In
Forschung und Industrie sind Temperaturmessungen auf vielen Gebieten
erforderlich. Ein Beispiel ist die derzeit sehr aktuelle Verbrennungsforschung,
bei der es um die Erhöhung
von Verbrennungswirkungsgraden, um die Reduktion von Schadstoffemissionen
sowie um die Reduktion akustischer Abstrahlungen aus dem Verbrennungsfeld
geht.
Thermoelemente
und Widerstandsthermometer sowie Strahlungspyrometer begründen dabei die
wichtigsten Temperaturmessmethoden. Sie haben alle den Nachteil
eines geringen zeitlichen Auflösungsvermögens, so
dass sie zur Erfassung schneller Temperaturänderungen mit Zeitkonstanten
von weniger als 10–2 s weitestgehend ungeeignet
sind. Besonders die Verbrennungsforschung fordert aber zunehmend
auch experimentelle Möglichkeiten
zur Temperaturmessung in wesentlich kürzeren Zeiträumen. Auflösungen von
ca. 10 kHz oder auch noch mehr sind von großem Interesse zum Beispiel
in der Brennkammerforschung, bei der es gilt, instationäre Änderungen
auch der Temperatur zu erfassen.
Für diesen
Zweck stehen gegenwärtig
laserspektroskopische Messverfahren zur Verfügung, unter denen die Raman-Spektroskopie
eine zentrale Bedeutung besitzt. Sie nutzt die sog. Raman-Strahlung
aus, zu deren Emission Gasatome angeregt werden, wenn Sie mit intensivem
schmalbandigen Licht geeigneter Wellenlänge angeregt werden, insbesondere
mit geeignetem Laserlicht. Die Temperaturinformation ergibt sich
dabei aus den spektralen Eigenschaften der Raman-Streuung. Sie ist innerhalb sehr kurzer
Zeit (weniger als 1 Mikrosekunde) und lokal zu erfassen. Allerdings
ist dabei der Aufwand an hochwertigen Lasern, Optiken und Analysatoren
so erheblich, dass eine Verwendung der Methode in der industriellen
Forschung kaum anzutreffen ist. Hinzu kommen Forderungen an den
Reinheitsgrad des temperaturbehafteten Fluids, wodurch die Anwendungsmöglichkeiten
eingeschränkt
werden.
Seit
längerer
Zeit erscheinen immer wieder wissenschaftliche Veröffentlichung über laserinduzierte
Gitter in vielerlei Materialien, die für die Untersuchung unterschiedlicher
physikalischer Eigenschaften der Materialien selbst oder von physikalischen
Vorgängen
in ihnen genutzt werden. Zur Physik der laserinduzierten Brechungsindexgitter
wird ausführlich
von Eichler et al (1986) berichtet. Die Methode dient auch zur Bestimmung
der lokalen Schallgeschwindigkeit in festen und fluiden Materialien. Das
wiederum eröffnet
die Möglichkeit, über die
lokale Schallgeschwindigkeit die örtliche Temperatur in einem
ruhenden oder strömenden
Gas, auch unter Einschluss von Verbrennungsvorgängen zu bestimmen.
Neben
einer grösseren
Anzahl von diesbezüglichen
Veröffentlichungen
sind die Arbeiten von Stampanoni-Panariello et al. (z.B. 1995) hervorzuheben,
die sich mit den Grundlagen derartiger Methoden ausführlich auseinandergesetzt
haben.
Daraus
ergibt sich folgende Methode, die als derzeitiger Stand der Technik
zu betrachten ist (z. B. Brown & Roberts,
1999):
Der Lichtstrahl hinreichend kurzer Lichtpulse eines Pulslasers,
der auch als Pumplaser bezeichnet wird, wird in zwei Teillichtbündel geteilt,
die sich unter einem Winkel α schneiden.
