State-of-the-art Lasertechnik
Alexandrit ist ein sehr spezieller Laserkristall: Er kann über ein breites Spektrum von 730 bis 800 nm abgestimmt werden. Im Unterschied zu Titan-Saphir (ein noch bekannterer Laserkristall) kann er dabei aber auch reichlich Energie speichern. Wegen dieser Eigenschaften eignet er sich besonders für hohe Pulsenergien.
Allerdings muss er für die LIDAR-Messungen extrem schmalbandig betrieben werden. Das heißt, nur eine räumlich schmale Mode darf im Kristall gepumpt werden, sonst schwingen höhere Moden an, der Laser würde spektral breitbandiger. Das war eines der Hauptprobleme bei der Verwendung von Blitzlampen – die haben meist mehrere Moden angeregt. Auch die thermooptischen Eigenschaften sind nicht ohne, Alexandrit wurde oft bei deutlich über 100 Grad betrieben. »Ich hatte noch nie einen so anspruchsvollen Laserkristall«, fasst Michael Strotkamp zusammen. »Mit den Dioden konnten wir direkt das Modenvolumen pumpen, das hat viele Probleme gelöst.«
Alexandrit absorbiert Licht bis in den roten Bereich, weshalb Pumpdioden bei einer Wellenlänge von 638 nm eingesetzt werden. Am Anfang waren das Barren mit 80 W Pulsspitzenleistung, deren Strahlprofil für die ersten Prototypen aufwendig homogenisiert werden musste. Inzwischen nutzen die Aachener fasergekoppelte Pumpdioden, was das Einkoppeln der Pumpstrahlung erheblich vereinfacht.
Der Laser (Bild 5) ist als Ringresonator konzipiert, es gibt also keine stehende, sondern eine umlaufende Laserwelle. Die wird mit einem frequenzstabilisiertem cw-Laser (seed) angeregt. Dafür wird ein Resonatorspiegel mit einem Piezoelement zum Schwingen gebracht. Immer dann, wenn die Resonatorlänge genau einem Vielfachen der Wellenlänge des Seed-Lasers entspricht, wird der in den Resonator eingekoppelt. Das Prinzip heißt auch „ramp-and-fire“. Ausgekoppelt wird über einen Güteschalter, der den umlaufenden Puls herauslässt, wenn seine Energie groß genug ist.
Der erste Prototyp des Alexandritlasers lieferte 0,15 W, damals mit zwei Kristallen aber ohne Homogenisierung der Pumpstrahlung. Mit homogenisierter Pumpstrahlung lieferte der Laser mehr Leistung aus nur einem Kristall. Seitdem wurde das System über mehrere Iterationen erheblich verbessert. Um Platz zu sparen, ist der Strahlengang (2 m Resonatorlänge) mehrfach gefaltet. Die Pumpstrahlung wird inzwischen nur noch über Fasern zugeführt, wodurch die Pumpquelle ohne großen Aufwand getauscht werden kann. Die neueste Pumpquelle liefert 400 Watt im Pumppuls, der Laser wird dann mit einer Ausgangsleistung von 2,3 W bzw. Pulsen von 4,6 mJ bei 500 Hz betrieben. Bei 750 Hz Repetitionsrate läuft er sogar mit 2,7 W und 3,6 mJ Pulsen.
Die Geheimnisse des „Sternenstaubs“
Wenn Meteoriten in der Mesosphäre verglühen, bleiben einzelne Atome zurück und schweben über viele Jahre dort oben. »Für die Atomsphärenphysik ist das ein absoluter Glücksfall, denn außer diesem ‚Sternenstaub‘ ist da oben nicht mehr viel«, erklärt Josef Höffner.
Für die LIDAR-Messungen werden verschiedene Atome oder Aerosole der Atmosphäre von der Erde mit dem Laser angestrahlt und streuen einzelne Photonen zurück. Bei den Messungen mit dem Alexandrit-LIDAR am Leibniz IAP werden im Wesentlichen drei Effekte genutzt: Rayleigh-, Mie- und Resonanzstreuung.
Die Rayleigh-Streuung ist der Grund, warum unser Himmel blau ist. Sie beschreibt, wie Licht an Teilchen gestreut wird, die kleiner sind als seine Wellenlänge. Die Streuung ist stark frequenzabhängig, deswegen wird blaues Licht stärker gestreut als rotes. Deshalb sind Sonnenuntergänge rot und der Himmel blau. Über etwa 60 km Höhe wird die Dichte der Sauerstoff- und Stickstoffatome so klein, dass die Rayleigh-Streuung schwierig zu messen ist.
Die Mie-Streuung beschreibt die Auswirkungen auf das Licht, wenn es an Teilchen gestreut wird, die eine Größe ähnlich der Wellenlänge haben. In der Atmosphäre sind das meist Aerosole, also Staub oder zum Beispiel Vulkanasche. Solche Teilchen kommen bis etwa 30 km Höhe vor.
Je nach Fluggeschwindigkeit der Teilchen werden die Rayleigh- und Mie-Spektren durch den Dopplereffekt verschoben. Der Vergleich solcher rückgestreuter Spektren mit dem Licht der LIDAR-Quelle ergibt die Geschwindigkeit der Teilchen. Genauer gesagt liefert die spektrale Verschiebung eine vektorielle Komponente der Windgeschwindigkeit in Richtung des Laserstrahls. Deswegen wird im neuen LIDAR-System mit Strahlen in fünf Richtungen gemessen. So lässt sich der Wind auch in großen Höhen gut bestimmen.
Die eigentliche Höhe ergibt sich aus der Laufzeit der Laserstrahlen, für 90 km brauchen sie 0,3 Millisekunden. Damit sich jeder Puls komplett auswerten lässt, bevor der nächste folgt, arbeitet das System mit einer Laser-Pulsfolge des Lasers von weniger als 1.000 Hz.
Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT
