DE1934438A1

DE1934438A1 - Verfahren zur Begrenzung der Intensitaet eines kohaerenten Strahlungsbuendels und Einrichtung zur Durchfuehrung dieses Verfahrens

Info

Publication number: DE1934438A1
Application number: DE19691934438
Authority: DE
Inventors: Naiman Charles S; Jacob Schwartz
Original assignee: Sanders Associates Inc
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1968-07-15
Filing date: 1969-07-07
Publication date: 1970-03-26
Also published as: FR2012956A1; IL32366A0; GB1266777A; US3620597A; IL32366A; SE363681B; CH539860A

Description

DIPI.-I.XO. KT.AUS BKHN DXPL.-PtlYM. HOI)KHT MÜNZHUB2B

8 MUNCHBN aa VXDSMJUlYXBSXB. S

A 24869 " den 7. Juli 1969

Haß/MM

Firma SANDERS ASSOCIATES, INC. Daniel Webster Highway, South, Nashua. New Hampshire/U.S.A.

Verfahren zur Begrenzung der Intensität eines

kohärenten Strahlungsbündels und Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Begrenzung der Intensität eines kohärenten Strahlungsbündels. Ferner betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens,

Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Elektrooptik, insbesondere der Nachweis, die Begrenzung und die Modulation von kohärenter Strahlungsenergie.

Auf vielen Anwendungsgebieten der Lasertechnik hat es sich erwiesen, daß der maximale Intensitätspegel am Ausgang des Lasers der tatsächlich verwertbar ist, beträchtlich kleiner als der verfügbare Ausgangswert ist« Bei der industriellen oder militärischen Anwendung der Lasertechnik besteht eise Gefahr für einen menschlichen Beobachter und für elektronisch.® Nachweisgeräte, die ungeschützt der Laserstrahlung ausgesetzt sind. Die Lasertechnik ist bereits soweit entwickelt, daß sie als militärische Waffe zur Beschädigung oder Zerstörung einer optischen Überwachungseinrichtung oder einer Beobachtungseinrichtung brauchbar ist. Deshalb sind Maßnahmen zum Schutz von Personen und Geräten gegen eine intensive Laserstrahlung erforderlich,, ohne daß eine dauernde BeobaaJatnag iM*5er"bunden wird. Di© Möglichkeit einer Augenschädigiang hat eine Abneigung gegenüber einer allgemeinen Verwendung des Lasers in der Militäi?teelmi?s erzeugt* ^@na doeii möglieaesweise eigene gruppen der Strahlung ausgesetzt sind«

Zur Begrenzung und/oder Steuerung der Intensität einer Laserstrahlung sind bereits verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen. Hierzu gehören lineare Absorber, photochromatische Absorber sowie Mehrstufenbegrenzer unter Erzeugung der zweiten Harmonischen.

Lineare optische Absorber setzen selbstverständlich die Kinfallsenergie um einen festen Prozentsatz herab; solche Absorber absorbieren jedoch nicht die gesamte Energie, die einen bestimmten Maximaipegel übersteigt, d. h. entsprechend einem fortgesetzten Anstieg der Einfallsenergie nimmt auch die Ausgangsenergie zu.

Photochromatische Absorber bestehen allgemein aus einem Stoff mit nichtlinearem Verhalten, wo eine merkliche Energiedämpfung

den

nur dann auftritt, wenn der Eingangspegel Absorptionssehwellenwert übersteigt. Unterhalb dieses Schwellenwerts wirkt der Absorber im wesentlichen als linearer Absorber. Sobald &i* Er?ngangsenergie den Absorptionsschwellenwert des Stoffes erreicht, wird derselbe zusehends undurchsichtig, so daß man eine ausgeprägt© Abnahme des prozentualen Durchlaßanteils der Eingangsenerg^,." erhält. Photochromatische Absorber sind von verschiedenen Einschränkungen begleitet, die eine Verwendung in optischen Begrenzern als unerwünscht erscheinen lassen. Zunächst ist die Reaktionszeit vergleichsweise gering, sie liegt in der Größe einiger Mikrosekunden. Gepulste Laser arbeiten normalerweise im Nanosekundenbereich, so daß eine Schädigung auftritt, bevor der photochromatische Absorber anspricht. Eine weitere Einschränkung beruht darauf, daß diese Absorber für beliebige Strahlung nicht durchlässig bleiben, sobald einmal der Absorptionsschwellenwert erreicht ist. Dadurch wird.eine weitere Beobachtung ausgeschlossen. Schließlich haben die photochromatischen Absorber eine langsame (in der Größe von Mikrosekunden und unvollständige Erholung für die Wiedererreichung des durchscheinenden Zustandes.