Wie in der Laser-Doppler-Anemometrie (LDA) interferieren diese Teillichtbündel in
ihrem Überschneidungsbereich
und bilden dort ein System von ebenen Intensitätsschichten, die üblicherweise
nicht ganz korrekt als Interterenzstreifen bezeichnet werden. Entsprechend
dieser Intensitätsschichtung
wird für
die Dauer ihrer Einwirkung auf das zumeist gasförmige Fluid ein Brechungsindexgitter
induziert. Die Variation des Brechungsindex entsteht dabei durch
eine Wechselwirkung der lokalen Lichtintensität mit den Atomen oder den Molekülen des
Fluids.
Das
Brechungsindexgitter breitet sich in alle Richtungen aus. Insbesondere
senkrecht zu den Gitterebenen durchdringen sich dann zwei sich entgegengesetzt
ausbreitende Gittersysteme. Dadurch entsteht ein instationäres Brechungsindexgitter
mit dem halben Gitterabstand s/2, dessen Kontrast mit einer Frequenz
f moduliert wird.
Wird
nun ein Tastlaserstrahl unter dem sogenannten Braggwinkel β auf das
Gitter gerichtet, so wird dieser im sogenannten Phasenraum des Brechungsindexgitters
an diesem quasi reflektiert. Der Braggwinkel muss an die Bedingungen
der Gitterkonstante s und an die Wellenlänge des Tastlaserstrahls angepasst
werden, was in der Literatur mit dem Begriff „phase matching" bezeichnet wird.
Die Intensität
des abgelenkten Strahls schwankt mit dem Kontrast des Gitters. Ein
optoelektronischer Empfänger
im Strahlengang des abgelenkten Strahls registriert dann eine Frequenz,
die als Messfrequenz f genutzt wird.
Da
die Messfrequenz f direkt mit der lokalen Schallgeschwindigkeit
als Ausbreitungsgeschwindigkeit des Gitters im Fluid zusammenhängt, besteht über eine
bekannte thermodynamische Beziehung auch ein direkter Zusammenhang
mit der absoluten Temperatur des Fluids.
Die
angedeuteten physikalischen Zusammenhänge sollen nachfolgend im Detail
erläutert werden.
Dabei wird davon ausgegangen, dass das Einschreiben des Brechungsindexgitters
in das Fluid durch energiereiches Laserlicht auf dem sogenannten
elektrostriktiven Prozess beruht. Bei diesem Prozess bewirkt die
interferenzbedingte Intensitätsverteilung
im Fluid in den Bereichen großer
Lichtintensität
eine Beschleunigung der Gasatome aufeinander zu, also eine lokale
Verdichtung des Fluids. Diese bewirkt wiederum die hier ausgenutzte
Brechungsindesänderung
des Fluids.
Neben
diesem elektrostriktiven Prozess gibt es auch einen zur Brechungsindexänderung
führenden
thermischen Prozess. Er tritt auf, wenn das Fluid fein verteilte,
das Licht absorbierende Teilchen enthält die sich aufheizen und ihre
Wärme an
das Fluid abgeben. Dieser Prozess tritt ein, wenn zum Beispiel in
einer zu messenden Verbrennungsströmung Russbildung entsteht.
In diesem Fall ist die auftretende Messfrequenz bei gleicher Temperatur
nur die Hälfte
der beim elektrostriktiven Prozess entstehenden Frequenz.
Die
beiden erwähnten
Prozesse können,
je nach Beschaffenheit des Fluids, für die Messung ursächlich sein.
Weitere physikalische Vorgänge,
die ebenfalls den Brechungsindex des Fluids bei hoher Lichtleistung
beeinflussen können,
sind für
das hier diskutierte Messziel von vernachlässigbarer Bedeutung.
Physikalische
Größen und
Beziehungen
Nach 1 wird Pulslaserlicht aus
dem Impulslaser 1 mit der Wellenlänge λO in
zwei Teillichtbündel 4 und 4' aufgeteilt,
welche unter dem Winkel α zum
Schnitt gebracht werden. Im Schnittbereich bildet sich durch Interferenz
ein System von parallelen Intensitätsschichten aus. Der Abstand
dieser Schichten, die im Querschnitt auch als Interferenzstreifen erscheinen,
ist der sogenannte Streifenabstand mit der Größe s = λO/(2 × sin
(α/2)). (1)
Diese
Interferenzschichten sind deckungsgleich mit den Schichten der momentan
entstehenden Brechungsindexänderung.
