DE1945116A1

DE1945116A1 - Schutzanordnung gegen intensive Laserstrahlung

Info

Publication number: DE1945116A1
Application number: DE19691945116
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr Rer Nat Roess
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-09-05
Filing date: 1969-09-05
Publication date: 1971-03-25
Also published as: DE1945116B2

Description

Schutzanordnung gegen intensive Laserstrahlung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zum Schutz von optischen Einrichtungen, insbesondere Beobachtungsgeräten und des menschlichen Auges gegen intensive Laserstrahlung.

Die Anwendung von Lasern bringt durch die hohe Energiedichte der ausgesandten Strahlung, beispielsweise von Riesenimpulsen, die Gefahr der ernsthaften Schädigung von optischen Einrichtungen und der Retina des menschlichen Auges mit sich. Die Gefährdung des menschlichen Auges ist.besonders dann gegeben, wenn das natürliche Öffnungsverhältnis des Auges durch ein optisches Beobachtungsgerät, wie ein Fernrohr, vergrößert wird. Durch die zunehmende Verwendung von Lasergeräten im mobilen Einsatz, z.B. bei der Entfernungsmessung und der Ortung, ist ein wirksamer Schutz dagegen angebracht. Darüberhinaus ist ganz allgemein ein Schutz "\on optischen Detektoren, wie Photomultipliern, Photodioden, Bildwandlern und Fernsehaufnahmeröhren, in allen Bereichen wo intensive Laserstrahlung erzeugt wird, beispielsweise in Laboratorien, wünschenswert.

Es sind bereits Anordnungen zum Schutz gegen intensive Laserstrahlung bekannt. So ist in der deutschen Auslegeschrift 1 241 126 eine Anordnung angegeben, die von einem optischen Wandler Gebrauch macht« Sine derartige Schutzmaßnahme ist jedoch sehr aufwendig und deshalb für viele Anwendungen praktisch nicht durchführbar»

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Als v/eitere Schutzmaßnahme ist der Einbau von selektiven ■ Interfereiizfiltern in die zu schützenden optischen Geräte ■bekannt. Liegt die abzuschirmende Strahlung jedoch im Bereich des sichtbaren Lichtes, so führt die Verwendung derartiger Filter zu starken Farbverfälschungen der in die optische Einrichtung dringenden Strahlung. Außerdem scheidet eine solche Schutzmaßnahme dann aus, wenn die Frequenz der intensiven Laserstrahlung, die es abzuschirmen gilt, unbekannt oder zeitlichen Variationen unterv/orfen ist. Dasselbe gilt, wenn mit Strahlung verschiedener Frequenz gleichzeitig gerechnet werden muß.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache Anordnung zum Schutz gegen intensive Laserstrahlung anzugeben, welche- unabhängig von der Y/ellenlänge der Strahlung einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß der zu schützenden optischen Einrichtung eine Optik vorgelagert ist, die aus einer Sammeloptik und einem im Bereich ihrer Brennebene angeordneten optischen Element zur Übertragung der Strahlung an die optische Einrichtung, gegebenenfalls in Verbindung mit einer weiteren Optik zwischen dem optischen Element und der optischen Einrichtung, besteht. Dieses optische Element wird bei Einfall iron Strahlung über einer bestimmten Intensitätsschwelle örtlich derart \^rerändert₉ daß die Übertragung dieser Strahlung zur optischen Einrichtung, wenn überhaupt j dann in ausreichend gedämpftem Maße erfolgt»

In einer Anordnung dieser Art wird über die· Samraeloptik ein reelles Bild des Gesichtsfeldes in dem optischen Element erzeugt. Dieses überträgt an die zu schützende optische Einrichtung nur Strahlung unter einer vorgegebenen latensitätsschvielle ο Bei Überschreiten dieser

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Intensitätsschwelle erfährt das optische Element örtlich eine Veränderung, die bewirkt, daß die Übertragung der intensiven Strahlung an die optische Einrichtung "bzw. das menschliche Auge unterbrochen wird. Bei der Verwendung dieser Anordnung in einem optischen Beobachtungsgerät v/ird durch die lediglich lokale Störung des optischen Elements die Beobachtung des Gesichtsfeldes nicht wesentlich gestört.

