DE1773541A1 - Vorrichtung zum Messen der AEnderung einer optischen Weglaenge mit Hilfe eines Interferometers - Google Patents

Description

Dr. Herbert Sefcol» Patriitinwali

Patit /

hrmt\atr. N.V. PHIlPS¹ GlOElLAMPENFABfiiEKEN 1773541

AKf₉, nor- 2499

Anmeldurg vom: 2O»M*i 1968

"Vorrichtung zum Meacen der Aenderung einer optischen Y.eglHne· alt

Hilfe eines Interferometers"·

Die Erfindung besieht sich aui* c-.ine Vorrichtung zum /'eoeen der Aonderune ein^r opticchen We^la'nce nit Hilfe oinea interfnronietere, bei der ein durch eine Strr.hlun,;Bquelle erzeugtes elektromBcnetißchee ütraiilenbündel alt Hilfe χρη opticchen üitteln in zwei rXumlich getrennte Teilbflndel ceepaltet wird, die nieder zueaaunengcfügt «erden und auf einen otrahlun^aempfindliohen ein Λαβ-liefernden detektor fellen.

IHne derurtipo Vorrichtunfr ist bekannt· üie i«t beibei Werkzeugen vcrnondbar um die Verschiebung dea v.ejrkgegenüber iiinan V/erkstOck foüt^ußtellon und ')uton über die .T dso Werkzeugen zu vflroohaffej:.

In vielen Ftill"n iet r.a not.vondi/r_f üraa dae Aucjang·-

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signal nicht nur ein Mesa für den absoluten Wert der Versoheibung sein sollt sondern auch ein i-aso für die Richtung, in «elcher die Verschiebung erfolgt. Auooerdem ist ca oft ervunecht, dass das Aiisgangesignal, auch bei stillstehenden Gegenstand, in Forn eineo V/echael spannungssignnls erscheint, «eil oioh ein "echoelapannungasiftnai elektrisch zuverlässiger verarbeiten lässt als ein CIeicnepannuhgssignal· Den ersten ..unsch kann man dadurch eri'üllcn, dann in dem Weg der Teilbündel ein dopi>elbrechendes Eletient angeordnet »ird, eo dass die i'hase der zusammengefügten Teilbündel von der Polarisationariohtung des Teilbündels, das das doppelbrechende Element zweimal durchlaufen hct» abhi'n₍;iß wird· Zur L'rhnltung einen Wcchsclapannun^Baue^angseit^nali kann man beispielsweise in dea eg eines der Teilbündel einen Gegenstand in mechanische Gohwingung bringen, was jedoch oft ein· mechanische und/oder elektrische Lchoierigkeit mit aich brinct.

Die Erfindung bezweckt, die erwähnten '«'Gneohc auf

eine elegante «eise «u erfüllen. Sie weist dazu das Kennzeichen auf, dass die trahlungsquelle zwei gegeneinander verschieden polarisierte kohercnte Bündel mit verschiedener Frequenz liefert, und von wenigstens einen der Teilbündel der l'olariuntionsauntand der Strahlung, die

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auf die Teilbündel wieder zusammenfügende optische Mittel fSllt, duroh die Aufnahme von phaienanisotropsn Elenentlii in da· betreffende Teilbündel gegenüber dem Polariaationszuetand der .trahlung, die aus den -das Bündel spaltenden optischen Kitteln tritt* orthogonal ist.

Unter koberenten Bündeln mit verschiedener Frequenz werden Bündel verstanden, deren gegenseitige Phasen so stark gekegn* pelt Bind,date die ß"ndel untereinander Interferensereoheinnngen verurenchtn können»

: β sei bonerkt, dass eine zwei untereinander v-er-

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schieden polnricierte kohcrente Bündel litferniie ütrahlunfrnquelle an sich bekennt ict.

Zur Beschränkung dee utrr-hlunnevprluL'teB zwiaohon der Strehluncequelle und den 3)etektor und der Rückkopplung zur Strahlungequolle wird vorzugsweise in den lätrahlunceneg zwischen der Strahlungequelle und den Detektor ein polarioationßcnpfindlichon bündelepcltendeo Uysten aufgenonnen.