Vom Augenblick an der Erzeugung durch den sehr kurzen (z.B. ca.
5 ns oder kleiner) Laserpuls breitet sich das dann inhomogene Brechungsindexfeld
in alle Richtungen aus. Insbesondere senkrecht zu den Flächen mit
konstantem Brechungsindex addieren sich zwei Maxima des wandernden
Brechungsindexfeldes nach einer Lauflänge von s/2. Nach jeder weiteren
Lauflängendifferenz
von s/2 wird der Kontrast des Brechungsindexfelds, hier auch als
Brechungsindexgitter bezeichnet, maximal.
Da
die Ausbreitung des Brechungsindexfelds mit der lokalen Schallgeschwindigkeit
a erfolgt, ist somit die Frequenz f, mit der der Kontrast des Gitters
moduliert wird f
= a/(s/2). (2)
Die
Dauer des Laserpulses muss dabei so kurz sein, dass während des
Einschreibens des Brechungsindexgitters in das Fluid das Gitter
nicht bereits durch seine Ausbreitung den Gitterkontrast verwischt.
Das heißt,
während
der Dauer des Laserpulses darf unter dem Einfluss der Schallgeschwindigkeit
eine Ausbreitung des Gitters nur um erheblich weniger als s/2 erfolgen.
Das führt
unter anderem dazu, dass bei gegebener Pulslichtwellenlänge λO durch
geeignete Wahl des Winkels α der
Streifenabstand s hinreichend groß zu wählen ist, um eine Reduktion
des Gitterkontrasts schon während
seiner Erzeugung zu vermeiden.
Der
auf das Brechungsindexgitter gerichtete im allgemeinen kontinuierliche
Tastlaserstrahl mit der Wellenlänge λT erfüllt die
Bragg-Bedingung, wenn er mit seinem Einfallswinkel β gegenüber den
Gitterebenen die Bedingung s = λT / sinβ (3)erfüllt. Unter
Berücksichtigung
von λT muss also der Winkel β exakt auf den ursprünglichen
Interferenzstreifenabstand der gekreuzten Pumplaserstrahlen abgestimmt
werden (phase matching). Die Richtung des am Gitter abgelenkten
Lichts ist dann die am Brechungsindexgitter gespiegelte Richtung
des Tastlaserstrahls, die mit der verlängerten Einfallsrichtung den
Winkel 2β bildet.
Auf diesen Strahlengang wird ein optoelektronischer Empfänger ausgerichtet.
Er empfängt
das durch den schwankenden Gitterkontrast in seiner Intensität modulierte
Signallicht.
Die
gemessene Frequenz f des Signallichts ergibt nach GI.(1) die lokale
Schallgeschwindigkeit a und damit die absolute Temperatur aus dem
thermodynamischen Zusammenhang a = (κRT)1/2. (4)
Hierin
ist R die Gaskonstante des gasförmigen
Fluids und κ der
Isentropenexponent. In realen Gasen oder in Gasgemischen sind dafür die reale Gaskonstante
und der Polytropenexponent zu verwenden.
In
praktisch ausgeführten
Messanordnungen besitzen typische Streifenabstände die Größenordnung s = 10 bis 20 μm, die typischen
Messfrequenzen in einer Verbrennungsströmung erreichen die Größenordnung
von einigen hundert Megahertz.
Messanordnung nach dem
Stand der Technik
1 zeigt eine typische Messanordnung nach
dem Stand der Technik. Der Impulslaser 1 emittiert ein
im wesentlichen achsenparalleles Laserlichtbündel 2, welches in
einer Strahlteilervorrichtung 3 in zwei Teillichtbündel 4' und 4'' aufgeteilt wird. Der Impulslaser
wird in diesem Zusammenhang auch als Pumplaser und sein emittiertes
Licht als Pumplaserlicht bezeichnet. Durch Justiervorrichtungen
des Strahlteilers und/oder durch eine zusätzliche Fokussieroptik 5 am
Austritt aus dem Strahlteiler, möglich auch
am Eintritt in den Strahlteiler, werden die Teillichtbündel im
Schnittbereich 7 zum Schnitt gebracht. Die Fokussieroptik 5 dient
dabei auch zur Fokussierung der Teillichtbündel 4' und 4'' auf
den Schnittbereich 7, wodurch dieser geometrisch verkleinert
wird bei gleichzeitiger Erhöhung
der Lichtleistungsdichte.
