Raman LIDAR Link Budget and Components

Abstract

Anglés: Ground-based Cherenkov telescopes of the Imaging Atmospheric Cherenkov Telescope (IACT) class observe cosmic gamma-rays by collecting the Cherenkov light formed in atmospheric electromagnetic showers initiated by primary gamma-ray impinging onto the top Earth atmosphere. The reconstructed energy of the cosmic gamma-ray is affected by the electromagnetic shower development in the atmosphere. Different atmospheric conditions (haze, cloud, etc) can affect the energy reconstruction and thus the overall performance of the telescope. LIDAR (light detection and ranging) are devices that are able to measure various atmospheric parameters in range of altitudes. They are constituted by a laser emitting toward the atmosphere, a telescope collecting the backscattered LIDAR light, an optical system to separate and focus different return wavelengths and a read-out system. Two instituted in Barcelona: the Institut de Física d'Altes Energies (IFAE) and the Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) are developing a LIDAR optimized for usage for IACTs to monitor and measure the atmosphere at the telescope site and reduce the uncertainties in the energy reconstruction. In this thesis, a full link-budget analysis of this LIDAR is presented, discussing the effects that different choices for the LIDAR subsystems (photomultipliers, filters bandwidth, etc) have on the LIDAR response in terms of maximum range, integration time, and signal-to-noise ratio. This study allowed to finalize the LIDAR design layout and characterize its performance. In addition, a full simulation based on the software ZEMAXTM of the polychromator system is presented. In this part, a collimating system has been design to allow for a 2- or 3-channels read-out configuration. Commercial solutions for lenses, mirror and filters are also discussed. As a result of this part, we show that a simple collimating system is working for up to 3 channels while additional read-out channels would require a more sophisticate design.

Castelano: Los telescopios Cherenkov (IACTs) observan rayos gamma detectando la cascada electromagnética de luz Cherenkov que se produce cuando un rayo gamma incide en la atmósfera. La detección y posterior reconstrucción de esta cascada puede verse afectada por diferentes condiciones atmosféricas. Los sistemas LIDAR (light detection and ranging) son dispositivitos capaces de obtener diferentes parámetros atmosféricos a diferentes alturas. Están formados principalmente por un LASER que apunta a la atmósfera, un telescopio que recoge la luz reflejada, un sistema óptico para separar la luz por las diferentes longitudes de onda y un sistema de lectura y almacenamiento de datos. El Institut de Física d'Altes Energies (IFAE) y la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) están desarrollando un sistema LIDAR que situados junto a los IACTs caracterizarán la atmósfera y permitirán disminuir las incertidumbres en la reconstrucción de las cascadas electromagnéticas. En esta tesis se presenta un análisis completo del balance de potencia del LIDAR. Derivado de este análisis, se discuten varias opciones para los componentes (fotomultiplicadores, filtros de interferencia, etc) y su repercusión en el alcance máximo, el tiempo de integración y la relación señal ruido. Este estudio ha permitido finalizar el diseño del LIDAR y predecir sus prestaciones. También se presenta el diseño teórico del policromador, simulado con ZEMAX, que está formado por un sistema de colimación que admite la lectura de hasta 3 canales.

Català: Els telescopis Txerenkov (IACTs) observen rajos gamma detectant les cascades lectromagnètiques de llum Txerenkov que es produeixen quan un raig gamma incideix en la atmosfera. La detecció i posterior reconstrucció de aquestes cascades poden veure's afectades per diferents condicions atmosfèriques. Els sistema LIDAR (light detection and ranging) son dispositius que permeten obtenir paràmetres atmosfèrics a diferents alçades. Estan formats principalment per un LASER que apunta en la direcció de la atmosfera, un telescopi que recull la llum reflexada, un sistema óptic que permet separar la llum segons la longitud d'ona y un sistema de lectura i emmagatzematge de dades. El Institut de Física d'Altes Energies (IFAE) i la Universitat Autònoma de Barcelona (UAB) estan desenvolupant un sistema LIDAR que situat a prop dels telescopis Txerenkov caracteritzaran l'atmosfera i permetran disminuir les incerteses a l'hora de reconstruir les casades electromagnètiques. En aquesta tesis es presenta un anàlisis complet del balanç de potències del LIAR. Derivat d'aquest, es discuteixen varies opcions per al muntatge (fotomultiplicadors, filtres d'interferència, etc) i la seva repercussió distancia màxima i temps d'observació, i sobre la relació senyal soroll. Aquest estudi ha permès finalitzar el disseny del LIDAR i predir les seves prestacions. També es presenta el disseny teòric del policromador, simulat amb ZEMAX, que és format per un sistema de col·limació que admet la lectura de fins a 3 canals.