DE102004051147A1

DE102004051147A1 - Verfahren und Einrichtung für einen passiven optischen Impulsvervielfacher zur Erzeugung einer Impulsfolge für ein scannendes Laserentfernungsmessgerät

Info

Publication number: DE102004051147A1
Application number: DE102004051147A
Authority: DE
Inventors: Uwe Illmann
Original assignee: Callidus Precision Systems GmbH
Current assignee: Callidus Precision Systems GmbH
Priority date: 2004-10-15
Filing date: 2004-10-15
Publication date: 2006-04-20
Also published as: EP2038678A1; WO2006042496A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung für einen passiven optischen Impulsvervielfacher zur Erzeugung einer Impulsfolge für ein Laserentfernungsmessgerät. DOLLAR A Ein gepulster Laser, insbesondere ein Mikrochiplaser (1), stellt eine gepulste Laserstrahlung bereit, die über mehrere Strahlteiler T¶1¶ (3) bzw. Strahlvereiniger/Strahlteiler T¶2¶ (4) sowie T¶3¶ (7) und mittels unterschiedlich langer optischer Weglängen s¶1¶...s¶5¶ so gewandelt wird, dass aus dem Originalimpuls (6) z. B. eine Impulsgruppe (5) entsteht. Der Impulsabstand innerhalb einer Impulsgruppe lässt sich sehr klein und genau einstellen, da herausgefunden wurde, dass die notwendigerweise herzustellenden unterschiedlichen optischen Weglängen mittels differenzierter Wicklungen auf Faserspulen realsisierbar sind. Die Frequenz der Impulsgruppen (5) bleibt gegenüber dem Originalimpuls (6) unverändert. DOLLAR A Die erfindungsgemäße Einrichtung benötigt nur wenige technische Elemente, die zudem hintereinander angeordnet sind, wie z. B. einen gepulsten Laser, insbesondere einen Mikrochiplaser (1), die Strahlteiler T¶1¶ (3) und T¶3¶ (7) und einen Strahlvereiniger T¶2¶ (4) und auf entsprechende Faserspulen unterschiedlich lang gewickelte Lichtleitkabel/-fasern (2). DOLLAR A Die Erfindung lässt sich bei optischen Entfernungsmessgeräten und auch in der Nachrichtentechnik verwenden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung für einen passiven optischen Impulsvervielfacher zur Erzeugung einer Impulsfolge für ein scannendes Laserentfernungsmessgerät.

Aus der Fachliteratur sind folgende Möglichkeiten der Erzeugung von Impulsfolgen auf der Basis von Laserstrahlung nutzenden optischen Messinstrumenten bekannt:

– Diodenlaser oder gütegeschaltete Festkörperlaser stellen selbst Impulsfolgen definierter Frequenz bereit. Dabei können die Impulse eines solchen gepulsten Lasers (pw-Laser) hinsichtlich der Impulsform durch aktive oder passive optische Elemente verändert werden. Derartige Elemente sind z. B. Faserverstärker oder sättigbare Absorber.
– In einem kontinuierlich strahlenden – z. B. cw-Laser – wird ein optischer Schalter integriert, wie etwa ein mechanischer Chutter oder ein elektrooptischer Modulator.

Wenn hohe Impulsfolgefrequenzen bei geringem Platzbedarf der Laserapparatur und zu niedrigen Betriebskosten realisiert werden sollen, dann wird meist auf gepulste Diodenlaser zurückgegriffen. Wenn jedoch gleichzeitig eine Impulsleistung im Bereich von mehreren Watt gefordert wird, dann sind mit den verwendeten Halbleiterlasern meist nur noch Impulsfolgefrequenzen im Kilohertzbereich realisierbar. Zur Erzeugung von Impulsfolgefrequenzen im Mega- bis Gigahertzbereich besteht nach bekanntem Stand der Technik z. Zt. die Möglichkeit, einen schnell pulsbaren Laser geringer Leistung einzusetzen und dann die Impulse nachzuverstärken z. B. mittels Faserverstärker.

