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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Laserstrahlformgebungssystem zum Formen eines Laserstrahls gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1 und insbesondere auf ein Laserstrahlformgebungssystem
zum Umwandeln eines Laserstrahls, der eine seitlich langgestreckte
Konfiguration hat, in eine mehr kreisförmige Konfiguration. Das Laserstrahlformgebungssystem
nach der Erfindung dient dazu, aber nicht ausschließlich, eine
Pumpquelle für
Festkörperlasersysteme
zu bilden, die auf einem weiten Gebiet von Anwendungsfällen benutzt
werden können,
zu denen wissenschaftliche Untersuchungen, maschinelle Bearbeitung
mittels Mikrolaser, die Plattenherstellung für die Druckindustrie und medizinische
Behandlungen gehören.
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Normalerweise wird gewünscht, daß eine Laserstrahlquelle
einen hochdichten Laserstrahl liefert, der leicht kollimiert werden
kann. Zu diesem Zweck wird verlangt, daß der Strahlquerschnitt so kreisförmig wie
möglich
und so klein wie möglich
ist. Wenn beispielsweise ein Laser unter Verwendung einer Hochleistungslaserdiode
als Laserquelle gepumpt wird, kann ein hoher Wirkungsgrad erzielt
werden, indem eine Endpumpkonfiguration benutzt wird, wobei aber
verlangt wird, daß der
Laserstrahl aus der Laserquelle in dem Lasermedium zu einem kreisförmigen Strahl
kollimiert wird, dessen Durchmesser in der Größenordnung von einigen hundert
Mikrometern liegt.
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Eine Hochleistungslaserquelle, die
solche Eigenschaften hat, steht jedoch nicht zu wirtschaftlichen
Bedingungen zur Verfügung.
Eine Vorrichtung in Form eines sogenannten Laserdiodenstabes kann eine
hohe Ausgangsleistung zu relativ niedrigen Kosten liefern, aber
der Laserstrahl, der von einem Laserdiodenstab erzeugt wird, ist üblicherweise
quer oder seitlich langgestreckt. In dem Fall eines Laserdiodenstabes
mit einer Nennausgangsleistung von 10 bis 20 Watt ist dessen Ausgangsfacette
in einer ersten Richtung ungefähr
10 mm breit und in einer zu der ersten Richtung rechtwinkeligen
zweiten Richtung ungefähr
einen Mikrometer breit. Außerdem
divergiert der von einem Laserdiodenstab emittierte Strahl sehr
schnell. Der Strahl kann ohne jede nennenswerte Schwierigkeit in
der zweiten Richtung auf einen Durchmesser von einigen zehn Mikrometern kollimiert
werden, aber er kann nicht auf mehr als etwa 3 mm im Durchmesser
in der ersten Richtung kollimiert werden, indem eine normale optische
Anordnung verwendet wird, bei welcher eine Kombination aus zylindrischen,
sphärischen
und asphärischen
Linsen verwendet wird.
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In der folgenden Beschreibung wird
der Einfachheit- halber angenommen, daß die Laserquelle eine horizontal
langgestreckte laseremittierende Facette hat. Mit anderen Worten,
die erste Richtung entspricht der horizontalen Richtung, und die
zweite Richtung entspricht der vertikalen Richtung. Aus den oben
dargelegten Gründen
ist es schwierig, einen Laserstrahl, der eine Ausgangsbreite von
ungefähr
10 mm hat, zu einem Strahl von weniger als 1 mm im Durchmesser zu
kollimieren. Deshalb führt
die Verwendung eines Laserdiodenstabes als Laserquelle zum Endpumpen
eines Festkörperlasers
unvermeidlich zu einem relativ schlechten Umwandlungs- oder Konversionswirkungsgrad.
Darüber
hinaus tendiert der resultierende Ausgangslaserstrahl eines Festkörperlasers
dazu, einen elliptischen Querschnitt zu haben, der in den meisten
Fällen
unerwünscht
ist.
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Aus der
DE 195 14 625 A1 ist eine
Anordnung zur Formung und Führung
eines Laserstrahls bekannt, die mit einer Strahlungstransformationsoptik
zur Erzeugung eines definierten Strahlungsfeldes mit reflektiven
Elementen ausgestattet ist. Die von mehreren, linear angeordneten
Strahlungsquellen ausgehende Strahlung wird auf ein optisches Element
gerichtet, das aus einzelnen reflektiven Elementen in Form eines
Treppenstufenspiegels aufgebaut ist. An den einzelnen Reflexionsflächen des
optischen Elementes werden die einzelnen Strahlen reflektiert, wobei
der Einstrahlwinkel auf die Reflexionsflächen und der seitliche Versatz
der einzelnen Reflexionsflächen
zueinander so abgestimmt sind, daß die reflektierten Strahlungsgruppen
treppenstufenartig zueinander versetzt sind. Diese bekannte Anordnung wandelt
also mittels eines treppenstufenartigen optischen Elementes einen
lateral langgestreckten Lichtstrahl in einen vertikal versetzten
Lichtstrahl um.
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Aus der
US 5 127 068 ist es bekannt, ein Bündel von
Lichtleitern zu benutzen, um Emissionen aus diskreten Emittern eines
Laserdiodenstabes zu führen
und sie auf ein Lasersystem zu bündeln.
