EP3646418A2 - Laseranordnung sowie verfahren zum betreiben einer laseranordnung - Google Patents

Laseranordnung sowie verfahren zum betreiben einer laseranordnung

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EP3646418A2
EP3646418A2 EP18740115.3A EP18740115A EP3646418A2 EP 3646418 A2 EP3646418 A2 EP 3646418A2 EP 18740115 A EP18740115 A EP 18740115A EP 3646418 A2 EP3646418 A2 EP 3646418A2
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EP
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laser beam
laser
pulse
fiber amplifier
detector
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Withdrawn
Application number
EP18740115.3A
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Christoph Bollig
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Abacus Laser GmbH
Original Assignee
Abacus Laser GmbH
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Publication date
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    • Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation

Definitions

  • the invention relates to a laser arrangement with at least one optical fiber amplifier and to a method for operating a laser arrangement.
  • a pulsed laser beam is generated which can be used for different technical applications, in particular in a lidar (English: light detection and ranging).
  • SBS stimulated Brillouin scattering
  • the incident and scattered light produce a beat whose frequency exactly matches the frequency of the participating sound wave.
  • the vibration frequency can increase the intensity of the sound waves. This in turn increases the intensity of the scattered light and the positive feedback causes an exponential increase in the backscattered light.
  • Stimulated Brillouin scattering is a non-linear effect in which a high frequency acoustic wave forms in the fiber and scatters back a portion of the light.
  • the laser beam or the pulse of a laser beam thereby deforms and becomes irregular, the pulse power fluctuates, the frequency bandwidth of the pulse is increased and the backscattered light can cause damage in the laser arrangement.
  • the power threshold at which SBS occurs is inversely proportional to the length of the optical fiber through which the light passes and proportional to the mode diameter of the light in the fiber.
  • DE 10 2012 017 363 A1 discloses a laser arrangement for suppressing stimulated Brillouin scattering.
  • the technical solution described is based on the fact that in a cw laser, a polarization controller with a birefringent delay element is used to adjust the radiation power of a laser beam.
  • the laser beam generated in a laser light source is directed to a birefringent element, the laser beam being emitted with a delay between two orthogonal axes from the birefringent element.
  • a polarization controller receives the laser beam from the birefringent element and emits it with a desired polarization.
  • a fiber amplifier amplifies the laser beam and sends it to a compensating birefringent element which almost eliminates the transmission delay between the two axes of the laser beam and emits an output beam whose polarization is detected by a polarization detector giving feedback to the polarization controller it is ensured that the polarization of the output beam is approximately equal to a desired output polarization.
  • a polarization splitting and an associated splitting of a laser beam into two sub-beams the radiation power is below the SBS threshold, so that taking into account both partial beams, a higher overall optical power than with the total laser beam before the division can be achieved.
  • the invention is based on the object to provide a laser array with fiber amplifier, with which a pulsed laser beam in the respectively required frequency band can be provided
  • the performance of the individual pulses should be kept at a level that is almost maximum and at the same time the occurrence of stimulated Brillouin scattering is reliably avoided.
  • the system can be operated for a long time without having to change settings, in particular the system should be independent of temperature changes and material aging.
  • the technical solution to be specified should be able to be implemented with comparatively simple technical components and at the same time ensure economic operation of a corresponding laser arrangement.
  • Another aspect of the invention is to develop a laser arrangement such that the pulse shape of a pulsed laser beam can be adjusted as needed.
  • an adjustment or regulation of the pulse shape in response to a predetermined, for a specific application as at least almost optimally regarded pulse shape with high quality and at the same time done comparatively quickly.
  • the invention relates to a laser arrangement with at least one optical fiber amplifier, which is passed via a light source for generating a pulsed laser beam, via an optical waveguide through which the laser beam from the light source to the optical fiber amplifier and at least one detector for detecting a property of the laser beam features.
  • the laser arrangement has been developed in such a way that the detector generates a measured value on the basis of the detected characteristic of the laser beam and transmits it to a control unit which is set up to generate a control signal taking into account the detected measured value and a laser-beam-specific parameter and to the fiber amplifier and / or to transmit an optical switch by which a pulse energy of the laser beam is changed while passing through the fiber amplifier and / or a pulse shape of the laser beam as it passes through the optical switch on the basis of the control signal.
  • the laser-specific parameter is at least one value selected from the group of pulse energy, pulse shape, radiation power and / or frequency.
  • such a controlled operation is realized on the basis of at least one of the aforementioned parameters.
  • the laser-specific parameter has at least one value of a property of the laser beam, which is characteristic when a stimulated Brillouin scattering occurs.
  • a pulse energy, pulse shape, frequency, frequency change and / or power which are characteristic of the occurrence of a stimulated Brillouin scattering in the laser arrangement, are taken into account in the generation of the control signal.
  • the essential idea of the invention is therefore to provide a regulation within the laser arrangement such that the light source and the fiber amplifier of the laser arrangement are operated in such a way that stimulated Brillouin scattering does not occur within the laser arrangement.
  • the advantage here is that depending on the, for example, in a data storage attached to the control unit laser beam specific limit, the pulse energy and / or pulse shape are set such that just no or at least a very small stimulated Brillouin scattering occurs and the laser array thus very is operated close to the maximum level of performance.
  • the control unit is adapted to control the control signal taking into account a comparison between the measured value generated by the detector by detecting a pulse shape of the laser beam and at least one value of a pulse shape characteristic of the occurrence of the stimulated Brillouin scattering is to produce.
  • the potential risk of the occurrence of the stimulated Brillouin scattering is detected on the basis of a specific pulse shape and likewise the pulse shape is adjusted on the basis of a correspondingly generated control signal in such a way as to ensure that no or only a very small stimulated Brillouin Scattering occurs.
  • the occurrence of stimulated Brillouin scattering can already be detected near the SBS threshold and on the basis of a suitable control signal, the pulse energy laser beam in the fiber amplifier are controlled to a value such that the fiber amplifier is working at the SBS threshold, so no or only a very small stimulated Brillouin scattering occurs.
  • the pulse energy and another property simultaneously the laser beam, which is characteristic of the occurrence of the stimulated Brillouin scattering, are monitored and the fiber amplifier is controlled such that it either keeps the set pulse energy stable or amplifies the laser beam in such a way that stimulated Brillouin scattering does not occur. thus just below the SBS threshold.
  • a backscattering of the light within the laser arrangement is measured by means of the detector.
  • this measurement takes place behind the last amplifier stage of a laser arrangement, since here the beam power with respect to the laser arrangement assumes the highest value and the risk of the occurrence of the stimulated Brillouin scattering is greatest.
  • a laser arrangement has at least two amplifier stages, wherein the choice of the number of amplifier stages depends on the required radiation power of the laser beam.
  • the detection of the radiation power takes place in front of an amplifier stage, provided that several amplifier stages are provided before the last amplifier stage, backscattered light or its intensity is measured in an optical fiber and / or in the fiber amplifier.
  • the measurement takes place behind the last amplifier, provided that a plurality of fiber amplifiers are provided in the laser arrangement.
  • the separated light is then passed through an optical fiber to a detector where the optical power is converted to an electronic signal.
  • the electronic signal is passed through an electrical connection to a control unit which, depending on the separated backscattered Light controls the amplifier stage such that a stimulated Brillouin scattering, which causes the backscatter of the light, at least largely avoided.
  • a corresponding variation of the amplifier power is advantageously achieved in that the power of one or more pump lasers of the fiber amplifier is changed by a corresponding control. If a plurality of amplifier stages are provided in a laser arrangement, a corresponding regulation of the amplifier power can be realized at an amplifier stage, at at least two amplifier stages or at all amplifier stages.
  • a frequency or a frequency change of the laser beam is detected with the aid of the detector, and with the aid of the control unit a control signal for controlling at least one fiber amplifier taking into account a frequency or a frequency change, from which the occurrence of a stimulated Brillouin Scattering is expected to be generated.
  • the stimulated Brillouin scattering leads to a frequency shift of the backscattered light compared to the laser light guided in the normal direction by a few gigahertz. It is therefore alternatively or in addition to the previously described detection of the intensity of the backscattered light possible to use this frequency shift as a reference variable for controlling the gain of a gain stage.
  • stimulated Brillouin scattering also causes fluctuations in pulse power and pulse shape. For this reason, it is further conceivable to detect the pulse power and / or the pulse shape of the pulses generated by the laser arrangement and to compare these with corresponding characteristic values at which the occurrence of a stimulated Brillouin scattering is to be expected, and thus for to use the control or regulation of at least one fiber amplifier.
  • a further embodiment of the invention is based on the fact that the change in the frequency bandwidth of a pulsed laser beam is detected and a difference to a desired value, which is then the generation of a control variable and the control signal derived therefrom for adjusting the gain caused by at least one fiber amplifier determined.
  • pulsed fiber amplifiers are much more limited in pulse energy than non-linear effects, such as stimulated Brillouin scattering, than in average power.
  • non-linear effects such as stimulated Brillouin scattering
  • a laser arrangement could be used to generate a laser beam with a frequency of up to 400 kHz. This value results from a circulation time of 2 s for the light at a measuring distance of 300 m plus one time reserve each for the pulse. Deviating from this, however, currently laser beams are used with a maximum frequency of 20 kHz, since at higher repetition rates, the strong signal from low clouds can lead to erroneous readings.
  • a cloud with lower edge at a distance of 1.8 km would cause a signal which is not or only very difficult to distinguish in the evaluation of a signal from a distance of 0.3 km. This is the case since the light needs a transit time of 12 s for the distance of the object of 1, 8 km for the outward and the return journey, while after 10 s the next pulse has already been generated and therefore the signal appears as if it were at 2 s. Even at a repetition rate of 20 kHz, a cloud at a distance of 7.8 km could cause a similar disturbance, and at a repetition rate of 10 kHz, a cloud could be at a distance of 15.3 km.
  • the invention also relates to a laser arrangement with at least one optical fiber amplifier, with a light source for generating a pulsed laser beam whose beam power is at least temporarily increased by the at least one fiber amplifier, with an optical unit downstream of the fiber amplifier in the direction of the beam path, with which the laser beam is emitted into an environment and at least one of the environment by reflection of the emitted laser beam generated light beam is received and with a control and evaluation, in which determines a frequency shift of the reflected light beam relative to the emitted laser beam on the basis of a superposition of the reflected light beam with a reference laser beam and from the values of the frequency shift averaged over a measurement period, at least one velocity of an object moved in the environment is determined.
  • such a laser arrangement has been further developed in that a pulse repetition rate of the laser beam is changed at least once within the measurement period.
  • the essential idea in this case is to vary the pulse repetition rate during a measurement period so that a signal caused by a cloud is washed out.
  • the structure must not be changed compared to a commercially available laser arrangement in a lidar.
  • At least one detector is arranged, which is adapted to detect a pulse energy of the laser beam and transmit a measured value corresponding to the detected pulse energy to the control and evaluation unit and that they control and evaluation unit is designed to generate on the basis of the measured value, a control signal for changing the gain caused by the fiber amplifier beam power.
  • the power of the fiber amplifier is changed by a change in the power of a pump laser of the fiber amplifier.
  • the invention also relates to a method for operating a laser arrangement in which a pulsed laser beam is generated with a light source, the laser beam is fed to an optical fiber amplifier, detected by a detector at least one property of the laser beam and transmitted to a control unit and at in that the control unit generates a control signal on the basis of the property of the laser beam detected by the detector, which is transmitted to the fiber amplifier for influencing the amplification effected by the amplifier.
  • the method has been developed such that the detector detects an absolute value or a change in a pulse energy, pulse shape and / or frequency of the laser beam as a property and the control unit, taking into account a comparison of the detected value with a characteristic value of the pulse energy, pulse shape, Frequency and / or frequency change of the laser beam, in which a stimulated Brillouin scattering of the laser array occurs, generates the control signal.
  • the control signal is preferably generated in such a way that at least in a predetermined time interval during the operation no or only a small Brillouin scattering occurs in the laser assembly.
