-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
-
Gebiet der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft Systeme und Verfahren zur Ausrichtung
elektromagnetischer Energie. Genauer gesagt betrifft die vorliegende
Erfindung Laser hoher Energie und optische Anordnungen hierfür.
-
Beschreibung des zugehörigen Standes
der Technik
-
Laser
hoher Energie werden gegenwärtig
für zahlreiche
militärische
Anwendungen einschließlich der
punktuellen Verteidigung und der Bereichsverteidigung analog mit
zahlreichen offensiven Rollen eingesetzt. Unglücklicherweise sind Lasersysteme
hoher Energie typischerweise teuer, schwer und ziemlich groß. Diese
Systeme verbrauchen charakteristischerweise einen hohen Betrag von
Primärenergie und
bieten einer Trägerplattform
eine hohe thermische Belastung.
-
Bei
Verwendung für
den Selbstschutz von auf der Oberfläche agierenden Schiffen würde ein Laser
hoher Energie durch atmosphärische
Absorption, Streuung und Turbulenz nachteilig beeinflusst. Für diese
Anwendung werden sich annähernde
Bedrohungen frontal angegriffen, was eine Herausforderung bezüglich des
Zielens ist und einen Angriff auf die Bedrohung bedeutet, wo sie
am wenigsten verletzbar ist. Zusätzlich
haben Hochenergielaser, welche auf der Höhe des Decks eines Schiffes
montiert sind, einen begrenzten Sichthorizont und erzeugen daher
einen etwas begrenzten Abwehrabstand.
-
Trägerplattformen
in der Luft mit Lasern hoher Energie sind üblicherweise einigermaßen verletzlich
und teuer und können
eine Flugzeugmannschaft in die Gefahrenzone bringen.
-
Es
besteht daher der Bedarf auf dem Gebiet der Technik nach einem billigen,
leichtgewichtigen System bzw. einem Verfahren zum Einsetzen eines Lasers
hoher Energie bei minimaler Aussetzung des Personals oder des Soldaten.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Diesem
Bedarf im Stande der Technik widmet sich das System zur Ausrichtung
elektromagnetischer Energie nach der vorliegenden Erfindung. Die Erfindung
befasst sich mit dem Problem der Anordnung eines Lasersystems mit
großem
Verbrauch, hoher Leistung und hoher thermischer Belastung im Hochenergiebereich
auf einer Plattform in der Luft. Für den Selbstschutz von auf
der Oberfläche
operierenden Schiffen ist eine Plattform in der Luft aus verschiedenen
Gründen
vorteilhaft:
- (1) Sie bildet einen besseren
atmosphärischen Übertragungsweg
(niedrigere Absorption, geringeres Streuen, weniger Turbulenz);
- (2) Sie gestattet es Bedrohungen, wie Anti-Schiff-Marschflugkörper von
der Seite anzugreifen, wo diese Bedrohungen verwundbarer sind; und
- (3) Sie ermöglicht
einen größeren Schutzabstand aufgrund
des weiter sichtbaren Horizonts.
-
Für Bodenangriffe
erzeugt die in der Luft befindliche Plattform eine große Angriffszone
und kann hinter den feindlichen Linien operieren. Bemannte Flugzeuge
setzen jedoch die Flugzeugbesatzung der Gefahr aus. Große bemannte
Plattformen und unbemannte Flugkörper
(Unmanned Combat Air Vehicles, UCAV), welche zum Mitführen der
Nutzlast eines Hochenergielasersystems oder HEL-Systems erforderlich
sind, sind verletzlicher und weniger leicht zu opfern als kleinere
unbemannte Flugkörper
(UAV), welche typischerweise als Sensorplattformen verwendet werden.
Das Problem besteht darin, die Möglichkeit
einer Selbstverteidigung oder eines Bodenangriffs mit einem HEL-System
von einem kleinen, billigen, ferngelenkten Fahrzeug (RPV) als Plattform zu
schaffen.
-
Die
vorliegende Erfindung schafft ein System zur Ausrichtung elektromagnetischer
Energie, wie es in den Ansprüchen
1 bis 7 angegeben ist.
-
In
der beispielsweisen Ausführungsform
ist der Strahl ein Hochenergie-Laserstrahl (HEL). Das erste Untersystem
enthält
einen Phasenkonjugationsspiegel in optischer Ausrichtung mit einem
Laserverstärker.
