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Prüftechnik

Kommt jetzt der Terahertz-Durchbruch?

| Redakteur: Rebecca Vogt

Bislang konnte sich die Terahertz-Technologie nicht am Markt durchsetzen. Forschern ist es nun jedoch gelungen, zwei entscheidende Hürden zu nehmen. Langfristig angestrebt ist ein Einsatz in der zerstörungsfreien Material- und Bauteilprüfung.

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Terahertz gilt als Schlüsseltechnik für eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung. Fraunhofer-Forscher haben nun ein kosteneffizientes und kompaktes Messsystem entwickelt, das erstmals Dicken von Mehrschichtsystemen in Echtzeit bestimmt.
Terahertz gilt als Schlüsseltechnik für eine zerstörungsfreie Werkstoffprüfung. Fraunhofer-Forscher haben nun ein kosteneffizientes und kompaktes Messsystem entwickelt, das erstmals Dicken von Mehrschichtsystemen in Echtzeit bestimmt.
(Bild: Fraunhofer-HHI)

Bereits vor gut zehn Jahren ruhten große Hoffnungen auf der Terahertz-Strahlung. Aufmerksamkeit fand das Thema damals auch in der breiten Öffentlichkeit, als von Nacktscannern an Flughäfen die Rede war. Die Industrie indes versprach sich neuartige Messsysteme für die Prüfung von Materialien und Bauteilen. Der Durchbruch blieb aus. Denn im Vergleich zu klassischen Verfahren, die heute zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt werden, wie etwa Röntgenstrahlung oder Ultraschall, gilt die Terahertz-Technologie schlicht als zu teuer.

In den vergangenen Jahren konnten jedoch Fortschritte auf dem Gebiet erzielt werden. Forschern des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts (HHI) ist nun ein weiterer gelungen. Unter der Leitung von Björn Globisch hat die Terahertz-Forschungsgruppe des Instituts ein Messgerät entwickelt, in dem die bisher eingesetzten Femtosekunden-Pulslaser durch kompakte Dauerstrich-Laser ersetzt werden.

Halbleiter als Schlüssel

Entscheidend ist dabei laut HHI, dass dieses Dauerstrich-Messsystem acht Messungen pro Sekunde ermöglicht – und damit erstmals Echtzeitmessungen ohne Verwendung eines gepulsten Lasers. Das vom Fraunhofer-Institut eingesetzte Prinzip zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung basiert auf einem optoelektronischen Verfahren. Mithilfe eines speziellen Halbleiterbauelements wird dabei die Schwebung zweier Dauerstrich-Laser in Terahertz-Strahlung umgewandelt, welche genau der Differenzfrequenz der beiden Laser entspricht.

Vor allem die benötigten Eigenschaften der verwendeten Halbleiter erwiesen sich bislang als Erfolgshindernis für die Terahertz-Technologie. Diese konnten zunächst nur mit Materialien erzielt werden, die eine Beleuchtung mit einer Wellenlänge um 800 nm 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 μm Wellenlänge anregen lässt“, berichtet 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.“

Erhöhte Messgeschwindigkeit

Eine weitere Hürde stellte der Pulslaser dar, auf dem alle gängigen echtzeitfähigen Terahertz-Systeme basieren. Auch dieser ist ein entscheidender Kostenfaktor. Femtosekunden-Laser sind nicht nur selbst schon technologisch aufwendig 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, so die Forscher.

Eine Alternative fanden sie in der Dauerstrich-Spektroskopie. Anstatt eines Terahertz-Pulses wird hier Dauerstrichstrahlung erzeugt. Zwei Dauerstrich-Laserquellen werden dabei gemischt und ihr Schwebungssignal wird 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. Von Vorteil ist hierbei, dass die Laserquellen selbst kompakter und günstiger sind. Gleichzeitig werden keine optomechanischen Komponenten für den Betrieb des Systems benötigt, wie das Fraunhofer-HHI mitteilt.

Dauerstrich-Terahertz-Systeme sind zwar bereits erhältlich, sie benötigen jedoch zur Erfassung eines vollständigen Messsignals einige Sekunden bis Minuten. Bisher war somit die Messgeschwindigkeit von Dauerstrich-Terahertz-Systemen nicht hoch genug, um der zeitlichen Taktung in industriellen Prüfverfahren zu genügen. Die Forscher des HHI verwenden extrem schnell durchstimmbare Laser. Elektronik, Datenerfassung und Algorithmen werden auf die hohen Geschwindigkeiten angepasst. Durch diese Kombination ist es ihnen nach eigener Aussage gelungen, die Messgeschwindigkeit im Vergleich zu bisherigen Systemen um den Faktor 160 zu steigern. Erstmalig sei somit eine Materialprüfung in Echtzeit mit Dauerstrich-Terahertz-Systemen möglich.

Obwohl das neue Terahertz-Messsystem aus kostengünstigen optischen Standardkomponenten aufgebaut ist, ist es derzeit noch teurer als beispielsweise Ultraschallgeräte, die in Stückzahlen von vielen Hunderttausend gefertigt werden. „Der Preis wird sich aber mit einer künftigen Serienfertigung angleichen“, prognostiziert Globisch. Angesichts der Vorteile des Messverfahrens und der aktuellen Fortschritte ist der Forscher davon überzeugt, dass sich das Terahertz-Verfahren in den kommenden Jahren als Messverfahren der zerstörungsfreien Materialprüfung etablieren wird.

* Weitere Informationen: Björn Globisch, Leiter der Terahertz-Forschungsgruppe am Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut in 10587 Berlin, Tel. (0 30) 3 10 02-4 15, bjoern.globisch@hhi.fraunhofer.de

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