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    • 专利摘要:
    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.
    公开号:DE102004007405A1
    申请号:DE200410007405
    申请日:2004-02-16
    公开日:2004-10-07
    发明作者:Reinhard Prof. Dr. Reno Bruch；Jutta Reno Gietl；Roland Sauerbrey
    申请人:Applied Photonics Worldwide Inc Reno；Applied Photonics Worldwide Inc；
    IPC主号:G01N15-00
    专利说明:
    [0001] Die vorliegende Erfindung betrifftein Terawatt-Femtosekunden-Lasersystem (Mobile Terawatt FemtosecondLaser System, MTFLS) zur Abtastung und Bestimmung von gasförmigen Molekülen sowie biologischenund chemischen Aerosolen in Echtzeit in Entfernungen von einigenMetern bis zu mehreren Kilometern.
    [0002] Im US-Patent US 5,175,664 beschreiben Diels etal. ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Blitzentladung unterVerwendung von ultrakurzen Laserpulsen. Dieses Verfahren erlaubtelektrische Entladungen, die überleitfähigeionisierte Kanäle,welche von einem oder mehreren ersten Laserpulsen von Wellenlängen imWesentlichen innerhalb des UV-Bereichs erzeugt werden, übertragenwerden. Die bevorzugte Arbeitswellenlänge ist ungefähr 248 nmund die Pulslängedes Lasers ist in der Größenordnungvon 100 fs. Gemäß dieserErfindung wird ein Blitz ausgelöst,indem ein ionisierter Kanal von einem oder mehreren Femtosekunden-UV-Pulsenerzeugt wird und gleichzeitig ein oder mehrere Laserpulse von längerer Wellenlänge undDauer durch denselben Pfad geschickt werden. Auf diese Art und Weise kanndie Leitfähigkeitdes laserinduzierten Kanals lange genug aufrechterhalten werden,damit Entladung und Blitze auftreten. Jedoch beanspruchen die Erfinderkeine Anwendungen, die mit dem spektralen Nachweis von atmosphärischenGasen, Schadstoffen und biologischen Wirkstoffen unter Verwendung vondurch Femtosekunden-Terawatt-Lasern erzeugten Filamente als Lichtquellein Zusammenhang stehen.
    [0003] Zusätzlich beantragten Mourou etal. das US-Patent 5,726,855 („Apparatusand method for enabling the creation of multiple extended conduction pathsin the atmosphere").Insbesondere beanspruchen die Erfinder eine Vorrichtung und einVerfahren zur Erzeugung von mehrfach erweiterten Leitungswegen inder Atmosphäreunter Verwendung von ultrakurzen Laserpulsen mit hohen Spitzenleistungen. Fernerveröffentlichtedieselbe Gruppe im Jahre 1994 Verfahren zur langreichweitigen Selbstbündelungintensiver Femtosekunden-Pulse in der Luft. Im Blickpunkt ihresPatents steht eine Vorrichtung zur Kontrolle der Blitzentladungund Verfahren zum Erden unter Verwendung eines Erdungsturms. KeineAnsprüchewerden gestellt in Bezug auf die spektroskopische optische Abtastungund Bestimmung von biologischen Stoffen unter Verwendung von mehrfach erweitertenLeitungswegen in der Atmosphäre.
    [0004] Bei der Frühwarnung vor Angriffen mitbiologischen und chemischen Stoffen und dem Nachweis von Verunreinigungenin der Atmosphärestellt sich die Aufgabe, gasförmigeStoffe sowie biologische und chemische Aerosole über große Entfernungen nachzuweisenund zu unterscheiden. Dies ist insbesondere für autonome Systeme, die selbständig auf eineVerunreinigung oder Bedrohung reagieren, von großer Wichtigkeit.
    [0005] Die vorliegende Erfindung löst dieseAufgabe mit einem System, das auf dem Prinzip der Terawatt-Femtosekunden-Laserberuht und Terawatt-Femtosekunden-Lasertechnologie mit verschiedenen Spektroskopie-und Rechen-Verfahren kombiniert. Das System umfasst einen auf demPrinzip der Chirp-Pulsverstärkung(chirp pulse amplification, CPA) beruhenden Femtosekunden-Terawatt-Laser, einoptisches System mit Sende- und Empfangsteleskopen, ein Nachweissystemmit Infrarot- und/oder UV/VIS-Spektrometern,an Digitalwandler angeschlossenen Photoverstärker und ein System zur Datenaufnahmeund Steuerung sowie ein Echtzeitrechensystem, das neuronale Netzwerke,Fuzzy-Logik und andere Rechenverfahren verwendet.
