DE2446556C3 - Kollimatorsystem für einen optischen Sender (Laser) - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kollimatorsystem für einen optischen Sender (Laser), das aus einem fokussierenden Strahlintensitätsumformer und einem Kollimator besteht und dem Ausgang des optischen Resonators nachgeschaket ist, um eine wenigstens annähernd gleichförmige Ausleuchtung eines fernen Objekts unter Gewährleistung eines steilen Abfalls der Intensität in der Größenordnung von < 1 m rad zu erreichen.

Optische Wender dieser Art haben für Meß- und Ortungsaufgaben, beispielsweise zur Zielerfassung oder Zielerkennung Bedeutung. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, daß die Intensitätsverteilung über den Strahlkegelquerschnitt im Fernfeld möglichst gleichförmig ist und der Intensitätsabfall am Strahlkegelrand sehr schnell erfolgt. Starke Schwankungen der Intensitätsverteilung des Fernfeldes hätten nämlich zur Folge, daß Objekte, die im Strahlkegel liegen, mitunter nicht oder nur fehlerhaft erfaßt werden können, wenn das Fernfeld am Ort dieses Objekts gerade einen Intensitätseinbruch aufweist.

Laser, die die gewünschte Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt aufweisen, sind sogenannte Monomode-Laser, bei denen lediglich der Grundmode innerhalb ihres optischen Resonators zur Anregung gebracht wird. Im Diagramm nach Fig. 1 ist über dem Bogenwinkel in mrad die Intensität / eines solchen Monomode-Lasers aufgetragen, die dabei den Verlauf einer Gaußschen Glockenkurve aufweist und in welchem der Abfall der Intensität am Rand des Strahlkegels von 90% auf 10% bereits in 0,5 mrad, wie angegeben, erfolgt. Die Aufnahme des Fernfeldes eines solchen Monomode-Lasers für den Grundmode TEMm zeigt Fig. 2.

Durch' die US-PS 34 76 463 ist es bereits bekannt, die Intensitätsverteilung der Strahlung eines Monomode-Lasers, die über den Strahlquerschnitt den Verlauf einer Gaußschen Glockenkurve aufweist, dadurch noch besser an einen gewünschten Rechteckverlauf anzupassen, daß im Strahlengang des Lasers eine aus zwei asphärischen Linsen bestehende Optik angeordnet ist. Die Fo/mgebung der Linsen, die praktisch keinen Brennpunkt aufweisen, läßt sich nur mit großem technischen Aufwand verwirklichen. Wie die weitere Literaturstelle »Proceedings of the IEEE«, Bd. 58, Nr. 5, Mai 1970, Seiten 802 und 803, angibt, kann ein solcher Strahlenintensitätsumformer auch von einem Phasenfilter gebildet werden, das einen wesentlich geringeren technischen Aufwand als eine asphurische Linsenanordnung darstellt. Allerdings ist die hierdurch erreichbare gleichmäßige Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt auch weniger gut.

Für die Anwendung von Lasern für Ausleuchtungszwecke ist es im allgemeinen erforderlich, daß der Laser eine möglichst große Abstrahlleistung aufweist. Die Erzeugung einer kohärenten Monomodestrahlung steht an sich dieser Forderung entgegen, weil die innerhalb des optischen Resonators des Lasers vorzusehenden Maßnahmen, wie sie beispielsweise in der Literaturstelle Röß: »Laser, Lichtverstärker und Oszillatoren«, Akademische Verlagsgesellschaft Frankfurt/Main, 1966, Seiten 230 bis 263, angegeben sind, erhebliche Lichterzeugungsverluste bedingen. Den günstigsten Wirkungsgrad weist mit anderen Worten nicht der Monomode-Laser, sondern der Multimode-Laser auf, bei dem sich die Strahlung aus einer Vielzahl von transversalen Moden zusammensetzt.

Wie die Aufnahmen des Fernfeldes von Multimode-Lasern in den F i g. 3, 4 und 5 zeigen, sind solche Laser für Ausleuchtungszwecke praktisch unbrauchbar, weil die Intensitätsverteilung über ihren Strahlquerschnitt im Fernfeld nicht gleichförmig ist. Beim ΓΖΓΜοι-Mode nach Fig.3 fällt die Intensität im Zentrum des Strahlkegels praktisch auf Null ab. Beim 7"£M₀2-Mode nach Fig.4 ergibt die Intensität innerhalb des Strahlkegels ein Muster nach Art eines vierblättrigen Kleeblatts. Noch krasser liegen die Verhältnisse beim r£Mn-Mode nach Fig.5, bei dem sich die Intensität innerhalb des Strahlkegels an acht singulären Stellen konzentriert, die gemeinsam eine Art Rosette bilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine weitere Lösung für ein einfaches Kollimatorsystem der einleitend beschriebenen Art anzugeben, bei dem eine wenigstens annähernd gleichförmige Intensitätsverteilung des Strahikegels im Fernfeld eines Multimode-La-

sirrs erreicht wird.

