Способ генерации лазерного света для измерения дальности и лазерная система измерения дальности

Способ генерации лазерного света для измерения дальности и лазерная система измерения дальности

Иллюстрации

Показать все

Реферат

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.

Одна проблема, которой, в частности, посвящена данная заявка, состоит в регулировке характеристики выходного лазерного света, в частности, по меньшей мере, одного из параметров интенсивности, отношения сигнал-шум и энергетической эффективности, для вышеописанной лазерной системы. Тем не менее, решение этой задачи можно применять, в целом, к лазерным системам, для которых основными требованиями являются, в частности, компактность конструкции и энергопотребление, а также точность оценки.

Таким образом, настоящее изобретение относится к способу генерации лазерного света с требуемой характеристикой выходного лазерного света. Согласно настоящему изобретению, для этого лазерный свет генерируется в спектральном диапазоне. Лазерный свет усиливается с помощью активного оптоволоконного усилителя. Коэффициент усиления модулируется для достижения и поддержания требуемой характеристики.

Вместо обеспечения стабилизационных мер в лазерной системе для надлежащей регулировки, например, поддержания постоянства, параметров, которые влияют на характеристику выходного лазерного света, каковые меры обычно требуют значительных конструкционных усилий и связаны с потреблением дополнительной мощности, например, в целях охлаждения, регулировки посредством отрицательной обратной связи, требуемая характеристика достигается и поддерживается за счет надлежащей модуляции коэффициента усиления.

Кроме того, обеспечение усиления с помощью активного оптоволоконного усилителя значительно повышает компактность конструкции с одной стороны, а также выходную мощность лазерного света с другой стороны.

Согласно одному варианту осуществления способа, отвечающего настоящему изобретению, в качестве требуемой характеристики выбирают, по меньшей мере, один параметр из интенсивности лазерного света, который зависит от генерируемого лазерного света, отношения сигнал-шум такого зависимого лазерного света и энергетической эффективности зависимого лазерного света.

Согласно еще одному варианту осуществления способа, отвечающего изобретению, модуляцию осуществляют в цепи отрицательной обратной связи для требуемой характеристики. Специалисту в данной области техники известно, что такая цепь отрицательной обратной связи содержит измерение превалирующей в данный момент характеристики, сравнение такой превалирующей в данный момент характеристики с требуемой характеристикой или с требуемой временной зависимостью такой характеристики и воздействие на систему путем регулировки для согласования превалирующей в данный момент характеристики с требуемой степенью точности с требуемой характеристикой. Такая регулировка в цепи управления осуществляется путем воздействия на модуляцию коэффициента усиления.

Согласно одному варианту осуществления, модуляцию коэффициента усиления посредством активного оптоволоконного усилителя осуществляют посредством, по меньшей мере, одного из параметров интенсивности света накачки для такого усиления, спектра такого света накачки, ширины импульса импульсного света накачки для такого усиления, сдвига спектральной позиции оптического фильтра, длины активного волокна для такого усиления.

Значительное усовершенствование, в частности, с точки зрения отношения сигнал-шум, достигается на выходном лазерном свете, за счет генерации импульсного лазерного света и синхронизации по времени, по меньшей мере, части модуляции коэффициента усиления с импульсным лазерным светом. Например, это дает возможность увеличивать коэффициент усиления только в течение периодов времени, когда импульсы лазерного света «включены». Таким образом, шум в течение периодов «выключения» импульсов лазерного света снижается.

За счет обеспечения усиления, шум может генерироваться посредством усиленного спонтанного излучения УСИ, которое может вносить значительный вклад в общий шум выходного лазерного света. Поэтому, согласно одному варианту осуществления, осуществляется оптическая фильтрация лазерного света, усиленного путем усиления. Таким образом, обычно, такая оптическая фильтрация будет содержать узкополосную фильтрацию, с одной стороны, для пропускания требуемого спектрального диапазона лазерного света и, с другой стороны, для подавления компонентов света, имеющих спектральное расположение вне требуемого спектрального диапазона лазерного света. Очевидно, что такую фильтрацию можно осуществлять с помощью пропускающих полосовых фильтров или отражающих полосовых фильтров.

