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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein eindimensional selbstausrichtendes
retroreflektierendes optisches System zur Wellenlängenfilterung.
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Es
ist gut bekannt, dass die Ausrichtung der optischen Bestandteile
ausschlaggebend für
die Qualität
der Geräte
ist, welche diese Bestandteile beinhalten. Aus diesem Grund ist
eine Selbstausrichtung wünschenswert,
d. h. eine Anordnung, in der die Eigenschaften des ausgehenden Lichtflusses
wenig empfindlich in Bezug auf die Orientierung oder die Lage eines
oder mehrerer Bestandteile sind.
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Unter
den seit langer Zeit bekannten selbstausrichtenden retroreflektierenden
Systemen wird als Beispiel die in 1 dargestellte
Würfelecke genannt,
mit der ein Eingangsstrahl 1, 1' auf einem reflektierenden rechtwinkligen
Trieder 3 einen parallelen Ausgangsstrahl 2, 2' generiert,
unabhängig
von dem Eingangswinkel gegenüber
der Diagonale 5 des Würfels
und der Lage des Einfallspunktes 4.
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Ebenfalls
ist die als "Katzenauge" benannte Anordnung
bekannt, die aus einem zu der optischen Achse 9 konvergenten
optischen System 8 besteht, in dessen Brennfläche ein
Spiegel 10 angeordnet ist, welcher ungefähr rechtwinklig
zu der Achse 9 ist. Ein kollimierter Eingangsstrahl 11, 11' konvergiert
auf dem Spiegel 10, wird hier reflektiert und kehrt dann
in das optische System 8 zurück, das einen Ausgangsstrahl 12, 12' erzeugt, welcher
ebenfalls kollimiert und parallel zu 11, 11' ist. Ein solches
Katzenauge ist in 2 dargestellt.
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Diese
zwei oben beschriebenen Systeme bieten eine Selbstausrichtung des
Ausgangsstrahles 2, 2' und 12, 12' auf dem entsprechenden
Eingangsstrahl 1, 1' und 11, 11' in zwei Dimensionen
an, d. h. in allen parallelen Flächen
zu der Richtung der Eingangsstrahlen. In bestimmten Systemen wird
eine Selbstausrichtung in nur einer Dimension angestrebt, in diesem
Fall wird dann entweder ein Reflektorwinkel statt des Trieders in 1 verwendet
oder ein zylindrisches Katzenauge, d. h. eine zylindrische Linse oder
ein zylindrisches optisches System statt des sphärischen optischen Systems im
Fall von 2. Der Reflektorwinkel gewährleistet
die Selbstausrichtung in der zu seiner Kante rechtwinkligen Fläche, und
die zylindrische Linse in der Fläche,
welche rechtwinklig zu ihrer Erzeugenden liegt. In der parallelen
Ebene verhalten sich diese Systeme wie ein Spiegel.
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Weiterhin
sind optische Systeme bekannt, welche eine Wellenlängenfilterung
ausführen,
die in der Regel, so wie in 3 dargestellt,
aus einem Streusystem 14, angeordnet zwischen einem Eingangsschlitz 15 und
einem Ausgangsschlitz 16, bestehen und die einen Lichtfluss 17 mit
breitem Spektrum unter dem Einfallwinkel i empfangen. Der ausgehende
Lichtfluss 18 ist gestreckt, seine Richtung hängt von
der Wellenlänge
ab und nur der Strahl 19, ausgewählt von dem Ausgangsschlitz 16,
wird durch das System übertragen.
Es kann ebenfalls eine spektrale Filtrierung in zwei Stufen vorgenommen
werden, ein Zwischenschlitz 15', angeordnet zwischen zwei Gittern 14 und 14', die zu der
Begrenzung des übertragenen
Störlichtes
beitragen.
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Traditionell
wird als "Streuebene" die Ebene rechtwinkelig
zu den Linien des Gitters bezeichnet, die den zentralen Strahl des
Einfallsstrahles und die zentralen Strahlen des von dem Gitter zerstreuten Strahles
enthält.
