Schallfeldoptimierung und Beispiele der berührungslosen laser-akustischen Mikroskopie

Die zerstörungsfreie Prüfung unter Zuhilfenahme akustischer Methoden ermöglicht neben der reinen Darstellung geometrischer Strukturen Änderungen spezifischer Materialeigenschaften und mechanischer Spannungszustände abzubilden. Konventionelle Ultraschalltechnik setzt jedoch in den meisten Fällen ein direktes Ankoppeln eines Sensors an die Oberfläche des Prüflings oder das Arbeiten in Immersionstechnik voraus. Bei einer Vielzahl von Prüfaufgaben ist dies technologiebedingt allerdings nicht möglich und führt zwangsläufig zu einem Ausscheiden akustischer Methoden und dem Verzicht auf den damit verbundenen Informationsgewinn. Diese Lücke der zerstörungsfreien Prüfung schließt die laser-akustische Mikroskopie, indem akustische Wellen durch den Einsatz von Lasersystemen gezielt angeregt sowie detektiert werden, ohne den Prüfling mit weiteren Medien in Kontakt bringen zu müssen. Dabei werden die Schallwellen nicht wie bisher von einem externen Schallwandler emittiert und anschließend in den Prüfling eingekoppelt, sondern direkt an der Oberfläche erzeugt. Realisiert wird dies durch einen gepulsten Anregungslaser, welcher einem oberflächennahen Volumenelement einen Temperaturgradient einprägt. Über der mit der thermischen Expansion einhergehenden Gefügeverschiebung entsteht ein mechanisches Spannungsfeld als Quelle akustischer Wellen. Treffen gestreute oder transmittierte Teile der akustischen Wellen auf eine freie Oberfläche wird diese in ihrer Normalenrichtung ausgelenkt und über ein zweites Lasersystem detektiert. Damit werden die Vorteile optischer Systeme mit den Stärken etablierter Ultraschallanalytik kombiniert und lassen ein vielversprechendes Prüfverfahren entstehen. Eine zentrale Fragestellung ist die Charakterisierung und Optimierung der Laser-Akustischen Quellwirkung. Ein tiefgehendes Verständnis der Wechselwirkung zwischen den optischen und akustischen Strahlen bzw. Wellen ermöglicht in den optischen Aufbau einzugreifen und ein für die Messaufgabe optimales Schallfeld zu erzeugen. Neben realen Messergebnissen ist eine Methode vorgestellt, die es ermöglicht, ausgehend von der optischen Energieverteilung auf der Probenoberfläche das akustische Schallfeld im Probenvolumen abzuleiten. Dies dient als Werkzeug zur Verbesserung der Abbildungseigenschaften verdeckter Strukturen mittels Laser-Akustischem Ultraschall