Der
Schnittbereich 7 wird auch als Messvolumen bezeichnet.
Er ist in der Vergrößerung des
Bildausschnitts 6 in 2 und 3 dargestellt. Im Schnittbereich 7 bildet
sich das im allgemeinen ortsfeste Interferenzsystem 8 aus
mit dem Abstand s der Flächen
gleicher Intensität,
die in einem zu ihnen senkrechten Schnittbild als Interterenzstreifen
erscheinen. Aus Vereinfachungsgründen
wird deshalb das System 8 von Intensitätsflächen auch als Interferenzstreifensystem
bezeichnet.
Das
Interferenzstreifensystem 8 bildet sich mit maximalem Kontrast
nur dann aus, wenn die beiden Teillichtbündel 4' und 4'' im
Schnittbereich zueinander kohärent
sind und gleiche Lichtintensität
besitzen. Kohärenz
ist durch eine bezüglich
der zurückgelegten
optischen Weglängen
der Teillichtbündel
symmetrische Strahlteilung erreichbar, selbst bei einem Pulslaser
mit einer großen
Anzahl axialer Moden.
In
dem Interferenzstreifensystem 8 bewirkt die sehr hohe Energiedichte
des Lichtpulses insbesondere durch einen elektrostriktiven Prozess
die Bildung eines momentan deckungsgleichen Brechungsindexgitters 9.
Der elektrostriktive Prozess ist in den Interferenzbereichen mit
der größten Lichtintensität maximal.
Während
und nach dem Abklingen des Pumplaserpulses breitet sich dieses Brechungsindexgitter 9 mit
der lokalen Schallgeschwindigkeit a in alle Richtungen aus. Dies
geschieht durch die wellenartige Ausbreitung des Verdichtungseffekts
der Fluidatome/-moleküle.
Nach
einer Lauflänge
von s/2 oder einem vielfachen davon insbesondere senkrecht zum Brechungsindexgitter 9 addieren
sich die Brechungsindexmaxima und maximieren somit periodisch den Kontrast
des Brechungsindexgitters 9. Somit entsteht für einen
begrenzten Zeitraum nach dem Abklingen des Laserpulses eine Modulation
des Gitterkontrasts, deren Frequenz f durch GI.(2) wiedergegeben
wird. Die Lebensdauer dieser Modulation hängt von den Parametern der
optischen Anordnung aber auch von mechanischen, thermodynamischen
und chemischen Zustandsparametern des Fluids ab.
Für die Detektion
der Gittermodulation bzw. ihrer Frequenz f wird nun der aus der
Physik bekannte Bragg-Effekt genutzt. Ein zumeist kontinuierlicher Tastlaserstrahl 11 aus
einem entsprechenden Laser 10 wird unter dem Braggwinkel β (GI. (3))
auf das Gitter gerichtet, das heißt auf den Kreuzungsbereich 7 der
Pulslaserstrahlen 4 und 4'. Abhängig vom momentanen Gitterkontrast
wird der Tastlaserstrahl mehr oder weniger vollständig innerhalb
des Gitters als Signalstrahl 12 in eine neue Richtung umgelenkt, die
mit der verlängerten
Einfallsrichtung des Tastlaserstrahls 11 den Winkel 2β bildet.
Die
Lichtleistung des Signalstrahls 12 wird also durch den
Gitterkontrast moduliert. Sie wird mit einem opto-elektronischen
Empfänger 13 registriert, zum
Beispiel mit einem Fotoelektronenvervielfacher. Das erzeugte elektrische
Signal enthält
die Modulationsfrequenz f des Brechungsindesgitters 9,
die nach den Beziehungen GI.(1) bis GI.(4) mit der Temperatur zusammenhängt.
