Laserstrahlquellen auf Basis eines neuartigen Neodym-dotierten Mischgranats für Wasserdampf-DIAL-Systeme bei 935 nm

Aachen / Publikationsserver der RWTH Aachen University (2011, 2012) [Doktorarbeit]

Seite(n): 162 S. : Ill., graph. Darst.

Kurzfassung

Zur Fernerkundung von Verteilungen bestimmter Spurengase in der Atmosphäre, wie z.B. Wasserdampf, mit dem DIAL (Differenz Absorptions LIDAR)-Verfahren werden gepulste Laserquellen im longitudinalen Einmodenbetrieb benötigt, die vor allem spektral auf bestimmte Absorptionslinien des zu messenden Gases eingestellt werden können. Für eine Vermessung der atmosphärischen Wasserdampfverteilung aus dem Weltraum an Bord eines Satelliten eignen sich gemäß den Studien zur WALES (Water Vapor Lidar Experiment in Space)-Mission besonders vier unterschiedliche Wellenlängen zwischen 935,561 und 935,906 nm vac.. Um diese Wellenlängen zu adressieren bei gleichzeitiger Erfüllung der sonstigen Strahlanforderungen, werden üblicherweise breitbandige Strahlquellen wie Ti:Saphir-Laser oder frequenzkonvertierte Laser eingesetzt. In beiden Fällen kommen dabei meist frequenzverdoppelte und ggf. diodengepumpte Nd:YAG-Laser bei 532 nm als Pumpquelle zum Einsatz. Beide Konzepte weisen daher eine niedrige elektrooptische Gesamteffizienz auf und führen zu einem vergleichsweise komplexen Aufbau, was sich nur eingeschränkt für den Einsatz im Weltraum eignet. Alternativ können Lasermedien gezüchtet werden, die direkt mit Dioden gepumpt werden können und deren Ausgangswellenlängen durch Anpassung der Zusammensetzung auf die Applikationswellenlänge eingestellt werden kann. Hierdurch ist prinzipiell ein kompakterer und effizienterer Aufbau möglich. Im Rahmen dieser Arbeit werden erstmals Nd:(Y_{x}Lu_{1-x})_{3}Ga_{5}O_{12}-Kristalle (mit 0<=x<=1) genutzt, um die oben genannten Wellenlängen zu adressieren. Dabei werden insbesondere die Kristalleigenschaften analysiert, die für das Design eines entsprechenden Lasers relevant sind. Dies beinhaltet die Absorptions- und Emissionswirkungsquerschnitte, die Lebensdauer des oberen Laserniveaus, die Änderung des Brechungsindex mit der Temperatur und die Wärmeleitfähigkeit für unterschiedliche Kristallzusammensetzungen. Diese Daten werden in Designstudien genutzt, um günstige Konfigurationen für stabile Oszillatoren und Innoslab-Verstärker zu identifizieren. Es werden Oszillatoren auf Basis unterschiedlicher Kristallmischungen experimentell untersucht. Dabei kann eine Mischung gefunden werden, die bei 935,7 nm vac. emittiert und mit der sich alle relevanten Wellenlängen für WALES adressieren lassen. Darüber hinaus wird ein Nd:YGG-Demonstrator bestehend aus Oszillator und Verstärker bei Wellenlängen um 935,3 nm vac. im longitudinalen Einmodenbetrieb realisiert und analysiert. Hiermit kann bei einer Wiederholrate von 100 Hz eine Pulsenergie von 30,5 mJ bei einer Pulsdauer von 52,5 ns, einer Strahlqualität von M2<1,4 und einer spektralen Reinheit von <99,996% erzielt werden. Dabei werden alle für ein Wasserdampf-DIAL-System relevanten Strahleigenschaften nachgewiesen. Darüber hinaus kann System durch das DLR-IPA erfolgreich bei bodengestützten Wasserdampfdichtemessungen in der Atmosphäre eingesetzt werden. Bei den Oszillatoren und der Verstärkerstufe wird eine optisch-optische Effizienz von maximal 10% bzw. 3,2% (Pumplicht zu Laserlicht) erreicht. Bei diesem ersten Versuch, Licht mit dem neuartigen Lasermaterial zu erzeugen, werden mit dem Oszillator-Verstärker-Aufbau Effizienzen erreicht, die dem Stand der Technik entsprechen bei gleichzeitig verbesserten spektralen Eigenschaften. Die hohen Effizienzen der Oszillatoren zeigen darüber hinaus das Potential, auf Basis dieses Konzeptes optimierte Strahlquellen sowohl für zukünftige flugzeug- wie satellitenbasierte Wasserdampf-DIAL-Systeme zu entwickeln. Hierbei sind hohe Effizienzen und Kompaktheit Voraussetzung für die Machbarkeit einer entsprechenden Mission.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Löhring, Jens

Gutachterinnen und Gutachter

Poprawe, Reinhart

Identifikationsnummern

  • URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-39360
  • REPORT NUMBER: RWTH-CONV-124484