DE2415625A1 - Verfahren zur erhoehung des aufloesungsvermoegens - Google Patents

Verfahren zur erhoehung des aufloesungsvermoegens

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DE2415625A1
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resonator
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Description

Böblingen, den 29. März 19 74 pr-aa
Anmelderin: International Business Machines
Corporation, Armonk, N.Y. 10504
Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung Aktenzeichen der Anmelderin: SA 973 008
Verfahren zur Erhöhung des Auflösungsvermögens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung des Auflösungsvermögens beim Auslesen von Speichern, bei denen die Information durch Bereiche unterschlxedlicher Reflektivität dargestellt wird, mittels Laserstrahlen.
Auf dem Gebiete der Datenverarbeitung und Datenspeicherung gewinnen optische Speicher wegen ihrer relativen Einfachheit und ihrer außerordentlich hohen Speicherdichte zunehmend an Bedeutung. Es hat sich gezeigt, daß die bei einer immer weiteren Erhöhung der Speicherdichte entstehenden Schwierigkeiten nicht so sehr bei der Aufzeichnung als beim Abtasten des aufgezeichneten Speicherinhalts auftreten. Diese Erscheinung ist vor allem darauf zurückzuführen, daß die selbst bei Verwendung von Lasern unvermeidlicherweise auftretenden Beugungsscheibchen im allgemeinen größer sind als die kleinsten mit optischen Hilfsmitteln aufzeichenbaren Strukturen. Derartige Vorgänge finden beispielsweise bei einem optischen Speicher statt, bei dem die Information mit Hilfe eines zeilenweise über eine lichtempfindliche Schicht bewegten, zeitlich modulierten Laserstrahls aufgezeichnet und durch einen die mit in dieser Art erstellten Aufzeichnungen versehene Schicht zeilenweise abtastenden unmodulierten Laserstrahl ausgelesen wird. Beim Auslesen darf die Intensität des Laserstrahls einen bestimmten Schwellwert nicht überschreiten, damit eine Beeinflussung
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der die Aufzeichnung tragenden Schicht mit Sicherheit vermieden werden kann. Bekannte Verfahren zur optischen Speicherung beruhen beispielsweise auf der thermischen Umorientierung und Rückorientierung der Domänen einer ferromagnetischen Substanz oder auf der thermischen Kristallisation einer amorphen Substanz. In beiden Fällen gibt es genau definierte Schwellwerttemperaturen, bei denen die physikalischen Umwandlungen stattfinden, so daß es möglich ist, Informationsbits aufzuzeichnen, deren Durchmesser in der Speicherebene kleiner ist als die Halbwertbreite der Gauss'sehen Verteilung des aufzeichnenden Strahls. Beim Auslesen der Information gehen aber die durch den oben beschriebenen Tatbestand möglich werdenden hohen Aufzeichnungsdichten wieder verloren, da bei der Abtastung selbst eines verschwindend schmalen Bits das durch die Faltung eines Lichtstrahls mit Gauss'scher Verteilung mit einer ö-Funktion entstehende Profil eine Breite aufweist, die gleich der Breite des beugungsbegrenzten optischen Strahls ist.
Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren anzugeben, mit dessen Hilfe bei einem guten Signal/Rausverhältnis Aufzeichnungen gelesen werden können, deren Abstände kleiner als das durch die Gesetze der optischen Beugung bedingte Auflösungsvermögen sind.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren zur Erhöhung des Auflösungsvermögens beim Auslesen von optischen Speichern, bei denen die Information durch Bereiche unterschiedlicher Reflektivität dargestellt wird, mittels Laserstrahlen gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Pumpenergie des Lasers so unterhalb des Ansprechschwellwertes eingestellt wird, daß ein Senden nur bei Auftreffen des Strahls auf einen gut reflektierenden Speicherplatz einsetzt, daß der Strahl auf die jeweils auszulesenden Bereiche gerichtet und der dabei jeweils auftretende Anregungszustand des Lasers als Kriterium für den jeweils vorliegenden Speicherwert ermittelt wird.
