Induzierte atmosphärische Laserstrahlung

  • 21. July 2017

Geeignete Bestrahlung höherer Atmosphärenschichten kann Stickstoffmoleküle zum Lasern anregen.

Um die chemische Zusammensetzung der Atmosphäre zu untersuchen, werden inzwischen nicht selten Laser­strahlen eingesetzt. Forscher schicken dabei Laser­pulse in den Himmel und analysieren dann das zurück­gestreute Licht. Noch wirkungs­voller wäre es allerdings, wenn das Licht als Laser­strahl auch wieder zur Erde zurückkehren könnte, da von seinem Licht ein stärkeres Signal ausgeht und sich Informationen besser herauslesen lassen. Dieser Laser­strahl allerdings müsste sich mehr oder weniger selbstständig in der Luft bilden.

Abb.: Daniil Kartashov hat theoretische Richtlinien mitentwickelt, wie in den Himmel geschickte Laserpulse auch als Laserstrahl zurückkommen könnten. (Bild: J.-P. Kasper, FSU)

Abb.: Daniil Kartashov hat theoretische Richtlinien mitentwickelt, wie in den Himmel geschickte Laserpulse auch als Laserstrahl zurückkommen könnten. (Bild: J.-P. Kasper, FSU)

Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben gemeinsam mit Kollegen der Princeton University (USA) theoretische Richtlinien entwickelt, wie das tatsächlich umsetzbar ist – und damit den Grundstein für weitere Forschungen auf diesem Gebiet gelegt. „Wir wissen bereits seit längerem, dass extrem kurze Laserpulse eine Linse in der Luft selbst hervorrufen können, da das ausgesendete Licht im Zentrum des Strahls sehr intensiv ist und daher lokal eine große Änderung des Brechungs­index hervorruft“, erklärt Dr. Daniil Kartashov von der Universität Jena. „Diese im Zentrum des Laserstrahls entstandene Linse fokussiert den Laser zusätzlich und ruft dünne Plasma­kanäle hervor.“ Das Licht in diesen Filamenten trägt ein breites Spektrum an Strahlung in sich, das Informationen über die chemische Zusammen­setzung der Umgebung widerspiegeln kann.

Um allerdings das Licht wirkungsvoll mithilfe spektro­skopischer Untersuchungen auslesen und analysieren zu können, sollte es als Laser auf die Erde zurückkehren. Dank der Wechsel­wirkung des Lasers mit dem Stickstoff in der Atmosphäre ist das durchaus auch möglich, wie Experimente auf der Erde bereits bewiesen haben. Allerdings müssen dafür bestimmte Rahmenbedingungen stimmen. Um die Stickstoffmoleküle so anzuregen, dass sie einen Laser­strahl bilden können, muss beispiels­weise das Plasma der Filamente bestimmte Werte erfüllen und deshalb vom Boden aus kontrolliert werden.

Wie das funktionieren kann, dafür haben Daniil Kartashov und sein Kollege Mikhail Shneider nun ein Modell entwickelt. „Wir haben erstmals berechnet, welche Plasma­temperatur und -dichte nötig ist, damit die Stickstoffmoleküle aufgeladen werden können und aus ihnen ein Laser hervorgeht“, sagt der Physiker der Universität Jena. „Zudem schlagen wir vor, mittels Mikro­wellen­strahlung diese entsprechenden Bedingungen zu regulieren, und haben auch hier konkrete Parameter, wie etwa die Leistung der Mikrowellen und ihre Frequenz, ermittelt.“ In einer Höhe von zehn bis dreißig Kilometern reichen demnach Standard­quellen für Mikro­wellen­strahlung aus, um optimale Bedingungen für die Laser­strahl­bildung zu schaffen.

Nun gilt es, diese theoretischen Erkenntnisse in der Praxis zu erproben und die Methode in verschiedenen Experimenten weiter­zuentwickeln. Erste Projekte in den USA seien bereits in Planung, informiert Kartashov. Sollten diese erfolgreich sein, so böten sich ganz neue Möglichkeiten für die Spektroskopie der Chemie, die in der Atmosphäre stattfindet. Zudem rücken die Filamente zunehmend in den Fokus der Physik, da sie viele weitere Anwendungen unterstützen könnten. Möglicherweise lassen sich durch die Plasma­kanäle bestimmte Wetter­erscheinungen, wie Gewitter, beeinflussen.

FSU / DE

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