DE69012992T2

DE69012992T2 - Vorrichtung zur optischen strahlablenkung.

Info

Publication number: DE69012992T2
Application number: DE69012992T
Authority: DE
Inventors: Andrew Scott
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1989-04-27
Filing date: 1990-04-11
Publication date: 1995-02-09
Anticipated expiration: 2010-04-12
Also published as: GB8909711D0; DK0470122T3; ES2061028T3; EP0470122A1; JPH04504766A; WO1990013056A1; DE69012992D1; US5351250A; EP0470122B1; CA2051372A1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf eine Lichtstrahlsteuereinrichtung und insbesondere auf eine Einrichtung zur Steuerung von Lichtstrahlen mit hoher Leistung.
Lichtstrahlsteuereinrichtungen sind im Stand der Technik wohlbekannt. Typische elektromechanische Einrichtungen umfassen einen bewegten Spiegel, der zur Ablenkung eines Lichtstrahls verwendet wird. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß die zum Drehen des Spiegels erforderliche Energie proportional zur fünften Potenz des Spiegeldurchmessers ist (D&sup5;). Lichtstrahlen mit hoher Leistung benötigen gesteuerte Spiegel mit großem Durchmesser, damit die Leistungsdichte auf der Spiegeloberfläche unter einem Beschädigungsschwellenwert liegt. Folglich erfordert das Steuern von Strahlen mit hoher Leistung eine große und teure Baugruppe zur Bewegung des Spiegels.
Es sind im Stand der Technik auch akustooptische- und elektrooptische Strahlsteuereinrichtungen bekannt. Die erstere umfaßt einen piezoelektrischen Block, in dem Schallwellen mit einem Lichtstrahl in Wechselwirkung stehen, um die Steuerung auszuführen. Die letztere umfaßt eine elektrooptische Wellenleiter-Anordnung, die zu einer phasengesteuerten Radar-Gruppenantenne optisch analog ist. Die Steuerung des Strahls wird durch eine Veränderung der Vorspannung auf die einzelnen Wellenleiter < und damit der von diesen induzierten Phase) erreicht. Die Belastbarkeit jedes dieser Geräte ist jedoch stark beschränkt. Sie liegt um Größenordnungen unter der Belastbarkeit, die zur Aufnahme eines Laserstrahls mit hoher Leistung erforderlich ist.
Ein Lichtstrahlsteuerer ist von J. R. Ackerman und P. S. Lebow im IEEE Journal of Quantum Electronics, Band 25, Nummer 3, März 1989, Seiten 479-483, beschrieben. Sie beschreiben eine Einrichtung, in der ein Ausgangsstrahl durch Verändern der Richtung von Pumpstrahlen in einer Brillouin-verstärkten Vierwellenmischzelle gesteuert wird.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative Form einer Strahlsteuereinrichtung zu schaffen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Lichtstrahlsteuereinrichtung zur Erzeugung eines gesteuerten Lichtstrahls in einer veränderlichen Ausgangsrichtung, wobei die Einrichtung eine Ausgabeeinrichtung zur Schaffung eines Lichtstrahls mit niedriger Lesitung, eine Steuereinrichtung, die so beschaffen ist, daß sie den Lichtstrahl mit niedriger Leistung relativ zur Ausgangseinrichtung steuert, sowie eine Phasenkonjugationseinrichtung enthält, die so beschaffen ist, daß sie von der Steuereinrichtung den gesteuerten Strahl mit niedriger Leistung empfängt und einen hierzu phasenkonjugierten Strahl mit hoher Leistung erzeugt, wobei die Phasenkonjugationseinrichtung für eine Brillouin-Vierwellenmischung angeordnet ist und die Einrichtung außerdem eine Pumpeinrichtung enthält, um der Phasenkonjugationseinrichtung in entgegengesetzter Richtung sich ausbreitende Laserpumpstrahlen zuzuleiten, die geeignete Frequenzen besitzen, um in Kombination mit dem gesteuerten Strahl mit niedriger Leistung eine Vierwellenmischung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuereinrichtung und der Phasenkonjugationseinrichtung eine Ausgangskopplungseinrichtung angeordnet ist, wobei die Steuereinrichtung und die Phasenkonjugationseinrichtung kombiniert in der Weise angordnet sind, daß die Steuerung des Lichtstrahls mit niedriger Leistung die Steuerung des hierzu phasenkonjugierten Strahls mit hoher Leistung bewirkt.
Die Erfindung hat den Vorteil, daß die Steuerung von Lichtstrahlen mit hoher Leistung mit Hilfe einer Steuereinrichtung bewirkt wird, die mit einem Strahl mit niedriger Leistung arbeitet, da die phasenkonjugierte Strahlrichtung von der des gesteuerten Strahls gesteuert wird. Dies ermöglicht den Einsatz herkömmlicher Steuereinrichtungen, die nur für niedrige Leistungen geeignet sind, zur Steuerung der Richtung eines Lichtstrahls mit viel höherer Leistung. Außerdem wird kraft der Verwendung einer Phasenkonjugationseinrichtung im Strahl mit hoher Leistung der Verschlechterung der optischen Qualität des Strahls mit niedriger Leistung durch optische Bauteile entgegengewirkt.
