Rudolf, Andreas (2013)
Labor-Demonstration eines Brillouin-LIDARs zur Messung des Temperaturprofils in Wasser.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung
Kurzbeschreibung (Abstract)
Die Ozeane bedecken über 70% der Erdoberfläche. Aufgrund ihrer Ausdehnung und vielfältigen Kopplung an die Atmosphäre agieren sie als Motor des globalen Klimas. Der Wärmegehalt der Ozeane stellt dabei eine wichtige Kenngröße dar und wird aus der Temperaturverteilung ermittelt. Bislang existieren ausschließlich kontaktbasierte Verfahren, um vertikale Temperaturprofile der Ozeane aufzunehmen. Eine alternative berührungslose Messmethode ist daher wünschenswert und kann auf Basis eines Brillouin-LIDARs (light detection and ranging) implementiert werden. Es erlaubt die besonders flexible und flächendeckende Datenaufnahme aus der oberen Meeresschicht. Das Funktionsprinzip beruht auf der aktiven Erzeugung von spontaner Brillouin-Streuung im Wasser durch gepulste Laserstrahlung. Das rückgestreute Licht wird auf die dabei auftretende Frequenzverschiebung untersucht, die einen eindeutigen Zusammenhang mit der Wassertemperatur aufweist.
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Brillouin-LIDAR aufgebaut, charakterisiert und demonstriert. Es besteht aus einem gepulsten Faserverstärker als Strahlquelle, kombiniert mit einem atomaren Kantenfilter als Detektor. Beide Komponenten basieren auf nichtresonanten Techniken und sind daher ideal für die Integration in ein flugfähiges System geeignet. Der Ytterbium-dotierte Faserverstärker emittiert nach Frequenzverdopplung 10 ns lange Pulse mit einer Wiederholrate von 1 kHz und einer Energie von 93,5 µJ. Sie weisen eine Fourier-limitierte spektrale Bandbreite sowie eine hohe Energiestabilität und Strahlqualität auf.
Die Emissionswellenlänge von 543,3 nm ist auf das Detektorsystem abgestimmt, welches auf der 5P3/2 - 8D5/2 Resonanz in Rubidium basiert. Durch Anlegen eines Magnetfelds wird ein excited state Faraday anomalous dispersion optical filter (ESFADOF) realisiert. Hierzu wurde ein maßgeschneidertes System von Permanentmagneten entwickelt, welches das notwendige Feld von rund 0,6 T auf der Gaszellenlänge von 39 mm mit einer hohen Homogenität von etwa +-1% bereitstellt. Der entstehende Kantenfilter überführt die Brillouin-Frequenzverschiebung in eine einfach messbare Änderung der Transmission. Mit 84,4% wurde die bislang höchste Transmission eines Rubidium-ESFADOFs erreicht.
Erstmals wurde das Gesamtsystem erfolgreich zur Messung von Wassertemperaturen eingesetzt. Zwei Wasserreservoire stellten dabei beliebige Temperaturstufen zur Verfügung. Nach erfolgter Kalibration des Kantenfilters wurde der anschließende Temperaturverlauf beider Segmente passgenau reproduziert. Die erreichte Temperaturgenauigkeit von bis zu 0,07°C markiert einen Meilenstein in der Entwicklung des Gesamtsystems. Die Funktionalität und das Potential des Brillouin-LIDARs zur genauen, ortsaufgelösten Bestimmung von Wassertemperaturen wurden damit demonstriert.
