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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Lasersystem hoher Durchschnittsleistung
und insbesondere ein modulares Lasersystem hoher Durchnittsleistung,
das eine abgestufte Anordnung von parallelen Leistungsverstärkern, die
mit einem gemeinsamen Hauptoszillator zum Herstellen von zusammengesetzten
Strahlen unterschiedlicher Leistungspegel verbunden sind, und eine
anpassungsfähige
Optik umfasst, die räumliche
Lichtmodulatoren zum Kodieren der Wellenfront des Laserstrahls mit
einer konjugierten Phase einschließen, um atmosphärische Abweichungen
auszugleichen.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Laserwaffensysteme
hoher Leistung sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Ein
Beispiel solch eines Lasersystems hoher Leistung ist im US-Patent
Nr. 5,198,607 offenbart, das demselben Inhaber wie dem Inhaber der
vorliegenden Erfindung übertragen
und hiermit durch Verweis eingeschlossen ist. Solche Laserwaffensystem
umfassen normalerweise ein Nachführungssystem
zum Einstellen des Lasers hoher Leistung auf ein Ziel, wie z. B.
eine ballistische Rakete, einen Marschflugkörper, einen Bomber oder Ähnliches.
Solche Laserwaffen werden benutzt, um solche Ziele zu zerstören oder "auszulöschen". Die Effektivität eines
solchen Laserwaffensystems hängt
von vielen Faktoren einschließlich
der Leistung des Lasers beim Ziel ab. Viele Faktoren sind bekannt,
welche die Leistung des Lasers beim Ziel beeinflussen. Ein solcher
Faktor ist bekannt als thermisches Ausblühen (thermal blooming), wie
ausführlich
im US-Patent Nr. 5,198,607 diskutiert. Um thermisches Ausblühen auszugleichen,
ist es bekannt, mehrere Laser hoher Leistung zum Auslöschen eines
einzelnen Ziels zu benutzen, wie z. B. in der US-Patentanmeldung
08/729,108 offenbart, welche am 11. Oktober 1996 für einen
LASER ALONG BODY TRACKER (SABOT) von Peter M. Livingston eingereicht
worden ist, das demselben Inhaber wie dem Inhaber der vorliegenden
Erfindung übertragen ist.
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Andere
Faktoren sind bekannt, die den Leistungspegel des Lasers beim Ziel
beeinflussen, einschließlich
atmosphärischer
Abweichungen, die eine Verzerrung der Wellenfront des Laserstrahls
hoher Leistung verursachen. Um die Wellenfront des Laserstrahls
z. B. aufgrund atmosphärischer
Abweichungen zu korrigieren, sind verschiedene anpassungsfähige Optiksysteme
entwickelt worden. Beispiele solcher Systeme sind in den US-Patenten
Nr. 4,005,935; 4,145,671; 4,233,571; 4,399,356; 4,500,855; 4,673,257;
4,725,138; 4,734,911; 4,737,621; 4,794,344; 4,812,639; 4,854,677; 4,921,335;
4,996,412; 5,164,578; 5,349,432; 5,396,364; 5,535,049 und 5,629,765
offenbart, die hiermit alle durch Verweis eingeschlossen sind.
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Verschiedene
Kompensationstechniken für Laserwellenfronten
sind angewandt worden. Zum Beispiel benutzen die US-Patente Nr.
4,005,935; 4,794,344 und 5,535,049 Brilloin-Streuungstechniken, um eine Phasenkonjugierte
der Laserwellenfront zu erzeugen, um Verzerrungen auszugleichen. Andere
Techniken umfassen die Verwendung von räumlichen Lichtmodulatoren,
die den Laserstrahl in eine Vielzahl von Unter-Aperturen unterteilen,
die ihrerseits auf eine Anordnung von Detektoren zum Nachweis der
Phasenfrontverzerrung gerichtet sind, die ihrerseits benutzt wird,
um die Phasenfronten als eine Funktion der Verzerrung auszugleichen.
Beispiele von Systemen, die räumliche
Lichtmodulatoren verwenden, sind in den US-Patenten Nr. 4,399,356;
4,854,677; 4,725,138; 4,737,621 und 5,164,578 offenbart, die hiermit
alle durch Verweis eingeschlossen sind.
