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Applied l a s e r sA l t h o u g h l a s e r s a r e b a s i c a l l y i n t h e T h e l a s e r h a s b e e n f o u n d u s e f u l f o r s h o r t - d i s t a n c er e s e a r c h s t a g e , c e r t a i n s p e c i f i c t y p e s c o m m u n i c a t i o n o r f o r c o m m u n i c a t i o n a c r o s s t h em a c r o d i m e n s i o n s o f s p a c e . Two s h o r t - d i s t a n c e v o i c e -h a v e r e c e n t l y e v o l v e d a s u s e f u l e l e c - c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s a r e d e s c r i b e d - o n e r e q u i r i n gt r o n i c c o m p o n e n t s f o r c o m m u n i c a t i o n , c a r e f u l b o r e s i g h t a l i g n m e n t a n d t h e o t h e r i n v o l v i n g ar a n g i n g , a n d d e t e c t i o n a p p l i c a t i o n s m e g a p h o n e - l i k e b r o a d - b e a m l a s e r t h a t n e e d s l i t t l ea l i g n m e n t . A l a s e r r a n g e - m e a s u r i n g s y s t e m h a s b e e n

d e v e l o p e d t h a t c a n m a k e d i s t a n c e c h e c k s f o r a i r c r a f tr e f u e l i n g o r f o r m e a s u r i n g t h e a l t i t u d e o f s p a c e c r a f tJames V o l l i n e r l a n d i n g o n t h e m o o n . T h e p r i n c i p l e s o f r a n g i n g c a nR a d i o C o r p o r a t i o n o f A m e r i c a a l s o b e a p p l i e d t o s e l e c t i v e v i e w i n g , m a i n t a i n i n g as e p a r a t i o n o f v e h i c l e s m o v i n g a l o n g a s e t p a t h , o rs e l e c t i v e l y c o u n t i n g c e r t a i n - s i z e d o b j e c t s . T h e l a s e ra l s o c an b e u s e d i n a s i m p l e i n t r u s i o n a l a r m s i n c e i t s

n a r r o w b e a m c a n b e r e f l e c t e d o v e r a v e r y l o n g d i s -t a n c e w i t h l i t t l e s p r e a d i n g .I n t o d a y s s o c i e t y , t h e c e n t r a l t h e m e i s c o m m u n i c a t i o nF I G U R E 1 . E x p e r i m e n t a l m o d e l o f l a s e r c o m m u n i - c a t i o n s y s t e m u s i n g t w o G a A s i n j e c t i o n l a s e r s . I t -by c o d e , b y w o r d , b y p r i n t e d p a g e , b y p i c t u r e . I to p e r a t e s i n a p u l s e d m o d e , a t 8 0 0 0 p u l s e s p e r i s n o t s u r p r i s i n g , t h e r e f o r e , t h a t e f f o r t s t o a p p l y t h es e c o n d , a n d h a s a b a n d w i d t h o f 3 k H z a n d a r a n g e l a s e r t o c o m m u n i c a t i o n c a m e i m m e d i a t e l y u p o n i t se x c e e d i n g 5 k m . D e t e c t o r i s a s i l i c o n p h o t o d i o d e . i n v e n t i o n . I n a s e n s e , t h e a p p l i c a t i o n p r e c e d e d t h e

i n v e n t i o n , i n a s m u c h as t h e n e e d f o r g r e a t e r b a n d w i d t h swas p r o m i n e n t i n t h e m o t i v a t i o n o f l a s e r r e s e a r c h .I f w e c l a s s i f y o u r c o m m u n i c a t i o n r e q u i r e m e n t s o n t h eb a s i s o f r a n g e , w e f i n d t h a t l a s e r s c a n b e h e l p f u l a t t h er a n g e e x t r e m i t i e s - t h a t i s , f o r d i s t a n c e s l e s s t h a n a b o u tl < 15km a n d f o r t h o s e g r e a t e r t h a n 8 0 m i l l i o n k m . T h el v s h o r t - r a n g e r e q u i r e m e n t i s a d m i r a b l y m e t b y a p u l s e d -i n j e c t i o n - l a s e r s y s t e m . An i n j e c t i o n - l a s e r d i o d e o p e r a b l ea t room t e m p e r a t u r e w i t h m o d e s t c u r r e n t f i r s t r e p o r t e db y N e l s o n e t a l . 2 ) h a s b e e n p a r t i c u l a r l y u s e f u l . I t r e q u i r e s~~ ~ ~ , ~ o n l y 1 0 a m p e r e s t o l a s e ; i t i s n o t an e y e h a z a r d ( t h e p u l s ee n e r g y c a n b e l e s s t h a n 0 . 2 4 J ) ; i t h a s a r e s i s t a n c e o f o n l y0 . 3 ohm a n d h e n c e c a n b e o p e r a t e d s e r i a l l y ; i t i s p h y s i -c a l l y s m a l l ( 0 . 0 7 5 b y 0 . 0 7 5 b y 0 . 1 8 m m ; a n d r a d i a t e sj u s t o u t s i d e t h e v i s i b l e s p e c t r u m ( 9 0 2 0 A ) .T h e t r a n s m i t t e r i n F i g . 1 e m p l o y s t w o s u c h l a s e r s a n da p p e a r s t o f i l l t h e n e e d f o r a s m a l l , l i g h t w e i g h t , p r i v a t ev o i c e - c o m m u n i c a t i o n l i n k . B e c a u s e i t e m p l o y s p u l s e df r e q u e n c y m o d u l a t i o n , t h e s y s t e m i s i n s e n s i t i v e t o f l u c t u a -t i o n s i n t r a n s m i s s i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a t m o s p h e r e .T h e l o w e n e r g y r e q u i r e m e n t s p e r m i t o p e r a t i o n o f t h es y s t e m f r o m s m a l l b a t t e r i e s f o r u p t o 2 2 h o u r s . B e c a u s et h e t r a n s m i t t e r b e a m w i d t h i s s m a l l ( 8 m r a d ) , t h e s y s t e m