Für jeden
Strahl wird als "Transversalebene" die Ebene rechtwinklig
zu dem zentralen Strahl bezeichnet, sowie als "Longitudinalebene" die Ebene rechtwinklig zu der Streuebene,
die den zentralen Strahl enthält.
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Aus
dem Stand der Technik ist eine Vorrichtung bekannt, dargestellt
in 4, bei der der orthogonale Reflektorwinkel 23 eine
Kante 23' parallel
zu der Streuebene hat, und diese Tatsache führt zu einem Verhalten wie ein
Spiegel in dieser letzten Ebene und zu einem selbstausrichtenden
Verhalten in der Longitudinalebene.
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Ein
selbstausrichtendes retroreflektierendes optisches System zur Wellenlängenfilterung
kann z. B. verwendet werden, um Wellenlängen auszufiltern, um den externen
Resonator eines in Wellenlänge einstellbaren
Lasers auszubilden oder um eine Wellenlänge auszuwählen. Diese letztgenannte Anwendung
ist sehr schematisch in 4 dargestellt. Das Gitter 20 empfängt einen
Lichtfluss, der aus einem ersten optischen monomodalen Wellenleiter
ausgeht. Das Gitter 20 beugt ihn gegen den Reflektorwinkel 23,
dessen Kante 23' parallel
zu der Streuebene des Gitters ist und dieser Reflektorwinkel sendet ihn
zurück.
Das Gitter 20 beugt ihn wieder, auf dem Rückweg, in
eine Richtung, die von seiner Wellenlänge abhängt. So wird nur der Lichtfluss
mit einer Wellenlänge,
die mit der Position des zweiten Wellenleiters 24 übereinstimmt,
in diesem gekoppelt. Diese Wellenleiter können insbesondere optische
Fasern sein.
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Es
wurde festgestellt, dass die Leistung dieses letztgenannten Systems
stark von der Präzision des
Reflektorwinkels abhängt.
Das Ziel dieser Erfindung ist ein selbstausrichtendes retroreflektierendes optisches
System, das eine gute Toleranz in Bezug zu den Eigenschaften seiner
Bestandteile, insbesondere zu dem Wert des Winkels des verwendeten
Reflektorwinkels, gestatten soll.
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Ziel
der Erfindung ist, eine Vorrichtung vorzuschlagen, die dieses Problem
unter Beibehaltung der Vorteile der bekannten selbstausrichtenden
Systeme lösen
soll, wobei der Reflektor ein Verhalten wie ein Spiegel in der Dimension
der Streuebene und ein selbstausrichtendes Verhalten in der Dimension
der Longitudinalebene aufweisen soll.
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Ein
anderes Ziel der Erfindung ist, die Erzeugung einer wellenlängenselektiven
Anordnung mit zwei Stufen zu ermöglichen,
in der die Einstellung der Position des Zwischenschlitzes erleichtert
werden soll.
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Zu
diesem Zweck betrifft die Erfindung ein eindimensional selbstausrichtendes
retroreflektierendes optisches System zur Wellenlängenfilterung, welches
aufweist:
- – wenigstens
einen Wellenleiter mit einer Innenseite in der Brennfläche einer
Kollimieroptik, welche einen kollimierten Hauptstrahl generiert,
- – ein
Diffraktionsgitter mit parallelen Linien, welches eine Streuung
im Winkel verursacht, in kollimierten Strahlen, und zwar die unterschiedlichen Wellenlängen des
Hauptstrahls in Richtungen parallel zur Streuebene, welche rechtwinklig
zu den Linien des Gitters ist,
- – ein
Reflektorsystem, welches eine Selbstausrichtung in der Longitudinalebene
senkrecht zur Streuebene verursacht.
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Gemäß der Erfindung
besteht der Reflektor aus einem sphärischen Objektiv und aus einem
eindimensional selbstausrichtenden Reflektorsystem, wobei die genannte,
Dimension parallel zur Streuebene des Gitters ist.
