DE1919869B1

DE1919869B1 - Signalverarbeitungsvorrichtung fuer einen optischen Strahl

Info

Publication number: DE1919869B1
Application number: DE19691919869
Authority: DE
Inventors: Treacy Edmond Brian; Brienza Michael Joseph
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1968-11-19
Filing date: 1969-04-18
Publication date: 1970-07-02
Also published as: JPS4742346B1; US3549239A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Signalverarbeitungsvorrichtung für einen optischen Strahl, der aus einzelnen, zeitlich verzögerten Einzelimpulsen unterschiedlicher Frequenz besteht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Signalverarbeitungsvorrichtung zu schaffen, die diese Einzelimpulse so verarbeitet, daß die Impulsbreite nur noch von der Bandbreite des Impulsgenerators, im allgemeinen eines Lasers, abhängt.

Gemäß der Erfindung ist eine Signalverarbeitungsvorrichtung der eingangs genannten Art dadurch gekennzeichnet, daß im Weg des Strahls ein erstes Beugungsgitter angeordnet ist und daß im Weg des zerlegten Strahls ein diesen weiterzerlegendes, mit dem ersten Beugungsgitter gleichartiges und zu diesem paralleles zweites Beugungsgitter angeordnet ist, wobei die Gitterstrichrichtungen beider Gitter parallel verlaufen.

Diese Vorrichtung erlaubt die Schaffung von Zeitverzögerungen bei optischen Impulsen in praktisch linearer Abhängigkeit von der Wellenlänge. Bei der Vorrichtung ist der Ausfallwinkel zwischen dem optischen Puls und der Senkrechten auf dem Beugungsgitter jeweils abhängig von dessen Streuung. Daher müssen die Strahlkomponenten größerer Wellenlänge in der Vorrichtung einen größeren Weg zurücklegen als die Strahlkomponeten kürzerer Wellenlänge und werden diesen gegenüber zeitlich verzögert. Die Beugungsgitter wirken also als eine Verzögerungsleitung mit kontinuierlicher Verzögerung durch Streuung. Wie im folgenden noch näher ausgeführt wird, kann die Vorrichtung aus einem Frequenzgemisch bestehende, zeitlich gegeneinander versetzte optische Frequenzen aufweisende Impulse komprimieren, solche Impulse aus kurzen Impulsen konstanter Trägerfrequenz erzeugen und zur Messung der Phasenstruktur kurzer optischer Impulse dienen.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung sind Linsen vorgesehen, die den Eingangs- und Ausgangsstrahl des Beugungsgitterpaares zunächst erweitern und dann wieder verengen, so daß der Strahl auf eine größere Oberfläche der Beugungsgitter auftrifft. Durch diese Maßnahme wird das Auflösungsvermögen der Beugungsgitter vergrößert.

Die Figuren zeigen einige Ausführungsbeispiele der Erfindung. Es zeigt in schematischer Darstellung

F i g. 1 eine Vorrichtung mit zwei reflektierenden Beugungsgittern,

F i g. 2 eine Vorrichtung zur Impulsverkürzung mit zwei Beugungsgittern und mit Linsen,

F i g. 3 eine Vorrichtung mit zwei lichtdurchlässigen Beugungsgittern,

F i g. 4 und 5 Vorrichtungen mit je einem lichtdurchlässigen und einem reflektierenden Beugungsgitter,

F i g. 6 eine Vorrichtung mit einem einzigen, reflektierenden Beugungsgitter auf einem Spiegel,

F i g. 7 eine Vorrichtung mit einem einzigen lichtdurchlässigen Beugungsgitter und einem Spiegel.

Optische Impulse mit einer sich zeitlich verändernden optischen Frequenz werden beispielsweise von Nd-Glas-Lasern mit festgelegter Betriebsweise erzeugt. Deren Ausgangsimpulse sind zeitlich beträchtlich länger als diejenige Mindestzeit, die auf Grund der Bandbreite des Lasers zugelassen werden kann. Bei optischen Radarsystemen werden Impulse mit einem zeitlich unterschiedlichen Frequenzspektrum absichtlich erzeugt, um den Rauschabstand zu verbessern.

