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Leistungsstarker neuer Laser absolviert wichtigen Test

Die ESO nimmt den ersten 22-Watt-Natriumlaser für die Adaptive Optics Facility an

24. März 2014

Nach fast fünf Jahren intensiver Zusammenarbeit und gemeinsamer Anstrengungen (vgl. hierzu ann1045, ann1048, ann11039, ann12012 und ESOcast 34) hat die ESO einen neuen 22-Watt Laser vom Systemlieferanten TOPTICA und dem Partner MPB angenommen. Das Lasersystem wird Teil der Adaptive Optics Facility am Very Large Telescope (VLT) der ESO [1]. Dieser Laser - und vier weitere baugleiche Einheiten (einschließlich eines Ersatzmodells), die später geliefert werden - stellen die Schlüsselelemente der neuen Anlage dar. Die Annahme des Lasers stellt somit einen wesentlichen Fortschritt des Projektes dar.

Vor fünf Jahren waren die Optionen für zuverlässige Hochleistungslaser in kompaktem Format, die die Voraussetzung für die Adaptive Optics Facility erfüllen, sehr begrenzt. Mittlerweile haben neuere Technologien und spezifische Forschung und Entwicklung das Bild verändert.

Nach einer dreimonatigen Testphase bei der ESO ist das Projektteam sehr zufrieden mit der Leistungsfähigkeit der neuen Hardware, die für die Zukunft vielversprechend für eine einfache und verlässliche Verwendung mit dem VLT erscheint. Dies ist wichtig, da die Laser für alle Beobachtungen verwendet werden sollen, die mit der Adaptive Optics Facility durchgeführt werden.

Das neue Laser-Design profitiert von einer speziellen Technik, die dazu dient, die Helligkeit des künstlichen Leitsterns zu erhöhen, der in einer Natriumschicht 90 Kilometer hoch in der Atmosphäre [2] erzeugt wird; diese einzigartige Technik kam bisher noch nie an einer der bedeutenden Beobachtungseinrichtungen zum Einsatz.

Die Adaptive Optics Facility verwendet Sensoren, die die atmosphärischen Turbulenzen analysieren, und einen deformierbaren Spiegel, der im Teleskop integriert ist und die atmosphärisch bedingten Verzerrungen korrigiert. Hierzu wird ein heller sternartiger Punkt benötigt, um die Turbulenzen zu messen. Dies muss in direkter Nähe zum wissenschaftlichen Beobachtungsobjekt am Himmel geschehen.

Einen natürlichen Stern hierfür zu finden ist nicht sehr wahrscheinlich. Um die Korrektur der atmosphärischen Turbulenzen trotzdem überall am Himmel und für alle denkbaren Beobachtungsobjekte zu ermöglichen, kamen Ingenieure auf die Idee, mithilfe eines starken Laserstrahls einen künstlichen Stern in die Natriumschicht zu projizieren. Durch die Messung der atmosphärisch hervorgerufenen Bewegungen und Verzerrungen des künstlichen Sterns und die genaue Anpassung des deformierbaren Sekundärspiegels, können mit dem Teleskop Bilder mit einer deutlich größeren Schärfe als ohne die Adaptive Optik aufgenommen werden.

Der neue Laser liefert 22 Watt, was im Vergleich zu normalen Glühbirnen bescheiden zu sein scheint. Bei einer kohärenten Emission führt dies jedoch zu einem sehr intensiven Strahl, der so viel Leistung abgibt, dassspezielle Sicherheitsmaßnahmen während des Betriebs erforderlich sind. Die Herausforderung solcher Laser ist es, möglichst effizient Licht einer bestimmten Wellenlänge zur Verfügung zu stellen, die für die Erzeugung des künstlichen Sterns benötigt wird [3].

Die Leistung der neuen Laser wird für zukünftige Projekte interessant sein, sobald sie mit dem Teleskop in Betrieb genommen werden. Das European Extremely Large Telescope beispielsweise hat Bedarf für mehrere dieser Laserleitstern-Einheiten.

Endnoten

[1] Der neue Laser wird ein Teil der 4 Laser Guide Star Facility (4LGSF), das als ein Teilsystem der Adaptive Optics Facility (AOF) am Hauptteleskop 4 des VLT installiert wird, um die AO-Systeme GALACSI/MUSE und GRAAL/HAWK-I mit vier Natrium-Laserleitsternsystemen (engl. Laser Guide Stars, kurz LGSs) zu versorgen, und die als künstliche Referenzquellen für AO-Korrekturen höherer Ordnung dienen sollen.

[2] Das Licht des Lasers besteht aus einer Hauptspektrallinie, die beim Natrium D2a-Übergang angesiedelt ist und 80% der Laserleistung enthält, sowie zwei Seitenbändern, die sich in gleichen Abständen auf den beiden Seiten der Hauptlinie befinden und jeweils 10% der Laserleistung beinhalten. Das Seitenband höherer Frequenz ist resonant zum Natrium-D2b-Übergang und kann in Kombination mit anderen Lasereigenschaften die Helligkeit des künstlichen Sterns um einen Faktor von 2,5 erhöhen.

[3] Ein Infrarotlaser mit geringer Leistung, der mit einer sehr stabilen Wellenlänge von 1178 nm emittiert, ist der erste Teil des Prozesses. Die Verstärkung des infraroten Lichts findet dann mittels des Raman-Effekts in einem optischen Hochleistungsverstärker statt. Es wird anschließend in eine resonante Kavität eingekoppelt, die die Energie der Photonen verdoppelt, wodurch die gewünschte Wellenlänge von 589 nm erhalten wird. Diese Wellenlänge eignet sich perfekt zur Erzeugung künstlicher Sterne in der Natriumschicht.

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Der erste 22-Watt-Natriumlaser der Adaptive Optics Facility
Der erste 22-Watt-Natriumlaser der Adaptive Optics Facility