    [0006] Das erfindungsgemäße Laser-System weist gasförmige Stoffesowie biologische und chemische Aerosole unter Verwendung von ultrakurzenTerawatt-Laserpulsen mittels zeitaufgelöster ultraschneller spektroskopischerBreitband-Multikanal-LIDAR-Verfahren(Light Detection And Ranging) aus der Ferne nach. Dabei kommen z.B.differentielle Absorptions- und UV-Fluoreszenz-Spektroskopie-Technikenoder Verfahren zur Messung der optischen Eigenschaften der Plasmakanäle, dievom Laser an verschiedenen Orten in der Luft erzeugt werden, zum Einsatz.
    [0007] Unter anderem können verschiedene Arten vonAerosolen einschließlichWassertröpfchen,inorganischen atmosphärischenAerosolen wie z.B. Ammoniumsulphat, nicht-biologischen organischen atmosphärischenAerosolen wie z.B. organische Kohlenstoffverbindungen, biologischenatmosphärischen Aerosolenwie z.B. Pollen, sich in der Luft befindliche Bakterien, Viren,Toxine, Staubpartikel, Pollen, Wassertröpfchen, Dieselstaub, gasförmige Stoffeund andere biologische Aerosole nachgewiesen werden.
    [0008] In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sindalle Komponenten in einem mobilen Nachweissystem vereinigt. DiesesSystem kann boden-, see- oder luftgestützt sein und daher leicht anstrategisch wichtigen Orten zur See, in der Luft oder an Land aufgestelltwerden.
    [0009] Als Laserstrahlungsquelle kann einFemtosekunden-Terrawatt-Titanium-Saphir-Lasersystem eingesetzt werden, das aufder Chirp-Laserverstärkungs-Technik(chirp pulse amplification, CPA) beruht. Der aktive Laserkristallbesteht dabei aus Titanium-Saphir.Dieses Lasersystem ist eine breitbandige Strahlungsquelle, derenStrahlung um eine Wellenlängevon ungefähr800 nm zentriert ist.
    [0010] In einem Ausführungsbeispiel ist die Pulsdauerungefähr80 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.
    [0011] Ein anderes Ausführungsbeispiel ist ein autonomesSystem, das als Auslösesensorfungiert, also selbständignach dem Nachweis einer bestimmten Verunreinigung oder Bedrohungeine Antwort auslöst.Ein solches eigenständigesSystem kann an entscheidenden Orten strategisch aufgestellt werden,auf See, in der Luft oder zu Land.
    [0012] Die Ausbreitung ultrakurzer Laserpulseführt zustark nicht-linearen optischen Prozessen in der Luft, die zu Plasmakanälen (Filamentationder Laserpulse) führen,welche ein Weißlicht-Superkontinuum erzeugen,das vom Ultravioletten (UV), Sichtbaren (VIS), Nah-Infrarot (NIR)bis zum mittleren Infrarot (MIR) reicht. Dieses Superkontinuum dientals Strahlungsquelle zur spektroskopischen Analyse von biologischenund chemischen Stoffen mittels eines LIDAR-Systems (LIght DetectionAnd Ranging). Das Superkontinuum kann direkt in einer Teilchenwolke hergestelltwerden und ist daher geeignet zum multispektralen langreichweitigenNachweis und zur Bestimmung von biologischen Aerosolen als auchvon chemischen Schadstoffen und radioaktiven Isotopen.
    [0013] Das erfindungsgemäße Nachweissystem verringertdie Wahrscheinlichkeit eines falschen Alarms und die Nachweiszeitum mehr als eine Größenordnung.Die voraussichtliche minimale Nachweisschwelle für Sporen liegt in der Größenordnung von5-10 Sporen proLiter Luft.
