DE3117717A1

DE3117717A1 - Laseranordnung mit injektions-frequenzfuehrung

Info

Publication number: DE3117717A1
Application number: DE19813117717
Authority: DE
Inventors: Clarke Edward Wayland Mass. Harris; Wayne Hartung Medfield Mass. Keene; Robert Irving Holliston Mass. Rudko
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1980-05-05
Filing date: 1981-05-05
Publication date: 1982-03-04
Also published as: CA1180797A; GB2093630B; GB2093630A; FR2481848A1; IT8148343A0; IT1170918B; FR2481848B1; JPS571280A

Description

LANDWEHRSTS. 37 BOOO MÜNCHENS TEL. Oea/£;

München, den 5. Mai 1981 /J Anwaltsaktenz.: 27 - Pat. 289

Raytheon Company, 141 Spring Street, Lexington, Mass. 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Laseranordnung mit Injektions-Frequenzführung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laseranordnunq mit Injektions-Frequenzführung .

Es besteht ein dringender Bedarf an einer vielseitig verwendbaren Laser-Sender-Empfängereinheit hoher Leistung für die CAT-Ermittlung oder für die Ermittlung von Turbulenzen bei klarer Luft, für die Zielobjekterfassung und -Verfolgung, für die Bilderzeugung, für die Messung an Wirbeln in Grenzschichten relativ zueinander bewegter Luftschichten und für Messungen an Ablösungswirbeln sowie für ähnliche Anwendungsfälle. Eine Verbesserung gegenwärtig in Gebrauch befindlicher Hauptoszillator-Leistungsverstärker kann weiter betrieben werden, doch ergibt sich schließlich eine Grenze durch eine schwerwiegende Komplexität und durch die Notwendigkeit der Vermeidung von Selbstanregung von Schwingungen in dem Leistungsverstärkerabschnitt. Außerdem ist zu erwarten, daß ein zusätzlicher Gewinn durch die Verwendung sättigbarer Absorber oder Isolatoren dazu führt, daß eine Verschlechterung der Ausgangscharakteristiken bezüglich einer begrenzten Streuung auftritt. Für Anwendungsfälle, bei denen eine Kohärenz erforderlich ist, sind Impulse hoher Leistung, wie sie von einem sogenannten TEA-Laser (Laser mit elektrischem Querfeld bei atmosphärischem Druck) erhalten werden, wünschens-

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wert, doch ist die Verwendung eines solchen Lasers aufgrund der Ungewißheit der Laserfrequenz ausgeschlossen, wodurch es schwierig ist, einen geeigneten Lokaloszillator zu konstruieren. Die ^! genannte Frequenzinstabilität ist für den TEA-Laser charakteristisch.

Aufgabe der Erfindung ist es, für die zuvor beschriebenen Fälle eine Laseranordnung zu schaffen, welche es gestattet, mit hoher Frequenzstabilität Impulse großer Leistung zur Verfügung zu haben. O

Eine Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im anliegenden Anspruch 1 genannten Merkmale verwirklicht.

Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung ist ein optischer Resonanzraum vorgesehen, in welchem sich eine Impulslasereinheit hoher Leistung befindet, und in welchen hinein ein kontinuierliches Lasersignal niedriger Leistung injiziert wird und weiter sind Mittel zur Stabilisierung der Frequenz innerhalb des optischen Resonanzraumes vorgesehen.

Gemäß einer Ausführungsform sind ein optischer Resonanzraum, eine impulsbetriebene Lasereinheit und eine CW-Lasereinheit oder kontinuierliche Lasereinheit, welche sich innerhalb des optischen Resonanzraumes befindet, vorgesehen. Weiter weist die Anordnung Mittel zur Stabilisierung der Resonanzfrequenz des optischen Resonanzraumes in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Frequenz der kontinuierlichen Lasereinheit auf. Vorzugsweise enthalten die Mittel zur Frequenzstabilisierung Einrichtungen zur Ableitung eines Ausgangsstrahles von dem optischen Resonanzraum entsprechend dem Betrieb der kontinuierlichen Lasereinheit und es sind Mittel zur Veränderung der optischen Weglänge des Resonanzraumes sowie Mittel zur Steuerung dieser Einrichtungen in Abhängigkeit von der Frequenz des genannten Ausgangsstrahls vorgesehen.

Die hier beschriebenen Konstruktionsgedanken,werden auch durch ' j eine Anordnung verwirklicht, welche einen optischen Resonanzraum, i eine impulsbetriebene Lasereinheit und tli**.- kontinuierliche Lasereinheit, die sich in Längsrichtung innerhalb des optischen i Resonanzraumes erstreckt, weiter Mittel zur Übertragung eines Signales aus dem optischen Resonanzraum, weiterhin Mittel zum Empfang eines Echosignales, welches von einem Zielobjekt reflektiert wird, desferneren einen Laser, welcher ein Lbkaloszillatorsignal erzeugt, desweiteren einen Detektor und schließlich Mittel enthält, welche das Lokaloszillatorsignal und die empfangenen Signale dem Detektor zuleiten. Die Mittel zur Zuleitung der genannten Signale zu dem Detektor können Einrichtungen enthalten, welche für das Lokaloszillatorsignal und die empfangenen Signale dieselbe Polarisation bewirken. Vorzugsweise sind auch Mittel zur Stabilisierung der Resonanzfrequenz des optischen Resonanzraumes in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Frequenz der kontinuierlichen Lasereinheit vorgesehen.

Die Anordnung kann weiter so ausgebildet sein, daß die Frequenz des Lokaloszillatorsignales relativ zu der Frequenz des ausgesendeten Signales in bestimmter Weise versetzt wird. Die hierfür erforderlichen Einrichtungen können Mittel zur Veränderung der optischen Weglänge des die Lokaloszillatorschwingung erzeugenden Lasers in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Detektors enthalten."