Ilaoh einen Aspekt der Lirfindunc cind die optischen

Mittel ein polarieationaempfindllohec bundolapaltendee Cyatcn und da· AUE£anßeeijnal dca strchlun^sempfindlichcn JJotektors wird mit einem duroh ei:: iron Strahlun^cbünde} obgespaltetec, auf einen zweiten strahlunceeßpfir.dlichen Detektor fallendes Bündel erzeugten Sif^ial ver^liohen.

Hach einem anderen Aspekt tier Krfinduuß Bind die

optischen I'ittel ein isotropes oder nahezu isotropes biindelapulten« des Üyeten und In den ütrahlun£swe£ zwischen dem iootropen Syeten und den etrahlungsenpfindlichen detektor ist ein rolarisationsempfind«· lichee bSndelapaltendes Systcti angeordnet, dna einen Teil der Strahl*· uns euf einen ι weiten strahlunaeempfindliclion Detektor richtet» und die dtirob dl« auf die Detektoren fallenden, untereinander orthogonal polarisiert·» Bfindel erzougten Auaganfieoi/^iale «erden miteinander verglichen.

01· /Änderung des rolarisationozurtandee erfolgt Yorzujraneiae duroh ainde:iten· ein in den Weg mindestens eines der Teilbfladel aufc«noB»enes doppelbreohendes Elencnt, wobei gilt, dass der Blokenuntersohled swicohen den Lippenton im einen und denen la aoAeren Teilbündel η ~ betrfißt (n-0, 1, 2, 3 . . .)·

Zur fowShrlei«tune davon, dnae die au· der StrahluAp»

ORJG/NAL

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quelle auetretende Energie In bezug auf Greisee, Frequenafin und Polarisationssustände otabil iot, ist es erwünscht, da ca koino Rückkopplung der otrahlung zur quelle auftritt. Enzu «erden, in den FrII, wo die Teilböndel nach Reflexion zusammengefügt werden, die Aohoen der reflektiorenden Gegenstände gegenüber den /chsen der durch dec bündol-Bpnltende "JyEtora gebildeton i'eilbCndcl verschoben.

Jer Erfindung liegt die ürkenntnis zugrunde, daos

zwei orthogonal polarisierte Bündel mit zwei verschiedenen Frequenzen zu Signalen führen können, deren gegenoeitige Phase ein Naes fur die zu messende Verschiebung iot.

Ausführungsbeispiele der £rfi»tluug sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden naher erläutert. Es zri&en

Fi(j. 1 ein erstes Aucrührun{jebei8piel einer crfindungsgeranssen Vorrichtung,

Fii,-. 2 ein zweites Auuführun^sbeiepiel der Erfindung, Fig. 1 aei^t einen Maser 1, beispielsweise einen

Hclium-lleon-Laser, der bei einer Wellenlange von 1,1';3/ua arbeitet. Der Maser (oder Laser) ist auf bekannte .olsu derart eingerichtet, dass er in nur einer lonfritudinalen Art echwin/rt. Utn den !..asor 1

herum ist eine «!agnetepule angeordnet. Der bpulenstroin erzeugt ein Magnetfeld ii, das bewirkt, daes die Masurt^hwiugung in znei entgegen·* geeetst kreiifurmig polarieierte Schwingungen Bit untereinander verschiedenen Frequenzen gespaltet wird, ΰβτ Frequenzunterschied, der beispielsweiee 0,2 HIIz betrügt* ist gegenüber der Naserfrequenz selber sehr klein. Sie aus den laser herauotrctende strahlung zweier Frequenzen fSllt auf eine 1/4 ^--Platte 5, dor«n Hauptriohtungen einen Winkel von 45* Bit der Zeiohenebene einsohllessen· Dies hat zur Folge, dass aus der Platte 5 ein Bündel 4 der einen Kreisfrequenz (1J₂)*

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deoflon Polarisationsriohtung parallel zur Zeichenebene verlfiuft, und ein Bündel 5 dor anderen Kreiefrequenz ("O, dessen Iolarisntionsriohtung senkrecht auf der Zeichenebene steht, auetritt.