  • the control signal to be generated in such a way that the pulse energy, pulse shape and / or frequency of the laser beam leaving the fiber amplifier and / or of the laser beam generated by the light source travel at least within a predetermined time interval during the operation of the laser arrangement Assumes a value which is within a tolerance interval below the characteristic value of the pulse energy, pulse shape, frequency and / or frequency change of the laser beam at which stimulated Brillouin scattering occurs in the laser array. According to this embodiment, it is therefore conceivable to provide a distance to the so-called SBS threshold, so that a laser arrangement is operated just below or only slightly above the so-called SBS threshold.
  • the detector detects an absolute value or a change in the pulse energy, pulse shape and / or frequency of the laser beam as a property and the control unit, taking into account the detected value, generates the control signal such that the light source and / or the fiber amplifier Laser beam with a predetermined pulse energy, pulse shape / and / or frequency leaves.
  • the regulation of the operation of a laser arrangement is not based on the consideration of the SBS threshold, but rather a pulse energy, pulse shape and / or frequency are used as setpoints for the operation of the laser arrangement and in particular for determining the gain caused by an amplifier stage.
  • Fig. 1 Schematic representation of a basic embodiment of a
  • Figure 2 Schematic representation of the execution of a coherent
  • Fig. 4 Schematic representation of the execution of a coherent
  • Figure 5 Schematic representation of the execution of a coherent
  • Fig. 6 Schematic representation of the execution of a coherent
  • FIG. 7 Graphical representation of measured pulse shapes
  • Fig. 8 Representation of recorded signals for the signal strength at a
  • Fig. 9 Representation of recorded signals for the wind speed at a pulse repetition rate of 20 kHz with noise caused by clouds.
  • FIG. 1 A typical construction of a fiber amplifier coherent lidar, as known in the art and forming the basis for the embodiments of the invention described in further detail below, is shown in FIG.
  • the light of a light source 1 designed as a master oscillator MO is directed with an optical waveguide 2, also referred to as an optical fiber, to a fiber coupler 3, where it is divided into two parts.
  • an optical switch 4 which is typically designed as an acousto-optical modulator, AOM, a pulse is cut out and at the same time frequency-shifted. This can also happen in a double pass through the AOM.
  • This low-energy pulse is amplified by a first and a second fiber amplifier 5, 6, which are usually erbium doped fiber amplifiers (EDFA) with two to three amplification stages, to form a pulse with the highest possible pulse energy.
  • the light then passes through a circulator to separate the exiting light from the light backscattered from the environment.
  • EDFA erbium doped fiber amplifiers
  • the circulator 7 is typically a fiber optic circulator, but may also be embodied as a fiber optic polarizer with an additional ⁇ / 4 plate or as a free jet polarizer with an additional ⁇ / 4 plate.
  • the emerging light is then collimated with an optical unit 8 to a laser beam or focused at a greater distance.
  • Objects 9 in the environment, in particular aerosols 9 in the atmosphere scatter a small portion back, which is focused by the optical unit 8 back into the fiber 2.
  • This small part is directed by the circulator 8 to a fiber coupler 10, in which it is superimposed with a part of the reference light of the master oscillator 1.
  • the superposition is detected in a detector 11 and converted into an electronic signal.
  • a fiber amplifier 5, 6 is typically pumped continuously, thus storing pump energy between pulses. This energy is extracted during the pulse.
  • a typical time span between two pulses is 100 ⁇ , which corresponds to a pulse repetition rate of 10 kHz and a pulse length of 500 ns.
  • no power is extracted from a fiber amplifier 5, 6.
  • 500 ns during the pulse a large part of the previously stored energy is extracted.
  • This has one Fiber amplifier 5, 6 at the beginning of the pulse a much higher gain than at the end of the pulse. This causes the pulse to become unbalanced, with much higher power at the beginning of the pulse than at the end.
  • this problem is met with the optical switch 4, which cuts out a part of the pulse with a specific pulse shape, which has a low power at the beginning of the pulse and a high at the end.
  • Fig. 7 shows an example of a measured pulse.
  • the curve 20 represents the signal with which the transmission of the optical switch 4 was controlled.
  • the curve 21 shows the power curve of the pulse after the preamplifier 5 and the curve 22 shows the power curve of the pulse at the output of the laser array, which was measured near the optical unit 8.
  • the curve 23 represents the measured power of the light propagating backward through the fiber 2 between 6 and 5. There is a very small proportion of stimulated Brillouin scattering to detect, which is still harmless.
  • the time delay between the control signal 20 and the measured signals 21, 22 and 23 results from a time delay of a few seconds in the optical switch 4, which in this case is an acousto-optic modulator.
  • the pulse 22 has the highest power shortly after the beginning, although the control signal 20 is set in such a way that the optical switch 4 has the highest transmission toward the end. With a more complex form of the control signal 20, the pulse could be adjusted somewhat more symmetrically. Since, however, the gain can change by more than one order of magnitude during a pulse, it is difficult to achieve a good compensation with a permanently set form of the control signal 20. In addition, the temporal gain profile changes with the operating parameters, in particular with the temperature and the power of the pump laser, so that fluctuations in the pulse shape can occur.
  • the preset pulse shape generally only adapts to a very specific operating state with regard to pulse repetition rate, pulse length and power.
  • the performance of a laser arrangement for generating pulsed laser beams is increased by specifically setting a specific pulse shape and / or operating the laser arrangement, in particular the at least one fiber amplifier, just below or only slightly above the SBS threshold, so at least almost no stimulated Brillouin scattering occurs.
  • the stimulated Brillouin scattering (SBS) leads to a backscatter of the amplified light.
  • the detection can therefore be carried out as shown in FIG. 2 by measuring how much light is scattered back in the fiber 2. Since the power after the last amplifier stage 6 is the highest, it makes sense to measure the backscattered by SBS by the last amplifier stage 6 radiation or the corresponding radiation power. This can be done by separating 6 light, which is passed backwards through the fiber 2, before the last amplifier stage, here with a fiber optic circulator 12th
  • the light is then passed through an optical fiber 2 to a detector 13 where the optical power is converted to an electronic signal, typically the current being proportional to the optical power.
  • the electronic signal is passed through an electrical connection 14 to a control and evaluation unit 15.
  • the control and evaluation unit 15 controls the gain of the last amplifier stage 6 in such a way that only a small part SBS is produced which is harmless. In this way, a closed-loop control is generated in which the optical power of the backscattered light, at which no or only little stimulated Brillouin scattering occurs, represents the reference variable.
  • This regulation can be implemented, for example, by controlling the power of one or more pump lasers of the last stage of the amplifier 6 as required. Alternatively, it is conceivable to regulate the gain of the amplifier 5 or both amplifiers 5, 6 accordingly. This will ensure that the fiber amplifier is operating at or just above the SBS threshold.
  • the curve 23 shown in FIG. 7 shows a typical signal of the detector 13 at an advantageous operating point, in which only a very small proportion SBS is produced.
  • SBS stimulated Brillouin scattering
  • FIGs 3, 4 and 5 show technical embodiments in which the pulse shape or the pulse energy of a laser beam is detected and based on these measurements, the central control and evaluation unit 15, the light source 1 and / or at least one existing fiber amplifier 5, 6 so controls, that the desired pulse shape and / or the desired pulse energy is kept stable.
  • the central control and evaluation unit 15 the light source 1 and / or at least one existing fiber amplifier 5, 6 so controls, that the desired pulse shape and / or the desired pulse energy is kept stable.
  • it makes sense it makes sense to measure the power of the outgoing laser beam.
  • a good position for this is at the edge of the beam in the beam path before or after the optical unit 8.
  • an open detector 16 is preferably placed, on which the edge of the beam falls.
  • the intensity is also proportional to the total power of the beam at the edge of the beam, in this case the intensity is measured and recorded there the basis of this measurement in the control and evaluation unit 15 determines the pulse shape.
  • the detector 16 converts the measured intensity into an electronic signal, usually a current, which is passed through an electrical connection 14 to the control and evaluation unit 15.
  • the curve 22 shown in FIG. 7 shows a typical signal of the detector 16, which was recorded in uncontrolled mode in this case.
  • a portion of the light from the fiber 2 may also be coupled out to the fiber amplifier 6, for example between the fiber amplifier 6 and the circulator 7 or between the circulator 7 and the end of the fiber 2.
  • a common detector 16 For the demand-controlled regulation of the pulse shape and / or the pulse energy, a common detector 16 will preferably be used, as described above. It is also conceivable to use separate detectors or a plurality of detectors which contribute together to the control.
  • the pulse shape can also be extracted from the signal of the overlay detector 1 1, since due to the reflection of the emitted light via the optical unit 8 during the pulse light passes through the fiber to the overlay detector 1 1.
  • the control and evaluation unit 15 controls the time profile of the transmission of the optical switch 4.
  • control and evaluation unit 15 controls the gain of the last amplifier stage 6 or alternatively also the amplification of the other amplifier stage 5 or both amplifier stages 5, 6.
  • control and evaluation unit 15 controls the timing of the transmission of the optical switch 4 and / or for controlling the pulse energy, the gain of the last amplifier stage 6 for controlling the pulse shape, is shown in Figure 5.
  • the pulse shape and / or the pulse energy of a single pulse can be determined or the pulse shape and / or pulse energy of several pulses can be averaged to correct the time course and the energy of subsequent pulses.
  • a very particularly preferred embodiment of the invention is shown in FIG. 6.
  • the light of the master oscillator MO which operates continuously as light source 1 and has a wavelength of approximately 1550 nm and an optical bandwidth of ⁇ 200 kHz, is conducted with an optical fiber 2 to a fiber coupler 3 divided there into two parts.
  • the greater part, here about 90% is guided with a fiber 2 to an optical switch 4, here an acousto-optic modulator (AOM).
  • the AOM 4 cuts out a pulse whose length, shape and repetition rate are determined by the electronic control and evaluation unit 15.
  • the AOM shifts the frequency of the light by 80 MHz in this case.
  • This cut-out low-energy pulse is amplified by a first fiber amplifier 5, a fiber preamplifier, and a main fiber amplifier 6.
  • Both amplifier stages 5, 6 are "Erbium Doped Fiber Amplifiers" (EDFA) in which an erbium-doped fiber is excited with a pump laser and amplifies the light in the region around 1550 nm, which is scattered back by stimulated Brillouin scattering in the main amplifier 6 or which is backscattered on the fiber 2 to the main amplifier 6 passes through the fiber optic circulator 12 to the detector 13, which detects the light with a good temporal resolution of about 10 ns The signal of the detector 13 is sent to the control and Evaluation unit 15 passed, which receives the signal and evaluates.
  • EDFA Erbium Doped Fiber Amplifiers
  • the light from the fiber amplifier 6 is passed through a fiber-optic circulator 7 and guided over a short piece of fiber to an optical unit 8 with a telescope. There, the exiting light is collimated with the optical unit 8 to form a laser beam.
  • the detector 16 Near the optical unit 8 is the detector 16, which detects the power of the pulse with good temporal resolution of about 10 ns.
  • the signal from the detector 16 is also sent to the control and evaluation unit 15, which receives and evaluates the signal.
  • the superposition is detected in a superposition detector 11 and converted into an electronic signal.
  • a data acquisition unit (not shown here) measures and analyzes this signal to determine the Doppler shift as a function of distance and calculate the wind speed therefrom.
  • the control and evaluation unit 15 determines from the signals of the detectors 13 and 16 whether the system operates at the optimum operating parameters. Deviations from the optimum operating parameters are corrected by adjusting the time profile of the transmission of the AOM 4 and the gain of the main amplifier 6. These control circuits set the optimum pulse energy at which very little SBS occurs, and the optimum, symmetrical pulse shape is achieved.
  • the control and evaluation unit 15 includes an interface to a user program, via which the optimal pulse shape for the application as well as other operating parameters, such as pulse repetition rate, pulse length, and possibly other parameters, can be set.
