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DE102004007405A1 - Mobiles Terawatt-Femtosekunden-Laser-System (MTFLS) zur langreichweitigen Abtastung und zum spektroskopischen Nachweis von Bioaerosolen und chemischen Stoffen in der Atmosphäre - Google Patents

Mobiles Terawatt-Femtosekunden-Laser-System (MTFLS) zur langreichweitigen Abtastung und zum spektroskopischen Nachweis von Bioaerosolen und chemischen Stoffen in der Atmosphäre Download PDF

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DE102004007405A1
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Germany
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biological
detection
femtosecond
aerosols
previous
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Withdrawn
Application number
DE102004007405A
Other languages
English (en)
Inventor
Reinhard Prof. Dr. Reno Bruch
Roland Sauerbrey
Jutta Reno Gietl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Applied Photonics Worldwide Inc
Original Assignee
Applied Photonics Worldwide Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Applied Photonics Worldwide Inc filed Critical Applied Photonics Worldwide Inc
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Terawatt-Femtosekunden-Lasersystem zur langreichweitigen Abtastung und Fernüberwachung mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung, zum spektroskopischen Nachweis und zur Unterscheidung von gasförmigen Molekülen sowie biologischen und chemischen Aerosolen und zum Auslösen einer Antwort, mit einer Femtosekunden-Terawatt-Laserstrahlungsquelle, einem optischen System mit Sende- und Empfangsteleskopen, einem Nachweissystem und einem Echtzeitrechensystem, um gasförmige Stoffe sowie biologische und chemische Aerosole über große Entfernungen nachzuweisen und zu unterscheiden, insbesondere für autonome Systeme, die selbstständig auf eine Verunreinigung oder Bedrohung reagieren.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Terawatt-Femtosekunden-Lasersystem (Mobile Terawatt Femtosecond Laser System, MTFLS) zur Abtastung und Bestimmung von gasförmigen Molekülen sowie biologischen und chemischen Aerosolen in Echtzeit in Entfernungen von einigen Metern bis zu mehreren Kilometern.
  • Im US-Patent US 5,175,664 beschreiben Diels et al. ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Blitzentladung unter Verwendung von ultrakurzen Laserpulsen. Dieses Verfahren erlaubt elektrische Entladungen, die über leitfähige ionisierte Kanäle, welche von einem oder mehreren ersten Laserpulsen von Wellenlängen im Wesentlichen innerhalb des UV-Bereichs erzeugt werden, übertragen werden. Die bevorzugte Arbeitswellenlänge ist ungefähr 248 nm und die Pulslänge des Lasers ist in der Größenordnung von 100 fs. Gemäß dieser Erfindung wird ein Blitz ausgelöst, indem ein ionisierter Kanal von einem oder mehreren Femtosekunden-UV-Pulsen erzeugt wird und gleichzeitig ein oder mehrere Laserpulse von längerer Wellenlänge und Dauer durch denselben Pfad geschickt werden. Auf diese Art und Weise kann die Leitfähigkeit des laserinduzierten Kanals lange genug aufrechterhalten werden, damit Entladung und Blitze auftreten. Jedoch beanspruchen die Erfinder keine Anwendungen, die mit dem spektralen Nachweis von atmosphärischen Gasen, Schadstoffen und biologischen Wirkstoffen unter Verwendung von durch Femtosekunden-Terawatt-Lasern erzeugten Filamente als Lichtquelle in Zusammenhang stehen.
  • Zusätzlich beantragten Mourou et al. das US-Patent 5,726,855 („Apparatus and method for enabling the creation of multiple extended conduction paths in the atmosphere"). Insbesondere beanspruchen die Erfinder eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung von mehrfach erweiterten Leitungswegen in der Atmosphäre unter Verwendung von ultrakurzen Laserpulsen mit hohen Spitzenleistungen. Ferner veröffentlichte dieselbe Gruppe im Jahre 1994 Verfahren zur langreichweitigen Selbstbündelung intensiver Femtosekunden-Pulse in der Luft. Im Blickpunkt ihres Patents steht eine Vorrichtung zur Kontrolle der Blitzentladung und Verfahren zum Erden unter Verwendung eines Erdungsturms. Keine Ansprüche werden gestellt in Bezug auf die spektroskopische optische Abtastung und Bestimmung von biologischen Stoffen unter Verwendung von mehrfach erweiterten Leitungswegen in der Atmosphäre.
  • Bei der Frühwarnung vor Angriffen mit biologischen und chemischen Stoffen und dem Nachweis von Verunreinigungen in der Atmosphäre stellt sich die Aufgabe, gasförmige Stoffe sowie biologische und chemische Aerosole über große Entfernungen nachzuweisen und zu unterscheiden. Dies ist insbesondere für autonome Systeme, die selbständig auf eine Verunreinigung oder Bedrohung reagieren, von großer Wichtigkeit.
  • Die vorliegende Erfindung löst diese Aufgabe mit einem System, das auf dem Prinzip der Terawatt-Femtosekunden-Laser beruht und Terawatt-Femtosekunden-Lasertechnologie mit verschiedenen Spektroskopie- und Rechen-Verfahren kombiniert. Das System umfasst einen auf dem Prinzip der Chirp-Pulsverstärkung (chirp pulse amplification, CPA) beruhenden Femtosekunden-Terawatt-Laser, ein optisches System mit Sende- und Empfangsteleskopen, ein Nachweissystem mit Infrarot- und/oder UV/VIS-Spektrometern, an Digitalwandler angeschlossenen Photoverstärker und ein System zur Datenaufnahme und Steuerung sowie ein Echtzeitrechensystem, das neuronale Netzwerke, Fuzzy-Logik und andere Rechenverfahren verwendet.
  • Das erfindungsgemäße Laser-System weist gasförmige Stoffe sowie biologische und chemische Aerosole unter Verwendung von ultrakurzen Terawatt-Laserpulsen mittels zeitaufgelöster ultraschneller spektroskopischer Breitband-Multikanal-LIDAR-Verfahren (Light Detection And Ranging) aus der Ferne nach. Dabei kommen z.B. differentielle Absorptions- und UV-Fluoreszenz-Spektroskopie-Techniken oder Verfahren zur Messung der optischen Eigenschaften der Plasmakanäle, die vom Laser an verschiedenen Orten in der Luft erzeugt werden, zum Einsatz.
  • Unter anderem können verschiedene Arten von Aerosolen einschließlich Wassertröpfchen, inorganischen atmosphärischen Aerosolen wie z.B. Ammoniumsulphat, nicht-biologischen organischen atmosphärischen Aerosolen wie z.B. organische Kohlenstoffverbindungen, biologischen atmosphärischen Aerosolen wie z.B. Pollen, sich in der Luft befindliche Bakterien, Viren, Toxine, Staubpartikel, Pollen, Wassertröpfchen, Dieselstaub, gasförmige Stoffe und andere biologische Aerosole nachgewiesen werden.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind alle Komponenten in einem mobilen Nachweissystem vereinigt. Dieses System kann boden-, see- oder luftgestützt sein und daher leicht an strategisch wichtigen Orten zur See, in der Luft oder an Land aufgestellt werden.
  • Als Laserstrahlungsquelle kann ein Femtosekunden-Terrawatt-Titanium-Saphir-Lasersystem eingesetzt werden, das auf der Chirp-Laserverstärkungs-Technik (chirp pulse amplification, CPA) beruht. Der aktive Laserkristall besteht dabei aus Titanium-Saphir. Dieses Lasersystem ist eine breitbandige Strahlungsquelle, deren Strahlung um eine Wellenlänge von ungefähr 800 nm zentriert ist.
  • In einem Ausführungsbeispiel ist die Pulsdauer ungefähr 80 bis 100 fs und die Energie in der Größenordnung von 300 mJ pro Puls, was zu einer Pulsleistung zwischen ungefähr 3 und 3,5 TW führt.
