Design und Charakteristik eines satellitentauglichen optisch-parametrischen Oszillators im nahen Infrarot

Aachen (2018) [Doktorarbeit]

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Kurzfassung

Im Rahmen der deutsch-französischen Klimamission MERLIN soll zur Überprüfung und Verbesserung von vorhandenen Klimamodellen die Methankonzentration in der Erdatmosphäre mit einer globalen Abdeckung gemessen werden. Der große Vorteil des satellitengestützten LIDAR-Messsystems von MERLIN gegenüber bereits vorhandenen Systemen ist die aktive Messung, mit dem auch ohne externe Lichtquellen wie Sonne und Sterne und durch dünne Wolken hindurch gemessen werden kann. Bei dem IPDA LIDAR-Verfahren werden zwei Laserpulse kurz hintereinander emittiert. Der erste dieser Pulse ist bei der online-Wellenlänge, einer Absorptionslinie von Methan bei 1645,55 nm. Der zweite Puls ist bei 1645,85 nm, da bei dieser Wellenlänge die Absorption in der Atmosphäre besonders gering ist. Aus der Differenz der zurückgestreuten Signale wird die Methankonzentration in der Messsäule bestimmt. Bisher existieren keine Laserstrahlquellen, die bei den benötigten Wellenlängen die Anforderungen erfüllen insbesondere hinsichtlich der erforderlichen Pulsparameter (9 mJ,15 ns,2x20 Hz), der Strahlqualität sowie der spektralen Breite und Reinheit. Deshalb wird in MERLIN zur Erzeugung ein Nd:YAG-Oszillator-Verstärker-System mit einem optisch-parametrischen Oszillator (OPO) zur Frequenzkonversion eingesetzt. Die optischen Ausgangsparameter des OPO wurden teilweise bereits z. B. im Rahmen der luftgestützten CHARM-F-Mission des DLR-IPA gezeigt. Für den Einsatz auf einem Satelliten gelten jedoch zusätzliche Anforderungen an die Konversionseffizienz sowie die mechanische und thermische Stabilität. Am Fraunhofer ILT wurde daher eine neuartige Montagetechnologie mit gelöteten Optikhaltern entwickelt, die für den Einsatz in anspruchsvollen Umgebungen geeignet ist. Im Rahmen dieser Arbeit wird eine Justagestrategie erarbeitet, mit der auf Basis der neuen Montagetechnologie ein OPO aufgebaut wird, der die optischen und mechanischen Anforderungen für den satellitengestützten Einsatz erfüllt. Die Herausforderung resultiert aus der Tatsache, dass durch die Verwendung der neuen Montagetechnologie die Justagefreiheitsgrade beim Aufbau einer Strahlquelle deutlich eingeschränkt werden. Zunächst wird das optische Design des OPO mithilfe einer numerischen Simulation optimiert. Anschließend wird mit einem experimentellen Aufbau, der am ermittelten Arbeitspunkt betrieben wird, gezeigt, dass die Anforderungen an die Sollwerte der optischen Ausgangsparameter erfüllt werden. Die numerische Simulation wird um die Justagegrößen des OPO erweitert und hinsichtlich der verlässlichen Vorhersage von Justageeinflüssen verifiziert. Mithilfe der verifizierten Simulation werden die Einflüsse aller Justagegrößen auf die Konversionseffizienz untersucht. Anschließend werden paarweise die Kopplungen der Justageparameter quantifiziert und daraus eine Aufbau- und Justagestrategie abgeleitet. Diese Justagestrategie wird beim Aufbau von zwei OPO-Testmodulen auf Basis der neuen Montagetechnologie mit gelöteten Optikhaltern experimentell umgesetzt. Abschließend werden die Auswirkungen von thermischen und mechanischen Belastungen auf die optischen Ausgangsparameter berechnet und daraus Toleranzanforderungen für die Optikhalter abgeleitet.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Livrozet, Marie Jeanne

Gutachterinnen und Gutachter

Poprawe, Reinhart
Nolte, Stefan

Identifikationsnummern

  • REPORT NUMBER: RWTH-2018-228080

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