Kleinste Schwingungen sekundengenau messen: Nachwuchspreis für Ilmenauer Maschinenbau-Absolvent

Ob klingende Saiten, ein pumpendes Herz, ein Pkw auf unebener Fahrbahn oder vibrierende Flügel: Um schwingende Systeme in Umwelt und Technik zu verstehen und zu untersuchen, sind hochkomplexe Messinstrumente notwendig. Wie sich mechanische Schwingungen selbst kleinster und empfindlicher Strukturen mit Hilfe von Licht auch berührungslos und möglichst rückwirkungsfrei präzise vermessen lassen, damit beschäftigte sich Maschinenbau-Student Johannes May in seiner Diplomarbeit am Fachgebiet Technische Optik der TU Ilmenau. Denn insbesondere in der industriellen Forschung und Entwicklung, aber auch in der Biomedizin eröffnet der Einsatz solcher Messinstrumente zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten – von der Untersuchung winziger Sensoren oder Mikromaschinen bis hin zur Analyse von Flugzeugteilen, Motoren oder hochfrequent schwingenden Ultraschallwerkzeugen.

Als Standard für solche Messungen hat sich in der Industrie die sogenannte punktweise Laser-Doppler-Vibrometrie etabliert. Diese Technik nutzt Lasersensoren, um Oberflächenschwingungen zu messen, ist vielseitig einsetzbar und extrem messgenau: Indem der Messstrahl jeweils auf einzelne Punkte des Objekts gerichtet wird, erfasst er die Schwingungen direkt am Auftreffpunkt – bis zu 160 Millionen mal pro Sekunde. Dies führt zu einer vielseitigen Einsetzbarkeit und enorm hohen Messgenauigkeit, bringt aber auch eine vergleichsweise lange Messdauer von einigen Stunden bis zu mehreren Tagen mit sich.

In seiner Arbeit untersuchte Johannes May daher eine Alternative mit deutlich verkürzter Messzeit, die sogenannte zeitmittelnde digitale Holografie, die Objekte im Gegensatz zur Laser-Doppler-Vibrometrie nicht punktweise, sondern flächig misst. Dabei macht sich die Technologie zunutze, dass das Licht seine Frequenz ändert, wenn es von einem schwingenden Messobjekt diffus reflektiert wird. Auf diese Weise erlaubt die Messtechnik eine hochpräzise Vermessung von Schwingungsamplituden im Pikometer-Bereich innerhalb von nur wenigen Sekunden.

Johannes May setzte dieses Messkonzept in seiner Arbeit unter Betreuung von Doktorand Florian Dötzer und Fachgebietsleiter Prof. Stefan Sinzinger in einem sogenannten holografischen Seitenbandinterferometer praktisch um. Dazu entwickelte er eine automatisierte Ansteuerungs- und Auswertesoftware und führte verschiedene Messreihen durch. So konnte er Schwingungsamplituden von 0,4 bis über 1000 Nanometer detektieren. Zudem stellte er fest, dass die holografische Bildaufnahme besonders robust gegenüber Störlicht und durch den Einsatz einer Referenzschwingung weniger anfällig gegenüber Vibrationen und anderen Frequenzverschiebungen ist:

Ich freue mich sehr über diese Auszeichnung meiner wissenschaftlich ausgerichteten Diplomarbeit mit gleichzeitig großem Anwendungspotential, mit der ich meine Ausbildung an der TU Ilmenau abschließen konnte.

Seine Forschungen im Bereich der angewandten Technischen Optik führt Johannes May aktuell im Rahmen einer Promotionsstelle beim Laserzentrum Hannover e.V. fort.

Der DGaO-Nachwuchspreis wird jedes Jahr für die beste Dissertation und Master- bzw. Diplomarbeit in der angewandten Optik an einer deutschen Hochschule verliehen. Die Gewinner erhalten ein Preisgeld in Höhe von 1000 Euro für eine Doktorarbeit bzw. 500 Euro für eine Master- oder Diplomarbeit und werden zur Jahrestagung eingeladen, wo sie ihre Arbeit in einem Vortrag präsentieren dürfen.