RICERCA ITALIANA     

Telemetria assoluta a Tempo Di Volo con laser mode locked a picosecondi

Politecnico di Torino

Abstract

Si propone di sviluppare un sistema di misura di precisione del tempo di volo degli impulsi ottici emessi da un laser a picosecondi valutando la differenza di fase in ritardo che tale tempo di volo induce per il treno di impulsi di ritorno rispetto al treno di impulsi in partenza. Allo scopo di ottenere risoluzioni spaziali micrometriche è necessario riuscire a misurare il tempo di ritardo con un’incertezza inferiore ai 100 femtosecondi, e questo è un obiettivo molto ambizioso. Tuttavia l’obiettivo appare raggiungibile se si considera che nell’ambito della Metrologia di Tempo e Frequenza è stato sviluppato e si usa correntemente un sistema di misura delle instabilità di fase degli oscillatori che è in grado di risolvere anche pochi fs. Tale sistema è basato sull’espansione dell’intervallo di tempo da misurare per mezzo di un metodo eterodina, che viene applicato simmetricamente ai due canali. Si ritiene possibile in questo modo ottenere accuratezze assolute micrometriche e ripetibilità anche migliori.
Allo scopo di estendere utilmente l’uso di questo metodo alla valutazione assoluta del ritardo, cosa necessaria se si vuole che il telemetro sia assoluto, occorre approfondire lo studio degli errori sistematici che si producono nella fisica e nell’elettronica di tutto il sistema. In particolare nell’unità di Polito-delen si approfondirà lo studio dei potenziali errori annidati nell’elettronica, e si realizzarà un prototipo di sistema con simmetria ottimizzata di conseguenza per mettere il più possibile a modo comune tali errori. Nell’Unità di Polimi invece ci si occuperà in collaborazione con l’Unità INRIM dell’individuazione della sorgente laser adatta allo scopo e dello studio degli eventuali limiti fisici che possano nascere da errori sistematici annidati nella fisica dell’impulso laser e dell’ottica del fascio, ivi compresi quelli indotti dalle instabilità della frequenza di ripetizione degli impulsi. La sorgente dovrebbe essere un laser a picosecondi con durata dell'impulso di circa 10 picosecondi e frequenza di ripetizione di 100 MHz. Tale frequenza dovrà essere stabilizzata su quella di un buon oscillatore a quarzo per rendere adeguata la stabilità di fase.
Impiegando fotodiodi veloci (banda >10 GHz) sarà possibile rivelare gli impulsi ottici, sia quello lanciato che quello riflesso o retrodiffuso dal bersaglio, con la necessaria risoluzione temporale e stabilità, limitando le distorsioni di ampiezza prodotte nel rivelatore, e in ultima analisi contenendo il jitter temporale. In particolare, saranno studiate con attenzione le stabilità di ampiezza e di durata degli impulsi per mantenerle al di sotto dei limiti imposti dalla risoluzione del telemetro.
La validazione sperimentale del prototipo sarà eseguita presso l’INRIM. Essa avviene confrontando le letture dei due strumenti, il prototipo e un interferometro di riferimento, per differenti lunghezze del cammino ottico lungo il braccio di misura, muovendo il carro su cui è montato il retroriflettore. Alle due letture occorre applicare la correzione dell'indice di rifrazione ottenuta dalla lettura dei parametri ambientali. La caratterizzazione completa del telemetro consisterà nella valutazione delle correzioni e delle incertezze associate da apportare alla lettura ottenuta, quali ad esempio le correzioni dovute alla non ottimale sovrapposizione dei due fasci, o al diverso indice di rifrazione associato ai due fasci. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Andrea De Marchi Politecnico di TORINO

Obiettivo del Programma di Ricerca

L’obiettivo primario della ricerca è quello di realizzare un prototipo di sistema di telemetria ottica a tempo di volo basato sull’uso di un laser mode locked a picosecondi e sulla misura di ritardo con un sistema dual mixer, allo scopo anche di indagare sui limiti eventualmente esistenti alla risoluzione e all’accuratezza del sistema.

A questo fine si organizza un programma di ricerca che prevede il raggiungimento di un certo numero di obiettivi intermedi, sia per quanto riguarda la fisica dell’impulso ottico, per il cui studio sono necessarie un’analisi adeguata della sorgente e del mezzo di propagazione e la stabilizzazione della sorgente stessa, sia per quanto riguarda le incertezze annidate nel comportamento dei dispositivi, in particolare nel medio e lungo termine.

