Berührungsloser Wärmestromsensor für Flüssigkeiten
Temperaturmessung mittels Brillouin-Streuung von Laserlicht

Brillouinstreuung in Wasser, hervorgerufen durch den Strahl eines YAG-Lasers (Enns, DLR, 2014)
Brillouin-Spektrum im Falle von sichtbarem Licht. Die rot-und blauverschobenen Brillouin-Linien (Stokes- bzw. Anti-Stokes-Komponenten) resultieren aus den zwei möglichen Propagationsrichtungen der Schallwelle in Wasser. Die zentrale Linie entsteht durch Rayleigh-Streuung (Schorstein, 2009).

Damit der Wärmestrom in einer Flüssigkeit an einem bestimmten Punkt gemessen werden kann, muss sowohl die lokale Geschwindigkeit als auch die Temperatur erfasst werden. Diese beiden Aufgaben sollen in diesem Projekt durch laseroptische Methoden gelöst werden, wobei etablierte mit innovativen Technologien kombiniert werden. Das Ergebnis wird ein neuartiger Wärmestromsensor sein, der berührungslos arbeiten wird und räumlich sowie zeitlich hochaufgelöste Ergebnisse liefern wird.

Die Temperatur in der zu untersuchenden Flüssigkeit soll mittels des physikalischen Phänomens der Brillouinstreuung gemessen werden. Bestrahlt man eine Flüssigkeit mit Licht, so streuen die Moleküle in der Flüssigkeit einen Teil des Lichtes zurück, was als Brillouinstreuung bezeichnet wird. Die Brillouinstreuung entsteht, weil die Ladungen in den Flüssigkeitsmolekülen durch die eintreffenden elektromagnetischen Lichtwellen zu Schwingungen angeregt werden. In der Folge senden die Moleküle selbst Licht aus. Hierbei handelt es sich um einen rein elektromagnetischen Vorgang ohne Quanteneffekte. Die spektralen Eigenschaften des Brillouin-Streulichtes hängen stark von der lokalen Schallgeschwindigkeit in der Flüssigkeit ab, weil die eingestrahlten Lichtwellen mit statistisch auftretenden akustischen Wellen wechselwirken.

Neben der Brillouinstreuung tritt in Flüssigkeiten auch die sogenannte Rayleighstreuung auf. Wie die Anteile der Brillouin- und der Rayleighstreuung im gesamten Rayleigh-Brillouin-Streuspektrum verteilt sind, zeigt die rechte Abbildung. Die Brillouinstreuung besteht aus zwei Brillouinprofilen, die Lorentzprofilen ähneln und gegenüber der eingestrahlten Frequenz des Lichtes verschoben sind. Die Rayleighstreuung zeigt sich im Spektrum durch ein Profil, das um die Anregungsfrequenz herum zentriert ist.

Da die Brillouinstreuung von der Schallgeschwindigkeit abhängt und die Schallgeschwindigkeit wiederum von der lokalen Temperatur in der Flüssigkeit abhängt, lässt sich aus der Gestalt der Brillouinprofile die Temperatur ableiten. Die genaue Berechnung der Spektren ist komplex und bis heute Gegenstand der Forschung.

Innerhalb des Projektes befasst sich die Beuth Hochschule mit der Modellierung der Brillouin Streuung und mit der Entwicklung der Auswertesoftware. Weitere Kooperationspartner sind ILA R&D , Optolution, das Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) sowie die PTB.

Das Kooperationsprojekt wird vom BMWi im Rahmen des Zentralen Innovationsprogramms Mittelstand (ZIM) gefördert.

Autoren: Dr. Stefan Eilers, Prof. Dr. Ingo Röhle

IRoehle@Beuth-Hochschule.de