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 >>>

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 >>>

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).
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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 >>>