Terahertz-Wellen ein neuer Spektralbereich für die industrielle Messtechnik

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1 Beiträge tm 9/2010 Terahertz-Wellen ein neuer Spektralbereich für die industrielle Messtechnik Terahertz Waves A New Spectral Band for Industrial Measurement Techniques Frank Ellrich, Jens Klier, Joachim Jonuscheit, Fraunhofer IPM, Kaiserslautern, Tristan Weinland, Technische Universität Kaiserslautern, René Beigang, Fraunhofer IPM, Kaiserslautern Zusammenfassung Zwischen Radar und Infrarot liegen die so genannten Terahertz-Wellen mit Wellenlängen im Bereich zwischen 30 μm und 3 mm. Diese können mit Hilfe moderner optischer Methoden effizient erzeugt und empfindlich nachgewiesen werden. Die technische Nutzung der Strahlung eröffnet neue Möglichkeiten sowohl in der Grundlagenforschung als auch speziell in der industriellen Messtechnik. Die Entwicklung eines fasergekoppelten Terahertz-Messsystems ermöglicht den Einsatz in unterschiedlichen industriellen Anwendungen, die an ausgewählten Beispielen vorgestellt werden. Summary THz waves are electromagnetic waves with wavelengths between 30 μm and 3 mm. They combine the advantages of both their neighbouring regions, the radar and infrared range, respectively: dielectrics are highly transparent and at the same time most materials show significant spectroscopic information. Using innovative optical methods for generation and detection, efficient THz systems can be realized. These systems can be applied successfully in fundamental research as well as for industrial applications. Schlagwörter Terahertz, zerstörungsfrei, berührungslos, breitbandig, industrielle Anwendungen Keywords Terahertz, non destructive, contactless, broadband, industrial applications 1 Eigenschaften der Terahertz-Wellen Der Terahertz (THz)-Spektralbereich ist mit Wellenlängen im Bereich von 30 μm bis3mmzwischenden Mikrowellen und dem fernen Infrarot anzusiedeln. Der niederfrequente Rand dieses Bandes wird mit elektronischen Verfahren sehr gut abgedeckt am hochfrequenten Rand gibt es leistungsstarke Ferninfrarotlaser. Der THz- Frequenzbereich (von 0,1 THz bis 10 THz) jedoch liegt technisch gesehen im Grenzbereich zwischen Elektronik und Optik (Bild 1). Millimeter- und Mikrowellen auf der langwelligen Seite der THz-Strahlung werden seit geraumer Zeit sowohl in passiven als auch aktiven Systemen als etablierte Messtechnik für bildgebende Verfahren eingesetzt, insbesondere wegen der hohen Eindringtiefe in dielektrische Strukturen wie Kunststoffe, Kleidung, Keramik und Faserverbundstoffe. Allerdings ist das räumliche Auflösungsvermögen durch die große Wellenlänge begrenzt. Auflösbare Strukturen liegen in der Regel im Zentimeterbereich. Spektrale Absorptionen von technisch relevanten Molekülen oder pharmazeutischen Wirk- und chemischen Gefahrstoffen werden in diesem Frequenzbereich nicht beobachtet, sodass hier keine Substanzidentifizierung erfolgen kann. Der kurzwelligere Infrarotbereich dagegen ist für seine spektroskopisch signifikanten Aussagen bekannt. Charakteristische Molekülschwingungen lassen sich in verschiedensten Stoffen und Stoffgemischen nachwei- 452 tm Technisches Messen 77 (2010) 9 / DOI /teme Oldenbourg Wissenschaftsverlag

2 Terahertz-Wellen ein neuer Spektralbereich... Bild 1 Das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung wird in verschiedene Bereiche eingeteilt, wobei die Grenzen fließend sind. Die Bereiche unterscheiden sich in der Wechselwirkung der Strahlung mit Materie, woraus sich unterschiedliche Anwendungsmöglichkeiten ergeben, von denen jeweils einige bildhaft dargestellt sind. Im THz-Bereich kommen mehrere interessante Eigenschaften zusammen, nämlich die große Eindringtiefe, das Vorhandensein spektroskopischer Informationen und ein geringes Gefährdungspotenzial, da THz-Strahlung nicht ionisierend ist. sen. Jedoch lässt sich die Infrarotstrahlung gerade durch Verpackungen hindurch oder in stark streuenden Umgebungen schwer bis gar nicht einsetzen. Die THz-Strahlung vereinigt diese beiden wichtigen Vorteile: Die hohe Durchdringung dielektrischer Materialien und die gleichzeitig spektrale Selektivität [1]. Diese Kombination ist der Grund für das große Interesse an der technischen Nutzung dieses Frequenzbandes, zum Beispiel in der Prozess- und Qualitätskontrolle sowie im Sicherheitsbereich. Von