WO1986006844A1 - Dispositif recepteur d'integration pour rayonnement laser - Google Patents

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WO1986006844A1
WO1986006844A1 PCT/EP1986/000288 EP8600288W WO8606844A1 WO 1986006844 A1 WO1986006844 A1 WO 1986006844A1 EP 8600288 W EP8600288 W EP 8600288W WO 8606844 A1 WO8606844 A1 WO 8606844A1
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Kurt Eichweber
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Precitronic Gesellschaft Für Feinmechanik Und Elec
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Definitions

  • the invention relates to an integrating receiving device for laser radiation with a detector.
  • Laser radiation is usually sharply focused so that the atmospheric deflection of the light beam due to turbulence and different densities is noticeable due to temperature differences. Because of these disturbances in the air through which the laser beam passes, the laser beam does not always reach the same point and thus does not always fall on the detector, at least temporarily. This creates various disadvantages.
  • a target marked with a detector can no longer be reliably hit by the laser radiation, which is noticeable, for example, when shooting is simulated. If information is transmitted with modulated laser radiation, some of the information can be lost if the laser beam temporarily does not hit the detector.
  • Another disadvantage of the very limited size of known detectors is that the detector absorbs very little energy from the club-shaped laser beam.
  • the object of the invention is to provide a receiving device of the type mentioned, which is simple in construction and has a larger receiving area for the laser radiation.
  • the receiving device is an elongated, rod-shaped first element made of a first material and a surrounding tubular second element made of a second material, that the first and the second material is transparent to the laser radiation to be received, that the first material has a larger refractive index than the second, and that on an end face of the rod-shaped first element, a detector for the laser radiation is attached.
  • the receiving device thus has an elongated light guide which is connected to the detector. All of the laser radiation that strikes the relatively large light guide is then directed to the detector. A sufficient length of the cylindrical elements is of course essential for a sufficient size of the sensitive receiving surface.
  • the receiving device is constructed in such a way that it forms a light guide.
  • the term "light guide” does not mean, however, that the invention is limited to rod-shaped elements in which the light is transmitted by multiple total reflection. Rather, it is the case that the laser radiation is also, possibly even predominantly, passed on to the detector by normal reflection. This is particularly the case with light guides, the length of which is relatively small. The particularly high efficiency observed here may be related to the fact that only relatively few normal reflections take place on the walls until the laser light reaches the detector.
  • the light guide need not only be made up of two elements, that is to say an inner and an outer element. In many cases it is rather advantageous to provide a further element between the first and second elements which is also transparent to the laser radiation but has a refractive index whose value lies between that of the first and second materials. Several such other elements can also be provided.
  • the captured laser radiation does not only emerge at an end face of the rod-shaped first element, but also at the second.
  • the sensitivity of the receiving device can be increased if a mirror is attached to the other end face of the rod-shaped first element, through which the laser radiation arriving at this end is reflected by the first rod-shaped element onto the detector.
  • a detector for the laser radiation is also attached to the other end face of the rod-shaped element; in this case the radiation components emerging at the two ends of the receiving device are detected separately.
  • the receiving device could be rigid.
  • the elements are flexible or if the first element is liquid and the second element is flexible and tubular.
  • the receiving device can be placed around bridges of ships, turrets of tanks during shooting simulation exercises and the like, so that laser radiation incident from different directions can also be detected. So far, there have always been several for this purpose and for another purpose, which will be described below Complicated receiving devices constructed detectors (DE-OSen 28 30 308, 33 00 849, 33 23 828; DE-PS 34 00 837) required. If additional elements are provided, they must also be flexible for this purpose.
  • a modulated laser radiation in particular pulsed laser radiation
  • the receiving device will first reach the receiving device at various points, depending on the direction from which the laser radiation is coming. This results in time differences with which the laser radiation reaches the two end faces of the rod-shaped first element, depending on the direction of incidence.
  • a detector is provided on both end faces, then the incident direction of the laser radiation can be determined from these transit time differences.
  • a mirror is attached to one of the end faces; in this case, the detector detects two pulses or a broadened pulse when a laser radiation pulse hits the detector.
  • the receiving device As mentioned at the beginning, a great deal of laser radiation is captured by the receiving device according to the invention. If, for example, the beam lobe of the laser radiation has a diameter of 2 m at the receiving location, and if the receiving device has a diameter of 3 cm for a given length, the effective receiving area is 600 cm 2 . Even if it is assumed that the losses of the arrangement are not insignificant, the gain for the sensitivity on a small effective detector area is nevertheless great.
  • the first rod-shaped element and the further elements can have different cross-sectional shapes.
  • the first element could have an elliptical cross-section, a triangular cross-section, a rectangular cross-section, a square cross-section or other cross-sectional shapes.
  • the sensitivity can be increased even further if the surface is roughened, so that the incident laser radiation is scattered more effectively into the interior of the receiving device.
