WO2021260172A1 - Laserstrahlvorrichtung mit einer einkopplung eines beleuchtungslaserstrahls in einen wirklaserstrahl - Google Patents

Laserstrahlvorrichtung mit einer einkopplung eines beleuchtungslaserstrahls in einen wirklaserstrahl Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a
  • Laser beam device according to the preamble of claim 1.
  • Such a laser beam device is assumed to be known per se and has means for generating an effective laser beam emanating from the laser beam device, means for generating an illuminating laser beam and a coupling element for coupling the illuminating laser beam into a beam path of the effective laser beam to be emitted by the laser beam device on.
  • the effective laser beam is used to combat targets through thermal or non-thermal interference (blinds), damage or destruction. Examples of such targets are static targets such as mines and dynamic targets such as missiles or artillery projectiles (UAVs, etc.).
  • Alignment of the laser beam device usually takes place in two stages.
  • the target is detected, for example, by an electro-optical system, e.g. a radar system, and the laser beam device is mechanically relatively roughly aligned with the target (rough tracking).
  • the alignment takes place, for example, by rotating a platform (tower) carrying the laser beam device in azimuth and pivoting the laser beam device in FIG
  • the target is illuminated with an illuminating laser beam (fine tracking).
  • Illumination radiation reflected from the illuminated target is detected by a sensor that is sensitive to the illumination radiation, evaluated and used for fine alignment of the effective laser beam by adjusting a mirror that influences the direction of the effective laser beam.
  • the means for generating the illuminating laser beam can in principle be implemented in three different arrangements, each of which has different problems.
  • a first arrangement referred to as a remote illumination laser
  • a second rotatable platform is required which, with high mechanical accuracy, connects to the platform of the means for generating the
  • Effective laser beam must be electrically coupled and which carries the means for generating the illuminating laser beam.
  • Another disadvantage is the existence of coverage areas in which the target is covered by the means for generating the effective laser beam or, conversely, the target for the effective laser beam is covered by the means for generating the illuminating laser beam.
  • the illumination laser which has a telescope, is mechanically coupled with parts of its telescope parallel to the beam path of the effective laser beam with the means for generating the effective laser beam.
  • This lateral offset can be compensated for by a larger opening angle of the illuminating laser beam, but this requires a disadvantageously greater transmission power of the illuminating laser beam and / or small center distances.
  • the illuminating laser beam is coupled into the beam path of the effective laser beam.
  • a coupling element is used that firstly has a high transmission for the wavelength of the effective laser beam, secondly a sufficiently high temperature resistance for the high power of the effective laser beam, thirdly a high reflection for the illuminating laser beam in the direction of transmission (towards the target) and fourthly, a high transmission for the illuminating laser beam in the direction of reflection (from the target to a sensor sensitive to the illumination radiation).
  • the fourth requirement can be met by using an optical element with polarization-dependent reflection for the wavelength of the illuminating laser beam and using polarized illuminating laser radiation.
  • the transmission direction the reflection in the polarization direction of the illuminating laser radiation is maximized.
  • the direction of reflection from the target to the sensor
  • the fourth requirement can be met by using a coupling element with 50% reflection and 50% transmission for the wavelength of the illuminating laser beam. This means that only about 50% of the power of the illuminating laser beam arrives at the target. In the direction of reflection, only 50% of the coupling element become the sensor transmitted. The sensor thus receives compared to the remote or compared to the laterally offset means for generating the
  • Illuminating laser beam less than 25% of the power. This can disadvantageously only be compensated by a higher power of the illuminating laser beam.
  • the present invention is based on the third arrangement and is characterized in that the coupling element has a first sub-area and a second sub-area which is different from the first sub-area, and that the means for generating the effective laser beam, the means for generating the illuminating laser beam and the coupling element are arranged relative to one another in a certain way. According to this particular way, the effective laser beam is directed onto the first sub-area and the illuminating laser beam is directed onto the second sub-area.
  • the first sub-area is transparent to the effective laser beam, and the second sub-area is set up to reflect the illuminating laser beam parallel to the effective laser beam.
  • Another advantage is that the above-mentioned power losses do not occur in the present invention, or at most to a significantly smaller extent. It is also advantageous that this does not involve any reduction in the aperture diameter of the effective laser beam in relation to the aperture diameter of the straightening system.
  • the invention also allows the use of more than one illuminating laser beam, wherein illuminating laser beams differing from one another can have mutually different wavelengths and beam diameters in the target plane.
  • a preferred embodiment is characterized in that the wavelength of the effective laser beam differs from the wavelength of the illuminating laser beam.
  • the sub-area that is to be reflective for the illuminating laser beam can be made transparent for the effective laser beam (e.g. by means of appropriate reflective layers AR / AR for the effective laser as a whole, AR / R only for the area of the transmission branch of the illuminating laser AR / AR illuminating laser for the receiving area , where R stands for reflective and AR stands for anti-reflective).
  • R stands for reflective and AR stands for anti-reflective
  • the first sub-area is a central sub-area in relation to the beam cross-section of the effective laser beam.
  • the first sub-area therefore coincides with the central area of the beam cross-section in which the highest power density of the effective laser beam prevails. This ensures that the largest possible Part of the generated effective laser radiation can also be emitted.
  • the second sub-area is a peripheral sub-area located outside of the central sub-area with respect to the beam cross-section of the effective laser beam.
  • this sub-area with a laser beam with a Gaussian intensity profile, for example, the power density is very low and thus the influence on the field distribution of the illuminating laser beam is very small.
  • the coupling element is a plane-parallel plate.
  • a plane-parallel plate allows the illumination laser beam, which preferably falls at right angles to the beam path of the effective laser beam, to be deflected into the beam path of the effective laser beam with only minimal influence on the effective laser beam, which experiences only a small lateral offset when passing through the plane-parallel plate.
  • the second partial area of the coupling element is provided with a reflective layer for the illuminating laser beam.
  • the reflective layer matched to the wavelength of the reflective laser beam allows the illuminating laser beam to be deflected as desired by reflection. It is further preferred that the reflective layer is transparent to the effective laser beam. This ensures that the areas of low power density of the effective laser beam also contribute to the irradiation of the target, and at the same time it is prevented that effective laser radiation is reflected there and can then wander undesirably in the laser beam device.
  • Another preferred embodiment is characterized in that at least the first partial area is provided with an anti-reflection layer for the effective laser beam. This configuration also contributes to the advantages mentioned in the preceding paragraph.
  • the means for generating the illuminating laser beam can have an axicon lens which is set up and arranged to form a coherent illuminating laser beam which has a circular beam cross section
  • the illuminating laser beam is generated as a first alternative as the sum of coherently coupled illuminating laser partial beams which are distributed around the beam direction of the effective laser beam via the coupling element and are aligned parallel to the effective laser beam.
  • a second alternative embodiment is characterized in that the illuminating laser beam is generated as the sum of non-coherently coupled illuminating laser partial beams.
  • the reflective layers are preferably limited to the area of the illuminating rays.
  • the ring-shaped second partial area can also be replaced by individual small reflectors. In the extreme case, you could also work with just one illuminating laser beam.
  • the illuminating laser partial beams are arranged so as to be distributed concentrically and symmetrically around the effective laser beam.
  • the means for generating the illuminating laser beam are set up for the purpose of that emitted by the laser beam device in the far field Illuminating laser radiation to generate an intensity distribution with a maximum on an optical axis of the laser beam device.
  • the target reflects part of the illuminating laser radiation back on the optical axis, so that the reflected illuminating laser radiation is transmitted by the coupling element along the optical axis of the coupling element.
  • the transmission losses occurring at the edge of the coupling element are low, since most of the reflected illuminating laser radiation is concentrated in the vicinity of the optical axis.
  • Another preferred embodiment is characterized in that the means for generating the illuminating laser beam are set up to generate the illuminating laser beam as a continuous wave laser beam.
  • the means for generating the illuminating laser beam are set up to generate the illuminating laser beam as a pulsed laser beam.
  • the average power in the individual illumination lasers can be reduced.
  • NOHD nominal ocular hazard distance
  • the NOHD nominal ocular hazard distance
  • FIG. 1 shows a laser beam device together with a mechanical straightening device
  • FIG. 2 shows a coupling element from FIG. 1 together with outgoing and reflected illuminating laser radiation in a side view
  • FIG. 3 shows the coupling element from FIGS. 1 and 2 in a front view
  • Figure 4 is a side cross section of the
  • FIG. 5 shows a front view of an arrangement of four partial illumination laser beams together with the two partial areas of the coupling element
  • FIG. 6 shows an example of an intensity distribution
  • FIG. 7 shows an overlap of a first partial illuminating laser beam and a second partial illuminating laser beam
  • FIG. 8 shows an alignment of a first partial illuminating laser beam and a second partial illuminating laser beam
  • FIG. 9 shows a possible arrangement for generating an illuminating laser beam from an illuminating laser beam source and a telescope
  • FIG. 10 shows a possible arrangement for generating two illuminating laser beams from one
  • FIG. 11 beam paths of a laser beam device 10 with such an arrangement
  • FIG. 12 shows, in the form of a block diagram, a rough structure of a high-level laser or a laser weapon
  • FIG. 13 shows an illustration of the straightening unit from FIG. 12.