Die Phasenkonjugationseinrichtung umfaßt eine Brillouin-Vierwellenmischzelle und eine Pumpeinrichtung zur Belieferung der Zelle mit in entgegengesetzter Richtung sich ausbreitenden Laserpumpstrahlen mit Frequenzen, die dazu geeignet sind, eine Vierwellenmischung in Kombination mit dem gesteuerten Strahl mit niedriger Leistung zu erzeugen. Die Pumpeinrichtung kann auch einen Laser umfassen, der so beschaffen ist, daß er sowohl die Pumpstrahlen als auch den Strahl mit niedriger Leistung liefert. Der Ausgang des Lasers kann zwischen den ersten und zweiten Brillouin-Streuzellen aufgeteilt sein, die so beschaffen sind, daß sie einen ersten Pumpstrahl bzw. den Strahl mit niedriger Leistung liefern, wobei diese Strahlen Frequenzen besitzen, die um δνA bzw. δνB niedriger sind als die des Lasers, während ein zweiter Pumpstrahl von einer dritten Brillouin-Streuzelle geliefert werden kann, die so beschaffen ist, daß sie den ersten Pumpstrahl nach der Übertragung durch die Vierwellenmischzelle empfängt und ihn dorthin mit einer weiteren Frequenzverringerung δνB zurückleitet. Der erste Pumpstrahl kann vor der Eingabe in die Vierwellenmischzelle verstärkt werden.
Die Steuereinrichtung für einen Strahl mit niedriger Leistung kann eines der folgenden Elemente umfassen:
(1) eine akustooptische Strahlsteuereinrichtung,
(2) ein Teleskop, das so beschaffen ist, daß es Licht von einer Linse über einen Drehspiegel empfängt, wobei der Spiegel in der Nähe einer gemeinsamen Brennebene von Teleskop und Linse liegt, und
(3) ein elektrisch adressierbarer, räumlicher Lichtmodulator mit einer Oberfläche mit veränderlichem Reflexionsvermögen, die in einer Brennebene einer Fokussierungseinrichtung liegt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung werden nun lediglich beispielhaft Beispiele mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Lichtstrahlsteuereinrichtung der Erfindung ist;
Fig. 2, 3 und 4 schematisch Steuereinrichtungen für einen Strahl mit niedriger Leistung zeigen, die in der Einrichtung von Fig. 1 verwendet werden;
Fig. 5 und 6 schematisch alternative Strahlsteuereinrichtungen zeigen; und
Fig. 7 die Korrektur eines Spiegelpositionierungsfehlers veranschaulicht.
Bezugnehmend auf Fig. 1 umfaßt eine Lichtstrahlsteuereinrichtung 10 einen durch Injektion geimpften Nd-YAG-Laser 12, der Ausgangspulse mit 50 mJ und 25 ns bei einem Divergenz-Durchmesser-Produkt von 1,3 mm mrad liefert. Das Licht vom Laser 12 ist vertikal polarisiert, d.h. senkrecht zur Zeichnungsebene. Es läuft zu einem teilweise durchlässigen, teilweise reflektierenden ersten Spiegel 14, der durchgelassene und reflektierte Strahlen 16 und 18 liefert, die 90% bzw. 10% der Ausgangsintensität des Lasers besitzen.
Der durchgelassene Strahl 16 wird von einem zweiten Spiegel 20 auf ein erstes Polarisationsfilter 22 reflektiert, das so beschaffen ist, daß es vertikal polarisiertes Licht durchläßt und horizontal polarisiertes Licht reflektiert, wobei letzteres in der Zeichnungsebene polarisiert ist. Der Strahl 16 läuft durch das Polarisationsfilter 22 zu einem ersten Viertelwellenlängenplättchen 24, das den Strahl in einen rechtszirkular (RZ) polarisierten Strahl umformt. Der Strahl wird dann von einer ersten, TiCl&sub4; (Medium A) enthaltenden Brillouin-Verschiebezelle 26 aufgenommen. Die Zelle 26 ist von bekannter Art. Sie umfaßt eine Linse (nicht gezeigt), um den Strahl 16 in ihrem aktiven Medium zu bündeln. Ein Beispiel für eine Brillouin-Verschiebezelle, die eine Fokussierungseinrichtung enthält, ist von M. V. Vasileve u.a. in Sov. Phys. JETP Lett., Band 31, Seite 634, 1980, beschrieben. Die Zelle 26 reduziert die Strahlfrequenz und reflektiert den Strahl als einen phasenkonjugierten Strahl 16' mit umgekehrter (d.h. linkszirkularer, LZ) Polarisation zum Viertelwellenlängenplättchen 24, wobei letzteres ihn wieder in einen horizontal polarisierten Strahl umformt. Diese Polarisation wird vom Polarisationsfilter 22 über dritte und vierte Spiegel 28 und 30 zu einem Laserverstärker 32 reflektiert. Der Verstärker 32 liefert einen 300 mJ-Ausgang mit einem Durchmesser von 4 mm zwischen e&supmin;² Punkten. Das Licht vom Verstärker 32 wird von einem Faraday-Isolator 33 übertragen, der in der umgekehrten Lichtausbreitungsrichtung undurchlässig ist.
