2-µm hybrid laser emitter for future carbon dioxide space-borne lidar measurement
Émetteur laser hybride à 2 µm pour une future mesure du dioxyde de carbone par lidar spatial
Résumé
We are developing a DIfferential Absorption Lidar (DIAL) for CO2 remote sensing using coherent detection, based on a pulsed hybrid laser emitter at 2.05 μm. In the 2 μm region, the R30 CO2 absorption line has been identified as one of the most promising for space-borne DIAL instrument to provide precise sounding of the atmospheric boundary layer where CO2 sources and sinks are located. In this paper, we present the Tm-doped all-fiber part of the emitter and we demonstrate its ability to measure the CO2 Volume Mixing Ratio (VMR) in the atmosphere. The lidar setup is presented, including the telescope, the heterodyne detection system and a spectral reference system used to infer the absolute frequency of the laser and the ON-line/OFF-line energy difference. We investigate an Integrated-Path-DIAL measurement on a range of 426 m. Results compare well with an in-situ reference sensor (Picarro probe), and the estimate statistics show good agreement with theoretical error calculations. This lidar demonstrator has been called HELENA (Hybrid Emitter Lidar for ENvironmetal Applications). Once completed, it will feature an hybrid emitter combining a semiconductor laser, a high-power Tm-doped fiber amplifier stage, and a final Ho:YLF crystal single-pass amplification stage. This combination aims at benefitting of the versatility, compactness and alignment easiness of a fiber amplifier on one hand, and of the high-peak power attainable with a solid-state amplifier on the other hand. It could allow overcoming the traditional Brillouin limit met in fiber amplifiers, without sacrificing much in compactness and robustness.
Nous développons un lidar à absorption différentielle (DIAL) pour la télédétection du CO2 par détection cohérente, basé sur un émetteur laser hybride pulsé à 2,05 µm. Dans la bande spectrale 2 µm, la raie d'absorption du CO2 R30 a été identifiée comme l'une des plus prometteuses pour un instrument DIAL embarqué dans l'espace, afin de fournir un sondage précis de la couche limite atmosphérique où se trouvent les sources et les puits de CO2. Dans cet article, nous présentons la partie de l'émetteur entièrement fibrée dopées au Thulium et nous démontrons sa capacité à mesurer le rapport de mélange volumique (VMR) du CO2 dans l'atmosphère. L'architecture du lidar est présentée, y compris le télescope, le système de détection hétérodyne et un système de référence spectral utilisé pour déduire la fréquence absolue du laser et la différence d'énergie des impulsions ON et OFF. Nous étudions une mesure intégrée (Integrated-Path-DIAL) sur une distance de 426 m. Les résultats coïncides bien avec un capteur de référence in-situ (sonde Picarro), et les statistiques d'estimation montrent un bon accord avec les calculs d'erreur théoriques.
Ce démonstrateur lidar a été appelé HELENA (Hybrid Emitter Lidar for ENvironmetal Applications). Une fois terminé, il comportera un émetteur hybride combinant un laser à semi-conducteur, un étage d'amplification à fibre dopée Tm de haute puissance et un étage final d'amplification simple paassage dans un cristal Ho:YLF. Cette combinaison vise à tirer profit de la polyvalence, de la compacité et de la facilité d'alignement d'un amplificateur à fibre d'une part, et de la puissance crête élevée que l'on peut obtenir avec un amplificateur solide d'autre part. Elle pourrait permettre de dépasser la limite traditionnelle Brillouin rencontrée dans les amplificateurs à fibre, sans sacrifier la compacité et la robustesse de la source.