Ausgehend von einem Kollimatorsystem der angegebenen Art wird diese Aufgabe gemäß de.· Erfindung dadurch gelöst, daß bei Verwendung einer kohärenten Strahlungsquelle mit einer Vielzahl von transversalen Eigenschwingungen der Strahlintensitätsumformer zur ortsabhängigen Phasenbeeinflussung keinen wesentlichen gemeinsamen Brennpunkt mit dem auf Unendlich eingestellten Kollimator hat.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß sich die gewünschte annähernd gleichförmige Intensitätsverteilung auch bei einem Multimode-Laser mit einer Vielzahl transversaler Moden in verlustarmer Weise dadurch verwirklichen läßt, daß dem Ausgang der Strahlungsquelle die erfindungsgemäße Optik nachgeschaltet wird.

Bei einer ersten bevorzugten AusführungJorm ist der Strahlintensitätsumformer ein stabförmiger Lichtleiter, der die in einem virtuellen Brennpunkt konzentrierte Strahlungsquelle in den Brennpunkt des Kollimators transformiert. Der virtuelle Brennpunkt kann dabei durch die Strahlungsquelle selbst gegeben sein, sofern diese ein divergierendes Strahlungsbündel emittiert. Ansonsten kann dieser virtuelle Brennpunkt, wie beispielsweise die Literaturstelle »Applied Optics« Bd. 3, Nr. 8, Auf. 1964, Seite 934, F i g. 1 zeigt, durch eine konkave Ausbildung der Stirnfläche des stabförmigen Lichtleiters auf Seiten der Strahlungsquelle erzeugt werden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht der Strahlintensitätsumformer aus wenigstens einer bifokalen Sammellinse, von deren beiden Brennpunkten in der Strahlachse der eine vor und der andere hinter dem Brennpunkt des Kollimators liegt.

Auch kann der Strahlintensitätsumformer in vorteilhafter Weise aus einer Toruslinse mit ringförmiger Brennlinie bestehen, in deren Brennebene der Brennpunkt des Kollimators zu liegen kommt.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung des Strahlintensitätsumformers, die sich an die Gegebenheiten des in seiner Intensitätsverteilung umzuformenden Ausgangsstrahls der Strahlungsquelle sehr gut anpassen läßt, ist eine Fresnellinse mit einem Brennpunkt und einer hierzu konzentrisch verlaufenden ringförmigen Brennlinie, in deren Brennebene der Brennpunkt des Kollimators mit dem nur nebensächlichen Brennpunkt der Fresnellinse zusammenfällt.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten F i g. 1 ein bereits erläutertes Intensitätsdiagramm,

Fig. 2 bis 5 bereits erläuterte Aufnahmen der Intensitätsverteilung des Fernfeldes verschiedener Multimode-Laser,

F i g. 6 eine schematische Darstellung eines optischen Senders mit nachgeschalterer Optik,

Fig.7 eine erste Ausführungsform der Optik des optischen Senders nach F i g. 6,

Fig.8 eine zweite Ausführungsform der Optik des optischen Senders nach F i g. 6,

Fig. 9 eine dritte Ausführungsform der Optik des optischen Senders nach F i g. 6,

Fig. 10 eine vierte Ausführungsform des optischen Wenders nach F i g. 6.

Wie Fig.6 zeigt, umfaßt der optische Wender nach der Erfindung den eigentlichen Lasersender /.5, dessen Ausgang eine Optik nachgeschaltet ist, die auf der Strahleingangsseite den Strahlintensitätsumwandler IU und auf der Strahlausgangsseite den Kollimator KO aufweist, Der Strahlintensitätsumwandler IU nimmt eine Fokussierung des ihm eingangsseitig zugeführten kohärenten Lichtstrahls vor und führt zugleich eine ortsabhängige Phasenbeeinflussung durch, die so bemessen ist, daß der im Anschluß an seine Fokussierung im Kollimator wiederum in einen Parallelstrahl umgewandelte Laserstrahl in seinem Fernfeld die gewünschte, wenigstens annähernd gleichförmige Intensitätsverteilung aufweist.

In den in den Fig.7 bis 10 gezeigten verschiedenen Ausführungsformen für die Optik ist der Kollimator KO jeweils gleich ausgebildet und besteht dabei im wesentlichen aus einer Sammellinse 5 mit dem Brennpunkt bO. Bei der Ausführungsform nach F i g. 7 besteht der Strahlintensitätsumwandler IU aus dem Lichtleiter L, der auf seilen des Lasersenders eine konkav gekrümmte Stirnfläche s aufweist, die den virtuellen Brennpunkt bi hat. Beim Durchgang durch den Lichtleiter L werden die verschiedenen Moden aufgrund ihrer unterschiedlichen Weglänge, die sie dabei zurücklegen, in der Phase beeinflußt und dabei zugleich de^r virtuelle Brennpunkt bi, in dem man sich die Strahlungsquelle konzentriert vorstellen kann, in den Brennpunkt bO des Kollimators transformiert. Die Wirkung dieses Lichtleiters hinsichtlich des Fernfeldcs besteht darin, daß sich praktisch keine singulären Intensitätsmaxima mehr ausbilden können, sondern diese ursprünglich singulären Intensitätsmaxima nunmehr gleichsam verschmiert über den gesamten Strahlquerschnitt im Sinne einer annähernd gleichförmigen Intensitätsverteilung in Erscheinung treten. Die dabei im Strahlintensitätsumwandler IU auftretenden Verluste sind, wie auch bei den anderen Ausführungsbeispielen, vernachlässigbar klein.

