Lasergenerierte Mikrostoßwellen (Shock Waves At Microscales)

Mit “Shock Waves At Microscales“ hat sich international in den letzten Jahren ein neues Motivationsfeld in der Physik kompressibler Fluide entwickelt.

Im Rahmen eines Projektes werden in zusammenarbeit mit Prof. Dr. W. Garen Stoßwellen auf Sub-mm und Mikrometerskala untersucht. Gegenstand des durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (www.dfg.de) geförderten Projektes sind Stoßwellen, welche mittels intensiver Nano-, Piko- und Femtosekundenlaserpulse in einem Gas oder einer Flüssigkeit (bzw. allgemein in einem Fluid) in einem sehr kleinen Raumgebiet erzeugt werden. Hierzu werden die Stoßwellen in fluidgefüllten Mikrokanälen (i.f. stellvertretende Bezeichnung für sehr klein dimensionierte Kanäle und Kapillaren) generiert und die Fluidparameter, sowie die Zustandsänderungen hinter dem einfallenden und dem reflektiertem Stoß untersucht. Im Gegensatz zu dem durch Platzen geeigneter Membranen in größeren Rohren ausgelösten Ministoßwellen, sollen die Mikrostoßwellen durch Plasmaerzeugung mittels eines Hochleistungslasers innerhalb des Mikrokanals oder unmittelbar davor generiert werden. Die Untersuchungen werden sich auf folgende Bereiche konzentrieren: a) Entstehung und Ausbreitung des Plasmas, b) Dichte- und Geschwindigkeitsstruktur im Entstehungsgebiet und c) in der Anlaufstrecke des Mikrokanals, sowie d) im Bereich stabilisierter ebener Stoßwellen. Die Untersuchungen sollen mittels verschiedener zeitaufgelösten Diagnostiken durchgeführt werden (u.a. Laserdifferentialinterferometrie, Moireverfahren, LDA, PIV). Mit Hochintensitäslaserpulsen erzeugte Mikrostoßwellen stellen, auch international betrachtet, Neuland dar. Die Ergebnisse werden eine wichtige physikalische Grundlage für Anwendungen in der Mikrofluidik, Nanotechnologie, Medizinphysik und eine Reihe weiterer interessanter Anwendungen bilden.

In einer weiteren Zusammenarbeit mit Prof. Dr. W. Garen und z.T. mit AG Lasermedizintechnik (Prof. Dr. Walter Neu) werden lasergenerierte Kavitationsblasen in Flüssigkeiten und an Grenzschichten untersucht. Dabei werden verschiedene Lasersystem eingesetzt (Nano-und Femtosekundenlaser). 

Untersuchung der fs-laser-induzierten Stoßwelle mit Laserdifferenzialinterferometer:

Nd:YAG-Laser induzierte Stoßwellen in Wasser in einem Rohr (6mm Durchmesser) und Kavitationsblasse, Imaging durch zwei Laserpulse:

Ausgewählte Literaturhinweise

S. Koch et al. :

Time Resolved Measurements of Shock Induced Cavitation Bubbles in Various Liquids:  A Novel Method of Optical Measurement

Proc. 28th International Symposium on Shock Waves, Vol. 2 (ed. K. Kontis), Springer Verlag (2012)

77-81 

W. Garen et al. :

Investigation of initial and collapse shocks driven by a laser-induced cavitation bubble

Proc. International Symposium on Shockwaves (ISSW29) (2013),
Madison, USA

F. Hegedüs et al. : 

The effect of high viscosity on compressible and incompressible Rayleigh-Plesset-type bubble models

International Journal of Heat and Fluid Flow 42 (2013) 

200-208