  • Ein anderes Ausführungsbeispiel ist ein autonomes System, das als Auslösesensor fungiert, also selbständig nach dem Nachweis einer bestimmten Verunreinigung oder Bedrohung eine Antwort auslöst. Ein solches eigenständiges System kann an entscheidenden Orten strategisch aufgestellt werden, auf See, in der Luft oder zu Land.
  • Die Ausbreitung ultrakurzer Laserpulse führt zu stark nicht-linearen optischen Prozessen in der Luft, die zu Plasmakanälen (Filamentation der Laserpulse) führen, welche ein Weißlicht-Superkontinuum erzeugen, das vom Ultravioletten (UV), Sichtbaren (VIS), Nah-Infrarot (NIR) bis zum mittleren Infrarot (MIR) reicht. Dieses Superkontinuum dient als Strahlungsquelle zur spektroskopischen Analyse von biologischen und chemischen Stoffen mittels eines LIDAR-Systems (LIght Detection And Ranging). Das Superkontinuum kann direkt in einer Teilchenwolke hergestellt werden und ist daher geeignet zum multispektralen langreichweitigen Nachweis und zur Bestimmung von biologischen Aerosolen als auch von chemischen Schadstoffen und radioaktiven Isotopen.
  • Das erfindungsgemäße Nachweissystem verringert die Wahrscheinlichkeit eines falschen Alarms und die Nachweiszeit um mehr als eine Größenordnung. Die voraussichtliche minimale Nachweisschwelle für Sporen liegt in der Größenordnung von 5-10 Sporen pro Liter Luft.
  • Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen ultraschnellen, boden- oder luftgestützten LIDAR-Technik gegenüber anderen Fernabtastverfahren (wie z.B. differentieller optischer Absorptionsspektroskopie, Fourier-transformierter Infrarotspektroskopie und satellitengestützter Spektroskopie) ist die hohe Auflösung über große Entfernungen (von wenigen Metern bis 20 km, vorzugsweise 10 km), die durch die Benutzung kurzer Laserpulse und schneller Detektionssysteme erreicht wird, um das Signal des zu rückgestreuten Lichts aufzunehmen, das von gasförmigen Molekülen und Aerosolen herrührt. Femtosekunden-Weißlicht-LIDAR kombiniert die Vorteile dieser Fernabtasttechnik und ihre breitbandige spektrale Auflösung mit der Fähigkeit zur dreidimensionalen Kartierung. Das erlaubt die gleichzeitige Messung verschiedener biologischer Aerosolverbindungen, sogar im Falle überlappender spektraler Merkmale. Da das ganze Spektrum gleichzeitig aufgenommen werden kann, führen ferner die Laserschwankungen zwischen den einzelnen Pulsen zu viel kleineren systematischen Fehlern als üblich im Falle von herkömmlichen differentiellen Absorptions-LIDAR-Systemen (Differential Absorption Lidar, DIAL).
  • Nicht-lineare Effekte, die von ultrakurzen Laserpulsen hoher Leistung in Aerosolen hervorgerufen werden, beruhen entweder auf dem Mikrohohlraumverhalten der kugelförmigen Mikrotröpfchen, wobei eine starke Rückkopplung für stimulierte Prozesse bereitgestellt wird, oder auf der internen Fokussierung des einfallenden Lichts, die Lichtpunkte hoher Intensität erzeugt, an denen die Effizienz für nicht-lineare optische Prozesse stark vergrößert ist.
  • Laserpulse hoher Intensität können dazu führen, dass Wassertröpfchen weißes Licht emittieren. Dies kann benutzt werden, um die Zusammensetzung von Wolken zu untersuchen und herauszufinden, wie Wolken biologische Aerosole aufnehmen. Dieser Ansatz liefert mehr Information über die Wechselwirkungen zwischen Wolke und Aerosol. Die Möglichkeit, charakteristische Merkmale chemischer Verbindungen in einem einzelnen Wassertröpfchen zu bestimmen, eröffnet neue Möglichkeiten, um Aerosol-Wolken und stärker lokalisierte Quellen zu untersuchen.