besonderem Interesse ist hier die Inspektion von Bauteilen aus Kunststoff oder Keramik im Hinblick auf Einschlüsse oder Hohlräume sowie anderen Fehlstellen: Diese Werkstoffe können oftmals von sichtbarem und IR-Licht nicht durchleuchtet werden, im Falle von harter Röntgenstrahlung ist der Kontrast zu gering. Unter Ausnutzung der spektroskopischen Möglichkeiten können Gefahrstoffe in Verpackungen zur Gefahrenerkennung und -abwehr identifiziert oder chemische Reaktionen während der Produktion verfolgt und entsprechend gesteuert werden. Ein weiterer wichtiger Aspekt für den Einsatz von THz-Wellen ist die Tatsache, dass aufgrund der geringen Photonenenergie THz-Strahlen nicht ionisierend sind, im Gegensatz zur Röntgenstrahlung, wie sie in der industriellen Bildverarbeitung häufig zum Einsatz kommt. Somit sind keine aufwändigen Strahlenschutzmaßnahmen erforderlich und die Integration in industrielle Anwendungen wird vereinfacht. Metalle und andere leitende Materialien sind für THz-Wellen nicht transparent und können nur in Reflexion untersucht werden. Polare Flüssigkeiten wie Wasser absorbieren THz-Wellen sehr stark, weshalb die Eindringtiefe in wasserhaltige Proben sehr gering ist (< 1mm) [2]. Ebenso begrenzt eine hohe Luftfeuchte breitbandige THz-Messungen auf einen Abstand von wenigen Metern. In Umkehrung ermöglicht die THz- Messtechnik einen sehr empfindlichen Nachweis von Wasser zum Beispiel in Pulvern, Papier, Lebensmitteln oder Pflanzen. 2 Aufbau und Funktionsweise von Terahertz-Spektroskopie-Systemen 2.1 Prinzipielle Funktionsweise eines Terahertz-Spektroskopie-Systems Zunächst einmal wird die grundlegende Funktionsweise eines THz-Spektroskopie-Systems anhand seines labortypischen Aufbaus erläutert, bevor die Unterschiede und speziellen Vorzüge eines industrietauglichen THz- Spektrometers im Detail beleuchtet werden. 453

3 454 Beiträge Terahertz-Spektroskopiesysteme arbeiten basierend auf dem so genannten,pump-probe-prinzip im Zeitbereich: Dabei wird der zeitliche Verlauf eines THz-Pulses aufgezeichnet. Eine anschließende Fourier-Transformation liefert dann die spektralen Informationen. Diese Vorgehensweise wird auch als Zeitbereichsspektroskopie (time-domain spectroscopy, TDS) bezeichnet, weshalb man korrekterweise von THz-Zeitbereichs-Spektroskopie-Systemen spricht (THz- TDS-System) [3]. Der prinzipielle Aufbau eines solchen Systems ist in Bild 2 dargestellt. Eine der Schlüsselkomponenten eines solchen optischen THz-Systems ist die Laserlichtquelle, die Lichtpulse mit einer zeitlichen Halbwertsbreite von ca. 100 fs liefert. Diese werden mit einem Strahlteiler in einen sogenannten,pump-pulse und den,probe-pulse aufgeteilt. Der,pump-pulse wird dann direkt auf den Emitter geführt, wo er zum Beispiel auf einen photoleitenden Schalter (photoconductive switch, PCS, siehe Bild 2: rechter Bildrand) fokussiert wird. Der,probe-pulse dagegen wird über eine variable Verzögerungsstrecke geleitet, bevor er auf den THz-Detektor trifft. Dies kann ebenfalls ein photoleitender Schalter sein. Diese Schalter bestehen aus einem bei niedrigen Temperaturen gewachsenen Halbleitermaterial (low-temperature grown gallium arsenide, LT-GaAs) auf das eine leitende Dipolstruktur definierter Länge aufgebracht ist. In der Mitte der Dipolstruktur befindet sich eine Lücke, in die das Laserlicht fokussiert wird. Ein Stromfluss im Halbleitermaterial und somit eine THz-Emission bzw. -Detektion kommt Bild 2 Skizze eines typischen THz-Zeitbereichsspektroskopie- Systems mit photoleitenden Schaltern (PCS-Antennen). dann nur während der sehr kurzen Beleuchtungszeit durch einen eintreffenden Femtosekunden-Lichtpuls zustande. An den Emitter wird zur Beschleunigung der freigesetzten Ladungsträger eine elektrische Spannung angelegt. Die Dipolstruktur ist so dimensioniert, dass sie an die durch die beschleunigten Ladungsträger abgestrahlte elektromagnetische Welle im Terahertzbereich angepasst ist. Die Detektion der Strahlung verläuft analog: Die auf dem Detektor aufgebrachte Dipolantenne empfängt die THz-Welle, welche die durch den Licht- Bild 3 Der durch eine Probe transmittierte THz-Puls erfährt aufgrund der Beschaffenheit der Probe Dämpfungen in der Amplitude, zeitliche Verzögerungen gegenüber dem Referenzpuls sowie einen Zuwachs an Echos, die Informationen über die spektralen Eigenschaften der Probe enthalten.

