EP1350288A2 - Technisches gebiet - Google Patents

Technisches gebiet

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Publication number
EP1350288A2
EP1350288A2 EP01982355A EP01982355A EP1350288A2 EP 1350288 A2 EP1350288 A2 EP 1350288A2 EP 01982355 A EP01982355 A EP 01982355A EP 01982355 A EP01982355 A EP 01982355A EP 1350288 A2 EP1350288 A2 EP 1350288A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser
intensity
profile
transmitter
laser beam
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP01982355A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anton Gallhuber
Karsten Bollweg
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rheinmetall Electronics GmbH
Original Assignee
STN Atlas Elektronik GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by STN Atlas Elektronik GmbH filed Critical STN Atlas Elektronik GmbH
Publication of EP1350288A2 publication Critical patent/EP1350288A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
    • H01S5/022—Mountings; Housings
    • H01S5/0225—Out-coupling of light
    • H01S5/02253—Out-coupling of light using lenses
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/005—Optical components external to the laser cavity, specially adapted therefor, e.g. for homogenisation or merging of the beams or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping

Definitions

  • the invention relates to a laser transmitter, in particular for free space data transmission and / or shot simulation, of the type defined in the preamble of claim 1.
  • such a weapon transmitter installed on the weapon works together with a laser receiver installed at the target, which, after receiving the laser beam consisting of a large number of laser pulses by means of detectors arranged at the target, evaluates the shot data transmitted with a coding of the laser pulses for the purpose of determining and evaluating the results.
  • the laser beam is circularly collimated by the transmitter optics and its spatial extent of the beam profile, the intensity distribution and the divergence are influenced.
  • Known transmitter optics have classic spherical or aspherical lenses that produce good collimation of the laser beam with a Gaussian intensity distribution within the far field within the beam profile of the laser beam, the intensity decreasing with increasing range and the diameter of the laser beam initially increasing with respect to a minimum intensity.
  • the cross section of the laser beam is to be understood as an intensity limit and is defined by the previously defined sensitivity of the laser receiver receiving the laser beam. He is the area of the beam profile in which the intensity exceeds this intensity limit. Below this limit, the laser pulses of the laser beam reaching the laser receiver are ignored.
  • the limited maximum range of the laser transmitter can also not be increased by a higher power of the laser diode, since the laser transmitter for applications such as free space data transmission or shot simulation must correspond to laser class 1 for reasons of eye protection and the permissible limit value of the power is determined by the size of the light source is.
  • a known device for emitting a light beam for illuminating a distant target area (DE 693 11 344 T2) is used in an optical free space communication system in which the device emits an optical signal over distances of up to several kilometers.
  • the device has a coherent light source that casts light onto a hologram.
  • a lens is arranged between the light source and the hologram, which widens or at least partially aligns the light beam before it strikes the hologram.
  • the hologram contains a transparent plastic plate on which a replica of the surface relief indifference pattern is formed from an original pattern.
  • the pattern itself is protected by a transparent pane.
  • the pattern is a computer-generated indifference pattern that is derived from a mathematical model and is composed of repeated cells.
  • Each cell pattern is designed in such a way that it generates a matrix of rays which together form a composite ray with a predefinable shape and / or distribution in the far field.
  • the indifference pattern in all cells is a binary phase pattern that optionally delays the phase of the incident light. By changing the phase of the incident light, the direction of propagation is changed so that multiple rays of light emerging from the hologram propagate in different scattered directions within the angle of the composite beam, so that refocusing of the light beam is prevented.
  • an optical device is provided in order to achieve an essentially circular far field profile, which detects the angle of divergence of the laser beam in a short axis of the elliptical cross-sectional profile parallel direction enlarged.
  • Such an optical device is, for example, a rod lens or a cylindrical lens.
  • the cylindrical lens can also be used to correct the light intensity or intensity distribution of the laser beam.
  • the light intensity with an elliptical profile which corresponds to a Gaussian distribution curve, is changed into an approximately bell-shaped intensity distribution in the circular far field profile, the divergence angle range being reduced.
  • the edge part of the laser beam can thus be used effectively to increase the light intensity and thus reduce the light output power.
  • the invention has for its object to generate a circularly collimated laser beam in a laser transmitter of the type mentioned, which has a much larger range and an adaptable to the specific application cross section, which is approximately constant over the range and according to customer requirements can be varied.
  • the laser transmitter according to the invention has the advantage that the novel intensity distribution in the beam profile of the laser beam produces an effective cross section within spatially definable limits, which can be made almost constant and then changes only slightly with the distance from the laser transmitter.
