ホワイトペーパー
ドイツトップでの大気研究：ズグスピッツェ山
図1. シュニーフェルナーハウス研究ステーション、ズグスピッツェの南側（2680 m）。写真クレジット：Hannes Vogelmann。
変性UVレーザシステムによりリモートラマンセンシングが可能
10 kmを超える場所でも、大気水蒸気をライダーで定量的に測定する重要な目標は、レーザパルスのラマン後方散乱によって動作範囲を拡張するために、高出力の紫外線レーザが必要です。ドイツのガルミシュ・パルテンキルヒェンにあるカールスルーエ工科大学（KIT）の研究者らは、Coherentの350ワットの産業用XeClエキシマレーザを修正し、より大きな信号収集光学系と組み合わせて、既存のNd:YAGベースのラマンライダー装置と比較してシステムのS/Nを約40倍増加させました。ドイツのツグスピッツェ山にあるシュニーフェルナーハウス観測ステーション（UFS）の2675 mの研究室（2962 m）から、現在、20 kmの高さまでの水蒸気を定量的に測定し、データ取得時間を10X短縮しています。
水蒸気は、非常に不均一で動的な分布を持つ主要な大気成分です。よりよく理解し、気象現象や気候変動を予測するために、科学者は、ライダー法の使用を示唆する水蒸気分布をほぼリアルタイムで測定する必要があります。この測定値は、気候に関連する上方方体（高度約12 kmまで）と隣接する下層圏を意味する必要があります。これらの要件は、レーザ光源と後方散乱放射線の検出システムの両方にとって大きな課題であることを意味します。
"科学者は、水蒸気分布をほぼリアルタイムで測定する必要があり、これはライダー法の使用を示唆しています。"
空中（バルーンなど）機器や高高度気象測定ステーションに加えて、大気種の遠隔測定にはさまざまな分光ベースの方法があります。KITのThomas Trickl氏とHannes Vogelmann氏は、さまざまな種に対応するいくつかのレーザベースのシステムを開発し、最適化しています。UFSでは、差動吸収ライダー（DIAL）と高出力ラマンライダーの両方を水蒸気測定用にセットアップしました。
DIALは、2つの近接間隔波長で後方散乱強度を比較するレーザベースの方法です。ここでは、1つの近赤外（817 nm）H2O吸収線のオン共振またはオフ共振のいずれかです。このシステムは、最大250 mJのパルスエネルギーと直径0.65 mのニュートン望遠鏡を備えた狭帯域Ti:サファイアレーザシステムに基づいています[1]。これらの仕様により、DIALシステムの最大範囲は約12 kmです。
より高い高度に達するためには、対極圏におけるレーザ放射の吸収を最小限に抑える必要があります。これは、ストークスシフトラマン後方散乱に基づくラマンライダーシステムの場合です。ラマン散乱強度は波長（1/λ4）に強く非線形逆依存するため、検出範囲を最大化するには、高いパルスエネルギーを持つ紫外線レーザが推奨されます。RO振動ラマン水蒸気スペクトルの狭いQ回転分岐が使用され、検出システムの0.75 nm干渉フィルターによって完全に選択されます。すべてのレーザ光源は、効率的な信号識別を可能にするために安定した単線出力を提供する必要があります。また、ラマン信号は偏光に依存するため、線形偏光ビームは定量的リモートデータを提供するのに最適です。
これらの理由から、レーザの一般的な選択肢は、355 nmの出力と数ナノ秒のパルス持続時間を持つ周波数トリプルQスイッチNd:YAGレーザです。これらのレーザは、平均紫外線出力約18 Wで市販されています。これにより、約20 kmの典型的な最大範囲が得られますが、ラマン散乱の感度が非常に低いため、最大一晩の観察で平均信号が必要となり、その有用性と時間分解能が制限されます。
図2：Trickl博士（KIT）、Emmerichs博士（Coherent）、Dipl.B. Wallenta（Coherent）、Vogelmann博士（KIT） – Zugspitze山のUFSでのプロジェクト会議。UV-Coherent-Laser-Systemは、気候研究に 成功しています。写真クレジット：Coherent
この限界を克服するために、TricklとVogelmannは、はるかに 強力な紫外線レーザ 光源 を探しました。エキシマレーザは、あらゆる紫外線レーザの中で最高のパルスエネルギーと最高の出力を生成します。工業用キセノンクロリド（308 nm）レーザは、最高の出力をもたらし、シリコンバックプレーンアニーリングやレーザリフトオフ（LLO）など、ディスプレイやエレクトロニクス産業の精密材料タスクに最適化されています。パルス間のパルスエネルギーとビームの安定性に優れています。ただし、材料加工には、出力波長と線幅の厳格な制御は必要ありません。
Zugspitzeグループは、最大350 Hzの繰り返し速度で最大1ジュールのパルスエネルギーを備えたCoherent*から産業用エキシマを取得しました。その後、このレーザを修正して、ライダーに必要な狭い線幅を提供しました。Trickl氏は次のように説明しています。「私たちは、最初にレーザをカスタマイズして、発散を抑えた直線偏光単線出力パルスを得ました。具体的には、薄膜偏光子とチルト調整されたキャビティ内エタロンを挿入するためにキャビティを拡張しました。このエタロンにより、レーザバンド幅を0.036 nmまで削減できます。現在、平均出力180 Wを達成していますが、往復回数を増やすために、低損失の腔内光学系を導入し、腔を短縮することで、はるかに高い出力に達すると予想されています。さらに、直径1.5 mのミラー（図2）を使用して、大気中の水蒸気によって後方散乱された放射線を収集しているため、当社のシステムは、他の場所で使用されている355 nmの機器と比較して、S/Nの増加が約40Xになります。
ライダーの仕様は、水蒸気（温度は9）の70 年の信号ダイナミックレンジで満たされ ており、 垂直ビン（50 nsまたは7.5 m）と時間あたり0～3カウントの光子バックグラウンドを示しています。Trick lと Vogelmannは、1時間で水蒸気を高度20 kmまで測定でき 、垂直分解能は最高高度で400 mに達します （図 3）。
副産物として、システムは、ほぼ90 kmの高度まで温度 測定値を生成します（図4）。 温度は、 後方散乱信号を制御する大気密度 から標準手順で導出されます。
図3
"キャビティを拡張して、薄膜偏光子とチルト調整されたキャビティ内エタロンを挿入しました。"
図4
参考文献:
[1] H. VogelmannとT. Trickl、高高度ステーションでの微分吸収ライダー（DIA L）によるフリートロ低圏水蒸気の広域サウンディング、
適用 オプション 47 (2008), 2116-2132
[2] L. Klanner、K. Höveler、D. Khordakova、M. Perfahl、C. Rolf、T. Trickl、H. Vogelmann、1時間の測定が可能な強力なライダーシステム
対流圏と下層圏の水蒸気は、上層圏と中球、アトモスの温度と同じくらいです。Meas. 技術
14 (2021), 531-555
ご参考のお客様への特別な感謝：キット：Vogelmann博士、[email protected]、Trickl博士