Augensichere Empfindlichkeitsverbesserung von Laser-Doppler-Vibrometern auf der Basis von gequetschtem Licht

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Rembe; Professor Dr. Roman Schnabel
• Fachliche Zuordnung: Messsysteme ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 431078650

Laser-Doppler-Vibrometrie (LDVe) ist ein etabliertes industrielles Verfahren, um Vibrationen von Oberflächen bzw. Änderungen optischer Weglängen in Medien zu messen. Anwendungsbeispiele sind Vibrationsmessungen an PKW-Motoren sowie an Maschinen in der industriellen Fertigung, mit dem Anliegen in Zukunft die akustische Emission zu reduzieren. In diesen Beispielen nutzt die LDVe Laserstrahlen, die von der vibrierenden Oberfläche reflektiert werden. Andere industrielle Anwendungsbeispiele nutzen die Änderungen der Brechzahl in transparenten vibrierenden Körpern, Flüssigkeiten oder Gasen. In diesem Fall durchstrahlt das Laserlicht das Medium und die Daten werden genutzt, um akustische Resonatoren von Musikinstrumenten und Lautsprechern zu verbessern, um die räumliche Ausbreitung von Ultraschallgebern zu vermessen und um drei-dimensionale turbulente Strömungsfelder sichtbar zu machen. Wenn der Endnutzer ein augensicheres Laser-Doppler-Vibrometer (LDV) wünscht, um die Betriebskosten gering zu halten, ergeben sich obere Grenzen für Laserleistung und Laserintensität und somit auch für die Messempfindlichkeit und Messauflösung. Aufgrund entsprechender Wünsche der Anwender sind kommerzielle LDVs in der Regel so entworfen, dass sie am Photonen-Schrotrauschlimit arbeiten und die maximale Laserleistung nutzen, die noch als augensicher klassifiziert ist (Laserklasse I). Selbst wenn der Endnutzer kein augensicheres LDV fordert, ergeben sich dennoch obere Grenzen für die Leistung und die Intensität, z.B. durch optisches Heizen und thermische Deformationen der Probe, woraus systematische Messfehler resultieren.Das Ziel dieses Projekts ist der prinzipielle experimentelle Nachweis, dass die moderne LDVe mit gequetschtem Licht verbessert werden kann, und zwar in typischen Einsatzbereichen und ohne Erhöhung der Laserleistung, d.h. ohne Augensicherheit zu verlieren. Um dieses Ziel zu erreichen, kombiniert unser Projekt Konzepte der Quantenoptik und der Ingenieurswissenschaft. Wir bauen zwei Dauerstrichquellen für gequetschtes Licht bei 1550nm und nutzen diese um ein heterodynes LDV vom Typ Mach-Zehnder und ein homodynes LDV vom Typ Michelson zu verbessern. Wir nutzen diese LDVs insbesondere um eine tomographische Messung einer Ultraschallwelle in einem Festkörper durchzuführen und um die Oberflächenoszillation einer Membran zu vermessen. Während die besten kommerziellen LDVs eine Messempfindlichkeit im Bereich von 10 fm/√Hz haben, werden wir mit Hilfe von gequetschtem Licht einen Wert von besser als 1 fm/√Hz erreichen.Unser Projekt wird demonstrieren, dass gequetschte Zustände des Lichts helfen können, die derzeitige Auflösungsgrenze industrieller LDVs zu überwinden. Unser Ergebnis könnte mehrere Ingenieursanwendungen der LDVe beflügeln, immer dann, wenn der optische Verlust kleingehalten werden kann. Gequetschtes Licht hat damit das Potenzial, eine Quantentechnologie im Hertz der anvisierten zweiten Quantenrevolution zu werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen