Optische Strömungsmesstechnik, 1989

Das vorliegende Buch basiert auf Erfahrungen, die der Seniorverfasser in den Jahren 1945 bis 1983 als Mi tarbei ter des Deutsch-Franzosischen For­ schungsinsti tut Saint Louis und der Juniorverfasser in den Jahren 1971 bis 1981 als Mitarbeiter des 1nstituts ftir Stromungslehre und Stromungsma­ schinen der Universtat Karlsruhe sammeln konnten. Es will einen Wunsch erftillen, der von Horern der Vorlesungen beider Verfasser an der Univer­ si tat Karlsruhe geauBert wurde. 1mmer wieder wurde nach einem Buch gefragt, das nicht nur grtindlich in die wichtigsten Teilgebiete der opti­ schen StromungsmeBtechnik einftihrt, sondern dariiber hinaus auch einen moglichst umfassenden Uberblick iiber die gesamte optische StromungsmeB­ technik gibt und einen Einblick in die jiingsten Entwicklungen gewahrt. tiber einige Teilgebiete wurde schon oft zusammenfassend berichtet [1-225]. Auf verschiedeneninternationalen Tagungen wurde und wird regelmaBig iiber die jeweils letzten Entwicklungen und Anwendungen vorgetragen [226-286]. Wer sich auskennt, kann sich also den Uberblick auch mi t einem Studium der zi t,ierten Bticher und Tagungsberichte ver·schaffen. Aber diese setzen be­ sondere Optikausbildung und Erfahrungen mit den verschiedensten Lichtquellen und Lichtempfangern, mit der Photographie, Kinematographie, 1nterferometrie, Holographie und Spektroskopie voraus. Die optische StromungsmeBtechnik wird nicht nur von Spezialisten auf diesen Gebieten, sondern auch von Physikern und 1ngenieuren der verschiedensten Fachrich­ tungen, von Chemikern,Biologen und Medizinern verwendet. 1mmer wieder wurde nach einem Buch gefragt, das auch diese anspricht.

1 Grundlagen.- 1.1 Licht.- 1.1.1 Beschreibungen.- 1.1.1.1 Elektromagnetische Wellen.- 1.1.1.2 Komplexe Schreibweise.- 1.1.1.3 Lichtstrahlen.- 1.1.1.4 Photonen 2.- 1.1.2 Lichtgrößen.- 1.1.2.1 Physikalische Größen 2.- 1.1.2.2 Physiologische Größen.- 1.2 Licht in Materie.- 1.2.1 Brechung und Reflexion.- 1.2.1.1 Brechzahlen.- 1.2.1.2 Fresnelformeln.- 1.2.1.3 Reflexion an Metall.- 1.2.2 Absorption und Emission.- 1.2.2.1 Elementarakte.- 1.2.2.2 Spektren.- 1.2.2.3 Hohlraumstrahlung.- 1.2.2.4 Kirchhoffsches Gesetz.- 1.2.2.5 Farben.- 1.3 Lichtquellen.- 1.3.1 Quellen inkohärenten Lichtes.- 1.3.1.1 Strahlerarten.- 1.3.1.2 Glühlampen.- 1.3.1.3 Gasentladungslampen.- 1.3.1.4 Blitzlicht.- 1.3.2 Laser.