DE10150211C1

DE10150211C1 - Verfahren zur Erzeugung von Kondensationskernen für Regen in der Atmosphäre mittels Ultrakurzpulslaser

Info

Publication number: DE10150211C1
Application number: DE2001150211
Authority: DE
Inventors: Ludger Woeste; Jean-Pierre Wolf
Original assignee: Freie Universitaet Berlin
Current assignee: Freie Universitaet Berlin
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2001-10-12
Publication date: 2003-04-17
Anticipated expiration: 2021-10-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Kondensationskernen für Regen in der Atmosphäre. Zur Bildung von Regentropfen der Atmosphäre sind auch bei hoher Luftfeuchtigkeit häufig Kondensationskerne erforderlich, an denen das Wasser kondensiert. Es kann vorkommen, daß Luftmassen mit hoher Luftfeuchtigkeit über einen Landstrich hinwegfließen, ohne daß es regnet, und sich erst später, z. B. an Bergketten, abregnen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effektives Verfahren zur Erzeugung von Kondensationskernen in der Atmosphäre zu schaffen. Das wird erreicht durch die folgenden Verfahrensschritte: Erzeugen eines Laserpulses mittels eines Pulslasers, Aussenden des Laserpulses von der Erde in die Atmosphäre und zeitliches und räumliches Fokussieren des Laserpulses, derart, daß die Peak-Leistung des Laserpulses an einem Ort in der Atmosphäre die kritische Leistung für eine selbstfokussierende Wirkung des Laserpulses in Luft übersteigt.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Kondensationskernen für Regen in der Atmosphäre.

Zugrundeliegender Stand der Technik

Zur Bildung von Regentropfen in der Atmosphäre sind auch bei hoher Luftfeuchtigkeit häufig Kondensationskerne erforderlich, an denen das Wasser kondensiert. Es kann vorkommen, daß Luftmassen mit hoher Luftfeuchtigkeit über einen Landstrich hinwegfließen, ohne daß es regnet, und sich erst später, z. B. an Bergketten abregnen.

Ein anderes schwerwiegendes Problem ist Hagel. Hagel entsteht in Wolken, in denen erhebliche Auf- und Abwinde herrschen. Ein Wasser-Kristallkern gelangt aus kalten oberen Bereichen in wärmere, tiefere Bereiche mit hoher Luftfeuchtigkeit. In diesen Bereichen schlägt sich an den Kristallkern Wasser nieder und gefriert, wenn das Gebilde durch Aufwind wieder in höhere Schichten getragen wird. Durch mehrfaches Auf- und Abbilden sich größere Hagelkörner, die schließlich so schwer werden, daß sie von den Winden nicht mehr getragen werden und zur Erde herunterfallen. Durch Hagel können erhebliche Schäden, insbesondere Ernteschäden auftreten.

Man hat versucht, in solchen feuchten Luftmassen künstliche Kondensationskerne zu schaffen und dadurch Regen in gewünschten Regionen herbeizuführen. Man hat auch versucht, Hagel über bewohnten oder bebauten Gebieten dadurch zu vermeiden, daß die Luftfeuchtigkeit durch Bildung künstlicher Kondensationskerne zum Abregnen gebracht wird. Ein Verfahren dieser Art besteht darin, mit Flugzeugen Regenwolken mit Silberjodidkristallen als Kondensationskernen zu bestreuen und so zum Abregnen zu bringen. Dieses Verfahren ist jedoch aufwendig und nur begrenzt wirksam.

Aus der DE 100 05 898 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung von Kondensationskernen für Regen in der Atmosphäre bekannt. Die Kondensationskerne werden durch Zugabe von Trockeneiskörnern (festem Kohlendioxid) geschaffen.

Aus der JP 2-225707 A ist ein Verfahren zur Auflösung von Nebel mittels einer CO₂- Laser-Anordnung bekannt. Die Auflösung des Nebels erfolgt durch die durch die Laserstrahlen bedingte Temperaturerhöhung und die dadurch bedingte Verdampfung der Wassertröpfchen.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein effektives Verfahren zur Erzeugung von Kondensationen in der Atmosphäre zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:

a) Erzeugen eines Laserpulses mittels eines Pulslasers,
b) Aussenden des Laserpulses von der Erde in die Atmosphäre, und
c) zeitliches und räumliches Fokussieren des Laserpulses derart, daß die Peak- Leistung des Laserpulses an einem Ort in der Atmosphäre die kritische Leistung für eine selbst-fokussierende Wirkung des Laserpulses in Luft übersteigt, so daß durch den Laserpuls ein Filament gebildet wird.

