Präzise Messtechnik erkennt reflektierten Laserstrahl aus 100 km Höhe.

| Redakteur: Hendrik Härter

Wenn Forscher die Atmospähre untersuchen, schicken sie einen Laserstrahl in eine Höhe von 100 km. Die Reflexionen einzelner Atome sind mit präziser Messtechnik auch bei Tageslicht erkennbar.
Wenn Forscher die Atmospähre untersuchen, schicken sie einen Laserstrahl in eine Höhe von 100 km. Die Reflexionen einzelner Atome sind mit präziser Messtechnik auch bei Tageslicht erkennbar. (Bild: Spectrum Instrumentation)

Laserstrahl-Reflexionen von einzelnen Atomen aus einer Höhe von 100 km zu erkennen und das selbst bei Tageslicht: Forscher sind auf die Erkenntnisse über die atmosphärischen Bedingungen angewiesen. Ein zentraler Bestandteil ist hochpräzise Messtechnik.

Mit gepulsten Laserstrahlen können Wissenschaftler in der Atmosphäre Temperatur und Windgeschwindigkeit messen, indem sie das aus einer Höhe von 100 km zurückgestreute Licht analysieren. Die zurückkehrenden Lichtsignale sind extrem schwach und werden vom Sonnenlicht überlagert.

Die verwendete Messtechnik wird als Doppler-Resonanz-Lidar bezeichnet, da das Licht zurückgestreut wird, indem der Laser genau auf einen Resonanzübergang eines Metallatoms abgestimmt wird. Die zurückkommenden Signale sind extrem schwach (Einzelphotonen pro Laserpuls) und werden tagsüber fast vollständig von der Sonnenstrahlung überlagert. Der Unterschied zwischen Tag- und Nachtmessungen besteht darin, dass tagsüber durch die Sonne 100.000.000-mal mehr Hintergrundstörung vorhanden ist.

Ein Atom pro Kubikzentimeter

Das Verständnis der Temperaturverteilung in der Atmosphäre in Höhen zwischen 80 und 110 km, auch als MLT (Mesosphäre und untere Thermosphäre) bezeichnet, ist für numerische Simulationen des Erdklimas von entscheidender Bedeutung. Ein etablierter Ansatz zur Bereitstellung solcher Daten besteht darin, die verbreiterte Doppler-Linienbreite von Metallatomen mittels Resonanz-Lidar-Systemen zu messen. Das erfolgt beispielsweise an der Kaliumresonanzlinie bei Wellenlängen von 770 nm und die Eisenresonanzlinie bei 372 oder 386 nm. Bislang wurde für die Laser dieser Lidar-Systeme Blitzlicht als optische Pumpe benutzt.

Jetzt kommt zum ersten Mal ein hocheffizienter, abstimmbarer, Dioden-gepumpter Alexandrit-Laser zum Einsatz, der für die rauen Umgebungsbedingungen auf Forschungsschiffen und in Polarregionen deutlich besser geeignet ist. Mit dieser neuen Technik reicht eine Konzentration von etwa einem Atom pro Kubikzentimeter für Temperatur- und Windmessungen in einer Entfernung von 100 km aus. In dieser Höhe ist der Luftdruck so niedrig, dass alternativ nur Raketen dorthin gelangen können.

Mobile Messtechnik für extreme Bedingungen

Das Leibniz-Institut für Atmosphärenphysik (IAP) in Kühlungsborn an der Ostsee hat das weltweit einzige mobile Instrument entwickelt, das auch tagsüber verwendet werden kann. Projektleiter Dr. Josef Höffner erklärt: „Das Ziel dieses Projekts ist es, mobile und möglichst kompakte Messsysteme zu bauen, die wir weltweit mitnehmen können. Diese Systeme sind für einen automatischen Betrieb konzipiert, unter extremen Bedingungen wie in der Antarktis. Ein Zugriff ist oft für lange Zeiträume nicht möglich. Wir brauchen daher Komponenten, die zum einen die erforderliche Empfindlichkeit, Geschwindigkeit und Flexibilität bieten, zum anderen sehr zuverlässig unter den schwierigen Umgebungsbedingungen funktionieren. Die Qualität und die fünfjährige Garantie von Spectrum Instrumentation gibt uns die nötige Sicherheit bei diesen wichtigen Systemkomponenten.“

Es gibt verschiedene Aspekte, um die Messungen in diesem Projekt zu verbessern. Der erste ist die Unterdrückung des Hintergrundrauschens, wie durch ein extrem kleines Sichtfeld bei hoher Auflösung und durch optische Filterung. Das bedeutet, dass der Laser sowohl im Sichtfeld als auch bei allen Filtern stabilisiert werden muss. Der Laser selbst erfordert ein komplexes und schnelles Echtzeit-Stabilisierungssystem mit Nanosekunden-Timing.

1 GByte pro Sekunde über viele Monate

Dafür wird der Spectrum M2i.6012-exp Arbiträrgenerator benutzt, der 500 Impulse pro Sekunde erzeugt. Die Signale des rückgestreuten Lichts werden mit dem 16 Bit Digitizer M4i.4421-x8 von Spectrum mit 250 MS/s verarbeitet. Die Bedingungen innerhalb des Lasers werden mit der acht Bit Digitizerkarte M4i.2221-x8 mit 2,5 GS/s gemessen. Das System verarbeitet mehr als 1 GByte pro Sekunde, im Dauereinsatz über viele Monate, mit einer Reaktionszeit von etwa 1 ms nach der Verarbeitung der gemessenen Daten in Echtzeit. Insgesamt werden 21 Signale von einem am IAP entwickelten Softwarepaket verwaltet.

In der rauen Umgebung der Antaktis kommt zum ersten Mal ein abstimmbarer, Dioden-gepumpter Alexandrit-Laser zum Einsatz.
In der rauen Umgebung der Antaktis kommt zum ersten Mal ein abstimmbarer, Dioden-gepumpter Alexandrit-Laser zum Einsatz. (Bild: Spectrum Instrumentation)

„Wir haben ein kompaktes, hochintegriertes System gebaut, mit schneller, flexibler Elektronik und Echtzeitfähigkeit. Das ist eine beeindruckende Verbesserung gegenüber den bisherigen Messanlagen, die schwer zu handhaben und um ein Vielfaches größer waren", sagt Dr. Höffner. „Unser altes System benötigte einen 10-Tonnen-Container mit einer Länge von 6 m, was dank der Spectrum-Karten und des neuartigen Lasers auf ein System mit 1500 kg geschrumpft werden konnte. Wir verkleinern die Vorrichtung zurzeit weiter, um eine jetzt eine Box mit einem Meter und 250 kg zu bauen, mit der gleichen Elektronik und einem nochmal kompakteren und weiterentwickelten Laser.“

Messtechnik auch für Weltraummissionen

„Unsere Messungen haben bereits einen großen Einfluss auf unser Verständnis der Atmosphäre gehabt. Wir haben auch bewiesen, dass wir ein System entwickeln können, welches leicht, kompakt, zuverlässig und effizient genug ist für eine zukünftige Weltraummission.“

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