66 I E E E s p e c t r u m JUNE 1 9 6 7

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m u s t b e a l i g n e d b y m e a n s o f t e l e s c o p e s , w h i c h a r e b o r e - F i g u r e 3 s h o w s s t i l l a n o t h e r m e m b e r o f t h i s c l a s s o fs i g h t e d w i t h t h e l a s e r . N a r r o w b e a m w i d t h i s s i m u l - l a s e r v o i c e t r a n s m i t t e r . T h i s p a r t i c u l a r u n i t was p a r t o ft an eo us l y a b u r d e n a n d a n a s s e t . I t c o m p l i c a t e s t h e t h e G e m i n i 7 m i s s i o n , a n d i t i s p e r h a p s t h e o n l y l a s e ra l i g n m e n t o f t h e t r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r ; b u t i t d o e s s y s t e m t h a t h a s h a d t o p a s s s p a c e q u a l i f i c a t i o n t e s t s .p r o v i d e l o w p o w e r d r a i n a n d g r e a t p r i v a c y . O p e r a t i o n F o u r l a s e r d i o d e s w e r e e m p l o y e d i n i t e a c h w i t h i t s ow na t 9 0 2 0 A e n h a n c e s t h i s p r i v a c y b y v i r t u e o f i t s i n v i s i b i l i t y . l e n s . A c t u a l l y , i n t h i s t r a n s m i t t e r t h e l a s e r a n d l e n sF u r t h e r m o r e , t h e r e s p o n s i v i t y o f s i l i c o n p h o t o d i o d e s a t f o r m e d a s u b a s s e m b l y . S i n c e t h e t i m e t h e f i r s t u n i t wa st h i s w a v e l e n g t h i s o r d e r s o f m a g n i t u d e h i g h e r t h a n t h a t b u i l t , a l a s e r l e n s s u b a s s e m b l y t h a t c a n b e r e p l a c e d a so f p h o t o m u l t i p l i e r s . Hannan a n d B o r d o g n a 3 h a v e e a s i l y a n d a s q u i c k l y a s a f l a s h l i g h t b u l b h a s e v o l v e d .s h o w n t h a t i n a n a m p l i f i e r - n o i s e - l i m i t e d s y s t e m , t h i s T h e f a r - f i e l d p a t t e r n s o f t h e G T - 7 t r a n s m i t t e r w e r e o r i -h i g h e r r e s p o n s i v i t y o f t h e p h o t o d i o d e r e s u l t s i n a s i g n i f - e n t e d t o i l l u m i n a t e a s q u a r e , a p p r o x i m a t e l y 0 . 8 km on ai c a n t l y b e t t e r s i g n a l - t o - n o i s e r a t i o t h a n c o u l d b e a c h i e v e d s i d e , f r o m a n a l t i t u d e o f 2 4 0 k m . T h e p e a k o u t p u t p o w e rw i t h a p h o t o m u l t i p l i e r i n t h e i n f r a r e d r e g i o n . R e s t a t e d , o f t h i s 2 . 3 5 - k g u n i t w a s 2 5 w a t t s . T h i s r a n g e o f h u n d re d sa t 9 0 2 0 A , f o r a g i v e n s i g n a l - t o - n o i s e r e q u i r e m e n t , t h e o f k i l o m e t e r s i s c e r t a i n l y n o t w i t h i n t h e e x t r e m e s i d e n -p h o t o d i o d e s y s t e m d e m a n d s l e s s t r a n s m i t t e r p o w e r t h a na m u l t i p l i e r p h o t o t u b e s y s t e m w h e n a m p l i f i e r - n o i s e -l i m i t e d . w h o l e s e r i e s o f p r a c t i c a l a d v a n t a g e s a c c r u e s f r o m t h eu se o f a p h o t o d i o d e : i t i s n o l o n g e r n e c e s s a r y t o h a v e a. h i g h - v o l t a g e s u p p l y ; i t i s n o l o n g e r n e c e s s a r y t o i n c l u d e a F I G U R E 2 . V o i c e l i n k e m p l o y i n g f o u r l a s e r s . N a t u r a ln a r r o w - b a n d o p t i c a l f i l t e r ; a n d i t i s n o l o n g e r n e c e s s a r y d i v e r g e n c e s o f t h e d i o d e s h a v e b e e n combined t ot o r e s t r i c t o p e r a t i o n t o a f t e r s u n s e t . I n a d d i t i o n , t h e p r o d u c e a t r a n s m i t t e r w i t h a 1 5 - d e g r e e beam w i t h o u td e t e c t o r i t s e l f i s s m a l l a n d r u g g e d . t h e u s e o f l e n s e s . I n c o m b i n a t i o n w i t h t h e w i d e - a n g l er e c e i v e r , i t h a s a r a n g e o f 1 0 0 m e t e r s . I n t h i s s y s t e m aI n c o n t r a s t t o t h i s n a r r o w - a n g l e s y s t e m , a w i d e - a n g l e l i g h t o n t o p o f t h e r e c e i v e r i n d i c a t e s a l i g n m e n t , a n d n oc o m m u n i c a t i o n l i n k t h a t e m p l o y s t h e s a m e c o m p o n e n t s t e l e s c o p e s a r e n e c e s s a r y .h a s a l s o b e e n d e v e l o p e d ( F i g . 2 ) . T h i s l i n k u t i l i z e s a k i n do f l a s e r m e g a p h o n e . T h r o u g h t h e u s e o f f o u r l a s e r d i o d e sw i t h o u t l e n s e s , a 1 5 - d e g r e e b e a m i s f o r m e d . S u c h a w i d eb e a m w i d t h v i r t u a l l y e l i m i n a t e s a n y p r o b l e m s a s s o c i a t e dw i t h a l i g n m e n t . A l t h o u g h t h e r a n g e i s g r e a t l y r e d u c e d( 1 0 0 m e t e r s ) , t h i s k i n d o f s y s t e m c o u l d b e v e r y u s e f u ld u r i n g r e f u e l i n g o p e r a t i o n s i n a i r c r a f t o r i n d o c k i n go p e r a t i o n s i n s p a c e . B o t h o f t h e s e i n j e c t i o n - l a s e r s y s t e m so p e r a t e a t a p u l s e r a t e o f 8 k H z , * w i t h a d u t y c y c l e o f 0 . 1p e r c e n t a n d a m o d u l at i o n b a n d w i d t h o f 3 k H z . E a c h o ft h e s e l i n k s i s b u i l t a r o u n d t h e f o l l o w i n g g e n e r a l s c h e m e .T h e t r a n s m i t t e r m i c r o p h o n e o u t p u t i s a m p l i f i e d a n du s e d t o v a r y t h e r e p e t i t i o n r a t e o f t h e p u l s e s f r o m t h el a s e r ; t h u s t h e s y s t e m i s p u l s e f r e q u e n c y m o d u l a t e d . I nt h e r e c e i v e r , a p h o t o d i o d e o u t p u t i s a m p l i f i e d , l i m i t e d ,a n d d e m o d u l a t e d . A f t e r a d d i t i o n a l a m p l i f i c a t i o n , t h ea u d i o s i g n a l i s b r o u g h t o u t t h r o u g h e a r p h o n e s o r as p e a k e r .* T h e r e p e t i t i o n r a t e o f 8 kH z wa s a c h i e v e d w i t h c x p e r i m e n t a l l ys e l e c t e d u n i t s .V o l l m e r - A p p l i e d l a s e r s 6 7

