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

Schorstein, Kai-Matthias :
Aufbau eines Brillouin-LIDARs zur Messung des Temperaturprofils in Wasser basierend auf einem gepulsten Faserverstärker.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Aufbau eines Brillouin-LIDARs zur Messung des Temperaturprofils in Wasser basierend auf einem gepulsten Faserverstärker
Language: German
Abstract:

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.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The knowledge of temperature profiles of the ocean is highly relevant for climate studies and oceanography. A remote sensing technique based on a Brillouin-LIDAR is an attractive method to provide such realtime data from an extended region of the ocean. Such a system is capable of delivering temperature profiles down to 50 m with a spatial resolution of 1 m. Light which is sent into the ocean experiences Brillouin scattering. The backscattered light contains frequency shifted spectral components, which carry the temperature information. A depth resolved measurement is performed by a time-of-flight analysis. In this contribution a frequency doubled three stage pulsed Yb-doped fiber amplifier has been set up. It represents an interesting alternative to existing Nd:YAG systems. A fiber amplifier complies with the requirements of an airborne system with regard to weight, dimension, power consumption and insensitivity to vibrations. The huge spectral range of operation of the laser system from 515-550 nm is beneficial to match the operating wavelength to an ESFADOF detector which will be implemented in the near future. The light source delivers Fourier transform limited pulses of 10 ns duration with a repetition rate of up to 5 kHz. The total gain of all three amplifier stages is 61.9 dB and delivers 516 µJ at 1064 nm. The maximum second harmonic generation efficiency realized is 26.7%. The pulse length and the extreme small bandwidth promote the onset of stimulated Brillouin scattering in the fiber amplifier. Appropriate actions for suppression have been considered during the design of the fiber amplifier and a systematic analysis has been performed. The obtained energy values from the fiber amplifier were rather challinging. They are to our knowledge the highest reported values for an amplifier with these spectral and temporal characteristics. The stability of the frequency and the energy of the light source is sufficient for accurate measurements of the water temperature. Consequently, the light source was used to measure the Brillouin-shift in a test ocean and using a scanning Fabry-Perot interferometer. The temperature dependent frequency shift has been measured with high accuracy. The resulting temperature precision is 0.08°C. For the first time depth resolved temperature measurements of two different water temperatures with a spatial resolution of 1.5(2) m have been successfully performed. These are the first measurements with a fiber amplifier and demonstrate the principal usability of this new ligth source in a LIDAR system to measure the temperature profile of the ocean.English
Uncontrolled Keywords: Faserverstärker, Festkörperlaser, Laser, LIDAR, Umweltsensorik, Brillouin-Streuung, Temperatursensor, Ozeanographie, Klimaforschung, Tiefenprofil, Single Mode Laser, optische Fernerkundung
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Faserverstärker, Festkörperlaser, Laser, LIDAR, Umweltsensorik, Brillouin-Streuung, Temperatursensor, Ozeanographie, Klimaforschung, Tiefenprofil, Single Mode Laser, optische FernerkundungGerman
fiber amplifier, solid state laser, laser, LIDAR, environmental sensor, Brillouin scattering, temperatur sensor, oceanography, climate study, depth profile, single mode laser, remote sensingEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik > Angewandte Physik
Date Deposited: 04 Feb 2009 13:40
Last Modified: 07 Dec 2012 11:54
Related URLs:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-13010
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Walther, Prof. Thomas and Halfmann, Prof. Thomas
Refereed: 26 January 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1301
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