Die Emissionen aus dem Laserdiodenstab können in einen relativ kleinen
und kreisförmigen
Strahl umgewandelt wer- den, der zum Endpumpen eines Lasersystems
geeignet ist. Bei diesem System kann, wenn ein Lichtleiterbündel in
Kombination mit einem Laserdiodenstab mit einem Durchmesser von
10 mm (bei einem Divergenzwinkel von 15 Grad) × 1 μm (bei einem Divergenzwinkel
von 50 Grad) benutzt wird, ein Laserstrahl in einem Bereich erzeugt
werden, der 600 μm
im Durchmesser beträgt,
bei einem Divergenzwinkel von 23 Grad (oder mit einer numerischen Apertur
von 0,2). Wenn dieser Laserstrahl durch eine asphärische Linse
mit einer numerischen Apertur von 0,2 kollimiert wird, wird er in
einen kreisförmigen Strahl
mit einem Durchmesser von 600 μm
umgewandelt. Das ist eine bedeutsame Verbesserung gegenüber der
herkömmlicheren
Anordnung, bei der allein auf optische Linsen zurückgegriffen
wird, die eine numerische Apertur von 0,2 haben, wodurch nur ein Laserstrahl
von ungefähr
6 mm Breite in der horizontalen Richtung erzielt werden kann.
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Wenn zwei Laserdiodenstäbe, die
jeweils eine Ausgangsleistung von 20 W und eine Wellenlänge von
808 nm haben, als eine Pumpquelle zum Endpumpen eines Nd:VVO4-Festkörperlasersystems, das
eine Schwingungswellenlänge
von 1064 nm hat, benutzt werden würden, würde der Umwandlungswirkungsgrad
ungefähr
50% betragen. Das Endpumpverfahren, bei dem ein Lichtleiterbündel benutzt wird,
verursacht jedoch beträchtliche
Kosten zum Herstellen des Lichtleiterbündels, und zwar insbesondere
deshalb, weil der Fabrikationsprozeß einen zeitraubenden und präzisen Montageprozeß verlangt.
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Ein weiteres mögliches Verfahren zum Verbessern
des Umwandlungswirkungsgrades, wenn ein Laserdiodenstab als eine
Pumpquelle benutzt wird, besteht darin, die Emissionen aus dem Laserdiodenstab
nur in der vertikalen Richtung zu kollimieren und das stabförmige Lasermedium
nur seitlich zu pumpen. Dieses Verfahren läßt sich relativ billig realisieren,
es führt
aber zur ineffektiven Absorption der Pumpenergie in dem Lasermedium,
und der resultierende Wirkungsgrad ist beträchtlich niedriger als derjenige,
der erzielt wird, wenn ein Lichtleiterbündel benutzt wird, und liegt üblicherweise
in dem Bereich von 20%.
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Wenn die Nennausgangsleistung des
Laserdiodenstabes beispielsweise 20 W beträgt, kostet die Anordnung, bei
der ein Lichtleiterbündel
zur Strahlformgebung benutzt wird, üblicherweise zweimal mehr als
die einfachere, aber weniger wirksame Seitenpumpanordnung.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung,
die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Laserstrahlformgebungssystem
zu schaffen, welches die Umwandlung eines seitlich stark langgestreckten
Laserstrahls in einen mehr kreisförmigen Laserstrahl auf sowohl
einfache als auch wirtschaftliche Art und Weise ermöglicht,
welches ferner eine Hochleistungslaserquelle zum Endpumpen eines
Lasersystems auf wirtschaftliche Weise bildet und welches den Pumpwirkungsgrad
eines Festkörperlasersystems
beträchtlich
verbessert.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein
Laserstrahlformgebungssystem gelöst,
bei dem die Strahlführungsteile
der strahlablenkenden Strahlführung
mehrere transparente Platten aufweisen, die jeweils eine Hauptoberfläche haben,
welche sich in einer Ebene erstreckt, die durch die zweite Richtung und
einen Strahlengang definiert ist, und planare Endoberflächen zum
Empfangen und Emittieren eines entsprechenden Strahlabschnitts,
wobei die Platten nahe beieinander längs der ersten Richtung angeordnet
sind und wobei die Endoberflächen
zum Empfangen und/oder Emittieren der Strahlabschnitte winkelversetzt
von jeder Platte zur anderen um die erste Richtung angeordnet sind,
und bei dem die Strahlführungsteile
der strahlbündelnden
Strahlführung
mehrere Platten aufweisen, die jeweils eine Hauptoberfläche haben,
welche sich in einer Ebene erstreckt, die durch die erste Richtung
und einen Strahlengang definiert ist, und planare Endoberflächen zum
Empfangen und Emittieren eines entsprechenden Strahlabschnitts,
wobei die Platten nahe beieinander längs der zweiten Richtung angeordnet sind
und wobei die Endoberflächen
zum Empfangen und/oder Emittieren der Strahlabschnitte winkelversetzt
von jeder Platte zur anderen um die zweite Richtung sind. Das vereinfacht
den Produktionsablauf, und zwar insbesondere dann, wenn die Platten identisch
geformt sind.
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Dem seitlich oder lateral langgestreckten
Laserstrahl kann somit die Form eines im wesentlichen kreisförmigen Strahls
gegeben werden, indem eine relativ billige Anordnung benutzt wird. Üblicherweise wird
ein Kollimator, der aus einer zylindrischen Linse besteht, in der
Nähe der
Laserquelle plaziert, um eine Komponente des Laserstrahls, der die
Laserquelle verläßt, in Bezug
auf die zweite Richtung zu kollimieren, bevor der Laserstrahl in
die strahlablenkende Strahlführung
eintritt. Ebenso wird ein Abbildungsobjektiv in der Nähe des Ausgangsendes
der strahlbündelnden
Strahlführung
plaziert, um die Strahlabschnitte, welche die strahlbündelnde
Strahlführung verlassen,
auf einen Brennpunkt zu bündeln.
Der Strahlquerschnitt kann durch ein Relaisobjektiv, das zwischen
dem Kollimator und der strahlablenkenden Strahlführung angeordnet ist, erweitert
werden. Das vereinfacht den Aufbau der Strahlführungen, weil das Relaisobjektiv
den Divergenzwinkel des Laserstrahls reduziert.
