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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein das Gebiet der Resonatoranordnungen von gepumpten Lasern
und insbesondere deren mechanische Unterbringung.
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KURZE BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Eine Laser-Pumpkopf-Anordnung besteht üblicherweise
aus einem Laserresonanzhohlraum, der auf einer Wärmesenke angebracht ist, und
einer pumpenden Energiequelle, die auf einer anderen relativ großen Wärmesenke
angebracht ist. Optische Elemente sind auf zusätzlichen optischen Halterungen
angebracht und mit der Laser-Pumpkopf-Anordnung kombiniert, um eine
gepumpte Laser-Resonatoranordnung zu schaffen. Deshalb sind herkömmliche
gepumpte Laser-Resonatoranordnungen mit Diodenarray aus verschiedenen
separaten Teilsystemen aufgebaut, wobei jedes auf seiner eigenen
Halterung angebracht ist, die viele thermische Barrieren erzeugt
und zusätzliche
Kühlungssysteme
erfordert, was die momentan bekannten Systeme groß, schwer,
komplex, unflexibel und teuer macht.
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Ein solches System ist bspw. in
US 5,506,854 offenbart.
Eine weitere Laser-Pumpkopf-Anordnung ist in
US 5,561,684 offenbart. Beide Systeme
haben optische Wege, die sich entlang einer geraden Linie erstrecken.
Ferner offenbaren GB 2 087 136 A und
EP 0 610 935 A1 jeweils eine Laservorrichtung
mit einem Gehäuseblock.
Der Gehäuseblock
ist aus dem gleichen Material wie die optischen Elemente bzw. aus
einem Kunststoffmaterial hergestellt. Ferner ist aus
EP 0 272 912 A2 ein gepumpter Festkörper-Diodenlaser
mit einem miniaturisierten Q-Switch bekannt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine kompakte gepumpte Laser-Resonatoranordnung (Resonatoranordnung
eines gepumpten Lasers) und ein Verfahren zum Entwerfen und mechanischen
Unterbringen der Laser-Resonatorelemente der besagten kompakten
gepumpten Laser-Resonatoranordnung mit vielen Elementen, die in
einer monolithischen Blockhalterung integriert sind, die als Laserdioden-Wärmesenke,
Laser-Resonator-Hohlraumhalterung und als optische Bank dient.
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Eine Gesamtaufgabe der vorliegenden
Erfindung besteht darin, das Design einer gepumpten Laser-Resonatoranordnung
zu vereinfachen, während gleichzeitig
ein guter Wärmetransport,
eine gute Laserausgangseffizienz und eine gute Lebensdauer des Laserdiodenarrays
erzielt werden.
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Entsprechend einem speziellen Gesichtspunkt
erleichtert die vorliegende Erfindung eine miniaturisierte gepumpte
Laser-Resonatoranordnung, die
nur einen Halterungsblock für
alle ihre Elemente benutzt, die leicht zusammenzubauen ist, sehr
angenehm zu bedienen ist und auf unterschiedliche Bedürfnisse
und Verwendungen anpassbar ist, ohne extra Halterungsblöcke, Kühlsysteme,
Halterungsklammern und ähnliches,
wie sie in herkömmlichen
Systemen verwendet werden, zu benötigen.
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Ein anderer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Unterbringung einer gepumpten Laser-Resonatoranordnung,
wie sie in Anspruch 5 definiert ist. Insbesondere ein Verfahren
zum mechanischen Unterbringen, wie in Anspruch 6 definiert, um die
Größe der gepumpten
Laser-Resonatorelemente
zu minimieren, um damit eine relative kompakte gepumpte Laser-Resonatoranordnung
zu schaffen, die durch Bearbeiten einer monolithischen Block-Halterung
herstellbar ist, indem eine computergesteuerte Maschine zum Einsatz kommt,
um eine Vielzahl von Komponentenhalterungen mit im Wesentlichen
identischen Einstellungen und Toleranzen zu erzeugen, um den Laser-Resonator
selbst ausgerichtet zu halten.
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Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung
besteht darin, eine gepumpte Laser-Resonatoranordnung zu schaffen,
bei der alle Elemente oben auf der monolithischen Block-Halterung platziert
sind, der als Ersatz für
und in Funktion von einer Laserdioden-Wärmesenke, einer Laser-Resonator-Hohlraumhalterung
und einer optischen Bank dient. Der optische Laser-Hohlraum ist
vorzugsweise mit einer Vielzahl von Biegungen bzw. Umlenkungen versehen,
um die Größe der Anordnung
zu reduzieren, und die optischen Laser-Resonatorelemente umfassen
vorzugsweise Umlenkprismen oder Eckwürfel, einen Reflektor, einen
Rückreflektor
und einen optischen Hohlraum-Q-Switch.
