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

Referenz wird zwischen den Pulsen des Lasers in den Spektrumanalysator eingekoppelt. Auf diese
Weise wird ein direkter Vergleich der Wellenlänge von atomarer Referenz und gepulstem Laser
ermöglicht, wodurch der Einfluss von Änderungen im Gerät auf die atmosphärischen Messungen
eliminiert wird. Abbildung 7.2 zeigt ein Histogramm der Frequenzmessungen des Referenzlasers
und des gepulsten Lasers. Der gepulste Alexandritlaser zeigt einen Frequenzjitter von ca. 6,2 fm
(3,1 MHz), was nur von wenigen gepulsten Lasern überhaupt erreicht wird. Die Referenzwellenlänge
variiert dagegen nur um ca. 0,16 fm (0,08 MHz). Aufgrund der langsamen Drift des Spektrumanalysators
genügt als Wellenlängenreferenz der Mittelwert aus vielen Einzelmessungen (Zentrum der
Verteilung), wodurch die Genauigkeit deutlich ansteigt. Entscheidend hierbei ist, dass sich diese
Genauigkeit auch in einem mobilen System erreichen lässt, in dem starke Temperaturänderungen
und Vibrationen die Messung beeinflussen. Das dazu notwendige Stabilisierungsverfahren wurde
extra für das mobile Fe-Lidar entwickelt.
Durch den Einsatz schmalbandiger Filter für Tageslichtmessungen wird das beobachtete Spektrum
durch den Filter modifiziert. Genaue Messungen sind nur möglich, wenn die Filterwirkung
mit ähnlich hoher Präzision wie die zu messenden Intensitäten bekannt ist. Die Filterwirkung der
eingesetzten Etalons ist jedoch wesentlich durch die Parameter des einfallenden Lichtstrahls (z. B.
die Strahldivergenz) bestimmt und kann daher aus Labormessungen prinzipiell nicht mit ausreichend
hoher Präzision bestimmt werden. Die Messung der Filterkurve erfolgt beim Fe-Lidar daher
mit einem neuen Verfahren aus der Messung selbst. Das rückgestreute und Dopplerverbreiterte
Rayleigh-/Aerosolsignal aus der Stratosphäre dient dabei als spektral genau bekannte Lichtquelle,
anhand derer die Filterwirkung in einem mehrstufigen Verfahren berechnet wird.
Abbildung 7.3 zeigt die Fe-Linie
nach dem Filter (UV-Etalon,
2,1 pm). Eine Vernachlässigung der
Filterwirkung würde einen Fehler
von 10 K bzw. 9 m/s zur Folge haben
und muss deshalb unbedingt berücksichtigt
werden. Während der Messung
wird nur ein sehr kleiner Ausschnitt
der Faltung aus Filter und
Rayleigh-/Miesignal erfasst (blau).
Aus dieser Faltung muss die Filterwirkung
berechnet werden (rot), was
eine sehr hohe Messgenauigkeit voraussetzt.
Trotzdem gelingt es, die Position
des Filters auf ca. 1/1000 der
Filterbreite (wenige fm) zu bestimmen.
Die Filterkurve alleine reicht jedoch
nicht aus, um die Wirkung des
Abb. 7.3: Wirkung des zweiten Filters (UV-Etalon) des Fe-
Lidars auf Resonanz- und Rayleighstreuung
Filters auf die Resonanzstreuung zu berechnen. Anders als bei Rayleigh-/Miestreuung erfolgt die
Rückstreuung bei Resonanzstreuung aufgrund atomphysikalischer Effekte auf anderen Wellenlängen
als die eingestrahlte Laserwellenlänge. Diese Wellenlängen können nur berechnet werden, wenn
vorab die Lage der Fe-Linie, die es aber zu ermitteln gilt, bekannt ist. Die Bestimmung der Fe-Linie
ohne Filtereinwirkung und die Wirkung des Filters auf die Resonanzstreuung (grün) muss daher
iterativ zur selben Zeit erfolgen. Auf diese Weise gelingt es die Fe-Linie so genau aus der Messung
zu berechnen, dass selbst Dopplerverschiebungen von nur wenigen cm/s am Tag bestimmt werden
können. Dies galt bisher selbst ohne Einsatz eines Tageslichtfilters als technisch nicht realisierbar.
Das Fe-Lidar ist in der Lage, Dopplermessungen für alle Streuprozesse mit ähnlicher hoher Genauigkeit
durchzuführen, wodurch viele weitere Anwendungen denkbar sind. Zurzeit werden parallel
spektrale Messungen von Aerosolen in der Stratosphäre und Mesosphäre durchgeführt. Bei den
laufenden Messungen in Davis (Antarktis) wurden so bereits PSC in der Stratosphäre und NLC
in der Mesosphäre beobachtet.
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