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Zum Verbessern des Transmissionswirkungsgrades
können
die Grenzflächen
zwischen benachbarten Platten mit einer reflektierenden Eigenschaft
ausgestattet werden, z.B. mit Hilfe eines Luftspalts oder eines
reflektierenden Überzugs.
Die Endoberflächen, über die
die Strahlabschnitte jede Platte betreten und verlassen, sollten
vorzugsweise mit einer Antireflexschicht überzogen sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigen:
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1(a) und 1(b) Diagramme einer ersten Ausführungsform
der Erfindung, die in Draufsicht bzw. in Seitenansicht gezeigt sind;
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2(a) bis 2(c) Diagramme, die die Querschnittsformen
des Laserstrahls in Ebenen A-A, B-B und C-C in 1(a) zeigen;
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3(a) und 3(b) in Draufsicht bzw. in
Seitenansicht ähnlich
wie die 1(a) und 1(b) eine zweite Ausführungsform
der Erfindung;
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4(a) und 4(b) in Draufsicht bzw. Seitenansicht ähnlich wie
die 1(a) und 1(b) eine dritte Ausführungsform
der Erfindung;
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5(a) und 5(b) in Draufsicht bzw. in
Seitenansicht ähnlich
wie die 1(a) und 1(b) eine vierte Ausführungsform
der Erfindung; und
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6 eine
Seitenansicht, die ein Lasersystem in Kombination mit dem Strahlformgebungssystem
nach der Erfindung zeigt.
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Die 1(a) und 1(b) zeigen eine erste Ausführungsform
der Erfindung, die einen Laserdiodenstab 1, einen Kollimator 2,
eine strahlablenkende Strahlführung 3,
eine strahlbündelnde
Strahlführung 4 und
ein Abbildungsobjektiv 5 aufweist. Der Laserdiodenstab 1 beinhaltet
eine große
Zahl von einzelnen lichtemittierenden Elementen, die längs einer
lateralen Länge
desselben angeordnet sind und dadurch eine lateral oder seitlich
langgestreckte emittierende Oberfläche bilden. Der Kollimator 2 besteht
aus einer Faserlinse oder einer zylindrischen Linse, die parallel mit
dem Laserdiodenstab 1 ausgerichtet ist. Der Kollimator 2 ist
unmittelbar über
der emittierenden Oberfläche des
Laserdiodenstabes 1 plaziert, so daß der Laserstrahl, der am Anfang
in einer vertikalen Ebene divergiert, in einen im wesentlichen parallelen
Strahl umgewandelt wird, in einer vertikalen Ebene betrachtet, der
jedoch seitlich langgestreckt ist.
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Der Strahl, der durch den Kollimator 2 hindurchgegangen
ist, wird auf die strahlablenkende Strahlführung 3 gerichtet,
die in dieser Ausführungsform
aus mehreren im wesentlichen identischen und vertikal angeordneten
transparenten Platten 3-1 bis 3-3 besteht, welche
aus Glas wie optischem Glas oder Quarzglas oder aus transparentem
Kristall hergestellt und übereinander
angeordnet sind. Die transparenten Platten 3-1 bis 3-3 haben
eine rechteckige Form, und die mittlere Platte 3-2 ist
so ausgerichtet, daß der
Lichtstrahl, welcher von dem Kollimator 2 emittiert wird,
die Platte 3-2 über
rechtwinkelig angeordnete planare Oberflächen derselben betritt und verläßt. Die übrigen Platten 3-1 und 3-3 sind über der mittleren
Platte 3-2 angeordnet und sind um eine Linie, die zu der
Hauptebene der Platten rechtwinkelig ist, in Bezug auf die mittlere
Platte in zwei entgegengesetzten Richtungen etwas gedreht.
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Die beiden Seiten (Hauptoberflächen) jeder Platte
sind zu einer äußerst planaren
Oberfläche
poliert, um jegliche unregelmäßigen Reflexionen
zu vermeiden, und sind von benachbarten Platten durch einen kleinen
Luftspalt getrennt, der größer als
die Wellenlänge
ist, so daß die
Strahlabschnitte auf diesen Oberflächen interne Totalreflexionen
erfahren. Alternativ kann wenigstens eine der beiden Seiten (Hauptoberflächen) mit
einer metallischen, dielektrischen oder anderweitig reflektierenden
Schicht überzogen
sein. Die Endoberflächen, über die
die Strahlabschnitte hindurchgehen, sind ebenfalls zu einer äußerst planaren
Oberfläche
poliert und sind erwünschtermaßen mit
einer Antireflexschicht überzogen,
um einen Transmissionsverlust der Strahlabschnitte aufgrund von
Reflexion, wenn sie über
diese Oberflächen
hinweggehen, zu minimieren. Bei der vorliegenden Ausführungsform
sind nur drei Platten dargestellt, üblicherweise ist aber eine
größere Zahl von
diesen Platten vorgesehen. In diesem Fall nimmt, wie leicht vorstellbar
ist, der Drehwinkel jeder Platte fortschreitend zu, wenn der Abstand
von der mittleren Platte zunimmt.
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Somit tritt der seitlich langgestreckte
Lichtstrahl, der von dem Kollimator 2 emittiert wird (welcher
so wie in 2(a) dargestellt
ausgebildet ist), in die strahlablenkende Strahlführung 3 ein
und wird in eine Anzahl von diskreten Strahlabschnitten aufgeteilt,
welche einzeln durch die entsprechenden Platten 3-1 bis 3-3 geführt werden.
