DE102010051097A1

DE102010051097A1 - Lasersystem, zur Erzeugung von hohen bzw. kompakten Leistungsdichten am Objekt

Info

Publication number: DE102010051097A1
Application number: DE102010051097A
Authority: DE
Inventors: Dr. Jung Markus; Dr. Gowin Michael; Ellen Dudek; Alexander Graf
Original assignee: Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Current assignee: Rheinmetall Waffe Munition GmbH
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2012-05-16
Also published as: IL225543A0; RU2549742C2; EP2638356A1; RU2013126877A; IL225543B; EP2638356B1; WO2012062399A1

Abstract

Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung (1) zur Schaffung eines Lasers, der sich aus zwei oder mehreren Einzellasern (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11) ergibt, die jeweils einen Einzelstrahl (50) erzeugen. Diese Einzelstrahlen (50) der Einzellaser (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11) werden auf ein Ziel (15) projiziert und an diesem geometrisch überlagert, sodass sie in Summe die gewünschte Leistung am Ziel (15) realisieren. Auf Grundlage dieser Vorrichtung (1) wird des Weiteren ein Waffensystem (100) aufgezeigt, das neben wenigstens einer Feuerleitung (101), wenigstens einem Radar (102) und wenigstens einer Be- bzw. Auswerteeinheit (103) zwei oder mehrere Waffenlaser (20) aufweist, die voneinander auch beabstandet sein können.

