DE10057666A1 - Lasersender - Google Patents

Abstract

Bei einem Lasersender, insbesondere für Freiraumdatenübertragung und/oder Schußsimulation, mit einer einen Laserstrahl (10) aus Laserimpulsen erzeugenden Laserdiode (11) und mit einer der Laserdiode (11) im Strahlengang nachgeordneten Senderoptik (13) zur Beeinflussung des Strahlprofils (15) und der Intensitätsverteilung im Strahlenprofil (15) ist zur Erzielung höherer Reichweiten mit über die Entfernung nahezu kontantem Wirkungsquerschnitt (16) des Laserstrahls (10) die Senderoptik (13) so ausgelegt, daß im Zentrum (M) des Strahlprofils (15) ein räumlich eng begrenztes, extrem großes Intensitätsmaximum mit steiler Abfallflanke vorhanden ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Lasersender, insbesondere für Freiraumdatenübertragung und/oder Schußsimulation, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 7 definierten Gattung.

In Anwendung bei Schußsimulatoren arbeitet ein solcher, waffenseitig installierter Lasersender mit einem zielseitig installierten Laserempfänger zusammen, der nach Empfang des aus einer Vielzahl von Laserimpulsen bestehenden Laserstrahls mittels zielseitig angeordneter Detektoren die mit einer Codierung der Laserimpulse übertragenen Schußdaten für eine Trefferermittlung und -beurteilung auswertet. Der Laserstrahl wird dabei durch die Senderoptik zirkular kollimiert und in seiner räumlichen Ausdehnung des Strahlprofils, der Intensitätsverteilung sowie der Divergenz beeinflußt. Bekannte Senderoptiken weisen klassische sphärische oder asphärische Linsen auf, die eine gute Kollimierung des Laserstrahls bei einer im Fernfeld gaußschen Intensitätsverteilung innerhalb des Strahlprofils des Laserstrahls erzeugen, wobei die Intensität mit zunehmender Reichweite abnimmt und der Durchmesser des Laserstrahls, bezogen auf eine Mindestintensität, zunächst zunimmt. Durch den mit der Reichweite des Laserstrahls sich ändernden Durchmesser ändert sich der Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls, und ab einer bestimmten Reichweite sinkt der Wirkungsquerschnitt wieder, und schließlich wird die Detektionsschwelle des Laserempfängers auch von dem Intensitätsmaximum unterschritten und damit die maximale Reichweite des Lasersenders festgelegt. Der Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls ist als Intensitätsgrenze zu verstehen und wird durch die vorher festgelegte Empfindlichkeit des den Laserstrahl empfangenden Laserempfängers definiert. Er ist derjenige Bereich des Strahlprofils, in dem die Intensität diese Intensitätsgrenze übersteigt. Unterhalb dieser Grenze werden die den Laserempfänger erreichenden Laserimpulse des Laserstrahls ignoriert.

Die begrenzte maximale Reichweite des Lasersenders läßt sich auch nicht durch eine höhere Leistung der Laserdiode steigern, da der Lasersender für Anwendungen, wie Freiraumdatenübertragung oder Schußsimulation, aus Gründen des Augenschutzes der Laserklasse 1 entsprechen muß und der zulässige Grenzwert der Leistung durch die Größe der Lichtquelle vorgegeben ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Lasersender der eingangs genannten Art eine zirkular kollimierten Laserstrahl zu erzeugen, der unter Einhaltung der Augenschutzvorschriften eine wesentlich größere Reichweite und einen an die spezielle Anwendung anpaßbaren Wirkungsquerschnitt aufweist, der über die Reichweite konstant gewählt oder nach Kundenwunsch variiert werden kann.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.

Der erfindungsgemäße Lasersender hat den Vorteil, daß die neuartige Intensitätsverteilung im Strahlprofil des Laserstrahls einen Wirkungsquerschnitt innerhalb räumlich festlegbarer Grenzen erzeugt, der nahezu konstant gemacht werden kann und sich dann mit der Entfernung vom Lasersender nur wenig verändert. Im Zentrum des Strahlprofils ist die Intensität extrem groß und fällt am Rande des Wirkungsquerschnitts extrem stark ab, so daß der Wirkungsquerschnitt innerhalb eines sehr großen Entfernungsbereichs unabhängig von der Entfernung ist. Durch die Bündelung der Laserleistung auf den räumlich eng begrenzten Intensitätspeak läßt sich mit der gesteigerten Intensität im Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls die Reichweite des Lasersenders erheblich vergrößern. Zudem kann mit dem erfindungsgemäßen Lasersender dessen Ausrichtung zur Seelenachse der Waffe bzw. zu dem mit der Waffe fest verbundenen Zielfernrohr einfach und ohne die bisher verwendeten aufwendigen Justierungseinrichtungen geprüft werden und so der Lasersender nach jedem längeren Übungseinsatz - wie vorgeschrieben - justiert werden. Hierzu ist lediglich das Fadenkreuz des Zielfernrohrs auf einen in einer Distanz von einigen hundert Metern angeordneten Laserdetektor zu richten und der Lasersender solange zu verstellen, bis der Laserdetektor Laserlicht detektiert. Der Laserdetektor besitzt eine sehr geringe Empfindlichkeit, d. h. eine sehr hohe Intensitätsschwelle, oberhalb derer er nur Laserimpulse zu detektieren vermag. Durch die empfindungsgemäße Intensitätsverteilung im Strahlprofil des Laserstrahls ist bei der hohen Intensitätsschwelle des Laserdetektors der Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls relativ klein, so daß bei der Justierung zwischen Fadenkreuz und Mitte des Wirkungsquerschnitts nur eine geringe, vernachlässigbare Abweichung auftritt. Der Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls ist als Intensitätsgrenze zu verstehen, die durch die Empfindlichkeit des Laserdetektors festgelegt ist. Er ist derjenige Bereich des Strahlprofils, in dem die Intensität die Intensitätsgrenze übersteigt.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß auch durch die Merkmale im Anspruch 8 gelöst.

Der an sich bekannte holographische Diffusor, der das von der Laserdiode erzeugte Laserlicht vornehmlich in Strahlrichtung streut und dadurch einen gegenüber herkömmlichen Diffusoren, die Licht in alle Richtungen streuen, wesentlich verbesserten Wirkungsgrad besitzt, bewirkt eine Vergrößerung der scheinbaren Größe der Lichtquelle, wodurch der Grenzwert der zulässigen Laserleistung unterschritten wird, da nunmehr die unveränderte Laserleistung auf eine größere Fläche verteilt wird. Dies wiederum ermöglicht die Steigerung der Leistung der Laserdiode soweit, bis der zulässige Grenzwert wieder erreicht wird, so daß mit der erhöhten Laserleistung auch die Intensität und damit die Reichweite des Laserstrahls ansteigt. Da Laserdioden mit entsprechender Leistung am Markt erhältlich sind, läßt sich die Reichweite des Lasersenders über 4000 m steigern. Mit dem holographischen Diffusor läßt sich zudem auch der Wirkungsquerschnitt beeinflussen, da die Divergenz der Laserstrahlbereiche, die mit dem Diffusor in Wechselwirkung treten, z. B. des Strahlrandbereichs, geändert werden kann.

Durch die Kombination der in Anspruch 1 und 8 angegebenen Merkmale gemäß Anspruch 7 läßt sich die Reichweite des Lasersenders insgesamt noch höher auslegen.

Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lasersenders mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Intensitätsverlauf im Strahlprofil der Funktion

