WO2003032710A2

WO2003032710A2 - Verfahren zum beeinflussen von materie in grosser höhe

Info

Publication number: WO2003032710A2
Application number: PCT/EP2002/011362
Authority: WO
Inventors: Ludger Wöste; Roland Sauerbrey; Jean-Pierre Wolf
Original assignee: Freie Universität Berlin
Priority date: 2001-10-12
Filing date: 2002-10-10
Publication date: 2003-04-24
Also published as: AU2002350524A1; WO2003032710A3

Abstract

Eine Beeinflussung von Materie in großer Höhe vom Erdboden aus erfolgt mittels eines durch Selbstfokussierung und -defokussierung eines hochintensiven Laserstrahls erzeugten, gegen den Himmel gerichteten Filaments. Dabei wird ein Laserpuls mit eines Pulslaser erzeugt. Dieser Laserpuls wird von der Erde in die Atmosphäre ausgesandt. Dabei erfolgt ein 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. Anwendungen dieser Technik sind beispielsweise die Erzeugung von Kondensationskernen in der Atmosphäre und die Erzeugung einer künstlichen Lichtquelle in großer Höhe, z B. zur Kalibrierung von Teleskopen.

Description

Verfahren zum Beeinflussen von Materie in großer Höhe

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beeinflussung von Materie in großer Höhe vom Erdboden aus. Hierfür gibt es verschiedene Anwendungen. Es gilt, ein Medium zu finden, das die Materie vom Boden aus in großer Höhe mit ausreichender Energie zu beaufschlagen vermag.

Offenbarung der Erfindung

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zu Grunde, Materie in großer Höhe vom Boden aus mit ausreichender Energie und Energiedichte zu beaufschlagen und dadurch zu beeinflussen, um gewünschte technische Effekte zu erreichen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Beeinflussung mittels eines durch Selbstfokussierung und -defokussierung eines hochintensiven Laserstrahl erzeugten, gegen den Himmel gerichteten Filaments erfolgt.

Durch ein Filament kann ein gebündelter hochenergetischer Strahl mit kleinerm Öffnungswinkel über große Stecken geführt werden, so daß er bei Aussendung vom

Boden aus noch eine hohe Energiedichte aufweist, die merkliche Wirkung auf dort vorhandene Materie ausübt.

Eine Anwendung der Erfindung ist die 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.

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

Ab bilden 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. Das Bestreuen von Wolken mit Silberjodidkristallen erfolgt dabei "auf Verdacht", ohne genaue Kenntnis, ob tatsächlich mit Wasserdampf übersättigte feuchte Luftmassen vorliegen. Dieses Verfahren ist aufwendig und nur begrenzt wirksam.

Der Erfindung liegt die speziellere Aufgabe zugrunde, ein effektives Verfahren zur

Erzeugung von Kondensationskernen in der Atmosphäre zu schaffen.

Diese Aufgabe wird 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.

Wenn ein hochintensiver ültrakurzer 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 "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.

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 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.

Eine andere Anwendung der Erfindung ist die Erzeugung künstlicher Lichtquellen in großer Höhe, insbesondere zur Kalibrierung von astronomischen Teleskopen hinsichtlich atmosphärischer Störungen.

Die Strahlengänge astronomische 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.

Es besteht hier die Aufgabe, in großer Höhe, oberhalb der eigentlichen Atmosphäre eine künstliche Lichtquelle von bekannter Position zu erzeugen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verfahrensschritte:

(a) Erzeugen eines durch Selbstfokussierung und -defokussierung eines hochintensiven, gepulsten Laserstrahls erzeugten, gegen den Himmel gerichteten Filaments, das eine weiße Kontinuumsstrahlung in Längsrichtung des Filaments erzeugt, wobei in großer Höhe durch Anregung von Meteoritenstaub ein künstliche Lichtquelle auftritt,

(b) Messen der Pulslaufzeit des von der künstlichen Lichtquelle rückgestreuten Lichts in bezug auf die ausgesandten Laserpulse des gepulsten Laserstrahls und

(c) Bestimmen der realen Position der künstlichen Lichtquelle aus der Richtung des Filaments und der Pulslaufzeit der von der künstlichen Lichtquelle zurückgestreuten Strahlung

Bei solchen "Filamenten", wie sie vorstehend geschildert wurden, tritt 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.

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. Die genaue

Position der künstlichen Lichtquelle 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 Femtosekunden. 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.

