Rupp, David (2018)
Brillouin-LIDAR: Erprobung und Erweiterung.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (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.

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