FR2844603A3 - Laser radar fiber optic coupling system having laser source/lens forming image with light through mirror hole and coupled fibers/telescope section detector/lens - Google Patents
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Abstract
Description
La présente invention concerne un dispositif de couplage par fibre optiqueThe present invention relates to a fiber optic coupling device
d'un système émetteur récepteur optique, permettant de réaliser des systèmes de télémétrie à injection et réception coaxiales. D'une part, ce dispositif permet le couplage de la lumière émise à l'antenne optique et l'émission de cette lumière en direction de la cible. D'autre part, il permet la transmission de la 5 lumière rétrodiffusée par la cible de l'antenne optique vers le détecteur. Les antennes optiques utilisées dans les système télémétriques sont généralement très ouvertes et de très faible divergence en réception ce qui leur permet, d'une part de récupérer le maximum de lumière rétrodiffusée et d'autre part de limiter le bruit d à la lumière du fond. Les systèmes télémétriques se composent d'une source lumineuse de type laser, d'un système optique d'émission, d'un système optique de 10 réception et d'un détecteur. an optical transceiver system, enabling telemetry systems with injection and coaxial reception. On the one hand, this device allows the coupling of the light emitted to the optical antenna and the emission of this light towards the target. On the other hand, it allows the transmission of the light backscattered by the target from the optical antenna to the detector. The optical antennas used in the telemetric systems are generally very open and of very low divergence in reception which allows them, on the one hand to recover the maximum of backscattered light and on the other hand to limit the noise d in the background light . Telemetry systems consist of a laser type light source, an optical transmission system, an optical reception system and a detector.
Sans parler des dispositifs télémétriques non coaxiaux, qui présentent des inconvénients importants, rédhibitoires pour l'étude précise des propriétés optiques de l'atmosphère, les systèmes mono statiques coaxiaux utilisent la même optique d'émission réception et comportent donc un dispositif de séparation des faisceaux aller et retour. La réalisation de tels systèmes présentent trois difficultés 15 majeures: 1- La grande ouverture et la faible divergence (< 100 ptrad) des télescopes utilisés ont pour Not to mention non-coaxial range finding devices, which have significant drawbacks, which are prohibitive for the precise study of the optical properties of the atmosphere, coaxial mono static systems use the same transmission reception optics and therefore include a beam separation device. back and forth. The realization of such systems presents three major difficulties: 1- The large aperture and the small divergence (<100 ptrad) of the telescopes used have for
conséquence que le réglage très précis du parallélisme des faisceaux d'émission et réception et le maintien dans le temps de ce réglage sont très délicats. Ce réglage est d'autant plus difficile à maintenir lorsqu'il s'agit d'instruments de terrains ou embarqués 20 soumis à des contraintes d'environnement très sévères. Consequently, the very precise adjustment of the parallelism of the transmission and reception beams and the maintenance over time of this adjustment are very delicate. This adjustment is all the more difficult to maintain in the case of field or on-board instruments 20 subjected to very severe environmental constraints.
2- Le critère de sécurité oculaire, qui doit être absolument respecté pour envisager la réalisation d'instruments de terrain autonomes, représente une contrainte d'autant plus forte que le faisceau laser est gaussien. Le respect de ce critère nécessite donc un 2- The eye safety criterion, which must be absolutely respected in order to envisage the realization of autonomous field instruments, represents a constraint all the more strong as the laser beam is Gaussian. Compliance with this criterion therefore requires a
élargissement important du faisceau d'émission. significant broadening of the emission beam.
3- Le système de séparation de faisceaux doit être idéalement sans pertes et ne doit pas 3- The beam separation system should ideally be lossless and should not
induire de lumière parasite.induce stray light.
L'insertion d'une fibre optique entre le bloc optoélectronique composé du laser, du détecteur et du système de séparation et le télescope améliore nettement la résolution de ces problèmes: The insertion of an optical fiber between the optoelectronic block composed of the laser, the detector and the separation system and the telescope clearly improves the resolution of these problems:
1- La fibre optique assure intrinsèquement l'alignement des faisceaux émis et reçus. 1- The optical fiber intrinsically ensures the alignment of the transmitted and received beams.
2- Le respect du critère de sécurité oculaire est facilité par le caractère non gaussien du 2- Compliance with the eye safety criterion is facilitated by the non-Gaussian nature of the
faisceau en sortie de fibre.fiber output beam.
