Berührungslose Schichtdickenmessung mittels Terahertz-Messtechnik. Nachrichtentechnisches Kolloquium WS 12/13

Größe: px

Ab Seite anzeigen:

Download "Berührungslose Schichtdickenmessung mittels Terahertz-Messtechnik. Nachrichtentechnisches Kolloquium WS 12/13"

Björn Grosser
vor 6 Jahren
Abrufe

1 Berührungsose Schichtdickenmessung mittes Terahertz-Messtechnik Dip.-Ing. Soufiene Krimi, Fraunhofer IPM Nachrichtentechnisches Kooquium WS 2/3 Lehrstuh für Nachrichtentechnik Prof. Dr.-Ing. Raph Urbansky Fraunhofer IPM / Foie

2 Überbick Motivation Terahertz Zeitbereichs-Spektroskopie Optische Eigenschaften einer Einfachschicht Mehrschichtsysteme Übertragungsfunktion eines Systems Übertragungsfunktion von einem Mehrschichtsystem Vergeich der Modee Ergebnisse Zusammenfassung Ausbick Fraunhofer IPM / Foie 2

3 Motivation: Terahertz Ween? Eektromagnetische Ween im Frequenzbereich zwischen 00 GHz und 0 THz Fraunhofer IPM / Foie 3

4 Motivation: Eigenschaften von Terahertz Ween Transparent Keramiken Kunststoffe Verbundwerkstoffe Chemikaien Farben und Lacke Kebstoffe Habeiter Textiien Papier Refektierend Metae und eektrisch eitfähige Werkstoffe Materiaeigenschaften im Terahertz-Bereich Absorbierend Wasser Identifikation Chemikaien Gase Drogen Wirkstoffe Sprengstoffe Fraunhofer IPM / Foie 4

5 Motivation: 600 Anzah der Veröffentichungen Fraunhofer IPM / Foie 5

6 Motivation: Wozu? Sicherheitstechnik: Körperscanner dpa Fraunhofer IPM / Foie 6

7 Normiertes eektrisches Fed (Be. E.) Motivation: Wozu? Produktionskontroe: Quaitäts- und Prozesskontroe THz-Bidgebung der Ampituden-Transmission am Beispie einer bearbeiteten Kunststoffpatte 4 Referenz Grundackierung Grundackierung Kontakt- und zerstörungsfreie Schichtanayse mit THz-Messtechnik. Voraussetzung: Optische Eigenschaften jeder Schicht sind bekannt Zeit [ps] Fraunhofer IPM / Foie 7

8 Eektrisches Fed (be. E.) Terahertz Zeitbereichs-Spektroskopie Strahteier Umenkspiege Verzögerungsstrecke aser 800 nm «Probe-Pus» «Pump-Pus» Emitter Detektor... Referenz Probe.... THz-Pus. Zeit [ps] Fraunhofer IPM / Foie 8

Theoretisches Mode Theoretisches Mode zur Bestimmung der Materiaparameter Referenz Transmission E 0 r0 t0 r0 d r2 t2 E t E t0 m i0 r 2ideff n c0 0r2e m E r E r 0 0 0 E E E i 2deff n c0 E 0 t r t e r

9 Theoretisches Mode Theoretisches Mode zur Bestimmung der Materiaparameter Referenz Transmission E 0 r0 t0 r0 d r2 t2 E t E t0 m i0 r 2ideff n c0 0r2e m E r E r E E E i 2deff n c0 E 0 t r t e r i 2deff n c0 E r 2 r r r e 0 2 i 2deff n c0 E r r e r 3 r Luft Probe E E E Luft oder Meta id ~ eff n c0 t0 E 0 t0t2e i2d ~ eff n c0 t Et 0 r0r2e i2d ~ eff n c0 t 2 Et r0r2e H( f ) t E r E H( f ) r 0 r0 i2fnd eff c0 0t0e t Refexion E r m i0 r r 2ideff n c0 0r2e i4fnd eff c0 0t0r2e 4ifnd eff c0 0r2e r m 4ifnd eff c0 0r2e Fraunhofer IPM / Foie 9

10 Eektrisches Fed (Be. E.) Spektren Referenz/Probe Bestimmung der optischen Eigenschaften Informationen über die Absorption und Dispersion können gewonnen werden. 00 Referenz Probe FFT Referenz Probe Zeit [ps] Frequenz in THz Fraunhofer IPM / Foie 0

11 Spektraer Phasendifferenz Spektren Referenz/Probe E Probe / E ref Bestimmung der optischen Eigenschaften Informationen über die Absorption und Dispersion können gewonnen werden.,0 0 4 Referenz Probe 0,8 0, Verhätnis 0,4 0,2 0 0,0,0 0,5,0,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Frequenz [THz] 0, ,6 0, Frequenz in THz 0,2 0,0-0,2-0,4-0,6-0,8 0,5,0,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Frequenz [THz] Fraunhofer IPM / Foie

12 Spektraer Phasendifferenz Spektraer Brechungsindex E Probe / E ref Spektraer Extinktionskoeffizient Bestimmung der optischen Eigenschaften Informationen über die Absorption und Dispersion können gewonnen werden.,0 0,8 0,6 Theoretisches Mode: probe c H n d H mess Theorie 0,05 Spektraer Extinktionskoeffizient 0,04 0,03 0,4 0,2 probe c n 2d H H mess Theorie 0,02 0,0 0,00 0,0 0,5,0,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Frequenz [THz] -0,0 0,5,0,5 2,0 2,5 3,0 Frequenz [THz],0,60 0,8,59 Spektraer Brechungsindex 0,6 0,4 0,2 n probe c d H mess H Theorie z,58,57,56,55 0,0-0,2-0,4-0,6 n probe c 2 d H mess H Theorie z,54,53,52,5-0,8 0,5,0,5 2,0 2,5 3,0 3,5 Frequenz [THz],50 0,5,0,5 2,0 2,5 3,0 Frequenz [THz] Fraunhofer IPM / Foie 2

13 Bestimmung der optischen Eigenschaften Kramers-Kronig Transformation n T f Transmission I I f f probe referenz f f n T d f c 4f e f f KKB f, ( f ), n ) ( f d n f R Refexion f r I I f ~ r R probe referenz f f R f i f f r f e f KKB( f, r( f )) R f f 2 R f cos f f R 2 R f sin f f 2 R f cos f Fraunhofer IPM / Foie 3

14 Spektraer Extinktionskoeffizient Eektrisches Fed (Be. E.) Spektraer Brechungsindex Eektrisches Fed (Be. E.) Vergeich der Modee Brechungsindex_TDS Brechungsindex_KKB,0 0,8 Messung Simuation_TDS Korr = ,6 8 0,4 6 0,2 4 0, ,5,0,5 2,0 2,5 3,0 Frequenz [THz] -0,2-0, Zeit [ps] 3 Absorptionsindex_TDS Absorptionsindex_KKB,0 0,8 Messung Simuation_KKB Korr = ,6 2 0,4 0,2 0,0 0-0,2-0,4-0,5,0,5 2,0 2,5 3,0 Frequenz [THz] -0, Zeit [ps] Fraunhofer IPM / Foie 4

15 Normiertes eektrisches Fed (Be. E.) Schichtdickenbestimmung: Prinzip Die Einzeschichtdicken werden durch Simuation und Regression bestimmt.,0 0,5 Dabei wird die Einzeschichtdicke variiert und eine minimae Abweichung zwischen dem gemessenen und dem simuierten THz-Pus angestrebt. Messung Simuation n n Vorausgesetzt n n N N 0,0-0,5... -,0 -, d d2 d3 d N Zeit [ps] Fraunhofer IPM / Foie 5

16 Luft Schicht Schicht 2 Schicht 3 Schicht N- Schicht N Luft oder Meta Mehrschichtsysteme Übertragungsfunktion Das Ausgangssigna ässt sich aus der Mutipikation der Eingangsstrahung mit der Übertragungsfunktion im Frequenzbereich berechnen. h(t) Einfaende Wee E e (t) Refektierte Wee (t) E r Zeitbereich: E ( t) E ( t)* h( t) h( t)* E ( t) r e e Frequenzbereich: E ( f ) E ( f ) H( f ) H( f ) E ( f ) r e e Um den refektierten Pus eines beiebigen Schichtsystems simuieren zu können, benötigt man die dazu gehörige Übertragungsfunktion Fraunhofer IPM / Foie 6

17 Mehrschichtsystem Übertragungsfunktion von einem Mehrschichtsystem in Refexion E 0 Jede Schicht verursacht Refexe und Mutirefexe. Mutirefexe können über mehr as eine Schicht gehen. Fraunhofer IPM / Foie 7

N-Schichtsystem ergibt sich durch Mutipikation der entsprechenden Matrizen c fnd i c fnd i e e P 2 2

18 Fraunhofer IPM / Foie 8 Mehrschichtsystem Transfer-Matrix-Methode Transfer-Matrix-Methode Jede Schicht ist durch eine Ausbreitungs- und Übergangsmatrix charakterisiert Verhaten von N-Schichtsystem ergibt sich durch Mutipikation der entsprechenden Matrizen c fnd i c fnd i e e P ,,,, r r t D c fnd i c fnd i c fnd i c fnd i e t e t r e t r e t M 2, 2,, 2,, 2, N tota M M M M M M M M f H

Refektierte und transmittierte Anteie werden wieder an nächster Grenzfäche aufgeteit usw Die