    [0014] Der Hauptvorteil der erfindungsgemäßen ultraschnellen,boden- oder luftgestütztenLIDAR-Technik gegenüberanderen Fernabtastverfahren (wie z.B. differentieller optischerAbsorptionsspektroskopie, Fourier-transformierter Infrarotspektroskopieund satellitengestützterSpektroskopie) ist die hohe Auflösung über große Entfernungen(von wenigen Metern bis 20 km, vorzugsweise 10 km), die durch dieBenutzung kurzer Laserpulse und schneller Detektionssysteme erreichtwird, um das Signal des zu rückgestreutenLichts aufzunehmen, das von gasförmigenMolekülenund Aerosolen herrührt.Femtosekunden-Weißlicht-LIDARkombiniert die Vorteile dieser Fernabtasttechnik und ihre breitbandigespektrale Auflösungmit der Fähigkeitzur dreidimensionalen Kartierung. Das erlaubt die gleichzeitigeMessung verschiedener biologischer Aerosolverbindungen, sogar imFalle überlappenderspektraler Merkmale. Da das ganze Spektrum gleichzeitig aufgenommen werdenkann, führenferner die Laserschwankungen zwischen den einzelnen Pulsen zu vielkleineren systematischen Fehlern als üblich im Falle von herkömmlichendifferentiellen Absorptions-LIDAR-Systemen (Differential Absorption Lidar,DIAL).
    [0015] Nicht-lineare Effekte, die von ultrakurzenLaserpulsen hoher Leistung in Aerosolen hervorgerufen werden, beruhenentweder auf dem Mikrohohlraumverhalten der kugelförmigen Mikrotröpfchen,wobei eine starke Rückkopplungfür stimulierteProzesse bereitgestellt wird, oder auf der internen Fokussierungdes einfallenden Lichts, die Lichtpunkte hoher Intensität erzeugt,an denen die Effizienz fürnicht-lineare optische Prozesse stark vergrößert ist.
    [0016] Laserpulse hoher Intensität können dazu führen, dassWassertröpfchenweißesLicht emittieren. Dies kann benutzt werden, um die Zusammensetzungvon Wolken zu untersuchen und herauszufinden, wie Wolken biologischeAerosole aufnehmen. Dieser Ansatz liefert mehr Information über die Wechselwirkungenzwischen Wolke und Aerosol. Die Möglichkeit, charakteristischeMerkmale chemischer Verbindungen in einem einzelnen Wassertröpfchen zubestimmen, eröffnetneue Möglichkeiten,um Aerosol-Wolken und stärkerlokalisierte Quellen zu untersuchen.
    [0017] Bei der Mustererkennung der Datenwird wie folgt in vier Schritten vorgegangen: 1.Anordnung der Merkmalsvektoren eines Satzes von Dateneinheiten inKlassen mittels eines fuzzy-clustering-Algorithmus, z. Berechnung eines Prototyps für jede Klasse, 3. Berechnung einer inversen Covarianzmatrix für jedenPrototyp, und 4. Überlagerungund Zentrierung einer Gauss-fuzzy-clustering-Mitgliedsfunktion,um einen fuzzy-classifier zu erzeugen, und Anordnen desselben inEchtzeit, um eingehende Merkmalvektoren zu empfangen.
    [0018] Die 1-sigma-Bereiche unter jeder Gauss-Funktion,wobei sigma die Standardabweichung ist, sind ellipsenförmig inN Dimensionen fürN Merkmale, sodass eine Klasse eine oder mehrere ellipsenförmige Gruppenenthalten kann.
    [0019] Ein leistungsfähiges Radial Basis Functional LinkNet wird trainiert, welches schneller und effizienter als andereArten von neuralen Netzwerken lernt. Neuronale Netzwerke, die lernenoder sich selbst organisieren, sind vergleichsweise langsam undlernen nicht auf eine solide Art und Weise. Daher sollte zuerstein Clustering durchgeführtwerden, um anschließenddas Training fürdie besten Resultate durchzuführen.
    [0020] Die erfindungsgemäße Abtasttechnologie erlaubtden Echtzeitnachweis, die Unterscheidung und Bestimmung des gesamtenSpektrums an biologischen und chemischen Verunreinigungen und BedrohungeneinschließlichToxinen, Sporen, Bakterien und Viren. Das erfindungsgmäße Systemerreicht eine erhöhteNachweiswahrscheinlichkeit, eine verringerte Nachweiszeit und einekleine Wahrscheinlichkeit eines falschen Alarms für Sporen,Toxine, Viren und andere Arten von biologischen und chemischen Aerosolteilchensowie gasförmigenMolekülen.
    [0021] Die Erfindung wird in Bezug auf diebegleitenden Figuren nähererläutert.Es zeigt:
    [0022] 1 eineschematische Ansicht des Femtosekunden-LIDAR-Systems zum langreichweitigen Nachweisvon biologischen und chemischen Aerosolen und gasförmigen Molekülen.
    [0023] 2 eineschematische Ansicht der verschiedenen spektroskopischen Anregungs- und Entregungskanäle im Infrarotenund Ultravioletten einschließlichStreuprozesse.
    [0024] 3 einExtinktionsspektrum von Bacillus subtilis Aerosolen in der MIR-und der Fern-IR-Region.
    [0025] 4 einAbsorptionsspektrum von Bacillus subtilis Aerosolen im MIR-Bereich.
    [0026] 5 einbevorzugtes Ausführungsbeispiel einesmobilen bodengestütztenautonomen LIDAR-Systems.
    [0027] 6 einbevorzugtes Ausführungsbeispiel einesmobilen luftgestütztenautonomen LIDAR-Systems.
    [0028] Die schematische Ansicht in 1 stellt ein autonomes Lasersystemmit einem integrierten Nachweissystem dar, das als Überwachungssystem für biologische,chemische und fürdie Umwelt relevante Stoffe benutzt wird. Dieses System beruht auf dem Prinzipder Abtastung und Überwachungder Atmosphäreaus der Ferne unter Verwendung von kurzen Terawatt-Laserpulsen.
    [0029] Das Femtosekunden-Terawatt-Lasersystem weisteinen Femtosekunden-Laser (10), einen Pulsstrecker (11),einen Pulsverstärker(12) und einen Chirp-Generator (13) auf. Die Pulsformwird von einem Pulsuntersuchungssystem (14) analysiert,und der Puls wird dann auf einer achsenentferntes Teleskop (15)gelenkt. Der leicht fokussierte Laserstrahl (16) führt zu nicht-linearenoptischen Prozessen in der Atmosphäre (17), welche Plasmakanäle (Filamentationder 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 Filamentswechselwirkt mit der Bio-Aerosol-Wolke (18). Das zurückgestreuteLicht (19) wird mittels eines Empfangsteleskops (20)gesammelt und anschließendvon verschiedenen Arten von Spektrometern (21, 22)und Photomultipliern (23, 24) untersucht, wobeidas IR-Spektrometer (21) die differentielle Absorptionin der Bio-Aerosol-Wolke und das VIS/UV-Spektrometer (22) die Absorptionund/oder die Fluoreszenz der Wolke misst. Wie man in 1 sehen kann, werden dieSignale der Photomultiplier (22, 24) in einentransienten Digitalwandler (25) gespeist. Schließlich erhält das Datenaufnahme-und Steuerungssystem (26) Signale von den verschiedenenNachweisgeräten.Die EmpfängersystemekönnenSpektren vom Ultravioletten (UV) über das Sichtbare (VIS) biszum MIR-Bereich (von ungefähr270 – 5500nm) aufnehmen.
    [0030] Wie in 2 gezeigt,erzeugt ein Femtosekunden-Terawatt-Laser (27) ein zweifarbigesFilament (28) an einer spezifischen Stelle in der Atmosphäre mit einerWellenlängevon ungefähr800 nm, wobei die Laserpulse mit spezifischen Aerosolen in verschiedenenEntfernungen (29) Wechselwirken. Wie in 2 gezeigt, kann die dritte harmonische Generierungskomponente(Third Harmonic Generation, THG) der Laserausbreitungsrichtung innerhalb desFilamentationskanals (28) zum Nachweis benutzt werden.
    [0031] Die Aerosole werden mit Hilfe einergleichzeitigen Analyse der differentiellen Infrarotabsorptionskanäle (30)und der UV- und sichtbaren Fluoreszenzkanäle (31) analysiert,die von den langreichweitigen UV-Filamenten produziert werden, welchevon Laserpulsen bei 800 nm erzeugt werden. Zusätzlich werden Lichtstreuungskanäle, einschließlich Rayleigh-,Mie- und Raman-Streuung (32), beobachtet, um die Zusammensetzungder verschiedenen atmosphärischenBestandteile und die Hintergrundstrahlung besser zu verstehen.
