ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА
LASER SYSTEM

Настоящее изобретение имеет целью построение лазерной системы, которая отличается высокой компактностью, низким энергопотреблением и устойчивостью к неблагоприятным внешним факторам, что позволяет применять ее в портативных или даже карманных устройствах. Изобретение, в частности, имеет целью построение лазерной системы, интегрированной в устройство лазерного дальномера или устройство целеуказателя, например, входящего в состав инструмента наблюдения. Поэтому помимо требований в отношении компактности, энергопотребления и надежности такой лазерной системы для того, чтобы ее можно было использовать для измерения дальности и целеуказания на больших расстояниях, она должна иметь сравнительно высокую выходную мощность и должна позволять точно оценивать лазерный свет, отраженный от цели.
Несмотря на то, что лазерная система, отвечающая настоящему изобретению, разработана с расчетом на такие применения, т.е. для измерения расстояний и/или радиальной скорости совокупных или раздельных целей путем лазерного обнаружения и измерения дальности посредством портативных или карманных применений, лазерная система, отвечающая настоящему изобретению, пригодна для всех применений, где обязательны первичные требования компактности и надежности.
Обращаем внимание на US-A-6141086, а также на
G. W. Kammermann, Selected Papers on Laser Radar, SPIE Optical Engineering Press, 1997;
J. W. Goodman, Comparative performance of Optical-Radar Detection Techniques, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, Vol. AES-2(5), 526ff., 1966;
2
CO LADAR modulation trade of studies, coherent Infrared Radar Systems and Applications II, Proc. SPIE, Vol. 415, 155ff. (1983);
WO 98/30881;
GB-A-2401738;
S. Nissilä et al., A Fibre Laser as a Pulse Source for Laser Rangefinder system, SPIE, Vo. 1821 (1992), 375.
Для решения вышеозначенной задачи предложена лазерная система в установке задающего генератора/усилителя мощности (MOPA), которая содержит задающий генератор на импульсном диоде и накачиваемый активный оптоволоконный усилитель мощности после задающего генератора, и в которой, по существу, все каналы лазерного света являются оптическими волокнами.
Согласно одному варианту осуществления лазерной системы предусмотрен блок детектора для входящего импульсного лазерного света, каковой блок детектора функционально подключен к блоку оценки. Блок оценки осуществляет оценку множественных входящих лазерных импульсов. Благодаря оценке множественных импульсов точность детектирования системы повышается, несмотря на ограниченную энергию импульса излучаемого лазерного света.
Согласно еще одному варианту осуществления активный оптоволоконный усилитель мощности накачивается диодом накачки.
Согласно еще одному варианту осуществления лазерной системы активный оптоволоконный усилитель мощности модулируется по коэффициенту усиления. Это позволяет, например, компенсировать изменение со временем интенсивности излучаемых лазерных импульсов и/или повышать отношение сигнал-шум путем определенным образом регулируемой модуляции коэффициента усиления.
Согласно одному варианту осуществления лазерной системы активный оптоволоконный усилитель мощности модулируется по коэффициенту усиления посредством, по меньшей мере, одного из параметров изменения интенсивности света накачки, изменения спектра света накачки, изменения ширины импульса накачки, длины активного волокна, спектрального сдвига оптической характеристики фильтра.
Согласно еще одному варианту осуществления системы, отвечающей настоящему изобретению, активный оптоволоконный усилитель мощности накачивается в импульсном режиме, и импульсная накачка синхронизирована с импульсной работой задающего диодного генератора.
Согласно еще одному варианту осуществления системы, отвечающей настоящему изобретению, активный оптоволоконный усилитель мощности является регулировочным элементом в цепи отрицательной обратной связи, где физический элемент лазерного пучка после активного усилителя мощности измеряется как измеренное значение, подлежащее регулировке, и сравнивается с требуемым значением. Коэффициент усиления активного оптоволоконного усилителя мощности регулируется в зависимости от результата сравнения.
Согласно одному варианту осуществления измеряемый физический элемент является одним из параметров отношения сигнал-шум в лазерном пучке и интенсивности лазерного пучка.
Согласно еще одному варианту осуществления система, отвечающая настоящему изобретению, содержит полосовой оптоволоконный фильтр после активного оптоволоконного усилителя мощности. Согласно еще одному варианту осуществления полосовой оптоволоконный фильтр имеет характеристику фильтра, спектральную позицию которого можно управляемо сдвигать.
Согласно еще одному варианту осуществления характеристика фильтра сдвигается в зависимости от температуры.
Согласно еще одному варианту осуществления температура зависит от температуры задающего диодного генератора.
Регулируя спектральную позицию характеристики фильтра в зависимости от температуры задающего диодного генератора и принимая во внимание, что спектральный диапазон лазерного света, излучаемого задающим диодным генератором, изменяется в отношении спектральной позиции и в зависимости от температуры на этом генераторе, можно реализовать лазерный пучок после полосового оптоволоконного фильтра, который, по существу, не подвергается спектральному сдвигу спектрального диапазона лазерного света, обусловленного температурой.
Согласно еще одному варианту осуществления система содержит стабилизирующий оптоволоконный фильтр в задающем диодном генераторе, определяющий спектр лазерного света, выводимого задающим диодным генератором. Система содержит полосовой оптоволоконный фильтр после активного оптоволоконного усилителя мощности. Спектральные позиции характеристик фильтра для стабилизирующего и нижестоящего полосового оптоволоконного фильтра совпадают.
Поскольку мгновенная спектральная позиция характеристики фильтра для стабилизирующего и нижестоящего фильтра совпадают и, таким образом, по существу, одинаково сдвигаются, например, вследствие изменений температуры, выходной спектральный диапазон лазерного света из задающего диодного генератора получает такой же спектральный сдвиг, как характеристика фильтра для нижестоящего полосового фильтра. Таким образом, опять же достигается, по существу, постоянная выходная интенсивность лазерного пучка, несмотря на спектральный сдвиг выходного спектрального диапазона лазерного света. Согласование упрощается, если температура, измеренная в одном общем месте, регулирует соответствующие спектральные сдвиги двух фильтров, или эти фильтры имеют тесную тепловую связь.
Согласно еще одному варианту осуществления системы, отвечающей настоящему изобретению, такая система содержит более одного активного оптоволоконного усилителя мощности.
Согласно еще одному варианту осуществления система содержит соединительный блок ввода/вывода, входное волокно которого функционально подключено к выходу активного оптоволоконного усилителя мощности и выходное волокно которого функционально подключено ко входу блока детектора. Выходное/входное волокно, если предусмотрено, функционально подключено к оптике излучения и приема лазерного света.
Таким образом, в волоконной технологии реализуется также лазерная система с одним входом/выходом.
Согласно одному варианту осуществления соединительный блок содержит оптический циркулятор.
Согласно еще одному варианту осуществления система содержит оптическое волокно, один конец которого функционально подключен к оптике передатчика для лазерного света, зависящего от лазерного света, выводимого из задающего генератора/ усилителя мощности, причем другой конец волокна функционально подключен к выходу накачиваемого активного оптоволоконного усилителя мощности. Таким образом, один конец волокна призван, по существу, определять расхождение лазерного пучка, выводимого из оптики передатчика. Это позволяет исключить дополнительные линзы, сделав систему менее дорогой, более надежной и более компактной.
Оптика передатчика согласно одному варианту осуществления, также является оптикой приемника системы.
Согласно еще одному варианту осуществления оптическое волокно является активным волокном.
Одно устройство, отвечающее настоящему изобретению, имеющее лазерную систему, является портативным или даже карманным. Согласно одному варианту осуществления устройство, включающее в себя лазерную систему, представляет собой блок дальномера или целеуказателя, работающий на дальностях до 1 км и даже до, по меньшей мере, 10 км.
Согласно одному варианту осуществления устройство установлено на танке или подводной лодке или встроено в портативный инструмент наблюдения.
Следует обратить внимание на тот факт, что содержание Европейской заявки № 05 000 669.1, датированной 14 января 2005 г., а также содержание Европейской заявки № 04 029 867.1, датированной 16 декабря 2004 г., на которые данная заявка опирается в отношении приоритета, рассматривается как часть, включенная в данное раскрытие посредством ссылки.
