DE3804380A1 - Method for protecting IR-detectors against laser radiation - Google Patents

Method for protecting IR-detectors against laser radiation

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Abstract

A method which protects IR-detectors against intensive laser radiation, in that radiation above an intensity threshold value is at least weakened by means of an optical device arranged in the beam passage direction in front of the detector. Here, in order to achieve an improvement of the protection function above all for short laser pulses of higher intensity and for long pulses or continuous-wave operation at lower intensities, the protection-triggering mechanism is brought about by means of at least two different devices, inserted in the manner of a cascade circuit into the beam path and having different insertion thresholds and reaction times either passively, i.e. simply by internal interaction of the radiation with the optical material of the device, or actively, i.e. by means of external physical effects on the material of the devices.

Description

Die Erfindung betrifft ein IR-Detektoren gegen intensive Laserstrahlung schützendes Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an IR detector against intensive laser radiation protective method according to the preamble of claim 1.

Untersuchungen über die Relation zwischen Zerstörschwelle - das heißt diejenige Laserintensität am Ort eines Detektors, bei der eine irrever­ sible Schädigung auftritt - und der Impulsdauer des Laserstrahls sind z.B. aus "Irreversible laser damage in ir detector materials" von F. Bartoli et al, APPLIED OPTICS, Vol. 16 No. 11, Nov. 1977, S. 2934-2937 bekannt.Studies on the relation between destruction threshold - that is the laser intensity at the location of a detector where an irrever sensitive damage occurs - and the pulse duration of the laser beam are e.g. from "Irreversible laser damage in ir detector materials" by F. Bartoli et al, APPLIED OPTICS, vol. 16 no. 11, Nov. 1977, pp. 2934-2937 known.

Aus der DE-PS 15 89 721 ist eine Schutzvorrichtung für das Auge oder ein empfindliches Instrument vor extrem intensiver und in ihrer Intensität extrem schnell ansteigender Laserstrahlung bekannt, bei der ein Filter­ system die Strahlung selbsttätig intensitätsabhängig schwächt. Dasselbe besteht aus zwei verschiedenartigen Materialien, die bei den für eine optische Informationsübertragung üblichen Strahlungsintensitäten über einen größeren Wellenlängenbereich gleiche, bei hoher Strahlungsintensität dagegen auf Grund nichtlinearer optischer Effekte mit minimaler Ver­ zögerung verschieden große Brechungsindizes annehmen. Außerdem sind die Grenzflächen zwischen den Materialien so gestaltet, daß bei hohen Inten­ sitäten durch die Brechungsindexunterschiede der Materialien eine Streuung der Strahlung derart erfolgt, daß ihre hinreichende Schwächung in Ein­ fallsrichtung bewirkt wird. From DE-PS 15 89 721 is a protective device for the eye or a sensitive instrument before extremely intense and in their intensity extremely fast increasing laser radiation known in which a filter system automatically weakens the radiation depending on the intensity. The same thing consists of two different materials, the one for one optical information transmission over usual radiation intensities a larger wavelength range, with high radiation intensity on the other hand due to nonlinear optical effects with minimal Ver delay take different sized refractive indices. Besides, they are Interfaces between the materials designed so that at high Inten due to differences in the refractive index of the materials the radiation takes place in such a way that its sufficient attenuation in one if direction is effected.  

Die DE-OS 27 35 985 enthält sodann noch ein weiteres Verfahren und eine Vorrichtung zum Schutz vor der Wirkung elektromagnetischer Strahlung. Auch hier wird die Strahlung mit Hilfe von optisch nichtlinearen Sub­ stanzen, die große nichtlineare optische Konstanten aufweisen, geschwächt oder aber durch Selbstfokussierung unterdrückt.DE-OS 27 35 985 then contains yet another method and one Device for protection against the effects of electromagnetic radiation. Here, too, the radiation is sub-optically non-linear punches that have large nonlinear optical constants weakened or suppressed by self-focusing.

Infrarotdetektoren können durch intensive Laserstrahlung in ihrer Funktion beeinträchtigt werden, wobei die ausgelösten Effekte - je nach Intensität und Dauer der Lasereinwirkung - von einer temporären Blendung bis zur irreversiblen Zerstörung des Detektors reichen. Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in einer Verbesserung des gattungsgemäßen Verfahrens der­ art, daß die Schutzfunktion für kurze Laserimpulse höherer Intensität und für lange Impulse bzw. CW-Betrieb (CW = continuing wave) bei niedrigerer Intensität sensibilisiert wird. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.The function of infrared detectors can be impaired by intensive laser radiation, the effects triggered - depending on the intensity and duration of the laser exposure - ranging from temporary glare to irreversible destruction of the detector. The object of the invention is therefore to improve the generic method of the type that the protective function for short laser pulses of higher intensity and for long pulses or CW operation (CW = continuing wave) at lower intensity is sensitized. This object is achieved according to the invention by the features mentioned in the characterizing part of claim 1.

