DE3037205C2

DE3037205C2 - Schutzeinrichtung für optische bzw. IR-Fenster

Info

Publication number: DE3037205C2
Application number: DE3037205A
Authority: DE
Inventors: Gunthard Dipl.-Phys. Dr. 8000 München Born
Original assignee: Messerschmitt Bolkow Blohm AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1980-10-02
Filing date: 1980-10-02
Publication date: 1982-12-16
Also published as: GB2086075B; FR2491633B1; US4431257A; FR2491633A1; DE3037205A1; GB2086075A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schutzeinrichtung für optische bzw. IR-Fenster gegen Bestrahlung durch Hochenergielaser, wobei das aus für Hochenergielaserstrahlung durchlässigen, festen optischen Materialschichten bestehende Fenster mit einer Kühlung versehen ist.

Flüssigkeitsfilter, die IR-Strahlung durchlassen und sichtbare Strahlung absorbieren, wobei die optischen Materialschichtcn des Fensters bzw. Filters mit einer flüssigen Kühlung versehen sind, offenbart die US-PS 14010.

Fenster für das sichtbare und Nah-IR-Spektralgebiet sind im IR-Bereich, in dem die Hochenergielaser arbeiten, allgemein jedoch undurchlässig. Es handelt sich hier beispielsweise um die Bereiche von λ = 9—11 μπι oder 3—5 μπα. Bei Bestrahlung durch solche Hochenergielaser, insbesondere Waffensystemen dieser Art, absorbieren diese Fenster diese IR-Strahlung fast vollständig, wodurch aber die optischen Fenstermaterialien aufgrund ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit und der geringen Schmelz- bzw. Verdampfungstemperatur oberflächenmäßig sehr rasch zerstört werden. Sie verlieren sofort ihre optischen Qualitäten, werden undurchsichtig oder zerspringen wegen der thermischen Spannungen. Damit wird das Fenster unbrauchbar.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Fenster zu schaffen, das auch bei Bestrahlung durch Hochenergielaser funktionsfähig bleibt und gleichzeitig auch die hinter dem Fenster

■ liegenden optoelektronischen Komponenten schützt.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen niedergelegten Maßnahmen in überraschend zuve'lässiger und relativ einfacher Weise gelöst. Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels und einiger Varianten beschrieben und erläutert. Die Figuren der Zeichnung stellen das beschriebene Ausfuhrungsbeispiel dar. Es zeigt

Fig.l eine Draufsicht auf ein Fenster; Fig.2 einen Schnitt entlang der Linie A-A gemäß

■ Fig.l;

Fig. 3 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Fensters im Querschnitt, das eine hohe Festigkeit aufweisen muß;

Fig.4 eine Anordnung eines Fensters innerhalb der optischen Glieder eines Objektivs in schematischer Darstellung;

Fig.5 die Ausbildung eines Fensters an einem Spiegel in schematischer Darstellung.

Die Fig.l bis 3 zeigen Ausführungsbeispiele des vorgeschlagenen Fensters 11, dessen Material für das Spektralband des Nutzsignals durchlässig ist. Das Material für die Schichten 1 la ist durchlässig sowohl im Spektralbereich des Nutzsignals als auch im Spektralbereich, in dem Hochenergielaser arbeiten. Vorgeschlagen wird beispielsweise ZnS, ZnSe, Caf₂ oder IRTRAN. Diese oder entsprechend andere Schichten sind nun so zu einem Fenster ausgebildet, daß zwischen ihnen ein Kanal 12 gebildet und von einem Kühlmittel 12a durchflossen wird. Der Durchmesser dieses bzw. dieser Kanäle wird beispielsweise zwischen 1 und 10 mm liegen. Dieses Kühlmittel 12a, das sowohl flüssig, als auch gasförmig sein kann, muß jedoch die Eigenschaft besitzen, daß es für Hochenergielaserstrahlung undurchlässig ist — diese also absorbiert — das Nutzsignal aber durchläßt. Hierzu wird vorgeschlagen als Kühlmittel 12a flüssiges Cyclohexan, H₂O oder gasförmiges SF_b bzw. CH4 zu verwenden. Als besonders günstig erweist es sich, wenn das Kühlmittel 12a eine Schichtdicke aufweist, die mindestens so groß ist wie die Absorptionslänge der Strahlung, vorzugsweise aber einigemale länger. Wesentlich ist, daß die Geschwindigkeit, mit der das Kühlmittel 12a das Fenster 11 durchfließt im Verhältnis zur Laufstrecke so geregelt wird, daß die Temperaturerhöhung durch die Strahlungserwärmung noch unter 1°C liegt, so daß die optische Qualität des Fensters durch Schlierenbildung im Kühlmittel möglichst wenig beeinflußt wird. Vorzugsweise wird das Kühlmittel 12a in einem geschlossenen Kreislaufsystem geführt, dem ein Reservoir 13 zugeordnet ist, dessen Wärmekapazität > als die eingestrahlte Hochenergielaserstrahlungswärme ist. Nun kann die Anordnung so gehalten bzw. ausgebildet werden, daß die Erwärmung des Kühlmittels 12a infolge der hochenergetischen Laserstrahlung wegen des resultierenden Auftriebs zu dessen Bewegung im Kreislauf bzw. Zirkulation herangezogen wird.

