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Eindringtiefe Laserstrahl in Mehrschichtsystem
 
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k123456



Anmeldungsdatum: 22.08.2017
Beiträge: 6

Beitrag k123456 Verfasst am: 29. Aug 2017 12:15    Titel: Eindringtiefe Laserstrahl in Mehrschichtsystem Antworten mit Zitat

Hallo Leute,

ich interessiere mich dafür, wie man die optische Eindringtiefe eines Laserstrahls in einem Dreischichtsystem unterschiedlicher Materialien berechnet. Ich nehme an, dass die erste Schicht nahezu vollständig absorbiert (Planck) und in der zweiten Schicht die gesamte absorbierte Strahlung an die dritte Schicht weitergegeben wird und der Laserstrahl senkrecht auf die Oberfläche auftrifft.

Wenn der Laser beispielsweise eine Pulsleistung von 15 Ws besitzt und ein Pulst eine µs dauert, hätte ich bei einem Strahldurchmesser von eine Spitzenintensität an der Oberfläche der obersten Schicht.

Wie bekomme ich den Absorptionskoeffizienten heraus um dann über das Lambert-Beersche Gesetz die Eindringtiefe zu berechnen?



Die Wellenlänge des Lasers ist ja auch bekannt.
Ich glaube das k macht hier Probleme.

Über einen Tipp wäre ich sehr dankbar Thumbs up!
Chillosaurus



Anmeldungsdatum: 07.08.2010
Beiträge: 2440

Beitrag Chillosaurus Verfasst am: 03. Sep 2017 21:11    Titel: Re: Eindringtiefe Laserstrahl in Mehrschichtsystem Antworten mit Zitat

k123456 hat Folgendes geschrieben:
Hallo Leute,

ich interessiere mich dafür, wie man die optische Eindringtiefe eines Laserstrahls in einem Dreischichtsystem unterschiedlicher Materialien berechnet. Ich nehme an, dass die erste Schicht nahezu vollständig absorbiert (Planck) und in der zweiten Schicht die gesamte absorbierte Strahlung an die dritte Schicht weitergegeben wird und der Laserstrahl senkrecht auf die Oberfläche auftrifft.

Verstehe die Fragestellung nicht. Die absorbierte Strahlung wird nicht transmittiert. Oder liegt die zweite Schicht nicht hinter der ersten...?
k123456



Anmeldungsdatum: 22.08.2017
Beiträge: 6

Beitrag k123456 Verfasst am: 04. Sep 2017 07:37    Titel: Antworten mit Zitat

Die Strahlung wird durch Wärmeleitung durch den dreischichtigen Zylinder geleitet, wobei der nicht in der Probe gespeicherte Anteil der eingetragenen Energie dann am unteren Ende (in z-Richtung) durch Wärmestrahlung abgegeben wird. Nun möchte ich gerne wissen, wie man die optische Eindringtiefe des Laserstrahls berechnet. Inwiefern spielen die Schichten (verschiedene thermische Eigenschaften) bei der Berechnung eine Rolle?
Chillosaurus



Anmeldungsdatum: 07.08.2010
Beiträge: 2440

Beitrag Chillosaurus Verfasst am: 05. Sep 2017 20:24    Titel: Antworten mit Zitat

Also: davon ausgehen, dass Material 1 komplett absorbiert und dann wie ein schwarzer Körper ausstrahlt.
Wenn du dann im nächsten Material Absorption betrachtet, dann kann man das Lambert-Beer-Gesetz nutzen. Der Absorptionskoeffizient hängt mit dem Wirkunsquerschnitt für die Absorption zusammen und ist auch wellenlängenabhängig (wie auch der Realteil des Brechungsindex).
k123456



Anmeldungsdatum: 22.08.2017
Beiträge: 6

Beitrag k123456 Verfasst am: 11. Sep 2017 08:43    Titel: Antworten mit Zitat

Könntest du das bitte noch ein wenig ausführlicher erklären, wie man bei hier bei der Berechnung des Absorptionskoeffizienten vorgeht? Mir ist leider noch nicht ganz klar, wie ich das k rausbekomme.
Chillosaurus



Anmeldungsdatum: 07.08.2010
Beiträge: 2440

Beitrag Chillosaurus Verfasst am: 12. Sep 2017 22:21    Titel: Antworten mit Zitat

Ich dachte, dass wolltest du dir sparen, indem du von vollständiger Absorption ausgehst.
Die Frage, die dann relevant ist, ist vielmehr: welche Temperatur solltest du für den schwarzen Körper ansetzen.
k123456



Anmeldungsdatum: 22.08.2017
Beiträge: 6

Beitrag k123456 Verfasst am: 13. Sep 2017 09:18    Titel: Antworten mit Zitat

Ich glaube, dass ich grundlegend etwas verwechselt habe. Ich dachte, dass es einen Unterschied zw. dem Absorptionsgrad (einheitenlos) und demAbsorptionskoeffizienten (1/cm) gibt.

Die vergleichsweise sehr dünne Schicht auf der Oberfläche der zweiten Schicht verbessert durch die ihre hohe Absorption (schwarz) die Aufnahme der Wärmestrahlung der darunterliegenden zweiten Schicht an deren Oberfläche.

In der zweiten Schicht (Isolator) wird die Wärme schlecht geleitet, weshalb mich die optische Eindringtiefe der Strahlung interessiert hätte. Die Schwarze Schicht ist nicht weiter interessant und soll eher als Randbedingung für den Wärmetransport durch den Isolator, welcher kein Schwarzkörperverhalten aufweist, fungieren.

Für den Schwarzen Körper (erste Schicht) erhöht sich ja die Temperatur der Materialoberfläche durch die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit der Materie. Demzufolge hätte ich die Temperaturerhöhung wie folgt berechnet:



Mit an der Oberfläche der Schwarzen Schicht ergäbe sich für die abgestrahlte Wärmeleistung mit der Annahme



Ich interpretiere das so, dass die verbleibende Wärmeleistung, reduziert um den abgestrahlten Anteil P, nun an die zweite (zu untersuchende) Schicht weitergegeben werden kann
Chillosaurus



Anmeldungsdatum: 07.08.2010
Beiträge: 2440

Beitrag Chillosaurus Verfasst am: 16. Sep 2017 13:00    Titel: Antworten mit Zitat

k123456 hat Folgendes geschrieben:
Ich glaube, dass ich grundlegend etwas verwechselt habe. Ich dachte, dass es einen Unterschied zw. dem Absorptionsgrad (einheitenlos) und demAbsorptionskoeffizienten (1/cm) gibt.

Selbstverständlich gibt es den.
Dein Absorptionskoeffizent gibt die exponentielle Abnahme deiner Lichtintensität vor. Wenn du diese Annahme übernimmst und davon ausgehst, dass du vollständig absorbierst, heißt dass automatisch, dass dein Absorptionskoeffizient --> unendlich geht.

Zitat:

Die vergleichsweise sehr dünne Schicht auf der Oberfläche der zweiten Schicht verbessert durch die ihre hohe Absorption (schwarz) die Aufnahme der Wärmestrahlung der darunterliegenden zweiten Schicht an deren Oberfläche.

Was war nochmal welche Schicht... Kannst du eine Skizze machen?
Zitat:

In der zweiten Schicht (Isolator) wird die Wärme schlecht geleitet, weshalb mich die optische Eindringtiefe der Strahlung interessiert hätte. Die Schwarze Schicht ist nicht weiter interessant und soll eher als Randbedingung für den Wärmetransport durch den Isolator, welcher kein Schwarzkörperverhalten aufweist, fungieren.

Für den Schwarzen Körper (erste Schicht) erhöht sich ja die Temperatur der Materialoberfläche durch die Wechselwirkung der Laserstrahlung mit der Materie. Demzufolge hätte ich die Temperaturerhöhung wie folgt berechnet:



Was sollen jetzt deine Symbole bedeuten?
Wie kommt da die Zeitabhängigkeit ins Spiel?
Zitat:


Mit an der Oberfläche der Schwarzen Schicht ergäbe sich für die abgestrahlte Wärmeleistung mit der Annahme



Ich interpretiere das so, dass die verbleibende Wärmeleistung, reduziert um den abgestrahlten Anteil P, nun an die zweite (zu untersuchende) Schicht weitergegeben werden kann

Du hast im Prinzip Abstrahlung in alle Richtungen. Von der Leistung, die in Richtung der nächsten Schicht abgestrahlt wird ein Teil reflektiert, ein Teil absorbiert (Schicht wärmt sich auf) und ein Teil tranmittiert. Wenn die zweite Schicht ein schlechter Wärmeleiter ist, so wird vor allem der langwellige Bereich des EM-Spektrums geblockt.
k123456



Anmeldungsdatum: 22.08.2017
Beiträge: 6

Beitrag k123456 Verfasst am: 21. Sep 2017 14:18    Titel: Antworten mit Zitat

In der Skizze bildet die ideal absorbierende Schicht die erste Schicht, der Isolator die zweite und der Leiter die dritte. Die im idealen Fall vollständig absorbierte Energie des Lasers wird an die zweite Schicht, den Isolator, über Wärmeleitung weitergegeben und fungiert somit als Randbedingung an der Oberkante des Isolators (rote Kante). Über die Höhe der Probe bzw. des Isolators nimmt die eingetragene Intensität des Laserpulses (gelbe Linie) exponentiell ab (optische Eindringtiefe).

Weshalb ich die Pulsdauer mit einbezogen habe, liegt meiner Interpretation nach daran, dass die Intensität mit abnehmender Pulsdauer steigt und umgekehrt und damit auch die optische Eindringtiefe variiert. Die anderen Symbole , , drücken die Dichte, die spez. Wärmekapazität und das Volumen der schwarzen Schicht aus, wobei der Index BB für Blackbody steht. Mit der maximalen Temperaturerhöhung lässt sich nun auch die Wärmeabstrahlung der schwarzen Schicht berechnen.

Interne Reflexionen möchte ich - sofern möglich und nötig - erst im weiteren Verlauf berücksichtigen



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