DE19745785C2 - Laserstrahlungsquelle für ein DIRCM-Waffensystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Laserstrahlungsquelle für ein DIRCM (directional infra red counter measures)-Waffensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Waffensysteme zur Selbstverteidigung von Flugzeugen bekämpfen Flugkörper mit IR-Suchköpfen, indem sie die so gut wie möglich gebündelte, breitbandige IR- Strahlung von Lampen oder - bei moderneren DIRCM-Waffensystemen - schmalbandige IR-Laserstrahlung auf den Suchkopf des angreifenden Flugkörpers richten.

Ein solches bekanntes modernes DIRCM-System - kurz FLASH genannt - zum Flugzeugselbstschutz mit Laser ist hochwirksam zur Abwehr von optisch gesteuerten Lenkflugkörpern speziell mit Suchköpfen hoher Leistung und benutzt zur Bekämpfung der IR-Suchköpfe gepulste Laserstrahlung variabler Wellenlänge zur irreversiblen Zerstörung des Suchkopfes beziehungsweise seiner Detektoren. Beschreibungen von FLASH sind veröffentlicht in "Laser Systems for Optical Countermeasures, Rudolf Protz und Gunther Sepp, International Symposium Optronics & Defence, Paris 3-5 Dezember 1996" und "Lasergestütztes DIRCM-System zum Selbstschutz von Flugzeugen gegen Flugkörper mit optronischen Zielsuchköpfen, R. Protz und D. Wittmer, Eloka-Symposium, Mannheim 16.-­ 18.10.96".

Die Wellenlängenbereiche, in denen diese Suchköpfe empfindlich sind, liegen bei den üblichen schultergefeuerten Boden-Luft-Flugkörpern bei 2 . . . 3 µm (mit PbS-Detektoren) und 3 . . . 5 µm (mit InSb-Detektoren), bei Panzerabwehrflugkörpern bei 8 . . . 12 µm (mit HgCdTe-Detektoren) und bei semiaktiven Flugkörpern (Flugkörper mit sog. Zielmarkierung) bei 1,06 µm. Um wirksam zu sein, muß infolgedessen die Wellenlänge der benutzten Laserstrahlung im Transmissionsbereich der jeweiligen Suchkopfoptik sowie in dem jeweiligen der genannten Wellenlängenbereiche der Suchkopfdetektoren liegen. Diese Forderung gilt ebenso, wenn zur genaueren Zielerkennung das vom Suchkopf reflektierte Laserlicht analysiert werden muß.

Insbesondere im Wellenlängenbereich von 3 . . . 5 µm stehen bisher keine geeigneten Lampen oder Laserquellen zur Verfügung. Zur Herstellung von Strahlungsquellen auch in diesem Wellenlängenbereich wurde in den vorher genannten Veröffentlichungen vorgeschlagen, Festkörperlaser mit fester Wellenlänge (vorzugsweise mit Halbleiterlaserdioden gepumpte Nd : YAG-Laser bei 1,06 µm) als Pumplaser von OPOs (optisch parametrische Oszillatoren) zu verwenden. Im OPO, einem nichtlinearen Kristall in einem optischen Resonator, wird die Energie eines Pumpphotons auf 2 Photonen aufgeteilt. Das Aufteilungsverhältnis und damit die Wellenlängen der beiden erzeugten Laserstrahlungen (die sog. Signal- und Idler-Welle bzw. 1 und 1*) wird dabei durch verschiedene Parameter bestimmt und hängt z. B. vom Brechungsindex im Kristall ab. Bei gegebenem Kristallmaterial hängt dieser z. B. von der Kristalltemperatur, der Orientierung des Kristalls zur Richtung des Pumplaserstrahls und von der Orientierung der optischen Kristallachse bei der Herstellung des aus dem Ausgangsmaterial herausgeschnittenen makroskopischen OPO-Kristallquaders ab. Je nach gewünschtem Wellenlängenbereich läßt sich so mit bestimmten Kristallen und 1- oder 2-stufigen OPOs jede gewünschte Wellenlänge innerhalb des geforderten Wellenlängenbereiches erzeugen. Dieses Verfahren wird z. B. beschrieben in "Nonlinear materials extend the range of high-power lasers, F. Kenneth Hopkins, LASER FOCUS WORLD JULY 1995".

Bisher vorgeschlagene Lösungen erfordern mehrere unterschiedliche Strahlungsquellen wie Lampen, verschiedene Laser bzw. OPOs usw., um den jeweils erforderlichen Wellenbereich abzudecken, und sind daher in Aufbau und Funktion noch zu unwirtschaftlich.

Ein weiterer Nachteil der genannten Laserstrahlungserzeugung mit OPOs liegt darin, daß in der Regel jeweils nur eine einzige Wellenlänge im gewünschten Wellenlängenbereich zur Verfügung steht; die beim OPO immer gleichzeitig vorhandene zweite Wellenlänge ist zumeist wegen ihrer Wellenlänge und ihrer Intensität für DIRCM-Zwecke nicht geeignet. Ist aber der Detektortyp des zu bekämpfenden Suchkopfes z. B. wegen nicht ausreichender Zielerkennung nicht bekannt, so muß die DIRCM-Strahlung zwei oder mehrere Wellenlängen in verschiedenen der genannten Wellenlängenbereiche enthalten, um mit Sicherheit wirksam zu sein. Dies läßt sich bisher nur durch mindestens je einen zusätzlichen OPO mit Pumplaser erreichen, also durch mindestens eine Verdoppelung des Aufwandes.

Eine weiterer Nachteil der bisher bekanntgewordenen Laserstrahlungsquellen für DIRCM- Waffensysteme ist, daß die Laserstrahlung von fester, dem Angreifer dann möglicherweise bereits bekannter Wellenlänge ist, was einfache Gegenmaßnahmen, wie z. B. schmalbandige Interferenzfilter, die diese Wellenlänge blockieren, möglich macht.

Aus der DE 41 24 428 A1 ist ferner eine herkömmliche Laserstrahlungsquelle für ein DIRCM-Laserwaffensystem für die Selbstverteidigung von Flugzeugen gegen Flugkörper mit IR-Suchköpfen bekannt. Bei diesem herkömmlichen System sind zwei Laser erforderlich sind, und zwar ein Laser zur Entfernungsmessung und ein weiterer Laser zur Störung bzw. Zerstörung des Zielsuchkopfs. Der Laser zur Entfernungsmessung besitzt dabei eine einzige Betriebswellenlänge von ungefähr 1,06 µm, während der Laser zur Störung bzw. Zerstörung des Zielsuchkopfes eine variable Wellenlänge oder ein abstimmbares Spektralband aufweist. Jedoch erfolgt diese Abstimmung des Störungs- bzw. Zerstörungslasers vor dem Einsatz des Lasers und lediglich auf einer Wellenlänge, die für das vom Zielsuchkopf verwendete Infrarot-Zielsuchgerät am wahrscheinlichsten ist. Darüber hinaus ist die Verwendung zweier Laser obligatorisch.

Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Laserstrahlungsquelle derart weiterzubilden, daß bei Verwendung nur eines Lasers entsprechend den unterschiedlichen Erfordernissen im Bekämpfungsablauf, nämlich bei Zielerkennung und Bekämpfung und entsprechend den unterschiedlichen zu bekämpfenden Zielen mit im Zielsuchkopf benutzten unterschiedlichne Wellenlängenbereichen eine Laserstrahlung mit zur erfolgreichen Bekämpfung hinreichender Leistung und Pulsfrequenz und mit an die jeweiligen Anforderungen angepaßter, auswählbarer spektraler Zusammensetzung erzeugbar ist, und zwar auch unmittelbar vor und sogar noch während des Bekämpfungsvorgangs des DIRCMWaffensystems.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine gattungsgemäße Laserstrahlungsquelle mit den zusätzlichen im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Dadurch kann eine gezielte Bekämpfung des Zielsuchkopfes mit einer für diesen Zielsuchkopf vor und während des Bekämpfungsvorgangs ermittelten, geeigneten Leistung erfolgen und der bauliche Aufwand beim Bekämpfungssystem durch Einsparung eines zweiten Lasers verringert werden.

