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Fraunhofer HHI / Hannover Messe 2018

Erstes Dauerstrich-Terahertz-Spektrometer

17. April 2018, 15:45 Uhr | Nicole Wörner

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Wie funktioniert das neue Prinzip?

Das vom Fraunhofer HHI eingesetzte Prinzip zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung basiert auf einem optoelektronischen Verfahren. Mithilfe eines speziellen Halbleiterbauelements wird dabei die Schwebung zweier Dauerstrichlaser in Terahertz-Strahlung umgewandelt, die genau der Differenzfrequenz der beiden Laser entspricht.

Dass der Terahertz-Technologie der große Erfolg bislang verwehrt blieb, liegt insbesondere an den benötigten Eigenschaften der verwendeten Halbleiter. Diese konnten zunächst nur mit Materialien erzielt werden, die eine Beleuchtung mit einer Wellenlänge um 800 Nanometer erforderten. Sowohl die Laser als auch die optischen Komponenten des Terahertz-Systems sind bei dieser eher exotischen Wellenlänge aber deutlich zu teuer und nicht robust genug für den industriellen Einsatz.

»Wir haben deshalb einen Halbleiter entwickelt,…

...der sich mit Laserlicht von 1,5 Mikrometer Wellenlänge anregen lässt«, schildert Globisch. »In der optischen Nachrichtentechnik ist das der Wellenlängen-Standard, sodass es hier eine große Zahl kostengünstiger und qualitativ hochwertiger optischer Bauteile und Laser gibt.«

Auf dem Weg zum konkurrenzfähigen Terahertz-System für die Materialprüfung musste aber noch eine weitere Hürde überwunden werden: Der Pulslaser, auf dem alle gängigen echtzeitfähigen Terahertz-Systeme basieren, ist ein entscheidender Kostenfaktor bestehender Systeme. Femtosekunden-Laser sind nicht nur selbst schon technologisch aufwändig und teuer, Terahertz-Spektrometer, die mithilfe von gepulsten Lasern betrieben werden, erfordern zusätzlich optomechanische Bauteile, die mit viel Aufwand präzise justiert und gefertigt werden müssen.

Eine Alternative stellt die Dauerstrich-Spektroskopie dar,…

...bei der anstatt eines Terahertz-Pulses, Dauerstrichstrahlung erzeugt wird. Zwei Dauerstrich-Laserquellen werden dabei gemischt und ihr Schwebungssignal in einem speziellen Halbleiterelement in Terahertz-Strahlung umgewandelt. Durch Verstimmen der Laser-Wellenlängen zueinander, kann die Wellenlänge der erzeugten Terahertz-Strahlung auf einfache Weise verändert werden. Dauerstrich-Systeme haben dabei zwei entscheidende Vorteile gegenüber gepulsten Terahertz-Systemen: Einerseits sind die Laserquellen selbst kompakter und günstiger, andererseits werden keine optomechanischen Komponenten für den Betrieb des Systems benötigt.

Dauerstrich-Terahertz-Systeme sind zwar bereits erhältlich,…

...benötigen jedoch zur Erfassung eines vollständigen Messsignals einige Sekunden bis Minuten. Dagegen sieht die industrielle Anwendung oft so aus: In der Produktion fährt ein Roboterarm Messpunkte an lackierten/beschichteten Bauteilen ab und misst die Beschichtungsdicke. Um den Produktionstakt einzuhalten, bleibt daher pro Messpunkt wenig Zeit. Bisher war die Messgeschwindigkeit von Dauerstrich-Terahertz-Systemen nicht hoch genug, um Anwendungen in der zerstörungsfreien Prüfung zu adressieren.

Das Fraunhofer HHI hat dieses Problem gelöst,…

...indem extrem schnell durchstimmbare Laser (Finisar WaveSource) eingesetzt und die Elektronik, Datenerfassung und Algorithmen auf die hohen Geschwindigkeiten angepasst werden. Durch diese Kombination ist es gelungen, die Messgeschwindigkeit im Vergleich zu bisherigen Systemen um den Faktor 160 zu steigern. Damit ist erstmalig Materialprüfung in Echtzeit mit Dauerstrich-Terahertz-Systemen möglich. Auf der Hannover Messe wird dieses System in einer Live-Demonstration vorgestellt.