ES2373535B2 - OPTICAL DUPLEXOR DEVICE FOR THE TRANSMISSION AND SIMULTANEOUS RECEPTION OF LASER BEAMS. - Google Patents
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Abstract
Description
Aparato duplexor óptico para la transmisión y recepción simultánea de haces láser Optical duplexer for simultaneous transmission and reception of laser beams
Campo de la invención Field of the Invention
La invención presentada se enmarca dentro de la industria óptica y mecánica de precisión (instrumentación), orientada a la emisión y recepción eficiente de haces luminosos. The presented invention is framed within the precision optical and mechanical industry (instrumentation), oriented towards the efficient emission and reception of light beams.
Antecedentes de la invención Background of the invention
Los sistemas ópticos formados por lentes, espejos y otros elementos característicos para la manipulación de la luz tales como los partidores de haz, polarizadores, prismas, filtros, etc. se han venido utilizando de forma habitual en el campo de la óptica para el desarrollo de sistemas que permiten alterar la posición, dirección, fase, distribución energética y estado de polarización de la luz. Optical systems formed by lenses, mirrors and other characteristic elements for the manipulation of light such as beam splitters, polarizers, prisms, filters, etc. They have been used regularly in the field of optics for the development of systems that allow altering the position, direction, phase, energy distribution and polarization state of light.
Los sistemas ópticos de transmisión y recepción de haces modulados basados en láser vienen empleando elementos ópticos diferenciados para transmitir y recibir la información. Sin embargo, utilizando algunos de los elementos antes mencionados y las propiedades de la luz, es posible simplificar esta filosofía y usar parte de los mismos elementos para ambas funciones tomando, si bien caminos ópticos distintos, el mismo eje óptico. Esta solución simplifica a la vez el problema del alineamiento entre transceptores distantes al eliminar elementos de ajuste. Optical systems for transmitting and receiving laser-based modulated beams have been using differentiated optical elements to transmit and receive information. However, using some of the aforementioned elements and the properties of light, it is possible to simplify this philosophy and use part of the same elements for both functions by taking, although different optical paths, the same optical axis. This solution simultaneously simplifies the problem of alignment between distant transceivers by eliminating adjustment elements.
La luz considerada como onda electromagnética se caracteriza por cuatro propiedades básicas: frecuencia o longitud de onda, amplitud, fase y estado de polarización. El estado de polarización se corresponde con las especificaciones de la onda transversa que la caracteriza. De acuerdo con la teoría electromagnética, las dos componentes perpendiculares del vector campo eléctrico y sus contribuciones pueden dar lugar a luz polarizada lineal, circular o elíptica. Cuando la luz polarizada es lineal, su energía se concentra y propaga en un plano que sigue espacialmente la dirección de propagación. Light considered as an electromagnetic wave is characterized by four basic properties: frequency or wavelength, amplitude, phase and polarization state. The polarization state corresponds to the specifications of the transverse wave that characterizes it. According to the electromagnetic theory, the two perpendicular components of the electric field vector and their contributions can give rise to linear, circular or elliptical polarized light. When polarized light is linear, its energy is concentrated and propagated in a plane that spatially follows the direction of propagation.
El multiplexado o multicanalización de señales es bien conocido en el ámbito de la teoría de la señal. Así, dos o más señales pueden transmitirse por un único canal de comunicación si se hace en tiempos, en frecuencias o fases distintas. Considerando la luz como un canal de comunicación y como onda electromagnética en sentido estricto, podemos considerar también su estado de polarización como una propiedad que nos permite multicanalizar señales electromagnéticas o luminosas si sus energías se encuentran en distintos planos de polarización. En este caso, se trata de establecer una diferenciación de señales por su distribución espacial de energía. Signal multiplexing or multi-channelization is well known in the field of signal theory. Thus, two or more signals can be transmitted through a single communication channel if done at different times or frequencies. Considering light as a communication channel and as an electromagnetic wave in the strict sense, we can also consider its polarization state as a property that allows us to multichannel electromagnetic or luminous signals if their energies are in different polarization planes. In this case, it is about establishing a differentiation of signals by their spatial distribution of energy.
Definimos duplexor óptico como aquel sistema óptico que permite un acoplamiento bidireccional entre dos haces luminosos que portan información modulada. Los haces luminosos transmitido y recibido no se interfieren porque difieren en alguna propiedad que caracteriza a la luz que procesa: espacio, tiempo, frecuencia, fase o estado de polarización. We define optical duplexer as that optical system that allows bidirectional coupling between two light beams that carry modulated information. The transmitted and received light beams do not interfere because they differ in some property that characterizes the light they process: space, time, frequency, phase or polarization state.
En esta invención se presenta un sistema duplexor óptico que se caracteriza por procesar dos haces láser polarizados linealmente en dos planos perpendiculares que se propagan de forma bidireccional sobre un único eje óptico. This invention presents an optical duplexer system that is characterized by processing two linearly polarized laser beams in two perpendicular planes that propagate bidirectionally on a single optical axis.
Por otro lado, la luz generada por un láser de estado sólido tiene, en general, una naturaleza polarizada. Dependiendo del tipo de geometría y modo de funcionamiento del láser, la luz polarizada emitida puede tener distintas manifestaciones. Por ejemplo, los láseres de estado sólido del tipo Fabry-Perot monomodos suelen emitir luz polarizada linealmente en un solo plano; contrariamente, los láseres de cavidad vertical (VCSEL) tipo multimodo, emiten luz polarizada radial (distintos planos de polarización lineal, en función del orden del modo y distribuidos radialmente perpendiculares a la dirección de propagación). Para garantizar que un haz láser posea un tipo concreto de polarización, es necesario procesar la luz que produce por un polarizador. On the other hand, the light generated by a solid-state laser has, in general, a polarized nature. Depending on the type of geometry and mode of operation of the laser, the polarized light emitted may have different manifestations. For example, solid-state lasers of the single-mode Fabry-Perot type usually emit linearly polarized light in a single plane; On the contrary, multimode type vertical cavity (VCSEL) lasers emit radial polarized light (different linear polarization planes, depending on the order of the mode and distributed radially perpendicular to the direction of propagation). To ensure that a laser beam has a specific type of polarization, it is necessary to process the light produced by a polarizer.
Los polarizadores son elementos ópticos que, partiendo de una luz no polarizada, producen luz polarizada lineal o circular. Están basados, bien en propiedades de birrefringencia que poseen algunos cristales tales como el cuarzo, las propiedades de algunas superficies gruesas o finas (capas superficiales) que reflejan y refractan las componentes ortogonales del vector campo con disposiciones de tramas metálicas en materiales que absorben una componente y transmiten la otra (polarizadores de absorción). En la presente invención se utiliza un cubo polarizador que posee la propiedad de descomponer una luz con polarización arbitraria, en dos componentes perpendiculares S (reflejada) y P (refractada) linealmente polarizadas. Energéticamente hablando, la irradiancia o la energía del haz incidente, salvo un factor de pérdidas, se reparte entre las dos componentes S y P. Polarizers are optical elements that, starting from an unpolarized light, produce linear or circular polarized light. They are based, either on birefringence properties that some crystals such as quartz possess, the properties of some thick or thin surfaces (surface layers) that reflect and refract the orthogonal components of the field vector with metal frame arrangements in materials that absorb a component and transmit the other (absorption polarizers). In the present invention a polarizing cube is used which has the property of decomposing a light with arbitrary polarization, into two linearly polarized S (reflected) and P (refracted) perpendicular components. Energetically speaking, the irradiance or energy of the incident beam, except for a loss factor, is divided between the two components S and P.
La luz polarizada linealmente, al incidir sobre determinadas sustancias puede desviar el ángulo de su plano de polarización. Este fenómeno de dispersión se debe a la interacción de los fotones con la estructura molecular de las superficies (sólidos), o de las moléculas individuales (gases). La longitud de onda del fotón impactante es un parámetro determinante en el proceso. Linear polarized light, when affecting certain substances, can deviate the angle of its polarization plane. This dispersion phenomenon is due to the interaction of photons with the molecular structure of surfaces (solids), or of individual molecules (gases). The wavelength of the impacting photon is a determining parameter in the process.
