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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Pumpsystem für eine Laserquelle sowie eine
Laserquelle mit einem solchen Pumpsystem.
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Insbesondere
ist die Laserquelle vom bekannten Typ, umfassend:
- – ein aktives
Element, umfassend eine dotierte Matrix, die geeignet ist, ein Pumpbündel zu
absorbieren, um mindestens eine Laserstrahlung zu verstärken;
- – ein
Pumpsystem, umfassend Pumplaserdioden, die geeignet sind, ein Pumpbündel auszusenden, das
in den Stab eindringt;
- – ein
optisches Transportsystem, um das vom Pumpsystem ausgesendete Pumpbündel in
das aktive Element zu leiten, um das Pumpen des aktiven Elements
zu erzielen; und
- – einen
optischen Resonator, der es ermöglicht, die
Laserstrahlung zu extrahieren.
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In
dieser Laserquelle, auf die sich die vorliegende Erfindung bezieht,
kann das Pumpen in Bezug auf das aktive Element auf longitudinale,
transversale, semitransversale oder andere Art erfolgen.
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Es
ist bekannt, dass das Pumpbündel,
um wirksam zu sein, hinsichtlich des Spektrums an das Absorptionsspektrum
des aktiven Elements angepasst werden muss, so dass das Pumpbündel absorbiert
wird und seine Energie auf das Seltene Erden-Ion überträgt, welches
das aktive Element dotiert.
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Es
ist auch bekannt, dass Pumplaserdioden ein im Allgemeinen einige
Nanometer breites Emissionsspektrum aufweisen, das sich pro Grad
um 0,25 bis 0,3 Nanometer verschiebt, wenn die Temperatur der Pumpdioden
verändert
wird.
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Um
eine zufriedenstellende Übereinstimmung
der Wellenlänge
des (aus den Pumplaserdioden hervorgegangenen) Pumpbündels mit
dem Absorptionsspektrum des aktiven Mediums zu gewährleisten,
ist es bekannt, die Laserdioden auf Peltier-Module zu montieren,
deren Funktion es ist, ihre Temperatur mit einer Genauigkeit von über 0,5°C zu stabilisieren,
so dass eine Zentrierung der Wellenlänge auf mindestens 0,2 nm gewährleistet
ist.
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Allerdings
sind insbesondere im Rahmen von militärischen Anwendungen Parameter
wie Kompaktheit, Verbrauch und Einsatzschnelligkeit von besonderer
Bedeutung. Daher ist die Verwendung von Peltier-Modulen, was zu
einem hohen Verbrauch führt
und eine Stabilisierungszeit in der Größenordnung von Minuten benötigt, ein
Hindernis für
die Anwendung von Laserquellen, die durch (eine) Laserdiode(n) gepumpt
sind, in kompakten Systemen. Dies gilt auch für andere aktive Systeme zur
Stabilisierung der Temperatur der Dioden. Daher ist die Technologie,
die derzeit noch immer zum Beispiel für terrestrische Laserdesignatoren
verwendet wird, eine Technologie zum Pumpen mittels einer Blitzlampe,
die wenig effizient und zudem sperrig ist.
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Um
zu versuchen, diesem Problem abzuhelfen, empfiehlt es sich:
- – entweder
die Toleranz des aktiven Mediums gegenüber der Wellenlängendrift
zu erhöhen,
was zum Beispiel durch das Patent FR-2
803 697 vorgeschlagen wird, bei dem das Pumpbündel derart geführt wird,
dass es mehrmals durch das aktive Medium gelangt;
- – oder
eine passive Stabilisierung der Emission der Wellenlänge der
Pumpdioden durchzuführen, wie
dies zum Beispiel in der Patentanmeldung US-2005/0018743 vorgeschlagen
wird, die die Verwendung eines Systems beschreibt, das eines oder
mehrere Volumen-Bragg-Gitter (VBG, im Englischen „Volume
Bragg Grating")
umfasst, um eines oder mehrere Emissionsmerkmale des Lasers festzulegen.
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Die
obigen Lösungen
erlauben es jedoch nur, eine Unempfindlichkeit über 3 bis 10 Nanometer zu erzielen,
was einer Temperaturdrift der Dioden von 15 bis 40°C entspricht.
Ein solcher Bereich der thermischen Unempfindlichkeit ist in hohem
Maß unzureichend,
um das Pumpsystem zum Beispiel in einem terrestrischen Laserdesignator
zwischen –40°C und +70°C zu verwenden.
