Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5713
Main Title: Development and analysis of all diode laser ns-MOPA systems for high peak power applications
Translated Title: Entwicklung und Analyse von Diodenlaser ns-MOPA-Systemen mit hoher Leistungsanwendung
Author(s): Vu, Thi Nghiem
Advisor(s): Kneissl, Michael
Referee(s): Kneissl, Michael
Tränkle, Günther
Hofmann, Martin
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: The aim of this work is to design and characterize all-diode laser based master oscillator power amplifier (MOPA) systems, which operate in the ns-pulse region with peak powers in the range of more than 10 W. They should provide the ability to be implemented into micro light detection and ranging (LIDAR) or differential absorption LIDAR (DIAL) systems, commonly known as Micro Pulse Lidar systems (MPLs). Thus the diode laser based MOPA systems have to fulfill the requirements of laser transmitters in MPLs for aerosols and water vapor measurement. Due to variably spatial distribution of aerosols and water vapor, the resolution of the LIDAR system needs to be high both in vertical and lateral directions. A response time in the ns-pulse regime corresponds to a resolution of in the m range. A repetition rate of 25 kHz, i.e. a time between two pulses of 40 microseconds corresponds to a measuring range of 6000 m. For gas absorption measurements, the spectral line width of the laser transmitter has to be narrower than the gas absorption line width. The spectral line width of water vapor at atmospheric pressure is about 10 pm at wavelength of 975 nm, therefore a line width below 10 pm of the laser transmitter is needed. For aerosols, only the intensity of the back scattered signal is of interest, so that a laser with a broad spectral line width together with a filter of 300 pm can be used. This linewidth is required to suppress the sunlight background of the daytime operation. Two MOPA concepts are demonstrated. One is a monolithic MOPA and the other is a hybrid MOPA system. The monolithic MOPA is a compact device where the MO and the PA are integrated on one single chip. It operates at a wavelength of 1064 nm. A peak power of about 16.3 W at a pulse width of 3 ns and a repetition rate of 800 MHz are obtained. At this power, a spectral line width of about 150 pm is achieved, which is sufficient for the detection of aerosols. However, due to the spectral width is not suited for water vapor detection. The hybrid MOPA concept features separated chips for the seed laser (the MO) and the power amplifier (PA. Three hybrid MOPA systems providing stabilized, tunable and dual wavelengths are investigated. The hybrid MOPA system operates at a wavelength of 1064 nm with a stable spectral line width of below 10 pm and a side mode suppression ratio (SMSR) larger than 46 dB. A peak power of 16 W at a pulse width of 3 ns is achieved at a repetition rate of 800 MHz. An amount of amplified spontaneous emission (ASE) smaller than 1% is observed. These parameters meet the demands of a light source suitable for the measurement of absorption lines of molecular species under atmospheric condition. The hybrid MOPA system transfers to 975 nm, targeting for absorption lines of water vapor detection. A tuning range of 0.9 nm is obtained by adjustment of the injected current into the DFB laser. It is possible to scan over several absorption lines of water vapor. A constant spectral line width of below 10 pm and a SMSR larger 40 dB are achieved at a peak power of 16.3 W at a pulse width of 8 ns and at a repetition rate of 25 kHz. An amount of ASE of smaller than 1% is observed. In differential absorption LIDAR (DIAL), two wavelengths for on/off lines are needed. The hybrid MOPA system features a dual wavelength. Two pair wavelengths at two absorption lines of water vapor (different absorption coefficients) are selected. A stable behavior of peak power, spectral line width and SMSR at each wavelength is observed. It is a suitable system for (DIAL) application. In summary, we have developed all-semiconductor diode laser based MOPA systems suitable for the laser transmitter in MPL applications, which can be used for detection of atmospheric gases, such as H2O, and aerosols. They are potentially applicable in the MPLs and would allow a new generation of ultra-compact, low cost systems.