Für die Ausbildung des optischen Elementes gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten. Die eine Möglichkeit macht von einer Steuerung der Transparenz und die andere Möglichkeit von einer Steuerung der Reflexion eines geeigneten Mediums in Abhängigkeit der Intensität der einfallenden Strahlung Gebrauch.

Bei einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem eine Transparenzsteuerung zur Anwendung gelangt, ist das optische Element eine Platte aus transparentem Material, vorzugsweise Glas, welche photoempfindliche Materialien enthält, die erst bei überschreiten der vorgegebenen Intensitätsschwelle absorbierend wirken. Als Beispiel für ein Material einer solchen Platte sei hier Photochromglas genannt. Durch die Anordnung der Platte in der Brennebene der Sammeloptik liegt diese Intensitätsschv/elle im Bereich der Platte sehr hoch. Dadurch ist gewährleistet, daß der Übergang vom transparenten in den absorbierenden Zustand bei Überschreiten dieser Schwelle genügend schnell erfolgt.

Bei einem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei dem die Reilexionscigenschaften des optischen Elements beeinflußt werden, ist dieses ein Spiegel, der die ankommende Strahlung zur optischen Einrichtung bzw» einer der optischen Einrichtung vorgelagerten Optik hin reflektiert. Die thermische Belastbarkeit der reflektierenden

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Spiegeloberfläche ist dabei so "bemessen, daß diese durch eine über der vorgegebenen Intensitätsschwelle liegende Strahlung örtlich zerstört wird.

Eine vorteilhafte Ausbildung des Spiegels besteht darin, daß dieser aus einem dielektrischen Material mit geringer thermischer Leitfähigkeit und einer reflektierenden metallischen Oberfläche gefertigt ist.

TJm gleichzeitig einen wirksamen Schutz der optischen Einrichtungen ganz allgemein gegen alle, in unerwünschten Spektralbereichen gelegene Strahlung auch geringer Intensität herbeizuführen, ist es vorteilhaft, wenn die reflektierende Oberfläche des Spiegels gleichzeitig so ausgebildet ist, daß in ihr Strahlung dieser Spektralbereiche absorbiert wird.

Insbesondere bei der Verwendung der Schutzvorrichtung in optischen Beobachtungsgeräten ist es günstig, wenn die Sammeloptik mit einem höheren Öffnungsverhältnis als das nachfolgende Beobachtungsgerät, ausgestattet ist» Dadurch wird eine hohe Strahlenergie auf der Spiegeloberfläche ohne große sphärische Verzerrungen in dem Beobachtungsgerät erreicht.

Um die Schutzanordnung für alle Wellenlängen der einfallenden intensiven Laserstrahlung gleich wirksam auszuführen, kann die Sammeloptik durch einen Hohlspiegel gebildet sein.

Eine gleichzeitige Anzeige der einfallenden intensiven Laserstrahlung wird dadurch erreicht, daß das Trägermaterial des Spiegels transparent is^ und im Bereich der den Spiegel durchdringenden Strahlung hoher Intensität ein Photoempfänger angeordnet ist. Der Photoempfänger kann gleichzeitig so ausgebildet sein_s daß er auch die Richtung der einfallenden Strahlung anzeigt» PA9/48V718 1-09813/13Jj^ _■

Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigen

Fig.1 eine schematische Darstellung der Schutzanordnung mit einer Sammellinse nach der Erfindung ,

Pig.2 eine prinzipielle Darstellung der Schutzanordnung mit einem Parabolspiegel nach der Erfindung,

Pig.3 eine schematische Darstellung der Schutzanordnung mit einer Platte aus Photochromglas nach der Erfindung.

Die in Pig.1 dargestellte Schutzanordnung enthält die Sammellinse 1', den Spiegel 2 und eine weitere Sammellinse 3. Die gegen intensive Laserstrahlung zu schützenden optischen Teile sind hier das durch die beiden Linsen 4 und 5 dargestellte Teleskop 6 und das Auge des Beobachters 7. Zur Demonstration der Schutzwirkung sind zwei einfallende parallele Strahlenbündel 8 und 9 gezeichnete Durch die Sammellinse 1· wird auf dem Spiegel 2 ein reelles Gegenstandsbild gezeichnet. Das vom Spiegel 2 reflektierte divergente Strahlenbündel 8' wird in der Sammellinse 3 in ein Parallelstrahlenbündel umgeformt und tritt so in das Teleskop 6 ein. Der Spiegel 2 ist hier so ausgeetalfcot, daß er etwa 20$ der auf ihn treffenden Strahlung absorbiert. Dieser Absorptionswert ist bei reflektierenden Metallbelägen aus Aluminium oder Silber wenigstens im Bereich der sichtbaren Strahlung stets gegeben. Diese Absorption ist nötig, um durch eine einfallende intensive Laserstrahlung eine örtliche Erhitzung auf der Spiegeloberfläche zu erzielen, die ausreicht, um diese am Ort der Erhitzung zu zerstören. Ein solcher intensiver Laserstrahl ist durch das Strahlenbündel 9 dargestellt. Der Spiegel 2 ist im Brennpunkt

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10 dieser Strahlung zerstört. Die intensive Laserstrahlung wird nicht reflektiert.

Für die Lichtstärke des Teleskops ist eine Absorption des Spiegels 2 von etwa 20$ ganz unv/e sent lieh, da dieser Verlust durch eine relativ geringfügige Vergrößerung der Sammellinse 1^f kompensiert werden kann. · Es ist ohnehin empfehlenswert, das Öffnungsverhältnis der Sammeloptik mögliehst groß zu machen., um eine starke Erhitzung auf dem Spiegel 2 zu erreichen» Ein Seil der vom Schutsspiegel reflektierten Strahlung kann dann, wie es durch die Blende 11 angedeutet ist, abgeblendet werden, um die kaustischen Fehler des nachfolgenden Seobachtungsgex-ätes möglichst klein zu halten =

Wenn das Trägermaterial des Spiegels 2 gegen thermische Einwirkungen unempfindlich ist, wie z.B. eine Glasplatte, dann bleibt nach einer Perforation durch das Laserlicht eine restliche Reflexion des Trägermaterial erhalten., TJm die Schutz wirkung nicht zu beschränken, ist diese Reflexion durch Oberflächenvergütung des Trägermaterial auf etwa 0,5/5 verringert»

Eine nahezu vollständige Unterdrückung der intensiven Laserstrahlung wird dann erreicht, wenn der reflektierende Belag des Spiegels 2 auf eine dünne Schicht Trägermaterial aufgebracht ist, die der fokussierte Laserstrahl durchbohrt. Dies ist z.B. dann möglich, wenn der Belag auf eine möglicherweise absorbierend eingefärbte Plastikfolie aufgebracht ist. Bei einer solchen Ausführungsform wäre auch eine billige und einfache Auswechslung zerstörter Spiegel, evtl. durch kontinuierliche Abrollung, möglich.

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In manchen Anv/endungen kann es sinnvoll sein, die Lage des, die intensive Laserstrahlung erzeugenden Senders festzustellen. Durch die punktförmige Zerstörung des Spiegels ist diese Lage "bei ruhender Schutzvorrichtung dauerhaft gekonnzeichnet. Diese Lage kann durch optische Sensoren angezeigt und dadurch auf den Ort des Lasersenders geschlossen werden. Datei empfiehlt es sich, den Spiegel mit einer Hilfslichtquolle zu beleuchten, welche die perforierten Stellen für die optischen Sensoren kenntlich macht, wenn hierfür das Eingangslicht nicht ausreicht.

Mit auf Rahmen gespannten Folien lassen sich recht präzise Planspiegel erzeugen. Durch einseitige Luftdruckerniedrigung können darüberhinaus stabile und definiert gekrümmte Spiegel erzeugt werden. Die Verwendung eines derartigen Spiegels bringt es mit sich, daß bei Einfall von intensiver Laserstrahlung der gesamte Strahlengang unterbrochen v/ird. Ein derartiger Spiegel ist 121 der in Pig.2 gezeichneten Anordnung verwendet. Die einfallende Strahlung ist dabei auf die gekrümmte Plastikfolie 12 des Spiegels 2 gebündelt» Strahlung unter der vorgegebenen Intensitätsschwelle wird an das nachfolgende optische Gerät 13 über eine Sammeloptik 3 übertragen. Pällt ein Laserstrahl hoher Intensität auf die Plastikfolie 12, so wird diese örtlich so stark erhitzt, daß sie auf ihrer ganzen Fläche zerreißt. Die Sammeloptik zur Bündelung der Eingangsstrahlung auf den Spiegel 2 ist in dieser Anordnung durch einen Parabolspiegel 1" gebildet. Dieser hat gegenüber einer Sammellinse den Vorteil, daß er achromatisch wirkt.