Più specificamente, l'obiettivo finale è quello di ottenere risoluzioni micrometriche in misure di grandi distanze (anche più di 10 m), con accuratezze dello stesso ordine e una velocità di misura che di fatto permetta di considerare fermi anche oggetti che si muovono a velocità dell'ordine di qualche metro al secondo. In altre parole si vuole una risoluzione di una decina di micron in dieci microsecondi. Tuttavia il sistema dovrà essere adattabile in modo semplice, con facili manovre sul sintetizzatore, a variare sia la risoluzione che la velocità di misura.

Obiettivi intermedi possono essere identificati per ciascuna unità operativa secondo il suo specifico impegno di ricerca nell’ambito del progetto.

Per il Politecnico di Milano l’obiettivo specifico è quello di realizzare una sorgente laser impulsata con le necessarie caratteristiche di stabilità di frequenza e forma degli impulsi, come rivelati da fotorivelatori veloci. Per il Politecnico di Torino è quello di realizzare un sistema a doppio mixer in grado di funzionare con adeguata accuratezza di fase ad un certo numero di frequenze di ingresso, armoniche di 100 MHz. Per l’INRIM è quello di valutare in modo completo le prestazioni del prototipo assemblato di telemetro. <<<

Risultati parziali attesi

Il telemetro laser a tempo di volo proposto ha il vantaggio di essere robusto e compatto: l'ottica è ridotta al minimo ed è interna al laser a picosecondi, l'elettronica è modulare ed è formata da pochi componenti,
veloce: le lettura avranno un rate regolabile inferiore al millisecondo.

Per quel che riguarda l'accuratezza nella misura assoluta, occorre ricordare che il sistema si basa sulla misura della distanza attraverso la misura del ritardo accumulato da un impulso ottico, riportandola ad una misura di differenza di fase. Utilizzando uno strumento commerciale con risoluzione 1 ns, per una frequenza di ripetizione di 100 MHz, a cui è associata una frangia di circa 1.5 m, si otterrebbe ad una risoluzione spaziale di 1.5 um, per un rate di lettura di 1kHz. A questo punto, si può considerare lo strumento fornito di due gradi di libertà indipendenti, selezionando un’armonica alta aumenta il rate di lettura, mentre aumentando il rapporto tra la frequenza in ingresso e quella in uscita dal doppio mixer bilanciato aumenta la risoluzione, che eventualmente può anche diventare dell'ordine del micrometro, competitiva con un interferometro relativo.
In pratica le reali limitazioni del telemetro proposto sono dovute alla parte ottica (instabilità del profilo dell'impulso, instabilità della frequenza di ripetizione) e alla parte elettronica (asimmetria dei canali, rotazioni di fase non volute, rumore dell'elettronica).

Il progetto ha come fine di valutare quali siano le reali potenzialità del sistema a raggiungere le risoluzioni teoriche viste sopra e quali siano le principali cause di incertezza e l'accuratezza raggiungibile. I calcoli preliminari basati sulla conoscenza dello stato dell'arte ci spingono a stimare un'incertezza finale compresa tra 100 nm e 1 um su una distanza di 10 m.

Una delle potenziali applicazioni del sistema proposto sta nell'uso combinato con un interferometro relativo, in quanto il telemetro proposto darebbe il numero intero di frange dell'interferometro relativo, mentre il secondo permetterebbe di arrivare a risoluzioni del millesimo di frangia ottica, permettendo così di ottenere misure assolute con incertezze dell'ordine di nanometri. Questa potenzialità è estremamente importante per applicazioni spaziali e in particolare per applicazioni tipo satelliti in formazione, in cui è richiesta una conoscenza assoluta della distanza tra due o più satelliti. Per quel che riguarda le misure in aria, la stessa tecnica è utilizzabile tenendo presente che il fattore limitante è la conoscenza dell'indice di frazione che porta ad una incertezza relativa di 10^-7.