  • Pulsed fiber amplifiers are limited in pulse energy by non-linear effects, in particular stimulated Brillouin scattering, less in average power.
  • a laser arrangement could be used to generate a laser beam with a frequency of up to 400 kHz. This value results from a circulation time of 2 s for the light at a measuring distance of 300 m plus one time reserve each for the pulse.
  • FIGS. 8 and 9 A typical example at 20 kHz pulse repetition rate can be seen in FIGS. 8 and 9. Between 8:15 and 8:27, the signal of a cloud appears to be moving between -2 km and 0 km distance to the location of the laser array, although it is actually at a distance of -9.5 km to -7 , 5 km distance was. From -8: 32 o'clock it is then seen at the actual distance from there 7.4 to 7.0 km, mind you with a short exception against -8: 37 o'clock, where the cloud again signals, which are a distance around -0 , 5 km represent, caused.
  • control and evaluation unit and the other components of the laser arrangement in particular the light source and the fiber amplifier, in such a way that the pulse repetition rate in FIG a measuring interval is varied.
  • a minimum distance between pulses 7 of 20 s results.
  • one possible approach is to extend the distance between pulses 7 by a fixed time A7 for each pulse.
  • An example of a possible A7 is 5 ns.
  • 7 has increased from 20 s to 30 s.
  • the signal of the cloud is thus "smeared out” over the range of 0.5 to 2 km.
  • the time between pulses changes, so does the energy stored in the fiber. This changes the pulse energy, which can lead to problems. This is especially true for stimulated Brillouin scattering (SBS).
  • SBS stimulated Brillouin scattering
  • the gain in the fiber amplifier can be adjusted in parallel by adjusting the power of the pump fibers of the fiber amplifier stages during the change of the repetition rate, in order to achieve as constant a pulse energy as possible.
  • the pump power can be adjusted both directly according to a stored calculation rule, as well as via a control with respect to an undershooting of the SBS threshold, as described above, as well as via the pulse energy control. Likewise, combinations of different control strategies are conceivable.
  • the repetition rate from measurement period to measurement period.
  • the cloud is recognizable as a signal, but at a different apparent distance.
  • the spectra can be corrected accordingly.
  • the light source 1 which is designed as a master oscillator MO and has already been described above, has a fixed and very stable frequency of light. This is important during the time that a pulse is being generated and, subsequently, when the backscattered light of that pulse is being received. The same frequency is usually used for the next pulse, although this is not absolutely necessary.
  • An advantageous solution consists in generating a small frequency jump in the light source, in particular the master laser, directly in front of a pulse.
  • the data must be recorded for a period of 4 s. If a frequency hopping of +2 MHz is generated in the master laser directly after these 4 s, then all the signals from a distance between 600 and 1200 m are shifted by +2 MHz. After the next pulse, a jump of - 3 MHz could occur. When collecting data for this pulse, all signals from a distance between 600 and 1200 m are shifted by -3 MHz, all signals from a distance between 1200 and 1800 m by +2 MHz. Then the frequency could then be shifted by +4 MHz and the shift continued accordingly.
  • variable frequency shift can cause the signal from Distances> 600 m in this example are widened very well over a large frequency range, so that there is only a very weak background.
  • This method can be used alternatively or in addition to the variable pulse repetition rate.
  • the control and evaluation unit 15 varies the pulse repetition rate (PRF), as described in the above example.
  • PRF pulse repetition rate
  • the distance between pulses is increased from 20 ns to 30 ns by increasing the gap by 5 ns for each pulse, thus reducing the PRF continuously from 50 kHz to 33.3 kHz.
  • the distance after each pulse is shortened by 5 ns, so that the PRF continuously increases again from 33.3 kHz to 50 kHz.
  • the power of the pump laser is adjusted linearly with respect to the PRF in order to keep the energy of the pulses approximately constant at the output of the fiber preamplifier 5.
  • the control and evaluation unit 15 further determines from the signals of the detectors 13 and 16 the occurrence of SBS, the pulse shape and the pulse energy and adjusts the time profile of the transmission of the AOM 4 and the gain of the main amplifier 6 accordingly.
  • a combination of control loops and the information of the varying PRF is used. As a result, a stable pulse energy and a stable pulse shape can be achieved despite the varying PRF.

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Abstract

Beschrieben wird eine Laseranordnung mit wenigstens einem optischen Faserver- stärker (5, 6) sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Laseranordnung, bei dem mit einer Lichtquelle (1) ein gepulster Laserstrahl erzeugt wird, der Laserstrahl einem optischen Faserverstärker (5, 6) zugeleitet wird, mit einem Detektor (11, 13, 16) wenigstens eine Eigenschaft des Laserstrahls erfasst und an eine Steuereinheit (15) übertragen wird und bei dem die Steuereinheit (15) auf der Grundlage der vom Detektor (11, 13, 16) erfassten Eigenschaft des Laserstrahls ein Steuersignal erzeugt, das zur Beeinflussung der durch den Faserverstärker (5, 6) bewirkten Verstärkung der Pulsenergie des Laserstrahls an den Faserverstärker (5, 6) oder zur Veränderung einer Pulsform an einen optischen Schalter (4) über- tragen wird. Die beschriebene technische Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass vom Detektor (11, 13, 16) ein absoluter Wert oder eine Änderung einer Pulsenergie, Pulform und/oder Frequenz des Laserstrahls als Eigenschaft erfasst wird und die Steuereinheit (15) unter Berücksichtigung eines Vergleichs des erfassten Werts mit einem charakteristischen Wert der Pulsenergie, Pulsform, Frequenz und/oder Frequenzänderung des Laserstrahls, bei dem eine stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) in der Laseranordnung auftritt, das Steuersignal erzeugt.

Description

Laseranordnung sowie Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung
Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung mit wenigstens einem optischen Faserverstärker sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung. Mit der beschriebenen La- seranordnung wird ein gepulster Laserstrahl erzeugt, der für unterschiedliche technische Anwendungen, insbesondere in einem Lidar (engl.: Light detection and ranging) einsetzbar ist.
Aus dem Stand der Technik sind unterschiedliche Laseranordnungen bekannt, die in ver- schiedenen technischen Anwendungsgebieten zum Einsatz kommen. Oftmals verfügen derartige Laseranordnungen über optische Faserverstärker, um die Strahlungsleistung der von der Laserlichtquelle erzeugten Laserstrahlen auf den erforderlichen Wert anzuheben. Gattungsgemäße Laseranordnungen kommen vielfach in Lidars zum Einsatz, bei denen es sich um Systeme handelt, die Laserstrahlen zur optischen Abstands- und Geschwindigkeitsmessung sowie zur Fernmessung atmosphärischer Parameter verwenden.
Je nach Anwendungsfall werden von Laseranordnungen Laserstrahlen unterschiedlicher Frequenz und Leistung erzeugt. Oftmals wird Laserstrahlung mit einer schmalen optischen Frequenzbandbreite und hoher Spitzenleistung benötigt. Hierbei besteht vielfach die Gefahr, dass in den lichtführenden Komponenten einer Laseranordnung eine stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) auftritt. Bei der stimulierten Brillouin-Streuung erzeugen das eingestrahlte und das gestreute Licht eine Schwebung, deren Frequenz genau der Frequenz der beteiligten Schallwelle entspricht. Über Elektrorestriktionen kann die Schwingungsfrequenz die Intensität der Schallwellen verstärken. Dadurch erhöht sich wie- derum die Intensität des gestreuten Lichtes und die positive Rückkopplung bewirkt einen exponentiellen Anstieg des zurückgestreuten Lichts.
Die stimulierte Brillouin-Streuung ist ein nicht-linearer Effekt, bei dem sich eine hochfrequente akustische Welle in der Faser bildet und einen Teil des Lichts zurückstreut. Der Laserstrahl bzw. der Puls eines Laserstrahls verformt sich hierdurch und wird unregelmäßig, die Pulsleistung fluktuiert, die Frequenzbandbreite des Pulses wird erhöht und das zurückgestreute Licht kann Beschädigungen in der Laseranordnung bewirken.
Die Leistungsschwelle, bei der SBS auftritt, die sogenannte SBS-Schwelle, ist umgekehrt proportional zur Länge der optischen Faser, durch die das Licht geleitet wird, sowie pro- portional zum Moden-Durchmesser des Lichtes in der Faser.
Wird eine Laseranordnung zur Erzeugung von gepulsten Laserstrahlen für Wind-Lidar-An- wendungen benötigt, werden Laserstrahlen mit schmaler optischer Frequenzbandbreite benötigt. In diesem Fall lässt sich die stimulierte Brillouin-Streuung nur durch Verwendung kurzer Fasern, von Fasern mit großem Durchmesser oder durch eine Begrenzung der optischen Leistung vermeiden. Da insbesondere die verstärkende Faser in der letzten Stufe eines Faserverstärkers für einen effizienten Betrieb eine gewisse Länge benötigt, ist es nicht möglich, die Fasern beliebig kurz zu machen. Außerdem kann der Faserdurchmesser nicht beliebig groß gemacht werden, da sich sonst die Strahlqualität in unzulässiger Weise verringert. Aus den vorgenannten Gründen ist die optische Leistung, die aus dem Faserverstärker extrahiert werden kann, regelmäßig begrenzt. Für eine Laseranordnung bedeutet dies, dass die Strahlungsleistung auf einen maximalen Wert begrenzt ist, und da bei Einsatz gepulster Laserstrahlen die Pulslänge durch die Anforderungen an die räumliche Auflösung bestimmt wird, bedeutet eine Beschränkung der Spitzenleistung auch gleichzeitig eine Beschränkung der Pulsenergie, die erzielt werden kann.
Bei bestehenden Systemen ist es üblich, die Energie pro Puls fest einzustellen, sodass die Strahlungsleistung unterhalb der SBS-Schwelle liegt. Da sich jedoch während der Einsatzzeit der Laseranordnung sowohl die Effizienz des Faserverstärkers als auch die SBS- Schwelle, etwa mit der Temperatur, ändert, ist eine genaue Einstellung schwierig und nicht langfristig zuverlässig. Darüber hinaus ist eine Variation der Betriebsparameter problematisch, da dies jeweils eine neue Einstellung erfordert.
Ferner ist aus der DE 10 2012 017 363 A1 eine Laseranordnung zur Unterdrückung einer stimulierten Brillouin-Streuung bekannt. Die beschriebene technische Lösung beruht darauf, dass bei einem cw-Laser eine Polarisationssteuerung mit einem doppelbrechenden Verzögerungselement zur Anpassung der Strahlungsleistung eines Laserstrahls verwen- det wird. Der in einer Laserlichtquelle erzeugte Laserstrahl wird zu einem doppelbrechenden Element geleitet, wobei der Laserstrahl mit einer Verzögerung zwischen zwei Orthogonalachsen von dem doppelbrechenden Element ausgesendet wird. Eine Polarisationssteuerung empfängt den Laserstrahl vom doppelbrechenden Element und sendet ihn mit einer gewünschten Polarisierung aus. Anschließend verstärkt ein Faserverstärker den La- serstrahl und sendet ihn zu einem kompensierenden doppelbrechenden Element, das die Übertragungsverzögerung zwischen den beiden Achsen des Laserstrahls nahezu beseitigt und einen Ausgangsstrahl aussendet, dessen Polarisation mit einem Polarisationsdetektor erfasst wird, der eine Rückmeldung an die Polarisationssteuerung gibt, damit sichergestellt ist, dass die Polarisation des Ausgangsstrahls in etwa gleich einer gewünsch- ten Ausgangspolarisation ist. Mit Hilfe der beschriebenen technischen Lösung erfolgt eine Polarisationsaufteilung und eine damit verbundene Aufteilung eines Laserstrahls in zwei Teilstrahlen, deren Strahlungsleistung sich unterhalb der SBS-Schwelle befindet, sodass unter Berücksichtigung beider Teilstrahlen insgesamt eine höhere optische Leistung als mit dem Gesamtlaserstrahl vor der Teilung erzielbar ist.
