DE19756935C2 - Verfahren zur Änderung des Öffnungswinkels eines optischen Teleskops und optische Freiraum-Kommunikationsterminals zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und bezieht sich außerdem auf optische Freiraum-Kommunikationsterminals zur Durchführung des Verfah­ rens.

Zur Kommunikation zwischen Satelliten, zwischen Raumsonden und einer Erdstation oder auch zwischen Flugzeugen und Satel­ liten sollen in Zukunft optische Richtfunk-Verbindungen ein­ gesetzt werden. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf D. Giggenbach: "Optische Kommunikation im Weltraum" in "Funkschau", Heft 2, 1996, auf K. Pribil et al. "SOLACOS - System Implementation" in SPIE Proceedings 2381 (1995) und auf Pribil, Flemming: "SOLACOS PAT Subsystem Implementation" in SPIE Vol. 2210, S. 164 bis 172 hingewiesen.

Da die Position eines Partnerterminals, also zumeist ein an­ derer Satellit, vor der Verbindungsaufnahme weniger genau be­ kannt ist als das Gebiet, welches vom engen Strahldurchmesser des Sendestrahls ausgeleuchtet wird, entsteht ein Unsicher­ heitsbereichs-Raumwinkel, der beim Aufbau einer solchen Ver­ bindung nach dem Partner abgesucht werden muß. Die Partner senden dazu einen sogenannten Akquisitions-"Beacon"-Strahl aus, der den gesamten Unsicherheitsbereich ausleuchtet. Wenn beide Terminals den jeweiligen "Beacon"-Strahl des Partners aufgefunden haben, sind die exakten Positionen relativ zuein­ ander bekannt.

Danach erst wird ein scharf gebündelter und optimal gezielter "Datensende"-Strahl ausgesandt. Durch die scharfe Bündelung wird dann beim Empfänger eine erheblich größere Lichtintensi­ tät erzeugt, so daß sich dementsprechend beträchtliche Daten­ raten übertragen lassen. Die aufgeweiteten "Beacon"-Strahlen können nicht direkt zur Datenübertragung eingesetzt werden, da sie eine zu geringe Empfangslichtintensität erzeugen.

Im Zusammenhang mit optischen Richtfunkstrecken ist es aus den bereits angegebenen Literaturstellen von K. Pribil et al. bekannt, in einem Terminal zur Erzeugung des "Datensende"- Strahls und des "Beacon"-Strahls jeweils eigene Strahlquellen einzusetzen. Dies bedeutet, daß eine "Beacon"-Strahlquelle nicht auch noch zur Datenübertragung genutzt werden kann. Für den "Beacon"-Strahl und den "Datensende"-Strahl sind separate optische Systeme im Teleskop erforderlich, wobei der breitere Divergenzwinkel des "Beacon"-Strahls in dessen Optiksystem fest eingestellt ist.

Soll ein gemeinsames optisches System für den "Beacon"-Strahl und den "Datensende"-Strahl im Teleskop verwendet werden bzw. soll die Sendelichtquelle in der Akquisitionsphase auch zur Erzeugung des "Beacon"-Strahls eingesetzt werden, so kann die Beeinflussung der Sender-Divergenzwinkel in bekannter Weise entweder durch ein mechanisches Verstellen der Linsenabstände (ähnlich einer Zoom-Linse bei Kameraobjektiven), durch Hin­ einklappen eines zusätzlichen optischen Elements, beispiels­ weise einer planparallelen Platte oder Linse, in den Strah­ lengang des Teleskops oder durch Verwenden von Mikro-Linsen aus elektro-optisch beeinflußbaren Materialien, beispiels­ weise Lithium-Niobat, erfolgen, deren Brechungsindex und da­ mit Brennweite durch den elektro-optischen Effekt geändert werden kann.

