Laser Induzierte Fluoreszenz

Planar Laser Induced Fluorescence (PLIF = LIF Imaging) ist eine sehr empfindliche und Spezies selektive Laser Imaging Technik zur Messung von Dichte-, Konzentrations- und Temperaturfeldern in strömungsphysikalischen Prozessen, Sprays sowie in Verbrennungsprozessen. LIF Imaging erlaubt einen molekülspezifischen Nachweis mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung. Verbrennungsspezies wie z. B. Flammenradikale oder die meisten Kraftstoffkomponenten können direkt mit der LIF Technik sichtbar gemacht werden. Wenn die Strömung selbst keine LIF-aktiven Moleküle enthält (wie N₂, CH₄ oder Wasser), wird das Fluid mit fluoreszierenden Markern, sogenannten Tracern, geimpft, um Skalarfelder in Strömungen zu messen.

Prinzip der LIF Technik
Der LIF Prozess erfolgt in zwei Schritten: Absorption eines Laser Photons gefolgt von der Emission eines Fluoreszenz Photons aus dem angeregten elektronischen Zustand. Für die Absorption muss die Laser Wellenlänge λ_L auf einen erlaubten elektronischen Übergang des LIF-aktiven Moleküls abgestimmt werden. Nur ein Teil dieser angeregten Moleküle Φ_LIF fluoresziert, der Rest relaxiert über strahlungslose Zerfallsprozesse. Ein optischer Filter selektiert die rotverschobene Fluoreszenz mit der Emissionswellenlänge λ_LIF. Wiederum nur ein Bruchteil η aller ausgestrahlten LIF Photonen wird vom Kameraobjektiv erfasst und als Photoelektron schließlich von der Kamera als Signal S_F detektiert.

LIF Imaging Aufbau
Für das LIF Imaging wird der Laserstrahl zu einem dünnen Lichtschnitt (oder zu einem Lichtkanal für tomographische LIF Aufnahmen) geformt und durch das Messmedium z. B. eine Flamme, einen Spraykegel oder eine Wärmeströmung geleitet. Ein Bruchteil des Fluoreszenzlichts der angeregten Moleküle wird hinter dem Filter von einer Kamera erfasst. LIF Imaging in Gasströmungen benötigt i. d. R. einen gepulsten UV-Laser sowie einen UV-empfindlichen Bildverstärker vor der Kamera. Die Kalibrierung des Kamerasignals in Einheiten der gemessenen Größe geschieht mit Hilfe von LIF Messungen unter bekannten Bedingungen.

Vorteile der LIF Messtechnik
Die LIF Technik zeichnet sich durch eine hohe Nachweisselektivität aus. So ist es z. B. möglich, in Verbrennungsprozessen nur ein spezielles Radikal unter hunderten verschiedener Flammenspezies zur Lichtemission anzuregen. Für kleine, typischerweise 2-atomige Moleküle können einzelne Quantenzustände geprobt werden, um Gastemperaturen selbst unter Nicht-Gleichgewichtsbedingungen zu messen.
Auf Grund der Rotverschiebung der Fluoreszenz Emission kann störendes Streulicht wie die gleichzeitig angeregte Mie-Streuung auf der Laser Wellenlänge effektiv unterdrückt werden.
Die LIF Imaging Technik ist besonders attraktiv, da es sich hierbei im Gegensatz zu den nicht-resonanten Techniken Rayleigh und Raman um einen resonanten Absorptionsprozess mit großem Wirkungsquerschnitt handelt. Auf Grund der daraus resultierenden hohen Nachweisempfindlichkeit kann die LIF Technik z. B. Flammenradikale oder andere Spezies im ppm oder sub-ppm Bereich detektieren. Sensitivität und Selektivität sind somit die zwei Hauptvorzüge der LIF Imaging Technik.