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Noch ein weiterer Gesichtspunkt der
vorliegenden Erfindung besteht in einer miniaturisierten gepumpten
Laser-Resonatoranordnung
mit Diodenarray, die eine monolithische Miniatur-Block-Halterung
benutzt und ein Volumen kleiner als etwa 15 cm3 (1
Kubikinch) und Abmessungen vorzugsweise nicht größer als 30 mm × 25 mm × 13 mm
in metrischer Einheit und ein Gewicht kleiner als 56,7 g (2 Ounces) besitzt,
während
eine Laserleistung von mehr als 1 mJ bereitgestellt wird, so dass
eine miniaturisierte, hoch effiziente, gepumpte Laser-Resonatoranordnung
mit Diodenarray geschaffen wird, die eine sehr hohe Laser-Ausgangsenergie
in einem sehr kleinen physikalischen Volumen bereitstellt.
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Die vorgenannten und zusätzliche
Merkmale und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus der detaillierten
Beschreibung und den begleitenden gezeichneten Figuren, die nachfolgen.
In den Figuren und der Beschreibung kennzeichnen Bezugszeichen die
verschiedenen Merkmale der Erfindung, wobei durchweg in den gezeichneten
Figuren und der beschriebenen Beschreibung ähnliche Bezugszeichen ähnliche
Merkmale bezeichnen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine gepumpte Laser-Resonatoranordnung
mit Diodenarray entsprechend einer Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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2 ist
eine Draufsicht der in 1 dargestellten
gepumpten Laser-Resonatoranordnung mit Diodenarray.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht eines Laserstabs, eines Laserdiodenarrays
und optischer Elemente, die in der Anordnung, die in 1 dargestellt ist, verwendet
werden.
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4 ist
eine Explosionsdarstellung der in 1 dargestellten
gepumpten Laser-Resonatoranordnung mit Diodenarray und zeigt die
relative Platzierung aller optischen Elemente, die auf der monolithischen
Block-Halterung der gepumpten Laser-Resonatoranordnung angebracht sind.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
das Design und die mechanische Unterbringung eines Laser-Mediums,
einer Laser-Pump-Energiequelle,
optischer Laser-Resonatorelemente und ihrer Halterungen, um ein
kompaktes, häufig
miniaturisiertes System bereitzustellen, das für viele kommerzielle und militärische Laseranwendungen
geeignet ist. Laser-Resonatorkomponenten sind im Stand der Technik
gut bekannt und brauchen hier nicht im Detail beschrieben oder gezeigt
werden.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die eine gepumpte Laser-Resonatoranordnung 5 entsprechend
einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung zeigt. Die gepumpte
Laser-Resonatoranordnung 5 kann mittels einem Laserdiodenarray 8 gepumpt
werden und entsprechend einem anderen Gesichtspunkt der vorliegenden
Erfindung geschaffen werden, der ein Verfahren zum Entwurf und zur
mechanischen Unterbringung der gepumpten Laser-Resonatoranordnung 5 ist. Entsprechend
den Verfahrensgesichtspunkten der vorliegenden Erfindung werden
ein Laser-Pumpkopf 6, eine Pump-Energiequelle, wie bspw.
ein Laserdiodenarray 8, und die optischen Laser-Resonatorelemente
auf der gleichen monolithischen Block-Halterung kombiniert, um eine gepumpte
Laser-Resonatoranordnung 5 zu
schaffen. An Stelle der Verwendung eines Laserdiodenarrays 8 könnte ein
Laserstab 12 mit einer Blitzlampe oder einer anderen Energiequelle
gepumpt werden.
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Entsprechend einem anderen Gesichtspunkt der
vorliegenden Erfindung sind die gepumpten Laser-Resonatorkomponenten,
einschließlich
eines optischen Laser-Hohlraums (als Laserweg 11 dargestellt),
und die monolithische Block-Halterung 10 miniaturisierte
separate Halterungen. Für
diesen Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung, der die miniaturisierten
gepumpten Laser-Resonatoranordnungen betrifft, sollte die Laser-Pump-Energiequelle auf Grund
ihrer geringen Größe das Laserdiodenarray 8 sein.
