Miniaturisierung eines Optischen Oberflächenwellen Spektrometer für berührungslose Materialprüfung (Akronym: mOOS)

Förderprogramm:  Programm zur Förderung der angewandten Forschung und Entwicklung an Hochschulen für angewandte Wissenschaften

Im Förderprojekt „mOOS“ soll die Weiterentwicklung eines innovativen zerstörungsfreien und berührungslosen Messverfahrens zur Messung und Charakterisierung von relevanten oberflächennahen Materialeigenschaften wie Härtegradienten, Beschichtungen oder Mikrostrukturänderungen vom sperrigen und störempfindlichen Laboraufbau zu einem robusten, miniaturisierten und prozesstauglichen online-Messgerät erfolgen. Das weiterzuentwickelnde Messverfahren beruht auf der berührungslosen Anregung und Detektion von akustischen Oberflächenwellen (engl. Surface Acoustic Wave, SAW) auf der zu charakterisierenden Materialoberfläche über gepulste Laser (Laserultraschall). Durch die vom Laserstrahl verursachte thermische Ausdehnung und Kontraktion des Materials werden auf der Materialoberfläche akustische Oberflächenwellen in einem breitbandigen Frequenzbereich angeregt. Die unterschiedlichen Frequenzanteile dringen dabei unterschiedlich tief in das Material ein, so dass über einen großen Tiefenbereich Materialinformationen gewonnen werden können. Messgröße ist die Oberflächenwellen-Geschwindigkeit, welche mit einer Vielzahl von Materialparametern wie Materialhärte, Mikrostruktur oder Eigenschaften von Beschichtungen korreliert.

Die Detektion der Oberflächenwellen erfolgt ebenfalls berührungsfrei über ein Interferometer. Aktuell basiert das im Laboraufbau des ISAT verwendete Interferometer auf Zweistrahlmischung in einem photorefraktivem Kristall. Ziel des Vorhabens ist es, den sperrigen Tischaufbau mit freiraumoptischen Komponenten (Laserquelle, Linsen und Interferometer mit photorefraktivem Kristall), welche sehr aufwendig justiert werden müssen und bedingt dadurch nicht für den Einsatz im industriellen Umfeld geeignet sind, durch ein deutlich kostengünstigeres kompaktes, mechanisch stabiles mikrooptisches System zu ersetzen. Die Tauglichkeit dieses miniaturisierten Messsystems für den industriellen Einsatz ist anschließend gemeinsam mit den Firmenpartnern zu demonstrieren. Der innovative Entwicklungsansatz basiert auf einer neuartigen Kombination von akustischen Oberflächenwellen mit planar integrierten optischen Wellenleitern, Faseroptik und mikromechanischer Aufbau- und Verbindungstechnik.

Materialeigenschaften, die mit dem mOOS-Verfahren erfasst werden können:                 

  • Materialhärte
  • Härte-Tiefe-Gradienten
  • Eigenschaften der Mikrostruktur
  • Anisotropie
  • Risse
  • Bestimmung von viskoelastischen Eigenschaften von Polymeren, optisch nicht erkennbare Fehlstellen, Charakterisierung von Schichtsystemen z.B. Dicke und Eigenschaften von Beschichtungen (z.B. Polymer, Harteloxal)

Vorteile des mOOS-Verfahrens

  • Kompakter, robuster Aufbau
  • Kombiniert berührungslose, zerstörungsfreie und schnelle Messtechnik mit tomographie-ähnlichen Ultraschallverfahren
  • Härteprofil, Einschlüsse von Partikeln oder Gasblasen, Verspannungen bilden sich im Messsignal der Oberflächenwellen ab.
  • Änderungen der Ausbreitungseigenschaften der Oberflächenwellen sind kontaktfrei erfassbar
  • Bestimmung von viskoelastischen Eigenschaften von Polymeren, optisch nicht   erkennbare Fehlstellen, Charakterisierung von Schichtsystemen
  • Unempfindlichkeit gegenüber Speckle, rauen Oberflächen
  • Unempfindlichkeit gegenüber Erschütterungen
  • Keine spezielle Probenvorbereitung notwendig
  • Messdauer 1 s/Messstelle
  • Tiefenbereich, welcher erfasst werden kann: 50 µm bis 2 mm