4 Terahertz-Wellen ein neuer Spektralbereich... puls freigesetzten Ladungsträger entsprechend moduliert. Diese Modulation des Dipolstromes wird durch einen geeigneten Vorverstärker in der Transimpedanz gewandelt und mit Hilfe einer angepassten Datenverarbeitung visualisiert. Da nun die zeitliche Länge des THz-Pulses um ein vielfaches größer ist als die Laserpulsdauer und die Lebensdauer der erzeugten freien Ladungsträger auf dem photoleitenden Schalter, wird immer nur ein kleiner Teil der Terahertzwelle aufgenommen. Durch das sukzessive Verschieben der Verzögerungsstrecke verändert man nun die zeitliche Lage des Abtast-Laserpulses (,probe-pulse ) relativ zum,pump-pulse, so dass der gesamte Terahertzpuls abgetastet wird. Da in diesem Fall das elektrische Feld und nicht die Intensität des THz-Pulses gemessen wird, erhält man im Gegensatz zu den traditionellen Leistungsmessmethoden die komplette Information des Signals nach Betrag und Phase (Bild 3). 2.2 Fasergekoppeltes Terahertz-System Die Entwicklung preisgünstiger und industriell einsetzbarer THz-Systeme stellt hohe Anforderungen an die Stabilität, Flexibilität und Kompaktheit der Messaufbauten. Da die üblicherweise in den Laboren verwendeten Freistrahlsysteme, die meist von leistungsstarken wassergekühlten Festkörperlasern betrieben werden, keine dieser Anforderungen erfüllen, muss hier ein anderer Weg beschritten werden: Eine Lösung ist die Verwendung von Faserlasern, die in der Größe eines Schuhkartons hergestellt werden können und die ohne aktive Kühlung auskommen. Darüber hinaus ist es sinnvoll, das THz- Emitter und -Detektoren schaltende IR-Laserlicht soweit möglich in Glasfasern zu führen. Dies hat den Vorteil höherer Flexibilität in der Positionierung der Sende- und Empfangsmodule sowie einer geringeren Empfindlichkeit der Strahlführung gegenüber äußeren mechanischen Einflüssen. Die THz-Strahlung kann somit nahe an dem eigentlichen Messort generiert und detektiert werden. Das Problem beim Einsatz von faseroptischen Komponenten in Verbindung mit Ultrakurzpulslasern sind die nicht vernachlässigbare chromatische Dispersion sowie die in der Glasfaser auftretenden nichtlinearen Effekte [4]. Diese haben beide das gleiche Ergebnis zur Folge: Ein anfangs zeitlich kurzer Lichtpuls unterliegt nach Propagation durch ein Faserstück einer starken Pulsverbreiterung. Dadurch reduziert sich inhärent die erreichbare Bandbreite des THz-Signals. Der überwiegende Anteil der zeitlichen Verbreiterung wird durch die chromatische Dispersion, genauer durch die positive Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) der Glasfaser hervorgerufen. Aufgrund dieser breiten sich die verschiedenen Frequenzanteile des Pulses mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus, was zu der besagten zeitlichen Pulsverbreiterung führt. Zur Kompensation dieses Effektes werden Ultrakurzpuls-Kompressoren bzw. -Strecker verwendet, die eine vom Betrag her gleich große, aber bezüglich des Vorzeichens invertierte GVD aufweisen [5]. Der Lichtpuls, welcher sowohl die Glas- faser als auch den Kompressor durchlaufen hat, weist somit am Ende wieder in etwa seine ursprüngliche zeitliche Breite auf. Aus energetischen Überlegungen heraus lässt man den Lichtpuls jedoch zuerst einen entsprechenden Strecker und danach die Glasfaser durchlaufen, um am Ende wieder einen dispersiv bereinigten Femtosekundenpuls zu erhalten. Bei Faserlängen größer als ca. 10 m machen sich Pulsverbreiterungen durch die Dispersion dritter Ordnung (Third-Order Dispersion: TOD) bemerkbar, die durch das dispersionskompensierende Element des Streckers bzw. Kompressors nicht mehr eliminiert werden können. Neben der linearen GVD spielen auch die nichtlinearen Effekte in der Faser eine wichtige Rolle bei der Übertragung kurzer Pulse. Durch die nichtlineare Selbstphasenmodulation (SPM) werden abhängig von der Intensität in der Faser neue Frequenzkomponenten erzeugt, die in Verbindung mit der GVD zu einer zusätzlichen intensitätsabhängigen Verbreiterung des Pulses führen. Da dieser Effekt im Bereich der normalen Faserdispersion nicht zu kompensieren ist, wählt man die Leistung in der Faser möglichst gering, um ein Auftreten grundsätzlich zu unterdrücken [6; 7]. Der prinzipielle Aufbau eines solchen Terahertz- Spektroskopie-Systems ist schematisch in Bild 4 dargestellt. Hier wurde ein Femtosekunden-Faserlaser verwendet, der IR-Lichtpulse mit einer zeitlichen Halbwertsbreite von etwa 100 fs bei einer Mittenwellenlänge von ca. 800 nm emittiert. Die Dispersionskompensation erfolgt vor der Laser-Faser-Kopplung durch einen Gitterstrecker, welcher eine Gesamteffizienz von ca. 66% aufweist. Nach der Lichteinkopplung in die Glasfaser wurden soweit möglich nur noch faseroptische Komponenten verwendet, um die Stabilität des Systems zu erhöhen und die Empfindlichkeit gegenüber äußeren Störungen zu minimieren. Zu diesen Komponenten gehören sowohl faseroptische Strahlteiler als auch Leistungsdetektoren, die die optische Leistung in der Faser erfassen. Lediglich bei der Realisation der fasergekoppelten Verzögerungsstrecke ist der Übergang zu einer Freistrahlanordnung unvermeidbar. Um eventuell auftretende Störungen so gering wie möglich zu halten, wurde die Verzögerungsstrecke sehr kompakt konstruiert und durch eine optimierte Abstimmung der einzelnen Kom- Bild 4 Schematischer Aufbau des fasergekoppelten THz-Systems. 455

5 456 Beiträge ponenten auf eine hohe Strahlstabilität ausgelegt. Diese Verzögerungsstrecke erlaubt einerseits einen weiten Abstimmbereich bis zu 2000 ps und andererseits eine mit bis zu 40 Hz schnell oszillierende Verzögerung bei einem Hub von 100 ps. Die gesamte Elektronik und die Optik sind dabei in einem 19 -Rack mit einer Höhe von 12 Höheneinheiten integriert (Bild 5). Die ca. 5,0 m langen elektrischen und faseroptischen Zuleitungen führen vom 19 -Rack schließlich zu den Messköpfen, in denen die THz-Strahlung mittels photoleitender Schalter erzeugt und detektiert wird. In den Sende- und Empfangseinheiten werden neben den photoleitenden Schaltern auch Linsen aus Silizium und TPX (Polymethylpenten) verwendet, die zur THz-Strahlformung dienen. Der Übergang der Glasfaser auf den photoleitenden Schalter erfolgt über ein spezielles Klebeverfahren, welches eine hohe Langzeitstabilität garantiert und kritische Nachjustagen vermeidet. An der Vorderseite der Messköpfe besteht darüber hinaus noch die Möglichkeit, durch Aufstecken von Wechseloptiken zwischen verschiedenen Brennweiten bei einer Fokussierung des THz-Strahls oder einem kollimierten Strahlengang zu wählen. Zum Nachweis der THz-Strahlung ist es aufgrund der geringen elektrischen Ströme und der langen Zuleitungen empfehlenswert, den Vorverstärker möglichst nah am Detektor zu platzieren. Bild 5 Fasergekoppeltes THz-System: Im 19 -Rack befindet sich sowohl die Optik als auch die gesamte Elektronik. Die elektrische Energieversorgung erfolgt über das übliche 240-V-Versorgungsnetz. Um das System, und hier besonders den Laser, gegen ungewollte Spannungsausfälle zu schützen, wurde eine USV (unterbrechungsfreie Stromversorgung) in das System integriert. Zur Ansteuerung des Gesamtsystems wird ein handelsüblicher Personal-Computer (PC) über eine USB 2.0-Schnittstelle verbunden. Hierzu wurde eine speziell für diesen Zweck entwickelte Transimpedanzverstärker-Schaltung direkt in den Messkopf integriert. Dies führt zu einer erheblichen Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses (SNR). Zusätzlich findet die Lock-In-Messtechnik in diesem System ihre Anwendung: Durch einen geeigneten Lock- In-Verstärker, dessen Ausgang über einen A/D-Wandler mit dem Steuerungs-PC verbunden ist, wird das in der Emitter-Antenne entsprechend elektrisch modulierte Signal, nach Empfang und Transimpedanzwandlung im Detektor, rauscharm erfasst. Mit diesem System sind Messungen im Bereich von ca. 0,1 THz bis ca. 3,0 THz bei einem maximalen SNR von 60 db (Amplitudenverhältnis von 1000 : 1) möglich. Anhand einer typischen THz-Aufnahme in feuchter Luft kann das gesamte System charakterisiert werden (Bild 6). Bild 6 Referenzmessung in feuchter Luft: Das kleine Bild zeigt den Puls im Zeitbereich, das große Bild dessen Fouriertransformierte. Die Bandbreite beträgt ca. 3 THz, das Signal-zu-Rausch-Verhältnis ca. 60 db. Bild 7 Zwei THz-Messköpfe (Emitter und Detektor) auf einem Goniometer montiert. Als Probe zur Untersuchung von mehrschichtigen Systemen wurde eine 3 1 / 2 Diskette verwendet.

