NO172083B

NO172083B - AUTOMATIC DIRECT SIGNING TECHNIQUES FOR SELF-TREATING PHASE CONJUGATED LASER

Info

Publication number: NO172083B
Application number: NO873483A
Authority: NO
Inventors: Robert W Byren
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Priority date: 1985-12-20
Filing date: 1987-08-18
Publication date: 1993-02-22
Also published as: NO873483L; NO873483D0; NO172083C

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for automatisk direkte sikting av en selvinnrettende fasekonjugert laser som har en laseroscillator, laserforsterker og et fasekonjugeringsspeil for å frembringe en automatisk direkte siktet utgangsstråle, samt et automatisk direkte siktet lasersystem for å frembringe en høyenergi utgangsstråle. The present invention relates to a method for automatic direct aiming of a self-aligning phase conjugate laser which has a laser oscillator, laser amplifier and a phase conjugation mirror to produce an automatically directly aimed output beam, as well as an automatic directly aimed laser system to produce a high energy output beam.

Foreliggende oppfinnelse er beslektet med oppfinnelsen i norsk patentsøknad nr. 873463. The present invention is related to the invention in Norwegian patent application no. 873463.

Foreliggende oppfinnelse angår høyenergi lasere som benyttes med peke- og målfølgesystemer, særlig innretning av referansestrålen for en selvinnrettende fasekonjugert laser med aktiv eller passiv målfølgeføler. The present invention relates to high-energy lasers that are used with pointing and target tracking systems, particularly arrangement of the reference beam for a self-aligning phase conjugate laser with active or passive target tracking sensor.

Mange anvendelser av lasersystemer krever nøyaktig kontroll med retningen og bølgefrontprofilen på laserstrålen. En bølgefront er en tredimensjonal flate med konstant fase, overalt i rett vinkel på en familiestråler. Typiske aberrasjoner i profilen av bølgefronten innbefatter de som endrer fase, skarpstilling eller strålens astigmatiske egenskaper. Kontroll med disse forvrengninger og strålens siktelinje, er av den største viktighet ved mange anvendelser, innbefattende langdistansekommunikasjon, landmåling, avstandsmåling, styring av våpensystemer og fremføring av laserenergi til et fjerntliggende sted. Many applications of laser systems require precise control of the direction and wavefront profile of the laser beam. A wavefront is a three-dimensional surface with constant phase, everywhere at right angles to a family of rays. Typical aberrations in the profile of the wavefront include those that change the phase, focus, or astigmatic properties of the beam. Control of these distortions and the beam's line of sight is of the utmost importance in many applications, including long-distance communications, surveying, ranging, control of weapon systems, and delivery of laser energy to a remote location.

Laser peke-og målfølgesystemer som anvender laseranordninger uten kardansk opphengning i samarbeid med målfølgefølere i kardansk opphengning, er utsatt for siktefeil i siktelinjen, noe som skyldes 1) vandring av laserstrålen på grunn av brytninger som skyldes varmevirkninger og bøyning av selve den optiske bærer på laseren, 2) statisk bøyning og dynamisk bevegelse som skapes av varmespenninger og vibrasjoner og 3) vinkelvandring av siktelinjen på grunn av lagerutkjøring og ikke-ortogonalitet av den kardanske opphengningsakser. Laser pointing and target tracking systems that use laser devices without gimbal suspension in cooperation with target tracking sensors in gimbal suspension are subject to aiming errors in the line of sight, which is due to 1) migration of the laser beam due to refractions caused by heat effects and bending of the optical carrier of the laser itself , 2) static bending and dynamic movement created by thermal stresses and vibrations and 3) angular travel of the line of sight due to bearing runout and non-orthogonality of the gimbal suspension axes.

"Vandring" i en laserstråle gjelder forandringer i stillingen av sentroidet for en laserstråleprofil. Lager "utkjøring" gjelder flere beslektede fenomener som har å gjøre med s amm enp a sn i ngen av lagerflaten eller flatene på en roterende aksel. For eksempel gjelder radiell utkjøring den radielle klaring akselen har i lagerflaten eller flatene, der aksen for akselen tillates å forskyve seg et visst stykke parallelt med seg selv eller til å avvike fra perpendikularitet når det gjelder dens orientering i forhold til planet for lageret. Tidligere kjente lasersystemer for peking og målfølgning har forsøkt å kontrollere laserstrålens vandring ved god hånd-tering av varmeforholdene og ved hensiktsmessig konstruksjon, ved hjelp av ombøyningselementer som hjørneterninger og takprismer som gjør innretningen ufølsom overfor forandringer i deres stillinger, og i den senere tid ved anvendelse av fasekonjugering av strålen. "Wandering" in a laser beam refers to changes in the position of the centroid of a laser beam profile. Bearing "runout" refers to several related phenomena that have to do with the s amm enp a sn i ng of the bearing face or faces on a rotating shaft. For example, radial runout refers to the radial clearance the shaft has in the bearing surface or surfaces, where the axis of the shaft is allowed to shift a certain distance parallel to itself or to deviate from perpendicularity in terms of its orientation in relation to the plane of the bearing. Previously known laser systems for pointing and target tracking have tried to control the travel of the laser beam by good handling of the thermal conditions and by appropriate construction, using deflection elements such as corner cubes and roof prisms that make the device insensitive to changes in their positions, and more recently by using of phase conjugation of the beam.

Bruk av fasekonjugeringsteknikk for å korrigere bølgefront deformasjoner i en laserstråle, er kjent og benyttet for å dra fordel av de heldige virkninger som oppnås ved innbygning i lasersystemer. US-PS 4.005.935 beskriver for eksempel en fremgangsmåte og en anordning til frembringelse av en fasekompensert optisk stråle som er rettet mot et fjerntliggende mål. Virkningene av faseforstyrrelser langs banen mot målet, blir stort sett utlignet og man oppnår nesten diffraksjonsbegrenset samling av strålen på målet. The use of phase conjugation techniques to correct wavefront deformations in a laser beam is known and used to take advantage of the beneficial effects achieved by incorporation into laser systems. US-PS 4,005,935 describes, for example, a method and a device for generating a phase-compensated optical beam which is directed towards a distant target. The effects of phase disturbances along the path towards the target are largely compensated and an almost diffraction-limited collection of the beam on the target is achieved.

I US-PS 4.321.550 er det beskrevet en fasekonjugeringsan-ordning som korrigerer for optisk forvrengning i høyeffekts lasersystemer og reduserer de optiske komponenter. Dette system for fasekonjugert korreksjon, er særlig egnet for anvendelse med et treghetssamlet kjernefusjonssystem. US-PS 4,321,550 describes a phase conjugation device which corrects for optical distortion in high-power laser systems and reduces the optical components. This system for phase conjugate correction is particularly suitable for use with an inertial integrated nuclear fusion system.

US-PS 4.233.571 beskriver en laser som er selvkorrigerende for forvrengninger som innføres i laserutgangsstrålens bølgefronter ved aberrasjoner og tidsvarierende fenomener som finnes i laseren, så som vibrasjon av de reflekterende hulromsflater, vindskjevhet i de reflekterende flater ved oppvarming, feilinnretning av de reflekterende flater, aberrasjoner i lasermediet og virveldannelser i lasermediet (hvis dette ikke er et fast stoff). Selvkorreksjonen av resultatene av disse virkninger muliggjør høyere systemvirk-ningsgrad og bedre egenskaper ved systemet ved diffraksjons-grensen, det vil si ved dets optimale skarpinnstillingsevne. US-PS 4,233,571 describes a laser which is self-correcting for distortions introduced into the wavefronts of the laser output beam by aberrations and time-varying phenomena found in the laser, such as vibration of the reflecting cavity surfaces, wind bias in the reflecting surfaces during heating, misalignment of the reflecting surfaces , aberrations in the laser medium and vortices in the laser medium (if this is not a solid substance). The self-correction of the results of these effects enables a higher system efficiency and better properties of the system at the diffraction limit, that is, at its optimal focusing ability.

I US-PS 4.429.393 er det beskrevet en anordning for anvendelse ved fasekonjugering ved to forskjellige frekvenser i en laser ringresonator, med det formål å få til en fasekompensert diffraksjonsbegrenset utgangsstråle ved den ene eller begge frekvenser. US-PS 4,429,393 describes a device for use in phase conjugation at two different frequencies in a laser ring resonator, with the aim of obtaining a phase-compensated diffraction-limited output beam at one or both frequencies.

I US-PS 4.344.042 er det beskrevet en anordning for en selvregenerativ laseroscillator-forsterker som anvender intrakavitets fasekonjugering for å generere en høy-effekts laserstråle som rettes mot et stasjonært eller bevegelig mål og for å få til kompensasjon av optiske uhomogeniteter i sterkt pumpede lasermedier uten at man får tap av virkningsgrad, for å oppnå en enkelmodus utgang med øket gjennomsnitt-lig og/eller toppeffekt. Fasekonjugeringen korrigerer derved for optiske forvrengninger introdusert av optikken og laserforsterkeren. US-PS 4,344,042 describes a device for a self-regenerative laser oscillator amplifier that uses intracavity phase conjugation to generate a high-power laser beam directed at a stationary or moving target and to achieve compensation of optical inhomogeneities in strongly pumped laser media without loss of efficiency, to achieve a single-mode output with increased average and/or peak power. The phase conjugation thereby corrects for optical distortions introduced by the optics and the laser amplifier.

