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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Optik. Etwas genauer betrifft
die vorliegende Erfindung Systeme und Verfahren zum Ausrichten und Korrigieren
von Hochleistungsstrahlen elektromagnetischer Energie.
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Beschreibung
des technischen Hintergrundes
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Waffen
mit gerichteter Energie und insbesondere Waffen mit hochenergetischen
Lasern (HEL) werden für
eine Vielzahl von militärischen
Anwendungen und in Bezug auf eine Vielzahl von Plattformen in Betracht
gezogen, wie z.B. weltraumgestützte,
luftgestützte
oder landbasierte Systeme, um nur einige wenige zu nennen. Diese
Waffen beinhalten üblicherweise
die Verwendung eines Lasers oder einer anderen Quelle mit einem
Hochleistungsstrahl, um ein Ziel zu verfolgen und zu zerstören. Um
die Zielvorgaben eines Einsatzes zu erfüllen, müssen die Waffen mit gerichteter
Energie sehr genau ausgerichtet und optimal fokussiert werden. Die
Auslenkung beinhaltet eine Steuerung der Blickrichtung, während das
Fokussieren bei HEL-Waffen die Korrektur von Wellenfrontfehlern
beinhaltet. Heutzutage erfolgt die Korrektur von Wellenfrontfehlern
typischerweise, indem man eine adaptive Optik verwendet. Der derzeitige
Stand der Technik auf dem Gebiet von adaptiven Optiken zur Laserstrahlsteuerung macht
es erforderlich, dass man einen oder mehrere verformbare Spiegel
innerhalb desjenigen Bereichs des Strahlengangs anordnet, der die
höchste
Intensität
aufweist. Der herkömmliche
deformierbare Spiegel ist typischerweise ein großes Element mit einer dünnen Deckschicht
und einer Anzahl von piezoelektrischen Aktoren. Die Aktoren sind
hinter der Deckschicht angeordnet, und sie werden elektrisch angetrieben,
um die Oberfläche
zu drücken
und zu ziehen, um so die Deformation zu bewirken, die benötigt wird, um
die Wellenfrontfehler in dem ausgehenden Strahl zu korrigieren.
Die Größe des aktiven
Bereichs des deformierbaren Spiegels muss die volle Größe des leistungsstarken
Laserstrahls in dem Coudé-Pfad
mit hoher Leistung aufnehmen, und zwar vor der Aufweitung über ein
Ausgangsteleskop.
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Darüber hinaus
können
ein oder mehrere Schnellsteuerspiegel verwendet werden, um die Neigung
und Richtung (tilt and direct) der Blickrichtung zu korrigieren.
Ein Grobkardan kann ebenfalls dazu verwendet werden, Blickrichtungsfehler
zu korrigieren. Typischerweise wird eine Vielzahl von Wellenfrontsensoren
zusammen mit einem aperturteilenden Element (aperture sharing element,
ASE) verwendet. Das ASE ermöglicht
es, eine einzelne geteilte Apertur vorteilhafterweise sowohl für die Sensoren
mit niedriger Leistung als auch für den ausgangsseitigen Laserstrahl
mit hoher Leistung zu verwenden, wodurch si chergestellt wird, dass
der Weg durch die Atmosphäre,
den der Hochleistungsstrahl nimmt, derselbe ist wie bei den Wellenfrontsensoren,
und dass die Korrektur, die auf den geteilten atmosphärischen Weg
angewendet wird, optimal auf den Hochleistungsstrahl abgestimmt
ist.
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Ungünstigerweise
ist die Verwendung von empfindlichen optischen Teilen im Strahlengang
eines Hochleistungsstrahls problematisch. Der Grund hierfür liegt
darin, dass der Hochleistungsstrahl das optische Element aufheizt
und zerstört,
wenn das Element nicht aktiv gekühlt
wird oder eine Beschichtung mit einem sehr geringen optischen Absorptionskoeffizienten
besitzt. Die dauerhaftesten Beschichtungen erfordern Anwendungsprozesse
mit hohen Temperaturen. Deformierbare Spiegel werden typischerweise
beschichtet, nachdem die Deckschicht mit den Aktoren verbunden wurde,
was die maximale Temperatur begrenzt, der die Anordnung mit dem
deformierbaren Spiegel ausgesetzt werden kann, ohne dass die Verbindung
beeinträchtigt
wird. Daher muss man die Beschichtungen zum Teil bei niedrigeren Temperaturen
als der optimalen Temperatur aufbringen, indem man aufwendigere
Beschichtungsprozesse verwendet, wodurch jedoch die Haltbarkeit
herabgesetzt wird und/oder die Herstellungskosten ansteigen.
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Darüber hinaus
sind herkömmliche
Systeme mit adaptiver Optik, die deformierbare Spiegel verwenden,
hinsichtlich ihrer Leistungsfähigkeit
begrenzt. Herkömmliche
Systeme mit deformierbaren Spiegeln sind in Bezug auf die Geschwindigkeit,
mit der die Signale zum Verstellen des Spiegels berechnet werden,
und in Bezug auf die Reaktionsgeschwindigkeit des deformierbaren
Spiegelmechanismus zum Korrigieren von Aberrationen begrenzt. Darüber hinaus
gibt es auch eine Beschränkung
in Bezug auf die Anzahl der Aktoren, die man verwenden kann. Die
Anzahl der Aktoren, die man verwenden kann, bestimmt die Auflösung bzw.
die "Ordnung" des Spiegels. Der
Hub der herkömmlichen
deformierbaren Spiegel ist begrenzt. "Hub" bezieht
sich auf die Größe der Auslenkung
der Spiegeloberfläche, die
sich realisieren lässt,
bevor entweder die piezoelektrischen Aktoren ihren Dynamikbereich überschreiten,
oder die Deckfläche
anfängt,
Fehler zu zeigen. Des Weiteren kann ein herkömmlicher deformierbarer Spiegel
mit einer kontinuierlichen Deckfläche keine Beeinträchtigungen
des räumlichen
Phasenmusters korrigieren, wie etwa einen Zweigpunkt oder eine abrupte
Diskontinuität
der Phase. Ein Zweigpunkt ist eine "Singularität" in einem tief scintillierten Phasenmuster,
das durch atmosphärische Turbulenzen
auf einem langen Übertragungsweg hervorgerufen
wird, bei dem die Phase wie ein Korkenzieher monoton um einen Punkt
mit der Amplitude null herum ansteigt, was eine abrupte Phasenkorrektur
von 2π innerhalb
des räumlichen
Phasenmusters erfordert. Abrupte Diskontinuitäten in der Phase können durch
optische Diskontinuitäten
zwischen den Segmenten eines Primärspiegels aus mehreren Segmenten
hervorgerufen werden.
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Im
US-Patent 5,694,408, dessen Erteilung am 2. Dezember 1997 veröffentlicht
wurde, scheinen Bott, Rice und Zediker eine Vorgehensweise vorzuschlagen,
die es ermöglicht,
das deformierbare Element in den Bereich mit niedriger Intensität zwischen einen
Masteroszillator und eine Anordnung von faserbasierten Leistungsverstärkern anzuordnen.
Die Vorgehensweise liegt darin, die Phase der Strahlteile des Oszillators
nach der Auftrennung in einem Verteilnetzwerk und vor der Einspeisung
in eine Anordnung aus Faserverstärkern
mit einer Vorverzerrung zu belegen, so dass die Vorverzerrung sowohl
den Pistonfehler zwischen den einzelnen Fasern als auch optische
Aberrationen in der Atmosphäre
korrigiert. Dieses Schema ist jedoch nur mit einer kohärent kombinierten
Anordnung von Singlemode-Faserverstärkern praktikabel, weil jeder
Faserkanal nur im Piston korrigierbar ist, nicht in höherer Ordnung.
Außerdem
ist dieses Schema nicht auf Multimode-Lasermedien anwendbar, wie
z.B. Faserverstärker
mit großem
Kern oder Laser aus dicken Medien, wie man sie für waffenfähige HEL-Einrichtungen in Betracht zieht,
und außerdem
ist es möglicherweise
nicht auf hohe Leistungspegel skalierbar, und zwar aufgrund von
zufälligem,
hochfrequentem Phasenrauschen, das durch Temperaturschwankungen
innerhalb der Fasern, die von der Pumpe stammen, hervorgerufen wird.
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In
dem US-Patent 5,090,795, dessen Erteilung am 25. Februar 1992 veröffentlicht
wurde, scheinen O'Meara
und Valley mehrere verwandte Schemata zu offenbaren, um ein Flüssigkristalllichtventil (LCLV)
in einem selbstkorrigierenden, adaptiven Optiksystem zu verwenden.
Dieser Vorschlag platziert das LCLV jedoch in dem Strahlengang mit
hoher Leistung, und er ist daher durch die Beschädigungsempfindlichkeit des
Flüssigkristallmaterials
begrenzt.
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Daher
besteht auf diesem Technikgebiet ein Bedürfnis nach einem System bzw.
einem Verfahren zum Realisieren einer Wellenfrontkorrektur eines Hochleistungsstrahls,
das schnell ist, einen großen Hub
und eine hohe räumliche
Bandbreite bzw. eine hohe Ordnung aufweist. Idealerweise arbeitet
solch ein System bzw. Verfahren zur Wellenfrontkorrektur modulo
2π, d.h.
es nimmt einen momentanen Phasensprung von 2π an einer beliebigen Stelle
innerhalb des Phasenmusters auf.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Diesem
Bedürfnis
auf dem Gebiet wird durch das Strahlsteuerungssystem und das Verfahren
nach der vorliegenden Erfindung entsprochen. Die Erfindung ist ausgebildet
für eine
Verwendung bei einem System zum Beleuchten eines Ziels mit einem
ersten Strahl elektromagnetischer Energie. Im Weiteren werden mehrere
Ausführungsbeispiele
beschrieben. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wie es in Anspruch
1 definiert ist, beinhaltet das erfindungsgemäße System einen ersten Mechanismus
zum Aufnehmen eines ersten Strahls mit elektromagnetischer Energie,
einen zweiten Mechanismus zum Detektieren von Aberrationen in dem
ersten Strahl, einen dritten Mechanismus, der auf den zweiten Mechanismus
reagiert, um einen zweiten Strahl zu erzeugen, der in Bezug auf
die detektierten Aberrationen zumindest teilweise kompensiert ist,
und einen vierten Mechanismus zum Verstärken des zweiten Strahls, um
einen Ausgangsstrahl bereitzustellen.