Q 0 8 8 T 3/10 98

In einem optischen Mefcrstufenbegrenzer mit Erzeugung der zweiten Harmonischen nutzt man den physikalischen Effekt des ausgewählten otoffes aus, wodurch die kohärente Laserschwingung einer Grundfrequenz teilweise in eine Schwingung der zweiten harmonsichen Frequenz umgewandelt wird. Da sowohl die Grundfrequenz als auch die zweite Harmonische in einem solchen Stoff übertragen werden, wird ein Absorber für die Frequenz der zweiten Harmonischen in der Nähe des Umwandlungsstoffes aufgestellt. Ein solcher Begrenzer läßt nur einen bestimmten Eaximalpegel der Energie bei der Grundfrequenz durch; sobald dieser Pegel erreicht ist, steigt der Ausgangspegel nicht an, unabhängig von einer Zunahme der Eingangsintensität. Leider weist diese Technik verschiedene Nachteile auf. Zunächst muß der Umwandlungsstoff außerordentlich genau hinsicfclich einer Ihasenanpassung ausgerichtet; werden, wie dies bei allen Verfahren zur Erzeugung der zweiten Harmonischen erforderlich ist, wenn ein möglichst großer Anteil der Eingangsenergie in die zweite harmonisclit Schwingung umgewandelt werden soll. Die Lichtgeschwindigkeit sines solchen Stoffes muß für die Grundfrequenz und die zweite harmonische Frequenz gleich sein, damit die zweite Har-

wird

monische mit hoher Ausbeute erzeugt. Selbst eine kleine Fehlanpassung bringt eine erhebliche Verringerung des in die zweite harmonische Schwingung umgewandelten Energieanteils. Sodann haben die eigentlichen nichtlinearen Umwandlungskoeffizienten solcher Begrenzer kleine Werte, da die Kennlinie linear von dem Absorptionskoeffizienten für die zweite Harmonische abhängt, der in diesem Fall nahezu verschwindet. Schließlich ist ein solcher Absorber für die zweite Harmonische innerhalb eines kurzen Abstandes von der Absorberfläche wirksam, so daß lokale Erhitzungsbereiche innerhalb des Absorbers auftreten, die die Belastbarkeit eines solchen Begrenzers zur Verarbeitung hoher thermischer Belastungen begrenzen.

Aufgabe der Erfindung ist eine Überwindung dieser Schwierigkeiten und die Bereitstellung einer optischen Begrenzung mit gleichzeitigem Nachweis eines Laserlichts und einer möglichen

009813/109

Modulation. Die Erfindung soll einen Schutz eines elektronischen Nachweisgerätes sowie eines menschlichen Beobachters gegenüber einerSchädigung durch kohärente Strahlung hoher Energie bieten. Ein nichtlinearer optischer Begrenzer nach der Erfindung soll nur einen vorgegebenen Pegelwert unabhängig von der Eingangsintensität durchlassen. Das Verfahren nach der Erfindung soll ohne genaue Ausrichtung des Begrenzers arbeiten. Die Erfindung soll eine kurze Ansprechzeit sicherstellen. Außerdem soll die thermische Belastbarkeit nach der Erfindung groß sein. Das Verfahren nach der Erfindung soll eine Unterscheidung zwischen kohärenter und inkohärenter Strahlungsenergie ermöglichen. Außerdem soll die Erfindung für einen optischenSSodulator geeignet sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren vor, wonach das Strahlungsbündel durch ein Element auf einem Stoff nit einer solchen Verteilung der Energieniveaus geleitet wird, wo die Absapfcion mindestens teilweise in nichtlinearer Abhängigkeit von der Strahlungsintensität erfolgt,und wonach die durchgelassene Strahlungsintensität auf einen vorgegebenen Maximalpegel begrenzt wird.

Die Erfindung nutzt die Entdeckung aus, daß bestimmte nichtlineare optische Stoffe teilweise die Eingangsenergie bei einer Grundfrequenz in anderen Energiezuständen als der Grundfrequenz zugehörig absorbieren, d.h. die Energiedifferenz gegenüber dem Grundniveau entspricht nicht der Grundfrequenz. Die Energie bei der Grundfrequaaz wird durch den nichtlinearen Effekt der Erzeugung Harmonischer, durch Absorption und durch Mehrfach-Photonen-Absorption auf einen festen Grenzpegel eingeschränkt, über den der Ausgangspegel des Begrenzers nicht ansteigt, unabhängig von der Intensität der Eingangestahlung.