Согласно еще одному варианту осуществления, упомянутая фильтрация осуществляется с характеристикой фильтра, допускающей управляемое смещение спектральной позиции. Это значительно повышает возможность противодействия эффектам в лазерной системе, которые обеспечивают нежелательные изменения требуемой характеристики, например, интенсивности выходного лазерного света, отношения сигнал-шум или энергетической эффективности. Благодаря тому, что характеристика фильтра допускает управляемое смещение своей спектральной позиции, фактически появляется возможность дополнительной модуляции коэффициента усиления. Эта возможность, базирующаяся на спектральном сдвиге, в частности пригодна для компенсации любого спектрального сдвига спектрального диапазона, в котором генерируется лазерный свет после (в пространственном отношении) фильтрации. Например, если, вследствие влияния температуры, спектральный диапазон, в котором генерируется лазерный свет, сдвигается, и узкополосная фильтрация обеспечивается после (в пространственном отношении) усиления, например, для подавления шума, и если характеристика фильтрации для такой фильтрации поддерживается в постоянной спектральной позиции, то спектральный сдвиг спектрального диапазона лазерного света будет приводить к общему изменению усиления вследствие взаимного сдвига такого спектрального диапазона относительно стационарной характеристики фильтра. Если, как предлагается согласно одному варианту осуществления, спектральная позиция характеристики фильтра управляемым образом сдвигается, и регулировка такого сдвига осуществляется для согласования сдвига со сдвигом спектрального диапазона, то спектральный сдвиг спектрального диапазона лазерного света, например, вызванный изменением температуры на лазерном источнике света, не приведет к нежелательному изменению общего усиления.

Для достижения температурного изменения требуемой характеристики, согласно одному дополнительному варианту осуществления, сдвиг спектральной позиции характеристики фильтра осуществляется в зависимости от температуры.

Одной из основных причин температурного изменения требуемой характеристики является изменение температуры на лазерном источнике, генерирующем лазерный свет, согласно еще одному варианту осуществления, температуру выбирают в зависимости от температуры лазерного источника.

Ввиду того, что генерация лазерного света содержит генерацию лазерного света посредством лазерного диода, с одной стороны, удовлетворяется требование компактности конструкции и, с другой стороны, привносится лазерный элемент, имеющий спектральный сдвиг спектрального диапазона излучаемого лазерного света, который зависит от температуры. Поэтому следует более детально рассмотреть совместное использование лазерного диода с вышеописанным управляемым спектральным сдвигом характеристики фильтра.

Дополнительный вариант осуществления способа, отвечающего настоящему изобретению, содержит стабилизацию лазерного света с помощью стабилизирующего фильтра и фильтрацию лазерного света после усиления. Таким образом, применяется, с одной стороны, характеристика стабилизирующего фильтра и, с другой стороны, характеристика нижестоящего фильтра. Обе характеристики фильтра допускают управляемый сдвиг спектральной позиции. Сдвиги спектральной позиции характеристики стабилизирующего фильтра и характеристики нижестоящего фильтра согласуются.

Стабилизирующая фильтрация, которая осуществляется посредством узкополосной отражательной фильтрации (см. определение стабилизирующего фильтра), определяет спектральный диапазон лазерного света, подлежащий усилению и нижестоящей фильтрации. Всякий раз, когда характеристика фильтра стабилизирующей фильтрации подвергается спектральному сдвигу, это приводит к сдвигу спектрального диапазона лазерного света, поступающего на усилитель. Фильтрация после (в пространственном отношении) усиления, которая, опять же, обычно осуществляется путем узкополосной фильтрации, подавляет, согласно вышеописанному, шум, тем самым повышая отношение сигнал-шум. Сдвиг спектральной позиции спектрального диапазона лазерного света, происходящий до усиления, будет влиять на общее усиление вследствие нижестоящей фильтрации, если последняя также не претерпит спектральный сдвиг. Поэтому обе, а именно, стабилизация и нижестоящая фильтрация согласуются в отношении спектральной позиции своих характеристик фильтра. Такой сдвиг, опять же, может регулироваться в зависимости от температуры.