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Es
gibt mehrerer Nachteile der oben genannten Systeme. Ein Nachteil
betrifft die Tatsache, dass solche Lasersysteme eine festgelegte
Bauweise für einen
gegebenen Laserausgangsleistungspegel haben. An sich sind solche
Lasersysteme im Allgemeinen nicht skalierbar. Leider benötigen verschiedene Anwendungen
unterschiedliche Leistungspegel. Zum Beispiel benötigen Laserwaffenanwendungen
in Abhängigkeit
vom Typ und der Entfernung des beabsichtigten Ziels verschiedene
Ausgangsleistungspegel. In solchen Laserwaffenanwendungen werden separate
Lasersysteme für
jede Anwendung benötigt,
was die Kosten des Laserwaffensystems sowie die Zahl an für die Instandhaltung
benötigten
Ersatzteilen erhöht.
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Ein
weiterer Nachteil solcher bekannten Lasersysteme mit Phasenfrontkompensation
ist, dass solche Systeme auf das Leistungspegelvermögen der
verschiedenen, das System bildenden Komponenten beschränkt sind.
Zum Beispiel sind solche Laserwaffensysteme bekannt, die Laser benutzen,
normalerweise chemische Laser hoher Durchschnittsleistung, die Leistungspegel
von einigen wenigen Kilowatt haben. Aufgrund solcher hohen Leistungsanforderungen
waren räumliche
Lichtmodulatoren zuvor für
solche Anwendungen ungeeignet. Alternative Techniken sind entwickelt
worden, die Wellenfrontkompensation solcher Laser hoher Durchschnittsleistung
bereitstellen. Zum Beispiel betrifft das US-Patent Nr. 4,321,550
ein Lasersystem hoher Durchschnittsleistung mit phasenkonjugierter
Korrektur. In diesem System beruht die Phasenfrontkorrektur auf Brilloin-Streuung.
Das US-Patent Nr. 3,857,356 offenbart ein anderes System, das ein
Beugungsgitter benutzt, um einen verringerten Leistungspegel mit
einem Teststrahl bereitzustellen. Das im '636 Patent offenbarte System umfasst
auch ein Interferometer mit einer Phasenverschiebungsvorrichtung,
die in einem Streckenabschnitt angeordnet ist, um Phasenfrontkompensationen
von Lasersystemen hoher Durchschnittsleistung bereitzustellen.
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Obwohl
solche Systeme geeignet sind, eine Phasenfrontkompensation von Lasersystemen
hoher Durchschnittsleistung bereitzustellen, sind solche Systeme
relativ sperrig und ineffizient. In vielen Anwendungen besteht der
Wunsch, Laserwaffen zu verwenden, die effizienter und kompakter
sind, insbesondere für
Laserwaffensysteme.
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US-5,694,408
offenbart ein Leistungslasersystem mit einem skalierbaren Ausgangsleistungspegel.
In einem Ausführungsbeispiel
wird ein Lasersystem niedriger Leistung bereitgestellt, das eine
Signalquelle geringer Leistung, die ein primäres Lasersignal erzeugt, ein
Verteilermodul, welches das primäre
Lasersignal empfängt
und sekundäre
Lasersignale erzeugt, Leistungsverstärkungsmittel einschließlich Leistungsverstärkermodulen,
die jeweils ein sekundäres
Lasersignal empfangen und ein verstärktes Ausgangslasersignal erzeugen,
und einen Strahlkombinator umfasst, der die Ausgangslasersignale
von den Leistungsverstärkermodulen
empfängt und
ein zusammengesetztes Ausgangslasersignal erzeugt. In dem Ausführungsbeispiel
eines Lasersystems niedriger Leistung umfasst das Verteilermodul Strahlteiler
zum Erzeugen der sekundären
Lasersignale aus dem primären
Lasersignal. Diese sekundären
Lasersignale werden von den Leistungsverstärkermodulen empfangen. Hier
kann jedes Leistungsverstärkermodul
eine anpassungsfähige
Optik als Phasenmodulator zum Ausgleichen von Phasenperturbationseffekten
aufgrund der Atmosphäre
aufweisen. Dieses Ausführungsbeispiel
stellt kein skalierbares Laserausgangssignal hoher Leistung bereit.
