Das ALOMAR Rayleigh/Mie/Raman-Lidar

Dieses Rayleigh/Mie/Raman (RMR-)Lidar wurde 1994 auf der nord-norwegischen Insel Andøya auf (69,28° N, 16,01° O) als Teil des Arctic Lidar Observatory for Middle Atmosphere Research (ALOMAR) durch eine Zusammenarbeit des Leibniz-Instituts für Atmosphärenphysik, der Universität Bonn, des Service d'aéronomi du Centre National de la Recherche Scientifique in Verrières-le-Buisson (Frankreich) und des University College London (Großbritannien) errichtet. Seither wurde es in vielen Aspekten erweitert und verbessert bis zu dem hier beschriebenen Stand. Seit 1994 werden mit dem RMR-Lidar Temperaturen in der mittleren Atmosphäre, Aerosolschichten in der Stratosphäre, polare Stratosphärenwolken in der unteren Stratosphäre im Winter sowie leuchtende Nachtwolken in der Mesopausenregion im Sommer untersucht.

ALOMAR-Observatorium mit den beiden grünen Laserstrahlen des RMR-Lidars

Technisches Design

Das ALOMAR Rayleigh/Mie/Raman (RMR-)Lidar ist ein Doppel-Lidarsystem und besteht aus zwei Leistungslasern, zwei Empfangsteleskopen und einer optischen Bank für die spektrale Trennung und Filterung des aus der Atmosphäre zurückgestreuten Lichts. Einen schematischen Überblick des Gesamtsystems gibt Abbildung 1.

Die Leistungslaser sind gepulste Nd:YAG-Laser, die die fundamentale Wellenlänge (1064 nm), sowie die zweite (532 nm) und dritte (355 nm) Harmonische gleichzeitig emittieren. Jeder Laser besitzt eine Pulsrate von 30 Hz. Im 2-Laser Betrieb werden beide Laser Schuss für Schuss abwechselnd getriggert. Beide Leistungslaser werden geseedet durch denselben externen cw-Laser. Dieser wird durch Jod-Absorptionsspektroskopie in der Wellenlänge auf eine relative Stabilität von Δλ/λ = 10-9 gehalten. Durch das Seeding werden Laserpulse von hoher spektraler Reinheit und kurzer Pulsdauer (ca. 10 ns) erreicht. Über eine Strahlstabilisierung auf dem Lasertisch erreicht der Laserstrahl dann ein Aufweitungsteleskop zur Reduzierung der Strahldivergenz um den Faktor 20. Abbildung 2 zeigt den Aufbau des Lasersystems mit Leistungslaser, Seeder-Laser und Aufweitungsteleskop. Der auf 20 cm Durchmesser aufgeweitete Laserstrahl wird dann mit Hilfe eines zweiten Strahlstabilisierungs-Systems über drei Spiegel koaxial zu den Teleskopen in die Atmosphäre emittiert (Abbildung 3).

Das aus der Atmosphäre zurückgestreute Licht wird mit zwei quasi-Cassegrain Teleskopen mit Primärspiegeln von 1,8 m Durchmesser aufgefangen, die um bis zu 30° aus dem Zenit geschwenkt werden können und dabei jeweils einen Azimuthbereich von 90° abdecken. Die beiden Teleskope sind so aufgebaut, dass eines den Quadrant von Norden bis Westen (NWT) und eines den Quadrant von Süden bis Osten (SET) abdeckt. Eine schematische Darstellung der Teleskope und des Strahlengangs in der Teleskophalle ist in Abbildung 4 zu sehen. Das Foto in Abbildung 4 zeigt einen Blick von oben in die Teleskophalle mit den beiden Teleskopen. Das Süd-Ost Teleskop (SET, links) ist um 20° nach Osten und das Nord-West Teleskop (NWT, rechts) ist um 20° nach Norden gekippt. Die Schutzklappen beider Teleskope sind geöffnet und man sieht die grünen Laserstrahlen. Durch die beiden schwenkbaren Teleskope können bei Beobachtungen mit geschwenkten Laserstrahlen verschiedene Kombinationen von Blickrichtungen benutzt werden, um zum Beispiel gleichzeitig und im selben Volumen wie in situ Raketenexperimente in der Mesosphäre zu messen oder um die horizontale Struktur von leuchtenden Nachtwolken zu untersuchen.

Das aus der Atmosphäre empfangene Licht wird mit Glasfasern zur Eingangsoptik auf der optischen Bank geleitet. Zur Untersuchung der Polarisationseigenschaften des empfangenen Lichts im sichtbaren (532 nm) und ultravioletten (355 nm) Spektralbereich sind in die Fokaloptik der Empfangs-Teleskope Polarisations-Drehwürfel eingebaut, die bei Bedarf in den Strahlengang eingekoppelt werden können.