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Zweck
der vorliegenden Erfindung ist es, diesen Mängeln abzuhelfen. Sie betrifft
ein Pumpsystem für
eine Laserquelle, das es ermöglicht,
ein Pumpbündel
zu erzielen, das einen extrem ausgedehnten Bereich der thermischen
Unempfindlichkeit, zum Beispiel zwischen –40°C und +70°C, aufweist.
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Zu
diesem Zweck umfasst das erfindungsgemäße Pumpsystem für eine Laserquelle
nach Anspruch 1:
- – mindestens eine Pumpdiode,
die geeignet ist, mindestens ein Pumpbündel auszusenden, dessen Wellenlänge mit
der Temperatur variiert;
- – mindestens
ein Kollimationsmittel, das der Pumpdiode zugeordnet ist; und
- – mindestens
einen selektiven Spiegel, der es ermöglicht, eine Wellenlänge der
Pumpdiode auszuwählen,
dadurch
gekennzeichnet, dass der selektive Spiegel derart gebildet ist,
dass er eine Vielzahl von spektralen Reflexionsgrad-Peaks umfasst,
um bei einer Veränderung
der Temperatur der Pumplaserdiode den Betrieb der Pumplaserdiode
jeweils an mindestens einen dieser Peaks zu koppeln, so dass das
Pumpsystem ein Pumpbündel
aussendet, dessen Wellenlänge
sich bei der Veränderung
der Temperatur stufenweise, sukzessiv einer Vielzahl vorbestimmter
Wellenlängen
folgend, verändert.
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Vorzugsweise
entsprechen die vorbestimmten Wellenlängen solchen Wellenlängen, bei
denen ein Absorptionskoeffizient eines aktiven Elements für eine Laserquelle
(das dem Pumpsystem zugeordnet ist), jeweils höher ist als ein vorbestimmter
(hoher) Wert, zum Beispiel 1,7 cm–1,
d. h. bei denen eine starke Absorption des Pumpbündels durch das zugeordnete
aktive Element der Laserquelle erzielt wird.
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Dank
der erfindungsgemäßen Merkmale
des selektiven Spiegels verändert
sich bei einer Veränderung
der Temperatur die Wellenlänge
des durch das Pumpsystem ausgesendeten Pumpbündels somit nicht (proportional)
auf kontinuierliche Weise, sondern sie verändert sich stufenweise, wobei
sie jeweils einen oder mehrere (Wellenlängen-)Werte annimmt, die eine
gute Absorption des Pumpbündels
durch das aktive Element ermöglichen,
was somit das Pumpen besonders effizient macht. Auf diese Weise
wird ein Pumpbündel
erzielt, das einen besonders ausgedehnten Bereich der thermischen
Unempfindlichkeit aufweist.
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Vorzugsweise
ist der selektive Spiegel derart ausgebildet, dass die vorbestimmten
Wellenlängen solchen
Wellenlängen
entsprechen, bei denen der optische Absorptionskoeffizient jeweils
einem gleichen, relativ begrenzten Bereich von Absorptionskoeffizienten
angehört,
zum Beispiel [1,7 cm–1; 2,2 cm–1].
Dank dieses Merkmals wird unabhängig
von der Temperatur ein relativ gleichmäßiges Pumpen im aktiven Medium
erzielt.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann der selektive Spiegel auf
verschiedene Arten hergestellt werden. Insbesondere:
- – kann
er Bragg-Gitter umfassen, die in mindestens einem festen Medium
gebildet sind; oder
- – er
kann mehrfache dielektrische Schichten umfassen, die auf Substraten
gebildet sind; oder
- – er
kann derart ausgebildet sein, dass er einen Fabry-Pérot-Effekt erzeugt, der auf
dem Prinzip der Interferenzen zwischen zwei reflektierenden Oberflächen beruht.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft auch eine Laserquelle, wie sie in
Anspruch 6 definiert ist, und zwar von dem Typ, der umfasst:
- – ein
aktives Element, umfassend eine dotierte Matrix, die geeignet ist,
mindestens ein Pumpbündel
zu absorbieren, um mindestens eine Laserstrahlung zu verstärken;
- – ein
Pumpsystem, das geeignet ist, mindestens ein Pumpbündel auszusenden;
- – ein
optisches Transportsystem, um das vom Pumpsystem ausgesendete Pumpbündel in
das aktive Element zu leiten, um das Pumpen des aktiven Elements
zu erzielen; und
- – einen
optischen Resonator, der es auf diese Weise ermöglicht, die Laserstrahlung
zu extrahieren.
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Gemäß der Erfindung
ist die Laserquelle dadurch gekennzeichnet, dass das Pumpsystem
von dem oben genannten Typ ist.