- 1.3.2.1 Laserprinzip.- 1.3.2.2 Dauerlaser.- 1.3.2.3 Impulslaser.- 1.3.2.4 Abstimmbare Laser.- 1.3.2.5 Laserlichtbündel.- 1.4 Lichtempfänger.- 1.4.1 Film.- 1.4.1.1 Photochemischer Effekt.- 1.4.1.2 Schwarzweißfilm.- 1.4.1.3 Farbfilm.- 1.4.2 Photodetektoren.- 1.4.2.1 Photoelektrische Effekte.- 1.4.2.2 Kathodendetektoren.- 1.4.2.3 Halbleiterdetektoren.- 1.4.2.4 Rauschen.- 1.4.3 Bildwandler.- 1.4.3.1 Bildverstärker.- 1.4.3.2 Bildabtaster.- 1.5 Geometrische Optik.- 1.5.1 Strahlenoptische Bauteile.- 1.5.1.1 Spiegel.- 1.5.1.2 Planplatte und Prismen.- 1.5.1.3 Linsen.- 1.5.1.4 Lichtleiter.- 1.5.2 Abbildung.- 1.5.2.1 Paraxiale Abbildung.- 1.5.2.2 Aberrationen.- 1.5.2.3 Blenden.- 1.5.3 Linsensysteme.- 1.5.3.1 Zwei dünne Linsen.- 1.5.3.2 Zwischenabbildung.- 1.5.3.3 Verflochtene Abbildungen.- 1.5.3.4 Objektive.- 1.6 Wellenoptik.- 1.6.1 Interferenz.- 1.6.1.1 Zweiwelleninterferenz.- 1.6.1.2 Vielwelleninterferenz.- 1.6.1.3 Gleiche Neigung oder Dicke.- 1.6.1.4 Interferenzoptische Bauteile.- 1.6.1.5 Interferenzbedingungen.- 1.6.2 Beugung.- 1.6.2.1 Beugungstheorie.- 1.6.2.2 Fresnelbeugung.- 1.6.2.3 Fraunhoferbeugung.- 1.6.2.4 Beugung bei Abbildung.- 1.6.2.5 Speckle.- 1.6.2.6 Beugungsoptische Bauteile.- 1.6.3 Laseroptik.- 1.6.3.1 Aufweitung und Einschnürung.- 1.6.3.2 Laserlichtschnitt.- 1.7 Polarisationsoptik.- 1.7.1 Polarisationseffekte.- 1.7.1.1 Polarisationsarten.- 1.7.1.2 Polarisation an Grenzflächen.- 1.7.1.3 Doppelbrechung.- 1.7.1.4 Drehung der Schwingebene.- 1.7.2 Polarisationsoptische Bauteile.- 1.7.2.1 Polarisatoren.- 1.7.2.2 Polarisationsstrahlteiler.- 1.7.2.3 Phasenschieber.- 1.7.2.4 Schwingungsdreher.- 1.8 Streuung.- 1.8.1 Streuung ohne Frequenzänderung.- 1.8.1.1 Rayleighstreuung.- 1.8.1.2 Miestreuung.- 1.8.2 Streuung mit Frequenzänderung.- 1.8.2.1 Dopplereffekt.- 1.8.2.2 Ramanstreuung.- 2 Visualisierung.- 2.1 Visualisierung der Strahlablenkung.- 2.1.1 Strahlablenkung in Strömungen.- 2.1.1.1 Schlieren.- 2.1.1.2 Ablenkung am Brechzahlsprung.- 2.1.1.3 Ablenkung am Brechzahlgradienten.- 2.1.2 Schattenverfahren.- 2.1.2.1 Projizierende Verfahren.- 2.1.2.2 Abbildung der Schattenebene.- 2.1.2.3 Anwendungsbeispiele.- 2.1.3 Schlierenverfahren.- 2.1.3.1 Schlierenverfahren mit Schneide.- 2.1.3.2 Anwendungsbeispiele.- 2.1.3.3 Schlierenbildauswertung.- 2.1.3.4 Andere Schlierenblenden.- 2.1.3.5 Moiréverfahren.- 2.2 Visualisierung der Phasenverschiebung.