Zum Schutz eines Detektors vor Zerstörung und Blendung kann ein optisches Element verwendet werden, das in das optische System vor dem Detektor an geeigneter Stelle integriert wird, ohne dabei Qualität und Transmission dieses optischen Systems zu beeinflussen. Dieses Element ändert seine optischen Eigenschaften bei Einwirkung von intensiver Laserstrahlung der­ art, daß es oberhalb eines Intensitätsschwellwerts die Strahlung abblockt oder abschwächt, wobei der auslösende Mechanimus passiv, d.h. allein durch interne Wechselwirkung der Strahlung mit dem optischen Material oder aktiv, d.h. durch äußere physikalische Einwirkungen auf das Element her­ vorgerufen wird. Solche physikalische Einwirkungen sind z.B. elektrischer, magnetischer oder optischer Art, z.B. Elektrostriktion, Kerr- oder Pockels­ effekt. Diese Wirkungen sind reversibel, d.h. der Strahl wird nicht mehr abgeblockt oder abgeschwächt sobald die Laserintensität wieder unter den Schwellwert sinkt. Das optische Verhalten ist mit dem eines bistabilen elektronischen Schaltelements vergleichbar.To protect a detector from destruction and glare, an optical Element used in the optical system in front of the detector suitable place is integrated, without sacrificing quality and transmission to influence this optical system. This element changes its optical properties when exposed to intense laser radiation art that it blocks the radiation above an intensity threshold or weakening, the triggering mechanism being passive, i.e. alone through internal interaction of the radiation with the optical material or active, i.e. due to external physical influences on the element is called. Such physical effects are e.g. electric magnetic or optical type, e.g. Electrostriction, kerr or pockels effect. These effects are reversible, i.e. the beam is no longer blocked or weakened as soon as the laser intensity again below the Threshold value drops. The optical behavior is that of a bistable electronic switching element comparable.

Natürlich kann auch ein Material mit umgekehrtem Verhalten - Blockung und Abschwächung im niederenergetischen Bereich, Durchlaß bei hohen Energien - als optischer Schalter genutzt werden. Of course, a material with reversed behavior - blocking and weakening in the low-energy range, passage at high energies - can also be used as an optical switch.

Die Substanzen, die sich als optische Schalter eignen, sind sog. optisch nichtlineare Materialien. Unter Einwirkung hoher Laserintensitäten oder anderer physikalischer Mechanismen ändern sich eine oder mehrere ihrer optischen Eigenschaften als nichtlineare Funktion der Intensität der Einwirkung. Materialien, die ein solches Verhalten zeigen, können u.a. den Stoffgruppen Halbleiter, Flüssigkristalle oder andere organische Stoffe, Ferroelektrika, photochrome und phototrope Materialen angehören. Zu den hierfür verwendbaren Halbleitern zählen z.B. InSb, InAs, CdTe, HgCd Te oder ZnSe und zu den Ferroelektrika z.B. Blei-Zirkon-Titanat (= PZT), lanthaniertes Blei-Zirkon-Titanat (= PLZT), Kalium-Dihydrogen- Phosphat, Lithium-Niobat, Lithium-Titanat, Triglycinsulfat, Barium- Strontium-Niobat oder Titanat. Reaktionszeit, Einsatzschwelle und Wirkungs­ grad (Dynamikbereich) dieser Substanzen sind materialabhängig und zeigen eine sehr große Streubreite. Für Strahlungsintensitäten, die unterhalb der Einsatzschwelle solcher nichtlinearer Materialien liegen, ist eine Erweiterung der Schutzfunktion erforderlich.The substances that are suitable as optical switches are so-called optical nonlinear materials. Under the influence of high laser intensities or other physical mechanisms change one or more of them optical properties as a nonlinear function of the intensity of the Impact. Materials that show such behavior can include the groups of semiconductors, liquid crystals or other organic Belong to substances, ferroelectrics, photochromic and phototropic materials. The semiconductors that can be used for this include e.g. InSb, InAs, CdTe, HgCd Te or ZnSe and to the ferroelectrics e.g. Lead zircon titanate (= PZT), lanthanized lead zirconium titanate (= PLZT), potassium dihydrogen Phosphate, lithium niobate, lithium titanate, triglycine sulfate, barium Strontium niobate or titanate. Response time, threshold and effectiveness degrees (dynamic range) of these substances depend on the material and show a very large spread. For radiation intensities below the application threshold of such nonlinear materials is one Extension of the protective function required.

