Ein laseroptischer Kraftsensor

In dieser Arbeit werden die Funktionsweise, der Aufbau und einige Messungen eines am Institut gebauten laseroptischen Kraftsensors beschrieben. Der Kraftsensor wurde für weiterführende Untersuchungen dieses Messprinzips gebaut und basiert auf den Arbeiten von Herrn Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Holzapfel (Universität Kassel). Das Messprinzip beruht auf dem fotoelastischen Effekt innerhalb eines Nd:YAG-Lasers. Dieser wird mit einer Laserdiode optisch gepumpt. Über ein Krafteinleitungssystem wird die zu messende Kraft direkt in den Laser-Kristall eingeleitet, was zu mechanischen Spannungen führt. Der Spannungszustand im Kristall verändert den Brechungsindex für Licht in Bezug auf dessen Schwingungsebene (Doppelbrechung). Es entsteht eine minimale und eine maximale optische Weglänge innerhalb des Laserresonators. Dieses Phänomen führt zur Entstehung zweier Lasermoden, deren Polarisationsebenen senkrecht zueinander stehen und deren Frequenzen sich um eine bestimmte Differenz unterscheiden. Diese Differenzfrequenz ist nun in sehr guter Näherung über mehrere Dekaden proportional zur eingeleiteten Kraft. Um die Differenzfrequenz messtechnisch erfassen zu können, werden die beiden Lasermoden mit Hilfe eines Polarisationsfilters auf die 45°-Ebene projiziert. Es entsteht eine Schwebung der elektromagnetischen Wellen, deren Einhüllende mit der Differenzfrequenz moduliert ist und die mit einer Fotodiode erfasst werden kann. Da Zeit bzw. Frequenzen sehr genau gemessen werden können, ist die Genauigkeit des Messverfahrens sehr hoch. Die herkömmlichen Systeme zur Kraftmessung beruhen meist auf der Verformung eines Deformationskörpers. Hier unterscheidet sich das laseroptische Messverfahren, weil mit ihm nicht die Verformung, sondern direkt die Spannung gemessen wird. Aus diesem Grund eignet es sich auch zur Messung hochdynamischer Kräfte.