Weitere Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

TOW

Die Erfindung wird im folgenden an Hand bevorzugter Ausführungs formen unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung erläutert.

Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Begrenzerelements nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Schaubild der tibertragungsfunktion für ein Element nach der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik,

Fig. 3 eine Intensäbätsverteilung eines Laserstrahls in Abhängigkeit von der räumlichen Stellung innerhalb des Strahls _t

Fig.3A eine Intensitätsverteilung für den Laserstrahl nach. Fig. 3 nach ©rfolgter -Begrenzung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer' Fokussierungseinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 5 eine teilweise aufgebrochene perspektivische Ansicht einer Einrichtung nach der Erfindung,

Jj'ig. 6 eine schematische Darstellung einer Nachweiseinrichtung nach der Erfindung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines optischen JJiskriminators nach der Erfindung und

ü'ig. 8 eine schematische Darstellung eines optischen. Modulators nach der Erfindung.

Fig«, 1 zeigt in schematischer Form den Grundgedanken der Erfindung. Dieser beruht auf der Entdeckung, daß beim Einfall ©ines kohärenten Lichtbündeis 10 auf beatimt© Stoffe 12, die no®h i© einzelnen erläutert werden_} die csptisöti© · Absorption dieses Stoffes 12 als nicktlineare Jb'unfetion der Eiagasigsinten-Bität der Strahlung zunimmt, wobei uqt Sö©fr bei der Grundfrequenz der Eingangsenergie durchsichtig ist. Infolgedessen ist die Ausgangsenergie 14 bei der Grundfrequenz auf einen be-Maximalwert begrenz^ der von d©m benutzten Stoff

UQ8B13/1098

abhängt. Dieser Effekt ist für .einrichtungen zum Kachweis, zur Begrenzung und zur Modulation kohärenter strahlung brauchbar. Als wichtigste Erscheinungen für die nichtlineare Absorption kohärenter Strahlung im Sinne der Erfindung haben sich die harmonische Absorption, wobei Strahlungsenergie 16 der zweiten Harmonischen oder höherer Harmonischer erzeugt und nach der Erzeugung absorbiert wird, sowie die Mehrfach-PiEtoneD· Absorption erwiesen, wo der Energieanteil 17 unmittelbar bei der Grundfrequenz mit Hilfe von zwei Photonen gleichzeitig absorbiert wird.

Für die Absorption bei der zweiten Harmonischen kann der Begrenzerstoff 12 als Frequenzwandler aufgefaßt werden, der einen Teil der Eingangsenergie 10 von der Grundfrequenz in einen Energieanteil 16 der zweiten harmonischen Frequenz umwandelt. Wenn auch der Einfachheit halber nur ^n der Erzeugung und Absorption der zweiten Harmonisctit «._« Rede ist, läßt sich selbstverständlich auch die Err i_ouiig und Absorption höherer Harn.' "sciisr beobachten. Der¹ jäegrenzerstoff ist bei der Grund-ίτβς üiÄ diirefc.lässig, jedoch für die zweite Harmonische ein &' «rf'.us? Absorber. Dadurch ergibt sich eine Frequenzwandlung als niehlineare Punktion der Eingangsintensität. Die Form der Nichtlinearität ergibt sich aufgrund quantenmechanischer Überlegungen derart, daß der Intensitätspegel der Auegangsenergie 14 für die Grundfrequenz auf einen asymptotischen 3ert begrenzt wird, den sog. Grenzpegel. Sobald Energie der zweiten Harmonischen erzeugt wird, wird sie örtlich absorbiert. Da die Erzeugung der zweiten Harmonischen selbstverständlich ihrer Absorption vorhergehen muß, erfolgt die Absorption Schritt für. Schritt in dem Maße, wie das Laserlicht den Begrenzerstoff durcheilt. Deshalb erfolgt die Absorption der zweiten Harmonischen mit den darauf beruhenden thermischen Einflüssen in einer wesentlich gleichmäßigeren Verteilung innerhalb des Begrenzerstoffes als bei Ausnutzung der linearen Absorption. Diese Wärme verteilung innerhalb des Begrenzeretoffes verringert die lokale Erhitzung und erhöht die Leistung zwe ¥erarbeitung großer thermischer Belastungen»

tu-.