  • the intensity is extremely high and drops very sharply towards the edge of the cross section, so that the cross section within one very large distance range regardless of the distance.
  • the range of the laser transmitter can be increased considerably with the increased intensity in the cross section of the laser beam.
  • the laser transmitter connected to a weapon, for example the weapon of a shot simulator, according to the invention, its alignment with the soul axis of the weapon, or with the riflescope fixedly connected to the weapon, can be checked simply and without the complex adjustment devices previously used and so the Laser transmitters must be adjusted as required after every long exercise. All that is required is to point the crosshairs of the telescopic sight at a laser detector arranged at a distance of a few hundred meters and to adjust the laser transmitter until the laser detector detects laser light.
  • the laser detector has a very low sensitivity, ie a very high intensity threshold, above which it can only detect laser pulses.
  • the cross section of the laser beam is relatively small at the high intensity threshold of the laser detector, so that only a slight, negligible deviation occurs when adjusting between the crosshairs and the center of the cross section.
  • the cross section of the laser beam is to be understood as an intensity limit, which is determined by the sensitivity of the laser detector. It is the area of the beam profile in which the intensity exceeds the intensity limit.
  • the intensity profile in the beam profile of the function is the intensity profile in the beam profile of the function
  • the minimum intensity is through the sensitivity of the laser receiver detecting the laser beam is specified and the intensity limit below which the laser receiver no longer responds to the laser pulses. If the loss of intensity in the laser beam due to absorption in the air is neglected, which is permitted, for example, for a distance of up to 100 - 200 m from the laser transmitter, the specified function can be implemented exactly. If the absorption losses are taken into account, which is absolutely necessary for longer ranges, the intensity curve deviates more or less from the specified function. The realized intensity curve results in a constant cross section over a very large distance range.
  • the transmitter optics has diffractive optical elements with microrelief surfaces. These optical elements enable miniaturization of the optics compared to a conventional lens system.
  • the laser transmitter according to the invention with the optical and electronic components enables the transition to pure microstructure technology.
  • the transmitter optics is designed in such a way that the cross section of the laser beam in the extremely close range is almost unchanged despite the beam profile having a smaller cross section, in particular not being smaller than in the far range.
  • the transmitter optics is designed so that it gives the low-intensity edge region of the laser beam a higher divergence than the rest of the region.
  • the laser beam is thus widened in the near field without the widening being noticeable in the far field. Divergence or widening of the laser beam means the change in the beam diameter relative to the maximum intensity.
  • a holographic diffuser is arranged between the laser diode and the transmission optics.
  • the holographic diffuser known per se which scatters the laser light generated by the laser diode primarily in the beam direction and thus has a significantly improved efficiency compared to conventional diffusers which scatter light in all directions, causes one Enlargement of the apparent size of the light source, as a result of which the permissible laser power falls below the limit value, since the unchanged laser power is now distributed over a larger area. This in turn enables the power of the laser diode to be increased until the permissible limit is reached again, so that the intensity and thus the range of the laser beam also increase with the increased laser power.
  • the range of the laser transmitter can be increased over 4000 m.
  • the cross section can also be influenced with the holographic diffuser, since the divergence of the laser beam regions that interact with the diffuser, for example the beam edge region, can be changed.
  • Fig. 1 is a schematic side view of a laser transmitter for a
  • Fig. 2 is a diagram of the intensity distribution in the beam profile of the
  • Laser transmitter according to FIG. 1 emitted laser beam.
  • the laser transmitter shown only schematically in FIG. 1 is used, for example, in a shot simulator and is arranged on the weapon in such a way that its transmission direction is aligned parallel to the gun barrel.
  • the laser transmitter interacts with a laser receiver installed at the target, which has a large number of light detectors distributed over the target and evaluation electronics.
  • the weapon Upon receipt of the laser beam emitted by the laser transmitter, consisting of laser pulses, by the light detectors, the weapon is encoded by the laser pulses shot data transmitted to the target is evaluated by the evaluation electronics for hit determination and evaluation.
  • the laser transmitter has a laser diode 11 with transmitter electronics 12, a transmitter optics 13 and a holographic diffuser 14 arranged between the laser diode 11 and transmitter optics 13.
  • the components mentioned are combined in a housing 17.
  • the laser diode 11 with transmitter electronics 12 generates a laser beam 10 composed of laser pulses, which collimates circularly by means of the transmitter optics 13 and is influenced in the spatial expansion of the beam profile, the intensity distribution over the beam profile and the divergence.