19 Mehrschichtsystem Rekursives Verfahren Zeregt jede einfaende Wee an einer Grenzfäche in transmittierten und refektierten Antei. Refektierte und transmittierte Anteie werden wieder an nächster Grenzfäche aufgeteit usw Die Gesamtrefektivität ergibt dich durch eine phasenrichtige Addition aer Teiween, die das System in Transmissions- bzw. Refexionsrichtung z verassen. R i0 Er z Fraunhofer IPM / Foie 9

20 Mehrschichtsystem Methode von ROUARD Methode von ROUARD (937) N i2ωn N d N : R N = r N,N+ r N,N+ e c + r N,N r N,N+ e i2ωn N d N c N- : R N = r N 2,N + R N i2ωn N d N e c + r N 2,N R N e... i2ωn N d N c N- N 2 : R 2 = : R = r,2 + R 3 i2ωn2d2 e c + r,2 R 3 i2ωn2d2 e c r 0, + R 2 i2ωnd e c + r 0, R 2 i2ωnd e c R R Fraunhofer IPM / Foie 20

21 Korreationsfaktor Messung-Simuation Mehrschichtsysteme Vergeich aer Methoden 0,9999 0,9998 0,9997 Transfer Matrix Methode Methode von ROUARD Rekursive Routine 0,9996 0,9995 0,9994 0,9993 0,9992 0, Anzah der Schichten Fraunhofer IPM / Foie 2

22 Rechenzeit [s] Rechenzeit [ms] Mehrschichtsysteme Vergeich aer Methoden Rekursives Verfahren Transfer-Matrix-Methode Methode von ROUARD Transfer-Matrix-Methode Methode von ROUARD Anzah der Schichten Anzah der Schichten Fraunhofer IPM / Foie 22

23 Spektraer Brechungsindex Eektrisches Fed (Be. E.) Spektraer Extinktionskoeffizient Simuationsergebnisse Einschichtsystem 0,4 Extinktionskoeffizient 0,3 0,2,0 0,8 Messung Simuation_TDS Korr = , 0,0 0,6 0,4 0,2-0, 4 0,5,0,5 2,0 2,5 Frequenz [THz] Brechungsindex 0,0-0,2 3-0, ,5,0,5 2,0 2,5 Frequenz [THz] -0, Zeit [ps] Mechanisch [µm] Terahertz[µm] Fraunhofer IPM / Foie 23

24 Spektraer Extinktionskoeffizient Spektraer Brechungsindex Eektrisches Fed (Be. E.) Simuationsergebnisse Dreischichtsystem: Zwei Lackschichten auf Kunststoffpatte 4,0 3,5 Basisack Karack Kunststoffpatte,0 Messung Simuation 3,0 2,5 0,5 2,0 0,0,5,0 0,5,0,5 2,0 2,5 3,0-0,5 Frequenz [THz],0 0,8 Basisack Karack Kunststoffpatte -,0 0, ,4 Zeit [ps] 0,2 0,0 Schicht Mechanisch [µm] Terahertz [µm] -0,2 Karack ,4 Basisack ,5,0,5 2,0 2,5 3,0 Frequenz [THz] Patte Fraunhofer IPM / Foie 24

25 Eektrisches Fed (be. E.) Simuationsergebnisse Dreischichtsystem: Drei Lackschichten auf Meta Messung Simuation Schicht Mechanisch [µm] Terahertz [µm] Karack Basisack KTL Zeit[ps] Fraunhofer IPM / Foie 25

26 Zusammenfassung Heute: Terahertz-Spektrabereich ist technisch nutzbar. Terahertz-Technoogie hat das Potentia zur kontakt- und zerstörungsfreien Quaitätskontroe. Mit Terahertz Ween ist es mögich spektraen Brechungsindex sowie Absorptionsindex zu bestimmen und somit ermögicht eine eindeutige Identifizierung verschiedener Stoffen. Eine Schichtdickenmessung von Mehrschichtsystemen ist mittes Terahertz- Messtechnik mögich. Die Transfer Matrix Methode sowie die Methode von ROUARD sind gut geeignet zur Beschreibung Mehrschichtsystemen. Fraunhofer IPM / Foie 26

27 Ausbick Eine Onine-Schichtdickenmessung ist mit schneeren Auswertungszeit mögich. Optimierung der Rechenzeit durch Paraeisieren der Rechenoperationen auf Grafikprozessoren (CUDA). Mit dem iterativen genetischen Optimierungsverfahren ist eine Schritten- Paraeisierung schwierig zu erreichen. Fraunhofer IPM / Foie 27

28 Fraunhofer IPM / Foie 28 Vieen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Ähnliche Dokumente

THz Physik: Grundlagen und Anwendungen

THz Physik: Grundlagen und Anwendungen Inhalt: 1. Einleitung 2. Wechselwirkung von THz-Strahlung mit Materie 3. Erzeugung von THz-Strahlung 3.1 Elektronische Erzeugung 3.2 Photonische Erzeugung 3.3 Nachweis