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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Festkörperlaser. Spezieller betrifft
die Erfindung Festkörperlaser,
die im 8–12-Mikronbereich arbeiten.
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Beschreibung des verwandten
Standes der Technik:
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Laser
werden derzeit für
Kommunikation, Forschung und Entwicklung, Herstellung, gerichtete Energie
und zahlreiche andere Anwendungen weit verbreitet verwendet. Für bestimmte
Anwendungen ist das charakteristische Nennleistungsausgangsniveau
des Lasers akzeptabel. Für
bestimmte Anwendungen ist es jedoch wünschenswert, die Ausgangsleistung
des Lasers zu optimieren. Zu diesem Zweck wurden Q-Schalter für Laser
mit Q-Schalter und zur Optimierung der Ausgangsenergie derselben
verwendet. Q-Schalter
bewirken, dass die Energie des Lasers innerhalb des laseraktiven
Mediums enthalten bleibt, bis eine hohe Dichte an angeregten Zuständen erreicht
ist.
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Viele
Techniken sind entwickelt worden, um die Laseraktion zu verzögern. Ein
Ansatz beinhaltet die Verwendung eines elektrooptischen (EO) Q-Schalters.
Der elektrooptische Q-Schalter beinhaltet typischerweise den Einsatz
eines Dünnfilm-Polarisators
im Hohlraum, der es nicht zulässt,
dass irgendeine andere Polarisation aus dem Laser austritt außer diejenige,
die bezüglich
dem Dünnfilm-Polarisator
p-polarisiert ist. Der elektro optische Q-Schalter hält den Strahl
in dem Hohlraum auf der orthogonalen Polarisation der durch den
fixen Polarisator hindurchgetretenen Energie, bis der Zielanregungszustand
erreicht ist. Wenn der Zielzustand erreicht ist, wird eine Spannung
auf den EO-Q-Schalter gegeben. Als Ergebnis wird der Schalter aktiviert
und ändert
die Polarisation des Strahls auf den Zustand, bei dem er durch den
feststehenden Polarisator hindurchgelassen wird.
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Passive
Q-Schalter absorbieren Energie in dem Laserhohlraum bei der laseraktiven
Frequenz. Daher tritt keine Laseraktion auf, bis (abhängig von der
Konzentration und der Weglänge
des Schalters) ein Zustand erreicht ist, bei dem die Atome des Schalters
nicht länger
Strahlung absorbieren können. An
diesem Punkt wird der Schalter transparent und erlaubt es, dass
die Laseraktion stattfinden kann.
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Unglücklicherweise
sind für
bestimmte Anwendungen das Gewicht, die Größe, die Kosten und Leistungsanforderungen,
die mit elektrooptischen Q-Schaltern verknüpft sind, derart, dass diese
Vorrichtungen eine nicht optimale Lösung darstellen.
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Passive
Q-Schalter sind im Allgemeinen von fixer Dicke. Demzufolge können herkömmliche
passive Q-Schalter nur eine fixe Verzögerung der Laseraktion leisten.
Unglücklicherweise
nutzen sich die Punktquellen oder die optischen Elemente mit der Zeit
ab und das Betriebsverhalten des Lasers ändert sich. wie im Stand der
Technik wohlbekannt ist, muss das Verzögern des Lasers auf sein Betriebsverhalten abgestimmt
sein, um ein optimales Leistungsverhalten zu erzielen.
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Die
deutsche Patentanmeldung
DE 15
14 411 offenbart einen passiven Q-Schalter, mit zwei keilförmigen Zellen,
die sättigbar
absorbierende Flüssigkeiten
enthalten. Zwei benachbarte Oberflächen der beiden keilförmigen Zellen
sind parallel und in optischer Ausrichtung zueinander angeordnet.
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2 der
JP 7-131 102 offenbart einen Laseroszillator mit Q-Schalter, der
ein Element verwendet, das aus zwei dreieckigen Prismen besteht,
die zwei nicht parallele benachbarte Ebenen aufweisen, wobei ein
erstes der Prismen beweglich quer zu dem optischen Weg des Laserresonators
angeordnet ist.
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Daher
besteht ein Bedarf im Stand der Technik an einem passiven Q-Schalter
für Festkörper- und andere
Laser, der in der Lage ist, ein variables Verzögern der Laseraktion zu schaffen.