US-PS 4.530.602 beskriver et system og fremgangsmåte for sikting av en laserstråle fra en høy-energi laserkavitet mot et mål hvor en referanse laserstråle benyttes for å finne feilinnrettingen av systemet i forhold til målet. Referansestrålen deles opp i to deler hvor en rettes mot målet, og den andre mot høy-energi laserkaviteten. Stråling reflektert fra målet detekteres av en føler og sammenlignes med referansestrålen fra høy-energi laserkaviteten. US-PS 4,530,602 describes a system and method for aiming a laser beam from a high-energy laser cavity towards a target where a reference laser beam is used to find the misalignment of the system in relation to the target. The reference beam is split into two parts, one of which is directed towards the target, and the other towards the high-energy laser cavity. Radiation reflected from the target is detected by a sensor and compared with the reference beam from the high-energy laser cavity.

US-PS 4.326.800 viser automatisk siktet lasersystem for hvor en benytter en referansestråle for å rette inn en laserstråle relativt til et mål. Referansestrålen og en del av laserstrålen fokuseres på en følerInnretning, og strålenes orientering sammenlignes for å generere et signal som svarer til feilinnrettingen til laserstrålen relativt til referansestrålen. Signalene utnyttes til å bringe laserstrålen i riktig posisjon i forhold til målet. US-PS 4,326,800 shows an automatically aimed laser system for which a reference beam is used to align a laser beam relative to a target. The reference beam and part of the laser beam are focused on a sensor device, and the orientation of the beams is compared to generate a signal that corresponds to the misalignment of the laser beam relative to the reference beam. The signals are used to bring the laser beam into the correct position in relation to the target.

Imidlertid angår ingen av disse oppfinnelser direkte problemene ved feilinnretting av utgangsstrålen fra et kardansk opphengt lasersystem på grunn av ettergivenhet i den kardanske opphengningskonstruksjonen, uperfektheter eller slitasje i lagrene i den kardanske opphengning og det forhold at den kardanske opphengningsakse ikke er i rett vinkel på hverandre. Heller ikke angår noen av de tidligere kjente utførelser problemet med å rette inn utgangslaserstrålen med en målfølgeføler. However, none of these inventions directly address the problems of misalignment of the output beam from a gimbal laser system due to compliance in the gimbal construction, imperfections or wear in the gimbal bearings, and the fact that the gimbal axes are not at right angles to each other. Nor do any of the previously known embodiments address the problem of aligning the output laser beam with a target tracking sensor.

For tiden er problemene med ettergivenhet i konstruksjonen og vandring av den kardanske opphengningse akser, kontrollert ved god mekanisk formgivning og ved anvendelse av stråleinn-retningssystemer med aktiv inngang. I et typisk tilfelle er innretningssystemet for inngangsstrålen et servomekanisk system med lukket sløyfe, der det benyttes en kollimert laserkilde og mottager til føling av vinkelavvikelsen ved peking med strålen. Det servomekaniske lukkede sløyfesystem benyttes i kombinasjon med et strålestyrende presisjonsspeil for å skape en fininnstilt korreksjon av den forstyrrede siktelinje. I et typisk tilfelle kan slike innrettings-systemer for inngangsstrålen bli ganske kompliserte, de er begrenset i servo båndbredde på grunn av reaksjonen ved tilbakekobling av dreiemomentet og de er selv utsatt for feilinnretning. I US-PS 4.326.800 er det beskrevet et slikt innviklet system for feilkorreksjon av laserstrålens bølgefront og av siktelinjen. I dette patent anvendes det en lavenergi referansestråle ved toppunktet av et primærspeil som er forsynt med raster for diffraksjon av en lavenergi holografisk gjengivelse av høyenergi primaerstrålen. Et fotodetektorbasert servostyresystem sammenligner siktelinjen for referansestrålen med siktelinjen for lavenergi gjengivel-sen og frembringer styresignaler som påvirker et strålestyre-speil for å reposisjonere hovedstrålen. Servostyresystemet innbefatter også en bølgefrontføler. Føleren analyserer bølgefrontprofilen på lavenergigjengivelsen og frembringer styresignaler som påvirker et deformerbart speil for å korrigere for falske bølgefrontaberrasjoner. Bruken av et passivt selvinnrettende fasekonjugerende lasersystem byr på kompensasjon med overordentlig stor båndbredde av all strålevandring og alle virkninger av feilinnretting, hvorved man overvinner en av de viktigste ulemper ved stråleinn-rettingssystemer med aktiv inngang. Behovet for strenge krav til konstruksjon og formgivning når det gjelder laser og kardansk opphengning, blir også opphevet. Strålen fra en selvinnrettende fasekonjugerende laser som benyttes med et sikte- og målfølgesystem, er rettet inn med den stabiliserte plattform på den indre kardanske opphengning, der man får automatisk kompensasjon for vinkelavvikelser og skjelvning i strålens siktelinje, frembragt ved bevegelse i den kardanske opphengning og ved ettergivenhet i konstruksjonen. Nødven-digheten av kompliserte elektromekaniske servosystemer som er begrenset når det gjelder båndbredde og selv er utsatt for feil innretting, er eliminert, og i tillegg vil bruken av selvinnrettende fasekonjugert laser lempe på de strenge krav som gjelder laseren og oppbygningen av den kardanske opphengning. At present, the problems of yielding in the construction and travel of the gimbal suspension axis are controlled by good mechanical design and by the use of beam alignment systems with active input. In a typical case, the alignment system for the input beam is a servo-mechanical system with a closed loop, where a collimated laser source and receiver are used to sense the angular deviation when pointing with the beam. The servo-mechanical closed loop system is used in combination with a beam-steering precision mirror to create a fine-tuned correction of the disturbed line of sight. In a typical case, such input beam alignment systems can become quite complicated, they are limited in servo bandwidth due to the torque feedback reaction and they are themselves prone to misalignment. In US-PS 4,326,800 such a complicated system for error correction of the wavefront of the laser beam and of the line of sight is described. In this patent, a low-energy reference beam is used at the apex of a primary mirror which is provided with gratings for diffraction of a low-energy holographic reproduction of the high-energy primary beam. A photodetector-based servo control system compares the line of sight of the reference beam with the line of sight of the low-energy rendering and produces control signals that affect a beam steering mirror to reposition the main beam. The power steering system also includes a wavefront sensor. The sensor analyzes the wavefront profile of the low-energy reproduction and produces control signals that affect a deformable mirror to correct for spurious wavefront aberrations. The use of a passive self-aligning phase-conjugating laser system offers compensation with extremely large bandwidth of all beam migration and all effects of misalignment, thereby overcoming one of the most important disadvantages of beam alignment systems with active input. The need for strict requirements for construction and design when it comes to laser and gimbal suspension is also abolished. The beam from a self-aligning phase-conjugating laser used with an aiming and target tracking system is aligned with the stabilized platform on the internal gimbal suspension, where you get automatic compensation for angular deviations and jitter in the beam's line of sight, produced by movement in the gimbal suspension and by compliance in construction. The need for complicated electromechanical servo systems, which are limited in terms of bandwidth and are themselves subject to misalignment, has been eliminated, and in addition, the use of self-aligning phase-conjugated lasers will relax the strict requirements regarding the laser and the structure of the gimbal suspension.

Når det gjelder den selvinnrettende fasekonjugerte laser, vil man få ytterligere siktefeil som skyldes feilinnretting av den utgående koblende stråledeler og i eventuell ytterligere optikk som ikke er innbefattet i den fasekonjugerende del av strålebanen. Også feil ved innretting av laseroscillatoren og målfølgeføleren som er montert på den stabiliserte plattform, festet til den indre kardanske opphengning, er heller ikke utlignet ved denne fremgangsmåte. In the case of the self-aligning phase-conjugated laser, one will get additional aiming errors due to misalignment of the outgoing connecting beam part and in any additional optics that are not included in the phase-conjugating part of the beam path. Errors in the alignment of the laser oscillator and the target tracking sensor mounted on the stabilized platform, attached to the internal gimbal suspension, are also not compensated by this method.

Den automatiske direkte sikteteknikk for en selvinnrettende fasekonjugert laser byr på en enkel anordning til innretning av referansestrålen med en aktiv eller passiv målfølgeføler. Den automatiske direkte sikteteknikk utgjør et målfølgemiddel som korrigerer for feilinnstillinger som skyldes oscillator, målfølgeføler og koblende utgangsoptikk i et system med delt blendeåpning. Ved å bygge inn den koblende utgangsstråle-deler i den optiske bane for målfølgeføleren, vil denne teknikk utligne pekefeil som ville være resultat av feilinnretning av stråledeleren. Ved å mate endel av oscillatorstrålen til målfølgeren for å markere den fjerne plassering av utgangsstrålen, kompenserer denne teknikk også for pekefeil som ville vært resultatet av feilinnstilling av laseroscillatoren. Automatisk direkte sikting oppnås ved å sammenligne plasseringen av oscillatorstrålen og målbildet slik dette sees av målfølgeføleren. Vinkelforskyvningen mellom de to benyttes til å frembringe målfeilsignaler som tjener til å slutte målfølgerens servosløyfe rundt de kardanske opphengninger. Den første direkte sikting og kravene som bibehold av direkte sikting, stiller til laseroscillatoren, målfølgeføleren og utgangsstrålens koblingsoptikk, kan reduseres ved bruk av denne teknikk, slik at fremstillingsomkostningene synker samtidig med at systemet blir lettere å vedlikeholde og påliteligheten forbedres. The automatic direct aiming technique for a self-aligning phase conjugate laser offers a simple device for aligning the reference beam with an active or passive target tracking sensor. The automatic direct aiming technique constitutes a target tracking device that corrects for misalignments due to the oscillator, target tracking sensor and coupling output optics in a split aperture system. By building the connecting output beam splitter into the optical path of the target tracking sensor, this technique will compensate for pointing errors that would result from misalignment of the beam splitter. By feeding part of the oscillator beam to the target follower to mark the distant location of the output beam, this technique also compensates for pointing errors that would result from misalignment of the laser oscillator. Automatic direct aiming is achieved by comparing the position of the oscillator beam and the target image as seen by the target tracking sensor. The angular displacement between the two is used to produce target error signals which serve to close the target follower's servo loop around the gimbal suspensions. The initial direct aiming and direct aiming maintenance requirements for the laser oscillator, the target tracking sensor and the output beam coupling optics can be reduced using this technique, so that the manufacturing costs decrease while the system becomes easier to maintain and the reliability is improved.

Den målfølgende føler er beregnet på å føle og følge to optiske signaler. Det første optiske signal avledes fra den del av den kollimerte oscillatorstråle som først sendes gjennom stråledeleren. Denne referansestråle benyttes til å markere plasseringen av utgangsstrålingen i det fjerne, slik den sees av den målfølgende føler. Det annet optiske signal er målfølgesignalet som mottas fra det virkelige mål som følges. Dette signal er det passive bildet av målet (avledet fra dets egen stråling eller fra refleksjon av omgivende stråling), eller retursignalet fra aktiv belysning av målet med en strålingskilde. Når passiv målfølging anvendes, kan det benyttes en dikroisk stråledeler. Når det gjelder aktiv målfølging, kan det anvendes en kvartbølgeplate som gjør det mulig for systemet å dele utgangsblendeåpningen ved polari-sasjonsvelgeteknikk med minimale signaltap. The target tracking sensor is designed to sense and track two optical signals. The first optical signal is derived from the part of the collimated oscillator beam which is first sent through the beam splitter. This reference beam is used to mark the location of the output radiation in the distance, as seen by the target following sensor. The second optical signal is the target tracking signal received from the real target being tracked. This signal is the passive image of the target (derived from its own radiation or from reflection of ambient radiation), or the return signal from active illumination of the target with a radiation source. When passive target tracking is used, a dichroic beam splitter can be used. When it comes to active target tracking, a quarter-wave plate can be used which enables the system to split the output aperture by polarization selection technique with minimal signal loss.

Bruk av automatisk direkte sikteteknikk sammen med en selvinnrettende fasekonjugert laser til utpekning og målfølgning, byr på alle de fordeler som går med den selvinnrettende fasekonjugerte laser, innbefattende 1) kompensasjon av høyfrekvente skjelvinger, 2) bedre systempålitelighet da man ikke behøver ytterligere servomekanismer, 3) redusert størrelse og vekt på systemet og 4) lavere utviklings-og fremstillingsomkostninger. I tillegg vil den automatiske direkte sikteteknikk utligne for feil som skyldes feilinnretting av laseroscillatoren, målfølgeføleren og koblingsop-tikken for utgangsstrålen. På grunn av den forbedrede virkning, muligheter for vedlikehold og pålitelighet med reduserte omkostninger, vil den foreliggende oppfinnelse få anvendelse på mange områder. Using automatic direct aiming technology together with a self-aligning phase-conjugate laser for designation and target tracking offers all the advantages of the self-aligning phase-conjugate laser, including 1) compensation of high-frequency jitter, 2) better system reliability as no additional servo mechanisms are required, 3) reduced size and weight of the system and 4) lower development and manufacturing costs. In addition, the automatic direct aiming technique will compensate for errors due to misalignment of the laser oscillator, the target tracking sensor and the coupling optics for the output beam. Due to the improved performance, possibilities for maintenance and reliability with reduced costs, the present invention will find application in many areas.

Det er således en hensikt med foreliggende oppfinnelse å komme frem til en høyeffekt laserstråle som rettes med et selvinnrettende fasekonjugert sikte- og målfølgesystem som er kompensert for feil som skyldes feilinnretting av laserosci-latoren. It is thus a purpose of the present invention to arrive at a high-power laser beam that is directed with a self-aligning phase conjugate aiming and target tracking system that is compensated for errors due to misalignment of the laser oscillator.

En annen hensikt med oppfinnelsen er å komme frem til en høyeffekt laserstråle som er rettet inn med et selvinnrettende fasekonjugert sikte- og målfølgesystem som er kompensert for feil som skyldes feilinnstilling av utgangsstrålens koblingsoptikk. Another purpose of the invention is to arrive at a high-power laser beam that is aimed with a self-aligning phase-conjugate aiming and target tracking system that is compensated for errors due to incorrect setting of the output beam's coupling optics.

Ennu en hensikt med oppfinnelsen er å komme frem til en høyfrekvens laserstråle som blir rettet inn med et selvinnrettende fasekonjugert siktende og målfølgende system som er kompensert for feil som skyldes feilinnretning av målfølge-føleren . Another purpose of the invention is to arrive at a high-frequency laser beam that is aimed with a self-aligning phase conjugate aiming and target tracking system that is compensated for errors due to misalignment of the target tracking sensor.

Den innledningsvis nevnte fremgangsmåte kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen, ved å sikte en føler som er montert på en stabilisert plattform i hovedretningen til et mål for å danne et bilde av målet og plassere et ønsket siktepunkt på målet, The initially mentioned method is characterized, according to the invention, by aiming a sensor mounted on a stabilized platform in the main direction of a target in order to form an image of the target and place a desired aiming point on the target,

å generere en referanselaserstråle ved hjelp av en laseroscillator som er montert på den stabiliserte plattformen, generating a reference laser beam using a laser oscillator mounted on the stabilized platform,

å lede en del av nevnte referanselaserstråle til nevnte føler for å fastlegge en posisjon for nevnte utgangsstråle, hovedsaklig på nevnte ønskede siktepunkt, to guide a part of said reference laser beam to said sensor in order to determine a position for said output beam, mainly on said desired aiming point,

å beregne en vinkel mellom nevnte referansestråle og nevnte siktepunkt, og to calculate an angle between said reference beam and said aiming point, and

å justere plattformens posisjon for å bevirke nevnte vinkel til å bli lik null. to adjust the position of the platform to cause said angle to be equal to zero.

Det innledningsvis nevnte lasersystem kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen, ved en sikte- og følgeføler som er montert på en bevegelig, stabilisert kardansk opphengt plattform, The laser system mentioned at the outset is characterized, according to the invention, by an aiming and tracking sensor which is mounted on a movable, stabilized gimbal-suspended platform,

en laserosclllator som er istand til å utsende en referanse-laserstråle, idet nevnte laseroscillator er montert på nevnte bevegelige stabiliserte kardansk opphengte a laser oscillator capable of emitting a reference laser beam, said laser oscillator being mounted on said movable stabilized gimbal mounted

plattform, platform,

en stråledeler som er montert på nevnte bevegelige, stabiliserte kardansk opphengte plattform for å rette en første del av nevnte referansestråle til nevnte sikte- og følgeføler og en andre del av nevnte referansestråle til et dirigeringsmiddel, a beam splitter which is mounted on said movable, stabilized gimbal-suspended platform to direct a first part of said reference beam to said aiming and tracking sensor and a second part of said reference beam to a directing means,

en laserforsterker som er montert uavhengig vekk fra nevnte stabiliserte kardansk opphengte plattform og anordnet til å motta nevnte andre del av nevnte referansestråle fra nevnte dirigerende middel for å forsterke nevnte referanse-laserstråle, a laser amplifier mounted independently away from said stabilized gimbal suspended platform and arranged to receive said second portion of said reference beam from said directing means to amplify said reference laser beam,

