DE69633293T2

DE69633293T2 - Für das Auge unschädliche Übertragung gefährlicher Laserstrahlen

Info

Publication number: DE69633293T2
Application number: DE69633293T
Authority: DE
Inventors: Allan Benny GREENE
Original assignee: Electro Optic Systems Pty Ltd
Current assignee: Electro Optic Systems Pty Ltd
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1996-12-06
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2016-12-07
Also published as: DE69633293D1; JP3889444B2; US6130754A; AUPN702795A0; EP0868767B1; WO1997021261A1; AU1026097A; JP2000501245A; EP0868767A4; EP0868767A1; AU730591B2

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft die Übertragung eines gefährlichen elektromagnetischen Strahls und hat eine besondere, jedoch keineswegs ausschließliche Anwendung auf die Übertragung eines gefährlichen Laserstrahls, z. B. eines nicht augenschonenden Laserstrahls.
Technischer Hintergrund
Es ist häufig notwendig oder erwünscht, einen dauerwellen-(CW) oder gepulsten Laserstrahl durch einen Raum zu übertragen, der, obwohl nicht dauerhaft von Menschen belegt, von Menschen verwendet oder durchquert wird. Wenn der Laserstrahl Sicherheitspegel zur Einwirkung auf den Menschen das Auge oder andere Organen überschreitet, dann erzeugt die Übertragung eine ernsthafte Gefährdung für den Raum, was eine Verletzung irgendeiner Person hervorrufen könnte, die unbeabsichtigt den Strahlenweg kreuzt. Ähnliche Überlegungen gelten auch für andere Objekte, z. B. Tiere, für die der Strahl gefährlich sein könnte.
Ein Ansatz für dieses Problem war es in der Vergangenheit, die Gefahr an der Quelle zu vermeiden, d. h. die Anwendung von augenschonenden Lasern für die jeweilige Anwendung. Dies wurde erreicht, indem die Energie/Leistungsausgabe auf sicherem Niveau gehalten wurde, oder durch die Verwendung von augenschonenden Wellenlängen, z. B. 1,5 bis 1,6 μm. Wo dieser Ansatz nicht zufrieden stellend war, ist es bekannt geworden, so genannte gemeinsam ausgerichtete Radarsysteme anzuwenden, welche Menschen und andere Objekte in dem Strahlenweg erkennen und bei der Erkennung die Übertragung aussetzen.
Das US-Patent Nr. 4,187,506 beschreibt ein System, in dem die Charakteristiken eines Mikrowellen-Leistungsübertragungsstrahls entsprechend Leistungsverteilungsprofilen gesteuert werden, die aufgrund des Vorhandenseins oder Eintritts eines Objekts in den Strahl verändert werden. Das System umfasst ein Mikrowellen-Leistungsstrahlerfeld und ein Mikrowellen-Leistungsstrahl-Empfangsantennenfeld. Das US-Patent Nr. 5,323,269 beschreibt ein System und ein Verfahren zum Übertragen und Überwachen von Laserlicht, einschließlich einem Laser zum Abgeben eines ersten Strahls mit einer gegebenen Wellenlänge in einen Übertragungsweg. Ein zweiter Strahl wird mit einer Wellenlänge erzeugt, die sich von der gegebenen Wellenlänge unterscheidet. Der zweite Strahl wird in den Übertragungsweg des ersten Strahls eingekoppelt, und die ersten und zweiten Strahlen werden in einer Fortpflanzungsrichtung überlagert. Ein Detektor ist für den reflektierten zweiten Strahl vorgesehen. Ein Unterbrecher ist mit dem Detektor betriebsmäßig verbunden, um den ersten Strahl zu unterbrechen.
Offenbarung der Erfindung
In vielen Umständen ist es nicht möglich, diese Techniken anzuwenden, und es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine alternative Technik für die sichere Übertragung gefährlicher elektromagnetischer Strahlen bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Konzept, einen Umhüllungs- oder Barrierestrahl mit nicht gefährlicher Strahlung bereitzustellen, der zum Erkennen von Objekten angewendet wird, bevor sie zu dem gefährlichen Strahl eindringen können. In einer bevorzugten Anordnung umgibt der nicht gefährliche Strahl den gefährlichen Strahl vollständig und umhüllt diesen, der dann zu einem geschützten Kern innerhalb oder in der Mitte der Umhüllungsstrahlung wird.
Dementsprechend gibt die Erfindung, in einem ersten Aspekt, eine Vorrichtung zum Übertragen eines gefährlichen Laserstrahls an, wie im Anspruch 1 beansprucht.
In einem weiteren Aspekt gibt die Erfindung ein Verfahren der Übertragung eines gefährlichen Laserstrahls an, wie in Anspruch 11 beansprucht.
In einer Ausführung enthält der Weg des nicht gefährlichen Strahls ein Segment, das im Querschnitt dem Weg des gefährlichen Strahls benachbart ist. In einer besonders bevorzugten Ausführung umgibt das Segment den Weg des gefährlichen Strahls vollständig und umhüllt ihn hierdurch. In dieser Anordnung wird der Weg des gefährlichen Strahls im Effekt ein Kern, der koaxial zum Weg des nicht gefährlichen Strahls ist oder in diesem liegt.