  • FIG. 14 shows a partial representation of the laser weapon with a straightening unit.
  • FIG. 1 shows a laser beam device 10 together with a mechanical straightening device 12.
  • the laser beam device 10 is arranged in the interior of a housing 14.
  • the housing has an aperture 16 through which an illuminating laser beam and an effective laser beam 20 can emerge from the housing 14.
  • the mechanical straightening device 12 has a rotary platform 22 and a pivot axis 24, which is rigidly connected to the housing 14 and is pivotably mounted in the rotary platform 22.
  • the rotary platform 22 can be rotated about an axis of rotation 26.
  • the rough alignment is controlled, for example, by a radar system.
  • the coupling can be between the Elements 34 and 16 lie and particularly preferably lie between elements 38 and 16.
  • the laser beam device 10 has means for generating a real laser beam 20 emanating from the laser beam device 10, means for generating an illuminating laser beam 18 and a coupling element 30 for coupling the illuminating laser beam 18 into a beam path of the real laser beam 20 to be emitted by the laser beam device 10.
  • the means for generating the effective laser beam 20 include a high-energy laser 32, a deflecting mirror 34 which is reflective for the wavelength of the effective laser beam 20 and permeable for the wavelength of the illuminating laser beam 18, a tip-tilt mirror 36 which can be controlled with regard to its orientation, a real laser telescope 38 and the coupling element 30th
  • the means for generating an illuminating laser beam 18 include an illuminating laser 40 and the coupling element 30.
  • the illuminating laser beam 18 is coupled into the beam path of the effective laser beam 20 by the coupling element 30.
  • Illumination laser radiation preferably has a different wavelength than the real laser radiation.
  • the means for generating the illuminating laser beam 18 are set up in one embodiment to generate the illuminating laser beam 18 as a continuous wave laser beam.
  • the means to Generation of the illuminating laser beam 18 set up to generate the illuminating laser beam 18 as a pulsed laser beam (repetitive).
  • the means for generating the illuminating laser beam 18 have, for example, an axicon lens which is set up and arranged for this purpose
  • Illumination laser beam which has a circular beam cross-section, to one
  • a coherent ring-shaped power distribution in the illuminating laser beam 18 can also be generated with an unstable resonator arrangement.
  • the reflected illumination laser radiation 42 passes through the deflecting mirror 34 and is detected by the optical sensor 46.
  • the resulting signal of the optical Sensor 46 is evaluated by evaluation software 48 of a control device 50, and the result of the evaluation is used by a control unit 52 of control device 50 to control tip / tilt mirror 36.
  • the activation takes place in such a way that the tip tilt mirror 36 aligns a possibly triggered effective laser beam 20 onto the target 28. This alignment represents fine tracking.
  • FIG. 2 shows the coupling element 30 from FIG. 1 together with outgoing 18 and reflected illuminating laser radiation 42 in a side view.
  • FIG. 3 shows the coupling element 30 from FIGS. 1 and 2 in a front view, i.e. as it could be visible to a viewer located on the optical axis 44 on the target side.
  • the coupling element is preferably circular and appears in FIG. 3 as an elliptical shape due to an orientation inclined to the optical axis 44.
  • the coupling element 30 is in each case a circular plane-parallel plate. In the case of installation at 45 °, the plate is preferably so elliptical that its projection in the direction of incidence and direction of emergence is circular.
  • the coupling element 30 has a first sub-area 54 and a second sub-area 56, which is different from the first sub-area 54.
  • the means for generating the effective laser beam 20, the means for generating the illuminating laser beam 18 and the coupling element 30 are arranged relative to one another in such a way that that the effective laser beam 20 is directed onto the first sub-area 54 and the illuminating laser beam 18 is directed onto the second sub-area 56.
  • the arrangement shown in FIG. 1 corresponds to this requirement.
  • Figure 4 shows a side cross section of the
  • Coupling element 30 together with intensity profiles of an effective laser beam and an illuminating laser beam.
  • the optical axis of the coupling element lies within the plane of the drawing.
  • the first sub-area 54 is a central sub-area 54 with respect to the beam cross-section of the effective laser beam 20.
  • the first sub-area 54 is transparent for the effective laser beam 20 and the illuminating laser beam 42, and the second sub-area 56 is set up to direct the illuminating laser beam 18 parallel to the effective laser beam 20 reflect.
  • At least the first sub-area 54 is provided with an anti-reflection layer 58 for the effective laser beam 20.
  • the antireflection layer 58 can be arranged on the front side and / or on the rear side of the coupling element 30.
  • the first partial area 54 is preferably also coated with the antireflection layer 58.
  • the sub-area 54 has an AR layer for the illuminating laser beam on both sides.
  • the second sub-area 56 is a peripheral, Sub-area located outside the central (first) sub-area 54.
  • the second sub-area 56 of the coupling element 30 is provided with a reflective layer 60 for the illuminating laser beam 18.
  • the reflective layer 60 is preferably transparent to the effective laser beam 20.
  • Curve 62 indicates schematically, by way of example, the Gaussian curve-shaped intensity profile of the effective laser beam 20 after the coupling element 30, which is maximum in the central sub-area 54 and is not yet zero in the peripheral sub-areas 56 either.
  • the curves 64 represent intensity profiles of the illumination laser beam 18 reflected in the peripheral region 56.
  • FIG. 5 shows a front view of an arrangement of four partial illumination laser beams together with the two partial areas of the coupling element.
  • the partial illumination laser beams are distributed concentrically and symmetrically around the effective laser beam (which is switched off here).
  • the sum of these illuminating laser partial beams 66 then generates, if the illuminating laser partial beams 66 are coherently coupled to one another, an intensity distribution in the far field with an intensity maximum lying on the optical axis of the laser beam device 10.
  • the optical axis of the laser beam device 10 generally coincides with the optical axis of the coupling module 30 at least outside the laser beam device 10.
  • FIG. 6 shows an example of such an intensity distribution.
  • the coupling element having circular or circular ring-shaped partial areas can also be replaced by individual, smaller coupling elements in the form of reflectors.
  • the non-coherently coupled partial illumination laser beams can be aligned in such a way that they overlap in the target area in order to increase the illumination intensity in the target area.
  • FIG. 7 shows such an overlap of a first partial illumination laser beam 68 or partial illumination laser beam and a second partial illumination laser beam 70 or partial illumination laser beam.
  • the non-coherently coupled illumination laser partial beams can be aligned in such a way that they illuminate adjacent areas touching one another in the target area and thus illuminate a larger area overall.
  • FIG. 8 shows such an alignment of a first illuminating laser partial beam 68 or illuminating laser partial beam and a second Illumination laser partial beam 70 or illumination laser partial beam.
  • the transmission power otherwise required when using a single illuminating laser beam 18 is almost halved.
  • the requirements for the means for generating the illuminating laser beam with regard to power and beam quality are reduced for a given aperture diameter.
  • the reduction in the power and the enlargement of the opening angle reduce the NOHD for the individual partial illumination laser beam when using several partial illumination laser beams. If the area of the overlap is above the NOHD for the individual partial illumination laser beam, then the NOHD for the entire laser beam device is also reduced.
  • means can also be used that generate a pulsed illuminating laser beam.
  • a pulsed illuminating laser beam As a result of the alternating or pulsed operation, with the same average power / same average intensity and the same peak intensity in the target plane, the average power in the individual partial illumination laser beams can be reduced. In this way, the NOHD can be reduced, as is also the case with the use of several non-coherent means for generating illuminating laser radiation.
  • FIG. 9 shows a possible arrangement for generating an illuminating laser beam 18 from an illuminating laser 40 and an illuminating laser telescope 72.
  • the opening angle of the illuminating laser beam 18 is relatively small and the NOHD is correspondingly relatively large.
  • the NOHD is relatively small in the peak performance and relatively large on average.
  • FIG. 10 shows a possible arrangement for generating two illuminating laser beams 18 from an illuminating laser 40, a beam switch 74 and two illuminating laser telescopes 72.
  • One advantage of this arrangement is that only one laser is required, which reduces costs, mass and space required .
  • the arrangement of the effective laser beam and the illuminating laser beam can also be completely reversed. In this case, the effective laser beam is reflected and the illuminating laser beam is transmitted. This configuration can have advantages in terms of losses.
  • FIG. 11 shows beam paths of a laser beam device 10 with such an arrangement.
  • a laser beam device 10 has means for generating an effective laser beam 20 emanating from the laser beam device 10, means for generating a Illumination laser beam 18, and a coupling element 30 for coupling the illumination laser beam 18 into a beam path of the effective laser beam 20 to be emitted by the laser beam device 10.
  • This laser beam device is characterized in that the coupling element has a first partial area and a second partial area 56, which is different from the first partial area 54, and that the means for generating the effective laser beam 20, the means for generating the illuminating laser beam 18 and the coupling element 30 are arranged relative to one another in such a way that the effective laser beam 20 is directed onto the first sub-area 54 and the illuminating laser beam 18 is directed onto the second sub-area 56, the second sub-area 56 being transparent for the illuminating laser beam 18 and the first sub-area 54 being set up to reflect the effective laser beam 20 parallel to the illuminating laser beam 18.
  • FIG. 12 shows in a sketchy block diagram at least one active laser source labeled 100 as well as at least one beam guidance module 102 and at least one controller 104. These assemblies are part of, for example, a high-power laser, here a laser weapon (or a laser weapon system).
  • a high-power laser here a laser weapon (or a laser weapon system).
  • the effective laser source 100, the beam guidance module 102 and the controller 104 can be accommodated together in a stationary or partially movable part 106 of the high-power laser.
  • the stationary / partially movable portion 106 can be formed by a space, for example through a container etc.
  • a straightening unit 108 (here a beam deflection system), a so-called scanner, is arranged outside the container.
  • an illumination laser source labeled 110 is also accommodated in this container. This has the charm that a laser beam 112 from the illuminating laser source 110 can be coupled into the beam guidance module 102, so that the illuminating laser targets such a
  • Beam guidance module can do without.
  • the coupling can be implemented, for example, via a dichroic mirror (not shown in more detail).
  • the illumination laser can also use a telescope of the beam guidance module 102.
  • the illumination laser 110 can also be mounted on the straightening unit 108.
  • the illuminating laser beam 112 can be aligned in the direction of the laser beam 114 of the effective laser source, i.e. point in this direction.
  • the at least one active laser source and the at least one illumination laser source 110 are functionally connected to the at least one beam guidance module 102, for example via at least one optical fiber 116 (transport fiber) and / or at least one free beam 118.
  • the electrical control 104 can act at least on the beam guidance module 102 and the straightening unit 108 (not explained further).
  • the straightening unit 108 is shown in a slightly enlarged view.
  • the straightening unit 108 comprises two deflecting mirrors 120, 122 on axes of rotation (azimuth, elevation).
  • the two axes of rotation are set up in such a way that the full deflection angle range (0 -360 °) can be set in azimuth with any number of rotations.
  • a small electric motor (not shown in detail), by means of which the deflecting mirrors 120, 122 can be rotated, is connected to each of the axes of rotation.
  • the rotation takes place in such a way that the deflection mirror 122 is rotated with the deflection mirror 120, so that a laser beam 124 remains centered (in the middle) on the deflection mirror 122.
  • a housing of the straightening unit 108 is identified by 126.
  • the straightening unit 108 has a signal output 128 and a signal input 130.
  • the signal output 128 is realized by a closing window.
  • the signal input 130 can also be implemented by a closure window.
  • the signal output 128 of the straightening unit 108 points in the direction of a target 132 (FIG. 3), while the signal input 130 points in the direction of the effective laser source or the beam guidance module 102.
  • the deflection mirrors 14, 15 are preferably so in the Built-in straightening unit 5 so that no deformation of the mirrors 14, 15 occurs under the weight load or movement (proper movement). This can be achieved, for example, by an isostatic mirror mounting (bipods).
  • the deflecting mirrors 120, 122 should be highly reflective for the wavelength of the laser beam 124 of the active laser source and the wavelength of the laser beam
  • Illumination laser source and the observation wavelengths can be achieved through optical polishing or a mirror coating.
  • the deflecting mirrors 120, 122 can also be simple plane mirrors, for example.
  • Fig. 3 shows the functionally essential assemblies in the stationary / partially movable part 106 in interaction with the straightening unit 108.
  • These are a control unit 3.1 and evaluation software 3.2 of the control, an optical sensor 2.1 of the lighting laser system and an optical component 4.1 and the telescope 4.2 of the
  • the optical component 4.1 of the beam guidance module 4 enables precise beam deflection for precise positioning of the laser beam 124 on the target 132.
  • the optical component 4.1 can be a tip / tilt mirror, a movable mirror that can be controlled in two axes (fine tracking).
  • the lighting laser itself is not housed in the container.
  • a telescope of the illumination laser system is therefore designated by 2.2, which is not shown in this illustration together with the laser source 110 stationary / partially mobile part (container) is housed. However, there is no difference in the mode of operation.
  • the beam guidance module 102 furthermore comprises at least one camera (not shown in more detail).
  • the direction of observation of the at least one camera is the same as the direction of the laser beam.
  • the camera or cameras should be able to work in different spectral ranges (observation wavelengths).
  • the at least one camera serves at least to observe the target 132 or the space around the target 132.
  • the position of the target 132 can also be determined with the at least one camera.
  • Their image evaluation can provide a control signal for the beam deflection.
  • elements to compensate for atmospheric disturbances can be provided within the beam guidance module (optional).
  • detectors for measuring atmospheric disturbances such as Shack-Hartmann
  • Wavefront sensor as well as controllable optical elements for regulating the phase front of the laser beam, such as deformable mirrors.

Abstract

Vorgestellt wird eine Laserstrahlvorrichtung (10) zum Erzeugen eines Wirklaserstrahls (20) und eines Beleuchtungslaserstrahls (18), mit einem Einkoppelelement (30) zum Einkoppeln des Beleuchtungslaserstrahls (18) in einen Strahlengang des Wirklaserstrahls (20). Die Laserstrahlvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Einkoppelelement (30) einen ersten Teilbereich (54) und einen zweiten Teilbereich (56) aufweist, der von dem ersten Teilbereich (54) verschieden ist, und der Wirklaserstrahl (20), der Beleuchtungslaserstrahl (18) und das Einkoppelelement (30) relativ zueinander so angeordnet sind, dass der Wirklaserstrahl (20) auf den ersten Teilbereich (54) gerichtet ist und der Beleuchtungslaserstrahl (18) auf den zweiten Teilbereich (56) gerichtet ist, wobei der erste Teilbereich (54) für den Wirklaserstrahl (20) transparent ist und wobei der zweite Teilbereich (56) dazu eingerichtet ist, den Beleuchtungslaserstrahl (18) parallel zum Wirklaserstrahl (20) zu reflektieren.

Description

Titel : Laserstrahlvorrichtung mit einer Einkopplung eines Beleuchtungslaserstrahls in einen Wirklaserstrahl
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine
Laserstrahlvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Laserstrahlvorrichtung wird als per se bekannt vorausgesetzt und weist Mittel zum Erzeugen eines von der Laserstrahlvorrichtung ausgehenden Wirklaserstrahls, Mittel zum Erzeugen eines Beleuchtungslaserstrahls und ein Einkoppelelement zum Einkoppeln des Beleuchtungslaserstrahls in einen Strahlengang des von der Laserstrahlvorrichtung abzustrahlenden Wirklaserstrahls auf. Der Wirklaserstrahl dient zur Bekämpfung von Zielen durch thermische oder nicht-thermische Störung (Blenden), Beschädigung oder Zerstörung. Beispiele solcher Ziele sind statische Ziele wie Minen und dynamische Ziele wie Flugkörper, oder Artilleriegeschosse (UAV's, etc.). Das
Ausrichten der Laserstrahlvorrichtung erfolgt in der Regel zweistufig. In einer ersten Stufe wird das Ziel zum Beispiel durch ein elektrooptisches System, z.B. ein Radarsystem detektiert, und die Laserstrahlvorrichtung wird mechanisch vergleichsweise grob auf das Ziel ausgerichtet (Grobtracking). Das Ausrichten erfolgt zum Beispiel durch azimutales Drehen einer die Laserstrahlvorrichtung tragenden Plattform (Turm) und auf der Plattform erfolgendes Schwenken der gegenüber der Plattform schwenkbaren Laserstrahlvorrichtung in der
Elevationsrichtung. In einer zweiten Stufe wird das Ziel mit einem Beleuchtungslaserstrahl beleuchtet (Feintracking). Von dem beleuchteten Ziel reflektierte Beleuchtungsstrahlung wird durch einen für die Beleuchtungsstrahlung empfindlichen Sensor erfasst, ausgewertet und zur Feinausrichtung des Wirklaserstrahl durch Verstellung eines die Richtung des Wirklaserstrahls beeinflussenden Spiegels verwendet. Das Mittel zum Erzeugen des Beleuchtungslaserstrahls kann grundsätzlich in drei unterschiedlichen Anordnungen verwirklicht werden, die mit jeweils unterschiedlichen Problemen behaftet sind. In einer als abgesetzter Beleuchtungslaser bezeichneten ersten Anordnung ist eine zweite drehbare Plattform erforderlich, die mit hoher mechanischer Genauigkeit mit der Plattform des Mittels zur Erzeugung des
Wirklaserstrahls elektrisch gekoppelt sein muss und die das Mittel zum Erzeugen des Beleuchtungslaserstrahls trägt. Nachteilig ist auch die Existenz von Abdeckungsbereichen, bei denen das Ziel durch das Mittel zum Erzeugen des Wirklaserstrahls verdeckt, bzw. umgekehrt das Ziel für den Wirklaserstrahl durch das Mittel zur Erzeugung des Beleuchtungslaserstrahls verdeckt wird.