00 8813/1098

Die starke lokale Absorption der zweiten Harmonischen macht eine Hiasenanpassung nicht erforderlich, die für Mehrstufenbegrenzer mit Erzeugung der zweiten Harmonischen geboten ist. Die Absorptions-Kohärenzlänge ist umgekehrt proportional der Differenz der Brechungsindizes der Erzeuger- und Absorberstoffe Da die Erzeugung der zweiten Harmonischen und deren Absorption nach der Erfindung innerhalb desselben Begrenzerstoffes erfolgt und da die zweite Harmonische vollständig innerhalb einer sehr kurzen Strecke absorbiert wird, die dem Absorptionskoeffizienten für die zweite Harmonische umgekehrt proportional ist, ist eine Phasenanpassung nicht notwendig. Dies erlaubt ferner die Verwendung polykristalliner Stoffe, solange die Korngröße die Absorptionslänge überschreite .'.eil die Absorption von dem nichtlinearen Koeffizient des Begrenzerstoffes stärker als von der linearen Absoip tionskonstanten abhängt, hängt die wirksame Gesamtabsorption von dem Eingang! pegel und der Ausrichtung des Stoffes ab und ist stark nichtlii ear. Dies bedeutet, daß ein nichtlinearer Stoff mit Absorption bei der zweiten Harmonischen die Durchlässigkeit für eine kohärente Strahlung der Grundfrequenz auf einen Wert unterhalb eines Maximalpegels begrenzt. Der Grenzpegel wird durch verschiedene Konstanten des Begrenzerstoffes bestimmt und kann durch Anhebung der Stoffdicke, durch Vergrößerung des A'cporptionskoeffizienten unter Impfung mit einem starken Absorber für die zweite Harmonische oder durch Vergrößerung der nichtlinearen Kopplung, die eine lineare Funktion des Absorptionskoeffizienten für die zweite Harmonische ist, in den jeweils gewünschten Intensitätsbereich eingestellt werden.

Der- zweite wichtige nichtlineare Absorptionseffekt ist die Mehrfach-Photonenabsorption. Wenn auch im folgenden die Absorption von zwei Photonen beschrieben ist, ist selbstverständlich auch die gleichzeitige Absorption von drei oder mehr Photonen möglich und läßt sich nachweisen. In Stoffen, deren Bandabstand die Einzelphtonenenergie eines Lasers überschreitet wo also zulässige Energieübergänge nicht mit der Energie eines Einzelphotons .übereinstimmen, läßt sich normalerweise kein Begrenzereffekt erwarten. Bei hohen Laserintensitäten ergibt

009813/1098 ~ ~ ™

^ΒΑύ ORIGINAL

sich jedoch eine quadratisch zunehmende Wahrscheinlichkeit für die gleichzeitige Absorption von zwei Photonen. Diese Zweiphotonenabsorption führt insgesamt zur Anhebung eines Elektrons innerhalb des otoffes auf ein höheres Energieniveau, wo dieser übergang aufgrund eines einzelnen einfallenden Photons nicht möglich ist. Die Besetzungsdichte der durch Zweiphotonenabsorption angeregten Elektronen steigt in Abhängigkeit von der lokalen intensität quadratisch an. Dadurch erhält man eine nich" lineare Begrenzung für kohärente Strahlung auf einen vorgegebenen Maximalwert.

im Sinne der Erfindung brauchbare Stoffe zeichnen sich dadurch aus, daß sie Differenzen zwischen den Energieniveaus aufweisen, die von der Grund-Laserfrequenz abweichen, so daß die Absorption der kohärenten Strahlungsenergie in den betreffenden Energieniveaus nichtlinear erfolgt. Diese Kennzeichnung ist sowohl für die Absorption der zweiten Harmonischen als auch für die Zweiphotonenabsörption zutreffend. Für eine genaue Beschreibung der Wirkungsweise der nichtlinearen Absorber muß man zu den Einzelheiten der Quantentheorie greifen. Grundsätzlich können die Elektronen innerhalb des Atomgitters des Stoffes nur in einer begrenzten Anzahl von Energieniveaus vorhanden sein; durch Strahlungsabsorption werden sie von einem niedrigeren in ein höheres Energieniveau angehoben. Da die Anzahl der zulässigen Energieniveaus beschränkt ist, sind auch die Energiequanten für die Absorption auf bestimmte Einzelwerte beschränkt. Bei einem im Sinne der Erfindung brauchbaren Stoff entsprechen die zulässigen Energieniveaus und damit die Energiequanten für die Absorption ganzzahligen Vielfachen der Einzelphotonenenergi< bei der Grundfrequenz. Im Rahmen der Erfindung läßt sich die stärkste Wirkung beobachten, wenn der Elektronenübergang über einen Energiesprung erfolgt, der der doppelten Einzelphotonenenergie gleich ist. Dann können zwei Photonen auf der Gründfrequenz oder ein einzelnes Photon auf der doppelten Grundfrequenz absorbiert werden. In jedem Fall stimmt die Quantenenergie mit der zulässigen Übergangs energie des Elektrons überein. Im allgemeinen tritt in azentrischen Stoffen, also Stoffen ohne Inversions Zentrum, eins Erzeugung der zweiten Harmonischen und

eine entsprechende Absorption auf. Solche Stoffe sind also im Sinne der Erfindung brauchbar. Ein jeder Stoff mit der Fähigkeit zur Erzeugung der Zweiten Harmonischen zeigt auch den Zweiphotonenabsorptionseffekt; jedoch gilt nicht notwendigerweise das Umgekehrte. In einem Stoff, wo beide nichtlineare Absorptionseffekte auftreten, ist es außerordentlich schwierig, eindeutig festzustellen, welcher Effekt überwiegt. Die Gruppe der Verbindungen von Elementen der Ilb-Gruppe mit Elementen der Vla-Gruppe hat sich als brauchbar im Sinne der Erfindung erwiesen, also einkristallines oder polykristallines Zinkselenid, Zinkoxyd, Cadmiumsulfid sowie CadmiumsulSd-selenid. Eine optische Begrenzung eines kohärenten Strahlungsbüadels aus einem Rubinlaser läßt sich mit jeder der genannten Verbindungen im Experiment erreichen. Ein Q -getasteter Hubinlases'Strahl wurde durch einen ersten Strahlauf spalt er, dureh ©i®.© Probe eines Begrenzerstoffes sowie durch einen zweiten Strahlaufspalter geschickt.' Der Anteil der an einem jeden der gleichartigen Strahlaufspalter reflektierten Laserenergie wurde mit je einer Photodiode gemessen. Die Ausganggapannung der ersten Photodiode war der ungedämpften Eingangsintensität für den Probenstoff proportional. Die Ausgaagsspannung dsr zweiten Photodiode war ein Maß für die StraiüLntensität aaeh Durchgang düDch£l.en Probenstoff. Die Ausgangsanschlüsse der Paotodioden wurden an einen Zweistrahlossillographen angeschlossen, damit eine gleichzeitige Messung der Einfallsintensität und der durchgelaesenen Intensität möglich war* Die Lassrizitenaität wurde Ms SEU einem Maximalwert ron etwa 30 MW/em geändert. Nach einer absoluten Intensitätseicimsg des Lasers wurde die Intensität des Strahls nach Durchgang du^eh &®n Begrenzer auf einen Maximalpegel begrenzt, der von der Zusammensetzung und des Prüfstoffes abhing. Bspw. ergab eine 10 ms dicke

su Ei&g&Bgeiatensitäten über 13,0 MW/em"*» Eia.e 16 ei® dicke ergab ®in®& Grenzpegel von etwa 0_s8 MW/em till? die

0,6

- ίο -

Eine merkbare Schädigung der Prüfproben ergab sich innerhalb des -untersuchten Bereichs der Eingangsintensitäten nicht.

Fig. 2 gibt ein Schaubild der Begrenzungswirkung nach der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik. Die Ausgangsintensität ist als Funktion der Eingangsintensität für einen linearen Absorber 18 aufgetragen, für einen photochromatischen Absorber 20 und für einen Absorber nach der Erfindung 22. Die Kurve 24 gibt die unbegrenzte Eingangsintensität.

Fig. 3 gibt die Intensitätsverteilung innerhalb eines Laserbündels in Abhängigkeit von der räumlichen Stellung innerhalb des Bündels an. Das Laserbündel besitzt demnach Intensitätsspitzen, die den Mittelwert beträchtlich übersteigen. Durch Anwendung eines Begrenzers der beschrle&eBan Art kann die Laserausgangsleistung auf einen best¹ 5©a Maximalwert begrenzt werden, wie die geglättete Intsasi^e'Seicurve eier Fig* 3-ä- an- ?, a igt. -