Ausgehend von den aus dem Stand der Technik bekannten Laseranordnungen mit Faser- Verstärker sowie den zuvor geschilderten Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Laseranordnung mit Faserverstärker anzugeben, mit der ein gepulster Laserstrahl in dem jeweils erforderlichen Frequenzband zur Verfügung gestellt werden kann, wobei die Leistungen der einzelnen Pulse auf einem Niveau gehalten werden soll, dass nahezu maximal ist und gleichzeitig das Auftreten der stimulierten Brillouin-Streuung zu- verlässig vermieden wird. Hierbei soll gleichzeitig gewährleistet werden, dass das System über lange Zeit betrieben werden kann, ohne dass Einstellungen verändert werden müssen, insbesondere sollte das System hierbei unabhängig von Temperaturänderungen und Materialalterungen sein. Die anzugebende technische Lösung sollte sich mit vergleichsweise einfachen technischen Komponenten realisieren lassen und gleichzeitig einen wirt- schaftlichen Betrieb einer entsprechenden Laseranordnung gewährleisten. Ein weiterer Aspekt der Erfindung besteht darin, eine Laseranordnung derart weiterzubilden, dass die Pulsform eines gepulsten Laserstrahls jeweils bedarfsgerecht angepasst werden kann. Hierbei soll eine Anpassung bzw. Regelung der Pulsform in Abhängigkeit einer vorgegebenen, für einen speziellen Anwendungsfall als zumindest nahezu optimal angesehene Pulsform mit hoher Qualität und gleichzeitig vergleichsweise schnell erfolgen.
Die vorstehende Aufgabe wird mit Laseranordnung gemäß den Ansprüchen 1 und 16 sowie einem Verfahren nach Anspruch 19 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und werden in der folgenden Beschrei- bung unter teilweiser Bezugnahme auf die Figuren werden näher erläutert.
Die Erfindung betrifft eine Laseranordnung mit wenigstens einem optischen Faserverstärker, die über eine Lichtquelle zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls, über einen Lichtwellenleiter, durch die der Laserstrahl von der Lichtquelle zum optischen Faserver- stärker geleitet wird und über wenigstens einen Detektor zur Erfassung einer Eigenschaft des Laserstrahls verfügt. Erfindungsgemäß ist die Laseranordnung derart weitergebildet worden, dass der Detektor auf der Grundlage der erfassten Eigenschaft des Laserstrahls einen Messwert erzeugt und an eine Steuereinheit überträgt, die eingerichtet ist, um unter Berücksichtigung des erfassten Messwerts und eines laserstrahlspezifischen Parameters ein Steuersignal zu erzeugen und an den Faserverstärker und/oder einen optischen Schalter zu senden, durch das eine Pulsenergie des Laserstrahls während dieser durch den Faserverstärker und/oder eine Pulsform des Laserstrahls während dieser durch den optischen Schalter hindurchtritt unter Zugrundelegung des Steuersignals verändert wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem laserspezifischen Parameter um wenigstens einen Wert ausgewählt aus der Gruppe von Pulsenergie, Pulsform, Strahlungsleistung und/oder Frequenz. Auf vorteilhafte Weise wird so ein geregelter Betrieb unter Zugrundelegung wenigstens eines der vorgenannten Parameter realisiert.
Gemäß einer besonderen Weiterbildung der Erfindung weist der laserspezifische Parameter wenigstens einen Wert einer Eigenschaft des Laserstrahls auf, der charakteristisch bei Auftreten einer stimulierten Brillouin-Streuung ist. Bevorzugt werden besondere Werte bzw. Erscheinungsformen einer Pulsenergie, Pulsform, Frequenz, Frequenzänderung und/oder Leistung, die charakteristisch für das Auftreten einer stimulierten Brillouin-Streuung in der Laseranordnung sind, bei der Erzeugung des Steuersignals berücksichtigt.
Der wesentliche Gedanke der Erfindung besteht somit darin, innerhalb der Laseranordnung eine Regelung derart vorzusehen, dass die Lichtquelle und der Faserverstärker der Laseranordnung derart betrieben werden, dass keine stimulierte Brillouin-Streuung innerhalb der Laseranordnung auftritt. Vorteilhaft hierbei ist, dass in Abhängigkeit des, beispielsweise in einem an die Steuereinheit angebundenen Datenspeicher hinterlegten laserstrahlspezifischen Grenzwerts, die Pulsenergie und/oder Pulsform derart eingestellt werden, dass gerade keine oder zumindest eine nur sehr geringe stimulierte Brillouin- Streuung auftritt und die Laseranordnung somit sehr nahe am maximalen Leistungsniveau betrieben wird.
In einer ersten speziellen Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das Steuersignal unter Berücksichtigung eines Vergleichs zwischen dem vom Detektor durch Erfassen einer Pulsform des Laserstrahls erzeugten Messwerts und wenigstens einem Wert einer Pulsform, die charakteristisch für das Auftreten der stimulierten Brillouin-Streuung ist, zu erzeugen. Gemäß dieser technischen Ausführungsform wird die potentielle Gefahr des Auftretens der stimulierten Brillouin-Streuung auf der Grundlage einer spezifischen Pulsform detektiert und gleichfalls die Pulsform auf der Grundlage eines entsprechend erzeugten Steuersignals derart angepasst, dass sichergestellt wird, dass keine oder nur eine sehr geringe stimulierte Brillouin-Streuung auftritt. Generell ist es denkbar, ergänzend oder alternativ zur Pulsform die Pulsleistung des Laserstrahls zu erfassen und mit einem entsprechenden Grenzwert, bei dessen Erreichen das Auftreten einer stimulierten Brillouin-Streuung zu erwarten ist, einzustellen.
Generell sind im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Laseranordnung unterschiedliche Varianten zur Regelung der Lichtquelle denkbar. Einerseits kann das Auftreten der stimulierten Brillouin-Streuung bereits nahe der SBS-Schwelle detektiert und auf der Grundlage eines geeigneten Steuersignals die Pulsenergie Laserstrahls im Faserverstärker derart auf einen Wert geregelt werden, dass der Faserverstärker gerade an der SBS Schwelle arbeitet, also keine oder nur eine sehr geringe stimulierte Brillouin-Streu- ung auftritt. Alternativ oder in Ergänzung ist es denkbar, die Pulsform und/oder die Pulse- nergie des jeweiligen Laserstrahls auf einen vorgegebenen Wert einzustellen. In diesem Fall stellt nicht ein für das Erreichen der SBS-Schwelle charakteristischer Wert, sondern eine spezielle Pulsform und/oder ein spezieller Wert der Pulsenergie die Führungsgröße einer entsprechenden Regelung dar. Gemäß einer speziellen Weiterbildung ist vorgesehen, dass gleichzeitig die Pulsenergie und eine weitere Eigenschaft des Laserstrahls, die charakteristisch für das Auftreten der stimulierten Brillouin-Streuung ist, überwacht werden und der Faserverstärker derart angesteuert wird, dass dieser entweder die eingestellte Pulsenergie stabil hält oder den Laserstrahl derart verstärkt, dass gerade keine stimulierte Brillouin-Streuung auftritt, der Ar- beitsbereich somit knapp unterhalb der SBS-Schwelle liegt.
In einer besonderen Ausführungsform der Erfindung wird mithilfe des Detektors eine Rückstreuung des Lichts innerhalb der Laseranordnung, insbesondere in einer Lichtleitfaser und/oder der Faserverstärker, gemessen. Vorzugsweise erfolgt diese Messung hinter der letzten Verstärkerstufe einer Laseranordnung, da hier die Strahlleistung bezogen auf die Laseranordnung den höchsten Wert annimmt und die Gefahr des Auftretens der stimulierten Brillouin-Streuung am größten ist.
Bevorzugt verfügt eine Laseranordnung über wenigstens zwei Verstärkerstufen, wobei die Wahl der Anzahl der Verstärkerstufen von der benötigten Strahlungsleistung des Laser- Strahls abhängt.
Auf spezielle Weise erfolgt die Erfassung der Strahlungsleistung indem vor einer Verstärkerstufe, sofern mehrere Verstärkerstufen vorgesehen sind vor der letzten Verstärkerstufe, in einer Lichtleitfaser und/oder im Faserverstärker rückgestreutes Licht bzw. dessen Intensität gemessen wird. Gemäß einer besonderen Ausführungsform erfolgt die Messung hinter dem letzten Verstärker, sofern mehrere Faserverstärker in der Laseranordnung vorgesehen sind.
In einer besonderen Weiterbildung wird Licht, das rückwärts durch eine Lichtleitfaser und/oder einen Faserverstärker geleitet wird, abgetrennt, was vorzugsweise mithilfe eines faseroptischen Zirkulartors erfolgt. Das abgetrennte Licht wird dann durch eine optische Faser zu einem Detektor geführt, wo die optische Leistung in ein elektronisches Signal umgewandelt wird. Das elektronische Signal wird durch eine elektrische Verbindung zu einer Steuereinheit geleitet, welche in Abhängigkeit des abgetrennten rückgestreuten Lichts die Verstärkerstufe derart ansteuert, dass eine stimulierte Brillouin-Streuung, die die Rückstreuung des Lichts verursacht, zumindest weitgehend vermieden wird. Eine entsprechende Variation der Verstärkerleistung wird auf vorteilhafte Weise dadurch erreicht, dass die Leistung eines oder mehrerer Pumplaser des Faserverstärkers durch eine ent- sprechende Ansteuerung verändert wird. Sofern in einer Laseranordnung mehrere Verstärkerstufen vorgesehen sind, so kann eine entsprechende Regelung der Verstärkerleistung an einer Verstärkerstufe, an wenigstens zwei Verstärkerstufen oder auch an allen Verstärkerstufen realisiert werden.
Mithilfe der zuvor beschriebenen gezielten Ansteuerung wenigstens einer Verstärkerstufe einer erfindungsgemäß ausgeführten Laseranordnung ist es möglich, den oder die jeweiligen Faserverstärker gerade unterhalb oder nur geringfügig oberhalb der SBS-Schwelle zu betreiben.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass mithilfe des Detek- tors eine Frequenz oder eine Frequenzänderung des Laserstahls detektiert wird und mithilfe der Steuereinheit ein Steuersignal zur Ansteuerung wenigstens eines Faserverstärkers unter Berücksichtigung einer Frequenz oder einer Frequenzänderung, ab der das Auftreten einer stimulierten Brillouin-Streuung zu erwarten ist, erzeugt wird. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die stimulierte Brillouin-Streuung zu einer Frequenzverschiebung des zurückgestreuten Lichts gegenüber dem in Normalrichtung geleiteten Laserlicht um einige Gigahertz führt. Es ist daher alternativ oder in Ergänzung zu der zuvor beschriebenen Detektion der Intensität des rückgestreuten Lichts möglich, diese Frequenzverschiebung als Führungsgröße zur Regelung der Verstärkungsleistung einer Verstärkungsstufe zu verwenden.
