Lasermesstechnik: Diagnostik der Kurzzeitphysik ; 12 Tabellen
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| Format: | Book |
| Language: | German |
| Published: |
Berlin [u.a.]
Springer
2007
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| Subjects: | |
| Online Access: | Inhaltstext Inhaltsverzeichnis |
| Physical Description: | XV, 411 S. Ill., graph. Darst. 235 mm x 155 mm |
| ISBN: | 3540299203 9783540299202 |
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|---|---|
| adam_text | Inhalt s Verzeichnis
1 Theoretische Grundlagen der Laserdiagnostik.............. 1
1.1 Strahlungseigenschaften, Definitionen...................... 1
1.1.1 Vergleichende Bewertung von Lasern
und thermischen Strahlungsquellen.................. 1
1.1.2 Strahldichte bzw. spektrale Strahldichte.............. 3
1.1.3 Strahlungsgesetze ................................. 4
1.2 Kohärenzeigenschaften von Laser licht quellen................ 7
1.3 Mathematische Formulierung der Kohärenzfunktion.......... 13
1.4 Spektrale Emission von Lasern............................ 17
1.4.1
1.4.2 Transversale Moden ............................... 20
1.5 Bestimmung der Modenstruktur........................... 24
1.5.1 Messung des longitudinalen Modenspektrums......... 24
1.5.2 Messung der transversalen Modenverteilungen ........ 26
1.6 Modenstrnktur-Beeinflnssung, Modenselektion .............. 26
1.7 Experimentelle Kohärenzlängenbestinmmng................. 29
1.8 Einfluss der Frequenzdrift auf die Kolmrenzlänge............ 31
2 Laser für messtechnische Aufgaben........................ 35
2.1 Dielektrische Festkörperlaser.............................. 36
2.1.1 Grundlagen für den Betrieb von Festkörperlasern...... 37
2.1.2 Abgrenzung nach Betriebsbedingungen............... 45
2.1.3 Bewertung neuerer Architekturen bzw. Materialien .... 54
2.2 Halbleiterlaser .......................................... 59
2.3 Farbstofnaser........................................... 60
2.4 Gaslaser................................................ 64
2.5 Metalldampf-Laser....................................... 72
3 Messtechnisch nutzbare Information....................... 75
3.1 Ausbreitimg in homogenen isotropen Medien................ 75
3.1.1 Paraxiale Strahlenbündel........................... 75
3.1.2 Gaußsche Strahlenbündel........................... 76
XII Inhaltsverzeichnis
3.2 Ausbreitung in inhomogenen Medien....................... 82
3.3 Ausbreitung in anisotropen Medien........................ 87
3.4 Weitere messtechnische Möglichkeiten...................... 88
4 Strahldiagnostik, Registrierverfahren...................... 91
4.1 Fotoelektrische Detektoren................................ 91
4.1.1 Abgrenzung der zu erfassenden Spektralbereiche....... 91
4.1.2 Definition der Strahhmgs-Messgrößen................ 93
4.1.3 Definition gebräuchlicher Detektorparameter.......... 94
4.1.4 Thermische Detektoren - Quantendetektoren ......... 95
4.1.5 Messung von Energien............................. 96
4.1.6 Messung von Leistungen ........................... 97
4.1.7 Praktische Ausführungen von Detektoren.............100
4.1.8 Begrenzende Einflüsse..............................102
4.2 Fotografische Registriermedien............................104
4.2.1 Ansprech-Empfindlichkeit ..........................105
4.2.2 Spektrale Empfindlichkeit..........................105
4.2.3 Räumliches Auflösungsvermögen ....................106
4.2.4 Spezielle Emulsionen
für holographische Anwendungen....................107
5 Entfernungs-, Geschwindigkeits-Messverfahren.............109
5.1 Laser-Entfernungsmessung................................109
5.1.1 Grundlegende Betrachtungen.......................110
5.1.2 Einfluss der Atmosphäre auf die Ausbreitung .........112
5.1.3 Pulsmessverfahren.................................117
5.1.4 Strahlmodulationsverfahren.........................119
5.1.5 Messgenauigkeit...................................121
5.1.6 Empfindlichkeit, Störeinflüsse.......................122
5.1.7 Heterodyn-Empfang...............................124
5.1.8 Ausgewählte Schaltungsbeispiele ....................126
5.1.9 Tomoskopie.......................................129
5.2 Laser-Geschwindigkeits-Messverfahren......................131
5.2.1 Prinzip der Dopplerverschiebung....................131
5.2.2 Strömungsmessung, Dopplerverschiebung.............133
5.2.3 Strömungsmessung mit Zweifokus-Verfahren..........135
5.2.4 Strömungsmessungen mit Laseranemometrie..........136
5.2.5 Abbildende, zeitaufgelöste Teilchenspur -
Anemometrie.....................................139
6 Kurzzeitfotografische Laser-Diagnostik.....................143
6.1 Informationstheoretische Überlegungen.....................143
6.2 Granulationseigenschaften des Laserlichtes..................147
6.2.1 Phänomenologische Beschreibung....................147
6.2.2 Zusammenhang zwischen Fraunhofer Beugung und
Fourier
Inhaltsverzeichnis XIII
6.2.3 Eigenschaften der „speckies , Abschätzung der
statistischen mittleren Korngrößen...................152
6.3 Laserfotografische Verfahren..............................157
6.3.1 Messverfahren zur Aufzeichnung von Phasenobjekten . . 158
6.3.2 Laser-Schatten- bzw. -Schlierenaufnahmebeispiele......164
6.4 Laser-Kinematographie...................................169
6.5 Trägerfrequenzfotografie..................................179
6.5.1 Modulierte Granulation als Träger...................183
6.5.2 Anwendungen der Trägerfrequenzfotografie, Analyse
von Verformungsvorgängen.........................185
7 Laser-Interferometrie......................................189
7.1 Grundlegende Betrachtungen .............................189
7.1.1 Zweistrahl-Interferometrie..........................191
7.1.2 Mehrstrahl-Interferometrie..........................192
7.1.3 Mehrstrahl-Interferometer zur
7.2 Zweistrahl-Interferometer.................................196
7.2.1 Michelson- und Mach-Zehnder-Interferometer.........197
7.2.2
7.3 Laser-Interferometrie in der Plasmaphysik..................205
7.3.1 Quantitative Auswerteverfahren.....................207
7.4 Zwei- und Mehrwellenlängen-Interferometrie................211
7.4.1 Interferometrische Mehrwellenlängen-
Kinematographie .................................217
7.5 Laser-Gyroskope ........................................221
8 Moire-Verfahren...........................................225
8.1 Grundprinzip der
8.2 Presnel- bzw. Fraunhofer Beugung.........................227
8.2.1 Fresnelsche Näherung..............................228
8.2.2 Fraunhofer Näherung..............................229
8.2.3 Vergleichende Bewertung von
8.2.4 Talbot Effekt,.....................................230
8.2.5 Optische Filterung. Kontrastverbesserung............231
8.3 Anwendungsbereiche der
8.4 Bewertung der
9 Holographie...............................................237
9.1 Geschichtliche Entwicklung. Grundlagen....................237
9.1.1 Qualitative Beschreibung holographischer Verfahren .. . 238
9.1.2 Anforderungen an die Ortsfrequenzspektren der
Registriermedien..................................242
9.1.3 Speichermedien zur Aufzeichnung holographischer
Information.......................................243
9.1.4 Aufnahme und Wiedergabe von Hologrammen........245
9.1.5 Abgrenzung cw- bzw. Impuls-Holographie............247
XIV Inhaltsverzeichnis
9.1.6 Mathematische Beschreibung .......................250
