Terahertz-Frequenzen ermöglichen zerstörungsfreie Materialprüfung von Nichtleitern

Mit dem Laser virtuell durch Materie fliegen

| Autor / Redakteur: Dr. Björn Globisch, Dr. Lars Liebermeister, Robert Kohlhaas und Simon Nellen * / Rainer Graefen

Messen mit Terahertz: Ein fasergekoppeltes Sender- und Empfängermodul des Fraunhofer HHI.
Messen mit Terahertz: Ein fasergekoppeltes Sender- und Empfängermodul des Fraunhofer HHI. (Bild: Fraunhofer HHI)

Mit Terahertz lassen sich Kunststoffe, Keramik und elektrisch nichtleitende Beschichtungen durchdringen und messen. Das Fraunhofer HHI bietet interessante Entwicklungen für die Prüftechnik.

Die Terahertz- (THz-) Strahlung hat die technologisch sehr attraktive Eigenschaft, Materialien wie Kunststoffe, Keramik und elektrisch nichtleitende Beschichtungen zu durchdringen. Das eröffnet eine Vielzahl von Anwendungen im Umfeld der zerstörungsfreien Prüfung von industriell hergestellten Produkten. Im Gegensatz zu kapazitiven, induktiven und auf ultraschall-basierten Messverfahren, ist die THz-Messtechnik kontaktlos und nahezu temperaturunabhängig.

Der Frequenzbereich von Terahertz ist die Erweiterung des infraroten Spektralbereichs zu längeren Wellenlägen. Früher wurde daher häufig die Bezeichnung fernes Infrarot (FIR) verwendet. Die Energie der THz-Strahlung ist so gering, dass sie für den Menschen völlig ungefährlich ist und daher keine erhöhten Schutzmaßnahmen erforderlich sind.

Die effiziente Erzeugung und Detektion von THz-Strahlung war über einen langen Zeitraum hinweg die größte Herausforderung bei THz-Messsystemen. Der Grund liegt vor allem darin, dass etablierte Konzepte aus den angrenzenden Spektralbereichen im THz-Frequenzbereich nicht anwendbar sind. Während rein elektronische Oszillatoren für Frequenzen oberhalb von 0,5 THz sehr ineffizient werden, können Laser und LEDs für Frequenzen <5 THz nicht mehr bei Raumtemperatur betrieben werden. Diese Lücke im elektromagnetischen Spektrum muss durch neue Konzepte geschlossen werden.

Wie die Terahertz-Strahlen erzeugt werden

Ein besonders vielversprechender Ansatz, um THz-Strahlung zu erzeugen, ist ein optoelektronisches Verfahren. Bei dieser Methode wird ein optischer Laserpuls mithilfe eines lichtempfindlichen Halbleiters in einen THz-Puls umgewandelt. Dieser THz-Puls mit einer Dauer von weniger als einer Pikosekunde, also eine billionstel Sekunde, enthält Frequenzen zwischen 0,1 bis 6 THz. Durch diesen zeitlich extrem kurzen Puls lässt sich die Flugzeit, analog zum konventionellen RADAR, mit besonders hoher zeitlicher Auflösung messen. Diese Technik wird daher auch als THz-Zeitbereichsspektroskopie bezeichnet. Der große Vorteil des optoelektronischen Verfahrens zum Erzeugen von Terahertz liegt in der Kompatibilität mit der glasfaserbasierten Telekommunikationstechnik. So können etablierte Techniken und Komponenten aus der Glasfaseroptik direkt für die THz-Messtechnik genutzt werden. Das ermöglicht erstmals kompakte, kostengünstige und vor allem industrietaugliche Systeme für die zerstörungsfreie Materialprüfung.

Ein glasfaserbasiertes THz-System besteht aus einem diskreten THz-Sender bzw. Empfängerkopf und dem eigentlichen THz-Spektrometer. In diesem befinden sich der Laser, eine optische Verzögerungsstrecke und die Ausleseelektronik. Durch die Faserkopplung lassen sich Sender und Empfänger flexibel zum Messobjekt ausrichten. Das Bild 1a zeigt schematisch ein THz-Transmissionsexperiment. Der vom Sender emittierte THz-Puls wird über Spiegel zum Messobjekt und nach der Wechselwirkung zum THz-Empfänger gelenkt. Das Fraunhofer HHI hat in den vergangenen 10 Jahren intensiv an der Entwicklung fasergekoppelter THz-Systeme gearbeitet. In den Bildern 1b und c sind das Spektrometer sowie ein fasergekoppeltes THz-Sender bzw. Empfängermodul des Fraunhofer HHI zu sehen. Die Schlüsselkomponente ist an dieser Stelle der Halbleiter, der mit Laserlicht einer Wellenlänge von 1,5 µm angeregt werden kann und dadurch effizient THz-Strahlung erzeugt bzw. detektiert.

Die Wanddicke von Kunststoffrohren messen

Prototypen eines solchen THz-Messsystems werden seit einiger Zeit bei der Extrusion von Kunststoffrohren eingesetzt. Ziel des Messsystems ist es, die Wanddicke über den gesamten Umfang des Rohres während des Extrusionsprozesses zu überwachen. Kunststoffrohre müssen engen Spezifikationen genügen, da zu dünne Stellen das Rohr instabil werden lassen, während bei zu großer Wandstärke Material verschwendet wird. Bisher wurden bei der Produktion von Kunststoffrohren Ultraschallsysteme eingesetzt.

Solche Systeme haben einige entscheidende Nachteile: Zum einen ist die Messung temperaturabhängig und erfordert aufwendige Kalibrierungen. Weiterhin wird Wasser als Koppelmedium benötigt, weil die Ultraschallmessung nicht berührungslos erfolgen kann. Und schließlich lassen sich die einzelnen Schichtdicken von Mehrschichtrohren, wie beispielsweise Schaum- und Wellrohre, mit Ultraschall nicht auflösen. Die THz-Messtechnik hingegen ermöglicht es, den Produktionsprozesses von Einzel- und Mehrschichtrohren mit Wandstärken von einigen Millimetern bis hin zu funktionellen Schichten mit Dicken von wenigen 10 µm berührungslos und vor allem auch zerstörungsfrei zu überwachen. Das Bild 2 zeigt exemplarisch das Ergebnis einer THz-Flugzeitmessung am Beispiel eines Schaumrohrs. Es besteht aus einem Außen- und einem Innenrohr aus Kunststoff, die durch eine Schaumschicht verbunden sind.

Die Gesamtdicke der Rohrwand beträgt 3,44 mm. Im Bild 2c ist das zugehörige Signal der THz-Flugzeitmessung abgebildet. Ein Teil des eingestrahlten THz-Pulses wird an jedem Materialübergang reflektiert, sodass der Abstand zweier Pulse ein Maß für die Dicke des Materials ist. Die Wandstärken von Außenrohr, Schaumschicht und Innenrohr, können somit aus dem Datensignal extrahiert werden.

Sender und Empfänger auf einem Sensorchip

Für kompaktere und flexiblere THz-Systeme hat das Fraunhofer HHI einen integrierten THz-Sensorkopf entwickelt. Dabei sind Sender und Empfänger auf einem einzigen Sensorchip. Diskrete THz-Sender und Empfänger müssen entweder unter einem Winkel zur Probe oder mithilfe eines THz-Strahlteilers angeordnet werden, wozu eine extrem präzise Ausrichtung der Messköpfe zur Probe notwendig ist. Die Folge sind Reflexionsverluste an den benötigten optischen Elementen. Der THz-Transceiver des Fraunhofer HHI hat einen Durchmesser von 25 mm und ist 35 mm lang. Er misst THz-Reflexionen orthogonal zur Probenoberfläche ohne komplizierte THz-Optiken. Der THz-Transceiver demonstriert auf anschauliche Weise das Potential photonischer Integrationstechnologie für Anwendungen in der Sensorik.

* Die Autoren arbeiten am Fraunhofer Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, in Berlin. Diesen Beitrag haben wir von unserem Partnerportal Elektronik Praxis übernommen.

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