  • the transmitter optics 13 consists of diffractive elements with a microrelief surface, by means of which a 3D beam shaping is carried out, i.e.
  • the laser beam 10 is also influenced in a distance-dependent manner.
  • the holographic diffuser 14 serves to improve the optical properties with regard to the homogeneity and cross section of the laser beam 10 and to achieve greater ranges.
  • Transmitter optics 13 and holographic diffuser 14 are preferably combined and implemented by means of one to three individual optical elements. This enables price reductions, reduced construction space, minimizes the adjustment effort and increases the robustness of the laser transmitter, which is particularly desirable for military applications.
  • the holographic diffuser 14 which is known per se, contains a special microstructure and differs from conventional diffusers by its significantly higher efficiency, which is due to the fact that the laser light is scattered only in the beam direction.
  • the diffuser 14 causes an increase in the apparent size of the light source formed by the laser diode 11, so that the power of the laser diode 11 is increased and the range of the laser transmitter can thereby be increased if the limit values for the laser class 1 are observed.
  • the diffractive elements of the transmitter optics 13 and the diffuser 14 are made of plastic or glass. However, other substances can also be used for wavelengths outside the transparency of glass and plastic.
  • the diffractive elements of the transmitter optics 13 are designed so that in the center M of the beam profile 15, the in
  • Fig. 1 is indicated, a spatially narrow, extremely large intensity maximum with a steep falling edge is available.
  • the intensity distribution over the beam cross section is shown in FIG. 2, the intensity profile being a function of the intensity as a function of the distance r from the center M of the beam profile 15.
  • the intensity curve of the function is sufficient
  • the cross section 16 of the laser beam 10 is shown in FIG. 2 rotated by 90 ° in the drawing plane for better illustration.
  • This cross section 16 is to be understood as the intensity limit, which is defined by the previously defined sensitivity of the target-side laser receiver which interacts with the laser transmitter for the simulation of the shot. It is the area of the beam profile in which the intensity exceeds the intensity limit.
  • the laser receiver is designed so that below this intensity limit, which is plotted with D l in Fig. 2, which are ignored the laser receiver reaching the laser pulses of the laser beam 10 from the laser receiver.
  • the cross section 16 of the laser beam 10 is almost independent of the intensity I due to the steep falling edge, so that the cross section 16 decreases even with a greater range Intensity I of the laser beam 10 does not change or changes only insignificantly.
  • the cross section 16 is therefore independent of the target distance and almost constant.
  • the described intensity profile in the beam profile 15, achieved by appropriate design of the transmitter optics 13, also contributes to the range increase, since the spatially limited intensity peak in the center of the beam profile 15 means that the target-side laser receiver has the same range and the same transmitter power is applied with a much higher intensity than this, for example Gaussian or homogeneous intensity distribution over the beam profile 15 is the case.
  • the diffractive elements of the transmitter optics 13 are designed in such a way that the cross section 16 of the laser beam 10, which is almost constant in the far range, does not decrease appreciably even at very short distances from the laser transmitter.
  • the divergence of the edge region of the laser beam 10 compared to the rest of the beam region is increased by appropriate design of the transmitter optics 13, so that in the close range with the low-intensity edge rays there is an enlarged beam cross section which is no longer present in the far region due to the low intensity of the edge rays.
  • the enlarged cross-section of the beam also results in an enlarged cross-section of the laser beam in the close range.
  • the invention is not limited to the exemplary embodiment described.
  • the almost constant cross section of the laser beam over the entire range of the laser transmitter as described above can also be changed within limits and in range sections, i.e. be enlarged or reduced.
  • the intensity assessment described is retained in the beam profile.
  • the field of application of the laser transmitter described is not limited to the application described for shot simulation, in addition to a hit simulation data for hit evaluation is also transmitted to the target by means of the laser beam.
  • the laser transmitter can also be used for purely communication purposes, for example for the transmission of any data and information across a free space.

Landscapes

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Abstract

Bei einem Lasersender, insbesondere für Freiraumdatenübertragung und/oder Schusssimulation, mit einer einen Laserstrahl (10) aus Laserimpulsen erzeugenden Laserdiode (11) und mit einer der Laserdiode (11) im Strahlengang nachgeordneten Senderoptik (13) zur Beeinflussung des Strahlprofils (15) und der Intensitätsverteilung im Strahlenprofil (15) ist zur Erzielung höherer Reichweiten mit über die Entfernung nahezu konstantem Wirkungsquerschnitt (16) des Laserstrahls (10) die Senderoptik (13) so ausgelegt, dass die Intensität im Strahlprofil (15) von einem räumlich begrenzten, Intensitätsmaximum im Profilzentrum aus zu dem Profilrand hin annähernd mit dem Quadrat des Abstands (r) abfällt.

