Örtlich und zeitlich modulierte akustische Oberflächenwellen

Das vorgeschlagene Projekt beschäftigt sich mit Erzeugung und Detektion von akustischen Oberflächenwellen (AOW) an dünnen Filmen. Das Ziel des Projektes ist die berührungslose, optische Charakterisierung und zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) von Beschichtungen und dünnen Filmen, und insbesondere die Entwicklung und Erforschung neuer experimenteller und numerischer Methoden für räumlich und zeitlich modulierte optisch generierte akustische Oberflächenwellen. Rayleigh-Wellen an der Oberfläche eines isotropen Materials sind nicht-dispersiv. Dieses Verhalten ändert sich jedoch, wenn ein Film mit anderen akustischen Eigenschaften auf das Material abgeschieden wird. Die Wellenlänge und die Eindringtiefe der akustischen Welle sind von der Frequenz abhängig. Bei verschiedenen Frequenzen läuft die Ultraschallwelle zu unterschiedlichen Teilen in der Beschichtung und im Grundmaterial, was zu einem dispersiven Verhalten führt. Mittels der Dispersionsrelation dieser AOW können die Dicke und/oder die elastischen Parameter des Films ausgewertet werden können. Im Laser-Ultraschall (LUS) werden in der Regel kurze Laserpulse verwendet um breitbandige Ultraschallwellen zu erzeugen. Die übliche Puls-Erzeugung hat zwei wesentliche Nachteile. Erstens, wird zur Erhöhung des Signal- Rausch-Verhältnisses (SRV) die optische Leistung erhöht, so kann das Material beschädigt werden. Zweitens führt die Dispersion zur Verbreiterung des akustischen Pulses. Während dieses Verhalten an sich erwünscht ist, da die Auswertung der Materialeigenschaften darauf beruht, ist die Interpretation der erhaltenen Kurven schwierig. Vor allem bei verrauschten Signalen ist das "Unwrappen" der detektierten Wellenform oft schwierig, was zu einer reduzierten Genauigkeit führt. Beide Probleme können durch Pulsmodulations-Techniken umgangen werden. Hierbei wird die Laserenergie zeitlich und/oder räumlich aufgeteilt. Durch die Pulsmodulation kann die Leistungsdichte reduziert werden, oder, bei gleicher Leistungsdichte das SRV gesteigert werden. Darüber hinaus wird die Auswertung der erfassten Wellenform vereinfacht, da nur eine räumliche oder zeitliche Frequenz angeregt wird. Derzeit existieren verschiedenste Arten zur zeitlichen oder räumlichen Pulsmodulation, mit jeweils verschiedenen Vorteilen und Einschränkungen. Das allgemeine Ziel des vorgeschlagenen Projektes ist die Erzeugung und Detektion von akustischen Oberflächenwellen, die zeitlich und räumlich moduliert sind. Durch die Kombination von zeitlich und räumlich moduliertem Laser-Ultraschall kann eine erhöhte Genauigkeit erreicht werden. Dadurch wird die zuverlässige Bestimmung von Materialparameter von Dünnschichten ermöglicht. Des Weiteren werden, neben den experimentellen Arbeiten, grundlegende numerischeheoretische Untersuchung der Laser-Ultraschall-Erzeugung von akustischen Wellen durchgeführt. Das Problem kann dabei durch die gleichzeitige Lösung der Wellengleichung und der Wärmeleitungsgleichung behandelt werden. Simulationen der angeregten zeitlich und räumlich modulierten Muster werden in einem Finite-Elemente-Programm ausgeführt.