Development and Qualification Testing of a Solid-State Laser Source for LiDAR Bathymetry Applications

This thesis aims to propose a solid-state laser source for LiDAR bathymetry applications, with a particular focus on its setup and the analysis of the obtained results. An additional laser source using different technology was also proposed for comparison. The work is motivated by the search for a device capable of achieving the highest possible second-harmonic conversion efficiency while maintaining compact size, greater ease of implementation, and lower cost. The remainder of this thesis is organized as follows. Chapter 1 provides an overview of passive Q-Switching focusing on the typology of the laser, the resonator and performance analysis. Chapter 2 provides an overview of active Q-Switching focusing on the typology of the laser, the resonator and performance analysis. Chapter 3 discusses the role of the second harmonic generation, providing an overview of the crystals used, as well as important parameters. Chapter 4 presents the development and qualification testing of a solid-state laser for LIDAR bathymetry applications. Chapter 5 presents a summary of the main findings, addresses the study's limitations, and proposes potential directions for future research. In summary, the adoption of a frequency-doubled PQS Yb:YAG source effectively meets the requirements of bathymetric LiDAR applications, combining excellent optical efficiency in coastal waters, pulses suited to underwater scattering characteristics, low power consumption and compact size, and environmental robustness. The main remaining challenges are related to PQS frequency stability and the optimization of harmonic conversion, aspects in which SHG crystal design and cavity management play a crucial role.

Questa tesi ha l’obiettivo di proporre una sorgente laser a stato solido per applicazioni di LiDAR batimetrico, con particolare attenzione alla configurazione del sistema e all’analisi dei risultati ottenuti. È stata inoltre proposta una seconda sorgente laser basata su una tecnologia differente, con lo scopo di effettuare un confronto. Il lavoro nasce dall’esigenza di individuare un dispositivo capace di ottenere la massima efficienza possibile nella conversione di seconda armonica, mantenendo al contempo dimensioni compatte, maggiore semplicità di implementazione e costi ridotti. La struttura della tesi è la seguente: Il Capitolo 1 offre una panoramica sul Q-Switching di tipo passivo, con un approfondimento sulla tipologia di laser, sul risonatore e sull’analisi delle prestazioni. Il Capitolo 2 presenta invece il Q-Switching attivo, descrivendo la tipologia di laser, la configurazione del risonatore e le prestazioni ottenute. Il Capitolo 3 affronta il tema della generazione della seconda armonica, illustrando i cristalli utilizzati e parametri fondamentali. Il Capitolo 4 descrive lo sviluppo e le prove di qualificazione di un laser a stato solido destinato ad applicazioni di LiDAR batimetrico. Infine, il Capitolo 5 riassume i principali risultati del lavoro, ne discute i limiti e propone possibili sviluppi futuri della ricerca. In sintesi, l’adozione di una sorgente PQS Yb:YAG raddoppiata in frequenza soddisfa efficacemente i requisiti delle applicazioni LiDAR batimetriche, combinando un’ottima efficienza ottica in acque litoranee, impulsi adeguati alle caratteristiche di scattering in acqua, basso consumo elettrico e dimensioni compatte, oltre a una notevole robustezza ambientale. Le principali sfide ancora aperte riguardano la stabilità spettrale del PQS e l’ottimizzazione della conversione armonica, aspetti nei quali la progettazione del cristallo SHG e la gestione della cavità rivestono un ruolo cruciale.