Schließlich läßt sich eine Laseranordnung der vorliegend angegebenen Art auch in der Weise aufbauen, daß ein optischer Resonanzraum, eine impulsbetriebene Lasereinheit und eine kontinuierlich arbeitende Lasereinheit vorbestimmter Frequenz vorgesehen sind, daß weiter einander entsprechende Signale von der impulsbetriebenen Lasereinheit und von der kontinuierlichen Lasereinheit abgeleitet werden, daß ferner von dem Resonanzraum ein Signal abgeleitet und übertragen wird und daß Mittel zur Einstellung der Resonanzfrequenz des optischen Resonanzraumes in Abhängigkeit von dem übertragenen Signal vorgesehen sind. Zusätzlich sind

Einrichtungen zum Empfang eines Teiles des übertragenen Signales vorgesehen, das von einem Zielobjekt reflektiert wird. Weiter sind Mittel zur Bereitstellung eines Lokaloszillatorsignals und weitere Mittel zur Zuführung des Lokaloszillatorsignals und des empfangenen Signals zu einem Detektor vorgesehen. Die Mittel zur Einstellung der Resonanzfrequenz des Resonanzraums können auch Einrichtungen zum Pulsierenlassen des optischen Resonanzraums mit einer festen Freqeunz sowie weitere Einrichtungen zur Veränderung der optischen Länge des optischen Resonanzraums in Abhängigkeit von Frequenzkomponenten des übertragenen Signals enthalten, um die optischen Harmonischen der Pulsierungsfrequenz des übertragenen Signals optimal zu gestalten. Gemäß einer anderen Ausführungsform können diese Mittel eine abstimmbare Filtereinrichtung enthalten, die eine Kopplung mit einem Teil des übertragenen Signals erfährt, weiterhin Einrichtungen zur Abstimmung der Filtermittel in bereichsüberstreichender Betriebsweise über einen Frequenzbereich um die Resonanzfrequenz herum und schließlich Mittel zur Veränderung der optischen Weglänge des optischen Resonanzraums in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Filtermittel.

Einzelheiten und Vorteile der hier vorgeschlagenen Anordnung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung. Es stellen dar:

Figur 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines frequenz-zwangsgeführten TEA-Lasers mit einer Frequenzstabilisationsschaltung,

Figur 2 eine graphische Darstellung eines typischen Impulses eines frequenz-zwangsgeführten TEA-Lasers der hier angegebenen Art,

Figur 3 ein Blockschaltbild eines stabilisierten,

frequenz-zwangsgeführten TEA-Lasers der hier angegebenen Bauart zur Verwendung in einem kohärenten Detektorsystem oder Zielerfassungssystem und

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Figur 4 ein Blockschaltbild einer anderen Ausführungsform eines stabilisierten, frequenz-zwangsgeführten TEA-Lasers in einem Kohärenz-Detektorsystem.

Figur 1 zeigt schematisch eine Laseranordnung der hier vorgeschlagenen Art. Die injektions-zwangsgeführte, impulsbetriebene TEA-Laseranordnung 10 enthält einen vollständig reflektierenden Spiegel 20, einen teildurchlässigen Spiegel 50, eine kontinuierliche Lasereinheit 30 und eine TEA-Lasereinheit 40. Der vollständig reflektierende Spiegel 20 ist an einem piezoelektrischen Wandler befestigt, dessen Aufgabe sich aus der nachfolgenden Beschreibung ergibt. Die kontinuierlich betriebene Lasereinheit 30 kann an sich bekannter Bauart sein und beispielsweise eine Lasereinheit sein, welche bei niedrigem Druck von annähernd 26,66 χ 10 Bar betrieben wird und eine CC^-^-He-gefüllte, in Längsrichtung erstreckte Entladungsröhre enthält, welche Fenster mit Brewster-Winkel aufweist. Die TEA-Lasereinheit 40 ist ein impulsbetriebener Laser mit elektrischem Querfeld und atmosphärischem Druck. Der Impulsgenerator 39 für die TEA-Lasereinheit 40 besteht beispielsweise aus einem Kondensator, welcher von einer Energiequelle her aufgeladen wird. Wird eine Funkenstrecke getriggert, so entlädt sich der Kondensator über die Kombination einer Vorionisierungs-Elektrodenstrecke und einer Haupt-Elektrodenstrecke innerhalb der TEA-Lasereinheit. Die Vorionisierungs-Elektroden sind in üblicher Weise ausgebildet und bewirken eine Vorionisierungsentladung vor der Hauptentladung, während die Hauptelektroden ein Rougowski-Profil besitzen. Das zwischen den Elektroden befindliche Gas kann eine gebräuchliche Mischung aus Stickstoff, Kohlendioxid und Helium sein. Der Gesamtdruck kann zweckmäßig atmosphärischer Druck sein, doch sind auch andere Druckwerte möglich. Zwischen den Elektroden wird eine Glimmentladung bewirkt und die üblichen molekularen Vorgänge eines CC^-Lasers finden statt. Der Stickstoff wird zu dem ersten Schwingungszustand angeregt und erfährt eine Kollision mit den CC^-Molekülen, so daß eine Energieübertragung zu diesen Molekülen stattfindet.

