel
ausgebildet sind. Die Ausbildung der Strahlteilermittel als teildurchlässiger Spiegel
lässt sich
fertigungstechnisch sehr einfach umsetzen.
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Gemäß Anspruch
8 kann vorgesehen sein, dass die Anordnung einen Spiegel umfasst,
der den zweiten von dem Strahlteilermittel ausgehenden Teilstrahl
derart reflektieren kann, dass die beiden Teilstrahlen nach der
Reflektion des zweiten Teilstrahles an dem Spiegel parallel zueinander
verlaufen. Durch diese Maßnahme
können
die Teilstrahlen vergleichsweise einfach derart in der Bearbeitungsebene überlagert
werden, dass aus entsprechenden Bereichen des ursprünglichen
Laserstrahls entnommene Bereiche eines jeden der Teilstrahlen miteinander überlagert
werden. Insbesondere finden hierbei eine gerade Anzahl von Reflektionen,
nämlich
im konkreten Fall zwei Reflektionen statt, nämlich eine Reflektion an dem
teildurchlässigen
Spiegel und eine Reflektion an dem zusätzlichen Spiegel. Es besteht
durchaus auch die Möglichkeit,
eine andere gerade Anzahl von Reflektionen zu wählen, nämlich beispielsweise vier Reflektionen,
um den optischen Weg des zweiten Teilstrahls weiter zu verlängern. Eine
gerade Anzahl von Reflektionen ermöglicht eine entsprechende symmetrische Überlagerung
und damit eine unter Umständen
vollständige
Unterdrückung
der Speckle-Strukturen
in der Bearbeitungsebene.
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Gemäß Anspruch
9 kann vorgesehen sein, dass die Strahlvereinigungsmittel ein Linsenarray und
eine Fourierlinse umfassen.
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Dabei
kann gemäß Anspruch
10 vorgesehen sein, dass das Linsenarray eine Mehrzahl von Zylinderlinsen
aufweist, insbesondere auf Eintritts- und Austrittsfläche zueinander
gekreuzte Zylinderlinsen. Durch derartige Linsenarrays lässt sich
eine Homogenisierung von Lichtstrahlen erreichen. Insbesondere lässt sich
damit aber auch in Verbindung mit der Fourierlinse eine weitestgehend
gleichmäßige Überlagerung
von auf sie auftreffende Teilstrahlen in der Bearbeitungsebene erzielen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
gemäß Anspruch
11 sieht folgende Verfahrensschritt vor:
- – der Laserstrahl
wird in zwei Teilstrahlen aufgeteilt;
- – einer
der beiden Teilstrahlen erfährt
relativ zu dem anderen der Teilstrahlen eine Phasenverschiebung;
- – die
beiden Teilstrahlen werden in der Bearbeitungsebene überlagert.
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Dabei
kann gemäß Anspruch
12 vorgesehen sein, dass die Phasenverschiebung des zweiten Teilstrahles
gegenüber
dem ersten Teilstrahl durch Hindurchtritt durch einen elektrooptischen
Modulator erzielt wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich
anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
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1 eine
schematische Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung;
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2 eine
schematische Seitenansicht auf Abbildungsmittel der erfindungsgemäßen Anordnung;
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3 die
Intensitätsverteilung
von Laserstrahlung in einer Bearbeitungsebene mit störenden Speckle-Strukturen;
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4 die
Intensitätsverteilung
von Laserstrahlung in einer Bearbeitungsebene, bei der die Speckle-Strukturen
durch eine erfindungsgemäße Anordnung
unterdrückt
wurden.
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In
einigen der Figuren sind kartesische Koordinatenachsen zur besseren Übersichtlichkeit
eingefügt.
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Aus 1 ist
eine erfindungsgemäße Anordnung
schematisch ersichtlich. Von links in 1 fällt ein
Laserstrahl 1 in die erfindungsgemäße Anordnung ein, der Teil
eines Laserpulses ist. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst einen
als Strahlteilermittel 2 dienenden teildurchlässigen Spiegel,
der einen ersten Teilstrahl 3 des Laserstrahles 1 ungehindert
hindurchtreten lässt.
Ein zweiter Teilstrahl 4 wird von dem Strahlteilermittel 2 schräg nach oben
und hinten in 1 zurück reflektiert. Der zweite
Teilstrahl 4 wird von einem Spiegel 5, der im
Wesentlichen parallel zu dem als Strahlteilermittel 2 dienenden
teilreflektierenden Spiegel ausgerichtet ist, derart reflektiert,
dass die Teilstrahlen 3, 4 nach Reflektion des zweiten
Teilstrahles 4 an dem Spiegel 5 parallel zueinander
in positiver Z-Richtung verlaufen.
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Die
in 1 abgebildete erfindungsgemäße Anordnung umfasst weiterhin
ein Strahlvereinigungsmittel 6, das in 1 nur
schematisch dargestellt ist. Eine beispielhafte Ausführungsform
eines derartigen Strahlvereinigungsmittels 6 ist aus 2 detailliert ersichtlich
und wird im Nachfolgenden noch näher beschrieben.
Durch das Strahlvereinigungsmittel 6 werden die Teilstrahlen 3, 4 derart
miteinander kombiniert, dass sie in einer Bearbeitungsebene 7 miteinander überlappt
werden.
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Es
besteht erfindungsgemäß die Möglichkeit,
zwischen den Strahlteilermitteln 2 und den Strahlvereinigungsmitteln 6 einen
elektroakustischen Modulator 8 einzubringen, der in 1 gestrichelt dargestellt
ist.
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In 1 ist
der Laserstrahl 1 an seinem in X-Richtung oberen Rand mit
einem L und an seinem in X-Richtung unteren Rand mit einem R gekennzeichnet,
um die Lage des linken und des rechten Randes des Laserstrahles 1 zu
verdeutlichen. Der Teilstrahl 3 stellt letztlich die Verlängerung
des Laserstrahles 1 in Z-Richtung durch die Strahlteilermittel 2 dar,
so dass gegenüber
dem Laserstrahl 1 bei dem Teilstrahl 3 der linke
und der rechte Rand nicht verändert
sind, so dass ebenfalls bei dem Teilstrahl 3 der linke
Rand in X-Richtung oben ist und der rechte Rand in X-Richtung unten
ist. Aus 1 ist weiterhin ersichtlich,
dass auch bei dem Teilstrahl 4 der linke Rand L' in X-Richtung oben
angeordnet ist, wohingegen der rechte Rand R' in X-Richtung unten angeordnet ist.
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Durch
die Strahlvereinigungsmittel 6 werden die Teilstrahlen 3, 4 derart
in der Arbeitsebene 7 überlagert,
dass der linke Rand L des Teilstrahles 3 mit dem linken
Rand L' des Teilstrahls 4 sowie
der rechte Rand R des Teilstrahles 3 mit dem rechten Rand
R' des Teilstrahles 4 überlagert
wird.
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In 2 ist
ein Beispiel für
Strahlvereinigungsmittel 6 abgebildet, die sowohl zur Überlagerung
zweier in X-Richtung voneinander beabstandeter Teilstrahlen 3, 4 als
auch zur Überlagerung
direkt aneinander angrenzender Teilstrahlen dienen können. Weiterhin
können
die in 2 abgebildeten Strahlvereinigungsmittel 6 auch
einen in X-Richtung ausgedehnten Strahl derart mit sich selbst überlagern,
dass eine Homogenisierung des Laserstrahles stattfindet.
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Die
in 2 abgebildeten Strahlvereinigungsmittel 6 umfassen
ein Linsenarray 9 und eine Fourierlinse 10. Das
Linsenarray 9 weist auf seiner Austrittsseite eine Mehrzahl
von parallel nebeneinander angeordneten Zylinderlinsen 11 auf.
Die Zylinderachsen der Zylinderlinsen 11 erstrecken sich
in Y-Richtung und damit in die Abbildungsebene der 2 hinein
beziehungsweise aus dieser heraus.