In bekannten Messgeräten z.B. zur Landvermessung werden vorwiegend elektrooptische Elemente eingesetzt. Für Geräte hoher Genauigkeit werden zur Vermessung der Objekte modulierte Laserstrahlen verwendet. Bei dem dabei verwendeten Phasendifferenzverfahren wird ein Laserstrahl in seiner Intensität moduliert. Zur Wahrung der Eindeutigkeit der Messung erfolgt die Modulation mit verschiedenen Frequenzen. Zur Ermittlung der Wegstrecke wird der Laserstrahl auf das zu vermessende Objekt gerichtet und die vom Objekt reflektierte oder rückgestreute Strahlung von dem Empfänger des Messgerätes aufgenommen. Aus der Pha senverschiebung zwischen dem Modulationssignal der ausgesandten Laserstrahlung und dem empfangenen Signal lässt sich mit Hilfe der Lichtgeschwindigkeit die Objektentfernung berechnen.

Damit die Wegmessung genau werden kann, muss unter anderem die Modulationsfrequenz sehr stabil sein, da sie sich direkt auf das Messergebnis auswirkt. Kann die Kurzzeitstabilität nicht gewährleistet werden, bietet sich auch noch die Möglichkeit der Mittelung bzw. Filterung der Signale an, wodurch jedoch eine längere Messzeit erforderlich wird. Dies ist bei der einfachen Distanzmessung meist kein Problem, weil nur ein Punkt vermessen wird und selbst eine Messzeit von z.B. einer Sekunde akzeptabel ist.

Handelt es sich jedoch um ein scannendes Messsystem, ist die Möglichkeit nur beschränkt nutzbar. Daher ist es hierbei um so wichtiger, dass der ausgesandte Laserstrahl mit einer stabilen Frequenz, Impulsform und Intensität moduliert ist.

Wenn wie bei dieser Art an transportablen Messgeräten, Kosten, Platzbedarf, Masse und Energiebedarf eine wichtige Rolle bei der Wahl der Strahlquelle spielen, dann können fast ausschließlich nur Halbleiterlaser oder im höheren Preissegment diodengepumpte Festkörperlaser bzw. Microchiplaser verwendet werden.

Bekannte Verfahren zur Erzeugung eines stabilen modulierten Signals aus einem kontinuierlich strahlenden Laser (cw-Laser) und eines nachgeschalteten elektrooptischen Modulators, wie es in der Telekommunikationstechnik meist bei Übertragungsstrecken mit Datenraten ab 10 Gbit/s angewendet wird, sind dabei sehr kostenintensiv.

Wie dem vorbeschriebenen Stand der Technik somit zu entnehmen ist, sind keine Lösungen bekannt, mit deren Hilfe unter geringem technischen Aufwand Impulsfolgen z. B. für Lasermessgeräte bereitgestellt werden können, für die eine hohe Frequenz von Pulsfolgen und eine hohe Impulsleistung gefordert sind.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, nach einem Verfahren und einer geeigneten Einrichtung für einen passiven optischen Impulsvervielfacher zu suchen, wonach unter den Voraussetzungen einer zu fordernden stabilen Frequenz von Impulsfolgen bis zu 2500 MHz und einer erreichbaren mittleren Leistung bis zu 100 mW eine einfache mechanische, mit geringem technischen Aufwand herstellbare Einrichtung konzipierbar ist, die zur Nachrüstung bereits ausgelieferter Gerätetechnik geeignet bzw. von vornherein in zu fertigende Laserentfernungsmessgeräte integrierbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe wie folgt gelöst, wobei hinsichtlich der grundlegenden erfinderischen Gedanken auf den Patentanspruch 1 und 5 verwiesen wird.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung findet sich in den Ansprüchen 2 bis 5 sowie 6 bis 8.

Zur erfindungsgemäßen Lösung sollen weitere Erläuterungen folgen.

Verfahrensgemäß dient ein gepulster Laser, insbesondere ein Microchiplaser als Strahlungsquelle, der eine Impulsfrequenz von nur einigen Kilohertz liefern kann, jedoch eine hohe Impulsleistung besitzt. Diese unterschiedlichen Voraussetzungen reichen für eine schnelle Messung mittels des Phasendifferenzverfahrens aber nicht aus.

Daher werden in den Strahlengang des Laserstrahls, der bereits als ein gepulster vorliegt, in ein oder mehrfacher Anzahl, 50%-Strahlteiler und 50%-Strahlvereiniger gegeben. Diese lenken den ankommenden Laserimpuls optisch um und teilen ihn in 2 Strahlen mit gleichen Impulsen, jedoch stets folgender halber Impulsleistung auf. Die aus dem 1. Strahlteiler austretenden Impulse durchlaufen anschließend gewollt unterschiedliche optische Weglängen, um zeitversetzt in einen im Strahlengang folgenden Strahlvereiniger wieder zusammengeführt zu werden.

