Investigations of atmospheric condensation induced by femtosecond laser filaments

Abstract

The aim of the present work is to gain an understanding of femtosecond laser- induced atmospheric condensation of particles, and to investigate its potential applicability for laser remote sensing of the atmosphere. The primary focus is on terawatt laser pulses undergoing multiple filamentation, and on naturally occuring atmospheric conditions. The investigations are motivated by previous observations, showing the ability of high intensity femtosecond laser radiation to cause the condensation of fog droplets out of the gas phase, under conditions of high water vapour supersaturation. In the present work similar is shown to hold for multiply filamenting terawatt laser pulses. Furthermore, their ability to cause condensation of particles is observed to remain, to some extent, even under atmospheric conditions of water vapour subsaturation. An initial attempt to use filament-induced condensation as a tool for atmospheric remote sensing shows its basic feasibility, but it also exposes the technical and fundamental challenges that remain to be overcome. Using auxiliary results from laboratory experiments conducted by project partners a model for filament-induced condensation is developed, which makes predictions reasonably well in accord with experimental observations.

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, die durch intensive Femtosekunden- Laserpulse induzierten Kondensation von Partikeln aus der Gasphase zu verstehen, und deren Anwendbarkeit im Rahmen der lasergestützten Atmosphärenfernerkundung zu erproben. Dabei liegt das primäre Interesse auf Laserpulsen im Leistungsbereich von Terawatt, die während der Ausbreitung mehrfach filamentieren und auf natürlich in der unteren Atmosphäre auftretenden Bedingungen. Die Untersuchungen sind motiviert durch bekannte frühere Beobachtungen, durch die die grundsätzliche Fähighkeit hochintensiver Femtosekunden-Laserstrahlung nachgewiesen werden konnte, unter mit Wasserdampf übersättigten Bedingungen die Kondensation von Nebeltröpfchen aus der Gasphase herbeizuführen. Entsprechendes kann im Rahmen dieser Arbeit auch für den Fall der mehrfach filamentierenden Terawatt-Laserpulse gezeigt werden. Darüberhinaus wird beobachtet, dass diese Fähigkeit in gewissem Rahmen auch in Wasserdampf-untersättigter Atmosphäre erhalten bleibt. Ein erster Versuch, Filament-induzierte Kondensation für die laserbasierte Atmosphärenfernerkundung nutzbar zu machen, zeigt die prinzipielle Machbarkeit, aber auch, welche technischen und fundamentalen Probleme noch zu lösen bleiben. Unter Zuhilfenahme zusätzlicher Ergebnisse aus Labormessungen von Projektpartnern wird ein Modell für die Filament-induzierte atmosphärische Kondensation entwickelt, dessen Vorhersagen mit den experimentellen Resultaten in Einklang sind.