Description

LASERSENDER
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Lasersender, insbesondere für Freiraumdatenübertragung und/oder Schußsimulation, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.
In Anwendung bei Schußsimulatoren arbeitet ein solcher, waffenseitig installierter Lasersender mit einem zielseitig installierten Laserempfänger zusammen, der nach Empfang des aus einer Vielzahl von Laserimpulsen bestehenden Laserstrahls mittels zielseitig angeordneter Detektoren die mit einer Codierung der Laserimpulse übertragenen Schußdaten für eine Trefferermittlung und -beurteilung auswertet. Der Laserstrahl wird dabei durch die Senderoptik zirkulär kollimiert und in seiner räumlichen Ausdehnung des Strahlprofils, der Intensitätsverteilung sowie der Divergenz beeinflußt. Bekannte Senderoptiken weisen klassische sphärische oder asphärische Linsen auf, die eine gute Kollimierung des Laserstrahls bei einer im Fernfeld gaußschen Intensitätsverteilung innerhalb des Strahlprofils des Laserstrahls erzeugen, wobei die Intensität mit zunehmender Reichweite abnimmt und der Durchmesser des Laserstrahls, bezogen auf eine Mindestintensität, zunächst zunimmt. Durch den mit der Reichweite des Laserstrahls sich ändernden Durchmesser ändert sich der Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls, und ab einer bestimmten Reichweite sinkt der Wirkungsquerschnitt wieder, und schließlich wird die Detektionsschwelle des Laserempfängers auch von dem Intensitätsmaximum unterschritten und damit die maximale Reichweite des Lasersenders festgelegt. Der Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls ist als Intensitätsgrenze zu verstehen und wird durch die vorher festgelegte Empfindlichkeit des den Laserstrahl empfangenden Laserempfängers definiert. Er ist derjenige Bereich des Strahlprofils, in dem die Intensität diese Intensitätsgrenze übersteigt. Unterhalb dieser Grenze werden die den Laserempfänger erreichenden Laserimpulse des Laserstrahls ignoriert.
Die begrenzte maximale Reichweite des Lasersenders läßt sich auch nicht durch eine höhere Leistung der Laserdiode steigern, da der Lasersender für Anwendungen, wie Freiraumdatenübertragung oder Schußsimulation, aus Gründen des Augenschutzes der Laserklasse 1 entsprechen muß und der zulässige Grenzwert der Leistung durch die Größe der Lichtquelle vorgegeben ist.
Stand der Technik
Eine bekannte Vorrichtung zum Aussenden eines Lichtstrahls zum Beleuchten eines entfernten Zielbereichs (DE 693 11 344 T2) wird in einem optischen Freiraumkommunikationssystem eingesetzt, bei dem von der Vorrichtung ein optisches Signal über Strecken bis zu mehreren Kilometern ausgesendet wird. Die Vorrichtung weist eine kohärente Lichtquelle auf, die Licht auf ein Hologramm wirft. Zwischen Lichtquelle und Hologramm ist eine Linse angeordnet, die den Lichtstrahl aufweitet oder zumindest teilweise parallelrichtet, bevor er auf das Hologramm fällt. Das Hologramm enthält eine durchsichtige Kunststoffplatte, auf der eine Replika des Oberflächenrelief- Indifferenzmusters aus einem Originalmuster ausgebildet ist. Das Muster selbst wird von einer durchsichtigen Scheibe geschützt. Das Muster ist ein mittels Computer erzeugtes Indifferenzmuster, das aus einem mathematischen Modell abgeleitet ist und aus wiederholten Zellen zusammengesetzt ist. Jedes Zellenmuster ist so beschaffen, daß es eine Matrix von Strahlen erzeugt, die gemeinsam einen zusammengesetzten Strahl mit vorgebbarer Form und/oder Verteilung im Fernfeld bilden. In einer Ausführungsform ist das Indifferenzmuster in allen Zellen ein binäres Phasenmuster, das die Phase des einfallenden Lichts wahlweise verzögert. Durch Verändern der Phase des einfallenden Lichts wird die Richtung der Ausbreitung verändert, so daß mehrfache Strahlen von Licht, die aus dem Hologramm austreten, sich innerhalb des Winkels des zusammengesetzten Strahls in unterschiedlich