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Vorrichtung zur Verstärkung elektromagnetischer Strahlen Die Erfindung
bezieht sioh auf Vorrichtungen zur Verstärkung elektromagnetischer Strahlen in einem
Laser.
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Laserstrahlen werden dadurch erzeugt, daß in einem geeigneten Material
durch Einleitung von Pumpenergie physikalische Reaktionen hervorgerufen werden,
durch die Energie in einem metastabilen Zustand gespeichert wird. Diese Energie
wird in Form von scharf gebtindelten elektromagnetischen Wellen mit Wellenlängen
in der Größenordnung des sichtbaren Lichts dann abgestrahlt, wenn eine entsprechende
Strahlung das Material durchdringt, wobei der durch die Pumpenergie angeregte, energiereichere
metastabile Zustand durch stimulierte Emission in den Grundzustand übergeht. Diese
emittierte Strahlung ist in Frequenz, Phase und Richtung gleich mit der anregenden
Strahlung.
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Ein Teil und der Rest der gespeicherten Energie werden durch spontane
Emission räumlich isotrop abgestrahlt und sind damit verloren.
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Ein Laser arbeitet also praktisch als elektromagnetischör Verstärker
im
betreffenden Wellenlängen-Bereich, solange eine Inversion aufrecht erhalten werden
kann, d.h. solange sich eine gröBere Anzahl von Atomen im angeregten(metastabllen)
Zustand anstatt im Grundzustand befinden. Wegen der kurzen Lebensdauer (einige Millisekunden)
des angeregten metastabilen Zustands in Festkörpern, werden solche Laser vorzugsweise
pulsierend betrieben, d.h. es werden wiederholend kurzzeitig hohe Pumpenergien durch
Blitzlampen zugeführt. Die Zeitabstände entsprechentder Betriebsfrequenz des Lasers.
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Die Intensität I einer so verstärkten Strahlung nimmt in einem Laser
nach dI = k . I ' dx zu, wobei der Verstärkungskoeffizient k der zugeführten Energiedichte
Eein/V proportional ist. V bedeutet dabei das von der Pumpenergie bestrahlte Volumen
des Laserstabes. Nachdem die Strahlung den Laserstab durchquert hat, ist ihre Intensität
um den Faktor ekl angewachsen, wobei 1 die optische Weglänge des Strahls innerhalb
des von der Pumpenergie bestrahlten Laserstabes darstellt.
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Da die maximal zuführbare Energiedichte wegen einer begrenzten thermischen
Belastbarkeit des Laser-Materials und wegen Sättigung der angeregten Zustände beschränkt
ist, wird die Verstärkung um so größer, Je länger der Weg der Strahlen im Laser-Material
ist. Um eine bestimmte Verstärkung zu erreichen, kann also mit einer längeren optischen
Weglänge 1 di pro Puls zugeführte Energiedichte der Pumpenergle erniedrigt und dadurch
die Wiederholungrhäuiigkeit (= Betriebsfrequenz)
erhöht werden,
ohne daß die kritische thermische Belastbarkeit des Laserstahes überschritten wird
Um diesen Bedingungen entsprechend eine größere Verstärkung zu ermöglichen, ist
es bisher üblich, relativ lange Laser zu bauen, In einem solchen Laserstab wird
aber nur am Austrittsende ein beträchtlicher Teil der gespeicherten Energie ausgenutzt,
während am Eintrittsende (I und dI sehr klein!) fast die gesamte gespeicherte Energie
noch zur Verfügung steht bzw. verloren geht. Es ist also nachtellig, daß die im
Laser über dessen ganze Länge gleichmäßig gespeicherte Energie Uber die Länge ungleich
ausgenützt wird, weil das zu einem geringen Wirkungsgrad führt.
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Außerdem sind lange Laserstäbe mit guter optischer Qualität (ohne
Inhomogenitäten) sehr schwierig und daher teuer in der Herstellung, besonders wenn
ein großer Querschnitt des Laser-Stabes erforderlich ist, um Beschädigung des Laser-Materials
durch die zu Ubertragende Strahlungsleistung tu vermeiden.
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Aufgabe der brRlndung ist es, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine
bessere Ausnutzung der im Laser gespeicherten Energie gestattet, so daß in einem
Laser vorgegebener Länge vom Laserstrahl entweder mehr Energie als bisher aufgenommen
werden kann, oder PUr eine bestimmte Energieaufnahme ein Laser geringerer Länge
als bisher ausreicht, wodurch das Volumen und damit auch der Energiebedarf reduziert
wird.
