PRUEBAS DE DISPERSIÓN DE LUZ LÁSER POR PARTÍCULAS ATMOSFÉRICAS SOBRE LA CIUDAD DE CALI

REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 38, No. 2. 2006

PRUEBAS DE DISPERSIÓN DE LUZ LÁSER POR PARTÍCULAS ATMOSFÉRICAS SOBRE LA CIUDAD DE CALI Elena Montilla-Rosero, Carlos Galíndez, Efraín Solarte Rodríguez Grupo de Óptica Cuántica, Departamento de Física, Universidad del Valle, Cali, Colombia, A. A. 25360 (Recibido 01 de Sep.2005; Aceptado 08 de Mar. 2006; Publicado 16 de Jun. 2006) RESUMEN Se diseñó y se calibró la óptica de envío y recolección del haz láser de un sistema de LIDAR monostático destinado a estudios de la contaminación causada por desechos industriales en la atmósfera baja de la ciudad de Cali. El sistema de inyección utiliza el haz de un láser de Nd-Yag @532 nm, que es expandido por un sistema telescópico y dirigido por espejos para ser enviado a la atmósfera en la dirección del eje óptico del telescopio receptor. El sistema óptico de recolección se compone de un conjunto de lentes, que recibe la luz recogida por un telescopio newtoniano de 6 pulgadas, a través de una apertura fija y un filtro de interferencia y la acopla a un cordón de fibra que transporta la señal hasta el detector. Se presentan los espectros de la luz colectada proveniente de las partículas suspendidas en la atmósfera, utilizando el montaje básico de un sistema LIDAR elástico y un espectrofotómetro para su detección.

Palabras claves: LIDAR, dispersión LASER, estudios atmosfericos

ABSTRACT The transmission and reception optics for a monostatic LIDAR was designed and calibrated at the Universidad del Valle. The system is designed to study the air contamination caused by industrial fumes and aerosols in the low atmosphere of Cali city. The injection system uses a Nd-Yag @532 nm laser beam, which is expanded by a telescopic system and directed by mirrors into the atmosphere, in the direction of the receiving telescope optical axis. The reception optical system is conformed by a lens, which receives the light captured by a Newtonian telescope 6”, through a fix opening and a small band interference filter, a second lens focuses the light into an optical fiber which transports the signal to the detector. In this work we present of spectrum of the collected light originating of particles suspended in the low atmosphere, using the basic elastic LIDAR system and spectrometer for their detection.

Keywords: LIDAR, LASER dispersion, atmospheric research.

1. Introducción El estudio del problema de la contaminación atmosférica a nivel global se ha convertido en un tópico fundamental de la investigación teórica y aplicada. Una de las razones es que en las últimas décadas se han realizado grandes campañas de medición en Tierra y en el espacio que han mostrado que las actividades humanas están cambiando la composición de la atmósfera. Por este motivo en la Universidad del Valle se está construyendo un equipo activo de sensa798

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do remoto tipo LIDAR (Light Detection And Ranging), destinado a complementar la información proporcionada por sistemas pasivos de monitoreo ambiental. Este sistema permitirá obtener una aproximación real al problema de contaminación atmosférica local, que es muy importante dada la ubicación geográfica de la ciudad de Cali y su condición de huésped de una de las más grandes e importantes áreas industriales del país. En la primera etapa de construcción se caracterizó la fuente de emisión, se diseñó, construyó y probó la óptica de envío y recolección de la luz láser, Este trabajo constituye un aporte al desarrollo de la técnica Lidar en el país y en la consolidación de nuevos métodos y técnicas para el estudio de la contaminación atmosférica. 2. Descripción del sistema Lidar El micro Lidar elástico atmosférico construido tiene una configuración monostática y coaxial, que utiliza como fuente emisora un láser de Nd-Yag, (BWT 50-E-53769 de B&W Tek. Inc.), que opera en modo continuo (CW), y emite en la región visible del espectro electromagnético a una longitud de onda de 532 nm con una potencia óptica de salida de 50 mW. El sistema de inyección del haz láser se muestra en la Figura 1. En este sistema se utilizan dos lentes para expandir y colimar el haz y así incrementar el ancho del haz en 2X disminuyendo proporcionalmente su divergencia angular. Luego, se dirige al espejo emisor, ubicado de forma que se alinea sobre el eje del telescopio, para conseguir la máxima eficiencia en el factor de solapamiento entre el diámetro del haz de salida y el campo de visión (FOV) del telescopio. E.R

θ

L

A.S

A.S

Láser

L

Detección y Registro

Nd-YAG LASER

L = Lente θ = 45 ° E.R = Espejo Reflector A.S = Anillo Sujetador

(a)

(b)

Figura. 1. Diseño del sistema de inyección vertical del haz Láser en la atmósfera; (a) Esquema general del sistema y detalle de la óptica, (b) Fotografía de sistema construido.