Перейдем к иллюстративному описанию изобретений во всех их аспектах и комбинациях со ссылкой на фигуры, где:
фиг. 1 - схема передачи сигналов/функциональная блок-схема полностью волоконной лазерной системы согласно современному варианту осуществления для применений портативного дальномера или целеуказателя;
фиг. 2 - упрощенная схема возникновения и результата относительного сдвига длины волны лазера относительно оптической характеристики нижестоящего фильтра;
фиг. 3 - упрощенная схема, представляющая принцип регулировки спектрального сдвига характеристики фильтра, согласованного со сдвигом длины волны лазера;
фиг. 4 - упрощенная схема, представляющая управляемый спектральный сдвиг длины волны стабилизированного лазера и спектральной позиции характеристики нижестоящего фильтра;
фиг. 5 - упрощенная схема, представляющая "активный" сдвиг характеристики фильтра;
фиг. 6 - представление, по аналогии с фиг. 5, "пассивного" спектрального сдвига характеристики фильтра;
фиг. 7 - упрощенная схема передачи сигналов/функциональная блок-схема лазерной системы с согласованными длиной волны лазера и характеристикой фильтра, которые обе сдвигаются в зависимости от температуры;
фиг. 8 - метод согласования согласно фиг. 7, применяемый к лазерной системе согласно фиг. 1;
фиг. 9 - полосовой оптический фильтр с управляемым спектральным сдвигом в упрощенном и схематическом представлении, применимом согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 8;
фиг. 10 - упрощенная схема передачи сигналов/функциональная блок-схема лазерной системы с пропускающим фильтром;
фиг. 11 - часть лазерной системы, показанной на фиг. 1, возможный вариант реализации принципа, представленного на фиг. 10 в лазерной системе, показанной на фиг. 1;
фиг. 12 - упрощенная схема передачи сигналов/функциональная блок-схема лазерной системы с оптическим усилителем, модулируемым по коэффициенту усиления;
фиг. 13 - качественная диаграмма, демонстрирующая импульсный лазерный свет (a), модулированный коэффициент усиления (b) усилителя для лазерного света и лазерный свет, полученный путем усиления с модулируемым коэффициентом усиления (c);
фиг. 14 - импульсный лазерный свет (a), усиленный с коэффициентом усиления, подвергнутым широтно-импульсной модуляции (b) оптического усилителя, и результирующий лазерный свет (c);
фиг. 15 - часть лазерной системы, показанной на фиг. 1, в которой применяется широтно-импульсная модуляция, показанная на фиг. 14;
фиг. 16 - полностью волоконное соединительное устройство в упрощенном и схематическом представлении двустороннего лазерного излучения/приема, интегрируемое в систему, показанную на фиг. 1.
Описание изобретения
Прежде всего опишем настоящее изобретение посредством реализованного в настоящее время варианта осуществления. Это описание озаглавлено: "1. Реализованный в настоящее время вариант осуществления".
Согласно этому варианту осуществления различные признаки рассматриваются сами по себе как признаки новизны и могут быть реализованы в различных вариантах, также могут объединяться с другими лазерными системами, отличающимися от реализованного в настоящее время варианта осуществления, следующими после описания реализованного в настоящее время варианта осуществления, эти конкретные признаки, возможно, со своими вариантами, их применимость к лазерным системам, отличающимся от реализованных в настоящее время, будут описаны под отдельными заголовками, а именно: "2. Согласование температурного сдвига", "3. Модулируемый усилитель", "4. Двусторонний соединитель".
1. Реализованный в настоящее время вариант осуществления
Современный вариант осуществления, представленный на фиг. 1, предусматривает лазерный дальномер для совокупных или раздельных целей или применяемый как лазерный целеуказатель. Показанная лазерная система имеет размер, конструкцию и энергопотребление, которые допускают интеграцию в карманное устройство и полную автономность. Она также применима в других областях применения, где действуют аналогичные требования в отношении размера или компактности, энергопотребления и надежности.
Главный лазерный блок 1 содержит одномодовый DFB (с распределенной обратной связью) лазерный диод 3, излучающий световые импульсы на длине волны в заранее определенном диапазоне. Температурный спектральный дрейф длины волны излучаемого лазерного света такого диода DFB обычно составляет порядка 0.1 нм/К или менее. Такой лазерный диод DFB представляет собой, например, диод серии FOL 15DCWD, доступный от Fitel, Furukawa Inc.
1
7
1
7
Свет, излучаемый диодом 3 DFB, поступает с выхода A главного лазерного блока 1, возможно, по оптическому волокну 5, на вход E первого каскада усилителя 7. Длина оптического волокна 5 выбирается, в основном, в соответствии со взаимным расположением блока 1 и блока 7 и исключается для оптимальной плотности упаковки и для минимальных оптических потерь от выхода A до входа E.
7
Первый каскад усилителя 7 содержит в качестве активного усилительного элемента активное волокно 9, которое оптически накачивается светом, поступающим на вход накачки PE. Таким образом, выходной лазерный свет главного лазерного блока 1 поступает в активное волокно 9 и усиливается им.
1
Активное волокно представляет собой волокно, совместно легированное Er/Yb, имеющее спектральный диапазон коэффициента усиления от 915 нм до 1500 нм. В более общем случае активное волокно легировано ионами металла, например ионами эрбия, и/или иттербия, и/или неодима, и/или празеодима, и/или хрома. Спектральный диапазон светового выхода на A находится в пределах диапазона коэффициента усиления каскада усилителя 7.
7
11
Энергия света накачки, поступающего на вход PE, генерируется на выходе A блока 11 накачки, содержащего диод 13 накачки. Диод 13 представляет собой диод Фабри-Перо лазерной накачки, имеющий типичную температурную зависимость длины волны излучения 0.3 нм/К и имеющий центральную длину волны около 945 нм при 20°C. Такой диод представляет собой, например, диод QOFP-975-3 от QPhotonics, LLC.
Таким образом, выбирая центральную длину волны диода накачки 13 вблизи центральной температуры температурного диапазона, предполагаемого для диода накачки 13, в спектральном диапазоне коэффициента усиления первого и, как будет описано ниже, второго, и, возможно, третьего усилителя, и предполагая, что температурный сдвиг этой центральной длины волны покрывается спектральными диапазонами поглощения коэффициента усиления каскадов усилителя, никакой температурной стабилизации диода 13 лазерной накачки не требуется. Таким образом, уже достигается первая существенная экономия размера конструкции и электрической мощности.
11
7
В зависимости от предусмотренного конструкцией размещения блока 11 накачки и первого каскада усилителя 9 оптическое волокно 15 подключено между выходом Аи входом PE.
7
L
Вследствие высокого коэффициента усиления G первого каскада оптоволоконного усилителя 7 на его выходе A присутствует оптический шум, в частности, обусловленный усиленным спонтанным излучением УСИ, которое излучается в широком спектральном диапазоне и возрастает с увеличением значения коэффициента усиления каскада усилителя 7. Усиленное спонтанное излучение УСИ приводит к широкополосному световому излучению из первого каскада усилителя 7 с высоким коэффициентом усиления, не зависящему от длины волны λ усиленного лазерного света и накладывающемуся на него.
L
7
F
L
F
L
Поскольку энергию УСИ требуется учитывать для сортировки по определенным классам безопасности лазеров, и, кроме того, она повышает уровень шума выходного света на λ и, наконец, на и от освещенной цели, блок 29 оптоволоконного фильтра УСИ, имеющий вход E29 и выход A29, подключен, возможно, через оптическое волокно 31 к выходу Aпервого каскада усилителя 7. Блок 29 фильтра УСИ представляет собой оптоволоконный узкополосный фильтр. Центральная длина волны λ пропускания блока 29 фильтра УСИ соответствует длине волны λ лазерного света, генерируемого главным лазером 1. Во избежание сдвига узкой полосы пропускания блока 29 фильтра УСИ и, таким образом, λ и длины волны λ лазерного света вследствие изменений температуры на лазерном источнике 51 и/или блоке 29 фильтра УСИ, устанавливается согласование температурного сдвига, которое также будет описано в более общем аспекте в разделе "2. Согласование температурного сдвига".
F
L
Такое согласование сдвига позволяет добиться, чтобы спектральный сдвиг λ был, по существу, равен спектральному сдвигу λ.
Поэтому на лазерном источнике 51 не предусмотрено охлаждения или регулировки температуры, что обеспечивает вторую существенную экономию размера конструкции и энергопотребления.
29r
Хотя на фиг. 1 показано, что блок 29 фильтра УСИ работает в режиме полосового пропускания, он также может работать в режиме полосового отражения, что схематически показано пунктирной линией на выходе А фильтра.
29
29r
25
25
25
37
Выход A (или A) блока 29 оптоволоконного фильтра УСИ подключен, возможно, через оптическое волокно 33 ко входу E25 второго оптоволоконного каскада усилителя 25, который предполагается, по меньшей мере, аналогичным первому каскаду оптоволоконного усилителя 7 и который имеет выход A и накачивается на входе PE. Выход A подключен через оптическое волокно 35 ко входу Е оптоволоконного циркулятора 37, например, доступного от JDS Uniphase как оптоволоконный циркулятор с интенсивной поляризацией.
37
37
37
37
37
37
37
37
37
Циркулятор 37 имеет вход/выход EA, согласно показанному направлению стрелки свет, поступающий на E, выводится на EA и изолируется от выхода A. Свет, поступающий на EA, изолируется от E и выводится на A. EA подключен через оптическое волокно 39 к оптике 41 приемопередатчика. Выход A подключен к блоку 43 детектора через оптическое волокно 45. На блоке 43 детектора осуществляется оптоэлектронное преобразование, и соответствующие электрические сигналы поступают на блок 47 оценки, который генерирует требуемую конечную информацию, например расстояние до цели, скорость цели, траекторию цели и т.д.
39
Несмотря на то, что показанное волокно 39 можно реализовать как третий каскад оптоволоконного усилителя, накачиваемый на PE, в реализованном в настоящее время варианте осуществления оно является "пассивным" оптическим волокном.
Посредством оптоволоконного циркулятора 37 и оптических волокон 35, 39 и 45 реализуется оптоволоконный соединительный блок ввода/вывода 49, содержащий устройство 37 циркулятора для поляризованного или неполяризованного лазерного света.
