Terawatt-Femtosekunden Laserpulse in der Atmosphäre: Phänomene und Anwendungen

Abstract

Im Rahmen des deutsch-französischen Projekts "Teramobile" wurde das weltweit erste mobile Terawatt-Laserlabor gebaut. Ein Femtosekunden-Lasersystem, das Pulse von mehreren TW Leistung liefert, ist zusammen mit Detektionsoptik und -elektronik für Atmosphärenmessungen in einen Standardfrachtcontainer integriert. Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung neuer Methoden der Fernerkundung atmosphärenrelevanter Substanzen und Parameter unter Ausnutzung der nichtlinearen Optik. Die vorliegende Arbeit beschreibt den Stand der Erforschung beider Aspekte, sowohl der grundlegenden Phänomene bei der Langstreckenausbreitung von TW-Pulsen in Luft (Filamentierung, Weißlichterzeugung etc.) als auch möglicher Anwendungen (z.B. Weißlicht- Lidar). Sie enthält Ausführungen zur Konzeption, Konstruktion und Eigenschaften des mobilen Labors sowie ausführliche Beschreibungen einer Reihe von Messkampagnen (Feldversuchen, z.B. an einer Sternwarte und in einer Hochspannungsversuchshalle) und begleitenden Laborexperimenten. Die Auswertung der Messergebnisse wird in Verbindung mit den theoretischen Grundlagen und einer ausführlichen Literaturanalyse in den Kapiteln 3 und 4 präsentiert. Zu den wichtigsten Ergebnissen, die in der Arbeit vorgestellt sind, gehört der Nachweis von Filamentierung (nichtlineare Wechselwirkung zwischen den Laserpulsen und Luft) in einer Höhe von bis zu 2 km. Außerdem wird am Beispiel der simultanen Bestimmung von Temperatur (aus Sauerstoffabsorption) und Feuchte (Wasserdampfabsorption) der Atmosphäre bis in 5 km Höhe gezeigt, dass TW-Laser für Multikomponenten-Lidar genutzt werden können. Schließlich wurden erstmals Megavolt-Blitzentladungen von bis zu 4 m Länge durch Laserfilamente ausgelöst und gelenkt.

The first mobile terawatt laser laboratory worldwide has been built in the framework of the German-French project "Teramobile". A femtosecond laser system that delivers several TW pulse power is integrated in a standard freight container together with detection optics and electronics for atmospheric measurements. The aim of the project is the development of novel methods for the remote detection of atmosphere-relevant substances and parameters by the use of nonlinear optics. This work describes the status of the investigation of both, the fundamental phenomena of long-range propagation of TW pulses in air (filamentation, white-light creation etc.), as well as the possible applications (e.g. white-light lidar). It contains information about the concept, construction and properties of the mobile laboratory, as well as detailed descriptions of a series of field campaigns (e.g. at an astronomical observatory and inside a high-voltage hall) and accompanying indoor experiments. The analysis of the experimental results is presented in Chapters 3 and 4 in combination with the theoretical background and a detailed review of the literature. Among the main results presented in this work there is the evidence for filamentation (nonlinear interaction between the laser pulses and air) in an altitude of as much as 2 km. Moreover, it is shown by the example of the simultaneous detection of temperature (from oxygen absorption) and humidity (water vapor absorption) that TW laser facilitate multicomponent lidar. Finally, for the first time megavolt discharges could be triggered and guided by laser filaments.