DE60110715T2 - Transmitter mit zwei optischen parametrischen Oszillatoren und Verfahren zum Nachweis atmosphärischer Verunreinigungen unter Verwendung des Transmitters - Google Patents

Transmitter mit zwei optischen parametrischen Oszillatoren und Verfahren zum Nachweis atmosphärischer Verunreinigungen unter Verwendung des Transmitters Download PDF

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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung:
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Festkörperlaser. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Systeme und Verfahren zur Abtastung der Atmosphäre, indem Festkörperlaser verwendet werden.
  • Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik:
  • Laser werden aktuell in breitem Maßstab für Kommunikation, Forschung und Entwicklung, Herstellung, gerichtete Energie und zahllose andere Anwendungen eingesetzt. Für viele Anwendungen sind die Energieeffizienz, die Leistung und die Leichtgewichtigkeit von Festkörperlasern besonders nützlich. Festkörperlaser strahlen momentan im Bereich von ein bis drei Mikrometern aus.
  • Für bestimmte Anwendungen gibt es ein Bedürfnis, höhere Laserbetriebswellenlängen zu erreichen. Insbesondere gibt es ein Interesse für den Bereich von 8 – 12 Mikrometern (μm). Der 8 – 12-Mikrometerbereich liefert ein "offenes Fenster" in die Atmosphäre, was diesen Bereich für viele Anwendungen nützlich macht. Das Fenster ist "offen" im Sinne, dass es nur eine geringe atmosphärische Dämpfung der Strahl-Energie in diesem Bereich des elektromagnetischen Spektrums gibt. Damit ermöglicht das 8 – 12-Mikrometerfenster ein Sondieren bzw. Abtasten der Atmosphäre.
  • Eine Anwendung, für die ein Sondieren der Atmosphäre notwendig ist, besteht darin, chemische Wirkstoffe entfernt zu erfassen. Eine Fern-Erfassung toxischer chemischer Stoffe ist sowohl für militärische als auch zivile Behörden auf Grund der wachsenden Verfügbarkeit und der Verwendung dieser Stoffe durch terroristische Gruppen und Schurkenstaaten von aktuellem Interesse. Der 8 – 12-Mikrometerspektralbereich der Atmosphäre bietet eine Möglichkeit, allgemein benutzte chemische Stoffe entfernt zu detektieren, da diese Spezies typische getrennte Bandstrukturen in diesem Wellenlängenbereich haben, und es eine relativ geringe atmosphärische Dämpfung in diesem Bereich gibt.
  • Eine Wellenlängenumwandlung in diesen Bereich wurde bereits demonstriert, indem verschiedene Festkörperlaser verwendet wurden, oder mit optischen parametrischen Oszillatoren (OPOs) als Pumpquellen für OPOs längerer Wellenlänge und Kristallen unterschiedlicher Frequenz erzeugen. Siehe beispielsweise das Beispiel: 1) S. Chandra, T. H. Allik, G. Catella, R. Utano, J. A. Hutchinson, "Continuously tunable 6–14 μm silver gallium selenide optical parametric oscillator pumped at 1.57 μm"; Appl. Phys. Lett. 71, 584-586 (1997); 2) T. Allik, S. Chandra, D. M. Rines, P. G. Schunemann, J. A. Hutchinson, und R. Utano, "7–12 μm generation using a Cr, Er: YSGG pump laser and CdSe and ZnGeP2 OPOs," in Advanced Solid State Lasers, OSA Trends in Optics and Photonics (Optical Society of America, Washington, D. C., 1997), Vol. 10, Seiten 265-266; 3) R. Utano and M. J. Ferry, in Advanced Solid State Lasers, OSA Trends in Optics and Photonics (Optical Society of America, Washington, D. C., 1997), Vol. 10, Seiten 267-269; und 4) Y. Isyanova, G.A. Rines, D. Welford und P.F. Moulton, "Tandem OPO Source Generating 1.5–10 μm Wavelengths" in Advanced Solid State Lasers, OSA Trends in Optics and Photonics, 1996, Vol. 1, Seiten 174-176. E. Cheung, S. Palese, H Injeyan, C. Hoefer, J. Ho, R. Hilyard, H. Komine und J. Berg, "High Power Conversion to Mid-IR Using KTP and ZGP OPOs" in Advanced Solid State Lasers, OSA Trends in Optics and Photonics, 1999, Vol. 26, Seiten 514-517, auf der der Oberbegriff des Anspruchs 1 basiert, offenbart ein Festkörperlasersystem mit einem Pumplaser, der bei 1,065 Mikrometern arbeitet; eine KTP OPO, das im degenerativen Modus arbeitet, so dass das Signal und die Leerlaufsignale orthogonal polarisierte Strahlen bei 2,13 Mikrometern sind; ein Polarisierungsstrahlteiler, um die orthogonal polarisierten Ausgangssignale von dem KTP OPO zu trennen; und duale ZGP OPOs, von denen einer von jedem der Ausgangssignale des KTP OPO gepumpt wird.