25
Таким образом, волокна 45 и 39 относятся к маломодовому типу. Волокно 35 оптимизировано в отношении лазерного источника вплоть до A, например, в отношении интенсивности лазерного света.
Поскольку волокно 39 выбирают коротким, т.е. не длиннее 10 мс и не изгибают, связью между основной и более высокими модами в этом волокне можно пренебречь. Поскольку изготовители коммерчески доступных циркуляционных устройств, например 37, применяют параметры волокна, сращивание волокон 35, 39 и 45 с волокнами устройства 37 осуществляется для минимизации потерь. Такое сращивание описано в Electron.Let.Vol.22 No.6; pp.318, 1986; "Low-loss joints between dissimilar fibres by tapering fusion splices".
Соединитель на конце волокна 39 с оптикой 41 приемопередатчика адаптирует диаметр поля моды MFD с оптикой 41 приемопередатчика, действующей как излучатель, и оптикой приемника и определяет расхождение излучаемого светового пучка. Соединительный блок 49 с оптикой 41 приемопередатчика сам по себе рассматривается как признак новизны и, в более общем виде, в "4. Двусторонний соединитель."
T
R
T
I
T
Если отдельно предусмотрены оптика передатчика 41, показанная пунктирной линией, и оптика приемника 41, также показанная пунктирной линией, очевидно, что циркулятор 37 можно исключить. Тогда конец того волокна, например активного волокна от каскада усилителя 25 адаптирует MFD к оптике 49 и, таким образом, определяет расхождение излучаемого лазерного пучка. Определение этого расхождения путем надлежащего размещения конца волокна позволяет добиться значительной структурной экономии на соответствующих оптических устройствах 41, 41, например, в отношении линз.
Если устройство с волокном 39 предусмотрено как каскад усилителя, вместо активного волокна можно обеспечить тело из легированного стекла, например стержень из легированного стекла.
Несмотря на то, что можно накачивать все каскады усилителя 7, 25 и, возможно, 39 с помощью одного диода накачки 13, следует понимать, что блок 11 накачки, показанный на фиг. 1, для накачки первого 7, второго 25 и, возможно, других каскадов оптоволоконного усилителя содержит несколько децентрализованных диодов накачки, необходимых для обеспечения требуемой мощности накачки. Таким образом, представление "одного устройства", показанное на фиг. 1, было выбрано исключительно в целях упрощения.
Лазерный источник 51, включающий в себя главный лазерный блок 1 и, по меньшей мере, первый каскад оптоволоконного усилителя 7, представляет собой лазерный источник в установке оптоволоконного задающего генератора/усилителя мощности, т.е. оптоволоконный лазерный источник MOPA.
Определение
Мы рассматриваем "оптическое волокно", будь то "пассивное" или активное, в целях усиления, как коаксиальные, а также полосковые волноводы. По мере увеличения возможности изготовления волноводов с низкими потерями путем полоскового покрытия подложек из материала типа пластмассы, что обеспечивает высокую плотность упаковки волноводов и гибкость монтажа, мы предполагаем, что в ближайшем будущем появится возможность конструировать оптические волокна также для данной системы с помощью этой полосковой техники.
Согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 1, используется система с двухкаскадным или, возможно, трехкаскадным оптоволоконным усилителем. В настоящее время такие системы ограничиваются энергией единичного импульса около 100 мкДж, что недостаточно для одноимпульсного лазерного измерения дальности раздельных целей на расстояниях в несколько километров. Поэтому в настоящее время используется метод многоимпульсной интегральной оценки.
R
Многоимпульное прямое измерение дальности или целеуказание содержит известное в уровне техники детектирование изменяющегося со временем светового сигнала, отраженного от цели 27 и, согласно фиг. 1, коллимированного оптикой приемопередатчика 41 или 41.
Сигнал преобразуется в электрический сигнал, цифруется и сохраняется, например, в блоке 47 оценки. Благодаря интегрированию на блоке оценки цифровых электрических сигналов, представляющих отраженный свет множественных импульсов, отношение сигнал-шум повышается.
Различные известные методы обработки цифровых сигналов можно применять для идентификации времени распространения множественных лазерных импульсов, испущенных лазерной системой, отраженных от цели 27, детектированных и оцененных детектором приемника и блоками 43 и 47 оценки, каковые методы не описаны в рамках настоящих изобретений во всех их аспектах.
Как схематически показано на фиг. 1, лазерный диод 3 главного лазерного блока 1 действует под управлением блока 53 импульсного управления. Диод или диоды 13 накачки блока 11 накачки также работают в импульсном режиме, благодаря чему согласно одному аспекту, рассматриваемому самому по себе как признак новизны, и согласно "3. Модулируемый усилитель" импульсный режим диода или диодов 13 накачки синхронизируется с импульсным режимом лазерного диода 3. Таким образом, устанавливается заранее определенный или регулируемый фазовый сдвиг импульсного управления диодов накачки 13 относительно импульсного управления лазерного диода 3. Тем не менее такой фазовый сдвиг не обязан быть одинаковым для соответствующего/их диода или диодов накачки, накачивающих разные каскады оптоволоконного усилителя, и не должен быть постоянным во времени.
Синхронизация фазируется соответствующими цепями автофазировки с отрицательной обратной связью (не показаны на фиг. 1).
Импульсную мощность, поступающую от диодов накачки 13 на соответствующие каскады оптоволоконного усилителя 7, 25, возможно, 39 можно представить как импульсную модуляцию коэффициента усиления G этих каскадов. Параметры такой модуляции коэффициента усиления, в частности значение коэффициента усиления, коэффициент заполнения и/или отношение коэффициентов усиления можно регулировать или подстраивать в режиме отрицательной обратной связи для оптимизации стабильности и отношения сигнал-шум системы в целом.
F
L
Вышеописанный блок 29 оптоволоконного фильтра УСИ устроен так, чтобы его полоса пропускания с λ имела, по существу, такой же сдвиг как функция температуры, будучи в заранее определенном температурном диапазоне, что и длина волны λ лазерного света, излучаемого главным лазерным блоком 1. Это достигается за счет "пассивного" согласования блока 29 оптоволоконного фильтра УСИ, реализованного согласно фиг. 9, и объясненного в "2. Согласование температурного сдвига". Главный лазерный блок 1, блок 29 оптоволоконного фильтра УСИ, а также, возможно, каскады оптоволоконного усилителя 7, 25 и, возможно, 39, имеют тесную тепловую связь, поэтому они испытывают, по существу, одинаковые изменения температуры с течением времени. Это упрощает согласование.
В контексте фиг. 1 описана оптоволоконная лазерная система MOPA применительно к методу прямого детектирования множественных некогерентных импульсов для лазерного измерения дальности совокупных или раздельных целей или для целеуказания, реализованных в портативных или даже карманных инструментах.
Инструменты, включающие в себя систему, описанную со ссылкой на фиг. 1, компактны, демонстрируют максимальную дальность обнаружения, в зависимости от мощности установленного лазера, от 1 км до 10 км для раздельных и даже малоразмерных целей, обладают низким энергопотреблением, обеспечивают излучаемый лазерный пучок с исключительно малым расхождением благодаря адаптации MFD для конца волокна, даже с коллиматорами малой фокальной длины, и легко интегрируются в оптические системы. Благодаря полностью волоконной конструкции эта лазерная система является устойчивой или надежной без необходимости прочных элементов конструкции для крепления дискретных оптических компонентов, которые могут терять выравнивание вследствие вибрации, колебаний температуры или температурных ударов. Внутриволоконный выходной пучок имеет ряд преимуществ для портативного применения. Гибкость упаковки компонентов оптоволоконной лазерной системы MOPA в корпусе обеспечивает снижение форм-факторов при интеграции в оптические системы, например портативные инструменты наблюдения и инструменты разведки, карманные дальномеры или системы, установленные на корабле, подводной лодке, космическом корабле, самолете и наземном транспортном средстве, например танке, где свободное пространство ограничено.
2. Согласование температурного сдвига
L
На фиг. 1 показано согласование температурного сдвига спектральной позиции характеристики блока 29 фильтра с температурным сдвигом длины волны лазера λ. В более общем случае следует рассмотреть лазерный источник с нижестоящим оптическим фильтром, в частности, имеющим узкополосную характеристику, удаляющим нежелательные спектральные компоненты из света, излучаемого лазерным источником.
L
L
Без обеспечения лазерного источника, например 51, показанного на фиг. 1, температурная стабилизация, по меньшей мере, активных устройств генерации лазерного света, например, посредством охладителя с высокой теплоемкостью или путем регулировки температуры с отрицательной обратной связью, в зависимости также от температурных условий окружающей среды, в которой в ходе работы находится лазерный источник, изменение температуры приводит к сдвигу длины волны лазерного света λ. Отношение сигнал-шум (S/N) после блока узкополосного фильтра, например 29, показанного на фиг. 1, возрастает с уменьшением ширины полосы пропускания блока фильтра при стационарных, не зависящих от времени условиях. С другой стороны, чем меньшей выбирается ширина полосы пропускания, тем больший сдвиг длины волны лазерного света λ потребуется для снижения S/N. В частности, для лазерных систем, где компактность, низкое энергопотребление и высокое S/N являются непременными требованиями, необходимость в температурной стабилизации лазерного источника создает серьезные проблемы. Это, в частности, справедливо для, по существу, всех оптоволоконных лазерных источников, в особенности лазерных источников MOPA, например 51, показанного на фиг. 1, с нижестоящим блоком 29 фильтра, в котором блок 29 фильтра, в частности, предусмотрен для снижения шума УСИ.