In diesem Zusammenhang ist aus DE-AS 19 13 454 ein Verfahren zur Änderung des Öffnungswinkels eines mit Laserlicht betrie­ benen optischen Teleskops in einer optischen Richtfunkstrecke bekannt. Bei diesem bekannten Verfahren wird ein elektro­ optischer Kristall innerhalb des Sendeteleskops angeordnet. Dieser Kristall ist mit Anschlüssen versehen, an die eine Steuerspannung angelegt wird, die zu einer Strahlaufweitung des konstant polarisierten Lichts Laserstrahls führt. Dieser elektro-optische Kristall stellt ein optisches Element dar, das unter dem Einfluß eines zwischen den beiden Anschlüssen angelegten elektrischen Feldes die physikalische Eigenschaft der Doppelbrechung aufweist (Kerr-Effekt; Pockels-Effekt).

Nachteilig bei den bekannten optischen Richtfunkstrecken ist, daß in Teleskopen bzw. optischen Freiraum-Kommunikationster­ minals optische Bauteile mechanisch in komplizierter Weise längsverschoben werden oder zusätzlich erforderliche optische Bauteile in den Strahlengang hineingeklappt werden müssen, was wegen der einzuhaltenden Präzision technisch aufwendig und fehleranfällig ist und daher bei extremen Belastungen und Zuverlässigkeitsanforderungen, wie sie vor allem in der Raum­ fahrt bestehen, vermieden werden sollte. Der Einsatz von Mi­ kro-Linsen oder Kristallen mit elektrooptischer Beeinflus­ sung des Brechungsindex erfordert in nachteiliger Weise eine sehr aufwendige Ansteuerungselektronik. Mikro-Linsen können auch nur in sehr kleinen Abmessungen gefertigt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Änderung des Öffnungswinkels eines optischen Teleskops anzu­ geben, das die Möglichkeit eröffnet, ohne komplizierte und störanfällige mechanische Bewegungen von optischen Bauteilen, und ohne zusätzliche, in den Strahlengang zu klappende optische Elemente auszukommen. Darüber hinaus sollen optische Freiraum-Kommunikationsterminals angegeben werden, bei denen dieses Verfahren in vorteilhafter Weise umgesetzt wird.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe bei einem Verfahren zur Änderung des Öffnungswinkels eines optischen Teleskops durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der auf den An­ spruch 1 unmittelbar oder mittelbar rückbezogenen Ansprüche.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der eingangs genannten Art wird die physikalische Abhängigkeit des Brechungsindex eines doppelbrechenden optischen Elements von der Polarisa­ tionsrichtung des einfallenden Lichts gezielt ausgenutzt. Ein doppelbrechendes optisches Element wird so orientiert in den divergierenden Strahlengangabschnitt des optischen Teleskops eingesetzt, daß sich ein axialer Versatz der Strahlen der beiden orthogonalen Polarisationsrichtungen ergibt. Hierdurch werden die beiden Anteile unterschiedlich defokussiert und treten unter verschiedenen Divergenzwinkeln aus dem Teleskop aus.

Bei der Erfindung wird als Grundgedanke demnach die physika­ lische Erscheinung ausgenutzt, daß in einem doppelbrechenden Kristall der Brechungsindex von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts abhängt. Aufgrund des inneren Aufbaus ei­ nes solchen Kristalls ist die Lichtgeschwindigkeit nicht in allen Polarisationsrichtungen gleich. Der einfallende Strahl teilt sich in den sogenannten ordentlichen Strahl, der dem Brechungsgesetz folgt, und den außerordentlichen Strahl (sogenannte "schnelle" Achse und "langsame" Achse). Beide Strahlen sind polarisiert und zwar in zwei zueinander ortho­ gonalen Ebenen.

Ist der einfallende Strahl bereits in einer Ebene linear po­ larisiert, so fehlt derjenige der beiden gebrochenen Strah­ len, dessen Polarisationsebene senkrecht dazu steht. Der be­ schriebene Effekt wird in der Optik also beispielsweise zum Linearpolarisieren von unpolarisiertem Licht oder zum Auf­ spalten von unpolarisiertem Licht in seine beiden orthogonal polarisierten Anteile genützt. Wird ein solcher doppelbre­ chender Kristall mit geeigneter Orientierung in einem diver­ gierenden Strahlengang eines optischen Sendeteleskops einge­ setzt, so führt dies zu einem axialen Versatz der Strahlen der beiden orthogonalen Polarisationsrichtungen. Dadurch wer­ den die beiden Anteile unterschiedlich defokussiert und tre­ ten somit unter verschiedenen Divergenzwinkeln aus dem Tele­ skop bzw. Freiraum-Kommunikationsterminal aus.