In einer als achsparalleler Beleuchtungslaser bezeichneten zweiten Anordnung wird der ein Teleskop aufweisende Beleuchtungslaser mit Teilen seines Teleskops parallel zum Strahlengang des Wirklaserstrahls mit dem Mittel zur Erzeugung des Wirklaserstrahls mechanisch gekoppelt. Dies führt zu einem seitlichen Versatz beider Laserstrahlen, so dass der Beleuchtungslaserstrahl im Fernfeld nicht mit dem Wirklaserstrahl zusammenfällt, was den Feintrackingbereich, d.h. den sich senkrecht zum Beleuchtungslaserstrahl erstreckende Bereich, der mit dem Beleuchtungslaserstrahl beleuchtbar ist, einschränkt. Dieser seitliche Versatz kann zwar durch einen größeren Öffnungswinkel des Beleuchtungslaserstrahls kompensiert werden, dies erfordert aber eine nachteilig größere Sendeleistung des Beleuchtungslaserstrahls und/oder kleine Achsabstände.
In einer dritten Anordnung wird der Beleuchtungslaserstrahl in den Strahlengang des Wirklaserstrahls eingekoppelt. Dazu wird ein Einkoppelelement verwendet, dass erstens eine hohe Transmission für die Wellenlänge des Wirklaserstrahls, zweitens eine für die hohe Leistung des Wirklaserstrahls ausreichend hohe Temperaturbeständigkeit, drittens eine hohe Reflexion für den Beleuchtungslaserstrahl in Transmissionsrichtung (zum Ziel hin) und viertens eine hohe Transmission für den Beleuchtungslaserstrahl in Reflexionsrichtung (vom Ziel zu einem für die Beleuchtungsstrahlung empfindlichen Sensor) aufweist.
Die vierte Forderung kann durch Verwendung eines optischen Elements mit polarisationsabhängiger Reflexion für die Wellenlänge des Beleuchtungslaserstrahls und Verwendung polarisierter Beleuchtungslaserstrahlung erfüllt werden. In der Transmissionsrichtung ist die Reflexion in der Polarisationsrichtung der Beleuchtungslaserstrahlung maximiert. In der Reflexionsrichtung (vom Ziel aus zum Sensor) wird nur die senkrecht zur Polarisation der Beleuchtungslaserstrahlung reflektierte Strahlung des Ziels transmittiert . Damit wird ein großer Teil der reflektierten Strahlung nicht verwendet. Dies kann nachteiliger Weise nur durch eine höhere Leistung des Beleuchtungslaserstrahls kompensiert werden.
Alternativ kann die vierte Forderung durch Verwendung eines Einkoppelelements mit 50% Reflexion und 50% Transmission für die Wellenlänge des Beleuchtungslaserstrahls erfüllt werden. Damit kommt am Ziel nur etwa 50% der Leistung des Beleuchtungslaserstrahls an. In der Reflexionsrichtung werden vom Einkoppelelement nur 50% zum Sensor transmittiert . Damit empfängt der Sensor im Vergleich zu dem abgesetzten, bzw. im Vergleich zu dem seitlich versetzten Mittel zur Erzeugung des
Beleuchtungslaserstrahls weniger als 25% der Leistung. Dies kann nachteiliger Weise nur durch eine höhere Leistung des Beleuchtungslaserstrahls kompensiert werden.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der dritten Anordnung und zeichnet sich dadurch aus, dass das Einkoppelelement einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich aufweist, der von dem ersten Teilbereich verschieden ist, und dass die Mittel zum Erzeugen des Wirklaserstrahls, die Mittel zum Erzeugen des Beleuchtungslaserstrahls und das Einkoppelelement relativ zueinander in einer bestimmten Weise angeordnet sind. Gemäß dieser bestimmten Weise ist der Wirklaserstrahl auf den ersten Teilbereich gerichtet, und der Beleuchtungslaserstrahl ist auf den zweiten Teilbereich gerichtet. Dabei ist der erste Teilbereich für den Wirklaserstrahl transparent, und der zweite Teilbereich ist dazu eingerichtet, den Beleuchtungslaserstrahl parallel zum Wirklaserstrahl zu reflektieren.
Durch diese Merkmale wird der Vorteil einer hohen Genauigkeit der Ausrichtung, der sich bei der dritten Anordnung ergibt, erreicht, ohne dabei die oben beschriebenen Leistungsverluste in Kauf nehmen zu müssen.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die oben genannten Leistungsverluste bei der vorliegenden Erfindung nicht oder allenfalls in einem deutlich kleineren Ausmaß auftreten. Vorteilhaft ist auch, dass damit keine Reduzierung des Aperturdurchmessers des Wirklaserstrahls im Verhältnis zum Aperturdurchmesser des Richtsystems verbunden ist.
Die Erfindung erlaubt auch eine Verwendung von mehr als einem Beleuchtungslaserstrahl, wobei voneinander verschiedene Beleuchtungslaserstrahlen voneinander verschiedene Wellenlängen und Strahldurchmesser in der Zielebene aufweisen können.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass sich die Wellenlänge des Wirklaserstrahls von der Wellenlänge des Beleuchtungslaserstrahls unterscheidet. Dadurch kann zum Beispiel der Teilbereich, der für den Beleuchtungslaserstrahl reflektierend sei soll, für den Wirklaserstrahl transparent ausgestaltet werden (z.B. durch entsprechende Reflexionsschichten AR/AR für den Wirklaser gesamt, AR/R nur für den Bereich des Sendezweiges Beleuchtungslaser AR/AR Beleuchtungslaser für Empfangsbereich, wobei R für reflektierend und AR für antireflektierend steht). Dadurch kann z.B. verhindert werden, dass Wirklaserstrahlung unerwünscht reflektiert wird und in der Laserstrahlvorrichtung vagabundiert.
Bevorzugt ist auch, dass der erste Teilbereich in Bezug auf den Strahlquerschnitt des Wirklaserstrahls ein zentraler Teilbereich ist. Der erste Teilbereich fällt also mit dem zentralen Bereich des Strahlquerschnitts, in dem die höchste Leistungsdichte des Wirklaserstrahls herrscht, zusammen. Dadurch wird erreicht, dass ein möglichst großer Teil der erzeugten Wirklaserstrahlung auch abgestrahlt werden kann.
Weiter ist bevorzugt, dass der zweite Teilbereich in Bezug auf den Strahlquerschnitt des Wirklaserstrahls ein peripherer, außerhalb des zentralen Teilbereichs lokalisierter Teilbereich ist. In diesem Teilbereich ist bei einem Laserstrahl mit einem z.B. gaußförmigen Intensitätsprofil die Leistungsdichte sehr niedrig und damit der Einfluss auf die Feldverteilung des Beleuchtungslaserstrahls sehr gering.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Einkoppelelement eine planparallele Platte ist. Eine planparallele Platte erlaubt eine Umlenkung des bevorzugt rechtwinklig zum Strahlengang des Wirklaserstrahls einfallenden Beleuchtungslaserstrahls in den Strahlengang des Wirklaserstrahls mit nur minimaler Beeinflussung des Wirklaserstrahls, der beim Durchgang durch die planparallele Platte nur einen kleinen lateralen Versatz erfährt.
Bevorzugt ist auch, dass der zweite Teilbereich des Einkoppelelements mit einer Reflexionsschicht für den Beleuchtungslaserstrahl versehen ist. Die auf die Wellenlänge des Reflexionslaserstrahls abgestimmte Reflexionsschicht erlaubt eine erwünschte Umlenkung des Beleuchtungslaserstrahls durch Reflexion. Weiter ist bevorzugt, dass die Reflexionsschicht für den Wirklaserstrahl transparent ist. Dadurch wird erreicht, dass auch die Bereiche niedriger Leistungsdichte des Wirklaserstrahls noch zur Bestrahlung des Ziels beitragen, und gleichzeitig wird verhindert, dass Wirklaserstrahlung dort reflektiert wird und anschließend unerwünscht in der Laserstrahlvorrichtung vagabundieren kann.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens der erste Teilbereich mit einer Antireflexionsschicht für den Wirklaserstrahl versehen ist. Auch diese Ausgestaltung trägt zu den im vorstehenden Absatz genannten Vorteilen bei.