Ply» ssigt elae optische Begrenzereinrielitung mit einem *€>i-^siertsn Bündel aua einer Fokussienangslinse 30, einem optischen Begrenzerelement 32 und einer Kollimatorlinse 34·. Eine überraschende Eigenschaft von. räumlich lEonäranter Schwingung ist die Möglichkeit der Inteüsitätssteigerung um ein Vielfaches durch Fokussierung. Im einzelnen ist die Intensitätssteigerung das Verhältnis der Eiiigangsblendenflache, nämlich der Fläche der Fokussierungslinse 3Ö ssu der minimalen Brennfleckfläche, nämlich dem Streuimgskreis der Linse 30 innerhalb der Brennebene 38. Ein optischer Begrenzerstoff 32 am Ort des Brennpunkts 38 begrenzt di© Intensität der Einfallenergie des Bündels 40. Das divergierende Bündel 42 nach Durchtritt durch den Begrenzerstoff wird durch die Linse 3& kolliaiert, so daß man eine wirksame optische Begrenzung erhält, die eine Verbesserung um einen Fsxäcr gleich dem Quadrat des Verhältnisses zwischen dem ^^renesgsikreisdurchmesser ujid dem Eingangsblendendurchmesaer aufweist». Ba dieses Verhältnis leicht den Wert 10 haben kann, läßt sich eine Verbesserung

des Begrenzer effekt s in der Größenordnung 10 erreichen. Bei

009813/109^

193ΛΑ38

dieser Betrachtung ist ein Parallelbündel 40 als Eingangsbündel vorausgesetzt; diese Annahme muß jedoch nicht für eine wirksame Arbeitsweise der Erfindung erfüllt sein. Im allgemeinen Fall sind jedoch umfangreichere Berechnungen notwendig, die auch den Einfluß der Divergenz des Lichtbündeis, der Blendengeometrie und der Bündelstreuung berücksichtigen.

Ein optischer Begrenzer mit fokussiertem Lichtbündel kann als ein unabhängiges Bauelement mit gesonderten Linsen und anderen optischen Einheiten ausgebildet sein. Ein Begrenzer kann auch in der Brennebene eimer Linse eines vorhandenen optischen Systems aufgestellt sein.

Nach Fig. 5 kann im Eahmen der Erfindung eine Kombination mit einem linearen Filter erfolgen, womit die Herstellung einer Schutzbrille 48 möglich ist. Hierbei folgt auf ein nichtlineares I: anent 44 i£lt einem vorgegebenen Grenzpegel ein lineares Filter 46 mit einer vorgegebenen optischen Dichte. Der lineare Absorber 46 dient zur Ergänzung des nichtlinearen Elementes 44·, indem er vergleichsweise stark bei niedrigen Intensitätswerten absorbiert,(also das schwächere Laserlicht oder inkohärentes Licht). Bei höheren laserint ens it ät en ist die Absorption des nichtlinearen Elements 44 weit stärker. Solche Linsen können mit einem größeren Dynamikbereich hergestellt werden, als er durch den Stoff 44 oder 46 allein erzielbar wäre. Der wichtigste Gesichtspunkt liegt jedoch darin, daß solche Linsen eine vergleichsweise ungestörte Betrachtung ermöglichen, wobei ein möglichst großer Schutz gegenüber einer kohärenten Strahlung hoher Intensität; erzielt ist. Als Beispiel von Linsen, die eine praktische Verwendung zum Schutz gegenüber der Strahlung eines Rubinlasers gewähren, kann der nichtlineare Stoff 46 Gadmiuasulfid sein, der eine blass- bis mittelgelbe Färbung aufweist und durchsichtig wie Fensterglas ist. Das lineare Filter 44 kann eine neutrale Filterdichte wie gewöhnliches Sonnenschutzglas aufweisen, für eine stärkere Selektivität kann man auch ein spezielles Laserfilterglas verwenden wie das Schottglas BG 18. Wenn eine zusätzliche Begrenzung erforderlich ist, können zusätzliche Schichten nicht linearer EIe-

9813/1098

mente mit fortgesetzt niedrigeren Grenzpegeln aufeinandergeschichtet werden, auf die dann ein linearer Absorber in der beschriebenen Weise folgt.