Es wird daher vorgeschlagen gleichzeitig Materialien und Verfahren anzu­ wenden, deren Funktionsbereiche bezüglich Einsatzschwelle und Reaktions­ zeiten sich lückenlos überdecken, derart, daß verschiedenartige optische Schalter in geeigneter Reihenfolge in den Strahlengang des optischen Systems eingebracht werden (Schalterkaskade), wobei die einzelnen Schalter aktiv oder passiv arbeiten können.It is therefore proposed to use materials and processes at the same time turn, their functional areas regarding threshold and response times overlap completely, so that different optical Switches in a suitable order in the beam path of the optical Systems are introduced (switch cascade), the individual switches can work actively or passively.

Diese nichtlinearen optischen Materialien lassen sich in vielfältiger Weise - auch in Form von Komponenten eines optischen Systems - einsetzen, und zwar z.B. als Planscheiben, Linsen, Spiegel, Strahlteiler, Prismen, Gitter oder lnterferenzfilter, wenn dadurch die Strahlungsintensitäten oberhalb der Einsatzschwelle eine zusätzliche Reduzierung der Strahlungs­ intensität am Ort des Detektors ermöglichen. Zusätzlich ist es denkbar, die nichtlinearen Effekte von Laserintensität auf den Brechungsindex, die Absorption, das Streuverhalten, die Polarisation, die Drehung der Polari­ sationsebene, die Totalreflexion ohne Behinderung der Totalreflexion, auf thermische Effekte, die Elektrostriktion, die Selbstfokussierung oder auf eine Kombination von wenigstens zwei dieser Eigenschaften auszunutzen. Diese Effekte können sowohl passiv als auch aktiv genutzt werden. These nonlinear optical materials can be used in a variety of ways - including in the form of components of an optical system - for example as faceplates, lenses, mirrors, beam splitters, prisms, gratings or interference filters, if this means that the radiation intensities above the application threshold further reduce the Allow radiation intensity at the location of the detector. In addition, it is conceivable that the nonlinear effects of laser intensity on the refractive index, absorption, scattering behavior, polarization, rotation of the polarization plane, total reflection without hindrance to total reflection, on thermal effects, electrostriction, self-focusing or on a combination of exploit at least two of these properties. These effects can be used both passively and actively.

Änderungen des Brechungsindex führen bei Planscheiben und Linsen zu Schnittweitenveränderungen und damit zur Defokussierung; bei Prismen bewirken sie eine Strahlablenkung und bei Strahlteilern verändern sie das Verhältnis von reflektierter zu durchgelassener lntensität. Än­ derungen der Absorption bewirken in einem Trägermaterial für ein dielek­ trisches Filter (Antireflexbeschichtung o.ä.) Änderungen des Transmis­ sions- und Reflexionsverhaltens dieses Filters. Polarisation von Element­ paaren wird dazu ausgenutzt, die Transmission zu reduzieren, während die Drehung der Polarisationsebene eines Elements in einem Analysator mit geeigneter Orientierung zur Abschwächung der Intensität benutzt wird.Changes in the refractive index result in face plates and lenses Focal length changes and thus for defocusing; with prisms they cause beam deflection and change in beam splitters the ratio of reflected to transmitted intensity. Än Changes in absorption cause a substrate for a dielek trical filter (anti-reflective coating or similar) changes in the transmis sions and reflection behavior of this filter. Element polarization pairing is used to reduce transmission while the rotation of the plane of polarization of an element in an analyzer is used with a suitable orientation to attenuate the intensity.

Schließlich können verstärkend zu den optischen auch mechanische Schutz­ maßnahmen hinzugezogen werden, z.B. die axiale Verschiebung optisch ab­ bildender Elemente, die zu einer Defokussierung und damit Reduzierung der Intensität am Ort des Detektors führt.Finally, mechanical protection can also reinforce the optical measures are involved, e.g. the axial displacement optically forming elements that lead to defocusing and thus reduction the intensity at the location of the detector.

