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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Erzeugen einer gut
definierten Strahlverteilung über
eine Fläche
oder in einem Volumen mittels eines optischen Beugungselements.
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STAND DER
TECHNIK
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Bekanntlich
ist die räumliche
und zeitliche Kohärenz
der von Lasern ausgehenden Strahlung viel Höher als die der Strahlung von "normalen" Wärmestrahlungsquellen
(wie zum Beispiel gewöhnlichen
Glühlampen).
Diese Merkmale eines Laserstrahls sind sehr wertvoll und bedeuteten,
dass in späteren
Jahren optische Techniken neue Einsatzbereiche gefunden haben, die
für die
Gesellschaft wichtig sind, zum Beispiel über die CD-Technik. Innerhalb des
sichtbaren Spektralbereichs des elektromagnetischen Spektrums, zeigen
insbesondere Gaslaser wie zum Beispiel die allgemein bekannten HeNe-
und Argon-Ionen-Laser eine sehr gute räumliche Kohärenz und weist die Strahlbreite
von diesen Lasern eine rotationssymmetrische Gauß'sche Verteilung, bei ihnen sind die
Wellenfronten gleichförmig
(eben oder sphärisch)
und frei von Astigmatismus. Derartige gut definierte Strahlcharakteristika
sind zum Beispiel dann sehr wertvoll, wenn Gaslaser zusammen mit
optischen Beugungselementen (DOE-Elementen) wie zum Beispiel Kinoform-Elementen
eingesetzt werden. Für
einen idealen Betrieb muss der Strahl, der zu dem Kinoform-Element
hin einfällt,
gut definiert und bekannt sein.
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Ein
weiterer Lasertyp ist ein Halbleiterlaser (bzw. Diodenlaser), der
wegen seiner geringen Größe, seiner
Modulationsfähigkeit,
seines geringen Energieverbrauchs und seiner Langlebigkeit sehr
interessant ist. Er kommt in mehreren Einsatzbereichen zum Einsatz,
bei denen diese Merkmale benötigt werden.
Es gibt jedoch viele Einsatzgebiete, bei denen Diodenlaser einsetzen
möchte,
wo heute Gaslaser zum Einsatz kommen. Der Grund, aus dem man nicht
auf einen Diodenlaser übergeht,
ist die schlechte Strahlgüte,
die elliptische Form bei Astigmatismus und die unbestimmte Intensitätsverteilung
quer zum Strahl der Diodenlaser. In vielen Fällen ist der Diodenlaser zum
Einsatz in Verbindung mit optischen Beugungselementen ideal. Dies
gilt insbesondere für die
kleine Baugröße, wodurch
es möglich
wird, ein DOE-Element mit einem Diodenlaser in kleinen und kompakten
Einheiten zu kombinieren. Die Strahlgüte der Diodenlaser ist jedoch
nicht ideal für
den Einsatz in Verbindung mit einem DOE-Element. Die vorliegende
Erfindung stellt eine ideale Funktion des Diodenlasers sicher, zunächst durch
Verbesserung der Strahlgüte
und dann kann der Strahl das optische Beugungselement bestrahlen.
