Mitteilung

Neuer leistungsstarker Laser auf der Grundlage von ESO-Technologie besteht Praxistest

31. August 2021

Ein leistungsstarker experimenteller Laser, der auf der Technologie der ESO basiert, hat letzten Monat einen wichtigen Test an der Allgäuer Volkssternwarte Ottobeuren bestanden. Der Laser für Adaptive Optik, der in Zusammenarbeit mit der Industrie entwickelt wurde, verfügt über wichtige zusätzliche Eigenschaften im Vergleich zu bestehenden Systemen. Er wird Teil des adaptiven Optiksystems CaNaPy Laser Guide Star sein, das im Rahmen der Forschungs- und Entwicklungszusammenarbeit zwischen ESO und ESA an der Optical Ground Station der Europäischen Weltraumorganisation ESA auf Teneriffa installiert werden soll. Die höhere Laserleistung, die fast dreimal so hoch ist wie bei derzeitigen Systemen, ermöglicht neue Entwicklungen im Bereich der Laser-Satellitenkommunikation sowie eine erhebliche Verbesserung der Schärfe astronomischer Bilder, die mit bodengestützten Teleskopen aufgenommen werden.

In der Astronomie bezieht sich der Begriff Adaptive Optik auf Systeme an bodengebundenen Teleskopen, die den durch Turbulenzen in der Erdatmosphäre verursachten Unschärfeeffekt korrigieren - denselben Effekt, der die von der Erde aus gesehenen Sterne zum "Funkeln" bringt. Um die Verzerrungen zu beseitigen, benötigen diese Systeme einen hellen Referenzstern in der Nähe des zu untersuchenden Objekts. Da diese Sterne nicht überall am Himmel zu finden sind, regen die Astronomen mit Hilfe von Lasern Natriumatome in 90 km Höhe in der Erdatmosphäre an und erzeugen so künstliche Sterne in der Nähe des Untersuchungsobjekts, die zur Kartierung und Korrektur der atmosphärischen Turbulenzen verwendet werden können.

Der neue Versuchslaser basiert auf derselben ESO-Technologie wie die Four Laser Guide Star Facility, die am Very Large Telescope der ESO in Chile sowie an den meisten großen astronomischen Observatorien der Welt erfolgreich in Betrieb ist. Doch während diese Laser eine Leistung von 22 Watt haben, hat der neue Laser mit 63 Watt fast die dreifache Leistung. Dies ist ein enormer Fortschritt in der astronomischen Lasertechnologie, der unter anderem die Schärfe der Bilder der Adaptiven Optik bei sichtbaren Wellenlängen verbessern wird. Im Rahmen einer Forschungs- und Entwicklungskooperation mit der ESO konnte das kanadische Unternehmen MPB Communications - einer der Industriepartner der ESO - die Leistung seiner Infrarot-Raman-Faserverstärker-Quelle erhöhen. Dies ist der Durchbruch, der es dem CaNaPy-Laser der ESO ermöglicht, eine so hohe Leistung zu erreichen [1].

Darüberhinaus hat das deutsche Unternehmen TOPTICA Photonics AG, ein weiterer Industriepartner der ESO, im Rahmen einer Forschungs- und Entwicklungskooperation mit der ESO ein Frequenz-Chirping-System für diese neue Laserklasse entwickelt und in den CaNaPy-Laser integriert. Beim Chirping wird die Frequenz, auf die der Laser abgestimmt ist, schnell geändert. Dadurch wird die Anzahl der vom Laser angeregten Natriumatome erhöht, wodurch der künstliche Stern heller wird und die Turbulenzkorrektur verbessert wird. TOPTICA hat den Chirping-Prototyp auf dem 63-Watt-Laser installiert und zusammen mit der ESO sowohl den Laser als auch sein neuartiges Chirping-System am Himmel in Betrieb genommen.

Der neue experimentelle CaNaPy-Laser ist ein Beispiel für eine astronomische Technologie, die von der ESO in Zusammenarbeit mit der Industrie entwickelt und dann in die industrielle Nutzung, auch in neuen Bereichen, überführt wurde und somit der Gesellschaft als ganzes zugute kommt. Sobald das CaNaPy-Instrument an der Optical Ground Station der ESA auf Teneriffa installiert ist - ein Gemeinschaftsprojekt der ESO [2] und der ESA - wird es beiden Organisationen, der ESA und der ESO, die Möglichkeit bieten, den Einsatz von Technologien der Adaptiven Optik mit Laserleitsternen nicht nur für die Astronomie, sondern auch für die optische Satellitenkommunikation voranzutreiben. Die optische Laserkommunikation ermöglicht es Satelliten, Signale mit ultraschneller Bandbreite von und zur Erde zu senden und zu empfangen - eine Perspektive, die von der ESA untersucht wird. Optische Lasersignale können viel mehr Informationen übertragen als Radiosignale, werden aber ebenso von atmosphärischen Turbulenzen beeinträchtigt. Die Adaptive Optik von Laserleitsternen hat daher das Potenzial, die optischen Verbindungen zwischen Satelliten und Bodenstationen erheblich zu verbessern.

Endnoten

[1] MPB Communications hat die Leistung seines Raman-Faserverstärkers, der im Infraroten bei 1178 nm arbeitet, von den 36 Watt, die normalerweise bei den kommerziellen Natrium-Laserleitsternen verwendet werden, auf eine noch nie dagewesene Leistung von 100 Watt erhöht. Damit kann CaNaPy im sichtbaren Bereich bei 589 nm eine Dauerstrichleistung von 63 Watt erreichen.

[2] An der Zusammenarbeit sind mehrere Institute in ESO-Mitgliedsländern beteiligt: das Istituto Nazionale di Astrofisica in Italien, die Durham University in Großbritannien und das Instituto de Astrofísica de Canarias in Spanien.