Raising the stimulated Brillouin scattering threshold power by longitudinal compression gradient in a fiber amplifier

We demonstrate and analyse a novel approach to enhance the threshold power of stimulated Brillouin scattering (SBS) in optical fibers, using a longitudinal compressive strain gradient. We derive analytical expressions for the power spectral density of the backscattered Stokes wave in the general case of passive and amplifying optical fibers, by considering the strain and optical power distributions. Our method provides an accurate prediction of the SBS gain spectrum, that we illustrate with a quantitative comparison between measurements and calculations of the SBS Stokes spectra, before and after applying the compression gradient. Our experimental results demonstrate the successful enhancement of the SBS threshold power by a factor of about 3 for the passive fiber and 2 for the amplifying fiber. The enhancement that we manage to calculate in the case of the passive fiber is in perfect agreement with the experimental result

Étude et réalisation d’un lidar Raman pour la détection d’hydrogène et de vapeur d’eau dans une alvéole de stockage de colis radioactifs

The CIGEO project, led by the ANDRA agency, aims at enabling future deep geological disposal of french nuclear waste packages. Those packages could be stored in hundred-meters long underground galleries, and may release hydrogen gas (H2), which is explosive at concentrations above 4% in the air. For safety concerns, it is important to ensure that H2 concentration remains well below the lower explosive limit. The objective of this thesis work, conducted at the ONERA agency, is to design and build a lidar which enable high-resolution (3 m) remote profiling of H2 concentration (0-4%) over hundreds of meters. Such a lidar could perform nonintrusive H2 detection and then prevent H2-related explosion risks. This lidar measures vibrational Raman scattering in the UV domain (355 – 420 nm). Its design takes into account the specific conditions expected in storage galleries. A highspeed and sensitive detection stage has been chosen, based on SiPM (Silicium Photomultiplier) technology in photon counting mode. Due to a spectral overlap between molecular hydrogen and water vapor Raman spectra, the need of a H2O measurement channel has been demonstrated. A three-channel spectral analyzer (H2, H2O and N2 used as reference) has been designed and implemented. Signal processing in real time has been developed to display H2 and H2O concentration profiles. This lidar has been tested in a reduced range scene (100 m) enabling hydrogen gas releases. Simultaneous measurements of concentration profiles of natural water vapor and hydrogen gas (0-2%) have been performed at 85 m with 1-meter and 1-minute resolution and a 600 ppm detectivity.Le projet Cigéo, mené par l’ANDRA, vise à permettre à l’horizon 2030 le stockage géologique des déchets les plus radioactifs du parc nucléaire français. Ces déchets, qui seraient placés dans des alvéoles souterraines de plusieurs centaines de mètres, sont susceptibles de relâcher de l’hydrogène gazeux (H2), un gaz inflammable dans l’air lorsque sa concentration dépasse 4%. Pour la sécurité des installations, il est indispensable de s’assurer que la concentration de H2 dans les alvéoles de stockage reste inférieure à sa limite de dangerosité. L’objectif de cette thèse, menée à l’ONERA, est de concevoir et réaliser un Lidar permettant de profiler à distance la concentration de H2 (0-4%), sur plusieurs centaines de mètres, avec une forte résolution spatiale (< 3 m), et de proposer ainsi un moyen non intrusif de détection et de prévention du risque lié à l’hydrogène. Le principe retenu est celui d’un Lidar Raman vibrationnel dans le domaine ultra-violet (355 – 420 nm). Pour sa conception, nous avons pris en compte les conditions particulières prévues dans les alvéoles de stockage. Une chaine de détection très sensible à comptage de photons a été choisie et mise en oeuvre, basée sur des détecteurs SiPM (Silicium Photomultiplier). La nécessité d’employer une voie de mesure de la vapeur d’eau, simultanément à l’hydrogène, a été mise en évidence et est liée au recouvrement partiel des spectres de diffusion Raman de H2 et H2O. Un analyseur spectral à trois voies de mesure (H2, H2O, et N2 utilisé comme référence) a été conçu et mis en place. Une méthode de traitement de signal en temps réel a enfin été réalisée pour visualiser les profils de concentrations de H2 et H2O. L’ensemble du système lidar a pu être testé dans une scène de portée réduite (100 m) permettant des relâchements d’hydrogène. Des mesures simultanées de profils de vapeur d’eau naturelle et de dihydrogène (0-2%) ont pu être démontrées avec succès à 85 m, avec une résolution spatiale et temporelle de 1 mètre et 1 minute respectivement, pour une détectivité de 600 ppm

New developments in active sensing at ONERA

International audienceThe paper presents some of the technology maturing activity on lidar for standoff gas sensing at ONERA

A multi-channel Raman Lidar in photon counting mode using SiPM technology

International audienceWe develop a multi-channel Raman Lidar for future monitoring of nitrogen, hydrogen and water vapor profiles along galleries containing radioactive wastes. We report preliminary measurements of N2 and H2O using photon counting SiPMs detectors

Combinaison cohérente de sept amplificateurs fibrés 1.5 µm jusqu'à 1 km au travers de la turbulence atmosphérique: analysis expérimentale des champs proches et lointains