In den Unteransprüchen sind Maßnahmen zur Ausgestaltung und Weiterbildung angegeben, und in der nachfolgenden Beschreibung wird ein Ausführungsbeispiel erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterungen. Es zeigen:

Fig. 1: einen schematisch skizzierten Aufbau eines Ausführungsbeispiels einer Laserstrahlungsquelle für ein DIRCM-Laserwaffensystem mit einem Pumplaser und einem OPO auf einem Verschiebetisch, wobei der OPO 4 verschiedene pp- Zonen für die Erzeugung von jeweils je einer von 4 unterschiedlichen Signal- und Idler-Wellen 1 und 1* aufweist,

Fig. 2: eine perspektivische Darstellung des Verschiebetisches mit einem OPO-Kristall mit 4 Gruppen von je 3 unterschiedlichen pp-Zonen zur Erzeugung von 4 verschiedenen Kombinationen von jeweils 3 unterschiedlichen Signal- und Idler-Wellen 1 und 1*, und

Fig. 3: eine perspektivische Darstellung eines OPO-Kristalls mit 3 Gruppen von je 3 unterschiedlichen pp-Zonen für verschiedene Wellenlängen, wobei deren relativen Intensitäten durch die relativen Breiten der jeweiligen pp-Zonen bezüglich der Gesamtbreite der Gruppe bestimmt werden, und

Fig. 4: ein Szenenbild eines Flugzeuges, das von einem Lenkflugkörper mit autonomem IR-Zielsuchkopf angegriffen wird und diesen mit seinem DIRCM- Laserwaffensystem bekämpft.

Die Anwendungssituation der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 4 dargestellt, welche schematisch zeigt, wie sich ein Flugzeugziel 10 mit einem modernen DIRCM- Waffensystem 20 gegen die sogenannten schultergestützten, von einer Abschußstation 40 aus abgefeuerten Lenkflugkörper 50 mit IR-Zielsuchköpfen 60 erfolgreich verteidigen kann, indem es einen DIRCM-Laserstrahl 30 auf den IR-Zielsuchkopf 60 des von einer Abschußstation 40 abgefeuerten Lenkflugkörpers 50 richtet und diesen dadurch stört oder zerstört.

Der allgemeine Erfindungsgedanke sieht vor, eine Laserstrahlungsquelle 100 für ein solches DIRCM-Laserwaffensystem 20 zu schaffen, welche sowohl für die Zielerkennung als auch zur Bekämpfung und irreversiblen Zerstörung der im Zielsuchkopf 60 angeordneten Detektoren unterschiedlicher Wellenlängenbereiche einsetzbar ist, wobei die Laserstrahlung 30 in Leistung, Pulsfrequenz und auswählbarer spektraler Zusammensetzung anpaßbar ist.

Das nachfolgend beschriebene Ausführungsbeispiel sieht vor, die Laserstrahlungsquelle 100 durch Kombination eines diodengepumpten 111 Nd : YAG-Lasers als Pumplaser 110 mit einem Optisch Parametrischen Oszillator (OPO) 120 zu realisieren, welcher aus einem Kristall 130 (z. B. Lithiumniobat) hergestellt wird. Dieser Kristall 130 weist in seiner einfachsten Form mehrere periodisch polarisierten (pp) Zonen 132a-d gleicher Breite auf (siehe Fig. 1, wo 4 solche Kristallzonen 132a-d gezeichnet sind). Die jeweiligen Gitterabstände 133a-c dieser Kristallzonen 132a-d sind entsprechend den zu erzeugenden Wellenlängen ausgebildet (s. Fig. 3, wo einer dieser Gitterabstände 133c bezeichnet ist). Die Auswahl der Wellenlängen der jeweiligen Signal- und Idler-Wellen 1 und 1* erfolgt durch Verschiebung des OPO-Kristalls 130 relativ zu dem an die Kristallgeometrie (pp-Zone) angepaßten (z. B. rechteckigen) Strahlquerschnitt des Pumplaserstrahls 111, so daß die jeweilige pp-Kristallzone 132a-d mit ihrem jeweiligen unterschiedlichen Gitterabstand 133a-d im Pumplaserstrahl 111 liegt und dadurch die jeweilige Signal- und Idler-Welle 1 und 1* erzeugt wird.