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Die
Konformität
zwischen dem Strahl, der tatsächlich
aus dem Kinoform-Element
austritt, und dem Strahl, von dem zum Zeitpunkt der Auslegung des
Kinoform-Elements angenommen wird, dass er dieses verlässt, hängt davon
ab, wie gut der auf dem Kinoform-Element auftreffende Strahl in
seiner Form mit dem Strahl zusammenfällt, von dem angenommen wird,
dass er über
seine Auslegung auf das Kinoform-Element auftrifft. Ein gut definierter
Strahl, der auf dem Kinoform-Element auftrifft, stellt infolgedessen
eine Voraussetzung für
einen gut definierten Ausgangsstrahl und somit eine grundlegende
wichtige Voraussetzung dafür
darstellt, von dem Kinoform-Element aus eine hohe Strahlgüte zu erreichen. Ein
Beispiel für
ein optisches Beugungselement, das die Bestrahlung mit sehr hoher
Strahlqualität
erfordert, ist ein Kinoform-Element,
das zu Strahlformungszwecken ausgebildet ist. Ein Kinoform-Element
besteht aus einer durchscheinenden Platte, vorzugsweise aus Kunststoff
oder Glas. Die Lichtphase, welche durch die Platte hindurch tritt,
verändert
sich über
den Querschnitt in einer Weise, die zuvor in einem Computer be rechnet
wurde. Die Phasenbewegung wird mit Hilfe entsprechender Veränderungen
im Brechungsindex der Platte oder dadurch herbeigeführt, dass
auf einer Seite der Platte ein flaches Flächenrelief mit einer Stärke von
etwa 1 μm
aufgebracht wird. Das Kinoform-Element nutzt das Licht bis zu 90%
aus, was in dem Fall wichtig ist, in dem die Lichtwirkung nur mäßig ist
und beispielsweise einige mW beträgt. Dabei wird in einem normalen
Produktionsverfahren mit Hilfe eines Elektronenstrahls oder durch
Laser-Lithographie das Original eines Reliefs hergestellt, woraufhin
dann eine erste „Matrize" aus Metall gefertigt
wird. Letztere wird dann dazu verwendet, das Reliefmuster auf den
Reliefträger „aufzudrucken".
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Es
gibt viele Möglichkeiten
zur Verbesserung der Qualität
eines Laserstrahls, beispielsweise durch Filtern in unterschiedlicher
Weise, zum Beispiel durch Fokussieren durch eine kleine Blende (1–100 μm) oder mit
Hilfe einer Monomode-Faser. Je nach der Qualität des Laserstrahls kann eine
Filterung in unterschiedlichem Ausmaß erforderlich sein. Gaslaser
besitzen, wie bereits ausgeführt,
eine sehr hohe Strahlgüte,
wenn diese auch nicht ideal ist. Es gibt immer eine geringe Menge
an Setreulicht. Was benötigt
wird, ist eine gewisse Filterung, um die Qualität sicherzustellen, auch bei
einem Strahl aus einem Gaslaser, beispielsweise mit Hilfe einer
kleinen Blende. Diodenlaser besitzen eine viel schlechtere Strahlqualität, was eine
stärkere
Filterung erfordert, zum Beispiel mit Hilfe einer Monomode-Faser.
Ein Bauelement zum Filtern des Lichts eines Laserstrahls wird in der
Vorveröffentlichung
WO-A-9429762 beschrieben.
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Der
Vorteil des Einsatzes einer Monomode-Faser besteht darin, dass wahrscheinlich
der austretende Strahl bekannt ist, der mathematisch gut definiert
ist.
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Durch
die Filteranordnung kann das Kinoform-Element mit einem bekannten,
mathematisch auf einfache Weise beschreibenden Strahls bestrahlt werden.
Ein gut definierter Strahl mit einem Filter bietet außerdem den
Vorteil, dass sich die Berechnungen zum Zeitpunkt der Entwicklung
des Kinoform-Ele ments vereinfachen und dass die Notwendigkeit entfällt, den
auftreffenden Strahl vor der Auslegung des Kinoform-Elements zu
messen. Unter einem „gut
definierten Strahl" ist
hier zu verstehen, dass der Strahl im Wesentlichen einen Querschnitt mit
Gauß'scher rotationssymmetrischer
Intensität
besitzt, wenn die Wellenfront eben oder sphärisch ist.
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AUFGABE DER
ERFINDUNG UND DEREN MERKMALE
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Die
Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Anordnung
zum Erzeugen eines Laserstrahls mit wünschenswerter räumlicher Verteilung über eine
Fläche
oder in einem Volumen zu schaffen. Der Strahl tritt dabei aus einem
Laser aus, der selbst eine unzureichende Strahlqualität zur Bestrahlung
des optischen Beugungselements abgibt.