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ZUSAMMENFASSENDE
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Der
passive Q-Schalter der vorliegenden Erfindung wendet sich dem Bedarf
im Stand der Technik zu. Der erfindungsgemäße Q-Schalter weist auf: einen
ersten Keil aus Material, das geeignet ist, elektromagnetische Energie
zu absorbieren, wobei der erste Keil an einem ersten Ende desselben
eine erste Dicke, an einem zweiten Ende desselben, das dem ersten
Ende diametral gegenüberliegt,
eine zweite Dicke, eine erste Oberfläche, die das erste und das zweite
Ende verbindet, und eine zweite Oberfläche aufweist, die das erste
und zweite Ende verbindet, wobei die zweite Oberfläche relativ
zur ersten Oberfläche
geneigt ist; und einen zweiten Keil aus Material, das geeignet ist,
elektromagnetische Energie zu absorbieren, wobei der zweite Keil
an einem ersten Ende desselben eine erste Dicke, an einem zweiten Ende,
das dem ersten Ende diametral gegenüberliegt, eine zweite Dicke,
eine erste Oberfläche,
die das erste und zweite Ende verbindet, und eine zweite Oberfläche aufweist,
die das erste und zweite Ende verbindet, wobei die zweite Oberfläche relativ
zu der ersten Oberfläche
geneigt ist, wobei die zweite Oberfläche des ersten Keils in optischer
Ausrichtung mit der zweiten Oberfläche des zweiten Keils und in
einer dazu parallelen Ebene angeordnet ist, und er ist dadurch gekennzeichnet,
dass der erste und zweite Keil so angebracht sind, dass sie relativ
zueinander verlagerbar sind, während
ein konstanter Abstand 'd' zwischen den zweiten
Oberflächen
derselben aufrecht erhalten ist.
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In
dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel
sind die Keile aus Chrom:Yttrium-Aluminiumgranat (Cr:YAG) gefertigt.
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Der
erfindungsgemäße Q-Schalter
ermöglicht
eine variable Dicke und ein Verzögern
des Lasers in einer passiven Anordnung.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist ein Blockdiagramm einer veranschaulichenden
Implementierung eines chemischen Fernerfassungssystems, das die
Lehren der vorliegenden Erfindung beinhaltet.
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2 ist
ein Blockdiagramm des Lasertransmitters in 1.
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3a–c sind
Diagramme, die die Bauweise und Betriebsweise des in dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
des Transmit ters in 2 verwendeten passiven Q-Schalters
veranschaulichen. 3a zeigt eine Seitenansicht
des Schalters.
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3b und 3c zeigen
eine Seiten- bzw. Draufsicht eines Keils des passiven Q-Schalters
der vorliegenden Erfindung.
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4 ist
ein vereinfachtes Diagramm, das die Betriebsweise der in dem Transmitter
der vorliegenden Erfindung verwendeten Festkörperlaser veranschaulicht.
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5 ist
ein Diagramm, das den Empfänger des
Systems in 1 detaillierter zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Veranschaulichende
Ausführungsbeispiele und
beispielhafte Anwendungen werden nun mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben, um die vorteilhaften Lehren der vorliegenden Erfindung zu
offenbaren.
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Während die
vorliegende Erfindung hier mit Bezug auf veranschaulichende Ausführungsbeispiele
für bestimmte
Anwendungen beschrieben wird, versteht es sich, dass die Erfindung
nicht darauf beschränkt
ist. Durchschnittsfachleute mit Zugang zu den hierin bereitgestellten
Lehren werden zusätzliche
Abwandlungen, Anwendungen und Ausführungsbeispiele im Rahmen derselben
und zusätzliche
Felder erkennen, in denen die vorliegende Erfindung von bedeutsamer
Nützlichkeit
sein würde.
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1 ist ein Blockdiagramm einer veranschaulichenden
Implementierung eines chemischen Fernerfassungssystems, das die Lehren
der vorliegenden Erfindung beinhaltet. Das System 10 umfasst einen
Lasertransmitter 20, der einen Referenzstrahl und einen
Messstrahl ausgibt, wie unten vollständiger erläutert wird.
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2 ist
ein Blockdiagramm des Lasertransmitters in 1.
Der Transmitter umfasst einen diodengepumpten Laser 200,
der einen rückseitigen Hochreflektor 202 umfasst.