Wenn ein hochintensiver ultrakurzer Laserpuls (im Femtosekunden- und Terawattbereich) in die Atmosphäre gesendet wird, treten nichtlineare optische Effekte auf. Durch die auftretenden hohen Feldstärken wird der Brechungsindex auch von Luftmolekülen durch den Kerr-Effekt erhöht. Da das Intensitätsprofil des Laserstrahls über den Querschnitt des Laserstrahls hinweg etwa glockenförmig ist, ist diese Erhöhung des Brechungsindex und damit die Verringerung der Lichtgeschwindigkeit an den Rändern des Laserstrahls geringer als im mittleren Bereich des Laserstrahls. Die Luft wirkt in diesem Bereich extrem hoher Feldstärken wie eine Sammellinse. Dadurch wird der Laserstrahl fokussiert. Durch diese Fokussierung des ohnehin hochintensiven Laserstrahls tritt eine extrem hohe Energiedichte auf, die zu einer Multi-Photon- bzw. Feld-Ionisation der Luft führt. Die Ionisation führt ebenfalls zu einer Veränderung des Brechungsindex der Luft. Diese Veränderung des Brechungsindex hängt auch von der Lichtintensität ab, allerdings wird hier der Brechungsindex mit höherer Lichtintensität vermindert. Da das Profil der Lichtintensität des fokussierten Laserstrahls auch wieder über den Querschnitt des Laserstrahls hinweg etwa einer Glockenkurve entspricht, wirken die ionisierten Bereiche wie eine Zerstreuungslinse. Der Laserstrahl wird wieder defokussiert. Damit ergibt sich wieder ein Zustand, in welchem der geschilderte Kerr- Effekt wirksam und der Laserstrahl erneut fokussiert wird. Es erfolgt also alternierend eine Fokussierung und Defokussierung des Laserstrahls wie durch alternierend angeordnete Sammel- und Zerstreuungslinsen, und zwar auf Grund der jeweiligen Zustände des Laserstrahls selbst. Es erfolgt eine "Selbstfokussierung" und "Selbstdefokussierung". Das führt zu einem über lange Strecken hinweg nicht wesentlich auseinanderlaufenden, von dem gepulsten, hochintensiven Laserlichtbündel bestimmten Schlauch von z. B. 100 µm Durchmesser mit ionisierten Abschnitten. Man bezeichnet einen solchen durch das Laserlichtbündel hervorgerufenen Zustand als "Filament".

Theoretische Betrachtungen des Zusammenspiels dieser Effekte sind u. a. in der Veröffentlichung BRAUN, A. u. a. "Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air" in Opt. Lett., 1995, Vol. 20, No. 1, S. 73-75, und in der Veröffentlichung KASPARIAN, J., SAUERBREY, R., CHIN, S. L. "The critical laser intensity of self-guided light filaments in air" in Appl. Phys. B, 2000, Vol. 71, S. 877-879 aufgeführt.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß solche Filamente mit ihren ionisierten Abschnitten geeignet sind, als Kondensationskerne für Luft hoher Luftfeuchtigkeit die Bildung von Regentropfen auszulösen. Das ist ein Effekt ähnlich wie in einer Nebelkammer, wo wasserdampfgesättigte Luft durch die von Teilchen wie von α- Strahlen erzeugten Ionen zur Bildung von Tröpfchen veranlaßt wird, die dann eine Bahn des Teilchens sichtbar werden lassen. Es hat sich gezeigt, daß ein solches "Filament" hinreichend gebündelt über relativ lange Strecken bis in die feuchten Luftmassen geführt werden kann, die zum Abregnen veranlaßt werden sollen.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung und veranschaulicht die Bildung des Filaments durch einen gepulsten, hochintensiven Laserstrahl.

Fig. 2 veranschaulicht die Bildung einer "Sammellinse" durch das Intensitätsprofil über dem Querschnitt des Laserstrahls und die durch den Kerr-Effekt hervorgerufene Änderung des Brechungsindex der Luft.

Fig. 3 veranschaulicht die Bildung einer "Zerstreuungslinse" durch das Intensitätsprofil über dem Querschnitt des fokussierten Laserstrahls und die durch Ionisation hervorgerufene Änderung des Brechungsindex der Luft.