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Es
stellt ein nicht unbeträchtliches
Problem dar, eine Anordnung zur Montage einer Einrichtung zur Verbesserung
des Strahls eines Diodenlasers und eines optischen Beugungselements
zu schaffen, beispielsweise in der Art eines Kinoform-Elements zur
Strahlformung. Eine notwendige Annahme besteht darin, dass die vorgenannten
Bauelemente, die den Grundfunktionen entsprechen, in eine Stabile Einheit
integriert werden. Gleichzeitig muss das Bauteil stabil sein, müssen seine
Abmessungen klein gehalten werden, damit das gesamte Bauteil seinerseits
zum Einbau in ein Anwendungssystem geeignet ist, das über lange
Zeiträume
hinweg zuverlässig
und kontinuierlich arbeitet.
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Zum
Beispiel ist die Erfindung für
Einsatzbereiche in der Messtechnik vorgesehen. Mit dem erfindungsgemäßen Bauelement
lassen sich Muster beispielsweise in Form eines Kreuzes, einer Kreuzstrebe
oder von Ringen erzeugen, die für
Zeigegeräte geeignet
sind, zum Beispiel in Geräten
für Seminar-Workshops oder auf
dem Bau. Ähnliche
Anforderungen an Zeigegeräte
können
auch in der medizinischen Diagnostik angetroffen werden. Zur direkten Messung
eines gekrümmten
Objekts ist es möglich, eine
Abbildung desselben mit einer oder mehreren Beleuchtungslinien zu
erzeugen, die von dem Bau element erzeugt werden, und dann die Projektion
der Linie in der Wiedergabeebene zu untersuchen.
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Das
Bauelement kann auch ein Beleuchtungs-Rechteck mit einer gleichförmigeren
Intensitätsverteilung
erzeugen. Dies kann für
Messungen aller Art eingesetzt werden, zum Beispiel nach dem Schattenverfahren.
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Ebenso
ist es möglich,
unter Verwendung des Bauelements sehr komplizierte Muster zu entwickeln,
zum Beispiel Schriftzüge
und Warenzeichen.
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Damit
die Bauelemente bei vielen Einsatzgebieten verwendbar sind, zum
Beispiel zur Bereitstellung einer Querschnittsverteilung des erzeugten Strahls
von der Art eines „oben
sitzenden Huts",
werden sie in der Vorrichtung ausgerichtet und mit sehr hoher Präzision im
Wesentlichen dauerhaft befestigt. Die Genauigkeit bei der Montage
sollte in seitlicher Richtung im Bereich von 2–5 μm liegen, doch ist auch hohe
Präzision
in der Längsrichtung
und bei Drehung erforderlich, d.h. in der Ausrichtung eines Bauelements.
Die beträchtliche
Präzision
in der Montage zur Erzielung einer größtmöglichen Intensität ist bei
dem aus dem Bauelement austretenden Strahl erforderlich, damit man
eine ideale Filterfunktion erzielt, um so zu der gewünschten
Strahlverteilung durch Bestrahlung des optischen Beugungselements
zu gelangen, wobei letzteres an einer vorgegebenen Position in dem
Beleuchtungskegel korrekt platziert sein muss.
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Andere
Anwendungsmöglichkeiten
wie zum Beispiel die Mustererzeugung mit einem Kinoform-Element
setzen keine Ausrichtung und Positionierung der Bauelemente an den
vorausberechneten Positionen in der Vorrichtung voraus.
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Die Überwachung
darauf, dass schädliche Reflexe
und Streustrahlen in der Vorrichtung nicht auftreten, ist genauso
wichtig wie die Erfüllung
der Anforderungen hinsichtlich der Stabilität und der gleichförmigen Ausrichtung.