Nach Verlassen des Isolators 33 wird das Licht von einem Halbwellenlängenplättchen 34 in vertikal polarisiertes Licht umgeformt und läuft dann zu einem zweiten Polarisationsfilter 36, das so beschaffen ist, daß es vertikal polarisiertes Licht reflektiert.
Das vom zweiten Polarisationsfilter 36 reflektierte Licht 16' läuft zu einem zweiten Viertelwellenlängenplättchen (oder Fresnel-Rhombe) 38 zur Umformung in RZ-Polarisation und dann zu einer Brillouin-Vierwellenmischzelle (VWM) 40. Die Zelle 40 ist 20 cm lang und besitzt einen quadratischen Querschnitt mit 4 mm Innenkantenlänge. Sie ist aus Quarzglas hergestellt und enthält das Medium A. Sie besitzt um 70º zu der Achse des Strahls 16' geneigte Fenster, um eine parasitäre Brillouin-Oszillation zu vermeiden. Das Licht 16' läuft von der Zelle 40 zu einem dritten Viertelwellenlängenplättchen 42, wo es in vertikal polarisiertes Licht umgeformt wird; danach wird es von einem dritten Polarisationsfilter 44 durchgelassen, das so beschaffen ist, daß es vertikal polarisiertes Licht durchläßt und horizontal polarisiertes Licht reflektiert. Eine erste Linse 46 bündelt das vom dritten Polarisationsfilter 44 durchgelassene Licht in einer zweiten Brillouin-Verschiebezelle 48. Die Zelle 48 enthält eine Mischung aus 20% CCl&sub4;/80% CS&sub2; (Medium B) Sie reduziert die Strahlfrequenz und reflektiert das Licht zu der VWM-Zelle 40 als phasenkonjugierten, vertikal polarisierten zweiten Pumpstrahl 16". Dieser Strahl folgt dem Pfad des Strahls 16' zum Wellenplättchen 34 und wird vom Faraday-Isolator 33 nicht durchgelassen. Der Strahl 16' ist innerhalb der VWM-Zelle 40 RZ. Die Elemente 36 bis 48 besitzen vergütete optische Oberflächen.
Wenn nun der "schwache" oder vertikal polarisierte Strahl 18 mit niedriger Intensität betrachtet wird, der vom ersten Spiegel 14 reflektiert wird, so läuft dieser über den fünften und sechsten Spiegel 50 und 52 zu einem vierten Polarisationsfilter 54, das so beschaffen ist, daß es vertikal polarisiertes Licht durchläßt und horizontal polarisiertes Licht reflektiert. Der Strahl 18 wird folglich vom Polarisationsfilter 54 zu einein vierten Viertelwellenlängenplättchen 56 durchgelassen, das ihn in einen RZ polarisierten umformt. Er wird dann in eine dritte Brillouin-Verschiebezelle 58, die das Medium B enthält und eine Fokussierungseinrichtung (nicht gezeigt) umfaßt, gebündelt. Hier wird seine Frequenz reduziert und als phasenkonjugierter LZ polarisierter Strahl 18' zum Viertelwellenlängenplättchen 56 zur Umformung in horizontale Polarisation zurückgeleitet. Auf dem Rückweg vom Plättchen 56 wird der Strahl 18' vom vierten Polarisationsfilter 54 zu einem vierten Spiegel 60 reflektiert. Hier wird er zu einem Steuerelement 62 für einen Strahl mit niedriger Leistung reflektiert, das später genauer beschrieben wird und einen gesteuerten Strahl 18" liefert.
Eine zweite Linse 64 bildet die Ausgangsblende < nicht gezeigt) des Strahlsteuerelementes 62 auf den Eingang der VWM-Zelle 40 ab. Der gesteuerte Strahl 18" läuft zu der Linse 64 durch einen 90% reflektierenden, 10% durchlassenden achten Spiegel 66. Die Ausgangsöffnung des Steuerelementes 62 wird von der Linse 64 auf die Eingangsöffnung der Zelle 40 abgebildet. Dies stellt sicher, daß beim Steuern des Strahles 18" dieser weiterhin auf die Zelle 40 fällt. Da er horizontal polarisiert ist, wird der Strahl 18" vom zweiten Polarisationsfilter 36 auf das zweite Viertelwellenlängenplättchen 38 übertragen, wo er in einen linkszirkular (LZ) polarisierten Strahl umgeformt wird. Der Abstand und die Anordnung des Polarisationsfilters 36 und des Wellenplättchens 38 sind derart, daß sie nicht durch die Bündelung des Strahls mit niedriger Leistung und seinem von der Linse 64 erzeugten konjugierten Strahl mit hoher Leistung beschädigt werden. Diese Linse stellt sicher, daß der gesteuerte Strahl mit niedriger Leistung 18" unabhängig von der Steuerrichtung in die VWM-Zelle 40 läuft. Der Strahl 18" erfährt an den Längswänden der Zelle 40 eine innere Totalreflexion. Wie später genauer beschrieben wird, leitet die Zelle 40 einen vierten LHC Strahl entlang des Weges des Strahls 18" zum 90% reflektierenden Spiegel 66 zurück, wobei folglich die meiste Intensität in diesem vierten Strahl vom Spiegel 66 reflektiert wird, um einen Ausgangsstrahl 68 zu liefern. Der Ausgangsstrahl 68 ist der phasenkonjugierte Strahl des Signalstrahls 18".
