Diskrete Laser-Ultraschall Spektroskopie für Wellenleiter

Ultraschall wird in vielfältiger Form zur zerstörungsfreien Prüfung verwendet. Allgemein bekannt ist das aus der Medizin, wo hochentwickelte Geräte Bilder aus dem Inneren des Körpers erzeugen. Ähnliche Verfahren gibt es auch um z.B. Sprünge in Flugzeugteilen rechtzeitig zu erkennen, bevor es zu fatalem Strukturversagen kommt. In unserem Projekt wollen wir mit Ultraschall die mechanischen Eigenschaften einer Probe und gleichzeitig ihre Dicke bestimmen. Üblicherweise sendet man einen Ultraschallpuls durch ein Material bekannter Schallgeschwindigkeit und man bestimmt die Zeit bis der Puls, von der Rückseite reflektiert, wieder ankommt. Daraus ergibt sich die Dicke. In unserem Projekt gehen wir davon aus, dass weder die Dicke noch die Schallgeschwindigkeiten des Materials bekannt sind. Will man zum Beispiel die Dicke einer glühenden Stahlplatte messen, ist dies problematisch, weil die Temperatur die Schallgeschwindigkeiten beeinflusst. Man muss also gleichzeitig auch die Schallgeschwindigkeiten bestimmen, um die Dicke zu erhalten. Wir erzeugen und detektieren die Ultraschallwellen mit Lasern, also ohne mechanischem Kontakt. Wenn ein Laserpuls teilweise von einer Oberfläche absorbiert wird, kommt es zu einer lokalen Erwärmung und über die Wärmeausdehnung kommt es zu einer elastischen Welle. Mit Lasern erreicht man damit deutlich höhere Frequenzen also z.B. mit medizinischen Ultraschallgeräten. Man kann deshalb auch deutlich kleinere Defekte erkennen oder dünnere Strukturen untersuchen. Die Ultraschallwelle breitet sich im Material aus und bewirkt Auslenkungen der Oberfläche, die wiederum mit einem Laser gemessen werden. Die Interferenz von zwei Laserstrahlen erlaubt es uns Auslenkungen der Oberfläche von wenigen Pikometern zu detektieren, welche sich im Bereich von Mikrosekunden Nanosekunden abspielen. Ist die untersuchte Probe eine Platte, reflektieren die erzeugten Wellen zwischen die Oberflächen unter allen möglichen Winkeln. Für bestimmte Winkel ergeben sich Wellen sogenannte Moden - die sich entlang der Platte ausbreiten. Diese Plattenwellen sind für Untersuchungen von Platten (im Bereich von Betonwänden bis Mikrofolien) von großem Interesse. Außerdem zeigen sie interessante physikalische Effekte. So weisen Platten bei bestimmten Frequenzen Resonanzen, also besonders hohe Amplituden, auf. Man kann diese Frequenzen sehr genau messen und berechnen. Durch Abgleich von Theorie und Messung sind Rückschlüsse auf die Materialeigenschaften und Dicke möglich. Um zusätzliche Resonanzen zu erzeugen wollen wir den Anregungslaser mit speziellen Optiken zu einem periodischen Muster formen. Wir erzeugen damit Resonanzen in verschiedenen Wellenmoden. Unser Ziel ist es, mit einem einzigen Laserpuls die Dicke und die elastischen Eigenschaften einer Platte zu bestimmen. Außerdem gilt es die Grenzen der Methode, das optimale Anregungsmuster, der mögliche Bereich der Dicke der Probe, mögliche andere Geometrien und die Art der möglichen Materialien, abzustecken.

In dem Projekt wurde verschiedene innovative Methoden zur Untersuchung von Proben mit Ultraschall erforscht. Der Ultraschall wurde dabei mit Hilfe von Lasern kontaktfrei erzeugt und gemessen. Wir haben das Konzept von Laser-Ultraschall für bestimmte Proben weiterentwickelt oder unter anspruchsvollen Bedingungen demonstriert. Für Platten konnten wir eine Kombination von resonanten Moden (der Querschnitt der Platte schwingt hier ähnlich wie eine Saite) mit Oberflächenwellen ausnutzen, um sowohl die Dicke der Platte als auch gleichzeitig ihre Schallgeschwindigkeiten zu bestimmen. Üblicherweise muss man eine dieser Größen kennen, um die andere aus einfachen Ultraschallexperimenten zu bestimmen - so folgt z.B. aus der Laufzeit eines Schallpulses der von der Vorderseite der Platte ausgeht, sich zur Rückseite ausbreitet, dort reflektiert wird und an der Vorderseite detektiert werden kann unmittelbar die Dicke der Platte, kennt man ihre Schallgeschwindigkeit. In unserer Methode, die wir CoMLAS (combined mode local acoustic spectroscopy) nennen nutzen wir ein Lasermuster aus periodischen Linien, um gleichzeitig Plattenresonanzfrequenzen und die Oberflächenwellengeschwindigkeit zu bestimmen. Daraus können Dicke, longitudinale- und transversale Schallgeschwindigkeit berechnet werden. Für die Messung reicht ein einzelner Laserpuls. In Experimenten konnten wir so Dickenvariationen von Platten bestimmen. Außerdem konnten wir die Änderung der Schallgeschwindigkeit messen, die wir durch Heizen einer Platte herbeigeführt haben. Die Dicke wurde währenddessen korrekt bestimmt. Resonante Plattenmoden wurden auch ohne Kombination verwendet, um Stahlplatten während sehr hohen Temperaturen >700C während eines Phasenübergangs zu beobachten. Unter Kenntnis der Plattendicke konnten so longitudinale und transversale Schallgeschwindigkeit bestimmt werden. Dieselbe Methode wurde während dem Prozess der Kaltauslagerung von Aluminiumplatten angewandt, kleine Änderungen in den gemessenen Größen korrelieren mit dem Materialprozess. Die Laseranregung mit periodischen Linien nutzten wir auch um die Oberflächenwellengeschwindigkeit von Proben in Abhängigkeit ihrer Wellenlänge zu vermessen. Bei Proben aus nur einem Material, ist diese Geschwindigkeit für jeden Wellenlänge gleich. Bei Proben mit einer Beschichtung, hängt sie von der Wellenlänge ab, und man kann aus dieser Abhängigkeit auf die Dicke der Schicht oder ihre elastischen Eigenschaften schließen. Wir konnten zeigen, dass mit den periodischen Linien für viele Fälle ausreichende Information mit nur einem einzigen Laserpuls gemessen werden kann. Dabei wird ausgenutzt, dass Wellen, die genau zwischen zwei benachbarte Linien passen konstruktiv interferieren. Dies gilt für die Wellenlänge, die genau dem Linienabstand entspricht, aber auch für solche die 2x, 3x, 4x usw. hineinpassen. So ist es uns gelungen an 3-4 Wellenlängen die Oberflächengeschwindigkeit zu bestimmen und mit der langwierigen Methode zu vergleichen. Schließlich wurde im Projekt noch eine Berechnungsmethode für Plattenwellen in piezoelektrischen Platten entwickelt und mit Laserultraschall Experimenten bestätigt. Wellen in solchen Materialien verhalten sich anders als z.B. in Metallen, da hier bei kleinen Verformungen neben den elastischen auch elektrische Kräfte wirken. Dies soll in einem Folgeprojekt verwendet werden, um piezoelektrische Materialien zu charakterisieren.