Die Bündel 4 und 5 troffen auf ein polarisations« selektive· Teilprisita .2, das aus zwei Teilen 6 und 7 besteht, deren Trennflfiche 8 mit vorspiegelten :-ohiohter. einen abweoheelnd hohen und niedrigen Brechungsindex·· versehen ist« Die Bündel treffen unter dsm Brawsterwinkel derart auf dies· FlKche 8, dass duroh sine geeignete ahl der Sohichtdioke eraielt werden kann, doso im angewandten

das Bündel 4 durchgelassen wird, während dagegen

das Bündel 5 nahezu vSllig reflektiert wird. Jedes dieser Teilbündel geht durch eine -r -Platte 9 bzw. 10 in Diagonalla^e, d.h. die

Hauptachsen der Platten sohlisssen wieder einen ..inkel von 45° Bit der Zslohsnsbene ein. DIs Teilbündel treffen ouf retrodirektivc EIeiacnte, die bsiepielswelse aus siner Linac 11 b'jvr. 12 bestehen, in deren Brennfläche ein ebener oder hohler .'pie/jel 13 bzn. 14 angeordnet iut. Das durch den S· lege1 15 bzw» 14 reflektierte Bündel, das genau parallel sub hingehenden Bündel verläuft aber dienen gegenüber versoboben ist, geht wieder dnrob die 1/4Λ-1 latte 9 bzw. 10, wobei die Polarisationsebene des rfiokgehenden Bündele gegenüber dcti hingehenden Bdndol« üb 90* gedreht ist. _%

Cn· an &*x Tffennfliohe 8 nicht-refltktierte Bündel 4 wird duroh das retrodirektive Rlenent 12, 14 reflektiert und kehrt danaoh alt einer um 90* gedrehten Polarisation zurück* Das rück· kehrende Bündel 15 »I'd nun an dor Vrennfleiche β uohl reflektiert und zwar als ein ütlndel 25 nit einer senhrocht auf dor Seiahsaebene stehenden I'olbrigationnriolitung. I)At an der TjdonnflScIie 0 reflektierte Bündel 5 -nird bsi retrodiTektiveii i-.lewer.t 11* 13 reflektiert und kehrt mit

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einer um 90° gedrehten Polarieationsriohtunft aurücfc und zwar als «in Bündel 16 mit der per&llel aur üeiohenebono verlaufenden Polarisations richtung.

λπ der Trennfllohe 0 wird das Bündel 16 nioht reflektiert. Sa« durohgelassene Bündel 26 hat neon «ie vor ein· pam1IeI zur Zeinhenebene verlaufende Polarisationsrlehtung. Ui« Teiltänd«! 25 und 26 sehen duroh einen Polarifator 17 in Diagonallaffe, vonaofe oie ein strahlungsempfindlich«* Klemcnt 18 treffen· Weil die Bfindti 25 und 26 ebenso wie die Bündel 4 und 5 eine Strahlung «it s«ti ve*· aohiedenen Prequensen (^ω ₂ ^ttnd ^^ ^aind» ^{wird &E>} »tr*hlunt»«»»pfin4-lichen Element 16 ein Signal erzeugt »erden, dessen !"requena der Differenzfrequens dieser anei BQndel entspricht. Die I'haee des Signals mit dieser Differenzfrequens ist ein Mass für die Differen» "bei der durchlaufenen optischen Wege, eo daee dadurch ein Haas für die deo verschiebbaren retrodirektiven ^lementoo 12, 14 erhalten wird« Kine Verschiebung des retrodirektiven Eleaentes 12, 14 führt au einer i'hasenitnderung des dae strahlun^sempfindliohe Element 18 treffenden Bündele und Bor.it au einer nen^erunc der Phase des durch das Klenent 10 erzeugten uchaelepannun^saignalG. jiece Phaoe r>ird mit dir ein·· Ii e nera 8trahlunc»eBpfindlichen Clement 20 erzeugten eohselspannunft· eißimlo verglichen ι auf «clchee etrahluiifjacmpfindliche iülenent 20 über den Polarisator 19 ein duroh den Teilspicgcl 22 abßoopalteter "Teil des aur: de:: llceer 1 auotretenden Bündele auf trifft· Duroh den Polarisator 19 «erden die zwei entgegengesetzt zirkulär polarisierten, duroh den Tcilspiegel 22 abgespalteten Dunücl in linear polarisiert· xühdel uragonumlelt, «oneoh aie im str&hlun^eeapfindliehen Element vdoder Y/coheclapannun^en erseußen, deren Frequenz der Different der Prftquonztn der beiden in !!aeur 1 erzeugtftn Sohwingungen entspricht»

