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Laser erzeugt Himmelslaser

Physiker erarbeiten Richtlinien für Lasererzeugung in der Atmosphäre
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18.07.2017
Der Physiker Dr. Daniil Kartashov hat theoretische Richtlinien mitentwickelt, wie in den Himmel geschickte Laserpulse auch als Laserstrahl zurückkommen könnten. Foto: Jan-Peter Kasper/FSU Der Physiker Dr. Daniil Kartashov hat theoretische Richtlinien mitentwickelt, wie in den Himmel geschickte Laserpulse auch als Laserstrahl zurückkommen könnten.
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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.


Kurze Laserpulse können eine Linse in der Luft hervorrufen

Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben jetzt 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 sogenannten 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.


Welche Plasmatemperatur und -dichte nötig ist

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 30 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.

Weiterführende Publikation:
Daniil Kartashov and Mikhail N. Shneider: "Femtosecond filament initiated, microwave heated cavity-free nitrogen laser in air", Journal of Applied Physics 121, 113303 (2017); doi: 10.1063/1.4978745

Kontakt:
Dr. Daniil Kartashov
Institut für Optik und Quantenelektronik der Friedrich-Schiller-Universität Jena
Max-Wien-Platz 1, 07743 Jena
Tel.: 03641 / 947235
E-Mail:

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