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Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenergie eines in zwei Wellenlängenbereichen mit einem gemeinsamen Energieniveau sendenden Laser^ bei dem Senden im Bereich der eine niedrigere Güte erfordernden ersten Wellenlängen aufgrund der selektiven Reflektivität eines der Resonatorspiegel stattfindet, so eingestellt wird, daß beim Auftreffen des Strahls auf einen schlecht reflektierenden Speicherbereich das Senden im ersten Wellenlängenbereich unverändert aufrechterhalten wird, während beim Auftreffen des Strahls auf einen gut reflektierenden Speicherbereich die Güte des Resonators so erhöht wird, daß Senden im Bereich der eine höhere Güte erforderlichen Wellenlänge einsetzt, durch die das Senden im Bereich der ersten Wellenlänge unterdrückt wird, und daß die beim Abtasten eines Speicherbereichs sich einstellende Wellenlänge als Kriterium für den jweils gespeicherten Wert ermittelt wird.
Die Erfindung wird anschließend anhand der Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Erläuterung
des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 Kurven zur Veranschaulichung des Auflösungsvermögens des vorliegenden Verfahrens,
Fig. 3 Kurven zur Veranschaulichung des Auflösungsvermögens bei bekannten Verfahren und beim erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. 4 eine weitere Darstellung zur Veranschaulichung
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die Erfindung wird in Zusammenhang mit einer besonderen Art von als amorphe Halbleiter bekannten Substanzen erläutert. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Rückwirkung der beiden binären Zustände des Speichermediums zur nichtlinearen Beeinflussung der Leistungsabgabe des die Auslesung bewirkenden Lasers verwendet. Zu diesem Zweck wird das Arbeitsniveau eines Lasers so eingestellt, daß die Rückwirkung des einen Informationszustandes ins Resonatorinnere den Laser über einen Schwellwert bringt, während die Rückwirkung des anderen Informationszustandes nicht genügt, um den Anregungszustand des Lasers über den besagten Schwell·«-.. wert anzuheben. Somit wird das Auslesen selbst ein Schwellwertprozeß un^ ermöglicht im optischen Speicher eine sogenannte Superauf lösung, d.h. ein überschreiten des durch die Beugungserscheinungen begrenzten Auflösungsvermögens optischer Systeme.
GaAs-Laser haben, ebenso wie andere Halbleiterlaser gegenüber anderen Lasern, eine Reihe von Vorteilen. Die Schwellwertstromdichte eines GaAs-Lasers kann, wie sich aus der folgenden Gleichung ergibt, im großen umfang durch Änderung der Güte Q des Resonators, verändert werden.
th ao + "b + 1/Ä £n <R1R2^1/ (1)
tn cto + Oj3 + 1/Ä An (R1)
wobei R1 und R_ die Reflektivitäten der Resonatorflächen, £ die Resonatorlänge, α die energieunabhängigen Verluste der Resonators aufgrund von Streuung und der Absorption freier Träger und α' die Absorption aufgrund von Dotierungsschwanzbandverlusten ist. Für den zuletzt genannten Term gilt die Gleichung
ΔΕ/Ε
α1 = α, e , wobei E das Energieniveau im Leitungsband ist, von dem ein Sendeübergang (lasing transition) bei fehlender Rückkopplung zuerst beginnt und wobei ΔΕ die Verschiebung des Niveaus -als Folge der Verbesserung der Resonatorgüte Q ist.
