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Time Integrated Detection and Applications of Femtosecond Laser Pulses Scattered by Small Particles

Bakic, Sasa :
Time Integrated Detection and Applications of Femtosecond Laser Pulses Scattered by Small Particles.
Strömungslehre und Aerodynamik, Maschinenbau, TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Time Integrated Detection and Applications of Femtosecond Laser Pulses Scattered by Small Particles
Language: English
Abstract:

In this thesis the time integrated detection of scattered femtosecond laser pulses, and illumination from a continuous wave semiconductor laser source with optical feedback and adaptable coherence length, is investigated for small particles. In this context the scattering function for small particles is numerically advanced. The angular distribution of local maxima of the scattering function is presented for small particles under ultrashort pulse illumination. The position of local maxima relating to scattering angle, particle size and refractive index is calculated with Fourier-Lorenz-Mie theory. Moreover, an estimate of the sensitivity of the scattering function to non-sphericity is presented, utilizing general Lorenz-Mie theory. For ultrashort pulse illumination the maxima of the supernumerary bows of the primary rainbow, which hold information on particle size and refractive index, are freed from disturbing interferences with reflection order and higher refractive order contributions. The presented results indicate the feasibility of precise in-situ measurements with Rainbow refractometry for highly spherical small particles with compact and cost-efficient sources of illumination and quantify the pulse duration or coherence length for the desired lower size range, which is essential information for future experimental studies. Moreover, a substantial reduction of morphology dependent resonances for microscopic water droplets is successfully demonstrated. For the first time, an electrodynamic Paul trap with novel geometry is applied to successfully observe the scattering of femtosecond laser pulses on small water droplets not only during a short period of milliseconds as in a droplet stream, but also over the temporal evolution of an evaporating droplet. Beyond Rainbow refractometry, the acquired results indicate the feasibility of new measurement techniques and the significant enhancement of existing methods. Under the aspect of the separation of scattering orders, interferometric particle imaging (IPI) is enhanceable by fitting the coherence length to the angle of detection. Illumination of small particles with femtosecond laser pulses is shown to facilitate direct size measurement from focused images of a thin spray by measurement of the intensity ratio of specific glare points on individual particles. Moreover, the smoothing of the diameter-intensity function for small particles allows for more precise determination of the Sauter mean diameter in the named size range. Due to the introduction of coherence length as a variable parameter for small particle characterization, the advantages of time integrated detection of femtosecond laser pulses scattered by small particles are underscored by the outlook of utilizing spatially compact and cost-efficient semiconductor laser devices with the important benefit of adjustable coherence length.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In dieser Doktorarbeit wird die Zeitintegrierte Detektion von gestreuten Femtosekunden-Laserpulsen an kleinen Partikeln untersucht. Als alternative Beleuchtungsquelle dient die Emission einer Halbleiter-Laserquelle im Dauerstrichbetrieb mit optischer Rückkopplung und anpassbarer Kohärenzlänge. In diesem Zusammenhang konnte die Streufunktion für kleine Partikel numerisch erweitert und die angulare Verteilung der lokalen Maxima der Streufunktion für Beleuchtung durch fs-Laserpulse dargestellt werden. Dabei wird die Position dieser lokalen Maxima in Abhängigkeit von Streuwinkel, Partikeldurchmesser und Brechungsindex durch die Fourier-Lorenz-Mie Theorie ermittelt. Darüber hinaus wird die General-Lorenz-Mie Theorie genutzt um eine Abschätzung der Empfindlichkeit der Streufunktion für Nicht-Sphärizität von Partikeln vorzustellen. Bei Beleuchtung durch fs-Laserpulse werden die Maxima der Streulichtkeulen des primären Regenbogens, die Informationen über Partikelgröße und Brechungsindex enthalten, von störenden Interferenzen befreit, die durch die Überlappung der Reflexion an der Oberfläche des Teilchens und höheren Streuordnungen entstehen. Die vorgestellten Ergebnisse weisen auf die Machbarkeit von präzisen in-situ Messungen mit der Regenbogenmesstechnik mit kompakten und kosteneffizienten Beleuchtungsquellen hin, und quantifizieren die Pulslänge bzw. Kohärenzlänge für die Untersuchung kleiner Partikel. Diese Ergebnisse sind essenziell für zukünftige experimentelle Studien. Ferner wird eine beträchtliche Reduzierung von Struktur- resonanzen für mikroskopische Wassertropfen erreicht. Zum ersten Mal wird eine elektrodynamische Paulfalle (mit neuentwickeltem optischen Zugang) genutzt, um das Streulicht von fs-Laserpulsen während des Verlaufes der Verdunstung eines kleinen Wassertropfens zu messen. Jenseits der Regenbogenmesstechnik weisen die erzielten Ergebnisse auf die Realisierbarkeit neuer, und die Weiterentwicklung bestehender Partikelmesstechniken hin. Unter dem Aspekt der Separierung der Streuordnungen kann Interferometric Particle Imaging (IPI) durch Anpassung der Kohärenzlänge an den Detektionswinkel erweitert werden. Die Beleuchtung kleiner Partikel durch fs-Laserpulse ermöglicht deren direkte Größenmessung durch Auswertung fokussierter Abbildungen eines dünnen Sprays und der Verhältnisbildung der Intensitäten bestimmter Glanzpunkte auf einzelnen Partikeln. Außerdem führt die Reduzierung von störenden Interferenzerscheinungen in der Darstellung der Beziehung von Durchmesser und Streuintensität zu der Möglichkeit einer präziseren Messung des Sauterdurchmessers kleiner Partikel. Die Kohärenzlänge wird also als zusätzlicher Freiheitsgrad in der Partikelmesstechnik eingeführt. Der Nutzen der Zeitintegrierten Detektion von gestreuten fs-Laserpulsen wird demnach durch den Einsatz einer kompakten und kosteneffizienten Halbleiter-Laserquelle mit dem Vorteil der Einstellbarkeit der Kohärenzlänge erweitert.German
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Maschinenbau > Strömungslehre und Aerodynamik
Date Deposited: 08 Apr 2010 12:43
Last Modified: 07 Dec 2012 11:57
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-21156
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Tropea, Prof. Dr.- Cameron and Damaschke, Prof. Dr.- Nils and Elsässer, Prof. Dr. Wolfgang
Refereed: 4 September 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2115
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