تکنیک لیدار رامان از پراکندگی ناکشسان (inelastic) ضعیف نور توسط مولکول‌های هوا جهت شناسایی آن‌ها استفاده می‌کند.[1] تحریک انواع ترازهای مولکولی ارتعاشی و چرخشی با استفاده از منابع نوری با طول‌موج‌های مختلف موجب تابش رامان در انرژی‌های متفاوت و شیفت فرکانسی مشخص برای هر مولکول خاص خواهد شد. سامانه‌های لیدار رامان در دهه‌های گذشته به ابزارهایی با کاربرد گسترده در تحقیقات جوی تبدیل شده‌اند.[2]

در این سامانه‌ها انتخاب لیزر و طول‌موج خروجی آن و در طرف مقابل مشخصات طول‌موجی دتکتور اهمیت زیادی نداشته و برای طول‌موج‌های مختلف می‌توان طیف رامان را ثبت نمود. البته در برخی طول‌موج‌ها به دلیل سطح مقطع جذب ضعیف، نسبت سیگنال به نویز (SNR) موجب اثرگذاری بر روی اندازه‌گیری‌ها خواهد شد. برای مدت‌های طولانی سامانه‌های لیدار رامان عمدتا در شب و تاریکی هوا استفاده می‌شدند. اما با توسعه فرستنده‌های با توان بالاتر و سیستم‌های دریافت‌کننده با رزولوشن بیشتر (پهنای طیفی اندک) امکان حذف نویزهای پس‌زمینه در نور روز نیز فراهم شد.[3]

با توجه به وابستگی طول‌موجی پراکندگی رامان به طول‌موج به نسبت عکس توان چهارم طول‌موج، با استفاده از لیزرهای با طول‌موج کمتر (فرکانس بالاتر) می‌توان سیگنالی با توان بیشتر دریافت کرد. با استفاده از لیزرهای با طول‌موج بالای 320 نانومتر می‌توان از عدم جذب نور لیزر توسط گازهای موجود در جو مخصوصا ازون مطمئن شد. با این حال استفاده از طول‌موج‌های کوجکتر از 300 نانومتر نیز دارای مزایای متعددی می‌باشد. در این  طول‌موج‌ها که به ناحیه تاریک خورشید (solar blind) معروفند، نویز پس‌زمینه به شدت کاهش یافته و امکان استفاده در نور روز را فراهم خواهد نمود.[4] البته در بازه طول‌موجی زیر 300 نانومتر به دلیل جذب توسط ازون، محدوده سنجش تا برد چند کیلومتر محدود خواهد شد.

در لیدار رامان و به دلیل سطح مقطع جذب پایین پراکندگی رامان، اولویت با شناسایی مواد با غلظت بالاتر در جو می‌باشد. این مواد عمدتا شامل اکسیژن، نیتروژن، بخار آب و … می‌باشند. البته غلظت اکسیژن و نیتروژن به عنوان گازهای پایه و اصلی در دما و فشارهای متفاوت مشخص است اما در خصوص غلظت بخار آب موجود در جو اطلاعات خاصی موجود نیست و یکی از اصلی‌ترین موضوعات در سنجش به وسیله لیدار رامان به شمار می‌رود. این تکنیک در ادامه جهت سنجش گازهای گلخانه‌ای و سایر آلودگی‌های زیستی نظیر دی‌اکسید کربن [5]، دی‌اکسید سولفور [6] و متان [7] نیز استفاده شده است

در شکل زیر یک نمونه سامانه لیدار رامان جهت سنجش رطوبت هوا در جو نشان داده شده است.

از جمله کاربردهای لیدار رامان می‌توان به تهیه پروفایل دمایی نواحی اطراف سامانه اشاره کرد. در این روش با استفاده از اندازه‌گیری غلظت گازهای اکسیژن و نیتروژن به عنوان گازهای مرجع و استفاده از شرایط وابستگی دمای غلظت این گازها به باندهای چرخشی رامان می‌توان پروفایل دمایی منطقه را حتی تا فواصل 40 کیلومتری به دست آورد.[8]

در شکل زیر طرح طیفی رامان اکسیژن و نیتروژن در دمای 250 و 300 کلوین نشان داده شده است.[9]

مراجع:

1. D.A. Leonard: Nature 216, 142 (1967).
2. A. Ansmann, M. Riebesell, U.Wandinger, et al.: Appl. Phys. B 55, 18 (1992).
3. S.E. Bisson, J.E.M. Goldsmith, M.G. Mitchell: Appl. Opt. 38, 1841 (1999).
4. D. Renaut, J.C. Pourny, R. Capitini: Opt. Lett. 5, 233 (1980).
5. H. Inaba, T. Kobayashi: Opto-Electr. 4, 101 (1972).
6. S.K. Poultney, M.L. Brumfield, J.H. Siviter Jr: Appl. Opt. 16, 3180 (1977).
7. J.D. Houston, S. Sizgoric, A. Ulitsky, et al.: Appl. Opt. 25, 2115 (1986).
8. D. Kim, H. Cha, J. Lee, et al.: J. Korean Phys. Soc. 39, 838 (2001).
9. E. Hammann, et al: Atmos. Chem. Phys., 15, 2867–2881, (2015).