Der Signalstrahl 18" tritt aus der VWM-Zelle 40 aus und wird mittels des dritten Viertelwellenlängenplättchen 42 zurück in einen horizontal polarisierten Strahl umgeformt. Er wird dann aus der Einrichtung 10 reflektiert, wie von der gestrichtelten Linie 70 gezeigt.
Die Brillouin-Verschiebezellen 26, 48 und 58 bewirken eine Frequenzreduktion durch stimulierte Brillouin- Streuung. Wenn die Frequenzreduktionen für die Medien A und B durch δνA bzw. δνB gegeben sind, reduziert die Zelle 26 die Frequenz um δνA und die Zellen 48 und 58 um δνB. Wenn die Ausgangsfrequenz des Lasers 12 ν&sub0; ist, sind die Frequenzen des Lichts der Strahlen 16', 16" und 18" wie in Tabelle 1 gezeigt: Tabelle 1 Strahl Frequenz Brillouin-Verschiebezellen
Von den obengenannten sind 16' und 16" in entgegengesetzter Richtung sich ausbreitende Strahlen mit hoher Intensität, die die VWM-Zelle 40 pumpen. Der Strahl 16" ist so beschaffen, daß er in etwa 10% der Intensität des Strahls 16' besitzt. Der Strahl 18" ist der "Eingangssignal"-Strahl, der Interferenzen mit dem Strahl 16" erzeugt, um eine wandernde Schallwelle mit einer Differenzfrequenz δνA in der VWM-Zelle 40 zu erzeugen. Diese Schallwelle wächst aufgrund der Instabilität, die bekanntermaßen bei der Brillouin-verstärkten Vierwellenmischung auftritt, exponentiell mit der Zeit, wenn die Pumpstrahlen vorhanden sind. Sie reflektiert den Strahl 16' und verringert seine Frequenz, um einen (vierten) Strahl der Frequenz ν&sub0; - 2δνA (die Differenzfrequenz) zu erzeugen, der konjugiert zum Signalstrahl 18" ist. Der Betrieb der VWM-Zelle 40 ist genauer von A M Scott und K D Ridley in "A Review of Brillouin Enchanced Four Wave Mixing", IEEE Journal of Quantum Electronics, März 1989, diskutiert. Dieser vierte Strahl wird zum Ausgangsstrahl 68, wie oben beschrieben worden ist. Er verfolgt den Weg des Eingangssignal-Strahls 18" zum Spiegel 66 zurück. Der Eingangssignal-Strahl 18" ist über das Steuerelement 62 steuerbar, folglich ist auch die Richtung des Ausgangsstrahls 68 steuerbar, wie von den gestrichtelten Linien 72 angezeigt. Der Ausgangsstrahl 68 enthält zwischen 40% und 80% der Intensität des Strahls 16', wenn letzterer zum erstenmal die VWM-Zelle 40 erreicht, während der Ausgangsstrahl in der Größenordnung 10&sup4; intensiver ist als der Eingangssignal-Strahl 18". Die Erfindung macht es somit möglich, daß ein sehr intensiver Laserstrahl in Abhängigkeit einer Steuerung eines schwachen Strahles mittels eines Elementes 62 gesteuert wird, das nur für letzteren geeignet ist.
Die Tabelle 1 stellt die erforderlichen Eingänge in die VWM-Zelle 40 dar. Diese umfassen einen schwachen Strahl 18" und einen starken Strahl 16' mit einer relativen Frequenzdifferenz von δνA - δνB (typischerweise um 400 MHz) zusammen mit einem zweiten starken Strahl 16". Die Strahlen 16', 16" und 18" könnten von anderen als den gezeigten Einrichtungen erzeugt werden.
Die Phasenkonjugation in der VWM-Zelle 40 erzeugt nicht nur einen Ausgangsstrahl 72 mit hoher Leistung, sie kompensiert auch optische Verzerrungen, die der Strahl 18" erfährt, wenn er in der Zelle 40 abgebildet und intern von den Zellenwänden reflektiert wird. Der Strahl 'ait niedriger Leistung 18" wird durch Abbildungsfehler in der Linse 64 abgeschwächt; dieser Umstand wird sich mit zunehmendem Steuerwinkel und folgender Vergrößerung der Abweichung vom paraxialen Zustand verschlimmern. Der phasenkonjugierte Strahl 72, der die VWM-Zelle 40 verläßt, besitzt entgegengesetzte Abbildungsfehler, wobei der Rücklauf dieses Strahls durch die Linse 64 folglich ihre Auswirkungen eliminiert. Der Phasenkonjugationsprozeß in der Zelle 40 ist auch unempfindlich gegen Mehrfachreflexionen in der Zelle.