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In
einem etwas konkreteren Ausführungsbeispiel
beinhaltet das erfindungsgemäße System
einen ersten Mechanismus zum Aufnehmen eines Zielechos, das eine
Reflexion des ersten Strahls von dem Ziel beinhaltet. Ein zweiter
Mechanismus ist vorhanden, um Aberrationen in der Wellenfront des
Zielechos zu korrigieren. Ein dritter Mechanismus ist vorhanden,
um die Korrektur festzustellen, die von dem zweiten Mechanismus
auf das Zielecho ausgeübt
wird. Ein vierter Mechanismus wendet die Korrektur auf einen dritten
Strahl an, wobei der dritte Strahl letztendlich einen Ausgangsstrahl
darstellt. Bei dem konkretren Ausführungsbeispiel ist der erste
Strahl mit elektromagnetischer Energie ein Strahl mit optischer
Energie, und der erste Mechanismus ist ein Teleskop. Der vierte
Mechanismus beinhaltet einen ersten, phasenkonjugierten Spiegel
(Phase Conjugate Mirror), der dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Energie,
die von dem dritte Mechanismus ausgegeben wird, zu konjugieren,
sowie einen zweiten phasenkonjugierten Spiegel, der dazu ausgebildet
ist, das Ausgangssignal des ersten phasenkonjugierten Spiegels zu
konjugieren. Der vierte Mechanismus beinhaltet ferner einen Verstärker, um
das Signal, das von dem zweiten phasenkonjugierten Spiegel ausgegeben
wird, zu verstärken,
um den Ausgangsstrahl bereitzustellen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist
ein Auskoppelelement zwischen dem ersten Mechanismus und dem zweiten
Mechanismus angeordnet. In der besten Realisierung ist das Auskoppelelement
ein aperturteilendes Element (aperture sharing element, ASE), und
der zweite Mechanismus ist ein optisches, phasengesteuertes Array.
Es ist ein Wellenfrontfehlersensor vorgesehen, um ein Signal zu empfangen,
das von dem optischen phasengesteuerten Array ausgegeben wird, und
um in Abhängigkeit
davon ein Wellenfrontfehlersignal bereitzustellen. Es ist ein Prozessor
enthalten und so programmiert, dass er auf das Wellenfrontfehlersignal
reagiert und in Abhängigkeit
davon ein Korrektursignal für
das optische phasengesteuerte Array bereitstellt. Der dritte Mechanismus
ist mit einem Masteroszillator realisiert, der dazu ausgebildet
ist, einen Referenzstrahl mit geringer Leistung bereitzustellen.
Der Referenzstrahl beleuchtet das optische phasengesteuerte Array
und stellt in Abhängigkeit
davon ein in Bezug auf den Zielweg-Wellenfrontfehler korrigiertes Signal
bereit. Bei diesem besten Ausführungsbeispiel
erzeugt der Oszillatorstrahl kein Korrekturdetektionssignal, sondern
er erzeugt statt dessen das Referenzsignal, das ver stärkt wird,
um den tatsächlichen
Hochleistungsstrahl zu erzeugen. Dieses Signal beleuchtet die Rückseite
des apterturteilenden Elements und rück-reflektiert von der Vorderseite
des ASE. Dieses Signal wird seinerseits von dem ersten phasenkonjugierten
Spiegel konjugiert und durch das ASE zum zweiten phasenkonjugierten
Spiegel übertragen.
Der zweite phasenkonjugierte Spiegel konjugiert das übertragene
Signal, so dass er die Auswirkung des ersten Phasenkonjugationsvorganges
auslöscht.
Dieses Signal wird anschließend
verstärkt und
von der Vorderseite des ASE vor-reflektiert, um den Ausgangsstrahl
für das
Teleskop und den Strahlausrichter bereitzustellen, wo er dann auf
das Ziel gerichtet wird. Weil die Vor- und Rückreflexionen von der Vorderseite
des ASE zueinander phasenkonjugiert sind, wird jede reflektive Verfälschung
aufgrund dieses Elements beseitigt. Refraktive Verfälschungen
in dem ASE, den Laserverstärkern
und anderen optischen Elementen werden bei diesem Ausführungsbeispiel
ebenfalls beseitigt, und zwar durch die Fähigkeit des ersten und zweiten
phasenkonjugierten Spiegels, die Wellenfront umzudrehen. Dementsprechend
ist der Ausgangsstrahl in Bezug auf die Optik des Systems kompensiert,
und er beinhaltet eine Korrektur in Bezug auf die Atmosphäre, die durch
das optische phasengesteuerte Array bereitgestellt wird.
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Die
Erfindung verwendet die Wellenfrontumkehreigenschaft der nichtlinearen
optischen Phasenkonjugation, um den Einsatz eines photonischen, räumlichen
Lichtmodulators innerhalb der Zweige des Strahlsteuerungssystems
mit niedriger Energie zu ermöglichen,
wie z.B. von einem optischen phasengesteuerten Array aus Flüssigkristall
(optical phased array, OPA) oder einem mikroelektromechanischen
System, wodurch man die Vorteile des OPA ohne die Beschränkungen
in Bezug auf die Leistung nutzen kann.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein vereinfachtes optisches Schema einer herkömmlichen Architektur zur HEL-Strahlsteuerung.
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2 zeigt
einen adaptiven Wellenfrontregelkreis, der nach den Vorschlägen von
Bott et al. realisiert ist.
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3 zeigt
ein Ausführungsbeispiel,
das auf einem HEL basiert und den Vorschlag zur Strahlsteuerung
verwendet, der von O'Meara
und Valley in dem US-Patent mit der Nummer 5,090,795 beschrieben ist.
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4 ist
ein Blockdiagramm, das den Vorschlag zur Strahlsteuerung zeigt,
der von Byren & Rockwell
in dem US-Patent
mit der Nummer 4,798,462 beschrieben ist.
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5 ist
ein vereinfachtes Blockdiagramm, das ein optisches Schema für ein erläuterndes
Ausführungsbeispiel
einer Architektur zur Strahlsteuerung mit einem leistungsstarken
Laser zeigt, das nach der Lehre der vorliegenden Erfindung realisiert ist.
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6 ist
ein vereinfachtes und schematisches optisches Blockschaltbild, das
eine Vorgehensweise mit einem Pseudo-Konjugator zeigt, um Fehler in den aperturteilenden
Elementen nach der Lehre der vorliegenden Erfindung zu korrigieren.
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7 ist
ein vereinfachtes und schematisches optisches Blockschaltbild, das
eine Vorgehensweise mit einem Gitterrhombus (Grating Rhomb) zeigt,
um Fehler infolge eines nicht-gemeinsamen
Weges in den aperturteilenden Elementen nach der Lehre der vorliegenden
Erfindung zu korrigieren.
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8 zeigt
eine Abwandlung der Vorgehensweise aus 7 mit dem
Gitterrhombus, bei der Funktionen des HEL-Auskopplers und des aperturteilenden
Elements nach der vorliegenden Erfindung in einem einzigen optischen
Element kombiniert sind.
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9 ist
ein optisches Schema bzw. Blockschaltbild, das ein anderes mögliches
Ausführungsbeispiel
zeigt, bei dem die Funktionen des ASE und des Auskopplers nach der
Lehre der vorliegenden Erfindung ebenfalls in einem einzigen optischen
Element kombiniert sind.
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10 ist
ein optisches Schema bzw. Blockschaltbild, das ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des
Strahlsteuerungssystems nach der vorliegenden Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Mit
Bezugnahme auf die beigefügten
Zeichnungen werden nun erläuternde
Ausführungsbeispiele
und beispielhafte Anwendungen beschrieben, um die vorteilhafte Lehre
der vorliegenden Erfindung darzulegen.
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Auch
wenn die vorliegende Erfindung im Folgenden mit Bezug auf die anschaulichen
Beispiele für
bestimmte Anwendungen erläutert
wird, versteht es sich, dass die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist.
Diejenigen, die über
durchschnittliche Fachkenntnisse auf diesem Gebiet verfügen und
die Zugang zu der hier dargelegten Lehre haben, werden weitere Abwandlungen,
Anwendungen und Ausführungsbeispiele
innerhalb des Schutzbereichs sowie zusätzliche Anwendungsgebiete,
auf denen die vorliegende Erfindung von nennenswertem Nutzen sein
kann, ohne weiteres erkennen.
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1. Herkömmliche
Architekturen zur HEL-Strahlsteuerung
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In 1 ist
ein vereinfachtes optisches Schema einer Architektur 100 zur
Strahlsteuerung eines herkömmlichen
Hochenergielasers (HEL) dargestellt. Ein HEL-Strahlausrichter, der
im Allgemeinen aus einem Teleskop und einem mehrachsigen Grobkardan 110 besteht,
wird in Abhängigkeit
von einem externen Steuersignal (Aufschaltungs- bzw. grobes Zielverfolgungssystem,
hier nicht dargestellt) auf die Sichtlinie eines Ziels 101 dirigiert.
Ein Zielverfolgungssensor 160 nimmt das Ziel auf und startet
damit, eine Zielverfolgungsservoschleife (hier nicht dargestellt)
zu schließen,
die die Sichtlinie zu dem Ziel 101 beibehält. Optische
Aberrationen entlang der Sichtlinie, die von atmosphärischen
Turbulenzen 104 auf dem Weg zu dem Ziel 101 herrühren, und
aero-optische Effekte aufgrund der Grenzschichten, die den Turm
mit dem Strahlausrichter (nur bei bewegten Plattformen, hier nicht
dargestellt) umgeben, stören das
Bild des Ziels 101, was zu einer relativ schlechten Wirkungsweise
bei der Zielverfolgung führt.
Der Wellenfrontsensor 170 für das Ziel misst diese Verfälschungen
der Wellenfront (oder Phase), und ein Prozessor für die adaptive
Optik 180 schließt
einen Servokreis für
die adaptive Optik um einen deformierbaren Spiegel (deformable mirror,
DM) 130, wobei Fehler der Wellenfront (oder Phasenfront),
die durch die Atmosphäre
hervorgerufen werden, erfolgreich ausgenullt werden. Der Wellenfrontsensor 170 für das Ziel
kann einen aktiven Sensor mit einer Bakenbeleuchtung (hier nicht
dargestellt) verwenden, um entweder einen subaperture Tilt (Shack-Hartmann-Sensor)
oder optische Phasen (seitliches Shearing-Interferometer oder transformierender
Wellenfrontsensor) zu messen. Der Wellenfrontsensor 170 für das Ziel kann
außerdem
abbildende Sensoren an verschiedenen fokalen Positionen verwenden,
um die Phase unter Verwendung von "phase diversity"-Techniken aus den passiven Abbildungen
des Ziels abzuleiten. Der AO-Kreis korrigiert die Aberrationen auf
dem Weg zu dem Ziel, was dem Zielverfolger ermöglicht, bei voller Wirksamkeit
zu arbeiten. Er korrigiert außerdem
den Abschnitt des Strahlenweges für die Einrichtung 190 mit
dem Hochenergielaser (HEL) von dem aperturteilenden Element (aperture
sharing element, ASE) 140 zu dem Ziel 101, was
eine hohe Strahlungsintensität (hohes
Strahl-Verhältnis)
und eine geringe Strahlwanderung (geringer Winkeljitter) auf dem
Ziel 101 ermöglicht.
Er korrigiert nicht die Fehler aufgrund des nicht-gemeinsamen Weges
in dem ASE 140 oder Störungen
in dem HEL-Strahlweg von der HEL-Einrichtung 190 zu dem
ASE 140.