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In
verschiedenen Ausführungsformen
weist die Anordnung unterschiedliche spezifische Vorteile auf:
- – sie
weist eine einzige Faser auf, die einen eingehenden Lichtfluss emittiert
und den ausgehenden Lichtfluss sammelt;
- – sie
weist wenigstens zwei Fasern auf, wobei eine einen eingehenden Lichtfluss
emittiert und die andere einen ausgehenden Lichtfluss sammelt;
- – das
eindimensional selbstausrichtende Reflektorsystem ist ein Reflektorwinkel,
dessen Kante senkrecht zur Streuebene des Gitters ist und in der
Brennfläche
des Objektivs angeordnet ist;
- – der
Reflektorwinkel ist ein Prisma mit doppelter interner Totalreflexion;
- – der
Reflektorwinkel bildet einen Winkel von ungefähr 90°;
- – wenigstens
einer der beiden Spiegel des Reflektorwinkels weist verkleinerte
seitliche Dimensionen auf;
- – das
eindimensional selbstausrichtende Reflektorsystem besteht aus zwei
senkrecht auf unabhängigen
Halterungen angeordneten Spiegeln;
- – jeder
der Spiegel hat eine begrenzte Dimension;
- – die
Dimension der Wellenleitermoden ist vergrößert;
- – zwischen
der Kollimatoroptik und dem Gitter ist ein Polarisationsseparator
mit parallelen Ausgängen
angeordnet und der Mittelpunkt des Objektivs ist am Mittelpunkt
der Strecke zwischen den Ausgangsstrahlen dieses Separators angeordnet;
- – ein
Reflektorwinkel mit einer horizontaler Kante führt zu einem vierfachen Durchgang
durch das Gitter, wobei das Licht den selbstausrichtenden Retroreflektor
nach zweimaliger Durchquerung des Gitters erreicht.
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Die
Erfindung betrifft ebenfalls einen Monochromator:
- – In einer
ersten Ausführungsform
ist ein Wellenleiter passiv und bildet den Eingangsschlitz und den
Ausgangsschlitz des Monochromators.
- – In
einer zweiten Ausführungsform
bildet ein erster passiver Wellenleiter den Eingangsschlitz des Monochromators
und ein zweiter passiver Wellenleiter bildet dessen Ausgangsschlitz.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin einen Laser, beinhaltend ein solches
selbstausrichtendes reflektierendes System. In diesem Fall definiert
ein Wellenleiter einen Laser mit externem Resonator, welcher zwischen
seinem Außenendpunkt
und dem eindimensional selbstausrichtenden reflektierenden optischen
System in seiner Wellenlänge
einstellbar ist.
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Die
Erfindung wird im Detail mit Bezug auf die Figuren im Anhang beschrieben,
in denen:
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– 1 eine
Würfelecke
darstellt, welche eine zweidimensional selbstausrichtende Vorrichtung aus
dem Stand der Technik darstellt;
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– 2 ein
Katzenauge darstellt, welches ebenfalls eine zweidimensional selbstausrichtende Vorrichtung
aus dem Stand der Technik darstellt;
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– 3 eine
spektrale Filtervorrichtung aus dem Stand der Technik darstellt;
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– 4 eine
eindimensional selbstausrichtende spektrale Filtervorrichtung aus
dem Stand der Technik in einem Littman-Metcalf-System darstellt;
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– 5 eine
erste Ausführungsform
der Erfindung unter Verwendung eines Strahles in einem Littman-Metcalf-System
gemäß der Erfindung
darstellt;
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– 5A eine
spezielle Ausführungsform
eines Reflektors darstellt, der für die Anwendung der Erfindung
geeignet ist;
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– 6 ist
eine Streuvorrichtung aus dem Stand der Technik mit doppeltem Durchgang
durch das Gitter;
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– 7 ist
eine Streuvorrichtung nach der Erfindung mit doppeltem Durchgang
durch das Gitter;
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– 8 ist
eine Streuvorrichtung aus dem Stand der Technik mit vierfachem Durchgang
durch das Gitter.