En la presente invención importa la evolución del ángulo del plano de polarización de un haz láser cuando éste atraviesa el aire. El aire atmosférico está formado por una mezcla de gases y de partículas en suspensión que pueden interaccionar con un haz láser polarizado generando fenómenos de dispersión y desplazamientos en su plano de polarización. Para ello, en el sistema duplexor óptico presentado, se incluyen divisores de haz y sensores que permiten analizar la desviación del plano de polarización con el fin de determinar la influencia de las componentes de la atmósfera sobre el propio haz. In the present invention the evolution of the angle of the polarization plane of a laser beam when it passes through the air matters. Atmospheric air is formed by a mixture of gases and suspended particles that can interact with a polarized laser beam generating dispersion phenomena and displacements in their polarization plane. To do this, in the presented optical duplexer system, beam splitters and sensors are included that allow analyzing the deviation of the polarization plane in order to determine the influence of the components of the atmosphere on the beam itself.
También es conocido que los haces láser se caracterizan por tener una gran diredividad, coherencia e irradiancia. Dependiendo del modo de vibración del láser, en términos generales, la irradiancia sigue una distribución estadística tipo 'GaussHermite' (Distribución cuasi gaussiana) en láseres monomodo y tipo 'Gauss-Laguerre' (Distribución anular en pétalos) en láseres multimodo. It is also known that laser beams are characterized by great directivity, coherence and irradiance. Depending on the vibration mode of the laser, in general terms, the irradiance follows a statistical distribution type 'GaussHermite' (Quasi Gaussian distribution) in single-mode lasers and type 'Gauss-Laguerre' (Annular distribution in petals) in multimode lasers.
La coherencia del haz nos delimita su capacidad dispersiva. Así, el ángulo de divergencia e en radianes de un haz láser depende de su apertura D y de su longitud de onda JI. según la expresión: The coherence of the beam delimits its dispersive capacity. Thus, the angle of divergence e in radians of a laser beam depends on its aperture D and its wavelength JI. according to the expression:
8 = 8 =
2it (1 )2it (1)
nD nD
Este ángulo define un tronco cono dentro del cual el haz diverge. Igualmente, la apertura del sistema óptico que procesa el láser viene condicionada por la existencia de difracción. Si las aperturas son circulares, en el campo lejano se producen los denominados anillos de Airy que dispersan la energía en forma de nodos y vientres de acuerdo con una función tipo sinc (senx/x). Se trata de la difracción de campo lejano o de Fraunhofer que empieza a producirse a distancias que dependen del diámetro de la apertura D y de la longitud de onda JI. empleada. Así, el cero del primer anillo de altura h ocurre aproximadamente a una distancia d de: This angle defines a cone trunk within which the beam diverges. Likewise, the opening of the optical system that processes the laser is conditioned by the existence of diffraction. If the openings are circular, in the far field the so-called Airy rings are produced that disperse the energy in the form of nodes and bellies according to a sinc (sinx / x) type function. It is the far-field or Fraunhofer diffraction that begins to occur at distances that depend on the diameter of the aperture D and the wavelength JI. employee. Thus, the zero of the first ring of height h occurs approximately at a distance d of:
d hD (2)d hD (2)
'"V '"V
- --
- 1.22it 1.22it
Con sistemas ópticos de aperturas de varios centímetros y longitudes de onda With optical systems of apertures of several centimeters and wavelengths
en el rango del infrarrojo, la difracción de Fraunhofer ocurre a distancias mayores de In the infrared range, Fraunhofer diffraction occurs at distances greater than
10km. 10km
Desde el punto de vista de la energía luminosa procesada por un sistema óptico, su diseno debe tener en cuenta la distribución concreta de la energía de la luz que procesa y el balance de pérdidas energéticas que se producen en todo el sistema óptico. La eficiencia energética del sistema óptico se medirá comparando la energía empleada frente a la procesada, tanto la transmitida como la recibida. From the point of view of the light energy processed by an optical system, its design must take into account the concrete distribution of the energy of the light it processes and the balance of energy losses that occur throughout the optical system. The energy efficiency of the optical system will be measured by comparing the energy used against that processed, both transmitted and received.
La invención que se presenta hace uso de un reflector catadióptrico caracterizado por su pequeño tamaño y bajo coste pero con gran distancia focal necesaria para tener un campo de visión pequeño sin perturbaciones de otros fenómenos ópticos del entorno. Los reflectores catadióptricos hacen uso de lentes y espejos combinados permitiendo que la luz que procesan incida sobre aperturas con forma de corona circular. Poseen una zona de sombra central debido a la disposición de su espejo secundario. Así, si queremos usar un reflector catadióptrico para transmitir y recibir energía luminosa de forma eficiente mediante láser, la distribución energética o irradiancia de éstos deberá tener forma de corona circular o anular. The invention presented makes use of a catadioptric reflector characterized by its small size and low cost but with a large focal length necessary to have a small field of view without disturbances of other optical phenomena in the environment. Catadioptric reflectors make use of lenses and mirrors combined allowing the light they process to impact openings in the shape of a circular crown. They have a central shadow zone due to the arrangement of their secondary mirror. Thus, if we want to use a catadioptric reflector to transmit and receive light energy efficiently by laser, the energy distribution or irradiance of these must have the shape of a circular or annular crown.
Existe la posibilidad de transformar la energía transmitida por un láser con distribución gaussiana en una distribución anular mediante el uso de una lente con forma cónica denomina 'axicón' o bien hacer uso de láseres multimodo con distribución de energía en forma de corona circular o anular que siguen una distribución de Gauss-Laguerre (Iáseres L-G). En esta invención se presenta una realización del sistema duplexor óptico con un láser con distribución de energía anular del tipo L-G basándonos en dispositivos VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emiting Laser), porque además de ésta característica fundamental, son dispositivos que soportan mayores márgenes térmicos que los láseres tradicionales y una vida media de funcionamiento mucho mayor (>150.000 horas). There is the possibility of transforming the energy transmitted by a laser with Gaussian distribution into an annular distribution by using a conical shaped lens called 'axicon' or using multimode lasers with energy distribution in the form of a circular or annular crown that they follow a distribution of Gauss-Laguerre (Iáseres LG). In this invention an embodiment of the optical duplexer system is presented with a laser with annular energy distribution of the LG type based on VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emiting Laser) devices, because in addition to this fundamental characteristic, they are devices that support higher thermal margins than traditional lasers and a much longer half-life (> 150,000 hours).
Los partidores de haces luminosos basados en prismas o láminas semitransparentes polarizantes o no polarizantes se han venido utilizando en el campo de la óptica desde hace décadas. La luz polarizada se utiliza de forma regular en espectroscopia y las ondas electromagnéticas polarizadas en transmisión de señales moduladas (televisión o satélite). La transmisión óptica por fibra o en espacio libre de luz polarizada es poco utilizada porque las aplicaciones y los métodos existentes no han requerido esta posibilidad. Light beam splitters based on semi-transparent polarizing or non-polarizing prisms or sheets have been used in the field of optics for decades. Polarized light is used regularly in spectroscopy and polarized electromagnetic waves in the transmission of modulated signals (television or satellite). Optical transmission by fiber or in polarized light free space is little used because existing applications and methods have not required this possibility.
En el momento en que nos planteamos transmitir y recibir señales luminosas moduladas de forma simultánea por un único eje óptico, es cuando puede considerarse el uso de luz polarizada porque ésta permite su redirección en distintos caminos. Nos ahorramos así doblar el sistema óptico (uno para transmisión y otro para recepción), a la vez que simplificamos el proceso mecánico de alineamiento: No hay que alinear dos haces (el transmitido y el recibido), sino, aparentemente, uno solo ya que los dos viajan por el mismo eje. At the moment in which we consider transmitting and receiving light signals modulated simultaneously by a single optical axis, it is when the use of polarized light can be considered because it allows its redirection in different paths. We save ourselves thus doubling the optical system (one for transmission and the other for reception), while simplifying the mechanical alignment process: We must not align two beams (the transmitted and the received), but, apparently, only one as The two travel along the same axis.