Im Übrigen verursacht die stimulierte Brillouin-Streuung auch Fluktuationen in der Pulsleistung und der Pulsform. Aus diesem Grund ist es weiterhin denkbar, die Pulsleistung und/oder die Pulsform der durch die Laseranordnung erzeugten Pulse zu detektieren und diese mit entsprechenden charakteristischen Werten, bei denen das Auftreten einer sti- mulierten Brillouin-Streuung zu erwarten ist, zu vergleichen und somit für die Ansteuerung bzw. Regelung zumindest eines Faserverstärkers zu verwenden.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung beruht darauf, dass die Veränderung der Frequenzbandbreite eines gepulsten Laserstrahls detektiert und ein Unterschied zu einem Sollwert, der dann der Erzeugung einer Stellgröße und des hieraus abgeleiteten Steuersignals zur Anpassung der durch wenigstens einen Faserverstärker bewirkten Verstärkung, ermittelt wird. Wie die obigen Ausführungen gezeigt haben, sind gepulste Faserverstärker durch nichtlineare Effekte, wie etwa die stimulierte Brillouin Streuung, viel mehr in der Pulsenergie beschränkt als in der Durchschnittsleistung. Ähnliches gilt teilweise auch für andere Laser, bspw. gepulste Diodenlaser. Daher ist es für eine Laseranordnung, die einen gepulsten Laserstrahl erzeugt, wie sie bspw. in einem Lidar für die Windmessung eingesetzt wird, vorteilhaft, die Wiederholrate so zu wählen, dass der Abstand zwischen den Pulsen zumindest zeitweise gerade für die erwartete Messentfernung ausreicht. In einigen Anwendungen in der Windenergie, wie etwa zur Standortbestimmung oder für eine vorausschauende Regelung, werden nur Reichweiten bis 300 m benötigt. Theoretisch könnte dafür eine Laser- anordnung verwendet werden, die einen Laserstrahl mit einer Frequenz von bis zu 400 kHz erzeugt. Dieser Wert ergibt sich aus einer Umlaufzeit von 2 s für das Licht bei einer Messentfernung von 300 m zuzüglich jeweils einer Zeitreserve für den Puls. Abweichend hiervon werden derzeit allerdings üblicherweise Laserstrahlen mit einer Frequenz von maximal 20 kHz verwendet, da bei höheren Wiederholraten das starke Signal von niedrigen Wolken zu fehlerhaften Messwerten führen kann. Bei einer Wiederholrate von 100 kHz würde bspw. eine Wolke mit Unterkante in einer Entfernung von 1 ,8 km ein Signal verursachen, welches in der Auswertung von einem Signal aus 0,3 km Entfernung nicht oder nur sehr schwer zu unterscheiden ist. Dies ist der Fall, da das Licht bei einer Entfernung des Objekts von 1 ,8 km für den Hin- und den Rückweg eine Laufzeit von 12 s benötigt, während nach 10 s bereits der nächste Puls erzeugt worden ist und daher das Signal so erscheint, als wäre es bei 2 s. Selbst bei einer Wiederholrate von 20 kHz könnte eine Wolke in 7,8 km Entfernung eine ähnliche Störung verursachen, und bei einer Wiederholrate von 10 kHz eine Wolke in einer Entfernung von 15,3 km. Auf der Grundlage der zuvor geschilderten Probleme wäre es somit vorteilhaft, eine Laseranordnung mit deren Steuer- und Auswerteeinheit derart auszuführen, dass bei Windmessungen Fehler, die durch die Reflexionen der ausgesendeten Laserstrahlen an Wolken verursacht werden, weitgehend vermieden oder zumindest erheblich reduziert werden. Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Laseranordnung mit wenigstens einem optischen Faserverstärker, mit einer Lichtquelle zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls, dessen Strahlleistung durch den wenigstens einen Faserverstärker zumindest zeitweise erhöht wird, mit einer dem Faserverstärker in Richtung des Strahlengangs nachgeordneten Optikeinheit, mit der der Laserstrahl in eine Umgebung ausgesendet und wenigstens ein aus der Umgebung durch Reflexion des ausgesendet Laserstrahl erzeugte Lichtstrahl empfangen wird und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit, in der eine Frequenzverschiebung des reflektierte Lichtstrahls gegenüber dem ausgesendet Laserstrahl auf der Grundlage einer Überlagerung des reflektierten Lichtstrahls mit einem Referenzlaserstrahl bestimmt und aus dem über einen Messzeitraum gemittelten Werten der Frequenzverschiebung zumindest eine Geschwindigkeit eines in der Umgebung bewegten Objekts ermittelt wird. Erfindungsgemäß ist eine derartige Laseranordnung dadurch weitergebildet worden, dass eine Pulswiederholrate des Laserstrahls innerhalb des Messzeitraums wenigstens einmal verändert wird. Mit Hilfe der zuvor beschriebenen technischen Lösung ist es auf vergleichsweise einfache Weise möglich, bei Laseranordnungen, die für Messungen in der Atmosphäre eingesetzt werden, um durch Wolken verursachte Störsignalen zu unterdrücken. Ebenso ist diese Technik in anderen Situation einsetzbar, in denen eine hohe Streuung hinter einer Atmosphäre existiert.
Der wesentliche Gedanke besteht in diesem Fall darin, während eines Messzeitraums die Pulswiederholrate so zu variieren, dass ein von einer Wolke verursachtes Signal ausgewaschen wird. Der Aufbau muss gegenüber einer handelsüblichen Laseranordnung in einen Lidar nicht verändert werden.
Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen der Lichtquelle und der Optikeinheit wenigstens ein Detektor angeordnet ist, der dazu eingerichtet ist, eine Pulsenergie des Laserstrahls zu erfassen und einen zur erfassten Pulsenergie korrespondierenden Messwert an die Steuer- und Auswerteeinheit zu übertragen und dass sie Steuer- und Auswerteeinheit ausgeführt ist, um auf der Grundlage des Messwert ein Steuersignal zur Veränderung der durch den Faserverstärker bewirkten Verstärkung der Strahlleistung zu erzeugen.
Bevorzugt wird die Leistung des Faserverstärkers durch eine Änderung der Leistung eines Pumplasers des Faserverstärkers verändert. Neben einer Laseranordnung betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung, bei dem mit einer Lichtquelle ein gepulster Laserstrahl erzeugt wird, der Laserstrahl einem optischen Faserverstärker zugeleitet wird, mit einem Detektor wenigstens eine Eigenschaft des Laserstrahls erfasst und an eine Steuereinheit übertragen wird und bei dem die Steuereinheit auf der Grundlage der vom Detektor erfassten Eigen- schaft des Laserstrahls ein Steuersignal erzeugt, das zur Beeinflussung der vom Verstärker bewirkten Verstärkung an den Faserverstärker übertragen wird. Erfindungsgemäß ist das Verfahren derart weitergebildet worden, dass vom Detektor ein absoluter Wert oder eine Änderung einer Pulsenergie, Pulsform und/oder Frequenz des Laserstrahls als Eigenschaft erfasst wird und die Steuereinheit unter Berücksichtigung eines Vergleichs des erfassten Werts mit einem charakteristischen Wert der Pulsenergie, Pulsform, Frequenz und/oder Frequenzänderung des Laserstrahls, bei dem eine stimulierte Brillouin-Streuung der Laseranordnung auftritt, das Steuersignal erzeugt. Vorzugsweise wird das Steuersignal hierbei derart erzeugt, das zumindest in einem vorgegebenen Zeitintervall während des Betriebs keine oder nur eine geringe Brillouin-Streuung in der Laseranordnung auftritt. Weiterhin ist es auf vorteilhafte Weise denkbar, dass das Steuersignal derart erzeugt wird, das zumindest in einem vorgegebenen Zeitintervall während des Betriebs der Laseranordnung die Pulsenergie, Pulsform und/oder Frequenz des den Faserverstärker verlassen- den und/oder des von der Lichtquelle erzeugten Laserstrahls einen Wert annimmt, der innerhalb eines Toleranzintervalls unterhalb des charakteristischen Werts der Pulsenergie, Pulsform, Frequenz und/oder Frequenzänderung des Laserstrahls, bei dem eine stimulierte Brillouin-Streuung in der Laseranordnung auftritt, liegt. Gemäß dieser Ausführungsform ist somit denkbar, einen Abstand zur sogenannten SBS-Schwelle vorzusehen, sodass eine Laseranordnung knapp unterhalb oder nur geringfügig oberhalb der sogenannten SBS-Schwelle betrieben wird.
Auf bevorzugte Weise ist vorgesehen, dass vom Detektor ein absoluter Wert oder eine Änderung der Pulsenergie, Pulsform und/oder Frequenz des Laserstrahls als Eigenschaft erfasst und die Steuereinheit unter Berücksichtigung des erfassten Werts das Steuersignal derart erzeugt, dass die Lichtquelle und/oder den Faserverstärker ein Laserstrahl mit einer vorgegebenen Pulsenergie, Pulsform/und/oder Frequenz verlässt. Bei dieser Ausführungsform beruht die Regelung des Betriebs einer Laseranordnung nicht auf der Beachtung der SBS-Schwelle, sondern es werden vielmehr eine Pulsenergie, Pulsform und/oder Frequenz als Sollwerte für den Betrieb der Laseranordnung und insbesondere zur Festlegung der durch eine Verstärkerstufe bewirkten Verstärkung verwendet.
Im Folgenden wird die Erfindung ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläu- tert. Dabei zeigen:
Fig. 1 : Schematische Darstellung einer grundlegenden Ausführung einer
kohärenten Laseranordnung;
Fig 2: Schematische Darstellung der Ausführung einer kohärenten
Laseranordnung für SBS-Regelung;
Fig 3: Schematische Darstellung der Ausführung einer kohärenten
Laseranordnung zur Regelung der Pulsform;
Fig 4: Schematische Darstellung der Ausführung einer kohärenten
Laseranordnung zur Regelung der Pulsenergie;
Fig 5: Schematische Darstellung der Ausführung einer kohärenten
Laseranordnung zur Regelung der Pulsform und Pulsenergie;
Fig 6: Schematische Darstellung der Ausführung einer kohärenten
Laseranordnung zur Windmessung; Fig. 7: Grafische Darstellung gemessener Pulsformen;
Fig. 8: Darstellung von aufgenommenen Signalen für die Signalstärke bei einer
Pulswiederholrate von 20 kHz mit durch Wolken verursachten Störsignalen sowie
Fig. 9 Darstellung von aufgenommenen Signalen für die Windgeschwindigkeit bei einer Pulswiederholrate von 20 kHz mit durch Wolken verursachten Störsignalen.
Ein typischer Aufbau eines kohärenten Lidars mit Faserverstärker, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist und die Grundlage, für die im Folgenden noch detailliert beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung bildet, ist in Fig. 1 gezeigt. Das Licht einer als Masteroszillators MO ausgeführten Lichtquelle 1 wird mit einem Lichtwellenleiter 2, auch als optische Faser bezeichnet zu einem einen Faserkoppler 3 geleitet und dort in zwei Anteile geteilt. Bei einem Teil wird mit einem optischen Schalter 4, der typischerweise als Akusto-Optischen Modulator, AOM ausgeführt ist, ein Puls ausgeschnitten und gleichzeitig frequenzverschoben. Dies kann auch im Doppeldurchgang durch den AOM geschehen. Dieser Puls niedriger Energie wird mit einem ersten und einem zweiten Faserverstärker 5, 6, bei denen es sich üblicherweise um Erbium-dotierte Faserverstärker (Erbium Doped Fibre Amplifier, EDFA) mit zwei bis drei Verstärkungsstufen handelt, zu einem Puls mit möglichst hoher Pulsenergie verstärkt. Das Licht tritt anschließend durch einen Zirkulator, um das austretende Licht vom aus der Umgebung zurückgestreuten Licht zu trennen.
Der Zirkulator 7 ist typischerweise ein faseroptischer Zirkulator, kann aber auch als faseroptischer Polarisator mit zusätzlicher λ/4-Platte oder als ein Freistrahl-Polarisator mit zu- sätzlicher λ/4-Platte ausgeführt sein. Das austretende Licht wird anschließend mit einer Optikeinheit 8 zu einem Laserstrahl kollimiert oder in größerer Entfernung fokussiert. Objekte 9 in der Umgebung, insbesondere Aerosole 9 in der Atmosphäre, streuen einen geringen Teil zurück, welcher von der Optikeinheit 8 wieder zurück in die Faser 2 fokussiert wird. Dieser geringe Teil wird vom Zirkulator 8 zu einem Faserkoppler 10 gelenkt, in dem es mit einem Teil des Referenzlichtes des Masteroszillators 1 überlagert wird. Die Überlagerung wird in einem Detektor 1 1 detektiert und in ein elektronisches Signal umgewandelt.
