Terawatt-Lidar für genaue Atmosphären-Analysen

  • 21. July 2015

Extrem kurze Laserpulse im mittleren Infrarot-Bereich ermöglichen weit­reichen­dere Messungen.

Reflektiertes Laserlicht liefert Atmosphärenforschern weltweit wichtige Daten über Luftströmungen und Zusammensetzung oberer Luftschichten. Diese Lidar-Systeme (light detection and ranging) nutzen meist Titan-Saphir-Laser mit einer maximalen Intensität bei 800 Nanometer Wellenlänge. An der University of Arizona in Tucson simulierte nun die Arbeitsgruppe um Jerome Moloney die Ausbreitung von Infrarot-Laserpulsen bei 4000 Nanometer Wellenlänge (mid-IR). Ihre Analyse zeigte, dass mit solchen Lichtpulsen weitaus größere Leistungen über weitere Ionisationsstrecken in der Atmosphäre möglich wären.

 Abb.: Mit Femtosekundenpulsen eines Infrarotlasers könnten LiDAR-Systeme größere Leistungen und längere Filament-Strecken von einigen hundert Metern erreichen. (Bild: J. Moloney, Univ. Arizona)


Abb.: Mit Femtosekundenpulsen eines Infrarotlasers könnten Lidar-Systeme größere Leistungen und längere Filament-Strecken von einigen hundert Metern erreichen (unten; Bild: J. Moloney, U. Arizona)

Diese Kanäle („light-filaments“), erzeugt von Titan-Saphir-Lasern, breiten sich bei einer Leistung von bis zu fünf Gigawatt über wenige Meter in der Atmo­sphäre aus. Nutzt man dagegen Laserpulse im mittleren Infrarot-Bereich bei 4000 Nanometern Wellenlänge, ließen sich Kanäle mit mehreren Terawatt Leistung und einer Länge von einigen hundert Metern erzielen. Zu diesem Ergebnis, das die Einsatzmöglichkeiten von Lidar-Systemen in Zukunft deutlich erweitern könnte, kommen Moloney und Kollegen nach aufwändigen Simu­lations­rech­nungen.

Bewusst wählten die Wissenschaftler 4000 Nanometer als Referenz-Wellen­länge, da die Luft zwischen 3500 und 4100 Nanometern eine hohe Transparenz für Infrarot­licht aufweist. Damit wären längere Reichweiten kurzer Laserpulse möglich. Dispersions- und Ionisa­tions­effekte zeigten sich in den Simulationen so schwach, dass bei geringen Leistungsverlusten Kanäle von einigen hundert Metern möglich wären. Auch das Risiko einer Aufspaltung der Laser­leistung auf mehrere Kanäle – ein unerwünschter Effekt bei 800-Nanometer-Lidar-Unter­suchungen – sei im mittleren IR-Bereich geringer.

Für ihre Berechnungen gingen die Forscher von einem IR-Puls von nur 24 Femto­sekunden Dauer bei einer Pulsenergie von knapp 180 Millijoule aus. Die Simula­tionen ergaben, dass die damit in der Atmosphäre erzeugten Lichtkanäle mit Durchmessern zwischen einem und zwei Milli­meter bis zu zehnfach dicker waren als bei herkömmlichen Lidar-Systemen.

Moloney und Kollegen sind davon überzeugt, dass Lidar-Systeme mit Laser­pulsen im mittleren IR-Bereich auch in der Praxis höhere Leistungs­dichten und Reichweiten der in der Atmosphäre erzeugten Kanäle ermöglichen werden. Dabei seien sie sehr stabil gegenüber möglichen Turbulenzen. Sollte die praktische Umsetzung mit geeigneten Lasern gelingen, stünde Atmosphären­forschern ein weiteres Instrument zur Verfügung, um die komplexen Prozesse in den Luftschichten der Erde besser analysieren zu können.

Jan Oliver Löfken

DE

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