Time integrated detection and applications of femtosecond laser pulses scattered by small particles [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Saša Bakić

Description

TIME INTEGRATED DETECTION ANDAPPLICATIONS OF FEMTOSECOND LASERPULSES SCATTERED BY SMALL PARTICLESVom Fachbereich Maschinenbauan der Technischen Universität DarmstadtzurErlangung des Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)genehmigteD i s s e r t a t i o nvorgelegt vonDipl.-Phys. Saša Bakićaus DarmstadtBerichterstatter: Prof. Dr.-Ing. C. Tropea1. Mitberichterstatter: Prof. Dr.-Ing. N. Damaschke2. Mitberichterstatter: Prof. Dr. rer. nat. W. ElsäßerTag der Einreichung: 30.06.2009Tag der mündlichen Prüfung: 04.09.2009Darmstadt 2010D17iAbstractIn this thesis the time integrated detection of scattered femtosecond laser pulses,and illumination from a continuous wave semiconductor laser source with opticalfeedbackandadaptablecoherencelength,isinvestigatedforsmallparticles. Inthiscontext the scattering function for small particles is numerically advanced. Theangular distribution of local maxima of the scattering function is presented forsmall particles under ultrashort pulse illumination. The position of local maximarelating to scattering angle, particle size and refractive index is calculated withFourier-Lorenz-Mie theory. Moreover, an estimate of the sensitivity of the scat-tering function to non-sphericity is presented, utilizing general Lorenz-Mie theory.

Sujets

• Physik

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• Publié par: technischen_universitat_darmstadt
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 16
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 4 Mo

Extrait

TIMEINTEGRATEDDETECTIONAND
APPLICATIONSOFFEMTOSECONDLASER
PULSESSCATTEREDBYSMALLPARTICLES

VomFachbereichMaschinenbau
anderTechnischenUniversitätDarmstadt
ruzErlangungdesGradeseinesDoktor-Ingenieurs(Dr.-Ing.)
genehmigte

Dissertation

vorgelegtvon

Dipl.-Phys.SašaBaki¢

ausDarmstadt

Berichterstatter:Prof.Dr.-Ing.C.Tropea
1.Mitberichterstatter:Prof.Dr.-Ing.N.Damaschke
2.Mitberichterstatter:Prof.Dr.rer.nat.W.Elsäßer
TagderEinreichung:30.06.2009
TagdermündlichenPrüfung:04.09.2009

Darmstadt2010
71D

i

Abstract

Inthisthesisthetimeintegrateddetectionofscatteredfemtosecondlaserpulses,
andilluminationfromacontinuouswavesemiconductorlasersourcewithoptical
feedbackandadaptablecoherencelength,isinvestigatedforsmallparticles.Inthis
contextthescatteringfunctionforsmallparticlesisnumericallyadvanced.The
angulardistributionoflocalmaximaofthescatteringfunctionispresentedfor
smallparticlesunderultrashortpulseillumination.Thepositionoflocalmaxima
relatingtoscatteringangle,particlesizeandrefractiveindexiscalculatedwith
Fourier-Lorenz-Mietheory.Moreover,anestimateofthesensitivityofthescat-
teringfunctiontonon-sphericityispresented,utilizinggeneralLorenz-Mietheory.
Forultrashortpulseilluminationthemaximaofthesupernumerarybowsofthe
primaryrainbow,whichholdinformationonparticlesizeandrefractiveindex,are
freedfromdisturbinginterferenceswithreectionorderandhigherrefractiveorder
contributions.Thepresentedresultsindicatethefeasibilityofprecisein-situmea-
surementswithRainbowrefractometryforhighlysphericalsmallparticleswith
compactandcost-ecientsourcesofilluminationandquantifythepulseduration
orcoherencelengthforthedesiredlowersizerange,whichisessentialinformation
forfutureexperimentalstudies.Moreover,asubstantialreductionofmorphology
dependentresonancesformicroscopicwaterdropletsissuccessfullydemonstrated.
Forthersttime,anelectrodynamicPaultrapwithnovelgeometryisapplied
tosuccessfullyobservethescatteringoffemtosecondlaserpulsesonsmallwater
dropletsnotonlyduringashortperiodofmillisecondsasinadropletstream,
butalsooverthetemporalevolutionofanevaporatingdroplet.BeyondRainbow
refractometry,theacquiredresultsindicatethefeasibilityofnewmeasurement
techniquesandthesignicantenhancementofexistingmethods.Undertheaspect
oftheseparationofscatteringorders,interferometricparticleimaging(IPI)isen-
hanceablebyttingthecoherencelengthtotheangleofdetection.Illumination
ofsmallparticleswithfemtosecondlaserpulsesisshowntofacilitatedirectsize
measurementfromfocusedimagesofathinspraybymeasurementoftheinten-
sityratioofspecicglarepointsonindividualparticles.Moreover,thesmoothing
ofthediameter-intensityfunctionforsmallparticlesallowsformoreprecisede-
terminationoftheSautermeandiameterinthenamedsizerange.Duetothe
introductionofcoherencelengthasavariableparameterforsmallparticlecharac-

ii

terization,theadvantagesoftimeintegrateddetectionoffemtosecondlaserpulses
scatteredbysmallparticlesareunderscoredbytheoutlookofutilizingspatially
compactandcost-ecientsemiconductorlaserdeviceswiththeimportantbenet
ofadjustablecoherencelength.

iii

Kurzzusammenfassung

IndieserDoktorarbeitwirddieZeitintegrierteDetektionvongestreutenFemto-
sekunden-LaserpulsenankleinenPartikelnuntersucht.AlsalternativeBeleuch-
tungsquelledientdieEmissioneinerHalbleiter-LaserquelleimDauerstrichbetrieb
mitoptischerRückkopplungundanpassbarerKohärenzlänge.IndiesemZusam-
menhangkonntedieStreufunktionfürkleinePartikelnumerischerweitertund
dieangulareVerteilungderlokalenMaximaderStreufunktionfürBeleuchtung
durchfs-Laserpulsedargestelltwerden.DabeiwirddiePositiondieserlokalen
MaximainAbhängigkeitvonStreuwinkel,PartikeldurchmesserundBrechungsin-
dexdurchdieFourier-Lorenz-MieTheorieermittelt.Darüberhinauswirddie
General-Lorenz-MieTheoriegenutztumeineAbschätzungderEmpndlichkeit
derStreufunktionfürNicht-SphärizitätvonPartikelnvorzustellen.BeiBeleuch-
tungdurchfs-LaserpulsewerdendieMaximaderStreulichtkeulendesprimären
Regenbogens,dieInformationenüberPartikelgrößeundBrechungsindexenthal-
ten,vonstörendenInterferenzenbefreit,diedurchdieÜberlappungderReex-
ionanderOberächedesTeilchensundhöherenStreuordnungenentstehen.Die
vorgestelltenErgebnisseweisenaufdieMachbarkeitvonpräzisenin-situMessun-
genmitderRegenbogenmesstechnikmitkompaktenundkostenezientenBeleuch-
tungsquellenhin,undquantizierendiePulslängebzw.Kohärenzlängefürdie
UntersuchungkleinerPartikel.DieseErgebnissesindessenziellfürzukünftigeex-
perimentelleStudien.FernerwirdeinebeträchtlicheReduzierungvonStruktur-
resonanzenfürmikroskopischeWassertropfenerreicht.ZumerstenMalwirdeine
elektrodynamischePaulfalle(mitneuentwickeltemoptischenZugang)genutzt,um
dasStreulichtvonfs-LaserpulsenwährenddesVerlaufesderVerdunstungeines
kleinenWassertropfenszumessen.JenseitsderRegenbogenmesstechnikweisen
dieerzieltenErgebnisseaufdieRealisierbarkeitneuer,unddieWeiterentwick-
lungbestehenderPartikelmesstechnikenhin.UnterdemAspektderSeparierung
derStreuordnungenkannInterferometricParticleImaging(IPI)durchAnpassung
derKohärenzlängeandenDetektionswinkelerweitertwerden.DieBeleuchtung
kleinerPartikeldurchfs-LaserpulseermöglichtderendirekteGrößenmessungdurch
AuswertungfokussierterAbbildungeneinesdünnenSpraysundderVerhältnisbil-
dungderIntensitätenbestimmterGlanzpunkteaufeinzelnenPartikeln.Außer-
demführtdieReduzierungvonstörendenInterferenzerscheinungeninderDarstel-

vi

lungderBeziehungvonDurchmesserundStreuintensitätzuderMöglichkeiteiner
präziserenMessungdesSauterdurchmesserskleinerPartikel.DieKohärenzlänge
wirdalsoalszusätzlicherFreiheitsgradinderPartikelmesstechnikeingeführt.Der
NutzenderZeitintegriertenDetektionvongestreutenfs-Laserpulsenwirddemnach
durchdenEinsatzeinerkompaktenundkostenezientenHalbleiter-Laserquelle
mitdemVorteilderEinstellbarkeitderKohärenzlängeerweitert.