Por tanto, esta invención resuelve el problema técnico del uso de dos sistemas ópticos diferentes sustituyéndolos por un solo sistema óptico proporcionando así ventajas para la reducción de costes de la óptica empleada, para la simplificación de la mecánica de alineamiento y para el aumento de la eficiencia en la captación de los haces. Therefore, this invention solves the technical problem of using two different optical systems by replacing them with a single optical system thus providing advantages for the cost reduction of the optics employed, for the simplification of alignment mechanics and for increasing efficiency. in the acquisition of the beams.
Descripción de la invención Description of the invention
En esta invención se presenta un aparato duplexor óptico para la transmisión y recepción de haces láser con irradiancia anular y polarizados linealmente en dos planos perpendiculares que se propagan de forma bidireccional sobre un único eje óptico. In this invention an optical duplexer apparatus is presented for the transmission and reception of laser beams with annular irradiance and linearly polarized in two perpendicular planes that propagate bidirectionally on a single optical axis.
El objeto de la invención es la optimización de la energía luminosa transmitidarecibida y la simplificación de la estructura mecánica del sistema óptico en aparatos de guiado, simplificando a la vez el procedimiento de alineamiento. The object of the invention is the optimization of the transmitted light energy received and the simplification of the mechanical structure of the optical system in guiding devices, while simplifying the alignment procedure.
El aparato consta de un reflector catadióptrico que transmite y recibe haces láser polarizados que son dirigidos, de acuerdo con su sentido y estado de polarización, al exterior (haz transmitido), o al interior (haz recibido), mediante un cubo polarizador partidor de haz, espejos y lentes. The apparatus consists of a catadioptric reflector that transmits and receives polarized laser beams that are directed, according to their direction and polarization state, to the outside (transmitted beam), or inside (received beam), by means of a beam splitting polarizing cube , mirrors and lenses.
El haz láser transmitido, guiado por un espejo, se hace pasar por un cubo partidor de haz polarizante que permite la división del haz en dos haces perpendiculares polarizados linealmente. Si el láser se encuentra polarizado total o parcialmente, éste debe orientarse de manera que el cubo refleje la máxima componente S. La componente reflejada es adaptada mediante una lente divergente para adecuar el haz al plano focal del reflector de forma que éste transmita toda la energía con pérdidas mínimas. La distribución energética del haz láser que minimiza la energía transmitida debe ser de característica anular. El láser transmitido se encuentra polarizado linealmente en un plano bien definido. The transmitted laser beam, guided by a mirror, is passed through a splitting beam cube that allows the beam to be divided into two linearly polarized perpendicular beams. If the laser is totally or partially polarized, it must be oriented so that the cube reflects the maximum S component. The reflected component is adapted by means of a divergent lens to adapt the beam to the focal plane of the reflector so that it transmits all the energy With minimal losses. The energy distribution of the laser beam that minimizes the transmitted energy must be annular. The transmitted laser is linearly polarized in a well defined plane.
El haz láser recibido procede de un duplexor homólogo que envía igualmente un haz polarizado linealmente pero en un plano perpendicular al haz láser transmitido. Éste atraviesa el mismo reflector catadióptrico y se adapta mediante la misma lente divergente pasando por el mismo cubo polarizador que identifica una componente refractada P'. La componente refractada (recibida), sigue un camino óptico distinto a la reflejada S (transmitida), pasando por un espejo de guiado e incidiendo sobre el sistema óptico del receptor. The received laser beam comes from a homologous duplexer that also sends a linearly polarized beam but in a plane perpendicular to the transmitted laser beam. This crosses the same reflector catadióptrico and adapts by means of the same divergent lens passing through the same polarizing cube that identifies a refracted component P '. The refracted (received) component follows an optical path different from the reflected S (transmitted), passing through a guiding mirror and affecting the receiver's optical system.
El haz láser transmitido es generado por un láser de estado sólido con irradiancia anular que se encuentra térmicamente controlado y modulado mediante los circuitos electrónicos de un transmisor. El láser es colimado mediante una lente asférica antes de ser dirigido hacia el cubo polarizador. The transmitted laser beam is generated by a solid-state laser with annular irradiance that is thermally controlled and modulated by the electronic circuits of a transmitter. The laser is collimated by an aspherical lens before being directed towards the polarizing cube.
El haz láser recibido es procesado por un sistema óptico consistente en una lente convergente que proyecta el haz sobre una lente hemisférica que se encuentra adosada a una fibra óptica de polímero que conduce la energía luminosa hacia un fotodiodo de avalancha igualmente, térmicamente controlado, y amplificado con circuitos electrónicos de gran sensibilidad. The received laser beam is processed by an optical system consisting of a converging lens that projects the beam onto a hemispherical lens that is attached to a polymer optical fiber that conducts light energy to an equally, thermally controlled, and amplified avalanche photodiode. with electronic circuits of great sensitivity.
El haz láser recibido, aunque posee mayoritariamente una componente refractada P', en su viaje por el espacio libre ha colisionado con moléculas y partículas en suspensión que, por dispersión, han alterado ligeramente el plano de polarización recibido. Así, se reciben en realidad dos componentes, una de gran intensidad P' y otra de menor intensidad S'. Una porción (en la realización preferida un 10%) de las componentes P' y S' recibidas son recogidas por dos fotodiodos mediante dos partidores de haz del tipo 90%-10%; esto es, refractan el 90% de la luz recibida y reflejan el 10%. Las porciones recogidas por los dos fotodiodos contienen información sobre la intensidad y la desviación del plano de polarización. Estas se corresponden con las componentes del vector campo ortogonales del haz recibido. The received laser beam, although it mostly has a refracted component P ', in its journey through free space has collided with molecules and particles in suspension that, by dispersion, have slightly altered the received polarization plane. Thus, two components are actually received, one of great intensity P 'and one of less intensity S'. A portion (in the preferred embodiment 10%) of the components P 'and S' received are collected by two photodiodes by two beam splitters of the 90% -10% type; that is, they refract 90% of the light received and reflect 10%. The portions collected by the two photodiodes contain information about the intensity and deviation of the polarization plane. These correspond to the components of the orthogonal field vector of the received beam.
Si llamamos p' y s' a las componentes de irradiancia recibida, podremos calcular su módulo 1: If we call the received irradiance components p 'and s', we can calculate its module 1:
(3) (3)
y su argumento a a = tan-1 -SI (4) and his argument to a = tan-1 -SI (4)
PI PI
Si comparamos el módulo I con la irradiancia transmitida en origen podremos estimar la densidad de elementos de dispersión existentes en la atmósfera. El argumento a nos proporciona el tipo de elemento dispersor. Estas cantidades son dependientes del tiempo y una función directa del estado atmosférico (densidades de CO2, vapor de agua H20, partículas en suspensión orgánicas (pólenes, orgánulos) e inorgánicas (carbono, sílice), etc.). If we compare module I with the irradiance transmitted at source, we can estimate the density of dispersion elements in the atmosphere. The argument a gives us the type of dispersing element. These quantities are time dependent and have a direct function of the atmospheric state (CO2 densities, water vapor H20, organic suspended particles (pollens, organelles) and inorganic (carbon, silica), etc.).