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t i f i e d e a r l i e r . T h e o b j e c t i v e , h o w e v e r , w a s n o t t o p r o v i d ean o p e r a t i o n a l c o m m u n i c a t i o n s y s t e m f o r t h e s p a c e -c r a f t . A m i c r o w a v e l i n k , w h i c h i s f a r m o r e s u i t a b l e f o rt h i s a p p l i c a t i o n , a c c o m p l i s h e d t h a t f u n c t i o n . T h e g o a l o ft h e l a s e r e x p e r i m e n t wa s t o g a i n e x p e r i e n c e a n d i n f o r m a -t i o n f o r more a m b i t i o u s d e e p - s p a c e l i n k s . p r o g r a m i n w h i c h s u n l i g h t w a s u s e d t o pump ac r y s t a l l a s e r w a s b e i n g c a r r i e d o u t s i m u l t a n e o u s l y . 4 5T h e r e q u i r e m e n t w a s t o b u i l d a l a b o r a t o r y m o d e l , s u n -

pump i t , m o d u l a t e i t a t t e l e v i s i o n r a t e s , a n d m a k e at e c h n i c a l a s s e s s m e n t o f a n o p t i m u m s y s t e m f o r t r a n s -m i t t i n g t e l e v i s i o n i n f o r m a t i o n i n r e a l t i m e o v e r a r a n g eo f 8 0 m i l l i o n k m . I n t h e l a b o r a t o r y s y s t e m b u i l t , a ne q u a t o r i a l m o u n t w i t h a c l o c k d r i v e p e r m i t t e d e x t e n d e do p e r a t i o n ( u p t o A 2 h o u r i n g u s t y w i n d ) . A m i r r o rf o c u s e d over 2 0 0 w a t t s o n t o t h e l a s e r , w e l l a b o v e t h e2 5 - w a t t t h r e s h o l d f o r YAG. O u t p u t p o w e r w a s 1 0 0 mWon a c o n t i n u o u s b a s i s . T h e m a t e r i a l on w h i c h most o ft h e s t u d i e s w e r e p e r f o r m e d w a s y t t r i u m a l u m i n u mg a r n e t , d o p e d w i t h t r i v a l e n t n e o d y m i u m a n d c h r o m i u mi o n s . , F i g u r e 4 i s a p h o t o g r a p h o f a t e l e v i s i o n t e s t p a t t e r nt r a n s m i t t e d a c r o s s t h e l a b o r a t o r y b y s u c h a s u n - p u m p e dl a s e r . A l t h o u g h i t i s t r u e t h a t a l l o f t h e c o m p o n e n t sn e c e s s a r y f o r d e e p - s p a c e l a s e r t e l e v i s i o n l i n k s a r e n o t y e ta v a i l a b l e , t h e r e a p p e a r s t o b e n o f u n d a m e n t a l o b s t a c l et o o b t a i n i n g t h e m . T h e p o t e n t i a l a d v a n t a g e s t h a t s u c hl i n k s o f f e r i n s i z e a n d w e i g h t s e e m t o j u s t i f y t h e e f f o r tr e q u i r e d .