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Erzeugen von Kondensationskernen in feuchten Luftmassen, die zum Abregnen veranlaßt werden sollen.

Fig. 5 ist eine schematische Darstellung der Erzeugung sehr kurzer, hochintensiver Laserpulse.

Fig. 6 zeigt schematisch einen Pulsdehner ("stretcher") zu Erzeugung einer spektralen Auffächerung des Laserpulses.

Fig. 7 zeigt schematisch einen Pulsverdichter zu Erzeugung eines kurzen, hochintensiven Laserpulses.

Fig. 8 veranschaulicht die Bildung eines sehr kurzen Laserpulses im Femtosekunden- und Terawattbereich aus einem ausgesandten Laserpuls mit "negativem Chirp".

Bevorzugte Ausführung der Erfindung

In Fig. 4 ist mit 10 eine Laseranordnung zur Erzeugung einer Folge von Laserpulsen 12 hoher Energie bezeichnet. Die Laserpulse weisen einen "negativen Chirp" auf, d. h. sie sind spektral aufgefächert ("Chirp"), wobei die in dem Fortpflanzungsmedium langsamer laufenden Wellenlängen die Vorderflanke des Laserpulses und die in dem Fortpflanzungsmedium schneller laufenden Wellenlängen die Rückflanke des Laserpulses bilden ("negativer Chirp"). Durch ein einstellbares Teleskop 14 wird der gepulste Laserstrahl auf eine Luftmasse hoher Luftfeuchtigkeit in Form einer Wolke 18 gerichtet.

Die Gruppengeschwindigkeit der spektral aufgefächerten Laserpulse in der Luft als Fortpflanzungsmedium weist eine Dispersion (GVD) auf. Kurze Wellenlängen laufen langsamer als längere Wellenlängen, da der Brechungsindex in Luft für kurze Wellenlängen größer ist als für lange. Dadurch wird der spektral aufgefächerte und mit einem "negativen Chirp" versehene, ausgesandte Laserpuls beim Durchgang durch die Luft komprimiert. Die längeren Wellenlängen an der Vorderflanke des Laserpulses werden von den kürzeren Wellenlängen, welche die Rückflanke des spektral aufgefächerten Laserpulses bilden, "eingeholt". Der Laserpuls wird kürzer und intensiver. Der Punkt 20, in welchem das geschieht, liegt im Abstand von dem Teleskop 14.

Diese Kompression des Laserpulses nach einem bestimmten Weg durch das Fortpflanzungsmedium Luft ist in Fig. 8 schematisch dargestellt: Mit 22 ist ein spektral aufgefächerter Laserpuls mit "negativem Chirp" bezeichnet. Die schneller laufenden kürzeren Wellenlängen liegen im Bereich der Rückflanke 24 des aufgefächerten Laserpulses 22. Die langsamer laufenden längeren Wellenlängen liegen im Bereich der Vorderflanke 26. Durch Gruppengeschwindigkeits-Dispersion GVD wird der Laserpuls nach einem Weg 28 zu einem steilen Laserpuls 30 im Femtosekundenbereich mit hoher Leistung im Bereich von Terawatt komprimiert.

Fig. 5 bis 7 zeigen schematisch die Erzeugung des ausgesandten Laserpulses und die Erzeugung des "negativen Chirp".

Ein Laser 32 erzeugt eine Folge von kurzen Laserpulsen 34 von z. B. 80 fs geringer Energie von z. B. 6 nJ mit einer Frequenz von z. B. 8.10⁷ Hz. In einem Pulsdehner 36 werden diese Laserpulse in spektral aufgefächerten, relativ lange Laserpulse 38 von z. B. 200 ps Dauer und geringer Intensität von 2 bis 3 nJ, ebenfalls mit einer Frequenz von 8.10⁷ Hz umgesetzt. Ein regenerativer Verstärker 40 wählt daraus einzelne Pulse aus und verstärkt diese zu Impulsen 42 von 200 ps Dauer und mittlerer Energie von z. B. 5 mJ bei einer Frequenz von z. B. 10 Hz. Diese Laserpulse 42 werden durch einen Verstärker 44 mit mehrerem Durchgängen zu Laserpulsen hoher Energie von z. B. 400 mJ verstärkt, wobei Pulsdauer und Frequenz unverändert bleiben. Die so erhaltenen, spektral aufgefächerten Laserpulse 46 werden dann durch einen Kompressor 48 zu sehr kurzen und sehr intensiven Laserpulsen 22 komprimiert, die von der Laseranordnung 10 (Fig. 4) ausgesandt wird. Der Kompressor 48 ist dabei aber so ausgelegt, daß der ausgesandte Laserpuls 22 noch einen "negativen Chirp" aufweist, d. h. spektral noch derartig aufgefächert bleibt, daß die kurzen Wellenlängen im Bereich der Rückflanke des Laserpulses 22 und die längeren Wellenlängen im Bereich der Vorderflanke des Laserpulses auftreten.