La información obtenida por el analizador atmosférico nos será útil para evaluar la atenuación de la señal recibida y su relación señal/ruido. En efecto, los elementos dispersivos de la atmósfera desvían y cambian el plano de polarización de algunos fotones haciendo que éstos fotones dispersos no lleguen o lleguen en un plano de polarización distinto al del receptor disminuyendo así la intensidad de la señal recibida y su relación señal/ruido. Evaluada ésta dispersión, se podrá actuar para compensarla aumentando la potencia del haz transmitido o la sensibilidad del receptor. A la vez se podrá tener información sobre los elementos dispersantes de la atmósfera que podrá utilizarse para evaluar las características del aire y sus elementos en una situación meteorológica determinada. The information obtained by the atmospheric analyzer will be useful to evaluate the attenuation of the received signal and its signal-to-noise ratio. In fact, the dispersive elements of the atmosphere deflect and change the polarization plane of some photons causing these dispersed photons not to arrive or arrive in a polarization plane different from that of the receiver, thus decreasing the intensity of the received signal and its signal / noise. Once this dispersion has been evaluated, action can be taken to compensate it by increasing the power of the transmitted beam or the sensitivity of the receiver. At the same time, it will be possible to have information on the dispersing elements of the atmosphere that can be used to evaluate the characteristics of the air and its elements in a given meteorological situation.
8reve descripción de los dibujos 8 brief description of the drawings
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta. A series of drawings that help to better understand the invention and that expressly relate to an embodiment of said invention which is presented as a non-limiting example thereof is described very briefly below.
Las Figuras 1A, 18 Y 1 e muestran distintas vistas del aparato duplexor óptico objeto de la presente invención. Figures 1A, 18 and 1 show different views of the optical duplexer apparatus object of the present invention.
Las Figuras 2A y 28 representan el aparato duplexor sobre un aparato de guiado con un transmisor láser y un receptor con termorreguladores y analizador atmosférico. Figures 2A and 28 represent the duplexer apparatus on a guidance apparatus with a laser transmitter and a receiver with thermoregulators and atmospheric analyzer.
Las Figuras 3A y 38 representan el aparato duplexor con dos vistas de la disposición de los componentes ópticos para la división del haz transmitido y recibido. Figures 3A and 38 represent the duplexer apparatus with two views of the arrangement of the optical components for the division of the transmitted and received beam.
La Figura 4 muestra una sección del aparato duplexor óptico mostrando los elementos y partes del reflector catadióptrico transmisor-receptor y los tres ejes ópticos. Figure 4 shows a section of the optical duplexer apparatus showing the elements and parts of the transceiver transceiver reflector and the three optical axes.
La Figura 5A y 58 ilustran el camino de los haces transmitidos y recibidos diferenciando las componentes refractadas y reflejadas según las procesa el cubo polarizador. Figure 5A and 58 illustrate the path of the transmitted and received beams differentiating the refracted and reflected components as processed by the polarizing cube.
La Figura 6A y 68 muestran dos características de irradiancia anular válidas para transmisión-recepción eficiente del aparato duplexor óptico objeto de la presente invención. Figure 6A and 68 show two annular irradiance characteristics valid for efficient transmission-reception of the optical duplexer apparatus object of the present invention.
La Figura 7A y 78 muestran el mecanismo de enfoque de la lente divergente del duplexor y el soporte ajustable de los espejos de primera superficie y cubo polarizador. Figure 7A and 78 show the focusing mechanism of the divergent lens of the duplexer and the adjustable support of the first surface mirrors and polarizing hub.
Las Figuras 8A y 88 muestran los detalles de las monturas seccionadas de la óptica del transmisor y el receptor. Figures 8A and 88 show the details of the sectional frames of the transmitter and receiver optics.
La Figura 9 muestra una vista seccionada de los soportes de los partidores de haz con los fotodiodos sensores. Figure 9 shows a sectional view of the supports of the beam splitters with the sensor photodiodes.
Descripción detallada de la invención Detailed description of the invention
En esta invención se presenta un aparato duplexor óptico que se caracteriza por procesar dos haces láser polarizados linealmente en dos planos perpendiculares que se propagan de forma bidireccional sobre un único eje óptico. El aparato duplexor óptico 1, mostrado en diferentes vistas en las Figuras 1A, 18 Y 1C, está constituido por un tubo reflector catadióptrico 5 adosado a una caja o carcasa 6 rectangular que contiene los elementos ópticos y mecánicos para un transmisor láser 51, un receptor 52, ambos con termorregulación (50-50'), y un analizador atmosférico 54 tal como muestran las Figuras 2A y 28. El conjunto, salvo el receptor, se sostiene en un aparato de guiado 53 que permite el movimiento acimutal y de elevación con precisión micrométrica. Los haces láser transmitidos 2 y recibidos 2' salen y entran del tubo reflector catadióptrico 5 por la ventana 4 de forma de corona con un círculo central opaco 3. En la parte inferior de la caja 6 se encuentra el tornillo 7 que ajusta la posición del espejo primario del reflector 5. Toda la estructura metálica está construida en aluminio: tubo reflector catadióptrico 5 y caja 6 con un recubrimiento antirreflejo. La caja 6 además, está cubierta interiormente por fieltro absorbente. This invention presents an optical duplexer apparatus characterized by processing two linearly polarized laser beams in two perpendicular planes that propagate bidirectionally on a single optical axis. The optical duplexer 1, shown in different views in Figures 1A, 18 and 1C, is constituted by a catadioptric reflector tube 5 attached to a rectangular box or housing 6 containing the optical and mechanical elements for a laser transmitter 51, a receiver 52, both with thermoregulation (50-50 '), and an atmospheric analyzer 54 as shown in Figures 2A and 28. The assembly, except the receiver, is held in a guiding apparatus 53 that allows azimuthal and elevation movement with micrometric accuracy The transmitted and received 2 'laser beams exit and enter the catadioptric reflector tube 5 through the crown-shaped window 4 with an opaque central circle 3. On the bottom of the box 6 is the screw 7 that adjusts the position of the primary reflector mirror 5. The entire metal structure is constructed of aluminum: catadioptric reflector tube 5 and box 6 with an anti-glare coating. The box 6 is also covered internally by absorbent felt.
Las Figuras 3A y 38 muestran los elementos del sistema óptico incluidos en el interior de la caja 6. El tubo reflector catadióptrico 5 se encuentra atornillado a un soporte 8 sobre el que se adosa una base perpendicular 9 que aloja el sistema óptico del transmisor 10 Y del receptor 10', dos espejos de primera superficie 11 y 11' que dirigen respectivamente el haz transmitido y recibido, un sistema óptico partidor de haz sensor -que comprende un primer 12 y un segundo 12' partidor de haz que analizan el haz recibido-, un cubo polarizador partidor de haz 13 que separa los haces transmitidos y recibidos y, finalmente, un sistema óptico de adaptación al reflector catadióptrico basado en una lente divergente 14. Los espejos 11-11' Y el cubo polarizador 13, se encuentran instalados en soportes móviles 16 que permiten su movimiento angular en el espacio. Los espejos de primera superficie 11-11' son unos espejo especiales que generan una sola reflexión, mientras que los espejos normales hacen dos: una en la superficie espejante y otra en el cristal externo. Estos espejos solo tienen una superficie espejante de aluminio hecha por deposición de vapor. Figures 3A and 38 show the elements of the optical system included inside the box 6. The catadioptric reflector tube 5 is screwed to a support 8 on which a perpendicular base 9 is attached which houses the optical system of the transmitter 10 Y of the receiver 10 ', two first surface mirrors 11 and 11' that respectively direct the transmitted and received beam, an optical beam splitter system -which comprises a first 12 and a second 12 'beam splitter that analyze the received beam- , a beam splitting polarizing cube 13 that separates the transmitted and received beams and, finally, an optical system for adapting to the catadioptric reflector based on a divergent lens 14. The mirrors 11-11 'and the polarizing cube 13, are installed in 16 mobile supports that allow angular movement in space. The 11-11 'first surface mirrors are special mirrors that generate a single reflection, while the normal mirrors make two: one on the mirror surface and one on the outer glass. These mirrors only have a mirroring aluminum surface made by vapor deposition.