Bezugnehmend auf die Fig. 2, 3 und 4 werden mehrere Formen eines Steuergerätes für einen Lichtstrahl mit niedriger Leistung gezeigt, das die Funktion des Elementes 62 von Fig. 1 durchführen kann. In Fig. 2 ist ein akustooptischer Modulator 80 mit einem Hochfrequenz-(HF)- Signaleingang 82 optisch mit zwei Linsen 84 und 86 gekoppelt, um ein Teleksop zu bilden. Ein Eingangslichtstrahl 88 läuft durch den Modulator 80 und das Teleskop 84/86, um einen Ausgangsstrahl 90 zu erzeugen. Die Richtung des Strahls 90 ist durch die Veränderung der Frequenz des HF-Signaleingangs bei 82 steuerbar. Der Modulator 80 ist von einer herkömmlichen und im Handel erhältlichen Bauart und wird nicht detailliert beschrieben. Zwei rechtwinklig zueinander angeordnete Modulatoren 80 können zur Schaffung einer zweidimensionalen Steuerung verwendet werden.
Fig. 3 zeigt eine alternative Form eines Elementes zur Steuerung eines Strahls mit niedriger Leistung 100, das die Linsen 102 und 104 umfaßt, die ein Teleskop bilden. Ein kleiner, drehbar montierter Spiegel 106 befindet sich direkt hinter der durch die gestrichtelte Linie 108 angedeuteten Brennebene 108 des Teleskops. Der Spiegel 106 ist um eine Achse drehbar, die wie von den Pfeilen 110 angedeutet senkrecht zur Zeichnungsebene orientiert ist und Licht von einer dritten Linse 112 empfängt. Ein paralleler Eingangslichtstrahl 114 wird von der dritten Linse 112 und über die Reflexion am Spiegel 106 in der Brennebene 108 gebündelt. Das Teleskop 102/104 formt das gebündelte Licht in einen parallelen Ausgangsstrahl 116 um. Die Drehung des Spiegels 106 steuert die Richtung des Ausgangsstrahls 116. Dies ermöglicht die Verwendung eines kleinen, leichten Spiegels zur Steuerung, die vom Spiegel erfahrene Dichte der optischen Leistung ist jedoch vergleichsweise hoch.
Fig. 4 zeigt ein weiteres alternatives Strahlsteuerelement 120, das einen elektrisch programmierbaren räumlichen Lichtmodulator 122 umfaßt. Der Modulator 122 ist von allgemein bekannter Bauart und besitzt die Eigenschaft, daß der optische Zustand jedes Pixels wie etwa 124 auf seiner aktiven Oberfläche 126 durch elektrische Adressierung gesteuert werden kann. Die Oberfläche 126 liegt in der Brennebene 128 einer Linse 132. Die Oberfläche 126 wird schräg mit einem parallelem Licht 134 beleuchtet, wobei der Modulator 122 so gesteuert wird, daß das eine Pixel 124 sich in einem streuenden Zustand befindet, während alle anderen Pixel reflektieren. Folglich empfängt die Linse 132 nur Licht, das vom Pixel 124 gestreut wird, und richtet das gestreute Licht parallel, um einen parallelen Ausgangsstrahl 136 zu erzeugen. Die Richtung des Ausgangsstrahls 136 wird vom Ort des Pixels 124 auf der Oberfläche 126 festgelegt; dementsprechend wird die Richtung des Ausgangsstrahls durch die Anderung der Pixeladresse gesteuert. Im Gegensatz zu weiter oben beschriebenen Elementen erfolgt eine diskontinuierliche Verschiebung der Richtung des Ausgangsstrahls, wenn die Pixeladresse geändert wird. Diese Form der Strahlsteuerung bietet daher im Gegensatz zu einem kontinuierlichen Bereich von Richtungen die Auswahl von Strahlrichtungen aus einem diskreten Satz.
Andere mögliche Formen von Steuereinrichtungen für Strahlen mit niedriger Leistung zur Verwendung als Element 62 umfassen elektrooptische Wellenleiteranordnungen wie in der Europäischen Patentanmeldung Nr. EPA 0130859, in dem Britischen Patent Nr. 1592050 und in der PCT-Anmeldung Nr. PCT/GB88/00928 beschrieben.
In Fig. 5 ist eine alternative Strahlsteuereinrichtung 200 schematisch in Draufsicht dargestellt. Die Einrichtung 200 umfaßt ein Steuerelement für einen Strahl mit niedriger Leistung 202, das einen Eingangssignal-Strahl 204 empfängt. Der Strahl 204 hat niedrige Leistung und ist vertikal polarisiert, d.h. senkrecht zur Zeichnungsebene, wie üblicherweise durch einen Kreis mit einem Punkt in der Mitte dargestellt wird. Er besitzt die Frequenz ν&sub1; - δνA, wobei ν&sub1; eine Pumpstrahlfrequenz und δνA eine Brillouin-Frequenzverschiebung ist. Das Element 202 erzeugt einen gesteuerten Ausgangsstrahl 206, von welchem ein kleiner Prozentsatz von einem Spiegel nit hohem Reflexionsvermögen 208 zu einer Linse 210 durchgelassen wird. Die Linse 210 erzeugt einen Zwischen- Brennpunkt 212, wovon das Licht über ein erstes Polarisationsfilter 214 und ein erstes Viertelwellenlängenplättchen 216 zu einer Brillouin-Verstärkerzelle 218 auseinanderläuft. In der Zelle 218 wird der Lichtstrahl 206 LZ polarisiert. Die Zelle 218 besitzt eine Eingangsblende (nicht gezeigt), die von der Linse 210 auf die Ausgangsblende (nicht gezeigt) des Strahlsteuerelementes 202 abgebildet wird.
