Von Ralf Krauter
Ludger Wöste ist einer, der von Berufs wegen öfter mal mit einem Laser in den Himmel schießt. Und zwar nicht etwa mit einem mickrigen Laser-Pointer, wie Teenies bei der Open-Air-Disco. Nein, der Physikprofessor von der Freien Universität Berlin benutzt einen richtig dicken Oschi: Einen so genannten Femtosekunden Laser, der in aberwitzig kurzen Lichtpulsen enorme Energien freisetzt. Die Energie der Laserpulse liegt im Terawatt-Bereich, die abgestrahlte Leistung ist höher als die aller Kraftwerke auf der Erde zusammen.
Ludger Wöstes Ziel beim Spiel mit dem Power-Laser: Dem Fernerkundungssystem LIDAR ganz neue Anwendungen zu erschließen. Zwar liefern die heutigen LIDAR-Geräte schon wertvolle räumlich aufgelöste Information, wie etwa die Feuchtigkeits- und Temperaturverteilung in der Atmosphäre. Aber es gibt einen Haken. Wöste:
Der eigentliche Nachteil ist, dass man mit jedem LIDAR-System nur eine Sache messen kann, eine Substanz. Man muss dafür Laser verwenden. Diese Laser müssen auf ganz bestimmte Wellenlängen eingestellt werden und dann ist man festgelegt. Im Vergleich dazu gibt es viel ansprechender Methoden, wo man einfach eine weiße Lampe nimmt und das Licht einer weißen Lampe in ein Spektrometer hineinbringt. Und dieses Licht analysieren die dann und können dann daraus sagen, welche Stoffe in der Atmosphäre waren, die das Licht durchlaufen hat. Und die können eine ganze Palette von Substanzen dann angeben.
Um LIDAR auch in diesem Punkt konkurrenzfähig zu machen, müsste man also eigentlich mit einer Vielzahl von Lasern unterschiedlicher Wellenlänge gleichzeitig in den Himmel schießen. Oder noch Besser: Am Besten gleich eine Art weißes Flutlicht Kilometer hoch in die Luft hängen. Das klingt erst einmal reichlich abgehoben, aber Ludger Wöste hatte da eine Idee:
Der ursprüngliche Gedanke war: Wir machen so hohen Laserintensitäten, dass in der Luft quasi eine elektrische Entladung stattfindet. Die Luft wird ionisiert, ihr werden die Ladungen entrissen. Und bei diesem Prozess wird weißes Licht emittiert.
Die energiereiche Strahlung des Terawatt-Lasers sollte also die umgebende Luft zum Leuchten bringen, genau so, wie der Zünder einer Neonröhre das Gas in ihr. Eigentlich hatten die Forscher erwartet, dass die Luft nur an einer bestimmten Stelle zu leuchten beginnt, nämlich im Brennpunkt des Laserstrahls. Denn nur dort, im Fokus, sollte die Lichtenergie groß genug sein, um das Flutlicht in der Atmosphäre zu zünden. Ein Irrtum, wie sich herausstellte. Wöste:
Als wir versuchten, eine solche Plasmalampe in die Atmosphäre hineinzuhängen, gab es wirklich eine Überraschung, denn wir sahen nicht so einen Plasmafokus, sondern vielmehr offenbarte sich da ein ganz langer weißer Lichtstrahl in der Atmosphäre und ein ganz neuer physikalischer Prozess wurde da erkennbar. Das war der so genannte Plasmakanal.
Mittlerweile haben die Physiker ein Erklärung für das Phänomen gefunden. Die hohe Intensität der Laserpulse führt dazu, dass sich der Lichtstrahl auf seinem Weg durch die Luft immer wieder erneut selbst fokussiert und defokussiert. Dadurch läuft der Laserstrahl auch über weite Strecken nicht auseinander. Wöste:
Das ist ein Prinzip, wie es beispielsweise der Arzt beim Endoskop verwendet. In so einem Endoskop, mit dem er in den Magen schaut, befindet sich ein Satz von Fokussierlinsen, Zerstreulinsen, Fokussierlinsen, Zerstreulinsen – oder auch ein Periskop eines U-Bootes funktioniert nach demselben Prinzip. Und so leitet sich das Licht durch eine kleine, selbstgeschaffene optische Fiber hindurch, die nur einen sehr kleinen Durchmesser hat und es emittiert dabei gleichzeitig weißes Licht.
500 bis 1000 Meter lang sind die Plasmakanäle, die die Berliner Forscher in den Himmel zeichnen können. Weil sie ihr weißes Licht zum Großteil in Richtung der Laserquelle abstrahlen, kommen sie der Vision von einem an beliebiger Stelle in den Himmel zu hängenden Flutlicht erstaunlich nahe. Der Fernerkundung mit LIDAR eröffnen sich damit ganz neue Möglichkeiten. So könnte in Zukunft etwa nicht mehr nur die Verteilung von Aerosolen gemessen werden. Das Weißlicht-LIDAR könnte dank atmosphärischer Plasmalampe auch gleich noch deren Zusammensetzung ermitteln.
