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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.

  • Die Autoren
Roland Barth, Jena
Dr. Artur Bärwolff, Berlin
Dr. Lothar Bauch, Frankfurt / Oder
Hans G. Beck, Jena
Joachim Bergner, Jena
Dr. Andreas Berke, Köln
Dr. Hermann Besen, Jena
Prof. Dr. Jürgen Beuthan, Berlin
Dr. Andreas Bode, Planegg
Prof. Dr. Joachim Bohm, Berlin
Prof. Dr. Witlof Brunner, Zeuthen
Dr. Eberhard Dietzsch, Jena
Kurt Enz, Berlin
Prof. Joachim Epperlein, Wilkau-Haßlau
Prof. Dr. Heinz Falk, Kleve
Dr. Wieland Feist, Jena
Dr. Peter Fichtner, Jena
Dr. Ficker, Karlsfeld
Dr. Peter Glas, Berlin
Dr. Hartmut Gunkel, Berlin
Dr. Reiner Güther, Berlin
Dr. Volker Guyenot, Jena
Dr. Hacker, Jena
Dipl.-Phys. Jürgen Heise, Jena
Dr. Erwin Hoffmann, Berlin (Adlershof)
Dr. Kuno Hoffmann, Berlin
Prof. Dr. Christian Hofmann, Jena
Wolfgang Högner, Tautenburg
Dipl.-Ing. Richard Hummel, Radebeul
Dr. Hans-Jürgen Jüpner, Berlin
Prof. Dr. W. Karthe, Jena
Dr. Siegfried Kessler, Jena
Dr. Horst König, Berlin
Prof. Dr. Sigurd Kusch, Berlin
Dr. Heiner Lammert, Mahlau
Dr. Albrecht Lau, Berlin
Dr. Kurt Lenz, Berlin
Dr. Christoph Ludwig, Hermsdorf (Thüringen)
Rolf Märtin, Jena
Ulrich Maxam, Rostock
Olaf Minet, Berlin
Dr. Robert Müller, Berlin
Prof. Dr. Gerhard Müller, Berlin
Günter Osten, Jena
Prof. Dr. Harry Paul, Zeuthen
Prof. Dr. Wolfgang Radloff, Berlin
Prof Dr. Karl Regensburger, Dresden
Dr. Werner Reichel, Jena
Rolf Riekher, Berlin
Dr. Horst Riesenberg, Jena
Dr. Rolf Röseler, Berlin
Günther Schmuhl, Rathenow
Dr. Günter Schulz, Berlin
Prof. Dr. Johannes Schwider, Erlangen
Dr. Reiner Spolaczyk, Hamburg
Prof. Dr. Peter Süptitz, Berlin
Dr. Johannes Tilch, Berlin (Adlershof)
Dr. Joachim Tilgner, Berlin
Dr. Joachim Träger, Berlin (Waldesruh)
Dr. Bernd Weidner, Berlin
Ernst Werner, Jena
Prof. Dr. Ludwig Wieczorek, Berlin
Wolfgang Wilhelmi, Berlin
Olaf Ziemann, Berlin


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