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Wie in 1 dargestellt,
ist die monolithische Block-Halterung 10 eine
einfache Halterung, die alle Funktionen sonstiger separater Elemente,
wie Wärmesenke,
optischen Halterungen und Laser-Resonator-Hohlraumhalterung in einem
monolithischen gepumpten Laser-Resonatorblock kombiniert. Die monolithische
Block-Halterung 10 kann aus jedem metallischen Material
hergestellt sein, wie Kupfer, Aluminium, Magnesium oder Titan, das
gute Wärmeübertragung
erlaubt. Das Laserdiodenarray 8 ist direkt auf einer glatten
oberen Fläche
der monolithischen gepumpten Laser-Resonator-Blockhalterung 10 angebracht,
um einen Wärmefluss
von dem Laserdiodenübergang
zu der Basis der monolithischen gepumpten Laser-Resonator-Blockhalterung 10 zu ermöglichen.
Diese Anordnung verringert die Laserdiodenübergangstemperatur und erhöht damit
die Laserdiodenbetriebsdauer beträchtlich. Die vorliegende Erfindung
erlaubt die Anordnung von mehr als einem Laserdiodenarray 8 auf
der monolithischen gepumpten Laser-Resonator-Blockhalterung 10 in verschiedenen
Konfigurationsmodi, um höhere
Laserenergie bereitzustellen. Bspw. können die Laserdiodenarray-Balken 8 möglicherweise übereinander gestapelt
werden und deren Energie kann auf den Laserstab 12 fokussiert
werden, indem nicht gezeigte Fokussierungslinsen verwendet werden.
Die Laserdiodenarraybalken 8 können ebenfalls in einer Linie gestaffelt
sein, der Laser-Balken 12 muss dann aber länger gemacht
werden, was die Größe der gepumpten
Laser-Resonatoranordnung 5 erhöht.
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1 zeigt
auch einen Weg, die erforderliche Spannung zu dem Laserdiodenarray 8 bereitzustellen,
indem eine Diodenanode 14 und eine Diodenkathode 16 direkt
auf die monolithische Block-Halterung 10 und benachbart
zu dem Laserdiodenarray 8 platziert werden. Der Laserstab 12 wird neben
das Laserdiodenarray 8 platziert nahe der Mitte und der
oberen Fläche
der monolithischen Block-Halterung 10 und wird über eine
Laserstabklammer 18 an der gewünschten Stelle gehalten. Zusätzlich sind
zwei optische Elemente in 1 gezeigt,
ein erstes Umlenkprisma 22 und ein zweites Umlenkprisma 24,
um einen umgelenkten bzw. gefalteten optischen Laserweg 11 zu
schaffen. Prismen 22, 24 sind auf einer Seite
der monolithischen Block-Halterung 10 gegenüber der
Seite des Laserdiodenarrays 8 an gegenüber liegenden Enden des optischen
Laserwegs 11 platziert. An Stelle des ersten und des zweiten
Umlenkprismas 22, 24 können mehrere Spiegel verwendet
werden, was allerdings zusätzliche
Ausrichtungsprobleme und erhöhte
Kosten mit sich bringt. Wie gezeigt, ist das erste Umlenkprisma 22 in
Form eines Eckwürfelelements
ausgeführt und
das zweite Umlenkprisma 24 ist in Form eines Zweifachumlenkprismas
vorgesehen. Das zweite Umlenkprisma 24 kann weggelassen
werden, wobei in diesem Fall die Form der Anordnung 5 schmaler und
länger
mit nur zwei Umlenkungen bzw. Biegungen 40 wird.
