DE10150336B4

DE10150336B4 - Verfahren zur Erzeugung einer künstlichen Lichtquelle in großer Höhe, insbesondere zur Kalibrierung von astronomischen Teleskopen

Info

Publication number: DE10150336B4
Application number: DE2001150336
Authority: DE
Inventors: Ludger Prof. Dr. Wöste; Roland Prof. Dr. Sauerbrey
Original assignee: Freie Universitaet Berlin
Current assignee: Freie Universitaet Berlin
Priority date: 2001-10-15
Filing date: 2001-10-15
Publication date: 2005-01-05
Anticipated expiration: 2021-10-16
Also published as: DE10150336A1

Abstract

Verfahren zur Erzeugung einer künstlichen Lichtquelle genau bekannter Position in großer Höhe, bei welchem durch ein gepulstes Lichtbündel Fluoreszenz von Materie in großer Höhe angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß
(a) das Lichtbündel ein durch Selbstfokussierung und -defokussierung eines hochintensiven, gepulsten Laserstrahls (16) erzeugtes, gegen den Himmel gerichteten Filaments (18) ist, das eine weiße Kontinuumsstrahlung (20) in Längsrichtung des Filaments (18) erzeugt,
(b) diese weiße Kontinuumsstrahlung die künstliche Lichtquelle (28) in einer Höhe von 80 bis 120 km durch Anregung von Meteoritenstaub aus verschiedenen Elementen erzeugt,
(c) die Pulslaufzeit des von dieser künstlichen Lichtquelle (28) rückgestreuten Lichts in bezug auf die ausgesandten Laserpulse (12) des gepulsten Laserstrahls (16) gemessen wird und
(d) die reale Position der künstlichen Lichtquelle (28) aus der Richtung des Filaments (18) und der Pulslaufzeit der von der künstlichen Lichtquelle (28) zurückgestreuten Strahlung bestimmt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer künstlichen Lichtquelle genau bekannter Position in großer Höhe, bei welchem durch ein gepulstes Lichtbündel Fluoreszenz von Materie in großer Höhe angeregt wird Die Strahlengänge astronomischer Teleskope erfahren eine atmosphärische Aberration durch die irdische Atmosphäre. Die Atmosphäre wirkt wie ein optisches Glied vor dem Teleskop, das Linsenfehler in die Abbildung bringt. Diese Linsenfehler ändern sich mit dem Zustand der Atmosphäre und der Position des Objekts. Es ist wünschenswert, diese atmosphärische Aberration von Fall zu Fall bestimmen und von dem Teleskop erhaltene Bilder von Himmelsobjekten entsprechend korrigieren zu können.

Durch die Veröffentlichung von Chester S. Gardener "Sodium Resonance Fluorescence Lidar Applications in Atmospheric Science and Astronomy" aus "Proceedings of the IEEE" Bd. 77,408-418 ist es bekannt, einen auf die Natriumlinie abgestimmten gepulsten Laserstrahl auszusenden, welcher in großer Höhe vorhandene Natriumatome zur Fluoreszenz anregt. Dadurch wird in großer Höhe angeregte Strahlung erzeugt, welche mit den Spektrallinien von Natrium strahlt. Diese Strahlung wird mittels eines Teleskops und eines gekühlten Photomultipliers erfaßt. Zur Unterdrückung von Störstrahlung ist vor dem Photomultiplier ein Interferenzfilter angeordnet. Die schwache Rückstrahlung von den Natriumatomen wird durch Photonenzählung erfaßt. Der ausgesandte Laserpuls steuert ein Zeitfenster, wobei die Zählung nur während eines durch den Laserpuls bestimmten Zeitfensters erfolgt. Die Lage des Zeitfensters relativ zu dem Laserpuls bestimmt die jeweilige Höhe, aus welcher die Fluoreszenzstrahlung erfaßt wird. Die angeregte Strahlung dient vornehmlich LIDAR-Messungen zur Untersuchung von Zuständen der Atmosphäre. Es ist dort auch auf die Erzeugung von künstlichen Sternen ("Laser Guide Stars") für astronomische Zwecke durch Anregung von Natriumatomen hingewiesen.

Es sind weiterhin sog. "Filamente" bekannt. Wenn ein Laserpuls (im Ferntosekunden- 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 in Abhängigkeit von der 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 "Self-channeling of high-peak-power femtosecond laser pulses in air" von A. Braum et al. in Opt. Lett., Vol. 20, No. 1, S. 73–75 (1995), und in der Veröffentlichung "The critical laser intensity of self-guided light filaments in air" in Appl. Phys. B, Vol. 71, S. 877–879 (2000) aufgeführt. Eine weitere Veröffentlichung zu diesem Thema ist ein Aufsatz von Faye, Kasparian und Sauerbrey "Modification to the lidar equation due to nonlinear propagation in air" in Applied Physics B, 73, 157–163 (2001).