Eine erste vorteilhafte Ausführungsvariante des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß die zur Änderung des Öffnungswinkels vorgesehene Einrichtung die Polarisationsebe­ ne des Laserlichts so steuert, daß das von ihr beeinflußte Laserlicht wahlweise in veränderbarer Weise in einer von zwei zueinander orthogonalen Polarisationsebenen vorliegt.

Die Polarisation des Sendelichts kann durch bekannte Maßnah­ men, wie beispielsweise eine piezoelektrische Polarisations­ kontrolle, integriert-optische Modulatoren, Polarisationsstellglieder bei Monomode-Glasfasern oder Lambda/2-Platten bei einem Freistrahl, beeinflußt werden. Bei manchen Baufor­ men von optischen Kommunikationsterminals wird eine solche Polarisationskontrolle aus anderen technischen Erfordernissen heraus ohnehin durchgeführt, so daß bei der Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung kein zusätzlicher Hardware- Aufwand entsteht.

Das Verfahren nach der Erfindung mit Polarisationskontrolle läßt sich in vorteilhafter Weise so einsetzen, daß in der Akquisitionsphase einer optischen Freistrahl-Richtfunkstrecke die gesamte Sendeleistung in einer Richtung linear polari­ siert ist und als weit geöffneter "Beacon"-Strahl, (d. h. ein von einem Sendeterminal während der Akquisitionsphase zur Kontaktaufnahme mit dem Partnerterminal in den gesamten Unsi­ cherheitsbereich ausgestrahlter Signalisierungs-Lichtstrahl) den gesamten Unsicherheitsbereich bestrahlt (d. h. ei­ nen Bereich, der von den optischen Terminals in der Akquisi­ tionsphase nach dem "Beaconstrahl" des Partners abgesucht werden muß, da bei Intersatelliten-Verbindungen die Position eines potentiellen Kommunikations-Partnersatelliten nicht besser als etwa 2 mrad im voraus angegeben werden kann).

Ein typischer Divergenzwinkel (d. h. Öffnungswinkel eines sich ausbreitenden Lichtstrahls) des in der Akquisitionsphase (d. h. Kontaktaufnahme-Phase, während der die Sendeterminals den jeweiligen Partner durch Abtasten des Unsicher­ heitsbereichs suchen, sich dann gegenseitig das Auffinden si­ gnalisieren, um dann in die Datenübertragungsphase mit beu­ gungsbegrenzten Abstrahl- und Sichtwinkeln zu wechseln) ver­ wendeten "Beacon"-Strahls bei optischen Intersatelliten-Ver­ bindungen (d. h. Datenverbindungen zwischen zwei Satelliten durch modulierte Laserstrahlung, wobei die Satellitenabstände üblicherweise zwischen 2.000 km und 72.000 km liegen) beträgt ca. 2 mrad.

Beim Übergang zur Datenübertragungsphase wird dann diese li­ neare Polarisationsrichtung - je nach Konzept kontinuierlich oder auf einmal umgeschaltet - um 90° axial gedreht, bis das gesamte Sendelicht in der anderen Ebene, also in der orhogona­ len Ebene, polarisiert ist und somit von der anderen Kristal­ lachse gebrochen wird und beugungsbegrenzt abgestrahlt wird. Ein typischer strahlenoptischer Öffnungswinkel nach der Tele­ skopapertur (d. h. effektiver Öffnungsdurchmesser einer Sende- oder Empfangsantenne, der bei optischen Terminals meist mit dem Durchmesser der vordersten Linse gleichzusetzen ist) be­ trägt 0° und der sich dann ergebende beugungsbegrenzte Fern­ feld-Divergenzwinkel beträgt bei einer Sende-Apertur von 5 cm und einer Wellenlänge von 1 µm 25 µrad.

