Lasertechnik: Laser in der industriellen Messtechnik

Lasertechnik: Laser in der industriellen Messtechnik

 

Aufgrund seiner herausragenden Eigenschaften hat sich der Laser nicht nur im Bereich der Werkstoffbearbeitung und -fertigung als vielfältig einsetzbares Werkzeug etabliert, er ist auch in vielen Bereichen der Messtechnik nicht mehr wegzudenken. Es gibt mittlerweile eine ähnlich große Anzahl an laserunterstützten Messverfahren, wie es Messaufgaben gibt. Bedingt durch die zunehmende Miniaturisierung im Bereich der Elektronik und der integrierten Optik ist es in vielen Fällen möglich geworden, den Laser als Messinstrument beziehungsweise Sensor direkt in den Fertigungsprozess zu integrieren — die Produktqualität kann also schon während der Herstellung überprüft werden, und zwar vollautomatisch und computergesteuert. Lasermessverfahren bieten dabei die Möglichkeit, eine Vielzahl von Messwerten an einem Objekt in unglaublich kurzer Zeit berührungsfrei und rückwirkungsfrei erfassen zu können (Licht bewegt sich mit einer Geschwindigkeit von nahezu 300 000 Kilometern pro Sekunde). Gerade für die Vermessung von klebrigen, heißen oder sterilen Gegenständen sind solche Verfahren daher die Methode der Wahl.

 

Fast alle Lasermessverfahren nutzen die Welleneigenschaften des Lichts. Damit lassen sich Größen wie Länge, Abstand oder Winkel bis in den Nanometerbereich hin auflösen, dabei kommen vor allem interferometrische Verfahren zum Einsatz. Aber auch andere physikalische Parameter wie die Oberflächenrauigkeit, die optische Brechzahl oder Schichtdicke oder dynamische Messwerte wie Verfahrgeschwindigkeit, Beschleunigung und Winkelgeschwindigkeit lassen sich leicht mit dem Laser ermitteln. Mit spektroskopischen Untersuchungen lässt sich der Verbrennungsprozess in einem Automotor studieren oder die Zusammensetzung seiner Abgase analysieren. Man kann sogar einzelne Abgassünder wie mit einer Radarfalle direkt vom Straßenrand aus innerhalb von Sekundenbruchteilen ausfindig machen. Von der enorm großen Zahl der Bereiche der Messtechnik, in denen der Laser heute eingesetzt wird, sollen einige im Folgenden näher erläutert werden.

 

 Interferometrische Messprozesse

 

Vergleicht man zwei kohärente Lichtwellen miteinander, so ist die relative Lage der Wellenberge des einen zu denen des anderen von großer Bedeutung: Fällt ein Berg der einen Welle immer mit einem Berg der anderen zusammen, so verstärken die Wellen sich, trifft ein Berg immer auf ein Tal, so löschen sie sich aus. Der erste Fall wird konstruktive Interferenz genannt, der zweite Fall destruktive Interferenz; den Gangunterschied zwischen den beiden Wellenzügen nennt man Phasendifferenz oder einfach Phase. Wenn bei zwei Wellen die Bedingung konstruktiver Interferenz erfüllt ist, sagt man auch, sie seien in Phase. Wenn nun zwei Wellenzüge anfänglich in Phase sind, dann aber zwei unterschiedlich lange Wege zurücklegen, so ist klar, dass sich ihre Phasenlage je nach Größe der Wegdifferenz ändert. Außerdem gibt es auch noch andere physikalische Prozesse, welche die Phase beeinflussen und am Ort eines Messinstruments zu unterschiedlichen Interferenzmustern führen können. In der Interferometrie nutzt man diese Phaseneffekte, um Abstände oder Winkel sehr genau zu vermessen.

