Ανάπτυξη διάταξης με Laser υπέρλεπτης φασματική γραμμής για ατμοσφαιρική επισκόπηση σε παρατηρητήρια κοσμικών ακτινών υπερύψηλων ενεργειών

Abstract

Μεγάλο επιστημονικό ενδιαφέρον στον τομέα της αστροφυσικής υψηλών ενεργειών παρουσιάζουν τα τελευταία χρόνια οι κοσμικές ακτίνες υπερ-υψηλών ενεργειών και οι ακτίνες γ πολύ υψηλών ενεργειών. Κατά την είσοδο των ενεργειακών αυτών σωματιδίων στην ατμόσφαιρα της γης προκαλούνται εκτεταμένοι ατμοσφαιρικοί καταιγισμοί δευτερογενών σωματιδίων. Για την εκτίμηση της ενέργειας, της ροής και της κατεύθυνσης εισόδου των κοσμικών ακτίνων στην ατμόσφαιρα, έχουν αναπτυχθεί ή βρίσκονται στην φάση του σχεδιασμού, μεγάλα πειράματα, όπως το παρατηρητήριο Pierre Auger και το πρόγραμμα Cherenkov Telescope Array, τα οποία χρησιμοποιούν εκτεταμένες συστοιχίες ανιχνευτών εδάφους και μεγάλα τηλεσκόπια Cherenkov και ατμοσφαιρικού φθορισμού, για την καταγραφή των καταιγισμών. Μεταβολές στην διαπερατότητα της ατμόσφαιρας λόγω νεφών, αερολυμάτων κ.α., επηρεάζουν σημαντικά της μετρήσεις στα πειράματα αυτά, κάνοντας απαραίτητη της συνεχή ατμοσφαιρική επισκόπηση. Εξέχουσα θέση στην εκτίμηση των ιδιοτήτων της συνεχώς μεταβαλλόμενης ατμόσφαιρας έχουν τα συστήματα LIDAR.

Η παρούσα διατριβή εντάσσεται στα πλαίσια της έρευνας του ΕΜΠ για την ανάπτυξη προτύπου συστήματος LIDAR υψηλής φασματικής διακριτικής ικανότητας (High Spectral Resolution LIDAR, HSRL) με στόχο την βελτίωση της ακρίβειας προσδιορισμού των ατμοσφαιρικών παραμέτρων σε πειράματα κοσμικών ακτίνων. Στα πλαίσια αυτά έγινε μελέτη των χρονικών, χωρικών και φασματικών ιδιοτήτων της δέσμης του laser προκειμένου να εφαρμοστεί στον πομπό του HSRL και αναπτύχθηκε πειραματική διάταξη παλμικής οπτικής ενίσχυσης ενός SLM Nd:YVO4 παλμικού laser χαμηλής ισχύος. Η αρχιτεκτονική της διάταξης βασίζεται στην πλευρική οπτική άντληση (side-pumping) κρυστάλλου Nd:YVO4 με διπλό πέρασμα της δέσμης του laser από τον κρύσταλλο και ολική ανάκλαση στην επιφάνεια οπτικής άντλησης του κρυστάλλου. Για τον σχεδιασμό και την μελέτη της διάταξης αναπτύχθηκε κώδικας προσομοίωσης της διάδοσης φωτεινών παλμών σε ενεργούς κρυστάλλους. Μελετήθηκαν και αναπτύχθηκαν συστήματα στήριξης των στοιχείων της διάταξης και κύκλωμα νερού για την αποτελεσματική απαγωγή της θερμότητας απο τον ενεργό κρύσταλλο, το laser και την πηγή οπτικής άντλησης. Μελετήθηκαν και εφαρμόστηκαν πειραματικές μέθοδοι χαρακτηρισμού της φασματικής σταθερότητας, του φασματικού εύρους και της εγκάρσιας διατομής της δέσμης του laser στην περιοχή του ενεργού κρυστάλλου αλλά και μέθοδοι χαρακτηρισμού της πηγής οπτικής άντλησης του κρυστάλλου. Παράλληλα αναπτύχθηκαν και εφαρμόστηκαν πειραματικές μέθοδοι για τον χαρακτηρισμό της επιπεδότητας, της παραλληλίας και της ακριβούς απόστασης των κατόπτρων συμβολομέτρων Fabry-Perot, τα οποία αποτελούν συστατικά στοιχεία του δέκτη του HSRL. Για την επεξεργασία των εικόνων συμβολής των συμβολομέτρων Fabry-Perot αναπτύχθηκε κατάλληλος κώδικας.

The field of Ultra High Energy Cosmic Rays (UHECR) and Very High Energy Gamma Rays (VHEγR) has gained scientific interest in the recent years. While these highly energetic particles penetrate the earths atmosphere they produce a cascade of interactions forming extensive air-showers (EAS) of secondary particles. Large experiments like Pierre Auger Observatory or Cerenkov Telescope Array (CTA), employing extended surface detectors, large imaging Cherenkov Telescopes and atmospheric fluorescence detectors to record EAS, have been developed or are in the design process. The signal received by the detectors is strongly dependent to the atmosphere's transparency witch alters significantly with time due to clouds, haze or aerosols. Thus the constant atmospheric monitoring is of great importance in UHECR and VHEγR experiments. One of the most efficient technique for atmospheric monitoring is the LIDAR technique.

The current thesis is part of the research of NTUA for the development of a prototype High Spectral Resolution LIDAR (HSRL) to monitor the atmospheric transparency in cosmic ray experiments. In this framework, temporal, spacial and spectral characteristics of the laser beam to be used in the HSRL's emitter have been studied and accounted for the development of a pulsed SLM Nd:YVO4 Master Oscillator Power Amplifier (MOPA). The architecture of the optical amplifier is based on a double pass side-pump configuration with internal reflection of the beam on the pump surface of an Nd:YVO4 active crystal. A code simulating the propagation of optical pulses through active crystals has been developed for the optical amplification design process and the further study of the experimental setup. Mounting and heat extraction systems have been studied and developed and a number of laser characterization methods have been realized. Furthermore, experimental methods for Fabry-Perot interferometer plates flatness, parallelism and exact spacing determination have been developed and applied, and a dedicated code for fringe image processing has been written.