Ein mögliches Herstellungsverfahren zur Erzeugung solcher Materialzonen in Lithiumniobat wird in dem Bericht "Compact Mid-Infrared Source, W. Bosenberg, U.S. Army Communications-Electronics Command, Report NV-96-C₀₁,1996" beschrieben. Verwendet man beispielsweise pp-Zonen, deren Gitterabstände 133a-d von 32 . . . 26 µm variieren, so variiert die damit erzeugte Signal-Welle 1 von 2 . . . 5 µm. Die Auswahl der jeweils zu erzeugenden Wellenlängen 1 + 1* wird also durch entsprechende Verschiebung des OPO-Kristalls 130 im Pumplaserstrahl 111 durchgeführt.

In der normalen Ausführungsform weist der OPO-Kristall 130 mehrere nebeneinander angeordnete Gruppen 131a-d gleicher Breite von nebeneinander angeordneten periodisch polarisierten (pp) Kristallzonen 132a-d unterschiedlicher Breite auf (siehe Fig. 2, wo 4 solche Gruppen 131a-d gezeichnet sind). Eine bestimmte Gruppe, z. B. die Gruppe G₂ (131b), weist hier z. B. die 3 pp-Zonen Z₁, Z₃ und Z₃ auf. Da der Strahlquerschnitt des Pumplaserstrahls 111 in dieser Ausführungsform der Breite der Gruppe 131 entspricht, liegen alle 3 pp-Kristallzonen Z₁, Z₃ und Z₃ 132a-c dieser Gruppe G₂ (131b), mit ihren jeweiligen unterschiedlichen Gitterabständen 133a-c im Pumplaserstrahl 111, so daß dadurch gleichzeitig die 3 unterschiedlichen Signal- und Idler-Wellen (1 + 1*)₂₁, (1 + 1*)₂₂ und (1 + 1*)₂₃ erzeugt werden. Die Auswahl der Wellenlängenzusammensetzung der DIRCM- Laserstrahlung 30 mit den jeweils zu erzeugenden Wellenlängen (1 + 1*)_GZ wird also wieder durch entsprechende Verschiebung des OPO-Kristalls 130 im Pumplaserstrahl 111 durchgeführt. Da die Intensität einer erzeugten Wellenlänge bei über den Querschnitt konstanter Leistungsdichte des Pumplasers 110 genähert der Breite der pp-Kristallzone 132 proportional ist, sind die jeweiligen relativen Breiten der pp-Kristallzonen 132a-c innerhalb einer Zonengruppe G_i derart gewählt, daß sich dadurch die jeweils gewünschten relativen Intensitäten der zu erzeugenden Wellenlängen (1 + 1*)_GZ ergeben. Da sich die Pulsfrequenz der Laserstrahlung 30 in einfacher Weise durch entsprechende Ansteuerung der Pumplaserdioden 111 des diodengepumpten Nd:YAG-Laser-Pumplasers 110 einstellen läßt, ist damit eine Laserstrahlungsquelle 100 geschaffen, deren Laserstrahlung 30 in Leistung, Pulsfrequenz und auswählbarer spektraler Zusammensetzung anpaßbar ist.

Die folgende Tabelle ist ein Beispiel für 4 Gruppen 131a-d von pp-Kristallzonen 132a-d mit Angabe der Auswahl der Wellenlängen und ihrer relativen Intensitäten. Die tatsächliche Festlegung der spektralen Zusammensetzung der verschiedenen DIRCM- Laserstrahlungen 30 und die im Bekämpfungsfall daraus auszuwählende aktuelle Laserstrahlung 30 richtet sich nach den Kenntnissen über den angreifenden Lenkflugkörper 50, die sowohl a priori vorhanden sind, als auch mittels des DIRCM-Laserwaffensystems 20 aus der taktischen Situation abgeleitet werden.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Möglichkeit der technischen Realisierung für die Verschiebung des OPO-Kristalls 130 skizziert. Hier liegt der Kristall 130 auf einem mittels eines Stellmotors 160 verfahrbaren Verschiebetisches 150. Diese Methode der Einstellung der spektralen Zusammensetzung ist zum einen sehr schnell, zum anderen aber auch relativ unkritisch bezüglich der Orientierung des OPO-Kristalls 130 bezüglich des Pumplaserstrahls 111. Im Vergleich dazu sind andere mögliche Methoden deutlich unterlegen. Selbst wenn jeweils nur eine einzige Wellenlänge zu erzeugen wäre, könnte dies mit den üblichen OPOs nur auf eine weit weniger flexible Weise realisiert werden. Beispielsweise könnte dies über die oben erwähnte Abhängigkeit der Wellenlänge vom Brechungsindex des OPO-Kristalls 130 geschehen, also in einem größeren Wellenlängenbereich entweder durch die geeignete Orientierung der optischen Kristallachse bei der Herstellung des aus dem Ausgangsmaterial herausgeschnittenen makroskopischen OPO-Kristallquaders - also nur mit einem dann festen Wert - oder in einem kleineren Bereich beim Betrieb durch Einstellung der Kristalltemperatur - was eine sehr langsame Methode ist. Beim Betrieb könnte dies auch durch Verkippen des Kristalls 130 im durch die Resonatorspiegel 140 und 140a gebildeten Resonator bezüglich der Richtung des Pumplaserstrahls 111 geschehen; allerdings ist eine Veränderung der Resonatoreinstellung deutlich schwieriger zu bewerkstelligen als die erfindungsgemäße Verschiebung eines OPO-Kristalls 130 in einem festen Resonator.

