FRAUNHOFER-INSTITUT FÜR KURZZEITDYNAMIK, ERNST-MACH-INSTITUT, EMIWie breitet sich der Strahl eines Hochleistungslasers in Wasser aus?
Multikontrastaufnahmen machen für das bloße Auge unsichtbare Wasserbewegungen im Laserstrahl sichtbar und dienen der Kalibration von Simulationen.
Für Anwendungen von Laserstrahlung hoher Leistung kann der Einfluss des Transportmediums auf die Strahlausbreitung eine wichtige Rolle spielen. Speziell für die Propagation in Wasser wurden am Fraunhofer EMI Untersuchungen mit einem Laserstrahl mit einer Leistung von bis zu 7,5 Kilowatt bei einer Wellenlänge von 1070 Nanometern durchgeführt. Dabei führen Absorptionsprozesse zu einer Erhitzung des Wassers im Bereich des Laserstrahls. Darüber hinaus kommt es zu Verwirbelungen im aufsteigenden heißen Wasser. Da heißes Wasser jedoch andere optische Eigenschaften besitzt als kaltes Wasser, verformt sich auch der Laserstrahl. Für die Untersuchung wurde vom Fraunhofer EMI eine indirekte Messmethodik realisiert. Mithilfe der Multikontrastbildgebung mittels Hartmannmaske können nun bislang unsichtbare Kontraste sichtbar gemacht werden. Die Maske generiert dabei eine Vielzahl kleiner Lichtpunkte, die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls auf einen Detektor abgebildet werden. Aus der Veränderung ihrer Lage können die lokalen Änderungen der optischen Eigenschaften sichtbar gemacht werden.
Mithilfe von multiphysikalischen Simulationen, bestehend aus Strahlenoptik, Wärmefluss und Strömungsmechanik, wurden die Experimente simulativ abgebildet. Dabei dienten die Daten der Multikontrastbildgebung zur Validierung der Simulationen. Diese Simulationen erlauben es nun, auch im Experiment nicht zugängliche Parameter, wie zum Beispiel die lokale Temperatur des Wassers im Laserstrahl, Strömungsprozesse oder den Wärmefluss im Wasser, zu analysieren.