l ~ . L a s e r r a n g e sI f c o m m u n i c a t i o n h a s b e e n t h e d o m i n a n t a p p l i c a t i o nf o r l a s e r s , r a n g i n g i s c e r t a i n l y a c l o s e c o m p e t i t o r . As i nF I G U R E 3 . T r a n s m i t t e r d e v e l o p e d t o b e f l o w n o n t h e t h e c a s e o f c o m m u n i c a t i o n , r a n g i n g a p p l i c a t i o n s m a y b eG e m i n i 7 m i s s i o n . l t e m p l o y e d f o u r I n l e c t i o n - l a s e r d i o d e s i ns e r i e s , w i t h a t o t a l p ea k p o w er o f 2 5 w a t t s . D i m e n s i o n s c o n v e n i e n t l y c l a s s i f i e d o n t h e b a s i s o f d i s t a n c e . I n g e n e r a l ,w e r e a p p r o x i m a t e l y 7 . 5 X 1 3 X 2 0 c m . P u l s e d u r a t i o n w a s e a r t h b o u n d l a s e r - r a n g i n g s y s t e m s ar e l i m i t e d b y l o c a l7 0 n s , w i t h t w o r e p e t i t i o n r a t e s a v a i l a b l e : 8 0 0 0 a n d 1 0 0 a t m o s p h e r i c c o n d i t i o n s . A t y p i c a l v a l u e o f r an g e r o u t i n e l yp u l s e s p e r s e c o n d . O p e r a t i n g t i m e w a s 4 0 m i n u t e s f o r m e a s u r e d i s 2 0 km o r l e s s . Ruby c r y s t a l a n d , m o r e r e -v o i c e , 1 5 0 m i n u t e s f o r 1 0 0 - H z t o n e . c e n t l y , n e o d y m i u m - d o p e d y t t r i u m a l u m i n u m g a r n e th a v e b e e n u s e d a s a c t i v e e l e m e n t s a t 6 9 4 3 a n d 1 0 6 0 0 A ,r e s p e c t i v e l y . O p t i c a l l y e x c i t e d m a t e r i a l s s u c h a s t h e s e

F I G U R E 4 . T e l e v i s i o n t e s t p a t t e r n a c h i e v e d b y t h e u s e o f a r e o p e r a t e d i n t h e Q - s w i t c h e d mode i n o r d e r t o g e n e r a t ea G a A s c r y s t a l i n a n e l e c t r o o p t i c a l m o d u l a t o r . W i t h a n n a r r o w , h i g h - p o w e r p u l s e s . T y p i c a l l y , t h e s e p u l s e s a r ea p p l i e d v o l t a g e o f 6 0 0 v o l t s p e a k t o p e a k , t h e d e p t h o f 3 0 n s l o n g . I n t h e Q - s w i t c h e d mode o f o p e r a t i o n , t h em o d u l a t i o n w a s 4 0 p e r c e n t . S i g n a l d i s t o r t i o n , c a u s e d b y r e s o n a n t c a v i t y c o n d i t i o n d o e s n o t e x i s t d u r i n g t h e e n t i r ep i e z o e l e c t r i c r e s o n a n c e s common t o e l e c t r o o p t i c m a -t e r i a l s , w a s a v o i de d b y u s e o f FM s u b c a r r i e r m o d u l a t i o n . p u m p i n g p e r i o d ; t h a t i s , t h e Q i s t e m p o r a r i l y s p o i l e d b y am e c h a n i s m c a l l e d a Q s p o i l e r . T h i s p r o c e s s r e d u c e s t h es t i m u l a t e d - e m i s s i o n l o s s e s d u r i n g t h e p u m p i n g a n di n c r e a s e s t h e e x t e n t o f t h e p o p u l a t i o n i n v e r s i o n . A tt h e a p p r o p r i a t e m o m e n t , a r e s o n a n t c o n d i t i o n i s r e s t o r e da n d i n t e n s e l a s e r a c t i o n o c c u r s . T h e Q s p o i l i n g may b ea c c o m p l i s h e d b y t h e u s e o f r o t a t i n g p r i s m s , s a t u r a b l ea b s o r b e r s , o r K e r r c e l l s .