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Die
beiliegenden Zeichnungen verdeutlichen, wie die Erfindung ausgeführt werden
kann. In diesen Zeichnungen bezeichnen identische Bezugszeichen ähnliche
Elemente.
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1 ist
ein zusammenfassendes Schema eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Laserquelle.
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2 und 3 sind
schematische Ansichten eines erfindungsgemäßen Pumpsystems von oben bzw.
von der Seite.
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4 bis 6 sind
Graphiken, die es ermöglichen,
die wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung zu erklären.
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7 zeigt
schematisch eine besondere Ausführungsform
eines erfindungsgemäßen Pumpsystems.
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Das
erfindungsgemäße und schematisch
in 2 und 3 dargestellte Pumpsystem 1 kann
in eine Laserquelle 2 integriert werden, wie sie als Beispiel
in 1 dargestellt ist.
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Die
Laserquelle 2 umfasst auf herkömmliche Art:
- – ein aktives
Element 3, umfassend einen langgestreckten Stab 4,
der eine dotierte Matrix aufweist, die geeignet ist, ein Pumpbündel 5 zu
absorbieren, um mindestens eine Laserstrahlung 6 zu verstärken, die
sich in Längsrichtung
entlang einer Achse X-X ausbreitet;
- – das
unten beschriebene Pumpsystem 1, das geeignet ist, mindestens
ein Pumpbündel 5 auszusenden;
- – ein
herkömmliches
optisches Transportsystem 7, um das vom Pumpsystem 1 ausgesendete Pumpbündel 5 in
das aktive Element 3 zu leiten, um ein longitudinales Pumpen
zu erzielen; und
- – einen
herkömmlichen
optischen Resonator 8 mit der Achse X-X, der insbesondere
einen reflektierenden Spiegel 9 und einen teilweise transparenten
Spiegel 10 umfasst, die einander gegenüberliegend angeordnet sind.
Dieser optische Resonator 8 verleiht der Laserstrahlung 6,
die durch die Laserverstärkung
erzielt wird und durch den Spiegel 10 entlang der Achse
X-X ausgesendet wird, ihre Eigenschaften bezüglich Richtwirkung und Geometrie.
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Darüber hinaus
umfasst das Pumpsystem 1 mindestens eine Pumplaserdiode 12,
die zum Beispiel auf herkömmliche
Art auf einer Leiste 11 montiert ist und die geeignet ist,
das Pumpbündel 5 auszusenden,
sowie ein herkömmliches
Kollimationsmittel 13, zum Beispiel eine Linse, die der
Pumpdiode 12 zugeordnet ist, wie dies in 2 und 3 dargestellt
ist.
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Es
ist bekannt, dass eine solche Pumpdiode 12 vom Lasertyp
ein Pumpbündel 5 erzeugt,
dessen Wellenlänge λ mit der
Temperatur T variiert, wie dies in 4 dargestellt
ist, wo λ in
Nanometer und T in Grad Celsius ausgedrückt wird. Im Allgemeinen weisen
die Laserdioden ein einige Nanometer breites Emissionsspektrum auf,
das sich pro Grad Celsius um 0,25 bis 0,3 Nanometer verschiebt,
wenn die Temperatur T verändert
wird.
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Zweck
der vorliegenden Erfindung ist es, diesem Mangel abzuhelfen, um
ein Pumpbündel 5 zu
erzielen, das einen sehr ausgedehnten Bereich der thermischen Unempfindlichkeit,
zum Beispiel zwischen –40°C und mindestens
+70°C, aufweist.
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Dazu
umfasst das erfindungsgemäße Pumpsystem 1 darüber hinaus
einen selektiven Spiegel 14, der, wie dies unten näher beschrieben
wird, so gebildet ist, dass er eine Vielzahl von spektralen Reflexionsgrad-Peaks
P1, P2, P3, P4 (5) umfasst, um den Betrieb der
Pumplaserdiode oder der Pumplaserdioden 12 bei einer Veränderung
der Temperatur T der Pumplaserdiode 12 an mindestens einen
dieser Peaks P1 bis P4 zu koppeln, so dass das Pumpsystem 1 ein
Pumpbündel 5 aussendet,
dessen Wellenlänge λ sich bei
der Veränderung
der Temperatur T stufenweise, sukzessiv einer Vielzahl vorbestimmter Wellenlängen λ1, λ2, λ3, λ4 folgend,
verändert,
wie in 6 bei Veränderung
der Temperatur T dargestellt ist.