Als Option können die Mittel zum Erzeugen des Beleuchtungslaserstrahls eine Axicon Linse aufweisen, die dazu eingerichtet und angeordnet ist, ein kohärentes Beleuchtungslaserstrahlbündel, das einen kreisförmigen Strahlquerschnitt aufweist, zu einem
Beleuchtungslaserstrahlbündel, das einen kreisringförmigen Laserstrahlbündelquerschnitt aufweist, zu erzeugen.
Mit einem kreisringförmigen Beleuchtungslaserstrahl wird nur der äußere Teilbereich des Einkoppelelementes ausgeleuchtet. Damit wird der Beleuchtungslaserstrahl auf den Teilbereich konzentriert, an dem die umlenkende Reflexion stattfindet. Im Fernfeld ergibt sich daraus eine Intensitätsverteilung mit einem Maximum auf der optischen Achse. Über die Intensitätsverteilung kann ein nahezu beugungsbegrenzter zentraler Intensitätsfleck erzeugt werden. Bei geeigneter Wahl der Parameter kann dieser kleiner sein als der Wirklaserstrahl. Dadurch kann der Wirklaserstrahl sehr genau auf das Ziel oder einen Teil des Ziels feinausgerichtet werden.
Weiter ist bevorzugt, dass der Beleuchtungslaserstrahl als eine erste Alternative als Summe kohärent gekoppelter Beleuchtungslaserteilstrahlen erzeugt wird, die über das Einkoppelelement um die Strahlrichtung des Wirklaserstrahls herum verteilt angeordnet und parallel zum Wirklaserstrahl ausgerichtet sind.
Eine zweite alternative Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Beleuchtungslaserstrahl als Summe nicht kohärent gekoppelter Beleuchtungslaserteilstrahlen erzeugt wird. Die Reflexionsschichten sind dabei bevorzugt auf den Bereich der Beleuchtungsstrahlen beschränkt. Bei der Verwendung von nicht-kohärenten
Beleuchtungslaserteilstrahlen kann der ringförmige zweite Teilbereich auch einzelne kleine Reflektoren ersetzt werden. Im Extremfall könnte man auch mit nur einem Beleuchtungslaserstrahl arbeiten.
Bevorzugt ist auch, dass die Beleuchtungslaserteilstrahlen konzentrisch und symmetrisch um den Wirklaserstrahl herum verteilt angeordnet sind.
Weiter ist bevorzugt, dass die Mittel zur Erzeugung des Beleuchtungslaserstrahls dazu eingerichtet sind, im Fernfeld der von der Laserstrahlvorrichtung abgestrahlten Beleuchtungslaserstrahlung eine Intensitätsverteilung mit einem Maximum auf einer optischen Achse der Laserstrahlvorrichtung zu erzeugen.
Als Folge reflektiert das Ziel einen Teil der Beleuchtungslaserstrahlung auf der optischen Achse zurück, so dass die reflektierte Beleuchtungslaserstrahlung vom Einkoppelelement entlang der optischen Achse des Einkoppelelements transmittiert wird. Die am Rand des Einkoppelelements auftretenden Transmissionsverluste sind gering, da der größte Teil der reflektierten Beleuchtungslaserstrahlung in der Nähe der optischen Achse konzentriert ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Mittel zur Erzeugung des Beleuchtungslaserstrahls dazu eingerichtet sind, den Beleuchtungslaserstrahl als einen continuous wave Laserstrahl zu erzeugen.
Bevorzugt ist auch, dass die Mittel zur Erzeugung des Beleuchtungslaserstrahls dazu eingerichtet sind, den Beleuchtungslaserstrahl als einen gepulsten Laserstrahl zu erzeugen. Durch den alternierenden, bzw. gepulsten Betrieb kann bei gleiche mittlerer Leistung/ gleicher mittlerer Intensität und gleicher Spitzenintensität in der Zielebene die mittlere Leistung in den einzelnen Beleuchtungslasern reduziert werden. Dadurch kann vorteilhafterweise der NOHD (Nominal ocular hazard distance), also der Gefahrenbereich, innerhalb dessen bei direktem Blick in den Laserstrahl Gesundheitsschäden an den Augen auftreten können, reduziert werden, so wie es auch bei der Verwendung von mehreren nicht-kohärenten Mitteln zum Erzeugen von Beleuchtungslaserstrahlung der Fall ist. Solange die Strahlen sich noch nicht überlagern, gilt dies auch für kohärente Strahlung.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
Figur 1 eine Laserstrahlvorrichtung zusammen mit einer mechanischen Richtvorrichtung;
Figur 2 ein Einkoppelelement aus der Figur 1 zusammen mit ausgehender und reflektierter Beleuchtungslaserstrahlung in einer Seitenansicht; Figur 3 das Einkoppelelement aus den Figuren 1 und 2 in einer Vordersicht;
Figur 4 einen seitlichen Querschnitt des
Einkoppelelements zusammen mit Intensitätsverläufen eines Wirklaserstrahls und eines Beleuchtungslaserstrahls;
Figur 5 eine Vorderansicht einer Anordnung von vier Beleuchtungslaserteilstrahlen zusammen mit den beiden Teilbereichen des Einkoppelelements;
Figur 6 ein Beispiel einer Intensitätsverteilung;
Figur 7 eine Überlappung eines ersten Beleuchtungslaserteilstrahls und eines zweiten Beleuchtungslaserteilstrahls ;
Figur 8 eine Ausrichtung eines ersten Beleuchtungslaserteilstrahls und eines zweiten Beleuchtungslaserteilstrahls ;
Figur 9 eine mögliche Anordnung zur Erzeugung eines Beleuchtungslaserstrahls aus einer Beleuchtungslaserstrahlquelle und einem Teleskop;
Figur 10 eine mögliche Anordnung zur Erzeugung von zwei Beleuchtungslaserstrahlen aus einer
Beleuchtungslaserstrahlquelle und einer Strahlweiche; Figur 11 Strahlengänge einer Laserstrahlvorrichtung 10 mit einer solchen Anordnung;
Figur 12 blockbildartig einen groben Aufbau eines Hochlasers bzw. einer Laserwaffe;
Figur 13 eine Darstellung der Richteinheit aus Figur 12; und
Figur 14 eine Teildarstellung der Laserwaffe mit einer Richteinheit .
Im Einzelnen zeigt die Figur 1 eine Laserstrahlvorrichtung 10 zusammen mit einer mechanischen Richtvorrichtung 12. Die Laserstrahlvorrichtung 10 ist im Inneren eines Gehäuses 14 angeordnet. Das Gehäuse weist eine Apertur 16 auf, durch die hindurch ein Beleuchtungslaserstrahl und ein Wirklaserstrahl 20 aus dem Gehäuse 14 heraustreten kann.
Die mechanische Richtvorrichtung 12 weist in dieser Ausgestaltung eine Drehplattform 22 und eine Schwenkachse 24 auf, die starr mit dem Gehäuse 14 verbunden ist und in der Drehplattform 22 schwenkbar gelagert ist. Die Drehplattform 22 ist um eine Drehachse 26 drehbar. Durch um die Drehachse 26 herum erfolgendes Drehen der Drehplattform 22 und um die Schwenkachse 24 herum erfolgendes Schwenken des Gehäuses 14 kann die aus der Apertur 16 austretende Laserstrahlung grob auf ein Ziel 28 ausgerichtet werden.
Die grobe Ausrichtung wird zu Beispiel durch ein Radarsystem gesteuert. Die Einkoppelung kann zwischen den Elementen 34 und 16 liegen und liegt besonders bevorzugt zwischen den Elementen 38 und 16.
Die Laserstrahlvorrichtung 10 weist Mittel zum Erzeugen eines von der Laserstrahlvorrichtung 10 ausgehenden Wirklaserstrahls 20, Mittel zum Erzeugen eines Beleuchtungslaserstrahls 18 und ein Einkoppelelement 30 zum Einkoppeln des Beleuchtungslaserstrahls 18 in einen Strahlengang des von der Laserstrahlvorrichtung 10 abzustrahlenden Wirklaserstrahls 20 auf. Die Mittel zum Erzeugen des Wirklaserstrahls 20 umfassen einen Hochenergielaser 32, einen Umlenkspiegel 34, der für die Wellenlänge des Wirklaserstrahls 20 reflektierend und für die Wellenlänge des Beleuchtungslaserstrahls 18 durchlässig ist, einen hinsichtlich seiner Orientierung steuerbaren Tip Tilt Spiegel 36, ein Wirklaserteleskop 38 und das Einkoppelelement 30.
Die Mittel zum Erzeugen eines Beleuchtungslaserstrahls 18 umfassen einen Beleuchtungslaser 40 und das Einkoppelelement 30. Der Beleuchtungslaserstrahl 18 wird vom Einkoppelelement 30 in den Strahlengang des Wirklaserstrahls 20 eingekoppelt. Die
Beleuchtungslaserstrahlung besitzt bevorzugt eine andere Wellenlänge als die Wirklaserstrahlung.