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2 ist
eine Draufsicht der gepumpten Laser-Resonatoranordnung 5 mit Diodenarray,
die in 1 dargestellt
ist, wobei ein Befestigungsmittel (Klammer) 26 für das erste
Umlenkprisma (erstes Umlenkprismahalterungsmittel) und eine zweite
Halterung (Klammer) 28 für das zweite Umlenkprisma (zweites
Umlenkprismahalterungsmittel) zur Anbringung des ersten und des
zweiten Umlenkprismas 22, 24 gezeigt sind. Zusätzlich zeigt 2 die Positionen eines Q-Switches 30,
eines Rück-Reflektors 32 und eines
Rück-Reflektorhaltemittels
(Klammer) 34. Die Haltemittel für alle drei optischen Elemente,
das erste Umlenkprismahaltemittel 26, das zweite Umlenkprismahaltemittel 28 und
das Rück-Reflektorhaltemittel 34 sind
auf der monolithischen Block-Halterung 10 angebracht und
aus einem Federmaterial, wie bspw. Stahl, Beryllium, Kupfer, Phosphor
oder Bronze hergestellt, um die optischen Elemente zu halten, einschließlich des
ersten und des zweiten Umlenkprismas 22, 24, des
Q-Switches 30 und des Rück-Reflektors 32,
die an dem gleichen Ort festgeklemmt sind und deren Bewegung verhindern,
um den Laserstab 12 selbst-ausgerichtet zu halten. Darüber hinaus
sind die Haltemittel 26, 28 und 34 vorzugsweise
unter Verwendung einer Parallelbearbeitungstechnik hergestellt,
um die Laserstab-12-Ausrichtung zu erleichtern. Der Q-Switch 30 und
ein Reflektor 38 sind an einem Eingangsende des optischen
Laserwegs 11 angebracht und der Rück-Reflektor 32 ist
an einem Ausgangsende des optischen Laserwegs 11 angebracht.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht einer optischen gepumpten Laseranordnung 36,
die den Laserstab 12, das Laserdiodenarray 8 und
die Anordnung der optischen Elemente der vorliegenden Erfindung
zeigt, einschließlich
des ersten und des zweiten Umlenkprismas 22, 24,
des Q-Schalters 30 und des Rück-Reflektors 32, die zur Ausbildung
der gepumpten Laser-Resonatoranordnung 5,
die in 1 und 2 dargestellt ist, benutzt
werden. Zusätzlich
zeigt 3 den Reflektor 38 und
die einzigartige Form des optischen Laserwegs 11, der bei
einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung zwei parallele Ebenen besitzt,
sechs Mal umgelenkt bzw. gebogen ist und sieben optische Biegungen 40 besitzt,
um die körperliche
Länge der
gepumpten Laser-Resonatoranordnung 5 zu minimieren und
dennoch die erforderliche optische Länge des optischen Laserwegs 11 bereitzustellen.
Zusätzlich
ist es denkbar, dass zusätzliche optische
Elemente auf der gleichen monolithischen Block-Halterung 10 angebracht
werden, wie bspw. eine plankonvexe Linse, nicht gezeigt, die nach
dem Rück-Reflektor 32 hinzugefügt werden
kann, um, falls erforderlich, einen gebündelten Laserstrahl zu erzeugen.
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4 ist
eine Explosionsdarstellung der gepumpten Laser-Resonatoranordnung 5 mit Diodenarray,
die in 1 und 2 dargestellt ist, und die
die relative Platzierung aller ihrer optischen Elemente zeigt, die
auf der monolithischen Block-Halterung 10 der
gepumpten Laser-Resonatoranordnung angebracht sind. In der vorliegenden
Erfindung besitzt der Laserstab 12 zwei glatte, ebene,
parallele Flächen und
zwei konkave Flächen
entlang des optischen Laserwegs 11 und ist benachbart zu
dem Eingangsende des optischen Laserwegs 11 angebracht,
der an dem Q-Switch 30 und einem Reflektor 38 endet.
Die konkaven Flächen des
Laserstabs 12 sind mit dem geeigneten Material beschichtet,
um innere Reflexionen und eine Übertragung
von Laserenergie zu ermöglichen.
Allerdings können
statt dessen andere Laserstab-Typen
ohne konkave Flächen
verwendet werden, die zwei zusätzliche
konkave Reflektoren, bspw. einen konkaven Reflektor und einen Rück-Reflektor
benötigten,
die außerhalb
des Laserstabs 12 platziert sind.
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Die flachen Flächen des Laserstabs 12 der vorliegenden
Erfindung sind zwischen der ebenen, flachen, oberen Fläche der
monolithischen gepumpten Laser-Resonator-Block-Halterung 10 und
der unteren Fläche
der Laserstabklammer 18 bedeckt mit einer dünnen Indiumfolie 42 gesandwicht.
Dieses Design ermöglicht
die direkte Wärmeübertragung von
dem Laserstab 12 zu der monolithischen gepumpten Laser-Resonator-Block-Halterung 10 und der
Laserstabklammer 18. Zusätzlich hält die monolithische Block-Halterung 10 den
Laserstab 12 selbst ausgerichtet.
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Die dünne Indiumfolie 42 ist
etwa 0,127 mm (0,005 Inch) dick, weich und ändert ihre Dicke, wenn sie
zwischen dem Laserstab 12 und der Laserstabklammer 18 zusammengedrückt wird,
was hilft, den Laserstab 12 und das Laserdiodenarray 8 in
einer selbst ausgerichteten Position und innerhalb geforderter Toleranzen
zu halten. Die dünne
Indiumfolie 42 reduziert auch den thermischen Widerstand
zwischen dem Laserstab 12 und der Laserstabklammer 18 und
deshalb ist die Wärmeübertragung
des Laserstabs 12 sehr effizient. Eine zusätzliche
dünne Indiumfolie
könnte
auf der anderen Seite des Laserstabs 12 platziert sein,
um den Laserstab 12 gegen Überhitzung und Abnutzung zu
schützen.