  • Bei der Mustererkennung der Daten wird wie folgt in vier Schritten vorgegangen:
    • 1. Anordnung der Merkmalsvektoren eines Satzes von Dateneinheiten in Klassen mittels eines fuzzy-clustering-Algorithmus,
    • z. Berechnung eines Prototyps für jede Klasse,
    • 3. Berechnung einer inversen Covarianzmatrix für jeden Prototyp, und
    • 4. Überlagerung und Zentrierung einer Gauss-fuzzy-clustering-Mitgliedsfunktion, um einen fuzzy-classifier zu erzeugen, und Anordnen desselben in Echtzeit, um eingehende Merkmalvektoren zu empfangen.
  • Die 1-sigma-Bereiche unter jeder Gauss-Funktion, wobei sigma die Standardabweichung ist, sind ellipsenförmig in N Dimensionen für N Merkmale, sodass eine Klasse eine oder mehrere ellipsenförmige Gruppen enthalten kann.
  • Ein leistungsfähiges Radial Basis Functional Link Net wird trainiert, welches schneller und effizienter als andere Arten von neuralen Netzwerken lernt. Neuronale Netzwerke, die lernen oder sich selbst organisieren, sind vergleichsweise langsam und lernen nicht auf eine solide Art und Weise. Daher sollte zuerst ein Clustering durchgeführt werden, um anschließend das Training für die besten Resultate durchzuführen.
  • Die erfindungsgemäße Abtasttechnologie erlaubt den Echtzeitnachweis, die Unterscheidung und Bestimmung des gesamten Spektrums an biologischen und chemischen Verunreinigungen und Bedrohungen einschließlich Toxinen, Sporen, Bakterien und Viren. Das erfindungsgmäße System erreicht eine erhöhte Nachweiswahrscheinlichkeit, eine verringerte Nachweiszeit und eine kleine Wahrscheinlichkeit eines falschen Alarms für Sporen, Toxine, Viren und andere Arten von biologischen und chemischen Aerosolteilchen sowie gasförmigen Molekülen.
  • Die Erfindung wird in Bezug auf die begleitenden Figuren näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Ansicht des Femtosekunden-LIDAR-Systems zum langreichweitigen Nachweis von biologischen und chemischen Aerosolen und gasförmigen Molekülen.
  • 2 eine schematische Ansicht der verschiedenen spektroskopischen Anregungs- und Entregungskanäle im Infraroten und Ultravioletten einschließlich Streuprozesse.
  • 3 ein Extinktionsspektrum von Bacillus subtilis Aerosolen in der MIR- und der Fern-IR-Region.
  • 4 ein Absorptionsspektrum von Bacillus subtilis Aerosolen im MIR-Bereich.
  • 5 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines mobilen bodengestützten autonomen LIDAR-Systems.
  • 6 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines mobilen luftgestützten autonomen LIDAR-Systems.
  • Die schematische Ansicht in 1 stellt ein autonomes Lasersystem mit einem integrierten Nachweissystem dar, das als Überwachungssystem für biologische, chemische und für die Umwelt relevante Stoffe benutzt wird. Dieses System beruht auf dem Prinzip der Abtastung und Überwachung der Atmosphäre aus der Ferne unter Verwendung von kurzen Terawatt-Laserpulsen.