In einer anderen Ausführung sind die Wege des gefährlichen und des nicht gefährlichen Strahls zumindest teilweise coincident, wobei aber der gefährliche Strahl gepulst ist, so dass die erfasste Störung des nicht gefährlichen Strahls in dem Weg des gefährlichen Strahls, aber zwischen den Pulsen, erfolgen kann.
Das Mittel zum Erzeugen der gefährlichen und nicht gefährlichen Strahlen kann separate Laseremissionsquellen aufweisen. Alternativ kann eine Laserquelle vorgesehen sein, die z. B. den gefährlichen Strahl emittiert, sowie ein Mittel, wie etwa eine parametrische Umwandlungsvorrichtung zum Empfangen eines Teils dieser Übertragung und zum Antworten durch Emittieren des nicht gefährlichen Strahls, z. B. ein Laserstrahl mit einer Wellenlänge im Bereich von 1,5 bis 1,8 μ, bevorzugt im Bereich von 1,5 bis 1,6 μ, z. B. 1,54 μ.
Es versteht sich, dass der nicht gefährliche Strahl Parameter haben würde, z. B.: eine Wiederholrate oder eine Pulsfrequenz und/oder einen Querschnitt, der für eine bestimmte Anwendung ausgewählt ist, sind Anpassung an die erwartete Zeit für ein Objekt, z. B. eine Person oder ein Tier, um den Weg des nicht gefährlichen Strahls zu durchqueren, bevor sie bzw. es durch den gefährlichen Strahl getroffen wird, während die erfassbare vorbestimmte Störung an dem nicht gefährlichen Strahl hervorgerufen wird.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nur als Beispiel weiter im Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin:
1 ist ein Diagramm eines bevorzugten Querschnitts einer Strahlkonfiguration, worin ein augenschonender Strahl vollständig einen Kern verdeckt, der einen gefährlichen Strahl aufweist; und
2 ist ein einfaches Blockdiagramm einer Laserübertragungsvorrichtung gemäß einer Ausführung der Erfindung.
Beste Art zur Ausführung der Erfindung
1 zeigt eine einfache aber bevorzugte Strahlenkonfiguration, die durch die Vorrichtung gemäß einer Ausführung der Erfindung erzeugt wird. Ein elektromagnetischer Kompositstrahl 5 enthält einen Laserstrahl 10 relativ kleineren Querschnitts, der, insoweit gefährlich ist, dass er im Hinblick auf die Wellenlänge und Leistung nicht augenschonend ist, wobei er zu einem wesentlich breiteren Laserstrahl 12 mit einer augenschonenden Laserstrahlung, z. B. von 1,54 μ koaxial ausgerichtet ist. Der augenschonende Strahl ist somit entlang einem Weg ausgerichtet, der ein Segment mit ringförmigem Querschnitt enthält, der den nicht augenschonenden Strahl 10 an seinem Kern vollständig überdeckt. Der Weg des augenschonenden Strahls 12, der als Umhüllungsstrahl bezeichnet werden könnte, kann entweder koaxial zu dem nicht augenschonenden Strahl sein, so dass der letztere mit einem Kernabschnitt des ersteren coincident zusammenfällt, oder kann sich an einem im Wesentlichen gesonderten Ort befinden, oder zwischen diesen Bedingungen: d. h. mit einer gewissen Überlappung.
2 zeigt eine optische Anordnung zum Erzeugen des Kompositstrahls von 1. Die jeweiligen Laserquellen 20, 22 erzeugen nicht augenschonende und augenschonende Strahlen 21, 23. Die erste kann z. B. ein Nd:YAG-Laser sein, der bei 1,06 μm emittiert und der letztere ein Erbium dotierter Glaslaser, der eine gepulste Ausgabe bei 1,54 μm emittiert. Diese Strahlen sind zur Bildung eines Kompositstrahls 5 der in 1 gezeigten Konfiguration mittels eines einfachen Reflektionsspiegels 24 für den Strahl 21 und eines dichroitischen Spiegels 26 zum Durchlassen des Strahls 21 und Reflektieren des Strahls 23, zusammengeführt.
Die Erfassung einer Störung des Umhüllungsstrahls 12 erfolgt in diesem Fall durch den Rücklauf eines reflektierten oder gestreuten Signals über den Spiegel 26 und einen Sende-/Empfangsrichtungsschalter 27 zu einem geeigneten optischen Detektor 28. Bei einem gegebenen oder vorbestimmten Pegel der erfassten Störung reagiert der Detektor 28 durch Ausgabe eines elektrischen Triggerimpulses auf der Leitung 29. Ein gemeinsames elektrisches Feuersignal für die Laser auf der Leitung 30 wird für den nicht augenschonenden Strahl 20 in eine erste Komponente auf Leitung 35, die um eine 200 μs Verzögerung 32 verzögert ist, und eine zweite Komponente, die über den Flipflop 38 auf der Leitung 36 läuft, aufgeteilt. Die zwei Komponenten werden in einem UND-Gatter 34 zusammengeführt, und der nicht augenschonende Laser 20 wird ausgesetzt, wenn ein Triggerimpuls an der Detektorausgangsleitung 29 das Flipflop 38 rücksetzt und hierdurch das UND-Gatter 34 in einen Nichtfeuerzustand versetzt.
Es versteht sich, dass die Konfiguration von 2 eine einendige Überwachung zur Folge hat. Das Prinzip der Erfindung erstreckt sich natürlich auf zweiendige optische Strecken, wo der Umhüllungsstrahl am Empfangsende der Strecke überwacht wird. In diesem Fall können umhüllende CW-Strahlen verwendet werden.

