Das IAP Metall-Lidar

Das IAP Metall-Lidar-System dient der Untersuchung von Schichten freier Metallatome im Bereich der oberen Mesosphäre und unteren Thermosphäre (Höhenbereich 75-140 km) mittels Resonanzrückstreuung. Die Sendeeinheit des Metall-Lidar-Systems besteht aus zwei Farbstofflasern mit je einer Oszillator- und zwei Verstärkerstufen. Aufgrund der Nutzung von Farbstofflasern können – anders als z.B. beim K-Lidar – mit geringem Umbauaufwand verschiedene Metalle untersucht werden. Während das K-Lidar die spektrale Abhängigkeit des Resonanzsignals zur Temperaturbestimmung benutzt, werden beim Metall-Lidar vor allem Metall-Dichten gemessen. Darüber hinaus liefern die Farbstofflaser zusätzliche Wellenlängen für die Untersuchung leuchtender Nachwolken (NLC).

Aufgaben

Die aktuellen Möglichkeiten des Metall-Lidars umfassen die Untersuchungen von Calcium, Calcium-Ionen, Eisen und Natrium. Die Farbstofflaser werden simultan mit je 50% der Energie eines geteilten Excimer-Laserstrahls gepumpt. Es können entweder zwei verschiedene Metalle simultan und in einem identischen Luftvolumen untersucht werden oder beide Laser zur Erhöhung des Rückstreusignals auf die gleiche Wellenlänge eingestellt werden. Die verwendeten Resonanzwellenlängen von Ca+ und Fe liegen nur 21 nm auseinander, so dass hier die Beobachtungswellenlänge ohne Austausch optischer Komponenten geändert werden kann. Die Laserwellenlängen werden entweder über eine Resonanzzelle im Labor oder anhand des Rückstreusignals aus der Atmosphäre mit einer Genauigkeit von rund 0,1 pm eingestellt.

Die Farbstofflaser wurden in den 80er Jahren herstellt, der Excimer-Laser 1999. Alle Systeme haben sich als sehr robust herausgestellt und haben schon verschiedene Feldmesskampagnen auch außerhalb eines Laserlabors erfolgreich überstanden.

Aufbau

Die Schemazeichnung zeigt den Aufbau der optischen Komponenten in den Farbstofflasern. Am unteren Laser ist exemplarisch der Austausch einzelner Komponenten beim Wechseln des untersuchten Metalls beschrieben. Die technischen Daten des Sendesystems sind in der Tabelle zusammengefasst.

Aufbau des Sendesystems des Metall-Lidars. Der Wechsel einzelner Komponenten bei Änderung des zu untersuchenden Metalls ist exemplarisch dargestellt.

 

Excimer-Laser

Farbstofflaser

Wellenlänge in Luft [nm]

308

Ca: 423,6728
Ca+: 393,3663
Fe: 371,9937
Na: 588,9950

Bandbreite [pm]

0.5

Pulsenergie [mJ]

700

Ca: 30
Ca+: 20
Fe: 17
Na: 40

Pulslänge [ns]

25

25

Wiederholrate [Hz]

30

30

Das Empfangssystem des Metall-Lidars besteht aus einem 80-cm-Spiegel mit ca. 3,2 m Brennweite. Die zurückgestreuten Photonen werden in einer Glasfaser gesammelt. Hinter der Glasfaser wird das Licht nach Wellenlängen separiert und durch verschiedene Interferenzfilter auf Photomultiplier geleitet. Die Detektoren arbeiten als Photonenzähler, die einzelnen Zählereignisse werden mit einer Höhenauflösung von 200 m im PC integriert.

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Farbstofflaser

Laserraum mit beiden Farbstofflasern, abgestimmt auf die Wellenlängen von Ca (links) und Na (rechts)