На сайте Spie.org была опубликована статья о новой технологии по улучшению дистанционного зондирования с помощью оптиковолоконных лазеров.

Как известно, данные космического дистанционного зондирования можно использовать во многих практических приложениях, которые представляют собой значительный научный интерес, в том числе при создании топографических карт и межевании территорий, а также для различных видов исследования атмосферы, таких как учет парниковых газов и выбросов химических веществ. Лазерные сенсоры для таких аппаратов традиционно состояли из импульсного лазера с диодной основой твердотельного лазера (DPSSLs), которые основывались на объемных кристаллических средах, таких как неодим-иттриевый/алюминиевый гранат и ванадатом. Хотя эти элементы способны создавать очень высокую энергию импульсов, эти DPSSLs могут вызвать деградацию качества термооптического пучка (BQ) при высокой и средней выходной мощности. Они также опираются на оптические элементы, которые включают в себя много компонентов свободного пространства, которые могут быть предметом смещения и загрязнения.


Рисунок 1. (а) Схема сохранением поляризации (ПМ) оптико- волоконного задающего генератора с мощностным усилителем (MOPA), показывающая все взаимодействия волоконного интерфейса с усилителем стержневого иттербиевого фотонно-кристаллического волокна (КПМ). (б) Пульсирующая средняя энергия MOPA и диоды, используемые для перекачки стержневого PCF усилителя. Вставка: образ ближнего поля выходного пучка с максимальной мощностью ~ 22W. (с) временной профиль излучаемых импульсов. (d) логарифмическая шкала, пик - нормированный в оптическом спектре выходной сигнал MOPA с максимальной мощностью ~ 22W. Врезка: деталь спектра импульса с разрешением ~ 5 ГГц. Δν: Разность частот.


Импульсно-волоконные лазеры дают значительные преимущества по сравнению с DPSSLs. Среди этих преимуществ отличное BQ (контролирующийся специальным устройством), уменьшенные размеры, вес и энергопотребление (Swap), и более простое управление температурным режимом с помощью низко-квантового дефекта насоса и распределенной тепловой нагрузки (благодаря большей площади всей поверхности к объему волокон). Они также поддерживают архитектуру, включая при этом минимальное количество (или вообще не имеют) свободного пространства оптических путей.


Рисунок 2. (а) Схема PM- волоконной архитектуры MOPA: (I) фрагмент лучевого потока возле заглушки. Поперечные (II) 40 мкм и (III) продольные (100 мкм) сечения PCF-волокна. (б) Пример импульса во временном срезе (вверху) и соответствующий спектр, излучаемый (внизу) на продольном PCF. (C) Пример 40 мкм производительности PCF: 3ns/1.5MHz длительность/частота повторения импульсов (PRF) импульсы > 200W средней мощности и одного режима поперечного пучка (BQ). Рядом - FT: Рядом - преобразование Фурье.

Для возможности более широкого признания волоконных лазеров в области космического дистанционного зондирования, их энергия излучаемого импульса должна иметь возможность распространяться на сотни километров. Такая производительность требует от нас создание системы усиленных импульсов (ASE), смягчения в волокнах нелинейных оптических эффектов (NLOEs), максимальной энергии импульса и спектральной яркости соответственно. Оптическое повреждение является следствием высокой оптической интенсивности и проявляется в виде физических разрывов в стеклообразующем волокне. Этого необходимо избегать, так как такой ущерб завершает работу лазера немедленно и полностью необратимо. Решение этих вопросов, при одновременном сохранении основных преимуществ низкочастотных волоконных лазеров является сложной задачей.

Пример эффективного импульсного лазерного волоконного источника показан на рисунке 1 (а). MOPA обеспечивает линейно поляризованный выход с центром в 1064, с длиной волны и пиковой мощности 1,5 МВт. Устройство также обеспечивает высокую спектральную яркость: см. Рисунок 1 (D). Эти характеристики показывают, что наши конструкции обеспечивают достаточную производительность в соответствии с прямыми обнаружениями в диапазоне изображений с низкой околоземной орбиты. MOPA затравка активно срабатывает, амплитудной модуляции полупроводникового лазера, который генерирует импульсы малой мощности ~ 1.5ns шириной в10 кГц частотой импульсов (PRF). Эти импульсы затем усиливаются до 60 дБ с длиной волны 975nm.

Мощность ASE сведена к минимуму за счет расположения волоконного усилителя в несколько стадий, которые отделены друг от друга узкополосными спектральными фильтрами, которые останавливают восходящие ASE лучи. Мы сократили NLOEs и уменьшили повреждения оптического волокна за счет использования специальных больших основных волокон.

Иттербиевое продольно конические волокна (25 мкм вход, 40 мкм выход) и стержневые PCF с ~ 100 мкм диаметром ядра, как производство почти гауссова пучка М2<1,3, были использованы в качестве усилителя мощности. Мы специально подавляем сигнал SBS, который возникает, когда свет взаимодействует с зависящими от времени вариациями оптической плотности, путем придания контролируемого количества фазовому шуму к полупроводниковому выходу.

Таким образом, полученные результаты подтверждают, что наиболее перспективными для ведения сверхдальнего дистанционного зондирования являются активные волоконные импульсные лазеры/усилители. Широкая поддержка форматов импульса управления (по аналогии с оптическими телекоммуникационными передатчиками), хорошие BQ, низкий SWaP, простое управление температурным режимом, и надежная и в тоже время гибкая архитектура являются одними из преимуществ, предоставляемых данной системой. В будущем мы планируем увеличить вариации изменения мощности и спектральной яркости для приложений, требующих большую дальность и более высокую чувствительность обнаружения и генерирования новых временно-спектральных моделей импульса.

При подготовке статьи была использована следующая литература:
1. F. Di Teodoro, J. Morais, T. S. McComb, M. K. Hemmat, E. C. Cheung, M. Weber, R. Moyer, SBS-managed high-peak-power nanosecond-pulse fiber-based master oscillator power amplifier, Opt. Lett. 38(13), p. 2162-2164, 2013.
2. F. Di Teodoro, M. Hemmat, J. Morais, E. Cheung, High peak power operation of a 100μm-core Yb-doped rod-type photonic crystal fiber amplifier, Proc. SPIE 7580, p. 758006, 2010.doi:10.1117/12.845666
3. V. R. Supradeepa, Stimulated Brillouin scattering thresholds in optical fibers for lasers linewidth broadened with noise, Opt. Express 21(4), p. 4677-4687, 2013.
4. E. C. Cheung, J. G. Ho, T. S. McComb, S. Palese, High density spectral beam combination with spatial chirp precompensation, Opt. Express 19(21), p. 20984-20990, 2011.
5. S. Palese, E. Cheung, G. Goodno, C. C. Shih, F. Di Teodoro, T. McComb, M. Weber, Coherent combining of pulsed fiber amplifiers in the nonlinear chirp regime with intra-pulse phase control, Opt. Express 20(7), p. 7422-7435, 2012.