Das Verstärkermedium für den Laser
ist ein Neodym-YAG(Nd:YAG)-Strang 210. Der von dem Strang 210 ausgegebene
oszillierende Strahl 211 wird auf den rückseitigen Hochreflektor 202 durch
einen Umlenkspiegel 208 gerichtet.
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Wie
in 1 gezeigt, können ein elektrooptischer Q-Schalter 204 und
ein linearer Polarisator 206 zwischen dem rückseitigen
Hochreflektor 202 und dem Umlenkspiegel 208 angeordnet
sein. Wie jedoch vollständiger
unten erläutert
wird, kann ein neuartiger passiver Q-Schalter 230 als Alternative
verwendet werden. Entsprechend sind der elektrooptische Q-Schalter 204 und
ein linearer Polarisator 206 in 1 mit
Phantomlinien dargestellt, um anzudeuten, dass diese Elemente mit
einer optionalen alternativen Implementierung verknüpft sind.
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Wieder
mit Bezug auf 2 ist der Laser 200 in
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ein Neodym-YAG-Laser. Der Laser 200 kann auch Nd:YLF oder
Nd:YVO4 in Abhängigkeit von der geforderten speziellen
Pulsenergie, Pulsbreite und Pulswiederholungsrate als Verstärkermedium
verwenden. Ein Kühlblock 212 ist
an den Nd:YAG-Strang 210 angelötet, um für eine Kühlung zu sorgen, wie es im
Stand der Technik üblich
ist. Eine zylindri sche Linse 213 ist in optischer Ausrichtung
mit dem Strang 210 positioniert, um das Profil des davon
ausgegebenen Strahls zu optimieren. Der Strang 210 wird
durch ein Diodenarray (nicht dargestellt) gepumpt, das in einem
luftgekühlten
Paket 214 angeordnet ist. Eine kollimierende Optik 216 ist
zum Kollimieren und Richten der Ausgabe der Dioden in den Laserstrang 210 enthalten,
um eine optimale Umverteilung zu erzielen. Kontakte 218 und 219 sind
für das
Paket 214 wie in der Figur gezeigt vorgesehen.
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In
dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird
der oszillierende Strahl des Strangs 210 durch einen zweiten
Umlenkspiegel 220 über
einen passiven Q-Schalter 230 neuartiger Bauweise auf einen Ausgangskoppler 240 gerichtet.
Der passive Q-Schalter 230 wird unten mit Bezug auf 3a–c vollständiger erläutert.
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3a–c sind
Diagramme, die die Bauweise und Betriebsweise des in dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
des Transmitters in 2 verwendeten passiven Q-Schalters
veranschaulichen. 3a zeigt eine Seitenansicht
des Schalters 230. In Übereinstimmung
mit den vorliegenden Lehren ist der Schalter 230 mit identischem
ersten und zweiten Keil 232 und 234 implementiert.
In dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel
ist jeder Keil aus (Cr:YAG) gefertigt. Wie in 3a gezeigt
ist, weist der erste Keil eine geneigte Oberfläche 236 auf, während der
zweite Keil eine geneigte Oberfläche 238 aufweist.
Die Keile 232 und 234 sind so angebracht, dass
sie relativ zueinander in einer Ebene parallel zur Ebene der geneigten
Oberflächen 236 bzw. 238 derselben
verschiebbar sind. Dieses Verschieben der Keile hat die Wirkung
einer Zunahme der Weglänge des
Schalters 230 bezüglich
der Laserausrichtungsachse 211 und dem Strahl. Wie im Stand
der Technik bekannt ist, bestimmt die Dicke des Schalters 230 den
Verzögerungspunkt
des Lasers, d.h. den Punkt, an dem der Schalter dem Strahl erlaubt,
durch ihn hindurchzutreten. Wie es im Stand der Technik wohlbekannt
ist, dient der Q-Schalter 230 dazu zu gewährleisten,
dass der Laserstrahl in einem kurz dauernden Energiepuls ausgegeben
wird.
