Messvolumen
Die beiden Strahlen müssen im Messvolumen fokussiert werden, um 1) die kleinste mögliche Schnittzone zu schaffen (die „Helligkeit“ des von den Partikeln reflektierten Lichts zu erhöhen) und 2) sicherzustellen, dass der Abstand zwischen den „fringes“ innerhalb des Messvolums nicht stark variiert. Diese kritische Ausrichtung wird durch das Design des miniLDV leicht aufrechterhalten, da beide Strahlen des Interferometers durch dieselbe individuelle Optik verlaufen.
Es gibt immer eine gewisse „fringe-Divergenz“, da es physikalisch unmöglich ist, ein System zu bauen, bei dem der Abstand zwischen den „fringes“ innerhalb des Messvolums absolut konstant ist. Dies liegt daran, dass der Wellenfront-Radius des Lasers (gemäß der Theorie der Strahlausbreitung) nur an der Taille, dem exakten Brennpunkt des Strahls, gleich null ist. Alle unsere LDV-Produkte sind darauf ausgelegt, die minimale mögliche „fringe-Divergenz“ zu erreichen.
Grundlegend verwendet ein LDV oder LDA denselben Dopplereffekt, der dazu führt, dass die Sirene eines vorbeifahrenden Krankenwagens die Tonhöhe ändert – nur dass hier der Dopplereffekt mit Licht, nicht mit Ton, auftritt. Es gibt zwei Möglichkeiten zu erklären, wie ein LDV oder LDA die Geschwindigkeit eines Objekts messen kann. Die intuitivere Erklärung (siehe Abbildung) lautet wie folgt.
Wie die Geschwindigkeit gemessen wird
Die durch die Interferenz der Strahlen gebildeten „fringes“ sind ein Lichtmuster im Raum. Wenn ein Partikel das Messvolumen durchquert, durchläuft es die hellen und dunklen Regionen. Das reflektierte Licht lässt sich in einem Graphen (Intensität vs. Zeit) als ein Sinusoid mit einer gaußschen Hülle darstellen. Das Sinusoid ist die physische Bewegung des Partikels durch die „fringes“. Der physische Abstand zwischen den „fringes“ ist durch die Kalibrierung, die bei jeder Sonde durchgeführt wird, bekannt. Daher ist die Frequenz des Intensitätssignals direkt proportional zur Geschwindigkeit des Partikels: Geschwindigkeit = „fringe“-Abstand x Frequenz der Intensität.
Obwohl dies vielleicht weniger intuitiv ist, funktioniert die Messung auch bei einer kontinuierlichen Oberfläche. Dies liegt daran, dass die Probenvolumina so klein sind, dass mikroskopische Merkmale auf der Oberfläche unterschiedliche Lichtmengen reflektieren und sich fast so verhalten, als wäre die Oberfläche ein Strom einzelner Partikel.
Für die Messung in Fluiden, müssen immer Partikel vorhanden sein. In der Luft können die Partikel so klein sein wie Rauchpartikel von einem Räucherstäbchen. Bei Messungen im Wasser reichen oftmals die vorhandenen natürlichen Partikel bereits aus (z.B. Wasser aus einer normalen ungefilterten Wasserleitung).
„D“ steht für Doppler
Die zweite Erklärung zeigt, wie das „Doppler“ in LDV/LDA entsteht. Wenn ein Partikel das Messvoluem durchquert, hat es eine gewisse Geschwindigkeit V. Wenn die Vektoren, die den Richtungen der beiden Strahlen entsprechen, in ein Koordinatensystem zerlegt werden, in dem V die X-Achse ist, wird es immer einen Strahl geben, dessen „V-Vektor“ positiv ist, wenn der des anderen negativ ist. Dies ist im Grunde eine mathematische Art zu sagen, dass das Partikel immer „auf“ einen Strahl zusteuert und „von“ dem anderen wegfährt.
Ähnlich der Rot- und Blauverschiebung von Galaxien, die sich von uns entfernen oder auf uns zubewegen, wird das Partikel eine Dopplerverschiebung des Licht verursachen. Die Frequenz des reflektierten Lichts ist höher für den Strahl, auf den es zusteuert und niedriger für den anderen. Dies entspricht genau der Tonhöhe einer Sirene, die höher ist wenn der Krankenwagen auf Sie zukommt, als wenn er sich von Ihnen entfernt.