Claims (7)

1. Verfahren, das IR-Detektoren gegen intensive Laserstrahlung dadurch schützt, daß mittels eines in Strahlendurchtrittsrichtung vor dem Detektor angeordneten optischen Vorrichtungen die Strahlung oberhalb eines Intensitätsschwellenwertes zumindest geschwächt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der schutzauslösende Mechanismus mit wenigstens zwei verschiedenen und nach Art einer Schalterkaskade in den Strahlengang eingebrachten Vorrichtungen verschiedener Einsatzschwelle und Reaktionszeit entweder passiv, das heißt allein durch interne Wechselwirkung der Strahlung mit dem op­ tischen Material der Vorrichtungen oder aktiv, das heißt durch äußere physikalische Einwirkungen auf das Material der Vorrichtungen, hervor­ gerufen wird.1. A method which protects IR detectors against intensive laser radiation by at least weakening the radiation above an intensity threshold value by means of an optical device arranged in front of the detector in the beam passage direction, characterized in that the protective triggering mechanism with at least two different and in the manner of a switch cascade Devices introduced into the beam path of different application thresholds and response times are either passive, that is to say caused solely by internal interaction of the radiation with the optical material of the devices, or active, that is to say by external physical influences on the material of the devices. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialien als Komponenten des zugehörigen optischen Systems - z.B. als Planscheiben, Linsen, Spiegel, Strahlteiler, Prismen, Gitter, Interferenzfilter - verwendet werden.2. The method according to claim 1, characterized in that the materials as components of the associated optical system - e.g. as face plates, lenses, mirrors, beam splitters, prisms, Grid, interference filter - can be used. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive und der passive Mechanismus jeweils reversibel abläuft.3. The method according to claim 1, characterized in that the active and passive mechanisms are reversible. 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der aktive Mechanismus physikalisch entweder durch eine elektrische, magnetische oder optische Einwirkung, durch Elektrostriktion, durch Kerreffekt oder aber mechanisch oder akusto-optisch gesteuert wird.4. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the active mechanism is physically either by an electrical, magnetic or optical influence, by electrostriction, by Kerreffect or mechanically or acousto-optically controlled. 5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß in der Vorrichtung nichtlineare Materialien mit sich bezüglich Einsatzschwelle, Reaktionszeit und Dynamikbereich überdeckenden Funktionsbereichen, wie Halbleiter - z.B. InSb, InAs, CdTe, HgCdTe oder ZnSe -, Flüssigkristalle, Ferroelektrika - z.B. Blei-Zirkon-Titanat (= PZT), l nthaniertes Blei-Zirkon-Titanat (=PLZT), Kalium-Dihydrogen-Phosphat, Lithium-Niobat, Lithium-Titanat, Triglycinsulfat, Barium-Strontium-Niobat oder Titanat - sowie photo­ chrome oder phototrope Materialien, verwendet werden. 5. The method according to any one of the preceding claims, thereby ge indicates that in the device nonlinear materials with itself in terms of threshold, response time and dynamic range covering functional areas, such as semiconductors - e.g. InSb, InAs, CdTe, HgCdTe or ZnSe -, liquid crystals, ferroelectrics - e.g. Lead-zirconium-titanate (= PZT), unleaded lead-zircon-titanate (= PLZT), potassium dihydrogen phosphate, lithium niobate, lithium titanate, Triglycine sulfate, barium strontium niobate or titanate - as well as photo chrome or phototropic materials.   6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlinearen Materialien unter Ausnutzung der Laserintensität auf den Brechungsindex, die Absorption, das Streuverhalten, die Polari­ sation, die Drehung der Polarisationsebene, die Totalreflexion, die Behinderung der Totalreflexion, auf thermische Effekte, die Elektro­ striktion, die Selbstfokussierung oder auf eine Kombination von wenigstens zwei dieser Eigenschaften verwendet werden.6. The method according to claim 2, characterized in that the nonlinear materials using the laser intensity on the refractive index, the absorption, the scattering behavior, the polar sation, the rotation of the plane of polarization, the total reflection, the Obstruction of total reflection, on thermal effects, the electrical stricture, self-focusing, or a combination of at least two of these properties are used. 7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zu den optischen Schutzmaßnahmen verstär­ kend die axiale Verschiebung optisch abbildender Elemente, die zu einer Defokussierung und damit Reduzierung der Intensität am Ort des Detektors führt, hinzugezogen werden.7. The method according to any one of the preceding claims, thereby ge indicates that to the optical protective measures intensify kend the axial displacement of optically imaging elements that defocusing and thus reducing the intensity on site of the detector leads to be consulted.
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