International audienceUn banc d'essai laser basé sur la combinaison active de faisceaux cohérents (CBC) de sept amplificateurs à fibre de 1,5 μm, 3 W, a été développé pour des applications nécessitant une puissance élevée telles que le dépôt de densité de puissance sur une cible ou la communication laser en espace libre. Pour la première fois à notre connaissance, la technique de marquage en fréquence LOCSET (Locking of Optical Coherence by Single-detector Electronic-frequency Tagging) a été mise en œuvre sur le terrain dans des conditions réelles de turbulence atmosphérique dans une configuration de type " target-in-the-loop ". Une combinaison réussie a été obtenue après une propagation horizontale de 311 m et 1 km, à 1,5 m au-dessus du sol, alors que la force moyenne de turbulence estimée était de C_n^2∼4,10^(-14) "m" ^(-2/3). Dans cet article, nous présentons le banc laser CBC et un interféromètre en champ proche embarqué appelé PISTIL (PISton et TILt) capable de mesurer le déphasage relatif de chaque émetteur. Nous montrons que cette mesure peut fournir des informations sur la variation de phase relative induite par la turbulence des faisceaux laser combinés. En particulier, l'errance de l'enveloppe du faisceau dans le champ lointain peut être estimée grâce à ce diagnostic. Les résultats sont étayés par un modèle analytique et confirmés par une post-analyse numérique des interférences mesurées en champ lointain. Cet interféromètre supplémentaire peut améliorer le pointage du faisceau CBC à travers les turbulences

Raman lidar for hydrogen gas concentration monitoring and future radioactive waste management

International audienceA multi-channel Raman lidar has been developed, allowing for the first time simultaneous and high-resolution profiling of hydrogen gas and water vapor. The lidar measures vibrational Raman scattering in the UV (355 nm) domain. It works in a high-bandwidth photon counting regime using fast SiPM detectors and takes into account the spectral overlap between hydrogen and water vapor Raman spectra. Measurement of concentration profiles of H2 and H2O are demonstrated along a 5-meter-long open gas cell with 1-meter resolution at 85 meters. The instrument precision is investigated by numerical simulation to anticipate the potential performance at longer range. This lidar could find applications in the French project Cigéo for monitoring radioactive waste disposal cells

Heterodyne and direct detection wind lidar developed at ONERA

In this paper, we present the two wind lidar architectures developed at ONERA: the heterodyne lidar which analyzes the backscattering of particles and the direct detection lidar using a QMZ which analyzes the backscattering of molecules. In both cases, solutions have been developed to be able to embark them on an airplane: fiber laser, robust receiver, robust general architecture. Both technologies could provide interesting comparative measurements for AEOLUS calibration/validation campaigns: the heterodyne configuration allows precise measurements on the lower part of the atmosphere while the QMZ configuration allows reaching up to at an altitude of 20 km. In addition, regarding the developments made for molecular lidar, the UV fiber laser and the monolithic QMZ receiver could be excellent solutions for the next generation of Aeolus to reduce costs, improve data quality and lidar durability.Dans cet article, nous présentons les deux architectures de lidar éolien développées à l'ONERA : le lidar hétérodyne qui analyse la rétrodiffusion des particules et le lidar à détection directe utilisant un QMZ qui analyse la rétrodiffusion des molécules. Dans les deux cas, des solutions ont été développées pour pouvoir les embarquer dans un avion : laser à fibre, récepteur robuste, architecture générale robuste. Les deux technologies pourraient fournir des mesures comparatives intéressantes pour les campagnes d'étalonnage/validation AEOLUS : la configuration hétérodyne permet des mesures précises sur la partie inférieure de l'atmosphère tandis que la configuration QMZ permet d'atteindre jusqu'à 20 km d'altitude. De plus, concernant les développements réalisés pour le lidar moléculaire, le laser à fibre UV et le récepteur QMZ monolithique pourraient être d'excellentes solutions pour la prochaine génération d'Aeolus afin de réduire les coûts, d'améliorer la qualité des données et la durabilité du lidar

Heterodyne and direct detection wind lidar developed at ONERA

International audienceIn this paper, we present the two wind lidar architectures developed at ONERA: the heterodyne lidar which analyzes the backscattering of particles and the direct detection lidar using a QMZ which analyzes the backscattering of molecules. In both cases, solutions have been developed to be able to embark them on an airplane: fiber laser, robust receiver, robust general architecture. Both technologies could provide interesting comparative measurements for AEOLUS calibration/validation campaigns: the heterodyne configuration allows precise measurements on the lower part of the atmosphere while the QMZ configuration allows reaching up to at an altitude of 20 km. In addition, regarding the developments made for molecular lidar, the UV fiber laser and the monolithic QMZ receiver could be excellent solutions for the next generation of Aeolus to reduce costs, improve data quality and lidar durability.Dans cet article, nous présentons les deux architectures de lidar éolien développées à l'ONERA : le lidar hétérodyne qui analyse la rétrodiffusion des particules et le lidar à détection directe utilisant un QMZ qui analyse la rétrodiffusion des molécules. Dans les deux cas, des solutions ont été développées pour pouvoir les embarquer dans un avion : laser à fibre, récepteur robuste, architecture générale robuste. Les deux technologies pourraient fournir des mesures comparatives intéressantes pour les campagnes d'étalonnage/validation AEOLUS : la configuration hétérodyne permet des mesures précises sur la partie inférieure de l'atmosphère tandis que la configuration QMZ permet d'atteindre jusqu'à 20 km d'altitude. De plus, concernant les développements réalisés pour le lidar moléculaire, le laser à fibre UV et le récepteur QMZ monolithique pourraient être d'excellentes solutions pour la prochaine génération d'Aeolus afin de réduire les coûts, d'améliorer la qualité des données et la durabilité du lidar