Die neue Signalverarbeitungsvorrichtung arbeitet auf Grund der Tatsache, daß in einem Impuls, der durch einen in seiner Betriebsweise festgelegten (modelocked) Laser erzeugt wird, die niedrigen optischen Frequenzen den höheren optischen Frequenzen zeitlich vorangehen und daß das Beugungsgitterpaar die niedrigen Frequenzen gegenüber den höheren Frequenzen verzögert. Indem der Abstand der beiden Beugungsgitter vergrößert und damit die zeitliche

ίο Verzögerung in Abhängigkeit von der Wellenlänge erhöht wird, ist es ebenfalls möglich, das Wellenlängenspektrum eines Impulses zeitlich umzukehren, so daß dann die kurzen Wellenlängen den längeren Wellenlängen zeitlich vorangehen.

Enthält der Impuls eine konstante Trägerfrequenz, dann bewirkt die von dem Beugungsgitterpaar erzeugte Zeitverzögerung eine zeitlich spektral geordnete Frequenzverteilung, wobei wieder die kurzen Wellenlängenanteile den längeren Wellenlängen vorangehen.

Werden zwei gleiche Impulse reproduziert und ist die Form der Umhüllenden der Impulse meßbar, dann kann die Phasenstruktur der Impulse analysiert ( werden.

Die Wirkung der neuen Signalverarbeitungsvorrichtungen beruht auf dem etwa linearen Zusammenhang zwischen der Laufzeit des Lichts durch das System und der Wellenlänge des Lichts. Diese Tatsache kann auch so beschrieben werden, daß die Phasenverschiebung auf dem Weg durch das System einen Term aufweist, der quadratisch mit der Frequenz wächst. Daher kann die Signalverarbeitungsvorrichtung als angepaßter Filter oder als Dispersionskompensator bezeichnet werden.

In Fig. 1 ist das Arbeitsprinzip der beiden Beugungsgitter gezeigt. Ein optischer Impuls oder Strahl AA', beispielsweise aus einem Laser stammend, fällt auf eine Fläche der Höhe AB' auf ein erstes, reflektierendes Beugungsgitter 10. Wenn eine Wellenlängenkomponente X₁ des Laserstrahls in den Strahl BB', CC dispergiert wird, dann wird eine längere Wellenlängenkomponente I₂ um einen größeren Winkel in einen davon verschiedenen Strahl BB', EE' dispergiert. (

Ein zweites Beugungsgitter 12, das dem ersten Beugungsgitter gleich ist und zu diesem exakt parallel verläuft, ist im Weg des reflektierten Laserstrahls angeordnet. Dieses zweite Beugungsgitter 12 bringt alle Wellenlängenkomponenten zurück in einen Strahl, der dem Eingangsstrahl parallel verläuft. Der Teilstrahl CC, DD' mit kürzeren Wellenlängen ist gegenüber dem Teilstrahl EE', FF' etwas versetzt. Es ist erkennbar, daß der Strahl mit der längeren Wellenlänge einen längeren Weg zurückgelegt hat und daher gegenüber dem Strahl mit kürzeren Wellenlängen zeitlich verzögert ist. Der Ausgangsstrahl E'C, F'D enthält alle Wellenlängenkomponenten, die im Eingangsstrahl enthalten sind, innerhalb des Wellenlängenbereiches zwischen X₁ und I₂.

Die Laufzeit des Strahls ergibt sich in Abhängigkeit von der Wellenlänge, und die Beziehung zwischen der Laufzeit bei I₁ und bei λ₂ ist in einem kleinen Bruchteil des Wellenlängenbereichs linear. Die Zeitverzögerung oder die Laufzeitdifferenz ist proportional der Dispersion der Beugungsgitter 10, 12 und zu deren Abstand. Der Abstand kann verstellbar sein, um die Verzögerung zu wählen. Wenn beispielsweise im Handel erhältliche Beugungsgitter mit

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1200 Linien pro Millimeter und eine Lichtwellenlänge sondern eine konstante Trägerfrequenz enthält, kann von 1 μ verwendet werden und der Einfallswinkel ein Impuls mit einem zeitlich unterschiedlichen Frezwischen der Senkrechten auf dem ersten Beugungs- quenzspektrum mittels der Signalverarbeitungsvorgitter 10 und dem einfallenden Laserstrahl 60° be- richtung hergestellt werden. Das Spektrum eines opträgt, dann beträgt die Zeitverzögerung zwischen zwei 5 tischen Impulses enthält sowohl Amplituden- wie um 1 % verschiedenen Wellenlängenkomponenten auch Phasenanteile. Wenn der Strahl oder der Impuls ¹Zs Picosekunde pro Zentimeter Abstand zwischen den eine konstante Trägerfrequenz hat, gibt es jedoch kei-

Beugungsgittern 10,12. nen Anteil der Phasenfunktion, sondern nur den spek-

Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 kann als Impuls- tralen Gehalt der Amplitudenfunktion. Wenn ein kompressor für Impulse mit einem zeitlich unter- io Strahl dieser Art auf eines der in den F i g. 1 und 2 schiedlichen Frequenzspektrum verwendet werden. dargestellten Beugungsgitterpaare auftrifft, wird das Solche optischen Impulse werden von Lasern mit fest- Spektrum des Strahls in bestimmter Weise in phasenliegenden Betriebsbedingungen erzeugt. Da alle Laser- und amplitudenabhängige Komponenten neu verteilt, materialien bei den von ihnen erzeugten Wellenlän- Insbesondere verlaufen im Fall der Herstellung von gen eine normale Dispersion durch Brechung zeigen, 15 Impulsen mit einem zeitlich unterschiedlichen Fresind sehr kurze Impulse unter festliegenden Betriebs- quenzspektrum beim Durchlaufen des Beugungsgitbedingungen — beispielsweise diejenigen eines Nd- terpaares die niedrigeren Frequenzkomponenten einen Glas-Lasers — aus einem zeitlich unterschiedlichen längeren Weg als die höheren Frequenzkomponenten, Frequenzspektrum zusammengesetzt, wobei die nie- so daß die höheren Frequenzkomponenten zeitlich drigeren von optischen Frequenzen den höheren op- ao früher auftreten. Daher wird das Spektrum des Strahls tischen Frequenzen zeitlich vorangehen. Diese Er- in frequenz- und phasenabhängige Komponenten neu scheinung wird im englischen Schrifttum als »Chirp« verteilt, und der Ausgangsimpuls ist zeitlich länger (»Zirpen«) bezeichnet. Die Vorrichtung gemäß Fig. 1 und zeigt einen geringeren spektralen Gehalt in seiner kann so eingestellt werden, daß sie den linearen Teil Umhüllenden als der Eingangsimpuls. Der spektrale der Frequenzverzerrung kompensiert und einen kür- 25 Gehalt ist in phasenabhängige Komponenten umgezeren Impuls erzeugt. Beispielsweise von einem Nd- wandelt und zeigt sich in der frequenzabhängigen Glas-Laser erzeugte Laserimpulse können bis zu Verzögerung des Trägers. Es wird so ein Impuls mit einem Faktor 30 verkürzt werden, wobei gleichzeitig einem zeitlich unterschiedlichen Frequenzspektrum ihre Leistung um denselben Betrag erhöht wird. und starker Frequenzverzerrung erzeugt,

F i g. 2 zeigt eine andere Vorrichtung zur Impuls- ₃₀ Eine weitere Anwendung der Vorrichtung liegt in

kompression. Der Eingangs-Laserstrahl wird durch der Messung der Phasenstruktur kurzer optischer Im-

eineZerstreuungslinseZ^undeinebikonvexeObjektiv- pulse. Wenn irgendeine Einrichtung exakt reprodu-

linse C₁ auf ein erstes Beugungsgitter G₁ geworfen. zierbare, sehr kurze Lichtimpulse hervorbringt und