Das erste Untersystem enthält
weiter eine Strahlausrichtungeinrichtung in optischer Ausrichtung
mit dem Verstärker
und einem Plattform-Bahnsensor, welcher damit gekoppelt ist. In
der beispielsweisen Ausführungsform
enthält
das zweite Untersystem einen mitausgerichteten Laserhauptoszillator,
einen Zielobjekt-Bahnsensor und eine Auskopplungsanordnung, welche
fest auf einer stabilisierten Plattform montiert sind, ferner eine
Strahlausrichteinrichtung und einen Plattform-Bahnsensor. In der
besten Verwirklichungsweise ist die stabilisierte Plattform auf
dem inneren Kardanteil der Strahlausrichteinrichtung montiert, so
dass die Sichtlinie von dem Teil der Strahlausrichteinrichtung des
ersten Untersystems so verschwenkt werden kann, dass sie mit dem
Zielobjekt zusammen trifft. Die Funktion des zweiten Untersystems
ist ähnlich
zu derjenigen eines umlaufbewegten Relaisspiegels, wie er in der
Veröffentlichung
von Tom Clancy „The
Cardinal of the Kremlin",
Seiten 43 und 147, Berkley Books (paperback), 1988 und von Friedman
u.a. in „Advanced Technology
Warfare", Seiten
84 und 85, Harmony Books, New York 1985 beschrieben ist.
-
Eine
erste alternative Ausführungsform
des zweiten Untersystems enthält
erste und zweite Strahlausrichteinrichtungen. Die erste Strahlausrichteinrichtung
ist so ausgebildet, dass sie den übertragenen Strahl empfängt und
die zweite Strahlausrichteinrichtung ist so ausgebildet, dass sie
den empfangenen Strahl neu ausrichtet. Bei dieser Ausführungsform
sind der Laserhauptoszillator, der Zielobjekt-Bahnsensor, der Auskoppler
und beide Strahlausrichteinrichtungen fest auf der ersten Plattform montiert.
-
In
Entsprechung mit einer zweiten alternativen Ausführungsform ist eine optische
Faser für
die Kopplung des Strahls zwischen der ersten Plattform und der zweiten
Plattform vorgesehen.
-
Die
vorliegende Erfindung schafft auch ein Verfahren zur Ausrichtung
elektromagnetischer Energie, wie dies in den Ansprüchen 8 bis
10 angegeben ist.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist
ein Blockschaltbild, welches ein selbstausrichtendes phasenkonjugiertes
Laserkonzept zeigt, welches entsprechend der herkömmlichen Technik
verwirklicht ist.
-
2 ist
eine alternative Ausführungsform des
selbstausrichtenden, phasenkonjugierten Laserkonzepts gemäß 1.
-
3 ist
ein Blockschaltbild, welches eine Auto-Ziellinientechnik für das selbstausrichtende phasenkonjugierte
Lasersystem darstellt, das entsprechend herkömmlichen Techniken aufgebaut
ist.
-
4 zeigt
ein Faser-Strahl-Reinigungs-Schema, welches entsprechend herkömmlicher
Techniken aufgebaut ist.
-
5 ist
eine Situationsdarstellung für
eine Operation mit zwei Anwendungen der Lehre nach der vorliegenden
Erfindung.
-
6 ist
ein Blockschaltbild, welches eine beispielsweise Ausführungsform
eines phasenkonjugierten Relaisspiegelsystems darstellt, welches
entsprechend der Lehre der vorliegenden Erfindung verwirklicht ist.
-
7 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher der Hauptoszillator, der Zielobjekt-Bahnsensor
und der Auskoppler unmittelbar auf der entfernten Plattform montiert
sind und nicht auf einer stabili sierten Plattform, welche relativ
zu der Strahlausrichtungseinrichtung gelenkig bewegt wird.
-
8 zeigt
eine zweite alternative Ausführungsform
der Erfindung.
-
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Erläuternde
Ausführungsformen
und beispielsweise Anwendungen werden nun unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen beschrieben, um die vorteilhafte Lehre
nach der vorliegenden Erfindung darzulegen.