Viele Stoffe, die als optische Begrenzer brauchbar sind, werden im linearen Bereich als Photoleiter benutzt. Da die nichtlinear absorbierte Energie nach dem ersten Hauptsatz der Therm dynamik (dem Erhaltungsgesetz der Energie) irgendwo hingehen muß, erzeugt ein Teil der Energie Leitungsträger innerhalb des Begrenzerstoffes. Somit kann man aufgrund der nichtlinearen Photoleitereffekte eine kombinierte Strahlungsenergie-Nachweis-Begrenzereinrichtung nach Fig. 6 erhalten. Diese Einrichtung umfaßt eine Fokussierungslinse 50, ein Begrenzerelement 52, einen Photodetektor 54, Begrenzerausgangsleitungen 56 im Anschluß an das Begrenzerelement 52 mit einem ersten Verstärker, Begrenzerausgangsleitungen 60 im Anschluß an den Detektor 54 sowie einen zweiten Verstärker 62. Die Verstärker 58 und 62 sind an eine Matriacschaltung 64 angeschlossen, deren Ausgang den Einfall kohärenter Strahlung 66 auf das Begrenzerelement 52 und den Ausgang des Detektors 54 anzeigt. Der Detektor 54 spricht auf Energie mit Intensitätswerten an, wo das Begrenzerelement durchsichtig ist. Bei sehr hohen Intensitäten der Eingangs energie 66, wo der Detektor 54 in den Sättigungsbereich kommt oder einen Schaden erleidet, beginnt das optische Begrenzerelement 52 als Detektor in der oben beschriebenen Weise zu arbeiten. Bei solchen hohen Intensitätswerten nimmt jedoch die Durchlässigkeit des Begrenzerelements 52 ab, so daß der Detektor 54 durch Begrenzung der Einfallsintensität auf einen maximalen Grenzpegel geschützt wird.

Nach der Lehre der Erfindung kann weiterhin eine Einrichtung bereit-gestellt werden, womit kohärente Strahlung gegenüber einer inkohärenten Störstrahlung diskriminiert werden kann. Eine derartige Einrichtung nach der Erfindung ist in Fig. 7 dargestellt und umfaßt zwei Begrenzer-Nachweiselemente 68 und 70 in Gegentaktschaltung, die ausgangsseitig gleiche Werte liefern, wenn sie von einer gleichen Eingangsstrahlung 72

009813/1098

aufschlagt werden. Eine Fokussierungslinse ?4 ist mit einem Element 68 verknüpft, so daß eine Fokussierung in ein Bündel 76 hoher Intensität erfolgt. Die Ausgänge der einzelnen Element liegen jeweils an Verstärkern 78 und 80 an, deren Ausgangsspannungen in einer Auswertestufe 82 bspw. einer Differenzschaltung oder einer Teilerschaltung miteinander verglichen werden. Die Differenz zwischen den Ausgangswerten der Elemente 68 und 70 ist damit ein Maß für den nichtlinearen Intensitätsverteilungseffekt.

Jede inkohärente Störstrahlung wird im Ausgang 84 der Auswertestufe 82 unterdrückt. Eine Differenz oberhalb eines Schwellenwertes ist ein deutliches Zeichen für das Vorhandensein kohärenter Strahlungsenergie.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 8 dargestellt. Untersuchungen haben ergeben, daß durch Anlegen eines elektrischen Feldes an das Begrenzerelement eine Verschiebung der nichtlinearen Absorptionskennlinie erfolgt. Somit kann durch Anlegen einer Spannungsdifferenz vonseiten einer Spannungquelle 86 an das Begrenzerelement 88 der Grenzpegel moduliert werden. Wenn also Einfallsenergie 90 auf das Begrenzerelement 88 auffällt, kann die Ausgangsintensität in Abhängigkeit von der angelegten Spannung moduliert werden.

00 98 137 1098

Claims

- 14 Patentansprüche

1. Verfahren'zur Begrenzung der Intensität eines kohärenten Strahlungsbündels, dadurch gekennzeichnet, daß das Stralalungsbündel durch ein Element aus einem Stoff mit einer solchen Verteilung der Energieniveaus geleitet wird, wo die Absorption mindestens teilweise in nichtlinearer Abhängigkeit von der Strahlungsintensität erfolgt, und daß die durchgelassen Strahlungsintensität auf einen vorgegebenen Maximalpegel begrenzt wird. ^

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine azentrische kristalline Verbindung als Absorberstoff.

3. Verfahren nach Anspruch 2₉ dadurch gekennzeichnet, daß diese Verbindung aus den Oxyden, SuIf: n, Seleniden unu Telluriden der Metalle der Ilb-Gru- ... -,- . ss Periodensystems ausgewählt wird.