Die Linsen C₁ und D₁ bilden ein Galüäi-Teleskop, eine Methode für das Ausmessen der Form der Im-

das den Strahl erweitert, um die Auflösung der Beu- 35 puls-Umhüllenden existiert, kann die Signalverarbei-

gungsgitter G₁, G₂ zu erhöhen und die Möglichkeit tungsvorrichtung die Phasenstruktur, d. h. die Modu-

der optischen Beschädigung ihrer Oberfläche zu ver- lation der Trägerfrequenz der Impulse messen. Im

mindern. Beide Beugungsgitter G₁, G₂ wirken und wesentlichen werden die Impulse durch ein Auswerte-

sind angeordnet wie diejenigen in Fig. 1. Zusätzlich gerät geschickt, und die Umhüllende wird bei ver-

ist ein reflektierender Spiegel M im Weg des von dem 40 schiedenen Abständen zwischen den beiden Beugungs-

zweiten Beugungsgitter G₂ zerlegten Strahls und par- gittern gemessen. Ein solcher Satz von Meßwerten

allel zu dem zweiten Beugungsgitter G₂ angeordnet. der Umhüllenden in Abhängigkeit von dem Abstand

Dieser Spiegel M lenkt den austretenden Strahl zu der Beugungsgitter enthält die gesamte Information,

einem zweiten Galiläi-Teleskop C₂, D₁ um, das den die zur Rekonstruktion der Phasenfunktion nötig ist.

austretenden Strahl wieder verengt. Das zweite Beu- 45 Diese kann daher anschließend berechnet werden,

gungsgitter G₂ und der Spiegel M können auf einem Daher kann die Vorrichtung auch als Phasenstruktur-

ihnen gemeinsamen, beweglichen Träger gemeinsam Analysator für Lichtimpulse dienen,

angeordnet sein, so daß der Abstand zwischen den Wie aus den F i g. 3 und 7 hervorgeht, kann eines

beiden Beugungsgittern G₁, G₂, verändert werden oder beide der in den F i g. 1 und 2 gezeigten Beu-

während der von dem Spiegel M reflektierende Strahl 50 gungsgitter durch ein lichtdurchlässiges Beugungs-

immer durch die Linsen D₂, C₂ verläuft. gitter ersetzt werden.

Wenn ein Impuls bis zu einer sehr hohen Leistung In F i g. 3 sind beide Beugungsgitter 14, 16 lichtverstärkt werden soll, kann es nützlich sein, vorher ' durchlässig, und die Eingangswelle, wird bei ihrem die Phase des Impulses zu verändern. Der Durchtritt Durchtritt durch die Beugungsgitter zerlegt,
durch das Verstärkungsmittel erzeugt dieselbe normale 55 Gemäß Fig. 4 wird die Eingangswelle durch ein Brechungsdispersion wie sie ein von einem Laser- erstes reflektierendes Beugungsgitter 18 zerlegt und Oszillator erzeugter Impuls aufweist. Der verstärkte wird dann beim Durchtritt durch ein lichtdurchlässi-Impuls wird daher verbreitert. Wird dagegen die ges zweites Beugungsgitter 20 weiter zerlegt. F i g. 5 Vorrichtung gemäß F i g. 2 angewandt, indem der stellt den demgegenüber umgekehrten Fall dar, wobei von dem Laser-Oszillator erzeugte Impuls vor seiner 60 die Eingangswelle zunächst bei ihrem Durchtritt durch Verstärkung durch das Beugungsgitterpaar hindurch- das erste Beugungsgitter 22 zerlegt und anschließend geführt wird und indem der Abstand zwischen den beim Auftreffen auf das reflektierende Beugungsgit-Beugungsgittern größer gewählt wird, als dies für eine ter 24 weiter zerlegt wird.