Die Endoberflächen dieser
Platten, über
die die Strahlabschnitte hindurchgehen, sind zu planaren Oberflächen poliert, um
so jegliche unregelmäßigen Reflexionen
zu vermeiden. Der mittlere Strahlabschnitt bewegt sich auf einem
im wesentlichen geraden Weg, weil der Strahlabschnitt die mittlere
Platte 3-2 rechtwinkelig zu den entsprechenden Endoberflächen der
Platte betritt und verläßt. Andererseits
betritt und verläßt jeder
der übrigen
Strahlabschnitte die entsprechende Platte 3-1 oder 3-2 unter
einem schiefen Winkel in bezug auf die entsprechenden Endoberflächen. Infolgedessen
werden diese Strahlabschnitte durch die entsprechenden Platten in
verschiedenem Grad oder Ausmaß abgelenkt
oder verschoben, was von den Drehwinkeln der Platten in bezug auf
die mittlere Platte abhängig
ist, wie es in 2(b) dargestellt
ist. Die Strahlabschnitte werden hier jeweils mit unterschiedlichem
Grad vertikal verschoben. Weil die Platten auf jeder Seite der Mittelplatte
um einen zunehmend größeren Winkel
gedreht sind, wenn der Abstand von der mittleren Platte zunimmt,
werden die Strahlabschnitte, die anfänglich längs einer horizontalen Linie in
Querschnitt ausgerichtet waren, derart abgelenkt, daß sie längs einer
schrägen
Linie im Querschnitt ausgerichtet sind, wie es in 2(b) dargestellt ist. Vorzugsweise gibt
es keine nennenswerte Überlappung
in der vertikalen Richtung zwischen den Strahlabschnitten, wenn
sie die strahlablenkende Strahlführung 3 verlassen.
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Die Strahlabschnitte, die durch die
strahlablenkende Strahlführung 3 hindurchgeleitet
werden, werden anschließend
in die strahlbündelnde
Strahlführung 4 geleitet,
die mehrere Platten
4-1 bis 4-3 aufweist, welche
aus Glas wie optischem Glas oder Quarzglas oder aus einem transparenten
Kristallmaterial hergestellt sind. Die Platten sind übereinander angeordnet
und von einer Platte zur anderen um einen gewissen Winkel gedreht.
Die Platten der strahlbündelnden
Strahlführung 4 sind,
kurz gesagt, ähnlich
wie die Platten der strahlablenkenden Strahlführung 3 angeordnet.
Die Hauptoberflächen
der Platten der strahlbündelnden
Strahlführung 4 sind
jedoch um 90 Grad um die optische axiale Linie gedreht, oder, mit
anderen Worten, sind in der horizontalen Richtung orientiert. Die
strahlbündelnde
Strahlführung 4 ist
der strahlablenkenden Strahlführung 3 derart
zugeordnet, daß die
Strahlabschnitte, die von der strahlablenkenden Strahlführung 3 emittiert
werden, jeweils in eine entsprechende Platte der strahlbündelnden
Strahlführung 4 eintreten.
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Die Strahlabschnitte verlassen daher
die strahlablenkende Strahlführung 3 in
unterschiedlichen vertikalen Positionen und treten in die entsprechenden
Platten 4-1 bis 4-3 der strahlbündelnden Strahlführung 4 ein.
Die Platten 4-1 bis 4-3 der strahlbündelnden
Strahlführung 4 verschieben
jeweils den Weg des entsprechenden Strahlabschnitts in der seitlichen
oder lateralen Richtung derart, daß die Strahlabschnitte die
strahlbündelnde
Strahlführung 4 im
wesentlichen ausgerichtet längs
einer vertikalen Linie verlassen, wie es in 2(c) dargestellt ist. In dem Fall der
strahlbündelnden
Strahlführung 4 ist
es, weil der vertikale Divergenzwinkel von jedem der Strahlabschnitte,
die durch die Platten der strahlbündelnden Strahlführung 4 hindurchgehen
und weniger wahrscheinlich auf die beiden Seiten (Hauptoberflächen) auftreffen
werden, relativ klein ist (< 0,5
Grad), nicht notwendigerweise erforderlich, daß diesen Oberflächen eine
reflektierende Eigenschaft gegeben wird, die durch das Vorsehen
eines Luftspalts zwischen benachbarten Platten oder durch reflektierende
Schichten, mit denen die Hauptoberflächen der Platten überzogen
werden, erzielt werden kann.
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Der Laserstrahl, der die strahlbündelnde Strahlführung 4 verläßt, wird
auf das Abbildungsobjektiv 5 gerichtet, das in der nächsten Stufe
vorgesehen ist. Das Abbildungsobjektiv 5 kann eine zylindrische
Linse 5a und eine asphärische
Linse 5b aufweisen, so daß der einfallende Laserstrahl
durch die zylindrische Linse 5a in einen parallelen Strahl
umgewandelt wird und durch die asphärische Linse 5b sowohl
in vertikaler als auch in horizontaler Richtung auf einen kleinen
Fleck auf einer Fokal- oder Brennpunktsebene F fokussiert wird.
Die zylindrische Linse 5 ist geeignet ausgebildet, so daß der Brennpunkt
der vertikalen Komponente des Laserstrahls und der Brennpunkt der
horizontalen Komponente des Laserstrahls in der gemeinsamen Fokalebene
F zusammenfallen.