9.1.7 Beschreibung mit Kugelwellen ......................254
9.1.8 Räumliche Zuordnung holographischer Bilder.........255
9.1.9 Orthoskopie-Pseudoskopie..........................259
9.2 Anwendungen der holographischen Messtechnik .............260
9.2.1 Auswertemöglichkeiten von Hologrammen .
9.2.2 Räumlicher Aspekt, diffuse Ausleuchtung.............266
9.2.3 Holographische
9.2.4 Zweiwellenlängen-Interferoholographie ...............279
9.2.5 Klassifizierung nach Aufnahmeanordnungen...........282
9.2.6 Fourier-Holographie ...............................283
9.2.7 Fresnel-Transformation, numerische Rekonstruktion. .. . 288
9.2.8 Holographische Erfassung von Konturen..............291
9.2.9 Transmission- bzw.
9.2.10 Weißlichtholographie-Lippmann Hologramme.........294
9.2.11 Holographische Darstellung
9.2.12 Regenbogen-Hologramme...........................298
9.2.13 Holographische Stereogramme.......................301
9.2.14 Farbholographie...................................303
9.2.15
9.2.16 Abschließende Anmerkung zur Holographie...........304
10
10.1 LIDAR, grundlegende Betrachtung ........................305
10.2 Absorptionsverfahren....................................307
10.2.1 Messungen mit Hilfe der Resonanzabsorption.........309
10.2.2 Fotoakustische Detektionsverfahren..................310
10.3 Streuprozesse in der Laserdiagnostik.......................311
10.3.1 Grundlegende Betrachtungen .......................312
10.3.2 Streulichtspektren aufgrund unterschiedlicher Prozesse . 313
10.4 Verfahren, basierend auf spontaner Streuung................316
10.4.1 Mie-Streuverfahren................................317
10.4.2 Rayleigh-Streuverfahren............................317
10.4.3 Raman-Streuverfahren.............................318
10.5 Spezifische spektroskopische Verfahren.....................320
10.5.1 Laserinduzierte Incandescenz (Glühtechnik)...........320
10.5.2 Laserinduzierte Fluoreszenz.........................320
10.6 Übergang zu stimulierter Streuung.........................322
10.7 Grundlagen der ..Nichtlinearen Optik .....................323
10.7.1 Beispiel: Drei-Wellen Wechselwirkung................325
10.7.2 Beispiel: Wechselwirkung Strahlungsfeld-Elektron......329
10.8 Optisch nichtlineare Streulichtmessverfahren................331
10.8.1 Gasdichtemessung durch
Inhaltsverzeichnis
11 Ultrakurzpuls-Messtechnik ................................339
11.1 Theoretische Grundlagen.................................340
11.2 Mathematische Formulierung .............................341
11.3 Experimentelle Realisierungsmöglichkeiten..................347
11.3.1 Passiv gekoppelte Pulslaser.........................349
11.3.2 Technik kollidierender Pulse
mit sättigbaren Absorbern..........................350
11.3.3 Neuere modengekoppelter Festkörperlaser............351
11.3.4 Verfahren zur Pulsverkürzung
und Leistungssteigerung............................354
11.4 Messung ultrakurzer Laserimpulse.........................358
11.4.1 Einsatz der Zweiphotonen-Fhioreszenz...............358
11.4.2 Einsatz von Streak-Kameras........................359
11.4.3 Lineare und nichtlineare Korrelationsverfahren........360
11.4.4 Einsatz von ps-Kerrverschlüssen.....................364
11.4.5 Frequenz-aufgelöstes optisches Takten,
11.5
11.6 Ultrakurzzeit-Fotografie..................................370
11.6.1 Stroboskopische Aufnahmeverfahren.................370
11.6.2 Kurzzeitfotografie mit ps- bzw. sub-ps-Einzelpulsen .... 372
11.7 Attosekunden-Pulstechnik................................376
11.7.1 Femtosekundenlaser erzeugte Attosekunden Pulse .....377
11.8 Abschließende Anmerkungen..............................381
Sachverzeichnis................................................405
|
| adam_txt |