I n a d d i t i o n t o g e n e r a t i n g a n i n t e n s e p u l s e , t h e s et e c h n i q u e s l i m i t t h e o u t p u t p o w e r t o a s i n g l e , p r e c i s e l yt i m e d p u l s e . T h i s l i m i t i n g i s o f p a r a m o u n t i m p o r t a n c es i n c e t h e t i m e r e q u i r e d f o r t h e p u l s e t o t r a v e l t o t h et a r g e t a n d r e t u r n i s t h e p r i m a r y m e a s u r e m e n t . I n m o s tp a c k a g e d s y s t e m s , t h e m e a s u r e m e n t i s c a r r i e d o u t b y ac r y s t a l c l o c k , a b i n a r y - c o d e d d e c i m a l c o u n t e r , a n d ar e a d o u t . I n a d d i t i o n t o t h e l a s e r c r y s t a l , Q s p o i l e r , o p t i c s ,c o u n t e r , a n d t i m i n g c i r c u i t s , t h e r a n g e r m u s t i n c l u d e ad e t e c t o r . T h i s f u n c t i o n i s b e s t a c c o m p l i s h e d b y a p h o t o -m u l t i p l i e r t u b e , t h e g a i n o f w h i c h can b e c o n t i n u o u s l yv a r i e d t o a l e v e l a t w h i c h f a l s e s i g n a l s c a u s e d b y b a c k -g r o u n d l i g h t a r e m i n i m i z e d . I t i s p e r h a p s w o r t h o b s e r v i n g