El sistema óptico de recolección de la luz retrodispersada consta de un telescopio Celestron de 6”, y un sistema que enfoca la radiación en una fibra óptica para conducirla hasta el tubo fotomultiplicador (PMT). Este telescopio tiene una apertura de 152 mm, un foco de 1220 mm, una magnificación de 78 y un FOV de 5.9 mrad; un ocular que consta de una lente semies799

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férica y la micro lente de la fibra óptica, la fibra utilizada es monomodo y tiene 200 µm de diámetro. Además se incluye entre estas lentes un filtro de interferencia (FI) de 532 nm que bloquea el ruido de fondo generado por otras fuentes de luz. También se incluye un diafragma de 5 mm para reducir la cantidad de luz que llega a la microlente de la fibra óptica y evitar la saturación del tubo fotomultiplicador o el espectrómetro, según se requiera. El diseño realizado se presenta en la Figura 2. Lente Filtro de Interferencia

Diafragma Microlente

Acople con la Fibra Óptica

Detección y Registro 3,15 cm

0,835 cm

Telescopio

(b)

(a)

Figura 2. Diseño de la óptica de recolección de la luz láser retrodispersada; (a) Posición en el esquema general, (b) Detalle del sistema óptico.

3. Prueba de la Óptica de envío y recolección de la luz láser retrodispersada Antes de probar el diseño de la óptica, se realizó la caracterización del filtro de interferencia para corroborar su espectro de transmisión obteniéndose un ancho de banda de 534 nm. Posteriormente se realizó el montaje básico de un sistema Lidar elástico, es decir, se hizo pasar el haz de luz láser a través de la óptica de envío que lo colima (diámetro de 10 mm) para luego dirigirlo hacia la atmósfera, luego se enfocó la luz retrodispersada por las partículas atmosféricas en el ocular que contiene la óptica de recolección para detectarla con el espectrómetro Ocean Optics SD2000. Se obtuvieron los espectros de la Figura 3, en la cual se compara el espectro tomado con el montaje descrito, con el espectro tomado sin el filtro de interferencia, para notar el incremento en la intensidad de la señal detectada. 4. Conclusiones y perspectivas Se probó satisfactoriamente el diseño de los sistemas ópticos de envío y recolección de la luz láser, la óptica de recolección minimiza las pérdidas de energía y de información, y permite una adquisición con menor ruido. Este trabajo se constituye en el inicio de la técnica Lidar en la Universidad del Valle, y es además, un aporte dentro de la promoción de divulgación para utilizar esta técnica en el país. Por lo tanto, se prevé continuar con el proyecto para completar la puesta en funcionamiento del sistema de conteo de fotones, de almacenamiento de la señal y de comunicación con el PC, que permita determinar con exactitud la ubicación del volumen sensado en la troposfera. Además, el empleo de un shutter ferroeléctrico, (FLC: Ferroelectric Liquid Crystal) para producir pulsos de luz, con una frecuencia de repetición (PRF) de 7 KHz, que permitirá una mayor eficiencia de detección y control sobre el rango de barrido en la atmósfera. 800

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También, se proyecta el desarrollo de los algoritmos de cálculo de los coeficientes de atenuación y absorción de los aerosoles presentes en la troposfera sobre la ciudad de Cali, para proporcionar una aproximación más real al modelo de contaminación atmosférica y así determinar nuevas políticas de control ambiental.

(a) (b) Figura 3. Señal luminosa detectada del sistema Lidar elástico; (a) sin filtro, (b) con Filtro. Se muestra además el a juste del pico a una gaussiana.

Agradecimientos: Los autores agradecen el apoyo del Instituto Colombiano para el Desarrollo de la Ciencia y Tecnología “Francisco José de Caldas” COLCIENCIAS, a través del programa Jóvenes Investigadores, y a la Universidad del Valle, por su apoyo económico y técnico a este proyecto. Referencias [1] Álvaro E. Bastidas G, “Construcción y montaje de un Lidar elástico aplicado al estudio de partículas atmosféricas en suspensión y la contaminación atmosférica en la región del Cauca”, Tesis Doctoral, Universidad del Valle, 2004. [2] Raymond M. “Measures, Laser remote sensing, Fundamentals and applications”, Wiley-Interscience publication, 1984. [3] Luca Panno, « Développement d’un micro Lidar dédié aux mesures des propriétés optiques des aérosols dans la couche limite planétaire », Travail de Diplôme, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, 2003.

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