CD-Labor für Photoakustik und Laser-Ultraschall

Im Zentrum steht die grundlagenorientierte Forschung auf dem Gebiet der photoakustischen Abbildung und des Laser-Ultraschalls. Darauf aufbauend werden berührungslose Methoden zur zerstörungsfreien Prüfung von Materialien unter Einsatz von optisch angeregten Schallwellen entwickelt.

Von der Biomedizin bis zur Stahlindustrie werden bildgebende Verfahren benötigt, um die innere Struktur von Materialien darstellen zu können, ohne sie zu zerstören. Um auf diese Weise ein Material zu prüfen, können Schallwellen eingesetzt werden. Dies erfolgt mithilfe zweier verschiedener Verfahren, die bei den Forschungsarbeiten untersucht und weiterentwickelt werden.

Bedient man sich des Laser-Ultraschalls, werden die ausgestrahlten Schallwellen, sobald sie auf die Materialprobe treffen, unmittelbar an der Oberfläche absorbiert – quasi geschluckt. An dieser Stelle der Probe kommt es zu einer plötzlichen Erwärmung und einer damit verbundenen thermischen Ausdehnung, die einen Ultraschall-Puls entstehen lassen. Dieser Puls breitet sich im Inneren der Probe aus und wird an den inneren Strukturen reflektiert. Diese Reflexion kann an der Oberfläche mit einem optischen Interferometer detektiert werden und Auskunft über das Innere der Probe geben. Sind die zu untersuchenden Proben halb durchlässig, wird das Licht des Pulslasers erst im Inneren der Probe absorbiert. Die dadurch entstehende Schallwelle kann wiederum an der Probenoberfläche detektiert und in einem weiteren Schritt zur Rekonstruktion der absorbierten Energiedichte genutzt werden. Dabei handelt es sich um die Methode der photoakustischen Abbildung.

Dieses Verfahren wurde bisher erfolgreich für biomedizinische Anwendungen genutzt, weist aber auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung einige Unzulänglichkeiten auf, die dank der Forschungsarbeit beseitigt werden. Auch behindert beim Einsatz herkömmlicher Detektoren die bisher notwendige Koppelung des Detektors mit der Probe durch ein Wasserbad beispielsweise die Verwendung der photoakustischen Methode in der industriellen Qualitätskontrolle. Weiters kann man bei der Bildrekonstruktion nicht immer von einer konstanten Schallgeschwindigkeit ausgehen. Bei Kompositen – also Materialien, die z. B. aus Stahl und Kunststoff bestehen – ist dies nicht der Fall, weshalb es zu verzerrten Ergebnissen kommen kann.

Aus diesem Grund werden optische Detektionsmethoden verwendet, um eine neue Methode zu entwickeln, nämlich die berührungslose photoakustische Tomographie für die zerstörungsfreie Prüfung. In Kombination der Methode mit Laser-Ultraschall in einem gemeinsamen Aufbau wird es möglich, die örtliche Verteilung der Schallgeschwindigkeit in der Probe zu bestimmen. Dabei können akustische Inhomogenitäten bei der photoakustischen Rekonstruktion berücksichtigt werden.

Die Untersuchungen werden bedeutende Ergebnisse für den Einsatz der zerstörungsfreien Prüfungsverfahren in weiten Bereichen der Industrie hervorbringen.