  • Das Femtosekunden-Terawatt-Lasersystem weist einen Femtosekunden-Laser (10), einen Pulsstrecker (11), einen Pulsverstärker (12) und einen Chirp-Generator (13) auf. Die Pulsform wird von einem Pulsuntersuchungssystem (14) analysiert, und der Puls wird dann auf einer achsenentferntes Teleskop (15) gelenkt. Der leicht fokussierte Laserstrahl (16) führt zu nicht-linearen optischen Prozessen in der Atmosphäre (17), welche Plasmakanäle (Filamentation der Laserpulse) erzeugen, die ihrerseits ein Weißlicht-Superkontinuum (16) erzeugen. Dieses Superkontinuum kann direkt in der Bio-Aerosol-Wolke (18) erzeugt werden, und seine Wellenlänge erstreckt sich vom Ultravioletten (UV) bis zum Infraroten (IR). Das emittierte Licht des Filaments wechselwirkt mit der Bio-Aerosol-Wolke (18). Das zurückgestreute Licht (19) wird mittels eines Empfangsteleskops (20) gesammelt und anschließend von verschiedenen Arten von Spektrometern (21, 22) und Photomultipliern (23, 24) untersucht, wobei das IR-Spektrometer (21) die differentielle Absorption in der Bio-Aerosol-Wolke und das VIS/UV-Spektrometer (22) die Absorption und/oder die Fluoreszenz der Wolke misst. Wie man in 1 sehen kann, werden die Signale der Photomultiplier (22, 24) in einen transienten Digitalwandler (25) gespeist. Schließlich erhält das Datenaufnahme- und Steuerungssystem (26) Signale von den verschiedenen Nachweisgeräten. Die Empfängersysteme können Spektren vom Ultravioletten (UV) über das Sichtbare (VIS) bis zum MIR-Bereich (von ungefähr 270 – 5500 nm) aufnehmen.
  • Wie in 2 gezeigt, erzeugt ein Femtosekunden-Terawatt-Laser (27) ein zweifarbiges Filament (28) an einer spezifischen Stelle in der Atmosphäre mit einer Wellenlänge von ungefähr 800 nm, wobei die Laserpulse mit spezifischen Aerosolen in verschiedenen Entfernungen (29) Wechselwirken. Wie in 2 gezeigt, kann die dritte harmonische Generierungskomponente (Third Harmonic Generation, THG) der Laserausbreitungsrichtung innerhalb des Filamentationskanals (28) zum Nachweis benutzt werden.
  • Die Aerosole werden mit Hilfe einer gleichzeitigen Analyse der differentiellen Infrarotabsorptionskanäle (30) und der UV- und sichtbaren Fluoreszenzkanäle (31) analysiert, die von den langreichweitigen UV-Filamenten produziert werden, welche von Laserpulsen bei 800 nm erzeugt werden. Zusätzlich werden Lichtstreuungskanäle, einschließlich Rayleigh-, Mie- und Raman-Streuung (32), beobachtet, um die Zusammensetzung der verschiedenen atmosphärischen Bestandteile und die Hintergrundstrahlung besser zu verstehen.
  • Mikrotröpfchen, die einen großen Teil der atmosphärischen Aerosole darstellen, können mit einem erfindungsgemäßen System untersucht werden. Die Mikrotröpfchen können als Linsen dienen, welche die einfallende Strahlung auf einige kleine Bereiche innerhalb der Tropfen fokussieren, und induzieren auch formabhängige Resonanzen, welche die Laserintensität im Tropfen weiterverstärken können. Daher ist die Effizienz der nicht-linearen optischen Prozesse in Gebieten hoher Laserstrahlungsintensität stark erhöht. Die gestreute Welle und die interne Intensitätsverteilung hängen vom Brechungsindex des Tröpfchenmediums und vom Größenparameter ab, der das Verhältnis von Tropfenumfang zur Wellenlänge des einfallenden Lichts ist. Wenn man die Wechselwirkung der Femtosekunden-Laserpulse mit diesen Mikrotröpfchen untersucht, muss man die große spektrale Bandbreite der ultrakurzen Pulse berücksichtigen.