Die Zielstellung dieser Arbeit ist es, Diodenlasersysteme zu charakterisieren, welche potentiell für die Detektion von Aerosolen und Wasserdampf in der tiefen Troposphäre geeignet sind. Diese Lasersysteme sollen die Voraussetzungen schaffen, um in ein laserbasiertes Detektions und Fernmessung atmosphärisscher Parameter (engl. LIDAR -LIght Detection And Ranging) oder ein Differentialabsorptions-LIDAR (engl. DIAL - DIfferential Absorption LIDAR) miniaturisiert werden zu können. Dementsprechend sollen Diodenlasersysteme die Rolle als Lasertransmitter in Mikropuls LIDAR (engl. MPL - Micro Pulse LIDAR) Systemen für die Detektion von Aerosolen und Wasserdampf übernehmen. Es werden zwei Konzepte mit gekoppeltem Leistungsverstärker (engl.MOPA - Master Oscillator Power Amplifier) untersucht, zum Einen ein monolithisches, zum Anderen ein hybrides MOPA System. Das monolithische MOPA System ist ein äußerst kompaktes System, bei dem der Masterlaser (engl. MO - Master Oscillator) und Leistungsverstärker (engl. PA - Power Ampli_er) auf dem selben Chip untergebracht sind. Dieser emittiert bei einer Wellenlänge von 1064 nm, einer Standardwellenl änge für die Detektion von Aerosolen. Hier wird eine Spitzenleistung von 16.3 W bei einer Pulsbreite von 3 ns und einer Wiederholrate von 800 MHz erreicht. Bei dieser Leistung wird eine spektrale Linienbreite von 150 pm erreicht, was ausreichend ist für die Detektion von Aerosolen. Bei der Messung der Verteilung von Aerosolpartikeln ist lediglich die Intensität des rückgestreuten Lichts von Interesse, weshalb ein Laser mit großer spektraler Linienbreite zusamment mit einer Filterbreite eingesetzt werden kann. Den um das Sonnenlicht Hintergrund des Tagesbetrieb unterdrücken kann. Für die Messung der Absorption von Gasen muss die spektrale Linienbreite des Lasers schmaler sein als die Absorptionslinie des Gases. Im Falle von Wasserdampf in der Atmosphäre ist die spektrale Linienbreite ca.10 pm breit. Das hybride MOPA Konzept mit separaten Chips für MO und PA wird ebenfalls vorgestellt. Es kann frei an den gewünschten Einsatzzweck angepasst werden und erlaubt eine individuelle Aussteuerung des MO und PA. Das hybride MOPA Konzept bietet die Möglichkeit zur Wellenlängenstabilisierung, Durchstimmbarkeit oder des dualen Wellenlängenbetriebes. Das hybride MOPA System emittiert bei einer Wellenlänge von 1064 nm mit einer stabilisierten spektralen Linie unterhalb von 10 pm sowie einer Nebenmoden unterdrückung (engl. SMSR - Side Mode Supression Ratio) größer als 46 dB. Eine Spitzenleistung von 16 W bei einer Pulsbreite von 3 ns wird bei einer Wiederholrate von 800 MHz erreicht. In diesem Fall ist der Teil der emittierten spontanen Emission (engl. ASE - Amplified Spontaneous Emission) kleiner als 1%. Diese Parameter erfüllen die Voraussetzungen einer Lichtquelle, welche für die Messung von molekularen Absorptionslinien unter atmosphärischen Bedingungen geeignet ist. Das hybride MOPA System emittiert bei einer Wellenlänge von 975 nm, wo die Absorptionslinien von Wasserdampf liegen. Durch passende Regelung des in den DFB Laser injizierten Stromes wird ein Durchstimmbereich von 0.9 nm erreicht. Eine konstante spektrale Linienbreite von unter 10pm und ein SMSR von über 40 dB werden bei einer Spitzenleistung von 16.3 W bei einer Pulsbreite von 8 ns und einer Wiederholrate von 25 kHz erreicht. Ein ASE Anteil von unter 1% wird dabei beobachtet. Für das Differenzabsorptions LIDAR (engl. DIAL - DIfferential Absorption LIDAR) Verfahren sind zwei Wellenlängen für on/off Resonanz nötig. In dieser Arbeit werden zwei Wellenlängenpaare für zwei Absorptionslinien von Wasserdampf untersucht. Es wird stabiles Verhalten der Spitzenleistung, der spektralen Linienbreite und des SMSR bei jeder der untersuchten Wellenlängen beobachtet. Somit ist dies eine ideale Konfiguration für DIAL Systeme. Zusammenfassend wurden Halbleiterdiodenlaser-basierte MOPA Systeme entwickelt, die als Lasertransmitter geeignet für MPL-Anwendungen sind, welche für die Detektion von Atmosphärengasen wie Wasserdampf und Aerosole verwendet werden können. Sie sind potentiell einsetzbar in Mikro-LIDAR-Systemen und ermöglichen eine neue Generation von ultrakompakten und kostengünstigen Systemen.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/6148
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5713
Exam Date: 24-Jan-2017
Issue Date: 2017
Date Available: 9-Feb-2017
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::535 Licht, Infrarot- und Ultraviolettphänomene
Subject(s): ns-pulse high peak power
water vapor absorption
aerosol detection
Nanopuls-Hochleistung
Wasserdampf-Adsorption
Aerosol-Detektion
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