Backward lasing for remote sensing
- Reference number
- ITM17-0309
- Start and end dates
- 190101-230630
- Amount granted
- 7 223 149 SEK
- Administrative organization
- Lund University
- Research area
- Materials Science and Technology
Summary
There is a strong need for sensitive methods able to measure at remote locations, i.e. remote sensing techniques. Such techniques are important not only in research, for example in atmospheric science, plasma and combustion chemistry, but also in many industrial applications as well as for fire safety and national security. The aim of the present proposal is to develop optical remote sensing concepts based on backward lasing, i.e. a mirror-less remote laser with a constituent of the ambient gas as the active medium. Two different approaches will be pursued: stimulated emission upon multi-photon pumping of atoms and femtosecond laser filamentation. It is evident that backward lasing could potentially revolutionize the remote-sensing field, as it might allow for a dramatic improvement of the detection sensitivity compared to traditional light detection and ranging (LIDAR), which is based on the detection of the nearly isotropic scattering induced by a forward-propagating laser beam. In addition, the high directionality of the backward lasing signal also opens up for measurements inside devices providing only one optical port. The goal of the project is to push the development of the backward lasing technique from its current status, mainly as an academic matter, to a method that can be applied for remote species detection, such as atmospheric pollutants, atoms and molecules in flames, gas leakage from pipelines, and the presence of explosives and hazardous materials.
Popular science description
Alltsedan den uppfanns på 1960-talet har lasern funnit nya användningsområden, och är idag till mycket stor nytta inom forskning, industri och samhälle. I de flesta lasertillämpningar, t.ex. materialbearbetning, kan lasern placeras mycket nära arbetsområdet. Det finns dock många viktiga tillämpningsområden där detta är problematiskt. Om man t.ex. vill använda lasern för att studera ett område i atmosfären skulle den i så fall behöva placeras bakom mätområdet så att laserstrålen kan penetrera igenom detta område och nå en detektor på marken. Även om detta i princip är möjligt så är konceptet förenat med betydande begränsningar, tekniska utmaningar och höga kostnader. Istället bygger dagens atmosfärsforskning på optiska tekniker där en laser placerad på marken sänder ut en stråle riktad mot mätområdet, varpå en detektor, även den placerad på marken, registrerar det laserljus som spritts mot molekyler och partiklar i atmosfären, så kallad laser-radar-teknik. Den stora begränsningen med laser-radar tekniken är att laserljuset då det träffar en luftpartikel väsentligen sprids lika mycket i alla riktningar, vilket gör att en extremt liten andel av det spridda ljuset når detektorn. Dessutom minskar denna andel kvadratiskt med avståndet till mätpunkten. Detta är givetvis negativt för detektionskänsligheten och begränsar därmed mätmöjligheterna avsevärt. Inom detta projekt har vi för avsikt att överbrygga denna fundamentala begränsning. Detta skulle kunna göras genom att utnyttja att det är möjligt att generera laserverkan i luft (eller andra gaser). Istället för att analysera den svaga bakåtspridningen kommer signalen genereras i form av en laserlik stråle i bakåtriktningen, dvs. en spegellös laser där något av ämnena i den omgivande gasen fungerar som aktivt medium. Konceptet har redan visat sig fungera principiellt, men ännu återstår forskning och utevecklingsarbete för att kunna använda mätkonceptet praktiskt, vilket således är det vi har för avsikt att göra inom detta projekt. Det är uppenbart att bakåtriktad lasring har potential att revolutionera hela fjärranalysområdet eftersom den skulle kunna innebära drastiskt högre detektionskänslighet i jämförelse med dagens laser-radar-teknik. Förutom inom atmosfärsvetenskap, skulle detta nya mätkoncept öppna upp unika möjligheter inom andra områden, t.ex. mätning inuti industrianläggningar, upptäcka gasläckage på pipelines och spårämnen associerade med t.ex. sprängämnen eller andra farliga substanser.