gestreute Richtungen ausbreiten, so daß eine Refokussierung des Lichtstrahls verhindert wird. Bei einer bekannten Halbleiterlaser-Lichtquelleneinheit (DE 4307570 A1), bei der der Halbleiterlaser einen Laserstrahl mit elliptischem Querschnittsprofil erzeugt, ist zur Erzielung eines in wesentlichen kreisförmigen Fernfeldprofils eine optische Vorrichtung vorgesehen, die den Divergenzwinkel des Laserstrahls in einer zu der kurzen Achse des elliptischen Querschnittsprofils parallelen Richtung vergrößert. Eine solche optische Vorrichtung ist beispielsweise eine Stablinse oder eine Zylinderlinse. Die Zylinderlinse kann zugleich zum Korrigieren der Lichtstärken- oder Intensitätsverteilung des Laserstrahls herangezogen werden. Durch eine geeignete Gestaltung der Zylinderlinse, z.B. durch Ausbildung einer zusätzlichen konvexen Fläche, wird die entsprechend einer Gaußschen Verteilungskurve verlaufende Lichtintensität mit elliptischem Profil in eine etwa glockenförmige Intensitätsverteilung im kreisrunden Fernfeldprofil verändert, wobei der Divergenzwinkelbereich verkleiner wird. Damit kann der Randteil des Laserstrahls wirkungsvoll genutzt werden, um die Lichtstärke zu erhöhen und damit die Lichtausgangsleistung zu verrringem.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Lasersender der eingangs genannten Art einen zirkulär kollimierten Laserstrahl zu erzeugen, der unter Einhaltung der Augenschutzvorschriften eine wesentlich größere Reichweite und einen an die spezielle Anwendung anpaßbaren Wirkungsquerschnitt aufweist, der über die Reichweite annähernd konstant ist und nach Kundenwunsch variiert werden kann.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Lasersender hat den Vorteil, daß die neuartige Intensitätsverteilung im Strahlprofil des Laserstrahls einen Wirkungsquerschnitt innerhalb räumlich festlegbarer Grenzen erzeugt, der nahezu konstant gemacht werden kann und sich dann mit der Entfernung vom Lasersender nur wenig verändert. Im Zentrum des Strahlprofils ist die Intensität extrem groß und fällt zum Rande des Wirkungsquerschnitts hin sehr stark ab, so daß der Wirkungsquerschnitt innerhalb eines sehr großen Entfernungsbereichs unabhängig von der Entfernung ist. Durch die Bündelung der Laserleistung auf den räumlich eng begrenzten Intensitätspeak im Zentrum des Strahlprofils läßt sich mit der gesteigerten Intensität im Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls die Reichweite des Lasersenders erheblich vergrößern. Zudem kann mit dem mit einer Waffe, z.B. mit der Waffe eines Schußsimulators, verbundenen, erfindungsgemäßen Lasersender dessen Ausrichtung zur Seelenachse der Waffe, bzw. zu dem mit der Waffe fest verbundenen Zielfernrohr, einfach und ohne die bisher verwendeten aufwendigen Justierungseinrichtungen geprüft werden und so der Lasersender nach jedem längeren Übungseinsatz - wie vorgeschrieben - justiert werden. Hierzu ist lediglich das Fadenkreuz des Zielfernrohrs auf einen in einer Distanz von einigen hundert Metern angeordneten Laserdetektor zu richten und der Lasersender solange zu verstellen, bis der Laserdetektor Laserlicht detektiert. Der Laserdetektor besitzt eine sehr geringe Empfindlichkeit, d.h. eine sehr hohe Intensitätsschwelle, oberhalb derer er nur Laserimpulse zu detektieren vermag. Durch die empfindungsgemäße Intensitätsverteilung im Strahlprofil des Laserstrahls ist bei der hohen Intensitätsschwelle des Laserdetektors der Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls relativ klein, so daß bei der Justierung zwischen Fadenkreuz und Mitte des Wirkungsquerschnitts nur eine geringe, vernachlässigbare Abweichung auftritt. Der Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls ist als Intensitätsgrenze zu verstehen, die durch die Empfindlichkeit des Laserdetektors festgelegt ist. Er ist derjenige Bereich des Strahlprofils, in dem die Intensität die Intensitätsgrenze übersteigt.