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In Nichthalbleiter-Lasersystemen existiert der zweite Term der Gleichung (1) nicht. Bei einer Anwendung des Verfahrens auf solche Vorrichtungen würde man versuchen, nur den Effektivwert von R2 durch Rückwirkungsänderungen von den amorphen und kristallinen Zuständen des Materials zu verändern. R2 aber ist im allgemeinen bei Resonatoren mit hoher Güte Q hoch, während die absolute Reflektivitätsdifferenz zwischen den beiden Zuständen der Speiche^schicht höchstens 0,2 beträgt. Das hat zur Folge, daß selbst bei einem ursprünglichen Wert von R2 von nur 0,8, die durch die Rückwirkung verursachte Änderung AR2 nur in der Größenordnung von 0,01 oder 0,02 läge. Werden diese Werte gemäß Gleichung (1) in Schwellwertströme umgesetzt, ergibt sich ein Unterschied der durch die beiden Zustände bedingte Anregungsschwellwerte von weniger als 1 %. Gaslaser sind für das erfindungsgemäße Verfahren daher bei weitem weniger geeignet als GaAs-Laser.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung besteht aus einem GaAs-Laser 1, dessen Resonator von Flächen mit den Reflektivitäten R1 und R„ eingeschlossen ist. Der von diesem Laser erzeugte Strahl wird über Linsen 2 und 3 auf eine Fläche 4 fokussiert, auf der schematisch Bits 5, 6 und 7 als Flächen mit unterschiedlicher Reflektivität R angedeutet sind. Gemäß der gewählten Darstellungsweise weisen die mit 5 und 7 bezeichneten Bits eine höhere Reflektivität auf als das mit 6 bezeichnete Bit. Der Laser 1 ist eine Vorrichtung mit einem übergang zwischen gleichen Materialien, die bei 77 0K arbeitet, während die Speicherfläche aus einer TeGeAs-Schicht mit der Zusammensetzung Te„ noGe~ ^oAs^ ^1- besteht, deren Reflektivität, die in Fig. 1
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durch den Pfeil R und die unterschiedliche Profilhöhe angedeutet, verschiedene Werte aufweist. Bei einer Erprobung des Verfahrens wurden, um eine Beobachtung der Vorgänge auf einen Fernsehmonitor zu ermöglichen, zusätzliche, jedoch an sich bekannte Komponenten verwendet, die eine Aufzeichnung von Punkten durch das Substrat der Schicht erforderlich machten. Bei dieser Vorrichtung wird die Rückkopplung um 0,33 verringert. Ein
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zusätzlicher Verlust von 0,67 wurde durch den zweimaligen Durchgang der Strahlen durch die relativ verlustreiche Optik verursacht. Auf diese Weise war im Vergleich zu einem ohne Rückkopplung auftretenden Normalwert von R„ von 0,33 die durch die Rückwirkung von einem sich in kristallinen Zustand befindlichen Speicherbereich erzeugte effektive Änderung der Reflektivität AR2 = 0,04. Setzt man aQ = 13 cm"1 und ab = 40 cm"1 und einen ebenfalls üblichen gemessenen Wert von 30 cm"1 für £~1, so ist die erwartete Änderung des Schwellwertes wegen des durch das kristalline Material eingeführten Ar nur gleich 0,03. Die gemessene Änderung des Schwellwertes ist aber 0,10, was bedeutet, daß die durch auf Dotierungsschwanzbandverlust beruhenden Absorptionsverschiebungen bedingte Änderung des zweiten Terms der Gleichung (1) den wesentlichen Beitrag bei der Änderung der Güte Q des GaAs-Laser-Resonators im Bereich des Schwellwerts liefert. Durch diese Stärkung des Rückkopplungseffektes, durch die eine ausreichende Schwellwertdifferenz durch die Rückwirkung der beiden Zustände des Speichermaterials (annähernd 5 %) erzeugt wird, wird das erfindungsgemäße Verfahren funktionsfähig.
Ein weiterer Vorteil des GaAs-Lasers im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren besteht darin, daß es wegen seiner relativ geringen Güte Q relativ stabil und unempfindlich gegen kleine Änderungen der Rückkopplungs-Weglänge ist und daher keine besonderen Vorkehrungen zur Vermeidung kleiner mechanischen Veränderungen erforderlich sind.