Bei solchen "Filamenten" tritt nun ein weiteres Phänomen auf: Es entsteht weißes Licht, also eine Kontinuumsstrahlung, die sich über einen großen Wellenlängenbereich erstreckt. Dieses weiße Licht wird im wesentlichen in Vorwärts- und in Rückwärtsrichtung des Filaments abgestrahlt. Dieses Phänomen ist bekannt (OPTICS LETTERS, 2001, Bd. 26, No 8, 533–535). Es ist auch schon bekannt, dieses Weißlicht als Lichtquelle für die spektrale Untersuchung der Atmosphäre zu verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, in großer Höhe, oberhalb der eigentlichen Atmosphäre eine künstliche Lichtquelle von bekannter Position zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß

(a) das Lichtbündel ein durch Selbstfokussierung und -defokussierung eines hochintensiven, gepulsten Laserstrahls erzeugtes, gegen den Himmel gerichteten Filaments ist, das eine weiße Kontinuumsstrahlung in Längsrichtung des Filaments erzeugt,
(b) diese weiße Kontinuumsstrahlung die künstliche Lichtquelle in einer Höhe von 80 bis 120 km durch Anregung von Meteoritenstaub verschiedener Elemente erzeugt,
(c) die Pulslaufzeit des von dieser künstlichen Lichtquelle rückgestreuten Lichts in bezug auf die ausgesandten Laserpulse des gepulsten Laserstrahls gemessen wird und
(d) die reale Position der künstlichen Lichtquelle aus der Richtung des Filaments (18) und der Pulslaufzeit der von der künstlichen Lichtquelle zurückgestreuten Strahlung bestimmt wird.

Nach der Erfindung wird nicht ein einfacher Natrium-Laser zur Erzeugung des "Lichtbündels" verwendet sondern es wird ein Filament erzeugt. Ein solches Filament läuft infolge der abwechselnden Selbsfokussierung und -defokussierung auf langen Strecken weniger auseinander als ein einfacher Laserstrahl. Es ergibt sich daher auch in großen Höhen noch eine scharfe Bündelung und dadurch eine größere Reichweite. Das Filament erzeugt schließlich Weißlicht.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß dieses in Vorwärtsrichtung des Filaments emittierte Weißlicht oberhalb der Atmosphäre in 80 bis 120 km Höhe dort vorhandenen Meteoritenstaub zu Fluoreszenz anregen kann, und zwar in den verschiedenen Wellenlängen, in denen die verschiedenen im Meteoritenstaub enthaltenen Substanzen fluoreszieren. Es entsteht dann durch die Fluoreszenzstrahlung eine künstliche Lichtquelle in dieser Höhe mit einem breiten Spektrum von Wellenlängen und daher mit relativ hoher Intensität. Die genaue Position der künstlichen Lichtquelle kann dadurch ermittelt werden, daß die Pulslaufzeit des von der künstlichen Lichtquelle rückgestreuten Lichts in bezug auf die ausgesandten Laserpulse des gepulsten Laserstrahls gemessen und die reale Position der künstlichen Lichtquelle aus der Richtung des Filaments und der Pulslaufzeit der zurückgestreuten Strahlung bestimmt wird. Der Laserstrahl besteht aus einer Folge von hochintensiven Laserpulsen im Terawattbereich von sehr kurzer Pulsdauer in der Größenordnung von Ferntosekunden. Dementsprechend besteht auch das erzeugte Weißlicht aus entsprechenden Lichtimpulsen, und auch die angeregte Strahlung der künstlichen Lichtquelle ist entsprechend gepulst. Aus der Pulslaufdauer zwischen ausgesandtem Laserpuls und dem Lichtpuls des rückgestreuten Lichtes kann die genaue Position der künstlichen Lichtquelle längs des Filaments bestimmt werden. Durch die relativ hohe Intensität der künstlichen Lichtquelle kann diese Laufzeit gemessen werden. Es werden Lichtimpulse empfangen, deren Zeitpunkte relativ zu dem Laserpuls die Lage der künstlichen Lichtquelle angeben, und nicht durch Zeitfenster Höhen vorgegeben, wobei Photonen über einen längeren Zeitraum hinweg gezählt werden.

Die künstliche Lichtquelle kann zu vielfältigen Vermessungszwecken ausgenutzt werden.

Eine Anwendung der Erfindung besteht in der zur Korrektur von durch die Atmosphäre bedingten Abbildungsfehlern eines astronomischen Teleskops.