Ein Faserverstärker 5, 6 wird typischerweise kontinuierlich gepumpt und speichert so Pumpenergie zwischen den Pulsen. Diese Energie wird während des Pulses extrahiert. Eine typische Zeitspanne zwischen zwei Pulsen beträgt 100 μβ, was einer Pulswiederholrate von 10 kHz und einer Pulslänge von 500 ns entspricht. In den 99,5 s zwischen zwei Pulsen wird keine Leistung aus einem Faserverstärker 5, 6 extrahiert. In den 500 ns während des Pulses wird ein großer Teil der zuvor gespeicherten Energie extrahiert. Dadurch hat ein Faserverstärker 5, 6 zu Anfang des Pulses eine viel höhere Verstärkung als am Ende des Pulses. Dies führt dazu, dass der Puls unsymmetrisch wird, mit einer viel höheren Leistung am Anfang des Pulses als am Ende. Im Stand der Technik wird diesem Problem mit dem optischen Schalter 4 begegnet, der einen Teil des Pulses mit einer spezifischen Pulsform ausschneidet, welche am Anfang des Pulses eine geringe Leistung hat und am Ende eine hohe.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel eines gemessenen Pulses. Die Kurve 20 repräsentiert das Signal, mit dem die Transmission des optischen Schalters 4 gesteuert wurde. Die Kurve 21 zeigt die Leistungskurve des Pulses nach dem Vorverstärker 5 und die Kurve 22 zeigt die Leistungskurve des Pulses am Ausgang der Laseranordnung, welche nahe der Optikeinheit 8 gemessen wurde. Ferner repräsentiert die Kurve 23 die gemessene Leistung des Lichtes, welches rückwärts durch die Faser 2 zwischen 6 und 5 propagiert. Es ist ein sehr geringer Anteil stimulierte Brillouin-Streuung zu erkennen, welcher noch unschädlich ist. Die Zeitver- zögerung zwischen dem Steuersignal 20 und den gemessenen Signalen 21 , 22 und 23 entsteht durch eine Zeitverzögerung von ein paar s im optischen Schalter 4, der in diesem Fall ein Akusto-Optischer Modulator ist.
In Figur 7 ist gut zu erkennen, dass der Puls 22 kurz nach dem Anfang die höchste Leistung hat, obwohl das Steuersignal 20 derart eingestellt ist, dass der optische Schalter 4 gegen Ende die höchste Transmission aufweist. Mit einer komplexeren Form des Steuersignals 20 ließe sich der Puls noch etwas symmetrischer einstellen. Da sich die Verstärkung während eines Pulses jedoch bis zu über eine Größenordnung ändern kann, ist es schwierig, eine gute Kompensation mit einer fest eingestellten Form des Steuersignales 20 zu erzie- len. Außerdem ändert sich das zeitliche Verstärkungsprofil mit den Betriebsparametern, insbesondere mit der Temperatur und der Leistung des Pumplasers, so dass Fluktuationen in der Pulsform entstehen können.
Des Weiteren passt die voreingestellte Pulsform in der Regel nur zu einem ganz bestimm- ten Betriebszustand hinsichtlich Pulswiederholrate, Pulslänge und Leistung.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Leistungsfähigkeit einer Laseranordnung zur Erzeugung gepulsten Laserstrahlen dadurch zu erhöhen, dass gezielt eine spezielle Pulsform eingestellt und/oder die Laseranordnung, insbesondere der wenigstens eine Faserverstär- ker, knapp unter oder nur geringfügig oberhalb der SBS-Schwelle betrieben wird, sodass zumindest nahezu keine stimulierte Brillouin-Streuung auftritt. Eine mögliche Anordnung für die Detektion einer stimulierten Brillouin-Streuung nahe der SBS-Schwelle ist in Figur 2 gezeigt. Die stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) führt zu einer Rückstreuung des verstärkten Lichtes. Die Detektion kann daher wie in Figur 2 gezeigt dadurch erfolgen, dass gemessen wird, wieviel Licht in der Faser 2 zurückgestreut wird. Da die Leistung nach der letzten Verstärkerstufe 6 am höchsten ist, bietet es sich an, die durch SBS durch die letzte Verstärkerstufe 6 zurückgestreute Strahlung bzw. die entsprechende Strahlungsleistung zu messen. Dies kann geschehen, indem vor der letzten Verstärkerstufe 6 Licht, welches rückwärts durch die Faser 2 geleitet wird, abzutrennen, hier mit einem faseroptischen Zirkulator 12.
Das Licht wird dann durch eine optische Faser 2 zu einem Detektor 13 geführt, wo die optische Leistung in ein elektronisches Signal, wobei typischerweise der Strom proportional zur optischen Leistung ist, umgewandelt wird. Das elektronische Signal wird durch eine elektrische Verbindung 14 zu einer Steuer- und Auswerteeinheit 15 geleitet. Die Steuer- und Auswerteeinheit 15 steuert die Verstärkung der letzten Verstärkerstufe 6 so, dass ge- rade nur ein geringer Teil SBS entsteht, der unschädlich ist. Auf diese Weise wird ein geschlossener Regelkreis erzeugt, bei dem die optische Leistung des rückgestreuten Lichts, bei der gerade keine oder nur geringe stimulierte Brillouin-Streuung auftritt, die Führungsgröße darstellt.
Diese Regelung kann zum Beispiel dadurch umgesetzt werden, dass die Leistung eines oder mehrerer Pumplaser der letzten Stufe des Verstärkers 6 bedarfsgerecht gesteuert wird. Alternativ ist es denkbar, die Verstärkung auch des Verstärkers 5 oder beider Verstärker 5, 6 entsprechend zu regeln. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass der Faserverstärker gerade an oder nur geringfügig oberhalb der SBS-Schwelle operiert. Hierzu zeigt die in Figur 7 dargestellte Kurve 23 ein typisches Signal des Detektors 13 an einem vorteil- haften Betriebspunkt, bei dem gerade nur ein sehr kleiner Anteil SBS entsteht.
Neben der zuvor beschriebenen Ausführungsform ist es denkbar, SBS auch auf andere Weise oder an anderer Stelle zu messen. Zum Beispiel kann hinter der letzten Verstärkerstufe 6 gemessen werden, an bestimmten Punkten in der letzten Verstärkerstufe 6 oder bei anderen Verstärkerstufen 5.
Weiterhin ist zu beachten, dass stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) zu einer Frequenzverschiebung des zurückgestreuten Lichtes um einige GHz führt. Es ist also ebenfalls möglich, diese Frequenzverschiebung zu detektieren, oder sowohl die Intensität als auch die Fre- quenzverschiebung des zurückgestreuten Lichtes.
Da SBS darüber hinaus zu Fluktuationen in der Pulsleistung und der Pulsform führt, ist es weiterhin möglich, SBS allein durch Detektion der ausgehenden Pulse zu detektieren und anhand dieser Messung die Regelung vorzunehmen, bzw. die Information aus der Detek- tion der ausgehenden Pulse mit der Detektion des rückgestreuten Lichtes zu kombinieren.
Im Übrigen führt stimulierte Brillouin-Streuung auch zu einer Frequenz-Verbreiterung des Pulses, sodass SBS auch im Signal des Überlagerungsdetektors 1 1 extrahiert werden. Durch den Rückreflex an der Optik während des Pulses gelangt Licht durch die Faser 2 auf diesen Detektor 1 1 und führt zur Überlagerung mit dem von der Lichtquelle 1 kommenden Referenzlicht. Die Figuren 3, 4 und 5 zeigen technische Ausgestaltungen, bei denen die Pulsform oder die Pulsenergie eines Laserstrahls detektiert wird und ausgehend von diesen Messwerten die zentrale Steuer- und Auswerteeinheit 15 die Lichtquelle 1 und/oder wenigstens einen vorhandenen Faserverstärker 5, 6 derart ansteuert, dass die gewünschte Pulsform und/oder die gewünschte Pulsenergie stabil gehalten wird. Hierbei bietet es sich an, bietet es sich an, die Leistung des ausgehenden Laserstrahles zu messen. Eine gute Position dafür ist am Rand des Strahles im Strahlengang vor oder nach der Optikeinheit 8. Dort wird bevorzugt ein offener Detektor 16 platziert, auf weichen der Rand des Strahles fällt.
Da bei einem Gaußschen Strahl mit nur einer transversalen Mode, wie er für den Einsatz in kohärenten Laseranordnungen bzw. Lidarsystemen üblich ist, die Intensität auch am Rand des Strahles proportional zur gesamten Leistung des Strahles ist, wird in diesem Fall dort die Intensität gemessen und auf der Grundlage dieser Messung in der Steuer- und Auswerteeinheit 15 die Pulsform bestimmt. Der Detektor 16 wandelt die gemessene Intensität in ein elektronisches Signal, üblicherweise einen Strom, um, welches durch eine elektrische Verbindung 14 zur Steuer- und Auswerteeinheit 15 geleitet wird. Zu diesem Ausfüh- rungsbeispiel zeigt die in Figur 7 dargestellte Kurve 22 ein typisches Signal des Detektors 16, das in diesem Fall im ungeregelten Betrieb aufgenommen wurde.
Alternativ kann auch ein Teil des Lichtes aus der Faser 2 nach dem Faserverstärker 6 ausgekoppelt werden, zum Beispiel zwischen dem Faserverstärker 6 und dem Zirkulator 7 oder zwischen dem Zirkulator 7 und dem Ende der Faser 2.
Für die bedarfsgerechte Regelung der Pulsform und/oder der Pulsenergie wird bevorzugt ein gemeinsamer Detektor 16 verwendet werden, wie zuvor beschrieben. Ebenso ist es denkbar, getrennte Detektoren oder aber mehrere Detektoren, die gemeinsam zur Steuerung beitragen zu verwenden.
Die Pulsform kann auch aus dem Signal des Überlagerungsdetektors 1 1 extrahiert werden, da aufgrund der Reflektion des ausgesandten Lichts über die Optikeinheit 8 während des Pulses Licht durch die Faser auf den Überlagerungsdetektor 1 1 gelangt. Für die Regelung der Pulsform steuert, wie in Figur 3 gezeigt, die Steuer- und Auswerteeinheit 15 den zeitlichen Verlauf der Transmission des optischen Schalters 4.
Für die Regelung der Pulsenergie, wie in Figur 4 gezeigt, steuert die Steuer- und Auswerteeinheit 15 die Verstärkung der letzten Verstärkerstufe 6 oder alternativ auch die Verstär- kung der anderen Verstärkerstufe 5 oder beider Verstärkerstufen 5, 6.
Eine Regelungsvariante, bei der die Steuer- und Auswerteeinheit 15 zur Regelung der Pulsform den zeitlichen Verlauf der Transmission des optischen Schalters 4 und/oder zur Regelung der Pulsenergie die Verstärkung der letzten Verstärkerstufe 6 steuert, ist in Figur 5 dargestellt.
Bei allen zuvor beschriebenen Regelkreisen kann die Pulsform und/oder die Pulsenergie eines einzelnen Pulses bestimmt werden oder die Pulsform und/oder Pulsenergie mehrerer Pulse gemittelt werden um den zeitlichen Verlauf und die Energie nachfolgender Pulse zu korrigieren. Eine ganz besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 6 dargestellt Das Licht des als Lichtquelle 1 kontinuierlich operierenden Masteroszillators MO mit einer Wellenlänge von etwa 1550 nm und einer optischen Bandbreite von <200 kHz wird mit einer optischen Faser 2 zu einem einen Faserkoppler 3 geleitet und dort in zwei Anteile geteilt. Der größere Teil, hier etwa 90%, wird mit einer Faser 2 zu einem optischen Schalter 4, hier ein Akusto-Optischer Modulator (AOM), geleitet. Der AOM 4 schneidet einen Puls aus, dessen Länge, Form und Wiederholrate von der elektronischen Steuer- und Auswerteeinheit 15 bestimmt wird. Gleichzeitig verschiebt der AOM die Frequenz des Lichtes in diesem Fall um 80 MHz.