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■ Die Laserwirkung beruht auf Sprüngen der CO₂-Moleküle. Das He- ! lium. ist vorhanden, um der Gasmischung eine thermische Wirkung ! mitzuteilen, so daß umso mehr Energie bei der gewünschten Laserfrequenz abgenommen werden kann. Wenn die optische Verstärkung hoch genug angestiegen ist, um die optischen Verluste zu übertreffen, so entsteht in dem TEA-Laserresonanzraum, welcher durch die Spiegel 20 und 50 begrenzt wird, ein Laserimpuls und ein Teil der daraus resultierenden Strahlung wird über den teildurchlässigen Spiegel 50 der freguenz-zwangsgeführten TEA-Laseranordnung 10 ausgesendet. Es ist möglich, eine Gasströmung quer zum elektrischen Feld und auch quer zu dem optischen Strahlungsbündel vorzusehen, um das Gas zwischen den Elektroden für den nächsten Laserimpuls zu erneuern, falls diese Betriebsweise erforderlich ist.

Eine Eigenschaft der TEA-Laser ist es, einen Ausgangs impuls hoher Leistung und kurzer Dauer in der Größenordnung von 50 Nanosekunden zu erzeugen. Die Frequenz der Schwingungen ist jedoch nicht stabil. Verschiedene Emissionslinien können gleichzeitig angeregt werden und die Frequenz kann eine Chirp-Modulation abhängig von dem genauen Abstand der Spiegel des TEA-Lasersystems erfahren. Ein Laser dieser Art läßt sich nur mit Schwierigkeiten in einem kohärenten Detektorsystem oder Zielerfassungssystem verwenden, da die Laserfrequenz von Impuls zu Impuls schwankt, so daß es schwierig wird, ein entsprechendes Lokaloszillator-Bezugssignal bereitzustellen.

Es wurde nun gefunden, daß durch Einfügung einer kontinuierlichen Lasereinheit zusammen mit einer TEA-Lasereinheit in einem optischen Resonanzraum die Ausgangsfrequenz der TEA-Lasereinheit stabilisiert werden kann. Dies wird dadurch erreicht, daß der Abstand der Spiegel 20 und 50 so eingestellt wird, daß sie sich in Resonanz für eine bestimmte Linie der CO₂~Laserübergänge oder -sprünge befinden. Werden beispielsweise die Spiegel 20 und 50 so eingestellt, daß sie sich in Resonanz für die P-20-Linie des CO₂ befinden, so schwingt nur die P-20-Linie und

die kontinuierlich arbeitende Lasereinheit 30 emittiert ein kontinuierliches Laserstrahlenbündel niedriger Leistung auf der P-20-Linie. Während nun dieser Laser kontinuierlich schwingt und eine kontinuierliche Welle aussendet, ist die TEA-Lasereinheit impulsbetrieben. Der Verstärkungsgewinn einer TEA-Lasereinheit steigt sehr rasch in ihren sämtlichen Emissionslinien an. Nachdem aber eine wieder eingespeiste Leistung nur für die P-20-Linie vorhanden ist, empfängt nur dieser Spektralbereich ausreichende Leistung. Aus diesem Grunde steigt die Ausgangsleistung der Lasereinheit nur im Bereich der P-20-Linie sehr rasch an. Die Gegenwart von Helium in dem Entladungsraum beeinflußt thermisch die anderen Spektrallinien und ermöglicht ihre Relaxation in die P-20-Linie hinein, so daß mehr Energie den P-20-Schwingungen zugefügt wird. Die TEA-Lasereinheit 40 ist dann wirkungsgemäß ig frequenz-zwangsgeführt aufgrund der Gegenwart einer wieder eingespeisten Leistungsdichte im Spektralbereich der P-20-Linie der kontinuierlich betriebenen Lasereinheit 30. Die Leistung steigt weiter an, bis sl«~l* der Verstärkungsgewinn in der TEA-Lasereinheit 40 zu sättigen beginnt und fällt dann ab, was auf Kosten des Verstärkungsgewinns in der TEA-Lasereinheit 40 geschieht. Ein Hauptteil der gespeicherten Energie in der Lasereinheit 40 wird im Bereich der P-20-Linie abgeleitet. Keinerlei Energie wird im Bereich anderer Spektrallinien abgeführt. Die Ausgangsleistung fällt weiter ab, bis sie den ursprünglichen Pegel der niedrigen kontinuierlichen Laserenergie erreicht, welche vor dem Impuls der TEA-Lasereinheit 40 vorhanden war. Die Energie eines TEA-Laserimpulses ist dieselbe wie bei dem frequenzzwangsgeführten Äquivalent, jedoch besitzt der Impuls der frequenz-zwangsgeführten Anordnung geringere Leistung bei größerer Länge in der Größenordnung mehrerer Mikrosekunden.

Diese Änderung bezüglich der Impulsdauer beruht auf dem Beitrag eines existierenden Energieniveaus von der kontinuierlich betriebenen Lasereinheit 30 in dem Resonanzraum vor dem Aufbau des Impulses. Dies ist ein wesentlicher Faktor für die gleichzeitig auftretenden Mechanismen, welche für die Geschwindigkeit

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der Änderung sowohl von Leistung als auch von Verstärkungsgewinn innerhalb des Resonanzraumes verantwortlich sind. Dieser im voraus vorhandene Leistungspegel vermindert effektiv die anfängliche Scheitelleistung, welche anderenfalls vorhanden wäre, indem zu Anfang der Verstärkungsgewinn dezimiert wird. Diese niedrigere anfängliche Leistung ermöglicht ein Entnehmen von Laserenergie für eine längere Zeitdauer. Das endliche Ergebnis ist, daß der Impuls von dem frequenz-zwangsgeführten TEA-Laser 40 im Vergleich zu einem Impuls eines unkompensierten TEA-Lasers auseinandergezogen wird. Figur 2 zeigt ein Diagramm der Leistung als Funktion der Zeit für einen charakteristischen Impuls des injizierten frequenz-zwangsgeführten TEA-Lasers der hier vorgeschlagenen Art. Der Leistungspegel ist in Relativeinheiten angegeben, da die tatsächlichen Leistungswerte von verschiedenen Parametern abhängig sind, während die zeitlichen Maßstäbe für die Impulse jeweils gleichbleiben.