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Für die meisten
Anwendungen mit adaptiver Optik ist es vorteilhaft, die deformierbaren
Elemente und Wellenfrontsensoren an Pupillenorten innerhalb des
optischen Weges zu platzieren. Dies gewährleistet eine gute Abbildung
der detektierten Wellenfrontfehler zu den Platzierungen der Aktoren
des deformierbaren Spiegels. Eine Optik zur Verschiebung der Pupille
oder zur Bildauffrischung, die in der Figur nicht dargestellt ist,
können
daher in dem Strahlweg mit niedriger Energie eingesetzt werden,
um die Pupille auf der zu dem Wellenfrontsensor 170 für das Ziel
zugewandten Oberfläche
des deformierbaren Spiegels 130 zu platzieren, um hierdurch
eine größtmögliche Wirksamkeit
der adaptiven optischen Korrektur zu erhalten.
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Es
können
Schnellsteuerspiegel (120) in Verbindung mit einer stabilen
Plattform und interne aktive selbstausrichtende Systeme (hier nicht
dargestellt) verwendet werden, um eine breitbandige Korrektur von
Störungen
in der Sichtlinie zu erhalten, die von einer ungenügenden Isolation
gegenüber
Basisbewegungen, einer konstruktionsbedingten Elastizität, einem
Verschleiß der
Kardanlager und ungenügender
Orthogonalität
der Kardanachsen herrühren. Der
Schnellsteuerspiegel 120 kann außerdem dazu verwendet werden,
um den deformierbaren Spiegel 130 von Neigungskorrekturen
(Tiltkorrekturen) zu entlasten, wodurch die Anforderungen an den
Hub der Aktoren des deformierbaren Spiegels reduziert werden.
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Die
Theorie zu der Arbeitsweise und die Beschreibung von Schlüsselkomponenten
für ein
herkömmliches
HEL-Strahlsteuerungssystem findet sich in verschiedenen Veröffentlichungen,
einschließlich:
- 1. Tyson und Ulrich, "Adaptive
Optics", The Infrared and
Electro-Optical Handbook, Band 8, Kapitel 2, ERIM, Ann Arbor, MI,
Seiten 165–237,
(1993), und
- 2. Golnik, "Directed
Energy Systems",
The Infrared and Electro-Optical Handbook, Band 8, Kapitel 5, ERIM,
Ann Arbor, MI, Seiten 403–480,
(1993).
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Diese
bekannte Vorgehensweise unterliegt mehreren Einschränkungen.
Erstens ist der deformierbare Spiegel 130 in dem Bereich
des HEL-Strahlweges 192 mit der höchsten Intensität angeordnet.
Dies ist ein Problem bei bekannten DM-Einheiten, weil die Deckfläche des
Spiegels dünn
ist und nicht sehr leicht gekühlt
werden kann. Sie unterliegt daher Verfälschungen und Beschädigungen
aufgrund thermischer Belastung, wenn die reflektierenden Beschichtungen
nicht eine außerordentlich
geringe Absorption besitzen. Weil die Deckfläche an der Oberfläche ausgebildet
werden muss, nachdem die Aktoren befestigt (gebondet) wurden, muss
die Beschichtung außerdem
bei einer genügend
niedrigen Temperatur aufgebracht werden, so dass sich die Aktoren
während
dieses Vorgangs nicht lösen,
was den Herstellungsprozess sehr schwierig macht und die Beschichtungen
weniger haltbar und weniger resistent macht gegenüber Beschädigungen,
die von dem Laser hervorgerufen werden.
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Als
zweites begrenzt der Pitch (physikalischer Abstand) der DM-Aktoren
die Größe des räumlichen
Wellenfrontfehlers, die man korrigieren kann. Wellenfrontfehler,
die kleiner als die Hälfte
des Aktorabstandes sind, könnten
mit einem herkömmlichen deformierbaren
Spiegel nicht korrigiert werden.
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Als
drittes sind herkömmliche
deformierbare Spiegel mit piezoelektrischen Aktoren, die auf Deckflächen aus
Glas gebondet sind, in ihrem Hub und ihrer Bandbreite durch die
Stärke
der Deckschicht und die mechanischen Eigenschaften der Anordnung
begrenzt. Die Bandbreite der Stelleinrichtung ist ferner durch den
Durchsatz des Prozessors für
die adaptive Optik 180 begrenzt, der typischerweise ein
Verfahren mit einer parallelen Matrixmultiplikation verwendet, um
die Aktorkommandos zu be rechnen, die für die Steuerung der Form (Oberflächengestalt)
der Deckfläche
benötigt
werden. Es sei angemerkt, dass diese Form für eine optimale Korrektur ohne
zeitliche Verzögerung
die Phasenkonjugierte der einfallenden Wellenfront sein sollte.
Vorschläge
zur nicht-mechanischen Strahlsteuerung und Phasenmodulation, wie z.B.
Lichtventile aus Flüssigkristallen,
räumliche Lichtmodulatoren
und optische phasengesteuerte Arrays (weiter unten beschrieben),
bieten erheblich größere Hübe und erheblich
größere Bandbreiten
als mechanische deformierbare Spiegel und Schnellsteuerspiegel.
Heutige Geräte
mit Flüssigkristallen sind
jedoch nicht dazu ausgebildet, den hohen Strahlintensitäten standzuhalten,
die zur Steuerung eines HEL-Strahls
benötigt
werden. Für
viele Anwendungen, wie z.B. in der Astronomie und bei bodengestützten HEL
für kurze
Reichweiten, sind der Hub und die Bandbreite von herkömmlichen
Einrichtungen mit deformierbaren Spiegeln gut geeignet. Die Anforderungen
an Hub und Bandbreite bei Hochleistungs-HEL für Flugzeuge sind jedoch erheblich
anspruchsvoller, und sie würden
von den nicht-mechanischen
Ansätzen
profitieren. Die nicht-mechanischen Ansätze bieten eine verbesserte
Leistungsfähigkeit
bei spürbar
reduzierter Komplexität
und Kosten.
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2. Anordnung
mit Faserverstärkern
mit integrierter Wellenfrontsteuerung
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In
dem oben angegebenen US-Patent mit der Nummer 5,694,408 und dem
Titel "Fiber Optic Laser
System and Associated Lasing Method" ["Faseroptisches
Lasersystem und zugehöriges
Laserverfahren"]
offenbaren Bott, Rice und Zediker ein Schema zur Steuerung der relativen
Phase von verschiedenen Singlemode-Faserlaserverstärkern, die von einem gemeinsamen
Masteroszilla tor gespeist werden. 1 dieses
Patents, die hier als 2 wiedergegeben ist, zeigt einen
adaptiven Wellenfrontregelkreis (Steuersystem 260), bei
dem der Phasenmodulator auf der Seite mit niedriger Leistung (Verteilnetzwerk 230)
der Anordnung aus faseroptischen Verstärkern (Leistungsverstärkermittel 240)
angeordnet ist. Die Beschreibung in dem Patent von Bott et al. führt ferner
aus "die vorbestimmte
Wellenfront, die von der Anordnung mit dem Phasenmodulator eingeprägt wird,
kann eine phasenkonjugierte Wellenfront sein, die so ausgebildet
ist, dass sie unerwünschte Phasenstörungen kompensiert
oder korrigiert, die stromabwärts
von der Atmosphäre
herrühren".
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Der
von Bott et al. beschriebene Vorschlag zur Phasenmodulation ist
jedoch nicht auf waffenfähige
HEL-Systeme skalierbar, und zwar aufgrund (1) der inhärenten Leistungsbeschränkungen
in den einzelnen Singlemode-Faserverstärkern, (2) aufgrund der Probleme,
die mit der individuellen Detektion der Phase von einer großen Anzahl
von Feldelementen verbunden sind, und (3) aufgrund von statistischen, hochfrequenten
Phasenschwankungen, die von Schwankungen der Leistung des Pumplasers
herrühren,
die in die Faser eingespeist wird.
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Die
Beschreibung des vorgenannten Patents von Bott et al. führt ferner
aus "die Anzahl
der Elemente der Phasenmodulatoranordnung bestimmt die räumliche
Auflösung
des Wellenfrontkorrektursystems",
was die Beschränkungen
hinsichtlich der Auflösung
bei dem Vorschlag zur Pistonkorrektur mit Singlemode-Faserverstärkern hervorhebt.
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3. Vorrichtung
mit integrierter adaptiver Optik
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3 zeigt
ein HEL-bezogenes Ausführungsbeispiel
eines Vorschlages, der von O'Meara und
Valley in dem oben angegebenen US-Patent mit der Nummer 5,090,795
und dem Titel "Integrated
Adaptive Optics Apparatus" ["Vorrichtung mit integrierter
adaptiver Optik"]
beschrieben ist. Bei diesem Vorschlag trifft eine Wellenfront 302 mit
Aberrationen, die z.B. von einem Zielbild herrühren, das ein turbulentes atmosphärisches
Medium durchläuft,
auf ein Lichtventil 304 aus Flüssigkristall (Liquid Crystal Light
Valve, LCLV). Innerhalb des LCLV 304 durchläuft die
Wellenfront des Zielstrahls 302 mit Aberrationen eine Flüssigkristallschicht 306,
wird an einer inneren Spiegeloberfläche 308 reflektiert
und geht dann einen zweiten Weg durch die Flüssigkristallschicht 306 und
tritt aus dem LCLV 304 aus. Der Zielstrahl 302 folgt
anschließend
einem Schleifenweg, indem er an mehreren Strahlteilern und Spiegeln 314, 316, 318 und 320 reflektiert
wird. Bei dem letzten dichroitischen Strahlteiler 320 wird
der Zielstrahl 302 mit einem Strahl 303 von einem
Referenzlaser 330 kombiniert, der eine lokale, ebene Referenzwelle 332 besitzt,
und es wird dafür
gesorgt, dass sich der Zielstrahl 302 mit dieser ebenen
Welle an der Rückseite
des LCLV überlagert.
Hierdurch wird ein charakteristisches Interferenzmuster 332 aus
hellen und dunklen Ringen erzeugt, das für den verbleibenden Phasenfehler
des reflektierten Zielstrahls charakteristisch ist. Das Interferenzmuster 332 beleuchtet
die fotosensitive Schicht 310, die eine lichtleitende Oberfläche sein
kann. Die Wechselwirkung des Lichtmusters 332 mit der fotosensitiven
Schicht 310 verändert die
Eigenschaften der Flüssigkristallschicht 306 derart,
dass die optische Weglänge
durch die Flüssigkristallschicht 306 aufgrund
des Interferenz musters 312 an jeder Stelle des Zielstrahls
von der Stärke
des auf die fotosensitive Oberfläche 310 auftreffenden Lichts
abhängt.
Wenn sie richtig ausgerichtet und richtig kalibriert ist, sorgt
die selbsteinstellende Eigenschaft dieser Rückkoppelschleife innerhalb
dieser Vorrichtung mit integrierter adaptiver Optik dafür, dass
die Phasenfehler auf der Rückseite
des LCLV 304 ausgenullt werden, wodurch ein gleichmäßiges Interferenzmuster
hervorgerufen und eine korrigierte Wellenfront erzeugt wird.
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Bei
Anwendungen zur HEL-Strahlsteuerung wird ein zweiter Laserstrahl 301 von
einer HEL-Einheit 340 durch einen dichroitischen Strahlteiler 314 in Rückwärtsrichtung
in den Schleifenweg eingekoppelt, und er wird von dem LCLV 304 durch
die Aberration (nicht dargestellt) zu einem Ziel (nicht dargestellt)
reflektiert. Die Flüssigkristallschicht 306 sorgt für eine Vor-Verfälschung
des HEL-Strahls 301 derart, dass die Aberration bei dem
Ziel kompensiert ist, was eine hohe Strahlintensität für einen
Einsatz als Waffe ermöglicht.
Der Hauptvorteil dieses Vorschlages gegenüber herkömmlichen deformierbaren Spiegeln
und Schnellsteuerspiegeln liegt darin, dass man keine elektronische
Signalverarbeitung benötigt,
um die adaptive Korrektur der Optik zu realisieren. Der Vorschlag
kann daher bei hohen räumlichen
Frequenzen und bei zeitlichen Korrekturbandbreiten arbeiten, die
nur durch den Vorgang zur Ausbildung der Interferenzmuster und die
Reaktionsgeschwindigkeit der fotosensitiven Schicht und der Flüssigkristallschicht 310 bzw. 306 begrenzt
sind.
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Dieser
Vorschlag besitzt mehrere Nachteile bei Anwendungen als HEL-Waffe.
Erstens ist der LCLV 304 in dem Teil des HEL- Strahls 301 mit
der höchsten
Intensität
platziert, was dazu führt,
dass er anfällig
für Schäden wird,
die durch den Laser hervorgerufen werden. Die Leistungsfähigkeit
des LCLV 304 ist im Dynamikbereich eingeschränkt, so
dass ein Mittel zur automatischen Steuerung des Intensitätspegels
(hier nicht dargestellt) erforderlich sein kann, um den Kontrast
zwischen dem lokalen Referenzstrahl 303 und dem Zielstrahl 302 zu
optimieren. Das Schema ist in Bezug auf die Ausrichtung des einfallenden
Zielstrahls 302 mit dem Interferenzmuster 312 auf
der Rückseite
des LCLV 304 sehr sensibel. Jede statische oder dynamische
Fehlausrichtung einer der zahlreichen Strahlteiler und Spiegeloberflächen in
der Schleife erzeugt daher Fehler, die nicht kompensierbar sind.
Schließlich
sind durch den Laser hervorgerufene, thermische Verfälschungen
des ersten dichroitischen Strahlteilers 314, der für die HEL-Einheit
als aperturteilendes Element (ASE) wirkt, nicht korrigierbar.
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4. Optische
phasengesteuerte Arrays
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Die
vorliegende Patentinhaberin Raytheon hat über mehrere Jahre hinweg die
Entwicklung von optischen phasengesteuerten Arrays (Optical Phased
Array, OPA) auf Basis von Flüssigkristallen pionierhaft
betrieben, und Raytheon ist Inhaberin einer Vielzahl von erteilten
und im Prüfungsverfahren befindlichen
Patenten auf diesem Gebiet, wie z.B. die US-Patente mit den Nummern
5,253,033; 5,126,869; 5,093,747; 5,093,740; 5,018,835; und 4,964,701.
Der derzeitige Stand der Technik verwendet nematische Flüssigkristalle,
die auf ein lokal angelegtes elektrisches Feld mit einem entsprechenden
Wechsel des Brechungsindex reagieren, wodurch ein Phasenwechsel
in einem hindurchtretenden optischen Strahl erzeugt wird. Die OPA-Einheiten
können
so ausgebildet werden, dass sie entweder in einem reflektiven oder
in einem transmissiven Modus arbeiten. Die bis heute hergestellten
und vorgestellten Einheiten verwenden ein eindimensionales bestrahltes
Bragg-Gitter, um einen schmalbandigen Laserstrahl über eine Richtungsachse
abzulenken. Ein Paar von OPAs wird für eine Abtastung in zwei Richtungen
verwendet, und mehrere Paare von OPAs werden verwendet, um sowohl
eine grobe als auch eine feine Abtastung in zwei Dimensionen zu
erhalten. Die Flüssigkristalle
sind abhängig
von der Polarisation, und man benötigt zwei Geräte mit geeigneten
Polarisationsanalysatoren und -drehern, um einen nicht-polarisierten
oder um einen zufällig
polarisierten Strahl auszulenken.
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Ein
pixelartiger OPA (bzw. einer mit wahlfreiem Zugriff) basierend auf
Flüssigkristall,
ein räumlicher
Lichtmodulator oder eine Lichtventileinheit sind ein wünschenswertes
Korrekturmittel für
ein adaptives optisches System mit hoher Leistungsfähigkeit. Wie
bereits zuvor erwähnt,
hat bisher niemand gezeigt, dass Flüssigkristalle in dem Bereich
eines HEL-Strahls mit hoher Intensität gut funktionieren. Daher
bestand auf diesem Gebiet ein Bedürfnis nach einer Architektur
zur Strahlsteuerung, bei der das deformierbare Element nicht in
dem Bereich des HEL-Strahls mit hoher Intensität platziert wird.
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5. Technik mit Auto-Ziellinie
für selbst
ausrichtenden, phasenkonjugierten Laser
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In
den siebziger und achtziger Jahren des 20. Jahrhunderts entwickelte
die Firma Hughes Aircraft Company eine Anzahl von fortschrittlichen Konzepten
zur Strahlsteuerung unter Verwendung einer nichtlinearen optischen
Phasenkonjugation, um zumin dest einen Teil oder sogar den gesamten
Tilt und Wellenfrontfehler höherer
Ordnung innerhalb des HEL-Strahlenweges von der HEL-Einrichtung
zu dem Ziel zu korrigieren.
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4 ist
ein Blockdiagramm, das einen solchen Vorschlag zeigt, der von Byren
und Rockwell in dem US-Patent mit der Nummer 4,798,462 und dem Titel "Auto-boresight Technique
for Self-aligning Phase Conjugate Laser" ["Technik
mit Auto-Ziellinie
für selbst
ausrichtenden, phasenkonjugierten Laser"] beschreibt. Bei diesem System 400 sind
ein Strahlteiler 410 zur ausgangsseitigen Kopplung, ein
Zielverfolgungssensor 420 und ein Laser-Masteroszillator 430 auf
einer stabilen Plattform 432 angeordnet, die auf dem inneren
Kardan (hier nicht dargestellt) eines Strahlausrichters (hier nicht
dargestellt) sitzt. Eine Zweiwege-Laser-Leistungsverstärkeranordnung,
die einen oder mehrere Leistungsverstärker 480 und einen
phasenkonjugierten Spiegel 460 beinhaltet, ist außerhalb
des Kardans angeordnet. Der phasenkonjugierte Spiegel 460 kompensiert
den Strahl 480 in Bezug auf die Winkelneigung und den Jitter
in der Sichtlinie des Strahls aufgrund der konstruktionsbedingten
Flexibilität
und Bewegung der stabilen Plattform 432 relativ zu der
vom Kardan entfernten Position der Leistungsverstärkeranordnung.
Ein Teil des Ausgangssignals des Masteroszillators 430 tritt durch
den Strahlteiler 410 zur ausgangsseitigen Kopplung zu dem
Zielverfolgungssensor 420, um die Position des verstärkten Ausgangsstrahls 480 im Fernfeld
zu markieren. Der Zielverfolgungssensor 420 sieht außerdem ein
Abbild des Ziels, nach dem dieses von dem Strahlteiler 410 reflektiert
wurde. Das Zielverfolgungssystem misst den Winkelversatz zwischen
dem angepeilten Punkt des Ziels und dem Ort des Ausgangsstrahls,
wie er von dem Oszillator markiert wurde, und es erzeugt Fehlersignale zur
Zielverfolgung, die dazu verwendet werden, eine mechanisch unterstützte Regelschleife
um die Antriebe des Kardans für
den Strahlausrichter zu schließen.
Anders als bei früheren
Konzepten mit selbstausrichtendem Laser werden Zielfehler, die von
einer Fehlausrichtung des Oszillators, des Zielverfolgungssensors und
des Strahlteilers resultieren, durch diese Technik kompensiert.
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Die
Theorie der Arbeitsweise dieser Technik basiert auf einfachen geometrischen
Regeln. Weil das Abbild des Ziels auf dem Zielverfolgungssensor 420 und
der Strahl des Masteroszillators 430 von entgegengesetzten
Seiten ein und desselben Strahlteilers 410 zur ausgangsseitigen
Kopplung reflektiert werden (bzw. von gegenüberliegenden Seiten ein und
derselben Oberfläche
des Strahlteilers in einem anderen Ausführungsbeispiel), und weil der
Ausgangsstrahl von der phasenkonjugierten Leistungsverstärkeranordnung
exakt entgegengesetzt ausgerichtet ist zu dem reflektierten Teil
des Strahls von dem Masteroszillator 430, führt die
Tätigkeit
des Zielverfolgungsstellgliedes zum Ausnullen des Winkelfehlers
zwischen dem Oszillatorstrahl und dem angepeilten Zielpunkt auch
noch dazu, dass der Ausgangsstrahl mit hoher Helligkeit genau auf
den selben Zielpunkt an dem Ziel ausgerichtet wird. Es sei angemerkt,
dass der Strahlteiler 410 zur ausgangsseitigen Kopplung
in dieser Figur zwei Funktionen erfüllt, nämlich (1) als aperturteilendes
Element und (2) als Ausgangskoppler für die Lasereinrichtung.
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Diese
Technik sorgt jedoch nicht für
die Korrektur von Wellenfrontfehlern außerhalb des phasenkonjugierten
Strahlenweges, der zwischen dem Strahlteiler zur Ausgangskopplung
und dem phasenkonjugierten Spiegel liegt. Diese Fehler können die Folge
von atmosphärischen
Turbulenzen oder von Fehlern aufgrund des nicht-gemeinsamen Weges
in dem Strahlteiler 410 zur ausgangsseitigen Kopplung sein.
Darüber
hinaus erfordert diese Technik, dass der Laserstrahl mit der hohen
Leistung durch den multispektralen Strahlteiler 410 zur
ausgangsseitigen Kopplung, der zur Aperturteilung verwendet wird,
gesendet wird, was bei Hochleistungsstrahlen unerwünscht sein
kann. Diese Nachteile und Unzulänglichkeiten
zu vermeiden sind das Ziel der Lehre der vorliegenden Erfindung.
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Ein
wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines
deformierbaren optischen Elements in dem Wegabschnitt mit niedriger Energie
eines Subsystems zur Strahlsteuerung eines hochenergetischen Lasers
(HEL), um atmosphärische
Turbulenzen, aero-optische Effekte und Aberrationen des HEL-Strahlengangs
zu korrigieren.
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5 ist
ein vereinfachtes Blockschaltbild, das ein optisches Schema eines
illustrativen Ausführungsbeispiels
einer Architektur zur Strahlsteuerung eines hochenergetischen Lasers
(HEL) zeigt, die gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung realisiert wurde. Wie bei dem bekannten
System, das in 1 dargestellt ist, verwendet
das HEL-Strahlsteuerungssystem 500 Grobkardane 510 in
einem Strahlausrichter, um den Strahl in Abhängigkeit von einem externen
Steuersignal auf ein Ziel 501 zu richten. Der Zielverfolgungssensor 560 erfasst
das Ziel und schließt
eine Zielverfolgungsregelschleife (nicht dargestellt), die eine
Sichtlinie zu dem Ziel 501 beibehält. Ein Ziel-Wellenfrontsensor 570 misst
die Verfälschungen
der Wellenfront entlang des Weges zu dem Ziel und erzeugt ein elektrisches
Wellenfrontfehlersignal für
einen Prozessor für
die adaptive Optik 580, der die erforderlichen elektrischen
Korrektursignale berechnet. Anders als bei dem bekannten System
werden zwei Korrektursignale zu zwei verschiedenen deformierbaren
optischen Elementen gesendet, die in der Figur als optische phasengesteuerte Arrays
(OPAs) 550 und 582 dargestellt sind. Es versteht
sich, dass auch andere deformierbare optische Elemente verwendet
werden können,
einschließlich, jedoch
ohne Beschränkung
darauf, von herkömmlichen
deformierbaren Spiegeln, räumlichen
Lichtmodulatoren, Lichtventilen auf Flüssigkristallbasis und verschiedenen
mikroelektronisch-mechanischen Systemen (MEMS), ohne aus dem Schutzbereich
der vorliegenden Lehre herauszugehen. Zu beachten ist, dass beide
OPAs 550 und 582 in den Abschnitten des Strahlweges
mit niedriger Leistung angeordnet sind, und sie sind daher nicht
den hohen Intensitäten ausgesetzt,
die mit einer HEL-Einrichtung voller Leistung verbunden sind. Der
erste OPA 550 ist in dem Wegabschnitt mit niedriger Energie
zwischen einem aperturteilenden Element 540 und einem Strahlteiler 552 angeordnet,
welcher das optische Signal von dem Ziel zwischen dem Zielverfolgungssensor 560 und
dem Ziel-Wellenfrontsensor 570 aufteilt.
Hier sind wiederum Laser-Beleuchtungsstrahlen,
die für eine
aktive Zielverfolgung und eine aktive Wellenfrontdetektion verwendet
werden können,
nicht dargestellt. Eine Stellschleife (die auf diesem Gebiet auch
als "Zielschleife" bezeichnet wird)
ist um den OPA 1 (550) geschlossen, welche die Phase des
optischen Signals verändert,
das von den Sensoren 560 und 570 zur Zielverfolgung
und zur Wellenfrontdetektion aufgenommen wird. Für das am weitesten verbreitete "last-frame conjugation" – Korrekturschema mit adaptiver
Optik ist das richtige Korrektursignal für den OPA 1 (550)
dasjenige, das den Wellenfrontfehler an dem zielseitigen Wellenfrontsensor 570 ausnullt
(d.h. eine ebene Phasenfront bei dem zielseitigen Wellenfrontsensor 570).
Wenn die Stellschleife um den OPA 1 (550) geschlossen ist,
werden die optischen Aberrationen entlang dem Ausbreitungsweg von
dem Ziel zu dem Strahlteiler korrigiert, und das Bild für den Zielverfolgungssensor 560 wird
für eine höchstmögliche Leistung
bei der Zielverfolgung optimiert. Da der zielseitige Wellenfrontsensor 570 stets nahe
bei null betrieben wird, bleibt die Leistungsfähigkeit der adaptiven Optik
selbst bei Bedingungen mit einem niedrigen Signal-zu-Rauschverhältnis (SNR)
gut. Dies ist besonders wichtig bei Wellenfrontsensoren nach Shack-Hartmann.
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Der
zweite OPA (OPA 2) mit der Bezugsziffer 582 ist innerhalb
der HEL-Einrichtung 590 angeordnet. In diesem Ausführungsbeispiel
ist die HEL-Einrichtung 590 als ein phasenkonjugierter
Leistungsverstärker
mit Masteroszillator (PC MOPA) ausgebildet, und der OPA 2 (582)
ist zwischen dem Masteroszillator 584 und dem Ausgangskoppler 586 angeordnet,
um den Strahl des Masteroszillators mit einer Vorverfälschung
zu versehen, bevor er in eine phasenkonjugierte Strahlverstärkerlinie 588 eintritt.
Typischerweise besteht die Strahllinie für die Leistungsverstärkung aus
mehreren gestaffelten Pumpenköpfen
für Laserverstärker, die
in Reihe zueinander angeordnet sind, um sowohl für die Verstärkung als auch für eine effiziente
Leistungsentnahme zu sorgen, die in der Architektur mit dem phasenkonjugierten
Masteroszillator und dem Leistungsverstärker benötigt wird. Der Masteroszillator 584 kann
ein Singlemode-Laserresonator mit geringer Leistung sein, der einen
Ausgangsstrahl mit einer ebenen Welle erzeugt. Andere Ausbildungen
des Masteroszillators 588 sind ebenfalls möglich, einschließlich eines
separaten PC MOPA, der in der Lage ist, einen einfachen Transversalmodusstrahl
in höherer
Leistung bereitzustellen als die Konfiguration mit dem zuvor beschriebenen
einfachen Laserresonator.
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Es
kann eine Optik zur Verlagerung der Pupillen oder zur Bildauffrischung
in dem Strahlengang niedriger Leistung verwendet werden (hier nicht
dargestellt), um die optische Pupille, die auf dem OPA 1 (550)
angeordnet ist, zu dem zielseitigen Wellenfrontsensor 570 und
dem OPA 2 (582) zu verschieben, um bestmögliche Korrekturergebnisse
der adaptiven Optik zu erreichen.
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Für das OPA-Korrekturschema "last-frame conjugation" ist das geeignete
Phasenkorrektursignal für
den OPA 2 (582) die Konjugiertkomplexe des Korrektursignals,
das dem OPA 1 (550) zugeführt wird, wobei Amplitudendifferenzen
zwischen den beiden Strahlengängen
geeignet ausgeglichen sind. Die Ausbildung des Strahls von dem Masteroszillator 584 als
ebene Welle wird dadurch von dem OPA 2 (582) geändert, um
der letzten Phasenfront von dem Ziel 501 direkt stromaufwärts von
dem OPA 1 (550) zu entsprechen. Es sei angemerkt, dass
die Signale, die dem OPA 1 und dem OPA 2 zugeführt werden, in diesem vereinfachten
Ausführungsbeispiel
zueinander phasenkonjugiert sind. Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele
beschrieben, bei denen dieses nicht gilt.
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Es
ist wichtig anzumerken, dass das Korrektursignal an den OPA 2 (582)
mit offener Schleife angelegt wird, d.h., dass sich der OPA 2 in
einem Slave-Modus zu dem Betrieb der "Zielschleife" befindet, die oben beschrieben ist.
OPAs sind ideal geeignet für
einen Betrieb im offenen Regelkreis, da das Phasenprofil über der
Einrichtung mit Hilfe eins angelegten Span nungssignals gut kalibriert
werden kann. OPAs werden häufig
bei Anwendungen zur schnellen Strahlabtastung mit offenem Regelkreis
betrieben, und zwar mit hervorragender Genauigkeit. Die OPAs sollten
Folgendes aufweisen:
- 1. hohe Auflösung;
- 2. die Fähigkeit,
dem Strahl aus dem Masteroszillator zu widerstehen;
- 3. genügend
Bandbreite, um die durch sie hindurchtretenden Wellenlängen aufzunehmen;
und
- 4. eine geringe Absorption, so dass eine Selbstaufheizung die
Leistungsfähigkeit
nicht beeinträchtigt.
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Der
vorverzerrte Strahl aus dem Masteroszillator wird von dem Ausgangskopplerelement 586 reflektiert,
das außerdem
dazu dient, den verstärkten Strahl
zu übertragen.
Auf diesem Technikgebiet sind mehrere Vorschläge zur Auskopplung mit PC MOPA bekannt,
einschließlich,
jedoch ohne Beschränkung auf
Polarisationsauskopplung (siehe hierzu beispielsweise das US-Patent
mit der Nummer 4,734,911) und interferometrische Auskopplung (siehe
hierzu beispielsweise das US-Patent mit der Nummer 5,483,342). Der
vorverzerrte Strahl des Masteroszillators, der von dem Ausgangskoppler 586 reflektiert
wurde, wird in einem ersten Durchgang durch die Strahllinie 588 zur
Leistungsverstärkung
verstärkt,
wo er aufgrund von thermischer Linsenbildung und Keilbildung und/oder
aufgrund von infolge thermischer Belastung hervorgerufener Doppelbrechung in
dem Laser-Verstärkungsmedium
weiter verzerrt wird. Der phasenkonjugierte Spiegel 592 be wirkt, dass
die Phasenfront dieses verstärkten
Strahls umgekehrt wird, so dass der Teil der Verfälschung,
der durch den ersten Durchgang durch die Strahllinie 588 zur
Leistungsverstärker
hervorgerufen wurde, während
eines zweiten Durchgangs durch die Strahllinie 588 zur
Leistungsverstärkung
korrigiert wird. Eine De-Polarisation des Strahls, die von dem ersten
Verstärkungsdurchgang
herrührt,
kann auch innerhalb eines "Vektor-" phasenkonjugierten
Spiegels korrigiert werden, wobei es sich hier um ein Verfahren handelt,
das ebenfalls auf diesem Technikgebiet bekannt ist (siehe hierzu
z.B. Basov et al., "Inversion
of Wavefront in SMBS of a Depolarized Pump", JTEP Letters, Band 28, Nr. 4, Seiten
197–201,
August 1978 oder Betin, Matthews und Mangir, "Vector Phase Conjugation with Loop Laser
Geometry", CLEO '97 Proceedings, Paper
Nr. CtuL4, Seiten 102–103, 1997).
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Das
Ergebnis des zweifachen Durchgangs durch die verzerrende Strahllinie
zur Leistungsverstärkung
unter Verwendung eines phasenkonjugierten Spiegels ist, dass die
Phase des leistungsstarken Strahls, der aus dem Ausgangskoppler 586 austritt, eine
phasenkonjugierte Replik des vorverzerrten Strahls aus dem Masteroszillator
ist. Indem man die geeignete Vorverzögerung anwendet, wie oben beschrieben
ist, erhält
der HEL-Strahl die richtige Phase, um die atmosphärischen
Turbulenzen 504 und andere optische Aberrationen in dem
gemeinsamen Strahlweg von dem aperturteilenden Element 540 zu dem
Ziel 501 zu korrigieren.
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Es
können
auch Schnellsteuerspiegel in diesem Ausführungsbeispiel zur Korrektur
der Sichtlinien-Störungen
verwendet werden, wie bereits zuvor beschrieben. Der OPA 2 (582)
kann dazu verwendet werden, einen Winkelversatz zwischen der Sichtlinie des
Laserstrahls mit hoher Leistung und dem Zielpunkt hervorzurufen,
um Bewegungen des Ziels und der Plattform zu korrigieren.
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Eine
Einschränkung
des vereinfachten Ausführungsbeispiels,
wie es in 5 dargestellt ist, besteht bei
Anwendungen mit hoher Leistung darin, dass der Fehler aufgrund des
nicht gemeinsamen Weges, der mit dem aperturteilenden Element (ASE) 540 verbunden
ist, in gewissen Anwendungen nicht angemessen korrigiert wird. Dieser
Fehler rührt
von einer Verfälschung
der optischen Eigenschaften des ASE her, die von einer nichtgleichmäßigen Aufheizung
der Beschichtung und des optischen Substrats aufgrund einer begrenzten
Absorption der Leistung des HEL-Strahls verursacht werden. Eine
Art von Verfälschung
ist eine Verwindung der reflektierenden Oberfläche des ASE, die eine Verfälschung
der Phasenfront des reflektierten HEL-Strahls hervorruft. Eine andere
Art von Verfälschung
ist refraktiver Natur, die von thermisch hervorgerufenen Unterschieden
bei der optischen Weglänge über der
Apertur des ASE herrührt.
Diese OPD-Fehler verfälschen
das Signal von dem Ziel, wenn es von dem ASE 540 zu den Sensoren 560, 570 für die Zielverfolgung
und die Wellenfrontdetektion übertragen
wird. Es sei angemerkt, dass die Signale des Zielverfolgungssensors und
des Wellenfrontsensors die Verfälschung
aufgrund der verwundenen Oberfläche
nicht "sehen", und dass der HEL-Strahl
die refraktive Verfälschung nicht "sieht", was den Begriff "nicht-gemeinsamer Weg" erklärt.
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Auf
diesem Gebiet der Technik gibt es mehrere Vorschläge, die
versuchen, diese Fehler aufgrund des nicht gemeinsamen Weges des
ASE zu korrigieren, wobei der am häufigsten verwendete der Pseudo-Konjugator
ist.
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6 ist
ein vereinfachtes Blockschaltbild eines optischen Schemas, das einen
Pseudo-Konjugatoransatz zum Korrigieren von Fehlern aufgrund des
nicht gemeinsamen Weges in dem aperturteilenden Element gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung zeigt. Bei diesem System 600 wird
ein Teil des Hochleistungsstrahls aus der HEL-Einrichtung 690 durch
das ASE 640 übertragen
und anschließend
zu einem Pseudo-Konjugator-Element 642 zurückreflektiert,
wie z.B. einer hochauflösenden
Feldanordnung von Eckwürfeln.
Der Pseudo-Konjugator 642 reflektiert jeden Einzelstrahl
(bzw. Strahlteil) des einfallenden Strahls nahezu entlang des selben
Weges, den der einfallende Einzelstrahl nimmt, aber er verändert nicht
die Wellenfront in der Gesamtbetrachtung. Dieser pseudo-konjugierte
Strahl wird anschließend
von der vorderen Oberfläche
des ASE 640 reflektiert und wird weiter reflektiert von
dem OPA 1 (650) und anschließend von dem Strahlteiler 652 in
einen separaten Local Loop – Wellenfrontsensor 654.
Der Local Loop – Wellenfrontsensor 654,
der dementsprechend angeordnet ist, misst die Phasenfront des pseudo-konjugierten
HEL-Strahlanteils, nachdem er sowohl in Bezug auf die refraktive
Verfälschung
als auch in Bezug auf eine Verfälschung
in dem ASE 640 aufgrund einer verwundenen Oberfläche kompensiert
wurde. Eine Hilfsschleife (die man auf diesem Technikgebiet üblicherweise
als "local loop" bezeichnet) wird
um den OPA 2 (682) geschlossen, was den Wellenfrontfehler
bei dem Local Loop – Wellenfrontsensor 654 ausnullt,
wodurch die HEL-Beleuchtung auf dem Ziel verbessert wird.
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Eine
Korrektur der refraktiven Anteile des Fehlers aufgrund des nicht
gemeinsamen Weges in dem ASE lässt
sich folgendermaßen
realisieren. Der probeweise entnommene HEL-Strahl nimmt die refraktive
Verfälschung
der Phasenfront in dem ASE 640 auf, wenn er durch den ASE
hindurchtritt, die jedoch durch den Pseudo-Konjugator 642 umgekehrt (bzw.
konjugiert) wird. Die konjugierte Probe durchläuft dann die refraktive Verfälschung
nochmals, wodurch der Effekt des oberen Durchgangs ausgelöscht wird.
Nachdem sie von der vorderen Seite reflektiert wurde, läuft die
Probe nach rechts zum dritten Mal durch die refraktive Verfälschung,
wobei sie den selben Anteil der refraktiven ASE-Verfälschung
aufnimmt, den das Zielsignal mit sich trägt. Die Zielschleife um den
OPA 1 korrigiert dann diesen Anteil der refraktiven ASE-Verfälschung
in dem probeweise entnommenen HEL-Strahl ebenso, wie sie es mit dem Wellenfrontsignal
von dem Ziel macht. Wenn die lokale Schleife (Local Loop) den Wellenfrontfehler
bei dem Local Loop – Wellenfrontsensor 654 ausnullt,
ist die refraktive Verfälschung
in dem ASE nicht mehr in dem zu dem Ziel gesendeten HEL-Strahl vorhanden.
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Eine
Korrektur in Bezug auf den Anteil der verwundenen Oberfläche an dem
Fehler aufgrund des nicht gemeinsamen Weges in dem ASE wird folgendermaßen realisiert.
Der probeweise entnommene HEL-Strahl nimmt, nachdem er von dem Pseudo-Konjugator 642 in
seiner Phase konjugiert wurde, die Verfälschung der Phasenfront aufgrund
der verwundenen Oberfläche
auf, indem er von der Vorderseite des ASE 640 rückreflektiert
wird, was letztlich mit dem Local Loop – Wellenfrontsensor 654 detektiert
wird. Dieser Anteil wird nicht von der Zielschleife detektiert und
wird dementsprechend auch nicht von dem OPA 1 (650) modifiziert.
Das Ausnullen des Wellenfrontfehlers bei dem Local Loop – Wellenfrontsensor 654 gewährleistet,
dass die Phasenfront des HEL-Strahls eine Vor-Verfälschung
hat, die den Anteil der nicht-konjugierten Verfälschung der Phasenfront aufgrund
der verwundenen Oberfläche
aus der Rückreflexion
von der Vorderseite des ASE 640 beinhaltet, bevor der HEL-Strahl
in den ASE 640 eintritt. Da die Vor- und Rückreflexion
von derselben Oberfläche
Phasenkonjugierte zueinander sind, enthält dieses vorverfälschte Signal
gleichermaßen
die Phasenkonjugierte der Verfälschung
der Phasenfront aufgrund der verwundenen Oberfläche von der Vorreflexion von
der Vorderseite des ASE 640. Wenn der HEL-Strahl von der Vorderseite
des ASE 640 auf seinem Weg zu dem Ziel nach vorne reflektiert
wird, wird dieser konjugierte Anteil in dem HEL-Strahl 694 folglich
durch die tatsächliche
Verfälschung
in dem ASE 640 aufgrund der verwundenen Oberfläche ausgelöscht, und
es wird ein korrigierter HEL-Strahl zu dem Ziel 601 übertragen.
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Diese
Vorgehensweise bietet eine nicht ganz perfekte Korrektur aufgrund
der begrenzten Auflösung
des Pseudo-Konjugators 642 (seitlicher Versatz der Einzelstrahlen
innerhalb jedes Würfeleckenelements
sowie Diffraktion aufgrund der Diskontinuitäten zwischen den Würfeleckenelementen),
sowie aufgrund von optischen Aberrationen in dem Pseudo-Konjugator
selbst.
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7 ist
ein Blockschaltbild mit einem vereinfachten optischen Schema, das
eine Vorgehensweise mit einem Gitterrhombus zeigt, um Fehler aufgrund
des nicht gemeinsamen Weges in aperturteilenden Elementen gemäß der Lehre
der vorliegenden Erfindung zu korrigieren. 7 zeigt
eine Architektur 700 zur Strahlsteuerung eines HEL-Strahls, die
die zuvor beschriebenen Probleme, die mit der Vorgehensweise auf
Basis des Pseudo- Konjugators zusammenhängen, löst. Bei
dem hiesigen Schema werden die Fehler aufgrund des nicht gemeinsamen Weges
mit einem Gitterrhombus 746 probeweise entnommen und mit
einem Paar von Wellenfrontsensoren 748 und 749 (der
erste 748 für
den HEL 790 und der zweite 749 für den ASE 740)
detektiert. Die Korrektur wird bei dem OPA 2 (782) als
eine Vorverfälschung
des HEL-Strahls 793 aufgebracht.
Die Verwendung eines Gitterrhombus 746 mit geringem Wirkungsgrad
zur genauen Probenentnahme einer Wellenfront ist auf diesem Technikgebiet
bekannt (vgl. hier z.B. E. Treacy, "Optical Pulse Compression with Diffraction
Gratings", IEEE
J. of Quantum Electronics, Band QE-5, Nr. 9, Seite 454, September
1969). In der Komponente mit dem Gitterrhombus 746 werden
zwei identische, parallele Diffraktionsgitter 730 und 732 verwendet,
um die nachteiligen Effekte der Dispersion zu kompensieren, die
in einem einzelnen Diffraktionsgitter auftreten. Die Diffraktionsgitter
sind so optimal entworfen, dass der Winkel, unter dem der probeweise
entnommene, den ASE beleuchtende Strahl relativ zu der Oberflächennormalen
gebeugt wird, gleich, jedoch entgegengesetzt zu dem Winkel ist,
unter dem der probeweise entnommene HEL-Strahl relativ zu dem Oberflächennormal
gebeugt wird. Unter dieser Bedingung ist der Überlappungsfehler zwischen
den beiden probeweise entnommenen Strahlen null.
-
Das
in 7 dargestellte System 700 ist ähnlich zu
dem in 5 gezeigten, jedoch mit vier Ausnahmen: (1) es
werden ein ASE-Beleuchter 742 und ein zugehöriger Strahlteiler 744 verwendet,
um einen Laserstrahl mit niedriger Leistung, der im single mode
arbeitet, in einer rückwärts gewandten
Richtung in den Pfad für
die Zielverfolgung und das Wellenfrontsignal einzukoppeln, (2) auf
der Ausgangsseite des ASE 740 ist ein Git terrhombus 746 anstelle eines
der Faltungsspiegel in dem Strahlenweg hoher Leistung eingesetzt,
um sowohl den HEL-Strahl als auch den ASE-Beleuchtungsstrahl probeweise
zu entnehmen, (3) es wird ein eigener HEL-Wellenfrontsensor 748 dazu
verwendet, die Phase des probeweise entnommenen HEL-Strahls zu messen,
und (4) es wird ein eigener ASE-Wellenfrontsensor 749 dazu
verwendet, um den Phasenfehler auf dem ASE-Beleuchterstrahl zu messen,
der durch Brechungseffekte in dem ASE 740 hervorgerufen
wird. Ein Prozessor für
die adaptive Optik 780 verwendet den Wellenfrontfehler
aus dem Wellenfrontsensor 770 für das Ziel, um eine Regelschleife
um den OPA 1 (750) zu schließen, ebenso wie vorher, was
den Wellenfrontfehler bei dem Wellenfrontsensor 770 für das Ziel
ausnullt und das Bild des Zielverfolgungssensors 760 korrigiert.
-
Es
kann eine Optik zur Verlagerung der Pupillen und zur Bildauffrischung
in dem Strahlengang niedriger Leistung (hier nicht dargestellt)
verwendet werden, um die auf dem OPA 1 (750) platzierte
optische Pupille zu dem Wellenfrontsensor 770 für das Ziel,
dem HEL-Wellenfrontsensor 748, dem ASE-Wellenfrontsensor 749 und dem
OPA 2 (782) zu verschieben, um bestmögliche Korrekturergebnisse der
adaptiven Optik zu erhalten.
-
Eine
Referenzphasenfront für
den ausgehenden HEL-Strahl wird berechnet, indem man das Phasenprofil,
das man aus dem von dem ASE-Wellenfrontsensor 749 gemessenen
Wellenfrontsignal bestimmt hat, von der Phasenkorrektur abzieht,
die mit dem Prozessor 780 für die adaptive Optik zu dem OPA
1 (750) zugeführt
wird. Die bei dieser Berechnung verwendeten Phasenprofile können in
Bezug auf Wellenlängendifferenzen
zwischen dem ASE- Beleuchter 742,
dem Zielbeleuchter (hier nicht dargestellt), der in Verbindung mit
dem Wellenfrontsensor (770) für das Ziel verwendet wird,
und der HEL-Einrichtung 790 angepasst werden, so dass die
Referenzphasenfront der Wellenlänge
der HEL-Einrichtung 790 entspricht.
Diese Berechnung wird von dem Prozessor 780 für die adaptive
Optik in einer den einschlägigen
Fachleuten auf diesem Technikgebiet hinlänglich bekannten Art und Weise
durchgeführt.
-
Der
Prozessor 780 für
die adaptive Optik schließt
dann eine zweite Steuerschleife um den OPA 2 (782), um
die bei dem HEL-Wellenfrontsensor 748 gemessene Phasenfront
mit der so berechneten Referenzphasenfront identisch zu machen.
Wenn diese Schleife richtig geschlossen wird, besitzt der HEL-Ausgangsstrahl die
richtige Vorverfälschung, um
die atmosphärischen
Turbulenzen ohne Phasenfrontartefakte aufgrund des nicht-gemeinsamen Weges
durch den ASE 740, den Ausgangskoppler 786 in der
HEL-Einrichtung 790 oder der nicht-geteilten Optik 794 zu
kompensieren.
-
Es
ist wichtig, anzumerken, dass die Anordnung des ASE-Wellenfrontsensors 749 und
des ASE-Beleuchters 742 auch ausgetauscht werden könnte, ohne
dass die Funktion des ASE-Schemas zur Korrektur der Fehler aufgrund
des nicht gemeinsamen Weges verändert
würde.
Ein solches Ausführungsbeispiel
kann aufgrund von Randbedingungen bei der räumlichen Unterbringung und
zur Reduzierung von Übersprechen
zwischen dem ASE-Wellenfrontsensor und dem HEL-Wellenfrontsensor
in manchen Anwendungen vorteilhaft sein, oder auch aus anderen Gründen.
-
Es
sei ferner angemerkt, dass der OPA 2 (782) hier mit einem
geschlossenen Regelkreis betrieben wird, was anders ist als in dem
in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel. Wie bei dem
in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Wellenfrontsensor 770 für das Ziel
für größtmögliche Wirksamkeit
bei null betrieben, wenn er bei geringen Signal-zu-Rauschverhältnissen
arbeitet. Nur der HEL-Wellenfrontsensor 748 und der ASE-Wellenfrontsensor 749 mit
dem hohen Signal-zu-Rauschverhältnis werden
abseits des Nullpunkts betrieben.
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8 zeigt
eine Variation der Vorgehensweise aus 7 mit dem
Gitterrhombus, bei der die Funktionen des HEL-Ausgangskopplers und
des aperturteilenden Elements in einem einzigen optischen Element
(Ausgangskoppler/ASE) 840 in Übereinstimmung mit der Lehre
der vorliegenden Erfindung kombiniert sind. Bei dem System 800 aus 8 arbeiten
der ASE-Beleuchter, die Wellenfrontsensoren und der Prozessor für die adaptive
Optik in der oben beschriebenen Weise. Dieses Ausführungsbeispiel
hat den Vorteil, dass eine der transmissiven Optiken aus dem Hochleistungsbereich
entfallen kann. Der Nachteil liegt darin, dass es die Auswahl der
Auskoppelverfahren auf diejenigen beschränkt, die auch den ASE-Anforderungen
genügen,
wie z.B. ein Polarisationsstrahlteiler (Funktion des Ausgangskopplers),
der auch als dichroitischer Strahlteiler (ASE-Funktion) arbeitet.
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9 ist
ein optisches Schema bzw. ein Blockschaltbild, das ein anderes mögliches
Ausführungsbeispiel
zeigt, bei dem die Funktionen des ASE und des Ausgangskopplers ebenfalls
nach der Lehre der vorliegenden Erfindung in einem einzelnen optischen
Element kombiniert sind. Bei diesem System 900 sind der
ASE-Beleuchter, der ASE-Wellenfrontsensor, der HEL-Wellenfront sensor
und der Gitterrhombus aus 8 entfallen,
und ein eigener Oszillator-Wellenfrontsensor 951 ist im
Strahlengang mit niedriger Leistung hinzugekommen, der die Phasenfront
des Masteroszillators nach der Reflexion von der Vorderseite des
Ausgangskopplers/ASE 940 und OPA 1 (950) probeweise
entnimmt.
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Die
Korrektur der refraktiven Komponenten des Fehlers aufgrund des nicht
gemeinsamen Weges in dem Ausgangskoppler/ASE wird wie folgt realisiert.
Der Strahl aus dem Masteroszillator 894 nimmt die refraktive
Phasenfrontverfälschung
in dem Ausgangskoppler/ASE 940 auf, wenn er vertikal durch den
Ausgangskoppler/ASE zu der Vorderseite hindurchtritt. Er macht dann
einen zweiten Durchgang durch die horizontale refraktive Verfälschung
des Ausgangskopplers/ASE, nachdem er von der Vorderseite reflektiert
wurde. Der Anteil der horizontalen refraktiven Verfälschung
ist derselbe, den auch das Zielsignal sieht, welches von dem OPA
1 (950) durch die Wirkung der Zielschleifenregelung mit
dem Prozessor für
die adaptive Optik 980 (wie oben in Bezug auf 5 beschrieben)
korrigiert wird. Das Signal des Masteroszillators, das von dem OPA
1 (950) weg reflektiert wird, sieht daher nur die vertikale
refraktive Verfälschung
aus dem Ausgangskoppler/ASE 940. Der Prozessor 980 für die adaptive
Optik schließt
einen Local Loop – Stellkreis
um den OPA 2 (982), der den Wellenfrontfehler in dem Signal
des Masteroszillators bei dem Oszillatorwellenfrontsensor 951 ausnullt.
Wenn er dies tut, vorverfälscht
der OPA 2 (982) das Signal aus dem Masteroszillator, das
in den Ausgangskoppler/ASE 940 eintritt, mit der Konjugierten der
vertikalen refraktiven Verfälschung
aus dem Ausgangskoppler/ASE-Element, so dass dieser Anteil der Verfälschung
aus dem Fehler aufgrund des nicht gemeinsamen Weges korrigiert wird,
wenn er vertikal durch das Element zu der Strahllinie 988 mit
der Leistungsverstärkung
gelangt. Der verstärkte
HEL-Strahl, der von dem Ausgangskoppler/ASE 940 reflektiert und
zu dem Ziel übertragen
wird, enthält
daher diesen Anteil mit vertikaler refraktiver Verfälschung nicht.
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Die
Korrektur des Anteils aufgrund der verwundenen Oberfläche an dem
Fehler aufgrund des nicht gemeinsamen Weges in dem Ausgangskoppler/ASE
wird wie folgt realisiert. Der probeweise entnommene Strahl aus
dem Masteroszillator 984 nimmt die Verfälschung aufgrund der verwundenen Oberfläche auf,
nachdem er von der Vorderseite des Ausgangskopplers/ASE 940 rückreflektiert
wurde. Der Local Loop – Stellkreis
bewirkt, dass der Wellenfrontfehler bei dem Oszillatorwellenfrontsensor 951 ausgenullt
wird, was dazu führt,
dass der OPA 2 (982) den Strahl aus dem Masteroszillator
mit der Konjugierten der Verfälschung
aus dem Ausgangskoppler/ASE 940 aufgrund der verwundenen
Oberfläche vorverfälscht. Der
vorverfälschte
Strahl aus dem Masteroszillator wird also zu der Strahllinie 988 zur Leistungsverstärkung übertragen
und zu dem phasenkonjugierten Spiegel 982, wo er verstärkt und konjugiert
wird. Bis dahin sind also zwei Phasenkonjugationen erfolgt, die
einen verstärkten
HEL-Strahl 993 erzeugen, der einen unkonjugierten Anteil
der Verfälschung
aufgrund der verwundenen Oberfläche enthält, der
zuvor mit dem probeweise entnommenen Oszillatorstrahl aus einer
Rückreflexion
von der Vorderseite des Ausgangskopplers/ASE 940 detektiert wurde.
Wenn dieser Anteil von der Vorderseite vorreflektiert wird, korrigiert
er die Verfälschung
aufgrund der verwundenen Oberfläche
aus der Rückreflexion. Der
verstärkte
HEL-Strahl, der zu dem Ziel übertragen
wird, enthält
daher diesen Anteil aufgrund der verwundenen Oberfläche nicht.
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Um
den Korrekturvorgang für
den Anteil aufgrund der verwundenen Oberfläche an dem Fehler aufgrund
des nicht gemeinsamen Weges in dem Ausgangskoppler/ASE zu verstehen,
ist es wichtig anzumerken, dass die Phasenfrontverfälschung
aufgrund der Rückreflexion
von einer Oberfläche
die Phasenkonjugierte der Phasenfrontverfälschung aus einer Vorreflexion
an derselben Oberfläche
ist. Die Vorverfälschung
eines Strahls mit der Konjugierten der Verfälschung aus der Rückreflexion
konjugiert den Strahl weiter, und eine Vorreflexion an der selben Oberfläche hat
zur Folge, dass die ursprüngliche
Verfälschung
aus dem ausgehenden Strahl entfernt wird.