Das TeGeAs-Speichermedium wurde im kristallinen Zustand hergestellt und ein umgekehrtes Modenschreibverfahren verwendet. Die in der Speicherebene gemessene Halbwertsbreite des GaAs-Lasers war 2,5 μ und die Größe der in den amorphen Zustand überführten Punkte der Schicht kleiner als 2,0 μια. Es wurden Paare derartiger in den amorphen Zustand überführter Punkte aufgezeichnet, wobei die einen kristallinen Zustand der Schicht umfassenden Abstände zwischen diesen Punkten als der veränderliche Parameter verwendet wurden. Diese Bitmuster wurden dann mit einem Laser
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einmal nach dem herkömmlichen Verfahren und einmal nach dem Schwellwertverfahren ausgelesen. Beim herkömmlichen Abtastverfahren wurde der Laser entweder unterhalb oder wesentlich oberhalb des Schwellwertes betrieben. Bei Verkleinerung der Abstände zwischen den besagten Punkten wird die bei Anwendung des herkömmlichen Abtastverfahrens erzielte Modulationstiefe immer kleiner und erreicht schließlich, wie in Fig. 2a dargestellt, einen Punkt, in dem die anspruchslose RayIeigh-Bedingung für die Auflösung zweier Punkte nicht mehr erfüllt wird. Die Modulationstiefe ist in diesem Fall etwa 7 %. Bei Anwendung des Schwellwertverfahrens wird jedoch eine Modulationstiefe von 60 % erreicht, so daß, wie in Fig. 2b dargestellt, die Punkte deutlich aufgelöst werden. Aus diesen Versuchen ergibt sich die Überlegenheit der Auflösung bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, wird bei der Abtastung nach dem Schwellwertverfahren eine Erhöhung der Moduluationstiefe für alle Abstände zwischen einem Punktepaar erreicht, bei denen mit herkömmlichen Abtastverfahren Modulationstiefen von weniger als 100 % auftreten. Je nach der Definition für das Vorliegen der Auflösung von Bitpunkten kann die maximale Speicherdichte um 50 bis 100 % verbessert werden.
Wird der Abstand zwischen den im amorphen Zustand befindlichen Punktpaaren weiter verkleinert, so tritt schließlich ein Zustand ein, bei dem die durch die Beugung an Punkten mit einem kleineren Durchmesser als der Durchmesser des Abtaststrahls auftretenden Verluste die Rückkopplung auf ein nicht mehr ausnutzbares Niveau senken. Im vorliegenden Fall wurde dieser Zustand erreicht, wenn die kristallinen Bereiche zwischen den Punkten enger als 1 ym wurden. Es ist allerdings möglich, das Verfahren in verschiedener Hinsicht zu verbessern. Bei Verwendung einer oberflächenvergüterten Optik und mit einem auf die Luftgrenzschicht auffallenden Strahl kann die den beiden Zuständen des Speichermaterials zugeordnete Schwellwertdifferenz bis auf 0,1 oder sogar 0,15 vergrößert werden. Eine weitere Verbesserung des Verfahrens kann dadurch erreicht werden, daß Laserstrahlen mit möglichst einheit-
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licher Energieverteilung verwendet werden, durch die die Speicherschicht im gesamten Bereich des Lichtfeldes in den amorphen Zustand überführt wird. Wird die Gleichmäßigkeit der Energieverteilung verbessert oder wird nur ein Teil des abgebildeten Übergangs ausgenützt, so können äußerst klare und gut aufgelöste Punkte erzielt werden. Werden Laser mit übergängen zwischen gleichen Materialien, sogenannte HomoÜbergänge, verwendet, die sehr schmale aktive Bereiche haben, so können schmälere Gauss'sehe Intensitätsverteilungen des Strahls erreicht werden. Jede dieser Maßnahmen verbessert das Verfahren und ermöglicht höhere Bitdichten. Das beschriebene Verfahren kann daher als ein Verfahren zum Auslesen mittels Lichtstrahlen zur optischen Auflösung von Informationen beschrieben werden, die in einer Speicherschicht als Bereiche unterschiedlicher Reflektivität dargestellt sind. Das Verfahren enthält folgende Schritte:
