Institutsbericht 2010/2011 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

5 Neue technische Entwicklungen bei den Lidarsystemen des IAP
(M. Gerding, G. Baumgarten, G. von Cossart, J. Fiedler, J. Hildebrand, J. Höffner, B. Kaifler,
N. Kaifler, T. Köpnick, M. Kopp, J. Lautenbach, F.-J. Lübken, M. Priester, T. Viehl)
Die IAP-Lidars in Kühlungsborn und ALOMAR wurden in den vergangenen Jahren kontinuierlich
für Atmosphärenmessungen eingesetzt (siehe Kap. 8–15) und gleichzeitig weiterentwickelt. Darüber
hinaus wurde in Kühlungsborn ein weiteres RMR-Lidar in Betrieb genommen. Das mobile Fe-Lidar
des IAP wurde nach einer Generalüberholung in die Antarktis verschifft (siehe Kap. 6). In diesem
Kapitel fassen wir die wichtigsten technischen Neuerungen der Lidars zusammen.
Inbetriebnahme des neuen Kühlungsborner RMR-Lidars
Im Sommer 2009 gelangen mit einem neuen Detektorsystem des
RMR-Lidars die ersten Messungen von NLC bei Tag in Kühlungsborn
und gleichzeitig die ersten Tag-Messungen von NLC in
mittleren Breiten überhaupt. Aufgrund geometrischer Beschränkungen
im Überlapp von Teleskop und dem damals genutzten
Laserstrahl des alten RMR-Lidars konnten die Messungen jedoch
nicht für die Bestimmung der Temperatur in der Mesosphäre
verwendet werden. Die notwendigen Änderungen in der Strahlführung
wurden dann nicht mehr am bereits ca. 14 Jahre alten
Nd:YAG-Laser vorgenommen, sondern mit einem neuen Sendesystem
(Laser, Aufweitungsteleskop und Strahlführungsspiegel).
Das alte RMR-Lidar steht als unabhängige Referenz weiterhin für
Nachtmessungen zur Verfügung.
Messungen bei Tag erfordern einen schmalbandigen, die Himmelsstrahlung
weitgehend unterdrückenden Detektor und damit
einen besonders wellenlängenstabilen Laser, dessen Wellenlänge
immer genau der Detektorwellenlänge entspricht. Beim neuen
Nd:YAG-Laser wird deswegen die Wellenlänge von einem externen,
stabilisierten Seedlaser vorgegeben. Mit einem Strahlaufweitungsteleskop
wird die Divergenz des Laserstrahls auf ca. 50 µrad
reduziert, d. h. auf einen Strahldurchmesser von 5 m in 100 km
Entfernung. Dies ermöglicht ein Teleskopsichtfeld von nur ca.
60 µrad, was wiederum Voraussetzung für die Messung am Tag
ist. Mit mehreren Spiegeln wird der Laserstrahl aus dem Labor
in einer gemeinsamen optischen Achse mit dem Empfangsteleskop
in die Atmosphäre gelenkt. Einer dieser Spiegel ist mit schnellen,
hochpräzisen Piezo-Aktuatoren für die Strahlstabilisierung
gekoppelt (siehe unten).
Für die gemeinsame optische Achse von Laser und Teleskop
haben wir eine kompakte und stabile mechanische Konstruktion
entwickelt, die u. a. den letzten Umlenkspiegel für den Laserstrahl
und die Glasfaser für das empfangene Licht aufnimmt
Abb. 5.1: Optomechanischer
Aufbau im Fokus des Empfangsteleskops.
Der Sendestrahl wird
mit einem motorisierten Spiegel
(S) auf die optische Achse des Teleskops
gelenkt. Das empfangene
Licht wird zwischen Detektor-
Faser (F) und Strahlstabilisierungskamera
(K) aufgeteilt.
(siehe Abb. 5.1). Der Umlenkspiegel ist zur Grobjustage der Strahlrichtung zusätzlich motorisiert.
Die übrige Konstruktion gehört mit dem Teleskop zusammen zum Empfangssystem. Das vom Teleskop
reflektierte Licht erreicht einen Strahlteiler, der 90% des Lichts in eine seitlich angebrachte,
nur 200 µm dicke Glasfaser fokussiert. Die übrigen 10% des Lichts werden über ein Objektiv auf
die Strahlstabilisierungskamera abgebildet. Änderungen der Laserachse werden so direkt beobachtet
und können innerhalb weniger Millisekunden über eine im Hause entwickelte Software und die
Piezospiegel kompensiert werden. Das System hält die optische Achse des Laserstrahls in der Atmosphäre
typischerweise bis auf ca. 3 µrad (30 cm in 100 km Entfernung) konstant. Dies stellt eine
39