et fasekonjugeringsspeil som er montert uavhengig vekk fra nevnte stabiliserte kardansk opphengte plattform og er anordnet til å motta en forsterket laserstråle som er blitt ført gjennom nevnte laserforsterker for å korrigere aberrasjoner i nevnte andre del av nevnte referanselaserstrålen a phase conjugation mirror mounted independently away from said stabilized gimbal suspended platform and arranged to receive an amplified laser beam which has been passed through said laser amplifier to correct aberrations in said second part of said reference laser beam

etter at nevnte andre del av nevnte referanselaserstråle passerer gjennom nevnte laserforsterker, after said second part of said reference laser beam passes through said laser amplifier,

idet nevnte sikte- og følgeføler er plassert for å motta nevnte første del av nevnte referanselaserstråle sammen med stråling fra et målsiktepunkt for å frembringe et feilsignal basert på en vinkelmessig forskjell mellom retningene for nevnte referansestråle og nevnte målsiktepunkt, og wherein said aim and tracking sensor is positioned to receive said first part of said reference laser beam together with radiation from a target aim point to produce an error signal based on an angular difference between the directions of said reference beam and said target aim point, and

idet nevnte feilsignal anvendes til å drive et kardanoppheng-ningsposisjoneringsmiddel for å innrette nevnte utgangsstråle med nevnte målsiktepunkt. said error signal being used to drive a gimbal suspension positioning means to align said output beam with said target aiming point.

Disse trekk ved oppfinnelsen, samt ytterligere utførelsesfor-mer vil fremgå av patentkravene, samt av den etterfølgende beskrivelse under henvisning til tegningene der: Fig. 1 skjematisk viser plasseringen av de forskjellige komponenter i en foretrukket utførelsesform for oppfinnelsen og These features of the invention, as well as further embodiments, will be apparent from the patent claims, as well as from the subsequent description with reference to the drawings where: Fig. 1 schematically shows the location of the various components in a preferred embodiment of the invention and

fig. 2 viser målfølgeprosessen ved en automatisk direkte sikteteknikk. fig. 2 shows the target tracking process of an automatic direct aiming technique.

På fig. 1 er det vist en foretrukket utførelsesf orm for en selvinnrettende fasekonjugert laser til bruk ved automatisk direkte sikteteknikk, innbefattende en enkel tverrmodus laseroscillator 12, anbragt på en stabilisert plattform 13 som er en del av den indre kardanske opphengning i et laser sikte- og målfølgesystem. Den stabiliserte plattform 13 tjener som et optisk underlag, hvorpå det også er montert en målfølgeføler 14 og en stråledeler 15. Målfølgeføleren 14 er i et typisk tilfelle et fjernsyns-kamerarør eller forover-seende infrarød (FLIR) føler som utgjør en innretning til frembringelse av vinkelfeilsignaler til anvendelse i det servomekaniske system for å sikte den stabiliserte plattform 13 på den indre kardanske opphengning i sikte- og målfølge-systemet. Anbringelse av enkelmodus laseroscillatoren 12, målfølgeføleren 14 og stråledeleren 15 på den samme stabiliserte plattform 13, som utgjør en del av den indre kardanske opphenging, muliggjør reduksjon av feilinnstillingsfeil og skjelving som skyldes ettergivenhet i konstruksjonen. Høykvalitets laseroscillatorstrålen sendes ut fra den stabiliserte plattform 13 på den indre kardanske opphengning ved refleksjon fra stråledeleren 15 som er en delvis reflekterende plan flate. Etter refleksjon fra stråledeleren 15, vil høykvalitets strålen fra den enkle tverrmodus laseroscillator passere gjennom konstruksjonens oppbygning, omfattende den kardanske opphengings akser 16 og 17 ved refleksjon fra to reflekterende elementer 18, 19 og eventuelt ytterligere ombøynings eller videreførende reflekterende komponenter (ikke vist). In fig. 1 shows a preferred embodiment for a self-aligning phase conjugate laser for use in automatic direct aiming technique, including a simple transverse mode laser oscillator 12, placed on a stabilized platform 13 which is part of the internal gimbal suspension in a laser aiming and target tracking system. The stabilized platform 13 serves as an optical substrate, on which a target tracking sensor 14 and a beam splitter 15 are also mounted. The target tracking sensor 14 is in a typical case a television camera tube or forward-looking infrared (FLIR) sensor which constitutes a device for generating angular error signals for use in the servo-mechanical system to aim the stabilized platform 13 on the internal gimbal suspension in the aiming and target tracking system. Placing the single-mode laser oscillator 12, target tracking sensor 14, and beam splitter 15 on the same stabilized platform 13, which forms part of the internal gimbal suspension, enables reduction of misalignment errors and jitter due to structural compliance. The high-quality laser oscillator beam is emitted from the stabilized platform 13 on the internal gimbal suspension by reflection from the beam splitter 15 which is a partially reflective flat surface. After reflection from the beam splitter 15, the high-quality beam from the single transverse mode laser oscillator will pass through the structure of the structure, comprising the gimbal suspension axes 16 and 17 by reflection from two reflective elements 18, 19 and possibly further deflection or forward reflective components (not shown).

Ved en mulig utførelsesform er de reflekterende komponenter 18 og 19 "helvinkel" reflekterende komponenter, hvilket er en betegnelse de har fått fordi de er beregnet på å gi en verdi for vinkelavvik fra en reflektert stråle lik den vinkel som komponenten dreies gjennom. Den reflekterende komponent 18 er festet til den indre kardanske opphenging i sikte- og målfølgesystemet, men er ikke noen del av den stabiliserte plattform 13. Den reflekterende komponent 19 er festet til en ytre kardansk opphengning eller pidestallfeste, avhengig av den utførelsesform det gjelder for sikte- og målfølgesys-temet. Man kan også ha ytterligere reflekterende komponenter for å ombøye den optiske bane mellom de reflekterende komponenter 18 og 19. De reflekterende komponenter kan velges ut fra en lang rekke vanlige metalliserte eller dielektrisk belagte speil eller innvendig totaltreflekterende prismer som er beregnet på å gi maksimal refleksjon over et bølgelengdeområde som innbefatter laseroscillatorens bølgelengde. In one possible embodiment, the reflective components 18 and 19 are "full angle" reflective components, which is a designation given to them because they are intended to provide a value for angular deviation from a reflected beam equal to the angle through which the component is rotated. The reflective component 18 is attached to the inner gimbal suspension in the sighting and target tracking system, but is not part of the stabilized platform 13. The reflective component 19 is attached to an outer gimbal suspension or pedestal attachment, depending on the embodiment that applies to the sight - and the target tracking system. One can also have additional reflective components to deflect the optical path between the reflective components 18 and 19. The reflective components can be selected from a wide variety of common metallized or dielectric coated mirrors or internally totally reflective prisms which are designed to provide maximum reflection over a wavelength range that includes the wavelength of the laser oscillator.

For noen anvendelser vil den høykvalitets lavenergi laseroscillatorstrålen passere gjennom en ulineaer frekvensomformende anordning 20, men vil ikke bli underkastet fre-kvensomforming i særlig grad på grunn av den forholdsvis lave energitetthet i strålen. En laser-effektforsterker 21 omfattende et eller flere segmenter (der hare et er vist) sørger for høy forsterkning ved oscillatorens bølgelengde. Bølgefronten for den laserstråle som kommer fra lasereffekt-forsterkeren 21 vil få et avvik på grunn av den termiske linsevirkning i mediet i laserens effektforsterker og også i mediet for den ulineære frekvensomformende anordning 20 (hvis det finnes en slik). Avvik eller aberrasjonene kan også innføres ved strålevandring på grunn av uhomogeniteter i effektforsterkeren og i frekvensomformende medier. Videre kan den samme stråle bli feilinnrettet på grunn av fleksibi-liteten i konstruksjonen som omfatter de kardanske opphengninger og den vil vandre på grunn av slitasje eller ufullkommenheter i lagrene allerede når disse er fremstilt og vil vandre i sin siktelinje på grunn av manglende rettvinkel-het mellom de kardanske opphengningenes akser. For some applications, the high quality low energy laser oscillator beam will pass through a non-linear frequency converting device 20, but will not undergo frequency conversion to any great extent due to the relatively low energy density of the beam. A laser power amplifier 21 comprising one or more segments (where a hare et is shown) provides high gain at the oscillator's wavelength. The wavefront of the laser beam coming from the laser power amplifier 21 will have a deviation due to the thermal lensing effect in the medium in the laser power amplifier and also in the medium of the non-linear frequency converting device 20 (if there is one). Deviations or aberrations can also be introduced by beam migration due to inhomogeneities in the power amplifier and in the frequency converting media. Furthermore, the same beam can be misaligned due to the flexibility of the construction that includes the cardan suspensions and it will wander due to wear or imperfections in the bearings already when these are manufactured and will wander in its line of sight due to lack of right angle between the axes of the gimbal suspensions.