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Die
Keile 232 und 234 werden durch eine (nicht dargestellte)
geeignete mechanische Anordnung verlagert. Beispielsweise können die
Keile durch (nicht dargestellte) Solenoide im Ansprechen auf ein
Steuersignal von einer Lasersteuereinheit 270 verlagert
werden, die durch den Computer 50 getrieben ist. Durch
Verschieben der Keile 232 und 234 relativ zueinander
kann die Dicke des Schalters 230 eingestellt werden. Durch
Konstanthalten des Keiltrennabstandes 'd' beim
Verschieben der Keile bleibt die Resonatorausrichtungsachse des
Strahls 211 unverändert.
Dies kann für
Resonatoren wichtig sein, die gekrümmte Spiegeloberflächen verwenden, die
empfindlich bezüglich
Verlagerungen der Resonatorachse sind. Die Anordnung der vorliegenden
Erfindung erlaubt die Aufrechterhaltung einer präzisen Ausrichtung der Resonatorachse,
während
sie die Weglänge
durch das Material des passiven Q-Schalters und damit die Verzögerung variiert.
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3b und 3c zeigen
eine Seiten- bzw. Draufsicht eines Keils des passiven Q-Schalters
der vorliegenden Erfindung. 3b und 3c zeigen Abmessungen
des passiven Q-Schalters 230 des veranschaulichenden Ausführungsbeispiels.
Man bemerke, dass die Keilherstellung spezifisch Kristallorientierungen
anspricht, um für
ein optimales Leistungsverhalten des Q-Schalters zu sorgen. Die
Laserpolarisation sollte parallel zu der [010]-Achse für ein bestes
Leistungsverhalten sein. Die Keile sollten poliert und antireflexbeschichtet
sein, um Fresnel-Verluste
an den vier Oberflächen
zu minimieren.
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Wieder
mit Bezug auf 2 werden Durchschnittsfachleute
erkennen, dass sich der Laser 200 von dem Hochreflektor 202 zu
dem Ausgangskoppler 240 erstreckt. In den Figuren deutet
das kurze Liniensegment mit doppelten Pfeilspitzen 241 die
horizontale Polarisation und der Kreis 243 die vertikale
Polarisation des Strahls an. Der horizontal polarisierte Ausgang
von dem Laser ist zur Vertikalen durch eine Halbwellenplatte 242 (λ/2) gedreht,
so dass der KTA OPO-Ausgang bei 2,59 μm zur Verarbeitung durch den
optischen Parameter-Oszillator 250 vertikal polarisiert
ist, wie unten vollständiger
erläutert
wird. (Dies erlaubt eine hohe Reflektivität der 2,59 μm-Welle und Wellenlängentrennung
der p-polarisierten 3,47 μm- und
3,76 μm-Wellen
an dem dichroitischen Strahlteiler (DBS) 260 unten.
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Dritte
und vierte Umlenkspiegel 244 und 246 richten den
vertikal polarisierten, von dem Laser ausgegebenen Strahl zu dem
ersten optisch parametrischen Oszillator (OPO) 250. Der
OPO 250 ist aus einem x-geschnittenen Kristall 251 aus
Kalium-Titanylarsenat
(KTA) oder einem anderen geeigneten Material, wie einem nicht linearen
Medium, zusammen mit einem rückseitigen
Hochreflektor 248 und Ausgangskoppler 256 aufgebaut.
In einer Standardkonfiguration ist der Kristall 251 zwischen
dem Hochreflektor 248 und dem Ausgangskoppler 256 angeordnet.
Der erste OPO 250 kann auch als ein innerhohlraumseitiges
Element zu dem Nd:YAG-Laser (nicht dargestellt) mit geeigneten Spiegelbeschichtungen
für den Laser
und den OPO betrieben werden. Der OPO dient dazu, die Frequenz des
Strahls, der von dem Laser 200 ausgegeben wird, von 1,064
Mikron auf 2,59 Mikron in dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel
zu shiften.
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Ein
OPO-Pump-Retroreflektor 258 ist ein hochreflektierender
Spiegel, der die unkonvertierte Energie von 1,06 Mikron von dem
OPO 250 zurück zu
dem OPO 250 reflektiert, so dass sie zwei Durchgänge durch
den Kristall 250 für
eine zusätzliche nicht
lineare Verstärkung
besitzt und Energie bei 2,59 Mikron durchlässt.
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Ein
polarisations- und frequenzselektiver dichroitischer Strahlteiler
(DBS) 260 transmittiert sekundäre Emissionen von dem OPO 250 bei
3,47 Mikron und 3,76 Mikron und reflektiert Energie bei 2,59 Mikron
zu einer Viertelwellenlängenplatte 262.
Ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet der Spiegelherstellung
wäre in
der Lage, den DBS 260 ohne unmäßige Experimente zu konstruieren.
Der DBS sollte für
s-polarisiertes Licht bei 2,59 μm
unter einem Einfallswinkel von 45° hochreflektierend
und für
Wellenlängen
größer als
3,1 μm für p-polarisiertes
Licht bei einem Einfallswinkel von 45° hochtransmittierend sein.
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Die
2,59 μm-Welle
wird durch eine λ/4-Platte 262 und
einen elektrooptischen RTA-Schalter 264 hindurchtreten
gelassen, um die vertikale Polarisation aufrecht zu erhalten oder
sie um 90° zu
drehen, so dass die 2,59 μm-Welle
zu einem der beiden optisch parametrischen Cadmiumselenid(CdSe)-Oszillatoren
gelenkt werden kann, wie unten vollständiger erläutert wird. Dieses Polarisationsschalten
kann abhängig
von der Wiederholungsrate des Lasers bei Wiederholungsraten im nahen
Megahertzbereich erfolgen. Die Verwendung einer fixen λ/4-Platte
vor dem Schalter 264 erlaubt es dem Schalter 264,
bei alternierenden + und – Spannungen
zu erarbeiten, so dass die mittlere Spannung an dem Schalter null
ist. Zusätzlich
können
niedrigere λ/4-Spannungen
verwendet werden, um einen Zusammenbruch zu vermeiden. Der Schalter 264 dreht
die Polarisationsebene im Ansprechen auf eine von einem Treiberschaltkreis 268 in 1 unter Steuerbefehl einer Lasersteuereinheit 270 angelegten
Spannung.
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Ein
linearer Dünnfilmpolarisator 266 ist
inbegriffen, um horizontal polarisiertes Licht zu transmittieren
und vertikal polarisiertes Licht bei 2,59 μm zu reflektieren. Dies ist
wirksam, um den Referenz- bzw. Messstrahl 34 bzw. 36 zu
erzeugen, wie unten vollständiger
erläutert
wird. Der Dünnfilmpolarisator 266 ist
derart hergestellt, dass er s-polarisiertes Licht bei 2,59 μm hochgradig
reflektiert und p-polarisiertes Licht bei 2,59 μm hochgradig transmittiert.
Unter Verwendung des Schalters 264 und des Polarisators 266 wird
der einzelwellenlängenkonvertierte
Strahl von dem Laser 200 dazu verwendet, den Referenzstrahl 34 und
den Messstrahl 36 zu erzeugen und schnell zwischen diesen
zu schalten.
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Der
Referenzstrahl wird durch eine zweite OPO-Anordnung 261 erzeugt,
während
der Messstrahl 36 durch einen dritten OPO 273 erzeugt
wird. In Kombination mit dem OPO 250 der ersten Stufe stellen
die OPO's (271 und 273)
der zweiten Stufe eine abstimmbare Ausgabe im Bereich von 8–12 Mikron
bereit. Die Betriebsweise der OPO's der ersten und zweiten Stufe werden
am besten mit Bezug auf die Zeichnung in 4 beschrieben.
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4 ist
ein vereinfachtes Diagramm, das die Betriebsweise der in dem Transmitter
der vorliegenden Erfindung verwendeten OPO's der ersten und zweiten Stufe veranschaulicht.
Zu nächst
sollte angemerkt werden, dass 4 die Betriebsweise der
OPO's der ersten
und zweiten Stufe mit der Ausnahme veranschaulicht, dass der gewünschte Primärstrahl
bei 8–12
Mikron gezeigt ist, der von der Rückseite des Kristalls 274' austritt. Wie
unten vollständiger
erläutert
wird, ist diese Anordnung nützlich, um
mit einem Einkristall eine Winkelabstimmung ohne Strahlversatz zu
schaffen. Entsprechend sind in 4 die Reflektoren
mit Bezugszeichen 275 und 277 versehen, um zu
veranschaulichen, dass die Figur eine alternative Einkristallanordnung
für die OPO's der ersten und
zweiten Stufe darstellt. Daher ist die Funktion der Reflektoren 275 und 277 in 4 durch
die Reflektoren 272/280 und 290/296 in 2 implementiert.
