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Labor-Demonstration eines Brillouin-LIDARs zur Messung des Temperaturprofils in Wasser

Rudolf, Andreas :
Labor-Demonstration eines Brillouin-LIDARs zur Messung des Temperaturprofils in Wasser.
[Online-Edition]
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Labor-Demonstration eines Brillouin-LIDARs zur Messung des Temperaturprofils in Wasser
Language: German
Abstract:

Die Ozeane bedecken über 70% der Erdoberfläche. Aufgrund ihrer Ausdehnung und vielfältigen Kopplung an die Atmosphäre agieren sie als Motor des globalen Klimas. Der Wärmegehalt der Ozeane stellt dabei eine wichtige Kenngröße dar und wird aus der Temperaturverteilung ermittelt. Bislang existieren ausschließlich kontaktbasierte Verfahren, um vertikale Temperaturprofile der Ozeane aufzunehmen. Eine alternative berührungslose Messmethode ist daher wünschenswert und kann auf Basis eines Brillouin-LIDARs (light detection and ranging) implementiert werden. Es erlaubt die besonders flexible und flächendeckende Datenaufnahme aus der oberen Meeresschicht. Das Funktionsprinzip beruht auf der aktiven Erzeugung von spontaner Brillouin-Streuung im Wasser durch gepulste Laserstrahlung. Das rückgestreute Licht wird auf die dabei auftretende Frequenzverschiebung untersucht, die einen eindeutigen Zusammenhang mit der Wassertemperatur aufweist.

Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Brillouin-LIDAR aufgebaut, charakterisiert und demonstriert. Es besteht aus einem gepulsten Faserverstärker als Strahlquelle, kombiniert mit einem atomaren Kantenfilter als Detektor. Beide Komponenten basieren auf nichtresonanten Techniken und sind daher ideal für die Integration in ein flugfähiges System geeignet. Der Ytterbium-dotierte Faserverstärker emittiert nach Frequenzverdopplung 10 ns lange Pulse mit einer Wiederholrate von 1 kHz und einer Energie von 93,5 µJ. Sie weisen eine Fourier-limitierte spektrale Bandbreite sowie eine hohe Energiestabilität und Strahlqualität auf.

Die Emissionswellenlänge von 543,3 nm ist auf das Detektorsystem abgestimmt, welches auf der 5P3/2 - 8D5/2 Resonanz in Rubidium basiert. Durch Anlegen eines Magnetfelds wird ein excited state Faraday anomalous dispersion optical filter (ESFADOF) realisiert. Hierzu wurde ein maßgeschneidertes System von Permanentmagneten entwickelt, welches das notwendige Feld von rund 0,6 T auf der Gaszellenlänge von 39 mm mit einer hohen Homogenität von etwa +-1% bereitstellt. Der entstehende Kantenfilter überführt die Brillouin-Frequenzverschiebung in eine einfach messbare Änderung der Transmission. Mit 84,4% wurde die bislang höchste Transmission eines Rubidium-ESFADOFs erreicht.

Erstmals wurde das Gesamtsystem erfolgreich zur Messung von Wassertemperaturen eingesetzt. Zwei Wasserreservoire stellten dabei beliebige Temperaturstufen zur Verfügung. Nach erfolgter Kalibration des Kantenfilters wurde der anschließende Temperaturverlauf beider Segmente passgenau reproduziert. Die erreichte Temperaturgenauigkeit von bis zu 0,07°C markiert einen Meilenstein in der Entwicklung des Gesamtsystems. Die Funktionalität und das Potential des Brillouin-LIDARs zur genauen, ortsaufgelösten Bestimmung von Wassertemperaturen wurden damit demonstriert.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The oceans cover over 70% of the Earth's surface. Due to their extent and manifold coupling to the atmosphere they act as the engine of the global climate. The ocean heat content represents an important parameter and is deduced from the temperature distribution. So far, only contact based techniques exist to extract vertical temperature profiles of the oceans. Therefore, an alternative remote sensing technique is desirable and can be implemented by means of a Brillouin-LIDAR (light detection and ranging). It allows a particularly flexible and extensive data collection from the upper ocean layer. Its working principle involves the active generation of spontaneous Brillouin scattering in the water via pulsed laser radiation. The backscattered light is analyzed in terms of the arising spectral frequency shift, which shows an unambiguous dependence on the water temperature. In the present thesis a Brillouin-LIDAR has been set up, characterized and demonstrated. It consists of a pulsed fiber amplifier as the laser source, combined with an atomic edge filter as the detector. Both components are based on non-resonant techniques and are therefore ideally suited for the operation within an airborne system. After frequency doubling, the ytterbium-doped fiber amplifier emits 10 ns pulses with a repetition rate of 1 kHz and a pulse energy of 93.5 µJ. They exhibit a Fourier-transform limited spectral bandwidth as well as high energy stability and beam quality. The emission wavelength of 543.3 nm is tuned to the detector system, which is based on the 5P3/2 - 8D5/2 resonance in rubidium. By applying a magnetic field an excited state Faraday anomalous dispersion optical filter (ESFADOF) is implemented. To this end, a tailor-made system of permanent magnets has been developed, providing the necessary field of about 0.6 T along the vapor cell's length of 39 mm with a high homogeneity of approximately +-1%. The resulting edge filter converts the Brillouin frequency shift into an easily measurable change of transmission. With 84.4% the so far highest transmission of a rubidium ESFADOF has been reached. For the first time, the overall system was utilized successfully for the measurement of water temperatures. For this purpose, two water reservoirs were set up and created arbitrary temperature steps. After calibration of the edge filter, the following temperate changes within both water segments were reproduced precisely. The achieved temperature accuracy of up to 0.07°C marks a milestone within the development of the overall system. The functionality and the potential of the Brillouin-LIDAR for the accurate and spatially resolved measurement of water temperature profiles have thereby been shown. English
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: Technische Universität
Uncontrolled Keywords: Brillouin-Streuung, LIDAR, Wasser, Temperatur, Ozean, Durchmischungszone, Laser, Faserverstärker, Ytterbium, FADOF, Magnetfeld, Rubidium
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Brillouin scattering, LIDAR, water, temperature, ocean, surface mixed layer, laser, fiber amplifier, ytterbium, FADOF, magnetic field, rubidiumEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
Date Deposited: 18 Sep 2013 11:34
Last Modified: 18 Sep 2013 11:34
Official URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3612
Related URLs:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-36121
Referees: Walther, Prof. Dr. Thomas and Halfmann, Prof. Dr. Thomas
Refereed: 24 July 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3612
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