 

Grundlage der interferometrischen Messmethoden ist das bereits um 1882 erstmals von dem amerikanischen Physiker Albert Abraham Michelson konstruierte Interferometer. Geräte dieses Typs (man bezeichnet sie alle kurz als Michelson-Interferometer) beruhen darauf, einen Licht- beziehungsweise Laserstrahl in zwei kohärente Teile zu zerlegen und diese Teilstrahlen unterschiedliche, genau definierte Wege durchlaufen zu lassen. Anschließend werden beide Strahlen wieder zusammengeführt und auf einem Detektor zur Interferenz gebracht; je nachdem, welche Phasendifferenz zwischen den Strahlen besteht, bildet sich am Detektor ein charakteristisches Muster heraus, das Interferenzmuster. Anschaulich kann man sich die Phase der Lichtstrahlen als einen Kilometerzähler vorstellen, der nach der Fahrt Informationen über die zurückgelegte Wegstrecke liefert. Im Falle von Lichtstrahlen gehen dabei — genau genommen — nicht nur die Länge des Wegs, sondern auch seine optischen Eigenschaften mit ein. Man kann allerdings nicht den Kilometerzähler eines einzelnen Strahls ablesen, sondern immer nur die Differenz zwischen zwei Zählern.

 

Der Messbereich eines Interferometers hängt stark davon ab, wie kohärent und intensiv das verwendete Licht ist. So konnte Michelson lediglich Längenänderungen eines Interferometerarms von einigen Millimetern nachweisen. Mit modernen Laserinterferometern können theoretisch Längenänderungen auf einer Strecke von bis zu einigen Kilometern mit einer Genauigkeit von wenigen Nanometern, also Millionstel Millimetern gemessen werden!

 

Benötigt werden solch genaue Messverfahren vor allem in der Werkstoffbearbeitung durch CNC-Maschinen (CNC: »computer-numerical Control«, zu deutsch: numerisch per Computer gesteuert), deren Positionierungs- und Bearbeitungsgenauigkeiten mittlerweile im Bereich von unter einem Mikrometer liegen. Außer Entfernungsmessungen lassen sich interferometrisch aber auch Winkel- und Geradheitsmessungen durchführen, die in der Werkstoffbearbeitung ebenfalls oft benötigt werden. Dabei können Genauigkeiten von 0,05 Bogensekunden, das sind etwas mehr als 0,000 05 Grad, erreicht werden. Diese Genauigkeit bedeutet, dass sich zwei parallele Geraden auf einer Entfernung von zehn Kilometern nur um höchstens einen Meter geöffnet haben.

 

An noch höher auflösenden Interferometern arbeiten derzeit Forscher, indem sie ausnutzen, dass nicht nur Photonen, sondern auch Atome Welleneigenschaften besitzen. Die Wellenlängen von hierfür geeigneten Atomstrahlen sind mit typischerweise 50 Pikometern 10 000-mal kleiner als die von Licht, um exakt diesen Faktor genauer würde ein Atominterferometer messen können.

 

 Holographie

 

Obwohl das Prinzip der Holographie bereits im Jahre 1948 durch den britisch-ungarischen Physiker Dennis Gabor vorgeschlagen worden war, kam es erst mit der Einführung des Lasers in den 1960er-Jahren zu seiner praktischen Realisierung. Ähnlich wie eine Fotografie speichert ein Hologramm die Intensität der von dem abzubildenden Objekt zurückgestreuten Lichtwellen. Anders jedoch als die Fotografie speichert ein Hologramm nicht nur die Intensität, sondern auch noch zusätzlich die Phase des Lichts. Nutzt man diese Tatsache geschickt aus, so lässt sich aus dieser Phaseninformation ein dreidimensionales Bild des aufgenommenen Objekts rekonstruieren. Gebrauch machen hiervon nicht nur Kunst und Werbung, sondern in zunehmendem Maß auch die Messtechnik.

 

Ganz so einfach wie das »Schießen« eines Fotos ist die Aufnahme eines Hologramms allerdings nicht. Einerseits wird zwar das abzubildende Objekt, wie bei der normalen Fotografie, mit einer Lichtwelle beleuchtet, der Signalwelle. Das vom Objekt zurückgestreute Licht wird, ähnlich wie bei der normalen Fotografie, auf eine Fotoplatte abgebildet. Zusätzlich wird aber auf die Fotoplatte eine weitere Lichtwelle eingestrahlt, die Referenzwelle. Diese überlagert sich auf der Fotoplatte mit der vom Objekt zurückgestreuten Welle und bildet dort ein Interferenzmuster, in dem die gesamte räumliche Bildinformation (die Phaseninformation) gespeichert ist. Korrekt wird die entwickelte Fotoplatte als Hologramm bezeichnet, manchmal steht dieser Begriff aber auch für das dreidimensionale Bild.