  • Schwingungsspektrokopie an biologischen Stoffen ist mit einem erfindungsgemäßen System ebenfalls möglich, einschließlich Extensions- und Streuungsmessungen, um die spektralen Fingerabdrücke und die Konformationsänderungen der biologischen molekularen Systeme zu charakterisieren. Schwingungssignale in den charakteristischen Spektralbereichen (finger print regions) dieser Aerosole können mit den vorhandenen spektralen Daten aus dem Labor verglichen werden, um schnell biologischen Stoffe nachzuweisen und zu bestimmen. 3 zeigt ein charakteristisches IR-Spektrum von Bacillus subtilis var. niger (BG) Sporen als Aerosol im Wellenlängenbereich von 2,3 bis 12 μm. Das Spektrum dieses biologischen Stoffes weist einen Absorptionsteil auf, der einem Mie-Streuungshintergrund (33) überlagert ist. Das Absorptionsspektrum zeigt spezifische spektrale Merkmale bei ungefähr 2,9-3,6 μm (34). Das Spektralsignal bei ungefähr 3,1 μm kann teilweise identifiziert werden als die Amid-A-Bande. Ferner hängen die spektralen Merkmale, die sich im Bereich von 5,5 bis 6,6 μm befinden, mit der Amid-I- und Amid-II-Bande (35) zusammen. Zusätzliche wichtige charakteristische Spektralbereiche treten zwischen 6,6-8 μm (36) auf. Ferner können spektrale Merkmale zwischen 8-11 μm mit der Amid-III-Bande, Phosphatgruppen und Peptid-Strukturen des Rückgrats (37) in Verbindung gebracht werden. Um die wichtigsten spektralen Merkmale (Signalpositionen, Breiten, Bandstrukturen, Intensitätsverhältnisse usw.) entnehmen zu können, muss das mit den spektralen Daten verknüpfte Rauschen entfernt werden. Dann wird eine passende nicht-lineare Funktion, die die Mie-Streuung berücksichtigt, benutzt werden, um den restlichen Hintergrund gemäß einer Signalanalyse anzupassen. Ein typisches resultierendes Absorptionsspektrum ist in 4 zwischen 3-4 μm dargestellt. Zwei verschiedene Fälle werden hier berücksichtigt. Im ersten Fall werden zwei im Wesentli chen verschiedene atmosphärische Transmissionskanäle (38, 39) mit ähnlichen Absorptionsüberlappungen betrachtet. Es gibt hier ein Tal im Kanal mit niedrigerer atmosphärischer Transmission (38). Es wird ein Signal in dem Kanal mit höherer atmosphärischer Transmission (39) erreicht. Im zweiten Fall werden konstante atmosphärische Transmissionen betrachtet, aber die sich überschneidenden Absorptionsbereiche unterscheiden sich wesentlich voneinander. Zum Beispiel hat der Kanal (40) eine stärkere Absorption im sich überschneidenden Bereich als der Kanal (41), der eine niedrigere Absorption im sich überschneidenden Bereich aufweist. Diese Muster weisen Schwingungseigenschaften der Bestandteile wie z.B. DNA/RNA, Proteine und Zellwandbestandteile auf. Wegen der Größe der zellulären Bestandteile werden breite und übereinander gelegte spektrale Signale im MIR Bereich gemessen.
  • Ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in 5 gezeigt. Eine schematische Ansicht eines bodengestützten differentiellen mobilen Auslösesensorsystems und/oder mobilen Terawatt-LIDAR-Systems ist gezeigt, das in einem einzigen mobilen Container (42) untergebracht ist. Der Aufbau weist einen auf einem Tisch installierten Terawatt-Femtosekundenlaser (43) und ein Nachweissystem mit hoher räumlicher, spektraler und zeitlicher Auflösung auf. Das System weist Sende- und Empfangsteleskope (44) in vertikaler Strahlrichtung (45) und in horizontaler Strahlrichtung (46) auf. Der mobile Container hat zusätzliche Überwachungsteleskope für Auslösesensoren (47). Das reflektierte und gestreute Licht wird in verschiedene UV-, VIS-, NIR- und MIR-Spektrometer und angehängte Nachweissysteme (48) gespeist. Zur Verstärkung besitzt das System auch Steuerungsgeräte (49) und Energieversorgungssysteme (50). Zum Zwecke der Daten-Interpretation und -Verarbeitung besitzt das System ein Datenaufnahmesystem mit mehreren, daran angeschlossenen parallelen Computern (51) zur Echtzeitdatenreduktion, Modellierung und Unterscheidung. Die Temperaturbedingungen werden im mobilen Container mit Hilfe eines Luftkühlungssystems (52) kontrolliert. Dieses System ist angetrieben von einer Energieversorgung (53), die gesondert außerhalb des mobilen Containers aufgestellt ist, um den Einfluss von Schwingungen zu minimieren.