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Das
selbstausrichtende retroreflektierende optische System zur Wellenlängenfilterung
gemäß der Erfindung
enthält
ein Gitter 101. Ein monomodaler Wellenleiter 103 emittiert
an seinem Endpunkt 102 einen Lichtfluss, der durch das
optische System 104 am Mittelpunkt 104' zu einem Hauptstrahl 105 kollimiert
wird. Das ebene Diffraktionsgitter 101 trägt parallele
Linien 106, die den gleichen Abstand haben und eine senkrechte
Ebene ungefähr
parallel zu dem Strahl 105 definieren, die als Streuebene
des Gitters 101 bezeichnet wird.
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Der
einfallende Hauptstrahl 105 wird von dem Gitter 101 in
der Streuebene abgelenkt und generiert abgelenkte Strahlen 108,
deren Richtung von der Wellenlänge
abhängt.
Diese Strahlen sind durch das eindimensional selbstausrichtende
reflektierende System reflektiert, hier ein Reflektorwinkel 111 in Form
eines Prismas mit doppelter Totalreflexion, vorzugsweise von 90°, dessen
Kante 111' senkrecht
zu der Streuebene des Gitters ist und in der Brennfläche eines
Objektivs 110 mit dem Mittelpunkt 110' angeordnet
ist.
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In
einer ersten Ausführungsform
sammelt der monomodale Wellenleiter 103 den Ausgangsfluss
des Systems.
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In
einer zweiten Ausführungsform
sammelt ein zweiter monomodaler Wellenleiter 112 den Ausgangsfluss
des Systems.
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In
der Vorrichtung gemäß der Erfindung weist
der Reflektorwinkel (Dieder) 111 eine Kante 111' senkrecht zu
der Streuebene auf. Er hat also ein Verhalten wie ein Spiegel in
der Longitudinalebene. Der Reflektorwinkel ist aber mit der Optik 110 verbunden,
und das führt
in der Tat zu einer Vorrichtung, die in der Longitudinalebene die
Eigenschaften eines Katzenauges aufweist und folglich zu der gesuchten Selbstausrichtung.
In der Streuebene führt
der Verbund Linse 110 / Reflektorwinkel 111 zu
einer gleichwertigen Wirkung mit einem Spiegel, der eine Normale
parallel zu der Mittellinie haben würde, die von dem Mittelpunkt 110' der Linse 110 und der
Kante 111' des Reflektorwinkels 111 definiert
wird. Die Selbstausrichtung des Reflektorwinkels widerstrebt der Selbstausrichtung
der Würfelecke
und die zwei Wirkungen, die sich gegenseitig aufheben, finden sich
in der senkrechten Dimension zu der Kante des Reflektorwinkels in
Form eines Verhaltens entsprechend einem Spiegel ohne Selbstausrichtung
wieder.
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Gegenüber dem
Stand der Technik ist die Präzision,
die für
den Winkel des Dieders verlangt wird, gering.
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In
der Tat ist es für
eine gute Selbstausrichtung notwendig, dass die Phasenfront des
reflektierten Strahles sich mit mehr als λ/4 des einfallenden Strahles überdeckt.
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Bei
Verwendung eines Dieders gemäß dem Stand
der Technik, der mit kollimierten Strahlen von einigen Millimetern
Dicke funktioniert, ist eine Präzision
des rechten Winkels, also des 90°-Spitzenwinkels,
in der Größenordnung
von 10–4 rad
(oder 5 Bogensekunden) notwendig. Bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung
konvergiert der Strahl auf dem Dieder, wo sich die Abbildung des
Eingangswellenleiters bildet. Diese Abbildung hat normalerweise
eine Größe von einigen
Zehntel μm
bzw. zwei Größenordnungen
niedriger als im vorherigen Fall.
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Um
die gleiche Präzision
selbstausrichtend zu erzielen, kann also die Grenze betreffend die
Präzision
des Winkels dann um zwei Größenordnungen abgesenkt
werden und so genügt
gemäß der Erfindung
ein Dieder mit der Präzision
des Spitzenwinkels in der Größenordnung
von 10–2 rad
(oder 0,5°)
gegenüber
10–4 rad
aus dem Stand der Technik.