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Die seitliche Abmessung des Laserstrahls, der
auf das Abbildungsobjektiv 5 fällt, ist zu der Anzahl der
Platten der Strahlführungen 3 und 4 umgekehrt
proportional und kann deshalb bei Bedarf reduziert werden. Die vertikale
Abmessung des Laserstrahls, der auf das Abbildungsobjektiv 5 trifft,
wird durch die Dicke der Platten der strahlablenkenden Strahlführung 3 diktiert
und kann deshalb nach Bedarf gesteuert werden, allerdings nicht
so frei wie die seitliche Abmessung des Laserstrahls, der auf das Abbildungsobjektiv 5 fällt. Weil
der Laserstrahl, wenn er den Kollimator 2 verläßt, in bezug
auf die vertikale Richtung relativ parallel ist und einen relativ
kleinen Divergenz-winkel hat, kann jedoch die vertikale Abmessung
des Laserstrahls, wenn er die strahlbündelnde Strahlführung verläßt, nicht
größer als
die horizontale Abmessung desselben gemacht werden. Durch geeignete
Auswahl der Anzahl der Platten der strahlablenkenden Strahlführung 3 und
der strahlbündelnden
Strahlführung 4 ist
es daher möglich, dem
Laserstrahl einen im wesentlichen kreisförmigen Querschnitt zu geben.
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Als Beispiel sei angenommen, daß die emittierende
Oberfläche
des Laserdiodenstabes 1 10 mm (horizontal) × 1 μm (vertikal) mißt und daß die Parallelität des Laserstrahls,
die durch den Kollimator 2 erzielt wird, in der Größenordnung
von 0,5 Grad in bezug auf die vertikale Richtung liegt. Dieser Grad
an Parallelität
kann leicht erzielt werden, indem ein handelsüblicher Kollimator verwendet
wird. In diesem Fall würde
die vertikale Abmessung des Laserstrahls, der die strahlbündelnde
Strahlführung 4 verläßt, ausreichend
klein gehalten werden, solange die Anzahl der Platten der strahlablenkenden
Strahlführung 3 nicht
mehr als 20 beträgt.
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Das ist mehr ins einzelne gehend
im folgenden beschrieben, wobei ein Beispiel genommen wird, bei
dem drei Platten jeweils in der strahlablenkenden Strahlführung 3 und
in der strahlbündelnden
Strahlführung 4 benutzt
werden. In Bezug auf die horizontale Richtung sind die äußeren Strahlabschnitte 4-1 und 4-3,
die durch die strahlablenkende Strahlführung 3 unterteilt
und vertikal verschoben werden, durch die entsprechenden Platten
der strahlbündelnden
Strahlführung 4 in
vertikale Ausrichtung mit dem mittleren Strahlabschnitt seitlich
verschoben, wenn sie schließlich
die Platten der strahlbündelnden Strahlführung 4 verlassen.
Deshalb wird die vertikale Abmessung des Laserstrahls so um den
Faktor drei reduziert, wenn er durch die strahlablenkende Strahlführung 3 und
durch die strahlbündelnde
Strahlführung 4 hindurchgeht.
Die vertikale Abmessung des Laserstrahls wird um den Faktor drei
vergrößert, sie erzeugt
aber kein nennenswertes Problem, weil die vertikale Komponente des
Laserstrahls mehr als 50-mal paralleler als die horizontale Komponente
ist und eine solche geringfügige
Differenz in der vertikalen Richtung angesichts der wesentlichen
Reduzierung in der horizontalen Abmessung des Laserstrahls, die
durch diese Anordnung erzielt wird, ziemlich unbedeutend ist.
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In der dargestellten Ausführungsform
waren die planaren Oberflächen
jeder Platte, durch die der Strahlabschnitt ein- und austritt, zueinander
parallel, sie können
aber irgendeinen Winkel miteinander bilden, solange das gewünschte Ausmaß an Strahlabschnittsablenkung
erzielt wird, was für
den Fachmann ohne weiteres klar sein dürfte. Außerdem nimmt der Drehwinkel
jeder Platte um die horizontale Linie in der dargestellten Ausführungsform
fortschreitend zu, was aber für
die Erfindung nicht wesentlich ist. Solange die Platten der strahlablenkenden
Strahlführung
3 um unterschiedliche Winkel gedreht sind, vorzugsweise in einem
gleichen Winkelintervall, ist die Reihenfolge, in welcher die Platten übereinander plaziert
werden, nicht von Bedeutung. Offenbar wird die Anordnung der Platten
der strahlbündelnden Strahlführung 4 durch
die Anordnung der Platten der strahlablenkenden Strahlführung 3 diktiert,
so daß die
Strahlabschnitte vertikal ausgerichtet sein können, wenn sie die strahlbündelnde
Strahlführung 4 verlassen.
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Die Ablenkung oder die Verschiebung
der Laserstrahlabschnitte wurde in der ersten Ausführungsform
durch Verwendung von Platten erzielt, die einen Brechungsindex haben,
der von der von Luft verschieden ist, und der Grad der Ablenkung
wurde durch den Neigungswinkel der Endoberflächen der Platten bestimmt,
durch die die Strahlabschnitte hindurchgehen, sowie durch den Brechungsindex
des Materials der Platten. Dasselbe Ziel kann erreicht werden durch Ändern der
Länge der
Platten. Durch geeignetes Ändern
der Länge
des Weges jedes Strahlabschnitts innerhalb der Platte ist es möglich, den
Grad der Ablenkung jedes Strahlabschnitts einzustellen, ohne den
Neigungswinkel der Endoberflächen
der Platten zu ändern.
Außerdem
ist es durch Ändern
des Brechungsindex des Materials der Platte von einer Platte zur
anderen möglich,
den Grad der Ablenkung jedes Strahlabschnitts einzustellen, ohne den
Neigungswinkel der Endoberflächen
der Platten oder die Länge
jeder Platte zu ändern.
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Die 3(a) und 3(b) zeigen eine zweite Ausführungsform
der Erfindung, bei der der Grad der Ablenkung eingestellt wird,
indem die Weglänge
jedes Lichtstrahls innerhalb der Platte geändert wird. In diesen Figuren
sind Teile, die denjenigen der vorherigen Ausführungsformen entsprechen, mit
gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
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Bei der zweiten Ausführungsform
weist die strahlablenkende Strahlführung 6 mehrere vertikal ausgerichtete
Platten 6-1 bis
6-3 auf, die jeweils die Form
eines Parallelepipeds haben, so daß die Strahlabschnitte die
entsprechenden Platten unter einem identischen Winkel von einer
Platte zur anderen betreten und verlassen. Lediglich die Länge des
Strahlenganges innerhalb der Platten ist von einer Platte zur anderen
unterschiedlich gemacht. Die beiden äußeren Platten 6-1 und 6-3 sind
um eine gleiche Länge kürzer bzw.
länger
als die mittlere Platte 6-2. Deshalb wird der seitlich
langgestreckte Laserstrahl, der in die strahlablenkende Strahlführung 6 eintritt,
in drei Strahlabschnitte unterteilt, die durch die drei vertikal ausgerichteten
Platten 6-1 bis 6-3 einzeln geführt werden
und die strahlablenkende Strahlführung 6 in unterschiedlichen
vertikalen Positionen verlassen.
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Die strahlbündelnde Strahlführung 7 der zweiten
Ausführungsform
gleicht im Aufbau ebenfalls der strahlablenkenden Strahlführung 6 derselben, nur
um 90 Grad um die optische axiale Linie gedreht. Die Strahlabschnitte,
welche in die einzelnen oder unterschiedlichen Platten der strahlbündelnden Strahlführung 7 eintraten,
werden in horizontaler Richtung derart abgelenkt, daß die Strahlabschnitte, die
die strahlbündelnde
Strahlführung 7 verlassen, längs einer
vertikalen Linie ausgerichtet sind.
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Somit ist es bei der zweiten Ausführungsform ebenfalls
durch geeignetes Ändern
der Anzahl der Platten jeweils in der strahlablenkenden Strahlführung 6 und
in der strahlbündelnden
Strahlführung 7 und
der Länge
jeder Platte 7-1 bis 7-3 möglich, den Laserstrahl, der
anfänglich
seitlich langgestreckt war, zu einem im wesentlichen kreisförmigen Strahl
zu formen, der für
ein günstiges
Fokussieren durch das Abbildungsobjektiv 5 geeigneter ist.
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Die 4(a) und 4(b) zeigen eine dritte Ausführungsform
der Erfindung, bei der der Grad der Ablenkung eingestellt wird,
indem der Brechungsindex jeder Platte geändert wird. In diesen Figuren
tragen die Teile, die denen der vorherigen Ausführungsformen entsprechen, gleiche
Bezugszahlen.
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In diesem Fall sind die strahlablenkende Strahlführung 8 und
die strahlbündelnde
Strahlführung 9 jeweils
aus mehreren identisch geformten und identisch ausgerichteten Platten 8-1 bis 8-3 bzw. 9-1 bis 9-3 gebildet,
wobei aber den Materialien für
die Platten fortschreitend zunehmende Brechungsindizes von einer
Platte zur nächsten
gegeben werden. In der dargestellten Ausführungsform ist jede Platte so
ausgerichtet, daß der
einfallende Strahl in die planare Endoberfläche jeder Platte unter einem
Winkel von 45 Grad gegen die zu der Endoberfläche rechtwinkelige Linie eintritt.
Die Platten sind identisch geformt und konform übereinander plaziert.
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Auch in dieser Ausführungsform
wird der Laserstrahl, der in die strahlablenkende Strahlführung 8 eingetreten
ist, in Strahlabschnitte aufgeteilt, die dann einzeln in den entsprechenden
Platten 8-1 bis 8-3 geführt werden und die entsprechenden
Platten in unterschiedlichen vertikalen Positionen verlassen, und
zwar wegen des Unterschieds im Brechungsindex von einer Platte zur
anderen. Die vertikalen Positionen dieser Strahlabschnitte, welche
die strahlablenkende Strahlführung 8 verlassen,
werden eingestellt, indem die Brechungsindizes des Materials der Platten
so ausgewählt
werden, daß es
keine wesentliche Überlappung
in der vertikalen Richtung zwischen den Strahlabschnitten gibt,
wenn diese die strahlablenkende Strahlführung 8 verlassen.
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Die strahlbündelnde Strahlführung 9 ist
auf ähnliche
Weise wie die strahlablenkende Strahlführung 8 aufgebaut,
wobei aber die Platten 9-1 bis 9-3 der strahlbündelnden
Strahlführung
9 um 90 Grad um die optische axiale Linie in bezug auf diejenigen
der strahlablenkenden Strahlführung 8 gedreht
sind. Die Brechungsindizes der Platten werden so gewählt, daß die Strahlabschnitte,
welche die strahlbündelnde Strahlführung 9 verlassen,
längs einer
vertikalen Linie im wesentlichen ausgerichtet sind.
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Die 5(a) und 5(b) zeigen eine vierte Ausführungsform
der Erfindung. Die Laserquelle 11 besteht in diesem Fall
aus einem Halbleiterlaser mit einer Dauerstrichleistung von 20 W,
der von SDL, Inc., San Jose, Kalifornien, unter der Modellbezeichnung SDL3470-S
vermarktet wird. Dieser Halbleiterlaser, der auch als Laserdiodenstab
bezeichnet wird, erzeugt einen Laserstrahl, der in der horizontalen
Richtung 10 mm breit ist und in der vertikalen Richtung 1 μm breit ist.
Der Divergenzwinkel dieses Laserstrahls beträgt 15 Grad in der horizontalen
Richtung und 50 Grad in der vertikalen Richtung. Die Wellenlänge des Lasers,
der von dieser Vorrichtung emittiert wird, beträgt 810 nm.
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Der Laserstrahl, der von dem Laserdiodenstab 11 emittiert
wird, wird in bezug auf die vertikale Lichtung kollimiert, indem
ein Kollimator 12 benutzt wird, der eine zylindrische Gradientenlinse
mit einem Durchmesser von 1 mm aufweist, welche von Doric Lenses,
Inc., USA, vermarktet wird. Der Laserstrahl, der den Kollimator 12 verläßt, hat
eine vertikale Abmessung von 0,5 mm und einen Divergenzwinkel von 0,4
Grad. Das System weist weiter ein Relaisobjektiv 13 auf,
das aus zwei konvexen Linsen besteht, die eine Brennweite von 60
mm und einen äußeren Durchmesser
von 40 mm haben, um ein telezentrisches optisches System zu bilden,
welches den kollimierten Strahl (10 mm × 0,5 mm) um den Faktor zwei (oder
zu einem Strahl von 20 mm × 1,0
mm) vergrößert, so
daß der
Divergenzwinkel auf 7,5° × 0,2° reduziert
wird.
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Das Vergrößern des Strahldurchmessers durch
Verwenden eines Relaisobjektivs bietet den Vorteil, die Verwendung
von relativ dicken Platten für die
strahlablenkende Strahlführung 14 und
für die strahlbündelnde
Strahlführung 15 zu
gestatten. Die Platten, die eine größere Dicke haben, sind in der Herstellung
relativ weniger teuer. Die Verwendung eines Relaisobjektivs ist
für die
Realisierung der Erfindung nicht wesentlich, ist unter praktischen
Gesichtspunkten aber zu bevorzugen.
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Die strahlablenkende Strahlführung 14 weist neun
rechteckige Quarzplatten 14-1 bis 14-9 auf, von denen
jede 50 mm × 50
mm × 2,3
mm mißt
und die übereinander
angeordnet sind, so daß sie
sich parallel zu einer Ebene erstrecken, die durch den Strahlengang
und die vertikale Richtung festgelegt ist. Die Platten sind jeweils
um eine horizontale Linie rechtwinkelig zu dem Strahlengang in bezug
auf die nächste
Platte auf ähnliche
Weise wie ein Kartenspiel, das in die Form eines Fächers verdreht
ist, gedreht. Die mittlere Platte 14-5 ist so ausgerichtet,
daß sich
ihre vordere und ihre hintere Endoberfläche rechtwinkelig zu dem einfallenden
Strahlabschnitt erstrecken, und die übrigen Platten sind auf beiden
Seiten derselben in unterschiedlichen Richtungen zunehmend gedreht.
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In dieser Ausführungsform sind die Platten 14-1 bis 14-9 so
angeordnet, daß die
vertikalen Positionen der benachbarten Strahlabschnitte, welche
die strahlablenkende Strahlführung 14 verlassen,
2,3 mm voneinander beabstandet sind. Durch diese Wahl ist es möglich, die
strahlbündelnde
Strahlführung 15 identisch
mit der strahlablenkenden Strahlführung 14 aufzubauen
und dadurch die Fertigungskosten zu senken. Gemäß der Erfindung kann jedoch die
strahlbündelnde
Strahlführung 15 eine
andere Anzahl von Platten als die strahlablenkende Strahlführung 14 aufweisen
oder kann Platten haben, deren Dicke von der der strahlablenkenden
Strahlführung 14 verschieden
ist.
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Die beiden Seiten jeder Platte 14-1 bis 14-9 sind
mit einem mehrschichtigen dielektrischen Reflexüberzug überzogen, der eine innere Totalreflexion für diejenigen
Strahlkomponenten gewährleistet,
die einen Einfallswinkel von 80 Grad oder mehr haben. Diese reflektierenden Überzüge dienen
lediglich zum Verbessern des Transmissionswirkungsgrades durch Reflektieren
eines kleinen Bruchteils der durch jede Platte geführten Strahlabschnitte,
der auf die Grenzfläche
auftreffen kann, und sind für
die Realisierung der Erfindung nicht wesentlich. Alternativ kann
ein Luftspalt in der Größenordnung
von 50 μm
zwischen jeweils zwei benachbarten Platten vorhanden sein, um so
eine optisch reflektierende Grenzfläche zwischen ihnen zu bilden.
Die Endoberflächen
jeder Platte sind mit einem Antireflexüberzug überzogen, um wiederum so den
Transmissionsverlust zu minimieren.
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Die strahlbündelnde Strahlführung 15 ist
im wesentlichen identisch mit der strahlablenkenden Strahlführung 14 aufgebaut,
ist aber um 90 Grad um die optische axiale Linie in bezug auf die
strahlablenkende Strahlführung 14 gedreht.
In diesem Fall war die Parallelität der Strahlabschnitte so gut,
daß es wenig
Bedarf an reflektierenden Oberflächen
zwischen den benachbarten Platten 15-1 bis 15-9 gibt. Der
Aufbau der strahlbündelnden
Strahlführung 15 kann
jedoch nach Bedarf auf verschiedenerlei Weise modifiziert werden,
solange die Strahlabschnitte, die in die strahlbündelnde Strahlführung 15 einfallen, durch
die Platten 15-1 bis 15-9 einzeln geführt werden
und längs
einer gemeinsamen vertikalen Linie gebündelt werden.