Mo in Pig.3 dargestellte Anordnung enthält im wesentlichen die gleichen Elemente wie die der Fig.2. Das

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optische Element ist hier jedoch durch eine planparallele Platte 2' gebildet, die als passiver Absorber wirkt. Der Absorptionskoeffizient ist nicht konstant, sondern hängt von der Intensität der einfallenden Strahlung ab. Er steigt mit wachsender Strahlungsintensität nichtlinear von nahezu Full bis auf sehr hohe Y/erte an. Ein Beispiel für ein derartiges Absorptionsmaterial ist, wie bereits erwähnt wurde, Photochromglas„ Die nichtabsorbierte Strahlung geringer Intensität durchdringt die Platte 2' und wird über die Optik 3 an das optische Gerät 13 v/eitergeleitet. Strahlung über der vorgegebenen Intensitätsschwelle v/ird in der Platte 2^f absorbiert. Bei geeigneter Glaszusammensetzung ist es möglich, daß die intensive Laserstrahlung keine bleibende Störung in der Platte hinterläßt. Sie nimmt nach einer gewissen Regenerierzeit wieder den transparenten Zustand an.

3 Figuren

9 Patentansprüche

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Claims

.j Anordnung zürn Schutz von optischen Einrichtungen, insbesondere Beo"bachtungsgeräten und des menschlichen Auges gegen intensive Laserstrahlung, dadurch gekennzeichnet , daß der optischen Einrichtung eine Optik vorgelagert ist, die aus einer Sammeloptik und einem im Bereich ihrer Brennebene angeordneten optischen Element zur Übertragung der Strahlung an die optische Einrichtung, gegebenenfalls in Verbindung mit einer weiteren Optik zwischen dem optischen Element und der optischen Einrichtung, besteht, und daß dieses optische Element bei Einfall von Strahlung über einer bestimmten Intensitätsschv/elle örtlich derart verändert wird, daß die Übertragung dieser Strahlung zur optischen Einrichtung, wenn überhaupt, dann nur in ausreichend gedämpftem Maße erfolgt»
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element eine Platte (2·) aus transparentem Material, vorzugsweise Glas, ist, welche photoempfindliche Materialien enthält, die erst bei Überschreiten der vorgegebenen Intensitätsschv/elle absorbierend v/irken.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element ein Spiegel (2) ist, der die ankommende Strahlung zur optischen Einrichtung bzw« einer der optischen Einrichtung vorgelagerten Optik (3) hin reflektiert, und daß hierbei die thermische Belastbarkeit der reflektierenden Spiegeloberfläche so bemessen ist, daß diese durch eine über der vorgegebenen Intensitätsschwelle liegende Strahlung örtlich zerstört wird.

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4. Anordnung nach Anspruch 3? dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel aus einem dielektrischen Trägermaterial geringer thermischer Leitfähigkeit mit einer reflektierenden metallischen Oberfläche besteht„
5. Anordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Oberfläche des Spiegels (2) Strahlung bestimmter Spektralbereiche absorbiert.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammeloptik mit einem höheren Öffnungsverhältnis als die nachfolgende optische Einrichtung ausgestattet ist.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammeloptik durch einen Hohlspiegel (I") gebildet ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägermaterial des Spiegels transparent ist, und daß im Bereich der den Spiegel (2) bei Zerstörung seiner reflektierenden Oberfläche durchdringenden Strahlung ein Photοempfänger zur Anzeige dieser Strahlung angeordnet ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Photoempfänger zur Richtungsanzeige der einfallenden Strahlung ausgebildet ist.

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