- 2.2.1 Phasenverschiebung in Strömungen.- 2.2.1.1 Phasenobjekte.- 2.2.1.2 Phasen am Brechzahlsprung.- 2.2.1.3 Phasen bei Brechzahlgradienten.- 2.2.2 Interferometrie.- 2.2.2.1 Mach/Zehnder-Interferometer.- 2.2.2.2 Interferenzlokalisierung.- 2.2.2.3 Anwendungsbeispiele.- 2.2.2.4 Interferenzbildauswertung.- 2.2.2.5 Betrieb mit Buntlicht.- 2.2.2.6 Andere Zweiwelleninterferometer.- 2.2.2.7 Fabry/Perot-Interferometer.- 2.2.3 Differentialinterferometrie.- 2.2.3.1 Mit Wollastonprismen.- 2.2.3.2 Anwendungsbeispiele.- 2.2.3.3 Interferenzbildauswertung.- 2.2.3.4 Komplementäre Doppelbelichtung.- 2.2.3.5 Komplementärbildspaltung.- 2.2.3.6 Andere Differentialinterferometer.- 2.2.4 Beugungsverfahren.- 2.2.4.1 Beugung an Phasenobjekten.- 2.2.4.2 Eingriff in die kohärente Abbildung.- 2.2.4.3 Dunkelfeldverfahren.- 2.2.4.4 Feldabsorptionsverfahren.- 2.2.4.5 Phasenkontrastverfahren.- 2.2.4.6 Gegenfeldverfahren.- 2.2.4.7 Schneidenverfahren.- 2.2.5 Holographische Verfahren.- 2.2.5.1 Holographie.- 2.2.5.2 Nachträgliche Visualisierung.- 2.2.5.3 Doppelbelichtungsverfahren.- 2.2.5.4 Echtzeitverfahren.- 2.2.5.5 Variierte Referenzphase.- 2.3 Visualisierung mit Beigaben.- 2.3.1 Visualisierung durch Färbung.- 2.3.1.1 Absorptionsbilder.- 2.3.1.2 Emissionsbilder.- 2.3.2 Visualisierung mit Fäden.- 2.3.2.1 Textilfadenbilder.- 2.3.2.2 Flüssigfadenbilder.- 2.3.3 Visualisierung mit Tracern.- 2.3.3.1 Tracer in Flüssigkeiten.- 2.3.3.2 Tracer in Gasen.- 2.3.3.3 Tracerbewegung.- 2.3.3.4 Konzentrationsbilder.- 2.3.3.5 Flitterbilder.- 2.3.3.6 Tracerwegbilder.- 2.3.3.7 Tracerholographie.- 2.3.3.8 Dopplerbilder.- 2.3.3.9 Tracerlinienbilder.- 2.3.4 Spuren an Oberflächen.- 2.3.4.1 Bewegungsspuren.- 2.3.4.2 Wärmespuren.- 2.4 Aufnähmetechnik.- 2.4.1 Kurzzeitphotographie.- 2.4.1.1 Blitzbelichtung.- 2.4.1.2 Verschlüsse.- 2.4.2 Kinematographie ohne optischen Ausgleich.- 2.4.2.1 Periodische Belichtung.- 2.4.2.2 Chronophotographie.- 2.4.2.3 Optische Bildtrennung.- 2.4.2.4 Mechanische Bildtrennung.- 2.4.2.5 Elektrische Bildtrennung.- 2.4.3 Kinematographie mit optischem Ausgleich.- 2.4.3.1 Ablaufkamera.- 2.4.3.2 Trommelkamera.- 2.4.3.3 Drehspiegelkamera.- 2.4.4 Streakregistrierung.- 2.4.4.1 Weg/Zeit-Diagramme.- 2.4.4.2 Anwendungsbeispiele.- 2.4.5 Immobilisierung.- 2.4.5.1 Mitbewegter Film.- 2.4.5.2 Stroboskopie.- 2.5 Bildauswertung.- 2.5.1 Lokale aus integralen Größen.- 2.5.1.1 Bei Rotationssymmetrie.