Institutsbericht 2002/2003 - Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik ...

7 Erste Messungen mit dem neuen Eisenlidar
(J. Lautenbach, C. Fricke-Begemann, J. Höffner)
Im Herbst 2002 wurde damit begonnen, das stationäre Kalium-Lidar zu einem Eisen-Lidar weiterzuentwickeln.
Die Gründe dafür sind unter anderem eine wesentlich höhere Signalstärke von
Eisen gegenüber Kalium und ein besseres Signal-zu-Untergrund-Verhältnis. Neben der technischen
Realisierbarkeit wurden die Auswirkungen des Verdopplungsprozesses auf die Lasereigenschaften
und die Wellenlängenabstände der einzelnen Eisenisotope untersucht. Da der reguläre
Messbetrieb aufrecht erhalten werden sollte, wurde nach Ende der ersten Versuche und Testmessungen
auf Kalium zurückgebaut.
Mit dem Metall-Resonanzlidar wird spektroskopisch die Dopplerbreite des Resonanzüberganges
ermittelt, wobei die Resonanzwellenlänge (Kalium: 770 nm, Eisen: 386 nm) vom jeweiligen
Metall abhängt. Der Sendelaser wird periodisch über den größten Teil der Spektrallinie durchgestimmt
und die Rückstreuung aus der Mesopausenregion höhen- und wellenlängenabhängig registriert.
Aus der gemessenen Spektralform wird die Temperatur der Atmosphäre bestimmt. Dieses
Messverfahren liefert Temperatur- und Dichteprofile in einem Höhenbereich von ca. 80-110 km,
in dem Metalle (Eisen, Kalium, Natrium usw.) in atomarer Form vorkommen. Da für die Bestimmung
von Temperaturen mit diesem Verfahren ein sehr komplexes Lasersystem notwendig ist,
konnten bisher nur Temperaturen mit schmalbandigen Lasersystemen im VIS/IR-Wellenlängenbereich
(Natrium- und Kalium-Resonanzlidars) bestimmt werden.
Der durchstimmbare Sendelaser kann in einem Wellenlängenbereich von 700 nm bis 820 nm
betrieben werden. Um die Eisenresonanzwellenlänge von 386 nm zu erzeugen, wurde die Wellenlänge
des Sendelasers von 770 nm (Kalium-Resonanzwellenlänge) auf 772 nm verschoben.
Anschließend wurde mit Hilfe eines nichtlinearen Kristalls der Laserstrahl auf 386 nm frequenzverdoppelt.
Obwohl diese Technik schon seit langem bei anderen Lasern eingesetzt wird, muss
der Kristalltyp und der Aufbau auf jeden Laser speziell angepasst werden. Die Schwierigkeit
liegt im Erreichen einer effizienten Umwandelung. Bei den ersten Versuchen konnte eine
Effizienz von ca. 60 % erreicht werden, wobei die Langzeitstabilität noch nicht ausreichend
getestet wurde. Die Untersuchungen der Lasereigenschaften ergaben, dass bei der Umwandlung
die Eigenschaften (z.B. Schmalbandigkeit) nicht wesentlich beeinträchtigt werden.
Alle Optiken hinter dem Verdopplungskristall mussten auf die neue Wellenlänge abgestimmt
werden. Der Empfangszweig wurde ebenfalls auf 386 nm umgerüstet. Dazu wurde ein neuer
Interferenzfilter angeschafft, alle anderen Bauelemente konnten für diese ersten Testmessungen
vom vorhandenen Metall-Doppellidar verwendet werden. Um die Wellenlänge des Lasers
auf die atomare Resonanzlinie zu justieren, wurde bisher eine Referenzzelle verwendet.
Da Eisen einen wesentlich höheren Schmelzpunkt als Kalium hat, ist es nicht mehr möglich
diese zum Auffinden der Resonanzwellenlänge
zu verwenden. Bei den Testmessungen
wurde sich mit einer manuellen Justage
beholfen, für den Dauerbetrieb muss
allerdings ein hochgenaues Wellenlängenmeter
verwendet werden.
Neben dem eigentlichen Umbau war eines
der Hauptanliegen die Bestimmung der
Wellenlängenabstände der einzelnen Eisenisotope.
Ihre Kenntnis entscheidet später
über die Genauigkeit der Temperaturmessung.
Auf Grund der Schmalbandigkeit des
Lasers konnten die Isotopenabstände aus
der Messung selbst abgeleitet werden. Abbildung
7.1 zeigt den Rückstreuquerschnitt
der dopplerverbreiterten Resonanzlinie bei
-18 2
Rückstreuquerschnitt [1*10 /m /sr]
5
4
3
2
1
0
Fe 58
Fe 57
Fe 56
Fe 54
-0.5 pm
0 0.5 pm
Wellenlängenversatz von 385,991 nm
150 K
200 K
250 K
Abb. 7.1: Rückstreuquerschnitt des dopplerverbreiterten
Eisenresonanzüberganges bei 386 nm.
42