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Lexikon der Optik: Laserlichtausbreitung in der Atmosphäre

Laserlichtausbreitung in der Atmosphäre. Dabei erleidet der Laserstrahl Veränderungen, die je nach den atmosphärischen Bedingungen unterschiedlich sind.

1) Turbulente, klare Atmosphäre. In diesem Fall treten sehr kleine Änderungen des Brechungsindexes – ihr Wert liegt bei 10-6 – auf. Sie rühren hauptsächlich von Temperaturschwankungen der Größenordnung 0,1 bis 1 K her, die ihrerseits durch die turbulente Bewegung der Atmosphäre bedingt sind. Die räumliche Ausdehnung solcher Brechungsindexinhomogenitäten ist sehr groß im Vergleich zur Wellenlänge des Lichtes. Bei Ausbreitung über größere Entfernungen durchläuft der Laserstrahl jedoch eine große Zahl von Bereichen mit etwas unterschiedlichem Brechungsindex, so daß es trotz der Kleinheit der Brechungsindexänderung zu einer deutlichen Beinflussung des Laserstrahls kommt. Primär erfolgen Phasenverschiebungen, die wiederum zu Intensitätsschwankungen, zu einer Verbreiterung des Strahls, zu Fluktuationen der Einfallsrichtung in der Empfangsebene (Strahlwandern) und zu einer Verminderung der transversalen Kohärenzlänge führen. Die mittlere Intensität des Laserlichtes wird dabei nur wenig geschwächt. Die Intensitätsfluktuationen wachsen mit zunehmender Länge der durchlaufenen Strecke zunächst stark an und erreichen einen maximalen Wert, der einer relativen Streuung

entspricht. Dabei bezeichnet ΔI2 die mittlere quadratische Streuung der Intensität und

ihren zeitlichen Mittelwert. Anschließend nehmen die Intensitätsfluktuationen ganz schwach wieder etwas ab.

2) Trübe Atmosphäre. Diese enthält in Form von Nebel, Wolken, Dunst oder Aerosolen (Schwebestoffen) eine große Zahl von diskreten Teilchen, die jedes für sich als ein Streuzentrum wirken. Die entsprechende lokale Brechungsindexänderung ist sehr groß (von der Größenordnung Eins), und sie ist auf Raumbereiche beschränkt, die mit der Lichtwellenlänge vergleichbar sind. Demzufolge wird das Licht nach allen Richtungen gestreut (Mie-Streuung), im besonderen findet eine Rückstreuung statt. Dabei wird das Licht normalerweise depolarisiert und seine mittlere Intensität stark vermindert.

3) Thermal blooming (engl., "thermisches Blühen"). Bei sehr hoher Intensität des Laserstrahls (Laserleistung im Kilowattbereich) erfolgt durch Absorption eine lokale Erwärmung der Luft. Diese dehnt sich daraufhin an der betreffenden Stelle etwas aus, um den mit der Erwärmung verbundenen Druckanstieg auszugleichen. Die Folge davon ist eine Verminderung der Dichte der Luft und damit auch ihres Brechungsindexes in dem vom Laserstrahl durchlaufenen Raumbereich. Die Brechungsindexänderung hat wiederum eine Rückwirkung auf den Laserstrahl selbst zur Folge. Wenn die Intensität in der Mitte des Lichtbündels maximal ist und zum Rand hin abfällt, kommt es zu einer Defokussierung des Lichtes. Diese nimmt mit zunehmender Erwärmung immer mehr zu, der Strahl wächst in seiner seitlichen Ausdehnung, was man als "Blühen" bezeichnet.

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