6 Terahertz-Wellen ein neuer Spektralbereich... Durch die hohe Flexibilität dieses fasergekoppelten Aufbaus sind auch winkelabhängige Messungen problemlos möglich. Zu diesem Zweck wurden die beiden Messköpfe auf ein Zweikreisgoniometer montiert, sodass beliebige Winkel zwischen Emitter, Detektor und Probe einfach eingestellt werden können. Der Versuchsaufbau ist in Bild 7 zu sehen. Auf diese Art wurde zum Beispiel die Streuung an rauen Oberflächen winkelabhängig vermessen [8]. Darüber hinaus sind aufgrund der Flexibilität und der meterlangen Zuleitungen zwischen 19 -Rack und den Messmodulen auch Messungen an besonders großen Objekten möglich, wie zum Beispiel Untersuchungen von Wandmalereien in Kirchen [9]. 3 Industrielle Anwendungsbeispiele Inzwischen sind viele erfolgreiche technisch-orientierte Untersuchungen mit der THz-Messtechnik durchgeführt worden. Grob teilt man diese in zerstörungsfreie Prozess- und Qualitätskontrolle, in medizinische und biologische Anwendungen, Nachrichtenübertragung sowie in Anwendungen in der Sicherheitstechnik ein. Mit THz-Wellen lassen sich chemische Verbindungen analysieren und Moleküle zu charakteristischen Rotationen und Schwingungen anregen. Die Liste der bereits untersuchten Proben ist umfangreich und umfasst so unterschiedliche Materialklassen wie Halbleiter [10], Polymere [11], Biomoleküle [12], pharmazeutische Wirkstoffe [13], Drogen [14] und Sprengstoffe [15]. Die zerstörungsfreie Prozess- und Qualitätskontrolle ist ein sehr weites Feld und kann in fast allen Industriebranchen eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang sind spektroskopische Messungen vorwiegend in der chemischen und pharmazeutischen Industrie zur Substanzidentifizierung von besonderem Interesse. Aus der Literatur sind Untersuchungen z. B. von Polymorphie oder zur Unterscheidung von Tabletteninhaltsstoffen und unterschiedlich hydratisierten Substanzen bekannt. Eine andere Anwendung ist die Untersuchung des Probeninneren. Hierfür muss die Probe für THz-Wellen transparent sein. Die Liste der bekannten Untersuchungen ist auch hier umfangreich, und deshalb werden nur einige Möglichkeiten kurz erwähnt. In der Lebensmittelindustrie etwa ist es von großer Bedeutung, Fremdkörper in Lebensmitteln zu detektieren. Während metallische Teile sehr empfindlich mit Metalldetektoren nachgewiesen werden können, steht für nichtmetallische Körper nur die Röntgentechnik zur Verfügung. Aufgrund der Strahlenschutzproblematik versucht man, diese mit der THz-Technik zu ersetzen. Verschiedene Fremdkörper aus Metall, Glas, Keramik, Holz und Zucker konnten in Schokolade und Pulvern wie Mehl [16] nachgewiesen werden. Mit dem oben beschriebenen THz-TDS-System wurde eine speziell präparierte Tafel Schokolade in Transmission vermessen. Das THz- Bild im unteren Teil von Bild 8 offenbart die von außen nicht sichtbaren Fremdkörper innerhalb der Tafel. Ne- Bild 8 Im oberen Teil des Bildes ist die Photographie einer einseitig offenen, mit diversen Fremdkörpern versehenen Tafel Schokolade dargestellt. Im unteren Teil macht das THz-Bild die in die Tafel von außen unsichtbar eingeschlossenen Gegenstände sichtbar. In den vier Ecken wurden Orientierungshilfen eingelassen. Außer diesen sind sowohl alle metallischen als auch dielektrischen Fremdkörper sichtbar. ben den metallischen Gegenständen wie der Schraube, den Zuleitungen der LED und der Rasierklinge, sind auch dielektrische Körper wie Glas, Holz, Styropor, Süssstofftablette