3- La transformation de l'étendue géométrique de faisceau réalisée par la fibre permet 3- The transformation of the geometric beam extent achieved by the fiber allows
l'utilisation d'un système de séparation induisant des pertes très faibles (< 3%). the use of a separation system inducing very low losses (<3%).
4- Enfin, la fibre optique permet de désolidariser le bloc optoélectronique de l'antenne 4- Finally, the optical fiber makes it possible to separate the optoelectronic block from the antenna
optique et ainsi de placer celui-ci à l'abri des contraintes d'environnement. optical and thus to place it sheltered from environmental constraints.
Le dispositif, schématisé sur la figure 1, se compose de trois parties sur le dispositif: -2 - Le bloc optoélectronique situé en aval de la fibre optique composé du laser (1), de la lentille de focalisation (2), du système de séparation (3), du détecteur (6) et d'une The device, shown schematically in Figure 1, consists of three parts on the device: -2 - The optoelectronic block located downstream of the optical fiber composed of the laser (1), the focusing lens (2), the separation (3), the detector (6) and a
lentille focalisant le faisceau de retour sur le détecteur (7). lens focusing the return beam on the detector (7).
- une fibre optique (4) dont l'entrée (4-1) est placée au point image du laser par la lentille (2) et la sortie (4-2) au foyer de l'antenne optique. - Une antenne optique (5) d'ouverture numérique égale à celle de la fibre, éclairant un milieu diffusant et recevant en retour la partie de la lumière rétro-diffusée par les - an optical fiber (4) whose input (4-1) is placed at the laser image point by the lens (2) and the output (4-2) at the focal point of the optical antenna. - An optical antenna (5) with a digital aperture equal to that of the fiber, illuminating a scattering medium and receiving in return the part of the light backscattered by the
particules dans son champ.particles in its field.
Sur la figure 1, on a représenté un système de séparation spatial de type miroir percé et l'antenne 10 optique, constituée par un système dioptrique composé d'une lentille corrigée. L'utilisation de ce séparateur spatial est rendue possible par la transformation de l'étendue géométrique du faisceau incident par la fibre optique. En effet, le faisceau gaussien, issu du laser avec une divergence faible devant l'ouverture numérique ON de la fibre, est couplé dans la fibre multimode. La propagation du mode gaussien dans une fibre multimode, donc de coeur relativement large, entraîne des couplages 15 vers d'autres modes de la fibre et au bout d'une longueur suffisante de propagation, la lumière est couplée sur tous les modes de la fibre. A la sortie de la fibre, la divergence du faisceau est donc égale à l'ouverture numériqz." de i' fi'bre. Dans le sens de la réception, la lumière rétrodiffusée est couplée dans la fibre par l'antenne optique et elle se propage dans la fibre de laquelle elle sort avec une divergence égale à l'ouverture numérique de la fibre. Si on considère les faisceaux à la sortie de 20 la fibre optique (4-2), comme le montre la figure 2, on constate que l'ouverture numérique du faisceau d'émission et celle du faisceau de réception sont identiques. Cela constitue un avantage important pour le système. De plus, l'égalité des divergences d'émission-réception implique que le faisceau laser éclaire toute l'ouverture du système optique et le dispositif peut ainsi répondre plus facilement au critère de sécurité oculaire. Si on considère le bloc optoélectronique, comme le 25 montre la figure 2, on constate que, dans un plan situé entre le système de séparation et l'extrémité de la fibre (4-1), le diamètre du faisceau d'émission est beaucoup plus faible que celui du faisceau In Figure 1, there is shown a spatial separation system of the pierced mirror type and the optical antenna 10, constituted by a dioptric system composed of a corrected lens. The use of this spatial separator is made possible by the transformation of the geometric extent of the incident beam by the optical fiber. Indeed, the Gaussian beam, coming from the laser with a small divergence in front of the digital aperture ON of the fiber, is coupled in the multimode fiber. The propagation of the Gaussian mode in a multimode fiber, therefore of relatively large core, leads to couplings 15 towards other modes of the fiber and at the end of a sufficient length of propagation, the light is coupled on all the modes of the fiber . At the exit of the fiber, the divergence of the beam is therefore equal to the digital aperture. "Of the fiber. In the direction of reception, the backscattered light is coupled into the fiber by the optical antenna and it propagates in the fiber from which it leaves with a divergence equal to the numerical aperture of the fiber. If we consider the beams at the exit of the optical fiber (4-2), as shown in FIG. 2, we see that the numerical aperture of the emission beam and that of the reception beam are identical. This is an important advantage for the system. In addition, the equality of the emission-reception divergences implies that the laser beam illuminates the whole opening of the optical system and the device can thus more easily meet the eye safety criterion. If we consider the optoelectronic block, as shown in FIG. 2, we see that, in a plane located between the separation system and the end of the fiber (4-1), the diameter of the emission beam is much smaller than that of the beam
de réception.reception.
