Theoretical analysis and design of high-performance frequency converters for LIDAR systems

Abstract

Frequency converters based on parametric and nonparametric frequency conversion are analyzed with respect to the specifications for high-average power water-vapor DIAL transmitters (DIAL: Differential Absorption LIDAR; LIDAR: Light Detection and Ranging). A Ti:Sapphire laser was selected as a suitable frequency converter to fulfill simultaneously all the requirements in the wavelength range of 935 nm and 820 nm. As thermal effects have a decisive influence on the overall performance and laser resonator design, they were simulated on Ti:Sapphire laser crystals in detail for different crystals, pump, and cooling configurations using finite element analysis (FEA). The performance and spectral properties of the Ti:Sapphire laser transmitter were modeled with a rate-equation approach for stable and unstable resonators. First theoretical results of an end-pumped Ti:Sapphire laser based on an optimized, asymmetric confocal unstable ring resonator design are presented. The obtained results can especially be used for the further development of a Ti:Sapphire laser to serve as a demonstrator for a future space-borne DIAL system transmitter according to the WALES (Water Vapor Lidar Experiment in Space) specifications. Furthermore, the adaptation of the developed theory modules to other lasing materials and configurations is straightforward.

Frequenzkonverter basierend auf parametrischer und nichtparametrischer Frequenzkonversion wurden hinsichtlich der Spezifikationen für Wasserdampf-DIAL-Transmitter mit hoher mittlerer Leistung untersucht (DIAL: Differentielles Absorptions LIDAR; LIDAR: Light Detection and Ranging). Ein Titan-Saphir Laser wurde als geeigneter Frequenzkonverter ausgewählt, um gleichzeitig alle Anforderungen im Wellenlängenbereich von 935 nm und 820 nm zu erfüllen. Da thermische Effekte einen entscheidenden Einfluss auf die gesamte Leistung und das Laserresonatordesign haben, wurden sie detailiert an Titan-Saphir Laserkristallen für verschiedene Kristalle, Pump- und Kühlanordnungen mit Hilfe Finiter Elemente Analyse (FEA) simuliert. Die Leistung und spektralen Eigenschaften des Titan-Saphir Laser Transmitters wurden durch einen Bilanzgleichungsansatz für stabile und instabile Resonatoren modelliert. Erste theoretische Ergebnisse eines endgepumpten Titan-Saphir Lasers basierend auf einem optimierten, asymmetrischen konfokalen instabilen Ringresonatordesign werden gezeigt. Die erlangten Ergebnisse können insbesondere für die Weiterentwicklung eines Titan-Saphir Lasers verwendet werden, der als Demonstrator für einen zukünftigen weltraumgestützten DIAL Transmitter nach den WALES (Water Vapor Lidar Experiment in Space) Spezifikationen dienen soll. Ausserdem ist eine Anpassung der entwickelten Theoriemodule an andere Lasermaterialien und Konfigurationen unkompliziert.