  • Diese Lösungswege umfassen allgemein die Verwendung von Blitzlicht-gepumpten Cr, Er:YSGG-Laser, die mit 2,79 Mikrometern ausstrahlen, um einen Cadmium-Selenid(CdSe)-Laser zu pumpen. Dieses Verfahren wurde als wirksam dargestellt, um ein abstimmbares 8-12-Mikrometer-Ausgangssignal zu erhalten. Unglücklicherweise ist der Laser zu groß und zu ineffizient, um in dem Gebiet realisierbar zu sein. Das heißt, dass die schlechte elektrische Gesamteffizienz des Cr, Er:YSGG-Pumpenlasers zusammen mit seiner ziemlich langen (50 ns) Ausgangsimpulsbreite zu einer weniger als optimalen CdSe-OPO-Pumpquelle führt.
  • Andererseits strahlen Kohlenstoffdioxid(CO2)-Laser bei 10 Mikrometern. Diese Vorrichtungen sind jedoch nicht abstimm bar und sind nicht ausreichend portabel, um für den Feldeinsatz realisierbar zu sein.
  • Somit bleibt ein Bedürfnis nach einem effizienten, realisierbaren, tragbaren, abstimmbaren System oder ein Verfahren zur Umwandlung des Ausgangssignals eines typischen 1-3μm-Lasers auf den 8-12μm-Bereich.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Das Bedürfnis im Stand der Technik wird von dem System und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung angesprochen. Die vorliegende Erfindung stellt einen Transmitter gemäß Anspruch 1 bereit.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein Blockdiagramm einer beispielhaften Implementierung eines entfernten chemischen Abtastsystems, das die Lehre der vorliegenden Erfindung enthält.
  • 2 ist ein Blockdiagramm des Lasertransmitters bzw. Lasersenders von 1.
  • 3a–c sind Diagramme, die das Design und den Betrieb des passiven Q-Schalters darstellen, der in der bevorzugten Ausführungsform des Transmitters von 2 verwendet wird. 3a zeigt eine Seitenansicht des Schalters.
  • 3b und 3c zeigen eine Seiten- bzw. Draufsicht eines Keils des passiven Q-Schalters der vorliegenden Erfindung.
  • 4 ist ein vereinfachtes Diagramm, das den Betrieb der Festkörperlaser darstellt, die in dem Transmitter der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
  • 5 ist ein Diagramm, das den Empfänger des Systems von 1 in größerem Detail zeigt.
  • BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Erläuternde Ausführungsformen und beispielhafte Anwendungen werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, um die vorteilhaften Lehren der vorliegenden Erfindung zu offenbaren.
  • Während die vorliegende Erfindung hier mit Bezug auf erläuternde Ausführungsformen für bestimmte Anwendungen beschrieben wird, versteht sich, dass die Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Ein Fachmann, der Zugang zu den hier vorgestellten Lehren hat, wird zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen erkennen, die im Erfindungsumfang liegen, und zusätzliche Gebiete, in denen die vorliegende Erfindung besonders nützlich sein könnte.
  • 1 ist ein Blockdiagramm einer erläuternden Ausführung eines chemischen Fernabtastsystems, das die Lehren der vorliegenden Erfindung enthält. Das System 10 umfasst einen Laser-Transmitter bzw. -Sender 20, der einen Referenzstrahl und einen Abtaststrahl ausgibt, wie nachfolgend umfassender diskutiert werden wird.
  • 2 ist ein Blockdiagramm des Laser-Senders von 1. Der Sender umfasst einen Dioden-gepumpten Laser 200 mit einem hinteren hohen Reflektor 202. Das Verstärkungsmedium des Lasers ist ein Neodym-YAG(Nd: YAG)-Stab 210. Der Oszillationsstrahl 211, der vom Stab 210 ausgegeben wird, wird direkt auf den hinteren hohen Reflektor 202 über einen drehenden Spiegel 208 gerichtet.
  • Wie in 1 gezeigt, kann ein elektrooptischer Q-Schalter bzw. Güteschalter 204 und ein linearer Polarisierer 206 zwischen dem hinteren hohen Reflektor 202 und dem drehenden Spiegel 208 positioniert sein. Wie nachfolgend vollständiger diskutiert werden wird, kann im besten Modus ein neuer passiver Q-Schalter 230 als Alternative verwendet werden. Demgemäß sind der elektrooptische Q-Schalter 204 und ein linearer Polarisierer 206 gestrichelt in 1 gezeigt, um anzuzeigen, dass diese Elemente mit einer optionalen alternativen Ausgestaltung verknüpft sind.