Dies kann unmöglich
erreicht werden, wenn sich die verschiedenen Funktionen des Bauteils
in getrennten Einheiten befinden. Dies kann jedoch bei einer integrierten
Einheit dadurch erreicht werden, dass die reflektierenden Flächen be züglich des
Strahlengangs in der Vorrichtung gekippt oder schräg gestellt
werden und dass Bauelemente über
ein Medium, das zum Brechungsindex passt, zum Beispiel ein optischer
Zement, mit einander verbunden werden.
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Was
für die
Erfindung wesentlich ist, ist der Aspekt, dass die Bauelemente,
in welchen sich die Abläufe
zur Strahlerzeugung, zur Verbesserung der Strahlgüte und für die Strahlverteilung
abspielen, in einer gemeinsamen stabilen Einheit integriert und
mit einander koordiniert sind. Dies ist eine Voraussetzung für die Möglichkeit,
kritische Bauelemente ausrichten und sie dauerhaft an den zuvor
berechneten Positionen befestigen zu können und im Wesentlichen die
optische Interferenz durch Reflexe und Streustrahlung zu verringern.
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Die
vorgenannten Zielsetzungen werden mit einer Anordnung erreicht,
die in Anspruch 1 umrissen wird.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
besteht die Laserquelle aus einer Laserdiode, ist das hinsichtlich der
Modi selektive Filter eine optische Monomode-Faser, wohingegen das
optische Beugungselement ein Kinoform-Element ist.
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In
vielen Fällen
muss das optische Beugungselement ganz allgemein an einer vorbestimmten
Position in einem Strahlungsmodus und in einer vorgegebenen Ausrichtung
angeordnet werden, damit ein Oberflächenrelief senkrecht zur Achse
des Strahlmodus steht. Die erforderliche seitliche Schrägstellung
und die Winkelpräzession
stehen in direktem Zusammenhang mit der Größe des Laserstrahls, wenn dieser
auf das optische Beugungselement trifft. Die Abhängigkeit der Positionierung
von Temperaturschwankungen muss verringert werden.
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
sind das optische Beugungselement und das Fokussierelement in einem
optischen Beugungselement und/oder die Endflächen der Faser abgeschrägt.
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Bei
einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel weist
das Bauteil ein Gehäuse
auf, das mindestens eine Laserquelle und eine Koppeleinrichtung
aufweist, wobei eine Koppellinse gebildet wird, die zwischen der
Laserquelle und dem hinsichtlich der Modi selektiven Filter angeordnet
ist; ferner ist ein optisches Beugungselement vorgesehen, das zwischen dem
hinsichtlich der Modi selektiven Filter und einem Fokussierelement
angeordnet ist. Die Bauteile, Einrichtungen und Elemente sind in
einer gemeinsamen Einheit positioniert und befestigt und das hinsichtlich der
Modi selektive Filter ist so angeordnet, dass ein aus der Strahlquelle
austretender Strahl nach Durchtritt durch das hinsichtlich der Mode
selektive Filter im Wesentlichen in einem Modus vorliegt.
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Bei
einem noch anderen vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist das optische
Beugungselement mit seinem Träger
nach dem Index auf das hinsichtlich der Modi selektive Filter abgestimmt,
während die
Endflächen
der Fasern abgeschrägt
sind.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Nachstehend
wird nun die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben,
das in der beiliegenden Zeichnung dargestellt ist, wobei
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1 ein
Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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2 schematisch
und in weiteren Einzelheiten das Ausführungsbeispiel nach 1 darstellt, und
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3 eine
Zeichnung mit der Darstellung eines Ausführungsbeispiels der bevorzugten
Einheit ist.