L
Всякий раз, когда температурный сдвиг длины волны лазерного света λ сам по себе не приносит значительного вреда, но приводит к снижению S/N, принципиальный подход согласно одному аспекту настоящего изобретения состоит не в стабилизации длины волны лазерного света путем стабилизации температуры, но в согласовании температурной зависимости спектральной позиции характеристики фильтра для нижестоящего фильтра с температурной зависимостью длины волны лазерного света.
L
Таким образом, в лазерной системе, в которой после лазерного источника предусмотрен оптический фильтр, температурная стабилизация длины волны лазера λ является избыточной и поэтому исключена.
Со ссылкой на функциональную блок-схему/схему прохождения сигналов, показанную на фиг. 2, опишем общее решение согласно одному аспекту настоящего изобретения.
g
L0
0
g
L
51
Лазерный источник 51 изучает лазерный свет на длине волны λпри температуре θ лазерного источника, согласно фиг. 1, в частности лазерного диода 3. Согласно качественной диаграмме, показанной в блоке, представляющем лазерный источник 51, длина волны λ сдвигается как функция температуры θ согласно характеристике (a) длина волны/температура.
7g
7
29g
F
29g
Лазерный свет, излучаемый на выходе A, например выходе Aна фиг. 1, в ходе работы поступает на вход E блока 29g фильтра, который имеет, по меньшей мере, одну характеристическую длину волны λ характеристики фильтра. Эта характеристика в наиболее общем случае может быть характеристикой пропускания низких частот и/или высоких частот или полосового пропускания. Блок 29g фильтра может действовать в режиме пропускания или отражения входного и выходного света на выходе А.
F
F
F
29
В общем случае характеристическая длина волны λ блока 29g фильтра характеризует ту часть характеристики фильтра, которая используется для удаления нежелательных спектральных диапазонов из выходного света. Характеристика фильтра может задавать более одной характеристической длины волны λ. Характеристика фильтра, задаваемая одной или более чем одной характеристической длиной волны λ, может сдвигаться как функции температуры θ фильтра, что качественно представлено характеристикой (b) на фиг. 2.
51
0
g
g
29
g
0
F
L
g
g
Согласно данному аспекту настоящего изобретения вместо стабилизации θ, например, равной рабочей температуре θ на лазерном источнике 51 и либо выбирая блок 29фильтра, где спектральный сдвиг характеристики фильтра как функция температуры пренебрежимо мал, либо стабилизируя температуру θ на блоке фильтра 29, например, равной θ, как показано на фиг. 2, температурный сдвиг характеристической длины волны фильтра λ регулируется в точном соответствии с температурным сдвигом длины волны лазерного света λ, по меньшей мере, в заранее определенном температурном диапазоне Δθ. Это облегчается за счет установления тесной тепловой связи между лазерным источником 51 и блоком 29 фильтра, которая схематически представлена связью 60.
7g
L
L
L
29g
L
g
g
.
Предполагая, что лазерный свет, выводимый на A, имеет требуемую длину волны λ и имеет энергию шума в спектральных диапазонах, близких к λПо мере того, как λ сдвигается с температурой, на выходе A появляется фильтрованный выходной свет со сдвинутой длиной волны λ и с, по существу, неизменным S/N. Таким образом, достигается значительное снижение температурной зависимости S/N. Благодаря тому, что температурная стабилизация, в смысле поддержания постоянной температуры, не требуется, например, температурная регулировка с отрицательной обратной связью, общая конфигурация значительно упрощается, что приводит к повышению компактности, а также к снижению энергопотребления. Также в зависимости от интенсивности лазерного света, излучаемого лазерным источником 51, и, таким образом, от термической нагрузки блока 29 оптического фильтра, можно использовать разные методы, известные специалистам в данной области техники, для реализации блока 29g оптического фильтра, сначала рассмотренного без дополнительных мер для обеспечения управляемого сдвига спектральной позиции его характеристики в зависимости от температуры.
Такие фильтры могут представлять собой, например:
- интерференционные фильтры, содержащие многослойную систему тонких диэлектрических слоев;
- поверхностные и/или объемные оптические дифракционные решетки;
- брэгговские решетки;
- спектрально-избирательные зеркала,
которые все могут работать в режиме пропускания или отражения.
Все или, по меньшей мере, почти все оптические фильтры, которые можно использовать в вышеуказанных целях, базируются на геометрии структур фильтра, например, на толщине слоев, ширине дифракционной решетки, которые определяют характеристические длины волны таких фильтров, а также на оптических параметрах, например показателе преломления используемых материалов.
Такая опора на геометрию используется согласно данному аспекту изобретения путем генерации на соответствующем фильтре механической нагрузки, которую можно - в одном случае - реализовать напрямую, термически нагружая соответствующую структуру фильтра и используя присущие материалу изменения геометрии как функцию температуры, или - в другом случае - подавая внешнюю механическую нагрузку, генерируемую подходящим термомеханическим преобразованием, тем самым также учитывая температурно-зависимое изменение оптических параметров материала. Фактически, в обоих случаях применяется термомеханическое преобразование, будь то связанное с соответствующим тепловым поведением материала или с приложением внешней механической нагрузки как функции температуры. Таким образом, согласно наиболее общему аспекту применяется термомеханическое преобразование.
62
29g
g
F
F
g
L
В общем случае и согласно фиг. 3 предусмотрен температурно-механический преобразователь 62, механический выходной сигнал A которого в ходе работы поступает на механический вход E блока 29 фильтра, каковой блок действует как механооптический преобразователь, таким образом, что характеристика фильтра с λ претерпевает спектральный сдвиг под действием механической нагрузки и в результате этого происходит геометрическое изменение. Таким образом, спектральная позиция характеристики фильтра с λ блока 29 фильтра в зависимости от входной температуры θ согласуется с температурной зависимостью длины волны λ лазера.
L
Согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 3, комбинированное температурно-механическое и механооптическое преобразование требуется согласовывать с температурной зависимостью длины волны λ лазерного источника 62.
Если лазерный источник, например лазерный источник 51 на фиг. 1, содержит активное лазерное устройство, например лазерный диод 3, который излучает свет в более широком спектральном диапазоне, например диод Фабри-Перо, выход лазерного источника обычно стабилизируют, нагружая лазерное устройство оптическим резонатором. Такой резонатор может быть оптически ограничен оптическим фильтром, действующим как узкополосный отражательный фильтр. Центральная длина волны структуры полосового фильтра, по существу, определяет длину волны, на которой работает и, таким образом, стабилизируется лазерное устройство.
Определение:
L
F
Мы называем структуру фильтра, составляющую часть оптического резонатора, который нагружает активное лазерное устройство, каковая структура фильтра действует как узкополосный отражательный фильтр, центральная длина волны которого стабилизирует устройство для работы в узком диапазоне длин волны, в идеале, на длине волны лазера, стабилизирующим фильтром. В этом случае одна возможность реализации, по существу, одинаковых температурных сдвигов длины волны излучаемого лазерного света λи характеристики фильтра с длиной волны λ нижестоящего блока фильтра состоит в установлении, по существу, одинаковых температурных спектральных сдвигов стабилизирующего фильтра и нижестоящего фильтра. Это схематически показано на фиг. 4.
64
F1
F1
L
.
Согласно фиг. 4 активное лазерное устройство 64, в конкретном варианте осуществления, представленном на фиг. 1, лазерный диод 3 излучает в ходе своей работы свет в сравнительно широком спектральном диапазоне B. Стабилизирующий генератор 65 со стабилизирующим фильтром 66 имеет резонансную длину волны, по существу, определяемую центральной длиной волны λ полосы пропускания стабилизирующего фильтра 66. Стабилизирующий фильтр 66 предусмотрен как механооптический преобразователь. Механическая нагрузка, например сдвиг, сжатие, растяжение или движение, приложенная к нему, вызывает спектральный сдвиг центральной длины волны λТаким образом, в зависимости от механического сигнала m, подаваемого на стабилизирующий фильтр 66, длина волны λ, на которой стабилизируется устройство 64, изменяется.
s
L
F1
В частности, благодаря дополнительным оптическим каскадам, например каскадам усилителя, соответствующим каскаду усилителя 7, показанному на фиг. 1, на выходе стабилизированного лазерного источника 51 излучаемый свет содержит также энергию на длине волны, отличной от λ=λ (m), которая рассматривается как шум.
g
g
F
g
F2
F1
F1
F2
По аналогии с фиг. 3 предусмотрен блок 29 фильтра, одновременно действующий как механооптический преобразователь. Спектральная позиция характеристики фильтра для блока 29, задаваемая одной или более чем одной характеристической длиной волны λ, управляемо сдвигается в зависимости от подаваемого сигнала механической нагрузки. В случае узкополосной характеристики блока 29 фильтра центральную длину волны λ полосы пропускания выбирают равной λ стабилизирующего фильтра 66. Спектральные сдвиги λ и λ соответственно в зависимости от входных сигналов механической нагрузки m регулируются так, чтобы они были как можно ближе друг к другу.
g
g
F2
F1
F1
L
L
L
F2
Если стабилизирующий фильтр 66 и фильтр 29 одинаковы, и температурно-механический преобразователь 68 выдает на оба фильтра 66 и 29 один и тот же сигнал механической нагрузки m, то температурный сдвиг λ и λ будет, по существу, одинаковым. Поскольку λ определяет длину волны лазерного света λ, температура θ не влияет на коэффициент усиления лазерного света, несмотря на изменение длины волны λ(θ), которое может быть вызвано сдвигом λ относительно характеристической длины волны фильтра λ.
g
66
29g
g
Необходимо, чтобы два фильтра 66 и 29 имели одинаковую характеристику механооптического преобразования. Если эти характеристики отличаются, то, как схематически показано на фиг. 4 соответствующими блоками взвешивания 70 и 70, различие между характеристиками учитывается путем приложения, для одной и той же температуры θ, разных механических нагрузок к фильтрам 66 и 29.
F
L
g
Согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 3, общая характеристика преобразования температуры θ в спектральный сдвиг характеристики фильтра с λ должна быть согласована со температурным спектральным сдвигом длины волны λ лазера. Согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 4, это достигается согласованием нижестоящего фильтра 29 со стабилизирующим фильтром 66. В обоих вариантах осуществления, представленных на фиг. 3 и фиг. 4, был рассмотрен управляемый температурно-зависимый сдвиг спектральной позиции характеристики фильтра для одного или более одного оптического фильтра во избежание выхода длины волны лазерного света из требуемого спектрального диапазона фильтра.
Согласно вышесказанному существуют два подхода в отношении механической регулировки оптических характеристик фильтра. В первом подходе, который мы называем "активным", на оптический фильтр подается сигнал механической нагрузки, например сила, который генерируется в зависимости от температуры внешним преобразователем. Вторая возможность состоит в использовании механических и/или оптических характеристик, например показателя преломления, который изменяется в зависимости от температуры на самом оптическом фильтре. Такими характеристиками материала могут быть тепловое расширение, сжатие, изгиб, показатель преломления и т.д. В этом случае характеристика фильтра регулируется геометрической и материальной схемой и термомеханической и термооптической характеристиками материала, которые определяют характеристику фильтра в зависимости от температуры. Мы называем этот подход "пассивным" подходом.
g
a
0
a
a
"Активный" и "пассивный" подходы к реализации температурной регулировки блоков фильтра, например блока 29 и/или стабилизирующего фильтра 66, показанного на фиг. 3 и 4, и согласно фиг. 1 блока 29 фильтра, схематически показаны соответственно на фиг. 5 и 6. Согласно фиг. 5 блок 72 фильтра реализован, в порядке примера, в виде дифракционной решетки 72, например, созданной в объеме материала M. Внешний блок возбуждения содержит температурно-электрический преобразователь 74, например датчик температуры. Выходной сигнал преобразователя 74 поступает на блок 76 электромеханического преобразователя, например на пьезоэлектрическое устройство. Блок 76 электромеханического преобразователя, например, оказывает давление на блок 72 фильтра с дифракционной решеткой 72. В результате дифракционная решетка 72 испытывает механическую деформацию, которая приводит к спектральному сдвигу пропущенного или отраженного спектра с длиной волны λ(m).
p
1
2
В "пассивном" варианте осуществления, схематически показанном на фиг. 6, дифракционная решетка 72 реализована на границе раздела между двумя разными материалами M и М или, возможно, в объеме одного материала. В силу температурно-зависимого геометрического и оптического изменения одного материала или разных материалов спектральная позиция характеристики фильтра сдвигается. Таким образом, в "пассивном" варианте осуществления, схематически проиллюстрированном на фиг. 6, сама структура материала элемента фильтра действует как температурно-механический преобразователь 62, 68 на фиг. 3 или 4 и, кроме того, как механооптический преобразователь и в отношении оптических характеристик материала как термооптический преобразователь.
На фиг. 7 посредством схемы передачи сигналов функциональной блок-схемы показана одна форма реализации вариантов осуществления, которые были частично объяснены со ссылкой на фиг. 2-6.
80
82
82
84
84
86
96
88
86
80
82
82
2
L
Выход A лазерного источника 80 функционально подключен ко входу Е циркулятора 82. Вход/выход ЕA циркулятора 82 подключен ко входу/выходу EA блока 84 двустороннего оптического усилителя. Выход/вход AE блока 84 усилителя функционально подключен к входу/выходу EA блока 86 узкополосного отражения. Отраженный спектральный диапазон блока 86 допускает управляемый сдвиг посредством входного сигнала механической нагрузки mE. Блок 88 температурно-механического преобразователя имеет механический выход mA, который функционально подключен к механическому входу mE блока 86 узкополосного отражения. Специалисту в данной области техники очевидно, что лазерный свет на A поступает через циркулятор 82 и блок 84 усилителя на блок 86 узкополосного отражения и там отражается. Отраженный свет поступает через блок 84 усилителя и EA циркулятора 82 на выход А. Температура θ лазерного источника 80 воспринимается температурно-механическим преобразователем 88, что приводит к сдвигу спектральной позиции узкополосного отраженного спектра блока 86 отражения. Таким образом, спектральная позиция характеристики фильтра блока 86 отражения согласуется с температурным сдвигом длины волны λ лазерного света.
Этот вышеописанный вариант осуществления соответствует варианту осуществления, описанному со ссылкой на фиг. 3, т.е. предусматривает "активное" согласование, показанное на фиг. 5.
L
Как показано пунктирными линиями, согласно еще одному варианту осуществления можно предусмотреть стабилизирующий фильтр 89, соответствующий стабилизирующему фильтру 66, показанному на фиг. 4, чтобы спектральный сдвиг характеристики фильтра для блока 86 был согласован со спектральным сдвигом длины волны λ лазера благодаря стабилизирующему фильтру 89.
1
Оба варианта осуществления, т.е со стабилизирующим фильтром 89 и без него, также можно реализовать в "пассивной" форме. Это соответствует фиг. 6 и показано на фиг. 7 посредством температуры θ, непосредственно влияющей на блок 86 и его геометрические и/или оптические параметры, определяющие спектральную позицию характеристики фильтра на блоке 86. Ту же "пассивную" технику можно применять к стабилизирующему фильтру 89. Согласно одному варианту осуществления стабилизирующий фильтр 89 предполагается, по меньшей мере, аналогичным блоку 86 узкополосного отражения, например, имеющим тот же тип и материал, для облегчения согласования спектральных сдвигов. Как далее схематически показано на фиг. 7, механическим сигналом m, например, угол наклона φ отражающей поверхности можно управляемо изменять, "пассивно" или "активно", тем самым управляемо изменяя спектральную позицию отраженной полосы пропускания.
В некоторых случаях и с применением стабилизирующего фильтра 89 может быть пригодна реализация смешанного типа, например "активная" работа стабилизирующего фильтра 89 и "пассивная" работа блока 86 фильтра или наоборот.
a
Согласно вышесказанному согласование спектральных позиций характеристик фильтра для блоков фильтра после лазерного источника со сдвигом длины волны лазера в зависимости от температуры, в частности, пригодно для высококомпактных, маломощных лазерных систем. Такая лазерная система представляет собой, в частности, систему, которая, по меньшей мере, в основном реализована посредством оптоволоконной техники. Таким образом и согласно фиг. 7, например, блок 84 усилителя может быть реализован в виде «активного» оптического волокна 84, благодаря чему, в таком случае, блок 86 узкополосного отражения преимущественно также реализован посредством оптоволоконной технологии.
Существует несколько возможностей реализации блока 84a отражения.
84a
a
Блок оптического фильтра, состоящий из тонких слоев диэлектрических материалов и действующий как интерференционное отражающее устройство. Слои наносятся, например, приклеиванием или покрытием на конец AE «активного» оптического волокна 84 или обеспечиваются в виде отдельного оптического элемента, который соединен встык или присоединен через отдельное соединительное устройство к концу волокна. Диэлектрические покрытия призваны создавать спектральный сдвиг отраженного узкополосного спектра при наличии механического напряжения или при непосредственном термическом нагружении.
84a
Дополнительная возможность состоит в обеспечении поверхностных и/или объемных дифракционных решеток, например структур с пространственной периодичностью, на конце и/или вблизи конца AE «активного» оптического волокна 84a. Здесь также предусмотрено, что геометрия дифракционных решеток изменяется под действием механического напряжения, приложенного к ним "активно" или "пассивно", как было объяснено.
Дополнительная возможность состоит в применении оптоволоконных брэгговских решеток, однородных аподизированных или с линейно изменяющейся постоянной или снабженных покрытием оптоволоконных брэгговских решеток, оптоволоконных брэгговских решеток в волокнах, отличающихся по составу или структуре, например полимерных волокнах, германосиликатных волокнах или фотонно-кристаллических волокнах. Здесь также геометрические изменения и/или изменения оптических параметров материала обеспечивают спектральный сдвиг характеристик фильтра.
Вышеописанные лазерные системы, согласованные по температуре, реализованные в оптоволоконной технике - по меньшей мере, частично - хорошо подходят для карманных или, по меньшей мере, портативных систем, для систем, где размеры, энергопотребление и надежность являются основными требованиями. Такие системы могут представлять собой, например, подводные лодки, корабли, космические корабли, самолеты, наземные транспортные средства, в частности танки. Лазерная система, особо пригодная для таких применений, описана со ссылкой на фиг. 1.
