Terahertz-Puls-Systeme. für den Einsatz in industriellem Umfeld

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1 1. Fachseminar Mikrowellen- und Terahertz-Prüftechnik in der Praxis - Vortrag 9 Terahertz-Puls-Systeme für den Einsatz in industriellem Umfeld Bernd Sartorius, Helmut Roehle, Roman Dietz, Björn Globisch, Dennis Stanze, Thorsten Göbel, Martin Schell Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut, Berlin Terahertz-Puls-Systeme für den Einsatz in industriellem Umfeld 1. Motivation: Vorteile von THz-Puls-Systemen 2. Grundlagen zu optisch erzeugtem Puls-Terahertz 3. Weg ins industrielle Umfeld: Fasergekoppelte THz-Systeme 4. Anwendungsbeispiele in Transmission 5. Anwendungsbeispiele in Reflexion Lizenz: 1

2 Terahertz für zerstörfreie Prüfung Generelle Vorteile: Gute THz-Transparenz von Kunststoffen, Keramik, Papier - Metall, elektrisch leitfähige Stoffe, Wasser dagegen reflektieren Kontaktfreie Messungen, auch Schaumstoffe - Vorteile gegen Ultraschall Gesundheitlich unbedenklich - Vorteil gegen Röntgen Spezielle Vorteile von THz Puls-Systemen? Vorteile Puls 1: Dickenmessung Terahertz-Puls Luft oder Referenz Laufzeit-Messung Objekt Defekt - Bestimmung Dicke Objekt - Ort einer Reflexion Zeitachse je kürzer der Puls desto präzisere die Messung 2

3 Vorteile Puls 2: Spektroskopie Fourier-Transformation eines Pulses ergibt zugehöriges Spektrum je kürzer der Puls - desto breiter das Spektrum purged with N 2 THz Puls sieht in / durch Materialien spektroskopische Analyse im Volumen / von verpackten Stoffen THz-Pulse f. industrielles Umfeld Vorteile Puls: - präzise Laufzeitmessung / Positionsbestimmung - Spektroskopie über Fourier-Transformation next: Grundlagen zu optisch erzeugtem Puls-Terahertz 3

4 Optisches Terahertz: Sender fs-laser opt. Puls Photoleiter Strom-Puls Maxwell EM Welle Fourier Spektrum THz optischer Puls - schneller Photoleiter - THz Puls - Spektrum Optisches Terahertz: Detektor THz-Feld wird durch Si-Linse auf Antenne fokussiert Spannung wird induziert und an Photoleiter gelegt THz-Puls + - Antenne Photoleiter Lichtpuls macht Photoleiter kurz leitfähig Photostrom wird gemessen Stromfluß: zeitgleich THz-Puls + Licht-Puls 4

5 Terahertz Puls-System THz-Sender fs- Laser THz THz-Amplitude / a.u. Tast- Puls THz-Feld Verzögerungs- Strecke THz-Detektor Verzögerung /ps Optisches abtasten des THz-Feldes am Empfänger THz-Pulse f. industrielles Umfeld Schüsselkomponenten optisches Puls-THz: - fs-laser - schneller Photoleiter next: Weg ins industrielle Umfeld: Fasergekoppelte THz Systeme 5

6 Optische THz-Systeme fürs Labor THz lab TeraView Ti-Saphir Puls-Laser bei 800 nm LT GaAs Photoleiter Freistrahl-Optik schwere optische Bänke B. Sartorius THz Puls-Systeme für industrielles Umfeld MW THz Prüftechnik Terahertz für industrielle Umgebung Opto-Elektronik in Box kompakt und stationär Flexible Glasfasern zu THz-Sender / -Detektor München bewegliche THz Köpfe an Fertigungsstrasse Beispiel: Extruder Sender THz Rohr Detektor B. Sartorius THz Puls-Systeme für industrielles Umfeld 6 MW THz Prüftechnik München

7 Schlüsselkomponenten Faser-Pulslaser bei 1,5 µm kompakt, robust, turn key Standard Glasfasern aus Telekommunikation 1.5 µm fs Puls Photoleiter für 1,5 µm: Technologie/Patent HHI THz THz-Puls Terahertz-Module seit 2010 über Menlo im Vertrieb viele Systeme weltweit mit HHI-Modulen ausgerüstet Betriebs-Mode Schnell - 50 ms single shot 25 ps 3 THz Rauschen 60 db Pulszug in 50 ms: bis 3 THz > 55dB Scanbereich 25 ps 7

