DE102017126832B4

DE102017126832B4 - Laservorrichtung

Info

Publication number: DE102017126832B4
Application number: DE102017126832.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Hübner; Torsten Gross; Hans-Willy Becker
Original assignee: Hensoldt Optronics GmbH
Current assignee: Hensoldt Optronics GmbH
Priority date: 2017-11-15
Filing date: 2017-11-15
Publication date: 2021-07-29
Anticipated expiration: 2037-11-16
Also published as: DE102017126832A1; GB2569856B; GB2569856A; GB201817386D0

Abstract

Laservorrichtung, wenigstens umfassend:- eine Lasersendeeinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung in einem Nutzwellenlängenbereich auszustrahlen,- eine Empfängereinrichtung,- eine Sendeoptik und/oder eine Empfangsoptik für die Laserstrahlung,- ein Eintrittsfenster (1), welches im Bereich einer Eintrittspupille der Sendeoptik und/oder der Empfangsoptik angeordnet ist und welches ein transparentes Substrat (2) aufweist, gekennzeichnet durch:- wenigstens eine erste auf einer ersten Hauptfläche (2a) des Substrats (2) angeordnete Beschichtung (3) mit wenigstens einer dünnen reflektierenden Metallschicht (3a), wenigstens einer ersten dielektrischen Schicht (3b) und wenigstens einer zweiten dielektrischen Schicht (3c),- wobei die dünne Metallschicht (3a) zwischen der wenigstens einen ersten dielektrischen Schicht (3b) und der wenigstens einen zweiten dielektrischen Schicht (3c) angeordnet ist,- wobei die wenigstens eine erste dielektrische Schicht (3b) und die wenigstens eine zweite dielektrische Schicht (3c) derart ausgelegt sind, dass sie einen Interferenzfilter bilden, welcher in Verbindung mit der wenigstens einen dünnen Metallschicht (3a) im Wesentlichen nur die Laserstrahlung in dem Nutzwellenlängenbereich transmittiert,- wobei die wenigstens eine erste Beschichtung (3) auf der ersten Hauptfläche (2a) des Substrats (2) einem Innenbereich der Laservorrichtung zugewandt ist, und- wobei auf einer der ersten Hauptfläche (2a) des Substrats (2) gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche (2b) des Substrats (2) eine zweite dielektrische Beschichtung (5) vorhanden ist, welche im visuellen Wellenlängenbereich hochreflexiv und bei der Nutzwellenlänge hoch transmittierend ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Laservorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei aus der Praxis bekannten Laservorrichtungen handelt es sich beispielsweise um Laserentfernungsmesser oder Laserkommunikationsterminals, insbesondere für Satelliten.
Es ist wünschenswert, derartige Laservorrichtungen vor störender elektromagnetischer Strahlung aus der Umgebung zu schützen, wobei jedoch elektromagnetische Strahlung im Nutzwellenlängenbereich des Lasers ungehindert passieren können soll.
Diese Forderung besteht insbesondere bei den Sender- und Empfängeroptiken bzw. Sender- und Empfängerteleskopen in den Laservorrichtungen. Vor allem bei satellitengestützten Laserkommunikationsterminals ist eine weitgehende radiometrische Isolation des Innenbereichs der Hochleistungsoptiken bzw. Teleskope gewollt, welche sowohl ein Aufheizen des Teleskops bei direkter Sonnenbestrahlung in der Umlaufbahn effektiv verhindert, als auch ein Auskühlen der Anlagen bei einer Ausrichtung gegen den Weltraumstrahlungshintergrund von 3 Kelvin. Andernfalls unterliegen die üblicherweise verwendeten Hochleistungsoptiken bei temporärer Sonneneinstrahlung erheblichen inhomogenen thermischen Belastungsprofilen, welche entweder die Auswahl der zu verwendenden Materialien für die Teleskopstruktur erheblich einschränken oder die Auslegung anderweitiger Gegenmaßnahmen kompliziert und teuer gestalten. Es soll ein möglichst großer Wellenlängenbereich abgeschirmt werden. Bekannte Eintrittsfenster in den Eintrittspupillen derartiger Optiken weisen zwar reflektive dielektrische Coatings auf, welche bei nicht gewünschten Strahlungen eine sehr hohe Reflektivität aufweisen und bei Nutzwellenlängen eine möglichst hohe Transmission haben. Diese haben jedoch in der Regel den Nachteil, dass sie bereits im mittleren Infrarotbereich wieder transparent werden, also keine Reflexion mehr bieten.
Die EP 1 450 499 A2 betrifft ein Laserkommunikationssystem und ein entsprechendes Verfahren.
Ferner wird auf Cushing David: Enhanced Optical Filter Design, Washington, USA : SPIE, 2011. - ISBN 978-0-8194-8358-4 verwiesen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Laservorrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, welche die Nachteile des Stands der Technik vermeidet, insbesondere sollen deren Sende- und/oder Empfangsoptiken einerseits im Nutzwellenlängenbereich der Laserstrahlung eine hohe Transmission bieten und gleichzeitig andererseits über den kompletten übrigen elektromagnetischen Spektralbereich, insbesondere im Nah-, Mittel- und Ferninfrarotbereich bis in den Radiofrequenzbereich, eine strahlungstechnische Isolierung bereitstellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Laservorrichtung mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst, wenigstens umfassend:

- eine Lasersendeeinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung in einem Nutzwellenlängenbereich auszustrahlen,
- eine Empfängereinrichtung,
- eine Sendeoptik und/oder eine Empfangsoptik für die Laserstrahlung,
- ein Eintrittsfenster, welches im Bereich einer Eintrittspupille der Sendeoptik und/oder der Empfangsoptik angeordnet ist und welches ein wenigstens annähernd transparentes Substrat aufweist, und
- wenigstens eine erste auf einer ersten Hauptfläche des Substrats angeordnete Beschichtung mit wenigstens einer dünnen reflektierenden Metallschicht, wenigstens einer ersten dielektrischen Schicht und wenigstens einer zweiten dielektrischen Schicht, wobei die dünne Metallschicht zwischen der wenigstens einen ersten dielektrischen Schicht und der wenigstens einen zweiten dielektrischen Schicht angeordnet ist, und wobei die wenigstens eine erste dielektrische Schicht und die wenigstens eine zweite dielektrische Schicht derart ausgelegt sind, dass sie einen Interferenzfilter bilden, welcher in Verbindung mit der wenigstens einen dünnen Metallschicht im Wesentlichen nur die Laserstrahlung in dem Nutzwellenlängenbereich transmittiert.

Die wenigstens eine erste Beschichtung ist auf der ersten Hauptfläche des Substrats einem Innenbereich der Laservorrichtung zugewandt. Auf einer der ersten Hauptfläche des Substrats gegenüber liegenden zweiten Hauptfläche des Substrats ist eine zweite dielektrische Beschichtung vorhanden, welche im visuellen Wellenlängenbereich hochreflexiv und bei der Nutzwellenlänge hoch transmittierend ist.
Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird eine Laservorrichtung geschaffen, bei der die Sendeoptik und/oder die Empfangsoptik bzw. das Sender-/Empfängerteleskop im Innenbereich weitgehend radiometrisch isoliert ist, was sowohl ein Aufheizen des Teleskops bei direkter Sonnenbestrahlung, beispielsweise im Orbit, effektiv verhindert, als auch ein Auskühlen bei einer Ausrichtung des Teleskops gegen den Weltallstrahlungshintergrund von 3 Kelvin. Lediglich die Laserstrahlung in dem Nutzwellenlängenbereich wird durchgelassen. Die optische bzw. mechanische Struktur der üblicherweise in Laservorrichtungen, wie beispielsweise einem Laserkommunikationsterminal oder einem Laserentfernungsmesser, verwendeten Hochleistungsoptiken, unterliegt somit nicht den sonst vorhandenen erheblichen inhomogenen thermischen Belastungsprofilen bei temporärer Sonneneinstrahlung, welche entweder die Auswahl der zu verwendenden Materialien für die Teleskopstruktur erheblich einschränken, oder die Auslegung anderweitiger Gegenmaßnahmen kompliziert und teuer gestalten. Die Laservorrichtung kann als Laserkommunikationsterminal, insbesondere für einen Satelliten, oder als Laserentfernungsmesser ausgeführt sein.
