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Assessment of a Rubidium ESFADOF Edge-Filter as Receiver for a Brillouin-Lidar Capable of Remotely Measuring Oceanic Temperature Profiles

Popescu, Alexandru Lucian (2010)
Assessment of a Rubidium ESFADOF Edge-Filter as Receiver for a Brillouin-Lidar Capable of Remotely Measuring Oceanic Temperature Profiles.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Global and local climate changes affect nature and mankind. Forecasts of these processes on global and local scales rely on a thorough understanding of the underlying physics through accurate data. In this context, the knowledge of the temperature profile of the upper-ocean mixed layer is relevant in oceanography, weather forecasts and climate studies and can be correlated to other parameters, such as concentrations of nutrients, oxygen and CO2. Currently, only in-situ techniques are available, such that a remote sensing application for the measurement of oceanic temperature profiles is highly desirable. Such a system would deliver accurate, cost effective and area wide data, which could be used to improve current models and forecasts within many domains of oceanography and climatology. However, only recent progress in laser and receiver technology made a remote sensing solution feasible. When employing the lidar principle, an airborne compatible system based on the detection of the temperature dependent frequency shift of the Brillouin-scattering becomes feasible. Laser pulses are fired into the ocean and the Brillouin-scattering imprints the temperature information on the backscattered light. An appropriate detector on board an aircraft extracts the temperature and correlates it to the time of flight of the laser pulses. As a result, a three-dimensional temperature profile of the upper-ocean mixed layer is extracted. Measuring the very small frequency shift of the Brillouin-scattering is the main challenge of this project. The shift varies from 6.8~GHz-7.8 GHz for water temperatures between 0°C and 40°C, when injecting laser pulses at a wavelength of 543 nm. The employment of spectrally narrow edge-filters converts the frequency measurement into an intensity measurement. As compact, robust and light weight devices, these filters are in particular suited for an airborne implementation. This work demonstrates that Excited State Faraday Anomalous Dispersion Optical Filters (ESFADOFs) are such high resolution optical edge-filters. They deliver the desired edge-filter characteristics, when operated around the Rubidium 5P3/2 -> 5D5/2 transition (543~nm), and transmission changes of up to 24% within a few GHz were demonstrated. In addition, fundamental investigations of the ESFADOF transmissions are presented. They result in distinct operational limits, due to radiation trapping, energy-pooling and plasma formation. Together with the scalability of these devices, their implementation as the Brillouin-lidar detector is addressed.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2010
Autor(en): Popescu, Alexandru Lucian
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Assessment of a Rubidium ESFADOF Edge-Filter as Receiver for a Brillouin-Lidar Capable of Remotely Measuring Oceanic Temperature Profiles
Sprache: Englisch
Referenten: Walther, Prof. Dr. Thomas ; Birkl, Prof. Dr. Gerhard
Publikationsjahr: 13 April 2010
Datum der mündlichen Prüfung: 17 Februar 2010
URL / URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-21225
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Kurzbeschreibung (Abstract):