Die Impulswiederholungsgeschwindigkeit ist in erster Linie bestimmt durch die Zeitdauer, welche erforderlich ist, um die Gasmischung zwischen den Impulsen zu erneuern oder, falls in der Laseranordnung der Resonanzraum abgedichtet ist, durch die Zeit, welche für eine Stabilisierung des Gases erforderlich ist. Frisches Gas kann auf einer Seite der Elektroden eingepumpt werden, bis es das Volumen erfüllt, in dem sich die Entladung wiederholt. Das abgezogene Gas kann im Kreislauf geführt, gekühlt und von neuem verwendet werden. Es ist aber auch möglich, das Gas zur freien Umgebung abzulassen, da die Anordnung etwas über dem Atmosphärendruck arbeitet. Auch kann eine Kombination eines Gaskreislaufes und einer Gaserneuerung verwendet werden. Die Auslösesteuerung 90 bestimmt die Impulswiederholungsfreguenz durch Zuführung eines Auslösesignales zu dem Impulsgenerator 39.

Es sei nun wieder auf Figur 1 Bezug genommen. Ein Strahlenbündel wird von dem Laser-Resonanzraum über den teildurchlässigen Spiegel 50 abgenommen. Ein Teil des Ausgangsstrahlenbündels wird

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durch die Strahlteilungseinrichtung 60 in Richtung auf den Detektor 70 reflektiert. Der Ausgang des Detektors 70, welcher ein pyroelektrischer Detektor sein kann, wird durch die Stabilisationssteuerung 80 ausgewertet und dient zur Stabilisierung der Frequenz der frequenz-zwangsgeführten TEA-Laseranordnung 10 auf eine bestimmte Spektrumslinie, beispielsweise auf die P-20-Linie.

Dieser Abstimmbetrieb geschieht bei Normalbetrieb der kontinuierlichen Lasereinheit 30 und bei ausgeschalteter TEA-Lasereinheit 40. Der den Resonanzraum begrenzende Spiegel 20 ist, wie bereits gesagt, an einem piezoelektrischen Wandler 25 befestigt, so daß die Resonanzfrequenz des Resonanzraums dadurch abgestimmt werden kann, daß die Lage des Spiegels 20 eingestellt wird. Die Stabilisierungssteuerung 80 liefert ein Wechselspannungssignal an den piezoelektrischen Wandler 25 in solcher Weise, daß der Spiegel 20 Schwingungen ausführt. Der piezoelektrische Wandler 25 ist anfänglich so eingestellt, daß er sich im Bereich der gewählten Schwingungen entsprechend der P-20-Spektrallinie befindet. Wird ein Pulsierungs-Wechselstromsignal von 1 kHz zugeführt, so wird eine Pulsierung von 2 kHz dem Ausgangssignal überlagert, da die P-20-Spektrumslinie praktisch eine glockenförmige Kurve ist und die überstreichung nach aufwärts und nach abwärts in einer Frequenzverdopplung resultiert. Wenn das Pulsieren oder Überstreichen mit der Scheitelleistung des Leistungsspektrums der P-20-Spektrallinie geschieht, so wird dem Ausgangssiqnal an dem Spiegel 50 nur die Grundwellenkomponente von 2 kHz überlagert. Ist der Spiegelabstand so, daß das Pulsieren für die gewählte Spektrallinie von dem Scheitel entfernt geschieht, dann wird dem Ausgangssignal ein Signal überlagert, welches aus der Grundwellenfrequenz von 2 kHz und vielen anderen Harmonischen besteht, je nachdem, wie weit die Resonanzfrequenz des Resonanzraumes von dem Scheitel der Spektrallinie entfernt ist. Die Stabilisierungssteuerung 80 erzeugt also ein Fehlersignal, welches dem piezoelektrischen Wandler 25 in Abhängigkeit von der Gegenwart von Harmonischen des 2 kHz-Pulsierungssignals zugeführt

wird, um den Abstand zwischen den zwei Spiegeln 20 und 50 zu ändern, so daß diese Harmonischen eliminiert werden. Ist das erreicht, so beendet die Stabilisierungssteuerung 80 das Pulsierungssignal und hält den Spiegel 20 in einer Stellung, welche optimale Resonanz im Bereich der gewählten Spektrallinie ergibt. Die Schaltung der Rückkopplungsschleife im einzelnen ist nicht gezeigt, da die konstruktive Verwirklichung dieser Art von Rückkopplungsschleifen dem Fachmann ohnedies bekannt ist.