Damit ist ein Verfahren geschaffen, das gemäß der unterschiedlichen Erfordernisse im DIRCM-Bekämpfungsablauf auch während des Betriebs frequenzagile Laserstrahlung 30 mit entsprechend angepaßter spektraler Zusammensetzung erzeugt.

Claims (6)

1. Laserstrahlungsquelle mit variabler Wellenlänge oder abstimmbarem Spektralband für ein DIRCM-Laserwaffensystem (20) für die Selbstverteidigung von Flugzeugen (10) gegen Flugkörper (50) mit IR-Suchköpfen (60), dadurch gekennzeichnet, daß
die Laserstrahlungsquelle (100) sowohl für die Zielerkennung als auch zur Bekämpfung und irreversiblen Zerstörung der im Zielsuchkopf (60) angeordneten Detektoren unterschiedlicher Wellenlängenbereiche einsetzbar ist,
wobei die Ausgangsstrahlung der Laserstrahlungsquelle (100) sowohl für die Zielerkennung als auch zur Bekämpfung und irreversiblen Zerstörung 30 in Leistung, Pulsfrequenz und auswählbarer spektraler Zusammensetzung während des Bekämpfungsvorgangs anpaßbar ist und
wobei die Laserstrahlungsquelle (100) einen Pumplaser (110) und einen optisch parametrischen Oszillator (OPO, 120) aufweist, wobei der optisch parametrische Oszillator (OPO, 120) zur Auswahl der jeweils zu erzeugenden Wellenlänge im Pumplaserstrahl (111) verschiebbar ist.

2. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pumplaser (110) ein diodengepumpter Nd:YAG-Laser und der optisch parametrische Oszillator (OPO, 120) aus einem Kristall (130) hergestellt ist.

3. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der optisch parametrische Oszillator (OPO, 120) ein Lithiumniobat-Kristall mit periodisch polarisiertem (pp) Material ist, dessen Gitterabstand (133) der zu erzeugenden Wellenlänge entspricht.

4. Laserstrahlungsquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall (130) mehrere derartige periodisch polarisierte (pp) Kristallzonen (132a-d) aufweist, die nebeneinander angeordnet sind, deren jeweiligen Gitterabstände (132a-d) den zu erzeugenden Wellenlängen und deren jeweiligen Breiten dem Strahlquerschnitt des Pumplaserstrahls (111) entsprechen.

5. Laserstrahlungsquelle nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kristall mehrere derartige periodisch polarisierte (pp) Kristallzonen (132a-d) aufweist, die mehrere Zonengruppen Z_i (131a-d) bilden, deren jeweilige Zonengruppenbreiten dem Strahlquerschnitt des Pumplaserstrahls (111) entsprechen, deren Anzahl innerhalb einer Zonengruppe Z_i (131a-d) der Anzahl der jeweils gewünschten Wellenlängen entsprechen, und deren jeweils relative Breiten innerhalb einer Zonengruppe Z_i (131a-d) den jeweils gewünschten relativen Intensitäten der zu erzeugenden Wellenlängen entsprechen.

6. Laserstrahlungsquelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der OPO-Kristall (130) mit seinen periodisch polarisierten Kristallzonen (132a-d) einen rechteckigen Querschnitt aufweist und auf einem Verschiebetisch (150) angeordnet ist, der durch einen Stellmotor (160) hin- und herbewegt wird.