-
Während die
vorliegende Erfindung hier unter Bezugnahme auf beispielsweise Ausführungsformen
für bestimmte
Anwendungen beschrieben wird, versteht es sich, dass die Erfindung
hierauf nicht beschränkt
ist. Die Fachleute mit ordnungsgemäßer Kenntnis des Standes der
Technik und mit Zugang zu der hier gegebenen Lehre erkennen zusätzliche
Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb des
Grundgedankens der Erfindung sowie zusätzliche Gebiete, auf welchen
die vorliegende Erfindung von beträchtlichen Nutzen ist.
-
Die
Lehre nach der vorliegenden Erfindung wird am besten durch eine
kurze Betrachtung bestimmter bisher geübter Techniken verständlich.
-
1 ist
ein Blockschaltbild, welches ein selbstausrichtendes phasenkonjugiertes
Laserkonzept zeigt, wie es durch Brian und Rockwell in den frühen 1980er
Jahren offenbart wurde (US Patente 4,812,639 und 4,853,528). Dieses
Konzept basiert auf einer Lösung
mit einem phasenkonjugiertem Hauptoszillator/Leistungsverstärker (PCMOPA),
wie es in zahlreichen vorausgegangenen Patenten offenbart ist, beispielsweise
von Bruesselbach im US-Patent 4,734,911 mit dem Titel „Efficient
Phase Conjugate Laser".
-
Das
US-Patent 4,999,056 mit dem Titel „Unconventional Adaptive Optics" beschreibt ein adaptives
Optiksystem zum korrigieren atmosphärischer Phasenabweichun gen.
Eine Satelliten-Laserbake wird bei der Stokes-verschiebenen Ramanwellenlänge betrieben.
Nach Durchgang durch die Atmosphäre
wird das Signal phasenkonjugiert und in dem Ramanverstärker verstärkt. Das
Ergebnis ist ein Laserstrahl hoher Energie mit phasenkonjugierten
Abweichungen zur Rückkehr
zu dem Satellit.
-
In
der Ausführungsform
von 1 ist ein kleiner Hauptoszillator 102 auf
dem innersten Kardanteil (oder der stabilisierten Plattform) 110 eines Ziel-
und Verfolgungssystems 100 mit einem Laser hoher Energie
angeordnet. Der Phasenkonjugierte Laserverstärker 114 ist außerhalb
der Kardanaufhängung
angeordnet. Ein Ausgangs-Kopplungs-Strahlaufspalter oder „Auskoppler" 104 dient
zum einen zum Einführen
eines Strahls 101 von einem Hauptoszillator 102 in
einen phasenkonjugierten Zweig, der zwischen dem Auskoppler 104 und
einem Phasenkonjugationsspiegel 116 definiert ist, und
zum anderen zum Extrahieren des Strahls 103 hoher Energie aus
dem phasenkonjugierten Zweig nach Verstärkung.
-
Ein
fakultativ vorgesehener Kristall zur Erzeugung der zweiten Harmonischen
(SHG) ist auch in dem genannten Patent und den Vorgängern beschrieben,
wobei der Kristall in vorteilhafter Weise die Laserwellenlänge für bestimmte,
im Band gelegene Anti-Sensoranwendungen umwandelt, während die hohe
Strahlqualität
bei der umgewandelten Wellenlänge
aufrechterhalten bleibt.
-
Verschiedene
Methoden zum Auskoppeln können
je nach der Anwendung verwendet werden, etwa dichroisch (für die SGH-Option),
ein Polarisationsstrahlaufspalten (wie bei Bruesselbach) interferometrisch/mit
Polarisation (wie in Rockwell, US-Patent 5,483,342 mit dem Titel „Polarization
Rotator with Frequency/Shifiting Phase Conjugate Mirror and Simplified
Interferometric Outcoupler")
und interferometrisch (wie in O'Meara,
US-Patent 5,126,876 mit dem Titel „Master Oscillator Power Amplifier
with Interference isolated Oscillator").
-
Der
Hauptoszillator 102 ist mit Bezug auf die optische Sichtlinie
des Zielobjektbahnsensors 106 so ausgerichtet, dass nach
Reflexion an der Auskoppleroptik 104 der Oszillatorstrahl 101 längs der
gemeinsamen Bahnsensor-Sichtlinie verläuft, jedoch in Richtung entgegengesetzt
zum Zielobjekt. Der Oszillatorstrahl wird dann längs eines Coudé-Weges durch
die groben Kardaneinheiten zu einem Ort außerhalb des Kardansystems geführt, wo
er durch die Laser-Leistungsverstärkerstrahllinie 114 und
in den Phasenkonjugationsspiegel 116 hineinverläuft.