  • Zurückkommend auf 2 ist in der bevorzugten Ausführungsform der Laser 200 ein Neodym-YAG-Laser. Der Laser 200 kann ebenfalls Nd: YLF oder Nd: YVO4 als Verstärkungsmedium verwenden, abhängig von der speziellen Impulsenergie, Impulsbreite und der Impulswiederholungsrate, die erforderlich ist. Ein Kühlblock 212 wird auf den ND: YAG-Stab 210 gelötet, um eine Kühlung bereitzustellen, wie dies im Stand der Technik allgemein üblich ist. Eine zylindrische Linse 213 ist in optischer Ausrichtung mit dem Stab 210 angeordnet, um das Profil des dadurch ausgegebenen Strahls zu optimieren. Der Stab 210 wird von einem Diodenarray (nicht gezeigt) gepumpt, das in einem luftgekühlten Gehäuse 214 angeordnet ist. Eine Kollimati onsoptik 216 ist zum Bündeln und Ausrichten des Ausgangs der Dioden in den Laserstab 210 vorhanden, um eine optimale Pumpverteilung zu erreichen. Kontakte 218 und 219 sind für das Gehäuse 214 vorgesehen, wie in der Figur gezeigt.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der oszillierende Strahl des Stabs 210 durch einen zweiten drehenden Spiegel 220 ausgerichtet auf einen Ausgangskoppler 240 über einen passiven Q-Schalter 230, der ein neues Design besitzt.
  • 3a–c sind Diagramme, die das Design und den Betrieb des passiven Q-Schalters erläutern, der in der bevorzugten Ausführungsform des Senders von 2 verwendet wird. 3a zeigt die Seitenansicht des Schalters 230. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Schalter 230 mit einem ersten und einem zweiten identischen Keil 232 und 234 implementiert. Bei der erläuternden Ausführungsform ist jeder Keil aus Cr: YAG hergestellt. Wie in 3a gezeigt, besitzt der erste Keil eine schräge Fläche 236, während der zweite Keil eine schräge Fläche 238 besitzt. Die Keile 232 und 234 sind befestigt, um relativ zueinander in einer Ebene parallel zu der Ebene der schrägen Flächen 236 bzw. 238 zu gleiten. Dieses Gleiten der Keile hat die Wirkung einer Erhöhung der Pfadlänge des Schalters 230 mit Bezug auf die Laserausrichtungsachse 211 und den Strahl. Wie im Stand der Technik bekannt, bestimmt die Dicke des Schalters 230 den Hold-off-Punkt des Lasers, d.h. den Punkt, an dem der Schalter ein Durchlassen des Strahls erlaubt. Wie im Stand der Technik gut bekannt, dient der Q-Schalter 230 dazu, zu gewährleisten, dass der Laserstrahl als kurzdauernder Energie-Impuls ausgegeben wird.
  • Die Keile 232 und 234 werden über eine geeignete mechanische Anordnung (nicht gezeigt) verschoben. Beispielsweise können die Keile durch Solenoide (nicht gezeigt) abhängig von einem Steuersignal von dem Lasercontroller 270 verschoben werden, der von dem Computer 50 angesteuert wird. Durch Gleiten der Keile 232 und 234 relativ zueinander kann die Dicke des Schalters 230 eingestellt werden. Durch Konstanthalten des Keil-Trennabstands "d" beim Gleiten der Keile bleibt die Resonatorausrichtungsachse des Strahls 211 unverändert. Dies kann für Resonatoren wichtig sind, die gekrümmte Spiegelflächen verwenden, die bezüglich Resonator-Achsverschiebungen empfindlich sind. Die Anordnung der vorliegenden Erfindung ermöglicht es, eine präzise Ausrichtung der Resonatorachse aufrecht zu erhalten, während die Pfadlänge variiert wird, und damit gesperrt (hold-off) wird, durch das passive Q-Schalter-Material.
  • 3b und 3c zeigen eine Seiten- bzw. eine Draufsicht eines Keils des passiven Q-Schalters der vorliegenden Erfindung. 3b und 3c zeigen die Abmessungen des passiven Q-Schalters 230 der erläuternden Ausführungsform. Es sei angemerkt, dass die Keilherstellung speziell eine Kristallausrichtung erfordert, um eine optimale Q-Schalter-Leistung bereitzustellen. Die Laserpolarisation sollte parallel zu der [010]-Achse für die beste Leistung liegen. Die Keile sollten poliert sein und mit einem Antireflexionsmaterial beschichtet sein, um Fresnel-Verluste von den vier Oberflächen zu minimieren.
