Laserinduzierte Fluoreszenz
Laserspektroskopie
Die Laserspektroskopie macht sich die Wechselwirkung von Licht und Materie zunutze. Die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie bzw. zwischen Photonen und Molekülen oder Atomen ist die Grundlage aller laserspektroskopischen Messverfahren. Trifft Strahlung auf Materie, so wird ein Teil der Strahlung absorbiert und in innere Energie des absorbierenden Teilchens umgewandelt. Das Teilchen befindet sich in einem angeregten Energiezustand. Ist dieser Zustand nicht stabil, so kehrt das Teilchen in seinen stabilen Grundzustand zurück, wobei ein Teil der dabei freiwerdenden Energie in Form von Streulicht abgegeben wird.
Laserinduzierte Fluoreszenz
Ist die Zeitdifferenz zwischen der Anregung und der Emission eines Photons gering, so wird dieser Vorgang als Fluoreszenz bezeichnet. Tritt die Emission eines Photons in größerem zeitlichen Abstand auf, so spricht man von Phosphoreszenz.
Als Anregungsquelle ist Laserlicht aufgrund der hohen Leistung und des schmalen Spektralbereiches besonders geeignet, Atome bzw. Moleküle zur Fluoreszenz anzuregen. Durch einen Laser angeregte Fluoreszenz wird als Laserinduzierte Fluoreszenz (LIF) bezeichnet. Durch die Anwendung abstimmbarer Laser (z.B. Excimerlaser) ist es möglich, bestimmte Moleküle und Atome durch charakteristische Wellenlängen selektiv zur Fluoreszenz anzuregen, wodurch ein quantenzustandsspezifischer Atom- und Molekülnachweis geführt werden kann. Da das Fluoreszenzspektrum charakteristisch für bestimmte Spezies ist, besitzt die LIF eine hohe Selektivität und Empfindlichkeit, die den Nachweis von kleinsten Konzentrationen auch im ppm-Bereich erlaubt. In einer Vielzahl von Untersuchungen (z.B. in der Verbrennungsdiagnostik) kann LIF als flächiges Nachwiesverfahren bestimmter Moleküle eingesetzt werden, weil die Intensität des immittierten Laserlichtes ausreichend hoch ist. Somit ist auch die Erforschung turbulenter und instationärer Strömungsprozesse möglich.
Versuchsaufbau
Der Versuchsaufbau zur LIF ist in Abbildung 1 dargestellt. Gesteuert wird der Versuchsablauf vom Laser-PC, der neben der digitalen Bildauswertung auch die Triggerung des Lasers und der digitalen Auswertekamera übernimmt. Das durch die Software ausgelöste Triggersignal wird zeitgleich an die Kamera und an den Laser geleitet.
Bei dem an diesem Lehrstuhl verwendeten Laser handelt es sich um einen Excimerlaser, der bei einer Pulsdauer von 9 ns eine Energie von max. 500 mJ pro Einzelpuls besitzt. Seine maximale Bildwiederholrate beträgt 50 Hz. Die Wellenlänge des Lasers wird durch die Gaszusammensetzung in beiden Laserröhren bestimmt. Spezielle Moleküle können nur bei einer oder mehreren definierten Wellenlängen zur Fluoreszenz gebracht werden. Das Hydroxylradikal OH kann beispielsweise mit der durch die Gasmischung aus Krypton und Fluor immittierten Wellenlänge von 248 nm angeregt und detektiert werden. NO und O2 wiederum bei 193 nm, die durch das Gemisch aus Argon und Fluor erzeugt wird.
Das im Excimerlaser erzeugte Licht weist ein rechteckiges Strahlprofil auf, das durch zwei Zylinderlinsen zu einem schmalen Laserlichtband von ca. 0,2 mm Breite und etwa 25 mm Höhe fokussiert wird. Anschließend wird der Strahl in ein Messvolumen gespiegelt und das Laserlicht nach Austritt aus diesem in eine Strahlfalle geführt.
Die durch das Laserlicht induzierte Fluoreszenz angeregter Teilchen wird mit einer senkrecht zur Lichtschnittebene stehenden digitalen Kamera aufgezeichnet. Um eine möglichst hohe zeitliche Auflösung zu erreichen, kommt eine intensivierte, digitale CCD-Kamera mit einer Belichtungszeit im Bereich von Nanosekunden zum Einsatz. Bei dieser kurzen Belichtungszeit ist die Intensität der einfallenden Fluoreszenzen äußerst gering und muss digital verstärkt werden. Der dazu eingesetzte Bildverstärker übernimmt zudem auch die Regelung der Verschlusszeiten und des Zeitdelays zwischen Triggersignal und Belichtung der Kamera. Jedes Bild besteht aus 286 x 384 Pixeln. Die Dynamik der Kamera beträgt 12 Bit, d.h. die gemessene Intensität wird in 4096 einzelne Stufen unterteilt.
Das Ergebnis solcher Aufnahmen sind zeitlich und räumlich hoch aufgelöste zweidimensionale Falschfarbendarstellungen der Speziesverteilung, u.a. der Verteilung des gasförmigen Brennstoffes, Abbildung 2.
Abbildung 1: Versuchsaufbau zur Laserinduzierten Fluoreszenz (LIF)
Abbildung 2: Verteilung des gasförmigen Brennstoffes