Dieser ausgeschnittene Puls niedriger Energie wird mit einem ersten Faserverstärker 5, einem Faser-Vorverstärker, und einem Faser-Hauptverstärker 6 verstärkt. Beide Verstärkerstufen 5, 6 sind„Erbium Doped Fibre Amplifier" (EDFA), bei denen eine Erbium-Dotierte Faser mit einem Pumplaser angeregt wird und das Licht in der Region um 1550 nm verstärkt. Licht welches durch stimulierte Brillouin-Streuung im Hauptverstärker 6 zurückgestreut wird, oder welches an der Faser 2 nach dem Hauptverstärker 6 zurückgestreut wird, gelangt durch den faseroptischen Zirkulator 12 auf den Detektor 13, welcher das Licht mit guter zeitlicher Auflösung von etwa 10 ns detektiert. Das Signal des Detektors 13 wird an die Steuer- und Auswerteeinheit 15 geleitet, welche das Signal aufnimmt und auswertet.
Das Licht vom Faserverstärker 6 wird durch einen faseroptischen Zirkulator 7 geleitet und über ein kurzes Faserstück zu einer Optikeinheit 8 mit einem Teleskop geführt. Dort wird das austretende Licht mit der Optikeinheit 8 zu einem Laserstrahl kollimiert. Im Teleskop, nahe der Optikeinheit 8 befindet sich der Detektor 16, welcher die Leistung des Pulses mit guter zeitlicher Auflösung von etwa 10 ns detektiert. Das Signal des Detektors 16 wird ebenfalls an die Steuer- und Auswerteeinheit 15 geleitet, welche das Signal aufnimmt und auswertet.
Aerosole 9 in der Atmosphäre streuen einen geringen Teil des Lichtes zurück, welcher von der Optikeinheit 8 wieder zurück in die Faser 2 fokussiert wird. Dieser geringe Teil wird vom Zirkulator 7 zu einem Faserkoppler 10 gelenkt und in dem Faserkoppler 10 mit einem Teil des Referenzlichtes der Lichtquelle 1 überlagert. Die Überlagerung wird in einem Überla- gerungsdetektor 1 1 detektiert und in ein elektronisches Signal umgewandelt. Eine Datenerfassungseinheit (hier nicht gezeigt) misst und analysiert dieses Signal um daraus die Dopplerverschiebung in Abhängigkeit von der Entfernung zu bestimmen und daraus die Windgeschwindigkeit zu berechnen. Die Steuer- und Auswerteeinheit 15 bestimmt aus den Signalen der Detektoren 13 und 16 ob das System bei den optimalen Betriebsparametern operiert. Abweichungen von den optimalen Betriebsparametern werden durch Anpassung des zeitlichen Verlaufs der Transmission des AOM 4 und der Verstärkung des Hauptverstärkers 6 korrigiert. Durch diese Regelkreise wird die optimale Pulsenergie eingestellt, bei der gerade nur sehr wenig SBS auftritt, und die optimale, symmetrische Pulsform wird erzielt.
Die Steuer- und Auswerteeinheit 15 beinhaltet eine Schnittstelle zu einem Benutzer-Programm, über das die für die Anwendung optimale Pulsform sowie andere Betriebsparameter, wie etwa Pulswiederholrate, Pulslänge, und ggf. andere Parameter, eingestellt werden können.
Gepulste Faserverstärker sind durch nichtlineare Effekte, insbesondere die stimulierte Bril- louin-Streuung, in der Pulsenergie beschränkt, weniger in der Durchschnittsleistung. Ähnliches gilt teilweise auch für andere Laser, z.B. gepulste Diodenlaser. Daher ist es insbesondere für eine Laseranordnung, mit der gepulste Laserstrahlen für ein Wind-Lidar bereitge- stellt werden, attraktiv, die Wiederholrate so zu wählen, dass der Abstand zwischen den Pulsen gerade für die erwartete Messentfernung ausreicht. In einigen Anwendungen in der Windenergie, wie etwa zur Standortbestimmung, oder für eine vorausschauende Regelung, werden nur Reichweiten bis 300 m benötigt. Theoretisch könnte dafür eine Laseranordnung verwendet werden, die einen Laserstrahl mit einer Frequenz von bis zu 400 kHz erzeugt. Dieser Wert ergibt sich aus einer Umlaufzeit von 2 s für das Licht bei einer Messentfernung von 300 m zuzüglich jeweils einer Zeitreserve für den Puls. Abweichend hiervon werden derzeit allerdings üblicherweise Laserstrahlen mit einer Frequenz von maximal 20 kHz verwendet, da bei höheren Wiederholraten das starke Signal von niedrigen Wolken zu fehlerhaften Messwerten führen kann. Bei einer Wiederholrate von 100 kHz würde bspw. eine Wolke mit Unterkante in einer Entfernung von 1 ,8 km ein Signal verursachen, welches in der Auswertung von einem Signal aus 0,3 km Entfernung nicht oder nur sehr schwer zu unterscheiden ist. Dies ist der Fall, da das Licht bei einer Entfernung des Objekts von 1 ,8 km für den Hin- und den Rückweg eine Laufzeit von 12 s benötigt, während nach 10 s bereits der nächste Puls erzeugt worden ist und daher das Signal so erscheint, als wäre es bei 2 s. Selbst bei einer Wiederholrate von 20 kHz könnte eine Wolke in 7,8 km Entfernung eine ähnliche Störung verursachen, und bei einer Wiederholrate von 10 kHz eine Wolke in einer Entfernung von 15,3 km.
In den Figuren 8 und 9 ist ein typisches Beispiel bei 20 kHz Pulswiederholrate zu sehen. Zwischen 8: 15 und 8:27 Uhr ist das Signal einer Wolke zu erkennen, welche sich zwischen -2 km und 0 km Entfernung zum Aufstellungsort der Laseranordnung zu bewegen scheint, obwohl sie tatsächlich in einer Entfernung von -9,5 km bis -7,5 km Entfernung war. Ab -8:32 Uhr ist sie dann in der tatsächlichen Entfernung von da 7,4 bis 7,0 km zu sehen, wohlgemerkt mit einer kurzen Ausnahme gegen -8:37 Uhr, wo die Wolke wieder Signale, die eine Entfernung um -0,5 km repräsentieren, verursacht.
Um auf vorteilhafte Weise falsche Signale, die von Wolken verursacht wurden, zu vermei- den, ist auf vorteilhafte Weise vorgesehen, die Steuer- und Auswerteeinheit sowie die sonstigen Komponenten der Laseranordnung, insbesondere die Lichtquelle und den Faserverstärker, derart auszuführen, dass die Pulswiderholrate in einem Messintervall variiert wird. In diesem Zusammenhang wird im Folgenden ein besonders geeignetes Ausführungsbeispiel beschrieben
Unter der Annahme, dass bis in eine Entfernung von der Laseranordnung von etwa 3 km gemessen werden soll, ergibt sich ein minimaler Abstand zwischen Pulsen 7 von 20 s. Weiter angenommen, es sollen 2000 Pulse gemittelt werden, wobei eine mögliche Vorgehensweise darin besteht, bei jedem Puls den Abstand zwischen den Pulsen 7 um eine feste Zeit A7 zu verlängern. Ein Beispiel für ein mögliches A7 ist 5 ns. Nach 2000 Pulsen ist 7 dann von 20 s auf 30 s gestiegen. Nach 2000 Pulsen wird für die nächste Mittelung wieder mit 7 = 20 s angefangen, oder alternativ bei 7 = 30 s rückwärts die Zeit nach jedem Puls um 5 ns reduziert.
Angenommen eine Wolke wäre in 5 km Entfernung, was einer Umlaufzeit von 33,33 s ent- spricht, so erscheint das Signal bei T = 20 μβ, als wäre die Wolke in 2 km Entfernung, bei T = 30 s, als wäre sie in 500 m Entfernung. Während eines Messintervalls bzw. einer Mittelungsperiode von 2000 Pulsen wird das Signal der Wolke also„ausgeschmiert" über den Bereich von 0,5 bis 2 km. Wenn sich die Zeit zwischen den Pulsen ändert, dann ändert sich auch die Energie, die in der Faser gespeichert wird. Damit ändert sich die Pulsenergie, was zu Problemen führen kann. Dies gilt insbesondere für die stimulierte Brillouin-Streuung (SBS).
Um dieses Problem zu vermeiden, kann parallel dazu die Verstärkung im Faserverstärker angepasst werden, indem die Leistung der Pumplaser der Faserverstärker-Stufen während der Änderung der Wiederholrate angepasst werden, um so eine möglichst konstante Pulsenergie zu erzielen.
Die Pumpleistung kann sowohl direkt nach einer hinterlegten Rechenvorschrift, als auch über eine Regelung in Bezug auf eine Unterschreitung der SBS-Schwelle, wie oben beschrieben, als auch über die Pulsenergie-Kontrolle angepasst werden. Ebenso sind Kombinationen der unterschiedlichen Regelungsstrategien denkbar.
Alternativ oder ergänzend ist es denkbar, die Wiederholrate von Messzeitraum zu Mess- Zeitraum zu variieren. In diesem Fall ist die Wolke zwar als Signal erkennbar, aber jeweils in einer anderen scheinbaren Entfernung. Damit können die Spektren entsprechend korrigiert werden.
Normalerweise hat die Lichtquelle 1 , die als Masteroszillator MO ausgeführt ist und bereits zuvor beschrieben wurde, eine feste und sehr stabile Lichtfrequenz. Dies ist wichtig während der Zeit, in der ein Puls generiert wird und während anschließend das rückgestreute Lichtes dieses Pulses empfangen wird. Für den nächsten Puls wird üblicherweise die gleiche Frequenz verwendet, obwohl dies nicht zwingend nötig ist. Eine vorteilhafte Lösung besteht nun darin, direkt vor einem Puls einen kleinen Frequenzsprung in der Lichtquelle, insbesondere dem Masterlaser zu erzeugen.
Wenn die gewünscht Reichweite 600 m ist, dann müssen für einen Zeitraum von 4 s die Daten erfasst werden. Wenn direkt nach diesen 4 s ein Frequenzsprung von +2 MHz im Masterlaser erzeugt wird, dann sind alle Signale aus einer Entfernung zwischen 600 und 1200 m um +2 MHz verschoben. Nach dem nächsten Puls könnte dann ein Sprung um - 3 MHz erfolgen. Bei der Datenerfassung für diesen Puls sind alle Signale aus einer Entfernung zwischen 600 und 1200 m um -3 MHz verschoben, alle Signale aus einer Entfernung zwischen 1200 und 1800 m um +2 MHz. Anschließend könnte die Frequenz dann um +4 MHz verschoben werden und die Verschiebung entsprechend fortgesetzt werden.
Da bei einem Lidar mit Faserverstärker das Signal typischerweise aus einigen tausend Pulsen gemittelt wird, kann durch die veränderliche Frequenzverschiebung das Signal von Entfernungen >600 m in diesem Beispiel sehr gut über einen großen Frequenzbereich verbreitert werden, sodass es nur noch einen sehr schwachen Hintergrund gibt.
Dieses Verfahren kann alternativ oder ergänzend zur variablen Pulswiederholrate verwendet werden.
Zur Umsetzung der zuvor genannten Verfahren zur Unterdrückung von Signalen, die von Wolken während der Messung von Atmosphärenparametern, erzeugt wurden, können die in den Figuren 1 sowie 3 bis 6 gezeigten Anordnungen verwendet werden. Insoweit wird an dieser Stelle ausdrücklich auf die in den genannten Figuren gezeigten und zuvor beschrie- benen Komponenten Bezug genommen.