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. Diese Anwendung ist gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

(a) Beobachten der künstlichen Lichtquelle mittels des zu kalibrierenden Teleskops,

(b) Bestimmen der von dem Teleskop gelieferten Bildes der künstlichen Lichtquelle und

(c) Korrigieren der von dem Teleskop erzeugten Bilder hinsichtlich Abbildungsfehlern durch Vergleich der realen Position der künstlichen Lichtquelle und des von dem Teleskop gelieferten Bildes.

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 atmosphärische 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.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 3 bis 5 und 7. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig.l 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".

Fig.9 zeigt die Erzeugung einer künstlichen Lichtquelle in großer Höhe zur

Kalibrierung eines Teleskops.

Bevorzugte Ausfuhrungen 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 Laseipulses 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 mehrerern Durchgängen zu Laserpulsen hohe 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 Laseφuls 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 Laseφuls 38 im Strahl 60 verbreitert und spektral aufgefächert. Der Strahl 60 wird dann durch einen Spiegel 62 umgelenkt. Der Laseφuls 38 im Strahl 60 erfährt dann die Verarbeitung durch die Verstärker 40 und 44 von Fig.5 und fällt dann als Laseφuls 46 auf den Kompressor 48.

Der Kompressor 48 ist iri Fig.7 schematisch dargestellt.

Der Kompressor 48 enthält ebenfalls zwei Gitter 64 und 66 und einen Spiegel 68. Der Laseφuls 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 -schnellenkurzwelligen Strahlen durchlaufene geometrische Weglänge länger als die von den langsameren langwelligen Strahlen. Dadurch erfolgt eine Kompression zu dem intensiven aber kurzzeitigen Laseφuls 22. Der Kompressor 48 kann aber so ausgelegt und ggf. eingestellt werden, daß in dem Puls 22 ein "negativer Chiφ" 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 Laseφulses 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 Figuren 1 bis 3 schematisch dargestellt.

In Fig.l sind mit 70, 72 und 74 usw. "Sammellinsen" bezeichnet, wie sie von dem Fortpflanzungsmedium Luft durch den Kerr-Effekt bei hoher Feldstärke des Laseφulses 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 Laseφulsen 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 Δnκ_e_τ 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 eine 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 Δnι_onis. 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 Chiφ" kann erreicht werden, daß erst in einem im Abstand von der Laseranordnung 10 und dem Teleskop 14 liegenden Punkt der Laseφuls 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.

Diese Kondensationskerne können zunächst zum Nachweis eine Übersättigung der

Atmosphäre mit Wasserdampf diene. Der Nachweis von Kondensationskernen kann mit bekannten Methoden, z.B. durch LIDAR-Technik ("McGraw-Hill Encyclopedia of Science & Technology" Bd.10, Seite 40) oder Mie-Streuung erfolgen. Mie Streuung ist bekanntlich eine Streuung an Aerosolen oder Partikeln, deren Abmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge des Lichts liegen (Bergmann-Schäfer "Lehrbuch der

Experimentalphysik" Bd. 3. "Optik" 9. Auflage, Seite 421). Wenn Kondensationskerne erkannt werden, liegt eine Übersättigung vor, wobei eine Abstufung (keine, mittlere, hohe Übersättigung) festgestellt werden kann.

Durch Kenntnis des Grades der Übersättigung ergeben sich mehrere unterschiedliche

Anwendungen: Der Grad der Übersättigung kann für rein meteorologische Anwendungen aufgezeichnet werden. Es können aber verschiedene Maßnahmen ergriffen werden, um ein verfrühtes Abregnen von Wolken zu erreichen. Das kann geschehen, um Hagelbildung zu vermeiden. Es kann aber auch geschehen, um in einem gewünschten Gebiet Regen zu erzeugen. Die Maßnahmen können in dem oben erwähnten Einsatz von Silberjodid bestehen. Der Regen kann aber auch durch das Filament selbst herevorgerufen werden, indem die durch das Filament erzeugten Kondensationskerne ein

Abregnen bewirken.