Die Verstärkerzelle 218 enthält TiCl&sub4; (Medium A). Sie empfängt einen eingehenden Pumpstrahl 220 über ein zweites Polarisationsfilter 222 und ein zweites Viertelwellenlängenplättchen 224. Der Pumpstrahl besitzt die Frequenz ν&sub1; und ist in einem Eingangsbereich 226 horizontal polarisiert (in der Zeichnungsebene), wie von den Pfeilen 228 angezeigt. Innerhalb der Zelle 218 ist der Pumpstrahl LZ-polarisiert.
Ein Ausgangsstrahl 230 aus der Zelle 218 läuft über das zweite Viertelwellenlängenplättchen 224 und das Polarisationsfilter 222 zu einer Linse 232, die ihn in einer angeregten Brillouin-Streuzelle (ABS) 234 bündelt, die 20% CCl&sub4;/80% CS&sub2; (Medium B) enthält.
Die Strahlsteuereinrichtung 200 arbeitet wie folgt. Der Pumpstrahl 228 wird durch Passieren des zweiten Polarisationsfilters 222 und des Viertelwellenlängenplättchen 224 rechtszirkular (RZ) polarisiert. Er läuft dann durch die Verstärkerzelle 218 zum ersten Viertelwellenlängenplättchen 216, das ihn in einen horizontal polarisierten Strahl umformt. Diese Polarisation erzeugt eine Zurückweisung (Reflexion aus dem optischen System heraus) am ersten Polarisationsfilter 214.
Der gesteuerte Strahl mit niedriger Leistung 206 wird dann durch das erste Polarisationsfilter 214 durchgelassen und vom ersten Viertelwellenlängenplättchen 216 von der vertikalen in eine linkszirkulare (LZ) Polarisation umgeformt. Er wird im Verstärker 218 verstärkt, welcher bei der relevanten Strahlfrequenz ν&sub1; - δνA einen Verstärkungsfaktor von 10&sup9; besitzt. Der Ausgangsstrahl 230, der aus der Verstärkung resultiert, besitzt eine unveränderte Frequenz und Polarisation und wird vom zweiten Viertelwellenlängenplättchen 224 in einen vertikal polarisierten Strahl umgeformt. Diese Polarisation wird vom zweiten Polarisationsfilter 222 zur ABS-Zelle 234 reflektiert. Die Zelle 234 erzeugt einen um δνB auf eine Frequenz ν&sub1; - δνA - δνB rückgestreuten Strahl 236, der eine zum einfallenden Strahl 230 konjugierte Phase besitzt. Der konjugierte zurückgestreute Strahl 236 läuft den Weg des Ausgangsstrahls 230 und des gesteuerten Strahles 206 zurück zum Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen 208. Aufgrund seiner umgekehrten Richtung und im Vergleich zum Strahl 230 geänderten Frequenz läuft er im wesentlichen unbeeinflußt durch den Verstärker 218. Über 90% der Intensität im konjugierten Strahl 236 werden vom Spiegel 208 reflektiert. Dies schafft einen parallel ausgerichteten Ausgangsstrahl bei 238, der wegen der Phasenkonjugation eine hohe optische Qualität besitzt und mittels des Strahlsteuerelementes 202 steuerbar ist. Die Phasenkonjugation schafft zumindest eine teilweise Korrektur für optische Ungenauigkeiten im Weg des gesteuerten und verstärkten Strahls.
In Fig. 6 ist eine modifizierte Version 300 der Einrichtung 10 von Fig. 1 in Draufsicht dargestellt. Teile, die den in Fig. 1 beschriebenen gleich oder ähnlich sind, sind gleich bezeichnet und mit einem Präfix 300 versehen. Nur die Teile der Strahlsteuereinrichtung 300 in der Nähe der VWM-Zelle 340 sind gezeigt, während andere Teile wie in Fig. 1 sind. Wegen ihrer Ähnlichkeit zu Fig. 1 wird die Einrichtung 300 nur kurz beschrieben.
Die Strahlsteuereinrichtung 300 umfaßt ein Strahlsteuerelement 362, das einen Eingangsstrahl 318' aufnimmt und einen gesteuerten Ausgangsstrahl 318" erzeugt. Eine Linse 364 bündelt den Strahl 318" bei 373, nachdem er von einem teilweise durchlässigen Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen 366 durchgelassen wurde. Der Strahl 318" läuft durch ein Polarisationsfilter 336 und ein Viertelwellenlängenplättchen 338, die ihn in einen zirkular polarisierten Strahl umformen. Er läuft dann als LZ-polarisierter Strahl durch eine VWM-Zelle 340. Ein erster Pumpstrahl 316' wird vom Spiegel 366 durch das Polarisationsfilter 336 und das Wellenplättchen 338 abgelenkt und von diesen Elementen in einen linkszirkular polarisierten Strahl umgeformt. Er läuft dann durch die VWM-Zelle 340 und wird von einer Linse 346 in eine Brillouin-Verschiebezelle 348 gebündelt. Hier wird er zurückgestreut, konjugiert und frequenzreduziert, um einen zweiten Pumpstrahl 316" für die FWM-Zelle 340 zu schaffen. Er läuft dann als RZ-polarisierter Strahl durch die Zelle 340 zurück und wird folglich vom Wellenplättchen 338 in einen linearpolarisierten Strahl (nicht gezeigt) umgeformt und vom Polarisationsfilter 336 nicht durchgelassen.