1. Ein von einem unterhalb seines Anregungsschwellwertes betriebenen Laser ausgehender Lichtstrahl wird auf eine Oberfläche gerichtet, die mindestens zwei Bereiche unterschiedlicher Reflektivität aufweist, wobei der Laserstrahl derartig auf di« Speicherfläche ausgerichtet wird, daß das auf die Fläche auffallende Licht in den Laser zurückreflektiert wird,
2. die Pumpenergie des Lasers wird so eingestellt, daß die Summe des erzeugten Lichtes und des von den beaufschlagten Bereich reflektierten Lichtes nur dann höher als der besagte Schwellwert ist und somit ein Senden des Lasers bewirkt, wenn ein Bereich höherer Reflektivität abgetastet
3. daß man die Unterschiede der Ausgangsleistung des Lasers im sendenden und im nichtsendenden Zustand feststellt und als Kriterium für die in den abgetasteten Bereichen gespeicherte Information verwendet.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit möglich. Muster aufzulösen, die unterhalb des optischen Auflösungsvermögens des verwendeten optischen Systems liegen.
Es ist aber auch möglich, Laser zu verwenden, bei denen zwei übergänge mit weitgehend unterschiedlicher Energie und Güte oder Verstärkung ein Energieniveau gemeinsam haben, wobei der schwächere dieser übergänge durch Erhöhung der Güte Q für den stärkeren übergang über einen bestimmten Schwellwert abgeschaltet werden kann. Geeignete Übergangspaare sind die den 0,63 ym- und 3,39 \im-Linien eines HeNe-Lasers und die den 0.615 ym- und 1,115 nm-Linien eines Hg -Lasers entsprechenden übergänge. In diesem Fall ist der Spiegel 1 als hochreflektierender Breitbandspiegel und der Spiegel 2 als mäßig reflektierender Schmalbandspiegel ausgebildet, der im Bereich des sichtbaren Spektrums eine mäßige und im Bereich des Infrarotspektrums eine niedrige Reflektivität aufweist, wobei die Speicherschicht den Resonator für die im Infrarotbereich liegende Wellenlängen ergänzt. Das Detektorfenster des Lasers läßt ausschließlich im sichtbaren Bereich liegende Strahlung durch. Eine derartige Vorrichtung wird in Fig. 4 dargestellt, άχα einen Laser 50 mit einem Spiegel 51 hoher Reflektivität und einen Spiegel 52 aufweist, der für den Infrarotbereich liegende Strahlung ein*» schlechte Reflektivität und für im sichtbaren Bereich liegende Strahlung eine mäßige Reflektivität aufweist. Die Anordnung ist so getroffen, daß Strahlung 53 zur Fläche 54 eines Speichermediums 55 übertragen wird, das Bereiche hoher Reflektivität 56 und Bereiche schlechter Reflektivität 57 aufweist. Wird ein Bereich hoher Reflektivität 56 abgetastet, so gelangt so viel reflektierte Strahlung zurück in den Resonator 58 des Lasers 50, daß ein Senden im Bereich der Wellenlängen mit hoher Verstärkung einsetzt, wodurch das Senden in den Bereichen der Wellenlängen mit niedrigen Verstärkung unterdrückt wird. Mit Hilfe eines Wellenlängendetektors 59, der in der Nähe des Lasers 50 angeordnet wird, kann das Auftreten von Strahlung mit langen oder kurzen Wellenlängen festgestellt werden. Es hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, das Vorliegen von
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Strahlung mit langen Wellenlängen als Äbtastkriterium zu verwenden. Das beschriebene Lichtstrahl-Abtastverfahren kann somit durch folgende Schritte charakterisiert werden:
1. Ein Laser, der in zwei Wellenlängenbereichen mit einem gemeinsamen Energieniveau sendet und bei dem die Wellenlänge mit der niedrigeren Verstärkung aufgrund der selektiven Reflektivität eines der Resonatorspiegel angeregt wird, erzeugt einen Strahl, der durch diesen Spiegel auf eine Bereiche unterschiedlicher Reflektivität aufweisende Speicherfläche gerichtet wird, die so in Bezug auf den Laser ausgerichtet ist, daß das auf sie auftreffende Licht in den Laser zurückreflektiert wird,
2. das Pumpenergrenxveau des Lasers wird so eingestellt, daß nur die von einem Bereich hoher Reflektivität reflektierte Strahlung die einer höheren Verstärkung oder Güte zugeordnete Strahlung auf ein Anregungsniveau hebt, wobei die einer niedrigeren Verstärkung zugeordnete Wellenlänge unterdrückt wird und