  • Zurückkommend auf die 2 wird ein Fachmann erkennen, dass der Laser 200 sich von dem hohen Reflektor 202 zu dem Ausgangskoppler 240 erstreckt. In den Figuren zeigt das kurze Liniensegment mit einem Doppelpfeil 241 eine horizontale Polari sation an, und der Kreis 243 zeigt eine vertikale Polarisation des Strahls an. Der horizontal polarisierte Ausgang von dem Laser wird über eine Halbwellenlängenplatte 242 (λ/2) nach vertikal gedreht, so dass der KTA OPO-Ausgang bei 2,59 μm vertikal polarisiert ist für eine Verarbeitung durch den optischen parametrischen Oszillator 250, wie nachfolgend vollständig diskutiert werden wird. (Dies erlaubt eine hohe Reflexion der 2,59 μm-Welle und eine Wellenlängentrennung der p-polarisierten 3,47 μm- und 3,76 μm-Welle an dem unteren Kaltlicht-Strahlteiler (DBS) 260).
  • Dritte und vierte drehende Spiegel 244 und 246 leiten den vertikal polarisierten Strahlausgang von dem Laser zu dem ersten optischen parametrischen Oszillator (OPO) 250. Der OPO 250 umfasst einen x-geschnittenen Kristall 251 aus Kaliumtitanylarsenat (KTA), oder einem anderen geeigneten Material, als nicht lineares Medium, zusammen mit einem hinteren hohen Reflektor 248 und einem Ausgangskoppler 256. Bei einer Standardkonfiguration ist der Kristall 251 zwischen dem hohen Reflektor 248 und dem Ausgangskoppler 256 angeordnet. Der erste OPO 250 kann ebenfalls als ein Intra-Hohlraumelement für den Nd: YAG-Laser (nicht gezeigt) betrieben werden, mit geeigneten Spiegelbeschichtungen für den Laser und den OPO. Der OPO dient dazu, die Frequenz des Strahlausgangs des Lasers 200 von 1,064 Mikrometer auf 2,59 Mikrometer in der erläuternden Ausführungsform zu verschieben.
  • Ein OPO-Pumpen-Retro-Reflektor 258 ist ein hoher Reflektorspiegel, der die nicht umgewandelte 1,06 Mikrometer-Energie von dem OPO 250 zurück zu dem OPO 250 reflektiert, so dass sie zweimal den Kristall 250 für eine zusätzliche nicht lineare Verstärkung passiert und Energie bei 2,59 Mikrometern passiert.
  • Ein polarisations- und frequenzselektiver Kaltlicht-Strahlteiler (DHS) 260 sendet eine Sekundärstrahlung von dem OPO 250 bei 3,47 Mikrometern und 3,76 Mikrometern ab und reflektiert Energie bei 2,59 Mikrometern auf eine Viertel-Wellenlängenplatte 262. Ein Fachmann bei der Spiegelherstellung wäre in der Lage, den DBS 260 ohne übermäßige Experimente zu konstruieren. Der DBS sollte hochreflektiv für s-polarisiertes Licht bei 2,59 μm und einem Einfallswinkel von 45° sein und hochtransmissiv für Wellenlängen länger als 3,1 μm für p-polarisiertes Licht bei einem Einfallswinkel von 45°.
  • Die 2,59 μm-Welle wird durch eine λ/4-Platte 262 geführt und einen RTA-elektrooptischen Schalter 264, um die vertikale Polarisation aufrecht zu erhalten oder sie um 90° zu drehen, so dass die 2,59 μm-Welle auf einen der zwei Cadmium-Selenid (CdSe) optischen parametrischen Oszillatoren gerichtet wird, wie dies nachfolgend vollständig erläutert wird. Dieses Polarisations-Umschalten kann mit einer Wiederholungsrate im nahen Megahertzbereich ausgeführt werden abhängig von der Wiederholungsrate des Lasers. Verwendet man eine feste λ/4-Platte vor dem Schalter 264, kann der Schalter 264 mit abwechselnden Plus- und Minusspannungen arbeiten, so dass die Durchschnittsspannung des Schalters null ist. Zusätzlich können die geringeren λ/4-Spannungen verwendet werden, um einen Zusammenbruch zu verhindern. Die Schalter 264 drehen die Polarisationsebene abhängig von einer Spannung, die von einer Ansteuerungsschaltung 268 von 1 unter der Steuerung eines Lasercontrollers 270 angelegt wird.
