Fraunhofer-Institut für Optronik, Systemtechnik und Bildauswertung IOSB

Ultrakurze Laserpulse in der Atmosphäre

Frequenzkonversion und Ausbreitungsphänomene ultrakurzer Laserpulse in der Atmosphäre

 

Ultrakurze Laserpulse untersuchen nichtlineare Effekte in der Luft

Moderne Ultrakurzpuls-Lasersysteme ermöglichen es seit einigen Jahren, spezielle nichtlineare Effekte in Luft direkt zu untersuchen und zu nutzen. Während der Ausbreitung von ultrakurzen hochintensiven Laserpulsen in der Atmosphäre bilden sich dünne, lange Plasmakanäle aus, sogenannte Filamente.

 

Die Filamente besitzen Wellenleitereigenschaften und ermöglichen es, den Durchmesser und die Pulsdauer der Laserpulse über große Entfernungen zu konservieren. Das Frequenzspektrum der Laserstrahlung verbreitert sich dabei.

 

Die entstehende breitbandige Strahlung (»Weißlicht«) erstreckt sich vom sichtbaren Spektralbereich bis in den Infrarotbereich und eignet sich zur Untersuchung von Atmosphärenschichten und Luftdichteverteilungen aber auch zur Ferndetektion von Aerosolen und Gasen. Aufgrund sehr hoher Spitzenintensität der Laserstrahlung im Inneren der Filamente stellen diese aber auch eine hohe Bedrohung für Augen und Sensoren dar. Viele Eigenschaften dieser neuartigen Lichtquelle, insbesondere im Infrarotbereich, sind bisher nur teilweise bekannt.  

 

 

Abb. 1. Spektrale Verbreitung von Laserpulsen durch Filamentation

 

Aufgabe

Ziel des Projektes ist es, das Potential der Filamente als mögliche Infrarot-Lichtquelle zu bewerten, die Ausbreitungsphänomene der erzeugten Infrarotstrahlung in der Atmosphäre zu untersuchen und Schutzkonzepte gegen die breitbandige Strahlung zu überprüfen. Hierzu werden Filamente kontrolliert in Luft erzeugt und die dabei entstehende breitbandige Infrarotstrahlung räumlich und spektral vermessen. 

 

Es soll herausgefunden werden, in welchem Ausmaß sich die Erzeugung der Infrarotstrahlung durch adaptive Pulsformung steuern lässt. Die Kontrolle erfolgt hierbei über eine Modifikation der Struktur der Laserpulse, die die Filamente erzeugen, in denen die Infrarotstrahlung entsteht. Die räumliche Wellenfront der Laserpulse wird über einen deformierbaren Spiegel variiert. Die zeitliche Energieverteilung der Laserpulse kann zusätzlich mit einem akusto-optischen Modulator modifiziert werden.

 

 

Abb. 2. Deformierbarer Spiegel als räumlicher Pulsformer

 

Projektbeschreibung

Die Filamente werden mit einem Femtosekundenlaser mit einer Zentralwellenlänge von 800 nm und einer Repetitionsrate von 10 Hz erzeugt. Die Pulsenergie des Lasers liegt dabei im Bereich von 2 mJ bis 20 mJ, so dass für unterschiedliche optische Aufbauten im Wesentlichen ein Einzelfilament mit einer Länge von einigen Metern erzeugt werden kann. Mit einem eigens entwickelten evolutionären Algorithmus werden die Pulsformer gesteuert und damit die Parameter der Laserpulse variiert. Dadurch lassen sich wichtige Eigenschaften der sich anschließend ausbildenden Filamente verändern, wie z. B. die Stärke des emittierten Signals in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen oder die Struktur des räumlichen Emissionsmusters.



Mittels des evolutionären Algorithmus kann die Struktur der Laserpulse für beliebige Anwendungen oder Untersuchungen automatisch optimiert werden (adaptive Optimierung).  Ein Merkmal des verwendeten Algorithmus ist eine hohe Stabilität gegenüber starken Schwankungen des Messsignals. Spezielle Bilderkennungsmethoden (siehe Abb. 3) sorgen dafür, dass die während einer Optimierung gefundenen Emissionsmuster immer in »Erinnerung« bleiben und selbst in rauschstarker Messumgebung nur durch verbesserte Ergebnisse ersetzt werden können.



Die Eigenschaften der vom Filament erzeugten Strahlung können im Bereich von 0,4 bis 5,3 µm im Einzelschussverfahren detailliert untersucht werden. Komplexe Emissionsmuster werden dabei mit speziellen optischen Aufbauten räumlich und spektral aufgelöst vermessen.

 

 

Abb. 3. Emissionsmustererkennung zur besseren Rauschstabilisierung

 

Durch Adaptiven Optimierung von Femtosekundenpulsen konnte erfolgreich Infrarotstrahlung stabil erzeugt werden

Mithilfe der adaptiven Optimierung von Femtosekundenpulsen konnte erfolgreich Infrarotstrahlung im Bereich von 2 bis 5 µm stabil erzeugt werden. Die Intensität der erzeugten Strahlung ließ sich dabei von unterhalb der Detektionsschwelle bis hin zur vollständigen Sättigung des Detektors durch Optimierung der Strahlparameter steigern. Dies entspricht einer Zunahme der  Infrarotstrahlung von mehreren Größenordnungen.



Während der Messungen kam es zudem zur Entdeckung eines bisher noch völlig unbekannten Emissionsverhaltens der Filamente - einer spiralförmigen Emission im Infraroten, die erstmalig nachgewiesen werden konnte.  Die Spiralemission wurde daraufhin gezielt untersucht und die Messergebnisse deuten darauf hin, dass Filamente erzeugt werden können, die sich spiralförmig in Luft ausbreiten.

 

 

Abb. 4. Emission von Spiralen während Spiralpropagation
von zwei benachbarten Filamenten

 

Auftraggeber / Partner

Wehrtechnische Dienststelle WTD 91, Meppen


Literaturnachweise

[1] Walter, D; Bürsing, H; Ebert, R: Emission of Spiral Patterns from Filaments in the Infrared,

Optics Express Vol. 18, Iss. 23, pp. 24258–24263 (2010)