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Es
besteht durchaus die Möglichkeit,
dass auf der Eintrittsfläche
des Linsenarrays 9 ebenfalls eine Mehrzahl von parallel
nebeneinander angeordneten Zylinderlinsen angeordnet ist, deren
Zylinderachsen sich jedoch in X-Richtung erstrecken. Auf diese Weise
kann das Linsenarray 9 zueinander gekreuzte Zylinderlinsen
auf der Eintrittsfläche
und der Austrittsfläche
umfassen, so dass die durch sie hindurchtretenden Laserstrahlen
oder Teilstrahlen 3, 4 sowohl hinsichtlich der
X-Richtung als auch hinsichtlich der Y-Richtung abgelenkt werden
können.
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Die
Fourierlinse 10 ist in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel
als plankonvexe sphärische
Linse ausgebildet.
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Von
einer jeden der Zylinderlinsen 11 beziehungsweise gegebenenfalls
auch von den nicht abgebildeten Zylinderlinsen auf der Eintrittsfläche des Linsenarrays 9 werden
Teilstrahlen der einzelnen Teilstrahlen 3, 4 in
unterschiedliche Richtungen abgelenkt. Diese Vielzahl von Teilstrahlen
werden dann durch die Fourierlinse 10 in der Bearbeitungsebene 7 überlagert,
wobei jeweils unter einem gleichen Winkel aus den Zylinderlinsen 11 austretende
Teilstrahlen an gleichen Orten auf der Bearbeitungsebene 7 auftreffen.
Auf diese Weise kann gewährleistet
werden, dass beispielsweise die linken Ränder L, L' der Teilstrahlen 3, 4 in
der Bearbeitungsebene am gleichen Ort miteinander überlagert
werden.
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3 zeigt
die Intensitätsverteilung
eines Laserstrahls in einer Bearbeitungsebene, der nicht durch eine
erfindungsgemäße Anordnung
verlaufen ist, sondern beispielsweise lediglich mittels eines Linsenarrays 9 und
einer Fourierlinse 10, wie sie aus 2 ersichtlich
sind, mit sich selbst in der Bearbeitungsebene 7 überlagert
wurde. Aufgrund der Kohärenz
des Laserlichtes entstehen dabei in der Bearbeitungsebene 7 sogenannte
Speckle-Strukturen 12. Diese Speckle-Strukturen entstehen
aufgrund der Interferenz des Laserlichtes mit sich selbst.
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4 zeigt
die Intensitätsverteilung
der Laserstrahlung in der Bearbeitungsebene 7 nach Hindurchtritt
durch eine erfindungsgemäße Anordnung. Es
ist deutlich ersichtlich, dass die Speckle-Strukturen gemäß 3 in 4 unterdrückt sind.
Dies hat seinen Grund darin, dass in der erfindungsgemäßen Anordnung
gemäß 1 der
Teilstrahl 4 gegenüber dem
Teilstrahl 3 eine Phasenverschiebung erfahren hat, die
groß genug
ist, dass bei Überlagerung
der Teilstrahlen 3, 4 in der Bearbeitungsebene 7 keine oder
kaum merkliche Speckle-Strukturen entstehen. Dies kann bei der Anordnung gemäß 1 insbesondere
dadurch erzielt werden, dass der zusätzliche optische Weg, den der
Teilstrahl 4 gegenüber
dem Teilstrahl 3 durch die teilweise Rückreflektion erfährt, größer ist
als die Kohärenzlänge des
Laserstrahles 1.
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Durch
den zusätzlichen
optischen Weg, den der Teilstrahl 4 zurücklegt, wird der Teilstrahl 4 gegenüber dem
Teilstrahl 3 zeitlich verschoben. Bei einer Wegdifferenz
des Teilstrahles 4 größer der
Kohärenzlänge des
Laserstrahles 1 stammen somit die letztlich in der Bearbeitungsebene
zu einem bestimmten Zeitpunkt überlagerten
Teilstrahlen 3, 4 aus zueinander nicht kohärenten,
zeitlich nacheinander ausgesandten Wellenzügen des Laserstrahles 1.
In einem Laserpuls einer Länge
von etwa 10 ns können durchaus
10 oder 100 zeitlich nacheinander ausgesandte jeweils nicht zueinander
kohärente
Wellenzüge
vorhanden sein. Beispielsweise bei einem Excimerlaser sind die heute
maximal erreichbaren Kohärenzlängen etwa
im Bereich von 0,3 m, so dass ein Laserpuls von einer Dauer von
10 ns, der eine räumliche
Ausdehnung von etwa 3 m aufweist, somit etwa 10 jeweils in sich,
aber nicht zueinander kohärente Wellenzüge umfasst.
Wenn somit der zusätzliche
optische Weg, den der Teilstrahl 4 gegenüber dem
Teilstrahl 3 zurücklegt
mehr als 0,3 m beträgt,
werden die Teilstrahlen 3, 4 bei ihrer Überlagerung
in der Bearbeitungsebene 7 mit ziemlicher Sicherheit aus
nicht zueinander kohärenten
Wellenzügen
des Laserstrahles 1 entnommen sein, so dass die Teilstrahlen 3, 4 in der
Bearbeitungsebene 7 nicht kohärent zueinander sind. Aus diesem
Grund entstehen auch keine Speckle-Strukturen, weil zwar zu einem bestimmten Zeitpunkt
Interferenzeffekte entstehen können,
diese sich aber über
die Dauer des Laserpulses zeitlich herausmitteln. Daher entsteht
eine Intensitätsverteilung in
der Bearbeitungsebene 7, die etwa der 4 entspricht.
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Bei
kohärenteren
Laserquellen, wie beispielsweise bei einem Nd:YAG-Laser kann die
Kohärenzlänge durchaus
10 m und mehr betragen. Es erweist sich als ausgesprochen aufwändig und
kostenintensiv, eine erfindungsgemäße Anordnung derart zu gestalten,
dass die von dem Teilstrahl 4 gegenüber dem Teilstrahl 3 zusätzlich zurückgelegte
optische Weglänge
10 m und mehr beträgt.
Daher kann, wie dies in 1 gestrichelt angedeutet ist,
ein elektrooptischer Modulator 8 in den Strahlengang des Teilstrahls 4 eingebracht
werden. Durch diesen elektrooptischen Modulator kann die Phase des
Teilstrahles 4 derart verschoben beziehungsweise verändert werden,
dass die Phasenkorrelation zwischen den Teilstrahlen 3 und 4 aufgehoben
wird. In diesem Fall kann auch für
Wegunterschiede zwischen den Teilstrahlen 3, 4,
die kleiner sind als die Kohärenzlänge des
Laserstrahles 1, erreicht werden, dass bei Überlagerung
der Teilstrahlen 3, 4 in der Arbeitsebene 7 keine
Speckle-Strukturen auftreten.
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Die
durch den elektrooptischen Modulator bewirkte Phasenverschiebung
beziehungsweise Phasenveränderung
des Teilstrahles 4 kann auch derart gewählt werden, dass in der Bearbeitungsebene 7 Speckle-Strukturen
einer gewünschten
Form entstehen. Beispielsweise könnten
in der Bearbeitungsebene 7 Speckle-Strukturen entstehen,
die annähernd
die Form mehrerer Rechteckpulse oder Sägezahnpulse oder dergleichen
aufweisen.
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- 1
- Laserstrahl
- 2
- Strahlteilermitte
- 3
- erster
Teilstrahl
- 4
- zweiter
Teilstrahl
- 5
- Spiegel
- 6
- Strahlvereinigungsmittel
- 7
- Bearbeitungsebene
- 8
- elektrooptischer
Modulator
- 9
- Linsenarray
- 10
- Fourierlinse
- 11
- Zylinderlinse
- 12
- Speckle-Strukturen