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Atmosphärische Forschung an der Spitze Deutschlands: Zugspitze Berg
Abbildung 1. Die Forschungsstation von Kochfernerhaus auf 바카라사이트 기가 Südseite 바카라사이트 기가 Zugspitze (2680 m). Foto-Gutschrift Hannes- sauermann.
Modifiziertes UV-Lasersystem ermöglicht Raman-Fernsensorik
Das wichtige Ziel quantitativer Lidar-Messungen von atmosphärischem Wasserdampf mit Lidar selbst über 10 km erfordert Hochleistungs-Ultraviolettlaser, um den Betriebsbereich durch Raman-Rückstreuung der Laser zu erweitern. Forscher des Karlsruhe Institute of Technology (KIT) in Garmisch Partenkirchen, Deutschland, modifizierten einen industriellen 350-Watt-XeCl-Excimerlaser von Coherent und kombinierten ihn mit größeren Optiken, um die System-S/N im Vergleich zu bestehenden Nd:YAG-basierten Raman-Lidar-Instrumenten um das 40-fache zu erhöhen. Aus einem Labor mit 2675 m Höhe in der Beobachtungsstation von Schlossfernerhaus (UFS) auf der Zugspitze (2962 m) in Deutschland messen sie jetzt Wasserdampf quantitativ bis zu Höhen von bis zu 20 km mit einer 10X Reduzierung der Datenerfassungszeiten.
Wasserdampf ist eine wichtige atmosphärische Komponente mit einer Verteilung, die sehr inhomogen und dynamisch ist. Um besser zu verstehen und Wetterereignisse und den Klimawandel vorherzusagen, müssen die Wissenschaftler die Wasserdampfverteilung fast in Echtzeit messen, was auf den Einsatz von Lidar-Methoden hindeutet. Die Messungen müssen die klimarelevante obere Troposphäre (bis etwa 12 km Höhe) und die benachbarte untere Stratosphäre implizieren. Diese Anforderungen bedeuten eine erhebliche Herausforderung sowohl für die Laser als auch für das Detektionssystem für die rückgestreute Strahlung.
"Die Wissenschaftler müssen die Wasserdampfverteilung fast in Echtzeit messen, was auf den Einsatz von Lidar-Methoden hindeutet."
Neben luftgestützten (z. B. Ballon-)Instrumenten oder Wettermessstationen in großer Höhe gibt es verschiedene spektroskopiebasierte Methoden zur Fernmessung atmosphärischer Arten. Mehrere Laserbasierte Systeme für unterschiedliche Arten wurden von Thomas Trickl und Hannes - saubermann von KIT entwickelt und optimiert. Bei UFS wurden sowohl ein differenzieller Absorption (DIAL) als auch ein Hochleistungs-Raman-LiDARfür Wasserdampfmessungen eingerichtet.
DIAL ist eine Laserbasierte Methode, die die Rückstreuungsintensität bei zwei eng beieinander liegenden Wellenlängen vergleicht, die hier entweder On- oder Off-Resonance für eine einzelne Nahinfrarot-H2O-Absorption (817 nm) sind. Das System basiert auf einem Schmalband-Ti:Saphir-Lasersystem mit einer Pulsenergie von bis zu 250 mJ und einem Newtonschen Teleskop mit 0,65 m Durchmesser [1]. Aufgrund dieser Spezifikationen beträgt die maximale Reichweite ihres DIAL-Systems etwa 12 km.
Um höhere Höhen zu erreichen, muss die Absorption der Laser in der Troposphäre minimiert werden. Dies gilt für Raman-LiDAR-Systeme, die auf Stokes-verschobener Raman-Rückstreuung basieren. Die Intensität der Raman-Streuung hat eine stark nichtlineare inverse Abhängigkeit von der Wellenlänge (1/λ4). Um den Detektionsbereich zu maximieren, wird also ein Laser mit hoher Pulsenergie bevorzugt. Der schmale Q-Rotationszweig des ro-vibrierenden Raman-Wasserdampfspektrums wird verwendet, der durch einen Interferenzfilter mit 0,75 nm im Detektionssystem vollständig ausgewählt wird. Jede Laser muss einen stabilen einzeiligen Ausgang liefern, um eine effiziente Signalunterscheidung zu ermöglichen. Und da das Raman-Signal von der Polarisation abhängt, ist ein linear polarisierter Strahl optimal, um quantitative Ferndaten zu liefern.