Description

Die Erfindung beschäftigt sich speziell mit der Realsierung von hohen Leistungsdichten auf entfernten Objekten, um diese bearbeiten und/oder zerstören zu können. Aufbauend auf dieses wird die Verwendung in einem Lasersystems mit hoher Leistung bei sehr guter Strahlqualität vorgesehen.
Laser werden in Niedrigenergielaser, Mittelenergielaser und Hochenergielaser klassifiziert bzw. eingeteilt.
Ein Verfahren zur adaptiven Strahlenregelung von Mittelenergielaserwaffen beschreibt die DE 198 04 720 B4 . Die Mittelenergiewaffe weist einen Mittelenergielaser und eine Regeleinrichtung mit Wärmebildgerät, Rechner und Laserleistungsreglern auf, wobei zur Einstellung eines gewünschten Laserstrahldurchmessers am Ziel in einer Messphase der Laserstrahl mit anfänglich geringer Laserstrahlleistung gerichtet wird, die dann bis zur maximal möglichsten Strahlleistung fortschreitend gesteigert wird.
Eine Vorrichtung mit einer Laseranordnung zur Bestrahlung eines Zieles ist Gegenstand der DE 102 52 685 B4 . Die Laseranordnung besteht ihrerseits aus einem Oszillator-Verstärker-System, das in einer ersten Betriebsart als Richtlaser im Niedrigenergiebereich und in der zweiten Betriebsart als Hochenergielaser betrieben werden kann.
Weitere Lasersysteme beschreiben die EP 0 980 123 A2 als auch die EP 1 041 686 A2 sowie die US 4,867,534 A .
In der EP 1 730 822 B wird eine Hybridlaserquelle offenbart, die skalierbar ist, um einen Ausgangsstrahl hoher Leistung mit guter Strahlenqualität bereitzustellen. Die Laserquelle umfasst dabei unter anderem einen Festkörperlaserverstärker, eine Anordnung von Laserfaserverstärkern, einen Phasen- und Polarisationssensor sowie Mittel zum Steuern von Phase und Polarisation von Elementen der Anordnung von Laserfaserverstärkern etc.
Hochenergielaser besitzen eine gute Strahlqualität nur im Leistungsbereichen bis etwa 10 kW. Dadurch sind Hochenergielaser mit beispielsweise Laserleistungen ≥ 20 kW und einer guten Strahlqualität schwer realisierbar. Ferner beschränken die Zerstörschwellen für die optischen Komponenten die maximal zulässige Laserleistung für eine gegeben Apertur.
Aus der DE 10 2007 049 436 B4 ist eine Faserlaser-Anordnung hoher Strahlenleistung bekannt, die aus mehreren kontinuierlich arbeitenden kohärenten Einzelfaserlasern besteht, denen von einem gemeinsamen in longitudinalem Mode betriebenen Master-Oszillator erzeugte Pumpenergie über einen Faser-Splitter in die Einzelfaserlaser verzweigt verteilt zuführt wird. Die das Faser-Array verlassende Strahlung wird auf ein Ziel oder eine Zielpunkt gerichtet, wobei die jeweilige Phasendifferenzen in den einzelnen Faserlaserzweigen bestimmt und in einer Regelelektronik für die Regelung ausgewertet wird, um eine optimale Phaseneinkopplung der Faserzweige des Faserlaser-Arrays für die Intensität der ausgesandten Laserstrahlung im Zielpunkt zu erzielen.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine Vorrichtung und ein Verfahren aufzuzeigen, die es ermöglicht, speziell einen Hochleistungslasersystem zu realisieren, dass eine kompakte Leistungsdichte am Objekt erzeugt.
Gelöst wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 bzw. 7. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgezeigt.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, die Leistung auf mehere Laser aufzuteilen und diese am Ziel geometrisch zu überlagern, sodass in Summe am Ziel eine Geamtleistungsdichte aller Einzelleistungsdichten erzielt wird.. D. h., es ist vorgesehen, die benötigte Leistungsdichte durch zwei oder mehrere separate Lasersysteme (Laserzweige) bzw. kleinere Einheiten zu schaffen, die so miteinander gekoppelt (beispielsweise mittels spektralem oder optischem Gitter) werden, dass diese jeweils einen halben (X/2), drittel (X/3) oder viertel (X/4) Teil etc. der benötigten bzw. gewünschten Laserleistungsdichte bei guter Strahlqualität liefern, die auf dem Ziel geometrisch überlagert (Summenbildung) werden, um so auf das Objekt/Ziel selbst mit der vollen Leistungsdichte einzuwirken (5). Werden dabei nur zwei Lasersystemzweige genutzt, muss jeder der Zweige eine höhere Leistung bringen als wenn drei, vier oder mehr Zweige eingebunden sind.
Zur optimalen geometrischen Überlagerung wird ein Beleuchtungssystem vorzugsweise Laser eingesetzt, der am Objekt den zu bestrahlenden Bereich markiert. Die Reflektion des Beleuchtungssignals vom Objekt wird vom Lasersystem registriert, vorzugsweise durch das gleiche Teleskop bzw. optische System durch das der Laserstrahl gesendet werden soll.
Durch Ausrichtung des Teleskops auf den Reflex bzw. durch das Feintracking wird sichergestellt, dass alle Laserstrahlen den markierten Bereich bestrahlen und so die Leistungsdichte im markierten Bereich erhöhen. Auf diese Weise können zudem noch die atmosphärischen Änderungen der 1. Ordnung kompensiert werden.
Der Beleuchtungslaser kann grundsätzlich in zwei Betriebsarten getrieben werden: cw, gepulst. In der Betriebsart cw müssen sich die Wellenlänge des Beleuchtungslasers von der des Lasersystems unterscheiden, damit in den Lasersystem der Reflex des Beleuchtungslasers von dem des Lasersystems für die Auswertung separiert werden kann.