Werden die weiter oben beschriebenen Laseranordnungen in einem Modus zur Unterdrückung von Wolkensignalen betrieben, variiert die Steuer- und Auswerteeinheit 15 die Pulswiederholrate (PRF), wie im obigen Beispiel beschrieben. Innerhalb von 2.000 Pulsen wird der Abstand zwischen den Pulsen von 20 ns auf 30 ns erhöht, indem der Abstand bei jedem Puls um 5 ns verlängert wird und damit die PRF kontinuierlich von 50 kHz auf 33,3 kHz reduziert wird. Während der nächsten 2.000 Pulse wird der Abstand nach jedem Puls um 5 ns verkürzt, sodass sich dabei die PRF wieder kontinuierlich von 33,3 kHz auf 50 kHz erhöht.
Gleichzeitig wird im Faser-Vorverstärker 5 die Leistung des Pumplasers linear zur PRF an- gepasst, um am Ausgang des Faser-Vorverstärkers 5 die Energie der Pulse in etwa konstant zu halten.
Die Steuer- und Auswerteeinheit 15 bestimmt weiterhin aus den Signalen der Detektoren 13 und 16 das Auftreten von SBS, die Pulsform und die Pulsenergie und passt den zeitli- chen Verlauf der Transmission des AOM 4 und der Verstärkung des Hauptverstärkers 6 entsprechend an. Dabei wird eine Kombination aus Regelkreisen und der Information der variierenden PRF verwendet. Dadurch kann trotz der variierenden PRF eine stabile Pulsenergie und eine stabile Pulsform erzielt werden.
Bezugszeichenliste
1 Lichtquelle
2 Lichtwellenleiter
3 Faserkoppler
4 optischer Schalter
5 Faser- Vorverstärker
6 Faser-Hauptverstärker
7 Zirkulator
8 Optikeinheit
9 Objekte in der Umgebung
10 Faserkoppler
1 1 Überlagerungsdetektor
12 Zirkulator
13 Detektor zur Erfassung von rückwärts gestreutem Licht
14 elektrische Verbindung
15 Steuereinheit
16 Detektor an der Optikeinheit

Claims

Patentansprüche
1. Laseranordnung mit wenigstens einem optischen Faserverstärker (5, 6), die über eine Lichtquelle (1 ) zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls, über einen Lichtwellenleiter (2), durch den der Laserstrahl von der Lichtquelle (1 ) zum optischen Faserverstärker (5, 6) geleitet wird, und über wenigstens einen Detektor (1 1 , 13, 16) zur Erfassung einer Eigenschaft des Laserstrahls verfügt,
dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (1 1 , 13, 16) auf der Grundlage der er- fassten Eigenschaft des Laserstrahls wenigstens einen Messwert erzeugt und an eine Steuereinheit (15) überträgt, die eingerichtet ist, um unter Berücksichtigung des erfassten Messwerts und eines laserstrahlspezifischen Parameters, ein Steuersignal zu erzeugen und an den Faserverstärker (5, 6) und/oder einen optischen Schalter (4) zu senden, durch das eine Pulsenergie und/oder eine Pulsform des Laserstrahls beim Durchtritt durch den Faserverstärker (5, 6) und/oder den optischen Schalter (4) unter Zugrundelegung des Steuersignals verändert wird.
2. Laseranordnung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der laserstrahlspezifische Parameter wenigstens eine Eigenschaft des Laserstrahls, ausgewählt aus der Gruppe Pulsform, Pulsenergie, Strahlungsleistung und Frequenz aufweist.
3. Laseranordnung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass der laserstrahlspezifische Parameter wenigstens einen Wert für eine Eigenschaft des Laserstrahls, die charakteristisch bei Auftreten einer stimulierten Brillouin-Streuung (SBS) ist, aufweist.
4. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (15) dazu eingerichtet ist, das Steuersignal unter Berücksichtigung eines Vergleichs zwischen dem vom Detektor (1 1 , 13, 16) durch Erfassen einer Pulsform des Laserstrahls erzeugten Messwerts und wenigstens einem Wert einer Pulsform, die charakteristisch für das Auftreten der stimulierten Brillouin-Streuung ist, zu erzeugen.
5. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (15) dazu eingerichtet ist, das Steuersignal unter Berücksichtigung eines Vergleichs zwischen dem vom Detektor (1 1 , 13, 16) durch Erfassen einer Pulsenergie des Laserstrahls erzeugten Messwerts und wenigstens einem Wert einer Pulsenergie, die charakteristisch für das Auftreten der stimulierten Brillouin-Streuung ist, zu erzeugen.
6. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (1 1 , 13, 16) eingerichtet ist, um einen Messwert unter Berücksichtigung einer Intensität des im Lichtwellenleiter (2) und/oder im Faserverstärker (5, 6) rückgestreuten Lichts zu erzeugen.
7. Laseranordnung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (15) dazu eingerichtet ist, das Steuersignal unter Berücksichtigung eines Vergleichs zwischen dem vom Detektor (1 1 , 13, 16) erzeugten Messwert für eine Intensität des im Lichtwellenleiter (2) und/oder im Faserverstärker (5, 6) rückgestreuten Lichts und einem Wert einer Intensität des im Lichtwellenleiter (2) und/oder im Faserverstärker (5, 6) rückgestreuten Lichts, der charakteristisch für das Auftreten der stimulierten Brillouin-Streuung ist, zu erzeugen.
8. Laseranordnung nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Faserverstärker (5, 6) vorgesehen sind und der Detektor (1 1 , 13, 16) eingerichtet ist, um ein Messignal unter Berücksichtigung einer Intensität des im zuletzt vom Laserstrahl erreichten Faserverstärker (6) rückgestreuten Lichts zu erzeugen.
9. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das im Lichtwellenleiter (2) und/oder im Faserverstärker (5, 6) rückgestreute Licht in einen separaten Messpfad abgezweigt wird, in dem der Detektor (13) angeordnet ist.
10. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (1 1 , 13, 16) eingerichtet ist, um eine Frequenzverschiebung bei dem im Lichtwellenleiter (2) und/oder im Faserverstärker (5, 6) befindlichen Laserstrahl zu erfassen.
1 1 . Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (1 1 , 13, 16) eingerichtet ist, um eine Bandbreite der Frequenz des im Lichtwellenleiter (2) und/oder im Faserverstärker (5, 6) befindlichen Laserstrahls zu erfassen.
12. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (1 1 , 13, 16) eingerichtet ist, die wenigstens eine Eigenschaft des Laserstrahls im Randbereich des Laserstrahls zu erfassen.
13. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle (1 ) und dem Faserverstärker (5, 6) ein Faserkoppler (3) zur Aufteilung des Laserstrahls in wenigstens zwei Teilstrahlen angeordnet ist.
14. Laseranordnung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der wenigstens zwei Teilstrahlen in den optischen Schalter (4) geleitet wird, der dazu eingerichtet ist, einen Puls auszuscheiden und eine Frequenz des ausgeschnittenen Pulses gegenüber einer Frequenz des zumindest einen der wenigstens zwei Teilstrahlen zu verschieben.
15. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 13 bis 15,
dadurch, dass einer der beiden Teilstrahlen dem wenigstens einen Faserverstärker (5, 6) zugeleitet wird.
16. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung des Strahlengangs hinter dem Faserverstärker (5, 6) zumindest eine Optikeinheit (8) angeordnet ist, über die der Laserstrahl in eine Umgebung ausgesendet wird.
17. Laseranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, dass der optische Schalter (4) wenigstens einen Akusto- Optischen Modulator (AOM) aufweist.
18. Laseranordnung mit wenigstens einem optischen Faserverstärker (5, 6), mit einer Lichtquelle (1 ) zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls, dessen Pulsenergie durch den wenigstens einen Faserverstärker (5, 6) zumindest zeitweise erhöht wird, mit einer dem Faserverstärker(5, 6) in Richtung des Strahlengangs nachgeordneten Optikeinheit (8), mit der der Laserstrahl in eine Umgebung ausgesendet und wenigstens ein aus der Umgebung durch Reflexion des ausgesendeten Laserstrahls erzeugter Lichtstrahl empfangen wird und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (15), in der eine Frequenzverschiebung des reflektierten Lichtstrahls gegenüber dem ausgesendeten Laserstrahl auf der Grundlage einer Überlagerung des reflektierten Lichtstrahls mit einem Referenzlaserstrahl bestimmt und aus den über einen Messzeitraum gemittelten Werten der Frequenzverschiebung zumindest eine Geschwindigkeit eines in der Umgebung bewegten Objekts ermittelt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Pulswiederholrate des Laserstrahls innerhalb des Messzeitraums wenigstens einmal verändert wird.
Laseranordnung nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle (1 ) und der Optikeinheit (8) wenigstens ein Detektor (1 1 , 13, 16) angeordnet ist, der dazu eingerichtet ist, eine Pulsenergie des Laserstrahls zu erfassen und einen zur erfassten Pulsenergie korrespondierenden Messwert an die Steuer- und Auswerteeinheit (15) zu übertragen und dass die Steuer- und Auswerteeinheit (15) ausgeführt ist, um auf der Grundlage des Messwerts ein Steuersignal zur Veränderung der durch den Faserverstärker (5, 6) bewirkten Verstärkung der Pulsenergie zu erzeugen.
Laseranordnung nach Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet, dass auf der Grundlage des Steuersignals eine Leistung eines Pumplasers des Faserverstärkers (5, 6) verändert wird.
Verfahren zum Betreiben einer Laseranordnung, bei dem mit einer Lichtquelle (1 ) ein gepulster Laserstrahl erzeugt wird, der Laserstrahl einem optischen Faserverstärker (5, 6) zugeleitet wird, mit einem Detektor (1 1 , 13, 16) wenigstens eine Eigenschaft des Laserstrahls erfasst und an eine Steuereinheit (15) übertragen wird und bei dem die Steuereinheit (15) auf der Grundlage der vom Detektor (1 1 , 13, 16) erfassten Eigenschaft des Laserstrahls ein Steuersignal erzeugt, das zur Beeinflussung der durch den Faserverstärker (5, 6) bewirkten Verstärkung der Pulsenergie des Laserstrahls an den Faserverstärker (5, 6) oder zur Veränderung einer Pulsform an einen optischen Schalter (4) übertragen wird,
dadurch gekennzeichnet, dass vom Detektor (1 1 , 13, 16) ein absoluter Wert oder eine Änderung einer Pulsenergie, Pulsform und/oder Frequenz des Laserstrahls als Eigenschaft erfasst wird und die Steuereinheit (15) unter Berücksichtigung eines Vergleichs des erfassten Werts mit einem charakteristischen Wert der Pulsenergie, Pulsform, Frequenz und/oder Frequenzänderung des Laserstrahls das Steuersignal erzeugt.
Verfahren nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass ein charakteristischer Wert einer Eigenschaft des Laserstrahls verwendet wird, bei dem eine stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) in der Laseranordnung auftritt.
Verfahren nach Anspruch 21 oder 22,
dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal derart erzeugt wird, das zumindest in einem vorgegebenen Zeitintervall während des Betriebs keine Brillouin- Streuung (SBS) in der Laseranordnung auftritt. 24. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23,
dadurch gekennzeichnet, dass das Steuersignal derart erzeugt wird, das zumindest in einem vorgegebenen Zeitintervall während des Betriebs der Laseranordnung die
Pulsenergie, Pulsform und/oder Frequenz des von der Lichtquelle erzeugten Laserstrahls einen Wert annimmt, der innerhalb eines Toleranzintervalls unterhalb des charakteristischen Werts der Pulsenergie, Pulsform, Frequenz und/oder Frequenzänderung des Laserstrahls, bei dem eine stimulierte Brillouin-Streuung (SBS) in der Laseranordnung auftritt, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24,
dadurch gekennzeichnet, dass vom Detektor (1 1 , 13, 16) ein absoluter Wert oder eine Änderung einer Pulsenergie, Pulsform und/oder Frequenz als Eigenschaft des Laserstrahls erfasst wird und die Steuereinheit (15) unter Berücksichtigung des erfassten Werts das Steuersignal derart erzeugt, dass die Lichtquelle (1 ) und/oder den Faserverstärker (5, 6) ein Laserstrahl mit einer vorgegebenen Pulsenergie, Pulsform und/oder Frequenz verlässt.
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