  • In 6 ist ein nach oben ausgerichtetes, luftgestütztes, differentielles Absorptions-Terawatt-Femtosekunden-Lasersystem gezeigt. Solch ein luftgestütztes LIDAR-System ist für Messungen zur Benutzung in einem Flugzeug unter Tag- und Nachtbedingungen geeignet. Dieses System kann auch so betrieben werden, dass es vom Flugzeug nach unten blickt. In der schematischen Darstellung lenkt ein Terawatt-Femtosekunden-Laser (54) mit anpassungsfähigen optischen Elementen (55) den Laserstrahl in Richtung einer Bio-Aerosol-Wolke (56). Zurückgestreutes Licht (57) wird von einem Teleskopspiegel (58) gesammelt und in Richtung eines optischen Faserkabels (59) auf einen zeitaufgelösten Spektrometeraufbau (60) gelenkt. Das Flugzeug (61) enthält alle notwendigen Netzanschlussgeräte, elektronische Geräte, Datenaufnahmekontrollsysteme und parallele Computer zum Echtzeitnachweis.

Claims (16)

  1. Femtosekunden-Terawatt-LIDAR-System (Light Detection And Ranging) zur langreichweitigen Abtastung und Fernüberwachung mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung, zum spektroskopischen Nachweis und zur Unterscheidung von gasförmigen Molekülen sowie biologischen und chemischen Aerosolen und zum Auslösen einer Antwort, folgendes aufweisend: eine Femtosekunden-Terawatt-Laserstrahlungsquelle, die auf dem Prinzip der Chirp-Pulsverstärkung (chirp pulse amplification, CPA) beruht; ein optisches System mit Sende- und Empfangsteleskopen; ein Nachweissystem, das Infrarot- und/oder UV/VIS-Spektrometer, an Digitalwandler angeschlossene Photoverstärker und ein Datenaufnahmesystem aufweist; ein Echtzeitrechensystem, das neuronale Netzwerke, Fuzzy-Logik und andere Rechenverfahren verwendet.
  2. System gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System mobil ist.
  3. System gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das System boden-, see- oder luftgestützt ist.
  4. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Femtosekunden-Terawatt-Laserstrahlungsquelle aus einem Titan-Saphir-Lasersystem besteht, das eine Energie von ungefähr 300 mJ pro Puls, eine Pulsleistung von ungefähr 3 bis 4 TW, Pulslängen in der Größenordnung von 80 bis 100 fs und eine Repetitionsrate von ungefähr 10 Hz aufweist.
  5. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Femtosekunden-Laserpulse, die auf ungefähr 267 nm, entsprechend der Erzeugung der dritten Harmonischen, zentriert sind, benutzt werden, um gasförmige Moleküle sowie biologische und chemische Aerosole mittels Fluoreszenz- und/oder Raman-LIDAR-Messungen nachzuweisen.
  6. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Femtosekunden-Laserpulse, die auf ungefähr 800 nm zentriert sind, benutzt werden, um eine breitbandige Superkontinuumslichtquelle in der Atmosphäre zum Nachweis von gasförmigen Molekülen sowie biologischen und chemischen Aerosolen mittels differentieller Absorptions- und/oder Fluoreszenz-LIDAR-Messungen zu erzeugen.