Die wenigstens eine dünne reflektierende Metallschicht der wenigstens einen ersten Beschichtung würde strahlungstechnisch im Grunde genommen bereits sämtliche elektromagnetische Strahlung reflektieren. Dies wäre auch bei Gigahertzstrahlung zur Radiofrequenzkommunikation der Fall. Dadurch, dass die dünne reflektierende Metallschicht jedoch zwischen dielektrischen Coatings sozusagen „gestackt“ ist, kann - bei einer gleichzeitigen guten Transmission im Nutzwellenlängenbereich - eine sehr hohe Reflektivität in dem nicht gewünschten, d. h. zu isolierenden Wellenlängenbereich erzielt werden. Dadurch, dass die reflektierende Metallschicht entsprechend dünn ausgeführt ist und diese mit einem spezifischen Design aus dielektrischen Schichten umgeben ist, wird eine Art Etaloneffekt erzielt bzw. ein Interferenzfilter geschaffen. Lediglich die Laserstrahlung in dem Nutzwellenlängenbereich erfüllt innerhalb eines schmalen Wellenlängenbereichs die Resonanzbedingung, so dass eine minimale Absorption und eine minimale Reflexion der Metallschicht für die Nutzwellenlänge erreicht werden. Für im Wesentlichen alle anderen Wellenlängen wird eine isolierende Wirkung der Metallschicht aufrechterhalten.
Das Substrat kann bei einer elektromagnetischen Strahlung in einem optischen Wellenlängenbereich von etwa 250 nm bis etwa 2,5 µm wenigstens annähernd oder vollständig transparent sein bzw. eine Transmission von wenigstens 80 % aufweisen.
Das Substrat kann Saphir, Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) oder kristallines Siliziumdioxid (αSiO₂) aufweisen.
Die wenigstens eine erste Beschichtung kann einen hohen Transmissionsgrad, insbesondere von > 95 % für elektromagnetische Strahlung in dem Nutzlängenbereich der Laserstrahlung und/oder einen hohen Reflexionsgrad, insbesondere von > 95 %, für elektromagnetische Strahlung in dem übrigen elektromagnetischen Spektrum, insbesondere in einem optischen Wellenlängenbereich von etwa 500 nm bis etwa 20 µm, aufweisen.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn die dünne Metallschicht der wenigstens einen ersten Beschichtung Silber aufweist. Durch die Verwendung einer Silberschicht als dünne Metallschicht kann bereits im Wesentlichen sämtliche elektromagnetische Strahlung reflektiert werden.
Die wenigstens eine dünne Metallschicht der wenigstens einen ersten Beschichtung kann eine Schichtdicke von etwa 25 nm aufweisen.
Das Substrat kann eine Dicke von beispielsweise 5 mm aufweisen.
Die wenigstens eine erste dielektrische Schicht und/oder die wenigstens eine zweite dielektrische Schicht der wenigstens einen ersten Beschichtung kann eine Abfolge von mehreren, insbesondere sich abwechselnden, unterschiedlichen dielektrischen Teilschichten umfassen. Die erste und zweite dielektrische Schicht können eine Abfolge von Teilschichten aus unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes umfassen, um das gewünschte Transmissions- bzw. Reflexionsverhalten zu realisieren.
Die dielektrischen Teilschichten können insbesondere abwechselnd Nioboxid und Siliziumdioxid oder insbesondere abwechselnd Tantaloxid und Siliziumdioxid aufweisen.
Die Nutzwellenlänge der Laserstrahlung kann bei etwa 1064 nm liegen.
Das Eintrittsfenster kann insgesamt als planparallele Platte ausgelegt sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend ist anhand der Zeichnung prinzipmäßig ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Darstellung eines Schichtaufbaus eines Eintrittsfensters einer Sendeoptik oder Empfangsoptik einer erfindungsgemäßen Laservorrichtung.
Erfindungsgemäß wird eine Laservorrichtung vorgeschlagen, welche wenigstens umfasst:

- eine Lasersendeeinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung in einem Nutzwellenlängenbereich auszustrahlen,
- eine Empfängereinrichtung,
- eine Sendeoptik und/oder eine Empfangsoptik für die Laserstrahlung, und ein in der Figur dargestelltes Eintrittsfenster 1, welches im Bereich einer Eintrittspupille der Sendeoptik und/oder der Empfangsoptik angeordnet ist und welches ein wenigstens annähernd transparentes Substrat 2 aufweist. Wenigstens eine erste auf einer ersten Hauptfläche 2a des Substrats 2 angeordnete Beschichtung 3 weist wenigstens eine dünne reflektierenden Metallschicht 3a, wenigstens eine erste dielektrische Schicht 3b und wenigstens eine zweite dielektrische Schicht 3c auf. Die dünne Metallschicht 3a ist zwischen der wenigstens einen ersten dielektrischen Schicht 3b und der wenigstens einen zweiten dielektrischen Schicht 3c angeordnet. Die wenigstens eine erste dielektrische Schicht 3b und die wenigstens eine zweite dielektrische Schicht 3c sind derart ausgelegt, dass sie einen Interferenzfilter bilden, welcher in Verbindung mit der wenigstens einen dünnen Metallschicht 3a im Wesentlichen nur die Laserstrahlung in dem Nutzwellenlängenbereich transmittiert.

Der rechte Bereich der Figur zeigt schematisch und stark vergrößert den Schichtaufbau des Eintrittsfensters 1 als Schnittansicht.
Pfeile 4a und 4b deuten an, dass an dem Eintrittsfenster 1 lediglich Laserstrahlung in der Nutzwellenlänge transmittiert werden soll und die übrige Strahlung des gesamten elektromagnetischen Spektrums von etwa 500 nm bis etwa 20 µm reflektiert werden soll.
Wie aus der Figur ersichtlich, ist auf einer der ersten Hauptfläche 2a des Substrats 2 gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche 2b des Substrats 2 eine zweite dielektrische Beschichtung 5 vorhanden, welche im visuellen Wellenlängenbereich hochreflexiv und bei der Nutzwellenlänge hoch transmittierend ist.
Das Substrat 2 kann bei einer elektromagnetischen Strahlung in einem optischen Wellenlängenbereich von etwa 250 nm bis etwa 2,5 µm wenigstens annähernd oder vollständig transparent sein, insbesondere eine Transmission von wenigstens 80 % aufweisen.
Das Substrat 2 kann Saphir, Yttrium-Aluminium-Granat (YAG) oder kristallines Siliziumdioxid (αSiO₂) aufweisen.
Die wenigstens eine erste Beschichtung 3 kann einen hohen Transmissionsgrad, insbesondere von > 95 %, für die elektromagnetische Strahlung in dem Nutzwellenlängenbereich der Laserstrahlung und/oder einen hohen Reflexionsgrad, insbesondere von > 95 %, für elektromagnetische Strahlung in dem übrigen elektromagnetischen Spektrum, insbesondere in einem optischen Wellenlängenbereich von etwa 500 nm bis etwa 20 µm aufweisen.
Die wenigstens eine dünne Metallschicht 3a der wenigstens einen ersten Beschichtung 3 kann als Silberschicht ausgeführt sein oder Silber aufweisen.
Ferner kann die wenigstens eine dünne Metallschicht 3a der wenigstens einen ersten Beschichtung 3 eine Schichtdicke von etwa 25 nm aufweisen.
Die wenigstens eine erste dielektrische Schicht 3b und/oder die wenigstens eine zweite dielektrische Schicht 3c der wenigstens einen ersten Beschichtung 3 kann eine Abfolge von mehreren, insbesondere sich abwechselnden unterschiedlichen dielektrischen Teilschichten (nicht näher dargestellt) umfassen. Die dielektrischen Teilschichten können beispielsweise abwechselnd Nioboxid und Siliziumdioxid oder abwechselnd Tantaloxid und Siliziumdioxid aufweisen.
Die Nutzwellenlänge der Laserstrahlung kann beispielsweise 1064 nm betragen.
Die wenigstens eine erste Beschichtung 3b auf der ersten Hauptfläche 2a des Substrats 2 ist einem nicht näher dargestellten Innenbereich der Laservorrichtung zugewandt.
Die erfindungsgemäße Laservorrichtung kann als Laserkommunikationsterminal, insbesondere für einen Satelliten, oder als Laserentfernungsmesser ausgeführt sein.
Bezugszeichenliste