6 8 I E E E s p e c t r u m JUNE 1 9 6 7

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t h a t , f o r r a n g i n g , t h e p h o t o m u l t i p l i e r t u b e e x p e r i e n c e sno s e r i o u s c o m p e t i t i o n f r o m p h o t o d i o d e s . 7F i g u r e 5 s h o w s a r u b y r a n g e f i n d e r 8 b u i l t t o m i l i t a r ys p e c i f i c a t i o n s b y RCA. I t w e i g h s l e s s t h a n 1 1 . 5 k g , p r o -v i d e s s i x m e a s u r e m e n t s p e r m i n u t e , a n d h a s a r e s o l u t i o no f 5 m e t e r s . I t c a n b e o p e r a t e d f r o m a b a t t e r y o r an e x -t e r n a l p o w e r s u p p l y t o measure r a n g e s f r o m 2 0 0 t o1 9 0 0 0 m e t e r s . I t i s s u i t a b l e f o r m o u n t i n g on a t r i p o d , ana i r p l a n e , a t a n k , o r a t r u c k . I n t e r m s o f m i l i t a r y f i e l dr e a d i n e s s , l a s e r r a n g e f i n d e r s a r e p r o b a b l y t h e m o s ta d v a n c e d o f a l l e l e c t r o n i c l a s e r e q u i p m e n t .A s e c o n d r e g i m e i n w h i c h t h e l a s e r can p e r f o r m a v a l u -a b l e r a n g i n g s e r v i c e i s f o r d i s t a n c e s u p t o 1 0 0 m e t e r so r s o . F o r e x a m p l e , t h e m a i n t a i n i n g o f d i s t a n c e d u r i n ga n a i r b o r n e r e f u e l i n g o p e r a t i o n i s v i t a l . S i m i l a r l y ,a l t i t u d e i n f o r m a t i o n a c c u r a t e t o c e n t i m e t e r s d u r i n g t h ef i n a l 1 0 0 m e t e r s o f a l u n a r l a n d i n g w i l l b e a n e c e s s i t y . A ~l e s s s p e c t a c u l a r , b u t s t i l l i m p o r t a n t , a p p l i c a t i o ns r at h a t o f m a i n t a i n i n g t h e s e p a r a t i o n o f o b j e c t s m o v i n g a tv a r y i n g s p e e d s a l o n g a common l i n e - s p e c i f i c a l l y , c a r so n h i g h w a y s , t r a i n s on t r a c k s , a n d c a r s on c a b l e s .R a n g i n g e q u i p m e n t t h a t u s e s i n j e c t i o n - l a s e r d i o d e s c a nf u l f i l l a l l o f t h e s e n e e d s . T h e f i r s t o f t w o a l t e r n a t i v em o d e s f o l l o w s a t r a d i t i o n a l r a d a r a p p r o a c h . T h e d i o d e i sp u l s e d a n d a t i m e - o f - f l i g h t m e a s u r e m e n t i s m a d e . A FIGURE 5 . E x a m p l e o f a l a s e r r a n g e f i n d e r , r e p r e s e n t i n gl a b o n e p t o i s r d i s a r m i n yo bs e t h i s p r i n c i p l e wa s b u i l t t o one o f t h e m o s t a d v a n c e d o f a l l l a s e r d e v i c e s . R a n g e i si l a b o r n a t o r y m o d j e l t b h a s e o n l l w i t h i n a n a n g l e f i x e d b y t h e d e t e r m i n e d b y a t i m e - o f o f l i g h t m e a s u r e m e n t o f a p u l s e a n dg a i n e x p e r i m e n t a l e x p e r i e n c e w i t h a v a r i e t y o f t a r g e t s a s a i t s r e f l e c t i o n . T h e d a t a a r e d i s p l a y e d i n d i g i t a l f o r m .f u n c t i o n o f d i s t a n c e . I t t r a n s m i t t e d a 1 0 - w a t t , 3 - m r a db e a m a t 7 0 p u l s e s p e r s e c o n d . U s i n g a 4 - i n c h ( 1 0 - c m )p a r a b o l i c c o l l e c t o r t o f o c u s t h e r e t u r n o n a p h o t o d i o d e , *we m e a s u r e d r a n g e s o u t t o a b o u t 1 0 0 m e t e r s . When ar e t r o d i r e c t i v e r e f l e c t o r was u s e d a s a t a r g e t , t h e r a n g ei n c r e a s e d t o 2 . 4 k m . I n d e e d , t h e c o m b i n a t i o n o f ar e t r o r e f l e c t o r s e r v i n g a s a c o o p e r a t i v e t a r g e t w i t h an F I G U R E 6 . I n m o s t p u l s e d r a n g e m e a s u r i n g e q u i p m e n t , t h ei n j e c t i o n - l a s e r a s o u r c e d r a m a t i c a l l y e x t e n d s t h e r a n g e o f r e s o l u t i o n o b t a i n a b l e d e p e n d s o n a b i l i t y t o measure t i m ei n j e c t i o n - l a s e r d s o u r c e d r a m a t i c a l l y e x t e n d s t h e r a n g e o f a c c u r a t e l y . T o measure w i t h i n one f o o t 0 . 3 m e t e r r e q u i r e sa l l o f t h e a p p l i c a t i o n s c i t e d e a r l i e r , t h a t t i m e b e m e a s u r e d t o w i t h i n 2 n s . A n a l t e r n a t i v e a p -T h e s e c o n d mode o f i n j e c t i o n - l a s e r r a n g i n g d e p e n d s on p r o a c h i s s h o w n h e r e . O n l y a t a r g e t t h a t o c c u p i e s t h ea t r i a n g u l a t i o n p r i n c i p l e , a s i l l u s t r a t e d i n F i g . 6 . T h e i n t e r s e c t i o n o f t h e t r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r b e a m w i d t h sc o n c e p t i s d i s a r m i n g l y s i m p l e . T h e d e t e c t o r c a n s e e o n l y c a n p r o d u c e a r e t u r n s i g n a l . A c c o r d i n g l y , f o r a g i v e n s e p -a r a t i o n , r a n g e can b e d e t e r m i n e d b y c a l i b r a t i n g t h e a n g l ei l l u m i n a t e d o b j e c t s t h a t f a l l w i t h i n an a n g l e f i x e d b y t h e b e t w e e n t h e t w o f i e l d s o f v i e w .r a t i o o f i t s d i a m e t e r t o t h e f o c a l l e n g t h o f t h e r e c e i v e rl e n s . T h e o n l y i l l u m i n a t e d o b j e c t s a r e t h o s e w i t h i n t h e P h o t o d i o d e d e t e c t o rb e a m a n g l e o f t h e l a s e r . T h u s , a r e t u r n s i g n a l o c c u r s o n l yi f a n o b j e c t i s p r e s e n t a t t h e i n t e r s e c t i o n o f t h e t w o f i e l d s A p e r t u r eo f v i e w . R a n g e c a n t h e n b e d e t e r m i n e d b y v a r y i n g t h e h e i g h ta n g l e b e t w e e n t h e t w o f i e l d s o f v i e w a n d c a l i b r a t i n g R e c e i v e r l e n sr a n g e v s . a n g l e . I f t h e s e p a r a t i o n b e t w e e n r e c e i v e r a n d T r a n s m i t t e r l e n st r a n s m i t t e r i s l a r g e , a n d t h e f i e l d s o f v i e w a r e n a r r o w , t h ea m b i g u i t y i n t h e r e s u l t can b e k e p t s m a l l . F o r e x a m p l e ,a 3 0 - c m s e p a r a t i o n i n c o m b i n a t i o n w i t h b e a m a n g l e s o f Ia n d 1 . 7 m r a d l e a d s t o a r a n g e u n c e r t a i n t y o f 5 c m o u t o f3 m e t e r s . T h i s l a s e r t r i a n g u l a t i o n s c h e m e c a n b e u s e f u l R e c e i v e r f i e l di n o t h e r a p p l i c a t i o n s . T h e a n g l e b e t w e e n t r a n s m i t t e r a n d o v Lr e c e i v e r can b e g i v e n a p r e d e t e r m i n e d v a l u e s o t h a t o n l yo b j e c t s a t a p a r t i c u l a r d i s t a n c e p r o d u c e a s i g n a l . T h er e s u l t i s a r a n g e - s p e c i f i c c o u n t i n g s i g n a l . From a n o v e r -h e a d p o s i t i o n , i t c o u l d b e u s e d , f o r e x a m p l e , t o c o u n ta u t o m o b i l e s ( b u t n o t b u s e s ) j u s t on t h e b a s i s o f t h e h e i g h t s T a r g e t d e t e c t i o no f t h e i r r o o f s . T h e t r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r s h o w n i n h e i g h tF i g . 7 h a v e b e e n t e s t e d i n t h i s way ( a l t h o u g h t h e y wereb u i l t f o r a d i f f e r e n t a p p l i c a t i o n ) , w i t h g r a t i f y i n g r e s u l t s .* A l t h o u g h a p h o t o m u l t i p l i e r w o u l d h a v e g i v e n g r e a t e r r a n g e ,t h e l o w - v o l t a g e o p e r a t i o n o f t h e p h o t o d i o d e wa s t o o a t t r a c t i v e t or e s i s t i n t h e s e e x p e r i m e n t s .V o l l m e r - A p p l i e d l a s e r s 6 9