 

Wie entsteht nun aus dem Hologramm ein dreidimensionales Bild des Objekts? Strahlt man eine Rekonstruktionswelle mit der gleichen Wellenlänge und Richtung, wie es beim ursprünglichen Referenzstrahl der Fall war, auf das Hologramm ein, lässt sich die im Interferenzmuster versteckte Phaseninformation wieder auslesen. Dieses Muster beugt die Strahlen der Rekonstruktionswelle gerade so, dass genau an der Stelle, an der sich zuvor das Objekt befunden hat, ein dreidimensionales Bild des ursprünglichen Objekts sichtbar wird. Wie die zusätzliche Phaseninformation eines Hologramms zur Entstehung eines räumlichen Bilds beiträgt, lässt sich leicht anhand einer Stereoaufnahme bei einer Audio-CD oder Schallplatte verstehen: Bei dieser Aufzeichnung zeichnen die Mikrofone nämlich ebenfalls nicht nur die einzelnen Töne und deren Amplitude auf, sondern auch deren Phasenlage an den verschiedenen Mikrofonen. Aus genau dieser Phasendifferenz errechnet das Gehirn die räumliche Lage der vermeintlichen Schallquelle; beim Abspielen der CD entsteht somit ein räumlicher Klangeindruck.

 

Mittlerweile wurden viele verschiedene Typen von Hologrammen entwickelt, die sich jedoch lediglich in der Art der Ausleuchtung mit Referenzwelle und Rekonstruktionswelle sowie in der Dicke der Fotoplatte unterscheiden.

 

Um sich die Holographie in der Messtechnik zunutze zu machen, vergleicht man analog zur Interferometrie Mess- und Referenzhologramme der Messobjekte; man spricht daher auch von holographischer Interferometrie. Dabei werden vor allem zwei Verfahren angewendet, das Doppelbelichtungs- und das Echtzeitverfahren.

 

Im Doppelbelichtungsverfahren wird das zu vermessende Objekt zu einem bestimmten Zeitpunkt auf einer Fotoplatte holographisch aufgenommen. Zu einem späteren Zeitpunkt wird das Objekt nochmals auf dieselbe Fotoplatte abgebildet. Wird dieses doppelbelichtete Hologramm anschließend mit dem Rekonstruktionsstrahl beleuchtet, so überlagern sich die beiden Bilder. Hat sich das Messobjekt zwischen den Belichtungen bewegt oder verformt, so bilden sich charakteristische Interferenzstreifen im rekonstruierten Bild, mit denen auch feinste Veränderungen nachgewiesen werden können.

 

Zur Prozessüberwachung ist es wünschenswert, dass Messergebnisse sofort, also in »Echtzeit« dem Ingenieur beziehungsweise dem Steuerrechner vorliegen. Um also Veränderungen am zu vermessenden Objekt holographisch in Echtzeit erfassen zu können, wurde das Echtzeitverfahren entwickelt. Hierzu wird zunächst vor der eigentlichen Messung ein Hologramm des Objekts in derselben Umgebung aufgezeichnet, in der auch die Messung stattfinden soll. Bei der Messung wird nun das rekonstruierte Bild auf die Oberfläche des realen Objekts projiziert, und es bilden sich dort Interferenzen zwischen der vom Hologramm transmittierten Referenzwelle und die Objektwelle. Kleinste Formänderungen, Verschiebungen oder Schwingungen werden als Streifen auf dem Messobjekt sichtbar. Aus Dicke und Lage der Interferenzstreifen lassen sich dann die Schwingungen und Verformungen bis auf Tausendstel Millimeter genau zurückrechnen. Mit Hilfe dieser Techniken ist es zum Beispiel möglich, unerwünschte Schwingungen an Fertigungsmaschinen oder Fahrzeugen nachzuweisen oder auch die erwünschten Schwingungsmuster von Lautsprecherboxen zu optimieren. Ebenso nutzt man diese Technik, um kleinste Verformungen an Trägern schwerer Lasten zu erkennen, um Schwachpunkte in der Konstruktion festzustellen.

 

Gänzlich neue Dimensionen im Bereich der holographischen Messtechnik könnten optisch beschreibbare Kristalle eröffnen. Diese funktionieren ähnlich wie eine Fotoplatte, nur besitzen sie zum einen eine viel größere Auflösung, und zum anderen können in verschiedenen Tiefenschichten mehrere Bilder unabhängig voneinander aufgezeichnet werden — ein Würfel entspricht also einem großen Stapel von Fotoplatten. Auf diese Weise lassen sich in einem nur einen Kubikzentimeter großen Kristall bis zu 10 000 verschiedene Hologramme speichern, die durch jeweils verschieden fokussierte Laserstrahlen einzeln abgerufen werden können.

 

 Speckle-Messtechnik

 

Lässt man einen Laserstrahl auf eine raue Oberfläche fallen, beispielsweise eine Wand, so fällt einem bei genauerem Hinsehen ein gewisses Muster aus hellen und dunklen Punkten auf. Die Wand scheint eine körnige Oberfläche zu besitzen, deren einzelne Körner das Laserlicht verschieden hell zurückstreuen. Die hellen und dunklen Punkte werden als »Speckles«, auf Deutsch »Flecken«, bezeichnet. Die Rauigkeit der Wand muss dabei für den Betrachter nicht unbedingt erkennbar sein. Für das Entstehen von Speckles reichen beispielsweise Unebenheiten von der Größe der Wellenlänge des verwendeten Laserlichts aus — ein Mikrometer und kleiner! Fällt das Laserlicht auf diese mikroskopische Berg- und Tallandschaft, so legen die Strahlen von der Spitze eines Berges einen kürzeren Weg zum Betrachter zurück als vom Grunde eines Tales. Entspricht dieser Unterschied genau dem Vielfachen einer Wellenlänge, so kommt es zu konstruktiver Interferenz. Für den Betrachter erscheint dieses Areal hell. Bei einem ungeraden Vielfachen einer halben Wellenlänge verhält es sich gerade umgekehrt, die Lichtstrahlen löschen sich an dieser Stelle aus. Die Positionen der Berge und Täler auf der Oberfläche sind nun aber willkürlich verteilt, und an jedem Punkt interferieren die zurückgestreuten Wellen von nahezu unendlich vielen Tälern und Bergen. Dies resultiert in einer Überlagerung von sehr vielen verschiedenen zueinander orientierten Interferenzmustern, deren Summe eben das Speckle-Muster ergibt. Jede raue Oberfläche erzeugt ein für sich charakteristisches Speckle-Muster. Diese Tatsache macht man sich in der Speckle-Messtechnik zunutze, da aus der Analyse seines Speckle-Musters die Oberflächenbeschaffenheit eines Körpers berührungsfrei und über große Entfernungen bestimmt werden kann.

 

Das einfachste Beispiel für eine messtechnische Anwendung ist die Untersuchung von Fehlsichtigkeiten des Auges mittels »Speckling«. Beleuchtet man einen Schirm mit einem Laser, so nimmt der Betrachter Speckles war, sobald er sein Auge auf unendlich akkomodiert, also auf Fernsicht einstellt. Bewegt ein kurzsichtiger Betrachter seine Auge nach oben, dann bewegen sich die Speckles in diesem Fall scheinbar alle nach unten und umgekehrt: Die scheinbare Bewegung der Speckles erfolgt immer entgegen der Bewegungsrichtung der Augen. Bei einem weitsichtigen Auge verhält es sich dagegen umgekehrt, hier folgen die Speckles der Bewegungsrichtung der Augen. Die Ursache für diese Phänomen liegt in der Lage des Brennpunkts des Auges: Bei einem normalsichtigen Auge liegt der Brennpunkt bei Fernakkomodation exakt auf der Netzhaut. In diesem Fall werden die Speckles auch immer auf der Netzhaut fokussiert und bleiben ortsfest bei Bewegungen. Bei einem kurzsichtigem Beobachter liegt der Fokus vor der Augennetzhaut, das Auge ist gewissermaßen zu lang. Dadurch wandern die Speckles hinter dem Fokus in genau der entgegengesetzten Richtung. Bei Weitsichtigkeit liegt der eigentliche Fokus hinter der Netzhaut, und es kommt zur gleichgerichteten Bewegung der Speckles.

