Laser-Preise

Klare Sicht für große Teleskope – Festkörperlaser mit abstimmbarer Wellenlänge schafft den Durchbruch für die Laser-Guide-Star-Technologie

Die Laser-Guide-Star-Alliance, Entwicklerteams um Dr. Domenico Bonaccini Calia, Dr. Wilhelm Kaenders und Dr. Wallace Clements am European Southern Observatory (ESO) in Garching, der TOPTICA Photonics AG in Gräfelfing und der MPB Communications Inc. in Montreal, erhalten den 3. Preis des Berthold Leibinger Innovationspreises 2016.

Der Blick vom Cerro Paranal in den Nachthimmel ist ebenso atemberaubend wie die chilenische Atacama-Wüste selber. Hier ist die Atmosphäre trocken und die Luftströmungen nur schwach, die Sterne scheinen zum Greifen nah. Auf einem Plateau in 2635 Metern Höhe haben daher Astronomen der Europäischen Organisation für astronomische Forschung in der südlichen Hemisphäre ESO das VLT errichtet, das Very Large Telescope. Um noch schärfere Bilder zu erhalten, wie sie sonst nur das Hubble-Teleskop im Weltraum aufzunehmen vermag, haben sich Wissenschaftler einen Trick ausgedacht, die Guidestar-Technologie. Sie benutzt das Licht heller Sterne, um die von Luftbewegungen verursacht Störungen zu erkennen und diese mittels sogenannter adaptiver, also dynamisch einstellbarer Optiken in Echtzeit zu korrigieren.

Eine Voraussetzung der Guidestar-Technologie ist daher die Anwesenheit eines hellen Sterns im Blickfeld des Teleskops. Doch je tiefer der Blick ins All und damit in die Vergangenheit des Universums, desto kleiner sind die beobachteten Himmelsregionen, und es fehlen die ausreichend hellen Sterne. Die Lösung hierfür war schnell gefunden. Sogenannte Laser-Guidestars sind künstliche Sterne am Rand der Atmosphäre, erzeugt mit Laserstrahlen an jedem beliebigen Himmelsfleck. Starke Laserstrahlen regen in 90 Kilometer Höhe Natriumatome an, Überreste von Meteoriten, die beim Eintritt in die Erdatmosphäre verglühen und diese Schicht immer wieder erneuern.

Schwieriger war es dagegen, die erforderliche Laserstrahlung zu erzeugen, um die Natrium-D-Linien bei 589 Nanometer anzuregen. Anfangs kamen Farbstoff-Laser zum Einsatz, doch da hier die das Laserlicht erzeugenden Farbstoffe in einer Flüssigkeit gelöst werden, ist der Umgang mit diesen Strahlquellen nicht einfach. Sie sind in der Leistung begrenzt, erfordern viel Wartung und können nicht in das Teleskop integriert und mitbewegt werden.

Für die ESO war daher klar, dass ihr neues Laser-Guidestar-System für das VLT eine neue Strahlquelle braucht. Ein Team um den Italiener Dr. Domenico Bonaccini Calia entwickelte und patentierte eine wesentliche Grundlage dieser neuen Strahlquellentechnologie am Sitz der ESO in Garching. Ihr Idee: Erzeugung der erforderlichen Wellenlänge mit Dioden- und Faserlasern mittels sogenannter Raman-Verstärkung. Vereinfacht gesagt, wird das Licht einer Infrarot-Laserdiode bei etwa 1178 Nanometer Wellenlänge in einer Glasfaser verstärkt und anschließend die Frequenz verdoppelt. Was sich – zumindest für Physiker – zunächst einfach anhört ist technisch ausgesprochen anspruchsvoll. Die Leistung soll deutlich über 20 Watt betragen, die Linienbreite klein, die Stabilität groß, der Austrittsstrahl so parallel wie physikalisch möglich und das Gesamtsystem weitgehend wartungsfrei sein. Die Entwicklungszeit, beginnend mit den ersten Versuchen bei der ESO, dauerte insgesamt acht Jahre. Unter kommerzieller Führung von TOPTICA folgten wesentliche patentierte Entwicklungen, wie die Integration eines Rückpumpers. Schließlich war war die Guide Star Alliance soweit, eine entsprechende Strahlquelle nach industriellen Standards anbieten zu können. Für die Astronomen wurde damit ein Traum zur Wirklichkeit.

Am 26. April 2016 kam der große Moment: Vier der Strahlquellen waren bereits auf einem der Teleskope des VLT montiert und sendeten beim „First Light“ ihre ersten Laserstrahlen in den Himmel. Für alle Beteiligten ein großartiges Ereignis und ein unbeschreiblicher Anblick. Inzwischen ist für alle in Bau oder Planung befindlichen Teleskope mit adaptiver Optik der Einsatz der neuen Strahlquellen vorgesehen. Neben der Anwendung in der Laser-Guidestar-Technologie stehen den Strahlquellen weitere Türen zu Anwendungen offen. Bedingt durch die Flexibilität der Raman-Verstärkung können viele andere sichtbaren Wellenlängen exakt und abstimmbar ausgegeben werden.

Neben anderen Weltraumanwendungen wie dem Aufspüren und der Bahnverfolgung von Satelliten und Weltraumschrott mittels LIDAR, dem Licht-Analogon zum Radar, sehen Dr. Wilhelm Kaenders, Vorstand von TOPTICA und Dr. Wallace Clements, Entwicklungsleiter bei MPB Communications, bereits heute Anwendungen ihrer Strahlquelle in der Atomspektroskopie und in photonischen Bildgebungsverfahren.


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