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Im Bereich der optisch angeregten Thermografie haben sich Blitzlampen (impulsförmig-flächige Erwärmung) und Halogenlampen (moduliert-flächige Erwärmung) für die spezifischen Regime Impuls- und Lockin-Thermografie etabliert.
Mittels eines rasternden fokussierten Lasers wird die Flying-spot Laserthermografie z.B. zur Risserkennung (Dauerstrichbetrieb) und die photothermische Materialcharakterisierung (hochfrequent moduliert)implementiert. Durch die Verfügbarkeit neuer Technologien (schnelle und hochauflösende IR-Kameras, brillante innovativer Lichtquellen und performante Datenakquisitions- und Verarbeitungstechnik) wird ein Paradigmenwechsel von den getrennt voneinander stehenden photothermischen und thermografischen Techniken hin zu einer einheitlichen quantitativen Mess-und Prüftechnik ermöglicht, die schneller und präziser ist. Ähnlich wie ein LED-Array, jedoch mit einer um zwei Größenordnungen höheren Bestrahlungsstärke, steht jetzt eine neuartige brillante Laserquelle, das VCSEL-Array (vertical-cavity surface-emitting laser) zur Verfügung, welches die starke Beschränkung der zeitlichen Dynamik der etablierten Lichtquellen aufhebt und gleichzeitig spektral sauber von der Detektionswellenlänge getrennt ist. Es vereint somit das schnelle zeitliche Verhalten eines Diodenlasers mit der hohen optischen Bestrahlungsstärke und dem großen Beleuchtungsbereich von Blitzlampen. Darüber hinaus kann die Erwärmung auch strukturiert vorgenommen werden, da einzelne Bereiche des VCSEL-Arrays unabhängig voneinander angesteuert werden können. Dieser neue Freiheitsgrad ermöglicht die Entwicklung ganz neuer thermografischer ZfP-Verfahren.
Laser thermography has its roots in the late-1960s when Kubiak first used a focused light source to raster-scan a specimen containing surface breaking cracks and employed an infrared detector to monitor the blocking effect of the cracks on the heat flow. Nowadays, this technique has evolved into the flying-spot laser thermography. In the mid-1970s, when Rosencwaig and Gersho worked out the theory for the photoacoustic effect, they laid the foundation for the development of the photothermal testing methodology. The decisive difference to the flying-spot technique is that in the photothermal methodology, a high-frequency modulated laser beam is used, which explicitly uses the concept of the thermal wave.
Starting in the 1980s, infrared cameras came into play and enabled full-field thermal imaging, but this time, slow thermal light sources were used. Today, flash lamps (pulsed planar heating) and halogen lamps (modulated planar heating) have been established as the standard light sources for the specific regimes of pulsed and lock-in thermography.
Only recently, the availability of novel technologies – fast and high-resolution infrared cameras, innovative brilliant laser sources and high-performance data acquisition and processing technology – has enabled a paradigm shift from the separated photothermal and thermographic methodologies to a versatile tool for NDE that combines both approaches. In addition, the heating can also be spatially structured using laser arrays. This new degree of freedom allows the development of completely new thermography NDE methods.
In the talk, we present current activities with kilowatt-class high-power laser sources for advanced flying-spot, pulsed, lock-in and laser-projected thermography.
Among the photothermal methods, full-field thermal imaging is used to characterize materials, to determine thicknesses of layers, or to find inhomogeneities such as voids or cracks. The use of classical light sources such as flash lamps (impulse heating) or halogen lamps (modulated heating) led to a variety of nondestructive testing methods, in particular lock-in and flash-thermography.
In vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs), laser light is emitted perpendicular to the surface with a symmetrical beam profile. Due to the vertical structure, they can be arranged in large arrays of many thousands of individual lasers, which allows power scaling into the kilowatt range. Recently, a high-power yet very compact version of such a VCSEL-array became available that offers both the fast timing behavior of a laser as well as the large illumination area of a lamp.