Fasekonjugeringsspeilet 22 frembringer en motsatt vandrende stråle hvis bølgefront er det komplekse fasekonjugerte bilde av den innfallende bølgefront. Fasekonjugeringsspeilet 22 kan ha forskjellige utførelser, alt etter den mekanisme med hjelp av hvilken det ulineære optiske medium som anvendes i det frembringer det fasekonjugerte bilde av den strålen som faller inn på speilet. The phase conjugation mirror 22 produces an oppositely traveling beam whose wavefront is the complex phase conjugate image of the incident wavefront. The phase conjugation mirror 22 can have different designs, depending on the mechanism by means of which the nonlinear optical medium used in it produces the phase conjugate image of the beam incident on the mirror.

Ved en utførelsesform er det fasekonjugerende speil 22 en anordning som er basert på den effekt som er kjent som stimulert Brillouin spredning. Akustiske bølger settes opp i et ulineært optisk medium, for eksempel metan under trykk, tetrafluormetan eller karbon-disulfid. Ethvert ulineært optisk medium som kan benyttes for Brillouin spredning, enten det er fast, flytende eller en gass, kan anvendes. De akustiske bølger fremkommer ved elektrostriksjon som inne-bærer samvirkning mellom de kraftige elektriske feltstyrker som finnes i den innfallende stråle og det ulineære spredemedium. Tettheten i spredemediet blir periodisk modulert av elektrostriksjonsprosessen, og akustiske bølger settes opp som resultat av det elektriske felt. Denne prosess krever tilstrekkelig optisk energi som laseren kan levere fordi det finnes en effektgrense, under hvilken stimulert Brillouin spredning ikke vil finne sted. De akustiske bølger som frembringes i spredemediet fremkommer i et tidsintervall av størrelsesordenen nanosekunder, noe som er overordentlig hurtig sammenlignet med de tider som er knyttet til virvel-dannelse, termisk ledning, forplantningen av mekaniske forstyrrelser og mange andre tilknyttede fenomener. I det stimulerte Brillouin spredemedium vil de akustiske bølger som settes opp passe identisk til de innfallende optiske bølgefronter og virke som reflekterende flater for de bølgefronter som treffer de akustiske bølger. Lysbølger som treffer de akustiske bølger blir reflektert, slik at deres bølgefronter blir det komplekse fasekonjugerte bilde av de innfallende bølgefronter. En frekvensforskyvning som skyldes Doppler effekten finner sted ved retrorefleksjonen av lysbølgene fra de akustiske bølger som trekker seg tilbake i det stimulerte Brillouin spredemedium. Denne forskyvning er av en størrelsesorden på 1 del av 100.000 og virker ikke inn på egenskapene. In one embodiment, the phase conjugating mirror 22 is a device based on the effect known as stimulated Brillouin scattering. Acoustic waves are set up in a non-linear optical medium, for example methane under pressure, tetrafluoromethane or carbon disulphide. Any non-linear optical medium that can be used for Brillouin scattering, whether solid, liquid or a gas, can be used. The acoustic waves are produced by electrostriction, which involves interaction between the strong electric field strengths found in the incident beam and the non-linear scattering medium. The density of the spreading medium is periodically modulated by the electrostriction process, and acoustic waves are set up as a result of the electric field. This process requires sufficient optical energy that the laser can deliver because there is a power limit below which stimulated Brillouin scattering will not take place. The acoustic waves produced in the scattering medium appear in a time interval of the order of nanoseconds, which is exceedingly fast compared to the times associated with vortex formation, thermal conduction, the propagation of mechanical disturbances and many other associated phenomena. In the stimulated Brillouin scattering medium, the acoustic waves that are set up will fit identically to the incident optical wavefronts and act as reflecting surfaces for the wavefronts that hit the acoustic waves. Light waves that strike the acoustic waves are reflected, so that their wavefronts become the complex phase conjugate image of the incident wavefronts. A frequency shift due to the Doppler effect takes place by the retroreflection of the light waves from the acoustic waves that recede in the stimulated Brillouin scattering medium. This displacement is of the order of 1 part in 100,000 and does not affect the properties.

Når derfor den fasekonjugerte stråle går gjennom laserforsterkeren 21, den ulineære frekvensomformende anordning 20 og den kardanske opphengningsoptikk 18, 19, vil eventuelle optiske aberrasjoner og vinkelfeiltilpasninger av strålen, som kan opptre etter det første gjennomløp, bli perfekt kompensert. Etter et andre gjennomløp gjennom laserens effektforsterker 21, har strålen tilstrekkelig styrke til på en effektiv måte å bli omformet av den ulineære frekvens-omf ormende anordning 20, hvis det benyttes en slik. Utgangsstrålen 23 som kobles ut gjennom stråledeleren 15, oppviser den optiske kvalitet og innrettingsnøyaktighet man finner ved laseroscillatorer 12 som er montert på den kardanske opphengning med den stabiliserte plattform 13, uansett eventuell skjelvning av siktelinjen eller optisk forvrengning som innføres av forsterkermediet, ulineært medium og det kardanske opphengningssystem. Therefore, when the phase-conjugated beam passes through the laser amplifier 21, the non-linear frequency converting device 20 and the gimbal suspension optics 18, 19, any optical aberrations and angular misalignments of the beam, which may occur after the first pass, will be perfectly compensated. After a second pass through the laser's power amplifier 21, the beam has sufficient strength to be effectively transformed by the non-linear frequency converting device 20, if such is used. The output beam 23 which is switched out through the beam splitter 15 exhibits the optical quality and alignment accuracy found with laser oscillators 12 mounted on the gimbal suspension with the stabilized platform 13, regardless of any jitter of the line of sight or optical distortion introduced by the amplifying medium, non-linear medium and the gimbal suspension system.

Hvis det anvendes polarisasjonsfølsomme elementer, for eksempel et ulineært frekvensomformende krystall for komponenten 20, er det nødvendig å ha en anordning for tilbakedreining av polarisasjonen for å utligne for den polarisasjonsrotasjon som skapes ved bevegelsen av de reflekterende komponenter 18 og 19. Et par kvartbølgeplater eller rombeformede prismer, en anbragt mellom stråledeleren 12 og den reflekterende komponent 18 og den annen anbragt mellom den reflekterende komponent 19 og den ulineære frekvensomformende anordning 20, vil sørge for den nødvendige tilbakedreining av polarisasjonen. If polarization-sensitive elements are used, for example a non-linear frequency-converting crystal for component 20, it is necessary to have a device for reversing the polarization to compensate for the polarization rotation created by the movement of the reflective components 18 and 19. A pair of quarter-wave plates or diamond-shaped prisms, one placed between the beam splitter 12 and the reflective component 18 and the other placed between the reflective component 19 and the non-linear frequency converting device 20, will ensure the necessary reversal of the polarization.

Laseroscillatoren 12 og laser-effektforsterkeren 21 benytter enten samme type forsterkningsmedium eller forenlige typer med samme bølgelengde, som et resultat av at deres forsterk-ningskurver, i det minste delvis, overlapper hverandre. Mulige forsterkningsmedier kan innbefatte et krystall, for eksempel rubin, eller neodym-dopet yttrium aluminium granat (YAG), et dopet glass, for eksempel neodym-dopet glass, en halvleder, så som gallium-arsenid, en gass, for eksempel karbon-dioksid, en væske inneholdende fluorescerende farge-stoff, så som rodamin 6G, eller andre forsterkningsmedier som er kjent på dette område. Forsterkningsmediet blir i alle tilfeller (i laseroscillatoren 12 eller effektforsterkeren 21) eksitert av en egnet vanlig anordning som ikke er vist, for eksempel lyset fra en xenon blinklampe, en elektrisk høyspenningsutladning, en høyenergi elektronstråle eller en annen laser. Eksempel på bruk av forenlige forsterkningsmedier, vil være bruk av en 1,06 mikrometer laserdiode, så som indium gallium arsenid som oscillatoren 12 og en 1,06 mikrometer neodym: YAG eller neodym: glass laserforsterker 21. The laser oscillator 12 and the laser power amplifier 21 use either the same type of gain medium or compatible types with the same wavelength, as a result of which their gain curves, at least partially, overlap. Possible amplification media may include a crystal, such as ruby, or neodymium-doped yttrium aluminum garnet (YAG), a doped glass, such as neodymium-doped glass, a semiconductor, such as gallium arsenide, a gas, such as carbon dioxide , a liquid containing a fluorescent dye, such as rhodamine 6G, or other enhancement media known in the art. The amplification medium is in all cases (in the laser oscillator 12 or the power amplifier 21) excited by a suitable conventional device not shown, for example the light from a xenon flashing lamp, a high-voltage electric discharge, a high-energy electron beam or another laser. Examples of the use of compatible amplification media would be the use of a 1.06 micrometer laser diode, such as indium gallium arsenide as the oscillator 12 and a 1.06 micrometer neodymium: YAG or neodymium: glass laser amplifier 21.