-
An
diesem Punkt ist der Strahl 105 durch thermische Linsenwirkung,
Keilwirkung und Spannungsdoppelbrechung innerhalb des Leistungsverstärkers verformt
und seine Sichtlinie ist durch thermische und bauliche Verformung
der Kardankonstruktion und der optischen Bank, ein Ermatten oder ein
Verschleiß in
den Lager der Kardankonstruktion eine Nicht-Orthogonalität der Kardanachse
und eine Basisbewegung zur Abweichung gebracht, welche in die Kardankonstruktion über Lagerreibung,
Festsetzung und Kabelfederkräfte
eingeführt
wird.
-
Der
Phasenkonjugationsspiegel 116 kehrt die Wellenfront des
verstärkten
Strahles 105 nach Reflexion um, und erzeugt den phasenkonjugierten Rückstrahl 107,
der eine Selbstkompensation für
alle der vorgenannten optischen Abweichungen und Sichtlinienfehler
der Kardankonstruktion vornimmt, da er den Weg durch die verzerrenden
Bauteile zurücknimmt.
Der Strahl 103 hoher Leistung, der durch den Auskoppler 104 austritt,
ist daher mit dem eingegebenen Oszillatorstrahl 101 ausgerichtet
und zielt in präzise
derselben Richtung wie die Sichtlinie des Bahnsensors 106.
Das Lasersystem 100 ist dadurch in der Lage, genau Zielobjekte
einfach durch Hinweisung des Verfolgers auf den Zielpunkt zu erfassen. Diese
Lösung
vermeidet die Notwendigkeit präziser aktiver
Selbstausrichtungssysteme, wie sie bisher verwendet wurden, um Sichtlinienfehler
in der Kardankonstruktion zu kompensieren und liefert eine Ausrichtungskorrektur
automatisch und mit der hohen Bandbreite des Phasenkonjugationsspiels.
-
2 ist
eine alternative Ausführungsform des
selbstausrichtenden phasenkonjugierten Laserkonzeptes gemäß 1.
In dieser Ausführungsform wird
der optische Weg durch die Kardanzapfen durch eine Faseroptik mit
großem
Kern oder ein Bündel
optischer Fasern 208 verwirklicht. Wiederum korrigiert der
Phasenkonjugationsspiegel 216 sämtliche Phasenverzerrungen
und Depolarisation zwischen dem Auskoppler 204 und dem
Phasenkonjugationsspiegel 216, welcher nun die Faser 208 enthält. Wie
bei dem ersten Ausführungsbeispiel
bleibt der Strahl hoher Leistung 203, welcher austritt,
ausgerichtet auf den eingegebenen Oszillatorstrahl ohne die Notwendigkeit
von komplexen Selbstausrichtungssystemen.
-
3 ist
ein Blockschaltbild, welches eine Auto-Zieltechnik für den selbstausrichtenden
phasenkonjugierten Laser darstellt, welcher von Byren in dem US-Patent
4,798,462 offenbart ist. In dieser Schrift ist der Verfolger so
ausgerichtet, dass er das Zielobjekt durch Reflexion an dem selben
Auskopplergerät
betrachtet, das in dem oben beschriebenen selbstausrichtenden phasenkonjugierten
Laser verwendet wird. Ein Teil 309 des Hauptoszillatorstrahls 301 darf
durch den Auskoppler 304 auslecken, um einen Bezugswert
für die
Sichtlinie des Lasers zu schaffen. Dieser Bezugswert wird von dem
Verfolger (welcher im Band mit dem Laser betrieben werden muss)
aufgenommen und dient als Ziellinienreferenz (oder Fadenkreuz) für die Verfolgung
des Zielobjektes. Aufgrund der Reflexionssymmetrie an dem Auskoppler 304 trifft,
wenn die Zielpunkt-Sichtlinie 311 zum
Zielobjekt mit dem Oszillatorstrahl-Bezugswert ausgerichtet ist,
der Laserstrahl hoher Leistung 303 den Zielpunkt am Zielobjekt.
Bei dieser Lösung
werden Ziellinienfehler im Zusammenhang mit dem Oszillator, dem
Auskoppler und dem Verfolger automatisch korrigiert.