Ludger Wöste ist einer, der von Berufs wegen öfter mal mit einem Laser in den Himmel schießt. Und zwar nicht etwa mit einem mickrigen Laser-Pointer, wie Teenies bei der Open-Air-Disco. Nein, der Physikprofessor von der Freien Universität Berlin benutzt einen richtig dicken Oschi: Einen so genannten Femtosekunden Laser, der in aberwitzig kurzen Lichtpulsen enorme Energien freisetzt. Die Energie der Laserpulse liegt im Terawatt-Bereich, die abgestrahlte Leistung ist höher als die aller Kraftwerke auf der Erde zusammen.
Ludger Wöstes Ziel beim Spiel mit dem Power-Laser: Dem Fernerkundungssystem LIDAR ganz neue Anwendungen zu erschließen. Zwar liefern die heutigen LIDAR-Geräte schon wertvolle räumlich aufgelöste Information, wie etwa die Feuchtigkeits- und Temperaturverteilung in der Atmosphäre. Aber es gibt einen Haken. Wöste:
Der eigentliche Nachteil ist, dass man mit jedem LIDAR-System nur eine Sache messen kann, eine Substanz. Man muss dafür Laser verwenden. Diese Laser müssen auf ganz bestimmte Wellenlängen eingestellt werden und dann ist man festgelegt. Im Vergleich dazu gibt es viel ansprechender Methoden, wo man einfach eine weiße Lampe nimmt und das Licht einer weißen Lampe in ein Spektrometer hineinbringt. Und dieses Licht analysieren die dann und können dann daraus sagen, welche Stoffe in der Atmosphäre waren, die das Licht durchlaufen hat. Und die können eine ganze Palette von Substanzen dann angeben.
Um LIDAR auch in diesem Punkt konkurrenzfähig zu machen, müsste man also eigentlich mit einer Vielzahl von Lasern unterschiedlicher Wellenlänge gleichzeitig in den Himmel schießen. Oder noch Besser: Am Besten gleich eine Art weißes Flutlicht Kilometer hoch in die Luft hängen. Das klingt erst einmal reichlich abgehoben, aber Ludger Wöste hatte da eine Idee:
Der ursprüngliche Gedanke war: Wir machen so hohen Laserintensitäten, dass in der Luft quasi eine elektrische Entladung stattfindet. Die Luft wird ionisiert, ihr werden die Ladungen entrissen. Und bei diesem Prozess wird weißes Licht emittiert.
Die energiereiche Strahlung des Terawatt-Lasers sollte also die umgebende Luft zum Leuchten bringen, genau so, wie der Zünder einer Neonröhre das Gas in ihr. Eigentlich hatten die Forscher erwartet, dass die Luft nur an einer bestimmten Stelle zu leuchten beginnt, nämlich im Brennpunkt des Laserstrahls. Denn nur dort, im Fokus, sollte die Lichtenergie groß genug sein, um das Flutlicht in der Atmosphäre zu zünden. Ein Irrtum, wie sich herausstellte. Wöste:
Als wir versuchten, eine solche Plasmalampe in die Atmosphäre hineinzuhängen, gab es wirklich eine Überraschung, denn wir sahen nicht so einen Plasmafokus, sondern vielmehr offenbarte sich da ein ganz langer weißer Lichtstrahl in der Atmosphäre und ein ganz neuer physikalischer Prozess wurde da erkennbar. Das war der so genannte Plasmakanal.
Mittlerweile haben die Physiker ein Erklärung für das Phänomen gefunden. Die hohe Intensität der Laserpulse führt dazu, dass sich der Lichtstrahl auf seinem Weg durch die Luft immer wieder erneut selbst fokussiert und defokussiert. Dadurch läuft der Laserstrahl auch über weite Strecken nicht auseinander. Wöste:
Das ist ein Prinzip, wie es beispielsweise der Arzt beim Endoskop verwendet. In so einem Endoskop, mit dem er in den Magen schaut, befindet sich ein Satz von Fokussierlinsen, Zerstreulinsen, Fokussierlinsen, Zerstreulinsen – oder auch ein Periskop eines U-Bootes funktioniert nach demselben Prinzip. Und so leitet sich das Licht durch eine kleine, selbstgeschaffene optische Fiber hindurch, die nur einen sehr kleinen Durchmesser hat und es emittiert dabei gleichzeitig weißes Licht.
500 bis 1000 Meter lang sind die Plasmakanäle, die die Berliner Forscher in den Himmel zeichnen können. Weil sie ihr weißes Licht zum Großteil in Richtung der Laserquelle abstrahlen, kommen sie der Vision von einem an beliebiger Stelle in den Himmel zu hängenden Flutlicht erstaunlich nahe. Der Fernerkundung mit LIDAR eröffnen sich damit ganz neue Möglichkeiten. So könnte in Zukunft etwa nicht mehr nur die Verteilung von Aerosolen gemessen werden. Das Weißlicht-LIDAR könnte dank atmosphärischer Plasmalampe auch gleich noch deren Zusammensetzung ermitteln.