    [0032] Mikrotröpfchen, die einen großen Teilder atmosphärischenAerosole darstellen, könnenmit einem erfindungsgemäßen Systemuntersucht werden. Die Mikrotröpfchenkönnenals Linsen dienen, welche die einfallende Strahlung auf einige kleineBereiche innerhalb der Tropfen fokussieren, und induzieren auchformabhängigeResonanzen, welche die Laserintensität im Tropfen weiterverstärken können. Daherist die Effizienz der nicht-linearen optischen Prozesse in Gebietenhoher Laserstrahlungsintensitätstark erhöht.Die gestreute Welle und die interne Intensitätsverteilung hängen vomBrechungsindex des Tröpfchenmediumsund vom Größenparameter ab,der das Verhältnisvon Tropfenumfang zur Wellenlängedes einfallenden Lichts ist. Wenn man die Wechselwirkung der Femtosekunden-Laserpulsemit diesen Mikrotröpfchenuntersucht, muss man die großespektrale Bandbreite der ultrakurzen Pulse berücksichtigen.
    [0033] Schwingungsspektrokopie an biologischen Stoffenist mit einem erfindungsgemäßen System ebenfallsmöglich,einschließlichExtensions- und Streuungsmessungen, um die spektralen Fingerabdrücke unddie Konformationsänderungender biologischen molekularen Systeme zu charakterisieren. Schwingungssignalein den charakteristischen Spektralbereichen (finger print regions)dieser Aerosole könnenmit den vorhandenen spektralen Daten aus dem Labor verglichen werden,um schnell biologischen Stoffe nachzuweisen und zu bestimmen. 3 zeigt ein charakteristischesIR-Spektrum von Bacillussubtilis var. niger (BG) Sporen als Aerosol im Wellenlängenbereichvon 2,3 bis 12 μm.Das Spektrum dieses biologischen Stoffes weist einen Absorptionsteilauf, der einem Mie-Streuungshintergrund (33) überlagertist. Das Absorptionsspektrum zeigt spezifische spektrale Merkmalebei ungefähr2,9-3,6 μm(34). Das Spektralsignal bei ungefähr 3,1 μm kann teilweise identifiziertwerden 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 charakteristischeSpektralbereiche treten zwischen 6,6-8 μm (36) auf. Ferner können spektraleMerkmale zwischen 8-11 μmmit der Amid-III-Bande, Phosphatgruppen und Peptid-Strukturen desRückgrats(37) in Verbindung gebracht werden. Um die wichtigstenspektralen Merkmale (Signalpositionen, Breiten, Bandstrukturen,Intensitätsverhältnisseusw.) entnehmen zu können, mussdas mit den spektralen Daten verknüpfte Rauschen entfernt werden.Dann wird eine passende nicht-lineare Funktion, die die Mie-Streuungberücksichtigt,benutzt werden, um den restlichen Hintergrund gemäß einerSignalanalyse anzupassen. Ein typisches resultierendes Absorptionsspektrumist in 4 zwischen 3-4 μm dargestellt.Zwei verschiedene Fällewerden hier berücksichtigt.Im ersten Fall werden zwei im Wesentli chen verschiedene atmosphärische Transmissionskanäle (38, 39)mit ähnlichenAbsorptionsüberlappungenbetrachtet. Es gibt hier ein Tal im Kanal mit niedrigerer atmosphärischer Transmission(38). Es wird ein Signal in dem Kanal mit höherer atmosphärischerTransmission (39) erreicht. Im zweiten Fall werden konstanteatmosphärischeTransmissionen betrachtet, aber die sich überschneidenden Absorptionsbereicheunterscheiden sich wesentlich voneinander. Zum Beispiel hat der Kanal(40) eine stärkereAbsorption im sich überschneidendenBereich als der Kanal (41), der eine niedrigere Absorptionim sich überschneidendenBereich aufweist. Diese Muster weisen Schwingungseigenschaften derBestandteile wie z.B. DNA/RNA, Proteine und Zellwandbestandteileauf. Wegen der Größe der zellulären Bestandteilewerden breite und übereinandergelegte spektrale Signale im MIR Bereich gemessen.