  • Ein linearer Dünnfilm-Polarisator 266 ist vorgesehen, um horizontal polarisiertes Licht auszusenden und vertikal polarisiertes Licht bei 2,59 μm zu reflektieren. Dies wird durchgeführt, um den Referenz- bzw. den Sonden- bzw. Abtaststrahl 34 bzw. 36 zu erzeugen, wie nachfolgend vollständiger diskutiert werden wird. Der Dünnfilm-Polarisator 266 wird in einer Weise hergestellt, um s-polarisiertes 2,59 μm-Licht stark zu reflektieren und p-polarisiertes 2,59 μm-Licht stark zu senden. Indem der Schalter 264 und der Polarisator 266 verwendet werden, wird der umgewandelte Strahl mit der einzelnen Wellenlänge von dem Laser 200 verwendet, um den Referenzstrahl 34 und den Sondenstrahl 36 zu erzeugen und schnell zwischen ihnen umzuschalten.
  • Der Referenzstrahl wird von einer zweiten OPO-Anordnung 271 erzeugt, während der Sondenstrahl 36 von einem dritten OPO 273 erzeugt wird. In Kombination mit dem OPO 250 der ersten Stufe liefern die OPOs (271 und 273) der zweiten Stufe einen abstimmbaren Ausgang im 8 – 12-Mikrometerbereich. Der Betrieb der OPOs der ersten und der zweiten Stufe wird am besten mit Bezug auf die Zeichnung von 4 beschrieben.
  • 4 ist ein vereinfachtes Diagramm, das den Betrieb der OPOs der ersten und der zweiten Stufe erläutert, indem der Sender bzw. Transmitter der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Eingangs sollte erwähnt werden, dass 4 den Betrieb der OPOs der ersten und der zweiten Stufe erläutert mit der Ausnahme, dass der gewünschte Hauptstrahl bei 8 – 12 Mikrometern gezeigt wird und die Rückseite des Kristalls 274' anregt. Wie nachfolgend vollständiger erläutert wird, ist diese Anordnung nützlich, um eine Winkelabstimmung ohne einen Strahlversatz mit einem einzelnen Kristall bereitzustellen. Demgemäß werden die Reflektoren mit 275 und 277 in 4 nummeriert, um anzuzeigen, dass die Figur eine alternative Einkristallanordnung für die OPOs der ersten und der zweiten Stufe zeigt. Folglich ist die Funktion der Reflektoren 275 und 277 in 4 durch die Reflektoren 272/280 und 290/296 von 2 implementiert.
  • Auf jeden Fall empfängt, wie in 4 gezeigt, der OPO 250 der ersten Stufe (der ein x-geschnittenes KTA in dem erläuternden Ausführungsbeispiel verwendet) den Pumpstrahl (bei 1,064 Mikrometern in der erläuternden Ausführungsform) von dem Laser 200 und gibt einen Strahl (bei 2,59 Mikrometern) aus, wie zuvor diskutiert. Dieser Strahl (bei 2,59 Mikrometern) dient dazu, den Kristall 274' des OPOs 271' der zweiten Stufe zu pumpen, so dass er einen Hauptstrahl zusammen mit einer Sekundärstrahlung abstrahlt. Bei der erläuternden Ausführungsform haben die Kristalle 273 und 291 einen Cadmium-Selenid-Aufbau, der einen Hauptstrahl von 8 – 12 Mikrometern mit einer Sekundärstrahlung im Bereich von 3,3 bis 3,8 Mikrometern in Antwort auf einen Pumpstrahl bei 2,59 Mikrometern ausgibt. KTA OPO-Spiegelreflexionen müssen in engen Spezifikationen gehalten werden, um die gewünschten Strahlen effizient zu erzeugen, was sich für einen Fachmann ohne weiteres ergibt.
  • Dieser Fachmann wird erkennen, dass in 4 die Abstrahlung des Strahls nach vorne im Bereich von 3,3 bis 3,8 Mikrometern und die rückwärtige Abstrahlung des 8 – 12-Mikrometer-Strahls ein Ergebnis der Beschichtungen der Reflektoren 275 und 277 ist. Ein Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass diese Spiegel beschichtet sein könnten, um den Strahl auszugeben, der für eine vorgegebene Anwendung (beispielsweise der 8 – 12-Mi krometer-Strahl) in eine optimale Richtung für eine vorgegebene Anwendung und ein Layout gewünscht wird, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Die Richtung des Strahls wird jedoch seinen Versatz beeinflussen, da der Kristall abgestimmt wird, wie nachfolgend diskutiert.
  • Das heißt ein Kippen des Kristalls, wie in 2 dargestellt, führt zu einer entsprechenden Veränderung der Wellenlänge des Ausgangsstrahls. Folglich muss der OPO kontinuierlich durch Kippen des Kristalls abgestimmt werden. Das Kippen des Kristalls wird jedoch ebenfalls zu einem Versatz des Ausgangsstrahls in der Vorwärtsrichtung führen, d.h. dem 3,3 bis 3,8-Mikrometerstrahl in 2. Der Hauptausgangsstrahl in der umgekehrten Richtung (d.h. der Strahl bei 8 – 12 Mikrometern) wird jedoch nicht versetzt, da dieser Strahl von dem zweiten Spiegel 277 reflektiert wird und folglich seinen Weg durch den Kristall zurückläuft. Damit wird der Wirkung eines Versatzes in eine Richtung entgegengewirkt durch einen entsprechenden Versatz in die entgegengesetzte Richtung, da der Strahl seinen Pfad zurückläuft.