mit r ≠ 0 angenähert, wobei I_D eine vorgegebene Mindestintensität, r der Abstand von der Strahlprofilmitte und r₀ der Radius des durch die Mindestintensität I_D im Fernbereich festgelegten Wirkungsquerschnitts ist. Die Mindestintensität ist durch die Empfindlichkeit des den Laserstrahl detektierenden Laserempfängers vorgegeben und ist die Intensitätsgrenze, unterhalb der der Laserempfänger nicht mehr auf die Laserimpulse anspricht. Bei Vernachlässigung der Intensitätsverluste im Laserstrahl durch Absorption in der Luft, was beispielsweise für eine Entfernung bis zu 100-200 m vom Lasersender zulässig ist, kann die angegebene Funktion exakt realisiert werden. Bei Berücksichtigung der Absorptionsverluste, was für größere Reichweiten zwingend erforderlich ist, weicht der Intensitätsverlauf mehr oder weniger von der angegebenen Funktion ab. Der realisierte Intensitätsverlauf ergibt eine konstanten Wirkungsquerschnitt über einen sehr großen Entfernungsbereich.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Senderoptik diffraktive optische Elemente mit Mikrorelief-Oberflächen auf. Durch diese optischen Elemente ist eine Miniaturisierung der Optik gegenüber einem konventionellen Linsensystem möglich. Insbesondere kann durch den erfindungsgemäßen Lasersender mit den optischen und elektronischen Komponenten der Übergang zur reinen Mikrostrukturtechnik vollzogen werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Senderoptik so ausgelegt, daß der Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls im extremen Nahbereich trotz des querschnittskleineren Strahlprofils nahezu unverändert ist, insbesondere nicht kleiner als im Fernbereich wird. Beispielsweise kann hierzu die Senderoptik so konzipiert sein, daß sie dem intensitätsschwachen Randbereich des Laserstrahls eine höhere Divergenz verleiht als dem übrigen Bereich. Damit wird der Laserstrahl im Nahfeld aufgeweitet, ohne daß die Aufweitung im Fernfeld noch merkbar ist. Unter Divergenz oder Aufweitung des Laserstrahls wird die Änderung des Strahldurchmessers relativ zum Intensitätsmaximum verstanden.

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Seitenansicht eines Lasersenders für einen Schußsimulator,

Fig. 2 ein Diagramm der Intensitätsverteilung im Strahlprofil des vom Lasersender gemäß Fig. 1 ausgesendeten Laserstrahls.

Der in Fig. 1 nur schematisch dargestellte Lasersender wird beispielsweise in einem Schußsimulator verwendet und an der Waffe so angeordnet, daß seine Senderichtung parallel zum Waffenlauf ausgerichtet ist. Der Lasersender wirkt mit einem am Ziel installierten Laserempfänger zusammen, der eine Vielzahl von über das Ziel verteilt angeordneten Lichtdetektoren und eine Auswerteelektronik aufweist. Bei Empfang des vom Lasersender ausgesendeten, aus Laserimpulsen bestehenden Laserstrahls durch die Lichtdetektoren werden die durch die Codierung der Laserimpulse von der Waffe zum Ziel übertragenen Schußdaten von der Auswerteelektronik zur Trefferermittlung und -beurteilung ausgewertet.

Der Lasersender weist eine Laserdiode 11 mit Senderelektronik 12, eine Senderoptik 13 und einen zwischen Laserdiode 11 und Senderoptik 13 angeordneten, holographischen Diffusor 14 auf. Die genannten Bauelemente sind in einem Gehäuse 17 zusammengefaßt. Die Laserdiode 11 mit Senderelektronik 12 erzeugt einen aus Laserimpulsen zusammengesetzten Laserstrahl 10, der mittels der Senderoptik 13 zirkular kollimiert und in der räumlichen Ausdehnung des Strahlprofils, der Intensitätsverteilung über das Strahlprofil und der Divergenz beeinflußt wird. Die Senderoptik 13 besteht aus difraktiven Elementen mit einer Mikrorelief-Oberfläche, mittels welchen eine 3D-Strahlformung vorgenommen wird, d. h. neben der Beeinflussung des Strahlquerschnitts auch eine entfernungsabhängige Beeinflussung des Laserstrahls 10. Der holographische Diffusor 14 dient zur Verbesserung der optischen Eigenschaften bezüglich Homogenität und Querschnitt des Laserstrahls 10 und zur Realisierung höherer Reichweiten. Vorzugsweise sind Senderoptik 13 und holographischer Diffusor 14 zusammengefaßt und mittels ein bis drei einzelner optischer Elemente realisiert. Dies ermöglicht Preisreduktion, Bauraumreduktion, minimiert den Justieraufwand und erhöht die Robustheit des Lasersenders, was insbesondere für militärische Anwendung gewünscht wird.