    [0034] Ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegendenErfindung ist in 5 gezeigt.Eine schematische Ansicht eines bodengestützten differentiellen mobilenAuslösesensorsystemsund/oder mobilen Terawatt-LIDAR-Systems ist gezeigt, das in einem einzigenmobilen Container (42) untergebracht ist. Der Aufbau weisteinen auf einem Tisch installierten Terawatt-Femtosekundenlaser(43) und ein Nachweissystem mit hoher räumlicher, spektraler und zeitlicherAuflösungauf. Das System weist Sende- und Empfangsteleskope(44) in vertikaler Strahlrichtung (45) und inhorizontaler Strahlrichtung (46) auf. Der mobile Containerhat zusätzliche Überwachungsteleskopefür Auslösesensoren(47). Das reflektierte und gestreute Licht wird in verschiedeneUV-, VIS-, NIR- und MIR-Spektrometer und angehängte Nachweissysteme (48)gespeist. Zur Verstärkungbesitzt das System auch Steuerungsgeräte (49) und Energieversorgungssysteme(50). Zum Zwecke der Daten-Interpretation und -Verarbeitungbesitzt das System ein Datenaufnahmesystem mit mehreren, daran angeschlossenenparallelen Computern (51) zur Echtzeitdatenreduktion, Modellierungund Unterscheidung. Die Temperaturbedingungen werden im mobilen Containermit Hilfe eines Luftkühlungssystems(52) kontrolliert. Dieses System ist angetrieben von einer Energieversorgung(53), die gesondert außerhalb desmobilen Containers aufgestellt ist, um den Einfluss von Schwingungenzu minimieren.
    [0035] In 6 istein nach oben ausgerichtetes, luftgestütztes, differentielles Absorptions-Terawatt-Femtosekunden-Lasersystemgezeigt. Solch ein luftgestütztesLIDAR-System istfür Messungen zurBenutzung in einem Flugzeug unter Tag- und Nachtbedingungen geeignet.Dieses System kann auch so betrieben werden, dass es vom Flugzeug nachunten blickt. In der schematischen Darstellung lenkt ein Terawatt-Femtosekunden-Laser(54) mit anpassungsfähigenoptischen Elementen (55) den Laserstrahl in Richtung einerBio-Aerosol-Wolke (56). Zurückgestreutes Licht (57)wird von einem Teleskopspiegel (58) gesammelt und in Richtungeines optischen Faserkabels (59) auf einen zeitaufgelösten Spektrometeraufbau(60) gelenkt. Das Flugzeug (61) enthält allenotwendigen Netzanschlussgeräte,elektronische Geräte,Datenaufnahmekontrollsysteme und parallele Computer zum Echtzeitnachweis.
    权利要求:
    Claims (16)
    [1] Femtosekunden-Terawatt-LIDAR-System (Light DetectionAnd Ranging) zur langreichweitigen Abtastung und Fernüberwachungmit hoher zeitlicher und räumlicherAuflösung,zum spektroskopischen Nachweis und zur Unterscheidung von gasförmigen Molekülen sowiebiologischen und chemischen Aerosolen und zum Auslösen einerAntwort, 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; einNachweissystem, das Infrarot- und/oder UV/VIS-Spektrometer, an Digitalwandlerangeschlossene Photoverstärkerund ein Datenaufnahmesystem aufweist; ein Echtzeitrechensystem,das neuronale Netzwerke, Fuzzy-Logik und andere Rechenverfahrenverwendet.
    [2] System gemäß Anspruch1, dadurch gekennzeichnet, dass das System mobil ist.
    [3] System gemäß Anspruch1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das System boden-, see- oder luftgestützt ist.
    [4] System gemäß einemder vorherigen Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass die Femtosekunden-Terawatt-Laserstrahlungsquelleaus einem Titan-Saphir-Lasersystembesteht, das eine Energie von ungefähr 300 mJ pro Puls, eine Pulsleistungvon ungefähr3 bis 4 TW, Pulslängenin der Größenordnungvon 80 bis 100 fs und eine Repetitionsrate von ungefähr 10 Hzaufweist.
    [5] System gemäß einemder vorherigen Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, dass Femtosekunden-Laserpulse, die auf ungefähr 267 nm,entsprechend der Erzeugung der dritten Harmonischen, zentriert sind,benutzt werden, um gasförmigeMoleküle sowiebiologische und chemische Aerosole mittels Fluoreszenz- und/oderRaman-LIDAR-Messungen nachzuweisen.
    [6] System gemäß einemder Ansprüche1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Femtosekunden-Laserpulse,die auf ungefähr800 nm zentriert sind, benutzt werden, um eine breitbandige Superkontinuumslichtquellein der Atmosphärezum Nachweis von gasförmigenMolekülensowie biologischen und chemischen Aerosolen mittels differentiellerAbsorptions- und/oder Fluoreszenz-LIDAR-Messungen zu erzeugen.