37
a
На фиг. 8 показана часть системы, изображенной на фиг. 1, которая реализована согласно фиг. 7 в оптоволоконной технике. Для облегчения понимания, для обозначения элементов, которые уже были описаны, используются одни и те же позиции. Выход лазерного диода 1 согласно фиг. 1 функционально подключен к циркулятору 82, показанному на фиг. 7. Каскады усилителя 7 и 25, показанные на фиг. 1, реализованы накачиваемым двусторонним оптоволоконным каскадом усилителя 84a, показанным на фиг. 7, и блок 29 фильтра УСИ реализован оптоволоконным блоком 86 узкополосного отражения, объясненным со ссылкой на фиг. 7. Выход циркулятора 82 согласно фиг. 1 может непосредственно, функционально, подключаться ко входу E циркулятора 37. Каскад усилителя 7, фильтр УСИ 29 и второй каскад усилителя 25, показанные на фиг. 1, реализованы двусторонним накачиваемым каскадом оптоволоконного усилителя 84 и оптоволоконным блоком 86 узкополосного отражения. Очевидно, что согласно варианту осуществления, представленному на фиг. 8, для температурного согласования также можно применять все вышеописанные возможности, в частности «пассивную» регулировку, «активную» регулировку, дополнительное обеспечение стабилизирующего фильтра, например, 89 на фиг. 7.
Вариант осуществления, представленный на фиг. 8, предусматривает двухполосную лазерную систему в установке MOPA, в которой узкополосный фильтр УСИ согласован с главным лазером в отношении температурного сдвига длины волны лазера и спектральной позиции полосы пропускания фильтра УСИ.
Блок 86 узкополосного отражения, показанный на фиг. 7 и соответствующий блоку 29 фильтра УСИ, показанному на фиг. 8, можно реализовать, например, согласно фиг. 7.
0
L
L
На фиг. 9 схематически проиллюстрирована одна реализация блока 86, в частности, подключаемая к вышестоящему оптическому волокну, например активному волоконному усилителю 84a, показанному на фиг. 8. Блок 86 содержит низкочастотную ступень 87 фильтра на основе дифракционной решетки, после которой следует высокочастотная ступень 88 фильтра на основе дифракционной решетки, при опорной температуре θ, обе имеющие критические длины волны, приблизительно равные λ лазерного света. Оптоволоконная брэгговская решетка 90 действует как отражающий элемент. Механическая регулировка, в частности, критических длин волны ступеней 87 и 88 осуществляется "активно", например, путем сжатия или "пассивно" путем обеспечения соответствующей дифракционной решетки в материале, которая имеет требуемую характеристику зависимости объема от температурного сдвига. Из фиг. 7 следует, что стабилизирующий фильтр 90 можно снабдить ступенями фильтра на основе дифракционной решетки, аналогичными ступеням 87 и 88 для обеспечения согласованного сдвига длины волны лазера λ и полосы пропускания фильтра.
Лазерная система, проиллюстрированная на фиг. 7, 8 и 9, работает с блоками 86 отражательного фильтра.
По аналогии с фиг. 7 на фиг. 10 схематически проиллюстрирована лазерная система, в которой блок узкополосного фильтра действует как пропускающее устройство.
92
94
94
96
L
F
L
Согласно фиг. 10 выход A лазерного источника 92 функционально подключен ко входу E блока 94 оптического усилителя. Выход A функционально подключен ко входу E блока 96 узкополосного фильтра. Длина волны λ лазерного источника 92 испытывает сдвиг, зависящий от температуры θ, что показано в блоке 92. Характеристика фильтра с центральной длиной волны λ блока узкополосного фильтра 96 сдвигается в зависимости от температуры 9, по существу, также, как λ. Таким образом, можно реализовать, опять же, "активную" или «пассивную» регулировку температурно-зависимого спектрального сдвига характеристики фильтра.
1
"Пассивная" и «активная» регулировки понятны специалистам в данной области техники из предыдущих объяснений, поэтому на фиг. 10 обе возможности представлены только сигналом механической нагрузки m(θ).
L
Принцип работы системы, показанной на фиг. 10, реализован, например, в системе, показанной на фиг. 1, согласно фиг. 11. Таким образом, блок 29 фильтра УСИ содержит оптоволоконную низкочастотную ступень 87 на основе дифракционной решетки и оптоволоконную высокочастотную ступень 88 на основе дифракционной решетки по аналогии с фиг. 9. Опять же, может применяться "пассивная" или «активная» регулировка для спектрального сдвига центральной частоты полосы пропускания в зависимости от температуры θ, в согласовании с температурным сдвигом длины волны лазера λ. Отсюда также следует и согласно фиг. 7 или фиг. 4, что можно обеспечить стабилизирующий фильтр, и температурный сдвиг этого фильтра согласован с температурным сдвигом фильтра УСИ 29.
В этой главе мы описали согласно одному аспекту настоящего изобретения метод ослабления влияния температурного сдвига длины волны лазерного света не за счет стабилизации температуры лазерного источника, а за счет согласования упомянутого температурного сдвига и температурного сдвига спектральной позиции характеристик нижестоящего фильтра. В силу того, что метод согласования может сделать излишними охлаждение или схемы температурной регулировки, он наиболее пригоден для лазерных систем, где основным требованием является высокая компактность, низкое энергопотребление и надежность. Эти требования, в частности, применяются к лазерным системам, которые, по меньшей мере, частично построены на основе оптического волокна, с одной стороны, для обеспечения максимальной гибкости конструкции, ведущей к повышению компактности, и которые благодаря этому преимуществу наиболее пригодны для карманного или портативного оборудования, для которого также требуются низкое энергопотребление и высокая надежность. Большое преимущество в отношении компактности достигается благодаря, по существу, полностью оптоволоконной лазерной системе, которая была раскрыта со ссылкой на фиг. 1, в частности, но не исключительно, пригодной для портативных лазерных дальномеров или целеуказателей. Тем не менее метод согласования можно использовать и в более общем случае и, как было описано, для всех видов лазерных систем, где относительный сдвиг длины волны лазера и спектральной позиции характеристики нижестоящего фильтра является проблемой, и где сдвиг по длине волны сам по себе допустим.
3. Модулируемый усилитель
Применительно к лазерной системе согласно современному варианту осуществления и согласно описанию, приведенному со ссылкой на фиг. 1, мы имеем импульсную работу лазерного диода 3 и импульсную накачку каскадов оптоволоконного усилителя 7, 25 и, возможно, 39, в связи с чем накачка каскадов оптоволоконного усилителя синхронизирована с импульсной работой лазерного диода 3.
Рассмотрим в более общем плане импульсный режим работы лазерного источника и импульсную накачку нижестоящего оптического усилителя, а также синхронизацию этих импульсных режимов. Эти аспекты дополнительно проиллюстрированы в данной главе.
Изменение импульсной накачки усилителя в целях синхронизации можно рассматривать в рамках более широкого аспекта, а именно модуляции коэффициента усиления оптического усилителя, с одной стороны, с другой стороны, делая это, по меньшей мере, частично в синхронизме с импульсным режимом лазерного источника. Таким образом, этот метод применим к лазерной системе сам по себе или в сочетании с одним или несколькими другими аспектами настоящего изобретения.
3P
151
107
107
Согласно фиг. 12 лазерный источник 151 излучает импульсный лазерный свет под управлением блока 153 импульсной регулировки через вход импульсной регулировки E лазерного источника 151. Импульсный лазерный свет, излучаемый на выходе A, в ходе работы поступает на вход Е каскада оптического усилителя 107. Каскад усилителя 107 модулируется по коэффициенту усиления. Модуляция коэффициента усиления регулируется блоком 113 управления модуляцией через вход регулировки коэффициента усиления Eg каскада усилителя 107. На выходе каскада усилителя 107 излучается импульсный лазерный свет с модулируемым коэффициентом усиления, обозначенный на фиг. 12 как G(t)i, где i - импульсный лазерный свет, излучаемый лазерным источником 151, таким образом, работа блока 113 регулировки коэффициента усиления, т.е. изменение коэффициента усиления G(t) на каскаде усилителя 107, по меньшей мере, частично синхронизируется с импульсной работой лазерного источника 151, что показано на фиг. 12 блоком 114 синхронизации.
0
s
Модулированный коэффициент усиления G(t) может представлять собой составной сигнал коэффициента усиления, состоящий из, возможно, изменяющегося во времени компонента коэффициента усиления G(t), который не синхронизирован с импульсным светом, излучаемым лазерным источником 151, и компонента G(t), который синхронизирован с импульсной работой.
0
3
На фиг. 13, исключительно для примера, показан импульсный лазерный свет i (a), качественный график коэффициента усиления G(t)=G(t)+G(t), модулируемого на каскаде усилителя 107, и (c) результирующий импульсный свет G(t)i.
0
s
Из фиг. 13 следует, что модуляция коэффициента усиления содержит несинхронизированный компонент коэффициента усиления G(t) и наложенный на него синхронизированный компонент G(t). Синхронизация осуществляется, например, относительно нарастающего фронта r лазерных импульсов i и задается фазовым сдвигом ϕ(t). Фаза синхронизации ϕ(t) может быть, таким образом, неизменной во времени или может изменяться со временем. Из фиг. 13 следует, что благодаря управляемой синхронизации модуляции коэффициента усиления G каскада оптического усилителя 107 временной ход лазерных импульсов на выходе каскада усилителя можно изменять наиболее гибко.
L
L
L
Существуют различные причины для изменения во времени энергии лазерных импульсов, излучаемых лазерным источником 151. В главе "2. Согласование температурного сдвига" мы рассмотрели, как относительные спектральные сдвиги между длиной волны λ лазерного света и характеристикой фильтра, например, узкополосного оптического фильтра могут значительно влиять на энергию выходного лазерного света на длине волны λ и на S/N. Мы рассмотрели подход к согласованию температурного сдвига длины волны λ лазерного света и спектральной позиции характеристики нижестоящего фильтра для решения этой проблемы. Вместо этого подхода или в дополнение к нему выходная энергия лазера, стоящего после каскада усилителя 107, как схематически показано на фиг. 12, может отслеживаться, и нежелательное уменьшение или увеличение такой энергии, например, вследствие взаимных сдвигов может компенсироваться. Таким образом, рассмотренный здесь метод, а именно модуляция коэффициента усиления, позволяет противодействовать, в более общем случае, нежелательным изменениям выходной энергии независимо от их вышестоящего источника.
Дополнительные задачи, которые позволяет решить метод модуляции коэффициента усиления, состоят в максимизации S/N, оптимизации выходной энергии импульсов относительно входной электрической мощности, т.е. оптимизации энергетической эффективности.
В отношении модуляции коэффициента усиления каскада оптического усилителя можно применять различные возможности в зависимости от типа каждого каскада оптического усилителя.
Обычно оптический усилитель лазерного света является накачиваемым усилителем, что уже было оговорено в связи с фиг. 1. Таким образом, на накачиваемом оптическом усилителе модуляцией коэффициента усиления можно управлять, регулируя энергию света накачки и/или длину волны света накачки. Дополнительная возможность регулировки коэффициента усиления состоит в обеспечении на оптическом усилителе оптической характеристики фильтра и в осуществлении модуляции коэффициента усиления путем спектрального сдвига характеристики фильтра, что было рассмотрено для различных оптических фильтров в главе "2. Согласование температурного сдвига", в частности в связи с "активным" режимом. Специалисту в данной области совершенно ясно, что, обеспечивая в каскаде усилителя 107 оптический фильтр, описанный в упомянутой главе, и осуществляя управляемый спектральный сдвиг его характеристики фильтра, можно управляемо модулировать коэффициент усиления каскада усилителя 107. Кроме того, для накачиваемых усилителей можно модулировать оптическую длину возбужденного "активного" материала, каковая длина непосредственно влияет на коэффициент усиления каскада усилителя.
115
117
113mod
0
113mod
0
На фиг. 12 дополнительно показана конфигурация 115 датчиков, которая измеряет после каскада усилителя 107 с модулируемым коэффициентом усиления один или несколько параметров импульсного лазерного света. Такая конфигурация 115 датчиков может, например, измерять фактическое S/N, энергию импульса или усредненную энергию импульса. Измеренное фактическое значение требуемого параметра, представленное электрическим сигналом на выходе A, сравнивается на блоке компаратора 117 с требуемым значением требуемого параметра или соответствующей временной зависимостью, заранее установленной в блоке 119 хранения. На выходе А блока компаратора 117 генерируется разностный сигнал Δ, который управляет через блок 121 управления модуляцией коэффициента усиления каскада усилителя 107 на входе управления модуляцией Е и/или регулирует значение коэффициента усиления G(t), т.е. несинхронизированной части коэффициента усиления G(t) усилителя. Таким образом, устанавливается регулировка посредством отрицательной обратной связи для требуемой сущности лазерного света после каскада усилителя 107. Очевидно, что вместо обеспечения регулировки посредством отрицательной обратной связи параметров лазерного света после каскада усилителя 107 можно также обеспечить управление с незамкнутой цепью путем регулировки синхронизированного компонента модулированного коэффициента усиления на E и/или путем регулировки несинхронизированного компонента модулированного коэффициента усиления G(t).
Согласно вышесказанному обеспечение каскада оптического усилителя с модулированным коэффициентом усиления после лазерного источника позволяет, по существу, компенсировать температурные изменения выходной энергии лазера и S/N. Таким образом, по аналогии с эффектами вышеописанного метода согласования температурного сдвига можно избежать значительных усилий по температурной стабилизации, в частности, лазерного источника. Это обеспечивает усовершенствование лазерной системы в целом в отношении компактности и энергопотребления. Такие требования существенны, в частности, для портативного или даже карманного оборудования, в которое интегрирована подобная лазерная система.
Мы рассмотрели такие лазерные системы со ссылкой на фиг. 1, а также - в более общем случае - в связи с лазерными системами, по меньшей мере, частично реализованными посредством оптоволоконной техники, которые, в частности, содержат один или несколько каскадов накачиваемого оптоволоконного усилителя. Вышеописанный метод модуляции коэффициента усиления каскада оптического усилителя после лазерного источника, в частности, пригоден для таких лазерных систем, отличающихся высокой компактностью и низким энергопотреблением с накачиваемыми каскадами оптоволоконного усилителя.
a
На фиг. 12 пунктирной линией представлен накачиваемый оптоволоконный усилитель 107. Таким образом и согласно вышесказанному модуляция коэффициента усиления такого импульсного оптоволоконного каскада усилителя 107 может быть обеспечена посредством изменения интенсивности света накачки и/или изменения спектра света накачки и/или спектрального сдвига характеристики фильтра оптического фильтра на каскаде усилителя и/или изменения длины активно усиливающего материала вместо или в дополнение к модуляции коэффициента усиления посредством модуляции по ширине импульса накачки.
151
107G
ON
ON
Off
P
На фиг. 14 показана качественная диаграмма накачки с широтно-импульсной модуляцией для каскада оптического усилителя, например 107 или 107a на фиг. 12. По аналогии с представлением на фиг. 13 "i" обозначает импульсы лазерного света, излучаемые на выходе A, показанном на фиг. 12. Каскад усилителя 107 или 107a является накачиваемым, и импульсы света накачки поступают на вход регулировки коэффициента усиления E. Таким образом, импульсы накачки, подобные показанным на графике (b) на фиг. 14, синхронизированы с импульсами лазерного света "i", например, с переменной задержкой по времени ϕ(t) (см. фиг. 13), относительно нарастающего фронта r импульсов лазерного света "i". Модуляция коэффициента усиления осуществляется в виде широтно-импульсной модуляции импульсов накачки, за счет чего, как показано на графике (b) фиг. 14, коэффициент заполнения, определяемый как отношение времени включения T к периоду повторения импульсов τ, управляемо изменяется. Результирующие импульсы лазерного света показаны на графике (c). На фиг. 14 дополнительно показано, что модуляцией коэффициента усиления можно, помимо широтно-импульсной модуляции, управлять посредством интенсивности импульса накачки I и/или I, спектра света накачки, представленного на фиг. 14 длиной волны λ и/или, как показано на фиг. 12, геометрического изменения длины поглощающего материала 5.
На фиг. 15 показана часть лазерной системы, изображенной на фиг. 1. В ней накачка одного или более одного из каскадов усилителя 7, 25 и, возможно, 39 осуществляется методом широтно-импульсной модуляции, описанным со ссылкой на фиг. 14. Таким образом и синхронно с импульсами управления лазером от блока 53 отдельные блоки широтно-импульсной модуляции 14a, 14b… регулируют импульсную накачку каскадов оптоволоконного усилителя 7, 25 и, возможно, 39 через диоды накачки 13a, 13b, и т.д.
14mod
Широтно-импульсную модуляцию на соответствующих блоках 14 можно, таким образом, регулировать по незамкнутой цепи или, согласно фиг. 12, регулировать посредством отрицательной обратной связи от блока 115 датчиков. Регулировка широтно-импульсной модуляции производится посредством соответствующего сигнала управления, поступающего на входы регулировки модуляции E. Таким образом, широтно-импульсную модуляцию для соответствующей накачки каскадов усилителя можно настраивать по-разному для разных блоков модуляции 14a, 14b, связанных с диодами накачки 13a, 13b… Настройки широтно-импульсной модуляции устанавливаются по-разному, в частности, с учетом разных положений импульсных каскадов усилителя на пути лазерного света. Различие может быть связано с фазовым сдвигом синхронизации ϕ(t), показанным на фиг. 13, а также с параметрами регулировки коэффициента усиления. Вместо диодов накачки 13a, b… можно использовать другие источники накачки, например лазерные источники накачки. Кроме того, вместо диодного лазерного источника 1 можно использовать лазерные источники других типов, например твердотельные лазерные источники.
Модуляция коэффициента усиления G оптического усилителя, описанная в этой главе, в целом, дает возможность противодействовать изменениям интенсивности лазерного света, обусловленным, например, влиянием температуры или старением системы. Этот метод наиболее пригоден для интеграции в лазерную систему, показанную на фиг. 1, в более общем случае, для лазерных систем, а именно для портативного или даже карманного оборудования, например для вышеупомянутых карманных лазерных дальномеров и целеуказателей.
4. Двусторонний соединитель.
Согласно фиг. 1 мы имеем соединительный блок 49, который сам по себе согласно еще одному аспекту настоящего изобретения считается признаком новизны.
137
137
137
Такой соединительный блок 249 в более общем виде показан на фиг. 16. Он содержит входное оптическое волокно или волновод 135, подключенный ко входу E циркулятора 137. Входное волокно 135 идет от лазерного источника. Выход A циркулятора 137 подключен к выходному оптическому волокну 145, подключенному к блоку детектора, например к блоку 43, показанному на фиг. 1. Вход/выход EA циркулятора 137 подключен посредством волокна 139 к объективу лазерного устройства. Лазерный свет из лазерного источника поступает через циркулятор 137 в качестве выходного света O в волокно 139 и в объектив, а лазерный свет R, принятый на объективе, например, отраженный от цели, поступает через циркулятор 137 из волокна 139 через волокно 145 на блок детектора.
Существуют различные возможности выбора волокон 135, 139 и 145.
L
Согласно одному варианту осуществления все эти волокна являются стандартными одномодовыми волокнами на длине волны λ лазерного света от лазерного источника. Это позволяет минимизировать общие потери. Лазерный свет канализируется только в сердцевине волокон. Таким образом, апертура светоизлучающей и светоприемной оптики объектива оказывается одинаковой. Оптимальную ширину апертуры F/# объектива можно адаптировать к расхождению волокна 139. Кроме того, поверхность детектирования блока детектора можно адаптировать к диаметру поля моды MFD волокна 145.
L
Согласно еще одному варианту осуществления, в котором все волокна 135, 139 и 145 выбраны как стандартные одномодовые волокна на длине волны лазера λ, излучаемый свет O канализируется только в сердцевине волокна 135 и 139. Принятый свет R канализируется в сердцевине, а также в оболочке волокон 139 и 145. Таким образом, в частности, волокна 139 и 145 выбираются короткими для минимизации потерь в оболочках до пренебрежимо малой величины. Поверхность детектирования блока детектора после волокна 145 требуется адаптировать к размеру оболочки этого волокна. Потери принятого света R на соединении минимизируются. Числовая апертура излучателя выбирается отличной от числовой апертуры приемника на объективе.
Согласно еще одному варианту осуществления волокно 135 оптимизировано в отношении лазерного источника, и волокна 139 и 145 являются маломодовыми. Поскольку длина волокна 139 выбрана короткой, и это волокно, по существу, не изогнуто, связью между основной и более высокими модами можно пренебречь, и достигается оптимальное качество пучка. Согласно еще одному варианту осуществления волокно 135 оптимизировано в отношении лазерного источника, и волокно 139 является двухоболочечным волокном, которое имеет тот же самый MFD сердцевины, что и волокно 135. Волокно 145 оптимизировано для сбора света, канализируемого в оболочке и сердцевине волокна 139.
Согласно еще одному варианту осуществления волокна 135, 139 и 145 являются многомодовыми волокнами.
Если лазерный источник является источником поляризованного лазерного света, то согласно еще одному варианту осуществления волокна выбираются как волокна, поддерживающие поляризацию. Это упрощает разделение излученного -O- и принятого -R- света.
Согласно еще одному варианту осуществления используются фотонно-кристаллические волокна, одно- или двухоболочечные, что обеспечивает высокую гибкость в отношении выбора параметров MFD для излученного -O- и принятого -R- света.
Коммерчески доступные блоки 137 неполяризованного циркулятора можно адаптировать к разным вышеупомянутым волокнам. Изготовители циркуляторов часто предписывают определенные параметры волокон. Поэтому согласно описанию фиг. 1 требуется осуществлять сращивание оптимальных волокон с волокнами циркулятора для минимизации потерь.
Блок 137 циркулятора согласно одному варианту осуществления является циркулятором, не зависящим от поляризации, который отделяет принятый свет R от переданного света O и, таким образом, дополнительно удаляет фоновый свет путем фильтрации.
Полностью волоконный соединительный блок 149 или 49, показанный на фиг. 1, имеет то преимущество, что его можно применять с неполяризованным лазерным светом, что, в частности, пригодно для применения в портативном дальномере и целеуказателе. Не существует никаких ограничений, связанных с отношением коаксиальных поверхностей, определенным как отношение поверхности излучателя или приемника к полной поверхности объектива, или с состоянием поляризации принятого света.
Применение адаптации MFD на конце волокна -139- полностью волоконного устройства позволяет реализовать оптимальное расхождение пучка устройства с соединительным блоком 149 или 49, например, дальномера или целеуказателя, без обеспечения дополнительных линз. Увеличение MFD повышает надежность на конце волокна 139.
MFD волокна 139 непосредственно определяет числовую апертуру на конце волокна и зависит от геометрии и/или показателя преломления волноводного волокна. Числовая апертура конца волокна определяет размер пучка, выходящего из объектива, и, таким образом, расхождение лазерного пучка, излучаемого устройством, например устройством дальномера или целеуказателя. Поэтому выбор MFD на конце волокна 139 влияет на производительность такого устройства. Несмотря на то, что оптимального расхождения излучаемого пучка можно добиться, располагая оптические линзы после конца волокна 139 согласно одному варианту осуществления соединителя 149 и 49 - согласно вышеприведенному описанию - адаптация MFD осуществляется на конце волокна 139 напротив циркулятора 137, что позволяет исключить дополнительные линзы. Известны разные методы изменения и, таким образом, оптимизации MFD такого волокна 139.
Увеличения MFD можно добиться путем диффузии легирующих присадок, обеспечиваемой нагревом волокна в пламени согласно J. of Appl. Phys.; Vol. 60 No.12 pp.4293, 1986, K. Shigihara et al. или J. Lightwave Technol. Vol. 8 No.8 pp.1151, 1990, K. Shiraishi et al. или Electron. Lett. Vol. 24 No. 4 pp.245, 1988 J.S. Harper et al.
2
Другая известная возможность состоит в облучении волокна лазером на CO согласно Appl. Opt. Vol. 38 No.33, pp.6845, 1999; Т.Е. Dimmick et al.
Еще одна известная возможность увеличения MFD одномодовых волокон состоит в уменьшении диаметра сердцевины путем обработки волокна на конус, Electron.Lett. Vol. 20 No.15 pp. 621, 1984; Keil, R.
Дополнительные оболочечные моды имеют больший диаметр пучка, чем сердцевинные моды. Поэтому переход сердцевинной моды вблизи конца волокна 139 в оболочечную моду позволяет значительно изменять числовую апертуру. Этот эффект был исследован в Opt. Commun. Vol.183 pp.377, 2000; Y. Li et al.
Снабженные линзами концы волокон представлены в публикации Jarmolik et al. Optik Vol. 110, No.1, pp.37 1999, A. Jarmilik et al. lensed fibre ends.
В целом, увеличение диаметра излучаемого пучка позволяет применять более высокую пиковую мощность.
Еще один метод увеличения MFD на конце волокна 139 предусматривает облучение ультрафиолетом фоточувствительной оболочки на волокне 'Spot size expander using UV-trimming of trilayer photosensitive fibres'; OECC/I00C 2001, Conference Incorporating ACOFT, Sydney, pp. 408, 2001; R.A. Jarvis et al. или 'High-energy and high-peak-power nanosecond pulse generation with beam quality control in 200 µm core highly multimode Yb-doped fibre amplifiers'; Opt. Lett. Vol.30 No.4 2005; pp.358; Cheng et al. Заметим также, что бессердцевинные волоконные наконечники можно насаживать на конец волокна 139 для полного исключения поверхностных повреждений, что известно из US-20040036957 (A. Galvanauskas et al.).
Таким образом, соединительный блок 149 или 49, показанный на фиг. 16, обеспечивает одноканальное/ый излучение и прием лазерного света для поляризованного или неполяризованного лазерного света. Он идеально подходит в сочетании с диодными или твердотельными лазерными источниками, с использованием метода соединения оптических волокон, в частности, для полностью волоконной лазерной системы, например, полностью волоконной лазерной системы MOPA, описанной со ссылкой на фиг. 1. Таким образом, оптоволоконные лазерные системы гарантируют повышение стабильности и надежности в отношении внешних возмущений по сравнению с системами, содержащими свободное пространство. Такие лазерные системы могут иметь очень высокую компактность, и наличие выходного пучка, а также приемного пучка в хвостовой части волокна позволяет, по существу, независимо располагать входной/выходной лазерный порт на соответствующем устройстве с такой лазерной системой. Одноканальная излучающая/приемная оптика дополнительно повышает компактность, допуская высокую стабильность системы. Таким образом, полностью волоконный приемный канал, ведущий к детекторному диоду, подает только свет, присутствующий в волокне, на такой диод, тем самым снижая интенсивность рассеянного света, падающего на такой диод.
Мы описали реализованный в настоящее время вариант осуществления полностью волоконной лазерной системы, в которой реализована совокупность различных признаков. Все эти признаки, в частности согласование температурного сдвига, модуляция коэффициента усиления оптических усилителей и двусторонний оптический соединительный блок сами по себе рассматриваются как признаки новизны, применимые по отдельности или в любой комбинации лазерным системам, которые могут отличаться от системы согласно современному варианту осуществления.