Figur 3 zeigt die injektions-frequenzgeführte TEA-Laseranordnung 10 in einem kohärenten Zielerfassungssystem. Das Ausgangsstrahlenbündel, welches linear polarisiert ist, wird durch den teildurchlässigen Spiegel 50 und die Strahlteilungseinrichtung 100 übertragen, welche unter dem Brewster-Winkel angeordnet ist. Eine Viertelwellenplatte 110 ändert die Polarisation des Ausgangsstrahlenbündels von der linearen in die zirkuläre Polarisation. Zusätzlich ist ein Teleskop 120 vorgesehen, um das Ausgangsstrahlenbündel zu vergrößern. Ein Zielobjekt 130 reflektiert einen bestimmten Anteil des Ausgangsstrahlenbündels, doch ist das reflektierte Signal im Vergleich zu dem Ausgangsstrahlenbündel entgegengesetzt zirkulär polarisiert. Das reflektierte Signal gelangt wieder durch die Viertelwellenplatte 110 und wird dort linear polarisiert, wobei die Polarisationsrichtung senkrecht zu derjenigen des Ausgangsstrahlenbündels der fre— quenz-zwangsgeführten TEA-Laseranordnung 10 ist. Das reflektierte Signal wird dann an den unter dem Brewster-Winkel angeordneten Strahlteilungseinrichtungen 100 und 140 reflektiert und gelangt über eine Linse 150 zu einem mischenden Detektor 160. Ein als Lokaloszillator dienender Laser 200 besitzt ein Ausgangsstrahlenbündel, dessen Polarisation senkrecht zu derjenigen des Ausgangsstrahlenbündels der frequenz-zwangsgeführten TEA-Laseranordnung 10 ist, so daß die Polarisationen des Lokaloszillator-Ausgangsstrahlenbündels und des von Zielobjekt zurückkehrenden Signales identisch sind. Diese Signale werden durch die Strahlteilungseinrichtung 140 der Linse 150 zugeführt. Die Linse 150 projiziert die beiden Signale auf den Detektor

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160, von wo aus das Überlagerungssignal zu einer Signalverarbeitungs- und Wiedergabeeinheit 170 gelangen kann. Der Detektor kann ein photoelektrischer Quecksilber-Cadmiumtellurid-Detektor ! sein. Praktisch mischt der Detektor das empfangene Signal und das Lokaloszillatorsignal, so daß ein Ausgangssignal entsteht, welches zur Frequenzdifferenz der beiden genannten Signale proportional ist und die Dopplerverschiebung darstellt. Die Signalverarbeitungs- und Wiedergabeeinheit 170 nimmt auch ein Zeitvorgabesignal von der Zeitgeber- und Stabilisierungssteuerung 180 her auf, welche gleichzeitig ein Auslösesignal an den Impulsgenerator 39 liefert. Das Zeitvorgabesignal kann dazu verwendet werden, die Horizontalablenkung in einem Koordinaten-Wiedergabegerät zu starten, um Entfernungsinformationen darzustellen, während das Dopplerverschiebungssignal so verarbeitet werden kann, daß es zur Steuerung der Vertikalablenkung verwendbar ist.

Figur 3 zeigt auch einen Mechanismus zur Einstellung und Stabilisierung der Frequenz des Lokaloszillator-Lasers 200. Einer der Spiegel, welche den Resonanzraum des Lokaloszillator-Lasers 200 begrenzen, ist mit einem piezoelektrischen Wandler 210 verbunden. Die Frequenz des Lasers 200 kann dadurch stabilisiert werden, daß die Zeitgeber- und Stabilisierungssteuerung 180 in entsprechender Weise eingesetzt wird, wie dies bezüglich der Stabilisierung der frequenz-zwangsgeführten TEA-Laseranordnung 10 nach Figur 1 ausgeführt wurde. Hier werden sowohl die kontinuierliche Lasereinheit als auch die TEA-Lasereinheit ausgeschaltet und nur ein Teil des Lokaloszillatorsignals wird zu dem Detektor 190 über die Strahlteilungseinrichtung 140 und den Spiegel 195 übertragen. Die Zeitgeber- und Stabilisierungssteuerung 180 führt wieder ein 1 kHz-Pulsierungssignal an den piezoelektrischen Wandler 210, wodurch sich dem Ausgangssignal des als Lokaloszillator dienenden Lasers 200 eine 2 kHz-Komponente überlagert. Die Zeitgeber- und Stabilisierungssteuerung 180 erzeugt dann ein Fehlersignal, bis die Harmonischen der 2 kHz-Pulsierung verschwunden sind, was bedeutet, daß der Lokaloszillator-Laser 200 stabilisiert ist.

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, Als nächstes wird die TEA-Laseranordnung 10 gegenüber dem Lokaloszillator-Laser 200 stabilisiert, wobei die Kombination zweier

j Strahlenbündel im Überlagerungsdetektor oder Mischdetektor 160 verwendet wird. Das erste der beiden Strahlenbündel ist derjenige Anteil des Strahlenbündels des Lokaloszillator-Lasers 200, welcher zu dem Detektor 160 über die Strahlteilungseinrichtung 140 und die Linse 150 gelangt. Dieses Strahlenbündel ist linear polarisiert mit einer Polarisationsrichtung senkrecht zu derjenigen des Strahlenbündels der TEA-Laseranordnung 10. Das andere Strahlenbündel wird von der TEA-Laseranordnung 10 abgeleitet, wenn sie zwischen den Impulsen eine kontinuierliche Schwingung abgibt. Dieses Strahlenbündel wird über die Viertelwellenplatte 110 zu dem Teleskop 120 geleitet, wo ein geringer Anteil des Strahlenbündels zurückgestreut wird und wieder durch die Viertelwellenplatte 110 läuft, so daß die lineare Polarisation dieses Anteils dieselbe ist wie bei dem Signal des Lokaloszillator-Lasers. Dieses zurückgestreute Signal wird dann von den Strahlteilungseinrichtungen 100 und 140 reflektiert, durch die Linse 150 geführt und.gelangt zu dem Detektor 160. Da die richtige Polarisation aufrecht erhalten wird, werden die beiden Signale in dem Mischdetektor 160 einander überlagert. Ein Teil des Überlagerungssignals gelangt zu der Zeitgeber- und Stabilisierungssteuerung 180, wo ein Fehlersignal abgeleitet und dem piezoelektrischen Wandler 25 zugeführt wird, so daß die TEA-Laseranordnung 10 stabilisiert wird. Die Zeitgeber- und Stabilisierungssteuerung 180 kann auch dazu verwendet werden, die Frequenz des Lokaloszillator-Lasers gegenüber der Frequenz der frequenzgeführten TEA-Laseranordnung zu versetzen, indem ein Teil des Ausgangssignals des Mischdetektors 160 dazu verwendet wird, ein Steuersignal an den piezoelektrischen Wandler 210 zu führen, um die Resonanzfrequenz des Resonanzraumes des Lokaloszillator-Lasers zu verschieben. Bei diesem Versetzen der Frequenz wird die kontinuierliche Lasereinheit 30 eingeschaltet, so daß ihr Ausgangsstrahlenbündel mit demjenigen des Lokaloszillator-Lasers im Mischdetektor 160 überlagert wird.