Durch das vorgeschlagene Fenster 11 werden nun nicht nur erhöhte Temperaturen des Fenstermaterials vermieden, sondern insbesondere die hinter dem Fenster liegenden optischen Komponenten geschützt. Hierzu zählen die elektrooptischen Detektoren 16 oder auch das menschliche Auge.

Die Flüssigkeits- oder Gasfenster können nun in

verschiedenen Ausführungsformen konzipiert sein. In der Fig.3 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, das sich besonders dann bewährt, wenn die auftretenden Belastungen eine hohe Festigkeit erfordern. Hier sind zahlreiche Kühlkanäle 12 wabenartig im richichtmateriai 11a des Fensters angeordnet, die vom Kühlmittel 12a durchflossen werden. Die Ausbildung kann aber auch als Linse oder Dom erfolgen oder wie in Fig. 5 gezeigt als Spiegel. Hier wird der Kühlkanal 12 zwischen die Spiegelschicht 15a und die IR-durchlässige Schicht t5b gelegt. In dieser Spiegelanordnung ist diese Schicht i5b reflektierend für die Nutzsignalschaltung ausgebildet.

In F i g. 4 ist gezeigt, wie das Fenster 11 zwischen den optischen Gliedern — Linsen etc. — eines Objektivs angeordnet ist In diesem Fall ist die Linse 14a aus einem Material auszuführen, das die Hochenergielaserstrah-Iung nicht absorbiert und deshalb auch nicht zerstört wird. Es kann aber ebensogut außen an der optischen Öffnung angeordnet sein. Bei optischen Instrumenten, wie beispielsweise Kameras wird sich eine Anordnung innerhalb des Strahlenganges empfehlen. Hierbei erweist es sich als vorteilhaft, wenn dem oder den abbildenden optischen Systemen zusätzlich absorbierende Gesichtsfeldblenden 14c zugeordnet sind, welche Hochenergielaserstrahlung abblocken, die aus einem großen Winkel zur optischen Achse einfällt.

Hierzu 2 Blatt Zeichrdingen

Claims

Patentansprüche:

1. Schutzeinrichtung für optische bzw. IR-Fenster gegen Bestrahlung durch Hochenergielaser, wobei das aus für Hochenergielaserstrahlung durchlässigen, festen optischen Materialschichten bestehende Fenster mit einer Kühlung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen diesen Schichten (11 a)für IR-Hochenergielaserstrahlung undurchlässiges, für den Nutzbereich aber durchlässiges, flüssiges oder gasförmiges Kühlmittel (\2a) in Form von flüssigem Cyclohexan bzw. H2O oder gasförmigen SFb bzw. CHa hindurchströmt, wobei als Fenstermaterial (1 Ia_-JZnSe, ZnS, CaF2, heißgepreßte Polycristallin-Verbindung aus MgF2, ZnS, CdF₂, ZnSe, MgO oder CdTe oder ähnliches verwendet wird.

2. Schut?einrichtung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelgeschwindigkeit im Verhältnis zur Laufstiecke so geregelt wird, daß die Temperaturerhöhung im Kühlmittel unter )°C liegt.

3. Schutzeinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreislauf des Kühlmittels (\2a) durch die Erwärmung infolge der Hochenergielaserstrahlung (10) angetrieben wird.

4. Schutzeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem oder den abbildenden optischen Systemen (14,15) zusätzliche absorbierende Gesichtsfeldblenden (\Ac) zugeordnet sind.

5. Schutzeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (11) außen an der optischen Öffnung angebracht ist.

6. Schutzeinrichtung nach den Ansprüchen 1 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Fenster (U) zwischen den optischen Gliedern (14a, Htyangeordnet ist.