  • the surface can also be profiled in order to direct the incident laser radiation into the interior of the receiving device more effectively.
  • a prism-like, groove-like or ring-like profile or a profile in the manner of a trapezoidal thread can be provided.
  • the corresponding profiling can only be done on one Side of the receiving device or circumferentially provided, it can be applied for example in the case of a thermoplastic material of the outer tubular second element by deformation.
  • the laser radiation is guided more effectively into the light guide, but there may be the disadvantage that the roughening or profiling deteriorates the light guide properties.
  • the roughening or profiling is provided on the inner or outer surface of the second element or further element, wherein the other surface can also be roughened, profiled or smooth. This is particularly useful. But it is also conceivable that the surface of the first element is also profiled or roughened, at least in places.
  • the surface of the first element is partially profiled or roughened, smooth surface parts then extending between these profiled or roughened surfaces.
  • this causes a particularly large amount of radiation to be directed into the light guide at the profiled or roughened points, which radiation is then guided on the smooth surfaces in the direction of the longitudinal extension of the light guide to the detector or mirror on the end faces.
  • Another effective way of guiding the laser radiation into the light guide is to provide scattering centers in at least one of the elements, by means of which the laser radiation is extended into the light guide.
  • scattering centers can in particular be dyes as are used for dye lasers.
  • scattering centers There are other possible scattering centers that are particularly suitable, for example from microspheres made of glass, diamond powder, corundum powder, rutile powder and similar materials.
  • Diamond powder in particular has the advantage of scattering a lot of light into the light guide because of its particularly high refractive index. Depending on the design concept, the choice will be made in such a way that optimal amounts of the laser radiation are converted into the total reflection by scattering.
  • the scattering centers are arranged on the surface or in the vicinity of the surface of the inner or outer wall of the first element.
  • a material with a refractive index is provided between the first element and an outer, further element surrounding the first element at the points at which this element has smooth surface areas between scattering centers or rough surface areas on its surface that is smaller than that of the elements.
  • the material with a lower refractive index is a gas.
  • the diameter of the first element guiding the radiation should not be too small. This diameter can be a few mm, but also a few cm.
  • the length of the receiving device will be adapted to the application; for example, it will correspond in whole or in part to the length of a ship if, for example, the receiving device is to be attached to the outside of the railing of a ship. However, the receiving device can also be pulled around a command bridge, for example; in this case their length is of course shorter.
  • FIG. 1 shows a partial view of a receiving device according to the invention
  • FIG. 2 shows a view of another receiving device according to the invention
  • FIG. 3 shows a view of a circularly arranged receiving device
  • FIG. 5 shows a sectional view of another embodiment of a receiving device
  • 6 shows a sectional view of a further embodiment of a receiving device
  • the receiving device 1 of FIG. 1 consists of an inner first rod-shaped element 2 made of a material which is transparent to the laser radiation 3 and of a tubular element 4 surrounding the first rod-shaped element 2 made of a second material which is also transparent to the laser radiation 3, but has a smaller refractive index than the material of the first inner element 2.
  • a detector element 6 is attached to an end face 5 of the first element 2 and is connected to lines 7 with a corresponding amplifier or detection circuit.
  • a casing 8 is also provided, which here encloses the tubular second element 4 and the detector 6.
  • the mode of action is as follows.
  • the incident laser radiation 3 is scattered inside the receiving device 1.
  • most of the radiation scattered to the right in FIG. 1 is directed to the detector 6, due to the fact that the receiving device acts in the manner of a light guide.
  • Another part is scattered to the left, where it could also be picked up by a detector 6 or can be reflected by a mirror 9 to the detector 6, as shown in FIG. 2. Only a relatively small part of the radiation is lost.
  • the effectiveness of the light conduction to the detector is greater, the flatter the reflected light strikes the wall.
  • the effectiveness is particularly great in the case of total reflection. However, it is not necessary that total reflection actually occur. Normal reflection will therefore take place with obliquely incident laser beams even without special scatter centers.
  • the thick-drawn light beam 3 would also be partially reflected, but this is not shown in the figure, since otherwise the representation of the figure would be very confusing due to the large number of (normal) reflections.
  • a second detector can also be provided on the second end face 10 of the first element 2.
  • the location or the distance x from the first detector 6 at which the laser radiation occurs can be measured on the basis of the transit time differences. If L is the total length of the receiving device, the light running to the right must travel a distance x to the right detector, and a distance L - x to the left to the corresponding detector.
  • L is the total length of the receiving device
  • the light running to the right must travel a distance x to the right detector, and a distance L - x to the left to the corresponding detector.