und Kunststoffteile einwandfrei zu erkennen. Da die THz-Aufnahme in Bild 8 mit einem THz- TDS-System mit spektroskopischer Auflösung gemessen wurde, könnte man mit den generierten Daten und unter Verwendung der Fourier-Transformation nun gezielt die einzelnen Fremdkörper auf ihre spektroskopischen Eigenschaften hin untersuchen und eine Materialidentifikation durchführen. Die Möglichkeiten der THz-Bildgebung in weiteren Anwendungen der Qualitätskontrolle demonstrieren die Bilder 9 und 10 mit THz-Aufnahmen aus dem Automobilbereich: Es handelt sich um Ausschnitte aus der Tür eines Automobils. Die aus elektrisch leitendem Stahl bestehende Tür ist für die THz-Strahlen zwar undurchdringbar, dafür werden diese an der Tür aber umso stärker reflektiert, weshalb das Messsystem in diesem Fall in Reflexion betrieben wurde. Die bildgebende THz- Aufnahme wurde durch sukzessives Verschieben der Probe im THz-Strahlengang aufgenommen. Durch die Verwendung der in Abschnitt 2.2 beschriebenen schnellen Verzögerungsstrecke, welche eine Pulsdetektion mit 457

7 458 Beiträge Bild 9 Photographie (oben) und die entsprechende THz-Aufnahme (unten) eines Ausschnitts aus einer korrosionsfreien Automobiltür. Im THz-Bild ist die sogenannte Peak-to-Peak-Amplitude (P2P-Amplitude) farblich kodiert dargestellt. Bild 10 Photographie und entsprechende THz-Aufnahme eines Ausschnitts aus einer Automobiltür mit korrodierten Stellen. Im THz-Bild ist die sogenannte Peak-to-Peak-Amplitude (P2P-Amplitude) farblich kodiert dargestellt. bis zu 40 Hz erlaubt, konnten die Proben relativ zügig vermessen werden. Einwandfreie ebene Bereiche auf der Probe sind im farbkodierten THz-Bild als farblich homogene Bereiche mit einer hohen Peak-to-Peak-Amplitude (Differenz zwischen maximaler und minimaler Amplitude eines Zeitverlaufs) zu erkennen. Oberhalb dieses Bereiches werden aufgrund der starken Krümmung der Probe so gut wie keine THz-Strahlen mehr von dem ortsfesten Detektor eingefangen: Die Peak-to-Peak-Amplitude sinkt auf ihr Minimum ab. Der unregelmäßig erscheinende untere Bereich, an den sich ein zweiter kleinerer gekrümmter Bereich anschließt, rührt von den Reflektionen der THz-Strahlung auf der unebenen Schweißnaht der Automobiltür her. Im Vergleich der einwandfreien zur korrodierten Probe fällt auf, dass innerhalb des sonst relativ homogenen ebenen Bereiches durch die Rostbildung Wölbungen der lackierten Oberfläche durch Ablösung vom Stahlträger zu erkennen sind. Diese Unebenheiten sind im THz-Bild (Bild 10, unten) gut an den unerwarteten Einbrüchen in der Peak-to-Peak-Amplitude erkennbar. Für rein optische Detektionstechniken wäre es ebenfalls ein Leichtes, die korrodierten Stellen der so vorliegenden Proben ausfindig zu machen. Normalerweise sind diese Bereiche jedoch mit einer für sichtbares Licht opaken Gummilippe bedeckt, wodurch die optischen Methoden nicht angewendet werden können. Da Kunststoffe im Allgemeinen transparent für die THz- Strahlung sind, wird die Korrosionsdetektion mit dieser Technik auch durch die abdeckende Gummilippe hindurch einsetzbar sein. Ein weiteres Anwendungsbeispiel zeigt Bild 11. Hierbei handelt es sich um einen sogenannten Stringer, wie er im Leichtbau verwendet wird. Stringer sind Längsverstei- Bild 11 Photographie (oben und Mitte) und entsprechendes THz-Bild (unten) eines im Leichtbau verwendeten sogenannten Stringers auf Basis von kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK).