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BESCHREIBUNG
DES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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1 stellt
ein Blockschaltbild einer Vorrichtung dar, welche einen Laserstrahl
mit einer gewünschten
räumlichen
Verteilung gemäß der vorliegenden
Erfindung erzeugt. Die Vorrichtung 10 besitzt drei Hauptteile:
eine Laserquelle 11, ein optisches Filter 12,
im Wesentlich ein hinsichtlich der Modi selektives Filter und eine
Einheit 13 zur Phasenbeeinflussung. Die Laser quelle 1 erzeugt
den Primärstrahl, das
hinsichtlich der Modi selektive Filter 12 wählt einen
Strahlmodus in dem erzeugten Primärstrahl aus und die Einheit 13 zur
Phasenbeeinflussung entscheidet über
die Phasenverteilung in einem Querschnitt des Strahls, der aus dem
optischen Beugungselement austritt.
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Das
Filterbauelement kann aus einer Reihe von Bauteilen bestehen, die
einen größeren Teil
der Energie der Laserdiode durch das Filter hindurch treten lassen
als ein einfacheres Filter mit einem Bauelement. Bei einer derartigen
Anordnung können
zum Beispiel Prismen, Linsen oder Kinoform-Elemente in unterschiedlichen
Ausbildungen und Kombinationen einbezogen werden. Ohne eine solche
Kombination aus Bauelementen beträgt im typischen Fall der Energieanteil,
welcher durch das Filter hindurchgeht, etwa 25 bis 30%. Dies wird
durch Verwendung einer Gruppe von Bauelementen noch erheblich verbessert.
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An
das optische Beugungselement angeschlossen ist ein Fokussier- bzw.
Kollimatorelement, das auch in der Neue des Beugungselements angeordnet
sein kann; hierbei handelt es sich normalerweise um eine Linse,
die zwischen der Filtervorrichtung und der optischen Beugungsplatte
oder in dem Strahlengang hinter der Platte positioniert werden kann.
Außerdem
lässt sich
die optische Beugefunktion durch eine Reliefschicht auf einer Fläche der
Linse in diese integrieren. Eine andere Alternative hierzu besteht
darin, dass man durch Berechnung eines Kinoform-Elements bei der
Auslegung die Fokussiereigenschaften erhält.
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Bei
dem in 2 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiel
weist eine Laserquelle 11 mindestens eine Laserdiode 14 auf,
die vorzugsweise von herkömmlicher
Bauart ist, und mindestens eine Koppeleinrichtung 15, beispielsweise
eine Koppellinse. Das hinsichtlich der Modi selektive Filter 12 umfasst
ein Lichtfilter, das bei diesem Ausführungsbeispiel aus mindestens
einer optischen Faser 16 besteht. Die Einheit 13 zur
Phasenbeeinflussung umfasst mindestens ein Kinoform-Element 17 und
ein Fokussierfilter 18.
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Die
Qualitätsverbesserung
entsprechend diesem Ausführungsbeispiel
wird mit Hilfe der Koppellinse 15 erreicht, welche den
(mit Pfeilen eingezeichneten) Strahl, der aus der Laserdiode 14 abgegeben
wird, in die optische Faser 16 fokussiert, welche vorzugsweise
eine Monomode-Faser ist. Nachdem der Strahl sich um eine entsprechende
Weglänge
in der Faser weiterbewegt hat, erhält man einen perfekten Strahl,
der aus der Faser austritt und keine elliptische Form und/oder Astigmatismus
aufweist, da die Faser 16 selbst einen ausgewählten Strahlungsmodus
besitzt. Reflexe von dem Faserende, das der Linse am nächsten liegt,
könnten
die Laserdiode leicht über
die Linse erreichen und Schwingungen in der Strahlung herbeiführen. Um
dies zu verhindern, ist die Fläche
des Faserendes abgeschrägt
und ist daran eine (hier nicht dargestellte) planparallele Glasplatte
im Index daran angepasst.
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Das
Strahlbündel,
das aus der Faser divergiert, setzt sich durch das Kinoform-Element 17 fort, das
quer zum Strahl angeordnet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich
bei dem Kinoform-Element um ein Relief, das – von der Faser aus gesehen – an der
Fläche
am entfernten Ende einer planparallelen Glasplatte angeordnet ist.
