TU Darmstadt / ULB / TUprints

Brillouin-LIDAR: Erprobung und Erweiterung

Rupp, David :
Brillouin-LIDAR: Erprobung und Erweiterung.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

[img]
Preview
genehmigte Version der Dissertation - Text
Genehmigte-Dissertation-Rupp.pdf - Accepted Version
Available under CC-BY-NC-ND 4.0 International - Creative Commons, Attribution Non-commerical, No-derivatives.

Download (21MB) | Preview
Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Brillouin-LIDAR: Erprobung und Erweiterung
Language: German
Abstract:

Die Temperaturverteilung innerhalb der obersten Wasserschicht in den Ozeanen hat maßgeblichen Einfluss auf Wetterphänomene und das Klima im Allgemeinen. Die Messung von tiefenaufgelösten Temperaturprofilen in dieser sogenannten Durchmischungszone ist deshalb für die Verbesserung von Klima- und Ozeanmodellen sowie Wettervorhersagen von großer Bedeutung. Sie erfolgt bisher ausschließlich mit berührungsbasierten Messsystemen, die entweder langsam und unflexibel oder kostenintensiv sind. Als zusätzliches Werkzeug für die tiefenaufgelöste Temperaturprofilbestimmung wird deshalb das Brillouin-LIDAR-System entwickelt, welches die Messung berührungslos mithilfe von Laserpulsen ermöglicht. In seiner finalen Ausbaustufe, soll es so kompakt, leicht und vibrationsunanfällig sein, sodass es von einer mobilen Plattform aus betrieben werden kann, zum Beispiel an Bord eines Helikopters. Als Strahlquelle wird ein frequenzverdoppeltes Faserverstärkersystem verwendet, das Laserpulse bei einer Wellenlänge von 543,3nm bereitstellt. Werden die Pulse ins Wasser eingestrahlt, kommt es dort unter anderem zur Brillouin-Streuung. Dabei handelt es sich um eine inelastische Streuung des Lichtes an Dichtefluktuationen, die sich mit der Schallgeschwindigkeit ausbreiten. Bei der Streuung erfährt das Licht eine Frequenzverschiebung, die über den Brechungsindex und die Schallgeschwindigkeit mit der Temperatur und dem Salzgehalt des Wassers verknüpft ist. Das gestreute Licht wird aufgefangen und mit Hilfe eines atomaren Kantenfilters (ESFADOF) analysiert. Der Filter übersetzt die Frequenzverschiebung in eine einfache Transmissionsänderung, sodass die Temperaturinformation über eine einfache normierte Leistungsmessung erhalten werden kann. Die vorliegende Arbeit beschreibt unter anderem den ersten Feldtest, der mit dem System durchgeführt wurde. Dieser fand an der italienischen Mittelmeerküste in La Spezia statt. Nach dem Feldtest wurden dort gemachte Erfahrungen genutzt, um das System für zukünftige Feldtests zu optimieren. Außerdem wurden im Labor Messungen durchgeführt mit dem Ziel eine empirische Relation zwischen der spektralen Breite des Brillouin-gestreuten Lichtes, der Temperatur und dem Salzgehalt zu erhalten. Dazu wurde das in einem mitWasser verschiedener Temperaturen und Salzgehalten gefüllten Probenrohr gestreute Licht mithilfe eines Fabry-Pérot-Interferometers spektral untersucht. Die erhaltene empirische Relation wurde schließlich genutzt, um zu simulieren, ob man die Temperatur und den Salzgehalt unter Verwendung von zwei Kantenfiltern, deren Kanten leicht gegeneinander verschoben sind, gleichzeitig bestimmen kann. Die dabei gewonnenen Ergebnisse sprechen dafür, dass dies möglich und die dabei erreichbare Temperaturgenauigkeit ausreichend ist.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The ocean temperature distribution within the mixed layer has a strong impact on weather phenomena and the climate in general. Therefore, measurements of depth resolved temperature profiles in the ocean are of great interest in order to improve climate and ocean modeling as well as weather forecasting. So far, there exist only contact based measurement techniques, which are slow or expensive. Hence, the development of the Brillouin LIDAR system capable of measuring the depth resolved temperature profile remotely via the use of laser pulses. In its final state, the system should be compact, light and insensitive to vibrations for operation on a mobile platform, such as a helicopter. The laser source consists of a frequency doubled fiber amplifier system generating 543.3nm laser pulses. These laser pulses are scattered via Brillouin scattering throughout the water column. Brillouin scattering is an inelastic scattering process involving density fluctuations of the water traveling at the speed of sound. The scattered light undergoes a frequency shift dependent on the speed of sound and the index of refraction, which are in turn dependent on temperature and salinity. The back-scattered light is collected and analyzed with an atomic edge filter (ESFADOF), which converts the frequency shift into a transmission change. Thus, this change in transmission is water temperature dependent and is easily measured by detecting the power of the scattered light before and after passing through the edge filter. The present thesis describes the first field test of the system, which took place in La Spezia, Italy. Back in the laboratory, the system was optimized in order to improve its reliability and robustness for future field tests. Furthermore, measurements were performed in the laboratory with the prime goal of finding an empirical relation between the spectral width of the Brillouin scattered light, the temperature and the salinity. For this purpose, light was sent into a water tube with adjustable temperature and salinity. The back-scattered light was analyzed with a Fabry- Pérot-interferometer. The obtained empirical relation was used to simulate whether it is possible to measure temperature and salinity simultaneously with the system by introducing a second edge filter. The results indicate that it is in fact possible with a satisfactory accuracy.English
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics
05 Department of Physics > Institute of Applied Physics > Laser und Quantenoptik
Date Deposited: 06 Sep 2018 09:06
Last Modified: 06 Sep 2018 09:06
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-76973
Referees: Walther, Prof. Dr. Thomas and Elsäßer, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 16 July 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7697
Export:

Downloads

Downloads per month over past year

Actions (login required)
View Item View Item

Downloads

Downloads per month over past year