Letztgenannter Strahlvereiniger verhält sich analog, aber im umgekehrten Verhältnis, wie ein 50% Strahlteiler.

Durch den wie vorgenannt erzeugten optischen Weglängenunterschied entstehen sodann 2 Impulsgruppen 25%iger Leistung, bei gleicher Frequenz, gemessen am Originalimpuls, und bei gleicher Amplitude. Daran kann sich wiederum ein Strahlteiler anschließen, wobei vor dem die zu ihm gelangenden Impulsgruppen abermals unterschiedliche optische Weglängen durchlaufen. Die aus letzterem austretenden Laserstrahlen weisen eine nochmals verdoppelte Impulsfolge auf, bei weiterer sich verringernden Intensität der Leistung. Daraus lässt sich erkennen, dass der Impulsabstand innerhalb einer Impulsgruppe nur über die optische Weglängendifferenz der beiden Strahlengänge beeinflussbar ist. Der Impulsabstand lässt sich sehr klein und präzise einstellen, wodurch eine hohe stabile Folgefrequenz mit nahezu identischen Impulsen (Frequenz, Amplitude, Phasenlage) erreicht wird.

Die Abfolge der Teilung und Vereinigung eines Impulses und der daraus entstehender Impulsgruppen, kann unter Beachtung einer mit stets unterschiedlicher Weglängendifferenz, gleiche Impulsgruppen, enthaltene Strahlengänge bis zu dem Punkt fortgesetzt werden, an dem eine gewünschte Impulsfolge erreicht ist.

Die zur Durchführung des Verfahrens zu konzipierende Einrichtung eines passiven optischen Impulsvervielfachers bedient sich dabei des genannten gepulsten Lasers, insbesondere des Microchiplasers zur Erzeugung eines Laserstrahles. In seinem Strahlengang sind nachfolgend als solche zu bezeichnende 50%-Strahlteiler mit optischer Umlenkfunktion (um 90°) angeordnet, die abwechselnd als Strahlteiler und Strahlvereiniger wirken. Die als eine grundlegende Verfahrensbedingung zu realisierenden optischen Weglängendifferenzen nach einem Strahlteiler vor Eintritt in einen Strahlvereiniger können über unterschiedlich lange Wicklungen von verwendeten Lichtleitfasern/-kabeln hergestellt werden.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Dabei soll auf nachfolgende Figuren zurückgegriffen werden.

1: Schematische Darstellung des Verfahrensablaufes
2: Gegenüberstellung des Original-Laserimpulses zur 1. Strahlvereinigung in Abhängigkeit I = f(t)
Die verwendeten Bezugszeichen lauten:

1: Gepulster Laser, insbesondere Microchiplaser
2: Lichtleitkabel/-faser
3: Strahlteiler T₁
4: Strahlvereiniger/Strahlteiler T₂
5: Impulsgruppen
6: Impuls
7: Strahlvereiniger/Strahlteiler T₃
I: Intensität
t_P: Impulsbreite
s₁... s₅: optischer Weg
c_M: Lichtgeschwindigkeit im Medium
T_I: Periodendauer der Impulsfolgefrequenz
f: Impulsfolgefrequenz