Nun werden eine Anzahl von Anwendungsbeispielen der Erfindung auf bestimmte Situationen und der entsprechenden Auswahl der Parameter des Umhüllungsstrahls umrissen. Diese Beispiele verwenden eine optische Anordnung ähnlich 2 und eine Strahlenkonfiguration der in 1 gezeigten Form. Die Bestimmungen der Parameter beruhen auf herkömmlich Lidar-Gleichungen für eine Umhüllungslaserwellenlänge von 1,54 μm. Es wird natürlich angenommen, dass ein beliebiger augenschonender gepulster Laser ausreicht, einschließlich Laser in dem breiten augenschonenden Wellenlängenbereich 1,5 bis 1,8 μm, oder energieschwacher Laserpulst außerhalb dieses Wellenlängenbands. BEISPIEL 1 Büro- oder Fabrikflächen mit CW-Laserübertragung

(a) Geschwindigkeit eines Menschen =	10 m/s (max)
(b) radiale Umhüllungsdicke =	0,1 m (Parameter 40 in Fig. 1)
(c) erforderliche Wiederholrate =	100 Hz (aus a ÷ b)
(d) Streckenlänge =	200 m
(e) Energie des Umhüllungspulses =	1 mJ (aus Lidar-Gleichung)

Somit könnte ein nicht augenschonender Strahl durch ein 100 Hz/1 mJ Umhüllungssystem augenschonend gemacht werden. Dieses System wird 100 mm große Ziele bis zu 200 m mit einer 99,999%-igen Wahrscheinlichkeit erkennen, ob 10^–5-Fehlerwahrscheinlichkeit (PF). Die Erfassung einer Störung des nicht gefährlichen Strahls wird dazu benutzt, den Kernlaser sicher auszuschalten, bevor sein Strahl von dem erfassten Objekt durchdrungen wird, d. h. bevor das Objekt die 0,1 m seitliche Dicke des Umhüllungsstrahls seitlich quert.