  • Wenn es erwünscht ist, einen teilweisen stabilen Strahl in eine Vorwärtsrichtung auszugeben, kann der Kristall 273 und 291 in zwei kleinere identische Kristalle 274/276 bzw. 292/294 geteilt sein. Die Kristalle 274, 276, 292 und 294 werden schwenkbar angebracht. Die zwei Kristalle in jedem Satz 274/276 und 292/294 werden in entgegengesetzte Richtungen gekippt, wie in 2 gezeigt. Diese neue Anordnung liefert eine Winkelabstimmung ohne Strahlversatz. Aktuatoren 278 (gezeigt) und 293 (nicht gezeigt) liefern eine Winkelabstimmung in 2 abhängig von dem Lasercontroller 270.
  • Es sei angemerkt, dass in 2 der erste Kristallsatz 273 von einer Seitenansicht zu sehen ist, während der zweite Kristallsatz 291 als Draufsicht zu sehen ist. Diese Ausrichtung ist notwendig, da in der erläuternden Ausführungsform der Referenzstrahl 34 vertikal polarisiert ist und der Sondenstrahl horizontal polarisiert ist und die optischen parametrischen Oszillatoren polarisationsselektiv sind. Die zwei OPO-Ausgangssignale der zweiten Stufe werden präzise co-linear zueinander gemacht durch zwei abschließende Abstimmungsspiegel 282 und 284 und ein Strahlkombinationsprisma (BCP) 286.
  • Erfindungsgemäß wird der Referenzstrahl ausgewählt, um "außerhalb des Bandes" bezüglich einer in der Atmosphäre zu erfassenden Chemikalie zu liegen, während der Sondenstrahl "im Band" ist. Das heißt, da die Spektren der chemischen Hauptstoffe bekanntlich im 8 – 11 μm-Bereich liegen, erfordert ein Sondieren bzw. Erfassen eines bestimmten Stoffs eine In-Band- und eine Aus-Band, d.h. außerhalb des Bands liegend, Wellenlängeneinstellung der CdSe-OPOs der zweiten Stufe. Diese Wellenlängeneinstellung kann über einen relativ langsamen und kleinen elektromechanischen Motor erreicht werden, oder kann manuell über vorbestimmte Winkelpositionen eingestellt werden.
  • Sobald die OPOs der zweiten Stufe auf ihre jeweiligen Wellenlängen (λ1, λ2) eingestellt sind, kann der Laser 200 und der RTA-Schalter 264 gezündet werden, um schnell wechselnde λ1, λ2-Ausgangswellenlängen zu erzeugen. Ein Hauptvorteil dieses Lösungswegs besteht darin, dass schnell wechselnde Wellenlängen ohne die Notwendigkeit von schnell drehenden Kristallen erzeugt werden können, wie dies für Winkelabstimmung unter Verwendung eines OPO der zweiten Stufe erforderlich wäre. Zusätzlich wäre die Vibrationsisolierung des schnell oszillierenden Kristalls(e) ein wichtiger Punkt in einer Plattform, die interferometrische Stabilität erfordert, wie die des Transmitterlasers. Schließlich sind Schaltraten im nahen Megahertzbereich, falls erforderlich, schwierig oder unmöglich mechanisch zu implementieren auf Grund der Masse, der Winkelpositionsgenauigkeit und der Winkelgeschwindigkeit, die zum Winkelabstimmen der CdSe-Kristalle bei diesen Geschwindigkeiten erforderlich wäre.
  • Zurückkommend auf 1 werden die Strahlen, die von dem Sender 20 ausgegeben werden, von einer optischen Anordnung 21 gelenkt, die einen ersten Spiegel 22, einen Abtast-Strahlteiler 24, einen zweiten Spiegel 26, einen dritten Spiegel 28, einen konvexen Spiegel 29 und einen konkaven Spiegel 32 umfasst. Der konvexe Spiegel 29 und der konkave Spiegel 32 umfassen ein achsversetztes parabolisches erweitertes Teleskop 32a für den Ausgangsstrahl. Die optische Anordnung 21 gibt den Sondenstrahl 34 und einen Referenzstrahl 36 durch eine Öffnung 37 in einem einzelnen Element, dem achsversetzten Paraboloid 38, aus. Reflexionen des Sonden- und des Referenzstrahls kehren zu dem System 10 zurück und werden empfangen und von dem Paraboloid 38 auf einen Detektor 40 fokussiert.