Ein gepulster Laser, insbesondere ein Microchiplaser 1 mit einer Leistung von beispielsweise 100 mW sendet einen gepulsten Laserstrahl mit der Frequenz des Impulses 6 aus, wobei dieser einen definierten optischen Weg mittels z. B. eines/einer Lichtleitkabels/-faser 2 durchläuft. Dieser Impuls 6 gelangt in einen ersten Strahlteiler T₁, 3, der als optisches Element ein Strahlteilerwürfel sein kann und eine Umlenkfunktion von 90° erfüllt.
Die daraus austretenden Laserimpulse weisen jetzt noch die halbe Leistung des Originalimpulses auf und sie werden zwangsweise zeitverzögert – durch die unterschiedlichen optischen Weglängen s₄ und s₃ – zum nachfolgenden Strahlvereiniger/Strahlteiler T₂ 4 geführt. Aus dieser Vereinigung heraus resultieren statt des Originalimpulses Impulsgruppen mit nochmaliger Halbierung der ursprünglichen Laserleistung. Sie werden abermals über die unterschiedlich langen optischen Wege s₄ und s₅ in einem weiteren Strahlvereiniger/Strahlteiler T₃ 7 geleitet, wonach eine weitere Verdopplung der Impulsgruppen mit gleicher Frequenz, gemessen am Originalimpuls, erzielt wird.
Die Teilung und Vereinigung kann durch die Aneinanderreihung von Strahlteilern T₁ 3 bzw. Strahlvereinigern/Strahlteilern T₂ 4 und T₃ 7 so oft fortgesetzt werden, bis die gewünschte, stabile herstellbare Folge von Impulsgruppen in der Frequenz des Originalimpulses erreicht ist.
Der schematische Ablauf des Verfahrens ist nach 1 charakterisiert und mit der Darstellung der physikalischen/mathematischen Beziehungen gemäß 2 erklärt.
Nachfolgend sei ein konkretes Berechnungsbeispiel angeführt:
Es liegt ein gepulster Laser, insbesondere ein Microchiplaser 1 mit einer Impulsleistung von 300 Watt, einer Frequenz von 20 kHz und einer Impulsbreite t_P von 1 ns vor.
Sollen Impulsgruppen, bestehend aus 4 Einzelimpulsen mit einer Impulsfolgefrequenz von 500 MHz erzeugt werden, dann wird die Laserstrahlung in die Lichtleitfaser/das -leitkabel 2 eingekoppelt und durchläuft die Wegstrecke s₁ bis zum ersten Strahlteiler T₁ 3. Einkoppelverluste bedingen an dieser Stelle noch eine verfügbare Impulsleistung von 160 Watt.
Als Strahlteiler T₁ 3 soll in dieser Variante ein faseroptisches Bauteil, als Y-Koppler bezeichnet [Abwandlung eines X-Kopplers] genutzt werden, der ein Teilverhältnis von 1:1 besitzt. Die aus ihn austretenden Teilstrahlen weisen nunmehr die Impulsleistung von 80 Watt auf und durchlaufen die unterschiedlichen Wegstrecken s₂ und s₃ bis sie im Strahlvereiniger T₂ 4 vereinigt werden. Auch letztgenannter weist die Eigenschaften von T₁ 3 auf. Damit eine Impulsfolgefrequenz f von 500 MHz erreicht werden kann, muss der Impuls entlang des Weges s₃ gegenüber s₂ um die Periodendauer der Impulsfolgefrequenz T _I verzögert werden. Sie beträgt demnach T _I = 1/f = 1/500 MHz = 2 × 10^–9 s = 2 ns.
Bei einer Lichtgeschwindigkeit in der Faser (c_M) von ca. 2 × 10⁸ m/s ergibt sich für den erforderlichen Wegunterschied (delta s = s₃ – s₂): delta s = cM × TI = 2 × 108 m/s × 2 × 10–9 s = 0,4 m.
Wählt man als eine Wegstrecke s₂ = 100 mm, so beträgt die erforderliche Strecke s₃ für den 2. Teilstrahl: s3 = 0,1 m + 0,4 m = 0,5 m.
Daraus folgt, dass die Lichtleitfaser für die Wegstrecke s₂ = 100 mm und die andere Faser für die Strecke s₃ = 500 mm lang sein muß.
Hinter dem Strahlvereiniger/Strahlteiler T₂ 4 entstehen somit 2 Teilstrahlen mit jeweils gleichen Doppelimpulsen. Die Impulse besitzen hier allerdings nur noch die halbe Leistung von 40 Watt.
Damit eine Impulsgruppe 5 von 4 Impulsen entstehen kann, wird wieder der Schritt einer Weglängendifferenzierung zwischen s₅ gegenüber s₄ durchgeführt. Da jedoch jeder Teilstrahl hier bereits Doppelimpulse enthält, muss der Teilstrahl über s₅ um 2 Perioden verzögert werden.
Wird auch für s₄ eine 100 mm lange Faser benutzt, so folgt für die Strecke s₅ eine Faserlänge: s5 = s4 + cM × 2 × TI = s4 + 2 × delta s = 100 mm + 2 × 400 mm = 900 mm.
Die beiden Teilstrahlen gelangen über s₄ und s₅ in den Strahlvereiniger/Strahlteiler T₃ 7. Danach entstehen wiederum zwei gleiche Teilstrahlen, die jetzt Impulsgruppen von je 4 Impulsen aufweisen, wobei eine Impulsleistung von 20 Watt realisiert wird.
Zur Reduzierung der erforderlichen Faserlängen kann auch eine Schachtelung der Impulsfolgen genutzt werden.
Variiert man zwischen den einzelnen Stufen die Weglängendifferenz delta s, die sich direkt auf den zeitlichen Abstand der Impulse auswirkt, dann lässt sich auch eine codierte Impulsfolge zur Verfügung stellen.
Eine weitere Besonderheit des Verfahrens liegt schließlich darin, dass die Impulsfolge aus Einzelimpulsen besteht, die zueinander kohärent sind. Dadurch ist dieses Verfahren auch für das Kohärenzradar oder ähnliche Messverfahren einsetzbar, die die Eigenschaft der Kohärenz von Laserstrahlung verwenden.
Der Vorteil des Verfahrens ist die Kenntnis daraus, dass der Impulsabstand innerhalb einer Impulsgruppe nur durch eine optische Weglängendifferenz (s₂ zu s₃ und s₄ zu s₅) der beiden Strahlengänge bestimmbar ist und sich die Abstände sehr klein und genau einstellen lassen. Es kann somit eine hohe und stabile Folgefrequenz von gewünschten Impulsgruppen erzeugt werden. Die unterschiedlichen optischen Wege werden zweckmäßigerweise durch Faserspulen realisiert.
Als Strahlteiler kann alternativ zum Strahlteilerwürfel auch ein Faser-/x-Koppler eingesetzt werden.
Mit dem Verfahren und einer Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind ohne aufwendige, elektronische Bauteile zur Erzeugung von Impulsgruppen extrem kurze Impulsfolgen im Bereich von bis zu 10^–15 s herstellbar.
Die Gestaltung unterschiedlicher optischer Weglängen s₁... s₅ kann auch auf atmosphärischem Wege, ohne Einsatz von Lichtleitkabeln/-fasern 2 erreicht werden.