Zweckmäßige Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Lasersenders mit vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der Intensitätsverlauf im Strahlprofil der Funktion
l(r) = mit r≠O angenähert, wobei eine vorgegebene Mindestintensität, r der
Abstand von der Strahlprofilmitte und r0 der Radius des durch die Mindestintensität lD im Fernbereich festgelegten Wirkungsquerschnitts ist. Die Mindestintensität ist durch die Empfindlichkeit des den Laserstrahl detektierenden Laserempfängers vorgegeben und ist die Intensitätsgrenze, unterhalb der der Laserempfänger nicht mehr auf die Laserimpulse anspricht. Bei Vernachlässigung der Intensitätsverluste im Laserstrahl durch Absorption in der Luft, was beispielsweise für eine Entfernung bis zu 100 - 200 m vom Lasersender zulässig ist, kann die angegebene Funktion exakt realisiert werden. Bei Berücksichtigung der Absorptionsverluste, was für größere Reichweiten zwingend erforderlich ist, weicht der Intensitätsverlauf mehr oder weniger von der angegebenen Funktion ab. Der realisierte Intensitätsverlauf ergibt eine konstanten Wirkungsquerschnitt über einen sehr großen Entfernungsbereich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Senderoptik diffraktive optische Elemente mit Mikrorelief-Oberflächen auf. Durch diese optischen Elemente ist eine Miniaturisierung der Optik gegenüber einem konventionellen Linsensystem möglich. Insbesondere kann durch den erfindungsgemäßen Lasersender mit den optischen und elektronischen Komponenten der Übergang zur reinen Mikrostrukturtechnik vollzogen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Senderoptik so ausgelegt, daß der Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls im extremen Nahbereich trotz des querschnittskleineren Strahlprofils nahezu unverändert ist, insbesondere nicht kleiner als im Fernbereich wird. Die Senderoptik ist hierzu so konzipiert, daß sie dem intensitätsschwachen Randbereich des Laserstrahls eine höhere Divergenz verleiht als dem übrigen Bereich. Damit wird der Laserstrahl im Nahfeld aufgeweitet, ohne daß die Aufweitung im Fernfeld noch merkbar ist. Unter Divergenz oder Aufweitung des Laserstrahls wird die Änderung des Strahldurchmessers relativ zum Intensitätsmaximum verstanden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Laserdiode und der Sendeoptik ein holographischer Diffusor angeordnet. Der an sich bekannte holographische Diffusor, der das von der Laserdiode erzeugte Laserlicht vornehmlich in Strahlrichtung streut und dadurch einen gegenüber herkömmlichen Diffusoren, die Licht in alle Richtungen streuen, wesentlich verbesserten Wirkungsgrad besitzt, bewirkt eine Vergrößerung der scheinbaren Größe der Lichtquelle, wodurch der Grenzwert der zulässigen Laserleistung unterschritten wird, da nunmehr die unveränderte Laserleistung auf eine größere Fläche verteilt wird. Dies wiederum ermöglicht die Steigerung der Leistung der Laserdiode soweit, bis der zulässige Grenzwert wieder erreicht wird, so daß mit der erhöhten Laserleistung auch die Intensität und damit die Reichweite des Laserstrahls ansteigt. Da Laserdioden mit entsprechender Leistung am Markt erhältlich sind, läßt sich die Reichweite des Lasersenders über 4000 m steigern. Mit dem holographischen Diffusor läßt sich zudem auch der Wirkungsquerschnitt beeinflussen, da die Divergenz der Laserstrahlbereiche, die mit dem Diffusor in Wechselwirkung treten, z.B. des Strahlrandbereichs, geändert werden kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematisierte Seitenansicht eines Lasersenders für einen
Schußsimulator,
Fig. 2 ein Diagramm der Intensitätsverteilung im Strahlprofil des vom
Lasersender gemäß Fig. 1 ausgesendeten Laserstrahls.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Der in Fig. 1 nur schematisch dargestellte Lasersender wird beispielsweise in einem Schußsimulator verwendet und an der Waffe so angeordnet, daß seine Senderichtung parallel zum Waffenlauf ausgerichtet ist. Der Lasersender wirkt mit einem am Ziel installierten Laserempfänger zusammen, der eine Vielzahl von über das Ziel verteilt angeordneten Lichtdetektoren und eine Auswerteelektronik aufweist. Bei Empfang des vom Lasersender ausgesendeten, aus Laserimpulsen bestehenden Laserstrahls durch die Lichtdetektoren werden die durch die Codierung der Laserimpulse von der Waffe zum Ziel übertragenen Schußdaten von der Auswerteelektronik zur Trefferermittlung und -beurteilung ausgewertet.