In einem anderen Ausführungsbeispiel
wird ein Lasersystem hoher Leistung bereitgestellt, das eine Lasersignalquelle
hoher Leistung umfasst, die ein primäres Lasersignal erzeugt, ein
Verteilernetzwerk, welches das primäre Lasersignal empfängt und
sekundäre Lasersignale
erzeugt, Leistungsverstärkermittel
umfassend Leistungsverstärkermodule,
die jeweils ein sekundäres
Lasersignal empfangen und verstärkte Laserausgangssignale
erzeugen, und einen Strahlenkombinator, der die verstärkten Laserausgangssignale
von den Leistungsverstärkermodulen
empfängt
und ein skalierbares Laserausgangssignal erzeugt. In dem Ausführungsbeispiel
des Lasersystems hoher Leistung umfasst das Verteilermodul einen
optischen Verstärker,
der das primäre
Lasersignal empfängt.
Der optische Verstärker
verstärkt
das primäre
Lasersignal, um ein verstärktes
primäres
Lasersignal zu erzeugen, das einer Strahlteileranordnung bereitgestellt
wird. Zwischen der Strahlteileranordnung und Verstärkereinheiten,
die in jedem Leistungsverstärkermodul
enthalten sind, wird ein Phasenmodulator stromabwärts vom
optischen Verstärker
in jedem sekundären
Lasersignalfortpflanzungsweg angeordnet.
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ZIEL DER ERFINDUNG
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Wellenfrontkompensationssystem
zum Kompensieren von Phasenverzerrungen eines Lasersystems mit einem
relativ hohen Durch schnittsleistungspegel bereitzustellen, mit Phasenfrontkompensation,
die relativ kompakt und effizient ist und einen skalierbaren Ausgangsleistungspegel
bereitstellt, um die Bauweise von Lasersystemen zu erlauben, die
in verschiedenen Laseranwendungen mit verschiedenen Leistungspegeln
zu benutzen sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Das
oben genannte Ziel wird von dem skalierbaren Lasersystem hoher Leistung
gemäß Anspruch
1 und seinen in den abhängigen
Ansprüchen definierten
bevorzugten Ausführungsbeispielen
gelöst.
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BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Ziele der vorliegenden Erfindung werden in Bezug auf
die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen leicht verstanden
werden, wobei:
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1 ein
verallgemeinertes Blockdiagramm eines Lasersystems in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung mit einem skalierbaren Leistungsausgang
ist.
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2 ein
Blockdiagramm eines Teils des in 1 dargestellten
Systems ist, aber mit der stromabwärts der Leistungsverstärker angeordneten
anpassungsfähigen
Optik.
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3 ähnlich zu 2,
aber mit der anpassungsfähigen
Optik gezeigt ist, die stromaufwärts
der Leistungsverstärker
angeordnet ist.
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4 ein
Blockdiagramm eines Lasersystems mit einem skalierbaren Ausgangsleistungspegel
ist, das Phasenfrontkompensation für die von den Leistungsverstärkern verursachten
Verzerrungen sowie die atmosphärischen
Störungen
in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung umfasst.
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5 ein
Blockdiagramm eines beispielhaften Wellenfrontsensors in Übereinsstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Lasersystem relativ hoher Durchschnittsleistung
mit Wellenfrontkompensation. Das System in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung ist für
die Verwendung in Anwendungen mit relativ hoher Durchschnittsleistung
geeignet, was das System für
die Verwendung in Laserwaffensystemen geeignet macht. Ein wichtiger
Aspekt der Erfindung ist, dass das System mit einer skalierbaren
Bauweise gebildet ist, die eine Vielzahl von parallelen Leistungsverstärkern umfasst,
die erlauben, den Ausgangsleistungspegel für Anwendungen mit verschiedenen
Ausgangspegeln zu nutzen. Wie oben erwähnt, benötigen verschiedene Laseranwendungen
wie z. B. Laserwaffenanwendungen in Abhängigkeit vom Typ sowie der
Entfernung der beabsichtigten Ziele verschiedene Ausgangsleistungspegel.
Die skalierbare Bauweise des Lasersystems in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung ist insbesondere geeignet für Laserwaffensysteme und ist
auch kompatibel mit der Leistungspegelfähigkeit bekannter räumlicher
Lichtmodulatoren zur Kompensation von Wellenfrontverzerrungen des
Laserstrahls, die von atmosphärischen
Abweichungen herrühren.
