Laserquellen im mittleren IR-Spektralbereich
Die zunehmende Bedrohung von Luftfahrzeugen durch Boden-Luft-Flugkörper (z. B. ManPADS, Man Portable Air Defense Systems) erfordert innovative Maßnahmen zur Erhöhung der Überlebensfähigkeit und zum Schutz. Insbesondere die „Gerichtete Optische Gegenmaßnahme“ im mittleren infraroten Spektralbereich (DIRCM, Directed Infrared Countermeasure) gewinnt dabei immer stärker an Bedeutung. Bei der Gerichteten Optischen Gegenmaßnahme wird der Infrarotsuchkopf einer anfliegenden Rakete durch die Beaufschlagung mit spektral angepasster Laserstrahlung reversibel (Blendung) oder irreversibel (Schädigung) gestört. Neben einer kompakten Bauweise und einem guten Wirkungsgrad ist eine wesentliche Anforderung an die Störlaser die Bereitstellung einer kontinuierlich durchstimmbaren, hinreichend hohen mittleren Laserleistung über einen breiten Wellenlängenbereich. Da bisher keine direkten Laserquellen ausreichender Leistung im mittleren Infrarot zur Verfügung stehen ist der Optisch Parametrische Oszillator (OPO) oder Generator (OPG) für den Infrarotbereich zwischen 3 µm und 5 µm die Methode der Wahl. Dabei wird die Laserstrahlung festfrequenter Festkörperlaser (Pumplaser), die bei einer Welenlänge von 1 µm oder 2 µm abstrahlen, durch nichtlineare Prozesse in optischen Materialien (Kristallen) in zwei neue durchstimmbare Laserwellen konvertiert. Es entstehen die sogenannte Signal- und Idlerstrahlung. Die Idlerstrahlung überdeckt den relevanten Wellenlängenbereich im mittleren Infrarot.
Im Labor werden alternative OPO- bzw. OPG-Konzepte evaluiert und im Hinblick auf Laserleistung, Strahlqualität, Emissionswellenlänge und Wirkungsgrad optimiert und bewertet. Dies schließt intensive Recherchen zu verfügbaren nichtlinearen Kristallen und deren optische Charakterisierung mit ein, wobei insbesondere wegen der auftretenden hohen Pulsspitzenleistungen die exakte Bestimmung der Zerstörgrenzen unabdingbar ist. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Verfügbarkeit der festfrequenten Pumplaser, die nicht ohne weiteres kommerziell erhältlich sind. In Zusammenarbeit mit Laserentwicklungsfirmen werden diese Pumplaser spezifiziert und meist in Einzelanfertigungen hergestellt. Unterstützend wurde eine erweiterte Computersimulation entwickelt, die den Aufbau des Strahlungsfeldes und die daraus resultierende Strahlqualität generiert, so dass eine bessere Auslegung des Experiments erwartet werden kann. Derzeit ist die Modellierung einer 3-dimensionalen Strahlpropagation (Laserintensitätsverteilung in transversaler xy-Richtung und Laserstrahlausbreitung in longitudinaler z –Richtung) möglich. Dabei ist die nichtlineare Wechselwirkung der drei beteiligten Laserstrahlen (Pump-, Signal- und Idlerwelle) im Kristall direkt in das numerische Schema der Strahlpropagation eingebunden. Sowohl Beugungseffekte der Lichtpropagation, Doppelbrechung sowie Rückkopplungen der Signal- und Idlerwelle auf die Pumpwelle sind in diesem theoretischen Modell enthalten. Mit Hilfe von OPOs und OPGs ist es möglich durchstimmbare Laser zu entwickeln, die sowohl kontinuierlich als auch gepulst betrieben werden können. Das erklärte Forschungsziel ist die Entwicklung eines hinreichend leistungsstarken, gepulsten Lasersystems im Wellenlängenbereich von 3 µm bis 5 µm. Die oben angesprochene Entwicklung erschließt erstmalig den mittleren Infrarotbereich für kompakte und effiziente Laserquellen hoher Brillanz. Durch umfassende Simulationen werden neue Erkenntnisse bei der Wechselwirkung von kohärenter Strahlung mit neuen optischen Materialien gewonnen.