Die kleinste Strahlaufweitung nach einem Sendeteleskop wird durch parallele Bündelung des Lichts erhalten. Bei rein strahlenoptischer Betrachtung würde der Strahl dann den Durchmesser der Sendeteleskopapertur behalten. Durch den wel­ lenoptischen Beugungseffekt weitet er sich bei gleichmäßiger Ausleuchtung der Sendeteleskopapertur allerdings auf und zwar mit einem vollen Winkel von

Φ/[Rad] = 4 λ/πD,

wobei Φ ein zur Rechteckverteilung äquivalenter Winkel, λ die Lichtwellenlänge und D der Durchmesser der Sendete­ leskopapertur ist.

Eine beugungsbegrenzte Abstrahlung ist in der Datenübertra­ gungsphase erwünscht, um beim Empfänger die größtmögliche Lichtintensität zu erzeugen.

Bei der vorstehend beschriebenen Ausführung des Verfahrens nach der Erfindung sind in vorteilhafter Weise keinerlei me­ chanische Bewegungen von Linsen oder von anderen optischen Bauteilen erforderlich. Vielmehr hat das erfindungsgemäß aus­ geführte Teleskop bzw. optische Freiraum-Kommunikations­ terminal einen robusten Aufbau. Außerdem ist in vorteilhafter Weise ein kontinuierlicher Übergang der Leistungsaufteilung zwischen dem "Beacon"-Strahl und dem "Datensende"-Strahl mög­ lich.

Eine zweite vorteilhafte Ausführungsvariante des Verfahrens nach der Erfindung besteht darin, daß unter Beibehaltung der Polarisationsebene des Lichts zur Veränderung des Divergenz­ winkels der aus dem Teleskop austretenden Strahlung das mit passender Orientierung angeordnete, doppelbrechende optische Element axial um 90° gedreht wird. Durch die Drehung des dop­ pelbrechenden optischen Elements kann ohne Polarisations­ steuerung der gleiche Effekt erzielt werden wie bei der be­ reits beschriebenen ersten Ausführungsvariante. Hierbei wird zwar eine mechanische Bewegung durchgeführt, die aber ver­ hältnismäßig einfach ausführbar ist, da es sich nur um eine Drehbewegung um die Teleskoplängsachse handelt und keine Längsverschiebebewegungen erforderlich sind.

Für gewisse Anwendungen kann die zweite Variante vorteilhaft sein. Bei einer Ausführung der Divergenzwinkel-Steuerung ge­ mäß dieser zweiten Variante in einem Empfangsteleskop kann umgekehrt in gleicher Weise nach der Akquisitionsphase der Sichtwinkel beugungsbegrenzt eingestellt werden, was bei ko­ härenten Empfangsterminals unbedingt nötig ist.

In den Ansprüchen 6 bis 16 sind optische Freiraum- Kommunikationsterminals und Weiterbildungen davon angegeben, bei denen dieses Verfahren aufgabengemäß in vorteilhafter Weise umgesetzt wird.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen im ein­ zelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine nicht maßstabsgetreue schematische Darstellung der während der Akquisitionsphase herrschenden Situa­ tion bei einer optischen Richtfunkstrecke mit minde­ stens einem mobilen Teilnehmer

Fig. 2 eine ebenfalls nicht maßstabsgetreue, schematische Darstellung der während der Datenübertragungsphase herrschenden Situation bei dieser optischen Richt­ funkstrecke,

Fig. 3 eine wiederum nicht maßstabsgetreue, schematische An­ sicht eines Ausführungsbeispiels eines Sendeteleskops bzw. Freiraum-Kommunikationsterminals nach der Erfin­ dung im Zustand während der Akquisitionsphase, und

Fig. 4 eine nicht maßstabsgetreue, schematische Ansicht die­ ses Sendeteleskop bzw. Freiraum-Kommunikationster­ minals im Zustand während der Datenübertragungsphase.

Fig. 1 zeigt die Strahlungsverhältnisse während einer nachfol­ gend beschriebenen Akquisitionsphase. Es sind zwei Partner­ terminals 1 und 2 dargestellt, von denen das Partnerterminal 1 mit einem Sendeteleskop ausgestattet ist, das einen soge­ nannten "Beacon"-Strahl 3 abgibt. Das Partnerterminal 2 ent­ hält ein Empfangsteleskop, das zunächst ebenfalls im soge­ nannten Akquisitionsmodus betrieben wird.

