In den sechziger Jahren wurde bei Laser-Experimenten mit im Strahlengang positionierten Flüssigkeiten ein zeitabhängiges "Aufblühen" (blooming) des Strahlprofils hinter der Probe beobachtet. Gordon et al (1965) haben das Phänomen damit erklärt, dass im Medium ein Teil der Laserleistung absorbiert wird, wodurch sich ein zeitabhängiges Temperaturfeld aufbaut. Die daraus resultierende Inhomogenität im Brechungsindex hat die Eigenschaft einer optischen Linse, die den Strahl verändert. Für den Effekt hat sich der Begriff "thermische Linse" (TL) etabliert. Neben seiner Eigenschaft als Fehlerquelle bei Laserexperimenten ist der TL-Effekt seit den siebziger Jahren zu einer empfindlichen Methode der Absorptionsspektroskopie bzw. zur Messung thermooptischer Eigenschaften der Proben entwickelt worden.
Das von Gordon et al (1965) und Hu/Whinnery (1973) entwickelte parabolische Modell ergibt eine vom Absorptionskoeffizienten und der Wärmeleitfähigkeit abhängige Brennweite, deren Entstehungszeit vom Temperaturleitwert abhängt. Auf Varianten dieses Modells stützen sich die Veröffentlichungen bis in die jüngste Zeit obwohl bekannt ist, dass die thermische Linse bei hohen absorbierten Leistungen starke Aberration aufweist.
Ziel dieser Arbeit ist es, den Modellen eine neue Lösung gegenüberzustellen, die ihnen insbesondere bei starken TL überlegen ist.
Ferner sollen dieses und die vorhandenen Modelle mit der numerischen Quadratur des vollständigen Beugungsintegrals der TL verglichen werden, welche eine Simulation des Experiments ist, bei der alle benutzten Parameter exakt gelten und keine Nebeneffekte den Vergleich verzerren.
Bei stärkeren TL ist das gesamte Profil von Interesse - es entsteht ein Ringmuster.
In dieser Arbeit wird die geometrisch optische Analyse des Hauptringwinkels um die Zeitabhängigkeit erweitert. Ferner wird ein Näherungsausdruck für die Lage des Maximums aus dem Beugungsintegral gewonnen. So können aus beobachteten Ringmustern quantitative Aussagen gewonnen werden.
In Kapitel 2 werden Grundlagen der Ausbreitung von Laserlicht behandelt. In Kapitel 3 wird das zeitabhängige Temperaturfeld diskutiert, das ein Laserstrahl erzeugt. Nach der Präsentation der bekannten Formeln wird der Fehler untersucht, der bei Vernachlässigung der Abkühlung durch die Ein- und Austrittsfenster entsteht. Im 4. Kapitel wird die geometrisch-optische Theorie der idealen und aberranten TL behandelt. Im 5. Kapitel wird die TL auf Grundlage des Beugungsintegrals untersucht.
Inhaltsverzeichnis
- Einleitung
- Grundlegendes zur Lichtausbreitung
- Skalare optische Wellen - Die Helmholtz-Gleichung
- Eigenschaften des Laserlichts
- Transformation von Wellenfeldern durch optische Elemente
- EikonalgGleichung und geometrische Optik
- Beugung
- Das Temperaturfeld der thermischen Linse
- Die Wärmeleitungsgleichung
- Greensche Funktionen
- Bekannte und neue Lösungen
- Axialer Wärmefluss
- Fazit
- Geometrische Optik der TL
- Anwendung der Strahlformel auf die thermische Linse
- Aberrante Ringbildung
- Beugungsintegral der thermischen Linse
- Formulierung des Beugungsintegrals der TL
- Die zentrale Intensität
- Position des Interferenzringes
- Aberrantes Gesamtprofil
- Zusammenfassung
Zielsetzung und Themenschwerpunkte
Die Dissertation befasst sich mit der Auswirkung der thermischen Linse (TL) auf die Ausbreitung von Laserstrahlen in Flüssigkeiten. Ziel ist es, die Entstehung der TL als Folge der Absorption von Laserstrahlung durch das Medium und deren Einfluss auf das Strahlprofil zu untersuchen. Insbesondere liegt der Fokus auf der Beschreibung der Aberration, die bei hohen absorbierten Leistungen auftritt.
- Theoretische Modellierung der Entstehung und Ausbreitung der TL
- Analyse des Einflusses von Aberration auf das Strahlprofil
- Entwicklung neuer Lösungen für die Wärmeleitungsgleichung zur Beschreibung des Temperaturfeldes
- Vergleich mit bekannten Modellen und experimentellen Ergebnissen
- Bedeutung der TL für die Absorptionsspektroskopie und die thermooptischen Eigenschaften von Materialien
Zusammenfassung der Kapitel
Die Dissertation gliedert sich in sechs Kapitel. Kapitel 2 stellt die Grundlagen der Lichtausbreitung vor, einschließlich der Helmholtz-Gleichung und der Eigenschaften des Laserlichts. Kapitel 3 behandelt das Temperaturfeld der TL, wobei die Wärmeleitungsgleichung, Greensche Funktionen und verschiedene Lösungen zur Beschreibung des Temperaturfeldes präsentiert werden. Kapitel 4 untersucht die geometrische Optik der TL und die resultierende aberrante Ringbildung. Kapitel 5 diskutiert das Beugungsintegral der TL und die Auswirkungen der Aberration auf das Strahlprofil. Kapitel 6 fasst die wichtigsten Ergebnisse der Arbeit zusammen. Die Anhänge A und B enthalten zusätzliche Informationen zur numerischen Berechnung des Beugungsintegrals und zu den elektromagnetischen Aspekten der Laser-Ausbreitung.
Schlüsselwörter
Thermische Linse, Laserstrahlausbreitung, Aberration, Wärmeleitungsgleichung, Greensche Funktionen, Absorptionsspektroskopie, thermooptische Eigenschaften, Beugungsintegral, numerische Modellierung
- Arbeit zitieren
- Dr. Frank Jürgensen (Autor:in), 1994, Zur Auswirkung der schwachen und starken aberranten thermischen Linse in Flüssigkeiten auf die Ausbreitung von Laserstrahlen, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/22081