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Zur Lösung der gestellten Aufgabe schlägt die Erfindung im
grundsEtzlichen
vor, die optische Weglänge des Laserstrahls im Laser zwangsweise zu erhöhen bzw.
die vom Laserstrahl im Laser zurückgelegte Strecke über die Länge des Lasers selbst
hinaus zu verlängern und dabei auch einen größeren Teil des Querschnitts des Lasers
als vom Laserstrahl durchsetzte Fläche zur Verfügung zu stellen, als bei den bekannten
Lösungen.
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Dieser Grundgedanke läßt sich unter Verwendung des weiteren Grundgedankens
verwlrklichen, daß Teile des Lasers als Reflexionsflächen für den Laserstrahl ausgebildet
sind, die es erlauben, den Laserstrahl mit Jeweils geringer Versetzung mehrmals
durch den Laser zu schicken oder den Laserstrahl in einer mehrfach gebrochenen und
damit verlängerten Linie durch den Laser zu schicken. Es kommt dabei darauf an,
den ein- und austretenden Strahl trotz mehrfachem Durchgang durch den Laserstab
räumlich zu trennen.
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Im Prinzip wird also dieselbe Volumen des Laserstabes möglichst oft
von dem Laserstrahl durchquert, damit ein möglichst großer Anteil der aufgewendeten
Pumpenergie durch stimulierte Emission freigesetzt wird.
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Bei Anwendung dieser Grundgedanken nach der Erfindung werden gegenüber
den bekannten Lösungen mehrere wesentliche Vorteile erzielt. Zunächst einmal IäBt
sich bei einem Laser vorgegebener Länge und Querschnitts bei gleicher im Laser bereitgestellter
Energie diese Energie besser ausnutzen als bei den bisher bekannten Lasern, bei
denen der Laserstrahl ohne Reflexion
den Laser geradlinig durchsetzt,
Die im Laser gespeicherte Energie wird dadurch also besser als bisher ausgenützt
und bei entsprechender Ausgestaitir kam die gespeicherte Energie fast vollständig
ausgenutzt werden.
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Außerdem ist eine relativ geringe Pumpenergie je dB Verstärkung erforderlich,
wodurch der Laserstab pro Puls thermisch wesentlich weniger belastet wird und dadurch
höhere Betriebsfrequenzen als bisher möglich sind. Geringere Pumpenergien bedeuten
aber auch eine längere Lebensdauer, sowohl für den Laserstab als auch für die zum
Aufladen des Laser gewöhnlich verwendeten Blitzlampen, als sie bisherige Laser haben.
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Trotz ungleicher Verstärkungsverteilung im Querschnitt des Lasers
wird eine gleichmäßigere Verstärkung @über den Querschnitt des Laserstrahls erreicht.
Dadurch wird auch der Laser gleichmäßiger belastet, so daß der Laser im geringeren
Maße als bisher der Gefahr der Zerstörung ausgesetzt ist.
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Für eine gemäß der Erfindung bevorzugte Lösung wird in weiterer Ausgestaltung
der Erfindung vorgeschlagen, daß der Laser im Querschnitt die Form eines Vielecks,
insbesondere eines gleichseitigen Dreiecks hat, dessen Seiten Reflexionsflächen
sind. Insbesondere bei einem Querschnitt des Laser in der Form eines gleichseitigen
Dreiecks kommen zu den vorgenannten Vorteilen noch die Vorteile einer günstigen
Bestrahlungsgeometrie, eines verlängerten Absorptionswegs der Pt:mpenergie im Laser
und der Möglichkeit einer günstigen Kühlung des Laser.
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Bei einem Querschnitt des Laser in Form eines gleichseitigen Sechsecks,
gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung, kommt man zu einem Strahlengang, bei
dem das Zentrum frei bleibt.
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Das erlaubt die zentrale Anordnung der Blitzlampe für die Lieferung
der Pumpenergie und damit deren größtmögliche Ausnützung, wenn außerdem der Laser
von einem Reflektor mit kreisförmigem Querschnitt umgeben ist. Die Pumpstrahlung
muß so zuerst das Lasermaterial durchqueren, bevor sie von dem zylindrischen Reflektor
zurückgeworfen und nochmals durch den Laserstab hindurchgeführt wird. Dies erlaubt
außerdem die Anordnung einer wirksamen Kühlung zwischen derO Außenfläche des Laserstabes
(sechseckig) und dem reflektierenden Mantel (kreisförmig), sowie zwischen der Innenfläche
des Laserstabes und der Blitzlampe. Damit selbständige Oszillationen in der Querschnittsebene
des Laserstabes vermieden werden, muß der Brechungsindex der Kühlflüssigkeit nF
dem Brechungsindex des Laserstabes nL angepaßt werden. Fr~den 3, 6, oder allgemein
m mal reflektierten Strahl darf. in der Querschnittsebene der kritische Winkel für
totale Reflexion nicht erreicht werden.
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Für einen m-eckigen Laserstab muß also die EbdiAgung erfüllt sein:
nL . sin (90 - ###) <nF <nL Durch die Vorwärts-Komponente des zu verstärkenden
Strahls wird dann erreicht, daß für den gewollten Strahlenverlauf der kritische
Winkel α für totale Reflexion erreicht, bzw.
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überschritten wird. (sin α # nF/nL).
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In der weiteren Ausgestaltung der Erfindung soll der Laser mit einem
Querschnitt in der Form eines Vieleckes Ein- und Austrittsfenster für den Laserstrahl
an verschiedenen Enden des Laser haben. Diese Lösung wird insbesondere dann angewendet,
wenn der Laserstrahl nur einmal durch den Laser geschickt werden soll und dabei
mehrfach reflektiert wird. Soll der Strahl mehrmals durch den Laser und dabei jeweils
mehrfach reflektiert werden, so wird eine Lösung vorgeschlagen, bei der Ein- und
Austrittsfenster am gleichen Ende des Laser angeordnet sind und das andere Ende
des Laser als ReflexionsflEche ausgebildet ist, die den vom Eintrittsfenster ankommenden
Strahl in Richtung auf das Austrittsfenster zurückschickt.
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Eine weitere gemäß der Erfindung bevorzugte Lösung ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Laserstrahl den Laser auf dessen ganzer Länge ungebrochen durchsetzt und
Teile beider Enden des Laser als ReflexionsrlAchen ausgebildet sind, die den Laserstrahl
zu mehrmaligem Durchsetzen des Laser in Jeweils einander entgegengesetzter Richtung
reflektieren, wobei Jeweils .zwei Strahlrichtungen einen spitzen Winkel einschließen.
Für diese Ausführungsform werden erfindungsgemäß besondere Maßnahmen vorgeschlagen,
um RUckkoppelungen an der Eintrittsseite zu vermeiden.
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Nach einer weiteren Lösung der Erfindung ist die emittierte Strahlung
in Frequenz, Phase und Richtung gleich der anregenden Strahlung.
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Nach einem weiteren GrundgedaSken der Erfindung kann die optische
Weglänge
für den Strahl sowohl bei bekannten - Lasern als auch bei erfindungsgemäß ausgestalteten
Lasern dadurch vervielfacht, insbesondere verdoppelt werden, daß man eine polarisierte
Anregungsstrahlung verwendet, die Polarisation des verstärkten Laserstrahls nach
dem ersten Austritt aus dem Laserstab um 90° dreht, vorzugsweise zur Verdoppelung
der Weglänge, und den Strahl auf dem gleichen Weg wieder durch den Laser zurücklaufen
läßt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch
dargestellt und zwar zeigen Fig. 1, 2, J ein erstes Ausführungsbeispiel in der-Stirn-und
Seitenansicht und im Querschnitt, Fig. 4 ein aus der Lösung nach Fig. 1, 2 und 3
entwickeltes zweitEs Ausführungsbeispiel in der Seitenansicht, Fig. 5 ein drittes
Ausführungsbeispiel der Erfindung im Querschnitt, Fig. 6 ein viertes Ausftthrungsbeispiel
in der Seitenansicht, Fig. 7 ein aus der Lösung nach Fig. 6 entwickeltes fünftes
Ausführungsbeispiel und Fig. 8, 9 mögliche Querschnittsformen der iiSungen nach
Fig. 6, 7, Fig. 10 ein sechstes Ausführungsbeispiel in einer weiter schematisierten
Darstellung.
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Bei dem Laser 1 handelt es sich um einen in seinem physikalaschen
Aufbau üblichen Laserstab, z*B. aus Rubin. Abweichend von der üblichen Form hat
der Laserstab bei der Lösung nach Fig. 1 Jedoch im Querschnitt die Form eines gleichsieitigen
Dreiecks. An einem Ende des Laserstabes ist das Eintrittsfenster 2, am entgegengesetzten
Ende das Austrittsfenster 3 angeordnet. Durch das Eintrittsfenster 2 gelangt der
Laserstrahl 4 mit einer in Längsrichtwig des Laserstabes gerichteten Komponente
auf die eine Seite des Laserstabes) wird dort in Richtung auf eine zweite Seitenfläche
des Laserstabes hin total reflektiert und gelangt so gemaß der Eintragung in Fig.