Um
den optoelektronischen Empfänger
vor den intensiven Lichtblitzen der Pumplaserpulse zu schützen, werden
ihm optische Schmalbandfilter 14 vorgeschaltet, deren optische
Transmissionscharakteristik auf die Wellenlänge des Tastlaserlichts abgestimmt
ist. Dazu ist es zweckmäßig, die
Wellenlängen λO des
Pulslaserlichts und λT des Tastlaserlichts hinreichend unterschiedlich
zu wählen,
um eine Trennung des Signallichts vom Pumplaserlicht zu erzielen.
Es wird auch häufig
zusätzlich
eine als Blende wirkende Strahlfalle 15 verwendet, die
nur das Licht in Richtung des Signalstrahls 12 passieren
lässt.
Bekannt sind auch Massnahmen, durch die für die Dauer des Pumplichtpulses
der optische Empfänger 13 unempfindlich
geschaltet wird, beim Fotoelektronenvervielfacher zum Beispiel durch
schnelles Abschalten der Hochspannung während der Pulsdauer.
Typische,
aber nicht ausschließliche
Daten eines solchen Messsystems sind: Pu-Pumplaserlicht eines Nd:YAG-Pulslasers
mit der Wellenlänge λO = 532
nm, Einzel-Pulsenergie
bis einige hundert MilliJoule (mJ), Pulsdauer ca. 5 Nanosekunden
(ns), Strahlschnittwinkel ca. λO = 3 grd, Streifenabstand im Interferenzstreifensystem 8 ca.
s = 10 μm.
Der Braggwinkel β hängt von
der Wellenlänge
des Tastlaserlichts ab. Er ist möglichst
genau an der Orientierung des Brechungsindexgitters auszurichten.
Dieser Vorgang wird als „phase-matching" bezeichnet, weil
bei genauer Ausrichtung des Tastlaserstrahls 11 dieser gemeinsam
mit dem rückwärts verlängerten
Signalstrahl 12 durch dann ebenfalls auftretende Interferenz
im Schnittbereich 7 denselben Interferenzstreifenabstand
besitzt, wie ihn das Pumplasersystem erzeugt, obwohl die Lichtwellenlängen unterschiedlich sind.
Mit
diesen Daten ergibt sich bei Atmosphärendruck in Luft die Messung
der Temperatur von ca. 20°C
eine Messfrequenz von etwa f = 72 MHz, bei 1800°C beträgt sie bei sonst gleichen Bedingungen ca.
f = 190 MHz. Mit dem Signalstrahlstrahl 12 müssen also
für Messungen
in Verbrennungsströmungen Frequenzen
bis zu einigen hundert MHz erfasst und analysiert werden. Die Dichte
des zu messenden Fluids wirkt sich quadratisch auf die Signalamplitute
aus. Das bedeutet, dass für
eine konstante Signalamplitude bei steigender Temperatur entweder
der Druck im Fluid oder die Laserpulsenergie oder die Leistung des
Tastlaserlichts erhöht
werden muss.
Eine
Fehlerquelle besteht grundsätzlich
in der Zusammensetzung von zu messenden Gasgemischen, die zum Beispiel
bei der Untersuchung von Verbrennungsprozessen lokal und vor allem
momentan variabel und unbekannt ist. Sie beeinflussen jedoch die
lokale Schallgeschwindigkeit a und bewirken dadurch Messfehler.
Diese Frage ist jedoch ein Problem der jeweils zugelassenen Fehlertoleranzen.
Nachteile
der Methoden nach dem Stand der Technik
Gegenüber den
anderen genannten Methoden, insbesondere gegenüber der Raman-Methode ist die
beschriebene Messmethode wesentlich praktikabler und weniger aufwendig
bei der Anwendung. Dennoch erfordern die für ihre Anwendung notwendigen
Justierungen eine erhebliche Erfahrung im Umgang mit optischen Einrichtungen
und deshalb zumindest Personal mit entsprechender mittlerer Qualifikation.
Zunächst sind
nach 1 die Pumplaserstrahlen 4 und 4' auf den Schnittbereich 7 so
zu justieren, dass ein einwandfreies Interferenzstreifensystem 8 entsteht.
