Bau einer Kalibriervorrichtung für Absorptionsfilterkennlinien von Jodzellen für die Doppler Global Velocimetry

Abstract

Bau einer Kalibriervorrichtung für Absorptionsfilterkennlinien von Jodzellen für die Doppler Global Velocimetry Einleitung Bei den neueren, auf dem Dopplereffekt basierenden Methoden der planaren Strömungsgeschwindigkeitsmessung wie z.B. der Doppler Global Velocimetry (DGV) spielen molekulare Absorptionsfilter eine wichtige Rolle bei der Detektion der Frequenzverschiebung des dopplerverschobenen Streulichts von Partikeln in der Strömung, die von einem frequenzstabilisierten Laser beleuchtet werden. Auf Geschwindigkeitsänderungen zurückzuführende Frequenzverschiebungen des Streulichts äußern sich in einer Änderung der Absorption in der Jodzelle. Eine wichtige Vorraussetzung für eine genaue Geschwindigkeitsmessung ist die exakte Kenntnis der Absorptionskennlinie als Funktion der Frequenzverschiebung. Sowohl numerische Simulationen wie auch experimentelle Methoden sind zur Bestimmung der Absorptionskennlinien bisher eingesetzt worden. Das bisher hauptsächlich verwendete experimentelle Verfahren, die Frequenz eines durchstimmbaren Lasers über die Schwebungsfrequenz mit einem zweiten baugleichen, aber frequenzstabilisierten Laser zu bestimmen, sowie das Verfahren der Frequenzkalibrierung über die Hyperfeinstruktur der Jodabsorptionslinie sind experimentell sehr aufwendig und insbesondere für die Anwendung bei gepulsten Lasern nicht geeignet. Es wurde eine Vorrichtung entwickelt, mit der die Kalibration der Jodabsorptionskennlinie unabhängig von der Art der verwendeten Lichtquelle durchgeführt werden kann. Als Lichtquelle ist ein frequenzstabilisierter Laser erforderlich, dessen Strahl an einer mit bekannter Geschwindigkeit rotierenden Scheibe reflektiert wird und somit aufgrund des Dopplereffektes auf bekannte Weise frequenzverschoben wird. Mit dieser Vorrichtung sind Frequenzverschiebungen von ±680MHz mit einer Auflösung von ~3MHz realisierbar. Ein numerisches Simulationsverfahren wurde durch geeignete Druckverbreiterungsmodelle erweitert und zum Vergleich der experimentellen Absorptionskennlinien herangezogen. Dazu wurde der für die Simulation erforderliche jeweilige Füllungsgrad der Jodzellen durch die experimentelle Ermittlung der Sättigungstemperatur bestimmt. Experimentelle und theoretische Absorptionskennlinien befinden sich in guter Übereinstimmung, so daß bei genau bekannter Sättigungstemperatur der Jodzelle auch die theoretischen Absorptionskennlinien für die Messung verwendet werden können.