8 Terahertz-Wellen ein neuer Spektralbereich... fungen, die die Steifigkeit von großflächigen Bauteilen erhöhen und eine Verformung verhindern. Der hier untersuchte Stringer besteht zum größten Teil aus dem Verbundwerkstoff CFK (kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff). Auf dem mehrschichtigen CFK-Substrat befindet sich eine auf Epoxidharz basierende Schicht, in die mehrere Lagen Kupfergeflecht eingelassen sind. In Bild 11 ist rein visuell erkennbar, dass sich dieses Kupfergeflecht nicht in einer Ebene konstanter Tiefe in der Epoxidharz-haltigen Schicht befindet: In den dunkleren Bereichen liegt dieses tiefer als in den Bereichen, in denen die Struktur des Kupfergeflechts noch einwandfrei zu erkennen ist. Gerade die vergrößerten Aufnahmen in Bild 12 zeigen deutlich, dass der Abstand zwischen den Lagen des Kupfergeflechts im rechten unteren Bildteil im Vergleich zum linken unteren Bildteil zugenommen hat. Da die CFK-Schicht aufgrund einer gewissen Leitfähigkeit für die THz-Strahlung nicht transparent ist, wird der Stringer in Reflexion vermessen. Im THz-Bild (Bild 11, unten) ist die Peak-to-Peak-Amplitude des elektrischen Feldes der reflektierten Strahlung dargestellt. Die auf der Photographie als dunkle Flecken sichtbaren Bereiche sind ebenfalls im THz-Bild einwandfrei zu erkennen, ebenso die durch das Kupfergeflecht hervorgerufenen periodischen Strukturen. Um nun den THz-Aufnahmen die gewünschten Tiefeninformationen entnehmen zu können, wird die auf ein bestimmtes Fenster begrenzte THz-Amplitude quer zum Stringer über der Zeit aufgetragen (Bild 13). Das Bild stellt quasi einen Tiefeninformationen-enthaltenen Schnitt durch den Stringer dar: Der zeitliche Verlauf der Amplitude ist über den Brechungsindex der Schicht proportional zur Tiefe verknüpft. Die relativ gerade verlaufende helle Linie am unteren Bildrand spiegelt die Lage der Oberfläche des Stringers wieder: Fresnel-Reflexion der Strahlung an Luft-Epoxidharz-Grenze der Probe. Die Bild 12 VergrößerterAusschnitt aus dem inbild 11 gezeigten Stringer. Im linken unteren Bild erkennt man, dass die um 90 zueinander gedrehten Geflechte direkt übereinander liegen; im rechten unteren Bild ist das hintere Geflecht kaum noch zu erkennen: Der Abstand zum oberen Geflecht hat zugenommen. Bild 13 Querschnitt durch den Stringer: Der zeitliche Verlauf der Amplitude ist gegenüber der Längskoordinate des Stringers aufgetragen. dahinter liegenden, wellenförmig verlaufenden, hellen Kurven werden durch die Reflexion der Strahlung an den verschiedenen Lagen des Kupfergeflechts hervorgerufen. Hier erkennt man nun eindeutige Tiefenunterschiede einmal hinsichtlich des Abstandes des ersten Geflechts von der Probenoberfläche sowie zwischen den einzelnen Lagen der Kupfergeflechte. Am Rand des Bildes sind die verschiedenen Geflechte noch äquidistant, wobei sich im mittleren Bereich die hinteren Lagen von der ersten Lage zunehmend entfernen. Es sind nun genau diese hier im THz-Bild sehr deutlich zu erkennenden Fehllagen, die die Ableitfunktion des Kupfergeflechtes negativ beeinträchtigen können und somit für den Kunden von besonderem Interesse sind. Die durch die THz-Wellen zum Vorschein gebrachten Fehlstellen und Tiefeninformationen sind auch dann noch zugänglich, wenn der Stringer eine zusätzliche äußere Lackschicht aufweisen würde, was er im Endzustand des Produktes auch tatsächlich tut. 4 Ausblick Aufgrund der besonderen Eigenschaften moderner THz- Quellen und -Detektoren besitzt diese Technologie ein großes Potenzial sowohl in der Grundlagenforschung als auch für den Einsatz in industriellen Anwendungen. Neben der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung oder Sicherheitstechnik, wo sich die THz-Technologie im bzw. nahe dem industriellen Einsatz befindet, gibt es konkrete Vorschläge für den Einsatz in einer Reihe von anderen Gebieten, zum Beispiel in der Medizin und der Biotechnologie sowie in der Kommunikationstechnik. Hier muss im Einzelnen noch genau überprüft werden, in wieweit die THz-Technologie den Anforderungen gerecht wird und sich gegen konkurrierende Verfahren durchsetzen kann. In der drahtlosen Kommunikationstechnik wird ein im Sender bereits verändertes, moduliertes Signal übertragen. Die höhere Trägerfrequenz erlaubt eine höhere Informationsübertragungsrate. Bis jetzt ist diese Technik nur dann einsetzbar, wenn zwischen Sender und 459

