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Untersuchungen zur IR-Laser-Ablation in Wasser

dc.contributor.advisorLauterborn, Werner Prof. Dr.de
dc.contributor.authorBrendel, Tobiasde
dc.date.accessioned2004-08-05T15:30:20Zde
dc.date.accessioned2013-01-18T13:35:19Zde
dc.date.available2013-01-30T23:51:08Zde
dc.date.issued2004-08-05de
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0006-B46A-9de
dc.identifier.urihttp://dx.doi.org/10.53846/goediss-2760
dc.description.abstractDie gepulste IR-Laserablation in Wasser ist durch simultane Erhitzung und thermoelastische Schallentwicklung gekennzeichnet. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Modell entwickelt, das Entstehung und Ausbreitung des Schallfeldes als Funktion der Anregungsbedingungen wiedergibt. Zusammen mit einer Modellierung der Temperaturentwicklung läßt sich so der thermodynamische Zustandsverlauf des angeregten Probevolumens nachzeichnen und insbesondere der Zeitpunkt des verdampfungs- oder kavitationsbedingten Phasenübergangs untersuchen.Grundlage des thermoelastischen Schallmodells ist die Poisson'sche Formel, die die zugehörige photoakustische Wellengleichung löst. Die Modellierung erfolgte am Beispiel der Anregung mit gütegeschalteten Thulium- und Holmium-Laserpulsen (Cr:Tm:YAG, Wellenlänge: 2.01 µm, und Cr:Tm:Ho:YAG, Wellenlänge: 2.1 µm). Betrachtet wurden das Top-hat-Profil eines fasergeführten Laserstrahls und ein Gaußsches Strahlprofil.Die Modellierungen zum Gaußschen Strahlprofil ergaben, daß der Übergang von der Druck- zur Zugphase des Schallfeldes stets in der Strahlmitte beginnt. Der Verlauf der Drucktransiente an diesem Punkt bestimmt somit den frühestmöglichen Kavitationsbeginn in der angeregten Wasserprobe. Übersteigen die Amplituden der Druckphase zudem den Dampfdruck der erhitzten Probe, so ist vor Ende der Druckphase keine Verdampfung möglich. Mit zunehmenden Pulsenergien können so zunehmende Probentemperaturen erreicht werden, die nachfolgend zu einem explosiven Verdampfungsprozeß weit oberhalb des normalen Siedepunktes führen. Ausgelöst wird der Verdampfungsprozeß spätestens durch Kavitation in der Zugphase des Schallfeldes. Die Ablationswirkung eines solchen Prozesses ist deutlich von der zu einer stetigen Verdampfung bei kontinuierlicher Probenanregung zu unterscheiden.Bei der fasergeführten Laseranregung zeigt die Modellierung ein besonderes Verhalten des Schallfeldes: Anders als zum Gaußschen Laserstrahl ist der Übergang von der Druck- zur Zugphase nicht ortsfest, sondern variiert mit der Pulsdauer zwischen Strahlmitte und den Flanken des Strahlprofils. Eine allgemeine Analyse der Schallfeldentwicklung als Funktion der Anregungsbedingungen ist hierdurch nicht möglich.de
dc.format.mimetypeapplication/pdfde
dc.language.isogerde
dc.rights.urihttp://webdoc.sub.gwdg.de/diss/copyr_diss.htmlde
dc.titleUntersuchungen zur IR-Laser-Ablation in Wasserde
dc.typedoctoralThesisde
dc.title.translatedA study of mid-IR laser ablation in waterde
dc.contributor.refereeSalditt, Tim Prof. Dr.de
dc.date.examination2004-06-10de
dc.description.abstractengPulsed mid-IR laser ablation in water is characterized by simultaneous heating and thermoelastic stress generation. In this work, a numerical model was developed to describe both the temperature and thermoelastic stress development as a function of irradiation conditions. In this way, the thermodynamic path of the irradiated water sample can be traced and in particular the beginning of the vaporization or cavitation onset can be investigated.The thermoelastic pressure model is based on Poisson s formula, solving the corresponding photoacoustic wave equation. Model calculations were done exemplarily for the irradiation with Q-switched thulium and holmium laser pulses (Cr:Tm:YAG, wavelength: 2.01 micron, and Cr:Tm:Ho:YAG, wavelength: 2.1 micron). Either a top hat or a Gaussian beam profile was assumed.For the Gaussian beam profile the model calculations revealed, that the transition from compressive to tensile stress is always found in the center of the laser beam. Therefore, the course of the center stress transient decides on the beginning of cavitation within the irradiated the water sample. Moreover, if the compressive stress phase exceeds the vaporization pressure of the heated water volume, vaporization is suppressed until the end of the compressive stress phase. As a consequence, laser pulses of high energy can lead to a water superheat and subsequently to an explosive vaporization regime. This mechanism distinguishes significantly from steady ablation by continuous-wave irradiation.For a top hat beam profile the model calculations showed, that the transition from compressive to tensile stress varies spatially as a function of pulse duration between the center and the edge of the beam profile. For this reason a general analysis of the stress development is not possible in this case.de
dc.subject.topicMathematics and Computer Sciencede
dc.subject.gerAblationde
dc.subject.gerIR-Laserde
dc.subject.gerWasserde
dc.subject.gerGewebede
dc.subject.gerPhasenübergangde
dc.subject.gerPhotoakustische Wellengleichungde
dc.subject.ger530 Physikde
dc.subject.engablationde
dc.subject.engmid-IR laserde
dc.subject.engwaterde
dc.subject.engtissuede
dc.subject.engphase transitionde
dc.subject.engphotoacoustic wave equationde
dc.subject.bk33.10de
dc.subject.bk33.12de
dc.identifier.urnurn:nbn:de:gbv:7-webdoc-181-0de
dc.identifier.purlwebdoc-181de
dc.affiliation.instituteFakultät für Physikde
dc.subject.gokfullRHH 150: Schallausbreitungde
dc.subject.gokfull-reflexionde
dc.subject.gokfullin Flüssigkeiten {Physik: Akustik}de
dc.identifier.ppn471098760de


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