Adaptive Lasersysteme mit Wellenfrontregelung und Phasenkonjugation für Strömungsmessungen bei Brechungsindexeffekten

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Jürgen W. Czarske
• Subject Area: Measurement Systems
• Term: from 2014 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 259811751

• Final Report Year: 2020

Final Report Abstract

Zeitliche Brechungsindexvariationen im Lichtweg zwischen Messort und Instrument stellen eine Herausforderung für optische Messverfahren dar. Das Ziel des Reinhart Koselleck-Projekts bestand in der erstmaligen systemischen Untersuchung der Grundlagen des Einsatzes adaptiv-optischer Komponenten für quantitative Untersuchungen von Strömungen unter dem Einfluss von Brechungsindexvariationen. In der Strömungsmesstechnik kann die Lichtbrechung an einer fluktuierenden Wasser-Luft-Grenzfläche zu deutlichen höheren Messunsicherheiten führen. Zur Korrektur der induzierten Störungen wurde ein Regelkreis mit einem deformierbaren Membranspiegel realisiert und untersucht. Als ein neuartiges Leitsternkonzept wurde dazu der Fresnel-Leitstern eingeführt, der mit dem aus der Regelungstechnik stammenden Konzept eines Beobachters eine Anwendung durch nur einen optischen Zugang erlaubt. Dafür wird eine komplett neuartige Regelung für variierende Störungsgrößen benötigt, die im Vergleich zu den üblichen adaptiven Optiken technische und physikalische Herausforderungen aufweist. Die komplexe Mehrgrößenregelung wurde auf einem Field Programmable System on Chip System implementiert und bis zu einem Demonstrationssystem mit einer Regelrate im Kilohertzbereich entwickelt. In einem Modellexperiment konnte am Fallbeispiel der 3D Particle Tracking Velocimetry die Verringerung der durch die Grenzflächenfluktuationen induzierten Messunsicherheit demonstriert werden. Dieser erstmalige Nachweis, dass adaptivoptische Systeme für quantitative Strömungsmesstechniken vorteilhaft eingesetzt werden können, kann für die Strömungsmechanik einen Paradigmenwechsel einleiten. Durch die Möglichkeit, Messungen durch zeitlich veränderliche Grenzflächen mit geringer Unsicherheit vornehmen zu können, bieten sich zahlreiche neue Anwendungsfelder, wie für die Untersuchung von Filmströmungen, von Flüssigkeitsjets, Tropfen, oder Blasen, wodurch Energiesparpotentiale erkannt werden sollen. Für Brennstoffzellen kann eine Optimierung des Wasserhaushalts erfolgen. Die Untersuchung von umströmten Tropfen erlaubt neue Aussagen zur Partikeldeposition und Aerosolabscheidung und die Entwicklung von neuen Nassabscheidern. Es kam die digitale optische Phasenkonjugation für die Korrektur komplexer Lichtstreuungen im Hinblick auf Anwendungen der Biomedizin zum Einsatz. Endoskopische Blutgeschwindigkeitsmessungen können mittels Phasenkonjugation durch nur eine Multimode-Faser ohne weitere Optiken am Faserausgang durchgeführt werden. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass sich die hohe Flexibilität des Reinhart Koselleck-Projekts als sehr fruchtbar für die MST herausgestellt hat. Durch den Einsatz adaptiver optischer Elemente konnten neue methodische Ansätze erarbeitet, neue Forschungsgebiete (Biomedizin) erschlossen, ein Nutzen für optoelektronische Messsysteme demonstriert und so ein Fortschritt für die Wissenschaft erreicht werden. Anwendungsgebiete sind vielfältig und reichen von der Strömungsmechanik über Biomedizinsysteme bis zur optischen Nachrichtentechnik. Presseberichte erfolgten in verschieden Medien (Zeitungen, Zeitschriften, Internet).

Publications

• “Interferometric velocity measurements through a fluctuating phase boundary using two Fresnel guide stars”, Optics Letters 40(16), 3766-3769 (2015)
  H. Radner, L. Büttner, J. Czarske
  
• “Spiral phase mask shadow-imaging for 3D-measurement of flow fields”, Optics Express 24(24), 27371-27381 (2016)
  M. Teich, M. Mattern, J. Sturm, L. Büttner, J. W. Czarske
  
• “Transmission of independent signals through a multimode fiber using digital optical phase conjugation”, Optics Express 24(13), 15128-15136 (2016)
  J. Czarske, D. Haufe, N. Koukourakis, L. Büttner
  
• “Wavefront shaping for imaging based flow field measurements through distortions using a Fresnel guide star”, Optics Express 24(19), 22074-22087 (2016)
  N. Koukourakis, B. Fregin, J. König, L. Büttner, J. Czarske
  
• “Transmission of multiple signals through an optical fiber using wavefront shaping”, Journal of Visualized Experiments, e55407 (2017)
  D. Haufe, N. Koukourakis, L. Büttner, J. Czarske
  
• „Anordnung und Verfahren zur Störungskorrektur für bildgebende Strömungsmessverfahren - Arrangement and method for disturbance correction for imaging flow measurement methods“, Deutsches Patent- und Markenamt, 11.7.2017
  L. Büttner, J. Czarske, M. Teich, N. Koukourakis
  
• "Self-calibration of lensless holographic endoscope using programmable guide stars," Optics Letters 43, 2997-3000 (2018)
  R. Kuschmierz, E. Scharf, N. Koukourakis, J. W. Czarske
  
• “Verfahren und faseroptisches System zur Beleuchtung und Detektion eines Objekts mit Licht - Method and fiber optic system for illuminating and detecting an object with light“, European Patent Office, Japan and USA, US 2019/0227152 A01, 2018
  R. Kuschmierz, J. Czarske
  
• „Adaptive particle image velocimetry based on sharpness metrics”, Journal of the European Optical Society-Rapid Publications 14(5) (2018)
  M. Teich, J. Grottke, H. Radner, L. Büttner, J.W. Czarske
  
• “Real-time IR tracking of single reflective micromotors through scattering tissues,” Advanced Functional Materials, 1905272 (2019)
  A. Aziz, M. Medina-Sánchez, N. Koukourakis, J. Wang, R. Kuschmierz, H. Radner, J.W. Czarske, O.G. Schmidt
  
• Field programmable system-on-chip based control system for real-time distortion correction in optical imaging”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2020
  H. Radner, J. Stange, L. Büttner, J. Czarske
  
• “Velocity measurements with structured light transmitted through a multimode optical fiber using digital optical phase conjugation”, Optics Express 28, 8064- 8075 (2020)
  L. Büttner, M. Thümmler, J. Czarske