Лазерная система

Лазерная система

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.

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;

CO₂ 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.

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 "4. 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 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.

Таким образом, в лазерной системе, в которой после лазерного источника предусмотрен оптический фильтр, температурная стабилизация длины волны лазера λ_L 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.

Лазерный источник 51_g изучает лазерный свет на длине волны λ_L0 при температуре θ₀ лазерного источника, согласно фиг. 1, в частности лазерного диода 3. Согласно качественной диаграмме, показанной в блоке, представляющем лазерный источник 51_g, длина волны λ_L сдвигается как функция температуры θ₅₁ согласно характеристике (a) длина волны/температура.

Лазерный свет, излучаемый на выходе A_7g, например выходе A₇ на фиг. 1, в ходе работы поступает на вход E_29g блока 29g фильтра, который имеет, по меньшей мере, одну характеристическую длину волны λ_F 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_29g.

В общем случае характеристическая длина волны λ_F 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_F. Характеристика фильтра, задаваемая одной или более чем одной характеристической длиной волны λ_F, может сдвигаться как функции температуры θ₂₉ фильтра, что качественно представлено характеристикой (b) на фиг. 2.

Согласно данному аспекту настоящего изобретения вместо стабилизации θ₅₁, например, равной рабочей температуре θ₀ на лазерном источнике 51_g и либо выбирая блок 29_g фильтра, где спектральный сдвиг характеристики фильтра как функция температуры пренебрежимо мал, либо стабилизируя температуру θ₂₉ на блоке фильтра 29_g, например, равной θ₀, как показано на фиг. 2, температурный сдвиг характеристической длины волны фильтра λ_F регулируется в точном соответствии с температурным сдвигом длины волны лазерного света λ_L, по меньшей мере, в заранее определенном температурном диапазоне Δθ. Это облегчается за счет установления тесной тепловой связи между лазерным источником 51_g и блоком 29_g фильтра, которая схематически представлена связью 60.

Предполагая, что лазерный свет, выводимый на A_7g, имеет требуемую длину волны λ_L и имеет энергию шума в спектральных диапазонах, близких к λ_L . По мере того, как λ_L сдвигается с температурой, на выходе A_29g появляется фильтрованный выходной свет со сдвинутой длиной волны λ_L 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_g, и, таким образом, от термической нагрузки блока 29_g 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.

В общем случае и согласно фиг. 3 предусмотрен температурно-механический преобразователь 62, механический выходной сигнал A₆₂ которого в ходе работы поступает на механический вход E_29g блока 29_g фильтра, каковой блок действует как механо