Terahertz-Imaging für die Qualitätskontrolle

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1 B Terahertz-Imaging für die Qualitätskontrolle Prinzip, René Beigang Fraunhofer Institut Physikalische Messtechnik IPM Standort Kaiserslautern Abteilung THz Messtechnik und Systeme Terahertz-Spektralbereich Wellenlänge [m] Radio Mikrowellen THz Wellen Infrarot V I UV S Frequenz [Hz] 1

2 THz-Strahlung ist nicht ionisierend Charakteristische Absorptionen von nahezu allen polaren Molekülen keine Änderung der chemischen Eigenschaften von organischen Substanzen, wichtig für lebende Zellen spezifischer Nachweis auch für komplexe Moleküle Nachweis von Veränderungen Pharmaka, Drogen, Sprengstoff 140 Absorptionskoeffizient [b. E.] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 H 2 O 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Frequenz Frequenz [THz] [THz] Absorptionskoeff. [cm -1 ] Lactose 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Frequenz [THz] THz-Strahlung ist nicht ionisierend Charakteristische Absorptionen von nahezu allen polaren Molekülen keine Änderung der chemischen Eigenschaften von organischen Substanzen, wichtig für lebende Zellen spezifischer Nachweis auch für komplexe Moleküle Nachweis von Veränderungen Pharmaka, Drogen, Sprengstoff Starke Absorption von polaren Flüssigkeiten (Wasser) Metalle sind nicht transparent für THz Dielektrika (Papier, Plastik, Textilien, etc.) sind transparent 2

3 THz-Strahlung ist nicht ionisierend Charakteristische Absorptionen von nahezu allen polaren Molekülen keine Änderung der chemischen Eigenschaften von organischen Substanzen, wichtig für lebende Zellen spezifischer Nachweis auch für komplexe Moleküle Nachweis von Veränderungen Pharmaka, Drogen, Sprengstoff Starke Absorption von polaren Flüssigkeiten (Wasser) Metalle sind nicht transparent für THz Quelle: Dave Zimdars, Picometrix, Inc. Dielektrika (Papier, Plastik, Textilien, etc.) sind transparent Höhere räumliche Auflösung im Vergleich zu abbildenden Verfahren mit Mikrowellen Erzeugung von THz-Strahlung Unterschiedliche Betriebsarten: Kontinuierlich, schmalbandig Gepuslt mit einstellbarer bandbreite (100 ps < t < 10 ns) Gepulst und breitbandig (100 fs < t < 1 ps) Moderne Lasertechnologie für THz Erzeugung Ultrakurzpulslaser, Faserlaser Empfindliche Nachweismethoden verfügbar Kohärenter nachweis S/N = D Echtzeitmessungen möglich Kompakte turn-key Systeme werden entwickelt 3

4 Eigenschaften typischer THz-Systeme Gepulst Kontinuierlich kurze Impulse (< 1 ps) breitbandig lange Imulse (>10 ps) schmalbandig PCS, Oberflächenemitter, Gleichrichtung, 1,0 Opt. Gleichrichtung in PPLN, GaAs, OPOs, 10 DFG, Photomixing, Direkte Laser: Gas, Ge, QCL,. Backward Oszillatoren Electric field [a. u.] 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0-0,2-0, Delay [ps] Field amplitude [a. u.] Delay [ps] Spectral amplitude [b. E.] ,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 Frequency [THz] Variable THz-Quellen im Frequenzbereich von 50 GHz to 10 THz Komponenten eines optischen THz-Systems - Laser - Emitter -Detektor -THz Optik fs Laser, Diodenlaser gepumpt/diodenlaser/ir Laser Oberflächenemitter, PPLN, optsiche Gleichrichtung Photoleitende Schalter, EOS, Bolometer Abhängig von Anwendung Probe Fs/ps Laser Delay 4

5 Anwendung von THz-Strahlung Ausnutzen charakteristischer Eigenschaften Intensität Zeitstruktur Amplitude/Phase/Durchstimmbarkeit Imaging Tomographie Spektroskopie 0,51,01,52,02,53,03,54,0 Frequenz [THz] 0,51,01,52,02,53,03,54,0 cw, gepulst optisch/elektronisch gepulst (ps) optisch cw, gepulst (durchstimmbar), gepulst (ps) optisch, elektronisch Kombinationen unterschiedlicher Messverfahren Anwendung von THz-Strahlung Bildgebende Verfahren 1-dim 2-dim 3-dim und/oder Spektroskopie: komplexer Brechungsindex, abstimmbare Frequenz Intensität Amplitude und Phase Zeitverzögerung Messungen innerhalb nicht transparenter (vis, IR) Behälter THz Grenzschichten, Dichte, Konzentrationen, Streuung, Absorption, Fremdkörper, Hohlräume 5