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Figur 4 zeigt eine andere Ausführungsform des Frequenzstabilisierungsmechanismus. Die frequenzgeführte oder frequenzgerastete TEA-Laseranordnung 10 ist genauso ausgebildet, wie oben im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben. Die Frequenz des Lokaloszillator-Lasers 200 wird stabilisiert, während die frequenzgerastete oder frequenz-zwangsgeführte TEA-Laseranordnung 10 ausgeschaltet ist. Ein Teil des Ausgangssignals des Lokaloszillator-Lasers wird von der Strahlteilungseinrichtung 140 reflektiert und von dem Spiegel 300 durch eine Stark-Zelle 310 sowie auf einen Detektor 320 geleitet. Die Stark-Zelle wird von der Zeitgeber- und Stabilisierungssteuerung 330 durch einen Audiooszillator mit einem elektrischen Querfeld versorgt. Die Stark-Zelle besitzt eine NH₂D-FuI-lung niedrigen Druckes, welche einen sehr schmalen Absorptionslinienbereich entsprechend der P-20-Linie von CO₂ besitzt. Die Frequenz dieses Absorptionslinienbereiches wird durch das elektrische Feld des Audiooszillators hin- und hergeschoben. Wenn das elektrische Feld des Audiooszillators so eingestellt ist, daß die Absorptionslinie der Stark-Zelle 310 genau auf die P-20-Linie des CO₂ abgestimmt ist, so ergibt sich eine ausgeprägte Verminderung in der Übertragung der Stark-Zelle. Wenn der Audiooszillator seine Spannung um diesen Spannungswert herum verschiebt, so erfährt das von der Stark-Zelle übertragene Signal eine Frequenzverdopplung. Der Ausgang des Detektors 320 wird der Zeitgeber- und Stabilisierungssteuerung 330 zugeführt, wo er mit der Phase und der Frequenz des Audio-Oszillators verglichen wird. Es kann dann ein Fehlersignal abgeleitet werden, um den dem Lokaloszillator-Laser 200 zugeordneten piezoelektrischen Wandler 210 in der Weise einzustellen, daß die Frequenzdes Lokaloszillator-Lasers 200 so verschoben wird, wie dies von der Stark-Zelle 310 gefordert wird, um das Fehlersignal zu Null werden zu lassen. Hierdurch kann der Lokaloszillator-Laser 200 präzise auf die P-20-Emissionslinie von CO₂ abgestimmt werden.

Als nächstes wird die TEA-Laseranordnung 10 gegenüber dem mittels der Stark-Zelle 310 stabilisierten Lokaloszillator-Laser

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200 ihrerseits stabilisiert, wozu das Signal des Mischdetektors 160 verwendet wird, wie dies zuvor bei der Beschreibung der Sta- \ bilisierung der Laseranordnung 10 nach Figur 3 ausgeführt wurde, Irgend ein vorbestimmter Frequenzversatz zwischen der frequenzzwangsgeführten oder frequenzgerasteten TEA-Laseranordnung 10 und dem Lokaloszillator-Laser 200 kann dann vorgesehen werden. Falls erforderlich, kann in dem Signalrückweg vor dem Eintritt des Strahlenbündels in die Strahlteilungseinrichtung 140 ein Verstärker vorgesehen sein. Wie bereits oben erwähnt, sind Schaltungseinzelheiten für den stabilisierenden Lokaloszillator-Laser 200 und für die Laseranordnung 10 nicht gezeigt, da eine praktische Ausbildung der beschriebenen Rückkopplungs-Schleifen dem Fachmann keine großen Schwierigkeiten bereitet. Beispielsweise kann eine Lock-In-Stabilisierungseinheit verwendet werden, welche von der Firma Lansing unter der Typennummer 80-214 auf den Markt gebracht wird. Diese Einheit liefert die bereichsüberstreichende Hochspannung, welche von der Stark-Zelle 310 benötigt wird sowie die Pulsierungsspannung für die piezoelektrischen Wandler 25 und 210. Ferner besitzt die Einheit einen Eingang für das Detektorsignal.

Wie weiter oben ausgeführt, beträgt die Dauer des Ausgangsimpulses der frequenzgerasteten TEA-Laseranordnung annähernd zwei Mikrosekunden. Das Signal-/Rauschverhältnis ist proportional zu der Leistung des Impulses und umgekehrt proportional zur Bandbreite des Signales. Für ein optimal ausgelegtes System ist die Signalbandbreite proportional zum Kehrwert der Impulsdauer. Das Signal-/Rauschverhältnis ist also proportional zur Energie des Impulses, woraus deutlich wird, daß die Frequenzstabilisierung oder das Festlegen der Frequenz des TEA-Laserimpulses nicht zu einer Verschlechterung des Signal-/Rauschverhältnisses des Systems führt, da die Impulsenergie gleich bleibt.