  • the part 3a of the laser radiation running to the right will have to cover a distance x, while the part 3b of the laser radiation running to the left and reflected must cover a distance of 2L-x. Because of these different distances, when the laser radiation is pulsed, two pulses or a broadened pulse occur at the detector 6, so that the location of the impact can be determined
  • a cylinder 11 is shown in a horizontal section as an element around which a detector 1 is placed in a circle. If the wavefront 12 of a laser radiation hits the receiving device 1 first at 13, then radiation components go from here clockwise and counterclockwise to the two detectors 6. The angles ⁇ 1 and ⁇ 2 and thus the horizontal component of the angle can be determined from the transit time difference , under which the laser radiation 3 is incident. If, as is shown in a horizontal section in FIG. 4, two receiving devices 1 are arranged one above the other, depending on the azimuth angle ⁇ , there will be a travel distance difference 14 and thus a travel time difference with which the laser pulses arrive. The azimuth angle ⁇ can be determined from the corresponding time difference.
  • the second element 4 can be profiled on at least one side, for example with a trapezoidal profile 15.
  • a circumferential profile can also be provided, which can also have a different shape. It can also be provided that the outer tubular element 4 is roughened on its surface in order to increase the scatter of the laser radiation.
  • FIG. 6 shows a further embodiment of the invention, in which a further tubular or tubular element 16 is provided between the first cylindrical element 2 and the second tubular or tubular element 4, the refractive index of which has a value which is between that of the elements 2 and 4 lies.
  • Scattering centers 17 are arranged in the material of the first element 2 and are formed, for example, by dyes, crystal or glass particles.
  • the material of the element 2, if it is liquid, can be, for example, a transparent oil or gel, for example hexachloro-1,3-butadiene, into which the scattering centers 17 are then introduced.
  • the scattering centers / bodies 17 can, however, also be provided in the material of the second element 4 or of the further element or elements 16.
  • the scattering centers are arranged on the surface of the first element or the second element (at 17 ').
  • further elements 16 are also provided between the first element 2 and the second element 4, but here they have the shape of rings 16 that contain scattering centers 17. Between these rings, spaces 18 are formed in which a gas, in particular air, can be located. The light scattered into the first element 2 by the scattering centers 17 is particularly effectively reflected on the wall in the region of these gas spaces 18.

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Description

Integrierende Empfangseinrichtung für Laserstrahlung
Die Erfindung betrifft eine integrierende Empfangseinrichtung für Laserstrahlung mit einem Detektor.
Laserstrahlung ist üblicherweise scharf gebündelt, so daß sich die atmosphärische Ablenkung des Lichtstrahls durch Turbulenzen und unterschiedliche Dichten wegen Temperaturunterschieden störend bemerkbar macht. Durch diese Störungen in der Luft, durch die der Laserstrahl hindurchgeht, errreicht der Laserstrahl nämlich nicht immer dieselbe Stelle und fällt damit zumindest zeitweilig nicht immer auf den Detektor. Dadurch entstehen verschiedene Nachteile.
So kann ein mit einem Detektor markiertes Ziel nicht mehr zuverlässig von der Laserstrahlung getroffen werden, was sich zum Beispiel bei Schußsimulation störend bemerkbar macht. Wird mit modulierter Laserstrahlung Information übertragen, so kann ein Teil der Information verloren gehen, wenn der Laserstrahl zeitweilig nicht auf den Detektor trifft. Ein weiterer Nachteil der sehr begrenzten Größe bekannter Detektoren besteht darin, daß der Detektor nur sehr wenig Energie des keulenförmigen Laserstrahlbündels aufnimmt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Empfangseinrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die einfach aufgebaut ist und eine größere Empfangsfläche für die Laserstrahlung aufweist.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Empfangseinrichtung ein längliches, stabförmiges erstes Element aus einem ersten Material und ein dasselbe umgebendes rohrförmiges zweites Element aus einem zweiten Material aufweist, daß das erste und das zweite Material für die zu empfangende Laserstrahlung durchlässig ist, daß das erste Material einen größeren Brechungsindex aufweist als das zweite, und daß an einer Stirnfläche des stabförmigen ersten Elements ein Detektor für die Laserstrahlung angebracht ist.
Die Empfangseinrichtung weist also einen länglichen Lichtleiter auf, der mit dem Detektor verbunden ist. Die gesamte Laserstrahlung, die auf den verhältnismäßig großen Lichtleiter auftrifft, wird dann zum Detektor geleitet. Wesentlich für eine ausreichende Größe der empfindlichen Empfangsfläche ist dabei natürlich eine ausreichende Länge der zylinderförmigen Elemente.
Auch bei Fluktuationen des Orts des Auftreffens der Laserstrahlung infolge Luftturbulenz fällt so immer Laserstrahlung in die Empfangseinrichtung und gelangt zum Detektor, so daß die oben genannten Nachteile nicht auftreten können.
