Hochentwickelte LiDAR-Teleskope messen Wasserdampf
Gute Atmosphäre
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Der natürliche Treibhauseffekt bestimmt seit jeher unser Klima und trägt entscheidend dazu bei, dass unser Planet bewohnbar ist. Die Durchschnittstemperatur auf der Erdoberfläche liegt derzeit bei recht angenehmen 14°C. Damit herrschen optimale Bedingungen für vielfältiges pflanzliches und tierisches Leben. Verursacht wird dieser Effekt zu einem Großteil (ca. 60 %) durch den in der Atmosphäre enthaltenen Wasserdampf. Gemeinsam mit anderen Gasen wie Kohlendioxid (CO2) und Methan (CH4) reflektiert er die Wärmestrahlung des Planeten und verhindert so, dass sie im Weltraum „verschwindet“. Ohne diesen Effekt läge die Durchschnittstemperatur auf der Erde bei rund -18°C. Aber der Wasserdampf hat im Rahmen des Treibhauseffekts noch eine weitere entscheidende Bedeutung – die sogenannte Wasserdampf-Rückkopplung: Je wärmer die Erdatmosphäre wird, umso mehr Wasserdampf kann sie aufnehmen. Dadurch verstärkt sich die Wärmereflexion und die Atmosphäre heizt sich weiter auf. Wissenschaftler gehen davon aus, dass ein ähnlich „galoppierender Treibhauseffekt“ vor Jahrmillionen dafür gesorgt hat, dass auf unserem Nachbarplaneten Venus mit seiner besonders dichten Atmosphäre heute Durchschnittstemperaturen von rund 440°C herrschen.
Spezifische Wellenlängen
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Es ist also mehr als verständlich, dass die Wissenschaft mehr über den Wasserdampf in unserer Atmosphäre erfahren will. Dazu setzt sie unter anderem auf optische Verfahren wie Differentielles Absorptions-LiDAR (DIAL) und Raman-LiDAR. Anders als die „handelsüblichen“ Abstandsmesser, die wir in vergangenen Ausgaben vorgestellt haben (z.B. Photonics News 80, 84 u. 85), sind diese beiden Technologien unter anderem in der Lage, die Konzentration bestimmter Substanzen zu ermitteln. Dazu schickt das DIAL gleichzeitig zwei Laserstrahlen mit eng benachbarten Wellenlängen in die Atmosphäre. Die erste Wellenlänge – die sogenannte „Online-Wellenlänge“ – ist so gewählt, dass sie von dem zu messenden Molekül möglichst stark absorbiert wird. Bei ihrem Gegenstück, der „Offline-Wellenlänge“ findet möglichst keine Absorption statt. Sie dient bei der Messung als Referenzwert. Aus der Differenz der reflektierten Lichtanteile lassen sich Informationen über die Gasdichte des gesuchten Moleküls errechnen. Da die Wellenlängen exakt auf das Absorptionsverhalten eines bestimmten Moleküls abgestimmt sind, lässt sich mit diesem Verfahren allerdings immer nur ein spezifisches Gas – zum Beispiel Wasserdampf – messen. Außerdem müssen Rahmenbedingungen wie die Tagestemperatur bei der Berechnung berücksichtigt werden. 1
Verschobene Reflexionen
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Mit dem zweiten Verfahren wird die inelastische Raman-Streuung gemessen. Ein Teil des Lichts, interagiert mit den Molekülen, auf die es trifft. Im Molekül kommt es zu charakteristischen Schwingungen, sodass das Licht in einer anderen Wellenlänge zurückgestreut wird. Diese sogenannte Raman-Rückstreuung ist für jedes Molekül spezifisch und erlaubt so Rückschlüsse auf die molekulare Zusammensetzung einer Luftschicht. Anders als beim DIAL ist der Raman-Effekt unabhängig von der Wellenlänge des emittierten Strahls. Daher kann für dieses Verfahren im Prinzip jede monochromatische Lichtquelle verwendet werden, die über genug Leistung verfügt, um in die höheren Ebenen der Atmosphäre vorzudringen. Außerdem muss berücksichtigt werden, dass das Raman-Signal im Vergleich zur klassischen Rayleigh-Streuung deutlich weniger intensiv ist. Aus diesen beiden Gründen werden in der Forschung kurzwellige Laser bevorzugt, denn sie verfügen über eine hohe Energie und haben zudem den Effekt, dass das Raman-Signal bei kurzen Wellenlängen deutlicher zu erkennen ist.²
Gipfelstürmer
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Da beide Verfahren ihre Vor- und Nachteile haben, lassen sich die besten Ergebnisse mit einer Kombination aus beiden erzielen. In Deutschland laufen derzeit mehrere Projekte zur langfristigen Beobachtung und Überwachung des Wasserdampfes in der Atmosphäre. Eine der wichtigsten Messstationen befindet sich im Schneefernerhaus direkt unter dem Zugspitzgipfel auf 2656 Meter Höhe. Dort werden die Messungen seltener durch Wolken oder Nebel beeinträchtigt. Diese feuchten Luftschichten würden den Laserstrahl zu stark streuen. Auch der Einfluss von Umweltverschmutzung und anderen Partikeln – sogenannten Aerosolen – ist in der vergleichsweise klaren Bergluft erheblich geringer. Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) betreibt auf dem höchsten Berg Deutschlands ein leistungsstarkes DIAL-Teleskop, das Messungen bis in eine Höhe von 12 km durchführen kann. Dafür nutzen die Wissenschaftler einen durchstimmbaren Ti:Saphir-Laser, der über einen frequenzverdoppelten Nd:YAG-Laser (532 nm) gepumpt wird.3 Seit einigen Jahren wird die Anlage durch ein eigens entwickeltes Raman-LiDAR ergänzt, das mit einem hoch-energetischen Excimer-Laser (308 nm) betrieben wird.4 Dieses System kann sogar Werte aus Höhen von über 20 km liefern.