Im gepulsten Betrieb können sowohl der Beleuchtungslaser als auch das Lasersystem die gleiche Wellenlänge besitzen. Durch geschickten Pulspausenbetriebe beim Beleuchtungslaser als auch beim Lasersystem kann gewährleistet werden, dass das Lasersystem nur den Reflex des Beleuchtungslaser (Beleuchtungslaser an, Lasersystem aus) auswertet.
Jeder der zwei oder mehreren Lasersystemzweige werden in einer Kombinationseinheit/Gitter zu einem Laserstrahl kombiniert. – Alternativ neben der spektralen Kopplung ist auch eine geometrische Kopplung oder eine Phasenkopplung möglich. – Die auf das Gitter auftreffenden Strahlen werden so ein- und wieder ausgekoppelt, dass sie über ein optisches System, beispielsweise Teleskop, ausgesandt gemeinsam auf dem Target (Objekt) landen. Sind noch weitere Laserzweige vorgesehen, wird der dabei erzeugte Strahl ebenfalls auf das Target geführt, wobei es mit dem Strahl des anderen Laserzweiges auf dem Target geometrisch überlagert wird. Dieses trifft dann auch auf die weiteren Zweige zu. Durch die geometrische Überlagerung wird die Leistung am Ziel erhöht.
Es können zwei oder mehrere Einheiten (Leistungen) auf ein Gitter gerichtet werden. Die Anzahl der ausrichtbaren Einheiten ist dabei jedoch abhängig von der Leistungsfähigkeit des Gitters. Laser (Einheit) und Gitter sind ihrerseits mehrfach zu einem Gesamtsystem zusammenfass- und wiederum auf einen gemeinsamen Spiegel ausgerichtbar (Grobtracking). Das Gitter kann dielektrischer als auch optischer Natur sein, um die spektrale Kopplung zu ermöglichen..
Es hat sich gezeigt, dass die Lasersysteme bzw. Einheiten direkt nebeneinander oder in einem Abstand voneinander aufgestellt werden können. Abstände von mehreren 100 Metern sind dabei kein Problem. Jedes Lasersystem verfügt dazu neben der eigentlichen Laserquelle über ein eigenes Teleskop und bevorzugt über einen eigenen Tracker.
Ziel dieser Idee ist es für das Lasersystem oder die Laserwaffe die Gesamtapertur anstelle einer einzelnen Apertur mit großem Durchmesser auf mehrere kleinere Aperturen zu verteilnen, die dann in der Regel die gleichen Komponenten beinhalten.
Die Schlüsselkomponenten für die funktionsgerechte Arbeitsweise des Lasersystems insbesondere als Laserwaffe oder Waffenlaser sind ein Aufklärungssystem, beispielsweise ein Radar, ein Feinimaging zum Aufklären des verwundbaren Punktes des Ziels, ein Grob- und ein Feintracker, eine Strahlformung, ein Beleuchtungslaser und der eigentliche Hochenergielaser- die Laserquelle. Jede der kleineren Einheit verfügt über diese Komponenten, wobei der Beleuchtungslaser, das Radar und das Feinimaging nicht unbedingt in jeder Einheit vorhanden sein muss. Eine dezentrale Einbindung des Beleuchtungslasers, Radars, Feinimaging für alle Einheiten ist auch möglich. Dies ermöglicht einen modularen Charakter der Einheiten, mit denen das System/die Waffe modulartig aufgebaut werden kann. Es können zwei oder mehrere Einheiten zu einem Modul zusammengefasst werden. Auch diese Module sind zu weiteren Modulen zusammenfassbar.
Diese kleineren Einheiten können, wie bereits erwähnt, ihrerseits wiederum durch kleinere Einheiten mit den vorgenannten Komponenten ersetzt werden (= mehrere). Dadurch wird es möglich, auf immer einfachere und herkömmliche und damit leicht verfügbare Komponenten zurückzugreifen. Die Flexibilität des Systems/der Waffe wird erhöht. Zudem sind die Module selbst im Prinzip kleinbauend bzw. leichter als eine kompakte Waffe. Bei einem Ausfall einer kleineren Einheit ist das System/Waffe weiterhin funktionsfähig, wenngleich mit einer geringeren Leistung.
Da die Einheiten zudem voneinander beabstandet untergebracht werden können, sind sie auf mehrere Orte verteilbar, so beispielsweise auch auf mehrere Fahrzeuge etc. Diese Einheiten können vor Ort auch zu einem Hochleistungslasersystem nur durch Ausrichtung auf das Ziel verknüpft werden. Die Leistung kann vor Ort auch variiert werden durch die Anzahl der Einrichtungen. So kann mit mehreren herkömmlichen Einzellasern, beispielsweise mit einer Leistung von nur 5 kW, ein Strahl von einem Vielfachen von 5, beispielsweise 20 kW und mehr erzeugt werden. Die Schaffung eines Laserstrahls mit einer Leistung von 100 kW und mehr bei guter Strahlqualität der Einzellaser ist dadurch in einfacher Art und Weise realisierbar.
Die vorliegende Idee ermöglicht neben der Verkürzung der Realisierungszeit für eine Laserwaffe auch die Reduzierung der Kosten, da kleinere (Ausgangs-)Aperturen verwendet werden können. Dabei ist die Idee nicht auf Hochleistungslasersysteme beschränkt. Vielmehr kann diese Idee auch auf Niedrigenergielaser und Mittelenergielaser übertragen werden.
Mit der vorliegenden Idee geht man also davon weg, insbesondere die hohe Leistung mittels n·X Einzellaser aus nur einer Apertur zu erzeugen und punktuell zur Verfügung zu stellen. Vorgeschlagen wird eine Überlagerung der Leistung am Objekt durch variable Abstände der (Einzel-)Teleskope des Lasersystems.
Anhand eines Ausführungsbeispiels mit Zeichnung soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigt:
1 eine skizzenhafte Darstellung des Grundprinzip der Vorrichtung zur Schaffung eines Lasers mit ausreichender Leistung,
2 eine weitere Verknüpfungsform mehrerer Einzellaser zu einem Gesamt- oder Teillasersystem,
3 die Grundkomponenten für ein Waffensystem,