8 Hoch-Präzise: Mitteln über Pulse 100 Pulse - 10 sec 25 ps H 2 O 4 THz 80 db > 75 db dynamic range > 4 THz Bandbreite Wasser-Linien aufgelöst Scanbereich variable bis 250 ps 250 ps - 8 cm Luft ms für Messung 250 ps 8

9 THz-Pulse f. industrielles Umfeld Fasergekoppelte THz-Systeme: - bewegliche THz-Köpfe, stationäre Opto-Elektronik - Komponenten / Technologien aus faser-optischer Telekom Verschiedene Betriebs-Modi wählbar: - schnell - hoch präzise - weiter Scanbereich next: Anwendungsbeispiele in Transmission Dickenmessung PTFE Luft 1 mm PTFE Luft 4,1 mm PTFE 4,1 mm 9

10 Dickenmessung PE-Platten Luft 40 mm PE Messung mit 250 ps delay Luft 60 mm PE 120 mm PE Terahertz für Erkennung Kunststoffe Recycling: Trennung nach Material Unbekanntes Flaschen Objekt Plastik (auch gefärbt) und Papier-Etiketten sind transparent für THz Terahertz Sender??? Terahertz Spektrosopie Material A Material B Material C 10

11 1. Schritt: Dickenmessung THz Puls Sender Zeit Amplitude [na] Thickness x 2 [mm] Ein- Weg Mehr- Weg PET HDPE Wandstärke ist erster Hinweis auf Material! je dünner desto PET Bernd Sartorius Time [ps] 2. Schritt: Amplitude, Absorption 80 THz Puls Sender Amplitude [na] Δh absorption [cm -1 ] Amplitude PP HDPE PC PET PET PET frequency [THz] Amplitude: Absorption/Reflexion zweites Material-Merkmal Absorptionsanstieg steil - PET PC HDPE HDPE Time [ps] 11

12 Anwendung Spektroskopie durch Pappe Laktose FFT rel / db Laktose Referenz Spektroskopie in Transmission durch Wellpappe kein Problem Frequenz / THz THz-Pulse f. industrielles Umfeld Anwendungsbeispiele in Transmission - Dickenmessung - Erkennung verschiedener Kunststoffe - Spektroskopische Analyse in Verpackung next: Anwendungsbeispiele in Reflexion 12

13 THz Reflexion an Doppelwand-Rohr THz- Reflexion Dickenmessung an mehrwandigem Kunstoff-Rohr 2,2 mm 2,81 mm Außenwand Innere Grenze Innenwand Defekte in Kunststoffen / Windrotoren Gel- Coat Lufteinschluss Gel- Coat Metallrückstände Unterbau Unterbau Gemessen in Reflexion 2.5n 2.0n Unbeschädigte Probe Lufteinschluss Gemessen in Reflexion 2.0n 1.5n Unbeschädigte Probe Metallrückstände Signal [A] 1.5n 1.0n 500.0p Gelcoat Oberfläche Unterbau Signal [A] 1.0n 500.0p p p -1.0n -1.0n -1.5n 20.0p 40.0p time [s] 20.0p 40.0p 60.0p 80.0p time [s] 13

14 Erkennung Flüssigkeit in Flasche bottle with unknown liquid THz modules with PE lenses THz flashlight reflected pulses: 1. air - bottle: material of bottle 2. bottle - liquid: type of liquid Unbedenkliche / gefährliche Flüssigkeit Amplitude / na bottle water liquid water in PET bottle Amplitude / na bottle benzene petroleum benzene in plastic flask liquid Time / ps Time / ps can pass to security 14

15 THz-Pulse f. industrielles Umfeld Anwendungsbeispiele in Reflexion - Dicken-Messung bei Mehrschicht-Strukturen - Erkennung von Defekten im Material / an Grenzflächen - Spektroskopische Analyse Flüssigkeit in Flasche Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassung und Ausblick Puls-Systeme erlauben zerstörungsfreie Materialprüfung durch - Laufzeitmessungen - Spektroskopie Einsatz in industriellem Umfeld wird ermöglicht durch - bewegliche fasergekoppelte THz Köpfe - stationäre opto-elektronische Steuereinheit Applikationsbeispiele - Transmission - Reflexion Terahertz ist an der Schwelle - zum industriellen Einsatz - in der zerstörungsfreien Materialprüfung 15