On peut donc utiliser comme système de séparation un miroir percé d'un trou circonscrit au faisceau laser incident. Le faisceau de retour, de divergence plus grande, est quant à lui réfléchi par le miroir. 30 Les pertes sur le faisceau de retour induites par le trou dans le miroir dépendent du rapport entre la It is therefore possible to use as a separation system a mirror pierced with a hole circumscribed by the incident laser beam. The return beam, of greater divergence, is reflected by the mirror. 30 The losses on the return beam induced by the hole in the mirror depend on the ratio between the
divergence du laser et l'ouverture numérique de la fibre et elles peuvent être très faibles (< 3%). divergence of the laser and the numerical aperture of the fiber and they can be very small (<3%).
Un exemple de système conforme à la présente demande peut donc être constitué conformément à la figure 1. Les différents composants ne sont pas représentés à la même échelle, étti. doé la taille de l'antenne optique (5). Le faisceau laser issu d'un laser Nd:YAG à 532 nm de divergence 35 totale de 12 mrad et émettant 3 ffl se propage de la gauche vers la droite sur un axe horizontal et rencontre dans l'ordre: -3 - une lentille (2) de focale 30 mm et de diamètre 12,7 mm, placée à 80 mm du laser et An example of a system in accordance with the present application can therefore be constituted in accordance with FIG. 1. The different components are not shown on the same scale, etti. doé the size of the optical antenna (5). The laser beam from an Nd: YAG laser at 532 nm with a total divergence of 12 mrad and emitting 3 ffl propagates from left to right on a horizontal axis and meets in order: -3 - a lens ( 2) focal length 30 mm and diameter 12.7 mm, placed 80 mm from the laser and
donnant une image réelle du faisceau laser sur l'entrée de la fibre (4-1). giving a real image of the laser beam on the fiber entrance (4-1).
- un miroir plan (3) de diamètre 12,7 mm, percé d'un trou circonscrit au faisceau laser de diamètre 1 mmn, placé à 20 mm de la lentille (2) et incliné à 45 sur l'axe optique de façon à réfléchir le faisceau de retour à 900 de cet axe. - une fibre optique (4) multimode, 50/125, d'ouverture numérique 0.20, de longueur 3 m, dont l'extrémité (4-1) est placée au point image du laser et la sortie (4-2) au foyer du télescope. - a plane mirror (3) with a diameter of 12.7 mm, pierced with a hole circumscribed by the laser beam with a diameter of 1 mmn, placed 20 mm from the lens (2) and inclined at 45 on the optical axis so as to reflect the beam back to 900 from this axis. - a multimode optical fiber (4), 50/125, with digital opening 0.20, length 3 m, the end (4-1) of which is placed at the laser image point and the output (4-2) at the focus of the telescope.
- Une antenne optique constituée d'une lentille corrigée (5) de focale 500 mm et de 10 diamètre 200 mm qui éclaire un milieu diffusant. - An optical antenna consisting of a corrected lens (5) with a focal length of 500 mm and a diameter of 200 mm which illuminates a diffusing medium.
Au retour, la lumière rétrodiffusée par le milieu diffusant dans le champ de l'antenne optique rencontre successivement: On the return, the light backscattered by the scattering medium in the field of the optical antenna successively meets:
- L'antenne optique (5) qui focalise cette lumière sur l'extrémité (4-2) de la fibre. - The optical antenna (5) which focuses this light on the end (4-2) of the fiber.