Darüber
hinaus könnte
die Laserstabklammer 18 durch eine Federlast ersetzt werden,
die nicht gezeigt ist.
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In der vorliegenden Erfindung wird
das Laserdiodenarray 8 passiv und sehr effizient von der monolithischen
Block-Halterung 10 selbst
gekühlt, die
als Wärmesenke
benutzt wird, was bedeutet, dass keine zusätzlichen Kühlsysteme erforderlich sind.
Das Verfahren zur Anbringung des Laserdiodenarrays 8 direkt
auf der monolithischen Blockhalterung 10, die als Wärmesenke
agiert, reduziert in großem
Umfang den Wärmewiderstand
der gepumpten Laser-Resonatoranordnung 5, so dass die Kühlung des
Laserdiodenarrays 8 verbessert wird und die Effizienz und
die Lebensdauer des Laserdiodenarrays 8 erhöht wird.
Bei der vorliegenden Erfindung wird Wärme, die von dem Laserdiodenarray 8 abgegeben wird, über einen
sehr kurzen Wärmepfad
durch die monolithische Block-Halterung 10 übertragen,
die als Wärmesenke
dient, zu einer äußeren Haltefläche der monolithischen
Block-Halterung 10.
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Da eine passive Kühlung benutzt wird, besitzt
die gepumpte Laser-Resonatoranordnung 5 ein gleichmäßiges Pumpprofil
mit einem sehr kurzen Wärmewiderstandsweg,
und hält
die minimale Diodenübergangstemperatur.
Zusätzlich
liefert die monolithische Block-Halterung 10 direkte Befestigung des
Laserstabs 12 auf einer ebenen koplanaren Fläche der
monolithischen Block-Halterung 10,
um damit die Temperatur des Laserstabs 12 nieder und gleichmäßig zu halten.
Ferner liefert die monolithische Block-Halterung 10 eine
Selbstausrichtung des Laserstabs 12 auf Grund der Tatsache,
dass die ganze monolithische Block-Halterung 10 unter Verwendung
der gleichen Einstellung und unter Verwendung eines computergesteuerten,
numerisch gesteuerten Bearbeitungsprozesses bearbeitet werden kann,
der ein bevorzugtes Verfahren der vorliegenden Erfindung ist. Deshalb
sind alle erforderlichen Toleranzen bezüglich Parallelität, Rechtwinkligkeit
und Oberflächenprofilen,
die zum Halten des Laserstabs 12, des Q-Switch 30,
des Reflektors 38, des Rück-Reflektors 32 und der Umlenkprismen 22, 24 an
ihrem Platz benötigt
werden, die gleichen, und der Laserstab 12 wird ohne zusätzliche
Extrasysteme selbst ausgerichtet.
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Der gepumpte Laser-Resonator 5 mit
Diodenarray hat vorzugsweise ein Gewicht von weniger als 56,7 g
(2 Ounces), ein Volumen kleiner als 15 cm3 (1 Kubikinch)
und Abmessungen nicht größer als
etwa 30 mm × 25
mm × 13
mm, und liefert mehr als 1 mJ an Laserausgangsenergie. Kombiniert
man alle separaten Halterungen in einer Miniatur-Block-Halterung 10,
wird die Anzahl der Laserteile reduziert und es wird damit eine
leichtgewichtige, kleinvolumige, gepumpte Laser-Resonatoranordnung 5 mit
Diodenarray geschaffen, die in tragbaren Systemen wünschenswert
ist.
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Die miniaturisierte gepumpte Laser-Resonatoranordnung 5 mit
Diodenarray kann in verschiedenen Lasersystemen angewendet werden,
bei kommerziellen und militärischen
Anwendungen. Mögliche
kommerzielle Anwendungen umfassen Entfernungsmesser in Automobilen,
Erkennungs- und Kollisionsvermeidungssysteme und Gewehrzielvorrichtungen
und ähnliches,
die zum Erfassen der Zielentfernung bei der Polizeiarbeit oder einigen
Sportarten, wie Jagen, verwendet werden. Während diese Erfindung mit Bezug
auf die momentan bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurde,
ist deren Umfang nur insoweit beschränkt, wie er durch die nachfolgenden
Ansprüche
definiert ist.