Die künstliche Lichtquelle, die sich oberhalb der Atmosphäre befindet und bei deren Beobachtung ebenfalls atmosphärische Aberration auftritt, kann dann auf diese Weise zur Kalibrierung von astronomischen Teleskopen benutzt werden. Da die Position der künstlichen Lichtquelle bekannt ist, können aus einem Versatz der scheinbaren Position der künstlichen Lichtquelle gegenüber ihrer realen Position die atmosphärisch bedingten Abbildungsfehler bestimmt werden. Dabei können auch chromatische Abbildungsfehler ermittelt werden, da die künstliche Lichtquelle ein breites Spektrum von Wellenlängen emittiert. Damit kann auch die hinsichtlich der atmosphärisch bedingten Abbildungsfehler korrigierte Position eines in der Nähe dieser künstlichen Lichtquelle beobachteten Himmelsobjektes ermittelt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.
In der Figur bezeichnet 10 eine Laseranordnung zur Erzeugung von Laserpulsen 12, mit einer Frequenz von etwa 10Hz, deren Dauer in der Größenordnung von Ferntosekunden und deren Leitung in der Größenordnung von Terawatt liegt. Diese Laserpulse 12 werden durch ein Teleskop 14 in einem Strahl 16 nach oben in die Atmosphäre gerichtet. Dabei bildet sich wegen der hohen Leistungsdichte der Laserpulse durch Selbstfokussierung infolge des Kerr-Effekts in Luft und Selbstdefokussierung durch Ionisation der Luft ein "Filament" 18 aus. Der Laserstrahl wird durch die in der Luft gebildeten, alternierenden "Sammel- und Zerstreuungslinsen" weitgehend ohne Auseinanderlaufen in einem sehr engen Querschnitt von z.B. 0,1 mm Querschnitt geführt und kann sich bis hoch über die Atmosphäre in einen Bereich zwischen 80 und 120 km Höhe erstrecken. Das Filament erzeugt Weißlicht, also ein Kontinuum, das sich über einen sehr weiten Wellenlängenbereich erstreckt. Dieses Weißlicht strahlt im wesentlichen nur in Richtung des Laserstrahls bzw. Filaments nach vom und in Gegenrichtung längs des Laserstrahls bzw. Filaments zurück. Das Weißlicht ist in der Figur durch Pfeile 20 und 22 angedeutet. wobei die Pfeile 20 das nach vorn abgestrahlte Weißlicht bezeichnen.
In dem Bereich 24 oberhalb der eigentlichen Atmosphäre 26 befindet sich sog. "Meteroitenstaub". Das sind schwebende Partikel aus verschiedenen Elementen, welche ihren Ursprung in Meteoriten haben, welche beim Auftreffen auf die Atmosphäre verdampft und zerstäubt wurden. Durch das Weißlicht wird dieser Meteoritenstaub zu Fluoreszenz angeregt. Der durch das Weißlicht angeregte Meteoritenstaub bildet eine künstliche Lichtquelle, die in der Figur mit 28 bezeichnet ist.
Der Laserstrahl bzw. das Filament ist in der oben beschriebenen Weise gepulst. Dementsprechend liefert das Filament auch gepulstes Weißlicht, was wiederum bewirkt, daß auch die künstliche Lichtquelle 28 entsprechend gepulst ist. Durch einen Sensor 30 werden die rückgestreuten Lichtpulse der gepulsten Lichtquelle 28 erfaßt. Diese Lichtpulse werden zeitlich mit den ausgesandten Laserpulsen verglichen. Daraus wird die Laufzeit der ausgesandten und rückgestreuten Lichtpulse bestimmt. Das ist in der' Figur durch Block 32 dargestellt. Die Laufzeit liefert den längs des Laserstrahls 16 bzw. Filaments gemessenen Abstand der künstlichen Lichtquelle 28 und damit deren genaue Position. Das ist durch Block 34 dargestellt.
In der Figur ist ein Teleskop 36 auf die künstliche Lichtquelle 28 ausgerichtet. Aus einem Vergleich der von dem Teleskop beobachteten Position der künstlichen Lichtquelle mit deren realer Position lassen sich Abbildungsfehler, z.B. Verzeichnung, des Teleskops 36 bestimmen, die durch die Atmosphäre 26 hervorgerufen sind. Solche Abbildungsfehler können dann bei der Beobachtung eines etwa in der gleichen Richtung liegenden Himmelsobjekts 38 berücksichtigt werden.

Claims

Verfahren zur Erzeugung einer künstlichen Lichtquelle genau bekannter Position in großer Höhe, bei welchem durch ein gepulstes Lichtbündel Fluoreszenz von Materie in großer Höhe angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß (a) das Lichtbündel ein durch Selbstfokussierung und -defokussierung eines hochintensiven, gepulsten Laserstrahls (16) erzeugtes, gegen den Himmel gerichteten Filaments (18) ist, das eine weiße Kontinuumsstrahlung (20) in Längsrichtung des Filaments (18) erzeugt, (b) diese weiße Kontinuumsstrahlung die künstliche Lichtquelle (28) in einer Höhe von 80 bis 120 km durch Anregung von Meteoritenstaub aus verschiedenen Elementen erzeugt, (c) die Pulslaufzeit des von dieser künstlichen Lichtquelle (28) rückgestreuten Lichts in bezug auf die ausgesandten Laserpulse (12) des gepulsten Laserstrahls (16) gemessen wird und (d) die reale Position der künstlichen Lichtquelle (28) aus der Richtung des Filaments (18) und der Pulslaufzeit der von der künstlichen Lichtquelle (28) zurückgestreuten Strahlung bestimmt wird.