Fig. 6 zeigt schematisch den Aufbau eines Pulsdehners 36.

Der Laserpuls 34 als Strahl fällt in hoher Ordnung auf ein Gitter 52. An dem Gitter 52 erfolgt eine wellenlängenabhängige Diffraktion des Laserlichts. Das gebeugte Licht wird, wie schematisch dargestellt, durch Linsen 54, 56 auf einem zweiten Gitter 58 gesammelt. Durch das zweite Gitter 58 wird das Licht der verschiedenen Wellenlängen wieder zu einem räumlichen Strahl 60 überlagert. Da die verschiedenen Wellenlängen aber zwischen den Gittern unterschiedliche geometrische Weglängen durchlaufen haben, ist der Laserpuls 38 im Strahl 60 verbreitert und spektral aufgefächert. Der Strahl 60 wird dann durch einen Spiegel 62 umgelenkt. Der Laserpuls 38 im Strahl 60 erfährt dann die Verarbeitung durch die Verstärker 40 und 44 von Fig. 5 und fällt dann als Laserpuls 46 auf den Kompressor 48.

Der Kompressor 48 ist in Fig. 7 schematisch dargestellt.

Der Kompressor 48 enthält ebenfalls zwei Gitter 64 und 66 und einen Spiegel 68. Der Laserpuls 42 fällt als Strahl 70 auf das Gitter 64 und wird dort wellenlängenabhängig gebeugt. Der an dem Gitter 64 räumlich spektral aufgefächerte Strahl 70 fällt auf das zweite, zu dem ersten parallele Gitter 66. Durch das zweite Gitter werden die verschiedenen Wellenlängen so gebeugt, daß ein Bündel zueinander und zu dem Strahl 70 paralleler Strahlen entsteht, von denen jeder einer bestimmten Wellenlänge zugeordnet ist. Die Strahlen dieses Bündels werden durch den Spiegel 68 in sich zurückgeworfen und durch die beiden Gitter 64 und 66 wieder räumlich zu einem rücklaufenden Strahl vereinigt. Bei dieser Anordnung ist die von den - schnellen - kurzwelligen Strahlen durchlaufene geometrische Weglänge länger als die von den langsameren langwelligen Strahlen. Dadurch erfolgt eine Kompression zu dem intensiven aber kurzzeitigen Laserpuls 22. Der Kompressor 48 kann aber so ausgelegt und ggf. eingestellt werden, daß in dem Puls 22 ein "negativer Chirp" verbleibt, so daß eine laufstreckenabhängige weitere Kompression durch die unterschiedlichen Brechungsindizes erfolgen kann, wie im Zusammenhang mit Fig. 8 erläutert wurde.

Bei einer hohen Energiedichte und Feldstärke des Laserpulses im Bereich von Femtosekunden Pulsdauer und Terawatt Leistung, wie sie im Punkt 20 (Fig. 4) erreicht werden, treten nichtlineare optische Effekte auf. Durch den Kerr-Effekt in der Luft erfolgt eine Selbstfokussierung. Die Luft wirkt in einem Bereich wie eine Sammellinse. Durch die Selbstfokussierung tritt eine sehr hohe Energiedichte auf, die zu einer Ionisation der Luft führt. Die Ionisation führt zu Bereichen, die wie eine Zerstreuungslinse wirken. Der so wieder auseinanderlaufende Laserstrahl mit geringerer Energiedichte erzeugt wieder durch den Kerr-Effekt einen als Sammellinse wirkenden Bereich usw. Es erfolgt somit abwechselnd eine Selbstfokussierung und -defokussierung des Laserstrahls.

Das ist in den Fig. 1 bis 3 schematisch dargestellt.