Dies ist eine aus dem Gebiet der Laser-Doppler-Anemometrie bekannte
Aufgabe die mit geeigneten Hilfsmitteln in relativ einfacher Weise
zu lösen
ist.
Für die hier
diskutierte Temperaturmesstechnik ist nun aber ein zusätzlicher
Tastlaserstrahl 11 erforderlich, der möglichst exakt mit dem Winkel β auf das
Interferenzgitter 8 bzw. das Brechungsindexgitter 9 einfallen
soll. Seine Ausrichtung wird erleichtert, wenn das Tastlaserstrahlsystem ähnlich wie
das Pumplaserlicht als Zweistrahlsystem 11' und 11'' (s. 4) aufgebaut wird (zweistrahlige
Anordnung). Der für
den Empfänger
direkte Strahl 11'' ist für die Empfängerpositionierung
hilfreich, während
der Messung muss er aber ausgeblendet werden. Die exakte Ausrichtung
des Tastlaserlichts wird dann durch das Verfahren des „phase
matching" möglich. Dazu
müssen
die beiden Pumplaserstrahlen 4 und 4' sowie die Tastlaserlichtstrahlen 11' und 11'' (4)
- 1. Exakt durch den gemeinsamen Schnittbereich 7 geführt werden,
- 2. Exakt symmetrisch bezüglich
einer gemeinsamen Mittelebene ausgerichtete werden,
- 3. Entsprechend ihrer unterschiedlichen Lichtwellenlängen mit
unterschiedlichen Schnittwinkeln α und
2β so zum
Schnitt gebracht werden, dass sich für beide Systeme nach GI. (1)
derselbe Interferenzstreifenabstand ergibt „phase matching".
Diese
Maßnahmen
erfordern einen besonders sorgfältigen
und zeitaufwendigen Justieraufwand mit allen dazu erforderlichen
Mess- und Justier-Hilfsmitteln.
Will
man mit einem derartig justierten System durch ein optisches Fenster
hindurch messen, so erfordert die Brechwirkung der Fensterdicke
ein Nachjustieren des gesamten Systems, selbst wenn die optische
Symmetrieachse der Messanordnung senkrecht auf der Fensteroberfläche steht,
auch wenn das Fenster eben ist.
Beschreibung
der Erfindung
Das
Wesen der nachfolgend beschriebenen Erfindung geht von dem geschilderten
Stand der Technik aus. Sie hat zum Ziel, insbesondere die optische
Anordnung so zu verändern
und zu vereinfachen, dass dies für
den Anwender, insbesondere auch für den zumeist in optischen
Anwendungen ungeübten
industriellen Anwender, eine erhebliche Arbeitsentlastung bedeutet.
Das Ziel ist eine breite Anwen dung der Messmethode in Forschung
und Industrie auch durch gering qualifiziertes Personal.
Das
Prinzip der Erfindung besteht darin, wie in 4 gezeigt, den Tastlaserstrahl 11 mittels
optischer und mechanischer Mittel koaxial mit mindestens einem der
Pumplaser-Teillichtbündel 4 oder 4' so zu überlagern,
dass er dann bis zum Kreuzungsbereich 7 den gleichen optischen
Pfad durchläuft
wie zumindest dieses eine Teillichtbündel. Technisch einfacher und
für die
Positionierung des optoeletronischen Empfängers 13 hilfreich
ist es jedoch, wenn das Tastlaserlicht 11 bereits vor dem
Strahlteiler 3 zum Beispiel mittels eines teildurchlässigen Spiegels 16 in
den Strahlengang des Pumplaserlichts eingeblendet wird und mit diesem
im Strahlteiler in zwei Tastlaser-Teilstrahlenbündel 11' und 11'' aufgeteilt wird.