Der Lasersender weist eine Laserdiode 11 mit Senderelektronik 12, eine Senderoptik 13 und einen zwischen Laserdiode 11 und Senderoptik 13 angeordneten, holographischen Diffusor 14 auf. Die genannten Bauelemente sind in einem Gehäuse 17 zusammengefaßt. Die Laserdiode 11 mit Senderelektronik 12 erzeugt einen aus Laserimpulsen zusammengesetzten Laserstrahl 10, der mittels der Senderoptik 13 zirkulär kollimiert und in der räumlichen Ausdehnung des Strahlprofils, der Intensitätsverteilung über das Strahlprofil und der Divergenz beeinflußt wird. Die Senderoptik 13 besteht aus difraktiven Elementen mit einer Mikrorelief-Oberfläche, mittels welchen eine 3D-Strahlformung vorgenommen wird, d.h. neben der Beeinflussung des Strahlquerschnitts auch eine entfernungsabhängige Beeinflussung des Laserstrahls 10. Der holographische Diffusor 14 dient zur Verbesserung der optischen Eigenschaften bezüglich Homogenität und Querschnitt des Laserstrahls 10 und zur Realisierung höherer Reichweiten.
Vorzugsweise sind Senderoptik 13 und holographischer Diffusor 14 zusammengefaßt und mittels ein bis drei einzelner optischer Elemente realisiert. Dies ermöglicht Preisreduktion, Bau räum red uktion, minimiert den Justieraufwand und erhöht die Robustheit des Lasersenders, was insbesondere für militärische Anwendung gewünscht wird.
Der an sich bekannte holographische Diffusor 14 enthält eine spezielle MikroStruktur und unterscheidet sich von konventionellen Diffusoren durch seinen wesentlich höheren Wirkungsgrad, der dadurch bedingt ist, daß das Laserlicht nur in Strahlrichtung gestreut wird. Der Diffusor 14 bewirkt eine Vergrößerung der scheinbaren Größe der von der Laserdiode 11 gebildeten Lichtquelle, so daß dadurch bei Einhaltung der Grenzwerte für die Laserklasse 1 die Leistung der Laserdiode 11 vergrößert und dadurch die Reichweite des Lasersenders erhöht werden kann. Die diffraktiven Elemente der Senderoptik 13 und der Diffusor 14 sind aus Kunststoff oder Glas gefertigt. Für Wellenlängen außerhalb der Transparenz von Glas und Kunststoff sind aber auch andere Substanzen einsetzbar. Die diffraktiven Elemente der Senderoptik 13 sind so ausgelegt, daß im Zentrum M des Strahlprofils 15, das in
Fig. 1 angedeutet ist, ein räumlich eng begrenztes, extrem großes Intensitätsmaximum mit steiler Abfallflanke vorhanden ist. Die Intensitätsverteilung über den Strahlquerschnitt ist in Fig. 2 dargestellt, wobei der Intensitätsverlauf eine Funktion der Intensität in Abhängigkeit vom Abstand r von der Mitte M des Strahlprofils 15 ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 2 genügt die Intensitätskurve der Funktion
wobei r0 der Radius des Wirkungsquerschnitts des Laserstrahls 10 und lD die Intensitätsgrenze des Laserempfängers ist. Unter Berücksichtigung der Absorptionsverluste in Luft ist der tatsächliche Intensitätsverlauf einer solchen Kurve lediglich angenähert. Selbstverständlich gilt die Funktion nicht für r=0, da die Intensität auch im Zentrum einen endlichen Wert annimmt.
Der Wirkungsquerschnitt 16 des Laserstrahls 10 ist in Fig. 2 zur besseren Veranschaulichung um 90° in die Zeichenebene gedreht dargestellt. Dieser Wirkungsquerschnitt 16 ist als Intensitätsgrenze zu verstehen, die durch die vorher festgelegte Empfindlichkeit des zur Schußsimulation mit dem Lasersender zusammenwirkenden, zielseitigen Laserempfängers definiert ist. Er ist derjenige Bereich des Strahlprofils, in dem die Intensität die Intensitätsgrenze übersteigt. Der Laserempfänger ist dabei so ausgelegt, daß unterhalb dieser Intensitätsgrenze, die in Fig. 2 mit lD eingezeichnet ist, die den Laserempfänger erreichenden Laserimpulse des Laserstrahls 10 vom Laserempfänger ignoriert werden.
In Fig. 2 ist der Verlauf der Intensität I über dem Radius r des Strahlquerschnitts dargestellt. Wie ohne weiteres erkannt werden kann, ist der Wirkungsquerschnitt 16 des Laserstrahls 10 infolge der steilen Abfallflanke nahezu unabhängig von der Intensität I, so daß sich der Wirkungsquerschnitt 16 auch bei mit größerer Reichweite abnehmender Intensität I des Laserstrahls 10 nicht oder nur unwesentlich verändert. Der Wirkungsquerschnitt 16 ist damit unabhängig von der Zielentfernung und nahezu konstant.