  7. System gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das System zusätzlich folgendes aufweist: eine Nahinfrarot-Femtosekunden-Laserstrahlungsquelle mit einer Wellenlänge von ungefähr 800 nm und einer spektralen Breite von ungefähr 20 nm, die über Selbstkanalisierungseffekte Plasma-Filamente und eine atmosphärische vom Ultravioletten (UV) bis zum mittleren Infrarot (MIR) reichende Superkontinuumslichtquelle für optische Abtastanwendungen erzeugt; eine UV-Femtosekunden-Laserstrahlungsquelle mit einer Wellenlänge von ungefähr 267 nm, entsprechend der Erzeugung der dritten Harmonischen, deren Strahlung keine neuen Wellenlängen erzeugt, sich aber im Vergleich zu den MIR-Laserpulsen mit sehr viel kleineren Verlusten bis zu mehrere Kilometer weit durch den Plasmakanal fortpflanzt.
  8. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche zum Vergleichen der wichtigsten Schwingungsbanden der charakteristischen Spektralbereiche von gasförmigen Molekülen sowie biologischen und chemischen Aerosolen mit bereits existierenden, spektralen Labordaten, um gasförmige Moleküle sowie biologische und chemische Aerosole aus der Ferne nachzuweisen und zu bestimmen.
  9. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche zum Vergleichen der charakteristischen Spektralbereiche der Raman- und Fluoreszenzspektren gasförmiger Moleküle sowie biologischer und chemischer Aerosole mit bereits existierenden spektralen Labordaten, um gasförmige Moleküle sowie biologische und chemische Aerosole aus der Ferne nachzuweisen und zu bestimmen.
  10. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche, welches das Signal von aufgrund von Raleigh- und Mie-Streuung zurück gestreutem Licht von gasförmi gen Molekülen, biologischen und chemischen Aerosolen und Wassertröpfchen in Wolken und Schwaden aufnimmt.
  11. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche, welches breitbandige Fernabtasttechniken, die eine hohe spektrale Auflösung aufweisen, mit der Fähigkeit zur dreidimensionalen Kartierung kombiniert und so den gleichzeitigen Nachweis von mehreren gasförmigen Molekülen sowie biologischen und chemischen Aerosolen erlaubt, sogar im Fall von überlappenden spektralen Mustern.
  12. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche zur Überwachung von gasförmigen Molekülen sowie biologischen und chemischen Aerosolen in Echtzeit mit hoher Genauigkeit und einer verringerten Anzahl an falschen Alarmen zum langreichweitigen Nachweis in einer Entfernung von einigen Metern bis zu mehreren Kilometern.
  13. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche zur Verwendung als Auslösesensor in einem autonomen System, welche im Vergleich zu bereits existierenden Technologien eine wesentlich verbesserte Nachweiswahrscheinlichkeit, eine verringerte Wahrscheinlichkeit eines falschen Alarms und eine kürzere Nachweiszeit für den Nachweis eines Bedrohungsniveaus besitzt.
  14. System gemäß einem der vorherigen Ansprüche zur Verwendung als mobiler Auslösesensor oder Gebietssensor in einem autonomen System zur Überwachung von sensiblen Bereichen wie z.B. Wasseraufbereitungsanlagen, U-Bahnen, Flughäfen, Regierungsgebäuden, Militäreinrichtungen, industriellen Komplexen und Städten.
  15. Verfahren zur langreichweitigen Untersuchung und spektroskopischen Bestimmung von gasförmigen Molekülen sowie biologischen und chemischen Aerosolen mit hoher zeitlicher und räumlicher Ausflösung, das ein System gemäß einem der vorherigen Ansprüche benutzt.
  16. Verfahren gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete System als mobiler Auslösesensor oder Gebietssensor in einem autonomen System zur Überwachung von sensiblen Bereichen wie z.B. Wasseraufbereitungsanlagen, U-Bahnen, Flughäfen, Regierungsgebäuden, Militäreinrichtungen, industriellen Komplexen und Städten benutzt wird.
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