Warum halten Laser im Weltraum nicht lange?

Das Papier "Laser Technology in Photonic Applications for Space" von Denis Guilhot und Pol Ribes-Pleguezuelo hebt einige der Probleme von Lasern im Weltraum hervor:

Im speziellen Fall von Laserdioden könnte das zum Verpacken des Laserchips verwendete Indium bei extremen Temperaturbereichen aufgrund des Indium-Kriechverhaltens ein Risiko darstellen, das zu einem fatalen Geräteausfall führen kann [135]. Darüber hinaus können Hochvakuumregime sogar zu Veränderungen der chemischen und physikalischen Eigenschaften von Komponenten aufgrund von Dehydratation führen [137]. Ein weiteres häufiges Problem bei Laserkristallen und -fasern ist der Photoverdunklungseffekt, der in optischen Komponenten aufgrund von Strahlungsabsorption erzeugt wird. Es wurden viele Studien zu den Auswirkungen verschiedener Strahlungsarten auf verschiedene Lasermaterialien mit unterschiedlichen Dotierungsverhältnissen durchgeführt [138,139], die Ingenieure der photonischen Raumfahrt überprüfen sollten, um die besten Kandidaten für ihre Anordnungen auszuwählen. Dieses Problem kann leicht gelöst werden, indem die Abschirmung der Komponenten verbessert wird. die erhöhte Dicke, die durch die zusätzlichen Materialschichten verursacht wird, die die Komponenten schützen, erhöht das Gewicht der integrierten Vorrichtung und häufig ihre Größe und Kosten. Aus diesem Grund müssen die Komponenten sorgfältig ausgewählt werden, um optimal auf die Strahlungsbudgets der Mission abgestimmt zu sein, um sicherzustellen, dass die Laserleistung die erforderlichen Spezifikationen über die lange Betriebsdauer der Mission beibehält, ohne dass unnötige Kosten durch zusätzliche Abschirmung entstehen.

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Sowohl Zuverlässigkeits- als auch Kostenfaktoren sind wichtige Anforderungen, die sich oft stark auf die Designwahl auswirken, wobei erstere auch die Effizienzabwägung beeinflussen, die in Bezug auf die Leistungsminderung für die Lebensdauer vorgenommen werden muss.

Das Paper „Development of the Laser Altimeter (LIDAR) for Hayabusa2“ von Mizuno et al. beschreibt, wie der Laser-Höhenmesser auf dem Mondorbiter SELENE ausfiel, weil die Laserdiode (LD) sich verschlechterte:

Es ist bekannt, dass sich die LD in einem Hochleistungs-Quasi-Dauerstrichlaser mit der Anzahl der Oszillationen verschlechtert, wodurch die Ausgangsleistung abnimmt; Im Allgemeinen beträgt die Nutzungsdauer eines LD etwa ($10^{9}$) Aufnahmen. Im Fall des LALT auf SELENE begann die Laserleistung jedoch bei etwa ($10^{7}$) Schüsse im Orbit, obwohl die Laserleistung über ($10^{8}$) Schüsse in Preflight-Tests. Wir führten dies auf eine Verschlechterung der LD-Ausgabe zurück

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Wir mussten mit mehreren Problemen im Zusammenhang mit dem Laser fertig werden. Nämlich (1) seine Anfälligkeit gegenüber Temperaturänderungen, (2) seine Anfälligkeit gegenüber mechanischer Beanspruchung und (3) Verschlechterung der LD. [...] Bezüglich Problem (3), Verschlechterung der LD, konnten wir die genaue Ursache der Verschlechterung nicht identifizieren.

Im Allgemeinen werden Laserdioden durch Temperaturänderungen und Strahlung beeinflusst. Glühen bei einer höheren Temperatur kann Fehler im Kristall beheben, aber es funktioniert nicht immer: (aus demselben Papier)

Bei thermischen Vakuumtests des Lasermoduls nahm jedoch die Ausgangsleistung des Lasers ab, wenn die Lasertemperatur auf 10 °C oder weniger gesenkt wurde. Wir fanden auch einen Fehler, bei dem sich die Laserausgabe aufgrund der Verschlechterung des Extinktionsverhältnisses der Pockels-Zellen auch nach Rückkehr auf Raumtemperatur nicht erholte