PDF-file - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik

8 KAPITEL 2. GRUNDLAGEN
2.2 Verschiedene Streumechanismen von Licht
2.2.1 Resonanzstreuung
Bei der Resonanzfluoreszenz oder auch Resonanzstreuung wird ein Elektron
durch ein Photon auf ein reelles, energetisch höherliegendes Niveau angehoben,
von dem es dann wieder durch spontane Emission unter Aussendung eines
Photons der gleichen Wellenlänge in den Ausgangszustand zurückkehrt.
Entscheidend für die Nutzung beim Lidar ist, dass die Absorptions- und
Emissionsfrequenz identisch sind und kein Energieverlust zwischen beiden
Übergängen auftritt. Dieser Streuprozess tritt bei der Streuung an Metallatomen
in der Mesopausenregion auf und wird von Resonanzlidars ausgenutzt.
Aufgrund der sehr geringen natürlichen Linienbreite bei der Resonanzstreuung
ist es möglich, deren Verbreiterung durch den Dopplereffekt infolge der
Teilchenbewegung zu messen und somit die Temperatur der Teilchen zu bestimmen.
Die Resonanzstreuung hat einen sehr hohen Streuquerschnitt im
Bereich von 10 −18 m 2 sr −1 und macht daher bei Resonanzlidars den größten
Teil des Signals im Bereich der Mesopause aus. Beim Kaliumlidar ist
zusätzlich die Hyperfeinstrukturaufspaltung des Übergangs zu beachten.
Das Rückstreusignal bei der Resonanzstreuung ist im allgemeinen proportional
zur eingestrahlten Leistung. Wird die Leistungsdichte jedoch zu groß,
ist dies nicht mehr der Fall und man spricht von Sättigung. Dies geschieht,
wenn innerhalb eines Laserpulses ein Photon auf ein bereits angeregtes Atom
trifft. Da dieses Atom nicht in der Lage ist ein weiteres Photon zu absorbieren,
kann es zu stimulierter Emission kommen, woraufhin das Atom seinen
angeregten Zustand unter Aussendung eines Photons verlässt und das entstehende
Photon zusammen mit dem eingestrahlten Licht in Einstrahlrichtung
entweicht. Das Erreichen der Sättigung hängt neben der eingestrahlten Leistung
stark von den Eigenschaften des genutzten atomaren Übergangs ab.
Entscheidend ist hierbei die Lebensdauer des Übergangs. Sie beschreibt die
Zeit, die vergeht bis das Elektron aus dem Angeregten in den Grundzustand
zurückkehrt.
2.2.2 Rayleighstreuung
Rayleighstreuung tritt an Teilchen auf, deren Durchmesser d kleiner als die
Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes ist. Die Wahrscheinlichkeit der Rayleighstreuung
wächst mit λ −4 . Dies bedeutet, dass beispielsweise blaues Licht
aufgrund der kleineren Wellenlänge wesentlich stärker gestreut wird als rotes
Licht, womit man die blaue Färbung des Himmels erklären kann. Die Rayleighstreuung
ist leicht winkelabhängig mit kleinen Maxima für 0 ◦ und 180 ◦ .