Das ALOMAR Rayleigh/Mie/Raman-Lidar

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

Das Rayleigh/Mie/Raman (RMR-)Lidar wird seit 1994 auf der nordnorwegischen Insel Andøya als Teil des Arctic Lidar Observatory for Middle Atmosphere Research (ALOMAR) in Zusammenarbeit des Leibniz-Instituts für Atmosphärenphysik und des Service d'aéronomi du Centre National de la Recherche Scientifique in Guyancourt (Frankreich) betrieben. Mit dem RMR-Lidar werden Temperaturen und Winde 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.

Technisches Design

Das ALOMAR RMR-Lidar ist ein Doppel-Lidarsystem und besteht aus zwei Leistungslasern, zwei Empfangsteleskopen und einer optischen Bank für den Nachweis des aus der Atmosphäre zurück gestreuten 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 Pulswiederholrate von 30 Hz. Im 2-Laser-Betrieb werden beide Laser Schuss für Schuss abwechselnd getriggert. Beide Leistungslaser werden geseedet durch denselben externen Gleichstrich-Laser. Dieser wird durch Iod-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, Seedlaser und Aufweitungsteleskop. Der auf 20 cm Durchmesser aufgeweitete Laserstrahl wird dann mit Hilfe eines zweiten Strahlstabilisierungssystems über drei Spiegel koaxial zu den Teleskopen in die Atmosphäre emittiert (Abbildung 3).

Das aus der Atmosphäre zurückgestreute Licht wird mit zwei Teleskopen (quasi-Cassegrain-Design) mit Primärspiegeln von 1,8 m Durchmesser aufgefangen, die um bis zu 30° aus dem Zenit geschwenkt werden können. Die beiden Teleskope sind so aufgebaut, dass eines den Nordwestquadranten und eines den Südostquadranten abdecken kann. Eine schematische Darstellung der Teleskope und des Strahlengangs in der Teleskophalle ist in Abbildung 3 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 die grünen Laserstrahlen sind zu sehen. Mit den Teleskopen ist es möglich, in zwei verschiedenen Volumen gleichzeitig zu messen. Dies wird  entweder zur Messung im selben Volumen wie Raketenexperimente oder zur Untersuchung der horizontalen Struktur von leuchtenden Nachtwolken genutzt. Außerdem ermöglicht das Schwenken  Horizontalwindmessungen.

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. Das aus der Atmosphäre empfangene Licht wird mit Glasfasern zur Eingangsoptik auf der optischen Bank geleitet.

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 Empfangsoptik einzukoppeln. Ein rotierendes Flügelrad (chopper) sorgt dafür, dass das sehr starke Signal aus der Troposphäre nicht zur Überlastung der Detektoren führt. Das Licht wird nach Wellenlänge und Intensität getrennt und wird mit insgesamt 18 Detektoren gemessen (Details siehe Tabelle 1). Als Detektoren werden Photomultiplier (PMT) und Lawinen-Photodioden (APD) im Photonen-Zählmodus eingesetzt um das aufgefangene Licht in elektrische Pulse umzuwandeln, die als Funktion der Streuhöhe gezählt werden.

Die Detektoren für die drei Laser-Wellenlängen können das ganze Jahr über und bei Tageslicht betrieben werden. Dies wird erreicht durch starke räumliche und spektrale Filterung mit einem kleinen Gesichtsfeld der Teleskope (96 μrad), Interferenz-Filtern sowie aktiv stabilisierten Fabry-Pérot-Interferometern (Etalons) mit einer spektralen Bandbreite von 10 pm bzw. 4 pm. Die Etalons zusammen mit weiteren Teilen der optischen Bank sind auf dem Foto in Abbildung 6 zu sehen.

Das gesamte Lidar-System wird weitestgehend automatisch gesteuert, so dass zum Betrieb nur ein einziger geschulter Operateur 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.

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WellenlängeAnzahlStreuungTeilchen
1064 nm2Rayleigh & MieLuftmolekühle und Aerosole
532 nm3Rayleigh & MieLuftmolekühle und Aerosole
355 nm3Rayleigh & MieLuftmolekühle und Aerosole
608 nm (angeregt durch 532 nm)2Vibrations-RamanstreuungN2-Moleküle
387 nm (angeregt durch 355 nm)1Vibrations-RamanstreuungN2-Moleküle
530 nm & 529 nm (angeregt durch 532 nm)2Rotations-RamanstreuungN2- und O2-Moleküle
Wind
532 nm3Rayleigh & MieLuftmoleküle und Aerosole
Systemüberwachung
532 nm & 355 nm

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Veröffentlichungen (Auswahl)

  • Baumgarten, G., K. H. Fricke und G. von Cossart (2002a), Investigation of the shape of noctilucent cloud particles by polarization lidar technique, Geophys. Res. Lett., 29(13), 1630, doi:10.1029/2001GL013877.
  • Baumgarten, G., F.-J. Lübken und K. H. Fricke (2002b), First observation of one noctilucent cloud by a twin lidar in two different directions, Ann. Geophys., 20(11), S. 1863–1868, SRef-ID:1432-0576/ag/2002-20-1863.
  • Fiedler, J. und G. von Cossart (1999a), Automated lidar transmitter for multiparameter investigations within the arctic atmosphere, IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing, 37(2), S. 748–755, doi:10.1109/36.752191.
  • Fiedler, J., G. Baumgarten, G. von Cossart und A. Schöch (2004), Lidar observations of temperatures, waves and noctilucent clouds at 69°N, in Proceedings of the SPIE symposium "Remote sensing of clouds and the atmosphere IX", Bd. 5571, herausgegeben von K. P. Schäfer, A. Comerón, M. R. Carleer, R. H. Picard und N. I. Sifakis, S. 140–151, SPIE, Bellingham,WA, Maspalomas, Kanarische Inseln, Spanien, doi:10.1117/12.564772.
  • Schöch, A., and G. Baumgarten (2003), A new system for automatic beam stabilisation of the ALOMAR RMR-lidar at Andøya in Northern Norway, in Proceedings of the 16th ESA Symposium on European Rocket and Balloon Programmes and Related Research, Bd. ESA SP-530, herausgegeben von B. Warmbein, S. 303–307, St. Gallen, Schweiz.
  • von Zahn, U., G. von Cossart, J. Fiedler, K. H. Fricke, G. Nelke, G. Baumgarten, D. Rees, A. Hauchecorne und K. Adolfsen (2000), The ALOMAR Rayleigh/Mie/Raman lidar: Objectives, configuration, and performance, Ann. Geophys., 18(7), S. 815–833, SRef-ID:1432-0576/ag/2000-18-815.

Ansprechpartner

Dr. Gerd Baumgarten

Übersicht Messungen

Einen Kalender mit den verfügbaren Messzeiten finden Sie hier.

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