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Wie
in 4 gezeigt ist, empfängt in jedem Fall der OPO 250 der
ersten Stufe (unter Verwendung von x-geschnittenem KTA in dem veranschaulichenden
Ausführungsbeispiel)
den Punktstrahl (bei 1,064 Mikron in dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel)
von dem Laser 200 und gibt einen Strahl (bei 2,59 Mikron)
wie oben erläutert
aus. Dieser Strahl (bei 2,59 Mikron) dient dazu, den Kristall 274' des OPO's 271' der zweiten
Stufe zu pumpen, so dass er einen Primärstrahl zusammen mit einer Sekundäremission
emittiert. In dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel sind die Kristalle 273 und 291 von
einer Bauweise aus Cadmiumselenid, die einen Primärstrahl
bei 8–12
Mikron mit einer Sekundäremission
im Bereich von 3,3 bis 3,8 μm
im Ansprechen auf einen Pumpstrahl bei 2,59 Mikron ausgibt. KTA
OPO-Spiegelreflektivitäten müssen in
engen Spezifikationen gehalten werden, um die gewünschten
Strahlen effizient zu erzeugen, wie von einem Durchschnittsfachmann
erkannt werden wird.
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Durchschnittsfachleute
werden erkennen, dass in 4 die Vorwärtsemission des Strahls im Bereich
von 3,3 bis 3,8 Mikron und die Rückwärtsemission
des Strahls bei 8–12
Mikron ein Ergebnis der Beschichtungen auf den Reflektoren 275 und 277 ist. Ein
Durchschnittsfachmann wird erkennen, dass diese Spiegel so beschichtet
sein können,
dass der Strahl, wie er für
eine gegebene Anwendung (beispielsweise der Strahl bei 8–12 Mikron)
gewünscht ist,
in einer optimalen Richtung für
eine gegebene Anwendung und Auslegung ausgegeben wird, ohne den
Rahmen der vorliegenden Lehren zu verlassen. Die Richtung des Strahls
wird jedoch seinen Versatz beeinträchtigen, wenn der Kristall
abgestimmt wird, wie unten erläutert
wird.
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Dies
bedeutet, dass ein Kippen des Kristalls, wie in 2 gezeigt,
in einer entsprechenden Änderung
der Wellenlänge
des Ausgangsstrahls resultiert. Der OPO kann daher durch Kippen
des Kristalls kontinuierlich abgestimmt werden. Das Kippen des Kristalls
resultiert jedoch auch in einem Versatz des in der Vorwärtsrichtung
ausgegebenen Strahls, d.h. des Strahls von 3,3–308 Mikron in 2.
Der Primärstrahl,
der in der umgekehrten Richtung (d.h. der Strahl bei 8–12 Mikron)
ausgegeben wird, wird jedoch nicht versetzt, da dieser Strahl durch
den zweiten Spiegel 277 reflektiert wird und daher seinen
Weg durch den Kristall zurückläuft. Der
Effekt eines Versatzes in einer Richtung wird daher durch einen
entsprechenden Versatz in der entgegengesetzten Richtung ausgeglichen,
wenn der Strahl seinen Weg zurückläuft.
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Wenn
es gewünscht
ist, einen räumlich
stabilen Strahl in einer Vorwärtsrichtung
auszugeben, kann jeder Kristall 273 und 291 in
zwei kleinere identische Kristalle 274/276 bzw. 292/294 segmentiert werden.
Die Kristalle 274, 276, 292 und 294 sind
verschwenkbar angebracht. Die zwei Kristalle in jedem Satz 274/276 und 292/294 sind
in entgegengesetzte Richtungen verkippt, wie in 2 gezeigt
ist. Diese neuartige Anordnung stellt eine Winkelabstimmung ohne
Strahlversatz bereit. Aktuatoren 278 (gezeigt) und 293 (nicht
gezeigt) stellen eine Winkelabstimmung in 2 im Ansprechen
auf die Lasersteuereinheit 270 bereit.
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Man
bemerke, dass in 2 der Satz 273 erster
Kristalle in Seitenansicht zu sehen ist, während der Satz 291 zweiter
Kristalle in einer Draufsicht zu sehen ist. Diese Orientierung ist
notwendig, weil in dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel der Referenzstrahl 34 vertikal
polarisiert und der Messstrahl horizontal polarisiert ist, und die
optisch parametrischen Oszillatoren polarisationsselektiv sind. Die
Ausgaben der OPO der zweiten Stufe sind durch zwei Endabstimmspiegel 282 und 284 und
ein Strahlvereinigungsprisma (BCP) 296 genau kollinear
gemacht.
