Aufbau eines Brillouin-LIDARs zur Messung des Temperaturprofils in Wasser basierend auf einem gepulsten Faserverstärker

• Main Author: Schorstein, Kai-Matthias
• Format: Others
• Language: German; de
• Published: 2009
• Online Access: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/1301/2/Dissertation_Schorstein.pdf; Schorstein, Kai-Matthias <http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/view/person/Schorstein=3AKai-Matthias=3A=3A.html> (2009): Aufbau eines Brillouin-LIDARs zur Messung des Temperaturprofils in Wasser basierend auf einem gepulsten Faserverstärker.Darmstadt, Technische Universität, [Ph.D. Thesis]

Die Kenntnis des Temperaturprofils des Ozeans ist für die Klimaforschung und Ozeanographie von großer Bedeutung. Ein berührungsloses Fernerkundungsverfahren in Form eines Brillouin-LIDARs ist attraktiv, da es zeitnah und flächendeckend Temperaturprofile bis in etwa 50 m mit einer Tiefenauflösung von 1 m liefern kann. Eingestrahltes Licht erfährt Brillouin-Streuung im Wasser und zurückgestreutes Licht besitzt frequenzverschobene Komponenten, die die Temperaturinformation tragen. Durch eine Korrelation mit der Laufzeit des Lichtes wird ein Tiefenprofil erhalten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein frequenzverdoppelter dreistufiger gepulster Yb-dotierter Faserverstärker aufgebaut. Eine solche Strahlquelle ist eine interessante Alternative zu bestehenden Nd:YAG Systemen, da er alle Anforderungen an ein flugfähiges System bezüglich des Gewichtes, der Abmessungen, der Leistungsaufnahme und der Unempfindlichkeit gegenüber Vibrationen erfüllt. Weiterhin ist der große spektrale Wellenlängenbereich von 515-550 nm zur flexiblen Abstimmung der Betriebswellenlänge auf den geplanten ESFADOF-Detektor vorteilhaft. Die Strahlquelle liefert bei einer Pulslänge von 10 ns und einer Wiederholrate von bis zu 5 kHz Fourier-limitierte Pulse. Die Gesamtverstärkung aller drei Verstärkerstufen beträgt 61.9 dB und liefert 516 µJ bei 1064 nm. Die Konversionseffizienz in den grünen Spektralbereich beträgt bis zu 26,7%. Aufgrund der Pulslänge und der sehr schmalen Bandbreite wird das Auftreten von stimulierter Brillouin-Streuung im Faserverstärker begünstigt. Beim Design des Verstärkers wurden geeignete Maßnahmen zur Unterdrückung ergriffen und eine systematische Untersuchung durchgeführt. Die erreichten Energiewerte stellen die höchsten bisher, mit einem Faserverstärkers mit diesen spektralen und temporalen Eigenschaften, erreichten Werte dar. Die Frequenz- und Energiestabilität der erzeugten Strahlung ist optimal für die präzise Messung der Wassertemperatur geeignet. Zur Messung der Brillouin-Verschiebung in einem Test-Ozean wurde die Strahlquelle mit einem planen durchstimmbaren Fabry-Perot Interferometer als Detektor eingesetzt. Die temperaturabhängige Frequenzverschiebung wurde mit hoher Präzision gemessen. Die erreichte Temperaturgenauigkeit beträgt 0,08°C. Erstmals gelang auch eine ortsaufgelöste Temperaturmessung von zwei verschiedenen Wassertemperaturen mit einer Ortsauflösung von 1,5(2) m. Diese Messungen sind die ersten, die mit einem Faserverstärker durchgeführt worden sind und demonstrieren die prinzipielle Eignung der neuen Strahlquelle. Die LIDAR-Funktionalität wurde im Rahmen dieser Arbeit demonstriert.