| 1 | mediatum.ub.tum.de/doc/1370221/857069.pdf , S.31 |
| 2 | mediatum.ub.tum.de/doc/1370221/857069.pdf , S.31f www.coherent.com/assets/pdf/COHR_case_study_LIDAR_Zugspitze_1218_German.pdf |
| 3 | web.archive.org/web/20160126073351/ imk-ifu.fzk.de/305.php www.epj-conferences.org/articles/epjconf/pdf/2018/11/epjconf_ilrc28_01027.pdf |
| 4 | www.schneefernerhaus.de/fileadmin/web_data/bilder/pdf/Wissenschaftliche_Resultate_15_16.final.pdf www.epj-conferences.org/articles/epjconf/pdf/2016/14/epjconf_ilrc2016_05008.pdf www.coherent.com/assets/pdf/COHR_case_study_LIDAR_Zugspitze_1218_German.pdf |
Gleichmäßiger Verlauf
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Die Wellenlängen für DIAL und Raman-LiDAR werden oft durch Frequenzverdopplung erzeugt. Dabei wird zum Beispiel die Frequenz eines Nd:YAG-Laser der Wellenlänge 1064 nm durch die Interaktion mit nichtlinearen Lasermaterialien verdoppelt. Das entspricht einer Halbierung der Wellenlänge auf 532 nm. Je höher die Intensität des ursprünglichen Strahls, umso besser funktioniert diese Transformation. Deshalb werden häufig Gaußspiegel verwendet, um eine hohe Strahlintensität zu erreichen und die Pumpeffizienz zu steigern. Diese Spiegel werden auch GRM (Graded Reflectivity Mirrors) genannt, weil ihr Reflexionsgrad vom Zentrum der Optik bis zum Rand gaußförmig abnimmt. Entsprechend besitzt der Strahl, wenn er die Optik durchlaufen hat, eine hohe Intensität. GRMs werden stets für monochromatisches Licht einer bestimmten Wellenlänge genutzt. LASER COMPONENTS fertigt standardmäßig Gaußspiegel für die Wellenlänge 1064 nm. Andere Wellenlängen sind auf Wunsch möglich.
Tested Quality
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Die Herstellung von Gaußspiegeln ist sehr aufwendig. Die größte Herausforderung ist dabei der fließende Übergang in der Reflektivität. Der ist gleichzeitig das entscheidende Qualitätsmerkmal eines GRM. Eine akribische Qualitätskontrolle ist also bei diesen Optiken erheblich wichtiger als bei herkömmlichen Spiegeln und Linsen. Daher wird dieses Merkmal zusätzlich zur üblichen Ausgangskontrolle untersucht.
Die Entwicklungsabteilung von LASER COMPONENTS hat einen automatisierten Messplatz aufgebaut, mit dem jede Gaußoptik untersucht wird, bevor sie das Haus verlässt. Dabei tastet ein Dauerstrichlaser den Spiegel entlang seines Durchmessers ab und dokumentiert so die Reflexionswerte über die gesamte Breite. Nur Spiegel, die in allen Kriterien den Spezifikationen des Kunden entsprechen, werden ausgeliefert.
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Auskoppelspiegel mit High-Power Coatings und cw-/fs-Beschichtung. Beliebige Einfallswinkel realisierbar.
ZUR OPTIMALEN EINKOPPLUNG DER PUMPLEISTUNG IN DEN RESONATOR.
Der Reflexionsgrad von Gaussspiegeln (VRM) fällt vom Zentrum der Optik gaußförmig ab. Einsatz in instabilen Resonatoren.
Der Reflexionsgrad von Gaussspiegeln (VRM) fällt vom Zentrum der Optik gaußförmig ab. Einsatz in instabilen Resonatoren.
RESONATOR-ENDSPIEGEL WERDEN ZUR ERZEUGUNG DES LASERSTRAHLS IM RESONATOR EINGESETZT.
LASER COMPONENTS Germany – Ihr kompetenter Partner für optische und optoelektronische Komponenten in Deutschland.
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Produktsortiment an Detektoren, Laserdioden, Lasermodulen, Optik, Faseroptik und mehr ist jeden Euro (€/EUR)
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