-
4 zeigt
ein Faser-Strahlreinigungsschema, welches von Rockwell und Bartelt
in dem US-Patent 5,208,699 mit dem Titel „Compensated, SBS-free Optical
Beam Amplification and Delivery Apparatus and Method" offenbart ist. Dieses
System 400 kann in einer industriellen Roboter-Laser-Anwendung
verwendet werden, bei welcher eine Zentralstation 409,
welche einen Laserhauptoszillator 402, einen Laserleistungsverstärker 414 und
einen Phasenkonjugationsspiegel 416 enthält, eine
Laserenergie über
ein Paar von optischen Ausgabefasern 408 und 411 auf
den Fokussierungskopf 418 eines industriellen Roboters 410 abgibt.
Der Hauptoszillatorstrahl 401 niedriger Leistung und hoher
Qualität
wird auf den Fokussierungskopf 418 über eine polarisationserhaltende
optische Faser 411 niedriger Leistung und eines einzigen
Modus abgegeben. Dieser sog. Bezugsstrahl 401 wird dann
durch einen polarisierenden Strahlaufspalter (Auskoppler) 404 reflektiert
und die Polarisation wird durch ein nichtreziprokes Polarisierungselement,
beispielsweise einen Faradayrotator 420 gedreht, welche
die Eigenschaft hat, dass nach zwei entgegengesetzten Durchgängen durch das
Element die Polarisation um 90° gedreht
ist. Der Strahl 401 niedriger Leistung wird dann in eine
große Vielfachmodus-Ausgabefaser 408 eingekoppelt
und zu der zentralen Station 409 zurückgegeben, wo sie bei einem
ersten Durchlauf durch die Verstärkerstrahllinie 414 verstärkt wird.
An diesem Punkt ist der Strahl 405 aufgrund optischer Phasenverzerrungen in
der Abgabefaser und den Leistungsverstärkern in hohem Maße verzerrt
und depolarisiert. Der Strahl 405 wird dann durch einen
Vektor-Phasenkonjugationsspiegel 416 reflektiert, der das
phasenkonjugierte der einstrahlenden Wellenfront mit sämtlichen
Polarisationszuständen
zurückgibt,
welche in der selben Phasenbeziehung verbleiben. Der phasenkonjugierte
Strahl 407 nimmt dann seinen Weg zurück zu dem Fokussierungskopf 418,
wobei die optischen Verzerrungen längs des Weges korrigiert werden.
Der verstärkte
und korrigierte Strahl 403 durchläuft dann den nichtreziproken
Rotator und wird durch den polarisierenden Strahlaufspalter ausgekoppelt
und tritt im Wesentlichen mit derselben hohen Strahlqualität wie der Referenzstrahl 401 aus
dem Hauptoszillator 402 aus.
-
Der
Vorteil dieses Schemas besteht darin, dass der Laserstrahl großer Helligkeit
nun auf einen kleinen Punkt auf dem Werkstück fokussiert werden kann,
während
gleichzeitig ein tiefer Brennpunktbereich und ein großer Arbeitsabstand
erreicht werden. Das gleichzeitige Vorsehen eines Strahls mit kleiner Brennpunktgröße, eines
tiefen Brennpunktbereiches und eines großen Arbeitsabstandes ist vorteilhaft
für Roboter-Metallschneidanwendungen,
wo schmale Schnittbreiten, große
Beabstandungen und erleichterte Nahtoleranzen größere Schnittgeschwindigkeiten
ermöglichen,
das Programmieren der Roboterbewegung vereinfachen und ein Zurückspritzen
von Rückständen auf
die Fokussierungslinsen vermindern.
-
5 ist
eine Abbildung von einer Operation, welche zwei Anwendungen der
Lehre nach der vorliegenden Erfindung verdeutlicht. Die Anwendung,
welche auf der linken Seite der Zeichnung gezeigt ist, ist eine
solche, bei welcher verschiedene Elemente eines Lasers hoher Energie,
beispielsweise ein Hauptoszillator (MO), ein Verfolger und ein Auskoppler
(keines dieser Teile ist in 5 gezeigt) in
einer freifliegenden, unbemannten Plattform 510 installiert
sind und ein phasenkonjugierter Verstärker (nicht dargestellt) auf
einer zweiten Plattform 520, beispielsweise einem auf der
Oberfläche
operierenden Schiff angeordnet ist. Diese Ausführungsform gestattet es dem
HEL-System 500, gegen das Schiff gerichtete Bedrohen, etwa
einen über
der Wasseroberfläche
fliegenden Marschflugkörper 530 von
oben zu bekämpfen,
wo die Detektierungsentfernungen und Bekämpfungsentfernungen größer sind,
die atmosphärischen
Turbulenzen und die Streuung geringer ist und das Zielobjekt (von
der Seite her) verletzlicher ist.
-
Eine
alternative Anwendung 500 ist auf der rechten Seite der
Zeichnung dargestellt. Hier sind die entfernten Elemente auf einer
leitungsverbunden unbemannten Hubschrauberplattform 510 strichintegriert
und der phasenkonjugierte Verstärker
ist auf einer zweiten Plattform 520' angeordnet, im vorliegenden Fall
ein Gefechtsfahrzeug, beispielsweise ein High Mobility Multi-Wheeled
Vehicle (HMMWV). Diese Ausführungsform
ermöglicht
dem HMMWV, Luftziele und Bodenziele anzugreifen, während es
durch die Merkmale des Terrains geschützt bleibt und es wird ein
bedeutend größeres Feld
des Angriffs geschaffen, als es sich durch ein bodengestütztes System
ergibt. Die Anbindung kann ein faseroptisches Kabel oder ein faseroptisches
Bündel
aufweisen, welches einen flexiblen optischen Weg zwischen der entfernten
fliegenden Plattform und der bodengestützten Plattform ergibt.
-
6 ist
ein Blockschaltbild, welches eine beispielsweise Verwirklichung
eines phasenkonjugierten Relayspiegelsystems zeigt, das in Entsprechung
mit der Lehre nach der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist.
Gemäß der vorliegenden
Lehre ist eine leichtgewichtige und billige Relayspiegelanordnung
auf einer entfernten Plattform gelegen, um einen elektromagnetischen
Strahl (beispielsweise einen HEL-Strahl) hoher Leistung von einer
oberflächengestützten Plattform
aus neu auszurichten. Während
die Erfindung in Verbindung mit einer oberflächengestützten Plattform verwendet wird,
erkennen die Fachleute auf diesem Gebiet, dass die Erfindung hierauf
nicht beschränkt ist.
Die vorliegenden Angaben können
in Verbindung mit einer Plattform oder mehreren Plattformen verwendet
werden, die nicht auf einer Oberfläche eines Körpers gelegen ist bzw. sind,
ohne dass hierdurch von dem Grundgedanken der vorliegenden Lehre
abgewichen wird.
-
Wie
in 6 gezeigt, enthält in einer beispielsweisen
Ausführungsform
der Erfindung das System 500 einen Hauptoszillator (MO) 502,
einen Auskoppler 504 und einen Zielobjekt-Bahnsensor 506,
welche auf einer entfernten Plattform 510 montiert sind.
Die entfernte Plattform 510 kann ein unbemanntes Luftfahrzeug
(UAV), ein über
Kabel angebundener Hubschrauber oder Aerostat, ein erhöhter Mast,
der an der Oberfläche
eines Fahrzeugs befestigt ist, ein hoher Mastteil auf der Oberfläche eines Schiffes,
ein Raumfahrzeug oder irgendeine andere geeignete bemannte oder
unbemannte Struktur, ein schwenkbares Teil oder ein Fahrzeug sein,
ohne dass hierdurch von dem Grundgedanken der vorliegenden Erfindung
abgewichen wird. Der Hauptoszillator 502, der Auskoppler 504 und
der Zielobjekt-Bahnsensor 506 sind auf einer stabilen Plattform 507 angeordnet.
Eine herkömmliche
Leistungsquelle 511 und eine Kühleinheit 513 sind
für den
Hauptoszillator 202 entfernt von der stabilen Plattform 507 vorgesehen.
Das System 500 enthält
weiter eine erste Strahlausrichtungseinrichtung 508, welche
auf der entfernten Plattform 510 gelegen ist. Ein Plattform-Bahnsensor 509 befindet
sich auf der Strahlausrichtungseinrichtung 508. Die stabile
Plattform 507 ist relativ zu den Körperachsen der entfernten Plattform 510 durch
die Strahlausrichtungseinrichtung 508 über ein mechanisches Gestänge 515 verschwenkbar.
Die stabile Plattform 507 weist in die Richtung eines Zielobjektes 550 durch
die Strahlausrichtungseinrichtung 508 unter der Steuerung
eines herkömmlichen
Servoprozessors 505, der Winkelfehler-Eingangssignale von
dem Zielobjekt-Bahnsensor 506 und dem Plattform-Bahnsensor 509 empfängt. Die
Strahlausrichtungseinrichtung 508 dient daher zur Orientierung
oder Ausrichtung der stabilen Plattform 507 derart, dass
der Zielobjekt-Bahnsensor (506) mit seiner Sichtlinie (LOS)
präzise
auf den Zielpunkt auf dem Zielobjekt hinweist.
-
Die
Strahlausrichtungseinrichtung 508 dient auch zum groben
Ausrichten der Sichtlinie des Hauptoszillatorstrahls 501 in
Richtung auf die bodengestützte
Platt form 520 mittels eines ersten Plattform-Bahnsensors 509,
der darauf gelegen ist. Der Zielobjekt-Bahnsensor 506,
der Hauptoszillator 502 und der Auskoppler 504 sind
so konfiguriert und ausgerichtet, dass der Hauptoszillatorstrahl 501 nach Reflexion
an dem Auskoppler 504 gleich ausgerichtet mit der Sichtlinie
des Zielobjekt-Bahnsensors ist. In dieser Konfiguration wird, wenn
der Zielobjekt-Bahnsensor mit seiner Sichtlinie LOS auf den Zielpunkt
auf dem Zielobjekt hinweist, ein hochenergetischer Laserstrahl 503,
der sich entgegengesetzt zur Richtung des Hauptoszillatorstrahls 501 ausbreitet,
nach Reflexion an dem Auskoppler 504 auf den Zielpunkt
am Zielobjekt hin gerichtet.
-
Eine
zweite Strahlausrichtungseinrichtung 522 ist auf der bodengestützten Plattform 520 gelegen.
Die zweite Strahlausrichtungseinrichtung 522 weist grob
mit der Sichtlinie eines Strahles eines phasenkonjugierten Verstärkers, welcher
aus einer Reihe von Laser-Leistungsverstärkern (Verstärkerstrahllinie) 514 und
einem Phasenkonjugationsspiegel 516 besteht, auf die entfernte
Plattform 510 unter der Steuerung eines herkömmlichen
Servoprozessors 526 unter dem Eingang von einem zweiten
Plattform-Bahnsensors 524.
Der Phasenkonjugationsspiegel 516 stellt sicher, dass der
verstärkte HEL-Strahl 503 nach
doppeltem Durchgang durch den atmosphärischen Weg nach aufwärts, die
Optiken innerhalb der zwei Strahlausrichtungseinrichtungen und die
Verstärkerstrahllinie,
sich entgegengesetzt zur Richtung des Hauptoszillatorstrahls 501 ausbreitet
und so die oben beschriebene Ausrichtungsbedingung erfüllt.
-
Die
Plattform-Bandsensoren 509 und 524 können passive
optische Mittel zur Verfolgung der stromaufgerichteten Aperturen
der bodengestützten Plattform 520 bzw.
der entfernten Plattform 510 verwenden oder können aktive
optische Verfolgungsmittel mit Hilfe von zusätzlichen optischen Ausrichtungsstrahlen 525 und 527 verwenden,
welche an den Strahlausrichtungseinrichtungen 508, 522 angeordnet
sind.
-
Eine
herkömmliche
Leistungsquelle 528 und eine Kühleinheit 530 sind
für die
Verstärkerstrahllinie 514 vorgesehen.
-
Die
Ausführungsform
von 6 kann die Verfolgungs-Selbstziellösung verwenden,
wie sie von Byren in der oben erwähnten US-Patentschrift 4,798,462
beschrieben ist, indem ein Teil 517 des Hauptoszillatorstrahl 501 als
Ziellinienbezug verwendet wird (gestrichelter Pfeil in 6)
Wenn der Hauptoszillator 502 eine Betriebswellenlänge hat,
welche sich nicht innerhalb des Durchlassbandes des Zielobjekt-Bahnsensors
befindet, dann kann ein gesonderter Ausrichtungsstrahl, welcher
sich innerhalb des Durchlassbandes befindet, in den Hauptoszillator 502 integriert
werden und die Funktion der Ziellinienreferenz übernehmen. Dies ermöglicht,
dass der Hauptoszillator 502 entfernt und mit minimaler
optischer Ausrichtung ersetzt werden kann und erhöht auch
die Beibehaltung der Ausrichtung, insbesondere wenn die Ziellinienquelle
und der Hauptoszillator 502 sich ein gemeinsames vorerstreckendes
Teleskop teilen.
-
Es
ist davon auszugehen, dass dies die erste Anwendung einer nicht
linearen optischen Phasenkonjugation für die Korrektur eines aufwärtsgerichteten
Weges eines Relaisspiegel-HEL-Abgabesystems ist. Es erstreckt das
selbst ausrichtende Phasenkonjugationsspiegelkonzept, welches von
Byren und Rockwell in den oben erwähnten US-Patent 4,798,462, 4,812,639 und 4,853,528
angegeben ist durch Einbeziehung der bodengestützten Verstärkerstrahllinie, des aufwärtsgerichteten
atmosphärischen Weges
und der Relaisspiegelausrichtung innerhalb des kompensierten Weges
eines Phasenkonjugationsspiegels.
-
7 zeigt
eine alternative Ausführungsform
der Erfindung, bei welcher der Hauptoszillator, der Zielobjekt-Bahnsensor
und der Auskoppler unmittelbar auf der entfernten Plattform und
nicht auf einer stabilisierten Plattform montiert sind, welche relativ
zu der Strahlausrichteinrichtung schwenkbar ist. Diese Ausführungsform
kann für
bestimmte Anwendungen vorteilhaft sein, welche Komponenten für den Hauptoszillator
und/oder den Zielobjekt-Bahnsensor benötigen, welche groß und schwer
sind und daher unpraktisch für
eine Montage auf einer Kardananordnung sind. Bei dieser Ausführungsform
dient eine zweite Strahlausrichteinrichtung 610 zum Ausrichten der
Sichtlinie des Zielobjekt-Bahnsensors und des HEL-Strahls auf das
Zielobjekt.
-
8 zeigt
eine zweite alternative Ausführungsform
der Erfindung. In der Ausführungsform nach 8 dient
eine optische Faser 710 und ein Bündel von optischen Fasern zur
Führung
der Sichtlinien des Hauptoszillators und der Strahlen hoher Leistung über den
aufwärts
gerichteten Zweig des atmosphärischen
Weges. Diese Ausführungsform
beseitigt die Notwendigkeit, dass die Plattform-Bahnsensoren und
die zugehörigen
Bahnausrichteinrichtungen eine grobe Sichtliniensteuerung über den
aufwärtsgerichteten
Zweig des atmosphärischen
Weges vornehmen. Dies ist ähnlich
dem Schema, das von Rockwell und Bartelt im US-Patent 5,208,699
offenbart ist. Diese Ausführungsform
enthält
jedoch das Faserkabel als Teil der Anbindung des entfernten Fahrzeugs,
ein Merkmal welches von Rockwell und Bartelt weder gezeigt noch
offenbart noch vorausgesetzt ist.
-
Die
Sichtliniensteuerung, die Hochleistungsoptiken, die optische Abbildung,
das Verfolgen, der Laserbetrieb, die Leistungserzeugung und die
Kühlkomponenten
und die Software sowie das Zielen mit dem Lasersystem hoher Leistung
und die Verfolgungstechniken, wie sie bei der Erfindung verwendet werden
und wie sie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen dargestellt sind,
können
von herkömmlicher
Konstruktion und von herkömmlichen Aufbau
sein.
-
Die
vorliegende Erfindung wurde hier unter Bezugnahme auf eine bestimmte
Ausführungsform für einen
bestimmten Anwendungsfall beschrieben. Die Fachleute auf diesem
Gebiete, welche Kenntnis von der vorliegenden Lehre haben, erkennen,
dass zusätzliche
Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen innerhalb des
Grundgedankens der Erfindung möglich
sind.
-
Es
ist daher davon auszugehen, dass die anliegenden Ansprüche jedwede
und sämtliche
solche Anwendungen, Modifikationen und Ausführungsformen innerhalb des
Gedankens der Erfindung abdecken.