Der an sich bekannte holographische Diffusor 14 enthält eine spezielle Mikrostruktur und unterscheidet sich von konventionellen Diffusoren durch seinen wesentlich höheren Wirkungsgrad, der dadurch bedingt ist, daß das Laserlicht nur in Strahlrichtung gestreut wird. Der Diffusor 14 bewirkt eine Vergrößerung der scheinbaren Größe der von der Laserdiode 11 gebildeten Lichtquelle, so daß dadurch bei Einhaltung der Grenzwerte für die Laserklasse 1 die Leistung der Laserdiode 11 vergrößert und dadurch die Reichweite des Lasersenders erhöht werden kann. Die diffraktiven Elemente der Senderoptik 13 und der Diffusor 14 sind aus Kunststoff oder Glas gefertigt. Für Wellenlängen außerhalb der Transparenz von Glas und Kunststoff sind aber auch andere Substanzen einsetzbar.

Die diffraktiven Elemente der Senderoptik 13 sind so ausgelegt, daß im Zentrum M des Strahlprofils 15, das in Fig. 1 angedeutet ist, ein räumlich eng begrenztes, extrem großes Intensitätsmaximum mit steiler Abfallflanke vorhanden ist. Die Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt ist in Fig. 2 dargestellt, wobei der Intensitätsverlauf eine Funktion der Intensität in Abhängigkeit vom Abstand r von der Mitte M des Strahlprofils 15 ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 genügt die Intensitätskurve der Funktion

wobei r₀ der Radius des Wirkungsquerschnitts des Laserstrahls 10 und I_D die Intensitätsgrenze des Laserempfängers ist. Unter Berücksichtigung der Absorptionsverluste in Luft ist der tatsächliche Intensitätsverlauf einer solchen Kurve lediglich angenähert. Selbstverständlich gilt die Funktion nicht für r = 0, da die Intensität auch im Zentrum einen endlichen Wert annimmt.

Der Wirkungsquerschnitt 16 des Laserstrahls 10 ist in Fig. 2 zur besseren Veranschaulichung um 90° in die Zeichenebene gedreht dargestellt. Dieser Wirkungsquerschnitt 16 ist als Intensitätsgrenze zu verstehen, die durch die vorher festgelegte Empfindlichkeit des zur Schußsimulation mit dem Lasersender zusammenwirkenden, zielseitigen Laserempfängers definiert ist. Er ist derjenige Bereich des Strahlprofils, in dem die Intensität die Intensitätsgrenze übersteigt. Der Laserempfänger ist dabei so ausgelegt, daß unterhalb dieser Intensitätsgrenze, die in Fig. 2 mit I_D eingezeichnet ist, die den Laserempfänger erreichenden Laserimpulse des Laserstrahls 10 vom Laserempfänger ignoriert werden.

In Fig. 2 ist der Verlauf der Intensität I über dem Radius r des Strahlquerschnitts dargestellt. Wie ohne weiteres erkannt werden kann, ist der Wirkungsquerschnitt 16 des Laserstrahls 10 infolge der steilen Abfallflanke nahezu unabhängig von der Intensität I, so daß sich der Wirkungsquerschnitt 16 auch bei mit größerer Reichweite abnehmender Intensität I des Laserstrahls 10 nicht oder nur unwesentlich verändert. Der Wirkungsquerschnitt 16 ist damit unabhängig von der Zielentfernung und nahezu konstant.

Neben der Erhöhung der Reichweite durch den holographischen Diffusor 14 trägt auch der beschriebene, durch entsprechende Auslegung der Senderoptik 13 erzielte Intensitätsverlauf im Strahlprofil 15 zur Reichweitenerhöhung bei, da durch den räumlich eng begrenzten Intensitätspeak in der Mitte des Strahlprofils 15 der zielseitige Laserempfänger bei gleicher Reichweite und gleicher Senderleistung mit einer wesentlich höheren Intensität beaufschlagt wird als dies bei einer z. B. gaußschen oder homogenen Intensitätsverteilung über das Strahlprofil 15 der Fall ist.