Eine andere wichtige Überlegung gilt der Unsicherheit des Systems bezüglich der Geschwindigkeit des erfaßten Zielobjektes·

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Hierbei ist die Frequenzverschiebung aufgrund eines bewegten Zielobjektes, welche zu der Wellenlänge des Signales des Laserstrahlenbündels in Beziehung steht und die Auflösung zu berücksichtigen, welche mit dem Laserimpuls erzielbar ist. Für ein optimales System ist die beste erzielbare Auflösung von der Bandbreite des Lasers abhängig, welche sich invers zur Impulsdauer verhält. Wird die Wellenlänge von 10 Mikron der P-20-Linie von ecu zugrunde gelegt und eine Impulsdauer von mindestens zwei Mikrosekunden verwendet, so ergibt sich eine Geschwindigkeitsauflösung von mindestens 2,4 m/s, was mehr ist, als für die meisten Anwendungsfälle gefordert wird. Es wurde gefunden, daß nach Aussendung des Hauptimpulses die Frequenz für eine Zeit von 10 bis 20 Mikrosekunden gehalten wird und dann sehr rasch davonläuft. Innerhalb einiger weniger Millisekunden kehren die Schwingungen wieder zu ihrer anfänglichen, durch Injektion gerasteten oder stabilisierten Frequenz zurück.

S-Eine andere wichtige Eigenschaft besteht darin, daß wegen der Frequenzrückkehr zu dem durch Injektion festgelegten Wert innerhalb weniger Millisekunden eine maximale Pulswiederholungsgeschwindigkeit von einigen Hundert Hertz möglich ist, wenn ein so rascher Lasermechanismus in dem Gas erreicht werden kann. Auch ist von Wichtigkeit festzustellen, daß sich die Ausgangsenergie entsprechend dem Volumen ändert. Die Impulsbreite ändert sich jedoch maßstäblich nicht wie das Volumen und kann im Bereich einiger Mikrosekunden gehalten werden. Die zu erwartende Ausgangsleistung bei einem System mit einer Nenn- · energie von ein Joule ist daher annähernd 250 KW. Eine Extrapolation zu größeren Einheiten hin zeigt die Möglichkeit, Ausgangsleistungen von mehreren Megawatt zu erhalten.

Bei solchen größeren Einheiten besteht die Möglichkeit, daß Strahlung, welche auf den Mischdetektor zurückgestreut wird, den Detektorvorgang stört oder eine Sättigung des Detektors herbeiführen könnte. Diese Schwierigkeit kann durch eine mechanische Zerhackerscheibe beseitigt werden, welche vor dem

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Detektor in demjenigen Bereich angeordnet wird, in welchem die Strahlenbündel des Lokaloszillator-Lasers und des auszuwertenden Signales fokussiert werden. Die mechanische Zerhackerscheibe kann als primärer Zeitgeber für das ganze System dienen. Ist beispielsweise der Weg durch die Zerhackerscheibe gesperrt, so wird das System eingeschaltet und der Impuls verläßt das Gerät, kurz bevor der Weg durch die Zerhackerscheibe freigegeben wird, so daß reflektierte Strahlung von dem Detektor empfangen werden kann. Diese Anordnung kann nach Belieben vorgesehen sein, falls sie erforderlich ist. Es kann auch ausreichend sein, lediglich auf elektronischem Wege den Detektor zu sperren oder freizugeben, wie dies bei den gegenwärtigen CAT-Systemen der Fall ist.

Eine Betriebseigenschaft der hier vorgeschlagenen Anordnung ist die geringe kontinuierliche Strahlung, welche von dem System ausgeht. In bestimmten Fällen kann es vorkommen, daß das primäre Reflexionssignal von einem Zielobjekt in großer Entfernung gleichzeitig mit einem kontinuierlichen reflektierten Signal entsprechend der kontinuierlichen Schwingung von einem bedeutend stärker reflektierenden Zielobjekt aus geringer Entfernung empfangen wird. Eine Frequenzunterscheidung ermöglicht normalerweise eine Unterscheidung zwischen solchen Zielobjekten. Ist dies aber nicht möglich, so kann die Laserentladungsröhre der kontinuierlichen Lasereinheit abgeschaltet oder in ihrer Leistung reduziert werden, um den Verstärkungsgewinn unter den Pegel der Verluste in einem Sender zu senken, so daß der Sender tatsächlich während der Zeit, in der die Auswertung der Echosignale durchgeführt werden soll, abgeschaltet wird. Bevor der nächste Impuls ausgesendet wird, wird dann die kontinuierliche Lasereinheit wieder eingeschaltet und die Frequenzstabilisierung wieder hergestellt. Es hat sich auch gezeigt, daß das Strahlenbündel im wesentlichen beugungsbegrenzt ist, was eine vorteilhafte Eigenschaft eines CC>2-Laserradars ist.

Außerdem kann die vorliegend angegebene Laseranordnunq mit Fre-

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quenzrastung durch Injektion in einem bedeutend kleineren Volumen untergebracht werden als die bisher gebräuchlichen Instrumente zur Erkennung von Turbulenzen in klarer Luft. Der Wirkungsgrad der Umwandlung von elektrischer in optische Energie ist bei der hier vorgeschlagenen Anordnung bedeutend höher, insbesondere, da ein Großteil der Energie entnommen wird, was im Gegensatz zu den bekannten CAT-Instrumenten steht, bei denen lange Verstärker verwendet werden und nur ein geringer Anteil der Energie entnommen wird.