1: Eintrittsfenster
2: Substrat
2a: erste Hauptfläche des Substrats
2b: zweite Hauptfläche des Substrats
3: erste Beschichtung
3a: dünne Metallschicht
3b: erste dielektrische Schicht
3c: zweite dielektrische Schicht
4a, 4b: Pfeile
5: zweite Beschichtung

Claims

Laservorrichtung, wenigstens umfassend: - eine Lasersendeeinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, Laserstrahlung in einem Nutzwellenlängenbereich auszustrahlen, - eine Empfängereinrichtung, - eine Sendeoptik und/oder eine Empfangsoptik für die Laserstrahlung, - ein Eintrittsfenster (1), welches im Bereich einer Eintrittspupille der Sendeoptik und/oder der Empfangsoptik angeordnet ist und welches ein transparentes Substrat (2) aufweist, gekennzeichnet durch: - wenigstens eine erste auf einer ersten Hauptfläche (2a) des Substrats (2) angeordnete Beschichtung (3) mit wenigstens einer dünnen reflektierenden Metallschicht (3a), wenigstens einer ersten dielektrischen Schicht (3b) und wenigstens einer zweiten dielektrischen Schicht (3c), - wobei die dünne Metallschicht (3a) zwischen der wenigstens einen ersten dielektrischen Schicht (3b) und der wenigstens einen zweiten dielektrischen Schicht (3c) angeordnet ist, - wobei die wenigstens eine erste dielektrische Schicht (3b) und die wenigstens eine zweite dielektrische Schicht (3c) derart ausgelegt sind, dass sie einen Interferenzfilter bilden, welcher in Verbindung mit der wenigstens einen dünnen Metallschicht (3a) im Wesentlichen nur die Laserstrahlung in dem Nutzwellenlängenbereich transmittiert, - wobei die wenigstens eine erste Beschichtung (3) auf der ersten Hauptfläche (2a) des Substrats (2) einem Innenbereich der Laservorrichtung zugewandt ist, und - wobei auf einer der ersten Hauptfläche (2a) des Substrats (2) gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche (2b) des Substrats (2) eine zweite dielektrische Beschichtung (5) vorhanden ist, welche im visuellen Wellenlängenbereich hochreflexiv und bei der Nutzwellenlänge hoch transmittierend ist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Substrat (2) bei einer elektromagnetischen Strahlung in einem optischen Wellenlängenbereich von 250 nm bis 2,5 um eine Transmission von wenigstens 80 % aufweist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Substrat (2) Saphir, Yttrium-Aluminium-Granat YAG oder kristallines Siliziumdioxid αSiO2 aufweist.
Laservorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die wenigstens eine erste Beschichtung (3) einen hohen Transmissionsgrad von > 95%, für elektromagnetische Strahlung in dem Nutzwellenlängenbereich der Laserstrahlung und/oder einen hohen Reflexionsgrad von > 95%, für elektromagnetische Strahlung in dem übrigen elektromagnetischen Spektrum aufweist.
Laservorrichtung nach Anspruch 4, wobei die elektromagnetische Strahlung in dem übrigen elektromagnetischen Spektrum in einem optischen Wellenlängenbereich von 500 nm bis 20 µm liegt.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die wenigstens eine dünne Metallschicht (3a) der wenigstens einen ersten Beschichtung (3) Silber aufweist.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die wenigstens eine dünne Metallschicht (3a) der wenigstens einen ersten Beschichtung (3) eine Schichtdicke von 25 nm aufweist.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die wenigstens eine erste dielektrische Schicht (3b) und/oder die wenigstens eine zweite dielektrische Schicht (3c) der wenigstens einen ersten Beschichtung (3) eine Abfolge von mehreren unterschiedlichen dielektrischen Teilschichten umfassen.
Laservorrichtung nach Anspruch 8, wobei sich die mehreren unterschiedlichen dielektrischen Teilschichten der Abfolge abwechseln.
Laservorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die dielektrischen Teilschichten Nioboxid und Siliziumdioxid oder Tantaloxid und Siliziumdioxid aufweisen.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Nutzwellenlänge der Laserstrahlung 1064 nm ist.
Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, welche als Laserkommunikationsterminal oder als Laserentfernungsmesser ausgeführt ist.