v

Acknowledgments

TheresearchworkathandhasbeencarriedoutattheChairofFluidMechanics
andAerodynamics,TechnischeUniversitätDarmstadtbetweenMarch2005and
June2009.
IamdeeplygratefulandwouldliketothankmyadvisorProf.Dr.-Ing.C.Tropea
verymuchfortheopportunitytolearntheskillsneededforconductingsuccessful
researchandforpatientlyadvising,guidingandencouragingmeduringthecourse
ofthiswork.Prof.Dr.rer.nat.W.Elsäßeraswellhasbeenextremelykind,
patientandgenerousbyprovidingunlimitedpersonalandmostcrucialtechnical
support.Prof.Dr.-Ing.Damaschkehasbeenaconstant,profoundlyhelpfuland
patientrolemodelwhogavemethecondenceandtaughtmetheenduranceto
successfullycompletetheworkathand.
Ofcoursethisworkcouldnothavebeenachievedwithoutthesubstantialnancial
supportoftheDeutscheForschungsgemeinschaft(DFG)advancingtheproject
throughgrantDA600/2andalsothenancialandscienticsupportbythe
Graduiertenkolleg"OptischeMesstechnikenfürdieCharakterisierungvonTrans-
portprozessenanGrenzächen"(GRK1114).
BynameIwouldliketomentionandthankverymuchDr.HeinrichBech,Dr.
TobiasMichel,Dr.MichaelPeil,Dr.GuillaumeCastanet,Dr.ChristianHeinisch,
Dr.FengXu,Dr.JoachimKaiser,Dipl.-Ing.StefanBareiss,Dipl.-Phys.Robert
Irsig,Dipl.-Ing.HagenKorollandlastbutnotleastMr.TarekAnousforthe
successfulandinspiringprofessionalcooperation.Theindenitelycordialprofes-
sionalandpersonalsupportbymanymorecolleaguesandfriendswillbepleasantly
rememberedandmissedintheyearstocome.

iv

iiv

Contents

1Introduction1
2PropertiesofLaserPulsesandShortCoherenceLength7
2.1Coherence................................7
2.2OpticalResonatorsandNonlinearOptics...............10
2.3Kerr-EectandMode-Locking.....................12
2.4Dispersion................................17
2.5AlternativeMethodsforGenerationofFemtosecondLaserpulses..19
2.6OtherSourcesofShortCoherenceLength...............22
3CharacteristicsoftheScatteringFunctionforShortCoherence
LengthLaserSources25
3.1Airy-TheoryandtheRainbow.....................26
3.2Lorenz-MieTheory...........................33
3.3Fourier-Lorenz-MieTheory.......................35
3.4TemporalandSpatialSeparationoftheScatteringOrders.....36
3.5TheScatteringFunctionandtheRainbowforPulsedIllumination.41
3.6Intensity-DiameterFunctionandMorphologyDependentResonances50
4GenerationandPreparationofSmallParticles55
4.1MonodisperseParticleStreamsandAtomization...........55
4.2AcousticLevitationofParticles....................58
4.3ElectrodynamicLevitationofParticles................60
5StrategiesforExploitingShortCoherenceLengthLaserSources
forParticleCharacterization65
5.1RainbowMeasurementTechnique...................66
5.2Semiconductor-LaserSourcewithOpticalFeedbackandAdaptable
CoherenceLength............................69
5.3GlarePoints...............................74
5.4SmoothingoftheIntensity-Diameter-Function............79
5.5SauterMeanDiameter.........................82

iiiv

6OutlookforParticleCharacterizationwithShortCoherenceLength
LaserSources93
6.1RainbowRefractometryforSmallParticles..............93
6.2InterferometricParticleImaging(IPI).................95
6.3PlanarDropletSizing(PDS)......................97

7Conclusion

References

ListofFigures

Listo