La Figura 4 muestra una sección del tubo reflector catadióptrico que cubre un plano conteniendo a los tres ejes ópticos 24, 25, 26 por los que concurren los haces transmitidos y recibidos. El reflector catadióptrico 5 y sus elementos constituyen un telescopio del tipo Maksutov-Cassegrain. Posee un espejo primario 18 con forma de corona circular y esférico en la realización presentada (podría ser elíptico), un espejo secundario 19 de forma circular y esférico adosado a una lente correctora tipo menisco 20 con dos radios de curvatura, el primero idéntico al del espejo secundario. El espejo secundario 19 genera una zona de sombra opaca 3 en el exterior del menisco 20. El espejo primario 18 está sujeto a un cilindro hueco 23 móvil que se mueve en la dirección del eje óptico por un segundo cilindro hueco 21. El cilindro móvil 23 es solidario al tornillo 7 (tornillo de enfoque), y permite ajustar la posición del espejo primario 18. El tubo hueco 21, junto con la cazoleta tronco cónica 22 impiden la entrada de haces doblemente reflejados superiores a un determinado ángulo (65 miliradianes en la realización presentada). Los haces transmitido y recibido pasan simultáneamente a través del tubo 21. Figure 4 shows a section of the catadioptric reflector tube covering a plane containing the three optical axes 24, 25, 26 through which the transmitted and received beams concur. The catadioptric reflector 5 and its elements constitute a telescope of the Maksutov-Cassegrain type. It has a primary mirror 18 with a circular and spherical crown shape in the presented embodiment (it could be elliptical), a secondary mirror 19 with a circular and spherical shape attached to a meniscus-type corrective lens 20 with two radii of curvature, the first identical to that of the secondary mirror The secondary mirror 19 generates an area of opaque shadow 3 on the outside of the meniscus 20. The primary mirror 18 is attached to a mobile hollow cylinder 23 that moves in the direction of the optical axis by a second hollow cylinder 21. The mobile cylinder 23 It is integral with the screw 7 (focusing screw), and allows adjusting the position of the primary mirror 18. The hollow tube 21, together with the conical trunk cup 22 prevents the entry of double reflected beams greater than a certain angle (65 milliadianes in the presented embodiment). The transmitted and received beams pass simultaneously through tube 21.
La distancia focal efectiva del reflector catadióptrico es función de la posición del espejo primario 18. Así, si las distancias focales del espejo primario 18 y del espejo secundario 19 son f1 y f2 respectivamente, y la distancia entre los dos espejos es 1, la distancia focal efectiva f del reflector es: The effective focal length of the catadioptric reflector is a function of the position of the primary mirror 18. Thus, if the focal distances of the primary mirror 18 and the secondary mirror 19 are f1 and f2 respectively, and the distance between the two mirrors is 1, the distance Effective focal f of the reflector is:
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En la realización presentada, la distancia focal efectiva cambia entre 700mm y 1200mm en función de la posición del espejo primario 18 de 90mm de diámetro. Así, las aperturas angulares que sustiende el reflector están entre 35 y 60 mili radianes aproximadamente. In the presented embodiment, the effective focal length changes between 700mm and 1200mm depending on the position of the primary mirror 18 of 90mm diameter. Thus, the angular openings that the reflector replaces are between 35 and 60 milli radians approximately.
El haz láser transmitido 2 producido por el diodo láser 27, tras ser colimado por el sistema óptico 10, se dirige por el eje óptico 25 hacia el espejo de primera superficie 11 donde es reflejado hacia el cubo polarizador 13. En su paso, atraviesa el primer partidor de haz 12 el cual refracta el 90% de la energía. El cubo polarizador 13 refleja el haz en su componente S hacia el eje óptico 24. La componente refractada P del haz transmitido 2 seguirá por el eje 25 absorbiéndose en la pared de la caja 6. La energía transmitida por el eje 24 depende del estado de polarización del láser utilizado. Si el haz láser se encuentra polarizado en origen, deberá orientarse mediante giro para maximizar la componente S pudiendo llegar a tener, en el mejor de los casos sin considerar pérdidas, el 90% de la energía descontando el 10% que se refleja en el primer partidor de haz 12. Si el haz láser no se encuentra polarizado en ninguna dirección, sólo será transmitido en el mejor de los casos, el 45% de la energía recibida en el cubo polarizador 13. The transmitted laser beam 2 produced by the laser diode 27, after being collimated by the optical system 10, is directed by the optical axis 25 towards the first surface mirror 11 where it is reflected towards the polarizing cube 13. In its passage, it crosses the first beam splitter 12 which refracts 90% of the energy. The polarizing hub 13 reflects the beam in its component S towards the optical axis 24. The refracted component P of the transmitted beam 2 will continue along the axis 25 being absorbed into the wall of the box 6. The energy transmitted by the axis 24 depends on the state of polarization of the laser used. If the laser beam is polarized at the source, it must be oriented by rotation to maximize the S component, being able to have, in the best case without considering losses, 90% of the energy discounting the 10% reflected in the first beam splitter 12. If the laser beam is not polarized in any direction, only 45% of the energy received in the polarizing cube 13 will be transmitted in the best case.
Tras ser focalizado por los elementos del reflector catadióptrico 5, se recibe por el eje 24 un haz láser recibido 2' polarizado linealmente y perpendicular al haz transmitido. Al atravesar el cubo polarizador 13, su componente mayoritaria P' se refracta pasando al eje óptico 26 hacia el receptor. Su componente minoritaria S' se refleja hacia el eje 25 siendo recogida el 10% de ella por el primer partidor de haz 12 en su fotodiodo. La componente mayoritaria P' se dirige por el eje óptico 26 hacia el espejo de primera superficie 11' donde el haz recibido es reflejado hacia el sistema óptico del receptor 10'. En su paso, atraviesa el segundo partidor de haz 12' en el que se refracta el 90% de la energía hacia el receptor y se desvía el 10% hacia su fotodiodo. After being focused by the elements of the catadioptric reflector 5, a received laser beam 2 'linearly polarized and perpendicular to the transmitted beam is received on axis 24. When crossing the polarizing hub 13, its major component P 'is refracted by passing the optical axis 26 towards the receiver. Its minor component S 'is reflected towards axis 25, 10% of which is collected by the first beam splitter 12 in its photodiode. The majority component P 'is directed by the optical axis 26 towards the first surface mirror 11' where the received beam is reflected towards the optical system of the receiver 10 '. In its passage, it crosses the second beam splitter 12 'in which 90% of the energy is refracted towards the receiver and 10% is diverted towards its photodiode.
Las Figuras 5A y 58 ilustran el haz transmitido y recibido en planos perpendiculares y la acción del cubo polarizador para separar las componentes transmitida S y recibida P en dos caminos diferentes. Igualmente se muestra un diagrama esquemático de los haces transmitidos-recibidos y sus componentes S y P con trazados acordes con la óptica geométrica paraxial. Figures 5A and 58 illustrate the beam transmitted and received in perpendicular planes and the action of the polarizing cube to separate the transmitted components S and received P in two different paths. Likewise, a schematic diagram of the transmitted-received beams and their components S and P are shown with lines in line with the paraxial geometric optics.
Supongamos que los haces transmitidos y recibidos se encuentran parcialmente polarizados ambos con componentes separables S y P. El haz transmitido 2SP se produce en el diodo láser 27 y es colimado por una lente asférica Suppose that the transmitted and received beams are partially polarized both with separable components S and P. The transmitted beam 2SP is produced in the laser diode 27 and is collimated by an aspherical lens.