Inhalt s Verzeichnis
1 Theoretische Grundlagen der Laserdiagnostik. 1
1.1 Strahlungseigenschaften, Definitionen. 1
1.1.1 Vergleichende Bewertung von Lasern
und thermischen Strahlungsquellen. 1
1.1.2 Strahldichte bzw. spektrale Strahldichte. 3
1.1.3 Strahlungsgesetze . 4
1.2 Kohärenzeigenschaften von Laser licht quellen. 7
1.3 Mathematische Formulierung der Kohärenzfunktion. 13
1.4 Spektrale Emission von Lasern. 17
1.4.1
1.4.2 Transversale Moden . 20
1.5 Bestimmung der Modenstruktur. 24
1.5.1 Messung des longitudinalen Modenspektrums. 24
1.5.2 Messung der transversalen Modenverteilungen . 26
1.6 Modenstrnktur-Beeinflnssung, Modenselektion . 26
1.7 Experimentelle Kohärenzlängenbestinmmng. 29
1.8 Einfluss der Frequenzdrift auf die Kolmrenzlänge. 31
2 Laser für messtechnische Aufgaben. 35
2.1 Dielektrische Festkörperlaser. 36
2.1.1 Grundlagen für den Betrieb von Festkörperlasern. 37
2.1.2 Abgrenzung nach Betriebsbedingungen. 45
2.1.3 Bewertung neuerer Architekturen bzw. Materialien . 54
2.2 Halbleiterlaser . 59
2.3 Farbstofnaser. 60
2.4 Gaslaser. 64
2.5 Metalldampf-Laser. 72
3 Messtechnisch nutzbare Information. 75
3.1 Ausbreitimg in homogenen isotropen Medien. 75
3.1.1 Paraxiale Strahlenbündel. 75
3.1.2 Gaußsche Strahlenbündel. 76
XII Inhaltsverzeichnis
3.2 Ausbreitung in inhomogenen Medien. 82
3.3 Ausbreitung in anisotropen Medien. 87
3.4 Weitere messtechnische Möglichkeiten. 88
4 Strahldiagnostik, Registrierverfahren. 91
4.1 Fotoelektrische Detektoren. 91
4.1.1 Abgrenzung der zu erfassenden Spektralbereiche. 91
4.1.2 Definition der Strahhmgs-Messgrößen. 93
4.1.3 Definition gebräuchlicher Detektorparameter. 94
4.1.4 Thermische Detektoren - Quantendetektoren . 95
4.1.5 Messung von Energien. 96
4.1.6 Messung von Leistungen . 97
4.1.7 Praktische Ausführungen von Detektoren.100
4.1.8 Begrenzende Einflüsse.102
4.2 Fotografische Registriermedien.104
4.2.1 Ansprech-Empfindlichkeit .105
4.2.2 Spektrale Empfindlichkeit.105
4.2.3 Räumliches Auflösungsvermögen .106
4.2.4 Spezielle Emulsionen
für holographische Anwendungen.107
5 Entfernungs-, Geschwindigkeits-Messverfahren.109
5.1 Laser-Entfernungsmessung.109
5.1.1 Grundlegende Betrachtungen.110
5.1.2 Einfluss der Atmosphäre auf die Ausbreitung .112
5.1.3 Pulsmessverfahren.117
5.1.4 Strahlmodulationsverfahren.119
5.1.5 Messgenauigkeit.121
5.1.6 Empfindlichkeit, Störeinflüsse.122
5.1.7 Heterodyn-Empfang.124
5.1.8 Ausgewählte Schaltungsbeispiele .126
5.1.9 Tomoskopie.129
5.2 Laser-Geschwindigkeits-Messverfahren.131
5.2.1 Prinzip der Dopplerverschiebung.131
5.2.2 Strömungsmessung, Dopplerverschiebung.133
5.2.3 Strömungsmessung mit Zweifokus-Verfahren.135
5.2.4 Strömungsmessungen mit Laseranemometrie.136
5.2.5 Abbildende, zeitaufgelöste Teilchenspur -
Anemometrie.139
6 Kurzzeitfotografische Laser-Diagnostik.143
6.1 Informationstheoretische Überlegungen.143
6.2 Granulationseigenschaften des Laserlichtes.147
6.2.1 Phänomenologische Beschreibung.147
6.2.2 Zusammenhang zwischen Fraunhofer Beugung und
Fourier
Inhaltsverzeichnis XIII
6.2.3 Eigenschaften der „speckies", Abschätzung der
statistischen mittleren Korngrößen.152
6.3 Laserfotografische Verfahren.157
6.3.1 Messverfahren zur Aufzeichnung von Phasenobjekten . . 158
6.3.2 Laser-Schatten- bzw. -Schlierenaufnahmebeispiele.164
6.4 Laser-Kinematographie.169
6.5 Trägerfrequenzfotografie.179
6.5.1 Modulierte Granulation als Träger.183
6.5.2 Anwendungen der Trägerfrequenzfotografie, Analyse
von Verformungsvorgängen.185
7 Laser-Interferometrie.189
7.1 Grundlegende Betrachtungen .189
7.1.1 Zweistrahl-Interferometrie.191
7.1.2 Mehrstrahl-Interferometrie.192
7.1.3 Mehrstrahl-Interferometer zur
7.2 Zweistrahl-Interferometer.196
7.2.1 Michelson- und Mach-Zehnder-Interferometer.197