4 eine Darstellung einer Laserwaffe für das Waffensystem nach 3, (Nur HEL, AO, Tracking, es fehlen Feinimaging, grobrtacking, Radar, Bewertung Feuerleitung)
5 eine grundsätzliche Darstellung der Grundidee.
1a, b zeigen eine vereinfachte Darstellung des Grundprinzips der Vorrichtung 1 für die Realisierung eines (Hochleistungs-)Lasers. – Es versteht sich, dass diese Vorrichtung 1 auch zur Materialbearbeitung, beispielsweise in größerer Entfernung, genutzt werden kann, bei der sich zudem das Objekt bewegt. – Dabei wird der Laser 1 durch zwei Einzellaser 2, 3 oder mehrere Einzellaser 4–7 gebildet. Die Strahlen 50 der Einzellaser 2, 3, 4, 5, 6, 7 werden auf ein Ziel 15 projiziert und an diesem geometrisch überlagert, sodass am Ziel 15 eine Laserleistung von beispielsweise 40 kW durch zwei Laser 2, 3 mit einer Leistung von jeweils 20 kW oder durch vier Laser 4–7 mit einer Leistung von 10 kW etc. erzeugt wird.
Die Einzellaser 2–7 können ihrerseits ebenfalls aus zwei oder mehreren Einzellasern 8, 9, 10, 11 usw. aufgebaut sein (2). Die aus einem Vorverstärker 12 austretenden Strahlen (beispielsweise mit 5 kW) werden über Spiegel 32 und von dort auf ein gemeinsames Gitter 13 gelenkt. Vom Gitter 13 wird der am Gitter 13 erzeugte Strahl 50 in Richtung Ziel 15 abgestrahlt.
Dieses Grundprinzip nutzend, wird nunmehr eine Laserwaffe bzw. ein Waffensystem 100 geschaffen. Das Waffensystem 100 selbst weist dabei neben einer Feuerleitung 101 und einem Radar 102, eine Be- bzw. Auswertung 103 sowie zwei oder mehrere Laserwaffen 20 auf. Des Weiteren ist ein vorzugsweise zentraler Grobtracker 104 vorgesehen, der eine Groborientierung der einzelnen Waffenlaser 20 auf das Ziel/Objekt 15 bewirkt.
Der einzelne Waffenlaser 20 besteht seinerseits zumindest aus den Grundkomponenten (Wirk-)Laser 21 und eigenes (Empfangs- und Wirk-)Teleskop 25 (auch mit unterschiedlichen Strahlendurchmessern) sowie in dieser Ausführung mit einem eigenen Beleuchtungsteleskop 26 und einem Beleuchtungslaser 27. Alternativ kann ein Beleuchtungslaser mit -teleskop auch dezentral angeordnet für alle im Waffensystem 100 eingebundenen Laserwaffen 20 fungieren. Zudem weist jeder Waffenlaser 20 eine adaptive Optik 22, ein (Fein-)Imaging-System 23 sowie einen optischen Feintracker 24 auf. Jeder Waffenlaser 20 besitzt des Weiteren wenigstens einen Tip-Tilt-Spiegel 28 als auch einen deformierbarer Spiegel 29 (beispielsweise Teil der adaptiven Optik 22) im Laserstrahlweg eingebunden. Ein Wellenfrontsensor 30 dient in bekannter Art und Weise zur Verbesserung der Strahlqualität des Wirklasers 21. Nicht näher dargestellt sind weitere CCD Kamera(s), bevorzugt mit großem Field-of-View (FOV). Eine Auswerte- und Kontrolleinheit 31 vervollständigt die Laserwaffe 20. Die funktionalen Verknüpfungen der genannten Komponenten können der 3 entnommen werden.
Zur Schaffung einer ruhenden Laserwaffe 20 sind weitere Spiegel 32 eingebunden, die zur Strahlenausrichtung innerhalb der Waffe 20 dienen.
Die Funktionsweise des Waffensystems 100 ist, einfach beschrieben, wie folgt:
Über das Radar 102 wird ein Objekt 15 erkannt und diese Information in bekannter Art und Weise an die Feuerleitung 101 gegeben. Danach kann das Imaging-System 6 aktiviert werden, um ausreichende Informationen zur Bekämpfung an den verwundbaren Punkten am Ziel 15 zu erhalten. Über das Feintracking 7 wird das Ziel 15 für jede Waffe 20 in die Mitte ihrer Optik gefahren. Das Ziel 15 wird nunmehr vom Beleuchtungslaser 27 jeder Waffe 20 angestrahlt, der jeweilige Wirklaser 21 und damit jede Laserwaffe 20 auf den Reflex ausgerichtet. Alle Laserwaffen 20 sehen dabei den gleichen Reflex und Laserstrahlachsen werden nun auf den gleichen Fleck am Objekt 15 ausgerichtet. Die Überprüfung erfolgt durch die Feuerleitung, die dann auch die Wirklaser 21 aktiviert, mehrere Strahlen 50 erzeugt und an einen gemeinsamen Punkt auf dem Objekt 15 gelenkt wird, die sich dann an dieser Stelle derart überlagern, dass die gewünschte Leistungsdichte auf dem Objekt 15 erzeugt wird und dieses entsprechend stört und/oder zerstört.
Der Laserstrahl einer jeden Laserwaffe (system) 20 unterliegt hierbei einer eigenen atmosphärischen Störung. Diese kann jedoch durch den eigenen Tip-Tilt-Spiegel 28 und falls notwendig durch den eigenen deformierbaren Spiegel 29 behoben werden, sodass eine saubere Überlagerung der Strahlen 50 der Laserwaffen 20 am Ziel 15 erreicht wird.
Werden mehrere Beleuchtungslaser und mehrere Laserwaffen 20 auf ein Ziel 15 ausgerichtet, so wird die Auftrennung der Laserleistung auf verschiedene Ziele 15 möglich. Für eine bestimmt Dauer werden die einzelnen Laserwaffen 20 auf ein Ziel 15 gerichtet. Danach können einige der Laserwaffen 20 vorzeitig auf ein neues Ziel abgezogen und durch den, diese Laserwaffen-(gruppe) 20 ansprechenden Beleuchtungslaser ausgerichtet werden.
Zur Unterscheidung der einzelnen Beleuchtungslaser können diese mit unterschiedlichen Wellenlägen, bzw. Modulation (An/Aus, AM) abgestrahlt werden. Bei den Auswertesystem für die Beleuchtungslaser werden dann entsprechende Separationstechnologien eingesetzt, um die einzelnen Beleuchtungslaser voneinander zu unterscheiden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19804720 B4 [0003]
DE 10252685 B4 [0004]
EP 0980123 A2 [0005]
EP 1041686 A2 [0005]
US 4867534 A [0005]
EP 1730822 B [0006]
DE 102007049436 B4 [0008]

