Laser-Doppler-Vibrometrie

Die Laser-Doppler-Vibrometrie (LDV) ist derzeit das Verfahren mit der höchsten Auflösung von Wegen und Geschwindigkeiten und wird in vielen Bereichen der Grundlagenwissenschaften eingesetzt. Es ermöglicht Auflösungen von Femtometer-Amplituden und ist linear und damit amplitudentreu bis in den Bereich von sehr hohen Frequenzen - bis weit über 2 GHz. Diese Eigenschaften sind unabhängig vom Messabstand, so dass dieses Prinzip sowohl mikroskopisch als auch über sehr weite Distanzen eingesetzt wird. Licht als Sensor beeinflusst das Messobjekt nicht, ist also rückwirkungsfrei, und erlaubt deshalb Messungen auf kleinsten und leichtesten Strukturen. Wegen seiner derzeit unschlagbaren Eigenschaften hat Polytec das Verfahren robust und für Labor und Aussenbereich einsatzfähig gemacht.

Vibrometertypen

Grundlagen Laservibrometrie

Der Doppler-Effekt

Wird die Welle von einem bewegten Objekt reflektiert und einem Messsystem detektiert (wie es im LDV der Fall ist) beträgt die gemessene Frequenzverschiebung der Welle:

fD = 2· v/λ

mit v gleich der Geschwindigkeit des Objektes und λ der Wellenlänge der ursprünglichen Welle. Damit Sie im Umkehrschluss die Geschwindigkeit eines Objektes bestimmen können, messen Sie bei bekannter Wellenlänge die (Doppler-) Frequenzverschiebung. Dies erreichen Sie mit Hilfe eines Interferometers im LDV.


Interferometrie

Die Basis der Laser-Doppler-Vibrometer bildet das Prinzip der optischen Interferenz, dessen Kernaussage darin besteht, dass bei der Überlagerung zweier zeitlich kohärenter Licht-Strahlen mit den Einzelintensitäten I1 und I2 die Gesamtintensität beider Strahlen nicht einfach gleich der Summe der Einzelintensitäten ist, sondern nach der Formel:

Itot = I1 + I2 + 2 √(I1 I2) cos [2π(r1 - r2)/λ]

mit einen sog. Interferenzterm moduliert ist. Dieser Interferenzterm bedeutet, dass bei einer Wegdifferenz zwischen beiden Strahlen, die einem ganzzahligen Vielfachen der Wellenlänge des Lichtes entspricht, die Gesamtintensität das Vierfache einer Einzelintensität beträgt.


Optischer Aufbau

Wie nun diese physikalische Gesetzmäßigkeit im LDV technisch ausgenutzt wird, zeigt Ihnen die obere Abbildung.

Der Strahl eines Lasers wird von einem Strahlteiler (BS 1) in einen Referenz- und einen Messstrahl aufgeteilt. Der Messstrahl passiert den zweiten Strahlteiler (BS 2), wird auf das Messobjekt fokussiert und von dort reflektiert. Dieser reflektierte Strahl wird von BS 2 nun (im Bild) nach unten abgelenkt und mit dem Referenzstrahl auf dem Detektor überlagert.

Da der optische Weg des Referenzstrahls (mit Ausnahme vernachlässigbarer thermischer Effekte auf das Interferometer) zeitlich konstant ist (r2 = const.), erzeugt eine Bewegung des Messobjektes (r1 = r(t)) ein für die Interferometrie typisches Hell-Dunkel-Muster auf dem Detektor. Ein kompletter Hell-Dunkel-Zyklus auf dem Detektor entspricht dabei einer Verschiebung des Objektes von genau einer halben Wellenlänge des verwendeten Lichtes. Im Falle des häufig für Vibrometer verwendeten Helium-Neon-Lasers entspricht dies einem Weg von 316 nm.

Die Änderung der optischen Weglänge pro Zeiteinheit manifestiert sich als Dopplerfrequenzverschiebung des Messstrahls. Messtechnisch wird die Modulationsfrequenz des Interferenzmusters bestimmt, die direkt proportional zur Geschwindigkeit des Messobjektes ist. Da eine Objekt-Bewegung vom Interferometer weg gleiche Modulationsmuster (und -frequenzen) hervorruft wie eine Objekt-Bewegung auf das Interferometer zu, kann mit diesem Aufbau allein noch nicht die Richtung des Objektes eindeutig erkannt werden. Zu diesem Zweck wird in den Referenzstrahl ein akusto-optischer Modulator (Bragg-Zelle) eingesetzt, der eine Verschiebung der Licht-Frequenz um typisch 40 MHz bewirkt (zum Vergleich: das Laser-Licht besitzt eine Frequenz von 4,74 · 1014 Hz). Hierdurch wird eine Modulationsfrequenz des Interferenzmusters von typ. 40 MHz erzeugt, die einen Stillstand des Messobjekts anzeigt. Bewegt sich das Objekt auf das Interferometer zu, wird diese Modulationsfrequenz vergrößert, bewegt es sich hingegen vom Vibrometer weg, sieht der Detektor eine Frequenz, die kleiner als 40 MHz ist. Dadurch ist es möglich, nicht nur die Weglänge, sondern auch die Bewegungsrichtung eindeutig zu bestimmen.


Weg oder Geschwindigkeit

Prinzipiell ist es möglich, mit dem LDV nicht nur Geschwindigkeiten, sondern auch direkt Wege zu messen. In diesem Fall wird nicht die Doppler-Frequenz in eine Geschwindigkeitsproportionale Spannung umgewandelt, sondern die Hell-Dunkelübergänge auf dem Detektor gezählt. Durch geeignete Interpolationstechnik erreichen Polytecs Vibrometer so eine Auflösung von 2 nm, bei digitaler Demodulationstechnik sogar bis in den Bereichen von pm. Bei niedrigen Frequenzen (im sub-HZ-Bereich) sollten Sie eher auf die Weg-, bei höheren Frequenzen eher auf die Geschwindigkeits-Demodulation zurückgreifen, da für die maximalen Amplituden harmonischer Schwingungen gilt:

v = 2π • f • s

Mit zunehmender Frequenz erzeugt eine Schwingung eine relativ große Geschwindigkeit bei schon sehr niedriger Weg-Amplitude.

Ihr PolyXpert für Vibrometrie