Wenn
jetzt zusätzlich
das Tastlaserlicht die gleiche Wellenlänge besitzt wie das Pumplaserlicht, so
ist das „phase-matching" grundsätzlich und
in idealer Weise erfüllt,
ohne dass zusätzliche
Justiermaßnahmen
erforderlich sind. Das Tastlaserlicht 11' und 11'' bildet
im jetzt mit dem Pumplaserlicht gemeinsamen Schnittvolumen 7 ebenso
ein Interferenzstreifensystem aus. Da in diesem Fall ist der halbe Schnittwinkel α/2 gleich
dem Braggwinkel β ist
und die Lichtwellenlängen λO = λT gleich
sein sollen, sind nach den Beziehungen (1) bis (4) die Bedingungen für das „phase-matching" erfüllt. Die
Interterenzstreifenabstände
beider Systeme sind dann zwar gleich, ihre Phasenlage zueinander
ist aber willkürlich.
Ausserdem unterscheiden sich beide Interferenzstreifensysteme durch
ihre Intensität
sowie durch ihre Existenzzeiten.
Der
zweite Tastlaserstrahl 11'' ist jedoch
für die
Funktion der Messung nicht erforderlich, wofür lediglich ein Tastlaserstrahl
sowie die Erfüllung
der Bragg-Bedingung
notwendig sind. Bei Mitverwendung des zweiten Tastlaserstrahls 11'' ergibt sich jedoch der Vorteil,
das Tastlaserstrahlenpaar 11' und 11'' als Ziel- und Justierhilfe für das visuelle
Beobachten und das Anvisieren des Messorts zu verwenden. Da dieses
Licht zumeist kontinuierlich emittiert wird, ist der Schnittbereich 7 der
Tastlaserstrahlen 11' und 11'' in einer Strömung leicht zu erkennen, wenn diese
geringfügige
optisch streuende Verunreinigungen enthält. Während der Messung muss der
zweite Tastlaserstrahl 11" jedoch
blockiert werden, da er sonst den optischen Empfänger direkt beaufschlagt.
Bei
der Anordnung 4 muss
der optoelektronische Empfänger 13 jetzt
nur in den gemeinsamen Strahlengang 12 eines der Pumplaser-
bzw. eines der Tastlaserlichtbündels
positioniert werden, um das gewünschte
Signal des Tastlaserlichts zu empfangen. Dabei entsteht die Schwierigkeit,
dass der Empfänger
auch vom Pumplaserlicht voll beaufschlagt wird, was zu verhindern
ist, um seine Überlastung
zu vermeiden. Dies kann zum Beispiel durch polarisationsoptische
Trennung von Pump- und Tastlaserlicht geschehen. Es kann aber auch
durch elektronisches Abschalten der Empfängersensitivität während der
Dauer des Pumplaserpulses geschehen, da die interessierende Modulation
des Tastlaserlichts zeitlich erst nach Abklingen des Pumplaserpulses
auftritt. Es kann auch vor den optoelektronischen Empfänger 13 ein
optischer Verschluss gesetzt werden, der für die Dauer des Pumplichtpulses den
Empfänger
schützt.
Dies kann zum Beispiel eine elektronisch schnell geschaltete Pockelszelle
sein.
Weiterhin
können
die Wellenlängen
von Pumplaserlicht 2 und Tastlaserlicht 11 um
den Faktor 2 (oder noch größere ganze
Vielfache) unterschiedlich gewählt
werden, denn in einem solchen Fall wird die Bragg-Bedingung für beide
Wellenlängen
gleichermaßen
erfüllt.
Dies ist interessant, wenn z.B. Pulslaserlicht in seiner Grundfrequenz
zum Pumpen benutzt wird, ein Anteil frequenzverdoppeltes Licht davon
jedoch als Tastlaserlicht. Neben günstigerer Leistungsdimensionierung
des Laserlichts kann dabei durch selektive Spiegel auch in einfacher
Weise die Trennung von Pulslaserlicht und Signallicht erfolgen.
Hinsichtlich
der Pumplicht- und Tastlichtlaser ergeben sich konstruktive Möglichkeiten
zum Beispiel für
eine Integration beider Laserlichtquellen. Eine Lösung besteht
darin, dass, nachdem der Pumplichtpuls seine Hauptenergie zur Erzeugung des
Brechungsindexgitters (z.B. innerhalb ca. 5 ns) abgegeben hat, die
Emission seiner Restenergie über
einen Zeitraum der Größenordnung
einer Mikrosekunde ausgedehnt wird. Dadurch steht diese Restenergie
dann als Tastlaserlicht zur Verfügung,
denn das entstehende Messsignal besitzt die Größenordnung dieser Zeitspanne.