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Das
modulare Lasersystem mit einem skalierbaren Ausgangsleistungspegel
mit Wellenfrontkompensation ist in den 1 und 4 dargestellt und
allgemein mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet. Wie oben
erwähnt,
betrifft ein wichtiger Aspekt der Erfindung die Tatsache, dass das
modulare Lasersystem 20 dazu geeignet ist, Wellenfrontkompensation
eines Lasersystems relativ hoher Durchschnittsleistung bereitzustellen,
das zur Verwendung in Laserwaffensystemen hoher Energie geeignet
ist. Bezugnehmend auf 1 umfasst das modulare Lasersystem 20 eine
Vielzahl von modularen Verstärkerarmen 22, 24 und 26,
die mit einem gemeinsamen Hauptoszillator 28 verbunden
sind und so ein skalierbares Festkörperlasersystem hoher Durchschnittsleistung
mit Wellenfrontkompensation in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung bilden. Das modulare Lasersystem 20 gestattet
es dem Ausgangsleistungspegel, skaliert zu werden und dabei, wie
es weiter unten ausführlicher
diskutiert werden wird, anpassungsfähige Optikvorrichtungen auszunutzen,
die relativ beschränkte
Leistungspegelfähigkeiten
haben. Insbesondere schließt
jeder modulare Verstärkerarm 22, 24 und 26 eine
anpassungsfähige Optikvorrichtung 28, 30, 32,
einen Vorverstärker 34, 36 und 38 sowie
einen Leistungsverstärker 40, 42 und 44 ein,
die alle seriell gekoppelt sind. Der Leistungsausgang des modularen
Lasersystems wird von der Zahl von parallelen modularen Verstärkerarmen 22, 24 und 26 skaliert,
die mit dem Hauptoszillator 28 verbunden sind. Obwohl drei
modulare Verstärkerarme 22, 24 und 26 in
den 1 und 4 gezeigt sind, können zusätzliche
modulare Verstärkerarme
hinzugefügt
werden, die von der Leistungsfähigkeit
des Hauptoszillators 28 beschränkt sind.
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Wie
in den 2 und 3 veranschaulicht, erlaubt die
Aufstellung der anpassungsfähigen
Optikvorrichtung 28, 30 und 32 in den
modularen Verstärkerarmen 22, 24 und 26 dem
System, bekannte anpassungsfähige
Optikvorrichtungen auszunutzen, was räumliche Lichtmodulatoren einschließt, deren Leistungsfähigkeit
auf einige wenige Kilowatt beschränkt ist. Die 2 und 3 veranschaulichen die
Unterschiede in der Anordnung der anpassungsfähigen Optikmodule 28, 30 und 32 stromabwärts und
stromaufwärts
der Leistungsverstärker 22, 24 und 26.
Beide in den 2 und 3 dargestellten Systeme
stellen Wellenfrontkompensation zur Verfügung. Insbesondere, zuerst
Bezug nehmend auf 2, wird die Ausgangswellenfront 48 als
Antwort auf eine flache Eingangswellenfront 46 von den
Verstärkermodulen 40, 42 und 44 verzerrt.
Die verzerrte Ausgangswellenfront 48 von den Verstärkermodulen 40, 42 und 44 wird
von den anpassungsfähigen 40, 42 und 44 wird
von den anpassungsfähigen
Optikvorrichtungen 28, 30 und 32 korrigiert,
um eine relativ flache Ausgangswellenfront 49 bereitzustellen.
Jedoch führt
die Anordnung der anpassungsfähigen Optikvorrichtungen 28, 30 und 32 stromabwärts der Leistungsverstärker 40, 42 und 44 wie
in 2 gezeigt zur vollen Leistungsladung der anpassungsfähigen Optiken 28, 30 und 32.
Leider werden mit einer Topologie wie in 2 veranschaulicht
die Leistungsfähigkeiten
von verschiedenen anpassungsfähigen
Optikvorrichtungen einschließlich
räumlicher Lichtmodulatoren
für Lasersysteme
relativ hoher Durchschnittsleistung überschritten. Zum Beispiel würde für ein System 20 wie
in 1 veranschaulicht mit einem 12-Kilowatt-Ausgang
jeder modulare Verstärkerarm 22, 24 und 26 vier
Kilowatt ausgesetzt, was die Leistungsfähigkeit von vielen bekannten räumlichen
Lichtmodulatoren überschreitet.
Wie oben diskutiert, ist die Leistungsfähigkeit bekannter räumlicher
Lichtmodulatoren nur einige wenige Kilowatt. Daher wäre die in 2 dargestellte
Topologie für
räumliche
Lichtmodulatoren ungeeignet.
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Die
in 3 dargestellte Topologie erlaubt dem modularen
Lasersystem 20, bekannte räumliche Lichtmodulatoren für die Wellenfrontkompensation auszunutzen.
Insbesondere sind in dem in 3 dargestellten
Ausführungsbeispiel
die anpassungsfähigen
Optikvorrichtungen 28, 30 und 32 stromaufwärts der
Leistungsverstärker 40, 42 und 44 angeordnet. Mit
solch einer Topologie stellen die anpassungsfähigen Optikvorrichtungen 28, 30 und 32 als
Antwort auf eine flache Eingangwellenform 46 eine phasenkonjugierte
Wellenfront 50 bereit, welche ihrerseits auf die Leistungsverstärker 40, 42 und 44 angewandt
wird. Der Ausgang der Leistungsverstärker 40, 42 und 44 ist
eine flache Wellenfront 52. In der in 3 dargestellten
Topologie unterliegen die anpassungsfähigen Optikvorrichtungen 28, 30 und 32,
das oben genannte Beispiel verwendend und eine 3 Kilowatt Steigerung
für jeden
Leistungsverstärker 40, 42 und 44 annehmend,
einem Leistungspegel von nur 1 Kilowatt, gut innerhalb des 2 Kilowattbereichs
bekannter räumlicher
Lichtmodulatoren.
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Wieder
bezugnehmend auf 1 stellt der Hauptoszillator 28 Pulse
von Strahlung oder Licht in den modularen Verstärkerarmen 22, 24 und 26 bereit.
Der Hauptoszillator 28 kann ein konventioneller Laser sein,
wie z. B. ein Gaslaser, Farbstofflaser oder Festkörperlaser.
Der Hauptoszillator 28 ist mittels einer Vielzahl von Strahlteilern 54, 56, 58 an
die modularen Verstärkerarme 22, 24 und 26 gekoppelt.
Die Strahlteiler 54, 56 und 58 sind herkömmlich und
werden benutzt, um einen Teil de Lichtstrahlen vom Hauptoszillator 28 auf
jeden der modularen Verstärkerarme 22, 24 und 26 zu
richten. Für
ein beispielhaftes 12-Kilowatt-Ausgangslasersystem,
wie oben diskutiert, wird der Hauptoszillator 28 so gewählt, dass er
ungefähr
eine 3 Kilowatt Ausgangsleistung hat.
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Die
verteilten Lichtpulse von den Strahlteilern 54, 56 und 58 werden
den anpassungsfähigen Optikvorrichtungen 28, 30 und 32 zugeführt, die,
wie weiter unten ausführlicher
diskutiert werden wird, optische Parameterverzerrungen der Wellenfrontverzerrungen
des Ausgangslaserstrahls beim Ziel ausgleichen, die von atmosphärischen
Abweichungen herrühren.
Die Vorverstärker 34, 36 und 38 verstärken den
verteilten Lichtstrahlpuls vom Hauptoszillator 28, der
seinerseits von den Leistungsverstärkern 40, 42 und 44 weiter
verstärkt
wird. Die Leistungsverstärker 40, 42 und 44 werden
benutzt, um kohärente Ausgangsstrahlen
bereitzustellen, die, wie unten ausführlicher diskutiert werden
wird, von einem Strahlkombinator kombiniert werden können, um
einen Ausgangslichtstrahl mit skalierbarer hoher Durchschnittsleistung
bereitzustellen.
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Die
anpassungsfähigen
Optiken 28, 30 und 32 werden unten ausführlicher
diskutiert werden. Ein beispielhafter Vorverstärker 34, 36 und 48 kann
ein Verstärkermodul
niedriger Leistung (1 KW Pegel) bestehend aus einem Verstärkermedium
wie z.B. einem Nd:YAG-Stab und optischen Pumpmitteln wie z. B. einem
Array von Diodenlasern bestehen. In dem oben diskutierten Beispiel
sind die Vorverstärker 34, 36 und 38 ausgewählt, um
eine Steigerung von ungefähr 20 zu
haben. Jeder Leistungsverstärker 40, 42 und 44 kann
ausgewählt
werden, um aus drei 1 KW Modulsteigerungsteilen zu bestehen und
drei Kilowatt Verstärkung
bereitzustellen. Geeignete Leistungsverstärker 40, 42 und 44 sind
Dioden-gepumpte Nd:YAG-Stab-Laser hoher Leistung.