9 460 Beiträge Empfänger freie Sicht besteht. Auf diese Weise wurden Übertragungen bei 300 GHz über mehrere Meter und bei 94 GHz über einen Kilometer durchgeführt [17]. Viele THz-Untersuchungen im Bereich der Medizin beschäftigen sich mit der Krebsdiagnose. Hierbei ist bis jetzt noch nicht eindeutig geklärt, ob der beobachtete Unterschied zwischen gesundem und bösartig verändertem Gewebe im THz-Bild im unterschiedlichen Wassergehalt der beiden Zellarten begründet ist oder ob andere tumorspezifische Eigenschaften zu diesem Unterschied führen. Interessant könnte jedoch auch der durch die THz-Technik mögliche Blick unter einen Verband oder ein Pflaster sein, um den Heilungsprozess nach Verbrennungen oder Operationen zu beobachten, ohne die Wunde einem zusätzlichen Infektionsrisiko etwa durch das Entfernen des Verbandes aussetzen zu müssen [18]. Die Verfügbarkeit von zuverlässigen und einfachen Detektionsverfahren zur Identifikation von Biomolekülen (DNA= Polynukletide = Gene, m-rma, Proteine) und deren Veränderungen ist der Schlüssel zur Biotechnologie. Hier wird an markerfreien Verfahren gearbeitet, da die Markierung einen zusätzlichen und komplexen Präparationsschritt darstellt [19]. Die rasanten technologischen Fortschritte sowohl der elektronischen als auch der photonischen THz- Technologien lassen erwarten, dass auch in wirtschaftlicher Hinsicht THz-Systeme für industrielle Anwender mit zunehmendem Maße interessanter werden, um damit komplexe Messprobleme lösen zu können. Die Entwicklung von industriellen THz-Systemen geht in Richtung kompakter, zuverlässiger und modularer Systeme, mit denen in Echtzeit spektroskopische und abbildende Messverfahren realisiert werden können. Elektronische Quellen und Quantenkaskadenlaser werden in zunehmendem Maße für industrielle Anwendungen eingesetzt werden. Die Entwicklung der nächsten Jahre wird zeigen, in welchem Ausmaß sich die THz-Technologie in der Industrie etablieren kann. Literatur [1] R. Miles, X. Zhang, H. Eisele und A. Krotkus: Terahertz frequency detection and identification of materials and objects. Springer Dordrecht [2] M. van Exter, C. Fattinger und D. Grischkowsky: Terahertz timedomain spectroscopy of water vapor. In: Optics Letters 14, (1989). [3] K. Sakai: Terahertz optoelectronics. Springer Berlin [4] G. Agrawal: Applications of nonlinear fiber optics. Academic Press San Diego [5] E. Treacy: Optical pulse compression with diffraction gratings. In: IEEE Journal of Quantum Electronics 5, (1969). [6] F. Ellrich, T. Weinland, M. Theuer, J. Jonuscheit und R. Beigang: Fasergekoppeltes Terahertz-Spektroskopiesystem. In: tm Technisches Messen 75 (1), (2008). [7] T. Weinland: Aufbau und Charakterisierung eines fasergekoppelten Terahertz-Spektroskopiesystems. Dipl.-Arb., Technische Universität Kaiserslautern Kap. 3. [8] C. 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August 2010 Die Autoren von links: Jens Klier, Tristan Weinland, Joachim Jonuscheit, René Beigang und Frank Ellrich. Dr.-Ing. Frank Ellrich ist am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM beschäftigt. Dort arbeitet er an faserbasierten THz- Systemen für den industriellen Einsatz sowie im Anwendungsgebiet zerstörungsfreie Materialprüfung im Speziellen im Bereich der Dünnschichtmesstechnik. Adresse: Fraunhofer IPM, Erwin-Schrödinger-Straße, Gebäude 56, Kaiserslautern, frank.ellrich@ipm.fraunhofer.de

10 Terahertz-Wellen ein neuer Spektralbereich... Dipl.-Ing. (FH) Jens Klier arbeitet am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM. Dort beschäftigt er sich mit Freistrahl- THz-Systemen sowie mit der Entwicklung neuer THz-Sender und -Empfänger. Adresse: Fraunhofer IPM, Erwin-Schrödinger-Straße, Gebäude 56, Kaiserslautern, Dr.-Ing. Joachim Jonuscheit ist stellvertretender Leiter der Abteilung Terahertz-Messtechnik und -Systeme am Fraunhofer-Institut für physikalische Messtechnik IPM. Sein Arbeitsgebiet ist der industrielle Einsatz der THz-Technik. Adresse: Fraunhofer IPM, Erwin-Schrödinger-Straße, Gebäude 56, Kaiserslautern, Dipl.-Phys. Tristan Weinland ist an der Technischen Universität Kaiserslautern beschäftigt. Dort arbeitet er in Kooperation mit Fraunhofer IPM an faserbasierten THz-Systemen. Adresse: Fraunhofer IPM, Erwin-Schrödinger-Straße, Gebäude 56, Kaiserslautern, Prof. Dr. René Beigang ist Leiter der Arbeitsgruppe Ultraschnelle Photonik und THz-Physik der Technischen Universität Kaiserslautern. Gleichzeitig ist er Leiter der Abteilung Terahertz-Messtechnik und -Systeme am Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM. Adresse: Fraunhofer IPM, Erwin-Schrödinger-Straße, Gebäude 56, Kaiserslautern, 461