Claims

Vorrichtung (1) zur Schaffung eines Lasers, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Einzellaser (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11) jeweils einen Einzelstrahl (50) erzeugen und die Einzelstrahlen (50) der Einzellaser (2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11) auf ein Ziel (15) projiziert und an diesem geometrisch überlagert werden, sodass sie in Summe die gewünschte Leistung am Ziel (15) realisiert.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unter der Verwendung eines Beleuchtungssystems (Beleuchtungslaser, Teleskop, Auswertung, Tip Tilt Spiegel), das am Objekt den zu bestrahlenden Bereich markiert, in dem die Leistungsdichte konzentriert werden soll.
Waffensystem (100) unter Einbeziehung der Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Feuerleitung (101), wenigstens ein Radar (102), wenigstens eine Be- bzw. Auswerteeinheit (103) sowie zwei oder mehrere Waffenlaser (20) eingebunden sind, die voneinander auch beabstandet sein können.
Waffensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Waffenlaser (20) zumindest über einen Wirklaser (21) und eine eigene Optik (25) verfügt.
Waffensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine adaptive Optik (22), ein Imaging-System (23) sowie ein optischer Feintracker (24) im Waffensystem (100) zentral oder in den Waffenlasern (20) vorhanden sind.
Waffensystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Optik (25), beispielsweise ein Teleskop, unterschiedliche Strahlendurchmesser aufweisen kann.
Waffensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Waffenlaser (20) ein Beleuchtungsteleskop (26) und einen Beleuchtungslaser (27) umfassen kann, wobei alternativ ein Beleuchtungslaser mit -teleskop auch de- bzw. zentral angeordnet sein kann und für alle im Waffensystem (100) eingebundenen Waffenlaser (20) fungiert.
Verfahren zur Schaffung einer Laserleistung, dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder mehrere Einzelstrahlen (50) erzeugt und diese auf ein Ziel (15) abgestrahlt werden, wobei die Strahlen (50) derart auf das Ziel (15) ausgerichtet werden, dass sich die Strahlen (50) in einem Punkt, Fleck oder in einem Bereich am Ziel (15) geometrisch überlagern.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelstrahlen (50) durch eine geometrische oder spektrale oder Phasenkopplung geschaffen werden.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere außerhalb einer Waffenlaser (20) angeordnete Beleuchtungslaser und mehrere Waffenlaser (20) eines oder mehrerer Waffensysteme (100) auf das Ziel (15) ausgerichtet sein können, wobei einige der Waffenlaser (20) vorzeitig auf ein neues Ziel abgezogen und durch den, diese Laserwaffen (20) ansprechenden Beleuchtungslaser ausgerichtet werden.