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Vorzugsweise
entsprechen die vorbestimmten Wellenlängen λ1, λ2, λ3 und λ4 Wellenlängen, bei denen der Absorptionskoeffizient α des aktiven
Elements 3, das dem Pumpsystem 1 zugeordnet ist,
jeweils höher
ist als ein vorbestimmter (hoher) Wert, zum Beispiel 1,7 cm–1 bei
longitudinalem Pumpen oder zum Beispiel 5 cm–1 bei
transversalem Pumpen, d. h. bei denen eine starke Absorption des
Pumpbündels 5 durch
das zugeordnete aktive Element 3 erzielt wird.
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Dank
der erfindungsgemäßen Merkmale
des selektiven Spiegels 14 verändert sich bei einer Veränderung
der Temperatur T die Wellenlänge
des durch das Pumpsystem 1 ausgesendeten Pumpbündels 5 nicht
auf kontinuierliche Weise wie in dem in 4 dargestellten
Stand der Technik, sondern sie verändert sich stufenweise, wobei
sie jeweils einen oder mehrere Wellenlängenwerte λ1 bis λ4 (6) annimmt,
die jeweils eine gute Absorption des Pumpbündels 5 durch das
aktive Element 3, d. h. ein besonders effizientes Pumpen,
ermöglichen.
Auf diese Weise wird ein Pumpbündel 5 erzielt,
das einen besonders ausgedehnten Bereich der thermischen Unempfindlichkeit,
in dem in 6 dargestellten Beispiel von –40°C bis etwa
+80°C, aufweist.
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Vorzugsweise
entsprechen die vorbestimmten Wellenlängen λ1 bis λ4 Wellenlängen, bei denen der Absorptionskoeffizient α jeweils
einem gleichen, relativ begrenzten Bereich von Absorptionskoeffizienten
angehört,
zum Beispiel [1,7 cm–1; 2,2 cm–1].
Auf diese Weise wird unabhängig
von der Temperatur T ein relativ gleichmäßiges Pumpen im aktiven Medium erzielt.
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Der
selektive Spiegel 14 weist somit an den spektralen Reflexionsgrad-Peaks
P1 bis P4 einen bestimmten Reflexionsgrad R auf, der bei der Planung
und Herstellung dieses selektiven Spiegels 14 festgelegt
wird. Wenn er vor einer kollimierten Leiste 11 angeordnet
wird, wird dieser selektive Spiegel 14 wie ein Filter funktionieren,
indem er in das Verstärkungsmedium,
das durch die Leiste 11 gebildet wird, durch Reflexion
eine Strahlung 15 wiedereinspeist, die spektral verfeinert
ist, wie dies in 2 dargestellt wird. Der selektive
Spiegel 14 erlegt somit durch diese Rückkopplung den Laserdioden 12 der
Leiste 11 eine zusätzliche
Bedingung auf, so dass der Betrieb der Laserdioden 12 jeweils
an mindestens einen dieser Peaks P1 bis P4 des spektralen Reflexionsgrads
gekoppelt wird, was es ermöglicht,
schließlich die
in 6 dargestellte Spektralverschiebung des Pumpbündels 5 in
Abhängigkeit
von der Temperatur T zu erzielen.
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Der
Spektralraum zwischen jedem der spektralen Reflexionsgrad-Peaks
P1 bis P4 muss in der jeweiligen Konfiguration (Halbleiter, Kollimation
und Spiegel) kleiner sein als die gesamte vom Spiegel 14 kontrollierte
Breite des Spektrums.
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Der
selektive Spiegel 14 kann auf verschiedene Arten hergestellt
werden.
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In
einer ersten Ausführungsform
wird er durch Bragg-Gitter
vom oben genannten Typ gebildet, die in mindestens einem festen
Medium gebildet sind. Es ist möglich,
mehrere Gitter einzuschreiben, die jeweils einer Wellenlänge in einem
festen Milieu entsprechen. Diese Bragg-Gitter können einander durchdringen
oder in unterschiedlichen Tiefen im Substrat angeordnet sein, sie
können
auch in ein getrenntes Substrat eingeschrieben sein, wobei sie hintereinander
angeordnet sind, um einen Spiegel mit mehreren Linien zu bilden.
Darüber
hinaus kann die Position jeder Reflexionslinie (bzw. jedes Peaks
des spektralen Reflexionsgrads) unabhängig von den anderen Linienpositionen
gewählt
werden.
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In
einer zweiten Ausführungsform
wird der selektive Spiegel 14 auf herkömmliche Weise durch mehrfache
dielektrische Schichten auf Substraten gebildet.
