Lichtstreuung bei Wasser

Fällt Licht auf einen Wassertropfen, so wird es von dem Tropfen in den gesamten Raum gestreut. Um einen besseren überblick zu bekommen, wird das vom Tropfen gestreute Licht in seine gebrochenen, reflektierten und gebeugten Anteil aufgespalten, wobei der letztere nicht weiter betrachtet werden soll.


Bild 1: Lichtstreuung am Wassertropfen

Wie in Bild 1 zu erkennen wird ein Teil des auf den Tropfen auftreffende Lichts direkt reflektiert, ein Teil wird an der Phasengrenze gebrochen und setzt seinen Weg im Tropfen fort, bis es wiederum auf die Phasengrenze trifft und erneut gebrochen und reflektiert wird. Das reflektierte Licht setzt seinen Weg im Tropfen fort, das gebrochene fällt aus dem Tropfen aus.

Das direkt reflektierte Licht wird mit dem Streumodus 0 bezeichnet (p=0). Das gebrochene Licht mit dem Steumodus 1 (p=1). Mit dem Streumodus p=2 wird einfach intern reflektiertes Licht bezeichnet, p=3 bezeichnet zweifach intern reflektiertes Licht usw. Die Raumrichtung, in die Licht der einzelnen Streumoden bei einem halbseitig bestrahlten Wassertropfen fällt, ist in Bild 2 dargestellt.


Bild 2: Einzelne Streumoden bei der Lichtstreuung am Wassertropfen

Unter der Annahme, dass der Tropfendurchmesser viel kleiner ist als die Entfernung eines Beobachters zum Tropfen, kann der Tropfen als Punktlichtquelle angesehen werden.


Bild 3: Lichtverstärkung in Abhängigkeit vom Streuwinkel

Wenn parallel polarisiertes Licht auf den Wassertropfen (Brechungsindex n=1,333) vom Durchmesser d fällt, dann wird das Licht also in den gesamten Raum gestreut. Im Bild 3 ist die Lichtverstärkung G über dem Streuwinkel dargestellt, wobei nur gebrochenes und reflektiertes Licht berücksichtigt wird. Dabei wird gezeigt, aus welchem Streumodus p wieviel Licht vom Tropfen in einen bestimmten Raumwinkel gestreut wird.

Die Intensität I des in einen bestimmten Raumwinkel gestreuten Lichts kann aus der Lichtverstärkung über


berechnet werden.

In Bild 1 ist dargestellt, dass ein Lichtstrahl beim Austritt aus dem Tropfen zu einem virtuellen Lichtstrahl, der durch den Mittelpunkt des Tropfens geht und parallel zu realen Lichtstrahl ausfällt, einen gewissen Gangunterschied aufweist. Dabei hat ein Tropfen des Streumodus 0 beim Beobachten aus einer gewissen Distanz zum Tropfen einen kürzeren Weg als der virtuelle Strahl, Strahlen aller anderen Streumoden einen längeren. In Bild 1 ist dies beispielhaft für den Streumodus 0 dargestellt. Der virtuelle Lichtstahl ist durch die gestrichelte Linie dargestellt, der Gangunterschied durch die Strecke A-B auf der gestrichelten Linie.

Solche Diagramme bilden unter anderem die Grundlage für die Wahl des off-axis-Winkels j und damit die Grundlage für die Qualität der emfangenen Signale. Allgemein ist die Lichtintensität in Vorwärtsrichtung (j < 90) stärker als in Rückwärtsrichtung (j > 90) (man beachte die logarithmische Aufteilung des Diagramms in Bild 3). Andererseits ist die Eindeutigkeit des empfangenen Lichts wichtig, d.h. das Empfangene Licht sollte möglichst aus nur einem Streumodus stammen oder unter dem Empfangswinkel sollte ein Steumodus dominat sein.

Beispiel mit Grundlage Wasser: Bei 73 nur einfach gebrochenes Licht (p=1).

Ein Winkel j < 10 ist wegen des deutlichen Einflusses von gebeutem Licht für die Phasen-Doppler-Messung nicht anwendbar.


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Otto-von-Guericke Universität Magdeburg / ISUT