Für eine Geschwindigkeit eines Menschen von 5 m/s (normales Rennen) beträgt die Fehlerwahrscheinlichkeit (PF) 10^–10, wobei zwei aufeinander folgende Pulse nicht in der Lage sein dürfen, den Menschen zu erfassen. Wenn der Umhüllungsstrahl auf 500 Hz angehoben wird, fällt die PF auf 10^–25 für ein 10 m/s „Ziel". BEISPIEL 2 – Luftraum mit CW-Laserübertragung

(a) Luftfahrzeuggeschwindigkeit =	250 m/s (Strahlflugzeug)
(b) radiale Umhüllungsdicke =	0,25 m
(c) erforderliche Wiederholrate =	1 KHz
(d) Streckenlänge =	30 km (schräger Weg durch die Atmosphäre)
(e) Energie des Umhüllungspulses =	50 mJ (Lidar-Gleichung).

Dieses System gibt nur PF = 10% bei 30 km auf der Basis des ersten Schusses. Hier kann kein bekanntes Flugzeug, das in 10 km fliegt, beim ersten Strahlkontakt das Auge eines Menschen erreichen lassen. Wenigstens 1 m Flugzeug ist in den Strahl eingetreten, bevor das Erreichen eines Menschen möglich ist.
Die PF oberhalb von vier Schüssen (1 m Eindringen) beträgt 10^–6 (wenn das Flugzeug in den Umhüllungsstrahl eintritt, fällt die PF mit jedem Schuss ab), was bei Kopplung mit der geringen Trefferwahrscheinlichkeit (d. h. dem das Flugzeug schneidenen Strahl) vernünftige Sicherheitsgrenzen ergibt.
BEISPIEL 3: Gepulster Laser
Gepulste Laser sind viel einfacher und leichter zu schützen. Die Umhüllungsanforderung wird einfach eine des Feuerns des Umhüllungspulses vor dem Kernpuls, so dass kein betreffendes Objekt (normalerweise ein Mensch oder ein Menschen beförderndes Fahrzeug) in den Kernstrahl eindringen kann, ohne durch den Umhüllungspuls erfasst zu werden.

In diesem Fall ist es nicht einmal notwendig, die zwei Strahlen räumlich zu trennen, außer dass es bevorzugt ist, den Umhüllungsstrahldurchmesser größer zu machen als den Kernstrahldurchmesser.

(a) Luftfahrzeuggeschwindigkeit =	250 m/s
(b) Kernlaserfrequenz =	100 Hz
(c) Umhüllungslaserfrequenz =	100 Hz (genauso wie b)
(d) Streckenlänge =	30 km
(e) Laserzeitdifferenz =	200 μs (2-Wege-Bereich)
(f) erforderliche Umhüllungsdicke =	5 cm (a × e)
(g) Energie des Umhüllungspulses =	50 mJ

Die PF dieses Abtastsystems beträgt 10% (10^–1) pro Schuss bei 30 km.
Wenn die Umhüllungsdicke auf 20 cm und die Energie auf 100 mJ erhöht wird, fällt die PF auf 3,6 × 10^–7 im maximalen Bereich.
In dieser gesamten Beschreibung, so lange nicht der Kontext anderes erfordert, versteht sich das Wort „umfassend" oder Varianten wie etwa „umfasst", oder „umfassend" so, um den Einschluss einer genannten ganzen Zahl oder einer Gruppe von ganzen Zahlen zu implizieren, jedoch nicht den Ausschluss irgendeiner beliebigen anderen ganzen Zahl oder einer Gruppe von ganzen Zahlen.
Die beschriebene Anordnung ist lediglich zur Erläuterung angegeben worden, und es können daran viele Modifikationen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert ist.