Wie bereits erwähnt ist die Empfangseinrichtung so aufgebaut, daß sie einen Lichtleiter bildet. Die Bezeichnung "Lichtleiter" bedeutet dabei aber nicht, daß die Erfindung auf stabförmige Elemente beschränkt ist, in denen die Weiterleitung des Lichtes durch mehrfache Totalreflektion erfolgt. Vielmehr verhält es sich so, daß die Läserstrahlung auch, unter Umständen sogar überwiegend durch normale Reflektion zum Detektor weitergeleitet wird. Dies ist insbesondere der Fall bei Lichtleitern, deren Länge verhältnismäßig klein ist. Der hier beobachtete besonders hohe Wirkungsgrad hängt möglicherweise mit der Tatsache zusammen, daß nur verhältnismäßig wenige normale Reflektionen an den Wänden erfolgen, bis das Laserlicht den Detektor erreicht. Der Lichtleiter braucht nicht nur aus zwei Elementen, das heißt einem inneren und äußeren Element aufgebaut sein. In vielen Fällen ist es vielmehr vorteilhaft, noch ein weiteres Element zwischen dem ersten und zweiten Element vorzusehen, das ebenfalls durchlässig für die Laserstrahlung ist, aber einen Brechungsindex hat, dessen Wert zwischen demjenigen des ersten und zweiten Materials liegt. Auch mehrere solcher weiteren Elemente können vorgesehen werden.
Die eingefangene Laserstrahlung tritt selbstverständlich nicht nur an einer Stirnfläche des stabförmigen ersten Elements aus, sondern auch an der zweiten. Die Empfindlichkeit der Empfangseinrichtung kann erhöht werden, wenn an der anderen Stirnfläche des stabförmigen ersten Elements ein Spiegel angebracht ist, durch den die an diesem Ende eintreffende Laserstrahlung durch das erste stabförmige Element auf den Detektor reflektiert wird.
Es kann aber auch vorgesehen werden, daß auch an der anderen Stirnfläche des stabförmigen Elements ein Detektor für die Laserstrahlung angebracht ist; in diesem Falle werden die an den beiden Enden der Empfangseinrichtung austretenden Strahlungsanteile getrennt detektiert.
Die Empfangseinrichtung könnte zum Beispiel starr sein. Ein besonderer Vorteil besteht aber darin, wenn die Elemente flexibel sind oder wenn das erste Element flüssig und das zweite Element flexibel und schlauchförmig ist. In diesem Fall kann nämlich die Empfangseinrichtung um Brücken von Schiffen, Türme von Panzern bei Schußsimulationsübungen und dergleichen herumgelegt werden, so daß auch aus verschiedenen Richtungen auftreffende Laserstrahlung detektiert werden kann. Bisher waren für diesen Zweck und einen weiteren Zweck, der im folgenden beschrieben werden wird, stets aus mehreren Detektoren aufgebaute komplizierte Empfangseinrichtungen (DE-OSen 28 30 308, 33 00 849, 33 23 828; DE-PS 34 00 837) erforderlich. Sind weitere Elemente vorgesehen, so müssen diese für diesen Zweck ebenfalls flexibel sein.
Wenn die Empfangseinrichtung gekrümmt ist (besonders einfach sind die Verhältnisse bei kreisringförmig gekrümmter Empfangseinrichtung), so wird eine modulierte Laserstrahlung, insbesondere gepulste Laserstrahlung die Empfangseinrichtung an verschiedenen Stellen zuerst erreichen, je nachdem aus welcher Richtung die Laserstrahlung kommt. Dadurch ergeben sich Laufzeitunterschiede, mit denen die Laserstrahlung die beiden Stirnflächen des stabförmigen ersten Elements erreicht, und zwar je nach Einfallsrichtung. Sieht man an beiden Stirnflächen einen Detektor vor, so kann aus diesen Laufzeitdifferenzen die EinfalIsrichtung der Laserstrahlung bestimmt werden. Selbstverständlich ist dies auch möglich, wenn an einem der Stirnflächen ein Spiegel angebracht ist; in diesem Falle werden vom Detektor zwei Pulse bzw. ein verbreiterter Puls festgestellt, wenn ein Laserstrahlungspuls auf den Detektor trifft.
Man hat damit die Möglichkeit, mit der Empfangseinrichtung die Einfallsrichtung von Laserstrahlung festzustellen, was wie gesagt bisher nur durch sehr aufwendige Anordnungen vieler Sensoren möglich war.
Sieht man mehrere aus ersten, zweiten und ggf. weiteren Elementen und Detektoren/Spiegel aufgebaute Einheiten vor, so wird nicht nur die Empfindlichkeit erhöht. Durch gleichzeitiges Messen der eintreffenden Pulse an den verschiedenen Einheiten kann vielmehr zusätzliche Information über die Richtung der einfallenden Laserstrahlung gewonnen werden. So kann mit einer einzigen horizontal angeordneten kreisringförmigen Empfangseinrichtung nur der Winkel in der Horizontalen bestimmt werden, aus dem die Laserstrahlung kommt. Sieht man aber zwei oder noch mehr solche kreisringförmigen oder anders gekrümmten Elemente übereinander vor, so kann auch der Azimutwinkel der einfallenden Strahlung gemessen werden.