Neben der Erhöhung der Reichweite durch den holographischen Diffusor 14 trägt auch der beschriebene, durch entsprechende Auslegung der Senderoptik 13 erzielte Intensitätsverlauf im Strahlprofil 15 zur Reichweitenerhöhung bei, da durch den räumlich eng begrenzten Intensitätspeak in der Mitte des Strahlprofils 15 der zielseitige Laserempfänger bei gleicher Reichweite und gleicher Senderleistung mit einer wesentlich höheren Intensität beaufschlagt wird als dies bei einer z.B. gaußschen oder homogenen Intensitätsverteilung über das Strahlprofil 15 der Fall ist.
Des weiteren sind die diffraktiven Elemente der Senderoptik 13 so ausgelegt, daß der im Fernbereich nahezu konstante Wirkungsquerschnitt 16 des Laserstrahls 10 sich auch bei sehr kleinen Entfernungen vom Lasersender nicht nennenswert verkleinert. Hierzu wird durch entsprechende Auslegung der Senderoptik 13 die Divergenz des Randbereichs des Laserstrahls 10 gegenüber dem übrigen Strahlbereich vergrößert, so daß sich im Nahbereich mit den intensitätsschwachen Randstrahlen ein vergrößerter Strahlquerschnitt ergibt, der im Fernbereich aufgrund der geringen Intensität der Randstrahlen nicht mehr vorhanden ist. Der im Nahbereich vergrößerte Strahlquerschnitt ergibt auch einen vergrößerten Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls im Nahbereich.
Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann durch gezielte Auslegung der Senderoptik der wie vorstehend beschrieben nahezu konstante Wirkungsquerschnitt des Laserstrahls über die gesamte Reichweite des Lasersenders auch in Grenzen und in Reichweitenabschnitten verändert, d.h. vergrößert oder verkleinert werden. Dabei wird aber die beschriebene Intensitätsbewertung im Strahlprofil beibehalten.
Das Einsatzgebiet des beschriebenen Lasersenders ist nicht auf die beschriebene Anwendung bei Schußsimulation beschränkt, bei der neben einer Treffersimulation auch Daten zur Trefferbewertung an das Ziel mittels des Laserstrahls übertragen werden. Der Lasersender kann auch für reine Kommunikationszwecke, z.B. für eine Übertragung von beliebigen Daten und Informationen über einen Freiraum hinweg, verwendet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Lasersender, insbesondere für Freiraumdatenübertragung und/oder Schußsimulation, mit einer einen Laserstrahl (10) aus Laserimpulsen erzeugenden Laserdiode (11) und mit einer der Laserdiode (11) im Strahlengang nachgeordneten Senderoptik (13) zur Beeinflussung des Strahlprofils (15) und der Intensitätsverteilung im Strahlprofil des Laserstrahls (10), gekennzeichnet durch eine solche Auslegung der Senderoptik (13), daß die Intensität im Strahlprofil (15) von einem räumlich begrenzten Intensitätsmaximum im Profilzentrum aus zu dem Profilrand hin annähernd mit dem Kehrwert des Quadrats des Abstands (r) von der Strahlprofilmitte (M) abfällt, und dadurch daß die räumliche Begrenzung des Intensitätsmaximums durch einen Wirkungsquerschnitt (16) des Laserstrahls (10) festgelegt ist, in dem die Intensität eine Mindestintensität (lD) übersteigt, die von der Empfindlichkeit eines den Laserstrahl (10) im Fernbereich detektierenden Laserempfängers vorgeben ist.
2. Lasersender nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der
Intensitätsverlauf im Strahlprofil der Funktion
l(r)= mit r≠O angenähert ist, wobei (lD) die vorgegebene
Mindestintensität, r der Abstand von der Strahlprofilmitte (M) und r0 der Radius des im Fernbereich festgelegten Wirkungsquerschnitts (16) ist.
3. Lasersender nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Senderoptik (13) diffraktive Elemente mit Mikrorelief-Oberflächen aufweist.
4. Lasersender nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Senderoptik (13) so ausgelegt ist, daß der intensitätsschwache Randbereich des Laserstrahls (10) eine gegenüber dem übrigen Bereich so vergrößerte Divergenz aufweist, daß der Wirkungsquerschnitt (16) des Laserstrahls (10) im extremen Nahbereich nahezu unverändert ist.
5. Lasersender nach einem der Ansprüche 1 - 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Laserdiode (11) und der Senderoptik (13) ein holographischer Diffusor (14) angeordnet ist.
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