Die Mittel zur Erzeugung des Beleuchtungslaserstrahls 18 sind in einer Ausgestaltung dazu eingerichtet, den Beleuchtungslaserstrahl 18 als einen continuous wave Laserstrahl zu erzeugen. Alternativ sind die Mittel zur Erzeugung des Beleuchtungslaserstrahls 18 dazu eingerichtet, den Beleuchtungslaserstrahl 18 als einen gepulsten Laserstrahl (repetierend) zu erzeugen.
Die Mittel zum Erzeugen des Beleuchtungslaserstrahls 18 weisen zum Beispiel eine Axicon Linse auf, die dazu eingerichtet und angeordnet ist, ein
Beleuchtungslaserstrahlbündel, das einen kreisförmigen Strahlquerschnitt aufweist, zu einem
Beleuchtungslaserstrahlbündel, das einen kreisringförmigen Laserstrahlbündelquerschnitt aufweist, umzuformen. Alternativ dazu kann eine kohärente ringförmige Leistungsverteilung im Beleuchtungslaserstrahl 18 auch mit einer instabilen Resonatoranordnung erzeugt werden.
Der in den Strahlengang des Wirklaserstrahls 20 eingekoppelte Beleuchtungslaserstrahl 18 tritt durch die Apertur 16 aus dem Gehäuse 14 aus und erfasst bei korrekter Grobausrichtung das Ziel 28. Die vom Ziel 28 reflektierte Beleuchtungslaserstrahlung 42 propagiert nah an der optischen Achse 44 des Einkoppelelements 30 entlang durch das Einkoppelelement 30 und das Wirklaserstrahlungsteleskop 38 hindurch und über den Tip-Tilt-Spiegel 36 zu dem Umlenkspiegel 34, der für die Wellenlänge des Wirklaserstrahls 20 reflektierend und für die Wellenlänge des Beleuchtungslaserstrahls und der reflektierten Beleuchtungslaserstrahlung 42 durchlässig ist. Die reflektierte Beleuchtungslaserstrahlung 42 tritt durch den Umlenkspiegel 34 hindurch und wird von dem optischen Sensor 46 erfasst. Das dadurch erzeugte Signal des optischen Sensors 46 wird durch Auswertungssoftware 48 eines Steuergeräts 50 ausgewertet, und das Ergebnis der Auswertung wird von einer Ansteuereinheit 52 des Steuergeräts 50 zu einer Ansteuerung des Tip Tilt Spiegels 36 verwendet. Die Ansteuerung erfolgt so, dass der Tip Tilt Spiegel 36 einen ggf. ausgelösten Wirklaserstrahl 20 auf das Ziel 28 ausrichtet. Diese Ausrichtung stellt ein Feintracking dar.
Figur 2 zeigt das Einkoppelelement 30 aus der Figur 1 zusammen mit ausgehender 18 und reflektierter Beleuchtungslaserstrahlung 42 in einer Seitenansicht. Figur 3 zeigt das Einkoppelelement 30 aus den Figuren 1 und 2 in einer Vordersicht, d.h. wie es für einen auf der optischen Achse 44 zielseitig lokalisierten Betrachter sichtbar sein könnte. Das Einkoppelelement ist bevorzugt kreisrund und erscheint in der der Figur 3 aufgrund einer zur optischen Achse 44 geneigten Orientierung als elliptische Form.
Das Einkoppelelement 30 ist in den in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils eine kreisrunde planparallele Platte. Bei einem unter 45° erfolgenden Einbau ist die Platte bevorzugt so elliptisch, dass ihre Projektion in die Einfallsrichtung und Ausfallsrichtung kreisrund ist. Das Einkoppelelement 30 weist einen ersten Teilbereich 54 und einen zweiten Teilbereich 56 auf, der von dem ersten Teilbereich 54 verschieden ist. Die Mittel zum Erzeugen des Wirklaserstrahls 20, die Mittel zum Erzeugen des Beleuchtungslaserstrahls 18 und das Einkoppelelement 30 sind relativ zueinander so angeordnet, dass der Wirklaserstrahl 20 auf den ersten Teilbereich 54 gerichtet ist und der Beleuchtungslaserstrahl 18 auf den zweiten Teilbereich 56 gerichtet ist. Die in der Figur 1 dargestellte Anordnung entspricht dieser Forderung. Figur 4 zeigt einen seitlichen Querschnitt des
Einkoppelelements 30 zusammen mit Intensitätsverläufen eines Wirklaserstrahls und eines Beleuchtungslaserstrahls. Die optische Achse des Einkoppelelements liegt in dieser Darstellung innerhalb der Zeichnungsebene.
Der erste Teilbereich 54 ist in Bezug auf den Strahlquerschnitt des Wirklaserstrahls 20 ein zentraler Teilbereich 54. Der erste Teilbereich 54 ist für den Wirklaserstrahl 20 und den Beleuchtungslaserstrahl 42 transparent, und der zweite Teilbereich 56 ist dazu eingerichtet, den Beleuchtungslaserstrahl 18 parallel zum Wirklaserstrahl 20 zu reflektieren.
Wenigstens der erste Teilbereich 54 ist mit einer Antireflexionsschicht 58 für den Wirklaserstrahl 20 versehen. Die Antireflexionsschicht 58 kann auf der Vorderseite und/oder auf der Rückseite des Einkoppelelements 30 angeordnet sein. Bevorzugt ist auch der erste Teilbereich 54 mit der Antireflexionsschicht 58 beschichtet. Als Option weist der Teilbereich 54 beidseitig eine AR Schicht für den Beleuchtungslaserstrahl auf.
Der zweite Teilbereich 56 ist in Bezug auf den Strahlquerschnitt des Wirklaserstrahls 20 ein peripherer, außerhalb des zentralen (ersten) Teilbereichs 54 lokalisierter Teilbereich.
Der zweite Teilbereich 56 des Einkoppelelements 30 ist mit einer Reflexionsschicht 60 für den Beleuchtungslaserstrahl 18 versehen. Die Reflexionsschicht 60 ist bevorzugt für den Wirklaserstrahl 20 transparent. Dielektrische Beschichtungen, die entsprechend den Wellenlängen und dem gewünschten Reflexionsverhalten und Transmissionsverhalten auszuwählen sind, gehören zum Stand der Technik. Die Kurve 62 gibt schematisch-beispielhaft den Gauß-Kurven-förmigen Intensitätsverlauf des Wirklaserstrahls 20 nach dem Einkoppelelement 30 an, der im zentralen Teilbereich 54 maximal ist und auch in den peripheren Teilbereichen 56 noch nicht gleich Null ist. Die Kurven 64 repräsentieren Intensitätsverläufe des im peripheren Bereich 56 reflektierten Beleuchtungslaserstrahls 18.
Figur 5 zeigt eine Vorderansicht einer Anordnung von vier Beleuchtungslaserteilstrahlen zusammen mit den beiden Teilbereichen des Einkoppelelements. Die Beleuchtungslaserteilstrahlen sind konzentrisch und symmetrisch um den (hier ausgeschalteten) Wirklaserstrahl herum verteilt angeordnet.
Die Summe dieser Beleuchtungslaserteilstrahlen 66 erzeugt dann, wenn es sich um zueinander kohärent gekoppelte Beleuchtungslaserteilstrahlen 66 handelt, im Fernfeld eine Intensitätsverteilung mit einem auf der optischen Achse der Laserstrahlvorrichtung 10 liegenden Intensitätsmaximum. Die optische Achse der Laserstrahlvorrichtung 10 fällt im Allgemeinen zumindest außerhalb der Laserstrahlvorrichtung 10 mit der optischen Achse des Einkoppelmoduls 30 zusammen. Figur 6 zeigt ein Beispiel einer solchen IntensitätsVerteilung .
Bei einer Verwendung von nicht-kohärent gekoppelten Beleuchtungslaserteilstrahlen kann das kreis-, bzw. kreisringförmige Teilbereiche aufweisende Einkoppelelement auch durch einzelne, kleinere Einkoppelelemente in Form von Reflektoren ersetzt werden. Die nicht-kohärent gekoppelten Beleuchtungslaserteilstrahlen können so ausgerichtet werden, dass sie sie sich im Zielbereich überlappend überlagern, um die Beleuchtungsintensität im Zielbereich zu erhöhen.
Figur 7 zeigt eine solche Überlappung eines ersten Beleuchtungslaserteilstrahls 68, bzw. Beleuchtungslaserteilstrahlbündels und eines zweiten Beleuchtungslaserteilstrahls 70, bzw. Beleuchtungslaserteilstrahlbündels .
Alternativ dazu können die nicht-kohärent gekoppelten Beleuchtungslaserteilstrahlen so ausgerichtet werden, dass sie im Zielbereich einander berührend nebeneinanderliegende Bereiche beleuchten und so insgesamt eine größere Fläche beleuchten .
Figur 8 zeigt eine solche Ausrichtung eines ersten Beleuchtungslaserteilstrahls 68, bzw. Beleuchtungslaserteilstrahlbündels und eines zweiten Beleuchtungslaserteilstrahls 70, bzw. Beleuchtungslaserteilstrahlbündels .
Durch die Verteilung der mit dem Beleuchtungslaserstrahl 18 transportierten Leistung auf wenigstens zwei Beleuchtungslaserteilstrahlen 68, 70 wird die sonst bei Verwendung eines einzigen Beleuchtungslaserstrahls 18 erforderliche Sendeleistung nahezu halbiert. Im Fall einer Vergrößerung des Öffnungswinkels (Figur 8) werden die Anforderungen an die Mittel zur Erzeugung des Beleuchtungslaserstrahls bezüglich Leistung und Strahlqualität bei gegebenem Aperturdurchmesser reduziert. Die Reduzierung der Leistung und die Vergrößerung des Öffnungswinkels reduzieren erwünschter Maßen den NOHD für den einzelnen Beleuchtungslaserteilstrahl bei der Verwendung mehrerer Beleuchtungslaserteilstrahlen. Sollte der Bereich der Überlappung oberhalb des NOHD für den einzelnen Beleuchtungslaserteilstrahl liegen, dann reduziert sich auch der NOHD für die gesamte LaserstrahlVorrichtung .
An Stelle von Mitteln, die einen continuous wave Beleuchtungslaserstrahl erzeugen, können auch Mittel verwendet werden, die einen gepulsten Beleuchtungslaserstrahl erzeugen. Durch den alternierenden, bzw. gepulsten Betrieb kann bei gleicher mittlerer Leistung/ gleicher mittlerer Intensität und gleicher Spitzenintensität in der Zielebene die mittlere Leistung in den einzelnen Beleuchtungslaserteilstrahlen reduziert werden. Dadurch kann vorteilhafterweise der NOHD reduziert werden, so wie es auch bei der Verwendung von mehreren nicht-kohärenten Mitteln zum Erzeugen von Beleuchtungslaserstrahlung der Fall ist.
Figur 9 zeigt eine mögliche Anordnung zur Erzeugung eines Beleuchtungslaserstrahls 18 aus einem Beleuchtungslaser 40 und einem Beleuchtungslaserteleskop 72. Hier ist der Öffnungswinkel des Beleuchtungslaserstrahls 18 relativ klein und der NOHD entsprechend relativ groß. Analog ist der NOHD in der Leistungsspitze relativ klein und im Mittel relativ groß.
Figur 10 zeigt eine mögliche Anordnung zur Erzeugung von zwei Beleuchtungslaserstrahlen 18 aus einem Beleuchtungslaser 40, einer Strahlweiche 74 und zwei Beleuchtungslaserteleskopen 72. Ein Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass nur ein Laser erforderlich ist, was die Kosten, die Masse und den benötigten Bauraum reduziert.
Man kann das die Anordnung von Wirklaserstrahl und Beleuchtungslaserstrahl auch komplett umdrehen vertauschen. In diesem Fall wird der Wirklaserstrahl reflektiert, und der Beleuchtungslaserstrahl wird transmittiert. Diese Ausgestaltung kann Vorteile bei den Verlusten haben.
Figur 11 zeigt Strahlengänge einer Laserstrahlvorrichtung 10 mit einer solchen Anordnung. Eine solche Laserstrahlvorrichtung 10 weist Mittel zum Erzeugen eines von der Laserstrahlvorrichtung 10 ausgehenden Wirklaserstrahls 20, Mittel zum Erzeugen eines Beleuchtungslaserstrahls 18, und ein Einkoppelelement 30 zum Einkoppeln des Beleuchtungslaserstrahls 18 in einen Strahlengang des von der Laserstrahlvorrichtung 10 abzustrahlenden Wirklaserstrahls 20 auf. Diese Laserstrahlvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Einkoppelelement einen ersten Teilbereich und einen zweiten Teilbereich 56 aufweist, der von dem ersten Teilbereich 54 verschieden ist, und dass die Mittel zum Erzeugen des Wirklaserstrahls 20, die Mittel zum Erzeugen des Beleuchtungslaserstrahls 18 und das Einkoppelelement 30 relativ zueinander so angeordnet sind, dass der Wirklaserstrahl 20 auf den ersten Teilbereich 54 gerichtet ist und der Beleuchtungslaserstrahl 18 auf den zweiten Teilbereich 56 gerichtet ist, wobei der zweite Teilbereich 56 für den Beleuchtungslaserstrahl 18 transparent ist und wobei der erste Teilbereich 54 dazu eingerichtet ist, den Wirklaserstrahl 20 parallel zum Beleuchtungslaserstrahl 18 zu reflektieren.
Fig. 12 zeigt in einer skizzenhaften Blockbilddarstellung wenigstens eine mit 100 gekennzeichnete Wirklaserquelle sowie wenigstens ein Strahlführungsmodul 102 und zumindest eine Steuerung 104. Diese Baugruppen sind Bestandteil beispielsweise eines Hochleistungslasers, hier einer Laserwaffe (bzw. eines Laserwaffensystems).
Die Wirklaserquelle 100, das Strahlführungsmodul 102 sowie die Steuerung 104 können gemeinsam in einem stationären bzw. teilbeweglichen Anteil 106 des Hochleistungslasers untergebracht sein. Der stationäre/teilbewegliche Anteil 106 kann durch einen Raum gebildet werden, beispielsweise durch einen Container etc.
Außerhalb des Containers ist eine Richteinheit 108 (hier ein Strahlablenksystem), ein sogenannter Scanner, angeordnet .
In einer bevorzugten Ausführung ist eine mit 110 gekennzeichnete Beleuchtungslaserquelle gleichfalls in diesem Container untergebracht. Dieses hat den Charme, dass ein Laserstrahl 112 der Beleuchtungslaserquelle 110 in das Strahlführungsmodul 102 eingekoppelt werden kann, so dass der Beleuchtungslaser auf ein derartiges
Strahlführungsmodul verzichten kann. Das Einkoppeln kann beispielsweise über einen dichroitischen Spiegel realisiert werden (nicht näher dargestellt). Der Beleuchtungslaser kann des Weiteren ein Teleskop des Strahlführungsmoduls 102 nutzen.
Alternativ kann der Beleuchtungslaser 110 auch an der Richteinheit 108 montiert werden. Hierbei kann der Beleuchtungslaserstrahl 112 in Richtung des Laserstrahls 114 der Wirklaserquelle ausgerichtet sein, d.h. in diese Richtung zeigen.
Die wenigstens eine Wirklaserquelle sowie die wenigstens eine Beleuchtungslaserquelle 110 sind mit dem wenigstens einen Strahlführungsmodul 102 funktional verbunden, beispielsweise über wenigstens eine optische Faser 116 (Transportfaser) und / oder zumindest einen Freistrahl 118. Die elektrische Steuerung 104 kann je nach Vorgabe und / oder in Reaktion einer Auswertung zur Funktion der Laserwaffe zumindest auf das Strahlführungsmodul 102 sowie die Richteinheit 108 einwirken (nicht weiter ausgeführt).
In Fig. 13 ist die Richteinheit 108 in einer leicht vergrößerten Darstellung abgebildet. Die Richteinheit 108 umfasst zwei Ablenkspiegel 120, 122 auf Rotationsachsen (Azimut, Elevation). Die beiden Drehachsen sind so eingerichtet, dass der volle Ablenkwinkelbereich (0 -360°) in Azimut eingestellt werden kann, bei beliebig vielen Drehungen. Mit den Rotationsachsen verbunden ist jeweils ein kleiner elektrischer Motor (nicht näher dargestellt), mittels denen die Ablenkspiegel 120, 122 drehbar sind. Das Drehen erfolgt derart, dass der Ablenkspiegel 122 mit dem Ablenkspiegel 120 mit gedreht wird, sodass ein Laserstrahl 124 zentriert (mittig) auf dem Ablenkspiegel 122 bleibt. Mit 126 ist ein Gehäuse der Richteinheit 108 gekennzeichnet .
Die Richteinheit 108 weist einen Signalausgang 128 und einen Signaleingang 130 auf. Der Signalausgang 128 ist durch ein Abschlussfenster verwirklicht. Der Signaleingang 130 kann ebenfalls durch ein Abschlussfenster verwirklicht sein. Der Signalausgang 128 der Richteinheit 108 weist hierbei in Richtung eines Ziels 132 (Fig. 3), der Signaleingang 130 hingegen in Richtung der Wirklaserquelle bzw. des Strahlführungsmoduls 102.