  • Wie zuvor erwähnt, liegt der Sondenstrahl 36 im Absorptionsband der chemischen Verunreinigungen, während der Referenzstrahl außerhalb des Bandes ist. Eine Differenz in den Rücksignalen der beiden Strahlen wird anzeigen, ob eine chemische Wolke in dem Pfad des Sondenstrahls vorhanden ist. Das heißt, falls eine chemische Verunreinigungswolke vorhanden ist, wird sie selektiv Energie von dem In-Band-Sondenstrahl 34 absorbieren und wird nachfolgend die reflektierte Sondenstrahlenergie reduzieren, die am Detektor 40 erfasst wird. Im Gegensatz dazu wird der Referenzstrahl 36, der von der Wolke nicht absorbiert wird, zurückreflektiert werden zu dem Detektor 40 ohne eine wesentliche Dämpfung zu erfahren.
  • Bei der erläuternden Ausführungsform ist der Detektor 40 ein Quecksilber-Cadmium-Tellurid(HgCdTe)-Detektor. Nichtsdestoweniger wird der Fachmann erkennen, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die Detektortechnologie begrenzt ist, die hier verwendet wird.
  • 5 ist ein Diagramm, das den Empfänger in größerem Detail zeigt. Wie in 5 gezeigt, besteht der Empfänger 30 aus dem einzelnen Element, dem achsversetzten Paraboloid 38, der auf den Tieftemperatur gekühlten Detektor 40 fokussiert ist. Das Detektorelement 40 ist ein einzelnes HgCdTe-Element mit 0,5 mm Durchmesser, das auf einem drehenden Kühler angebracht ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform ist der Mikrokühler eine integrierte Stirlingmaschine, bei dem der Detektor direkt auf dem kalten Finger montiert ist.
  • Um die Wirkungen der Parallaxen- und Ausrichtungskomplexität mit getrennten Empfänger- und Sendeaperturen zu eliminieren, wird ein koaxiales Hybriddesign verwendet, wie in 5 gezeigt. Eine mittlere Verdunklung von weniger als 0,5 % des Gebiets wird durch dieses Design realisiert und vereinfacht das Ausrichten der Sensoreinheit. Ein afokales Design, das zwei achsversetzte parabolische Abschnitte verwendet, bildet die Senderstrahlausdehnungsanordnung 32a. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der 0,5 mm-Durchmesser-Sendestrahl dreizehnfach ausgedehnt, um die Senderdivergenz auf 3 mR zu reduzieren.
  • Bei der bevorzugten Ausführungsform werden die Empfänger und Senderspiegeldesigns aus 606l-T6-Aluminiumlegierung hergestellt und mit Gold für eine hohe Reflexionsfähigkeit im 8 – 12-Mikrometerband beschichtet.
  • Die gesendete Energie wird durch Abtasten eines Teils des Laserausgangs durch einen Raumtemperatur-HgCdZnTe-Photodetektor 25 gemessen. Das Abtasten wird durch Reflexion von einer Strahlteilerfläche 24 erreicht, die stromaufwärts der Senderstrahlausdehnungsanordung 32a positioniert ist.
  • Zurückkommend auf 1 wird die Temperatur des Detektors 40 über einen herkömmlichen Temperaturcontroller 42 geregelt. Detektorsignale, Energie und Befehlssignale werden zu dem Sensorkopf über einen Nabel von einem Instrumentenreck geroutet. Der Detektor 40 gibt eine Anzahl von elektrischen Signalen aus, die von einem Vorverstärker 44 verstärkt und von einem Analog-Digital-Wandler A/D 46 digitalisiert werden. Bei der erläuternden Implementierung wird die A/D-Umwandlung in einem Computer 50 ausgeführt, der Speicher 48 aufweist. Der Fachmann wird erkennen, dass die vorliegenden Lehren nicht auf das Signalverarbeitungssystem, das in 1 gezeigt ist, beschränkt sind. Datenerfassung wird über herkömmliche Konzentrations-Pfadlängen(CL)-Messungen der Wolken erreicht, indem Rückkehrsignale von topographischen Zielen verwendet werden. Intensitätsvergleichsmessungen des gesendeten Strahls und der empfangenen Energie werden für jede Laserzündung berechnet.
  • Jede Analog-, Digital-, optische oder Hybridschaltung kann verwendet werden, um die von dem System 10 empfangenen Signale zu verarbeiten, ohne den Umfang der vorliegenden Lehren zu verlassen. Der Computer 50 gibt an einen Computermonitor 52 oder einen Fernsehmonitor 54 aus. Der Computer kann programmiert sein, um die Rücksignale zu verarbeiten, um Bereichsdaten bezüglich einer Verunreinigungswolke zu extrahieren.