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Zusätzlich werden
somit bestimmte Flussverluste der vorherigen Vorrichtungen vermieden. Um
Flussverluste anlässlich
der Verwendung einer vorgenannten Vorrichtung zu vermeiden, ist
es notwendig, dass die kollimierten Strahlen, die aus den Wellenleitern 21 und 24 kommen,
sich auf dem Dieder 23 überlagern.
Dazu ist es notwendig, dass der optische Abstand zwischen dem Dieder 23 und
der Linse 22 gleich dem von der Anamorphose der Strahlen
auf dem Gitter kompensierten Abstand zwischen dieser Linse 22 selbst
und den Endpunkten der Fasern 21 und 24 ist, also
gleich der Brennweite der Linse 22, kompensiert von der
Anamorphose der Strahlen auf dem Gitter. Aus praktischen Erwägungen betreffend
Platzbedarf ist das nicht immer möglich. Die Erfindung gestattet
die Gewährleistung
der Überlagerung
der Strahlen, unabhängig
von den Abständen zwischen
Linse 104 und Dieder einerseits und den Endpunkten der
Fasern 103 und 112 anderseits, indem der Winkel
des Dieders optimiert wird.
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Es
kann so ein Monochromator hergestellt werden, wie in 5 dargestellt.
Ein Ausgangswellenleiter 112 sammelt bei der Rückkehr einen
Teil des durch den Eingangswellenleiter 103 emittierten
Flusses, dessen Wellenlänge
von der transversalen Position dieses Ausgangswellenleiters 112,
von den Eigenschaften des Gitters 101 und von seiner Orientierung
abhängt.
Die Anwendung eines Dieders 111 mit kleinen geometrischen
Abmessungen gestattet in diesem Fall die Begrenzung der Abbildung
des Endpunktes 102 des Wellenleiters 103 auf diesem
Dieder 111, der somit die übliche Funktion des Zwischenschlitzes
eines doppelten Monochromators (Monochromator mit zwei Stufen) erfüllt. Es
wird somit die spektrale Selektion durch Beseitigen des durch das
Gitter gestreuten Lichtes verbessert.
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Der
Dieder 111 kann ebenfalls aus zwei zueinander senkrechten
Spiegeln 150 und 151 bestehen, wie in 5A dargestellt.
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Diese
Spiegel 150, 151 haben vorzugsweise kleine Abmessungen
und werden von den Prismen 152 und 153 getragen.
Es ist somit möglich,
die Positionen dieser Spiegel 150 und 151 unabhängig voneinander
einzustellen und somit die Endpunkte des Durchgangsbandes des so
gebildeten Filters unabhängig
zu steuern. Die von diesem Dieder einfallenden und reflektierten
Strahlen sind mit den Bezugszeichen 154 und 155 bezeichnet.
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Der
Ausgangswellenleiter 112 kann mit dem Eingangswellenleiter 103 vertauscht
werden, wobei diese Ausführungsform
in 5 dargestellt ist. Selbstverständlich können diese Wellenleiter materiell
verschieden sein und z. B. nebeneinander angeordnet werden. Es ist
ebenfalls möglich,
einen Wellenlängendemultiplexer
unter Verwendung mehrerer nebeneinander angeordneter Ausgangswellenleiter 112 herzustellen,
wobei jeder dieser Ausgangswellenleiter einen Teil des in wellenlängenselektierten Flusses
je nach seiner Position sammelt.
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Wenn
der Wellenleiter 103 ein aktiver Wellenleiter ist, der
gleichzeitig als Eingang und Ausgang verwendet wird, kann ein Laser
mit externem Resonator aufgebaut werden, wobei dieser Resonator zwischen
der Hinterseite des Wellenleiters und dem Dieder 111 gebildet
wird.
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Die
Dimension der Wellenleitermoden wird vorzugsweise vergrößert, z.
B. durch Anordnung von Mikrolinsen an dem Endpunkt 102 der
Wellenleiter 103.