Global and local climate changes affect nature and mankind. Forecasts of these processes on global and local scales rely on a thorough understanding of the underlying physics through accurate data. In this context, the knowledge of the temperature profile of the upper-ocean mixed layer is relevant in oceanography, weather forecasts and climate studies and can be correlated to other parameters, such as concentrations of nutrients, oxygen and CO2. Currently, only in-situ techniques are available, such that a remote sensing application for the measurement of oceanic temperature profiles is highly desirable. Such a system would deliver accurate, cost effective and area wide data, which could be used to improve current models and forecasts within many domains of oceanography and climatology. However, only recent progress in laser and receiver technology made a remote sensing solution feasible. When employing the lidar principle, an airborne compatible system based on the detection of the temperature dependent frequency shift of the Brillouin-scattering becomes feasible. Laser pulses are fired into the ocean and the Brillouin-scattering imprints the temperature information on the backscattered light. An appropriate detector on board an aircraft extracts the temperature and correlates it to the time of flight of the laser pulses. As a result, a three-dimensional temperature profile of the upper-ocean mixed layer is extracted. Measuring the very small frequency shift of the Brillouin-scattering is the main challenge of this project. The shift varies from 6.8~GHz-7.8 GHz for water temperatures between 0°C and 40°C, when injecting laser pulses at a wavelength of 543 nm. The employment of spectrally narrow edge-filters converts the frequency measurement into an intensity measurement. As compact, robust and light weight devices, these filters are in particular suited for an airborne implementation. This work demonstrates that Excited State Faraday Anomalous Dispersion Optical Filters (ESFADOFs) are such high resolution optical edge-filters. They deliver the desired edge-filter characteristics, when operated around the Rubidium 5P3/2 -> 5D5/2 transition (543~nm), and transmission changes of up to 24% within a few GHz were demonstrated. In addition, fundamental investigations of the ESFADOF transmissions are presented. They result in distinct operational limits, due to radiation trapping, energy-pooling and plasma formation. Together with the scalability of these devices, their implementation as the Brillouin-lidar detector is addressed.
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Globale und lokale Klimaveränderungen haben seit jeher Mensch und Natur beeinflußt. Globale als auch lokale Prognosen basieren auf ein sorgfältiges Verständnis der bestimmenden Physik, die durch präzise Daten erworben wird. In diesem Zusammenhang profitieren Ozeanographie, Wettervorhersagen und Klimaforschung von der ortsaufgelösten Kenntnis des ozeanischen Temperaturprofils der Durchmischungszone. Die Kenntnis dieses Profils läßt Schlußfolgerungen auf weitere Parameter wie den Nährstoff-, Sauerstoff- und CO2-Gehalt zu. Da zur Zeit nur kontaktbasierte Methoden zur Verfügung stehen, würde in diesem Zusammenhang eine Fernerkundungsmethode zur kostengünstigen Bestimmung des maritimen Temperaturprofils wertvolle Daten für bestehende Modelle und Prognosen in vielen Bereichen der Ozeanographie und Klimaforschung liefern. Erst durch neue Entwicklungen in der Laser- und Detektortechnologie rückt die Vermessung der Brillouin-Streuung als optischer Temperaturindikator mittels eines Lidar-Systems in greifbare Nähe. Eingestrahlte Laserpulse werden im Wasser inelastisch gestreut. Die dem Streulicht aufgeprägte Temperaturinformation läßt sich aus einem Flugzeug oder einem Hubschrauber messen und über die Flugzeit der Laserpulse mit der Tiefe korrelieren. Als Ergebnis wird ein dreidimensionales Temperaturprofil extrahiert. Die zentrale Herausforderung besteht in der genauen Bestimmung der temperaturabhängigen Frequenzverschiebung der Brillouin-Streuung. Diese liegt für Wassertemperaturen von 0°C-40°C bei einer eingestrahlten Laserwellenlänge von 543 nm zwischen 6,8~GHz und 7,8 GHz. Der Einsatz eines schmalbandigen Kantenfilters transformiert die notwendige Frequenzmessung in eine Intensitätsmessung. Durch ihren kompakten, leichten und robusten Aufbau sind diese Filter besonders für ein flugzeuggestütztes System von Vorteil. Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, lassen sich solche hochauflösenden und schmalbandigen Filter auf Basis eines Excited State Faraday Anomalous Dispersion Optical Filter (ESFADOF) aufbauen. Ferner wird gezeigt, daß der entwickelte Aufbau in der Lage ist die notwendigen Transmissionscharakteristika an der atomaren 5P3/2 -> 5D5/2 Resonanz (543 nm) bereitzustellen. Transmissionsänderungen von bis zu 24% innerhalb weniger GHz werden gezeigt. Zusätzlich werden fundamentale Untersuchungen der ESFADOF-Transmission präsentiert. Diese definieren Betriebsgrenzen, die durch radiation-trapping, energy-pooling und die Induktion eines Plasmas bestimmt werden. Zusammen mit der Skalierbarkeit dieser Filter wird der Einsatz als Brillouin-Lidar-Detektor diskutiert.

Deutsch
Freie Schlagworte: Remote sensing, LIDAR and adaptive systems, ocean optics, physical and chemical properties of seawater (salinity, density, temperature), Brillouin-scattering, laser optical systems: design and operation, narrow band-width detector, edge-filter, Faraday effect, excited state Faraday anomalous dispersion optical filter, FADOF, ESFADOF, spectroscopy, fiber amplifier
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 05 Fachbereich Physik > Institut für Angewandte Physik
05 Fachbereich Physik
Hinterlegungsdatum: 01 Jun 2010 09:50
Letzte Änderung: 05 Mär 2013 09:34
PPN:
Referenten: Walther, Prof. Dr. Thomas ; Birkl, Prof. Dr. Gerhard
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 17 Februar 2010
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