Der gesteuerte Strahl mit niedriger Leistung 318" wird kraft der Linse 364 gestreut, wenn er die VWM-Zelle 340 erreicht. Er wird in der Zelle 340 durch Brillouinverstärkte Vierwellenmischung konjugiert, wobei der resultierende konjugierte Strahl 372 RZ-polarisiert ist. Der konjugierte Strahl 372 wird vom Wellenplättchen 338 in einen linearpolarisierten Strahl umgeformt und vom Polarisationsfilter 336 reflektiert. Da er das Gegenstück des schwachen Strahls 318" ist, dessen Weg er teilweise zurückläuft, konvergiert der konjugierte Strahl 372. Er konvergiert in einem Brennpunkt 375 in der Brennebene einer Linse 377, die ihn in einem Ausgangsbereich 379 in einen parallelen Strahl umformt. Die Richtung des konjugierten Strahls 372 im Bereich 379 wird vom Steuerelement 362 gesteuert, das den Strahl 318" umlenkt. Wie oben erwähnt ist die optische Qualität des Strahls 372 wegen der Phasenkonjugation hoch.
Eine Steuereinrichtung der Erfindung für einen Strahl mit hoher Leistung mit einem begrenzten Steuerwinkelbereich kann in Kombination mit einem mechanischen Spiegel eingesetzt werden, der einen viel größeren Bereich umfaßt. Die Richtungs- oder Positioniergenauigkeit der Kombination wird im Vergleich zu derjenigen des Spiegels allein verbessert. Wenn ein mechanischer Spiegel so angetrieben wird, daß er einen Strahl in einer vorher bestimmten Richtung positioniert, wird er anfänglich einen Positionierfehler haben. Es ist ein charakteristisches Einschwingzeitintervall erforderlich, bevor der Fehler von der Servosteuerung korrigiert wird. Außerdem können die Effekte auf einen gesteuerten Strahl in Form von unerwünschten Spiegel-Positionierfehler-Schwingungen durch eine kompensierende Steuerung gemäß der Erfindung korrigiert werden. Der Positionierfehler des Spiegels kann elektronisch bestimmt werden, wobei dann ein elektronisches Signal zur Steuerung eines Steuerelementes für einen Strahl mit niedriger Leistung 62 in einer Einrichtung 10 der Erfindung abgeleitet werden kann.
Alternativ kann der Positionierfehler eines mechanisch angetriebenen Spiegels optisch bestimmt werden, um anschließend mit Hilfe der Erfindung korrigiert zu werden. Ein korrigiertes Spiegelpositioniersystem 400 dieser Art ist schematisch in Fig. 7 dargestellt. Das System 400 umfaßt eine Steuereinrichtung für einen Strahl mit hoher Leistung 402 der Erfindung. Die Einrichtung 402 ist so beschaffen, daß sie einen gesteuerten Strahl 404 liefert, der auf einen Spiegel 406 fällt, welcher in der Zeichnungsebene drehbar ist, wie von den Pfeilen 408 angezeigt. Nach der Reflexion am Spiegel 406 läuft der Strahl 404 zu einem Ausgangsbereich 410. Ein zweiter Referenzstrahl 412 fällt ebenso auf den Spiegel 406, wobei dieser Strahl von einem Laser 414 ausgegeben und von einer Linse 418 parallel gerichtet wird. Der Referenzstrahl 412 wird vom Spiegel 406 auf eine Photodiodenanordnung 418 reflektiert. Letztere ist mit einem Prozessor 420 verbunden, der wiederum mit der Steuereinrichtung 402 verbunden ist.
Das korrigierte Spiegelpositioniersystem 400 arbeitet wie folgt. Durch die Drehung des Spiegels 406 überstreicht der Referenzstrahl 412 die Photodiodenanordnung 418. Der sofortige Signalausgang der Anordnung 418 zeigt dem Prozessor 420, der ein Steuersignal an die Steuereinrichtung 402 liefert, folglich die Spiegelneigung an. Daraufhin paßt die Steuereinrichtung 402 die Richtung des gesteuerten Strahls 404 an, um einer Ungenauigkeit in der Neigung des Spiegels 406 entgegenzuwirken. Die Ungenauigkeit kann von einem groben Spiegelantrieb oder alternativ von der Schwingung des Spiegels 406 herrühren. Ein vergleichsweise großer Spiegel wird eine niedrige Schwingungsfrequenz besitzen, was Zeit zur Korrektur wie beschrieben läßt. Foglich ist es möglich, die Positionierzeit eines mechanisch angetriebenen Spiegels zu reduzieren, da die Ungenauigkeit bezüglich Positionierung und Schwingung in der Umgebung der erforderlichen Richtung kompensiert sind.
In Fig. 7 fällt der Referenzstrahl 412 auf dieselbe Spiegeloberfläche wie der Strahl mit hoher Leistung 404. Um die Möglichkeit der Beschädigung der Detektoranordnung 48 durch Licht mit hoher Leistung zu vermeiden, kann der Referenzstrahl 412 alternativ von einer vorbereiteten Fläche auf der Rückseite des Spiegels 40 reflektiert werden.

