NO172083B - Automatisk direkte sikteteknikk for selvinnrettende fasekonjugert laser - Google Patents

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.

Foreliggende oppfinnelse er beslektet med oppfinnelsen i norsk patentsøknad nr. 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.

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.

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.

"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.

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.

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 4.233.571 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.

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.

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 4.530.602 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 4.326.800 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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 .

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,

å generere en referanselaserstråle ved hjelp av en laseroscillator som er montert på den stabiliserte plattformen,

å lede en del av nevnte referanselaserstråle til nevnte føler for å fastlegge en posisjon for nevnte utgangsstråle, hovedsaklig på nevnte ønskede siktepunkt,

å beregne en vinkel mellom nevnte referansestråle og nevnte siktepunkt, og

å justere plattformens posisjon for å bevirke nevnte vinkel til å bli lik null.

Det innledningsvis nevnte lasersystem kjennetegnes, ifølge oppfinnelsen, ved en sikte- og følgeføler som er montert på en bevegelig, stabilisert kardansk opphengt plattform,

en laserosclllator som er istand til å utsende en referanse-laserstråle, idet nevnte laseroscillator er montert på nevnte bevegelige stabiliserte kardansk opphengte

plattform,

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,

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,

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

etter at nevnte andre del av nevnte referanselaserstråle passerer gjennom nevnte laserforsterker,

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

idet nevnte feilsignal anvendes til å drive et kardanoppheng-ningsposisjoneringsmiddel for å innrette nevnte utgangsstråle med nevnte målsiktepunkt.

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

fig. 2 viser målfølgeprosessen ved en automatisk direkte sikteteknikk.

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Fasekonjugeringsspeilet 22 kan ha forskjellige utførelser i forskjellige former for den selvinnrettende fasekonjugerte

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for automatisk direkte sikting av en selvinnrettende fasekonjugert laser som har en laseroscillator (12), laserforsterker (21) og et fasekonjugeringsspeil (22) for å frembringe en automatisk direkte siktet utgangsstråle (23), karakterisert ved: å sikte en føler (14) som er montert på en stabilisert plattform (13) i hovedretningen til et mål for å danne et bilde (26) av målet og plassere et ønsket siktepunkt (28) på målet, å generere en referanselaserstråle ved hjelp av en laseroscillator (12) som er montert på den stabiliserte plattformen (13), å lede en del av nevnte referanselaserstråle til nevnte føler (14) for å fastlegge en posisjon (27) for nevnte utgangsstråle, hovedsaklig på nevnte ønskede siktepunkt (28), å beregne en vinkel mellom nevnte referansestråle og nevnte siktepunkt (28), og å justere plattformens (13) posisjon for å bevirke nevnte vinkel til å bli lik null.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, for å rette et høyenergi laservåpen i retningen av en oppfattet, ekstern rekognoser-ingsstrålings-stråle (24), karakterisert ved at: i siktingstrinnet er målet kilden for en ekstern stråle (24) og føleren er en bevegelig følgeføler (14) som søker etter og fanger inn den nevnte eksterne stråle (24), og identifi-serer denne som nevnte ønskede siktepunkt (28), at det i genereringstrinnet anvendes en laseroscillator (12) som har høy strålekvalitet, at i ledetrinnet dirigeres en første del av nevnte referanse-laser til nevnte bevegelige følgeføler (14), idet beregningstrinnet omfatter trinnene: å sammenligne retningen for nevnte siktepunkt (28) slik denne mottas av nevnte bevegelige følgeføler (14) med retningen for nevnte første del av nevnte referanselaserstråle, og å generere et feilsignal som tilsvarer en vinkelmessig forskjøvet verdi lik forskjellen mellom nevnte retninger for nevnte siktepunkt (28) og nevnte referanselaserstråle, at i justeringstrinnet anvendes nevnte feilsignal til å aktivere et plattformstyringsmiddel for å bevege nevnte stabiliserte plattform (13) til en posisjon som bevirker nevnte feilsignal til å være lik null, og innbefattende det ytterligere trinn: å føre en andre del av nevnte referanselaserstråle gjennom en laserforsterker (21) som er montert uavhengig fra nevnte stabiliserte plattform (13) og et fasekonjugeringsspeil (22) som også er montert uavhengig fra nevnte stabiliserte plattform (13) for å frembringe en høyenergi, selvinnrettet utgangsstråle (23).

3. Automatisk direkte siktet lasersystem for å frembringe en høyenergi utgangsstråle (23), karakterisert ved: en sikte- og følgeføler (14) som er montert på en bevegelig, stabilisert kardansk opphengt plattform (13), en laseroscillator (12) som er istand til å utsende en referanselaserstråle, idet nevnte laseroscillator (12) er montert på nevnte bevegelige stabiliserte kardansk opphengte plattform (13), en stråledeler (15) som er montert på nevnte bevegelige, stabiliserte kardansk opphengte plattform (13) for å rette en første del av nevnte referansestråle til nevnte sikte- og følgeføler (14) og en andre del av nevnte referansestråle til et dirigeringsmiddel (18, 19), en laserforsterker (21) som er montert uavhengig vekk fra nevnte stabiliserte kardansk opphengte plattform (13) og anordnet til å motta nevnte andre del av nevnte referansestråle fra nevnte dirigerende middel (18, 19) for å forsterke nevnte referanse-laserstråle, et fasekonjugeringsspeil (22) som er montert uavhengig vekk fra nevnte stabiliserte kardansk opphengte plattform (13) og er anordnet til å motta en forsterket laserstråle som er blitt ført gjennom nevnte laserforsterker (21) for å korrigere aberrasjoner i nevnte andre del av nevnte referanselaserstrålen etter at nevnte andre del av nevnte referanse-laserstråle passerer gjennom nevnte laserforsterker (21), idet nevnte sikte- og følgeføler (14) er plassert for å motta nevnte første del av nevnte referanselaserstråle sammen med stråling (24) fra et målsiktepunkt (28) for å frembringe et feilsignal basert på en vinkelmessig forskjell mellom retningene for nevnte referansestråle og nevnte målsiktepunkt (28), og idet nevnte feilsignal anvendes til å drive et kardanoppheng-ningsposisjoneringsmiddel for å innrette nevnte utgangsstråle (23) med nevnte målsiktepunkt (28).

4. System som angitt i krav 3, karakterisert ved at nevnte sikte- og følgeføler (14) er en bilde-dannende føler.

5. System som angitt i krav 3, karakterisert ved at den nevnte siktende og følgende føler (14) er en kvadrantoppstilling av fotodetektorer.

6. System som angitt i et hvilket som helst av krav 3-5, karakterisert ved at den dessuten innbefatter en ulineær bølgelengdeomformer (20) anbragt mellom nevnte laseroscillator (12) og nevnte laserforsterker.

7. System som angitt i et hvilket som helst av krav 3-6, karakterisert ved at den dessuten innbefatter en kvartbølgeplate som er anbragt mellom nevnte mål (28) og nevnte stråledeler (15).