47. En su camino atraviesa la lámina partidora de haz 48 que permite su paso en un 90% de su irradiancia. El haz transmitido 2 incide sobre el cubo polarizador 13 separando el haz en las componentes 2S y 2P. La componente 2S la refleja hacia la lente divergente 14 y el tubo reflector 5, y la componente 2P la pierde por absorción en las paredes de la caja 6. La proporción energética entre las componentes 2S y 2P dependen del láser. En el peor de los casos (no polarización), se pierde la mitad de la energía. En el mejor de los casos (polarización lineal), la componente 2P no existirá y no habrá pérdidas. La componente 2S reflejada pasa por la lente divergente adaptadora 14 que ajusta la trayectoria de los rayos para maximizar la sección del haz y minimizar las pérdidas en el tubo reflector. En su camino, incide sobre el espejo secundario 19 que refleja el haz hacia el espejo primario 18 y, éste su vez, lo refleja hacia el menisco corrector 20 propagándose finalmente al espacio libre. 47. On its way it crosses the beam splitter sheet 48 which allows its passage in 90% of its irradiance. The transmitted beam 2 strikes the polarizing hub 13 by separating the beam into components 2S and 2P. The 2S component reflects it towards the divergent lens 14 and the reflector tube 5, and the 2P component loses it by absorption in the walls of the box 6. The energy ratio between the 2S and 2P components depends on the laser. In the worst case (no polarization), half of the energy is lost. In the best case (linear polarization), the 2P component will not exist and there will be no losses. The reflected 2S component passes through the divergent adapter lens 14 that adjusts the path of the rays to maximize the beam section and minimize losses in the reflector tube. On its way, it affects the secondary mirror 19 that reflects the beam towards the primary mirror 18 and, this in turn, reflects it towards the corrective meniscus 20 finally spreading into the free space.
El haz recibido 2'SP proveniente del espacio libre desde un duplexor homólogo girado 90° (con componente P mayoritaria), y situado a gran distancia con una sección igual al diámetro del tubo reflector 5, entra por el menisco corrector 20, incide sobre el espejo primario 18 que lo refleja al espejo secundario 19 y, este a su vez, lo refleja hacia la lente divergente 14 colimándolo y haciéndolo incidir de nuevo sobre el cubo polarizador 13. El cubo polarizador separa las componentes mayoritaria 2'P refractada y minoritaria 2'S reflejada dirigiendo la primera hacia la lente convergente 43 focalizando la energía en la lente hemisférica 44. La componente 2'S minoritaria se dirige hacia la lámina partidora de haz 48 reflejándose el 10% de su irradiancia hacia un fotodiodo analizador. La componente 2'P mayoritaria pasa por la lámina partidora 48' refractando el 90% del haz hacia la lente convergente 43 y reflejando el 10% hacia el fotodiodo analizador. The received 2'SP beam from the free space from a homologous duplexer rotated 90 ° (with majority P component), and located at a great distance with a section equal to the diameter of the reflector tube 5, enters through the correction meniscus 20, affects primary mirror 18 which reflects it to the secondary mirror 19 and, in turn, reflects it towards the divergent lens 14 colliding it and causing it to strike again on the polarizing cube 13. The polarizing cube separates the major components 2'P refracted and minority 2'S reflected by directing the first towards the converging lens 43 focusing the energy on the hemispherical lens 44. The minor component 2'S is directed towards the beam splitting sheet 48 reflecting 10% of its irradiance towards an analyzer photodiode. The majority 2'P component passes through the splitter sheet 48 'refracting 90% of the beam towards the converging lens 43 and reflecting 10% towards the analyzer photodiode.
Para minimizar las pérdidas, las distribuciones de energía incidentes deben ser de forma anular. Para evitar la sombra producida por la posición del espejo secundario 19, la irradiancia de la energía incidente y transmitida deben tener forma de corona circular. Los diámetros mayor y menor de la corona deben coincidir con el diámetro del espejo primario y secundario respectivamente. En la realización presentada ambos diámetros son de 90mm y 30mm. Las Figuras 6A y 68 muestran distribuciones de energía anular válidas para la transmisión y recepción con el duplexor óptico presentado. La primera es característica de un láser VCSEL multimodo con forma de pétalos radiales y la segunda es característica de un láser tipo F-P procesado por una lente axicón. Sin restar generalidad, en la realización presentada se ha hecho uso de un láser VCSEL multimodo con la distribución de irradiancia mostrada en la figura 6A. To minimize losses, incident energy distributions must be void. To avoid the shadow produced by the position of the secondary mirror 19, the irradiance of the incident and transmitted energy must be shaped like a circular crown. The major and minor crown diameters must match the diameter of the primary and secondary mirror respectively. In the embodiment presented both diameters are 90mm and 30mm. Figures 6A and 68 show annular energy distributions valid for transmission and reception with the optical duplexer presented. The first is characteristic of a multimode VCSEL laser in the form of radial petals and the second is characteristic of an F-P type laser processed by an axon lens. Without subtracting generality, in the presented embodiment, a multimode VCSEL laser has been used with the irradiance distribution shown in Figure 6A.
Las pérdidas energéticas deben minimizarse utilizando dispositivos ópticos con recubrimientos antirreflejantes, sintonizados a la frecuencia de trabajo. Así, la interacción del haz láser en su viaje con cada uno de los elementos ópticos que lo procesan, genera un factor de pérdidas P global (0<P<1), resultado de la contribución de cada uno de ellos. Si las pérdidas aportadas por el elemento i de la cadena óptica es Pi y existen 1,2,3 ... n elementos en la cadena, la pérdida total P en la cadena será: Energy losses should be minimized using optical devices with anti-reflective coatings, tuned to the working frequency. Thus, the interaction of the laser beam in its journey with each of the optical elements that process it, generates a global loss factor P (0 <P <1), resulting from the contribution of each of them. If the losses contributed by the element i of the optical chain is Pi and there are 1,2,3 ... n elements in the chain, the total loss P in the chain will be:
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En el camino del haz transmisor hay nueve elementos ópticos: 27, 47, 11, 48, 13, 14, 19, 18 Y 20. En el camino del haz receptor hay también nueve elementos: 20, 18, 19, 14, 13, 11', 48', 43 Y 44. En la realización presentada todos los elementos In the path of the transmitting beam there are nine optical elements: 27, 47, 11, 48, 13, 14, 19, 18 and 20. In the path of the receiving beam there are also nine elements: 20, 18, 19, 14, 13, 11 ', 48', 43 and 44. In the embodiment presented all the elements
ópticos poseen pérdidas menores del 2%. Así según la expresión (6), el factor de pérdidas en transmisión y en recepción es inferior al 16%. Las Figuras 7 A Y 7B muestran respectivamente las monturas móviles de la lente divergente 14 y de los espejos de primera superficie (11-11 ') Y cubo polarizador Opticians have losses of less than 2%. Thus, according to expression (6), the transmission and reception loss factor is less than 16%. Figures 7 A and 7B show respectively the movable mounts of the divergent lens 14 and the first surface mirrors (11-11 ') and polarizing hub
13. La arandela 29 sujeta la lente 14 al tubo móvil 28 con cajera para la lente que se desliza sobre el tubo 15. Los cilindros 31 (hueco sin rosca) y 30 (roscado), están adosados a los tubos 15 y 28 respectivamente de manera que se mueven solidariamente con ellos. La base 36 está fijada al tubo externo 15 y a la base principal 13. The washer 29 fastens the lens 14 to the movable tube 28 with a lens pocket that slides over the tube 15. The cylinders 31 (hollow without thread) and 30 (threaded) are attached to the tubes 15 and 28 respectively of so that they move in solidarity with them. The base 36 is fixed to the outer tube 15 and the main base
9. El tubo 15 posee una ranura 33 por la que se desliza el cilindro 30 solidario con el tubo 28. El tornillo 35 con cabeza de gran diámetro (mando de ajuste), y paso de rosca de 0.5mm en la realización presentada, es pasante al cilindro 31 y roscado al 30. Entre los dos cilindros y el eje del tornillo se sitúa el muelle 34. La base de funcionamiento es la siguiente: el muelle 34 ejerce una fuerza sobre el cilindro 30 que hace desplazar al tubo 28 y a la lente solidaria 14 hacia el exterior. La posición de la lente depende de la longitud de tornillo roscada en 30. Teniendo en cuenta el paso de rosca empleado, en una vuelta del mando 35 la lente se desplaza 0.5mm. El recorrido total en la realización es de 15mm (30 vueltas). 9. The tube 15 has a groove 33 through which the cylinder 30 integral with the tube 28 slides. The screw 35 with large diameter head (adjustment knob), and 0.5mm thread pitch in the presented embodiment, is through the cylinder 31 and threaded to 30. Between the two cylinders and the axis of the screw is the spring 34. The operating base is as follows: the spring 34 exerts a force on the cylinder 30 which makes the tube 28 and the solidarity lens 14 outwards. The position of the lens depends on the screw thread length of 30. Taking into account the thread pitch used, in one turn of the control 35 the lens moves 0.5mm. The total travel in the realization is 15mm (30 turns).
