Erfassung großformatiger Strömungsbilder mit dem UV Excimerlaser

Der Excimerlaser IndyStar der Coherent GmbH ermöglicht die Visualisierung von Strömungs- und Mischprozessen durch eine Kombination von hoher Pulsenergie (bis 12 mJ/Puls) mit kurzer UV-Wellenlänge von 248 nm bzw. 193 nm und hoher Wiederholfrequenz (bis 1000 Hz).

UV Excimerlaser von Coherent GmbH

Vollständiges Strömungsmuster von Aceton beim Auftreffen auf eine Zylinderoberfläche - 88µs nach Austritt aus einer Düse (unterer Bildrand)-, welches mittels Excimer-PLIF bei 248 nm und 500 Hz und der ImagerPro-CCD Kamera von La Vision augenommen wurde.

Die laserinduzierte Fluoreszenz (LIF, vielfach auch als PLIF - Planar Laser-Induced Fluorescence - bezeichnet) ist eine in der Verbrennungs-, Strömungs- und Mischungsdiagnostik von Gasen und Flüssigkeiten erfolgreich angewandte Visualisierungstechnik. Mit ihr lassen sich je nach Messbedingungen zusätzlich Aussagen über Temperatur und Konzentration der beteiligten molekularen Spezies erhalten. Ihre Vorteile liegen in der hohen Sensitivität und der guten Ortsauflösung. Es können zweidimensionale Messungen vorgenommen und eine Vielzahl von Molekülen, zum Beispiel in Flammen vorkommende kurzlebige Zwischenprodukte aber auch die Strömungsbewegung repräsentierende Tracermoleküle wie Aceton, nachgewiesen werden.

Häufige Voraussetzung für die Aussagekraft einer zweidimensionalen PLIF-Messung ist allerdings eine ausreichende Pulseenergie des verwendeten Lasers, um einen ausreichend großen Lichtschnitt durch Strahlaufweitung durch das Messvolumen zu legen zu können und immer noch eine ausreichende Energiedichte zu erhalten. Werden die zweidimensionalen Aufnahmen, die der Lichtschnitt erzeugt hingegen lediglich in einem scannenden Verfahren aneinandergereiht, geht die räumliche Korrelation der Einzelbilder verloren, das heißt die einzelnen Strömungsbilder lassen sich nicht mehr aufeinander beziehen.

Ebenfalls bedarf es je nach Geschwindigkeit des strömenden Mediums (hierbei kann es sich um strömende Gase oder strömende Flüssigkeiten handeln) einer ausreichend schnellen Abfolge der Laserpulse, um die zeitliche Korrelation zu gewährleisten, das heißt den Molekülen auf Ihrem Strömungspfad folgen zu können.

Schließlich erhöht eine ausreichend kurze UV-Wellenlänge im Allgemeinen die Response fluoreszierender Spezies und erübrigt in einigen Fällen sogar das Hinzusetzen von Tracermolekülen um Strömungscharakteristiken zu analysieren.

Der Excimerlaser IndyStar der Coherent GmbH ermöglicht die Visualisierung von Strömungs- und Mischprozessen in idealer Weise, denn er kombiniert eine hohe Pulsenergie (bis 12 mJ/Puls) mit kurzer UV-Wellenlänge von 248 nm bzw. 193 nm und hoher Wiederholfrequenz (bis 1000 Hz). Er ist damit längerwelligen, diodengepumpten Festkörperlasern in vielen Strömungsanwendungen vor allem aufgrund der erhöhten räumlichen Korrelation der Messungen deutlich überlegen.

Das beispielhafte Strömungsbild eines mit Aceton umströmten Zylinders (dunkler Kreisquerschnitt im Bild) wurde mit dem hochrepetitierenden Excimerlaser mit einer Wiederholfrequenz von 500 Hz und einer Wellenlänge von 248 nm, sowie bei einer Pulsenergie von 4 mJ erzeugt und mit einer CCD-Kamera ImagerPro Plus der Firma LaVision aufgenommen.

Aus der idealen Aufweitung des Excimerlaserlichtschnitts auf 5 cm Breite resultierte eine für gute Signalintensität ausreichende Energiedichte von 1 mJ/cm2. Mit dem IndyStar lassen sich je nach analysierter Spezies Bildbreiten bis zu 20 cm bei einer Wellenlänge von 248 nm pro Messvorgang erfassen.

Das zeitliche Verhalten der den Zylinder umströmenden Acetonmoleküle konnte bei 500 Hz Wiederolfrequenz der Laserpulse Eindeutig bestimmt werden.

Der hochrepetierende, kompakte und leicht zu integrierende Excimerlaser IndyStar zeichnet sich durch Zuverlässigkeit und geringer Betriebskosten aus. Designänderungen wurden in erster Linie gezielt zum Erreichen von höheren Lebensdauern aller Module des Lasers durchgeführt. Durch die Einführung der neuen Almeta-Röhrentechnologie konnten für die Wellenlängen 248 nm und 193 nm Lebensdauern für Röhre und Optiken über mehrere Milliarden Pulse erzielt werden. Zudem wurde die Gaslebensdauer signifikant erhöht. So lässt sich der IndyStar mehr als eine Woche im Dauerbetrieb beziehungsweise über zwanzig Millionen Pulse mit nur einer einzigen Gasfüllung bei 248 nm oder auch bei 193 nm betreiben. Ein Austausch der Laseroptiken erfolgt sogar erst nach über einer Milliarde Pulsen Dauerbetrieb, während die leistungsstarke Almeta-Laserröhre nicht vor zwei Milliarden Pulsen ausgetauscht werden muss.

Der IndyStar arbeitet je nach Betriebsintensität entweder mit Luft- oder mit Wasserkühlung und wird ein- oder zweiphasig bei 230V betrieben. Die Standfläche des sehr kompakten IndyStar beträgt 978 mm x 380 mm bei einem Gewicht des Lasers von 135 kg.

Die hohe Pulsrepetitionsrate von bis zu einem Kilohertz und die extrem langen Wartungsintervalle machen den Excimerlaser IndyStar darüberhinaus zum idealen UV-Ablationslaser in der präzisen Mikromaterialbearbeitung transparenter und bei längeren Wellenlängen schlecht absorbierender Substrate. Im Bereich der Lithographie spielt der hochrepetitierende IndyStar mit seiner unübertroffenen Pulsstabilität eine entscheidende Rolle bei der Inspektion und Qualitätskontrolle hochwertiger Photomasken, die die Herstellung kleinster Strukturgrößen im Bereich von nur einigen zehn Nanometern für die Chipherstellung erlauben.

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