Moreover, it allows a spatial and temporal control of the heating because individual parts of the array can be controlled arbitrarily in frequency, amplitude, and phase. In conjunction with a fast infrared camera, such structured heating opens up a field of novel thermal imaging and testing methods. As a first demonstration of this approach, we chose a testing problem very challenging to conventional thermal infrared testing: The detection of very thin subsurface defects perpendicularly oriented to the surface of metallic samples. First, we generate destructively interfering thermal wave fields which are then affected by the presence of defects within their reach. It turned out that this technique allows highly sensitive detection of subsurface defects down to depths in excess of the usual thermographic rule of thumb, with no need for a reference or surface preparation
Structured illumination using high-power diode lasers generates a two-dimensional interference of thermal waves. In addition, the sources and the sample are moving relative to each other. Using different configurations, we investigate the validity of the temporal and spatial superposition principle of the heat diffusion equation for these cases both experimentally and by numerical-analytical modelling. Furthermore, we investigate the potential of this approach for non-destructive testing.
Lock-in- and flash thermography are standard methods in active thermography. They are widely used in industrial inspection tasks e.g. for the detection of delaminations, cracks or pores. The requirements for the light sources of these two methods are substantially different. While lock-in thermography requires sources that can be easily and above all fast modulated, the use of flash thermography requires sources that release a very high optical energy in the very short time.
By introducing high-power vertical cavity surface emitting lasers (VCSELs) arrays to the field of thermography a source is now available that covers these two areas. VCSEL arrays combine the fast temporal behavior of a diode laser with the high optical irradiance and the wide illumination range of flash lamps or LEDs and can thus potentially replace all conventional light sources of thermography.
However, the main advantage of this laser technology lies in the independent control of individual array areas. It is therefore possible to heat not only in terms of time, but also in terms of space. This new degree of freedom allows the development of new NDT methods. We demonstrate this approach using a test problem that can only be solved to a limited extent in active thermography, namely the detection of very thin, hidden defects in metallic materials that are aligned vertically to the surface. For this purpose, we generate destructively interfering thermal wave fields, which make it possible to detect defects within the range of the thermal wave field high sensitivity. This is done without pre-treatment of the surface and without using a reference area to depths beyond the usual thermographic rule of thumb.
Im weitverbreiteten Fall der thermografischen ZfP sollen Defekte im Probeninneren detektiert werden. Da diese eine Inhomogenität darstellen, genügt jegliche Mess- und Datenverarbeitungstechnik, die diese Inhomogenität als Kontrast in der transienten Temperaturverteilung herausarbeitet. Ein üblicher Ansatz ist eine extrem kurze und intensive Blitzlampenbeleuchtung zusammen mit einer nachträglichen Fourier-Transformation zu verwenden. Für die zusätzliche Tiefenbestimmung werden entweder rein phänomenologische Ansätze, semi-analytische Ansätze mit Kalibrationsmessungen oder Fits an analytische bzw. numerische Modelle verwendet. Ein üblicher semi-analytischer Ansatz ist z.B. die Analyse des Abknickens der transienten Abkühlkurve. Problematisch ist das schnelle Abklingen der Amplitude auf Rauschniveau und damit die inhärente Beschränkung der Tiefenreichweite. Eine äquivalente Beschreibung der Wärmeleitung ist über sehr stark gedämpfte thermische Diffusionswellen möglich. Die Eindringtiefe ist dann gleich der thermischen Diffusionslänge. Der semi-analytische Ansatz über normales Least-Squares-Fitting funktioniert für 1D-Schicht-Systeme sehr gut, versagt aber für höherdimensionale Messprobleme. Genau hier setzt eine seit Kurzem bekannte Transformation der diffusen Temperaturentwicklung (bzw. des Realteils der Diffusionswelle) in eine propagierende virtuelle Temperaturwelle an. Dieses sog. Virtual-Wave-Konzept stellt sich selbst als ein weiteres inverses Problem dar. Der Nutzen dieser in einer linearen virtuellen Zeitdomäne propagierenden Welle überkompensiert den numerischen Mehraufwand jedoch deutlich. Zusammen mit neuen Technologien in der Erwärmung durch Hochleistungs-Laser-Arrays und in der Datenakquisition durch kHz-Kameras erlaubt dieser Ansatz eine signifikante Verbesserung der Tiefenreichweite in der Impuls-Thermografie. Im Beitrag werden experimentelle Ergebnisse an einer additiv hergestellten Metallprobe mit überdeckten Schlitzen vorgestellt, die eine Detektion dieser Defekte bis zu einem Seitenverhältnis von Defektbreite/Defekttiefe ~ 0,25 erlauben, also ca. 4 mal tiefer als die übliche Faustformel.