Utilize este identificador para referenciar este registo: http://hdl.handle.net/10451/26579
Título: Estabilização de lasers de semicondutores de modos bloqueados para metrologia de distância no espaço
Autor: Alves, David Miguel Ventura de Castro, 1975-
Orientador: Abreu, Manuel Adler Sanchez de
Palavras-chave: Metrologia
Semicondutores
Distâncias (Cosmologia)
Teses de doutoramento - 2016
Data de Defesa: 2016
Resumo: Nas atividades Aeroespaciais, existem diversas missões que requerem a operação de várias plataformas em formação de voo e em que a posição relativa dos diversos satélites tem de ser conhecida. Para isso são necessários sistemas de metrologia de distância absoluta e elevada exatidão, capazes de operar no ambiente hostil do Espaço. Existem diversas soluções baseadas em lasers que cumprem esse requisito. Os lasers que constituem esses sistemas são, na sua maioria, baseado em cristais como Nd:YAG NPRO. Embora sejam soluções bastantes robustas e com um grau de maturidade tecnológica elevado, são volumosos, relativamente pesados e com consumos relativamente elevados. Os sistemas de metrologia de elevada exatidão, em particular em todas as técnicas de medição de distância, dependem em absoluto da estabilidade de algumas características fundamentais das fontes laser, nomeadamente a sua frequência óptica, potência e frequência de repetição de impulsos. No contexto dos sistemas de metrologia de distância para o Espaço, os lasers de semicondutores de modos bloqueados apresentam algumas características bastante atrativas, tais como a reduzida dimensão, o reduzido peso e o baixo consumo energético. No entanto, estes tipos de laser não apresentam as características de estabilidade, nomeadamente as relativas à frequência de repetição de impulsos, necessárias à implementação de um sistema de metrologia de elevada exatidão. É objeto desta tese o estudo e desenvolvimento de técnicas de estabilização que permitam implementar um sistema de medição de distâncias absolutas compatível com os requisitos de formação em voo. Neste âmbito, foi estudada a técnica de metrologia baseada no varrimento da frequência do trem de impulsos do laser como base para a demonstração da viabilidade deste tipo de lasers em sistemas de metrologia. A escolha dos dispositivos a estudar resultou da avaliação de um conjunto de parâmetros operacionais definidos pelos requisitos da técnica de medição. O estudo dos processos de estabilização dos dispositivos foi realizado em três tipos de lasers de semicondutores de modos bloqueados, um de emissão vertical e dois de emissão transversal, quer com bombeamento óptico quer com bombeamento elétrico. Em certas situações, verificou-se que o estado da arte em termos do desenvolvimento tecnológico do dispositivo não é compatível com a sua utilização atual, nem num futuro próximo, como fonte emissora para missões espaciais. Noutras, foi possível implementar um extenso conjunto de montagens experimentais que permitiram medir e avaliar algumas das propriedades mais relevantes para o processo de medida, assim como estudar as técnicas de estabilização mais adequadas para cada caso. As técnicas de estabilização estudadas tiveram como foco a melhoria do seu espetro de RF, i.e., diminuir o ‘jitter’ do trem de impulsos. Do conjunto de técnicas de estabilização conhecidas, nem todas podem ser implementadas em todos os lasers. Foram assim estudadas as técnicas mais relevantes em cada caso e o seu impacto nas caraterísticas do laser. Tendo em conta os resultados obtidos, foi possível verificar que estes tipos de lasers são compatíveis com a técnica de medição de distâncias absolutas apresentada, quer a nível do modelo teórico, quer a nível experimental, atingindo os níveis de precisão e distância esperados. Os resultados positivos obtidos validam a tese de que os lasers de semicondutores de modos bloqueados reúnem as necessárias condições para serem utilizados em metrologia de distâncias longas e absolutas no Espaço.
In aerospace technology, there are several missions that require flying in formation. So, the position between satellites must be known. The ranger finder must be capable of operate in space and determine absolute distances with high precision. There are several solutions that meet this requirement. However, in laser based range finder the most used laser is the solid state laser, specially the Nd:YAG NPRO laser. This laser is very robust, stable and his space technology is mature, however the system significant bulky, heavy and with high power demands. In the universe of range finder techniques, the high precision is associated on the stability of several laser features like optical frequency, optical power and pulse repetition frequency. The semiconductors mode-locked laser on the other hand presents a new approach in laser range finder. This type of lasers is lightweight, compact, lower power consumption and low electronic complexity. The drawback of these lasers is the lack of stability. The goal is this study is increase the laser stability to be used in a high precision ranger finder compatible with flying formation. The pulse repetition frequency sweep range finder technique was being chosen to test the mode-locked laser. In this work it was study three lasers, one from surface emission and two from transversal emission, with optical and electrical pump. The choice of the lasers depends on the assessment of mission key parameters. Sometimes, the state of the art technology is not compatible to be used in a near future as light source for space missions. On the other hand, it is possible to implement the test bed with extensive features to evaluate the main properties of the range finder and the stability techniques. All the stabilization techniques aim the improvement of the RF spectrum, i.e., lower the laser ‘jitter’. Not all stabilization techniques can be implemented in one type of laser. This study analyse the impact in the laser characteristics due to the implement stabilization techniques. The main characteristics observed are the pulse width, pulse repetition frequency span and stability. The mode-locked semiconductors lasers have been used in pulse repetition frequency sweep range finder technique with positive results. This results shows that the mode-locked semiconductors lasers can be used in long and absolute distance measurement in space.
Descrição: Tese de doutoramento, Engenharia Física, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016
URI: http://hdl.handle.net/10451/26579
Designação: Doutoramento em Engenharia Física
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