Das Relief wird unter Anpassung an die Divergenz des Strahls aus
der Faser und die Querschnittsgröße des Strahls an
dem Kinoform-Element so berechnet und hergestellt, dass zu dem aus
der Faser austretenden Strahl eine korrekte Phasenverteilung addiert
wird. Der Laserstrahl erhält
nach dem Durchtritt durch die Faser und das Kinoform-Element die Intensität und Phasenverteilung,
welche nach Umformung durch Beugung und Fokussierung die vorgegebene
Strahlverteilung ergeben. Außerdem
werden auf der Eingangsseite die Reflexe, welche den Diodenlaser
von der Austrittsfläche
der Fasre erreichen könnten, durch
Abschrägung
des Faserendes und durch Indexanpassung der Glasplatte verringert,
welche das Kinoform-Element zur Faser trägt.
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3 stellt
ein Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Baueinheit
dar. Das Bauteil 10 weist ein Gehäuse 19 auf, das mit
einem Anschlussende 20 und einem Strahlende 21 versehen
ist. Ein Kühlkörper 22 ist
dabei zur Ver stärkung
der Wärmeabführung von
der Laserdiode 14 vorgesehen. Das Gehäuse 19 weist zusätzliche
Halterungen 23–27 auf,
welche die eingeschlossenen Bauelemente abstützen, was bedeutet, dass die
Halterung 23 die Koppellinse 15 abstützt und
die Halterung 24 die Faser 16 trägt, während die
Halterung 26 das Kinoform-Element 17 abstützt und
die Halterung 27 die Fokussierlinse 18 trägt. Die
Kontaktelektroden 28 werden für den Betrieb des Diodenlasers 14 verwendet.
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Die
Faser 16 ist an jedem Ende jeweils mit Verschlusselementen 29 bzw. 30 versehen,
den so genannten Faserklemmen. Der Aufnahmebereich 23 ist
mit einem Teil 31 versehen, das sich zur Aufnahme der Klemme 29 und
zur Positionierung derselben relativ zur Linse 15 von diesem
Bereich aus erstreckt. Die andere Klemme 30 wird von der
Halterung 25 positioniert. Außerdem umfasst die Halterung 24,
welche die Faser 16 abstützt, eine Halterung 32,
welche die Faser in ihrer Position hält.
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Die
Kontaktelektroden 28 lassen sich mit einer Energiequelle
verbinden, welche die Laserdiode 14 mit Energie versorgt.
Bei einem Ausführungsbeispiel
kann eine Energiequelle beispielsweise eine Batterie sein, die im
Inneren des Gehäuses
angeordnet ist. Mindestens ein Ende des Gehäuses ist zur leichteren Montage
und Wartung lösbar
angeordnet.
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Das
Kinoform-Element mit dem Träger 26 muss
seitlich und unter einem Winkel mit einer Präzession positioniert werden,
die in direktem Zusammenhang mit der Größe des Laserstrahls beim Auftreffen
desselben auf das Kinoform-Element steht. Die Position muss dabei
von Temperaturschwankungen unabhängig
sein.
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Auch
wenn vorstehend nur ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt und beschrieben wurde, liegt es doch auf der Hand, dass im
Rahmen der beiliegenden Ansprüche
mehrere Veränderungen
und Modifizierungen möglich
sind.
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- 10
- Bauteil
- 11
- Laserquelle
- 12
- nach
Modi selektives Filter
- 13
- Einheit
zur Phasenbeeinflussung
- 14
- Diodenlaser
- 15
- Koppeleinrichtung
- 16
- Optische
Faser/Filter
- 17
- Kinoform-Element
- 18
- Fokussierlinse
- 19
- Gehäuse
- 20,
21
- Ende
- 22
- Kühlkörper
- 23–27
- Halterungen
- 28
- Kontaktelektroden
- 29,
30
- Faserklemmen
- 31
- Halterung
- 32
- Halterung