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

7 Physik des Fe-Lidars
(J. Höffner, B. Kaifler, J. Lautenbach, F.-J. Lübken, T. Viehl)
Dopplermessungen anhand von Resonanz-, Rayleigh- oder Miestreuung erfordern spektrale Messungen
höchster Genauigkeit. Das gemessene Spektrum ergibt sich aus der Faltung des Streuprozesses
mit dem Linienprofil des gepulsten Lasers. Da die zu messenden Dopplereffekte sehr klein im
Vergleich zur Linienbreite sind, müssen die Eigenschaften des gepulsten Lasers sehr genau bekannt
sein. Gleichzeitig muss sowohl die Wellenlänge des Lasers als auch die rückgestreute Intensität
extrem präzise gemessen werden.
Abb. 7.1: Einfluss von Temperatur und Wind auf die Fe-Resonanzlinie
bei 386 nm. Hellblau: relative Änderung der Signalstärke in %.
Abbildung 7.1 zeigt die
Änderungen der Fe-Resonanzlinie
(386 nm) aufgrund einer
Temperaturänderung von
10 K und einer Windänderung
von 10 m/s, die daraus folgenden
Veränderungen der Signalstärke
sind ebenfalls dargestellt.
Die in Kap. 6 gezeigten
Gezeiten im Vertikalwind
erfordern den Nachweis einer
1000-fach kleineren Dopplerverschiebung.
Eine Dopplerverschiebung von wenigen cm/s entspricht einer Verschiebung des Linienschwerpunktes
um ca. 1/10000 der Linienbreite oder ca. 10 −10 der Wellenlänge der Fe-Linie
(386 nm). Die Signalstärke ändert sich dabei um bis zu 0,04 %. Ähnliche Bedingungen gelten für
Temperaturmessungen. Die spektralen Eigenschaften des gepulsten Lasers sind hierbei ausschlaggebend,
denn Voraussetzung für präzise Temperaturmessungen ist eine genaue Kenntnis des Linienprofils
des Lasers.
Da sich das Laserlinienprofil und insbesondere die Wellenlänge gepulster Laser von Puls zu
Puls nicht genau kontrollieren lässt, wurde für das Kalium-Temperaturlidar bereits vor fast 20
Jahren eine Technik entwickelt, bei der für jeden einzelnen Laserpuls synchron die Wellenlänge,
rückgestreute Intensität und spektrale Reinheit gemessen werden. Mit einem mathematischen Verfahren
wird daraus das zu messende atmosphärische Spektrum genau berechnet. Die mittleren
Lasereigenschaften können dabei aus der Messung selbst berechnet werden. Beim K-Lidar beruht
die Frequenzmessung auf der Stabilität des dafür entwickelten Spektrumanalysators. Langsame
Veränderungen führen innerhalb von 24 Stunden zu einer Drift in der Größenordnung von ca.
10 fm, was, je nach Streuprozess, einigen m/s Messfehler entspricht.
Zur Erhöhung der Messgenauigkeit
wurde das Fe-
Lidar in vielen Aspekten weiter
entwickelt. So erfolgt die
Bestimmung der Wellenlänge
des gepulsten Lasers nun
im Vergleich zu einer langfristig
stabilen Referenzwellenlänge.
Als Normal kommt
hierbei ein Diodenlaser zum
Einsatz, dessen Wellenlänge
mittels Dopplerfreier Spektroskopie
in einer Rubidium-
Dampfzelle auf die atomare
Linie von Rubidium stabilisiert
wird. Diese hochgenaue
Abb. 7.2: Frequenzmessungen mit dem Spektrumanalysator. Links: Referenzlaser
(Diodenlaser) bei 780 nm. Rechts: gepulster Alexandritlaser
beim Betrieb auf einer Wellenlänge (772 nm).
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