Altre applicazioni che possono diventare molto interessanti anche in funzione di quanto bene il sistema rispetterà le aspettative sono da ricercarsi in ambito industriale. Qui è considerato un grosso difetto della telemetria laser quello di non essere assoluta se è molto risolutiva, ed un vero sogno quello di poter ottenere misure assolute e molto risolutive con una frequenza di ripetizione elevata. Di fatto la disponibilità di un telemetro laser capace di fornire un'incertezza di 10 micron in 10 microsecondi potrebbe in prospettiva mettere per esempio il gestore di una macchina operatrice meccanica in condizione di operare una correzione on-line delle deformazioni della macchina durante il suo uso, riducendo in questo modo potenzialmente anche di un ordine di grandezza le incertezze di lavorazione. In questa applicazione i sistemi tradizionali hanno non solo il difetto di essere lenti, ma anche quello di necessitare un riazzeramento in caso il fascio venisse interrotto per esempio da trucioli volanti di lavorazione durante la misura. Anche senza pensare all'operazione on-line, tuttavia, la velocità di misura è interessante comunque perché può accorciare la durata di un fermo macchina per ricalibrazione da un paio di giorni ad una mezzora. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La richiesta da parte dell'industria di misure assolute di lunghezza su grandi distanze è in continua crescita, e sono sempre più stringenti le specifiche proposte di accuratezza, risoluzione e velocità di misura. Le applicazioni sono varie, dall'industria aeronautica che richiede misure tridimensionali con portate fino a 100 m delle strutture alari, a quella spaziale, per il controllo dei satelliti, alla geodetica per monitoraggio, ad esempio per la previsione dei terremoti o le decisioni di stoccaggio dei rifiuti tossici.
Il limite ultimo nell'accuratezza della misura assoluta di distanza in aria è comunque la conoscenza dell'indice di rifrazione medio dell'aria lungo il cammino ottico perché comporta una correzione alla misura ottenuta. Dettagli su questo punto si trovano nel modello B dell’unità INRIM.
Per misure assolute si usano i metodi seguenti.
Il metodo a tempo di volo. La distanza si ottiene dalla misura del tempo impiegato dalla luce a percorrerla, di solito nei due sensi di andata e ritorno. Usando impulsi ottici, il limite ultimo è dato dalla risoluzione temporale dei rivelatori, ad esempio a risoluzioni temporali di 10 ps corrisponde un’incertezza di 1.5 mm (1.5 10-5 su 100 m).
Il metodo interferometrico. La differenza di cammino ottico totale D tra due cammini diversi è data da 2D=N?+????dove ? è la lunghezza d'onda, N è in numero intero di lunghezze d'onda ed ? è la parte eccedente della frangia. Offre grande risoluzione ma non fornisce una misura assoluta se si utilizza una sola onda. Infatti dalla misura della fase si ottiene solo la parte eccedente della frangia, ma non N. Un metodo per rimuovere l'indeterminazione su N è quello di utilizzare più lunghezze d'onda e di applicare un metodo ai minimi quadrati per stimare gli N che minimizzano l'errore.
Altre tecniche sono basate sul metodo dell'onda sintetica [1] del quale più dettagli sono illustrati nel modello B dell’INRIM. Anche l'uso del pettine a femtosecondi in [3] è riconducibile al metodo ad onda sintetica.
E' stata recentemente proposta da un ricercatore del JILA collaboratore di Jan Hall una tecnica mista utilizzando il laser a femtosecondi [4] in cui si fa una prima misura del tempo di volo degli impulsi femto-secondi per stimare il numero intero N, in seguito si fanno sovrapporre i due impulsi sul rivelatore variando la frequenza di ripetizione ottenendo le frange d'interferenza.
Di tutte queste tecniche l’unica in grado di offrire misure assolute e al contempo veloci è quella del tempo di volo, che però non garantisce una risoluzione interessante.
La tecnica di telemetria assoluta da noi proposta si inserisce su questo panorama con la prospettiva di offrire misure assolute e veloci con grande risoluzione.
Per metterla in atto è necessario disporre di un laser che emetta impulsi molto brevi con un’ottima stabilità della frequenza di ripetizione e della potenza e forma degli impulsi. Tali sono i laser mode locked, che quindi sono qui assunti in partenza come i candidati più verosimili per l’applicazione. Le soluzioni tecnologicamente più valide si ottengono con laser a neodimio (Nd) operanti nel vicino infrarosso (lunghezza d'onda di circa 1 um), in regime di mode-locking [5] attivo o passivo (mediante assorbitori saturabili) con tassi di ripetizione degli impulsi di 50-100 MHz. Le matrici cristalline più utilizzate per queste applicazioni sono lo YAG (Yttrium Aluminum Garnet) o YVO (Yttrium Orthovanadate) o YLF (Yttrium Lithium Fluoride) e nel progetto occorrerà individuare la soluzione più adatta per l'applicazione di basso jitter temporale degli impulsi generati. Questi laser a stato solido consentono di ottenere un'ottima qualità spaziale del fascio d'uscita (fattore M^2&lt;1.2) e dunque permettono una efficace raccolta della macchia gaussiana sui fotorivelatori.
Fotorivelatori con banda di 100 GHz sono già stati realizzati [6] e potrebbero venire utilmente impiegati per la rivelazione veloce degli impulsi a picosecondi del nuovo telemetro ottico a tempo di volo. I dipositivi commerciali [7] arrivano invece a 40-45 GHz di banda, sia nel visibile che nel vicino infrarosso.
Per quanto riguarda la misura della differenza di fase tra due segnali periodici (tipicamente isofrequenziali) lo stato dell’arte è quello definito dalle tecniche e dai metodi utilizzati in Metrologia di Tempo e Frequenza per valutare la stabilità di fase degli oscillatori [8]. Infatti l’ottima stabilità a breve termine dei migliori oscillatori, che vengono utilizzati per esempio in raffinati esperimenti di Fisica tipo i campioni atomici di frequenza o i test relativistici, deve essere valutata per generare una stima dell’incertezza da cui sono affetti quegli esperimenti. La soluzione di questo problema ha richiesto a suo tempo (anni 70) uno sforzo di sviluppo che ha prodotto il sistema a doppio mixer.
Nei sistemi dual mixer usati in Metrologia si riesce a risolvere anche il decimo di microradiante a 10 MHz, vale a dire poco più di 1 fs. Questo è possibile con un normale contatore di intevallo di tempo con un clock equivalente a 1 GHz perché nel sistema l’intervallo di tempo da misurare viene espanso di un fattore 106.
Usando una frequenza di ripetizione di 100 MHz con il nostro metodo dovremmo riuscire senza troppe complicazioni a risolvere i 10 micron in 1 ms, oppure 1 micron in 10 ms.
L’idea di estendere l’applicazione del sistema dual-mixer alla misura assoluta delle differenze di fase è stata affrontata recentemente da un gruppo Franco-Ceco [9], che ha individuato le difficoltà più importanti dell’operazione nel problema di garantire la simmetria dei due canali al livello desiderato e in particolare al variare della frequenza di lavoro e col passare del tempo. La peculiarità dell’approccio di quel gruppo, in questo diverso dal nostro, era la necessità di poter operare in tutta una gamma di frequenze allo scopo di esplorare caratteristiche spettrali di un qualche oggetto di osservazione. Lavorando con questi requisiti il gruppo scoprì che era molto difficile e critico l’adattamento di impedenza in particolare all’ingresso dei mixer, in quanto al variare di questo osservò rotazioni di fase anche di molti picosecondi. Ovviamente tale incertezza renderebbe inservibile l’apparato a fronte degli obiettivi che si desidera qui raggiungere.
Nel sistema da realizzare per il telemetro qui proposto la frequenza di lavoro è stabilita a priori e quindi da una parte l’adattamento di impedenza può essere ottimizzato meglio, dall’altra conta solo la differenza tra i due canali della sua stabilità nel tempo, perché il resto dell’eventuale effetto risulta a modo comune tra i due canali.
Per validare la tecnica si dovranno confrontare i risultati ottenuti con quelli di un interferometro tarato. Su questo punto lo stato dell’arte per accuratezza e risoluzione è quello delle tecniche interferometriche, la cui lentezza non costituisce un problema in sede di taratura. Presso l’INRIM sono disponibili termini e metodi di confronto adeguati