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L a s e r I n t r u s i o n a l a r m s e v e n a v o l u m e o f s p a c e a g a i n s t u n n o t i c e d i n t r u s i o n .T h e o r i g i n a l u s e f o r w h i c h t h e e q u i p m e n t i n F i g . 7 w a s T h e s y s t e m s h o w n i n F i g . 7 i s a n e l e m e n t a r y t y p e .b u i l t i s a t r a d i t i o n a l o p t i c a l a p p l i c a t i o n , t h e i n t r u s i o n T h e t r a n s m i t t e r e m p l o y s a s i n g l e l a s e r d i o d e w h o s e p e a ka l a r m . T h e l a s e r , h o w e v e r , a d d s a n u m b e r o f i m p o r t a n t p o w e r o u t p u t i s 8 w a t t s a t a r a t e o f 2 0 0 p u l s e s p e r s e c o n d .n e w a s p e c t s a n d s i m p l i f i e s s o m e o t h e r s . T h e u s e o f T h e t r a n s m i t t e r m e a s u r e s a b o u t 5 b y 5 b y 2 . 5 c m , i n -i n j e c t i o n l a s e r s l e a d s t o l o w e n e r g y c o n s u m p t i o n , w h i c h c l u d i n g a l l t h e d r i v e c i r c u i t s a n d t h e o p t i c s t o p r o d u c e af a c i l i t a t e s e x t e n d e d p e r i o d s o f b a t t e r y o p e r a t i o n . T h e 3 - b y 0 . 3 - m r a d b e a m . T h e r e c e i v e r c o n s i s t s o f a s i l i c o no p t i c a l s y s t e m c a n b e b o t h s i m p l e a n d s m a l l b e c a u s e t h e p h o t o d i o d e , a l o w - n o i s e p r e a m p l i f i e r , a n d a n a l a r m r e l a y .s o u r c e i s s o d i r e c t i o n a l . T h e t r a n s m i t t e r o p t i c s c o n s i s t o f a T h e b e a m w i d t h o f t h e r e c e i v e r i s I d e g r e e . T h e r a n g e16-mm m i c r o s c o p e o b j e c t i v e l e n s . B e c a u s e t h e l a s e r o v e r w h i c h t h i s s y s t e m c a n o p e r a t e i s 1 0 0 m e t e r s . Morea l r e a d y o p e r a t e s i n a p u l s e d m o d e , i t i s e a s y t o c o d e t h e c o m p l e x s y s t e m s , w h i c h u s e s e v e r a l l a s e r d i o d e s f o rs i g n a l t o i m m u n i z e t h e s y s t e m a g a i n s t s p o o f i n g . I f a g r e a t e r r a n g e a n d w h i c h i n c l u d e s o p h i s t i c a t e d a l a r m s ,r e t r o d i r e c t i v e r e f l e c t o r i s u s e d , t h e t r a n s m i t t e r a n d r e - p e r i o d i c s e l f - c h e c k i n g , a n d m i c r o w a v e t e l e m e t r y , h a v ec e i v e r c a n b e p o s i t i o n e d t o g e t h e r i n a f a v o r a b l e l o c a t i o n a l s o b e e n b u i l t ( s e e F i g . 8 ) . I t s e e m s s a f e t o p r e d i c t t h a tr e l a t i v e t o t h e f t o r e n v i r o n m e n t . The g r e a t d i r e c t i o n a l i t y i n j e c t i o n - l a s e r i n t r u s i o n a l a r m s , a s w e l l a s r e l a t e d a u t o -o f t h e b e a m p e r m i t s t h e p a t h t o b e c o m e l o n g b e f o r e t h e m a t i c d e v i c e s a n d s y s t e m s , w i l l b e c o m e a m a j o r a p p l i c a -l i n e a r b e a m w i d t h g e t s u n m a n a g e a b l e . I t i s t h u s p o s s i b l e t i o n a r e a .t o e m p l o y a n u m b e r o f s u c c e s s i v e r e f l e c t o r s , o f m o d e s ts i z e , t o p r o t e c t a t o r t u o u s p a t h , o r a w h o l e d o o r w a y , o r T h i n g s t o c o m e

