New concepts of laser and parametric sources for differential absorption lidar
Nouveaux concepts de sources lasers et paramétriques pour lidar à absorption différentielle
Résumé
The monitoring and control of greenhouse gas emissions on industrial sites is a major theme for the ecological transition. One approach to address this issue is to probe the gas concentration in plumes emitted by plants. A solution for the future is based on the development of a differential absorption lidar (DIAL) measuring instrument, which makes it possible to analyze the concentration and locate the emission of gas. In this context, ONERA is committed to the development of NesCOPO-type parametric sources, energetic and tunable in specific spectral bands.The deployment of such a technology in the field requires the development of a versatile, robust and very compact instrument. To achieve these objectives, the project will focus on the following points: versatility and robustness. As a first step, a study of the wavelength control of NesCOPO has been carried out. The aim was to choose the emission wavelength of the complementary wave of the OPO (around 3.3 µm), and to stabilize it by controlling the pump wavelength. It is the mixing of this complementary wave and another pump laser in optical parametric amplification (OPA) stages that made it possible to generate a wave around 1.5 µm. The wavelength tuning of the wave at 1.5 µm is obtained with the pump frequency of the OPA. This pump laser requires specific characteristics of tunability and energy. For this, we have chosen a MOPA architecture, with a tunable fiber laser as the injection source. A hybrid amplification architecture based on ytterbium doped fibers followed ytterbium bulk crystals allows us to obtain energies of several mJ. The fiber stages defines the temporal characteristics of the source (15 ns at 5 kHz). Limited by the stimulated Brillouin scattering, the energy rise is ensured by the bulk crystal-based amplification stages.Following this, OPA stages were set up, pumped by the tunable pump laser and injected by the complementary wave of the OPO. This signal wave from the OPA is then amplified by non-linear crystals positioned in cascades, delivering energy pulses in the order of hundred µJ. The wavelength tuning of this wave by the pump wavelength is characterized directly and by an absorption spectroscopy experiment with acetylene. This signal wave from the OPA was then amplified by non-linear crystals positioned in cascades, delivering pulses of the order of a hundred µJ.
La surveillance et le contrôle des émanations de gaz à effet de serre sur les sites industriels est une thématique majeure pour accompagner la transition écologique. Pour répondre à cette problématique, une approche est de sonder la concentration en gaz des panaches émis par les usines. Une solution d'avenir repose sur le développement d'une instrumentation de mesure lidar par absorption différentielle (DIAL), permettant d'analyser la concentration et de localiser les émanations. Dans ce contexte, l'ONERA s'est engagé dans le développement de sources paramétriques de type NesCOPO, énergétiques et accordables dans des bandes spectrales identifiées.La démocratisation d'une telle technologie nécessite le développement d'un instrument polyvalent, robuste et très compact. Pour atteindre ces objectifs, le projet mettra l'accent sur les points suivants : polyvalence et robustesse. Dans un premier temps, une étude du contrôle de la longueur d'onde du NesCOPO a été effectué. Le but étant de choisir la longueur d'onde d'émission de l'onde complémentaire de l'OPO (autour de 3,3 µm) et de la stabiliser par l’intermédiaire de la fréquence du laser de pompe. C'est le mélange de cette onde complémentaire et d'un autre laser de pompe dans des étages d'amplification paramétrique optique (OPA) qui a permis de générer une onde autour de 1,5 µm. L'accord en longueur d'onde du signal à 1,5 µm s'effectue par l’accord en longueur d’onde du laser de pompe de l'OPA. Ce laser de pompe doit donc présenter certaines spécificités en terme d'accordabilité et d'énergie. Pour cela, nous avons choisi une architecture MOPA, avec un laser à fibre accordable comme source d’injection. Une architecture d'amplification hybride à base de fibre puis de cristaux dopés ytterbium a permis d'obtenir des énergies de plusieurs mJ. Les étages à fibre optique déterminent les caractéristiques temporelles de la source (15 ns à 5 kHz). Limité par la diffusion Brillouin stimulée dans les fibres, la montée en énergie est assurée par les étages d'amplifications à base de cristaux massifs.Suite à cela, des étages d'OPA ont été mis en place, pompés par le laser de pompe accordable et injectés par l'onde complémentaire de l'OPO. Cette onde signal issue du 1er étage d’OPA a ensuite été amplifiée dans plusieurs cristaux non linéaires positionnés en cascades, délivrant au final des impulsions de l'ordre de la centaine de µJ vers 1,5 µm. L'accord en longueur d'onde de l’onde signal par le laser de pompe a été caractérisée directement puis dans le cadre d’une expérience de spectroscopie d'absorption dans l'acétylène.
Origine : Version validée par le jury (STAR)