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Claims

Patentansprüche

/l/ Laseranordnung mit Injektions-Frequenzführung gekennzeichnet durch einen optischen Resonanzraum (20, 50), ferner durch eine impulsbetriebene Lasereinheit (40), welche innerhalb des Resonanzraumes angeordnet ist, weiter durch Mittel (30) zum Injizieren einer kontinuierlichen Schwingung in den Resonanzraum und
durch eine Frequenzstabilisierungseinrichtung (80, 25 bzw. 180, 25) zur Stabilisierung der Frequenz innerhalb des Resonanzraumes.
2. Laseranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die impulsbetriebene Lasereinheit (40) große Leistung aufweist und daß die Mittel zum Injizieren einer kontinuierlichen Schwingung ein Signal niedriger Leistung erzeugen.
3. Laseranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Injizieren einer kontinuierlichen
Schwingung eine in dem Resonanzraum (20, 50) befindliche kontinuierliche Lasereinheit (30) enthalten und daß die Frequenzstabilisierungseinrichtung (80, 25 bzw. 180, 25) die Resonanzfrequenz des Resonanzraumes in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Frequenz der kontinuierlichen Lasereinheit einstellt.
4. Laseranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzstabilisierungseinrichtung Mittel (60, 70, 80) zur Ableitung eines Ausgangsstrahlenbündels von dem Resonanzraum
(20, 50) aufgrund der Schwingungen der kontinuierlichen Lasereinheit (30), ferner Mittel (25) zur Veränderung der optischen Weglänge des Resonanzraums (20, 50) und Steuermittel (80 bzw.
180) enthält, welche die Mittel zur Veränderung der optischen
Weglänge des Resonanzraums in Abhängigkeit von einer Signalfrequenz des Ausgangsstrahlenbündels steuern.
5. Laseranordnung, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, ; dadurch gekennzeichnet, daß die bzw. eine impulsbetriebene Lasereinheit (40) sowie die bzw. eine, eine kontinuierliche Schwingung

• liefernde Lasereinheit (30) in Längsrichtung in dem bzw. einem ! Resonanzraum (20, 50) angeordnet sind, daß ferner aus dem Resonanzraum ein Sendesignal ausleitbar ist, daß ein von einem Zielobjekt (130) reflektiertes Echosignal empfangen wird, daß weiter ein Lokaloszillator-Laser (200) vorgesehen ist und daß das Ausgangssignal des Lokaloszillator-Lasers und die empfangenen Signale auf einen Detektor (160) hinleitbar sind.
6. Laseranordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Polarisationseinstellmittel (110), mittels welchen dieselbe Polarisation der Ausgangssignale des Lokaloszillator-Lasers (200) und der empfangenen Signale erzeugbar ist.
7. Laseranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die bzw. eine Frequenzstabilisierungseinrichtung (180, 25) die Einstellung der Resonanzfrequenz des optischen Resonanzraumes in Abhängigkeit von einer vorbestimmten Frequenz der kontinuierlichen Lasereinheit (30) vornimmt.
8. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch Mittel (210) zum Versatz der Frequenz des Lokaloszillator-Lasers (200) relativ zur Frequenz des ausgesendeten Lasersignals.
9. Laseranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Versatz der Frequenz des Lokaloszillator-Lasers (200) eine Vorrichtung (210) zur Veränderung von dessen optischer Weglänge in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal des Detektors enthalten.
10. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsstrahlenbündel der impulsbetriebenen Lasereinheit (40) und der kontinuierlichen Laserein-

heit (30) aufeinander ausrichtbar sind und daß ein kombiniertes Signal aus dem Resonanzraum (20, 50) aussendbar ist und daß weiterhin die Frequenzstabilisierungseinrichtung Mittel (120, 110, 100, 140, 195, 190) zur Einstellung der Resonanzfrequenz des Resonanzraumes in Abhängigkeit von dem ausgesendeten Signal enthält.
11. Laseranordnung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (120, 110, 100, 140, 150) zum Empfang eines Teiles des ausgesendeten und von einem Zielobjekt (130) reflektierten Signales, ferner durch Mittel (200) zur Bereitstellung eines Lokaloszillatorsignales und durch Einrichtungen zum Hinführen sowohl des Lokaloszillatorsignales als auch des empfangenen Signales auf einen Detektor (160).
12. Laseranordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Einstellung der Resonanzfrequenz des Resonanzraumes Mittel (120, 110, 100, 140, 195, 190) zur Ableitung eines Teiles des ausgesendeten Signales sowie weiterer Mittel (180, 25) zur Veränderung der optischen Weglänge des Resonanzraumes in Abhängigkeit vom Frequenzgehalt des genannten Anteiles des ausgesendeten Signales enthalten.
13. Laseranordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Lokaloszillators (200) gegenüber der Frequenz des ausgesendeten Signales versetzbar (210) ist.
14. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzstabilisierungseinrichtung bzw. die Frequenzeinstellmittel eine Vorrichtung (80, 25 bzw. 180 bzw. 330) zum Pulsierenlassen des optischen Resonanzraumes mit einer festen Frequenz sowie weitere Mittel enthält bzw. enthalten, mittels welchen die optische Weglänge des optischen Resonanzraumes in Abhängigkeit von Frequenzkomponenten des Ausgangssignales bzw.. des ausgesendeten Signales im Sinne einer Optimierung des Gehaltes an Harmonischen der Pulsierungs-

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frequenz im ausgesendeten Signal veränderbar ist.
15. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel bzw. die Mittel zur Einstellung der Resonanzfrequenz des optischen Resonanzraumes eine mit einem Anteil des ausgesendeten Signales beaufschlagbare Filteranordnung enthalten, welche durch einen Bereich von Frequenzen um die Resonanzfrequenz herum abstimmbar ist und daß die optische Weglänge des Resonanzraums in Abhängigkeit vom Ausgangssignal der Filteranordnung veränderbar ist.