T h e l i s t o f a p p l i c a t i o n s o f l a s e r s t o e n g i n e e r i n g p r o b -l em s n e e d n o t s t o p h e r e , h o w e v e r . T h e a p p l i c a t i o n s c i t e dm e r e l y r e p r e s e n t t h o s e a p p r o a c h i n g t h e d e s i g n s t a g e .S t i l l t o b e f u l l y e x p l o i t e d a r e t h e l a s e r t r a c k e r , a s y s t e mt h a t w i l l c o n t i n u o u s l y f o l l o w a c o o p e r a t i v e t a r g e t ,p r o v i d i n g r a n g e a n d a n g l e i n f o r m a t i o n ; a l a s e r f i l mr e c o r d e r , f o r o p t i c a l l y r e c o r d i n g i n f o r m a t i o n w i t h u p t og i g a c y c l e b a n d w i d t h s ; a l a s e r a i d t o t h e b l i n d , w h i c hp r o v i d e s t h e u s e r w i t h a c o n t o u r m a p o f t h e r e g i o na r o u n d h i m ; l a s e r c o m p u t e r e l e m e n t s , 9 w h i c h c a r r y o u ta l l o f t h e l o g i c i n an o p t i c a l m o d e ; a n d h o l o g r a p h i cc o m p u t e r m e m o r i e s , w h i c h p r o v i d e s t o r a g e c a p a c i t y o fb i l l i o n s o f b i t s i n a c o n v e n i en t v o l u m e o f s p a c e w i t hs h o r t a c c e s s t i m e a n d l o w c o s t .A l l o f t h e s e a p p l i c a t i o n s seem r e a l i z a b l e , b u t t h e i re a r l y s t a t u s d i c t a t e s t h a t t h e i r d i s c u s s i o n b e d e f e r r e d t o af u t u r e r e v i e w . I t s e e m s r e a s o n a b l e t o c o n c l u d e , h o w e v e r ,t h a t t h e i r i d e n t i f i c a t i o n , i n c o m b i n a t i o n w i t h t h e e x a m p l e sF I G U R E 7 . L a s e r i n t r u s i o n a l a r m e m p l o y i n g a n 8 - w a t t d i s c u s s e d , e s t a b l i s h e s t h e c o r r e c t n e s s o f t h e i n i t i a ld i o d e . A 3 0 0 - v o l t b a t t e r y p r o d u c e s a 2 0 0 - p u l s e - p e r - s e c o n d o b s e r v a t i o n : t h a t l a s e r s have become a n e n g i n e e r i n g7 0 - n s o u t p u t . W i t h o n l y m o d e s t e f f o r t t h e t r a n s m i t t e d c o m p o n e n t , a n d t h e e x t e n t o f t h e i r u s e now r e s t s w i t h t h ep u l s e s c a n b e c o d e d t o r en d er t h e s y s t e m s p o o f - p r o o f . e n g i n e e r .When u s e d w i t h a p p r o p r i a t e l y p o s i t i o n e d r e f l e c t o r s , t h et r a n s m i t t e r a n d r e c e i v e r c a n b e p l a c e d s i d e b y s i d e i n a T h e a u t h o r a c k o w l e d g e s t h e e f f o r t s o f h i s m a n y c r e a t i v e a n dr e g i o n s a f e f r o m t h e l o c a l e n v i r o n m e n t . d i l i g e n t a s s o c i a t e s w i t h i n t h e R a d i o C o r p o r a t i o n o f A m e r i c a .REFERENCESF I G U R E 8 . A d v a n c e d i n j e c t i o n - l a s e r i n t r u s i o n a l a r m s y s t e m . 1 . K a r l s o n , D . , R e n o , C . W . , a n d H a n n a n , W. J . R o o m-t e m p e r a t u r e GaAs v o i c e - c o m m u n i c a t i o n s y s t e m , P r o c . IEEE_ - ( C o r r e s p o n d e n c e ) , v o l . 5 2 , p p . 1 3 5 4 - 1 3 5 5 , N o v . 1 9 6 4 .2 . N e l s o n , H . , P a n k o v e , J . I . , H a w r y l o , F . Z . , D o u s m a n i s , G . C . , ~ ~ ~ ~ a n d R e n a , C . W . , H i g h - e f f i c i e n c y i n j e c t i o n l a s e r at r o o m t e m n - ~ ~ ~ ~ p e r a t u r e P r o c . I EEE ( C o r r e s p o n i d e n c e ) , v o l . 5 2 . p p . 1 3 6 0 - 1 3 6 1 ,3 . H a n n a n , W. J . , a n d B o r d o g n a , J . , P r a c t i c a l a s p e c t s o f i n -j e c t i o n l a s e r c o m m u n i c a t i o n s y s t e m s , R C A R e v . , v o l . 2 8 , J u n e1 9 6 7 .4 . K i s s , Z . J . , L e w i s , H . R . , a n d D u n c a n , R . C . , S un pumpedc o n t i n u o u s o p t i c a l m a s e r , A p p l . P h y s . L e t t e r s , v o l . 2 , p . 9 3 , M a r .1 9 6 3 .5 . R e n o , C . W . , S o l a r - p u m p e d m o d u l a t e d l a s e r , R C A R e v . , ~ ~ ~ ~ v o l 2 7 , p . 1 4 9 , M a r . 1 9 6 6 .6 . K i s s , Z . J . , a n d D u n c a n , R . C . , C r o s s - p u m p e d C r 3 + - N d S + :Y l a s e r s y s t e m , A p p L . P h y s . L e t t e r s , v o l . 5 , p . 2 0 0 , N o v . 1 5 ,7 . H a n n a n , W. J . , A p p l i c a t i o n s o f i n j c c t i o n l a s e r s t o c o m m u n i c a -t i o n s a n d r a d a r s y s t e m s , R C A E C g . , v o l . 1 2 , n o . 3 , 1 9 6 6 .r n s t e i n , E . , L a s e r s f o r r a n g i n g a p p l i c a t i o n s , R C A E n g . ,v o l . 8 , p . 2 0 , F e b . - M a r . 1 9 6 3 .9 . R e i m a n n , 0 . A . , a n d K o s o n o c k y , W. F . , P r o g r e s s i n o p t i c a lc o m p u t e r r e s e a r c h , I EEE S p e c t r u m , v o l . 2 , p p . 1 8 1 - 1 9 5 , M a r .

7 0 V o l l m e r - A p p l i e d l a s e r s