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 8 GHz. Diese Eigenschaften sind unabhängig vom Messabstand, sodass 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.
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Der Doppler-Effekt
Wird die Welle von einem bewegten Objekt reflektiert und von 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.
Optischer Aufbau
Wie nun diese physikalische Gesetzmäßigkeit im LDV technisch ausgenutzt wird, zeigt Ihnen die Abbildung ganz oben auf dieser Seite.
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 Doppler-Frequenzverschiebung
Die Änderung der optischen Weglänge pro Zeiteinheit manifestiert sich als Dopplerfrequenzverschiebung des Messstrahls. Messtechnisch wird die Modulationsfrequenz des Interferenzsignals bestimmt, die direkt proportional zur Geschwindigkeit des Messobjektes ist. Da eine Objektbewegung vom Interferometer weg gleiche Modulationsmuster (und -frequenzen) hervorruft wie eine Objektbewegung 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 Laserlicht besitzt eine Frequenz von 4,74 · 1014 Hz). Hierdurch wird eine Modulationsfrequenz des Interferenzsignals 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-Dunkel-Übergänge auf dem Detektor gezählt. Durch geeignete Interpolationstechnik erreichen Polytec 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.