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Me Aue£ttncBei£.Ttale des ntrahlunfreemi-fii.tjliehen Elementen 20 kennen cla Referenz für die .Auegangauißnale des strahlunceenpfindliohftn Elenentcs Ki dienen. Diese Gchwinfjun^en worden beispielsweise oiner lhaeenvertileichsotufe oder eiüer Iinpuloziihlvorrichtunn 21 zujefuhrt, die auf die f.'ulldurch£En#c der Liicntile tin den hVLccancer, der etrahlun.'reenpfindlioheii Elenente 10 und 20 in entgegen/resets tem Sinne reagiert* Die Phase der Bezu£eaohwini*ur.g an Ausgang dee strahlunrteenpfindliohen Elementes 20 liest sich gewihiochtenfalls noch duroh Drehung des Polarisator 19 einetellen. Yorzuf-snciec verlauft die Durohlaesrichtung des Polariaators parallel zur liauptrichtunf; dta Spiegels 22· iiine derartig· Kinatellung kann beiepieleweie· für »iegeliweoke nStzlioh »ein.

Wtnn die Trennfl&che Q nioht ideal iet, iat ea vorteilhaft, «wischen de« Teilprisaa 2 und der üJtrahlungtquell« 1 eine blende $0 anzuordnen, veloh· dit an der Trennfliche θ reflektierte, tob Element 11, 15 herrührende Eeet»trahlung biw. die von hlement 12,

H herr&hrende durchgehende Reststrahlung

In eine» Auefflhrungebeicpiel einer Vorriohtunp nacr Fi_c;. 1 liess aich eine Tereobiebung von vielen Metern, bei digitaler !eeaungi in Stufen von 1/4 λ - 0,3/«« meeoen.

In der Vorrichtung nach Fig. 2 «erden auf dieselbe

Weise wie In der naoh Fig. 1 einem Laser 31 *«el entgegengeeetit six* kular polarisierte üohwingungen mit untereinander unterschiedlicher Vrequenx entnoaaen· Diese Sohwingungon gehen duroh eine 1/4 ^»Platte > 33, deren Hauptrichtungen einen Winkel von 45* »it der Zeichenebene

· Aus der Platte 33 tritt ein ßünJel 34 der einen Kreisz ( Ug) dessen Polarieationarichtunr parallel zur Zeiohenebene verlSuft, und ^in Bündel 55 der anderen Krelofro^uenz (^₁)* dessen

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Polarisationεrichtung senkrecht auf dor Zelchenebeno steht.

Die Bündel 34 und 35"treffen auf ein nuheau iaotropea aus zwei Teilen 65 vind 66 aufgebautes Toilprieiaa 32. An der Trennflaohe 36 der Teile 65 und 66 wird ein Teil Jedes der Böudel und 35 reflektiert und ein Teil jedes der Bündel durohgolaesnn. DIt durohββlaββenen Teilbündel 37 und 30 treffen Sber βinο «--Platte 4° auf das retrodirektive Element 41» 42· Sie aurflokfeehrenden Bündel gehen «leder durch die 7 - Platte 40. ΐ)1β Polarisationaibene det Bündele 37 bit. 38 ait der Kreisfrequenz W₂ bit», tJ^ hat eich, nachdem dieses Bündel sweinal duroh die blatte, 40 gegangen lit, u* 90· gedreht« Denn, die Hauptaoheen der Platte 40 eohlieeeen «leder einen winkel von 45* alt dtr Zeiohtaebene ein. ·

Sie »urflckkeiirejaden Bändel 45 ("it 4er Kreiefrequen» ^₂) und 44 (mit der Kreiefrequen* "^) treffen dam auf da· ieotrop* Teilpriiea 32· Aa der Trennfll«be 56 wird ein !Teil dleeer Bündel reflektiert, mnd ammr «1« die Bftndel 45* (»it der KreUfrequen* ^) und 46 (»it der Krelefrequens *^). Bei der Reflexion an der Trenn- _n fluche 36 Ändert sieb die I'olnrlMtionariohtuntf des darauf treffenden jKi'ndele nicht, oder nahem nieht, d.h. die Poloriefttloneriohtun^ de· üündel« 45 nteht eenkreoht auf der Zeiohencbene, die dea Büiidele 46 verlauft parallel zur Zeiohenebene·