Eine geeignete zeitliche Verteilung der Pulslichtabgabe wäre durch
eine entsprechende Steuerung der Q-switch-Zelle innerhalb des Pumplaser-Resonators denkbar.
Eine
andere Möglichkeit
besteht in der Integration eines Pulslicht- und eines Dauerstrich-Laserresonators,
indem beide identisch werden. Im Pulslichtresonator wird das Pulslicht
durch eine Blitzlichtlampe gepumpt, gleichzeitig pumpt eine kontinuierlich
brennende Lampe die Energie für
die kontinuierliche Lichtemission des Tastlichts. Nach Abklingen
eines Laserpulses kann die kontinuierliche Emission solange existieren,
bis die Q-Switch-Einheit den Resonator wieder blockert. Da die Pulsfrequenz
von Pulslasern bei den hier diskutierten Pulsenergien von einigen
hundert mJ höchstens
im niedrigen Kilohertz-Bereich liegt, steht für die kontinuierliche Tastlichtemission
und für
das Schalten der Q-switch-Zelle ausreichend Zeit zur Verfügung.
Durch
die Erfindung ergeben sich folgende Vorteile gegenüber dem
Stand der technik:
- • Ein gegenüber dem Pumplaserlichtbündel-System
separater Strahlengang des Tastlaserlichts entfällt und muss deshalb nicht
extra justiert werden.
- • Die „phase-matching" – Bedingung unter Berücksichtigung
des Bragg'schen
Gesetzes ist automatisch erfüllt,
wenn Pump- und Tastlaserlicht die gleiche Wellenlänge besitzen.
Sie muss also nicht durch zusätzliches
Justieren erfüllt
werden.
- • Die
Positionierung des optoelektronischen Empfängers erfolgt einfach in einer
der Achsen der Pumplaser-Teillichtbündel, die kontinuierlich durch
eines der Tastlichtbündel
markiert ist.
- • Das
Entfallen eines separaten Tastlicht-Laserstrahls vereinfacht die
Messung durch Fenster hindurch da erforderliche Maßnahmen
einer Nachjustierung der durch Fensterbrechung relativ zueinander
versetzten Strahlengänge
entfallen. Die Fenster können
zudem kleiner ausgeführt werden.
- • Durch
Kombination der Erzeugung von Pump- und von Tastlaserlicht in einem
Laserresonator wird das Messsystem auf den Einsatz nur einer Laserlichtquelle
reduziert.
- • Bei
nach Art eines Doppler-Zweistrahlsystems angeordnetem Tastllicht
(zweistrahlige Anordnung) kann dieses für eine unmittelbar auf das
abgeklungene Temperatursignal folgende Laser-Doppler-Geschwindigkeitsmessung
genutzt werden. Für
eine solche Messung steht ein Zeitraum der Größenordnung 10 bis 100 Mikrosekunden
zur Verfügung,
der lang ist gegenüber
der Dauer des Temperatursignals von bis zu ca. 500 ns. Dadurch sind
in strömungsmechanisch
interessanten Zeitskalen Temperatur-Geschwindigkeits-Korrelationen
messbar, die einen für
die Verbrennungsforschung wichtigen Zusammenhang darstellen.
Literatur
- Eichler, H.J., Günter,
P., Pohl, D.W., 1986: Laser-Induced Dynamic Gratings. Springer-Verlag,
Berlin, 1986.
- Stampanoni-Panariello, A., Hemmerling, B., Hubschmid, W., 1995:
Electrostrictive Generation of Nonresonant Gratings in the Gas Phase
by Multimode Lasers. Physical Review A: General Physics, Vol. 51, No.
1, 1995, pp. 655–662.
- Brown, M.S., Roberts, W.L., 1999: Single-Point Thermometry in
High.Pressure, Sooting, Premixed Combustion Environments. Journal
of Propulsion an Power, Vol. 15, No. 1, 1999, pp. 119–127.