Die Frequenz des Lichts ist extrem hoch. Für einen 658 nm (roten) Laser beträgt sie 45,5 Petahertz (45,5 Billiarden Zyklen pro Sekunde), sodass es für den Detektor wie ein kontinuierlicher Strahl erscheint. Das Partikel reflektiert jedoch jetzt Licht bei 45,5 Petahertz plus / minus einem kleinen Betrag. Wenn diese Wellen den Detektor erreichen, wird eine Schwebefrequenz aufgezeichnet. Das ist vergleichbar mit dem Ton, den zwei benachbarte Tasten auf einem Klavier produzieren. Die Schwebefrequenz ist signifikant niedriger als die Frequenz eines einzelnen Strahls. Sie ist leichter zu beobachten und steht im direkten Zusammenhang mit der Wellenlänge des Lichts und der Geschwindigkeit des Partikels.
Damit diese Schwebefrequenz aufgenommen werden kann, müssen die beiden Lichtwellen (eine von jedem Strahl), die vom Partikel reflektiert werden, fast zur gleichen Zeit erzeugt worden sein. Das ist der Grund, warum ein einzelner Laserstrahl in zwei Strahlen aufgeteilt wird. Wenn zwei unabhängige Laser verwendet werden, sind die Strahlen völlig unabhängig voneinander und es würde keine Schwebefrequenz entstehen. Anders ausgedrückt: zwei unabhängige Lichtquellen werden nicht miteinander interferieren. Laser haben eine bestimmte „Kohärenzlänge“ oder „Kohärenzzeit“, die angibt, wie sehr eine Welle des Lasers mit einer anderen Welle interferiert. Wenn sie genau zur gleichen Zeit erzeugt werden, ist die Interferenz „perfekt“; wenn sie innerhalb der Kohärenzzeit erzeugt werden, ist die Schwebefrequenz immer noch beobachtbar, wenn auch weniger intensiv. Alle unsere LDV-Produkte sind darauf ausgelegt, die „optische Weglänge“ jedes Strahls gut innerhalb der Kohärenzlänge zu halten, um das höchstmögliche Signal zu liefern.
Frequenzverschiebung und die Bestimmung der Richtung
Wenn zwei Strahlen im Raum gekreuzt werden, wie bei einem klassischen LDV/LDA, ist das Interferenzmuster mit dem Raum konstant. Dies bedeutet, dass 1) es ist nicht feststellbar, ob das Partikel von links nach rechts oder von rechts nach links das Messvolumen durchquerte, und 2) es können sehr niedrige Geschwindigkeiten nicht gemessen werden. Es würde zu lange dauern, bis sich das Partikel durch helle und dunkle Bereich bewegen würde (die Schwebefrequenz wäre zu niedrig).
Der Trick besteht darin, den Strahlen selbst eine Dopplerverschiebung hinzuzufügen. Wenn ein LDV eine Frequenzverschiebung hat, haben die Strahlen bereits einen Frequenzunterschied, wenn sie im Raum sind. Daher hat das aufgezeichnete Signal bei einer Partikelgeschwindigkeit von null die gleiche Frequenz wie der Frequenzunterschied zwischen den beiden Strahlen.
Die effektive Frequenz des Signals ist die Summe der Frequenz aufgrund des Partikels und der Verschiebungsfrequenz. Wenn sich ein Partikel also in eine Richtung bewegt, fügt es der Verschiebungsfrequenz etwas hinzu; bewegt es sich in die andere Richtung, verringert es die Verschiebungsfrequenz – und wenn es eine Geschwindigkeit von null hat, ändert es die Verschiebungsfrequenz überhaupt nicht. Andererseits bewegen sich die „fringes“ im Raum, sodass die tatsächliche Messung die Geschwindigkeit des Partikels relativ zur Geschwindigkeit der „fringes“ ist. Unser miniLDV kann mit oder ohne Frequenzverschiebung bestellt werden. Für Anwendungen, die eine extrem stabile Frequenzverschiebung erfordern (um extrem niedrige Geschwindigkeiten zu messen), bieten wir die ultraLDV-Reihe an.
Es sollte beachtet werden, dass jedes LDV oder LDA nur die Komponente der Geschwindigkeit entlang der Richtung des Interferenzmusters misst – das Instrument muss also auf die Strömung ausgerichtet sein (oder auf eine bekannte Richtung, damit Anpassungen an den Ergebnissen vorgenommen werden können). Wir bieten auch Mehrkomponentensysteme an: das 2D miniLDV und das 3D miniLDV.