  • Die vorliegende Erfindung wurde somit mit Bezug auf eine bestimmte Ausführungsform einer bestimmten Anwendung beschrieben. Der Fachmann, der Zugang zu den vorliegenden Lehren hat, wird zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung erkennen.
  • Es ist deshalb beabsichtigt, dass die anhängenden Ansprüche jegliche und alle solche Anwendungen, Modifikationen und Ausführungsformen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung abdecken.

Claims (13)

  1. Transmitter (20) mit: einem Laser (200) zum Bereitstellen eines gebündelten ersten Strahls elektromagnetischer Energie mit einer ersten Frequenz; einem Q-Schalter (230) in optischer Ausrichtung zu dem Strahl; einem ersten Oszillator (250) zum Bereitstellen eines zweiten Strahls durch Verschieben der Frequenz des ersten Strahls von der ersten Frequenz zu einer zweiten Frequenz; einem ersten Mittel (262, 264, 266) zum Bereitstellen eines dritten und eines vierten Strahls aus dem zweiten Strahl, wobei der dritte Strahl eine erste Polarisation und der vierte Strahl eine zweite Polarisation besitzt, wobei die zweite Polarisation orthogonal zu der ersten Polarisation ist; einem zweiten Oszillator (271) zum Verschieben der zweiten Frequenz des dritten Strahls zu einer dritten Frequenz; und einem dritten Oszillator (291), der parallel zu dem zweiten Oszillator (271) angeordnet ist, um die zweite Frequenz des vierten Strahls zu einer vierten Frequenz zu verschieben; dadurch gekennzeichnet, dass das erste Mittel ausgelegt ist, um den Polarisationszustand des zweiten Strahls der zweiten Frequenz umzuschalten, und dass er ferner ein zweites Mittel (286) zum Kombinieren der frequenzverschobenen dritten und vierten Strahlen aufweist.
  2. Transmitter nach Anspruch 1, wobei die dritte Frequenz einer Wellenlänge im Bereich von 8–12 Mikrometern entspricht.
  3. Transmitter nach Anspruch 1, wobei der Q-Schalter (230) ein passiver Q-Schalter ist.
  4. Transmitter nach Anspruch 1, wobei der Laser (200) ein Neodym-YAG Laser ist.
  5. Transmitter nach Anspruch 1, wobei der erste Oszillator (250) ein optischer parametrischer Oszillator ist.
  6. Transmitter nach Anspruch 5, wobei der erste Oszillator (250) ein Kaliumtitanylarsenat-Kristall aufweist.
  7. Transmitter nach Anspruch 6, wobei das Kaliumtitanylarsenat-Kristall X-geschnitten ist.
  8. Transmitter nach Anspruch 1, wobei der zweite und der dritte Oszillator (271, 291) optische parametrische Oszillatoren sind.
  9. Transmitter nach Anspruch 8, wobei jeder optische parametrische Oszillator ein Kristall aufweist.
  10. Transmitter nach Anspruch 9, wobei der zweite und der dritte Oszillator jeweils zwei Kristalle (274, 276, 292, 291) aufweisen, die ausgelegt sind, in entgegengesetzte Richtungen winkelabgestimmt zu werden, um den Versatz eines durchlaufenden Strahls zu minimieren.
  11. Transmitter nach Anspruch 9, wobei die Kristalle Kadmiumselenid-Kristalle sind.
  12. Vorrichtung zum Erfassen von Chemikalien mit einem Transmitter nach einem vorhergehenden Anspruch und einem Empfänger, der zum Empfang eines Rücksignals von dem Ausgangsstrahl des Transmitters ausgelegt ist.
  13. Verfahren zum Erfassen atmosphärischer Chemikalien mit: Bereitstellen eines gebündelten Strahls elektromagnetischer Energie mit einer ersten Frequenz; Verschieben der Frequenz des Strahls von der ersten Frequenz zu einer zweiten Frequenz; Umschalten eines Polarisationszustands des ersten Strahls mit der zweiten Frequenz und Bereitstellen eines dritten und eines vierten Strahls daraus, wobei der dritte Strahl eine erste Polarisation und der vierte Strahl eine zweite Polarisation aufweist, wobei die zweite Polarisation orthogonal zu der ersten Polarisation ist; Verschieben des dritten Strahls von der zweiten Frequenz zu einer dritten Frequenz; Verschieben des vierten Strahls von der zweiten Frequenz zu einer vierten Frequenz; Kombinieren der frequenzverschobenen dritten und vierten Strahlen zu einem Ausgangsstrahl mit einem Referenzstrahl und einem Prüfstrahl; Senden des Ausgangsstrahls; Erfassen einer Reflexion des Ausgangsstrahls als Rückstrahl; und Vergleichen des Rücksignals des Referenzstrahls mit dem Prüfstrahl.
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