Des weiteren sind die diffraktiven Elemente der Senderoptik 13 so ausgelegt, daß der im Fernbereich nahezu konstante Wirkungsquerschnitt 16 des Laserstrahls 10 sich auch bei sehr kleinen Entfernungen vom Lasersender nicht nennenswert verkleinert. Hierzu wird durch entsprechende Auslegung der Senderoptik 13 die Divergenz des Randbereichs des Laserstrahls 10 gegenüber dem übrigen Strahlbereich vergrößert, so daß sich im Nahbereich mit den intensitätsschwachen Randstrahlen ein vergrößerter Strahlquerschnitt ergibt, der im Fernbereich aufgrund der geringen Intensität der Randstrahlen nicht mehr vorhanden ist. Der im Nahbereich vergrößerte Strahlquerschnitt ergibt auch einen vergrößerten Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls im Nahbereich.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann durch gezielte Auslegung der Senderoptik der wie vorstehend beschrieben nahezu konstante Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls über die gesamte Reichweite des Lasersenders auch in Grenzen und in Reichweitenabschnitten verändert, d. h. vergrößert oder verkleinert werden. Dabei wird aber die beschriebene Intensitätsbewertung im Strahlprofil beibehalten.

Das Einsatzgebiet des beschriebenen Lasersenders ist nicht auf die beschriebene Anwendung bei Schußsimulation beschränkt, bei der neben einer Treffersimulation auch Daten zur Trefferbewertung an das Ziel mittels des Laserstrahls übertragen werden. Der Lasersender kann auch für reine Kommunikationszwecke, z. B. für eine Übertragung von beliebigen Daten und Informationen über einen Freiraum hinweg, verwendet werden.

Claims (8)

1. Lasersender, insbesondere für Freiraumdatenübertragung und/oder Schußsimulation, mit einer einen Laserstrahl (10) aus Laserimpulsen erzeugenden Laserdiode (11) und mit einer der Laserdiode (11) im Strahlengang nachgeordneten Senderoptik (13) zur Beeinflussung des Strahlprofils (15) und der Intensitätsverteilung im Strahlprofil des Laserstrahls (10), gekennzeichnet durch eine solche Auslegung der Senderoptik (13), daß im Zentrum (M) des Strahlprofils (15) des Laserstrahls (10) ein räumlich eng begrenztes, extrem großes Intensitätsmaximum mit steiler Abfallflanke vorhanden ist.

2. Lasersender nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Intensitätsverlauf im Strahlprofil der Funktion
mit r ≠ 0 angenähert ist, wobei I_D eine vorgegebene Mindestintensität, r der Abstand von der Strahlprofilmitte (M) und r₀ der Radius eines im Fernbereich durch die vorgegebene Mindestintensität festgelegten Wirkungsquerschnitts (16) des Laserstrahls (10) ist.

3. Lasersender nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mindestintensität I_D von der Empfindlichkeit eines den Laserstrahl (10) detektierenden Laserempfängers vorgeben ist.

4. Lasersender nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Senderoptik (13) diffraktive Elemente mit Mikrorelief-Oberflächen aufweist.

5. Lasersender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Senderoptik (13) so ausgelegt ist, daß der Wirkungsquerschnitt (16) des Laserstrahls (10) im extremen Nahbereich nahezu unverändert ist.

6. Lasersender nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Senderoptik (13) dem intensitätsschwachen Randbereich des Laserstrahls (10) eine größere Divergenz verleiht als dem übrigen Bereich.

7. Lasersender nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Laserdiode (11) und der Senderoptik (13) ein holographischer Diffusor (14) angeordnet ist.

8. Lasersender, insbesondere für Freiraumübertragung und/oder Schußsimulation, mit einer einen Laserstrahl (10) aus Laserimpulsen erzeugenden Laserdiode (11) und mit einer der Laserdiode (11) im Strahlengang nachgeordneten Senderoptik (13) zur Beeinflussung des Strahlprofils (15) und der Intensitätsverteilung im Strahlprofil (15) des Laserstrahls (10), dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Laserdiode (11) und der Senderoptik (13) ein holographischer Diffusor (14) angeordnet ist.