Laser für Weltraumanwendungen

Für die Erforschung von Planeten werden Laser benötigt, die innerhalb von Messinstrumenten in Weltraummissionen eingesetzt werden. Anwendungsmöglichkeiten liegen beispielsweise in der Fernerkundung mittels Altimetrie zur Untersuchung der Topographie der Planetenoberfläche, in spektrometrischen Analysen von Bodenproben vor Ort, in atmosphärischen Untersuchungen mittels LIDAR, in der Präzisionsinterferometrie oder in der Intersatellitenkommunikation.

In der Gruppe Space Technolgies werden Projekte zur Entwicklung von diodengepumpten Festkörperlaser-Systemen durchgeführt, die für den Einsatz im Weltraum vorgesehen sind. Da hinsichtlich Lebensdauer, Leistungsverbrauch, Masse, Temperaturbereich, Umgebungsdruck, mechanischer Stabilität und ionisierender Strahlung extreme Anforderungen an diese Systeme gestellt werden, sind speziell abgestimmte Laser-Konzepte notwendig, die sowohl durch Experimente, Simulationen als auch in entsprechenden Umwelttests verifiziert werden. Einen wichtigen Beitrag zur Forschung liefert die Research Group „Photonic Devices for Space Applications“ als Teil des Exzellenzclusters QUEST (Quantum Engineering and Space-Time Research), die sich mit Design, Realisierung und Test von optischen Komponenten und Systemen für Anwendungen im Weltraum befasst.

Zu den Arbeitsschwerpunkten der Gruppe gehören:

• Entwicklung von diodengepumpten Festkörperlasern und Faserlasern und -verstärkern für den Einsatz im Weltraum
• Struktur- und Thermalanalyse von Systemen und Bauteilen
• Durchführung/Betreuung von Weltraum-relevanten Umwelttests (Thermal-Vakuum-Tests, Vibrationstests, Strahlungstests)

Zurzeit werden mehrere Prototypen-Entwicklungen für Laser-Systeme durchgeführt.
Ein aktuelles Projekt beschäftigt sich mit der Entwicklung des Prototypen eines Lasers für die von der ESA/NASA geplanten Mars-Mission ExoMars. Es handelt sich um einen diodengepumpten, passiv gütegeschalteten Nd:YAG-Festkörperlaser mit nachgeschalteter Frequenzvervierfachung mittels nichtlinearer Kristalle, die aus dem infraroten Licht des Oszillators ultraviolette Strahlung erzeugen. Das geplante Flugmodell dieses Lasers soll als Teil eines Laser-Desorptions-Massenspektrometers (LD-MS) zur Suche von Spuren von Leben auf dem Mars eingesetzt werden (Martian Organic Molecule Analyzer). In einem anderen Projekt wurde der Prototyp eines Nd:YLF-Lasers für mineralogische Untersuchungen in einem gekoppelten Raman-LIBS-Instrument entwickelt. Umfangreiche Kompetenzen wurden weiterhin mit der Durchführung von Laser-Entwicklungsprojekten für die weltraumgestützte Graviationswellendetektion, LIDAR-Anwendungen, Intersatelliten-Kommunikation sowie Altimetrie erworben.

Abb. 1: Flugnaher Prototyp des frequenzvervierfachten Festkörperlasers für den Martian Organic Molecule Analyzer (MOMA)


Abb. 2: Weltraum-geeigneter Festkörperlasers für LIBS (Light-induced breakdown spectroscopy)