In Fig. 1 sind mit 70, 72 und 74 usw. "Sammellinsen" bezeichnet, wie sie von dem Fortpflanzungsmedium Luft durch den Kerr-Effekt bei hoher Feldstärke des Laserpulses 30 gebildet werden. Zwischen diesen Sammellinsen sind durch die Ionisation der Luft "Zerstreuungslinsen" 76, 78 usw. gebildet. Der Laserstrahl 14 erfährt durch die von dem Kerr-Effekt hervorgerufenen "Sammellinsen" 70, 72, 74 usw. jeweils eine Fokussierung. Die durch die Fokussierung erhaltene extrem hohe Leistungsdichte bewirkt jeweils eine Ionisation der Luft, die sich wie "Zerstreuungslinsen" 76, 78 usw. auswirkt und eine Defokussierung bewirkt. Der Laserstrahl wird so durch Selbstfokussierung und - defokussierung weitgehend ohne Auseinanderlaufen geführt. Ein so geführter Laserstrahl mit hochintensiven und ultrakurzen Laserpulsen wird als "Filament" bezeichnet.

Fig. 2 veranschaulicht die Bildung der Kerr-"Sammellinsen". Die Intensität und damit Feldstärke des Laserstrahls ist nicht über den gesamten Querschnitt des Laserstrahls konstant. Sie folgt vielmehr einem glockenförmigen Profil, wie es durch Kurve 80 links in Fig. 2 dargestellt ist. Diese Feldstärke bewirkt durch den Kerr-Effekt eine näherungsweise dazu proportionale Änderung des Brechungsindex des Fortpflanzungsmediums, so daß der Brechungsindex sich über den Querschnitt des Laserstrahls hinweg ebenfalls nach einem glockenförmigen Profil positiv ändert. Die positive Änderung Δn_Kerr ist in der Mitte von Fig. 2 durch Kurve 82 dargestellt. Am Rand des Laserstrahls ist daher der Brechungsindex geringer als im mittleren Bereich. Die Randstrahlen laufen schneller als die Mittelstrahlen. Das ist die Wirkung einer Sammellinse 70, wie sie rechts in Fig. 2 dargestellt ist.

Auch in dem fokussierten Laserstrahl ändert sich die Intensität oder Leistungsdichte über den Querschnitt des Laserstrahls hinweg nach einem glockenförmigen Profil, das in Fig. 3 durch Kurve 84 dargestellt ist. Die durch den Laserstrahl hervorgerufene Ionisation folgt auch im wesentlichen diesem glockenförmigen Profil und dementsprechend auch die durch die Ionisation hervorgerufene Änderung Δn_Ionis. des Brechungsindex, die durch Kurve 86 dargestellt ist. Diese Änderung ist jedoch negativ. Der Brechungsindex wird am Rand des fokussierten Laserstrahls größer - oder weniger vermindert - als in der Mitte. Die Randstrahlen laufen langsamer als die Mittelstrahlen. Das entspricht einer Zerstreuungslinse 76 und bewirkt eine Defokussierung.

In Fig. 4 ist das so erzeugte Filament gestrichelt dargestellt und mit 88 bezeichnet. Durch geeignete Wahl des "negativen Chirp" kann erreicht werden, daß erst in einem im Abstand von der Laseranordnung 10 und dem Teleskop 14 liegenden Punkt der Laserpuls 30 so komprimiert ist, daß eine für die Ausbildung des Filaments ausreichende Feldstärke erreicht wird. Das Filament 88 geht also vom Punkt 20 aus. Das Filament wird auf die Wolke 18 geleitet.

Das Filament bildet einen elektrisch leitenden Kanal mit Ionen. Diese Ionen bilden Kondensationskerne, um die herum sich Regentropfen bilden. Durch die Selbstfokussierung und -defokussierung des Laserstrahls kann das Filament sich ohne wesentliches Auseinanderlaufen über große Entfernungen, z. B. bis hinauf in eine Wolke erstrecken und dort zur Bildung von Kondensationskernen wirksam werden.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung von Kondensationskernen für Regen in der Atmosphäre mit den Verfahrensschritten:

a) Erzeugen eines Laserpulses mit eines Pulslasers,
b) Aussenden des Laserpulses von der Erde in die Atmosphäre, und
c) zeitliches und räumliches Fokussieren des Laserpulses derart, daß die Peak- Leistung des Laserpulses an einem Ort in der Atmosphäre die kritische Leistung für eine selbst-fokussierende Wirkung des Laserpulses in Luft übersteigt, so daß durch den Laserpuls ein Filament gebildet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Pulslaser eine Folge von Laserpulsen erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsbreite des Laserpuls kleiner als 10^-14 s ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsleistung des Pulslasers größer als 10¹¹ Watt ist.