Untersuchungen der Lichtstreuung von Femtosekunden-Pulsen für die Einzelpartikelcharakterisierung
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen der Arbeit wurde sowohl numerisch als auch experimentell nachgewiesen, dass die störenden Oszillationen im Regenbogen aufgrund der Interferenz zwischen Reflexion und Brechung 2. Ordnung (ripple structure) durch Verwendung von Femtosekundenlasern unterdrückt werden, und durch kostengünstige, zeitlich integrierenden Detektoren erfasst werden können. Dies ermöglicht die Brechungsindex- und Temperaturbestimmung von Partikeln bis hinunter zu 10um bei Verwendung von Pulslängen von 70fs. Zukünftig soll diese Erweiterung zur Bestimmung von Durchmessern und zur Brechungsindex-, also Temperaturmessung an kleinen levitierten Einzeltropfen und an bewegten sphärischen Tropfen in Sprays angewandt werden. Ein wesentlicher Beitrag zur Anwendbarkeit dieser Technik fern von Laborbedingungen ist durch die Wiederholung der experimentellen Ergebnisse mit Hilfe einer Kurzkohärenz- Laserquelle auf Halbleiterbasis gelungen (Peil 2006). Dieser Erfolg wurde auch von fachspezifischen Publikumsmedien erkannt (Peil 2007a,b). Die Komponenten eines Messstandes werden dadurch leichter handhabbar und wesentlich kostengünstiger. Die numerisch vorhergesagten Auswirkungen einer verkürzten Kohärenzlänge und einer breiten spektralen Intensitätsverteilung von Femtosekunden-Laserpulsen auf kleine Partikel (dp < 60um) wurden experimentell überprüft. Dadurch wurde die maßgebliche Reduzierung von Strukturresonanzen für kleine Partikel bei Beleuchtung durch Femtosekunden-Laserpulse erfolgreich nachgewiesen. Durch Gebrauch einer neu entwickelten Paulfallengeometrie (siehe Heinisch 2006) war es möglich den Verdampfungsprozess kleiner Wassertropfen sekundenlang zu beobachten und die Monotonisierung der delektierten Streuintensität bezüglich des Partikeldurchmessers zu bestätigen. Eine vielversprechende Anwendung des Effekts ist die Messung des verbrennungstechnisch relevanten Sauter Mean Diameter für Einzelpartikel als Neuerung gegenüber der statistischen Bestimmung durch räumliche und zeitliche Mittelung über ein Volumen vieler Partikel. Darüber hinaus könnte mit Femtosekunden- Laserpulsen der Durchmesser von vielen Partikeln durch eine einzige Abbildung eines Sprays bestimmt werden, da die gestreute Intensität in direktem Zusammenhang zum Durchmesser steht. Auch in diesem Zusammenhang ist eine erhebliche Vereinfachung des Messstandes durch den Einsatz der Kurzkohärenz-Laserquelle zu erwarten. Im Gegensatz zur einfachen Intensitätsverteilung im Fernfeld ergeben sich Glanzpunkte durch Fouriertransformation der angularen Intensitätsverteilung, der Tropfen muss also durch Linsen abgebildet werden. Die Schwankung des Intensitätsverhältnisses zweier Glanzpunkte unterschiedlicher Streulichtordnungen wird durch Beleuchtung des Partikels mit Femtosekundenpulsen sichtbar beruhigt. Durch weitere Untersuchungen soll dieses von Strukturresonanzen und Interferenz zwischen den Streulichtordnungen ungestörte Intensitätsverhältnis zur Bestimmung von Durchmesser und Brechungsindex von Partikeln genutzt werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Bakic S., Damaschke N., Kaiser J., Elsässer W. und Tropea C. (2006) Temporal Integrated Detection and Applications of fs-Pulse Scattering. Proceedings 13th Int. Symp. on Appl. Laser Techniques to Fluid Mechanics, Lisbon Portugal.
- Bakic S., Damaschke N., Michel T., Tropea C. (2005) Regenbogenmesstechnik für kleine Partikel durch Femtosekunden-Laserpulse. Proceedings 13. Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik (GALA), Cottbus Germany.
- Bakic S., Heinisch C., Damaschke N., Tschudi T., Tropea C. (2007) Unterdrückung von Strukturresonanzen an kleinen Partikeln durch Femtosekunden-Laserpulse. Proceedings 14. Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmesstechnik (GALA), Rostock Germany.
- Heinisch C., Bakic S., Damaschke N., Petter J., Tschudi T., Tropea C. (2006) Neue Paulfallengeometrie zur Fixierung von Tropfen und Partikeln in Gasströmungen mit 360°-Zugang für Laserdiagnostik. Proceedings 14. Fachtagung Lasermethoden in der Strömungsmeßtechnik (GALA), Braunschweig Germany.
- Peil, M., Fischer, l., Elsäßer, W., Bakic, S., Damaschke, N., Tropea, C., Stry, S., Sacher, J. (2006) Rainbow Refractometry with a Tailored Incoherent Semiconductor Laser Source. Appl. Phys. Lett. 89, 091106