Wie eingangs erwähnt wurde, wird durch die erfindungsgemäße Empfangseinrichtung sehr viel Laserstrahlung aufgefangen. Hat zum Beispiel die Strahlenkeule der Laserstrahlung am Empfangsort einen Durchmesser von 2 m, hat ferner die Empfangseinrichtung bei gegebener Länge einen Durchmesser von 3 cm, so beträgt die wirksame Empfangsfläche 600 cm2. Selbst wenn man davon ausgeht, daß die Verluste der Anordnung nicht unerheblich sind, so ist der Gewinn für die Empfindlichkeit auf einer kleinen wirksamen Detektorfläche dennoch groß.
D a s erste stabförmige Element und die weiteren Elemente können unterschiedliche Querschnittsform haben. So könnte das erste Element zum Beispiel elliptischen Querschnitt, dreieckigen Querschnitt, rechteckigen Querschnitt, quadratischen Querschnitt oder andere Querschnittsformen haben. Besonders vorteilhaft ist es aber, wenn das erste Element zylindrisch ist und die weiteren, um dasselbe herum angeordneten Elemente kreisringförmigen Querschnitt aufweisen.
Die Empfindlichkeit kann noch weiter erhöht werden, wenn die Oberfläche aufgerauht ist, so daß die auftreffende Laserstrahlung wirksamer in das Innere der Empfangseinrichtung gestreut wird. Die Oberfläche kann aber auch profiliert sein, um so wirkungsvoller gezielt die auftreffende Laserstrahlung in das Innere der Empfangseinrichtung zu leiten. Zu diesem Zweck kann eine prismenartige, rillen- oder ringartige Profilierung oder eine Profilierung in der Art eines Trapezgewindes vorgesehen sein. Die entsprechende Profilierung kann nur auf einer Seite der Empfangseinrichtung oder umlaufend vorgesehen sein, Sie kann zum Beispiel bei einem thermoplastischen Material des äußeren rohrförmigen zweiten Elementes durch Verformung aufgebracht werden. Durch die aufgerauhte Oberfläche bzw. profilierte Oberfläche wird zwar die Laserstrahlung wirkungsvoller in den Lichtleiter hineingeleitet, es besteht aber möglicherweise der Nachteil, daß durch die Aufrauhung oder Profilierung die Lichtleitereigenschaften verschlechtert werden. Je nach Material und Art der Oberflächenbehandlung wird man daher vorsehen, daß die Aufrauhungen oder Profilierungen an der Innen- oder Außenfläche des zweiten Elements oder weiteren Elements vorgesehen sind, wobei jeweils die andere Fläche ebenfalls aufgerauht, profiliert oder glatt sein kann. Dies ist besonders zweckmäßig. Es ist aber auch vorstellbar, daß die Oberfläche des ersten Elements ebenfalls, wenigstens stellenweise profiliert oder aufgerauht ist.
Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Oberfläche des ersten Elementes teilweise profiliert oder aufgerauht ist, wobei sich dann zwischen diesen profilierten oder aufgerauhten Flächen glatte Oberflächenteile erstrecken. Dadurch wird einerseits an den profilierten oder aufgerauhten Stellen besonders viel Strahlung in den Lichtleiter hineingelenkt, das dann an den glatten Flächen in Richtung der Längserstreckung des Lichtleiters zum Detektor oder Spiegel an den Stirnflächen geleitet wird.
Eine andere wirkungsvolle Art, die Laserstrahlung in den Lichtleiter zu leiten, besteht darin, in wenigstens einem der Elemente Streuzentren vorzusehen, durch die die Laserstrahlung in den Lichtleiter hineingestreckt wird. Solche Streuzentren können insbesondere Farbstoffe sein, wie sie für FarbstoffLaser verwendet werden. Andere mögliche Streuzentren, die besonders geeignet sind, bestehen zum Beispiel aus Mikrokugeln aus Glas, Diamantpulver, Korundpulver, Rutilpulver und ähnlichen Materialien. Gerade Diamantpulver hat dabei den Vorteil, wegen seines besonders hohen Brechungsindexes besonders viel Licht in den Lichtleiter zu streuen. Die Wahl wird je nach Ausführungs konzept so getroffen werden, daß optimale Mengen der Laserstrahlung durch Streuung in die TotaIreflektion überführt werden.
Wenn das erste Material des ersten Elements flüssig ist, so verwendet man zweckmäßigerweise eine ölartige oder gelartige chemische Substanz ohne OH-Banden, insbesondere Hexachlor-1.3.-Butadien, nämlich Materialien, die einen Brechungsindex von mehr als n = 1,5 haben. Der Brechungsindex des zweiten Materials sollte in diesem Falle kleiner sein, zum Beispiel n = 1,35 betragen. Verwendet man als erstes Material ein transparentes Gel, so können darin leicht die Streuzentren eingebracht werden.
Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn die Streuzentren an der Oberfläche oder in der Nähe der Oberfläche der Innen- oder Außenwand des ersten Elements angeordnet sind. Zu diesem Zweck ist es zweckmäßig, die Streuzentren in entsprechendem Lack oder einem entsprechenden Gel einzubetten. Auf diese Weise wird das Licht besonders wirksam in den Lichtleiter hineingestreut und damit in größeren Mengen in die Totalreflektion überführt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, daß zwischen dem ersten Element und einem äußeren, das erste Element umgebenden weiteren Element an den Stellen, an denen dieses Element zwischen Streuzentren oder rauhen Flächenbereichen an seiner Oberfläche glatte Oberflächenbereiche aufweist, ein Material mit einem Brechungsindex vorgesehen ist, der kleiner ist als der der Elemente. Hierdurch erhält man den Vorteil, daß die Wahrscheinlichkeit, daß das in den Streubereichen gestreute Licht mit Totalreflektion weitergeleitet wird, besonders groß ist bzw. daß das reflektierte Licht unter einem Winkel reflektiert wird, der nahe demjenigen der Totalreflektion ist, so daß die Reflektionsverluste gering sind.
Am zweckmäßigsten ist es in diesem Fall, wenn das Material mit kleinerem Brechungsindex ein Gas ist. Man könnte zum Beispiel vorsehen, daß auf dem ersten stabförmigen Element in Abständen Ringe mit Streuzentren aufgesetzt werden. Diese Ringe werden dann von einem zweiten Element so umschlossen, daß zwischen den Ringen mit Gas, zum Beispiel Luft enthaltende Zwischenräume verbleiben.
Falls man die Streuzentren im ersten Material vorsieht, darf man nicht zu viele Streuzentren verwenden, da sonst die Lichtleiterfunktion beeinträchtigt wird.
Da sich gewisse Verluste in der Empfangseinrichtung nicht vermeiden lassen, sollte der Durchmesser des die Strahlung leitenden ersten Elementes nicht zu klein bemessen sein. Dieser Durchmesser kann einige mm, aber auch einige cm betragen. Die Länge der Empfangseinrichtung wird man dem Anwendungszweck anpassen; sie wird zum Beispiel ganz oder in Teilstücken der Länge eines Schiffes entsprechen, wenn die Empfangseinrichtung zum Beispiel an der Außenseite der Reeling eines Schiffes angebracht werden soll. Die Empfangseinrichtung kann aber auch zum Beispiel um eine Kommandobrücke herumgezogen werden; in diesem Falle ist ihre Länge selbstverständlich kleiner.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von vorteilhaften Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielsweise beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Teilansicht einer erfindungsgemäßen Empfangseinrichtung;
Fig. 2 eine Ansicht einer anderen erfindungsgemäßen Empfangseinrichtung;
Fig. 3 eine Ansicht einer kreisförmig angeordneten Empfangseinrichtung;
Fig. 4 im Schnitt die Ansicht von zwei übereinander angeordneten Empfangseinrichtungen;
Fig. 5 eine Schnittansicht einer anderen Ausführungsform einer Empfangseinrichtung; Fig. 6 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform einer Empfangseinrichtung; und
Fig. 7 eine Schnittansicht einer noch anderen Ausführungsform der Empfangseinrichtung,
Die Empfangseinrichtung 1 der Fig. 1 besteht aus einem inneren ersten stabförmigen Element 2 aus einem für die Laserstrahlung 3 durchlässigen Material und aus einem das erste stabförmige Element 2 umgebenden rohrförmigen Element 4 aus einem zweiten Material, das ebenfalls für die Läserstrahalung 3 durchlässig ist, aber einen kleineren Brechungsindex hat als das Material des ersten inneren Elementes 2. An einer Stirnfläche 5 des ersten Elementes 2 ist ein Detektorelement 6 angebracht, das mit Leitungen 7 mit einer entsprechenden Verstärker- oder D e tektionsschaItung verbunden ist. Am stirnseitigen Ende ist noch eine Ummantelung 8 vorgesehen, die hier das rohrförmige zweite Element 4 und den Detektor 6 umschließt .
Die Wirkungsweise ist die folgende. Die einfallende Laserstrahlung 3 wird im Inneren der Empfangseinrichtung 1 gestreut. Wie dies durch dünn gezeichnete Lichtstrahlen gezeigt ist, wird der größte Teil der in der Fig. 1 nach rechts gestreuten Strahlung zum Detektor 6 geleitet, und zwar aufgrund der Tatsache, daß die Empfangseinrichtung in der Art eines Lichtleiters wirkt. Ein anderer Teil wird nach links gestreut, wo er ebenfalls von einem Detektor 6 aufgenommen werden könnte oder aber von einem Spiegel 9 zum Detektor 6 reflektiert werden kann, wie dies in Fig. 2 gezeigt ist. Nur ein verhältnismäßig kleiner Teil der Strahlung geht verloren.
