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Untersuchungen zur laserinduzierten Kavitation mit Nanosekunden- und Femtosekundenlasern

Investigations of laser-induced cavitation using nanosecond and femtosecond lasers

by Reinhard Geisler
Doctoral thesis
Date of Examination:2003-10-31
Date of issue:2004-02-27
Advisor:Prof. Dr. Werner Lauterborn
Referee:Prof. Dr. Werner Lauterborn
Referee:PD Dr. Martin Rein
crossref-logoPersistent Address: http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2728

 

 

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Name:geisler.pdf
Size:19.2Mb
Format:PDF
Description:Dissertation
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Abstract

English

The optical breakdown in the focus of a strong laser pulse can rupture liquids. A bubble is formed, which can serve as a well reproducible model for the investigation of cavitation mechanisms.In this work the properties of such laser-generated cavitation bubbles are investigated experimentally. It concentrates on bubbles induced by femtosecond laser pulses. The high intensities of these laser pulses lead to a nonlinear response of the liquid. Due to self-focusing the diffraction-limited focus known from linear optics is substituted by an elongated channel. This channel determines the geometry of the optical breakdown and the resulting bubble. While the initial bubbles are approximately elliptical in shape they develop a complex dynamics within a few microseconds. The bubble dynamics is investigated systematically by high-speed imaging. A weak shock wave emission is observed and is analyzed both qualitatively and quantitatively.In a second part selected properties of bubbles induced by nanosecond laser pulses are examined. Using neutron detection it is investigated wether the hypothesis of a cavitation-induced nuclear fusion can be rejected or corroborated. No indications of such nuclear fusion events are found.
Keywords: cavitation; bubbles; sonoluminescence; pulse laser; optical breakdown

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Der im Fokus eines starken Laserpulses entstehende optische Durchbruch kann Flüssigkeiten aufreißen. Es entwickelt sich eine Blase, die sich als gut reproduzierbares Modell für die Erforschung von Kavitationsmechanismen eignet.In der vorliegenden Arbeit werden die Eigenschaften solcher laserinduzierten Kavitationsblasen experimentell untersucht. Im Mittelpunkt stehen dabei die mit Femtosekunden-Laserpulsen erzeugten Blasen. Die hohen Intensitäten dieser Laserpulse führen zu einer nichtlinearen Reaktion des Mediums. Anstelle des beugungsbegrenzten Fokus der linearen Optik entsteht ein durch Selbstfokussierung gebildeter elongierter Kanal, der die Geometrie des optischen Durchbruchs und der entstehenden Kavitationsblase bestimmt. Die zunächst näherungsweise rotationselliptischen Blasen zeigen innerhalb weniger Mikrosekunden eine komplexe Dynamik. Diese wird durch Hochgeschwindigkeitskinematografie systematisch untersucht. Eine schwache Stoßwellenemission wird nachgewiesen und qualitativ wie quantitativ analysiert.In einem zweiten Teil werden ausgewählte Eigenschaften der mit Nanosekunden-Laserpulsen erzeugten Kavitationsblasen beleuchtet. Mit Neutronenmessungen wird untersucht, ob die Hypothese einer kavitationsinduzierten Kernfusion widerlegt oder bestätigt werden kann. Es werden keine Hinweise auf eine derartige Kernfusion gefunden.
Schlagwörter: Kavitation; Blasen; Sonolumineszenz; Pulslaser; optischer Durchbruch; 530 Physik
 

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