- la fibre optique (4) - le miroir percé (3) incliné à 45' qui dévie cette lumière rétrodiffusée dans une direction perpendiculaire à sa direction initiale vers (7) - une lentille (7) de focale 30 mm, de diamètre 12,7 mmn, située à 30 mm du miroir percé focalisant sur le détecteur (6) - le détecteur (6) placé à 70 mmn de la lentille (7) Ce dispositif fonctionne donc de la façon suivante: la lumière émise par le laser est focalisée par la lentille (2) sur l'extrémité (4-1) de la fibre. Au passage, elle traverse le miroir percé (3) situé entre la lentille (2) et la fibre optique (4). La lumière sort de la fibre en (4-2) au foyer de la lentille corrigée (5) avec une demi-divergence de 0.20. Elle éclaire donc à 500 mm toute la lentille (5) de 200 min Le critère de sécurité oculaire est ainsi respecté. La divergence totale du faisceau émis 25 vers le milieu diffusant est de 100 grad. Sur le trajet retour, la lumière rétrodiffusée par le milieu diffusant dans un angle total de 100 grad dans le champ de la lentille (5) est focalisée par cette même lentille dans le coeur de la fibre (4-2). Elle est ensuite transmise dans la fibre et en sortie, elle éclaire le miroir (2) placé à 20 mm de la sortie de fibre avec une demi-divergence égale à l'ouverture numérique de la fibre soit 0.20. Le miroir est donc éclairé sur une surface de diamètre 30 2 x 0.20 x 20 mnn soit 8 mm. Les pertes dues au trou de diamètre 1 mnn dans le miroir sont donc, dans ce cas, de 1,5 %. Le miroir réfléchit la lumière rétrodiffusée qui est focalisée au passage par la lentille (7) vers le détecteur (6). Les dimensions et valeurs numériques données dans cet exemple - the optical fiber (4) - the pierced mirror (3) inclined at 45 'which deflects this backscattered light in a direction perpendicular to its initial direction towards (7) - a lens (7) with a focal length of 30 mm, diameter 12, 7 mmn, located 30 mm from the pierced mirror focusing on the detector (6) - the detector (6) placed 70 mmn from the lens (7) This device therefore works as follows: the light emitted by the laser is focused by the lens (2) on the end (4-1) of the fiber. In passing, it passes through the pierced mirror (3) located between the lens (2) and the optical fiber (4). The light leaves the fiber at (4-2) at the focal point of the corrected lens (5) with a half-divergence of 0.20. It therefore illuminates the entire lens (5) of 200 min at 500 mm. The criterion of ocular safety is thus met. The total divergence of the emitted beam 25 towards the scattering medium is 100 grad. On the return path, the light backscattered by the scattering medium at a total angle of 100 grad in the field of the lens (5) is focused by this same lens in the core of the fiber (4-2). It is then transmitted in the fiber and at the output, it illuminates the mirror (2) placed 20 mm from the fiber output with a half-divergence equal to the digital aperture of the fiber, ie 0.20. The mirror is therefore illuminated on a surface with a diameter of 30 2 x 0.20 x 20 min or 8 mm. The losses due to the 1-minute diameter hole in the mirror are therefore, in this case, 1.5%. The mirror reflects the backscattered light which is focused when passing through the lens (7) towards the detector (6). The dimensions and numerical values given in this example
ne sont pas limitatives.are not limiting.
Sans sortir du cadre de cette invention, les différents éléments constituant le dispositif pourront être 35 remplacés par des éléments équivalents. Le système de séparation pourra être remplacé par tout autre dispositif de séparation comme par exemple une lame transparente sur laquelle un traitement -4 réfléchissant aurait été déposé sur une partie de sa surface, une lame semi-transparente, un dispositif Without departing from the scope of this invention, the various elements constituting the device could be replaced by equivalent elements. The separation system could be replaced by any other separation device such as for example a transparent blade on which a reflective treatment -4 would have been deposited on a part of its surface, a semi-transparent blade, a device
de séparation temporel de déviation de faisceaux de type acousto-optique ou électro-optique. of temporal separation of deflection of beams of acousto-optic or electro-optic type.
La lentille corrigée constituant l'antenne optique pourra quant à elle être remplacée par tout système optique de type télescope. Enfin, tout type de fibre optique monomode ou multimode pourra être utilisé en restant dans le cadre de l'invention. Le dispositif selon l'invention est particulièrement prévu pour la réalisation d'instruments de terrain autonomes et fiables, typc Lidar ou télémètre, destinés notamment à l'étude des propriétés optiques The corrected lens constituting the optical antenna may in turn be replaced by any optical system of the telescope type. Finally, any type of single-mode or multi-mode optical fiber may be used while remaining within the scope of the invention. The device according to the invention is particularly intended for the production of autonomous and reliable field instruments, typically Lidar or range finder, intended in particular for the study of optical properties
de l'atmosphère et de ses constituants. of the atmosphere and its constituents.
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2002
- 2002-09-13 FR FR0211398A patent/FR2844603B3/en not_active Expired - Fee Related
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