- 2.5.1.2 Tomographie.- 2.5.2 Bildtransformation.- 2.5.2.1 Optische Fouriertransformation.- 2.5.2.2 Eingriff in die Bildabbildung.- 2.5.2.3 Optische Bildsubtraktion.- 2.5.2.4 Äquidensiten.- 2.5.2.5 Bildumsetzung in Signale.- 3 Optoelektrische Messungen.- 3.1 Registrierung der Strahlablenkung.- 3.1.1 Laserrefraktometer.- 3.1.1.1 Mit einem Lichtbündel.- 3.1.1.2 Mit gekreuzten Lichtbündeln.- 3.1.2 Laserreflektometer.- 3.1.2.1 Reflexion am Fenster.- 3.1.2.2 Reflexion am Verdichtungsstoß.- 3.2 Registrierung der Phasenverschiebung.- 3.2.1 Laserinterferometer.- 3.2.1.1 Mach/Zehnder-Interferometer.- 3.2.1.2 Heterodyninterferometer.- 3.2.2 Laserdifferentialinterferometer.- 3.2.2.1 Mit einem Meßbündelpaar.- 3.2.2.2 Mit mehreren Meßbündelpaaren.- 3.2.2.3 Mit Schwingspiegel.- 3.3 Spektroskopische Verfahren.- 3.3.1 Emissionsmessungen.- 3.3.1.1 Thermische Emission.- 3.3.1.2 Elektronenstrahllumineszenz.- 3.3.1.3 Laserfluoreszenz.- 3.3.2 Extinktionsmessungen.- 3.3.2.1 Mit einem Lichtbündel.- 3.3.2.2 Mit gekreuzten Lichtbündeln.- 3.3.3 Linienumkehrverfahren.- 3.3.3.1 Mit Abgleich.- 3.3.3.2 Ohne Abgleich.- 3.3.4 Streulichtmessungen.- 3.3.4.1 Rayleighstreuung.- 3.3.4.2 Spontane Ramanstreuung.- 3.3.4.3 Stimulierte Stokes/Ramanstreuung.- 3.3.4.4 Kohärente Antistokes/Ramanstreuung.- 3.4 Tracervelozimetrie.- 3.4.1 Tracer im Laserfokus.- 3.4.1.1 Tracerhäufigkeit.- 3.4.1.2 Streulichtimpulse.- 3.4.1.3 Meßtechni sehe Verwendung.- 3.4.2 Laufzeitvelozimeter.- 3.4.2.1 Zweifokusvelozimeter.- 3.4.2.2 Blendenvelozimeter.- 3.4.3 Dopplerreferenzvelozimeter.- 3.4.3.1 Streulicht/Referenzlichtüberlägerung.- 3.4.3.2 Signale.- 3.4.3.3 Sockelunterdrückung.- 3.4.3.4 Behebung der Vorzeichenunsicherheit.- 3.4.3.5 Vektormessung.- 3.4.4 Dopplerdifferenzvelozimeter.- 3.4.4.1 Streulicht/Streulichtüberlagerung 62.- 3.4.4.2 Signale.- 3.4.4.3 Vektormessung.- 3.4.5 Zweibündelvelozimeter.- 3.4.5.1 Streulicht aus zwei Lichtbündeln.- 3.4.5.2 Interferenzfeldinterpretation.- 3.4.5.3 Signale.- 3.4.5.4 Sockelunterdrückung.- 3.4.5.5 Behebung der Vorzeichenunsicherheit.- 3.4.5.6 Vektormessung.- 3.4.6 Verarbeitung der Dopplersignale.- 3.4.6.1 Einzelsignalverarbeitung.- 3.4.6.2 Vielsignalverarbeitung.- 3.4.6.3 Photonenkorrelation.- 3.4.6.4 Statistische Auswertung.- 3.4.7 Dopplerinterferenzvelozimeter.- 3.4.7.1 Michelsonvelozimeter.- 3.4.7.2 Phasennachführuna.- 3.4.7.3 Fabry/Perot-Velozimeter.