Fasekonjugeringsspeilet 22 kan ha forskjellige utførelser i forskjellige former for den selvinnrettende fasekonjugerte The phase conjugation mirror 22 can have different designs in different shapes for the self-aligning phase conjugate

laser 10. I tillegg til prosessen med stimulert Brillouin spredning som benyttes i den første utførelsesform som er beskrevet i det foregående, kan man forestille seg andre utførelsesformer, der det gjøres bruk av de fenomener som i alminnelighet er betegnet som degenerert firebølgeblanding, trebølgeblanding og foton-ekkoeffekter. Alle disse fenomener er beskrevet i artikler og bøker som dekker det emne der man finner ulineaer optikk, som for eksempel den tredje utgave av boken med tittelen Optical Electronics, skrevet av Amnon Yariv og publisert i 1985 av Holt, Einehart og Winston i New York, artikkelen "Nonlinear Optical Phase Conjugation" av D.M. Pepper i The Laser Handbook, bind 4, redigert av M. Bass og B. Stitch og publisert av North-Holland i New York i 1985, og boken Optical Phase Conjugation av R.A. Fisher, publisert av Academic Press i New York i 1985. Utførelsesformer for fasekonjugeringsspeil som benytter trebølgeblanding, degenerert firebølgeblanding og foton-ekkoeffekter, er kjent på det foreliggende område og er beskrevet i forskjellige US-PS, så som patent nr. 4.321.550 og 4.233.571. laser 10. In addition to the process of stimulated Brillouin scattering used in the first embodiment described above, other embodiments can be imagined, where use is made of the phenomena commonly referred to as degenerate four-wave mixing, three-wave mixing and photon -echo effects. All these phenomena are described in articles and books covering the subject of nonlinear optics, such as the third edition of the book entitled Optical Electronics, written by Amnon Yariv and published in 1985 by Holt, Einehart and Winston in New York, the article "Nonlinear Optical Phase Conjugation" by D.M. Pepper in The Laser Handbook, Volume 4, edited by M. Bass and B. Stitch and published by North-Holland in New York in 1985, and the book Optical Phase Conjugation by R.A. Fisher, published by the Academic Press of New York in 1985. Phase conjugation mirror embodiments utilizing three-wave mixing, degenerate four-wave mixing, and photon echo effects are known in the art and are described in various US Patents, such as Patent Nos. 4,321,550 and 4,233,571.

Dén første utførelsesform for det fasekonjugerende speil 22 er en stimulert Brillouin spredeanordning, der en innfallende bølgefront som er blitt deformert ved en eller annen optisk aberrasjon setter opp akustiske bølger i et passende medium, så som metan, tetrafluorometan eller karbondisulfid under trykk. De akustiske bølger frembringes ved elektrostriksjon, en prosess der de meget høye elektriske feltstyrker i den innfallende laserstråle virker sammen med mediet. Tettheten i mediet blir periodisk modulert av elektrostriksjonsprosessen på en tid som er overordentlig liten, sammenlignet med den en eller annen mekanisme måtte bruke for å frembringe de forvrengte bølgefronter på de innfallende lysstråler. De periodiske tetthetsvariasjoner som er knyttet til de akustiske bølger, tjener som reflekterende flater for de aberrasjonsutsatte bølgefronter som treffer de akustiske bølger. Det komplekse fasekonjugerte bilde av den innfallende optiske bølgefront blir reflektert, og når den reflekterte bølge på nytt møter aberrasjonen som opprinnelig frembragte forvrengninger, blir den forvrengte bølge korrigert idet den passerer aberrasjonen. The first embodiment of the phase-conjugating mirror 22 is a stimulated Brillouin scattering device, where an incident wavefront that has been deformed by some optical aberration sets up acoustic waves in a suitable medium, such as methane, tetrafluoromethane or carbon disulphide under pressure. The acoustic waves are produced by electrostriction, a process where the very high electric field strengths in the incident laser beam work together with the medium. The density of the medium is periodically modulated by the electrostriction process in a time that is exceedingly small, compared to the time some mechanism had to use to produce the distorted wavefronts of the incident light rays. The periodic density variations associated with the acoustic waves serve as reflecting surfaces for the aberration-prone wavefronts that strike the acoustic waves. The complex phase conjugate image of the incident optical wavefront is reflected, and when the reflected wave re-encounters the aberration that originally produced the distortions, the distorted wave is corrected as it passes the aberration.

Den annen utførelsesform for det fasekonjugerende speil 22 benytter prosessen med degenerert sidebølgeblanding for oppnåelse av bølgefrontkorreksjonen. To pumpebølger som sendes ut, enten av to identiske lasere med samme bølgelengde eller en laser i kombinasjon med en stråledeleranordning, frembringer samlede optiske stråler som faller inn på et ikke lineært medium fra motsatte retninger. Et fasehologram blir satt opp i mediet ved samvirkningen mellom de to pumpebølger og en brutt bølgefront med mediet. Den brutte bølgefront som faller inn på mediet reflekteres som den fasekonjugerte bølgeform. Som et alternativ anvendes det et passende absorberende eller forsterkende medium som resulterer i at det dannes amplitudehologrammer i mediet, og dette fører til fasekonjugeringsprosessen. The second embodiment of the phase conjugating mirror 22 uses the process of degenerate side wave mixing to achieve the wavefront correction. Two pump waves emitted, either by two identical lasers of the same wavelength or a laser in combination with a beam splitter device, produce combined optical beams incident on a non-linear medium from opposite directions. A phase hologram is set up in the medium by the interaction between the two pump waves and a broken wave front with the medium. The refracted wavefront incident on the medium is reflected as the phase conjugate waveform. As an alternative, a suitable absorbing or amplifying medium is used which results in the formation of amplitude holograms in the medium, and this leads to the phase conjugation process.

Den tredje utførelsesform som gjør bruk av trebølgeblanding er ofte betegnet som parametrisk nedomformning. De innfallende brutte bølgefronter treffer et ulineært medium og i tillegg sender en utenforliggende laser bølger av en pumpe-frekvens som er det dobbelte av frekvensen for de brutte bølger og som også bringes til å falle inn på mediet fra samme retning. Samvirkningen mellom bølgene og mediet frembringer den fasekonjugerte bølgeform som forplanter seg gjennom det ulineære medium. Denne bølgeform blir så ført tilbake langs den opprinnelige optiske bane for den innfallende brutte bølgefront ved hjelp av vanlige midler. The third embodiment that makes use of three-wave mixing is often referred to as parametric down-conversion. The incident refracted wavefronts hit a non-linear medium and, in addition, an external laser sends waves of a pump frequency that is twice the frequency of the refracted waves and which are also caused to fall onto the medium from the same direction. The interaction between the waves and the medium produces the phase conjugate waveform that propagates through the nonlinear medium. This waveform is then guided back along the original optical path of the incident refracted wavefront by conventional means.

Ennu en utførelsesform gjør bruk av prinsippet med fotonekko til frembringelse av fasekonjugerte reflekterte bølgefronter. Denne prosess er beslektet med stimulert Brillouin spredning, bortsett fra at det ulineære medium er forskjellig. I foton-ekkoprosessen vil en innfallende brutt bølgefront deformere mediet. En laserpuls som sendes ut av en utenforliggende laser og som treffer det samme medium på et senere tidspunkt, blir reflektert som den komplekse fasekonjugerte bølgeform for den brutte innfallende bølgeform. Denne prosess er ekstremt hurtig og til og med hurtigere enn den prosess som benytter stimulert Brillouin spredning. Prosessen finner sted i flere centimeter av overflaten av det ulineære medium, der de brutte bølgefronter faller inn. Yet another embodiment makes use of the principle of photon echo to generate phase conjugate reflected wavefronts. This process is related to stimulated Brillouin scattering, except that the nonlinear medium is different. In the photon-echo process, an incident broken wavefront will deform the medium. A laser pulse emitted by an external laser that strikes the same medium at a later time is reflected as the complex phase conjugate waveform of the refracted incident waveform. This process is extremely fast and even faster than the process using stimulated Brillouin scattering. The process takes place in several centimeters of the surface of the nonlinear medium, where the broken wave fronts fall.

Den ulineære frekvensomformende anordning 20 kan ta forskjellige former, alt etter den nøyaktige fysiske mekanisme som anvendes, selv om de fleste av dem forutsetter de ulineære optiske egenskaper ved visse medier. To slike mekanismer er frekvensdobling, også kjent som annen harmonisk generering og stimulert Råman spredning. The non-linear frequency converting device 20 can take different forms, depending on the exact physical mechanism used, although most of them assume the non-linear optical properties of certain media. Two such mechanisms are frequency doubling, also known as second harmonic generation and stimulated Råman scattering.

