Charakterisierung von Mehrschichtsystemen mithilfe eines optischen Oberflächenwellenspektrometers

Steigende Anforderungen an Qualität und Funktionalität sind in der industriellen Fertigung und Oberflächentechnik v. a. bei funktionalen Mehrschichtsystemen zu beobachten. Eine kostengünstige und qualitativ hochwertige mehrschichtige Oberflächenbehandlung erfordert daher eine regelmäßige und möglichst lückenlose Überwachung der Bauteile. Diese Überwachung ist aktuell nur bei einschichtigen Systemen zerstörungsfrei möglich. Mehrschichtige Beschichtungen sind ausschließlich zerstörend charakterisierbar.

Ziel ist die Weiterentwicklung eines laserakustischen Messverfahrens zur zerstörungsfreien und berührungslosen Messung der mechanischen Eigenschaften von oberflächennahen Schichten bei Mehrschichtsystemen. Die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften erfolgt über die Messung der dispersiven Ausbreitungseigenschaften von akustischen Oberflächenwellen (OFW) über einen großen Frequenzbereich. Die berührungslose Anregung der OFW erfolgt über die Absorption eines fokussierten Pulslasers. Die Detektion erfolgt über ein Interferometer mit einem photorefraktiven Kristall. Schwerpunkt der Entwicklung liegt in der Methodenauswahl und Realisierung für eine spätere Verwendung im industriellen Einsatz.

Die Technologie zur Laseranregung und Detektion von OFW soll so weiterentwickelt werden, dass eine industrielle Anwendung ermöglicht wird. Das Messverfahren ist potentiell inlinefähig und kann eine schnelle 100%-Prüfung ermöglichen. Mit der Überführung einer Grundlagenuntersuchung in die industrielle Anwendung ist einen Beitrag zur Qualitätssicherung in der Oberflächentechnik und damit auch eine Schonung von Materialressourcen möglich.

Laboraufbau Laserakustik

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Frequency-Resolved High-Frequency Broadband Measurement of Acoustic Longitudinal Waves by Laser-Based Excitation and Detection

Brand, Felix; Drese, Klaus Stefan (2024)

Sensors 24 (5), S. 1630.
DOI: 10.3390/s24051630

Open Access Peer Reviewed

ABSTRACT

Optoacoustics is a metrology widely used for material characterisation. In this study, a measurement setup for the selective determination of the frequency-resolved phase velocities and attenuations of longitudinal waves over a wide frequency range (3-55 MHz) is presented. The ultrasonic waves in this setup were excited by a pulsed laser within an absorption layer in the thermoelastic regime and directed through a layer of water onto a sample. The acoustic waves were detected using a self-built adaptive interferometer with a photorefractive crystal. The instrument transmits compression waves only, is low-contact, non-destructive, and has a sample-independent excitation. The limitations of the approach were studied both by simulation and experiments to determine how the frequency range and precision can be improved. It was shown that measurements are possible for all investigated materials (silicon, silicone, aluminium, and water) and that the relative error for the phase velocity is less than 0.2%.