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In Übereinstimmung
mit den vorliegenden Lehren ist der Referenzstrahl so gewählt, dass
er bezüglich
einer in der Atmosphäre
zu erfassenden Chemikalie 'außerbandig' ist, während der
Messstrahl 'inbandig' ist. Da die Spektren
von chemischen Hauptstoffen im 8–11 μm-Bereich bekannt sind, bedeutet dies,
dass das Messen eines spezifischen Stoffes zuerst eine inbandige
und außerbandige
Wellenlängeneinstellung
der CdSe-OPO's der
zweiten Stufe erfordert. Diese Wellenlängeneinstellung kann mit einem relativ
langsamen und kleinen elektromechanischen Motor oder durch manuelle
Einstellung auf vorbestimmte Winkelstellungen vorgenommen werden.
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Sobald
die OPO's der zweiten
Stufe auf ihre jeweiligen Wellenlängen (λ1, λ2) eingestellt sind, kann der
Laser 200 und der RTA-Schalter 264 in Gang gesetzt
werden, um rasch alternierende Ausgangswellenlängen (λ1, λ2) zu erzeugen. Ein Hauptvorteil
dieses Ansatzes besteht darin, dass rasch alternierende Wellenlängen ohne
das Erfordernis schnell rotierender Kristalle erzeugt werden können, wie
sie für
eine Winkelabstimmung unter Verwendung nur eines OPO der zweiten
Stufe erforderlich wären.
Zusätzlich
würde die
Schwingungsisolation eines schnell oszillierenden Kristalls oder
schnell oszillierender Kristalle ein signifikantes Unterfangen in einer
Arbeitsplattform darstellen, die eine interferometrische Stabilität erfordert,
wie diejenige des Transmitterlasers. Schließlich würden Schaltraten im nahen Megahertzbereich,
falls erforderlich, mehr als schwierig oder unmöglich sein, um auf Grund der Masse
mechanisch eine Genauigkeit der Winkelstellung und Winkelgeschwindigkeit
zu implementieren, die erforderlich sind, um die CdSe-Kristalle
bei diesen Raten winkelmäßig abzustimmen.
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Wieder
mit Bezug auf 1 werden die Strahlen,
die von dem Transmitter 20 ausgegeben werden, durch eine
optische Anordnung 21 mit einem ersten Spiegel 22,
einem Probenahme-Strahlteiler 24,
einem zweiten Spiegel 26, einem dritten Spiegel 28,
einem konvexen Spiegel 29 und einem konkaven Spiegel 32 gerichtet.
Der konvexe Spiegel 29 und der konkave Spiegel 32 weisen
ein außeraxiales
parabolisches Aufweitungsteleskop 32a für den Ausgangsstrahl auf. Die
optische Anordnung 21 gibt den Messstrahl 34 und
einen Referenzstrahl 36 durch eine Apertur 37 in
einem einelementigen, außeraxialen Paraboloid 38 aus.
Reflexionen des Mess- und Referenzstrahls kehren zu dem System 10 zurück und werden
von dem Paraboloid 38 empfangen und auf einen Detektor 40 fokussiert.
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Wie
oben erwähnt
liegt der Messstrahl 36 im Absorptionsband von chemischen
Verunreinigungen, während
der Referenzstrahl außerbandig
ist. Eine Differenz in den rückkehrenden
Signalen für
die beiden Strahlen zeigt an, ob eine chemische Wolke im Weg des
Messstrahls vorhanden ist. Dies bedeutet, wenn eine chemische Verunreinigungswolke
vorhanden ist, wird sie selektiv Energie von dem inbandigen Messstrahl 34 absorbieren
und anschließend
die bei dem Detektor 40 detektierte reflektierte Energie
des Messstrahls reduzieren. Demgegenüber wird der Referenzstrahl 36,
der nicht von der Wolke absorbiert wird, zurück zu dem Detektor 40 reflektiert,
ohne eine signifikante Abschwächung
zu erfahren.
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In
dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel
ist der Detektor 40 ein Quecksilbercadmiumtellurid-(HgCdTe)-Detektor.