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Der Laserstrahl, der schließlich das
Strahlformgebungssystem dieser Ausführungsform verläßt, war
ungefähr
2,3 mm breit, bei einem Divergenzwinkel von 7,5 Grad in bezug auf
die horizontale Richtung, und war ungefähr 20,7 mm (2,3 mm × 9) breit,
bei einem Divergenzwinkel von 0,2 Grad in bezug auf die vertikale
Richtung. Nach den Gesetzen der Optik ist das Produkt aus einem
Durchmesser und einem Divergenzwinkel eines Strahls ungefähr umgekehrt
proportional zu der möglichen
Größe des Strahlflecks,
in welchem der Strahl gebündelt
werden kann. Das Strahlformgebungssystem nach der Erfindung kann
daher die horizontale Breite des Strahls ungefähr um den Faktor zehn reduzieren,
verglichen mit dem Fall, wo das Strahlformgebungssystem nicht benutzt
wird.
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Ein Abbildungsobjektiv 16,
das eine zylindrische konvexe Linse 16a und eine asphärische Linse 16b aufweist,
ist hinter der strahlbündelnden
Strahlführung 15 plaziert,
so daß der
Laserstrahl, der das Abbildungsobjektiv verläßt, in einem kleinsten Fleck sowohl
in bezug auf die horizontale Richtung als auch in bezug auf die
vertikale Richtung in einer gemeinsamen Brenn punktsebene konvergieren
kann. Die zylindrische Linse 16a hat in diesem Fall eine Größe von 30
mm × 300
mm und eine Brennweite von 200 mm, und die asphärische Linse 16b hat
eine Brennweite von 50 mm, so daß die numerische Apertur (NA)
ungefähr
0,29 in der horizontalen Richtung und 0,24 in der vertikalen Richtung
beträgt.
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Der Laserstrahl, der schließlich durch
das Abbildungsobjektiv 16 gebündelt wird, hatte eine Größe von 500 ×m (horizontal) × 400 μm (vertikal), gemessen
mit einem Strahlprofilierer, und das ist zum Pumpen eines Festkörperlasers äußerst geeignet.
Darüber
hinaus betrug der Transmissionswirkungsgrad des Strahlformgebungssystems
ungefähr 88%,
was eine bedeutsame Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik darstellt.
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Ein Festkörperlasersystem, bei dem das Laserformgebungssystem
benutzt wurde, das in 5 dargestellt
ist, war tatsächlich
so aufgebaut, wie es in 6 gezeigt
ist. Bei diesem Festkörperlasersystem
wird ein Nd:YVO4-Stab (der 3 mm × 3mm × 1 mm maß und eine Nd-Konzentration
von weniger als 1% hatte) als ein Lasermedium 18 benutzt.
Eine axiale Endoberfläche
dieses Stabes, die dem Abbildungsobjektiv 16 zugewandt
ist, war mit einer Schicht überzogen,
die Licht total reflektierte, das eine Wellenlänge von 1064 nm hatte, und
Licht total (100%) durchließ,
das eine Wellenlänge
von 810 nm hatte, und die andere axiale Endoberfläche war
mit einer Schicht überzogen,
die eine Reflexion von Licht verhindert, das eine Wellenlänge von
1064 nm hat. Ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge von 810 nm und mit einer
Abmessung von 500 μm
(horizontal) × 400 μm (vertikal),
der durch das Laserstrahlformgebungssystem erzielt wurde, wurde
als ein Pumplaserstrahl 19 auf das Lasermedium 18 gerichtet.
Der Ausgangsspiegel 29 bestand aus einem konkaven Spiegel,
der einen Krümmungsradius
von 1 mm hatte, und eine Resonatorlänge von 150 mm war zwischen
dem Ausgangsspiegel 29 und dem Lasermedium 18 vorhanden.
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Bei diesem Festkörperlasersystem betrug, wenn
die Pumpleistung des pumpenden Laserstrahls 19 für das Lasermedium
19 W betrug, die Ausgangsleistung des Ausgangslaserstrahls 21,
wenn dieser den Ausgangsspiegel verließ, 6 W bei der Wellenlänge von
1064 nm. Deshalb betrug der Umwandlungswirkungsgrad ungefähr 40%,
was mit dem Wirkungsgrad vergleichbar ist, der durch das Lichtleiterbündel erzielt
wird. Die Erfindung ist jedoch beträchtlich weniger teuer als das
System, bei dem von einem Lichtleiterbündel wie oben dargelegt Gebrauch
gemacht wird.
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Durch das Laserstrahlformgebungssystem nach
der Erfindung kann, wie oben beschrieben, ein Laserstrahl, der eine
seitlich langgestreckte Konfiguration hat, sowohl wirtschaftlich
als auch effizient zu einem mehr kreisförmigen Strahl geformt werden, der
einen relativ kleinen Divergenzwinkel aufweist. Deshalb bietet die
vorliegende Erfindung eine äußerst günstige Pumpquelle
für Festkörperlasersysteme.
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Die Strahlführung kann auf verschiedenerlei Weise
aufgebaut sein. Wenn mehrere identisch geformte Platten aus einem
identischen Material für
die Strahlführungen
benutzt werden, wie es bei der ersten und bei der vierten Ausführungsform
der Erfindung der Fall ist, können
die Strahlführungen
in Massenproduktion mit niedrigen Kosten hergestellt werden. Der
Grad oder das Ausmaß an
Ablenkung der Strahlabschnitte kann auch eingestellt werden, indem
die Länge
der Platten längs
des Strahlenganges geändert
wird, wie es bei der zweiten Ausführungsform der Fall ist, und
die Fertigungskosten sind in diesem Fall gleichermaßen gering.
Wenn die Brechungseigenschaft des Materials für jede Platte verändert wird,
wogegen die Formen der Platten im wesentlichen identisch gelassen
werden, wie es bei der dritten Ausführungsform der Fall ist, können die
Materialkosten etwas hoch sein, aber der Montageprozeß wird beträchtlich
vereinfacht, so daß die
Gesamtkosten nicht höher
als die der anderen Ausführungsformen
sein können.