Claims

Verfahren für einen passiven optischen Impulsvervielfacher zur Erzeugung einer Impulsfolge für ein scannendes Laserentfernungsmessgerät, gekennzeichnet dadurch, dass ein Impuls (6) eines gepulsten Lasers, insbesondere eines Microchiplasers (1) in einen Strahlteiler T₁ (3) mittels eines/einer Lichtleitkabels-/-faser (2) geleitet, dort geteilt und über nachfolgend unterschiedlich lange optische Wege s₂ und s₃ in einen Strahlvereiniger/Strahlteiler T₂ (4) geführt wird und die von ihm ausgehenden Impulsgruppen (5) über nochmals unterschiedlich lange optische Wege s₄ und s₅ in den Strahlvereiniger/Strahlteiler T₃ (7) gelangen, wobei nach jeder Strahlvereinigung die Frequenz der erzeugbaren Impulsgruppen (5) im Vergleich zum Impuls (6) erhalten bleibt und ihre Impulsfolge erhöht wird.
Verfahren für einen passiven optischen Impulsvervielfacher nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass mittels unterschiedlicher optische Wege s₁...s₅ und der sich daraus ergebenden Weglängendifferenzen, Zeitverzögerungen der Impulse (6) und Impulsgruppen (5) eingestellt werden.
Verfahren für einen passiven optischen Impulsvervielfacher nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass eine Reihenschaltung in abwechselnder Folge zwischen Strahlteiler T₁ (3) sowie Strahlvereinigern/Strahlteilern T₂ (4) und T₃ (7) erfolgt.
Verfahren für einen passiven optischen Impulsvervielfacher nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass extrem kurze Impulsfolgen bis in den Bereich von 10^–15 s erzeugt werden.
Verfahren für einen passiven optischen Impulsvervielfacher nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die einzelnen Impulse innerhalb der erzeugten Impulsgruppen zueinander kohärent sind.
Einrichtung für einen passiven optischen Impulsvervielfachers zur Erzeugung einer Impulsfolge für ein scannendes Laserentfernungsmessgerät, gekennzeichnet dadurch, dass ein gepulster Laserstrahl über Lichtleitkabel/-fasern (2) mit den in abwechselnder Folge hintereinander angeordneten Strahlungsteilern T₁ (3) und T₃ (7) sowie den Strahlvereingern T₂ (4) in Wirkverbindung steht.
Einrichtung für einen passiven optischen Impulsvervielfacher nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass die unterschiedlichen langen optischen Wege s₂ und s₃ bzw. s₄ und s₅ mittels Wicklungen auf Faserspulen herstellbar sind.
Verwendung der Einrichtung eines passiven optischen Impulsvervielfachers zur Erzeugung einer Impulsfolge für Geräte der Lasermesstechnik oder der Nachrichtentechnik.