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

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 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. Ein verstarkungsgeschalter leistungsstarker monofrequenter Ti:Saphir-Laser, der mit einem frequenzverdoppeltem diodengepumpten Nd:YAG Laser gepumpt ist, wurde entwickelt. Der Laser erfullt die hohen Anforderungen eines Transmitters fur ein Wasserdampf-Differential-Absorption-Lidar (DIAL), der mit hoher zeitlicher und raumlicher Auflosung Messungen innerhalb der Troposphare durchfuhren soll. Fur die Entwicklung des Lasers wurden Modelle fur die thermischen Eigenschaften, das Resonatordesign, das Emissionspektrum sowie den Pulsaufbau verwendet. Es wurden Laseraufbauten gefertigt, die fur den Einsatz bei 935 nm fur Flugzeug-Plattformen bzw. 820 nm fur bodengestutzte Messungen optimiert sind. Ein doppelbrechender Filter und ein External-Cavity-Diodenlaser als Injection-seeder sorgen fur die hohe Gute der spektralen Eigenschaften des Senders. Mit einer Frequenzstabilitat 99,7 % ist der Gesamtfehler der Wasserdampfmessungen in der Troposphare, 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 hochsten, die von einem monofrequenten Ti:Saphir-Laser mit nahezu gaussformigem Strahlprofil und M2 < 2 erreicht wurden. Als Teil eines bodengestutzten Wasserdampf DIALs, wurde der Transmitter wahrend der Messkampagne COPS (Convective and Orographically-induces Precipitation Study) verwendet. Vergleiche von Messungen bei Tag und bei Nacht mit Radiosondenaufstiegen zeigten gute Ubereinstimmungen.