1> 2 zum Austrittsfenster 3, nachdem er die Energie aufgenommen hat, die vorher
als Pumpenergie inden Laserstab eingegeben worden ist.
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Diese Lösung Rann nach Fig. 4 in der Weise abgewandelt werden, daß
auf das Austrittsfenster 3 am einen und das Eintrittsfenster 2 am anderen Ende des
Laserstabes zu Gunsten einer Anordnung beider Fenster 2 und 3 am gleichen Ende des
Laserstabes verzichtet wird. Bei dieser Lösung wird die eine Stirnfläche 5 des Laserstabes
als zusätzliche Reflexionsfläche zur totalen Reflexion des ankommenden Strahles
ausgebildet, so daß der am als Reflexionsfläche 5 ausgebildeten Ende ankommende
Laserstrahl in Richtung auf das Ende mit den Fenstern 2, 3 zurückgeschickt wird,
um nach nochmaliger Reflexion an den Seitenflächen des Laserstabes aus dem Austrittsfenster
auszutreten.
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Bei der zuerst beschriebenen Lösung mit dem einfachen Durchgenug
durch
den dreieck-igan Laserstab ist eine dreifache 3ei nutzung desselben Volumens niöglich,
bei der weiteren mit doppeltem Durchgang durch Reflexion des Strahls an der Stirnfläche
5 ist eine sechsfache Benützung desselben Volumens möglich. Die numerische Verstärkung
kann also bis zur sechsten Potenz erhöht werden. Statt der Ausbildung der einen
Stirnfläche 5 des Laserstabes als Reflexionsfläche, kann an diesem Ende des Laserstabes
auch eine Reflexionsfläche außerhalb des Laserstabes angeordnet werden, und der
Laserstrahl zunächst zum Austritt und nach der Reflexion zum Wiedereintritt in den
Stab veranlaßt werden.
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In Fig. 3 ist, für diese Ausführungsform mit dreieckigem Laserquerschnltt,
eine Anordnung der Blitzlampen 6 für eine besonders günstige Bestrahlungsgeometrie
gezeigt. Dazu trägt auch der Reflektor 7 bei, der die ganze Anordnung umschließt.
Die entstehenden Zwischenräume 8 können gleichzeitig als Kühlwasserräume benützt
werden. Dadurch, daß auch ein Teil der Pumpstrahlung an den Seitenflächen des Laser
total reflektiert wird, (siehe eingezeichnete Linien 6a) ergibt sich für sie ein
verlängerter Absorptionsweg und damit eine besonders gute Ausnützung.
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Bei der Lösung nach Fig. 5 hat der Laserstab 1 sechseckigen Querschnitt.
Die eingezeichneten Begrenzungslinien 9 der durch ihre Skelettlinien gekennzeichneten
Strahlen 4 zeigen, daß im Inneren des Laserstabes ein Raum 10 bleibt, der von dem
Strahlenverlauf ausgespart wird. Dieser Raum dient der Aufnahme der Blitzlampe 6,
die mit Hilfe des den Laserstab umgebenden Reflektor 7 ihre Pumpenergie voll an
den Laserstab abgibt Die Zwischenräume 8 dienen wieder als Kühlwasserräume.
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In einer weiteren Ausführungsform bildet die Wand des Hohlraumes 10
gleichzeitig die Wand für die Blitzlampe, so daß dieser Hohlraum selbst zur Blitzlampe
wird.
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Bei der Lösung nach Fig. 6 wird ein zunächst divergierender Strahl
mehrere Male in demselben Laserstab verstärkt. Der Laserstab 1 hat bei dieser Lösung
einen kreisförmigen Querschnitt.
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Der Laserstrahl tritt in axialer Richtung durch eine Konkavlinse 11
im Spiegel 12 in den Stab ein, gelangt nach dem Austritt am anderen Ende des Laserstabes
auf den Gegenspiegel 13, dessen Zentrum 14 zur Vermeidung von Rückkoppelung mit
geringem Reflexionsvermögen ausgestattet 1st, um durch den Laserstab zurück, wieder
auf den Spiegel 12 zu gelangen, um zum erneuten Durchgang unter weiterer Querschnittsvergrößerung
am Gegensplegel 13 vorbel oder durch eine entsprechende ringförmige Durchtrittsöffnung
im Gegenspiegel 13 hindurch endgültig den Laser zu verlassen. Die Zahl der Durchgänge
kann im erforderlichen Umfang weiter vergrößert werden.