Por otro lado, el soporte 16 de los espejos (11-11 ') Y cubo polarizador 13, mostrado en la Figura 78, es un soporte óptico estándar basado en la modificación de la posición de una superficie rectangular 37 cuyo plano puede cambiar en el espacio con la posición de dos tornillos de ajuste 38-38' situados en la diagonal del rectángulo. La superficie rectangular 37 se fija a través del tornillo 39 y el muelle 40 que la tensa con fuerza sobre los dos tornillos de ajuste. Los tornillos de ajuste 38-38' poseen un paso de rosca fino (0.25mm/vuelta en la realización) que permiten mover la superficie rectangular 37 con precisión del mili radián. En la superficie rectangular 37 se adosan los espejos 11-11' y el cubo 13. Todos estos ajustes se realizan una sola vez con el fin de dirigir adecuadamente los haces transmitido y recibido. Una vez realizados, los tornillos 35, 38 Y 38' se fijan con pegamento o lacre. On the other hand, the support 16 of the mirrors (11-11 ') and polarizing hub 13, shown in Figure 78, is a standard optical support based on the modification of the position of a rectangular surface 37 whose plane can change in the space with the position of two adjusting screws 38-38 'located on the diagonal of the rectangle. The rectangular surface 37 is fixed through the screw 39 and the spring 40, which tensiones it tightly on the two adjustment screws. The adjusting screws 38-38 'have a fine thread pitch (0.25mm / turn in the embodiment) that allow the rectangular surface 37 to be moved precisely with the radian milli. Mirrors 11-11 'and hub 13 are attached to the rectangular surface 37. All these adjustments are made only once in order to properly direct the transmitted and received beams. Once made, the screws 35, 38 and 38 'are fixed with glue or sealing.
Las Figuras 8A y 8B muestran los sistemas ópticos de transmisión 10 Y recepción 10', respectivamente. El sistema óptico del transmisor 10 tiene como objetivo colimar el haz láser generado por el diodo láser de estado sólido 27 que se encuentra encapsulado y emitiendo sobre una fina ventana óptica de vidrio (8K7 en esta realización). La lente 47 se fija sobre un cilindro roscado 46 que gira en su rosca con el cilindro 45 (0.5mm/vuelta en la realización). La lente 47 es asférica con recubrimiento antirreflejo y permite, una vez ajustada la posición del láser emisor en su plano focal, transformar el haz generado en un haz paralelo de pequeña sección (4mm de diámetro en la realización). El diámetro de la lente asférica deberá ser lo suficientemente grande como para no generar pérdidas en el haz recogido y para no producir fenómenos difractivos (6mm de diámetro en la realización). El diodo láser 27 se encuentra encapsulado en la carcasa del sistema óptico del transmisor 10 que forma parte del sistema de termorregulación 50 siendo modulado por los circuitos electrónicos del transmisor 51. Figures 8A and 8B show the optical transmission systems 10 and reception 10 ', respectively. The optical system of the transmitter 10 aims to collimate the laser beam generated by the solid-state laser diode 27 that is encapsulated and emitted on a thin glass optical window (8K7 in this embodiment). The lens 47 is fixed on a threaded cylinder 46 that rotates in its thread with the cylinder 45 (0.5mm / turn in the embodiment). The lens 47 is aspherical with anti-reflective coating and allows, after adjusting the position of the emitting laser in its focal plane, to transform the generated beam into a parallel beam of small section (4mm in diameter in the embodiment). The diameter of the aspherical lens should be large enough not to generate losses in the collected beam and not to produce diffractive phenomena (6mm in diameter in the embodiment). The laser diode 27 is encapsulated in the housing of the optical system of the transmitter 10 which is part of the thermoregulation system 50 being modulated by the electronic circuits of the transmitter 51.
El sistema óptico del receptor 10' posee tres elementos ópticos: una lente convergente 43, una lente hemisférica 44, ambas con recubrimiento antirreflejo, y una fibra óptica de polímero flexible 17. Por las características del sistema óptico presentado, el haz láser recibido se presenta como un haz paralelo de sección similar al transmitido. La lente colectora 43 focal iza el haz recibido en una lente hemisférica 44 pegada a una fibra óptica de polímero 17. El conjunto adapta la energía recibida para que sea recogida en prácticamente su totalidad. Por un lado, el haz es focalizado por la lente colectora 43 en una lente semiesférica (hemisférica) 44 que capta todos los haces recibidos con independencia de su ángulo en media esfera lenticular de 2.25mm de diámetro. Una fibra óptica de polímero 17 recoge la energía para dirigirla hacia el fotodiodo de avalancha del receptor. La flexibilidad de la fibra y sus bajas pérdidas permite situar los circuitos del receptor 52 y el sistema de termorregulación del fotodiodo 50' a una cierta distancia del conjunto permitiendo la movilidad. The optical system of the receiver 10 'has three optical elements: a converging lens 43, a hemispherical lens 44, both with anti-reflective coating, and a flexible polymer optical fiber 17. Due to the characteristics of the presented optical system, the received laser beam is presented as a parallel beam of section similar to that transmitted. The focal collector lens 43 raises the received beam in a hemispherical lens 44 attached to a polymer optical fiber 17. The assembly adapts the received energy so that it is collected almost entirely. On the one hand, the beam is focused by the collecting lens 43 on a hemispherical (hemispherical) lens 44 that captures all received beams irrespective of their angle in a half-lenticular sphere of 2.25mm in diameter. A polymer optical fiber 17 collects the energy to direct it towards the avalanche photodiode of the receiver. The flexibility of the fiber and its low losses makes it possible to place the circuits of the receiver 52 and the thermoregulation system of the photodiode 50 'at a certain distance from the assembly allowing mobility.
Finalmente, la Figura 9 muestra la estructura del sistema óptico partidor de haz sensor del analizador atmosférico 54. El objeto de estos sensores es recoger una porción del haz recibido (10%) en sus componentes P (mayoritaria) y 8 (minoritaria), como consecuencia de los fenómenos de dispersión con la atmósfera. Finally, Figure 9 shows the structure of the optical beam splitting system of the atmospheric analyzer 54. The purpose of these sensors is to collect a portion of the received beam (10%) in its P (majority) and 8 (minor) components, as consequence of the phenomena of dispersion with the atmosphere.
Cada partidor de haz (12,12') del sistema óptico partidor de haz sensor consta de un soporte que aloja una lámina partidora de haz (48,48') 90%-10% que presenta un ángulo de 45° sobre la base. Vista la sección del sistema en la Figura 9, si el haz incide de derecha a izquierda, refleja el 10% de su irradiancia hacia el fotodiodo sensor (49,49'). El 90% restante se refracta y sigue su camino hacia el sistema óptico de recepción 10' (segundo partidor de haz 12') y hacia el sistema óptico de transmisión 10 (primer partidor de haz 12). Each beam splitter (12,12 ') of the optical beam splitter system consists of a support that houses a beam splitter sheet (48,48') 90% -10% that has an angle of 45 ° on the base. Having seen the section of the system in Figure 9, if the beam strikes from right to left, it reflects 10% of its irradiance towards the sensor photodiode (49.49 '). The remaining 90% is refracted and continues on its way to the optical reception system 10 '(second beam splitter 12') and to the optical transmission system 10 (first beam splitter 12).