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Ein
beispielhaftes Festkörperlasersystem hoher
Durchschnittsleistung 70 ist in 4 dargestellt.
Das in 4 dargestellte System 70 umfasst einen
Hauptoszillator 72, zum Beispiel einen Festkörperlaser,
der seine eigene anpassungsfähige
Optikvorrichtung 74 zum Bereitstellen einer relativ flachen Ausgangswellenfront
einschließt.
Die anpassungsfähige
Optikvorrichtung 74 für
den Hauptoszillator 72 kann ein langsamer räumlicher
Lichtmodulator zum Ausgleichen von Wellenfrontphasenverzerrungen sein,
die vom Hauptoszillator 72 herrühren. Ein beispielhafter Hauptoszillator 72 besteht
aus einem Nd:YAG-Laser mit einer nahezu beugungsbeschränkten Strahlqualität. Eine
beispielhafte anpassungsfähige
Optikvorrichtung 74 ist eine Flüssigkristallphasenmodulatoranordnung
mit elektronischen Mitteln zum Anpassen des Phasenprofils. Solch
ein Hauptoszillator und anpassungsfähige Optik sind im Stand der
Technik bekannt.
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Der
Hauptoszillator 72 stellt einen pulsierten Lichtstrahl
bereit, der unter einer Vielzahl von parallelen verbundenen modularen
Verstärkerarmen 76, 78 und 80 mittels
einer Vielzahl von Strahlteilern 82, 84 und 86 verteilt
ist. Die verteilten gepulsten Lichtstrahlen werden anpassungsfähigen Optikvorrichtungen 88, 90 und 92 zugeführt, die,
wie unten ausführlicher
diskutiert werden wird, optische Verzerrungen ausgleichen, die von
den Leistungsverstärkern sowie Verzerrungen
der Laserwellenfront aufgrund von atmosphärischen Abweichungen herrühren, um
einen kohärenten
Lichtstrahl mit einer relativ flachen Phasenfront bereitzustellen.
Die Ausgänge
der anpassungsfähigen
Ausgabevorrichtungen 88, 90 und 92 werden
Vorverstärkern 94, 96 und 98 zugeführt, um den
verteilten Lichtpuls auf den Hauptoszillator 72 zu verstärken. Der
Ausgang der Vorverstärker 94, 96 wird
Bildrelais 100, 102 und 104 zugeführt. Die Bildrelais 100, 102 und 104 erhalten
das Nahfeldstrahlprofil von einem Steigerungsmodul zum Nächsten,
um die Leistungsentnahme zu optimieren und möglichen Schaden aufgrund von
Beugung verursachten Strahlverlusts zu vermeiden. Solche Bildrelais
sind im Stand der Technik bekannt. Eine innerhalb jedes Relais 100, 102 und 104 angeordnete Öffnung hält auch
unerwünschtes
Licht davon ab, durch die Steigerungsteile hindurchzugehen, die
anderenfalls parasitäre
Schwingungen erzeugen würden.
Die Ausgänge
der Bildrelais 100, 102 und 104 werden
einer Vielzahl von Leistungsverstärkern 106, 108 und 110 zugeführt, die,
wie gezeigt, mit 3 Steigerungsteilen 112, 114 und 116 ausgestattet
sind. Die Leistungsverstärker 106, 108 und 110 stellen
kohärente verstärkte Ausgangsstrahlen 112, 114 und 116 bereit, die
von einem Strahlkombinator 118 kombiniert werden können, um
einen Ausgangsstrahl 120 hoher Durchschnittsleistung bereitzustellen.
Wie oben diskutiert, ist der Leistungspegel des Ausgangsstrahls 120 von
der Zahl von modularen Verstärkerarmen 76, 78 und 80 skalierbar,
die im System 70 enthalten sind.