In optischen Richtfunkstrecken ist vor der Verbindungsaufnah­ me zwischen den beiden Partnerterminals 1 und 2 die Position des jeweils anderen Partnerterminals weniger genau bekannt als das Gebiet, welches vom engen Strahldurchmesser des daten­ übertragenden Sendestrahls ausgeleuchtet wird, so daß ein Unsicherheits-Raumwinkelbereich entsteht, der beim Aufbau einer solchen Verbindung nach dem Partner abzusuchen ist.

Die Partner senden dazu den sogenannten "Beacon"-Strahl 3 (der entsprechende Strahl des Partnerterminals 2 ist in Fig. 1 nicht dargestellt) während der Akquisitionsphase aus, der den gesamten Unsicherheitsbereich ausleuchtet. Haben bei­ de Terminals 1 und 2 den jeweiligen "Beacon"-Strahl des Part­ ners aufgefunden, so sind die exakten relativen Positionen zueinander bekannt. Es wird noch darauf hingewiesen, daß die verhältnismäßig weiten "Beacon"-Strahlen, wie beispielsweise der Strahl 3, nicht direkt zur Datenübertragung benutzt wer­ den können, da über sie eine zu geringe Empfangslichtintensi­ tät erzeugt wird. (Die optischen Wellenlängen werden für Übertragungen gerade wegen ihrer guten Bündelbarkeit verwen­ det, die durch ein absichtliches Aufweiten wieder zunichte gemacht würde).

Fig. 2 zeigt die Strahlungsverhältnisse während der anschlie­ ßend beschriebenen Datenübertragungsphase, die auf die er­ folgreich abgeschlossene Akquisitionsphase folgt. Während der Datenübertragungsphase wird der eng gebündelte und optimal gezielte "Datensende"-Strahl 4 vom Sendeteleskop im Partner­ terminal 1 zum Empfangsteleskop im Partnerterminal 2 hin aus­ gesandt. Durch die sehr scharfe Bündelung des Strahls 4 mit beugungsbegrenztem Abstrahlwinkel wird dann im Empfänger des Terminals 2 eine viel größere Lichtintensität erzeugt, so daß beträchtliche Datenraten dorthin übertragen werden können. Im folgenden wird anhand der Fig. 3 und 4 ein Ausführungsbei­ spiel eines optischen Sendeteleskops nach der Erfindung mit Strahlverlauf erläutert. Es handelt sich dabei um ein Sende­ teleskop eines optischen Freiraum-Kommunikationsterminals mit einer keine beweglichen Teile im optischen Strahlengang er­ fordernden, polarisationsgesteuerten Ausbreitungswinkel- Steuerung entsprechend der ersten der beiden Ver­ fahrensvarianten gemäß der Erfindung.

In Fig. 3 ist durch den links eingetragenen Pfeil 5 ein diver­ gierender, linearpolarisierter, monochromatischer Laserstrahl angedeutet, der in Fig. 3 in Richtung der langsamen Achse po­ larisiert ist und der beispielsweise aus einem Glasfaserende mit Polarisationssteuerung austritt oder von einem Halblei­ ter- oder Festkörper-Laser mit nachfolgender Polarisations­ steuerung und einer Zerstreuungslinse (6) stammt. (Da die Zerstreuungslinse optional vorgesehen ist, ist sie in Fig. 3 und 4 gestrichelt wiedergegeben und vorstehend in Klammern gesetzt.)

Ferner sind neben der optionalen Zerstreuungslinse (6) eine Sendeapertur 7, die gleichzeitig auch als Sendelinse fungiert (bzw. bei Empfang als Empfangsapertur bzw. als Empfangslinse dient) und ein dazwischen angeordnetes doppelbrechendes opti­ sches Element 8 in Form eines Kalkspatblocks im divergieren­ den Strahlengangabschnitt 10 vorgesehen. Das doppelbrechende optische Element 8 erzeugt einen polarisationsabhängigen Strahlenversatz. Ferner ist in Fig. 3 ein auf das Element 8 bezogener, gestrichelt wiedergegebener Strahlengang angedeu­ tet, der in einem scheinbaren Fokus endet, welcher bei der in Fig. 3 angenommenen Polarisation (in Richtung der langsamen Achse) zu einem verhältnismäßig starken Versatz nach rechts führt.