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Ein
zwischen der Kollimatoroptik 104 und dem Gitter 101 angeordneter
Polarisationsseparator mit parallelen Ausgängen gestattet die Änderung
der Polarisierungen zwischen den Durchgängen jeweils hin und her auf
dem Gitter 101. Es werden somit die Polarisierungsdefekte
eliminiert, die durch das Gitter 101 eingebracht werden
könnten.
Der Mittelpunkt 110' des
Objektivs 110 ist dann im Mittelpunkt des Zwischenraums,
der die Ausgangsstrahlen dieses Separators trennt, angeordnet.
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Ein
Reflektorwinkel 125 mit einer horizontalen Kante ermöglicht einen
vierfachen Durchfluss der Strahlen durch das Gitter 101,
wobei das Licht den selbstausrichtenden Retroreflektor 111 nach
zweimaliger Durchquerung des Gitters erreicht.
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Diese
Ausführungsform
ist genauer in den 6, 7 und 8 beschrieben.
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6 stellt
eine Vorrichtung aus dem Stand der Technik dar, so wie sie z. B.
in der Patentschrift FR-2.754.054 beschrieben ist. Der Polarisationsseparator 120 erzeugt
ausgehend vom Strahl 105 zwei parallele Strahlen 105' und 105" mit rechtwinkliger Polarisierung.
Eine λ/2-Platte 121 ist
auf dem Strahl 105" angeordnet
und bewirkt den Umkehr der Polarisierrichtung des Strahles, so dass
die zwei Strahlen 105' und 105" eine zu den
Linien des Gitters 101 rechtwinklige Polarisierrichtung
haben. Nach der Streuung dieser zwei Strahlen durch das Gitter 101 werden
diese durch den Dieder 122 geändert. Diese Vorrichtung, die
im Detail in dem französischen
Patent FR-2.754.054 beschrieben wird, ermöglicht die Herstellung einer
Vorrichtung, in der die durch Streuung auf dem Gitter generierten
Verluste auf ein Minimum reduziert werden und ermöglicht gleichzeitig
die Herstellung einer hochpräzisen
Vorrichtung, die unempfindlich auf die Polarisierung des Einfallstrahles 105 ist.
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Gemäß vorliegender
Erfindung ist es möglich,
den Dieder 122 durch die Einheit bestehend aus Linse 110 und
Dieder 111 zu ersetzen.
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Es
werden somit alle Vorteile der oben beschriebenen Vorrichtung erzielt,
gleichzeitig wird die Einschränkung
betreffend den Winkel des Dieders 122 abgeschafft, weil – wie schon
weiter oben erwähnt – die Einheit
von Linse 110 und Dieder 111 auch dann befriedigend
funktioniert, wenn der Winkel des Dieders 111 nur ungefähr 90° beträgt.
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In
der gleichen französischen
Patentschrift FR-2.754.054 wurde schon "eine dritte Ausführungsform" beschrieben, unter Einsatz eines Systems
mit vier Durchgängen
des Strahles durch das Gitter, in einer Anordnung mit zwei Stufen.
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In
dieser Vorrichtung sendet ein Dieder 125 mit großen Abmessungen
gegenüber
der transversalen Dimension der Strahlen diese nach deren erstem Durchgang
zurück,
so dass sie wieder durch das Gitter gestreut werden und das selbstausrichtende
retroreflektierende optische System 126 tauscht diese Strahlen
untereinander und sendet sie wieder zu dem Gitter, so dass jeder
Strahl erneut zweimal diffraktiert wird.
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Das
selbstausrichtende retroreflektierende optische System 126 ist
vorzugsweise gemäß dieser Erfindung
und besteht somit aus einer Linse 110, in deren Brennfläche ein
Dieder 111 angeordnet ist, dessen Kante senkrecht zu der
Streuebene des Gitters ist.
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In
einer alternativen Ausführungsform
könnte
statt einem ebenen Gitter 101 ein konkaves Gitter verwendet
werden, während
das Gitter selbst die Kollimierung des Ausgangsstrahles aus dem
Wellenleiter 103 oder die Konvergenz auf dem Dieder 111 gewährleistet
und die Abschaffung des optischen Systems 104 oder 110 ermöglicht.