| Typ des Eintrags: | Dissertation | ||||
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| Erschienen: | 2013 | ||||
| Autor(en): | Rudolf, Andreas | ||||
| Art des Eintrags: | Erstveröffentlichung | ||||
| Titel: | Labor-Demonstration eines Brillouin-LIDARs zur Messung des Temperaturprofils in Wasser | ||||
| Sprache: | Deutsch | ||||
| Referenten: | Walther, Prof. Dr. Thomas ; Halfmann, Prof. Dr. Thomas | ||||
| Publikationsjahr: | Juli 2013 | ||||
| Ort: | Darmstadt | ||||
| Datum der mündlichen Prüfung: | 24 Juli 2013 | ||||
| URL / URN: | https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/3612 | ||||
| Zugehörige Links: | |||||
| Kurzbeschreibung (Abstract): | Die Ozeane bedecken über 70% der Erdoberfläche. Aufgrund ihrer Ausdehnung und vielfältigen Kopplung an die Atmosphäre agieren sie als Motor des globalen Klimas. Der Wärmegehalt der Ozeane stellt dabei eine wichtige Kenngröße dar und wird aus der Temperaturverteilung ermittelt. Bislang existieren ausschließlich kontaktbasierte Verfahren, um vertikale Temperaturprofile der Ozeane aufzunehmen. Eine alternative berührungslose Messmethode ist daher wünschenswert und kann auf Basis eines Brillouin-LIDARs (light detection and ranging) implementiert werden. Es erlaubt die besonders flexible und flächendeckende Datenaufnahme aus der oberen Meeresschicht. Das Funktionsprinzip beruht auf der aktiven Erzeugung von spontaner Brillouin-Streuung im Wasser durch gepulste Laserstrahlung. Das rückgestreute Licht wird auf die dabei auftretende Frequenzverschiebung untersucht, die einen eindeutigen Zusammenhang mit der Wassertemperatur aufweist. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Brillouin-LIDAR aufgebaut, charakterisiert und demonstriert. Es besteht aus einem gepulsten Faserverstärker als Strahlquelle, kombiniert mit einem atomaren Kantenfilter als Detektor. Beide Komponenten basieren auf nichtresonanten Techniken und sind daher ideal für die Integration in ein flugfähiges System geeignet. Der Ytterbium-dotierte Faserverstärker emittiert nach Frequenzverdopplung 10 ns lange Pulse mit einer Wiederholrate von 1 kHz und einer Energie von 93,5 µJ. Sie weisen eine Fourier-limitierte spektrale Bandbreite sowie eine hohe Energiestabilität und Strahlqualität auf. Die Emissionswellenlänge von 543,3 nm ist auf das Detektorsystem abgestimmt, welches auf der 5P3/2 - 8D5/2 Resonanz in Rubidium basiert. Durch Anlegen eines Magnetfelds wird ein excited state Faraday anomalous dispersion optical filter (ESFADOF) realisiert. Hierzu wurde ein maßgeschneidertes System von Permanentmagneten entwickelt, welches das notwendige Feld von rund 0,6 T auf der Gaszellenlänge von 39 mm mit einer hohen Homogenität von etwa +-1% bereitstellt. Der entstehende Kantenfilter überführt die Brillouin-Frequenzverschiebung in eine einfach messbare Änderung der Transmission. Mit 84,4% wurde die bislang höchste Transmission eines Rubidium-ESFADOFs erreicht. Erstmals wurde das Gesamtsystem erfolgreich zur Messung von Wassertemperaturen eingesetzt. Zwei Wasserreservoire stellten dabei beliebige Temperaturstufen zur Verfügung. Nach erfolgter Kalibration des Kantenfilters wurde der anschließende Temperaturverlauf beider Segmente passgenau reproduziert. Die erreichte Temperaturgenauigkeit von bis zu 0,07°C markiert einen Meilenstein in der Entwicklung des Gesamtsystems. Die Funktionalität und das Potential des Brillouin-LIDARs zur genauen, ortsaufgelösten Bestimmung von Wassertemperaturen wurden damit demonstriert. |
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| Alternatives oder übersetztes Abstract: |
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| Freie Schlagworte: | Brillouin-Streuung, LIDAR, Wasser, Temperatur, Ozean, Durchmischungszone, Laser, Faserverstärker, Ytterbium, FADOF, Magnetfeld, Rubidium | ||||
| Schlagworte: |
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| URN: | urn:nbn:de:tuda-tuprints-36121 | ||||
| Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik | ||||
| Fachbereich(e)/-gebiet(e): | 05 Fachbereich Physik 05 Fachbereich Physik > Institut für Angewandte Physik |
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| Hinterlegungsdatum: | 22 Sep 2013 19:55 | ||||
| Letzte Änderung: | 09 Aug 2024 09:08 | ||||
| PPN: | |||||
| Referenten: | Walther, Prof. Dr. Thomas ; Halfmann, Prof. Dr. Thomas | ||||
| Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: | 24 Juli 2013 | ||||
| Schlagworte: |
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