3. Feststellung der Sendewellenlänge des Lasers als Kriterium für die jeweils abgetasteten Informationen.
Als besonders vorteilhaft zur Durchführung dieses Verfahrens haben sich HeNe oder Hg+-Gaslaser erwiesen. Die Reflektivität des Spiegels sollte so gewählt werden, daß sie für die einer geringeren Güte zugeordnete Wellenlänge kürzer ist als für eine einer höheren Güte zugeordnete Wellenlänge. Die Wellenlängendetektoren sollten vorzugsweise auf die einer niedrigeren Verstärkung zugeordnete Wellenlängen abgestimmt sein.
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Claims (7)

  1. PATENTANSPRÜCHE
    CU'' Verfahren zur Erhöhung des Auflösungsvermögens beim Auslesen von optischen Speichern, bei denen die Information durch Bereiche unterschiedlicher Reflektivität dargestellt wird, mittels Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenergie des Lasers so unterhalb des Ansprechschwellwertes eingestellt wird, daß das Senden nur bei Auftreffen des Laserstrahls auf einen gut reflektierenden Speicherbereich einsetzt, daß der Strahl auf die jeweils auszulesenden Bereiche gerichtet und der dabei jeweils entstehende Anregungszustand des Lasers als Kriterium für den jeweils vorliegenden Speicherinhalt ermittelt wird.
  2. 2. Verfahren zur Erhöhung des Auflösungsvermögens beim Auslesen von optischen Speichern, bei denen die Information durch Bereiche unterschiedlicher Reflektivität dargestellt wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpenergie eines in zwei Wellenlängenbereichen mit einem gemeinsamen Energieniveau sendenden Laser5·, bei dem Senden im Bereich der eine niedrigere Güte erfordernden ersten Wellenlänge aufgrund der selektiven Reflektivität eines der Resonatorspiegel stattfindet, so eingestellt wird, daß beim Auftreffen des Strahls auf einen schlecht reflektierenden Speicherbereich das Senden im ersten Wellenlängenbereich unverändert aufrechterhalten wird, während beim Auftreffen des Strahls auf einen gut reflektierenden Bereich die Güte des Resonators so erhöht wird, daß Senden im Bereich der eine höhere Güte erforderlichen Wellenlänge einsetzt, durch die das Senden im Bereich der ersten Wellenlänge unterdrückt wird, und daß die beim Abtasten eines Speicherbereichs sich einstellende Wellenlänge als Kriterium des jeweils gespeicherten Wertes ermittelt wird.
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  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Halbleiterlasers.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verwendung eines GaAs-Lasers.
  5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Laserresonators mit einer Fläche, deren Reflektivität kleiner als 0,5 ist.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
    der Laser als HeNe oder Hg Laser ausgebildet ist.
  7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektivität des Spiegels höher ist für eine einer
    niedrigen Güte zugeordnete Wellenlänge als für eine
    einer hohen Güte zugeordnete Wellenlänge.
    SA 973 008
    409842/0845
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