In Fig.9 bezeichnet 90 eine Laseranordnung zur Erzeugung von Laseφulsen 22, mit einer Frequenz von etwa 10Hz, deren Dauer in der Größenordnung von Femtosekunden und deren Leitung in der Größenordnung von Terawatt liegt. Diese Laseφulse 92 werden durch ein Teleskop 94 in einem Strahl 96 nach oben in die Atmosphäre gerichtet. Dabei bildet sich wegen der hohen Leistungsdichte der Laseφulse durch Selbstfokussierung infolge des Kerr-Effekts in Luft und Selbstdefokussierung durch Ionisation der Luft ein "Filament" 98 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 vorn und in Gegenrichtung längs des Laserstrahls bzw. Filaments zurück. Das Weißlicht ist in der Figur durch Pfeile 100 und 102 angedeutet, wobei die Pfeile 100 das nach vorn abgestrahlte Weißlicht bezeichnen.

In dem Bereich 104 oberhalb der eigentlichen Atmosphäre 106 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 108 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 108 entsprechend gepulst ist. Durch einen Sensor 110 werden die rückgestreuten Lichtpulse der gepulsten Lichtquelle 108 erfaßt. Diese Lichtpulse werden zeitlich mit den ausgesandten Laseφulsen verglichen. Daraus wird die Laufzeit der ausgesandten und rückgestreuten Lichtpulse bestimmt. Das ist in der Figur durch Block 112 dargestellt. Die Laufzeit liefert den längs des Laserstrahls 96 bzw.

Filaments gemessenen Abstand der künstlichen Lichtquelle 108 und damit deren genaue Position. Das ist durch Block 114 dargestellt.

In der Figur ist ein Teleskop 1 16 auf die künstliche Lichtquelle 108 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 1 16 bestimmen, die durch die Atmosphäre 106 hervorgerufen sind. Solche Abbildungsfehler können dann bei der Beobachtung eines etwa in der gleichen Richtung liegenden Himmelsobjekts 1 18 berücksichtigt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Beeinflussung von Materie in großer Höhe vom Erdboden aus, dadurch gekennzeichnet, daß die Beeinflussung mittels eines durch Selbstfokussierung und -defokussierung eines hochintensiven Laserstrahl erzeugten, gegen den Himmel gerichteten Filaments erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Erzeugung von Kondensationskernen in der Atmosphäre mit den Verfahrensschritten:

(a) Erzeugen eines Laseφulses mit eines Pulslasers,

(b) Aussenden des Laseφulses von der Erde in die Atmosphäre, und

(c) zeitliches und räumliches Fokussieren des Laseφulses derart, daß die Peak- Leistung des Laseφulses an einem Ort in der Atmosphäre die kritische

Leistung für eine selbst-fokussierende Wirkung des Laseφulses in Luft übersteigt, so daß durch den Laseφuls ein Filament gebildet wird.

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

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulsbreite des Laseφuls kleiner als 10^"14 s ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die

Ausgangsleistung des Pulslasers größer als 10¹¹ Watt ist.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensationskerne in der Atmosphäre als Anzeichen für eine Übersättigung nachgewiesen werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachweis der

Kondensationskerne durch LIDAR-Technik erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachweis der Übersättigung anhand von Mie-Streuung erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei

Vorliegen einer Übersättigung Maßnahmen zum verfrühten Abregnen getroffen werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das verfrühte

Abregnen durch Aussteuen von Silberjodid erfolgt.

1 1. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Maßnahme zum verfrühten Abregnen die Wolke mit dem Filament beaufschlagt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1 zur Erzeugung einer künstlichen Lichtquelle in großer Höhe, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

(a) Erzeugen eines durch Selbstfokussierung und -defokussierung eines hochintensiven, gepulsten Laserstrahls (96) erzeugten, gegen den Himmel gerichteten Filaments (98), das eine weiße Kontinuumsstrahlung (100) in

Längsrichtung des Filaments (98) erzeugt, wobei in großer Höhe durch

Anregung von Meteoritenstaub ein künstliche Lichtquelle (108) auftritt,

(b) Messen der Pulslaufzeit des von der künstlichen Lichtquelle (108) rückgestreuten Lichts in bezug auf die ausgesandten Laseφulse (92) des gepulsten Laserstrahls (96) und (c) Bestimmen der realen Position der künstlichen Lichtquelle (108) aus der Richtung des Filaments (98) und der Pulslaufzeit der von der künstlichen Lichtquelle (108) zurückgestreuten Strahlung.

13. Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Korrektur von durch die Atmosphäre bedingten Abbildungsfehlern eines astronomischen^' Teleskops, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

(a) Beobachten der künstlichen Lichtquelle mittels des zu kalibrierenden

Teleskops,