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Die Lösung nach Fig. 7 ist aus der Lösung nach Fig. 6 heraus entwickelt
worden mit dem Ziel, Ein- und Austritt des Laserstrahles am gleichen Ende des Laserstabes
zu haben. Die Zuführung des Laserstrahl es 4 erfolgt durch eine Linse Linse 16 und
über einen Ablenkspiegel 17 von der Seite her. Dem Ablenksplegel 17 ist die Blende
15 und der erste Umlenkspiegel 12 nachgeordnet. Im übrigen arbeitet diese Lösung
nach den gleichen Grundsätzen wie die Lösung nach Fig. 6. Gemäß den Qüerschnittdarstellungen
von Fig. 8, 9 sind dem Läserstab die Blitzlampen 6, der Reflektor 7 sowie der Kühlmittelra'um"8
zugeordnet.
Die Vergrößerung des Strahlquerschnittes mit zunehmender
optischer Weglänge und damit zunehmender Verstärkung ist erwunscht5 um reduzierte
Verstärkung durch Sättigung oder Beschädigung des Laserstabes durch zu hohe Energiedichte
zu vermeiden. Durch verschieden gewölbte Teilverspiegelungen kann die Geometrie
und die Anzahl der Reflexionen beliebig verändert und damit den verschiedenen Ansprüchen
und Bedingungen angepaßt werden.
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Auch die Enden des Laserstabes 1 selbst können, wie im Fall der Fig.
4 durch geeignete Formgebung und Verspiegelung den gleichen Zweck erfüllen wie die
getrennt angeordneten Spiegel 12 und 13., Um Rückkoppelung auf der Eintrittsseite
zwischen der eintretenden und einem Teil der verstärkten reflektierten Strahlung
zu vermeiden, muß das Zentrum 14 der Spiegel fläche 13 ein geringes Reflexionsvermögen
haben. Eine weitere Einschränkung der Rückkopplung kann durch Fokussierung des eintretenden
Strahles durch eine Blende 15 auf der Eintrittsseite erzielt werden.
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Die Anzahl der Durchgänge n bei den Lösungen nach Fig. 6s 7, hängt
von dem Verhältnis der nutzbaren zur verdeckten Fläche der beiden Spiegel 12, 13
ab, sowie von dem kleinstmöglichen Strahlquerschnitt auf der Eintrittsseite. Der
prozentuale Verlust an nutzbarer Querschnittsfläche ist proportional dem größten
Wert von (di/di+2)². Es ist daher zweckmäßlgJ diesen Wert für alle Reflexionen konstant
zu halten. Für diesen Fall ist dm/do = (di+2/dim/2. Für hohe Leistungsverstärkung
darf an keiner Stelle des Strahlenganges d4e kritische Energiedichte,
die
zur Selbstzerstörung des Laserstabes fuhren würde, erreicht oder gar überschritten
werden. In diesem Fall muß das Querschnittsverhältnis (dil/di)2 gleich oder größer
als die numerische Verstärkung für einen einfachen Durchgang sein, sobald die kritische
Energiedichte erreicht ist.
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Fig. 8 zeigt eine Schaltung verschiedener Elemente, die es ermöglichst,
den gleichen optischen Weg des Strahls innerhalb des gleichen Laserstabs zweimal
zu benützen. Der auslösende Strahl 4 wird in einem Polarisator 18 z.B. in vertikaler
Richtung orientiert. Er tritt durch den Laser 1 und wird verstärkt. Anschließend
tritt er durch einÄ/4-Blättchen 19, d.h. ein Blättchen, durch das die Polarisationsrichtung
geändert wird, und trifrt auf den Spiegel 20. Von dort reflektiert tritt er wieder
durch das Blättchen 19, durch dessen zweimaligen Durchtritt die Polarisation um
900 gedreht wurde. Der nun horizontal orientierte Strahl tritt in entgegengesetzter
Richtung wieder durch den Laser 1 und wird in dieser Ebene weiter verstärkt. Nach
dem Austritt aus dem Laser trifft er auf den für diese Orientierungsrichtung wirksamen
Analysator 21 und wird zur Seite abgestrahlt.
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Die genannten Beispiele sollen den Umfang des Patents nicht beschränken.