Das umgebende Medium ist Vakuum oder Luft mit einem Bre­ chungsindex von nahezu 1. Der optische Brechungsindex eines Kalkspatkristalls beträgt bei 1 µm Wellenlänge für die eine Polarisationsrichtung etwa 1,49 und für die dazu orthogonale Polarisationsrichtung etwa 1,66. Dieser beträchtliche Unter­ schied läßt sich nun dazu ausnützen, um zwei unterschiedlich divergente Strahlen aus dem Sendeteleskop auszusenden.

Fig. 3 zeigt in diesem Zusammenhang ein Sendeteleskop im Akquisitionsmodus, bei dem ein leicht divergierend austreten­ der Sende- bzw. "Beacon"-Strahl 11 von der die Apertur bil­ denden Sendelinse 7 in den Freiraum abgestrahlt wird. Der "Beacon"-Strahl 11 hat einen Öffnungswinkel von etwa 2 mrad.

In Fig. 4 ist durch den links eingetragenen Pfeil 5' mono­ chromatisches Licht angedeutet, das in Richtung der schnellen Achse des doppelbrechenden Elements polarisiert ist. Durch den scheinbaren Fokus eines auch in Fig. 4 gestrichelt einge­ tragenen Strahlverlaufs ist bei dem in Richtung der schnellen Achse des doppelbrechenden Elements 8 polarisierten Licht nur ein schwacher Versatz nach rechts bewirkt. Fig. 4 zeigt das Sendeteleskop im "Datensende"-Modus, bei dem ein beugungsbe­ grenzt austretender Sendestrahl 12 von der Sendeapertur 7 in den Freiraum abgestrahlt wird. In Fig. 4 ist die gestrichelt wiedergegebene optionale Zerstreuungslinse 6 zum Aufweiten eines parallelen Strahls nötig. Bei aus einem Ende einer Single-Mode-Glasfaser austretendem Licht ist die Linse (6) nicht notwendig, da das Licht ohnehin unter einem bestimmten Winkel divergiert.

Daten für ein Beispiel des in Fig. 3 und 4 dargestellten op­ tischen Systems eines Sendeteleskops sind nachfolgend in ei­ ner Tabelle angegeben.

Tabelle

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht also im Ein­ satz eines doppelbrechenden optischen Elements, üblicherweise einem Kalkspat-Kristall, im divergierenden Strahlengangsab­ schnitt eines Sendeteleskops bzw. Freiraum-Kommunika­ tionsterminals, kombiniert mit einer vorangehenden polarisa­ tionssteuernden Einrichtung, mit der Absicht, den Abstrahl­ winkel aus dem Teleskop zwischen zwei Werten zu variieren. Dabei macht man es sich zunutze, daß das doppelbrechende Ele­ ment in Abhängigkeit von der linearen Polarisationsebene des passierenden Laserlichts zwei verschieden große Strahlversät­ ze erzeugt. Für die sich in der Apertur des Teleskops befin­ dende Sendelinse hat dies die Wirkung, als würde der Abstand der Strahlungsquelle um einen bestimmten Wert verschoben wer­ den.

Dies führt dann zu unterschiedlichen Sichtbereichsgrößen bzw. unterschiedlichen Strahlöffnungswinkeln vor dem Teleskop. Die beiden unterschiedlich divergenten Lichtstrahlen haben dann zwangsläufig ebenfalls zueinander orthogonale Polarisations­ richtungen. Die Beeinflussung der Polarisationsebene des Sen­ delichts kann in technisch bekannter Weise beispielsweise durch mechanische, elektro-optische oder piezoelektrische Einrichtungen erfolgen.