7.2.2
7.3 Laser-Interferometrie in der Plasmaphysik.205
7.3.1 Quantitative Auswerteverfahren.207
7.4 Zwei- und Mehrwellenlängen-Interferometrie.211
7.4.1 Interferometrische Mehrwellenlängen-
Kinematographie .217
7.5 Laser-Gyroskope .221
8 Moire-Verfahren.225
8.1 Grundprinzip der
8.2 Presnel- bzw. Fraunhofer Beugung.227
8.2.1 Fresnelsche Näherung.228
8.2.2 Fraunhofer Näherung.229
8.2.3 Vergleichende Bewertung von
8.2.4 Talbot Effekt,.230
8.2.5 Optische Filterung. Kontrastverbesserung.231
8.3 Anwendungsbereiche der
8.4 Bewertung der
9 Holographie.237
9.1 Geschichtliche Entwicklung. Grundlagen.237
9.1.1 Qualitative Beschreibung holographischer Verfahren . . 238
9.1.2 Anforderungen an die Ortsfrequenzspektren der
Registriermedien.242
9.1.3 Speichermedien zur Aufzeichnung holographischer
Information.243
9.1.4 Aufnahme und Wiedergabe von Hologrammen.245
9.1.5 Abgrenzung cw- bzw. Impuls-Holographie.247
XIV Inhaltsverzeichnis
9.1.6 Mathematische Beschreibung .250
9.1.7 Beschreibung mit Kugelwellen .254
9.1.8 Räumliche Zuordnung holographischer Bilder.255
9.1.9 Orthoskopie-Pseudoskopie.259
9.2 Anwendungen der holographischen Messtechnik .260
9.2.1 Auswertemöglichkeiten von Hologrammen .
9.2.2 Räumlicher Aspekt, diffuse Ausleuchtung.266
9.2.3 Holographische
9.2.4 Zweiwellenlängen-Interferoholographie .279
9.2.5 Klassifizierung nach Aufnahmeanordnungen.282
9.2.6 Fourier-Holographie .283
9.2.7 Fresnel-Transformation, numerische Rekonstruktion. . . 288
9.2.8 Holographische Erfassung von Konturen.291
9.2.9 Transmission- bzw.
9.2.10 Weißlichtholographie-Lippmann Hologramme.294
9.2.11 Holographische Darstellung
9.2.12 Regenbogen-Hologramme.298
9.2.13 Holographische Stereogramme.301
9.2.14 Farbholographie.303
9.2.15
9.2.16 Abschließende Anmerkung zur Holographie.304
10
10.1 LIDAR, grundlegende Betrachtung .305
10.2 Absorptionsverfahren.307
10.2.1 Messungen mit Hilfe der Resonanzabsorption.309
10.2.2 Fotoakustische Detektionsverfahren.310
10.3 Streuprozesse in der Laserdiagnostik.311
10.3.1 Grundlegende Betrachtungen .312
10.3.2 Streulichtspektren aufgrund unterschiedlicher Prozesse . 313
10.4 Verfahren, basierend auf spontaner Streuung.316
10.4.1 Mie-Streuverfahren.317
10.4.2 Rayleigh-Streuverfahren.317
10.4.3 Raman-Streuverfahren.318
10.5 Spezifische spektroskopische Verfahren.320
10.5.1 Laserinduzierte Incandescenz (Glühtechnik).320
10.5.2 Laserinduzierte Fluoreszenz.320
10.6 Übergang zu stimulierter Streuung.322
10.7 Grundlagen der .Nichtlinearen Optik" .323
10.7.1 Beispiel: Drei-Wellen Wechselwirkung.325
10.7.2 Beispiel: Wechselwirkung Strahlungsfeld-Elektron.329
10.8 Optisch nichtlineare Streulichtmessverfahren.331
10.8.1 Gasdichtemessung durch
Inhaltsverzeichnis
11 Ultrakurzpuls-Messtechnik .339
11.1 Theoretische Grundlagen.340
11.2 Mathematische Formulierung .341
11.3 Experimentelle Realisierungsmöglichkeiten.347
11.3.1 Passiv gekoppelte Pulslaser.349
11.3.2 Technik kollidierender Pulse
mit sättigbaren Absorbern.350
11.3.3 Neuere modengekoppelter Festkörperlaser.351
11.3.4 Verfahren zur Pulsverkürzung
und Leistungssteigerung.354
11.4 Messung ultrakurzer Laserimpulse.358
11.4.1 Einsatz der Zweiphotonen-Fhioreszenz.358
11.4.2 Einsatz von Streak-Kameras.359
11.4.3 Lineare und nichtlineare Korrelationsverfahren.360
11.4.4 Einsatz von ps-Kerrverschlüssen.364
11.4.5 Frequenz-aufgelöstes optisches Takten,
11.5
11.6 Ultrakurzzeit-Fotografie.370
11.6.1 Stroboskopische Aufnahmeverfahren.370
11.6.2 Kurzzeitfotografie mit ps- bzw. sub-ps-Einzelpulsen . 372
11.7 Attosekunden-Pulstechnik.376
11.7.1 Femtosekundenlaser erzeugte Attosekunden Pulse .377
11.8 Abschließende Anmerkungen.381
Sachverzeichnis.405 |
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