Forklaringen av frekvensomformningsvirkningene i ulineære optiske medier, ligger i den måte en lysstråle forplanter seg gjennom et dielektrisk medium. Et stoffmedium består av atomer eller molekyler hvis kjerner og tilhørende elektroner danner elektriske dipoler. Elektromagnetisk stråling i form av en lysstråle, samvirker med disse dipoler og bringer dem til å svinge. De svingende dipoler vil selv virke som kilder til elektromagnetisk stråling. Hvis vibrasjonsamplituden for dipolene er liten, vil den stråling de sender ut ha samme frekvens som den innfallende stråling. Etterhvert som styrken på den innfallende stråling øker, vil imidlertid de ulineære virkninger til slutt komme med i spillet, noe som frembringer harmoniske av frekvensen for dipolenes svingnin-ger. Den andre og sterkeste frekvensharmoniske er ved det dobbelte av frekvensen for den innfallende stråling. Ikke alle faste stoffer oppviser frekvensdobling. Fenomenet er ikke observert for faste stoffer som har et symmetrisentrum i deres struktur. I krystaller som frembringer frekvensdoblet lys, vil dispersjon bringe det frekvensdoblede lys til å bevege seg med en annen hastighet enn det lys hvis frekvens ikke er doblet. Destruktive interferensvirkninger resulterer i periodiske variasjoner i styrken på det frekvensdoblede lys gjennom krystallet. Hvis forplantningshastighetene for strålene kan gjøres like, får man en kraftigere frekvensdoblet stråle. En teknikk for hastighetsutligning, også kjent som fasetilpasning, kan oppnås ved å benytte dobbelt-brytende krystaller, der dispersjonen er mindre enn dobbelt-brytningen. Krystaller av ammonium dihydrogenfosfat (ADP) og kalium dideuterium fosfat (KD<*>P) hører til denne gruppe av materialer og er alminnelig anvendt for frembringelse av annen harmoniske i kommersielle lasersystemer, der man har oppnådd virkningsgrader på 20 til 30 prosent. Flere nye materialer byr på muligheter til høyere omformer-effektivi-tet. Litium-niobat gir en høyere virkningsgrad ved omform-ningen, men har en brytningsindeks som i høy grad avhenger av lasereffekten. Denne virkning er kjent som optisk skade og i litium-niobat vet man at denne ikke finner sted over 160 grader celsius. Frekvensdoblere som anvender litium-niobat må derfor holdes i en ovn med nøyaktig regulert temperatur for fasetilpasning. Et annet materiale, barium natrium niobat, har en ennu høyere virkningsgrad for frekvensomformningen og synes ikke å lide av optisk skade. The explanation of the frequency conversion effects in non-linear optical media lies in the way a light beam propagates through a dielectric medium. A material medium consists of atoms or molecules whose nuclei and associated electrons form electric dipoles. Electromagnetic radiation in the form of a light beam interacts with these dipoles and causes them to oscillate. The oscillating dipoles themselves will act as sources of electromagnetic radiation. If the vibration amplitude of the dipoles is small, the radiation they emit will have the same frequency as the incident radiation. As the strength of the incident radiation increases, however, the nonlinear effects will eventually come into play, which produces harmonics of the frequency of the dipoles' oscillations. The second and strongest frequency harmonic is at twice the frequency of the incident radiation. Not all solids exhibit frequency doubling. The phenomenon is not observed for solids that have a center of symmetry in their structure. In crystals that produce frequency-doubled light, dispersion will cause the frequency-doubled light to travel at a different speed than the light whose frequency is not doubled. Destructive interference effects result in periodic variations in the strength of the frequency-doubled light through the crystal. If the propagation speeds of the beams can be made equal, a more powerful frequency-doubled beam is obtained. A technique for velocity equalization, also known as phase matching, can be achieved by using birefringent crystals, where the dispersion is less than the birefringence. Crystals of ammonium dihydrogen phosphate (ADP) and potassium dideuterium phosphate (KD<*>P) belong to this group of materials and are commonly used for producing second harmonics in commercial laser systems, where efficiencies of 20 to 30 percent have been achieved. Several new materials offer opportunities for higher converter efficiency. Lithium niobate gives a higher degree of efficiency during the transformation, but has a refractive index that depends to a large extent on the laser effect. This effect is known as optical damage and in lithium niobate it is known that this does not take place above 160 degrees Celsius. Frequency doublers using lithium niobate must therefore be kept in an oven with precisely regulated temperature for phase matching. Another material, barium sodium niobate, has an even higher frequency conversion efficiency and does not appear to suffer from optical damage.

En annen virkning som kan benyttes ved frekvensomformningen er stimulert Råman spredning. Ved den vanlige Råman effekt blir et foton av en innfallende lysstråle spredt av et molekyl og kommer ut med en annen bølgelengde. For en monokromatisk stråle, vil man i alminnelighet ha mer enn en forskjøvet spektrallinje. Hvis en utsendt linje har en bølgelengde som er lenger enn bølgelengden for den innfallende stråle, kalles den en "Stokes linje". En utsendt spektrallinje med en bølgelengde som er kortere enn bølge-lengden for den innfallende stråle kalles en "anti-Stokes linje". Forskjellen i energi mellom utsendte og innfallende fotoner skyldes forandringer i molekylenes nivåer for vibrasjoner, elektronisk nivå, spinn og rotasjon med en avtagende energi, svarende til Stokes linjen og en økende energi svarende til anti-Stokes linjen. De spredte stråler ved bestemte bølgelengder opptrer som vel definerte konuser rundt retningen for den innfallende stråle. Ved stimulert Råman spredning bringes de fotoner som sendes ut på grunn av den ordinære Råman effekt til å stimulere ytterligere Råman emisjoner. Med sterk pumping av et Raman-aktivt medium med en laser, kan man oppnå forsterkninger ved de bølgelengder som tilsvarer Stokes og anti-Stokes spektrallinjene. Denne pumping kan benyttes til å sette opp oscillasjoner ved disse bølgelengder. Hydrogen, deuterium og metan er noen av de molekylære gasser som er blitt anvendt vanligvis under trykk, fordi virkningen forbedres ved økende tetthet i gassen. Another effect that can be used in the frequency conversion is stimulated Råman scattering. In the usual Råman effect, a photon of an incident light beam is scattered by a molecule and emerges with a different wavelength. For a monochromatic beam, one will generally have more than one shifted spectral line. If an emitted line has a wavelength longer than the wavelength of the incident beam, it is called a "Stokes line". An emitted spectral line with a wavelength shorter than the wavelength of the incident beam is called an "anti-Stokes line". The difference in energy between emitted and incident photons is due to changes in the molecules' levels of vibration, electronic level, spin and rotation with a decreasing energy, corresponding to the Stokes line and an increasing energy corresponding to the anti-Stokes line. The scattered rays at certain wavelengths appear as well-defined cones around the direction of the incident ray. In stimulated Råman scattering, the photons emitted due to the ordinary Råman effect are brought to stimulate further Råman emissions. By strongly pumping a Raman-active medium with a laser, one can achieve amplifications at the wavelengths corresponding to the Stokes and anti-Stokes spectral lines. This pumping can be used to set up oscillations at these wavelengths. Hydrogen, deuterium and methane are some of the molecular gases that have been used, usually under pressure, because the effect is improved by increasing the density of the gas.

Eksperimentresultater viser at et passivt fasekonjugerende speil på en effektiv måte kompenserer for laserstrålens vandring. En Nd:YAG laser som ble pulset ved 5 hertz ved avsøkningsprisme for å indusere strålevandring på et enkelt fasekonjugerende speil, omfattende en fokuseringslinse og en celle inneholdende metan under trykk, ble benyttet for å vise at en vandring av en stråle svarende til roten av middel-kvadratet, så stor som omtrent 4 milliradianer ble redusert til omtrent 10-mikroradianers restvandring for strålen i den opprinnelige laser. Videre danner denne kompensasjons-mulighet på nesten tre størrelsesordener (en faktor på 1000, eller ti opphøyet i tredje) ikke noen grunnleggende grense. Kompensasjon for ennu større strålevandring ble ikke forsøkt fordi verdien av kompensasjonen som ble oppnådd, ble anslått å overskride de krav for kompensasjon av strålevandring som man kunne støte på i praktiske laser oscillator-forsterkersy-stemer med høy gjennomsnitlig effekt. Resultatene som ble oppnådd viste også at det fasekonjugerte speil kompenserer for aberrasjoner som måtte finnes i den optiske bane. Anvendelse av et optisk element av dårlig kvalitet sammen med et vanlig speil, økte strålespredningen med en faktor på tre, men ga en ubetydelig økning i strålespredning på mindre enn 10 prosent ved anvendelse sammen med det fasekonjugerte speil. Experimental results show that a passive phase-conjugating mirror effectively compensates for the laser beam's travel. An Nd:YAG laser pulsed at 5 hertz by scanning prism to induce beam migration on a single phase conjugating mirror, comprising a focusing lens and a cell containing pressurized methane, was used to show that a beam migration corresponding to the root of mean -squared, as large as about 4 milliradians was reduced to about 10-microradians residual travel of the beam in the original laser. Furthermore, this compensation possibility of almost three orders of magnitude (a factor of 1000, or ten raised to the third) does not form any fundamental limit. Compensation for even greater beam wander was not attempted because the value of compensation achieved was estimated to exceed the beam wander compensation requirements encountered in practical high average power laser oscillator amplifier systems. The results obtained also showed that the phase conjugate mirror compensates for aberrations that may exist in the optical path. Using a poor quality optical element with a conventional mirror increased the beam spread by a factor of three, but gave a negligible increase in beam spread of less than 10 percent when used with the phase conjugate mirror.