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In
einer dritten Ausführungsform
wird der selektive Spiegel 14 darüber hinaus auf herkömmliche Weise
gebildet, indem Interferenzen zwischen zwei reflektierenden Oberflächen genutzt
werden, wodurch ein Fabry-Pérot-Effekt
erzeugt wird. In diesem Fall sind die Positionen der Reflexionslinien
jedoch voneinander abhängig,
da nur die Position einer Reflexionslinie sowie das freie Spektralintervall,
das sie von den folgenden Reflexionslinien trennt, auf unabhängige Weise
verändert
werden kann.
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Darüber hinaus
hat das Kollimationsmittel 13 den Zweck, die Strahlung 16 der
Dioden 12 zumindest entlang ihrer schnellen Achse zu kollimieren,
bevor diese Strahlung 16 den selektiven Spiegel 14 erreicht.
Tatsächlich
wären die
Einfallswinkel der Strahlen auf dem selektiven Spiegel 14 ohne
Kollimation aufgrund des abgewinkelten Emissionswinkels der Dioden 12,
der typischerweise 10 × 40° erreicht,
zu verstreut.
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Zur
Veranschaulichung soll nun ein besonderes Pumpsystem 1 vorgestellt
werden, das es ermöglicht,
einen YAG-Stab 4 mit einer Länge von L = 12 mm zwischen –40°C und +70°C auf effiziente
Weise longitudinal zu pumpen.
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Um
eine Absorptionswirksamkeit von 90% zu erreichen, ist es notwendig,
dass der Absorptionskoeffizient α mindestens
1,92 cm–1 erreicht.
Für die Absorption
Abs gilt in diesem Fall: Abs = 1 – exp (– α.L) = 1 – exp (– 1,92 × 1,2) =
0,9
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Wenn
man darüber
hinaus ein Energiedepot erzielen will, das für jede Wellenlängenstufe λ relativ konstant
bleibt, ist es notwendig, dass diese Absorption in der Nähe von 1,9
bleibt, d. h. dass sie etwa zwischen 1,7 und 2,2 cm–1 liegt.
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Es
ist bekannt, dass im Absorptionsspektrum des mit 1% Neodym Nd dotierten
aktiven Mediums YAG zwölf
Bereiche von jeweils einigen hundert Pikometern existieren, die
diese Bedingung verifizieren. Es handelt sich um folgende Koordinaten
(in Nanometern):
{791,9; 793,4; 794,5; 796,0; 798,6; 803,6;
809,6; 811,6; 813,5; 816,9; 817,8; 821,6}.
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Um
den in Betracht kommenden Temperaturbereich (–40°C bis +70°C) entsprechend abzudecken,
werden zum Beispiel vier Spektralkoordinaten λ1, λ2, λ3 und λ4 gewählt, die durch weniger als
10 nm voneinander getrennt sind, d. h. die Spektralkoordinaten {794,5;
803,6; 813,5; 821,6}, sodann wird mindestens ein selektiver Spiegel 14 mit
vierfachem Band gebildet, der den in 5 dargestellten
Reflexionsgrad R aufweist.
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Dieser
selektive Spiegel 14 mit vierfachem Band wird vor einer
Leiste 11 angeordnet, die durch ein Kollimationsmittel 13 derart
kollimiert wird, dass ein Pumpbündel 5 erzielt
wird, das in Abhängigkeit von
der Temperatur T nacheinander die Wellenlängen λ1, λ2, λ3, λ4 aufweist, wie dies in 6 dargestellt
wird.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das Pumpsystem 1 insbesondere
eine einzige Pumplaserdiode 12, eine Leiste 11 mit
einer Vielzahl solcher Dioden 12, wie dies in 2 und 3 dargestellt
ist, oder eine Einheit 16 (oder einen Stapel) von Leisten 11,
wie dies in 7 dargestellt ist, umfassen.
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In
diesem letzten Beispiel kann auch eine Einheit 17 aus einer
Vielzahl von Kollimationsmitteln 13 vorgesehen werden.
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Darüber hinaus
kann in diesem letzten Beispiel vorgesehen werden:
- – ein
einziger Spiegel 14 für
die Einheit 16 von Leisten 11; oder
- – ein
selektiver Spiegel 14 für
jede Leiste 11 der Einheit 16; oder
- – ein
selektiver Spiegel pro Gruppe aus mehreren Leisten 11.
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Obwohl
in den oben beschriebenen Beispielen das erfindungsgemäße Pumpsystem 1 mit
einer Laserquelle 2 mit longitudinalem Pumpen verbunden ist,
wird man leicht verstehen, dass dieses Pumpsystem auch bei jeder
anderen Art des Pumpens, zum Beispiel bei transversalem, semitransversalem
oder sonstigem Pumpen, eingesetzt werden kann.