Des télescopes LiDAR sophistiqués mesurent la vapeur d'eau
BONNE AMBIANCE
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L'effet de serre naturel a toujours déterminé notre climat et joué un rôle important dans l'habitabilité de notre planète. La température moyenne à la surface de la Terre est actuellement de 14°C, ce qui crée des conditions optimales pour la vie végétale et animale. Cet effet est dû en grande partie (environ 60 %) à la vapeur d'eau contenue dans l'atmosphère. Avec d'autres gaz comme le dioxyde de carbone (CO2) et le méthane (CH4), elle réfléchit le rayonnement thermique de la planète et l'empêche de "disparaître" dans l'espace. Sans cet effet, la température moyenne sur Terre serait d'environ -18°C. Cependant, la vapeur d'eau joue un autre rôle crucial dans l'effet de serre, à savoir l'effet de rétroaction de la vapeur d'eau. Il s'agit de l'effet par lequel plus l'atmosphère terrestre se réchauffe, plus elle peut absorber de vapeur d'eau. Cela augmente la réflexion de la chaleur et l'atmosphère se réchauffe encore plus. Les scientifiques supposent qu'un "effet de serre galopant" similaire s'est produit sur Vénus il y a des millions d'années et qu'il est à l'origine des températures moyennes d'environ 440°C qui prévalent aujourd'hui en raison de l'atmosphère particulièrement dense de notre planète voisine.
LONGUEURS D'ONDE SPÉCIFIQUES
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Il est donc plus que compréhensible que les scientifiques souhaitent en savoir plus sur la vapeur d'eau présente dans notre atmosphère. Pour ce faire, ils s'appuient sur des méthodes optiques telles que le LiDAR à absorption différentielle (DIAL) et le LiDAR Raman. Contrairement aux télémètres "commerciaux" que nous avons présentés dans les numéros précédents (par exemple, Photonics News 80, 84 et 85), ces deux technologies sont capables, entre autres, de déterminer la concentration de certaines substances. Pour ce faire, DIAL envoie simultanément dans l'atmosphère deux faisceaux laser dont les longueurs d'onde sont très proches. La première longueur d'onde - dite "longueur d'onde en ligne" - est choisie de manière à être absorbée le plus fortement possible par la molécule à mesurer. Son homologue, la "longueur d'onde hors ligne", est absorbée le moins possible, et idéalement pas du tout. Elle sert de valeur de référence pour la mesure. La différence entre les composantes de la lumière réfléchie permet de calculer la densité de gaz de la molécule recherchée. Étant donné que les longueurs d'onde correspondent exactement au comportement d'absorption d'une molécule spécifique, cette méthode ne peut être utilisée que pour mesurer un gaz spécifique (par exemple, la vapeur d'eau). En outre, des conditions générales telles que la température diurne doivent être prises en compte dans le calcul.1
RÉFLEXIONS DÉCALÉES
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La seconde méthode est utilisée pour mesurer la diffusion Raman inélastique. Une partie de la lumière interagit avec les molécules qu'elle rencontre. Des oscillations caractéristiques se produisent dans la molécule qui renvoie la lumière à une longueur d'onde différente. Cette rétrodiffusion Raman est spécifique à chaque molécule et permet donc de tirer des conclusions sur la composition moléculaire d'une couche d'air. Contrairement à l'effet DIAL, l'effet Raman ne dépend pas de la longueur d'onde du faisceau émis. Par conséquent, toute source de lumière monochromatique suffisamment puissante pour pénétrer dans les couches supérieures de l'atmosphère peut être utilisée pour cette méthode. En outre, il faut tenir compte du fait que le signal Raman est nettement moins intense que la diffusion Rayleigh classique. Pour ces deux raisons, les lasers à courte longueur d'onde sont privilégiés dans la recherche. Ils ont à la fois une énergie élevée et l'effet que le signal Raman est plus clairement visible à des longueurs d'onde courtes.²
PERFORMANCE MAXIMALE
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Les deux méthodes ayant leurs avantages et leurs inconvénients, les meilleurs résultats peuvent être obtenus en combinant les deux. En Allemagne, plusieurs projets sont actuellement en cours pour l'observation et la surveillance à long terme de la vapeur d'eau dans l'atmosphère. L'une des stations de mesure les plus importantes est située au Schneefernerhaus, directement sous le sommet du Zugspitze, à une altitude de 2656 mètres. À cette altitude, les mesures sont moins souvent affectées par les nuages ou le brouillard. Ces couches d'air humide disperseraient trop le faisceau laser. En outre, les perturbations dues à la pollution environnementale et à d'autres particules - appelées aérosols - sont nettement moins importantes dans l'air relativement clair de la montagne. Le Karlsruhe Institute of Technology (KIT) exploite un puissant télescope DIAL sur la plus haute montagne d'Allemagne, qui peut effectuer des mesures jusqu'à une hauteur de 12 km. Pour ce faire, les scientifiques utilisent un laser Ti:saphir accordable, pompé par un laser Nd:YAG doublé en fréquence (532 nm).3 Depuis plusieurs années, l'établissement dispose d'un LiDAR Raman spécialement développé, qui fonctionne avec un laser excimer à haute énergie (308 nm).4 Ce système peut même fournir des valeurs à des hauteurs de plus de 20 km.