Nichtsdestoweniger werden Durchschnittsfachleute erkennen, dass
die vorliegende Erfindung nicht auf die verwendete Detektortechnologie
beschränkt
ist.
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5 ist
ein Diagramm, das den Empfänger detaillierter
zeigt. Wie in 5 gezeigt, besteht der Empfänger 30 aus
dem einelementigen außeraxialen Paraboloid 38,
der auf den tieftemperaturgekühlten Detektor 40 fokussiert
ist. Das Detektorelement 40 ist ein einzelnes HgCdTe-Element
von 0,5 mm Durchmesser, das in einem Drehkühler angebracht ist. In dem
bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Mikrokühler
ein integraler Stirlingmotor, wobei der Detektor direkt an dem kalten
Finger angebracht ist.
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Um
die Effekte von Parallaxen und Richtkomplexitäten mit separaten Empfänger- und
Transmitteraperturen zu eliminieren, wird ein hybrides koaxiales
Design wie in 5 gezeigt verwendet. Eine mittige
Abdunklung von weniger als 0,5% in der Fläche wird aus dieser Bauweise
realisiert und vereinfacht das Richten der Erfassungseinheit. Eine
afokale Bauweise, die zwei außeraxiale
parabolische Sektoren verwendet, bildet die Aufweitungsanordnung 32a für den Transmitterstrahl.
In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
wird der Transmitterstrahl von 0,5 mm Durchmesser dreizehnfach aufgeweitet,
um die Transmitterdivergenz auf 3 mR zu verringern. In dem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
sind die Empfänger-
und Transmitterspiegel aus 6061-T6 Aluminiumlegierung hergestellt
und mit Gold oder hohen Reflektivitäten beim 8–12 μm-Band beschichtet.
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Transmittierte
Energie wird durch Probenahme eines Anteils des Laserausgangs mit
einem Raumtemperatur-HgCdZnTe-Photodetektor 25 gemessen.
Die Probenahme wird durch Reflexion von einer Strahlteileroberfläche 24 durchgeführt, die stromaufwärts von
der Aufweitungsanordnung 32a für den Transmitterstrahl positioniert
ist.
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Wieder
mit Bezug auf 1 wird die Temperatur
des Detektors 40 durch eine herkömmliche Temperatursteuereinheit 42 gesteuert.
Detektorsignale, Versorgungs- und Steuersignale werden zu dem Sensorkopf
von einem Instrumentenregal durch einen Nabel geleitet. Der Detektor 40 gibt
eine Anzahl elektrischer Signale aus, die durch einen Vorverstärker 44 verstärkt und
durch einen Analog-Digital(A/D)-Wandler 46 digitalisiert
werden. In der veranschaulichenden Implementierung ist die A/D-Wandlung
in einem Computer 50 implementiert, der einen Speicher 48 auf weist.
Durchschnittsfachleute werden erkennen, dass die vorliegenden Lehren
nicht auf das in 1 gezeigte Signalverarbeitungssystem beschränkt ist.
Die Datenerfassung wird durch herkömmliche Konzentrations-Weglängen(CL)-Messungen
von Wolken unter Verwendung von Rückläufern von topographischen Zielen
durchgeführt.
Intensitätsvergleichsmessungen
des transmittierten Strahls und der empfangenen Energie werden für jeden
Laserstart berechnet.
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Beliebige
analoge, digitale, optische oder hybride Schaltkreise können verwendet
werden, um die von dem System 10 empfangenen Signale zu
verarbeiten, ohne den Rahmen der vorliegenden Lehren zu verlassen.
Der Computer 50 gibt an einen Computermonitor 52 oder
einen Fernsehmonitor 54 aus. Der Computer kann so programmiert
sein, dass er die Rücklaufsignale
verarbeitet, um bezüglich
einer Wolke an Verunreinigungen Bereichsdaten zu extrahieren.
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Die
vorliegende Erfindung wurde hier somit mit Bezug auf ein spezielles
Ausführungsbeispiel
für eine
spezielle Anwendung beschrieben. Durchschnittsfachleute und solche,
die Zugang zu den vorliegenden Lehren haben, wie sie in den angehängten Ansprüchen definiert
sind, werden zusätzliche
Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsbeispiele im Rahmen derselben
erkennen.