Согласно еще одному варианту осуществления, вся фильтрация, будь то в целях стабилизации или удаления спектральных компонентов, осуществляется посредством оптоволоконного фильтра. Это позволяет добиться дополнительного усовершенствования с точки зрения гибкости и компактности конструкции.

Заметим, что оптические фильтры и, в частности, оптоволоконные фильтры, допускающие управляемый сдвиг спектральной позиции своей характеристики фильтра, можно создавать, обеспечивая характеристики фильтра для таких фильтров, определяемые, по меньшей мере, одним геометрическим параметром соответствующего элемента фильтра, например, пространственным расположением границы раздела материалов, толщиной диэлектрических слоев, шириной дифракционных решеток и т.д. Таким образом, сдвиг спектральной позиции обусловлен, согласно одному варианту осуществления, механическим воздействием на такой элемент, которая определяет спектральную позицию характеристики фильтра. В случае, когда спектральный сдвиг зависит от температуры, температура измеряется на удалении от такого элемента фильтра, и посредством температурно-механического преобразования, соответствующий механический сигнал поступает на элемент фильтра. Альтернативно, сам элемент фильтра используется как элемент, чувствительный к температуре, в котором температурные изменения, по меньшей мере, одного геометрического параметра и/или, по меньшей мере, одного оптического параметра материала, определяющего спектральную позицию, используются для требуемого изменения как функции температуры.

Согласно еще одному варианту осуществления, генерируемый лазерный свет генерируется как импульсный лазерный свет.

Согласно еще одному варианту осуществления способа, отвечающего настоящему изобретению, лазерный свет, зависящий от генерируемого лазерного света, усиливается и излучается, и лазерный свет, зависящий от генерируемого лазерного света, принимается на общем лазерном порте ввода/вывода. Обеспечение общего порта входа/выхода для передачи, а также для приема лазерного света дополнительно способствует компактности конструкции лазерной системы в целом, осуществляющей способ, отвечающий настоящему изобретению.

Благодаря канализации генерируемого лазерного света к выходному порту лазера, по существу, исключительно в оптических волокнах, достигается наибольшая гибкость в отношении размещения различных компонентов лазерной системы в целом и открывается возможность построения такой системы с высокой компактностью.

Согласно одному варианту осуществления, лазерный свет, зависящий от генерируемого лазерного света, канализируется оптическим волокном в оптику передатчика. Благодаря этому, расхождение лазерного пучка, выходящего из оптики передатчика, определяется надлежащим размещением конца волокна вблизи оптики передатчика. В разделе подробного описания приведены различные подходы к осуществлению этого технического решения. Это позволяет добиться значительной экономии линз, что обеспечивает преимущества в отношении компактности, надежности и цены соответствующей лазерной системы.

Согласно еще одному варианту осуществления, оптика передатчика также является оптикой приемника лазерного света и, согласно еще одному варианту осуществления, оптическое волокно является активным оптическим волокном.

Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения, предусмотрен способ лазерного измерения дальности или лазерного целеуказания, который содержит этап, на котором генерируют лазерный свет согласно вышеописанному способу генерации такого лазерного света, в соответствии с которым лазерный свет генерируется в импульсном режиме. Лазерный свет, зависящий от генерируемого лазерного света, таким образом, тоже импульсный, направляется на цель. Согласно еще одному варианту осуществления вышеописанный способ, в частности, для лазерного измерения дальности, дополнительно содержит этап, на котором оценивают множественные импульсы принятого лазерного света.

Согласно еще одному аспекту, настоящее изобретение предусматривает лазерную систему, имеющую лазерный источник света, выход которого функционально подключен ко входу активного оптоволоконного усилителя. Активный оптоволоконный усилитель имеет вход регулировки модуляции коэффициента усиления.