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Der
Prozessor 980 für
die adaptive Optik kann das richtige Vorverfälschungssignal außerdem berechnen,
indem er entweder deterministische oder stochastische Schätztechniken
verwendet, die auf diesem Technikgebiet bekannt sind und die so
ausgebildet sind, dass sie einer Latenz in den detektierten Wellenfronten
entgegenwirken (Vorwärtsspeisung),
ebenso wie einem Versatz zwischen der Lage des Beleuchtungshilfsstrahls
zur Wellenfrontdetektion auf dem Ziel und dem gewünschten
Zielpunkt sowie noch anderen Effekten.
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Es
können
Optiken zur Verlagerung der Pupillen oder zur Bildauffrischung in
dem Strahlenweg mit der niedrigen Leistung (hier nicht dargestellt)
verwendet werden, um die auf dem OPA 1 (950) liegende optische
Pupille zu dem Wellenfrontsensor 970 für das Ziel, dem Oszillator-Wellenfrontsensor 951 und dem
OPA 2 (982) zu verschieben, um eine bestmögliche Korrektur
mit der adaptiven Optik zu erreichen.
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Bei
den meisten Anwendungen mit adaptiver Optik ist es vorteilhaft,
die refraktiven strahlteilenden Elemente in dem Strahlenweg mit
hoher Leistung zu betreiben, wie etwa den ASE und den Ausgangskoppler,
und zwar bei relativ kleinen Einfallswinkeln (Winkel zwischen der
Oberflächennormalen
und dem einfallenden Einzelstrahl). Eine Minimierung des Einfallwinkels
trägt dazu
bei, die zuvor erwähnten
Fehler aufgrund des Fehlers aufgrund des nicht gemeinsamen Weges
zu minimieren, und sie vereinfacht den Aufbau der Beschichtungen
zum Beibehalten einer gewünschten
Polarisation des Strahls. Es sei angemerkt, dass der Einfallswinkel
zur einfacheren Erläuterung
in allen Figuren schematisch bei 45° dargestellt ist. Die vorliegenden
Ausführungen
sind dementsprechend jedoch nicht darauf beschränkt.
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Eine
Beschränkung
des in 9 gezeigten Ausführungsbeispiels resultiert
aus der Verschachtelung der Ziel- und der lokalen Stellschleifen.
In diesem Ausführungsbeispiel
werden die Verfälschungen der
Wellenfront in der Zielschleife korrigiert, indem man den OPA 1
(950) so ansteuert, dass er den von dem Ziel-Wellenfrontsensor
(970) detektierten Wellenfrontfehler ausnullt. Der OPA
1 (950) reagiert daher konstant auf die hochfrequenten
Störungen,
die von den atmosphärischen
Turbulenzen hervorgerufen werden. Es sei angemerkt, dass das bei
dem Oszillator-Wellenfrontsensor 951 detektierte Signal
aus dem Masteroszillator die hochfrequenten Korrekturen in der Zielschleife
ebenfalls mit sich trägt,
weil es ebenfalls von dem OPA 1 reflektiert wird. Die lokale Schleife
muss daher bei einer großen
Bandbreite betrieben werden, und es existieren Local Loop – Fehler aufgrund
der Latenz, die mit der Reaktion der lokalen Schleife auf die Zielschleife
verbunden ist. Diese Latenzfehler kann man minimieren, indem man
innerhalb der lokalen Schleife ein Überkopplungsnetzwerk verwendet.
Dieses Überkopplungsnetzwerk
würde es
dem OPA 2 (982) erlauben, mit einer geringen Bandbreite
auf die Fehler zu reagieren, die von dem Oszillator-Wellenfrontsensor 951 detektiert
wurden, aber sie würden
den OPA 2 in eine Abhängigkeit
im offenen Regelkreis von den hochfrequenten Fehlern bringen, die
mit dem Ziel-Wellenfrontsensor 970 detektiert wurden. Wenn
das Steuersignal aus dem offenen Regelkreis richtig angelegt wird,
ist der hochfrequente Fehler, der mit dem Oszillator-Wellenfrontfehler 951 detektiert
wird, in etwa derselbe wie der mit dem Ziel-Wellenfrontsensor 970 detektierte,
und verbleibende Fehler zwischen diesen beiden können von dem adaptiven Optikprozessor 980 dazu
verwendet werden, das zu dem OPA 2 (982) gesendete Signal
aus dem offenen Regelkreis in einem Kalibrierungskreis mit sehr
geringer Bandbreite neu zu kalibrieren.
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10 ist
ein optisches Schema bzw. ein Blockschaltbild, das ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel
des Strahlsteuerungssystems aus der vorliegenden Erfindung zeigt.
Das System 1000 aus 10 berücksichtigt
das Latenzproblem in der lokalen Schleife, die in 9 dargestellt
und oben beschrieben ist. Das System 1000 ersetzt die servogetriebenen
adaptiven Optikelemente aus der lokalen Schleife (Oszillator-Wellenfrontsensor,
OPA 2, und diejenigen Teile des Prozessors für die adaptive Optik, die mit
der Korrektur der lokalen Schleife zusammenhängen) durch einen zweiten Ast
mit nichtlinearer Phasenkonjugation. Der Masteroszillator 1084 ist an
die in 9 gezeigte Stelle des Oszillator-Wellenfrontsensors
verschoben; und sowohl der OPA 2 als auch der Masteroszillator sind
durch einen zweiten phasenkonjugierten Spiegel 1092 ersetzt.
In dem zweiten phasenkonjugierten Ast kann ein Vorverstärker 1089 verwendet
werden, um reflektive Verluste in dem Ausgangskoppler/ASE 1040 auf
dem vertikalen Strahlenweg von dem zweiten phasenkonjugierten Ast
zu dem ersten Ast mit der Strahllinie 1088 mit den Leistungsverstärkern zu
beseitigen. Bei dieser Vorgehensweise wird die lokale Schleife mit
der Bandbreite und räumlichen
Auflösung
des phasenkonjugierten Spiegels realisiert. Die Bandbreite des phasenkonjugierten
Spiegels kann um Größenordnungen
höher liegen
als die der Zielschleife, was das zuvor erwähnte Latenzproblem wirkungsvoll
beseitigt. Die Auflösung
des phasenkonjugierten Spiegels kann genügend hoch liegen, um Korrekturen
mit steilen Anstiegen und Diskontinuitäten in der Phasenfront aufzunehmen.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
ist die adaptive Optikkorrektur in der Zielschleife identisch zu derjenigen,
die oben in Bezug auf 9 beschrieben ist. Die Korrektur
der Fehler aufgrund des nicht gemeinsamen Weges in dem Ausgangskoppler/ASE 1040 erfolgt
nach derselben allgemeinen Vorgehensweise, wie bereits zuvor beschrieben,
allerdings mit einigen Unterschieden, die nachfolgend aufgezeigt sind.
Ein Referenzstrahl aus dem Masteroszillator 1084 wird zunächst von
einem Strahlteiler 1052 und dann von dem OPA 1 (1050)
reflektiert, wo er die Konjugierte der atmosphärischen Verfälschungen ebenso
wie die Konjugierte des horizontalen Anteils an dem refraktiven
Anteil des Fehlers aufgrund des nicht gemeinsamen Weges aufnimmt.
Der Strahl wird dann durch den Ausgangskoppler/ASE 1040 zu
der Vorderseite übertragen,
wo der Fehler korrigiert wird, der mit dem horizontalen refraktiven
Anteil an dem Fehler aufgrund des nicht gemeinsamen Weges verbunden
ist. Dieser Strahl nimmt dann die Verfälschung aus dem Ausgangskoppler/ASE 1040 aufgrund
der verwundenen Oberfläche
auf, indem er von der Vorderseite dieses Elements rückreflektiert
wird. Schließlich
nimmt er den vertikalen refraktiven Anteil des Fehlers aufgrund
des nicht-gemeinsamen
Weges auf, bevor er den zweiten phasenkonjugierten Ast im unteren
Bereich der Darstellung betritt.
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Der
Strahl betritt dann den zweiten phasenkonjugierten Ast, wo er vorverstärkt werden
kann und wo die optische Phasenfront aufgrund der Reflexion an dem
ersten phasenkonjugierten Spiegel 1091 umgekehrt wird.
Der diesen Ast anregende Strahl trägt nun die unkonjugierten atmosphärischen
Verfälschungen
ebenso wie die Konjugierte der vertikalen refraktiven Verfälschung,
und die Konjugierte aus der Rückreflexion
von der Vorderseite des Ausgangskopplers/ASE 1040.
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Als
nächstes
wandert er vertikal durch den Ausgangskoppler/ASE 1040,
wo der vertikale refraktive Anteil an dem Fehler aufgrund des nicht-gemeinsamen
Weges korrigiert wird. Der Strahl wird dann in dem zweiten phasenkonjugierten
Ast im oberen Bereich der Figur konjugiert und verstärkt. An
dieser Stelle trägt
der Strahl nur die konjugierte atmosphärische Verfälschung und die unkonjugierte
Rückreflexion
von der Vorderseite des Ausgangskopplers/ASE. Wie zuvor beschrieben,
ist dieser zweite Anteil derselbe wie die Konjugierte der Vorreflexion
von der Vorderseite, die letztlich korrigiert wird, wenn der Strahl
von der Vorderseite des Ausgangskopplers/ASE 1040 auf seinem
Weg zu einem schnellen Steuerspiegel 1020 und einem Teleskop
und Grobkardan 1010 nach vorne reflektiert wird. Wenn er
den HEL-Strahlausrichter anregt, trägt der HEL-Strahl 1003 nur
die Konjugierte der atmosphärischen
Verfälschung,
welches die gewünschte
Phasenfront ist, um diese Aberrationen zu korrigieren und eine maximale
Bestrahlung auf dem Ziel zu erzeugen.
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Da
der Laserstrahl mit der hohen Leistung der Sichtlinie des Strahls
aus dem Masteroszillator folgt, kann der Strahl mit der hohen Leistung
bedarfsweise von dem Zielpunkt auf dem Ziel weggeschoben werden,
indem man den Strahl aus dem Masteroszillator mit mechanischen Mitteln
(z.B. einem Steuerspiegel) oder nicht-mechanischen Mitteln (einem
weiteren OPA), hier nicht dargestellt, steuert.
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Die
vorliegende Erfindung ist hier also mit Bezug auf ein bestimmtes
Ausführungsbeispiel
für eine
bestimmte Anwendung beschrieben worden. Diejenigen, die über die üblichen
Fachkenntnisse auf diesem Technikgebiet verfügen und die Zugang zu der vorliegenden
Beschreibung haben, werden weitere Abwandlungen, Anwendungen und
Ausführungsbeispiele
innerhalb des Schutzbereichs erkennen.
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Es
ist daher beabsichtigt, dass die beigefügten Ansprüche alle derartigen Anwendungen,
Abwandlungen und Ausführungsbeispiele
innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung erfassen.