maximale Impulskompression erforderlich wäre, dann Bei dem Ausfuhrungsbeispiel gemäß F i g. 6 sind

verkürzt die normale Dispersion des Verstärkers den 65 beide Beugungsgitter durch ein einziges großes Beu-

Impuls wieder auf seine minimale Länge. gungsgitter 26 ersetzt. Die Eingangswelle wird von

Für den Fall, daß der Eingangs-Laserstrahl kein dem oberen Bereich des einzigen Beugungsgitters 26

zeitlich unterschiedliches Frequenzspektrum aufweist, zerlegt, und im Weg des zerlegten Strahls ist ein Spie-

gel 28 angeordnet, der diesen Strahl auf den unteren Bereich des Beugungsgitters 26 umlenkt, wo er ein zweites Mal zerlegt wird und den Ausgangsstrahl wie oben beschrieben bildet. Dieses Ausführungsbeispiel vermeidet die mit der Auswahl und Anordnung von zwei möglichst gleichartigen Beugungsgittern verbundenen Probleme. Es ist allerdings ersichtlich, daß der obere und der untere Bereich des Beugungsgitters 26 auch aus zwei einzelnen Beugungsgittern bestehen kann.

Die Ausführung gemäß F i g. 7 benützt ein einziges lichtdurchlässiges Beugungsgitter 30 und einen Spiegel 32. Der Eingangsstrahl wird zerlegt, während er durch den oberen Bereich des Beugungsgitters 30 tritt, wird vom Spiegel 32, der im Weg des Strahls angeordnet ist, zum unteren Bereich des Beugungsgitters 30 umgelenkt und dort wiederum zerlegt. Auch hier wird nur ein einziges Beugungsgitter benötigt.

Claims

Patentansprüche:

1. Signalverarbeitungsvorrichtung für einen optischen Strahl, der aus einzelnen, zeitlich verzögerten Einzelimpulsen unterschiedlicher Frequenz besteht, dadurch gekennzeichnet, daß im Weg des Strahls ein erstes Beugungsgitter (10) angeordnet ist und daß im Weg des zerlegten Strahls ein diesen weiterzerlegendes, mit dem ersten Beugungsgitter (10) gleichartiges und zu diesem paralleles zweites Beugungsgitter (12) angeordnet ist (Fi g. 1), wobei die Gitterstrichrichtungen beider Gitter (10,12) parallel verlaufen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Beugungsgitter (10, 12) reflektiert sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Beugungsgitter (14, 16) lichtdurchlässig sind (Fig. 3).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Beugungsgitter (20; 22) lichtdurchlässig und das andere Beugungsgitter (18; 24) reflektierend ist (Fig. 4; 5).

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Beugungsgitter verschiedene Bereiche eines einzigen Beugungsgitters (26; 30) sind (Fig. 6; 7), wobei im Weg des Strahls ein zu dem einzigen Beugungsgitter (26; 30) paralleler Spiegel (28; 32) derart angeordnet ist, daß er den in einem ersten Bereich des einzigen Beugungsgitters (26; 30) zerlegten Strahl zu einem zweiten Bereich umlenkt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das einzige Beugungsgitter (30) lichtdurchlässig ist (F i g. 7).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das einzige Beugungsgitter (26) reflektierend ist (Fig. 6).

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Weg des Strahls ein diesen vor seinem Auftreffen auf das erste Beugungsgitter (G₁) erweiterndes Teleskop (D₁, C₁) angeordnet ist (Fig. 2).

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Weg des von dem zweiten Beugungsgitter (G₂) zerlegten Strahls ein diesen verengendes Teleskop (C₂, D₂) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Weg des von dem zweiten Beugungsgitter (G₂) zerlegten Strahls ein diesen zu dem ihn verengenden Teleskop (C₂, D₂) umlenkender Spiegel (M) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Beugungsgitter (G₂) und der den von ihm zerlegten Strahl umlenkende Spiegel (M) auf einem ihnen gemeinsamen, beweglichen Träger feststehend angeordnet sind.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen