Entwicklung und Anwendung bildgebender Verfahren für die Messung der elektrischen Feldstärke mit Hilfe der Lochbrennspektroskopie

Abstract (German)

In der Arbeit wird ein neues bildgebendes Verfahren zur optischen Sensorik der elektrischen Feldstärke vorgestellt, das auf der laserspektroskopischen Methode des stabilen spektralen Lochbrennens beruht. Hierbei erfolgt die Bestimmung der Feldstärkeverteilung durch Messung der E-Feldinduzierten Änderung der Absorption im Zentrum eines stabilen spektralen Loches, das mit einem schmalbandigen Laser ...

Abstract (German)

In der Arbeit wird ein neues bildgebendes Verfahren zur optischen Sensorik der elektrischen Feldstärke vorgestellt, das auf der laserspektroskopischen Methode des stabilen spektralen Lochbrennens beruht. Hierbei erfolgt die Bestimmung der Feldstärkeverteilung durch Messung der E-Feldinduzierten Änderung der Absorption im Zentrum eines stabilen spektralen Loches, das mit einem schmalbandigen Laser in das Absorptionsspektrum einer Sensorschicht, bestehend aus dem Polymer Polyvinylbutyral dotiert mit dem unpolaren Farbstoff Perylen, gebrannt wird. Dieses Verfahren wird zur Bestimmung von elektrischen Feldern auf metallisierten Keramikträgerplatten, die Teil von Leistungselektronikbauelementen sind, eingesetzt.
Insbesondere wird die Feldstärkeverteilung an Defekten an der Metallisierungskante bestimmt, und so Problemstellen mit erhöhter Feldstärke ausfindig gemacht. Die höchste elektrische Feldstärke tritt an einem höhlenartigen Defekt am Fuß der Metallisierungskante, den sog. angeschnittenen Lunkern, auf. Zusätzlich wurde die Grundlage für ein weiteres Verfahren geschaffen, bei dem es möglich ist, unter Verwendung eines polarisierten Lasers und des polaren Farbstoffs 9-Aminoacridin auch die Richtung des elektrischen Felds zu bestimmen. Für die Erklärung der physikalischen Ursache des E-Feldeffekts des unpolaren Farbstoffs Perylen wurde ein Modell erweitert, das ursprünglich für polare Farbstoffmoleküle entwickelt wurde. Dieses Modell beruht auf der quantenmechanischen Beschreibung des -Elektronensystems des Farbstoffmoleküls als ein System von freien Elektronen in einem Kastenpotential. Aufgrund einer Asymmetrie der lokalen Bindungspolarisierbarkeit an verschiedenen Stellen des -Elektronensystems, die durch die verschiedenartigen Wechselwirkungen der Matrix mit dem -Elektronensystem des Farbstoffs erzeugt wird, kann ein äußeres Feld eine Längenänderung des Kastenpotentials erzeugen und somit die Frequenz des optischen Übergangs verschieben.

Translation of the abstract (English)

In this thesis a new imaging technique for electric field measurements is presented. The technique is based on the laser spectroscopic method of persistent spectral hole burning. By measuring the electric field induced changes of the absorption in the center of persistent spectral holes burned with a narrow band laser in a sensor material consisting of the polymer Polyvinylbutyral doped with the ...

Translation of the abstract (English)

In this thesis a new imaging technique for electric field measurements is presented. The technique is based on the laser spectroscopic method of persistent spectral hole burning. By measuring the electric field induced changes of the absorption in the center of persistent spectral holes burned with a narrow band laser in a sensor material consisting of the polymer Polyvinylbutyral doped with the nonpolar dye perylene the electric field distribution is determined. The method is applied to metallized ceramic substrates used in high power electronics. In particular the field distribution at defects at the bottom of the metal ceramic interface is mapped. The highest electric field values are found at so-called blow holes (a bubble between metallization an ceramic), which were cut in the etching process of the electrode structure.
By using the polar dye 9-aminoacridine in the polymer Polyvinylbutyral and a polarized laser it is shown, that also the direction of the electric field can be determined.
The electric field effect of the nonpolar dye perylene is explained by extending a physical model primary established for polar dyes. In this model the �à-electron system of the dye is described as free electrons in a square well potential. Because of the asymmetry in the local bond polarizabilities at different positions of the �à-electron system caused by diverse interactions of the �à-electron system of the dye with surrounding matrix molecules an electric field can change the length of the square well potential so that the frequency of the optical transition is shifted.

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