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Einsatz photothermischer Strahlablenkung zur Charakterisierung dünner optischer Schichten und Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit von Gradientenwerkstoffen

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Becker, Hans Willy :
Einsatz photothermischer Strahlablenkung zur Charakterisierung dünner optischer Schichten und Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit von Gradientenwerkstoffen.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis] , (2000)

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    Abstract

    Photothermische Strahlablenkung ist eine empfindliche Methode zur Bestimmung der Absorption und des Temperaturleitwertes. Ein Heizlaser führt hierzu der Probe lokal zeitlich moduliert Energie zu. Eine Temperaturverteilung in der Probe und der umgebenden Luft sowie eine thermoelastische Deformation der Probenoberfläche entsteht. Der Strahl eines Messlasers wird durch Mirage-Effekt und Reflexion an der Oberflächenbeule abgelenkt. Eine theoretische Beschreibung dieser physikalischen Vorgänge wird gegeben. Ein Aufbau zur photothermischen Strahlablenkung wurde realisiert. Dieser wird durch ein Messprogramm mit intuitiv bedienbarer graphischer Benutzeroberfläche gesteuert, so dass Routinemessungen möglich sind. Um die Leistungsfähigkeit der Methode zu illustrieren werden zwei Anwendungen vorgestellt: 1) Die Empfindlichkeit des Aufbaus erlaubt es, die sehr geringe Absorption (wenige parts per million) dünner optischer Schichten in Transmission zu bestimmen. Dadurch werden auch Aussagen über deren Stabilität und Homogenität möglich. An der Erprobung eines neuen Verfahrens zur Ladungsneutralisierung beim Ionenstrahlsputtern durch bipolare Extraktion wird dies gezeigt. Ergänzend werden die hergestellten Schichten mit Sekundär-Ionen-Massen-Spektrometrie auf ihre Verunreinigungen untersucht. 2) Mit dem gleichen photothermischen Aufbau kann der Temperaturleitwert von Gradientenwerkstoffen (nichtporöse Verbundwerkstoffe mit Korngrößen unter 10 µm) in Reflexion mit hoher Ortsauflösung (60 µm) zerstörungsfrei bestimmt werden. Das Reflektionsvermögen der Proben und die Modulationsfrequenz beeinflussen die Messung. Wird dies berücksichtigt, so stimmen die ermittelten Temperaturleitwerte mit der etablierten Laser-Flash-Methode überein. Im Gegensatz zur Laser-Flash-Methode sind topographische Messungen auch an sehr kleinen Proben durchführbar.

    Item Type: Ph.D. Thesis
    Erschienen: 2000
    Creators: Becker, Hans Willy
    Title of the item: Einsatz photothermischer Strahlablenkung zur Charakterisierung dünner optischer Schichten und Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit von Gradientenwerkstoffen
    Language of the item: Deutsch
    Uncontrolled Keywords: photothermal deflection, optical thin films, thermal diffusivity
    Keywords/Subjects (SWD): Thermisches Verfahren, Lichtablenkung, Lasermesstechnik, Sputtern, Optische Schicht, Absorption, Sekundärionen-Massenspektrometrie, Funktioneller Gradientenwerkstoff, Temperaturleitfähigkeit, Speckle
    Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikation (DDC): UNSPECIFIED
    Division(s): Fachbereich Physik
    Date Deposited: 17 Oct 2008 11:20
    Last Modified: 05 May 2011 18:57
    Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000068
    URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-682
    Lizenz (Kurzform): Einfaches Publikationsrecht für die ULB Darmstadt
    Referees: Tschudi, Prof. Dr. Theoand Elsäßer, Prof. Dr. Wolfgang
    Date of refereeing/review / Verteidigung / mdl. Prüfung: 10 July 2000
    Title (translated) (übersetzt):
    Title (translated)Language of translated title
    Photothermal deflection system for the characterisation of optical thin films and the determination of thermal diffusivity of functionally graded materialsEnglish
    Keywords:
    KeywordsLanguage
    photothermal deflection, optical thin films, thermal diffusivityEnglish
    Abstract (translated):
    Abstract (translated)Language of translated abstract
    Photothermal deflection is a sensitive method to determine absorption and thermal diffusivity. For this a temporally modulated laser is used to locally feed energy to the probe. This causes a temperature distribution, both, in the probe, and the surrounding air, as well as a thermo-elastic surface deformation. A second sensing laser beam is deflected by the Mirage effect and by the surface deformation. A theoretical description of these physical effects is given. A measurement system for photothermal deflection was developed. It is controlled by a computer program whose intuitive graphical user interface allows to perform routine measurements. To demonstrate the efficiency of the method two applications are presented: 1) The realized setup not only allows to determine the very low absorption of thin optical films (a few parts per million), but to characterize their stability and homogeneity. Thin films produced by a new charge neutralisation method, i.e. bipolar extraction, for the ion beam sputter deposition process demonstrate this. Additionally, an impurity analysis of the films is performed using secondary-ion-mass-spectrometry. 2) With the same photothermal arrangement the thermal diffusivity of functionally graded materials (non porous compounds with particle size below 10 µm) can be non-destructively determined in reflection with high lateral resolution (60 µm). The measurement is affected by the reflectivity of the samples and the modulation frequency. When this is taken into account the measured thermal diffusivities are in agreement with the established Laser-Flash-Method. Opposite to the Laser-Flash-Method topographical measurements even on very small samples are possible.English
    URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/68
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