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Lexikon der Optik: Laseranemometer

Laseranemometer, Laservelocimeter, Gerät zum berührungslosen Messen entweder der Geschwindigkeit von bewegten festen Körpern oder der Strömungsgeschwindigkeit von Flüssigkeiten und Gasen unter Ausnutzung des Doppler-Effektes. Beobachtet wird die Reflexion bzw. Streuung des Lichtes an makroskopischen Körpern (z.B. Flugzeuge, glühendes Walzgut) oder die Streuung an kleinen Teilchen, die in Flüssigkeiten oder Gasen mitgeführt werden. Strahlt man mit monochromatischem Licht ein, so erscheint dessen Frequenz, vom Ruhsystem des streuenden Teilchens (Körpers) aus betrachtet, auf Grund des Doppler-Effektes verschoben. Bei dieser geänderten Frequenz sendet das Teilchen dann auch das Streulicht aus. Dessen Frequenz erfährt für den Beobachter noch eine weitere Doppler-Verschiebung. Insgesamt ergibt sich so eine Frequenzverschiebung der Größe Δν=(ks-ke)v/(2π), wobei ks und ke den Wellenzahlvektor des gestreuten bzw. des einfallenden Lichtes und v den Geschwindigkeitsvektor des Streuzentrums bezeichnen.

Der Nachweis der Frequenzverschiebung erfolgt durch optischen Überlagerungsempfang. Folgende drei Varianten sind gebräuchlich: a) Das Streulicht wird mit (frequenzmäßig nicht verändertem) Licht von dem zur Einstrahlung verwendeten Laser gemischt (Heterodyn-Verfahren mit einem lokalen Oszillator). b) Man schickt zwei Strahlen aus dem gleichen Laser unter unterschiedlichen Richtungen in das Beobachtungsvolumen. Das Streulicht ist dann schon selbst eine Mischung aus zwei frequenzmäßig verschiedenen Anteilen, die von den beiden Laserstrahlen herrühren (differentielles Heterodyn-Verfahren). c) Man mischt von nur einem Laserstrahl erzeugtes Streulicht, das in zwei verschiedenen Richtungen ausgesandt wurde (symmetrisches Heterodyn-Verfahren).

Darüber hinaus wird auch die Photonenzähltechnik (Photonenstatistik) zum Nachweis eingesetzt. Das Verfahren b) wird auch häufig mehr anschaulich in folgender Weise interpretiert: Die beiden Laserstrahlen interferieren miteinander, und es bildet sich ein Interferenzmuster in Form von abwechselnd hellen und dunklen Ebenen aus. Durchquert ein streuendes Teilchen dieses Interferenzfeld, so sendet es Wechsellicht aus. Die entsprechende, photoelektrisch zu messende Modulationsfrequenz ist gegeben durch

, wobei ke und k'e die Wellenzahlvektoren der beiden einfallenden Wellen bezeichnen.

Als Lichtquellen werden Gaslaser, meist Helium-Neon- und Kohlendioxidlaser, verwendet.

Anwendung hat das L. vor allem in der Meteorologie (z.B. Messung von Windgeschwindigkeiten durch Rückstreuung an natürlich vorkommenden Aerosolen) sowie zur Messung von Strömungsgeschwindigkeiten (z.B. in Flammen, im Ausstoß von Explosionsmotoren oder Raketentriebwerken) gefunden. Von besonderem medizinischen Interesse ist die Möglichkeit, mit seiner Hilfe die Blutgeschwindigkeit in den Blutgefäßen der Retina des menschlichen Auges zu messen.

Wesentliche Vorteile der Laseranemometrie sind der große Meßbereich (Geschwindigkeiten von 10-4 bis 1000 m/s wurden gemessen) und die hohe räumliche Auflösung, die durch Fokussierung des Laserlichtes erreicht wird.

Neben Geschwindigkeitsmessungen können Turbulenzmessungen in Strömungen ausgeführt werden. In diesem Falle erfährt das Licht infolge des Auftretens verschiedener Geschwindigkeiten eine meßbare spektrale Verbreiterung.

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