1. Bereich der Erfindung
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Die Erfindung betrifft im allgemeinen einen
Einspektrallinienlaser und insbesondere ein System, um einen
Vielspektrallinienlaser zu zwingen, bei einer einzigen
Spektrallinie zu arbeiten.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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Nach dem Stand der Technik ist versucht worden, einen Laser
dazu zu bringen, bei einer einzigen Spektrallinie zu
arbeiten, indem man den Verlust der Kavität unter Verwendung
eines Beugungsgitters, eines Prismas, einer Absorptionszelle,
eines Filters, einer selektiven Beschichtung oder eines
doppelbrechenden Materials extrem sensitiv gegenüber der
optischen Frequenz machte. Solche Versuche nach dem Stand
der Technik fügen alle zusätzlichen Verlust zu den
erwünschten Frequenzen hinzu und sind schwierig selektiv
genug zu machen, um zwischen dicht benachbarten
Spektrallinien zu unterscheiden. Die meisten der Systeme nach dem Stand
der Technik werden leicht beschädigt, sind relativ teuer,
sind empfindlich gegenüber Ausrichtung bzw. Justierung,
vergrößern die Länge der Kavität beträchtlich und weisen
temperaturabhängige Durchlaßbereiche auf. Auch können die
meisten solcher Systeme nicht ohne weiteres zwischen dicht
benachbarten Spektrallinien unterscheiden.
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Als ein spezifisches Beispiel für den Stand der Technik
ist, für einen Infrarot-Kohlendioxidlaser, ein
Beugungsgitter das einzige praktische Verfahren gewesen, um
Spektrallinien auszuwählen, aber dieses erhöht den Verlust der
Kavität für die ausgewählte Linie um 4%; weist in vielen
seiner Implementierungen benachbarte Linien nicht
vollständig zurück; wird leicht beschädigt; ist teuer; und wechselt
bzw. verändert die Spektrallinien mit der Ausrichtung bzw.
Justierung und mit nur ein paar Grad Temperaturänderung, da
die thermische Ausdehnung des Beugungsgittersubstrates den
Abstand der Gitterstriche verändert.
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Hewagama, Openheim und Mumma offenbaren im IEEE Journal of
Quantum Electronics (Vol. 27, Nr. 3, März 1991) die
Verwendung eines Isotopengemisch-CO&sub2;-Lasers, um ein Spektrum zu
produzieren, das eine Anzahl von anomal großen Peaks
aufweist. Diese anomalen Peaks traten infolge des
Beinahe-Zusammenfallens von Übergangsfrequenzen in zwei verschiedenen
Isotopen auf. Die anomalen Peaks konnten dann unter
Verwendung von "externer Mittel" ausgewählt werden, um die
Verluste der Kavität zu erhöhen, wodurch nur die anomalen Peaks
übrig blieben.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung, wie in Anspruch 1 spezifiziert,
zwingt einen Vielspektrallinienlaser bei einer einzigen
Spektrallinie zu arbeiten, indem die Verstärkung der Medien
modifiziert wird, im Gegensatz zum Standardansatz oder
Ansatz nach dem Stand der Technik, bei dem der Verlust der
Kavität modifiziert wird. Die vorliegende Erfindung löst im
wesentlichen all die Probleme des Standes der Technik
während sie auf wenige seiner Nachteile, falls überhaupt,
stößt. Die Vorteile der vorliegenden Erfindung umfassen die
Tatsache, daß für den Gebrauch in der Kavität keine
Beugungsgitter, Prismen, Absorptionszellen, Filter, selektive
Beschichtungen oder doppelbrechende Materialien benötigt
werden. Alle Verfahren nach dem Stand der Technik fügen
beträchtlichen Verlust zu der erwünschten Frequenz hinzu und
sind schwierig selektiv genug zu machen, um zwischen dicht
benachbarten Spektrallinien zu unterscheiden.
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Die vorliegende Erfindung fügt keinen Verlust zu der
erwünschten Frequenz hinzu, ist perfekt selektiv in Bezug auf
eine einzelne Spektrallinie, kann nicht beschädigt werden,
ist billig, benötigt keine Justierung bzw. Ausrichtung und
ist temperaturunabhängig. In einigen Fällen kann das System
der vorliegenden Erfindung etwas zusätzliche
Verstärkungslänge benötigen, um eine verringerte Verstärkung zu
kompensieren, aber eine verringerte Verstärkung ist besser als
eine gleiche Menge erhöhter Verlust, da die Verstärkung mit
zunehmenden Flußniveaus in die Sättigung geht während der
Verlust dies nicht tut.
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In dem vorliegenden System ist die ausgewählte
Spektrallinie immer dieselbe. Es gibt keine Unsicherheit in Bezug auf
die Kenntnis, welche Linie ausgewählt worden ist, wie es
der Fall bei den Verfahren nach dem Stand der Technik ist.
Die Erfindung umfaßt ein System, daß mehr als ein
Verstärkungsmedium innerhalb der Laserkavität verwendet. Jedes
Medium verursacht einen unterschiedlichen Satz von
Spektrallinienfrequenzen, bei dem es Verstärkung aufweist. Es
werden nur gelegentliche Koinzidenzen auftreten, bei denen
Spektrallinien von zwei oder mehr Medien innerhalb einer
Linienbreite voneinander zu liegen kommen. Wo diese
Koinzidenzen bzw. dieses Zusammenfallen nicht auftritt, ist die
Verstärkung für eine Spektrallinie nur proportional zu der
Menge des vorhandenen individuellen Mediums und wird
unterhalb der Schwelle liegen. Wo die Koinzidenzen bzw. das
Zusammenfallen auftritt, ist die Gesamtverstärkung
proportional zu der gesamten Menge an Verstärkung für alle der
involvierten Medien, und die Linie wird lasen.
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In der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung verwendet das System dieselbe Art von
Verstärkungsmedien aber mit verschiedenen Isotopen. In vielen (aber nicht
allen) Fällen ermöglicht dies physikalisches Mischen der
Medien.
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Eine Anwendung des Systems der vorliegenden Erfindung kann
in Zusammenhang mit Lasern sein, von denen gefordert ist,
daß sie bei einer einzigen Spektrallinie arbeiten, was sie
gegenwärtig nur unter großen Herstellungsschwierigkeiten
können, und dann sogar nicht allzu verläßlich. Die
vorliegende Erfindung garantiert einen Betrieb bei einer einzigen
Spektrallinie sogar beim Vorhandensein von Fehljustierung
und Temperaturvariationen. Sie verringert ebenfalls die
Kosten der Laser in großem Maße. Weiterhin erscheint das
vorliegende System oder Verfahren anwendbar auf viele
verschiedene Arten von Lasern.
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Die ausgewählte Spektrallinie ist fixiert, anstatt eine aus
einer Anzahl von möglichen Linien zu sein, was wichtig für
Anwendungen wie z. B. Radar ist, die die Kenntnis der
absolut übertragenen Frequenz erfordern. Zum Beispiel errechnet
sich die Geschwindigkeit eines sich bewegenden Targets aus
der Dopplerverschiebung nach der Formel v=(1/2)(Δf/f)c,
wobei "f" die Frequenz des Lichtes ist, "Δf" die
Dopplerverschiebung und "c" die Lichtgeschwindigkeit. Jede
Unsicherheit bzw. Ungenauigkeit in "f" wird zu einer Unsicherheit
bzw. Ungenauigkeit in "v". Bei einem Kohlendioxidlaser sind
die Spektrallinien um 0,2% separiert. Ein
Beugungsgitterselektierter Laser könnte auf P(18), P(20) oder P(22)
lasen, was eine Ungenauigkeit in der Geschwindigkeit von
ungefähr ±0 2% ergeben würde. Die vorliegende Erfindung
arbeitet bei einer exakten Spektrallinie, so daß diese
Fehlerquelle Null ist.
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Diese und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden vollständiger verstanden werden, nachdem man
diese detaillierte Beschreibung der bevorzugten
Ausführungsformen, die Ansprüche und die Zeichnungen, die hier im
folgenden kurz beschrieben werden, gelesen hat.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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In den beigefügten Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1
eine Tabelle der 18 möglichen isotopen CO&sub2;-Moleküle.
Es wurden Meßungen der absoluten Frequenzen der neun
angegebenen Spezies, bei denen gelast wird, durchgeführt; und
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Fig. 2 eine Tabelle, die eine Liste aller Koinzidenzen
innerhalb von 300 MHz unter den neun Spezies veranschaulicht.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Die vorliegende Erfindung zwingt einen
Vielspektrallinienlaser, bei einer einzigen Spektrallinie zu arbeiten, indem
die Verstärkung des Mediums modifiziert wird anstelle des
Standardansatzes nach dem Stand der Technik, bei dem der
Verlust der Kavität modifiziert wird. Die vorliegende
Erfindung fügt im wesentlichen keinen Verlust zu der
erwünschten Frequenz hinzu; ist perfekt selektiv in Bezug auf
eine einzige Spektrallinie; kann nicht beschädigt werden;
ist relativ billig; benötigt keine Justierung; und ist
temperaturunabhängig. In den meisten Fällen kann das System
der vorliegenden Erfindung etwas zusätzliche
Verstärkungslänge benötigen, um eine verringerte Verstärkung zu
kompensieren, aber eine verringerte Verstärkung ist besser als
eine gleiche Menge an erhöhtem Verlust, da die Verstärkung
mit zunehmenden Flußniveaus in die Sättigung geht, während
der Verlust das nicht tut. Die ausgewählte Spektrallinie
ist immer dieselbe. Es gibt keine Vieldeutigkeiten in Bezug
auf die Kenntnis, welche Linie ausgewählt worden ist, wie
es bei den Verfahren nach dem Stand der Technik der Fall
ist.
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Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Lasersystem, in dem
mehr als ein Art von Verstärkungsmedium innerhalb einer
Laserkavität verwendet wird. Jedes Medium ruft einen
verschiedenen und unterschiedlichen Satz von
Spektrallinienfrequenzen hervor, bei dem es Verstärkung aufweist, und nur
gelegentliche Koinzidenzen werden bei den Spektrallinien
auftreten, wo die Spektrallinien von einem oder mehreren
Medien innerhalb einer Linienbreite voneinander
zusammenfallen. Wo diese Koinzidenzen bzw. dieses Zusammenfallen
nicht auftritt, ist die Verstärkung für die Spektrallinie
nur proportional zu der Menge des vorhandenen individuellen
Mediums und wird unterhalb einer Schwelle liegen. Wo die
Koinzidenzen bzw. das Zusammenfallen auftritt, ist die
Gesamtverstärkung proportional zu der gesamten Menge an
Verstärkung für alle involvierten Medien und die Linie wird
lasen. In der vielversprechendsten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung werden dieselbe Art von
Verstärkungsmedien verwendet, aber mit verschiedenen Isotopen. In vielen
(aber nicht allen) Fällen ermöglicht dies das physikalische
Mischen der Medien.
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Das vorliegende Verfahren und die vorliegende Vorrichtung
findet Verwendung in vielen Arten von Lasern, die im
kommerziellen Markt, im militärischen Markt und in allgemeinen
elektrooptischen Systemen verwendet werden. Viele von
diesen Lasern sollen bei einer einzigen Spektrallinie
arbeiten, was sie gegenwärtig nur unter großen
Herstellungsschwierigkeiten können, und sogar dann nicht allzu
verläßlich. Das vorliegende System garantiert einen Betrieb mit
einer einzigen Spektrallinie, sogar beim Vorhandensein von
Fehljustierungen und Temperaturschwankungen. Weiterhin
verringert die Verwendung des Verfahrens oder der Vorrichtung
nach der vorliegenden Erfindung die Kosten für die Laser
beträchtlich. Die vorliegende Erfindung kann auf viele
verschiedene Arten von Lasern angewendet werden.
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In dem vorliegenden System ist die ausgewählte
Spektrallinie fixiert anstatt eine von einer Vielzahl von möglichen
Linien zu sein, wie es beim Stand der Technik der Fall ist.
Dies ist wichtig für viele Anwendungen wie z. B. Radar, die
die Kenntnis der absolut übertragenen Frequenz erfordern.
Zum Beispiel wird die Geschwindigkeit eines sich bewegenden
Targets aus der Dopplerverschiebung mittels der Formel
v=(1/2)(Δf/f)c berechnet, wobei "f" die Frequenz des
Lichtes,
"Δf" die Dopplerverschiebung und "c" die
Lichtgeschwindigkeit ist. Jede Ungewißheit bzw. Ungenauigkeit in
"f" wird zu einer Ungewißheit bzw. Ungenauigkeit in "v"
Bei einem konventionellen Kohlendioxid-Laser sind die
Spektrallinien um 0,2% separiert. Ein
Beugungsgitter-selektierter Laser kann bei P(18), P(20) oder P(22) lasen, was in
Bezug auf die Geschwindigkeit eine Ungenauigkeit von
ungefähr ±0,2% ergeben würde. Die vorliegende Erfindung jedoch
arbeitet bei einer exakten Spektrallinie, so daß diese
Fehlerquelle immer Null sein wird.
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Das Lasersystem der vorliegenden Erfindung verwendet mehr
als ein Verstärkungsmedium, so daß das System nur bei
Frequenzen lasen kann, wo die Spektrallinien von den
verschiedenen Medien zufällig innerhalb einer Linienbreite
überlappen. Die vielversprechendsten Medien sind von derselben
Art, aber aus verschiedenen Isotopen. Die Existenz von
Überlappungen wird von der Art des Lasers abhängen, den
verfügbaren Isotopen und der Linienbreite. Die
zusammenfallenden Linien müssen jede eine brauchbare Verstärkung
aufweisen, idealerweise von ungefähr demselben Wert oder
derselben Größe. Falls die Linien verschiedene Verstärkungen
aufweisen, kann die benötigte Verstärkungslänge minimiert
werden, indem man soviel als möglich von dem Medium mit
höherer Verstärkung verwendet, ohne daß es von allein last,
und dann das Medium mit niedrigerer Verstärkung hinzufügt.
Bei vielen Arten von Medien (jenen, bei denen die oberen
lasenden Zustände eine gemeinsame Manigfaltigkeit speisen)
ist es für die individuellen Medien tatsächlich nicht
notwendig, unterhalb der Schwelle zu sein. Die
zusammenfallenden Linien haben eine viel größere Gesamtverstärkung als
die nicht-zusammenfallenden Linien und werden folglich die
sein, die lasen.
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Bei Isotopensubstitution kann es in einigen Fällen
notwendig sein, separate Verstärkungsabschnitte für die
verschiedenen Isotopenspezies zu haben, so daß der Pumpmechanismus
auf die Erfordernisse der Isotope zugeschnitten werden
kann, oder anderweitig Isotopenaustausch zu verhindern.
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Es ist klar, daß die vorliegende Erfindung viele
verschiedene Arten von Lasern betrifft, obwohl die restliche
Beschreibung den Infrarot-Kohlendioxidlaser mit
Isotopensubstitution als ein Beispiel ihrer bevorzugten
Ausführungsform behandeln wird.
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Ein Kohlendioxid-Wellenleiterlaser arbeitet üblicherweise
bei einem Gasdruck von ungefähr 100 Torr, wobei die
Verstärkungslinienbreite auf eine Halbwertsbreite von ungefähr
600 MHz Druck-verbreitert ist. Folglich braucht man nur die
Isotopen-Spektrallinien zu lokalisieren, die innerhalb von
ungefähr 200 MHz voneinander zusammenfallen. Der Abstand
zwischen den Linien für eine Isotopenspezies beträgt
ungefähr 50 GHz. Da die Kohlendioxidmoleküle kontinuierlicher
Deassoziation und Reassoziation unterworfen sind, sollten,
falls ein tatsächliches Isotopengemisch anstatt separaten
Verstärkungsabschnitten verwendet wird, alle
Sauerstoffatome vom selben Isotop sein. Ansonsten wird das Phänomen der
Deassoziation/Assoziation Kohlendioxidmoleküle mit allen
möglichen Kombinationen von Sauerstoffisotopen erzeugen.
Falls genügend von diesen Molekülarten zusammenfallende
Spektrallinien aufweisen, können Sauerstoffisotopengemische
verwendet werden, aber solch eine Koinzidenz ist sehr
unwahrscheinlich. Moleküle mit verschiedenen
Sauerstoffisotopen können verwendet werden, falls sie physikalisch in
separate Verstärkungsabschnitte gebracht werden. Ebenfalls
wird ein Molekül mit zwei verschiedenen Isotopen auf
demselben Molekül in eine Mischung von Molekülen des selben
und verschiedenen Sauerstoffes reassoziieren.
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Kohlenstoff 12, 13 oder 14 kann in Verbindung mit
Sauerstoff 16, 17 oder 18 verwendet werden. Diese stellen neun
Molekülarten bereit, in denen die zwei Sauerstoffe vom
selben Isotop sind, und neun weitere Molekülarten mit
gemischten
Sauerstoffisotopen. Daten sind verfügbar, um nach
Koinzidenzen unter den regulären Bändern von neun von diesen
achtzehn möglichen Molekülen zu suchen, sieben mit
identischen Sauerstoffen und zwei mit gemischten Sauerstoffen.
Die neun Moleküle sind in der Tabelle von Fig. 1
identifiziert.
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Eine Suche nach Koinzidenzen ist durchgeführt worden mit
einer Einschränkung des J-Zustandes des unteren Niveaus des
Übergangs zwischen sechs und sechsunddreißig, so daß die
Spektrallinien annehmbare Verstärkungen aufweisen würden.
Fig. 2 zeigt eine Liste von allen Koinzidenzen innerhalb
von 300 MHz. Diese Liste könnte natürlich verlängert
werden, da mehr Daten verfügbar sind. Auch umfaßte die Suche
nach zusammenfallenden Spektrallinien innerhalb dieses
Bereichs nicht die Linien der "heißen" Banden und die Linien
der Bandengruppen, die in demselben spektralen Bereich
liegen.
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Die absoluten Frequenzdaten, die für die Tabelle von Fig. 2
verwendet wurden, wurden aus IEEE J. Quant. Elect. QE-2
(Feb. 1986), Seite 234, der Autoren L.C. Bradley, K.L.
Soohoo und C. Freed entnommen.
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Es sollte erkannt werden, daß in der vorliegenden Erfindung
nicht die Verwendung von Isotopen wichtig ist, sondern
vielmehr die Verwendung von Spektrallinien, die innerhalb
einer Betriebslinienbreite voneinander liegen. Isotope sind
nur eine geeignete Implementierung des Konzepts der
vorliegenden Erfindung. Wie in der Tabelle von Fig. 2 gezeigt,
funktionieren die Isotope in dem Kohlendioxidlasersystem,
obwohl geeignet, nicht allzu gut. Die beste Übereinstimmung
zuoberst der Tabelle erfordert, daß eins der Moleküle ein
Molekül mit gemischtem Sauerstoff ist. Wenn Moleküle mit
gemischtem Sauerstoff in einen Laser gebracht werden,
deassoziieren sie und reassoziieren, um eine Mischung von
Molekülen zu bilden, wie z. B. ¹&sup6;O¹²C¹&sup8;O in ungefähr 50% ¹&sup6;O¹²C¹&sup8;O,
25% ¹&sup6;O¹²C¹&sup6;O und 25% ¹&sup8;O¹²C¹&sup8;O. Diese Reassoziation ist
geeignet für den Fall einer Differenz von 3,49 MHz, da zwei der
drei resultierenden Moleküle involviert sind, aber P(6) ist
eine extrem schwache Linie, was dies eine schlechte Wahl
macht. Der Fall mit 9,87 MHz ist annehmbar, solange wie
zwei separate Verstärkungsmedien verwendet werden, so daß
die Kohlenstoffisotope nicht ausgetauscht werden, um
ebenfalls ¹&sup6;O¹²C¹&sup6;O und ¹&sup6;O¹²C¹&sup8;O zu bilden. Der Fall mit 24,05 MHz
hat die stärksten Linien, I-R (24) und I-P (27), aber er
verwendet ein Molekül mit gemischten Isotopen, ¹&sup6;O¹²C¹&sup8;O, das
reassoziieren wird. Der Fall mit 83,63 MHz ist
wahrscheinlich die beste Wahl, wenn zwei separate Verstärkungsmedien
verwendet werden, so daß überhaupt keine Reassoziationen
auftreten werden. Sowohl I-R (12) und I-R (18) weisen
ziemlich gute Verstärkungen auf, aber Sauerstoff 17 ist extrem
teuer.
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Folglich weist das vorliegende System einen herkömmlichen
Laser auf, der mit einer Einrichtung zum Modifizieren der
Verstärkung des Mediums anstatt zum Modifizieren des
Verlustes der Kavität ausgestattet ist. Das System wählt immer
dieselbe Spektrallinie aus und es gibt keine
Mehrdeutigkeiten in Bezug auf die Kenntnis, welche Linie ausgewählt
worden ist. Das System verwendet die Benutzung von mehr als
einer Art von Verstärkungsmedien innerhalb der
Laserkavität, derart, daß jedes Medium einen unterschiedlichen Satz
von Spektrallinienfrequenzen, bei denen es Verstärkung
aufweist, hervorruft, und es werden nur gelegentliche
Koinzidenzen dort auftreten, wo die Spektrallinien von zwei oder
mehr Medien innerhalb einer Linienbreite voneinander
zusammenfallen. Wo diese Koinzidenzen auftreten wird das System
lasen. Weiterhin wird in der bevorzugten Ausführungsform
dieselbe Art von Verstärkungsmedien verwendet, aber mit
verschiedenen Isotopen.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt das
Bereitstellen von mehr als einer Art von Verstärkungsmedien
innerhalb der Laserkavität und das Lasen von einer exakten
Spektrallinienfrequenz, bei der die Koinzidenz bzw. das
Zusammenfallen auftritt.
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Es wird von Fachleuten verstanden werden, daß verschiedene
Modifikationen, Änderungen, Ersetzungen, Veränderungen und
Variationen in Bezug auf die vorliegende Erfindung gemacht
werden können, ohne vom Anwendungsbereich der beigefügten
Ansprüche abzuweichen.