    [7] System gemäß einemder Ansprüche1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das System zusätzlich folgendesaufweist: eine Nahinfrarot-Femtosekunden-Laserstrahlungsquellemit einer Wellenlängevon ungefähr800 nm und einer spektralen Breite von ungefähr 20 nm, die über SelbstkanalisierungseffektePlasma-Filamente und eine atmosphärische vom Ultravioletten (UV)bis zum mittleren Infrarot (MIR) reichende Superkontinuumslichtquellefür optischeAbtastanwendungen erzeugt; eine UV-Femtosekunden-Laserstrahlungsquellemit einer Wellenlängevon ungefähr267 nm, entsprechend der Erzeugung der dritten Harmonischen, derenStrahlung keine neuen Wellenlängenerzeugt, sich aber im Vergleich zu den MIR-Laserpulsen mit sehrviel kleineren Verlusten bis zu mehrere Kilometer weit durch denPlasmakanal fortpflanzt.
    [8] System gemäß einemder vorherigen Ansprüchezum Vergleichen der wichtigsten Schwingungsbanden der charakteristischenSpektralbereiche von gasförmigenMolekülensowie biologischen und chemischen Aerosolen mit bereits existierenden,spektralen Labordaten, um gasförmigeMolekülesowie biologische und chemische Aerosole aus der Ferne nachzuweisenund zu bestimmen.
    [9] System gemäß einemder vorherigen Ansprüchezum Vergleichen der charakteristischen Spektralbereiche der Raman-und Fluoreszenzspektren gasförmigerMolekülesowie biologischer und chemischer Aerosole mit bereits existierendenspektralen Labordaten, um gasförmigeMolekülesowie biologische und chemische Aerosole aus der Ferne nachzuweisenund zu bestimmen.
    [10] System gemäß einemder vorherigen Ansprüche,welches das Signal von aufgrund von Raleigh- und Mie-Streuung zurück gestreutemLicht von gasförmi genMolekülen,biologischen und chemischen Aerosolen und Wassertröpfchen inWolken und Schwaden aufnimmt.
    [11] System gemäß einemder vorherigen Ansprüche,welches breitbandige Fernabtasttechniken, die eine hohe spektraleAuflösungaufweisen, mit der Fähigkeitzur dreidimensionalen Kartierung kombiniert und so den gleichzeitigenNachweis von mehreren gasförmigenMolekülensowie biologischen und chemischen Aerosolen erlaubt, sogar im Fallvon überlappendenspektralen Mustern.
    [12] System gemäß einemder vorherigen Ansprüchezur Überwachungvon gasförmigenMolekülen sowiebiologischen und chemischen Aerosolen in Echtzeit mit hoher Genauigkeitund einer verringerten Anzahl an falschen Alarmen zum langreichweitigenNachweis in einer Entfernung von einigen Metern bis zu mehrerenKilometern.
    [13] System gemäß einemder vorherigen Ansprüchezur Verwendung als Auslösesensorin einem autonomen System, welche im Vergleich zu bereits existierendenTechnologien eine wesentlich verbesserte Nachweiswahrscheinlichkeit,eine verringerte Wahrscheinlichkeit eines falschen Alarms und eine kürzere Nachweiszeitfür denNachweis eines Bedrohungsniveaus besitzt.
    [14] System gemäß einemder vorherigen Ansprüchezur Verwendung als mobiler Auslösesensoroder Gebietssensor in einem autonomen System zur Überwachungvon sensiblen Bereichen wie z.B. Wasseraufbereitungsanlagen, U-Bahnen, Flughäfen, Regierungsgebäuden, Militäreinrichtungen,industriellen Komplexen und Städten.
    [15] Verfahren zur langreichweitigen Untersuchung undspektroskopischen Bestimmung von gasförmigen Molekülen sowiebiologischen und chemischen Aerosolen mit hoher zeitlicher und räumlicher Ausflösung, dasein System gemäß einemder vorherigen Ansprüchebenutzt.
    [16] Verfahren gemäß Anspruch15, dadurch gekennzeichnet, dass das verwendete System als mobilerAuslösesensoroder Gebietssensor in einem autonomen System zur Überwachungvon sensiblen Bereichen wie z.B. Wasseraufbereitungsanlagen, U-Bahnen,Flughäfen,Regierungsgebäuden,Militäreinrichtungen,industriellen Komplexen und Städten benutztwird.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2011-05-12| 8141| Disposal/no request for examination|
    2011-05-12| R005| Application deemed withdrawn due to failure to request examination|Effective date: 20110217 |
    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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