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Die
Wellenfront des Ausgangsstrahls 120 wird von einem Wellenfrontsensor 121 nachgewiesen,
der eine Rückkopplungssteuerung
in einer geschlossenen Schleife mit den anpassungsfähigen Optikvorrichtungen 88, 90 und 92 bildet,
um eine holografische Phasenkonjugation bereitzustellen; und die
Wellenfront mit einer phasenkonjugierten Welle zu kodieren, die
Verzerrungen der Phasenfront aufgrund von atmosphärischen
Abweichungen ausgleicht. Jede anpassungsfähige Optikvorrichtung 88, 90 und 92 kann
einen langsamen räumlichen
Lichtmodulator 22 und einen relativ schnellen räumlichen Lichtmodulator 124 umfassen.
Der langsame räumliche
Lichtmodulator 122 stellt eine Vor-Kompensation von relativ
langsamen Wellenverzerrungen der Lichtstrahlen aufgrund der Leistungsverstärker 106, 108 und 110 bereit.
Die schnellen räumlichen
Lichtmodulatoren 124 sind seriell an die langsamen räumlichen Lichtmodulatoren 122 gekoppelt,
um das Kodieren der konjugierten Welle der Wellenfront bereitzustellen,
um Verzerrungen aufgrund von atmosphärischen Abweichungen auszugleichen.
Jeder der schnellen räumlichen
Lichtmodulatoren 124 kann aus einer Anordnung von individuell
adressierbaren Pixeln bestehen. Diese Pixel werden unter der Steuerung
des Wellenfrontsensors 122 als eine Funktion der Wellenfront
des Ausgangsstrahls 120 moduliert, um eine konjugierte
Phasenfront zu erzeugen.
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Ein
beispielhafter Wellenfrontsensor besteht aus einem Mach-Zehnder-Interferometer,
in welchem ein kleiner Teil des Hauptoszillatorausgangs eine Referenzwelle
bereitstellt, um ein Interferogrammbild der Verstärkerausgangsstrahlen
zu bilden, indem, wie in 5 veranschaulicht, ein kleiner
Teil des Ausgangsstrahls abgetastet wird. Das Interferogrammbild
wandelt die Phasenfehler in Intensitätsveränderungen um, die beobachtet
werden können
und von einer elektronischen Fotodiodenanordnung oder CCD-Kamera
und einer elektronischen Bildaufnahmevorrichtung (z. B. einem Computer
mit Frame-Grabber und Weiterverarbeitungssoftware) gespeichert werden
können.
Die sich ergebende Information über
die Größenordnung
des Phasenfehlers, wie er von der Bildhelligkeit bei jeder Position
des abgetasteten Strahls dargestellt wird, enthält die Wellenfrontdaten. Die
anpassungsfähige
Optiksteuerung (AO, adaptive optics) nutzt diese Daten, um die Konjugierte
der Wellenfront für
jeden Pixel der AO in jedem Verstärkerpfad zu erzeugen.
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Das
AO-Element besteht aus einem langsamen und schnellen Teilen, die
separat von der AO-Steuerung angesteuert werden. Die langsame AO
kann aus räumlichen
Flüssigkristall
(LC, liquid crystal)-Lichtmodulator (SLM, spatial light modulator) bestehen,
der eine Anordnung von Phasenverschiebern mit relativ großem dynamischen
Bereich (mehrere Wellen), aber mit langsamer Ansprechbarkeit (Sekunden)
hat. Die schnelle AO kann auch unter Verwendung einer LC-SLM-Anordnung
gebildet werden, die für
kleinere Bereiche (bis zu einer Welle), aber mit viel schnellerer
Ansprechbarkeit (kleiner als Millisekunden) optimiert ist. Die langsamen
und schnellen Komponenten der Wellenfrontdaten werden im Prozessor
getrennt, um jeweilige Teile der AO-Steuerung anzutreiben.
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Das
in 4 dargestellte System 70 kann benutzt
werden, um einen Festkörperlaser
hoher Durchschnittsleistung mit Wellenfrontkompensation zu bilden.
Zusätzlich
dazu, kompakt und effizient zu sein, stellt der Festkörperlaser
hoher Durchschnittsleistung einen skalierbaren Leistungsausgang
bereit, der in Anwendungen nützlich
ist, wo die Leistungspegelanforderungen variieren. Um das Auslöschniveau von
Festkörperlasern
zu erhöhen,
die für
Laserwaffen benutzt werden, stellt das System anpassungsfähige Optiken
zum Ausgleichen von optischen Komponentenverzerrungen sowie dem
Kodieren der Phasenfront mit einer phasenkonjugierten Welle bereit, um
atmosphärische
Abweichungen auszugleichen.