Nuovo telemetro ottico a tempo di volo con laser in mode-locking e rivelazione eterodina

This thesis is based on a research project in collaboration between the Department of Electronics and Information (DEI) of Politecnico di Milano and the Department of Electronics (DELEN) of Politecnico di Torino. The primary objective of this research is to build a prototype optical system of Time Of Flight telemeter using mode-locked femtosecond laser and to extent of delay with a dual mixer, also to investigate the limits may exist to the implementation and accuracy of the system. The ultimate goal to be achieved is to achieve a resolution in the tens of microns on the order of microseconds time measurement. As for accuracy in absolute measure, it should be noted that the system is based on the measurement of distance by measuring the optical pulse from a delay, restoring a measure of phase difference. The instrument is based on the fact that increasing the ratio between the frequency of the laser’s harmonic selected and the frequency beat the resolution increases, which eventually can become the order of micrometer, competitive with that of an interferometer. In practice the real limitations of the proposed rangefinder are due to the optical part (pulse profile instability, instability of the frequency of repetition) and electronics (asymmetry channel, phase shifts the undesirable electronic noise). The system uses a laser source with wavelength of 1.56 m, a pulsed repetition frequency of 250 MHz, the higher harmonics which are then formed its frequency spectrum. Using the mixers and making the multiplication between the outgoing signals from photodiodes and an external reference chosen by us, you can make a heterodyne beat, showing the time delay between pulses on the two branches at frequencies much lower. This allows time intervals to expand and thus be able to resolve lags impossible to detect at high frequencies.

Questo lavoro di tesi si basa su un progetto di ricerca in collaborazione tra il dipartimento di elettronica e informazione (DEI) del Politecnico di Milano e il dipartimento di elettronica (DELEN) del Politecnico di Torino. 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 femtosecondi e sulla misura di ritardo con un sistema dual mixer, allo scopo anche di indagare sui limiti eventualmente esistenti alla realizzazione e all’accuratezza del sistema. L’obiettivo finale che si vuole ottenere consiste nel raggiungimento di una risoluzione dell’ordine della decina di micron su tempi di misura dell’ordine dei microsecondi. 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. Lo strumento si basa principalmente sul fatto che aumentando il rapporto tra la frequenza dell’armonica laser scelta e la frequenza di battimento in uscita aumenta la risoluzione, che eventualmente può anche diventare dell’ordine del micrometro, competitiva con quella di un interferometro. In pratica le reali limitazioni del telemetro proposto sono dovute alla parte ottica (instabilità di profilo dell’impulso, instabilità della frequenza di ripetizione) e alla parte elettronica (asimmetria dei canali, rotazioni di fase non volute, rumore elettronico). Il sistema utilizza una sorgente laser, con lunghezza d’onda di 1.56 m, impulsata con una frequenza di ripetizione di 250 MHz, le cui armoniche superiori vanno quindi a formare il suo spettro in frequenza. Effettuando, grazie ai mixer, la moltiplicazione tra i segnali uscenti dai fotodiodi e un riferimento esterno scelto da noi, si può effettuare un battimento eterodina, riportando il ritardo temporale tra gli impulsi sui 2 rami a frequenze molto inferiori. Questa operazione permette di espandere gli intervalli temporali e quindi di riuscire a risolvere sfasamenti temporali impossibili da rivelare a frequenze elevate.