[1] G. Bönsch, E Potulski,"Measurement of the refractive index of air and comparison with modified Edlén's formulae",Metrologia, vol 35,pagg 133-139.
[2] C. Yin, Z. Chao, D. Lin, Y. Xu, J. Xu, " Absolute length measurement using changeable synthetic wavelength chain", Optical Engineering , Volu 41, Issue 4, pp.
746-750.
[3] K. Minoshima and H. Matsumoto, "High-Accuracy Measurement of 240-m Distance in an Optical Tunnel by use of a Compact Femtosecond Laser," Applied
Optics, vol. 39, pp. 5512-5517, 2000.
[4] J. Ye, "Absolute measurement of a long, arbitrary distance to less than an optical fringe," Optics Letters, vol. 29, pp. 1153-1155, 2004.
[5] U. Keller, "Recent Development in Compact Ultrafast Lasers", Nature, Vol. 424, pp. 831-838, 2003.
[6] Heinz-Gunter Bach, "Ultra High-speed Photodetectors and Photoreceivers for Telecom and Datacom also Aiming at THz Applications", European Conference on
Integrated Optics, Copenhagen (DK), April 25-27, 2007.
[7] New Focus INC Mod. 1004 VIS (40 GHz) e Mod. 1014 IR (45 GHz). http://www.newfocus.com
[8] D. W. Allan and H. Daams: “Picosecond time difference measurement system”, Proc. 29th Annual Symp. Freq. Contr., Atlantic City, NJ, USA (1975), pp 404-411
[9] R.Barillet, J.Y.Richard, J.Cermak, L.Sojdr: "Application of dual-mixer time-difference multiplication in accurate time-delay measurements", Proc, 2004 IEEE International Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control joint 50th Anniversary Conference, pp.729-733 <<<