Die Wirksamkeit der Lichtleitung zum Detektor ist um so größer, je flacher das reflektierte Licht auf die Wandung auffällt. Ganz besonders groß ist dabei die Wirksamkeit im Falle der Totalreflektion. Es ist aber nicht notwendig, daß tatsächlich Totalreflektion auftritt. Normale Reflektion wird daher bei schräg einfallenden Laserstrahlen auch o h n e besondere Streuzentren stattfinden. So würde auch der dick gezeichnete Lichtstrahl 3 teilweise reflektiert werden, was allerdings in der Figur nicht weiter dargestellt ist, da wegen der großen Anzahl von (normalen) Reflektionen die Darstellung der Figur sonst sehr unübersichtlich würde.
Statt des Spiegels 9 der Fig. 2 kann am zweiten Stirnende 10 des ersten Elementes 2 auch ein zweiter Detektor vorgesehen sein. In diesem Falle kann der Ort bzw. die Entfernung x vom ersten Detektor 6, an dem die Laserstrahlung auftritt, aufgrund der Laufzeitunterschiede gemessen werden. Ist L die Gesamtlänge der Empfangseinrichtung, so muß das nach rechts laufende Licht bis zum rechten Detektor eine Strecke x, nach links bis zum entsprechenden Detektor eine Strecke L - x zurücklegen. Im in Fig. 2 gezeigten Fall mit einem Spiegel wird der nach rechts laufende Teil 3a der Laserstrahlung eine Strecke x zurücklegen müssen, während der nach links laufende und reflektierte Teil 3b der Laserstrahlung eine Strecke von 2L - x zurücklegen muß. Aufgrund dieser unterschiedlichen Wegstrecken treten, wenn die Laserstrahlung gepulst ist, am Detektor 6 zwei Pulse bzw. ein verbreiterter Puls auf, so daß der Ort des Auftreffens bestimmt werden kann
In Fig. 3 ist in einem Horizontalschnitt ein Zylinder 11 als ein Element gezeigt, um den kreisförmig ein Detektor 1 herumgelegt ist. Trifft die Wellenfront 12 einer Laserstrahlung bei 13 zuerst auf die Empfangseinrichtung 1 auf, so gehen von hier im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn Strahlungsanteile zu den beiden Detektoren 6. Aus der Laufzeitdifferenz können die Winkel Φ1 und Φ2 und damit die Horizontalkomponente des Winkels bestimmt werden, unter dem die Laserstrahlung 3 einfällt. Sind, wie dies in Fig. 4 in einem Horizontalschnitt gezeigt ist, zwei Empfangseinrichtungen 1 übereinander angeordnet, so wird je nach Azimutwinkel θ eine Laufstreckendifferenz 14 und damit ein Laufzeitunterschied vorhanden sein, mit dem die Laserpulse eintreffen. Aus der entsprechenden Zeitdifferenz kann der Azimutwinkel θ bestimmt werden.
Wie dies in Fig. 5 schematisch angedeutet ist, kann das zweite Element 4 zumindest auf einer Seite profiliert sein, zum Beispiel mit einer trapezförmigen Profilierung 15.
Dadurch wird der Laserstrahl seitlich abgelenkt, wodurch die Ausbeute und damit die Empfindlichkeit erhöht wird.
Statt der einseitigen trapezförmigen Profilierung 15 kann auch eine umlaufende Profilierung vorgesehen sein, die auch andere Form haben kann. Auch kann vorgesehen sein, daß das äußere rohrförmige Element 4 an seiner Oberfläche aufgerauht ist, um die Streuung der Läserstrahlung zu erhöhen.
In Fig. 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung gezeigt, bei der zwischen ersten zylinderförmigem Element 2 und zweitem röhr- oder schlauchförmigen Element 4 ein weiteres röhr- oder sehlauchförmiges Element 16 vorgesehen ist, dessen Brechungsindex einen Wert aufweist, der zwischen demjenigen der Elemente 2 und 4 liegt. Im Material des ersten Elements 2 sind dabei Streuzentren 17 angeordnet, die zum Beispiel durch Farbstoffe, Kristall- oder Glasteilchen gebildet werden. Das Material des Elements 2 kann, wenn es flüssig ist, zum Beispiel ein transparentes öl oder Gel sein, zum Beispiel Hexachlor-1.3-Butadien, in das dann die Streuzentren 17 eingebracht sind. Die Streuzentren/-körper 17 können aber auch im Material des zweiten Elements 4 oder des oder der weiteren Elemente 16 vorgesehen sein. Als besonders zweckmäßig hat es sich dabei erwiesen, wenn die Streuzentren auf der Oberfläche des ersten Elements oder des zweiten Elements angeordnet sind (bei 17'). Bei der Ausführungsform der Fig. 7 sind zwischen dem ersten Element 2 und dem zweiten Element 4 ebenfalls weitere Elemente 16 vorgesehen, die hier allerdings die Form von Ringen 16 aufweisen, die Streuzentren 17 enthalten. Zwischen diesen Ringen, sind Zwischenräume 18 gebildet, in denen sich ein Gas, insbesondere Luft befinden kann. Das durch die Streuzentren 17 in das erste Element 2 hineingestreute Licht wird dabei im Bereich dieser Gasräume 18 an der Wandung besonders wirksam reflektiert.

Claims

Integrierende Empfangseinrichtung für LaserstrahlungPatentansprüche
1. Integrierende Empfangseinrichtung für Laserstrahlung mit einem Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein längliches stabförmiges erstes Element aus einem ersten Material und ein dasselbe umgebendes rohrförmiges zweites Element aus einem zweiten Material aufweist, daß das erste und das zweite Material für die zu empfangende Laserstrahlung durchlässig ist, daß das erste Material einen größeren Brechungsindex aufweist als das zweite, und daß an einer Stirnfläche des stabförmigen ersten Elements ein Detektor für die Laserstrahlung angebracht ist.
2. Empfangseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens ein weiteres rohrförmiges Element (16), das zwischen erstem (2) und zweitem (4) Element angeordnet ist, aus einem weiteren Material aufweist, das für die zu empfangende Laserstrahlung durchlässig ist und dessen Brechungsindex größer ist als der des ersten und kleiner ist als der des zweiten Materials.
3. Empfangseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß an der anderen Stirnfläche des stabförmigen ersten Elements ein Spiegel angebracht ist.
4. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der anderen Stirnfläche des stabförmigen ersten Elements ein weiterer Detektor für die Laserstrahlung angebracht ist.
5. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (2, 4, 15) flexibel sind.
6. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Element (2) flüssig und das zweite Element (4) flexibel und schlauchförmig ist.
7. Empfangseinrichtung nach Anspruch 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das weitere Element (15) oder die weiteren Elemente flexibel und schlauchförmig ist bzw. sind.
8. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (2, 4, 15) gekrümmt sind.
9. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (2, 4, 15) kreisringförmig angeordnet oder ausgebildet sind.
10. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (2, 4, 15) kreisförmigen bzw. kreisringförmigen Querschnitt aufweisen.
11. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des ersten Elements (2) aufgerauhte Bereiche aufweist, die mit glatten Oberflächenbereichen abwechseln.
12. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des ersten Elements (2) profiliert ist.
13. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche des zweiten Elements (4) aufgerauht ist.
14. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche des zweiten Elements (4) profiliert ist.
15. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche eines weiteren Elements (15) aufgerauht ist.
16. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Oberfläche eines weiteren Elements (15) profiliert ist.
17. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Material wenigstens eines der Elemente (2, 4, 15) Streuzentren (17, 17') für die Laserstrahlung aufweist.
18. Empfangseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentren (17, 17') durch Farbstoffe, insbesondere Farbstoffe für Farbstofflaser, oder durch fluorisierende, luminiszierende oder phosphoreszierende Zentren gebildet werden.
19. Empfangseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuzentren (17, 17') durch GlaspuIverkügeIchen, insbesondere Mikrokugeln, gebildet werden.
20. Empfangseinrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuzentren (17, 17') durch Diamantpulver gebildet werden.
21. Empfangseinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das flüssige Material des ersten Elements (2) eine transparente chemische Substanz von öliger oder gelartiger Konsistenz ohne OH-Banden ist, insbesondere Hexachlor-1.3-Butadien ist.
22. Empfangseinrichtung nach Anspruch 6 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß im flüssigen Material des ersten Elements (2) Streuzentren (17, 17') angeordnet sind.
23. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuzentren (17') an der Oberfläche oder in der Nähe der Oberfläche des ersten Elements (2) angeordnet sind, z.B. mit einem Kleber mit niedrigem Brechungsindex eingebettet sind.
24. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Element (2) und einem äußeren, das erste Element (2) umgebenden weiteren Element (4, 15) an den Stellen, an denen dieses Element zwischen Streuzentren oder rauhen Flächenbereichen an seiner Oberfläche glatte Oberflächenber eiche aufweist, ein Material mit einem Brechungsindex vorgesehen ist, der kleiner ist als der der Elemente (2, 4, 15).
25. Empfangseinrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit kleinerem Brechungsindex ein Gas ist.
26. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Elemente (4, 15) aus einem transparenten Kunststoff bestehen, dessen Brechungsindex n kleiner ist als 1,45.
27. Empfangseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere aus Elementen (2, 4, 15) und Detektoren/Spiegel (6, 9) aufgebaute Einheiten aufweist.
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