Weißlicht-Filamente als Quellen für die Atmosphärenfernanalyse
Neuartiges Femtosekunden Lasersystem "Teramobil" erlaubt Spektralanalyse von Atmosphärenbestandteilen in 20 km Höhe
Um einen Laserstrahl weit in die Atmosphäre zu schicken und ihre Bestandteile zu analysieren, waren früher riesige optische Systeme nötig. Inzwischen existiert ein weltweit einmaliges mobiles System, das dank extrem hoher Laserleistung neue physikalische Effekte nutzbar macht. So lässt sich der Laserstrahl durch Licht, das sich selber zusammenhält - so genannte Filamente -, fokussiert kilometerhoch senden und erzeugt dank seiner extremen Leistung weißes Licht, das ein wesentlich breiteres Analysespektrum der Atmosphäre eröffnet. Das "Teramobil" genannte System besteht aus einem transportablen Femtosekunden-Laser, der mit einem modernen Cassegrin-Teleskop gekoppelt ist. "Inzwischen wurde Licht aus bis zu 20 Kilometern Höhe nachgewiesen", sagt Prof. Dr. Roland Sauerbrey (50) von der Friedrich-Schiller-Universität Jena. Er arbeitet seit sieben Jahren am Teramobil und hat den mobilen Hochleistungslaser inzwischen gemeinsam mit Kollegen aus Berlin, Paris und Lyon so weiter entwickelt, dass er weltweites Aufsehen erregt. Dies beweist auch ein Artikel in der neuen Ausgabe der renommierten internationalen Fachzeitschrift "Science" (04.07.03).
Unter dem Titel "White-Light Filaments: Sources for Long-Range Atmospheric Analysis" (Weißlicht-Filamente: Quellen für die Atmosphärenfernanalyse) legt ein 13-köpfiges französisch-deutsches Autorenteam einen Übersichtsartikel inklusive neuester Forschungsergebnisse vor. Der bei einer Pulslänge von 100 Femtosekunden rund drei Billionen Watt (drei Tera-Watt) starke Laser des Teramobils ermöglicht die exakte Fernmesstechnik (LIDAR = Light Induced Detection and Ranging). Mit Apparaturen, die in einen Container passen und so per Tieflader zu jedem Ort der Welt gebracht werden können, wird ein ultrakurz gepulster Laserstrahl kilometerweit in den Himmel gesandt. Die riesige Leistung erzeugt ein erst in den 90er Jahren entdeckter Effekt: Durch die starke elektromagnetische Strahlung ändert sich sowohl räumlich als auch zeitlich der Brechungsindex der Luft. Es entsteht so etwas wie eine künstliche Linse. Und aus dem ursprünglich tiefroten Laserstrahl entwickeln sich Filamente - "quasi Licht, das sich selber zusammenhält", erläutert Sauerbrey - gebündelten weißen Lichts. Diese elektrisch leitfähigen Lichtkanäle sind Teil des kilometerlangen Laserstrahls, der fokussiert in die Atmosphäre vordringt. Dort erzeugt er Streulicht, das mit dem Teleskop aufgefangen wird und Spektralanalysen von mehreren Elementen der Atmosphäre gleichzeitig ermöglicht. Die chemische Zusammensetzung mit allen Verunreinigungen kann so exakt für jede Stelle in der Atmosphäre gemessen werden. Jüngst hat das Physikerteam z. B. das Ozonprofil über Lyon vermessen. Die chemische Zusammensetzung der Erdatmosphäre zu analysieren, ist u. a. für den Umweltschutz oder Wettervorhersagen notwendig. Bislang waren solche Analysen nur stationär, mit Wetterballons oder per Satellit möglich.
Ein anderer Effekt gelang dem französisch-deutschen Team jetzt beim Einsatz des Lasers zur Analyse von Wasser. Wassertropfen, in denen sich biologisches Material (Aminosäuren) befand, wurden mittels Laser beschossen und die Fluoreszenzspektren gemessen. Bei diesem erstmals in dem Science-Beitrag beschriebenen Experiment "änderte sich das Fluoreszenzspektrum der Aerosole dramatisch", sagt Sauerbrey. Die Folge: Nun lässt sich auch biologisches Material mittels LIDAR detektieren. Der Versuch fand zwar vorerst nur mit einer Entfernung von 50 m statt. "Ich halte aber größere Entfernungen durchaus für möglich", meint der Jenaer Laserexperte dazu.
Für Sauerbrey, der derzeit auch der Deutschen Physikalischen Gesellschaft als Präsident vorsteht, ist nach sieben Jahren harter Arbeit das Projekt Teramobil fast abgeschlossen. "Wir machen Grundlagenforschung", bekräftigt der Jenaer Forscher. "Ob es Anwendungen geben wird, muss die Zukunft zeigen" - Interesse an einem Nachbau von Teramobil scheinen gerade Amerikaner zu entwickeln. Doch ganz abgeschlossen hat auch Sauerbrey mit Teramobil nicht. In Zukunft sollen v. a. die Laserparameter optimiert werden. "Ein Experiment reizt mich noch: einen Blitz vom Himmel zu holen", begeistert sich der Direktor des Uni-Instituts für Optik und Quantenelektronik für ein weiteres Ziel. Solch ein beweglicher, aktiv kontrollierbarer Blitzableiter könnte etwa Flughäfen oder Kraftwerke vor einem Blitzeinschlag schützen. Doch bis ein solches Gerät gebaut werden kann, muss noch einige Zeit geforscht werden.
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