Bar an der Trennflffohs 36 reflektierte Teil der BCn* del 34 und 35 trifft naoh !inflexion arc retrod!rektivrn Bieirent 5S 32 wieder auf das isotrop« Tellpriema 32. üie batreffenden TeilbCndel 53 (mit einer Kreiefrequenz M₁.) und 54 (nit elnor Kreiefr«quens (^L) yeicen dieselbe Pclarioationeriohtung auf wie die Bündel 34 und 55* Diene Teilbündel 53 und 54 werden an der Tr*nnfllohe ?6 teilweise dur enge la ac cn und teilvreiue reflektiert. SIo durch^ela.iQenen Bündel

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55 (oit einer Kroiefrequenz ^₁) und 56 (mit einer Xreiofrequena *j «) treffen zueamen mit den reflektierten bündeln 45 und 46 auf da· polu'rioationsaeloktive Teilprisna 6ü, Die Bündel treffen unter de» l're.voterwinkel auf die Trennflfiche 61 dea aus zwei Toileu 07 und üö aul'sobauten Tcilprisnae 60. Die TrennflSchc 61 int derart zucauuen-{jeetellt, dass die Teilbündel 46 und 56» deren Polarisationsebene parallel zur l^eichenebcne verlEuft, duroh,-jeIu00en «erden und auf das atrahlunßsenpfindliche Kienent 62 treffen, während die Teilbündel 45 und 55» üercn Polarisationseben· ecnkrceht auf der Zeichenebene steht_f reflektiert uerdon und auf das ■trahlunjoentpfindliche Element 63 treffen.

Die /.nplitude dee Bündele 40 enthalt den Faktor

cin(i4.t - kz), wenn ζ die Verschiebung dea rctrodirektivon Llencnt·· 41, 42 lot. Die Amplitude deu Bündeln 56 enthalt den Faktor ein 1^₂ t. Das duroh das Element 62 erzeugte . tcheplepannungealgnal enthalt eonit den Faktor ein I (i^^-kzj- ^₂* J» ^{aleo den ίΙη1<:}*^{0Γ flin} I ( ^u\" ^2^*

Die Amplitude dee Bündels 45 enthilt den Ki 1:tor

uin (w₂*-^kai» ^{flie dee} Bündele 55 den l'aktur sir. W^t. Das durch den Jotcktor 63 erzeugte i.echaelopannungcaiifnal tnthält sonit den Faktor einigt - ( n>₂t-kz)J uloo den Foktor oin T(^₁- *^)t ♦ ^aJ.

Die Empfindlichkeit für den zu neseenden Venunterschied in der Vorrichtung nach Fi*;· 2 lot dao Doppelte dar Empfindlichkeit der Vorrichtung naoh Fig* 1. Denn» das iJißnal aus d·» ;or 20 »nth2lt den Faktor ein (***<- ^₂^^{fc nn(i dao aua dfa} den Faktor tin J(^₁ "^2^ " ^k0 * ^!ii* ⁰^⁰⁰⁷⁰¹¹ ort«m in der V**· rlohtun^ nach Fi^. 1 voruriachen V«rfohiebunc«n den Gef«nitand·· einen Abetand feinen liihlimpuls in der Z&hlvorriahtung L'1, in dey

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Vorrichtung nac'.. Fig. 2, verursachen Verschiebungen fiber einen Ab* stand — bereite einen Zanliepule in der Zählvorrichtung 64.