Im vorher beschriebenen Anwendungsfall für optisch freistrah­ lende Richtfunkstrecken zwischen mobilen Partnern oder mobi­ len und stationären Partnern (Satelliten, Flugzeuge, Raumson­ den, Erdempfangsstationen, Einsatzfahrzeuge) werden die Para­ meter des Teleskops so eingestellt, daß der Divergenzwinkel zwischen "Beacon"-Modus (voller Abstrahlwinkel von etwa 2 mrad) und "beugungsbegrenzter Datensende-Modus" (Abstrahl­ winkel = 0) gewählt werden kann.

Diese beiden Größen lassen sich durch Änderungen des opti­ schen Systems (Abstände zwischen den Linsen, Dicke des dop­ pelbrechenden Kristalls, Brennweiten und Durchmesser der Lin­ sen, etc.) in einem großen Bereich variieren. So kann es bei­ spielsweise technisch eventuell sinnvoll sein, im "Datensende"-Modus nicht völlig beugungsbegrenzt abzustrah­ len, sondern noch eine etwas größere Divergenz zuzulassen, um die Anforderungen an die Strahlrichtungsregelung während der Datenübertragungsphase zu verringern.

Claims (16)

1. Verfahren zur Änderung des Öffnungswinkels eines mit La­ serlichtstrahlung betriebenen optischen Teleskops unter Aus­ nutzung der physikalischen Abhängigkeit des Brechungsindex von der Polarisationsrichtung des einfallenden Lichts eines die physikalische Eigenschaft der Doppelbrechung aufweisenden optischen Elements, das so orientiert in den divergierenden Strahlengangabschnitt des optischen Teleskops eingesetzt wird, daß sich ein axialer Versatz der Strahlen der beiden orthogonalen Polarisationsrichtungen ergibt, wodurch die bei­ den Anteile unterschiedlich defokussiert werden und unter verschiedenen Divergenzwinkeln aus dem Teleskop austreten, dadurch gekennzeichnet, daß der durch einen Kristallstruktur­ aufbau des verwendeten optischen Elements permanent vorhan­ dene Doppelbrechungseffekt dieses Elements ausgenutzt wird und daß zur Änderung des Öffnungswinkels eine Einrichtung wirksam wird, mittels derer die Relation zwischen der Polari­ sationsebene des Laserlichts und der Orientierung des doppel­ brechenden optischen Elements geändert werden kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Änderung des Öffnungswinkels vorgesehene Einrichtung die Polarisationsebene des Laserlichts so steuert, daß das von ihr beeinflußte Laserlicht wahlweise in veränderbarer Weise in einer von zwei zueinander orthogonalen Polarisationsebenen vorliegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der zur Änderung des Öffnungswinkels vorgesehenen Einrichtung unter Beibehaltung der Polarisationsebene des Laserlichts das mit passender Orientierung angeordnete doppelbrechende opti­ sche Element axial um 90° gedreht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine Anwendung in einem Sendeterminal eines Freiraum-Kommunikationsterminals einer optischen Richtfunk­ strecke.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Anwendung in einem Empfangsteleskop eines da­ tenempfangenden Freiraum-Kommunikationsterminals einer opti­ schen Richtfunkstrecke.

6. Optisches Freiraum-Kommunikationsterminal zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine einzige Lichtstrahlungsquelle (5) vorgesehen ist, die sowohl im sogenannten "Beacon-Modus", bei dem in einer Akquisitionsphase einer optischen Richtfunkverbindung ein aufgeweiteter Strahl (11) ausgesendet wird, als auch im soge­ nannten "Datensende-Modus" eingesetzt wird, bei dem in einer Datenübertragungsphase der optischen Richtfunkverbindung ein erheblich schärfer gebündelter Strahl (12) ausgesendet wird, daß zur Bildung des Teleskop-Strahlengangs für beide Modi nur ein einziges gemeinsames optisches System vorgesehen ist, welches ein optisches Element (8) enthält, bei dem durch sei­ nen Kristallstrukturaufbau ein Doppelbrechungseffekt perma­ nent vorhanden ist, und daß eine Einrichtung vorgesehen ist, mittels derer die Relation zwischen der Polarisationsebene des Laserlichts und der Orientierung des doppelbrechenden op­ tischen Elements geändert werden kann.