Bei der Ausführungsform nach Fig.8 besteht der Strahlintensitätswandler IU aus einer bifokalen Sammellinse Sb, bei der der äußere Ringrand eine stärkere Krümmung aufweist als die Innenzone. Diese unterschiedliche Krümmung ist durch die in unterbrochener Linie eingezeichneten Kreisbögen verdeutlicht. Die hier durchgeführte Phasenbeeinflussung der vom Lasersender gelieferten Strahlung kommt dadurch zustande, daß nunmehr das Licht im Zentrum des Strahlkegels im Brennpunkt 0 2 und das Licht im Randbereich des Strahlkegels im Brennpunkt b 1 fokussiert wird. Der Brennpunkt 60 des Kollimators KO liegt zwischen diesen beiden Brennpunkten, so daß das Licht nach Durchgang durch die Sammellinse S hinsichtlich seiner Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt des Fernfeldes im Sinne der gewünschten möglicht gleichförmigen Intensitätsverteilung veränderbar ist.

Bei der Variante in Fig.9 besteht der Strahlintensitätsumformer IU aus einer Toruslinse ST, die anstelle eines Brennpunktes eine ringförmige Brennlinie br erzeugt, in deren Brennebene der Brennpunkt des Kollimators KO zu liegen kommt.

Bei der Ausführungsform nach F i g. 10 werden durch die hier als Strahlintensitätsumformer IU vorgesehene Fresnellinse Sf sowohl ein Brennpunkt Wals auch eine zu diesem Brennpunkt konzentrisch angeordnete ringförmige Brennlinie /?r'erzeugt, in deren Brennebene der Brennpunkt des Kollimators KO mit dem nur nebensächlichen Brennpunkt (bf) der Fresnellinse Sf zusammenfällt. Fresnellinsen dieser Art sind durch die Literaturstelle »8 Jenaer Jahrbuch«, 1964, S. 116, Bild 5a, an sich bekannt.

Bei den in den Fig. 7 bis 10 angegebenen

■ührungsformen für eine Optik nach der Erfindung die spezielle Dimensionierung im Sinne einer imierung, insbesondere des Strahlintensitätsumfors IU jeweils von den gegebenen Systemwerten des ersenders und der Strahlbeschaffenheit abhängig.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Kollimatorsystem für einen optischen Sender (Laser), das aus einem fokussierenden Strahlintensitätsumformer und einem Kollimator besteht und 'dem Ausgang des optischen Resonators nachgeschaltet ist, um eine wenigstens annähernd gleichförmige Ausleuchtung eines fernen Objekts unter Gewährleistung eines steilen Abfalls der Intensität in "° der Größenordnung von S1 m rad zu erreichen, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung einer kohärenten Strahlungsquelle mit einer Vielzahl von transversalen Eigenschwingungen der Strahlintensitätsumformer (IU) zur ortsabhängigen ·5 Phasenbeeinflussung keinen wesentlichen gemeinsamen Brennpunkt mit dem auf Unendlich eingestellten Kollimator hat.

2. Kollimatorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlintensitätsumformer (IU) ein stabförmiger Lichtleiter (L) ist, der die in einem virtuellen Brennpunkt (bi) konzentrierte Strahlungsquelle in den Brennpunkt (bO) des Kollimators (KO) transformiert (F ig. 7).

3. Kollimatorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlintensitätsumformer (IU) aus wenigstens einer bifokalen Sammellinse (Sb) besteht, von deren beiden Brennpunkten (61, 6 2) in der Strahlachse der eine vor und der andere hinter dem Brennpunkt (60) des Kollimators (KO) liegt (F ig. 8).

4. Kollimatorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlintensitätsumformer (IU) aus einer Toruslinse (ST) mit ringförmiger Brennlinie (br) besteht, in deren Brennebene der Brennpunkt des Kollimators (KO)zu liegen kommt.

5. Kollimatorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenintensitätsumformer (IU) aus einer Fresnellinse (Sf) mit einem Brennpunkt (bf) und mit einer hierzu konzentrisch verlaufenden ringförmigen Brennlinie (br') besteht, in deren Brennebene der Brennpunkt des Kollima tors (KO) mit dem nur nebensächlichen Brennpunkt (bf)der Fresnellinse (S/])zusammenfällt.

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