Den forbedrede anordning for den selvinnrettende fasekonjugerte laser i den foretrukne utførelsesform for anvendelse med direkte sikteteknikk, er vist på figur 1. Den målføl-gende føler, vanligvis et TV kamerarør, er anbragt på den motstående side av stråledeleren 15, sett i forhold til laseroscillatoren 12, for dermed å motta endel av utgangsstrålingen fra oscillatoren. I tillegg får den målfølgende føler stråling 24 som kommer fra målet etterat strålingen er reflektert fra den side av stråledeleren som vender mot føleren. Den stabiliserte plattform 13 som oscillatoren, stråledeleren og den målfølgende føler er montert på, krever ikke den grad av stivhet som er nødvendig når automatisk direkte sikteteknikk ikke benyttes. En første direkte sikting av oscillatorstrålen og den målfølgende føler, er heller ikke nødvendig. The improved device for the self-aligning phase conjugate laser in the preferred embodiment for use with direct aiming technique is shown in Figure 1. The target tracking sensor, usually a TV camera tube, is placed on the opposite side of the beam splitter 15, seen in relation to the laser oscillator 12, in order to receive part of the output radiation from the oscillator. In addition, the target-following sensor receives radiation 24 that comes from the target after the radiation has been reflected from the side of the beam splitter that faces the sensor. The stabilized platform 13 on which the oscillator, beam splitter and target tracking sensor are mounted does not require the degree of rigidity that is necessary when automatic direct aiming technique is not used. A first direct aiming of the oscillator beam and the target-following sensor is also not necessary.

Målfølgeprosessen for den automatiske direkte sikteteknikk er vist på figur 2. Bildet til venstre på figur 2 viser den målfølgende følers synsfelt 26, der et mål (her en panser-vogn) befinner seg. Den stiplede sirkel og siktekorsmøn-steret representerer det geometriske sted for utgangsstrålen i det fjerntliggende felt 27 som er merket med retursignalet fra laseroscillatoren. Den heltrukne sirkel representerer det valgte siktepunkt 28 på målet. Målfølgeren er beregnet på å måle vinkelforskyvningen mellom siktepunktet 28 på målet og det geometriske sted for utgangsstrålen i det fjerne felt 27, og å frembringe målfølgefeilsignalet som benyttes for å slutte en målfølgende servosløyfe rundt den kardanske opphengnings orienteringsutstyr. Til høyre på figur 2 vises den målfølgende følers synsfelt etterat målfølgesløyfen er sluttet og målfølgefeilene er bragt ned til null. De eneste pekefeil som blir tilbake er de som skyldes uperfekt isolasjon av den indre kardanske opphengning fra fotens bevegelse og uperfekt målfølging på grunn av følerstøy og målbevegelse. Fell som ville ha vært resultatet av feilinnretting av stråledeleren 15, blir kompensert ved den symmetriske refleksjon av oscillatorstrålen og målfølge-signalet fra samme stråledeler. Feil som ville ha vært resultatet av feilinnstilling av laseroscillatoren 12 eller den målfølgende føler 14, blir kompensert ved anvendelse av oscillatoren for å markere den fjerne feltplassering av utgangsstrålen som en referanse for målfølgingen. The target tracking process for the automatic direct aiming technique is shown in Figure 2. The image on the left of Figure 2 shows the target tracking sensor's field of view 26, where a target (here an armored car) is located. The dashed circle and reticle pattern represent the geometric location of the output beam in the far field 27 which is marked with the return signal from the laser oscillator. The solid circle represents the selected aiming point 28 on the target. The target follower is designed to measure the angular displacement between the aiming point 28 on the target and the geometric location of the output beam in the far field 27, and to produce the target following error signal which is used to complete a target following servo loop around the gimbal suspension orientation equipment. To the right of figure 2, the target tracking sensor's field of view is shown after the target tracking loop has been terminated and the target tracking errors have been brought down to zero. The only pointing errors that remain are those due to imperfect isolation of the internal gimbal suspension from the movement of the foot and imperfect target tracking due to sensor noise and target movement. Errors that would have been the result of misalignment of the beam splitter 15 are compensated for by the symmetrical reflection of the oscillator beam and the target tracking signal from the same beam splitter. Errors that would have resulted from misalignment of the laser oscillator 12 or the tracking sensor 14 are compensated for by using the oscillator to mark the far field location of the output beam as a tracking reference.

Selv om foreliggende oppfinnelse er beskrevet i detalj under henvisning til en spesiell foretrukket utførelsesform, vil fagfolk med vanlig kjennskap til det foreliggende området, være klar over at forskjellige modifikasjoner og endringer kan gjøres uten at man derved avviker fra oppfinnelsens idé og omfang. Although the present invention is described in detail with reference to a particular preferred embodiment, those skilled in the art will be aware that various modifications and changes can be made without deviating from the idea and scope of the invention.

Claims

1. Method for automatic direct aiming of a self-aligning phase conjugate laser having a laser oscillator (12), laser amplifier (21) and a phase conjugation mirror (22) to produce an automatic direct aimed output beam (23), characterized by: aiming a sensor (14) which is mounted on a stabilized platform (13) in the main direction of a target to form an image (26) of the target and place a desired aiming point (28) on the target, to generate a reference laser beam by means of a laser oscillator (12) which is mounted on the stabilized platform (13), to guide a part of said reference laser beam to said sensor (14) to determine a position (27) of said output beam, mainly on said desired aiming point (28), to calculate an angle between said reference beam and said aiming point (28), and adjusting the position of the platform (13) to cause said angle to be equal to zero.

2. Method as stated in claim 1, for directing a high-energy laser weapon in the direction of a perceived, external reconnaissance radiation beam (24), characterized in that: in the aiming step, the target is the source of an external beam (24) and the sensor is a movable tracking sensor (14) which searches for and captures said external beam (24), and identifies this as said desired aiming point (28), that in the generation stage a laser oscillator (12) is used which has high beam quality, that in the guiding stage it is directed a first part of said reference laser to said moving follower sensor (14), the calculation step comprising the steps: to compare the direction of said aiming point (28) as received by said moving follower sensor (14) with the direction of said first part of said reference laser beam, and to generate an error signal corresponding to an angularly shifted value equal to the difference between said directions of said aiming point (28 ) and said reference laser beam, that in the adjustment step said error signal is used to activate a platform control means to move said stabilized platform (13) to a position which causes said error signal to be equal to zero, and including the further step of: passing a second part of said reference laser beam through a laser amplifier (21) which is mounted independently from said stabilized platform (13) and a phase conjugation mirror (22) which is also mounted independently from said stabilized platform (13) in order to producing a high-energy, self-aligned output beam (23).

3. Automatic direct aiming laser system for producing a high energy output beam (23), characterized by: an aiming and tracking sensor (14) mounted on a movable, stabilized gimbal suspended platform (13), a laser oscillator (12) capable of emitting a reference laser beam, said laser oscillator (12) being mounted on said movable stabilized gimbal suspended platform (13), a beam splitter (15) mounted on said movable, stabilized gimbal suspended platform (13) to direct a first part of said reference beam to said aiming and tracking sensor (14) and a second part of said reference beam to a directing means (18, 19), a laser amplifier (21) mounted independently away from said stabilized gimbal suspended platform (13) and arranged to receive said second part of said reference beam from said directing means (18, 19) to amplify said reference laser beam, a phase conjugation mirror (22) mounted independently away from a said stabilized gimbal suspended platform (13) and is arranged to receive an amplified laser beam which has been passed through said laser amplifier (21) to correct aberrations in said second part of said reference laser beam after said second part of said reference laser beam passes through said laser amplifier (21), said aiming and tracking sensor (14) being positioned to receive said first part of said reference laser beam together with radiation (24) from a target aiming point (28) to produce an error signal based on an angular difference between the directions of said reference beam and said target aiming point (28), and said error signal being used to drive a gimbal suspension positioning means to align said output beam (23) with said target aiming point (28).

4. System as stated in claim 3, characterized in that said aiming and tracking sensor (14) is an image-forming sensor.

5. System as stated in claim 3, characterized in that the aforementioned aiming and following sensor (14) is a quadrant arrangement of photodetectors.

6. System as stated in any one of claims 3-5, characterized in that it also includes a non-linear wavelength converter (20) placed between said laser oscillator (12) and said laser amplifier.

7. System as set forth in any one of claims 3-6, characterized in that it also includes a quarter-wave plate which is placed between said target (28) and said beam parts (15).