Numerische Untersuchung der pulsinduzierten Lichtstreuung an Mehrteilchenanordnungen mit dem Ziel der Bestimmung von Teilchengrößen und Teilchenabständen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Aufbauend auf die Vorarbeiten zur pulsinduzierten Streulichtgenerierung an kleinen Einzelteilchen (Mie-Streuung) und zur zeitaufgelösten Streulichtanalyse wurde das pulsinduzierte Streulichtverhalten einer Zweiteilchenanordnung in der numerischen Simulation untersucht. Das Arbeitsziel bestand neben der Bestimmung der Größe beider Teilchen in der gleichzeitigen Bestimmung des Teilchenabstandes. Bei der zeitaufgelösten Analyse entsteht als Streulichtantwort der Zweiteilchenanordnung ein charakteristisches Streulichtmuster auf der fs-Zeitskala, dessen Signale unterschiedlichen Streulichtordnungen zugeordnet werden können. Der zeitliche Abstand zwischen den Signalen wird durch die Teilchengröße, die Art der optischen Kopplung zwischen den Teilchen und der räumlichen Teilchenlage bestimmt. Für alle Untersuchungen wurde eine Detektorposition im Rückstreubereich (?=150°) gewählt. Dadurch können die Teilchengrößen aus Zeitdifferenzen zwischen Reflexionssignalen und Signalen der Brechung 2. Ordnung berechnet werden. Die optische Kopplung zwischen den Teilchen wird durch Brechung 1. Ordnung realisiert. Im Streulichtmuster der Zweiteilchenanordnung treten aber auch Signale auf, die durch Beugungskopplung zwischen den Teilchen verursacht werden und im Streulicht von Oberflächenwellen ihren Ursprung haben. Um aus dem Streulichtmuster der Teilchenanordnung Informationen über Teilchengröße und Teilchenabstand entnehmen zu können, muss bekannt sein, welche Streulichtordnung das betrachtete Signal generiert hat. Die Zuordnung erfolgt über Modelle der Strahlverläufe in Anlehnung an die geometrische Optik, wobei möglichst alle physikalischen Phänomene der Streulichtgenerierung (Reflexion, Brechung 1. und höherer Ordnung, Beugung, Oberflächenwellen) berücksichtigt werden müssen. In allen Fällen konnte eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Zeitdifferenzen im Streulichtmuster der Mie-Rechnungen und den Zeitdifferenzen entsperchend den geometrischen Modellen festgestellt werden. Im Ergebnis der zeitaufgelösten Streulichtanalyse und durch die Verifikation mittels geometrischer Modelle des Strahlverlaufs konnte gezeigt werden, dass die Teilchengrößen und der Teilchenabstand bei Kenntnis des Brechungsindex aus dem Streulichtmuster ermittelt werden können, wenn ausschließlich die Detektorposition bekannt ist. Weiterhin wurde gezeigt, dass bei einer Detektion im Bereich 75°???90° der Brechungsindex eines Teilchens ohne Kenntnis seiner Größe aus dem Streulichtmuster bestimmt werden kann.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- “Simultane Bestimmung von Teilchengröße und Brechungsindex mittels zeitaufgelöster Streulicht-Analyse“, in: A. Delgado, C. Rauh, H. Lienhart, B. Ruck, A. Leder, D. Dopheide (Hrsg.) „Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik“ -17. Fachtagung der GALA e. V. 2009, Universität Erlangen, S. 31.1 – 31.9, ISBN 978-3-9805613-5-8, (2008)
H. Bech, A. Leder
- „Numerische Untersuchungen zur Teilchengrößen- und Teilchenabstandsbestimmung mittels zeitaufgelöster Streulichtanalyse“, in: B. Ruck, A. Leder, D. Dopheide (Hrsg.) „Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik“ - 16. Fachtagung der GALA e. V. 2008, Uni Karlsruhe, S. 49.1 – 49.8, ISBN 978-3-9805613-4-1, (2008)
H. Bech, A. Leder
- „Particle characterization by pulse induced Mie scattering and time resolved analysis of scattered light”, Workshop: Mie Theorie 1908 - 2008: Present developments and interdiciplinary aspects of light scattering, Halle, September 2008, Herausg.: W. Hergert and Th. Wriedt, ISBN 978-3-88722-701-2
H. Bech, A. Leder
- “Simultaneous determination of particle size and refractive index by time resolved Mie-scattering”, in: OPTIK-International Journal for Light and Electron Optics. Available online 2 October 2009
H. Bech, A. Leder
- “Two-particle characterization by pulse induced and time resolved Mie scattering”, in: OPTIK-International Journal for Light and Electron Optics
H. Bech, A. Leder