6 Technologieentwicklung Laborsystem portabel - modular modular, portabel und flexibel - kompakt - flexibel Teraview, Picometrix, Gigaoptics, Technologieentwicklung THz System mit fasergekoppelten Emittern und Detektoren Geeignet für industrielle Anwendungen 6

7 Technologieentwicklung THz System mit fasergekoppelten Emittern und Detektoren THz Komponenten Geeignet für industrielle Anwendungen Photoleitende Schalter auf GaAs und InGaAs Basis Technologieentwicklung THz System mit fasergekoppelten Emittern und Detektoren Geeignet für industrielle Anwendungen THz Komponenten Photoleitende Schalter auf GaAs und InGaAs Basis THz Messmethoden Triangulation 2D-Imaging Reflexions- und Transmissionsmessungen Echtzeit Laufzeit 7

8 Technologieentwicklung THz System mit fasergekoppelten Emittern und Detektoren THz Komponenten Variabler Einsatz für industrielle Anwendungen Photoleitende Schalter auf GaAs und InGaAs-Basis Vertrieb als OEM-Produkt THz Messmethoden 2D Imaging Triangulationsverfahren 2D-Imaging Reflexions- und Transmissionsverfahren Echtzeitmessungen Technologieentwicklung THz System mit fasergekoppelten Emittern und Detektoren THz Komponenten THz Messmethoden 2D Imaging Laufzeitmessungen Aufbau eines Faserlaser-gepumpten THz-Systems, Demonstration auf der ACHEMA (Frankfurt) Photoleitende Schalter auf GaAs und InGaAs-Basis Vertrieb als OEM-Produkt Triangulationsverfahren 2D-Imaging Reflexions- und Transmissionsverfahren Echtzeitmessungen 8

9 THz Imaging THz 30 μm Berührungslose Messung der Dicke transparenter Objekte (für THZ) Messung in Reflexion oder Transmission Messung von Farbschichten und Coatings (Pharmaindustrie, Flugzeugindustrie,..) Tesafimstreifen auf einer Kunststoffplatte (Laufzeitmessungen) 30 μm Schweißnaht Kunststoffschweißen ABS 3,0 mm ABS = Acrylnitril-Butadien-Styrol 41 n ABS = 1,636 n PMMA = 1,596 PMMA 1,9 mm 1 2 E(t) [willk. Einh.] ,73 ps 49,40 ps Referenzpuls nur PMMA PMMA und ABS Kein Luftspalt detektierbar Zeit [ps] 9

10 THz Imaging THz Absorption Komplettaufbau inkl. Faserlaser, portabel Probengrößen bis 200x200 mm² balancierte 8 Pixel Mehrkanaldetektion: hohes Signal/Rauschverhältnis hohe Geschwindigkeit THz Imaging Analyse von Gemälden: Alter, verborgene Gemälde, Farbzusammensetzung, Pigmente, etc. t Darstellung des E(t)-Verlaufs jedes Ortes in Form eines Videos Ermittlung der kontrastreichsten bildlichen Darstellung Fraunhofer Institut Werkstoff- und Strahltechnik 10

11 THz Imaging Keramikprobe Fremdkörperdetektion in Schokolade M. Theuer (IPM) THz Imaging Abbildende Verfahren in Pulvern und stark streuenden Medien Unterschiedliche Messmethoden M. Herrmann (IPM) 11

12 Zusammenfassung THz-Technologie bietet prinzipiell die Möglichkeit der berührungslosen Qalitätsprüfung Vielzahl von THz-Quellen und Detektoren verfügbar Imaging und spektroskopische Informationen in Echtzeit möglich leistungsstarke THz-Quellen (abstimmbar/breitbandig/schmalbandig) erforderlich schnelle Datenaufnahme und auswertung (Video-Rate) keine Messungen über große Freistrahlstrecken in realer Umgebung Kombination mit andern Sensoren und Detektionsmethoden Passive und aktive Verfahren denkbar Ausblick THz-Technologie hat das Potenzial für abbildende Verfahren in der berührungslosen Qualitätskontrolle Einsatz ist erfordert industrietaugliche THz-Systeme: Weiterentwicklung der THz-Technologie Weiterentwicklung von Messverfahren Kombination mit anderen Methoden Möglichkeit der spektroskopischen Zusatzinformation Industriell einsetzbare Systeme stehen zur Verfügung Vielfältige Anwendungsgebiete Technologie Eigenschaften und Messtechnik von THz-Strahlung Sicherheitsanwendungen Möglichkeiten und Grenzen Mö li hk it d G 12

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