La porción 2'8 se corresponde con la energía minoritaria recibida por los fotones dispersos por componentes del aire tales como el vapor de agua o CO2 . Esta componente se refleja en un 10% de su energía (2's) en la lámina 48 siendo recogida por el fotodiodo 49. La porción 2'P se corresponde con la energía mayoritaria recibida no dispersa. Su 10% se refleja en la lámina 48' siendo recogida por el fotodiodo 49'. El 90% de la porción 2'S se pierde. El 90% de la porción 2'P es recogida por el sistema óptico del receptor 10'. The 2'8 portion corresponds to the minor energy received by the photons dispersed by air components such as water vapor or CO2. This component is reflected in 10% of its energy (2's) in the sheet 48 being collected by photodiode 49. The 2'P portion corresponds to the majority energy received not dispersed. Its 10% is reflected in sheet 48 'being collected by photodiode 49'. 90% of the 2'S portion is lost. 90% of the 2'P portion is collected by the optical system of the 10 'receiver.
Los fotodiodos sensores (49-49'), son de gran área activa y reciben la totalidad de las componentes 2's (minoritaria) y 2'p (mayoritaria) (las minúsculas representan el 10% de la energía recibida), de manera que, tras el procesado de las señales mediante amplificación, muestreo y tratamiento digital, se obtiene una medida de las pérdidas por dispersión según el cómputo de la ecuación (3) y una medida del tipo de partícula dispersiva según el cómputo de la ecuación (4) en un histograma angular dependiente del tiempo. The sensor photodiodes (49-49 '), are of large active area and receive all the components 2's (minority) and 2'p (majority) (the lowercase represent 10% of the energy received), so that, after the processing of the signals by amplification, sampling and digital treatment, a measurement of the dispersion losses is obtained according to the computation of equation (3) and a measure of the type of dispersive particle according to the computation of equation (4) in a time dependent angular histogram.
Claims (11)
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- un tubo reflector catadióptrico (5) para la recepción del haz láser recibido (2') y la transmisión del haz láser transmitido (2); a catadioptric reflector tube (5) for the reception of the received laser beam (2 ') and the transmission of the transmitted laser beam (2);
- • •
- un sistema óptico que comprende: an optical system comprising:
- o un prisma polarizador (13), encargado de: or a polarizing prism (13), in charge of:
- • •
- dividir el haz láser transmitido (2SP), procedente de un transmisor láser (51), en dos haces (2P, 2S) polarizados lim:~almente en planos perpendiculares, dirigiendo únicamente la componente reflejada (2S) hacia el reflector catadióptrico (5); Divide the transmitted laser beam (2SP), from a laser transmitter (51), into two beams (2P, 2S) polarized in a perpendicular plane, directing only the reflected component (2S) towards the catadioptric reflector (5) ;
- • •
- dividir el haz láser recibido (2'SP), procedente del reflector catadióptrico (5), en dos haces (2'P, 2'S) polarizados Iinl3almente en planos perpendiculares, dirigiendo únicamente la componente refractada (2'P) con destino al receptor (52); y Divide the received laser beam (2'SP), from the catadioptric reflector (5), into two beams (2'P, 2'S) polarized Iinl3ally in perpendicular planes, directing only the refracted component (2'P) to the receiver ( 52); Y
- o una lente divergente (14) situada entre el prisma polarizador (13) y el reflector catadióptrico (5) y encargada de: or a divergent lens (14) located between the polarizing prism (13) and the catadioptric reflector (5) and in charge of:
- ---
- recibir y colimar el haz láser recibido (2'SP) procedente del reflector catadióptrico (5) y dirigirlo al prisma polarizador (13); y receive and collimate the received laser beam (2'SP) from the catadioptric reflector (5) and direct it to the polarizing prism (13); Y
- o un primer partidor de haz (12) con una lámina partidora de haz (48) encargada de reflejar una porción de la componente reflejada (2'S) del haz láser recibido (2'SP), que incide en dicha lámina partidora de haz (48), a un fotodiodo sensor (49) incorporado en el primer partidor de haz (12); or a first beam splitter (12) with a beam splitter sheet (48) responsible for reflecting a portion of the reflected component (2'S) of the received laser beam (2'SP), which affects said beam splitting sheet (48 ), to a sensor photodiode (49) incorporated in the first beam splitter (12);
- o un segundo partidor de haz_ (12') con una lámina partidora de haz (48') encargada de: or a second beam splitter_ (12 ') with a beam splitter sheet (48') responsible for:
- • •
- reflejar una porción de la componente refractada (2'P) del haz láser recibido (2'SP), que incide en dicha lámina partidora de haz (48), a un fotodiodo sensor (49') incorporado en el segundo partidor de haz (12'); reflecting a portion of the refracted component (2'P) of the received laser beam (2'SP), which affects said beam splitter sheet (48), to a sensor photodiode (49 ') incorporated in the second beam splitter ( 12 ');
- • •
- refractar la porción restante en dirección al receptor (52); y refract the remaining portion towards the receiver (52); Y
- o medios de procesamiento de señales configurados para, a partir de las porciones de haz recibidas por los fotodiodo sensores (49,49'), determinar la intensidad y la desviación del plano de polarización debido a los elementos de dispersión existentes en la atmósfera para poder así 13stimar la densidad y el tipo de dichos elementos dispersores y la atenuación que éstos provocan sobre el haz recibido. or signal processing means configured to, from the beam portions received by the sensor photodiodes (49.49 '), determine the intensity and deviation of the polarization plane due to the dispersion elements existing in the atmosphere to be able to thus, estimate the density and type of said dispersing elements and the attenuation they cause on the received beam.
- • •
- al menos un espejo de primera superficie desviador del haz transmitido (11), encargado de dirigir el haz láser transmitido (2SP), procedente del transmisor láser (51), al prisma polarizador (13); at least one mirror of the first deflector surface of the transmitted beam (11), responsible for directing the transmitted laser beam (2SP), from the laser transmitter (51), to the polarizing prism (13);
- • •
- al menos un espejo de primera superficie desviador del haz recibido (11 '), encargado de dirigir la componente refractada (2'P) del haz láser recibido (2'SP), procedente del prisma polarizador (13), al receptor (52). at least one mirror of the first diverting surface of the received beam (11 '), responsible for directing the refracted component (2'P) of the received laser beam (2'SP), from the polarizing prism (13), to the receiver (52) .
- • •
- una lente hemisférica (44); a hemispheric lens (44);
- • •
- una lente convergente (43) encargada de focalizar la componente refractada (2'P) del haz láser recibido (2'SP), procedente del prisma polarizador (13), en la a converging lens (43) responsible for focusing the refracted component (2'P) of the received laser beam (2'SP), coming from the polarizing prism (13), in the
- • •
- un espejo prima rila (18) en forma de corona circular móvil a través de un soporte cilíndrico (23) que se desplaza por la acción de un tornillo (7) por un tubo hueco (21) por el que discurren simultáneamente los haces láser transmitido y recibido; a coiled circular mirror (18) in the form of a mobile circular crown through a cylindrical support (23) that is moved by a screw (7) through a hollow tube (21) through which the transmitted laser beams simultaneously run and received;
- • •
- un espejo secundario (19); y a secondary mirror (19); Y
- • •
- una lente menisco correctora (20). a meniscus corrective lens (20).
Priority Applications (2)
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| ES201001619A ES2373535B2 (en) | 2010-12-27 | 2010-12-27 | OPTICAL DUPLEXOR DEVICE FOR THE TRANSMISSION AND SIMULTANEOUS RECEPTION OF LASER BEAMS. |
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|---|---|---|---|
| ES201001619A ES2373535B2 (en) | 2010-12-27 | 2010-12-27 | OPTICAL DUPLEXOR DEVICE FOR THE TRANSMISSION AND SIMULTANEOUS RECEPTION OF LASER BEAMS. |
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| ES2373535A1 ES2373535A1 (en) | 2012-02-06 |
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|---|---|---|---|
| ES201001619A Active ES2373535B2 (en) | 2010-12-27 | 2010-12-27 | OPTICAL DUPLEXOR DEVICE FOR THE TRANSMISSION AND SIMULTANEOUS RECEPTION OF LASER BEAMS. |
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-
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2011
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