7. Optisches Freiraum-Kommunikationsterminal zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Lichtstrahlungsquellen vorgesehen sind, von denen die eine im sogenannten "Beacon-Modus", bei dem in einer Akquisi­ tionsphase einer optischen Richtfunkverbindung ein aufgewei­ teter Strahl ausgesendet wird, und die andere im sogenannten "Datensende-Modus" eingesetzt wird, bei dem in einer Daten­ übertragungsphase der optischen Richtfunkverbindung ein er­ heblich schärfer gebündelter Strahl ausgesendet wird, daß zur Bildung des Teleskop-Strahlengangs für beide Modi nur ein einziges gemeinsames optisches System vorgesehen ist, welches ein optisches Element enthält, bei dem durch seinen Kristall­ strukturaufbau ein Doppelbrechungseffekt permanent vorhanden ist, und daß im "Beacon-Modus" der Strahl der den "Beacon"- Strahl aussendenden Lichtstrahlungsquelle mittels eines strahlungsvereinigenden Elements in den optischen Teleskop- Strahlengang eingebracht wird.

8. Optisches Freiraum-Kommunikationsterminal nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsvereinigende Ele­ ment ein dichroischer Strahlteilerwürfel ist.

9. Optisches Freiraum-Kommunikationsterminal nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsvereinigende Ele­ ment ein polarisierender Strahlteilerwürfel ist.

10. Optisches Freiraum-Kommunikationsterminal zur Durchfüh­ rung des Verfahrens nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sich am empfangsseitigen Ende des Teleskopstrahlengangs ein Datenempfänger beispielsweise in Form einer Photodiode befindet, daß durch Steuerung der Einrichtung zur Beeinflus­ sung der Polarisationsebene der Blickfeldwinkel veränderbar ist, wobei ein gleichartiges zweites optisches Freiraum-Kom­ munikationsterminal zur Bildung einer Kommunikationspartner­ schaft Lichtsignale im "Beacon-Modus" und Lichtsignale im "Datensende-Modus" in zueinander orthogonalen Polarisationen sendet, so daß das optische Empfangsteleskop des ersten opti­ schen Freiraum-Kommunikationsterminals außer zum Datenempfang auch im "Beacon-Modus", d. h. in der Akquisitionsphase, als "Beacon"-Detektor verwendet werden kann.

11. Optisches Freiraum-Kommunikationsterminal nach einem der Ansprüche 6 bis 9 und zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das den Teleskop- Strahlengang bildende optische System eine vor der Licht­ quelle (5) angeordnete Zerstreuungslinse (6), das doppelbre­ chende optische Element (8) und eine Sammellinse (7) an der Apertur des Teleskops enthält.

12. Optisches Freiraum-Kommunikationsterminal nach Anspruch 10 und zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das den Teleskop-Strahlengang bil­ dende optische System eine vor dem Datenempfänger angeordnete Zerstreuungslinse, das doppelbrechende optische Element und eine Sammellinse an der Apertur des Teleskops enthält.

13. Optisches Freiraum-Kommunikationsterminal nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich durch Verände­ rung des optischen Systems, d. h. durch Wahl insbesondere der Abstände zwischen den Linsen, der Dicke des doppelbrechenden Elements sowie der Brennweiten und Durchmesser der Linsen, die Divergenzwinkel im "Beacon-Modus" und/oder im "Datensende-Modus" einstellen lassen.

14. Optisches Freiraum-Kommunikationsterminal nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System so einge­ stellt ist, daß der im "Datensende-Modus" vorliegende erheb­ lich schärfer gebündelte Strahl (12) so bemessen ist, daß er im wesentlichen parallel gebündelt ist und nur durch Beu­ gungseffekte in seinem freien Verlauf aufgeweitet wird.

15. Optisches Freiraum-Kommunikationsterminal nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das doppel­ brechende optische Element (8) ein Kalkspat-Kristall ist.

16. Verwendung eines optischen Freiraum-Kommunikationstermi­ nals nach einem der Ansprüche 6 bis 15 als Terminal in op­ tisch freistrahlenden Richtfunkstrecken zwischen mobilen Partnern oder mobilen und stationären Partnern, wie bei­ spielsweise Satelliten, Flugzeuge, Raumsonden, Erdempfangs­ stationen oder Einsatzfahrzeugen.