Claims

1. Lichtstrahlsteuereinrichtung zur Erzeugung eines gesteuerten Lichtstrahls in einer veränderlichen Ausgangsrichtung, wobei die Einrichtung eine Ausgabeeinrichtung (50 bis 60) zur Schaffung eines Lichtstrahls mit niedriger Leistung, eine Steuereinrichtung (62), die so beschaffen ist, daß sie den Lichtstrahl mit niedriger Leistung relativ zur Ausgangseinrichtung (50 bis 60) steuert, sowie eine Phasenkonjugationseinrichtung (12 bis 48), die so beschaffen ist, daß sie von der Steuereinrichtung (62) den gesteuerten Strahl mit niedriger Leistung empfängt und einen hierzu phasenkonjugierten Strahl mit hoher Leistung erzeugt, wobei die Phasenkonjugationseinrichtung (12 bis 48) für eine Brillouin-Vierwellenmischung (40) angeordnet ist und die Einrichtung außerdem eine Pumpeinrichtung (12 bis 38, 42 bis 48) enthält, um der Phasenkonjugationseinrichtung (12 bis 48) in entgegengesetzter Richtung sich ausbreitende Laserpumpstrahlen zuzuleiten, die geeignete Frequenzen besitzen, um in Kombination mit dem gesteuerten Strahl mit niedriger Leistung eine Vierwellenmischung zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Steuereinrichtung (62) und der Phasenkonjugationseinrichtung (12 bis 48) eine Ausgangskopplungseinrichtung (66) angeordnet ist, wobei die Steuereinrichtung (62) und die Phasenkonjugationseinrichtung (12 bis 48) kombiniert in der Weise angeordnet sind, daß die Steuerung des Lichtstrahls mit niedriger Leistung die Steuerung des hierzu phasenkonjugierten Strahls mit hoher Leistung bewirkt.

2. Einrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeinrichtung (12 bis 38, 42 bis 48) und die Ausgabeeinrichtung (50 bis 60) so angeordnet sind, daß sie Licht von einer gemeinsamen Laserquelle (12) empfangen.

3. Einrichtung gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpeinrichtung (12 bis 38, 42 bis 48, 50 bis 60) umfaßt

(1) einen Laser (12),

(2) eine erste Brillouin-Streuzelle (26), die so angeordnet ist, daß sie einen Teil des Laserausgangs empfängt und dessen Frequenz um ein Dekrement δνA reduziert, um einen ersten Pumpstrahleingang für die Vierwellennischzelle (40) zu schaffen,

(3) eine zweite Brillouin-Streuzelle (58), die so angeordnet ist, daß sie einen weiteren Teil des Laserausgangs empfängt und dessen Frequenz um ein Dekrement δνB reduziert, um den Laserausgang mit reduzierter Frequenz zur Steuereinrichtung (62) zu übertragen, und

(4) eine dritte Brillouin-Streuzelle (48), die so angeordnet ist, daß sie den ersten Pumpstrahl nach der Übertragung durch die Vierwellenmischzelle (40) empfängt und ihn mit einem weiteren Frequenzdekrement δνB als zweiten Pumpstrahl zurückleitet.

4. Einrichtung gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärker (32) angeordnet ist, um den ersten Pumpstrahl vor der Eingabe in die Vierwellenmischzelle (40) zu verstärken.

5. Einrichtung gemäß einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine der folgenden Einrichtungen umfaßt

(a) eine akustooptische Strahlsteuereinrichtung (80),

(b) ein Teleskop (102, 104), das so angeordnet ist, daß es über einen Drehspiegel (106) Licht von einer Linse (112) empfängt, wobei der Spiegel (106) in der Nähe einer gemeinsamen Brennebene 9108) des Teleskops (102, 104) und der Linse (112) angeordnet ist, und

(c) einen elektrisch adressierbaren, räumlichen Lichtmodulator (120), der eine Oberfläche (126) mit veränderlichem Reflexionsvermögen besitzt, die in einer Brennebene (128) einer Fokussierungseinrichtung (132) angeordnet ist, die so beschaffen ist, daß sie einen parallelen Ausgangsstrahl (136) erzeugt.

6. Einrichtung gemäß einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Polarisationseinrichtung (336, 338) enthält, die so beschaffen ist, daß sie den phasenkonjugierten Strahl aus dem Weg des gesteuerten Strahls ablenkt.

7. Einrichtung gemäß einem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen mechanisch steuerbaren Spiegel (406), der so beschaffen ist, daß er den phasenkonjugierten Strahl reflektiert, sowie eine Einrichtung (414 bis 420) enthält, die die Richtung des phasenkonjugierten Strahls steuert, um der Richtungsungenauigkeit des steuerbaren Spiegels (406) entgegenzuwirken.