| 1 | mediatum.ub.tum.de/doc/1370221/857069.pdf , S.31 |
| 2 | mediatum.ub.tum.de/doc/1370221/857069.pdf , S.31f www.coherent.com/assets/pdf/COHR_case_study_LIDAR_Zugspitze_1218_German.pdf |
| 3 | web.archive.org/web/20160126073351/ imk-ifu.fzk.de/305.php www.epj-conferences.org/articles/epjconf/pdf/2018/11/epjconf_ilrc28_01027.pdf |
| 4 | www.schneefernerhaus.de/fileadmin/web_data/bilder/pdf/Wissenschaftliche_Resultate_15_16.final.pdf www.epj-conferences.org/articles/epjconf/pdf/2016/14/epjconf_ilrc2016_05008.pdf www.coherent.com/assets/pdf/COHR_case_study_LIDAR_Zugspitze_1218_German.pdf |
COURS D'UNIFORME
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The wavelengths for DIAL and Raman LiDAR are often generated by frequency doubling. For example, the frequency of an Nd:YAG laser that has a wavelength of 1064 nm is doubled by interaction with nonlinear laser materials. This corresponds to a reduction in the wavelength by half to 532 nm. The higher the intensity of the original beam, the better this transformation works. Therefore, Gaussian mirrors are often used to achieve high beam intensity and increase pump efficiency. These mirrors are also referred to as graded reflectivity mirrors (GRMs) because the degree of reflection decreases along a Gaussian curve from the center of the optics to the edge. Accordingly, the beam has a high intensity once it has passed through the optics. GRMs are always used for the monochromatic light of a certain wavelength. LASER COMPONENTS manufactures standard Gaussian mirrors for the wavelength of 1064 nm. Other wavelengths are available upon request.
QUALITÉ TESTÉE
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La production de miroirs gaussiens est très coûteuse. Le plus grand défi est la transition en douceur de la réflectivité. Il s'agit également de la caractéristique de qualité décisive d'un MRG. Un contrôle de qualité méticuleux est donc beaucoup plus important pour ces optiques que pour les miroirs et les lentilles conventionnels. C'est pourquoi cette caractéristique est examinée en plus de l'inspection habituelle des marchandises sortantes.
Le département R&D de LASER COMPONENTS a mis en place une station de mesure automatisée pour examiner chaque optique gaussienne avant qu'elle ne quitte l'usine de production. Un laser à ondes continues balaie le miroir le long de son diamètre et documente ainsi les valeurs de réflexion sur toute sa largeur. Seuls les miroirs qui répondent aux spécifications du client dans tous les critères sont livrés.
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Product selection
Les miroirs d’extrémité du résonateur sont utilisés pour générer le faisceau laser dans le résonateur.
Pentes du degré de réflexion depuis le centre de l’optique dans une répartition gaussienne. Utilisés dans les résonateurs instables.
Pentes du degré de réflexion depuis le centre de l’optique dans une répartition gaussienne. Utilisés dans les résonateurs instables.
Zur optimalen EInkopplung der Pumpleistung in den resonator.
Coupleurs de sortie et séparateurs de faisceaux munis d’un revêtement à forte puissance ou d’un revêtement CW/FS. Angle d’incidence défini par l’utilisateur.
LASER COMPONENTS Germany - Votre partenaire compétent pour les composants optiques et optoélectroniques en Allemagne.
Bienvenue chez LASER COMPONENTS Germany GmbH, votre expert en composants photoniques. Notre large gamme de produits (détecteurs, diodes laser, modules laser, optiques, fibres optiques et autres) vaut chaque Euro (€/EUR). Nos solutions sur mesure couvrent tous les domaines d'application imaginables : de la technique de détection à la technique médicale. Vous pouvez nous joindre ici :
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