Die Ablenkspiegel 14, 15 werden bevorzugt so in die Richteinheit 5 eingebaut, dass unter der Gewichtsbelastung oder Bewegung (Eigenbewegung) keine Verformung der Spiegel 14, 15 auftritt. Dieses kann z.B. durch eine isostatische Spiegelmontierung (Bipods) erreicht werden.
Die Ablenkspiegel 120, 122 sollten hochreflektierend für die Wellenlänge des Laserstrahls 124 der Wirklaserquelle und der Wellenlänge des Laserstrahls der
Beleuchtungslaserquelle und den Beobachtungswellenlängen sein. Diese Anforderung ist durch eine optische Politur oder eine Spiegelbeschichtung erreichbar. Die Ablenkspiegel 120, 122 können z.B. auch einfache Planspiegel sein.
Fig. 3 zeigt die funktionswesentlichen Baugruppen im stationären/teilbeweglichen Anteil 106 im Zusammenspiel mit der Richteinheit 108. Das sind eine Ansteuereinheit 3.1 und eine Auswertesoftware 3.2 der Steuerung, ein optischer Sensor 2.1 des Beleuchtungslasersystems sowie eine optische Komponente 4.1 und das Teleskop 4.2 des
Strahlenführungsmoduls 102. Die optische Komponente 4.1 des Strahlführungsmoduls 4 ermöglicht eine genaue Strahlablenkung zur genauen Positionierung des Laserstrahls 124 auf das Ziel 132. Die optische Komponente 4.1 kann ein Tip/Tilt-Spiegel sein, ein in zwei Achsen steuerbarer beweglicher Spiegel (Feintracking).
In dieser Ausführung ist der Beleuchtungslaser selbst nicht im Container untergebracht. Mit 2.2 ist daher ein Teleskop des Beleuchtungslasersystems bezeichnet, das in dieser Darstellung zusammen mit der Laserquelle 110 nicht im stationären/teilbeweglichen Anteil (Container) untergebracht ist. In der Funktionsweise ergibt sich jedoch kein Unterschied.
Das Strahlführungsmodul 102 umfasst des Weiteren wenigstens eine Kamera (nicht näher dargestellt). Die
Beobachtungsrichtung der wenigstens einen Kamera ist dabei gleich der Laserstrahlrichtung. Die Kamera bzw. die Kameras sollten in unterschiedlichen spektralen Bereichen (Beobachtungswellenlängen) arbeiten können.
Die wenigstens eine Kamera dient zumindest zur Beobachtung des Ziels 132 bzw. des Raums um das Ziel 132 herum. Mit der wenigstens einen Kamera kann zudem die Bestimmung der Position des Ziels 132 erfolgen. Deren Bildauswertung kann ein Regelsignal für die Strahlablenkung liefern.
Weiterhin können Elemente zur Kompensation atmosphärischer Störungen innerhalb des Strahlführungsmoduls vorgesehen werden (Optional). Dabei handelt es sich um Detektoren zur Messung atmosphärischer Störungen, wie z.B. Shack-Hartmann
Sensoren (Wellenfrontsensor), sowie steuerbare optische Elemente zur Regelung der Phasenfront des Laserstrahls, wie z.B. deformierbare Spiegel.

Claims

Patentansprüche
1. Laserstrahlvorrichtung (10) mit Mitteln zum Erzeugen eines von der Laserstrahlvorrichtung (10) ausgehenden Wirklaserstrahls (20), Mitteln zum Erzeugen eines Beleuchtungslaserstrahls (18), und mit einem Einkoppelelement (30) zum Einkoppeln des Beleuchtungslaserstrahls (18) in einen Strahlengang des von der Laserstrahlvorrichtung (10) abzustrahlenden Wirklaserstrahls (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelelement (30) einen ersten Teilbereich (54) und einen zweiten Teilbereich (56) aufweist, der von dem ersten Teilbereich (54) verschieden ist, und dass die Mittel zum Erzeugen des Wirklaserstrahls (20), die Mittel zum Erzeugen des Beleuchtungslaserstrahls (18) und das Einkoppelelement (30) relativ zueinander so angeordnet sind, dass der Wirklaserstrahl (20) auf den ersten Teilbereich (54) gerichtet ist und der Beleuchtungslaserstrahl (18) auf den zweiten Teilbereich (56) gerichtet ist, wobei der erste Teilbereich (54) für den Wirklaserstrahl (20) transparent ist und wobei der zweite Teilbereich (56) dazu eingerichtet ist, den Beleuchtungslaserstrahl (18) parallel zum Wirklaserstrahl (20) zu reflektieren.
2. Laserstrahlvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Wellenlänge des Wirklaserstrahls (20) von der Wellenlänge des Beleuchtungslaserstrahls (18) unterscheidet.
3. Laserstrahlvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teilbereich (54) in Bezug auf den Strahlquerschnitt des Wirklaserstrahls (20) ein zentraler Teilbereich ist.
4. Laserstrahlvorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilbereich (56) in Bezug auf den Strahlquerschnitt des Wirklaserstrahls (20) ein peripherer, außerhalb des zentralen Teilbereichs (54) lokalisierter Teilbereich ist.
5. Laserstrahlvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelelement (30) eine planparallele Platte ist.
6. Laserstrahlvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Teilbereich (56) des Einkoppelelements (30) mit einer Reflexionsschicht (60) für den Beleuchtungslaserstrahl (18) versehen ist.
7. Laserstrahlvorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflexionsschicht (60) für den Wirklaserstrahl (20) transparent ist.
8. Laserstrahlvorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens der erste Teilbereich (54) mit einer Antireflexionsschicht (58) für den Wirklaserstrahl (20) versehen ist.
9. Laserstrahlvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum Erzeugen des Beleuchtungslaserstrahls (18) eine Axicon Linse aufweisen, die dazu eingerichtet und angeordnet ist, ein Beleuchtungslaserstrahlbündel, das einen kreisförmigen Strahlquerschnitt aufweist, zu einem Beleuchtungslaserstrahlbündel, das einen kreisringförmigen Laserstrahlbündelquerschnitt aufweist, umzuformen.
10. Laserstrahlvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungslaserstrahl (18) als Summe kohärent gekoppelter Beleuchtungslaserteilstrahlen (66) erzeugt wird.
11. Laserstrahlvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 - 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Beleuchtungslaserstrahl (18) als Summe nicht-kohärent gekoppelter Beleuchtungslaserteilstrahlen (68, 70) erzeugt wird.
12. Laserstrahlvorrichtung (10) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die
Beleuchtungslaserteilstrahlen (66) konzentrisch und symmetrisch um den Wirklaserstrahl und insbesondere um den ersten Teilbereich (54) herum verteilt angeordnet sind.
13. Laserstrahlvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung des
Beleuchtungslaserstrahls (18) dazu eingerichtet sind, im Fernfeld der von der Laserstrahlvorrichtung (10) abgestrahlten Beleuchtungslaserstrahlung eine Intensitätsverteilung mit einem Maximum auf einer optischen Achse (44) der Laserstrahlvorrichtung (10) zu erzeugen.
14. Laserstrahlvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung des
Beleuchtungslaserstrahls (18) dazu eingerichtet sind, den Beleuchtungslaserstrahl (18) als einen continuous wave Laserstrahl zu erzeugen.
15. Laserstrahlvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche
1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung des Beleuchtungslaserstrahls (18) dazu eingerichtet sind, den Beleuchtungslaserstrahl (18) als einen gepulsten Laserstrahl zu erzeugen.
16. Laserstrahlvorrichtung (10) mit Mitteln zum Erzeugen eines von der Laserstrahlvorrichtung (10) ausgehenden Wirklaserstrahls (20), Mitteln zum Erzeugen eines Beleuchtungslaserstrahls (18), und einem Einkoppelelement (30) zum Einkoppeln des Beleuchtungslaserstrahls (18) in einen Strahlengang des von der Laserstrahlvorrichtung (10) abzustrahlenden Wirklaserstrahls (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Einkoppelelement (30) einen ersten Teilbereich (54) und einen zweiten Teilbereich
(56) aufweist, der von dem ersten Teilbereich (54) verschieden ist, und dass die Mittel zum Erzeugen des Wirklaserstrahls (20), die Mittel zum Erzeugen des Beleuchtungslaserstrahls (18) und das Einkoppelelement (30) relativ zueinander so angeordnet sind, dass der Wirklaserstrahl (20) auf den ersten Teilbereich (54) gerichtet ist und der Beleuchtungslaserstrahl (18) auf den zweiten Teilbereich (56) gerichtet ist, wobei der zweite Teilbereich (56) für den Beleuchtungslaserstrahl (18) transparent ist und wobei der erste Teilbereich (54) dazu eingerichtet ist, den Wirklaserstrahl (20) parallel zum Beleuchtungslaserstrahl (18) zu reflektieren.
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