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1 Inhaltsverzeichnis 1 Theoretische Grundlagen der Laserdiagnostik Strahlungseigenschaften, Definitionen Vergleichende Bewertung von Lasern und thermischen Strahlungsquellen Strahldichte bzw. spektrale Strahldichte Strahlungsgesetze Kohärenzeigenschaften von Laserlichtquellen Mathematische Formulierung der Kohärenzfunktion Spektrale Emission von Lasern Longitudinale Moden Transversale Moden Bestimmung der Modenstruktur Messung des longitudinalen Modenspektrums Messung der transversalen Modenverteilungen Modenstruktur-Beeinflussung, Modenselektion Experimentelle Kohärenzlängenbestimmung Einfluss der Frequenzdrift auf die Kohärenzlänge Laser für messtechnische Aufgaben Dielektrische Festkörperlaser Grundlagen für den Betrieb von Festkörperlasern Abgrenzung nach Betriebsbedingungen Bewertung neuerer Architekturen bzw. Materialien Halbleiterlaser Farbstofflaser Gaslaser Metalldampf-Laser Messtechnisch nutzbare Information Ausbreitung in homogenen isotropen Medien Paraxiale Strahlenbündel Gaußsche Strahlenbündel... 76

2 XII Inhaltsverzeichnis 3.2 Ausbreitung in inhomogenen Medien Ausbreitung in anisotropen Medien Weitere messtechnische Möglichkeiten Strahldiagnostik, Registrierverfahren Fotoelektrische Detektoren Abgrenzung der zu erfassenden Spektralbereiche Definition der Strahlungs-Messgrößen Definition gebräuchlicher Detektorparameter Thermische Detektoren Quantendetektoren Messung von Energien Messung von Leistungen Praktische Ausführungen von Detektoren Begrenzende Einflüsse Fotografische Registriermedien Ansprech-Empfindlichkeit Spektrale Empfindlichkeit Räumliches Auflösungsvermögen Spezielle Emulsionen für holographische Anwendungen Entfernungs-, Geschwindigkeits-Messverfahren Laser-Entfernungsmessung Grundlegende Betrachtungen Einfluss der Atmosphäre auf die Ausbreitung Pulsmessverfahren Strahlmodulationsverfahren Messgenauigkeit Empfindlichkeit, Störeinflüsse Heterodyn-Empfang Ausgewählte Schaltungsbeispiele Tomoskopie Laser-Geschwindigkeits-Messverfahren Prinzip der Dopplerverschiebung Strömungsmessung, Dopplerverschiebung Strömungsmessung mit Zweifokus-Verfahren Strömungsmessungen mit Laseranemometrie Abbildende, zeitaufgelöste Teilchenspur Anemometrie Kurzzeitfotografische Laser-Diagnostik Informationstheoretische Überlegungen Granulationseigenschaften des Laserlichtes Phänomenologische Beschreibung Zusammenhang zwischen Fraunhofer Beugung und Fourier Transformation...149

3 Inhaltsverzeichnis XIII Eigenschaften der speckles, Abschätzung der statistischen mittleren Korngrößen Laserfotografische Verfahren Messverfahren zur Aufzeichnung von Phasenobjekten Laser-Schatten- bzw. -Schlierenaufnahmebeispiele Laser-Kinematographie Trägerfrequenzfotografie Modulierte Granulation als Träger Anwendungen der Trägerfrequenzfotografie, Analyse von Verformungsvorgängen Laser-Interferometrie Grundlegende Betrachtungen Zweistrahl-Interferometrie Mehrstrahl-Interferometrie Mehrstrahl-Interferometer zur Modenanalyse Zweistrahl-Interferometer Michelson- und Mach-Zehnder-Interferometer Differential-Interferometer Laser-Interferometrie in der Plasmaphysik Quantitative Auswerteverfahren Zwei- und Mehrwellenlängen-Interferometrie Interferometrische Mehrwellenlängen- Kinematographie Laser-Gyroskope Moiré-Verfahren Grundprinzip der Moiré Deflektometrie Fresnel- bzw. Fraunhofer Beugung Fresnelsche Näherung Fraunhofer Näherung Vergleichende Bewertung von Moiré Gittern Talbot Effekt Optische Filterung, Kontrastverbesserung Anwendungsbereiche der Moiré-Technik Bewertung der Moiré-Verfahren Holographie Geschichtliche Entwicklung, Grundlagen Qualitative Beschreibung holographischer Verfahren Anforderungen an die Ortsfrequenzspektren der Registriermedien Speichermedien zur Aufzeichnung holographischer Information Aufnahme und Wiedergabe von Hologrammen Abgrenzung cw- bzw. Impuls-Holographie

4 XIV Inhaltsverzeichnis Mathematische Beschreibung Beschreibung mit Kugelwellen Räumliche Zuordnung holographischer Bilder Orthoskopie-Pseudoskopie Anwendungen der holographischen Messtechnik Auswertemöglichkeiten von Hologrammen Räumlicher Aspekt, diffuse Ausleuchtung Holographische Interferometrie Zweiwellenlängen-Interferoholographie Klassifizierung nach Aufnahmeanordnungen Fourier-Holographie Fresnel-Transformation, numerische Rekonstruktion Holographische Erfassung von Konturen Transmission- bzw. Reflexions-Hologramme Weißlichtholographie-Lippmann Hologramme Holographische Darstellung displays Regenbogen-Hologramme Holographische Stereogramme Farbholographie Time of flight-holographie Abschließende Anmerkung zur Holographie Absorptions- und Streulicht-Verfahren LIDAR, grundlegende Betrachtung Absorptionsverfahren Messungen mit Hilfe der Resonanzabsorption Fotoakustische Detektionsverfahren Streuprozesse in der Laserdiagnostik Grundlegende Betrachtungen Streulichtspektren aufgrund unterschiedlicher Prozesse Verfahren, basierend auf spontaner Streuung Mie-Streuverfahren Rayleigh-Streuverfahren Raman-Streuverfahren Spezifische spektroskopische Verfahren Laserinduzierte Incandescenz (Glühtechnik) Laserinduzierte Fluoreszenz Übergang zu stimulierter Streuung Grundlagen der Nichtlinearen Optik Beispiel: Drei-Wellen Wechselwirkung Beispiel: Wechselwirkung Strahlungsfeld-Elektron Optisch nichtlineare Streulichtmessverfahren Gasdichtemessung durch CARS...331

5 Inhaltsverzeichnis XV 11 Ultrakurzpuls-Messtechnik Theoretische Grundlagen Mathematische Formulierung Experimentelle Realisierungsmöglichkeiten Passiv gekoppelte Pulslaser Technik kollidierender Pulse mit sättigbaren Absorbern Neuere modengekoppelter Festkörperlaser Verfahren zur Pulsverkürzung und Leistungssteigerung Messung ultrakurzer Laserimpulse Einsatz der Zweiphotonen-Fluoreszenz Einsatz von Streak-Kameras Lineare und nichtlineare Korrelationsverfahren Einsatz von ps-kerrverschlüssen Frequenz-aufgelöstes optisches Takten, FROG Pico- und Subpicosekunden Spektroskopie Ultrakurzzeit-Fotografie Stroboskopische Aufnahmeverfahren Kurzzeitfotografie mit ps- bzw. sub-ps-einzelpulsen Attosekunden-Pulstechnik Femtosekundenlaser erzeugte Attosekunden Pulse Abschließende Anmerkungen Sachverzeichnis...405

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