Auf der optischen Bank (siehe Zeichnung in Abbildung 5) wird zunächst ein rotierender segmentierter Spiegel (fiber selector) benutzt, um das Licht aus den beiden Teleskopen synchronisiert zu den Laser-Pulsen abwechselnd in die nur einmal vorhandenen Empfangsoptik einzukoppeln. Ein rotierendes Flügelrad (chopper) sorgt dafür, dass das sehr starke Signal aus der Troposphäre nicht zur Überlastung der Detektoren führt. Dann wird das Licht nach Wellenlänge und Intensität getrennt und auf insgesamt 14 Detektoren fokussiert: 1064 nm (zwei Detektoren, Rayleigh- & Mie-Streuung an Luftmolekülen und Aerosolen), 532 nm (drei Detektoren, Rayleigh- & Mie-Streuung an Luftmolekülen und Aerosolen), 355 nm (drei Detektoren, Rayleigh- & Mie-Streuung an Luftmolekülen und Aerosolen), 608 nm (zwei Detektoren, N2-Vibrations-Ramanstreuung angeregt durch 532 nm), 387 nm (ein Detektor, N2-Vibrations-Ramanstreuung angeregt durch 355 nm), 530,4 nm und 529,1 nm (zwei Detektoren, N2- und O2-Rotations-Ramanstreuung angeregt durch 532 nm); zwei weitere Detektoren werden zur Messung von Winden in der mittleren Atmosphäre anhand der optischen Doppler-Verschiebung benutzt. Als Detektoren werden Photomultiplier (PMT) und Lawinen-Photodioden (APD) im Photonen-Zählmodus eingesetzt um das in der Atmosphäre gestreute und mit den Teleskopen aufgefangene Licht in elektrische Pulse zu verwandeln, die als Funktion der Streu-Höhe von Zählern gezählt und auf einem Computer abgespeichert werden.

Die Kanäle für die drei Laser-Wellenlängen (1064 nm, 532 nm und 355 nm) können das ganze Jahr über und bei vollem Tageslicht betrieben werden. Dies wird erreicht durch starke räumliche und spektrale Filterung mit einem kleinen Gesichtsfeld der Teleskope (180 μrad), Interferenz-Filtern sowie aktiv stabilisierten Einzel- bzw. Doppel-Fabry-Perot-Etalons mit einer spektralen Bandbreite von 10 pm bzw. 4 pm. Diese Fabry-Perot-Etalons zusammen mit weiteren Teilen der optischen Bank sind auf dem Foto in Abbildung 6 zu sehen.

Das gesamte Lidar-System wird durch Computer gesteuert und ist weitestgehend automatisiert, so dass zum Betrieb nur ein einziger geschulter Techniker nötig ist. Unsere norwegischen Kollegen betreiben das RMR-Lidar wann immer es das Wetter zulässt. Das ist eine wichtige Voraussetzung um einen ausreichend großen Datensatz für klimatologische Untersuchungen der polaren mittleren Atmosphäre zu sammeln. Weitere technische Details sind nachzulesen in dem Artikel von von Zahn et al. [2000].

Online-Ergebnisse

Bei laufender Messung erfolgt automatisch eine Online-Auswertung. Außerhalb der Messungen erhält man eine Übersicht über die letzte Sondierung.

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ALOMAR RMR-Lidar

Abbildung 1: Schematische Skizze des ALOMAR RMR-Lidars mit Sendelasern (links), Empfangsteleskopen (Mitte) und optischer Bank (rechts).

Lasersystems mit Seeder-Laser

Abbildung 2: Schematische Skizze des Lasersystems mit Seeder-Laser (links oben), Leistungslaser (oben) und Aufweitungsteleskop (unten). Die Strahlstabilisierung auf dem Lasertisch ist in der Mitte gezeigt.

Teleskophalle

Abbildung 3: Technische Skizze der Teleskophalle mit Laserstrahl-Führung (grün) zur koaxialen Auskopplung in die Atmosphäre und mit den beiden schwenkbaren Empfangs-Teleskopen.

Teleskophalle

Abbildung 4: Blick von oben in die Teleskophalle mit den beiden Teleskopen bei laufender Messung.

Optische Bank

Abbildung 5: Technische Skizze der optischen Bank. Das Licht aus den Teleskopen wird mit Glasfasern zur optischen Bank geleitet. Dort wird es von links über einen rotierenden segmentierten Spiegel (fibre selector) eingekoppelt.

optische Bank

Abbildung 6: Foto der geöffneten optischen Bank. Das Licht wird von rechts oben eingekoppelt. In den schwarzen Zylindern befinden sich die Einzel- und Doppel-Fabry-Perot Etalons.

Kooperationen