4. V„ 'fahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Absorberstoff aus der Gruppe der Verbindungen Zinkselenid, Zinkoxyd, Cadmiumsulfid und Cadmiumsulfid-selenid.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die auf das genannte Element einfallende Strahlungsintensität des Strahlungsbündels vergrößert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein lineares Absorberelement in den Liehtweg des durch den erstgenannten Absorberstoff hindurehgelassenen Strahlungsbündeis eingestellt wird.

.7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Absorberelement absorbierte Strahlungsenergie nachgewiesen wird.

009813/1098 BADORIGINAL

8. Verfahren, nach Anspruch. 6, dadurch gekennzeichnet, daß das nichlineare Element und das lineare Absorberelement in einen Rahmen eingesetzt¹ und damit vor -dem Auge getragen werden können, damit eine Augenschädigung durch eine hohe Intensität kohärenter Strahlungsenergie ausgeschaltet ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorberelement zum Zwecke einer Änderung der Intensitätsabhängigkeit der Absorptionsgröße mit einer Vorspannung beaufschlagtwerden kann.

1C . Einrichtung zur Burchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als nichtlinearer Begrenzer für kohärente ^Strahlungsenergie, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an eine i-nhebungsstufe (30) für die Strahlungsintensität des Strahlimgsbüiidels (40) ein Element (32) aus einem Stoff mit einer solchen Verteilung der Energieniveaus, wo die Absorption mindestuas teilweise in nichtlinearer Abhängigkeit von der Strahlungsintensität erfolgt, in den Lichtweg eingestellt· ist, womit sich, infolge der nichtlinearen Absorption eine Intensitätsbegrenzung; «äer strahlungsenergie auf einen vorgegebenen Grenzpegel ergibt.

1 ;. Einrichtung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch eine Fokussierumgslinse als Anhebungsstufe.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (32) im Bereich des Brennflecks (38) der Fokussierungslinse aufgestellt ist.

13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Element(32) eine Kollimatorstufe (34·) für die Ausgangsstrahlung nachgeordnet ist.

14. Einriclrfcung zur Burchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Diskriminator für kohärente und in-

009813/1098

kohärente Strahlungsenergie, dadurch gekennzeichnet, daß zwei nichtlineare Absorberelemente(68, 70) jeweils Ausgangsanschlüsse aufweisen, deren Ausgangswert dem absorbierten Anteil der Einfallsenergie entspricht, daß eines dieser Äbsorberelemente (68) im Brennfleck einer Fokussierungseinrichtung (74) aufgestellt ist, wodurch die Intensität der kohärenten Strahlung innerhalb dieses ersten Absorberelements angehoben wird, und daß an die Ausgangsanschlüsse der beiden Absorberelemente eine Auswertestufe (82) angekoppelt ist.

15. Einrichtung nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch einen Differenzverstärker als Auswertestufe, dessen Ausgangssignal der Signaldifferenz der beiden Absorberelemente gleich ist.

16. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Strahlungsdetektor für kohärente Strahlungsenergie, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb des Lichtwegs hintereinander eine Fokussierungseinrichtung (50)» ein nichtlineares AbsorbeisLement (52) mit Ausgangsanschlussen (56) zur Abgabe eines der absorbierten Strahlungsintensität entsprechenden Ausgangswertes und ein Photodetektor (5^) angeordnet sind, wobei der Photodetektor in dem Brennfleck der Fokussierungseinrichtung aufgestellt ist, daß die Ausgänge des Absorberelements und des Photodetektors an eine Auswerteschaltung (64) angekoppelt sind, deren Ausgangesignal ein Maß für auf die Fokussierungseinrichtung einfallende Strahlungsintensität ist.

17. Einrichtung nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch eine Fokuss ierungslinse (50).

18. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Modulator für kohärente Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß ein nichtlineares Absorberelement (88) mit einer Vorspannungsstufe (86) verbunden ist, mit deren Hilfe die Intensitätsabhängigkeit der Absorptionsgröße geändert werden kann.

009813/1098

19· Einrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannungsstufe eine modulierbare elektrische Spannungsquelle umfaßt, die an das nicht-lineare Absoberelement anschließbar ist.

20. Ein-richtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß das Absorberelement aus einer azentrischen kristallinen Verbindung besteht.

21. Einrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß diese Verbindung aus den Oxyden, Sulfiden, Seleniden und Telluriden der Metalle der Ilb-Gruppe des Periodensystems ausgewählt ist.

22. Einrichtung nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch eine Verbindung aus der Gruppe von Zinkselenid, Zinkoxyd, Cadmiumsulfid-selenid.

0098 13/1098