 

Wie in der Holographie gibt es in der Speckle-Messtechnik zwei Standardverfahren, um kleinste Ortsveränderungen festzustellen: die Speckle-Fotografie und die Speckle-Interferometrie. In der Speckle-Fotografie wird ganz analog zur Holographie das aufzunehmende Objekt mit einem Laser beleuchtet und das zurückgestreute Licht auf eine Fotoplatte abgebildet. Nach einer geringfügigen Verschiebung oder Formänderung des Objekts wird noch einmal das von ihm gestreute Licht auf demselben Film aufgenommen. Die Aufnahme enthält dann die jeweiligen Speckle-Muster des Objekts vor und nach der Verschiebung. Richtet man dann auf den entwickelten Film einen Laserstrahl, so lässt sich auf einem hinter dem Film angebrachten Schirm ein Interferenzmuster beobachten, aus dessen Form die Objektverschiebung berechnet werden kann. Mit dieser Technik lassen sich unter anderem Verformungen und Verkippungen von Objekten vermessen. Der Messbereich erstreckt sich dabei von wenigen Mikrometern bis in den Millimeterbereich.

 

In der Speckle-Interferometrie werden die Unterschiede in Form und Position eines Messobjekts relativ zu einem Referenzobjekt aufgenommen. Ähnlich wie in einem Interferometer wird ein Laserstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, jedoch nicht auf zwei Spiegel, sondern auf ein Mess- und ein Referenzobjekt gelenkt. Das zurückgestreute Licht wird auf einen Detektor abgebildet, auf dem die von den Teilstrahlen hervorgerufenen Speckle-Muster miteinander interferieren. Das Referenzobjekt muss dabei nicht im Original vorliegen, sondern kann auch eine Fotografie eines Speckle-Musters des unverschobenen Objekts sein.

 

In der Praxis sind zahlreiche verschiedene Speckle-Interferometer im Einsatz, je nachdem, welche Art von Objektverschiebungen nachgewiesen werden sollen. Das Prinzip ist bei allen jedoch das Gleiche: Aus der Lage der Interferenzstreifen, die aus der Interferenz eines Referenz-Speckle-Musters mit einem Objekt-Speckle-Muster entstehen, wird die relative Form- und Positionsänderung des Objekts ermittelt. Der Vorteil eines Speckle-Interferometers gegenüber einem holographischen liegt in der Vermeidung umständlicher fotografischer Aufzeichnungen; die Datenaufzeichnung kann hier rein elektronisch geschehen, etwa mit einer CCD-Kamera.

 

 Laser-Doppler-Verfahren

 

Während interferometrische und holographische Verfahren dazu dienen, Schwingungen oder Spannungen in ansonsten ruhenden Objekten zu messen, setzt man Laser-Doppler-Verfahren meist dort ein, wo die Bewegung von Partikeln oder größeren Objekten vermessen werden soll. Das Prinzip beruht dabei auf dem aus der Akustik bekannten Doppler-Effekt.

 

Wenn eine Lichtwelle an einem Partikel reflektiert wird, so kann man dieses als eine kleine Lichtquelle (des reflektierten Strahls) auffassen. Bewegt sich solch eine kleine Quelle auf einen Beobachter oder Detektor zu, so wird die Frequenz der reflektierten Welle wie beim akustischen Doppler-Effekt höher, bewegt sie sich vom Detektor weg, dann wird sie niedriger als die der eingestrahlten Welle. Dies bedeutet, dass man aus der gemessenen Frequenzdifferenz zwischen eingestrahltem und reflektiertem Licht die Partikelgeschwindigkeit bestimmen kann. Dies funktioniert übrigens nicht nur für kleine Partikel und Licht, sondern auch für größere Objekte, beispielsweise Kraftfahrzeuge und Radiowellen (in diesem Fall nennt man das Messgerät Radarfalle).

 

In der industriellen Messtechnik wird der Doppler-Effekt vielfach ausgenutzt; Laser werden dabei wegen ihrer enormen Frequenzgenauigkeit eingesetzt, wodurch auch bei relativ kleinen Geschwindigkeiten noch eine sehr große Messgenauigkeit erreicht werden kann. Ein interessantes Beispiel für ein Laser-Doppler-Verfahren ist die Laservibrometrie. Vibrometrie ist die Messung der mechanischen Schwingungszustände von Bauteilen oder Werkzeugen. Bei diesem Verfahren werden in einem interferometerähnlichen Aufbau ein Referenzstrahl und ein vom schwingenden Messobjekt reflektierter Strahl zur Interferenz gebracht. Aufgrund dieser Vibration ändern sich Richtung und Betrag der Geschwindigkeit der reflektierenden Oberfläche. Dadurch wiederum schwankt auch die Frequenz des reflektierten Laserstrahls periodisch. Aus dieser Periode lassen sich die Schwingungen des Messobjekts in Strahlrichtung bestimmen. Limitiert sind Laservibrometer durch die maximal und minimal auflösbaren Vibrationsfrequenzen, diese reichen von einigen Hertz, also einigen Schwingungen pro Sekunde, bis zu 20 Kilohertz (20 000 Schwingungen pro Sekunde); die Auslenkungen der Schwingungen können von unter einem Milliardstel Meter bis zu einem Meter betragen. Noch langsamere Schwingungen lassen sich mit der schon vorgestellten holographischen Interferometrie nachweisen. Laservibrometer kommen überall da zum Einsatz, wo Schwingungen berührungsfrei gemessen werden müssen: etwa an Achsen großer Fahrzeuge oder an Leseköpfen von Computerfestplatten.