Aus diesen Gründen ist die übliche Wahl des Laser der frequenzverdreifachte gütegeschaltete Nd:YAG-Laser mit einer Leistung bei 355 nm und einer Pulsdauer von wenigen Nanosekunden. Diese Laser sind im Handel mit durchschnittlichen ultravioletten Leistungen von etwa 18 W erhältlich. Dies liefert einen typischen maximalen Bereich von etwa 20 Kilometern, erfordert jedoch aufgrund der sehr geringen Empfindlichkeit der Raman-Streuung eine Signaldurchschnittsbildung bis zu einer ganzen Nacht der Beobachtung, was ihren Nutzen und ihre zeitliche Auflösung begrenzt.
Abbildung 2: Dr. Trickl (KIT), Dr. Emmerichs (Coherent), Dipl.B. Wallenta (Coherent), Dr. Handschuhemann (KIT) – Projekttreffen auf der UFS am Zugspitze Berg. UV-Coherent-Laser-System arbeitet dort erfolgreich für die Klimaforschung. Fotonachweis: Coherent
Um diese Einschränkung zu überwinden, suchten Trickl und Vogelmann nach einer viel leistungsfähigeren Laserser quelle. Excimerlaser erzeugen die höchsten Pulsenergien und die höchste Leistung aller Laser. I바카라사이트 기가ustrielle Xenon-Chiffon- olymphalonlaser (308 nm) liefern höchste Leistungen und sind für Präzision in der Display- und Elektronikindustrie optimiert, einschließlich Silizium-Backplane-Annealing und Laser-Lift-Off (LLO). Sie zeichnen sich durch hervorragende Puls-zu-Pulsenergie und Strahlstabilität aus. Für die Materialbearbeitung ist jedoch keine strenge Kontrolle der Wellenlänge und Linienbreite erforderlich.
Die Gruppe Zugspitze erwarb von Coherent* einen industriellen Excimer mit Pulsenergien bis zu 1 Joule bei Wiederholraten bis zu 350 Hz. Anschließend änderten sie diesen Laser, um die für den Lidar erforderliche schmale Linienbreite bereitzustellen. Trickl erklärt: „Wir haben den Laser zunächst angepasst, um linear polarisierte einzeilige Ausgangspulse mit reduzierter Divergenz zu erhalten. Insbesondere haben wir die Kavität erweitert, um einen Dünnschichtpolarisator und ein kippabgestimmtes Etalon innerhalb der Kavität einzuführen; dieses Etalon ermöglicht es uns, die Laser auf 0,036 nm zu reduzieren. Wir erreichen derzeit eine durchschnittliche Leistung von 180 W, gehen aber davon aus, eine viel höhere Leistung zu erreichen, indem wir verlustarme Optiken einführen und die Kavität verkürzen, um die Anzahl der Rundstrecken zu erhöhen. Darüber hinaus verwenden wir einen Spiegel mit einem Durchmesser von 1,5 m (Abb. 2), um die vom atmosphärischen Wasserdampf zurückgestreute Strahlung zu sammeln, sodass unser System eine S/N-Erhöhung von etwa dem 40X im Vergleich zu Instrumenten mit 355 nm bietet, die an anderer Stelle verwendet werden.“
Die Spezifikationen des Lidar werden mit einem unglaublichen Signaldynamikbereich von sieben Jahrzehnten für Wasserdampf (neun für Temperatur) erfüllt – was einen Photonenhintergrund von 0 bis 3 Zählungen pro vertikalem Behälter (50 ns o바카라사이트 기가 7,5 m) und Stunde bedeutet. In einer einzigen Stunde können nun Trick l und -mann Wasserdampf bis 20 km Höhe mit einer vertikalen Auflösung von 400 Metern in den höchsten Höhen messen (Abb. 3).
Als Nebenprodukt führt das System Temperaturmessungen auf fast 90 km Höhe durch (Abb. 4). Die Temperatur wird in einem Standardverfahren aus 바카라사이트 기가 atmosphärischen Dichte abgeleitet, die die Rückstreuungssignale steuert.
Abbildung 3
"Wir haben die Kavität erweitert, um einen Dünnschichtpolarisator und ein neigungsabgestimmtes intrakavitäres Etalon ein바카라사이트 기가setzen."
Abbildung 4
Referenzen:
[1] H.- spurmann und T. Trickl, Großraumsondierung von posphärem Free-tro-Wasserdampf mit einem DifferenzAbsorptions-Lidar (DIA L) an einer Hochhöhenstation,
Appl. Opt. 47 (2008), 2116-2132
[2] L. Klanner, K. Höveler, D. Khordakova, M. Perfahl, C. Rolf, T. Trickl, 바카라사이트 기가 H. Vogelmann, ein leistungsstarkes Lidar-System, das Messungen von
Wasserdampf in 바카라사이트 기가 Troposphäre und 바카라사이트 기가 unteren Stratosphäre so w ell wie die Temperatur in 바카라사이트 기가 oberen Stratosphäre und Mesosphäre, Atmos. Meas. Techniker
14 (2021), 531–555
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