Дополнительные варианты осуществления такой лазерной системы определены в пунктах 22-47 формулы изобретения. Соответствующие вопросы, затронутые в этих вариантах осуществления, будут ясны специалисту в данной области техники по ознакомлении, с одной стороны, с соответствующими комментариями, изложенными выше в отношении способа, отвечающего настоящему изобретению, а также с нижеследующим описанием, в котором изобретение во всех своих аспектах проиллюстрировано посредством фигур.

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.

Свет, излучаемый диодом 3 DFB, поступает с выхода A₁ главного лазерного блока 1, возможно, по оптическому волокну 5, на вход E₇ 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 A₁ до входа E₇.

Первый каскад усилителя 7 содержит, в качестве активного усилительного элемента, активное волокно 9, которое оптически накачивается светом, поступающим на вход накачки PE₇. Таким образом, выходной лазерный свет главного лазерного блока 1 поступает в активное волокно 9 и усиливается им.

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 A₁ находится в пределах диапазона коэффициента усиления каскада усилителя 7.

Энергия света накачки, поступающего на вход PE₇, генерируется на выходе A₁₁ 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.

В зависимости от предусмотренного конструкцией размещения блока 11 накачки и первого каскада усилителя 9, оптическое волокно 15 подключено между выходом А₁₁ и входом PE₇.

Вследствие высокого коэффициента усиления G первого каскада оптоволоконного усилителя 7, на его выходе A₇ 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_L усиленного лазерного света и накладывающемуся на него.

Поскольку энергию УСИ требуется учитывать для сортировки по определенным классам безопасности лазеров, и, кроме того, она повышает уровень шума выходного света на λ_L 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 A₇ первого каскада усилителя 7. Блок 29 фильтра УСИ представляет собой оптоволоконный узкополосный фильтр. Центральная длина волны λ_F пропускания блока 29 фильтра УСИ соответствует длине волны λ_L лазерного света, генерируемого главным лазером 1. Во избежание сдвига узкой полосы пропускания блока 29 фильтра УСИ и, таким образом, λ_F и длины волны λ_L 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".

Такое согласование сдвига позволяет добиться, чтобы спектральный сдвиг λ_F был, по существу, равен спектральному сдвигу λ_L.

Поэтому, на лазерном источнике 51 не предусмотрено охлаждения или регулировки температуры, что обеспечивает вторую существенную экономию размера конструкции и энергопотребления.

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_29r фильтра.

Выход A₂₉ (или A_29r) 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 A₂₅ и накачивается на входе PE₂₅. Выход A₂₅ подключен через оптическое волокно 35 ко входу Е₃₇ оптоволоконного циркулятора 37, например, доступного от JDS Uniphase как оптоволоконный циркулятор с интенсивной поляризацией.

Циркулятор 37 имеет вход/выход EA₃₇. согласно показанному направлению стрелки, свет, поступающий на E₃₇, выводится на EA₃₇ и изолируется от выхода A₃₇. Свет, поступающий на EA₃₇, изолируется от E₃₇ и выводится на A₃₇. EA₃₇ подключен через оптическое волокно 39 к оптике 41 приемопередатчика. Выход A₃₇ 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.

Несмотря на то, что показанное волокно 39 можно реализовать как третий каскад оптоволоконного усилителя, накачиваемый на PE₃₉, 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.

Таким образом, волокна 45 и 39 относятся к маломодовому типу. Волокно 35 оптимизировано в отношении лазерного источника вплоть до A₂₅, 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 "3. Двусторонний соединитель."

Если отдельно предусмотрены оптика передатчика 41_T, показанная пунктирной линией, и оптика приемника 41_R, 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_T 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_I, 41_T, 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.

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_R.

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.

Вышеописанный блок 29 оптоволоконного фильтра УСИ устроен так, чтобы его полоса пропускания с λ_F имела, по существу, такой же сдвиг как функция температуры, будучи в заранее определенном температурном диапазоне, что и длина волны λ_L 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

На фиг. 1 показано согласование температурного сдвига спектральной позиции характеристики блока 29 фильтра с температурным сдвигом длины волны лазера λ_L. 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.

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_L. 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_L 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.

Всякий раз, когда температурный сдвиг длины волны лазерного света λ_L сам по себе не приносит значительного вреда, но