 

Ein Verfahren, das sich ebenfalls auf den Doppler-Effekt stützt, jedoch Bewegungen wesentlich kleinerer Partikel erfasst, ist die Laser-Anemometrie, also die Untersuchung von Strömungen und Strömungsbestandteilen mittels Laser. Bei dieser Technik wird ein Laserstrahl in zwei zueinander parallele Bündel aufgespalten und anschließend über eine Linse so fokussiert, dass diese beiden Strahlen im Fokus hinter der Linse miteinander interferieren und ein Interferenzmuster bilden. In der Luft schwebende Partikel, die sich durch dieses Muster bewegen, streuen entsprechend ihrer Größe und Geschwindigkeit das Licht des Interferenzmusters. Aus der gemessenen Streulichtverteilung lassen sich Größe und Geschwindigkeit der Streupartikel berechnen. Zum Einsatz kommen solche Anemometer unter anderem in Windkanälen zur exakten Strömungsvermessung an Fahrzeugen, zur Untersuchung der Abgasabführung und Kraftstoffverteilung in Verbrennungsmotoren oder im Bereich der Medizin, um Strömungen in kleinsten Blutgefäßen nachzuweisen.

 

 Spektroskopische Messmethoden

 

Interferometrische, holographische und Doppler-Verfahren nutzen die Reflexion von Laserlicht an der Objektoberfläche aus und gewinnen daraus Informationen über deren Gestalt. Mit der Spektroskopie dagegen kann man Informationen über die chemische Zusammensetzung und die inneren Zustände (etwa die Temperatur) einer Probe gewinnen. Bei teilweise durchsichtigen Medien erhält man diese Informationen sogar für das Innere der Probe. Ihre erste Blütezeit erlebte die Spektroskopie um die Jahrhundertwende. Durch spektroskopische Experimente konnten Physiker Effekte an Atomen nachweisen, die sich mit der klassischen Physik nicht mehr verstehen ließen; bei der Suche nach Erklärung für diese Effekte wurde zum Beispiel in den 1920er-Jahren die Quantenmechanik geboren. Bis in die 1950er-Jahre wurden die spektroskopischen Geräte und Verfahren immer weiter verfeinert, die Aufbauten immer komplizierter. Doch insgesamt galt die Spektroskopie seit dem zweiten Weltkrieg als eine für die Grundlagenforschung ausgereizte Disziplin, in der keine bahnbrechenden Erkenntnisse mehr erwartet werden konnten. Dies änderte sich jedoch schlagartig mit der Realisierung des ersten Lasers. In den 1960er-Jahren machten seine besonderen Eigenschaften, vor allem die unglaubliche Frequenzgenauigkeit, die Atomphysiker auf sich aufmerksam und gaben der Spektroskopie wieder völlig neue Impulse.

 