Claims

Vorrichtung zum Übertragen eines gefährlichen Laserstrahls (10), umfassend: Mittel (20, 22) zum Erzeugen eines gefährlichen Laserstrahls (10) und eines nicht gefährlichen Strahls (12), und Mittel (24, 26) zum Ausrichten jedes der Strahlen entlang jeweiliger Wege, die im Wesentlichen parallel und zumindest teilweise co-incident oder eng benachbart sind, so dass ein Objekt den Weg des nicht gefährlichen Strahls (12) quert, unmittelbar bevor es durch den gefährlichen Strahl (10) getroffen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der nicht gefährliche Strahl (12) ein augenschonender Laserstrahl (12) ist und Mittel (26, 27, 28, 29, 38) zum Erfassen einer Reflektion des augenschonenden Strahls (12) durch ein Objekt und Verhindern der Übertragung des gefährlichen Strahls in Antwort auf eine vorbestimmte Reflektion des augenschonenden Strahls (12).
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der gefährliche Strahl (12) ein gepulster Laserstrahl (21) ist und der nicht gefährliche Strahl (12) ein augenschonender gepulster Laserstrahl (23) ist, wobei die jeweiligen Pulse des gefährlichen Strahls (10) in Bezug auf den augenschonenden Strahl (12) verzögert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, worin der Weg des augenschonenden Strahls (12) ein Segment (40) enthält, das im Querschnitt dem Weg des gefährlichen Strahls (10) benachbart ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das Segment (40) den Weg des gefährlichen Strahls (10) zumindest teilweise umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 3, worin das Segment (40) den Weg des gefährlichen Strahls (10) vollständig umgibt und hierdurch umhüllt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der gefährliche Strahl (10) ein gepulster Laserstrahl (21) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 6, worin die Reflektion des augenschonenden Strahls (12) zwischen den Pulsen und in dem Weg des gefährlichen Strahls (10) erfasst wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, worin der augenschonende Strahl (12) ein gepulster Laserstrahl (23) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin der gefährliche Strahl (10) und der augenschonende Strahl (12) durch separate Laseremissionsquellen (20, 22) erzeugt werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, worin der gefährliche Strahl (10) und der augenschonende Strahl (12) durch dieselbe Laseremissionsquelle erzeugt werden und der augenschonende Strahl (12) aus einem Teil des gefährlichen Strahls (10) erzeugt wird.
Verfahren der Übertragung eines gefährlichen Strahls (10), umfassend: Erzeugen eines gefährlichen Laserstrahls (10) und eines nicht gefährlichen Laserstrahls (12), und Ausrichten der Strahlen entlang jeweiliger vorbestimmter Wege, die im Wesentlichen parallel und zumindest teilweise co-incident oder eng benachbart sind, so dass ein Objekt den Weg des nicht gefährlichen Strahls (12) quert, unmittelbar bevor es durch den gefährlichen Strahl (10) getroffen wird, dadurch gekennzeichnet dass der nicht gefährliche Strahl (12) ein augenschonender Laserstrahl (12) ist und Erfassen der Reflektion des augenschonenden Strahls (12) durch ein Objekt, und, in Antwort auf eine vorbestimmte Störung des augenschonenden Strahls (12), Verhindern der Übertragung des gefährlichen Strahls (10).
Verfahren nach Anspruch 11, worin der gefährliche Strahl (10) ein gepulster Laserstrahl (21) ist und der nicht gefährliche Strahl (12) ein augenschonender gepulster Laserstrahl ist, wobei die jeweiligen Pulse des gefährlichen Strahls (10) in Bezug auf den augenschonenden Strahl (12) verzögert werden.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, worin der Weg des augenschonenden Strahls (12) ein Segment (40) enthält, das im Querschnitt dem Weg des gefährlichen Strahls (10) benachbart ist.
Verfahren nach Anspruch 13, worin das Segment (40) den Weg des gefährlichen Strahls (10) zumindest teilweise umgibt.
Verfahren nach Anspruch 13, worin das Segment (40) den Weg des gefährlichen Strahls (10) vollständig umgibt und hierdurch umhüllt.
Verfahren nach Anspruch 11, worin der gefährliche Strahl (10) ein gepulster Laserstrahl (21) ist.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 16, worin die Reflektion des augenschonenden Strahls (12) zwischen den Pulsen und in dem Weg des gefährlichen Strahls (10) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 11, worin der augenschonende Strahl (12) ein gepulster Laserstrahl (23) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, worin der gefährliche Strahl (10) und der augenschonende Strahl (12) durch separate Laseremissionsquellen (20, 22) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, worin der gefährliche Strahl (10) und der augenschonende Strahl (12) durch die Laseremissionsquelle erzeugt werden und der augenschonende Strahl (12) aus einem Teil des gefährlichen Strahls (10) erzeugt wird.