¿Se utiliza el 'código de pulso' estilo radar (estirar, amplificar, interactuar y luego comprimir) en el dominio óptico?

Question

Amplificación de Pulso Chirpeado (CPA) es una técnica óptica para producir pulsos láser cortos a intensidades lo suficientemente altas como para que el medio de ganancia se destruiría a través de fenómenos no lineales como la self-focusing y la filamentación láser si intentara amplificar el pulso directamente, colocando el amplificador entre un estirador y un compresor de pulso. En esencia, se comienza con un pulso corto y coherente que se desea amplificar, y se hace pasar por un par de rejillas ópticas coincidentes que lo estirarán desde algunos femtosegundos hasta tal vez cientos de picosegundos, y luego se amplifica a una intensidad segura. Cuando se termina, se coloca el pulso amplificado en un par invertido de rejillas, que acortarán el pulso en una única explosión de energía.

Es una creencia común en óptica que la técnica fue desarrollada originalmente para la amplificación de señales de radar en algún lugar de los primeros alcances de la historia de la electrónica, y tiene sentido que si se tiene un amplificador de tubo de vacío frágil o algo así, se pueden intercambiar las rejillas de difracción óptica por guías de onda de microondas dispersivas adecuadas, o lo que sea que se usaba en los años sesenta, y haría maravillas para proteger la electrónica sensible de quemarse.

Resulta que, sin embargo, la técnica de radar no es exactamente la misma, aparentemente porque las restricciones de potencia pico se mantienen hasta la antena. Lo que hacen es algo bastante inteligente: estiran el pulso usando una línea de retardo dispersiva y luego lo amplifican, y lo envían sin comprimir para interactuar con cualquier avión, barco o extraterrestre que esté allí fuera. El eco volverá a una intensidad mucho menor, pero crucialmente conservará el chirp original, lo que significa que aún se puede comprimir, sin correr el riesgo de tener potencias no razonables en los cables o las antenas.

Fuente: Radares de arreglo de fase. E. Brookner. Scientific American 252, Feb. 1985, pp. 94-102..

Esta es una técnica hermosa, y en el fondo depende únicamente de la linealidad de la interacción entre el pulso de radar y lo que está reflejando, y del hecho de que estas reflexiones conservarán la fase del pulso. Como tal, debería ser perfectamente posible aplicarla a un buen número de configuraciones ópticas. Esto podría ser algo complicado de aplicar en la física ultra rápida, ya que tendemos a estar interesados en fenómenos no lineales, desde lo perturbativo hasta lo extremo, pero incluso en ese caso es probable que una interacción no lineal conserve una huella coherente del chirp que luego se podría comprimir en algo útil.

Entonces: ¿es esta una técnica útil que se puede aplicar usando pulsos ópticos en lugar de microondas? Si es así, estoy buscando respuestas que describan en detalle una o varias clases amplias de experimentos que utilicen esta técnica. (Más específicamente, busco experimentos que sondan una muestra con un pulso chirpeado, y luego recolectan la salida óptica y la recomprimen para su análisis.) Para ser claro, no busco un catálogo exhaustivo de estas aplicaciones, y preferiría tener algunos ejemplos claros de dónde y cómo es útil que una larga lista de aplicaciones.

También debo enfatizar que no espero que haya muchas aplicaciones si esto es realmente cierto. La compresión de pulso es una técnica muy desafiante, y hacerlo con algo que ha interactuado con una muestra suena mucho, mucho más difícil. Si resulta que hay muchas aplicaciones allí fuera, entonces me interesaría más aprender por qué al final no es tan difícil que en cualquier contexto que no esté considerando.

Alternativamente, es bastante posible que de hecho no hayan aplicaciones reales del orden de eventos estirar-amplificar-interactuar-comprimir. Si ese es el caso, todavía es algo notable, porque la CPA ha generado una industria enorme, y alimenta láseres desde el nivel de mesa hasta la escala de instalaciones, y se ha demostrado ser flexible y extensible a, por ejemplo, amplificación paramétrica óptica. De igual manera, el juego de analogías ha resultado ser muy útil en toda la física, como en la adopción de conceptos de la RMN como los ecos de espín para su uso en esquemas de información cuántica, y sería bastante sorprendente que esta idea simplemente no se pueda aplicar en absoluto por alguna razón fundamental. Si realmente hay una razón fundamental, entonces busco respuestas que expliquen por qué esta técnica no se puede traducir al dominio óptico.

Answer 1

En el radar, el chirrido (LFM - modulación lineal de frecuencia) se utiliza para alargar el pulso de manera que la energía recibida sea lo suficientemente grande para la detección, al mismo tiempo que tiene un ancho de banda coherente grande que sea proporcional a la resolución del rango deseado. Hay dos formas de detección, el llamado "procesamiento de estiramiento" que es simplemente un receptor de correlación que utiliza un mezclador homodino, y el otro es un filtro adaptado. Si el objetivo está más lejos que la longitud del pulso, entonces el filtro adaptado es la única opción. El "procesamiento de estiramiento" (mezcla homodina del retorno con la señal transmitida de referencia) seguido de una Transformada de Fourier Discreta como banco de filtros se utiliza exclusivamente si la longitud del pulso es mucho más larga que el retardo de ida y vuelta. Esta técnica también es muy común en radares de apertura sintética para crear un mapa de alta resolución, también se utiliza en forma de frecuencia escalonada discreta.

Lo que hace que el chirrido a menudo sea menos deseable que otras formas de onda potenciales es el acoplamiento de la medición del rango con el cambio Doppler si el objetivo o partes del escenario están en movimiento. Otro problema del chirrido es su obvia sensibilidad a la linealidad de tiempo/frecuencia y al ruido FM/PM ya que su cantidad medida es el cambio de frecuencia. Tenga en cuenta que la generación de un chirrido lineal de alta calidad sobre un ancho de banda amplio no es un asunto sencillo incluso en microondas cuando se utiliza un oscilador controlado por voltaje. Un varactor es un dispositivo notoriamente no lineal y el oscilador debe colocarse en una fase de realimentación negativa o bucle de bloqueo de retardo para que el barrido de frecuencia sea lineal. Esta linealización ralentiza la tasa de barrido potencial.

En principio, todo esto se puede hacer con LIDAR siempre y cuando la fuente se pueda mantener coherente durante el intervalo de observación, pero esto no es fácil si el rango del objetivo es más de unos pocos microsegundos (150m/microseg), ver, Vasyl Molebny, Gary Kamerman, Ove Steinvall: "Laser radar: from early history to new trends" Proc. of SPIE Vol. 7835 783502-29; Pierrottet, D., Amzajerdian, F., Petway, L., Barnes, B. and Lockard, G., “Flight test performance of a high precision navigation Doppler lidar”, Proc. SPIE 7323, 732311 (2009). Hay otras aplicaciones interesantes que no requieren una coherencia muy larga, por ejemplo, como analizador espectral instantáneo de una señal de microondas o mm-onda de banda ancha.