Ebenso wie in der Vorrichtung nach Pig· 1 eind in der Vorrichtung nach Fig· 2 Ήςάοηββη der retrodirektiven Elemente gegenüber denen der darauf treffenden Bßndel verschoben. Insbesondere iet diese Verschiebung notwendig .in der Vorrichtung i:aoh Fig. 2, «eil daa Teilpriema 32 isotrop oder nahezu isotrop 1st· Zur Vermeidung von Kfiokkopplung der reflektierten Bündel zur Laserquell· 31 i*t »wieohen dem ileuent 32 und der Quelle 3I die Blende $0 angeordnet, die das an der frennflSche 36 durofagehende tob Eleaent 4^> 42 herröhrende ba», das reflektierte, voa Clement 51, 52 herrftbrende Biniel abfangt. Sieee Bündel kSnnen aber auoh dazu dienen» Äie wie in 62 und 63 erzeugten signale (aber in die«en Falle üb 180* phase*?·*·» eoboben) abermals zu liefern·

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Claims (1)

1. - 11 - ΠΙ...2499 _Λ

   'ΒΡΗ UgCHE»

   1. Vorrichtung zum Meaeen dor Aer.derunj? einer optisohen

   We&lange nit Hilfe einen Interferometers, bei der ein durch eint Strab· lun^squelle erseugtes elektronngnetlaohes Strahlbündel nit Hilfe von optioohen Mitteln in svti rfiunlioh getrennte 7ellb&mlel geapaltet wird, die «leder sustuaaenffefSgt «erden und auf eiii*n 3trahlunf3ennflndllchen, ein AuegangSBignal liefernden Petektor fallen, dadurch Cekennzeiohnet, dass die Otrehlungequell'» zwei iieganeinander verschieden polarisiert« !coherent· Bündel alt vereohleAener Frequenz liefertt und von wenigstene einen der ^ellbHrdel der Polcrieatlonezu3tand der b't rah lung, dia auf die "vilbdn'lel «leder sus.-vunenfiigenee optische Mittel fHllt, duroh dlt Aufnahme von phasenanieotropen Sl«- ■cntea in 4a· betreffende TeileÄndel gegenüber de« Polarioetioneee· stand dsr utrahluag, die ans den das Bündel spaltenden optieohen

   UitteLn tritt, orthogonal let.

   »
   2t Vorriolituut: nach Anopruoli 1, dadurch gekcnns»iohnet»

   daas in den Strahluncewec »wiaoher. der Strahlungsquelle und den -petektor ein polarieationcenpfindlichec bCUidelopaltendes Syeten auf·· genoaaen 1st·

   5. Vorricht-inj nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Mittel ein polariaationoempfindliahee bibidelepalter.dee Sys tea oiiiJ und dar Auuganf^»JU?nal dos etrahluit^te»pfit:clliehen Detektors mit ein«« durch ein von Str.".hlun«cibfindel ab» ^cepaltoteo, auf «inen zweiten strahlunpreeatpflndlloh^n Dctpktor fei« londeo Jffndel cx3au_f;ten üicnnl verfflicher wird.

   '. Vorrichtung ntoh 4n*pruoh 1 oder 2, daduroh gekenn*

   zeichnet, daea die optiiohen Mittel ein isotropes oder nahem Iso· tropee bilndelapalttndee öyctcti sind und in dt« Strahlun.joweiT dem leotropen Sy*tera und den etrnhlunceempfindliohen Detektor ein

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   bad

   iM9^f; '

   polariaationaeapflndlicheo bündelspaltendee Syetett angeordnet iet, da· «inen Teil der Strahlung auf β In eh zweiten strahlungsempfindlich·*! L'etektor richtet, und die durch die auf die Detektoren fallenden, untereinander orthogonal polarisierten Bündel erzeugten Ausgangs* signale miteinander verglichen werden.

   5» Vorrichtung nach eineu der vorstehenden Anuprüciie,

   dadurch gekennzeichnet, daeo die /tenderuug de· Polarioationezuetand·· duroh ainileaten· ο in in den Weg mindesten· einee der Teilbündel auf» genosaienea doppelbfechendee Jüleiaunt erfolgt, wobei yilt, dato der Diokenuntereohied swieohen den Elementen im einen und denen in anderen

   Teilbüüdel n~ betra£ft (n - 0, 1, 2, J, . . .). 4

   C» Vorrichtung licch einem der roratehenden Ansprüche,

   bei der die Teilbiuidel nach Reflexion auaa«ien/iefüct «erden, duduroh (^ckemtzeiclmct, daso die Achoen der reflektierenden Ge^enotande gegenüber den Achsen der durch daa bündelopaltendc System gebildeten Teilbündel vereohoben sind.

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