A high-power laser transmitter for ground-based and airborne water-vapor measurements in the troposphere

Schiller, Max

Doctoral Thesis

2009

A high-power laser transmitter for ground-based and airborne water-vapor measurements in the troposphere

Schiller, Max

Schiller_thesis_eng.pdf (6.5 MB)

Abstract (English)

A gain-switched high-power single-frequency Ti:sapphire laser was developed. It is pumped with a frequency-doubled diode-pumped Nd:YAG laser. The laser fulfills the requirements for a transmitter of a water-vapor differential absorption lidar (DIAL), intended for accurate high temporally- and spatially-resolved measurements from the ground to the upper troposphere. The laser was developed using thermal, resonator-design, spectral, and pulse-evolution models. There were layouts assembled for operation at 935 nm and 820 nm optimized for airborne and groundbased measurements, respectively. A birefringent filter and an external-cavity diode laser as an injection seeder are controlling the spectral properties of the transmitter. With a frequency stability of < 60 MHz rms, an emission bandwidth of < 160 MHz, and a spectral purity of > 99.7 %, the total error from the laser properties is smaller than 5 % for water-vapor measurements in the troposphere. The laser beam profile is near-Gaussian with M2 < 2. The achieved laser power was 4.5 W at 935 nm and 7 W at 820 nm at repetition rate of 250 Hz. These values are the highest reported for a single-frequency Ti:sapphire laser. As a part of a ground-based water-vapor DIAL system, the transmitter was deployed during the measurement campaign COPS (Convective and Orographically-induces Precipitation Study). Comparisons with radiosondes confirmed a high precision of the acquired water-vapor day- and nighttime measurements.

Abstract (German)

Ein verstärkungsgeschalter leistungsstarker monofrequenter Ti:Saphir-Laser, der mit einem frequenzverdoppeltem diodengepumpten Nd:YAG Laser gepumpt ist, wurde entwickelt. Der Laser erfüllt die hohen Anforderungen eines Transmitters für ein Wasserdampf-Differential-Absorption-Lidar (DIAL), der mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung Messungen innerhalb der Troposphäre durchführen soll. Für die Entwicklung des Lasers wurden Modelle für die thermischen Eigenschaften, das Resonatordesign, das Emissionspektrum sowie den Pulsaufbau verwendet. Es wurden Laseraufbauten gefertigt, die für den Einsatz bei 935 nm für Flugzeug-Plattformen bzw. 820 nm für bodengestützte Messungen optimiert sind. Ein doppelbrechender Filter und ein External-Cavity-Diodenlaser als Injection-seeder sorgen für die hohe Güte der spektralen Eigenschaften des Senders. Mit einer Frequenzstabilität < 60 MHz rms, einer Bandbreite < 160 MHz und einer spektralen Reinheit > 99,7 % ist der Gesamtfehler der Wasserdampfmessungen in der Troposphäre, der durch die Eigenschaften des Lasers bedingt ist, kleiner als 5 %. Werte der mittleren Ausgangsleistung von 4,5 W bei 935 nm und 7 W bei 820 nm sind die zur Zeit höchsten, die von einem monofrequenten Ti:Saphir-Laser mit nahezu gaussförmigem Strahlprofil und M2 < 2 erreicht wurden. Als Teil eines bodengestützten Wasserdampf DIALs, wurde der Transmitter während der Messkampagne COPS (Convective and Orographically-induces Precipitation Study) verwendet. Vergleiche von Messungen bei Tag und bei Nacht mit Radiosondenaufstiegen zeigten gute Übereinstimmungen.