Die einfachste und am häufigsten verwendete Art der Spektroskopie ist die Absorptionsspektroskopie. Dabei wird der Laserstrahl durch eine Probe geschickt, meist eine Zelle, in der die zu untersuchende Substanz gas- oder dampfförmig vorliegt. Hinter der Zelle wird die ankommende Lichtleistung gemessen, während die Wellenlänge des Lasers kontinuierlich variiert wird. Kommt es bei einer bestimmten Wellenlänge in der Probe zur Absorption, so führt dies zu einem Einbruch im Messsignal. Jedem dieser Einbrüche kann ein atomarer Energieübergang in der Probensubstanz zugeordnet werden. Das sich ergebende Muster aus Absorptionslinien ist für jede Substanz so charakteristisch wie ein Fingerabdruck für einen Menschen und wird deshalb auch oft so bezeichnet. Neben dieser einfachen Methode gibt es eine Vielzahl weiterer Methoden, wie die Sättigungs-, die Zwei-Photonen- oder die Fluoreszenzspektroskopie. All diese Verfahren dienen der höheren Auflösung der entstehenden Linien im Spektrum, um noch detailliertere Informationen über die Probensubstanz zu erhalten. Neben der atomaren Zusammensetzung lassen sich bei entsprechender Auflösung aus dem Spektrum auch Druck und Temperatur der untersuchten Materie bestimmen. Die ungeheure Präzision der spektroskopischen Messmethoden mittels Laserlicht verdeutlicht ein Vergleich mit einer einfachen Längenmessung: die Genauigkeit in der Bestimmung der Wellenlänge des Laserlichts ist so groß, als würde man den Umfang der Erde auf ein tausendstel Millimeter oder den Abstand der Erde zum Mond auf ein zwanzigstel Millimeter genau bestimmen!

 

Die Laserspektroskopie wird mittlerweile in vielen Bereichen der Messtechnik standardmäßig eingesetzt. So wird zum Beispiel im Rahmen der Werkstofferkennung ein Laserstrahl auf das zu untersuchende Werkstück fokussiert und dabei eine winzige Menge des Materials an der Oberfläche verdampft. Die in diesem Dampf enthaltenen Elemente können anhand ihres spektroskopischen Fingerabdrucks identifiziert werden. Dieses Verfahren kann in der Recyclingwirtschaft zur erheblichen Beschleunigung der Sortiervorgänge beitragen. Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Erkennung von Schadstoffen in Auto- oder Industrieabgasen. So ist es mittlerweile möglich, vom Straßenrand aus — wie mit einer Radarfalle zur Kontrolle der Fahrzeuggeschwindigkeit — die Abgaswerte eines vorbeifahrenden Autos innerhalb von Sekundenbruchteilen zu analysieren.

 

 Lasertriangulation

 

Die Lasertriangulation dient zur Bestimmung der Entfernung und Gestalt von Bauteilen. Sie stützt sich auf ein relativ einfaches geometrisches Prinzip: Ein Laserstrahl wird auf eine Probe in einer bestimmten Entfernung gelenkt. Ist die Oberfläche der Probe nicht ideal reflektierend, so wird ein Teil des Laserlichts diffus zurückgestreut. Dieses zurückgestreute Licht wird auf eine Detektorfläche abgebildet, die in einem gewissen Winkel zur Achse des einfallenden Laserstrahls orientiert ist. Wenn sich der Abstand zwischen Laser und Streuobjekt verändert, wandert der Fleck des abgebildeten Streulichts auf dem Detektor. Der Zusammenhang zwischen der Verschiebung des Messobjekts und der des Flecks auf dem Detektor lässt sich leicht geometrisch herleiten. Allerdings kann nur ein Bruchteil des diffus zurückgestreuten Lichts nachgewiesen werden, daher bedarf es sehr empfindlicher Detektoren. Der Laser eignet sich auch deswegen besonders gut für diese Technik, weil aufgrund seiner geringen Strahldivergenz und hohen Intensität immer noch eine relativ hohe Menge an Streulicht den Detektor erreicht. Besonders in der Prozesskontrolle und im Fertigungsbereich ist die Lasertriangulation ein Standard zur automatischen und computergesteuerten Erfassung der Werkstückgeometrie geworden.

 

Dr. Holger Lubatschowski; Dr. Beate Brase und Prof. Dr. Angelika Anders von Ahlften, Hannover

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Photonik: Informationsverarbeitung mit Licht

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Lasertechnik: Laser zum Bohren, Schneiden, Schweißen und Beschriften

 

Literatur:

 

Dossier: Laser in neuen Anwendungen, bearbeitet von Dieter Beste u. a. Heidelberg 1998. Sonderheft »Dossier 2/1998« der Zeitschrift »Spektrum der Wissenschaft«.

 Eichler, Jürgen / Ackermann, Gerhard: Holographie. Berlin u. a. 1993.

 

Meßtechniken mit Lasern. Interferometrie, Holographie, Anemometrie, Speckles, Beiträge von Dieter Bimberg u. a. Ehningen 1993.

 Donges, Axel / Noll, Reinhard: Lasermeßtechnik. Grundlagen und Anwendungen. Heidelberg 1993.