Terahertz-Materialcharakterisierung: schnell und günstig Stefan Dürrschmidt, Maik Scheller, Steffen Wietzke, Christian Jansen, Bendikt Scherger, Ole Peters, Nico Vieweg, Michael Schwertfeger, Martin Koch Stefan Dürrschmidt, 31.03.2011 AG Terahertz Systemtechnik (Martin Koch) Kontakt: stefan.duerrschmidt@physik.uni-marburg.de
Ter(r)a Incognita THz Pulse (THz TDS) Dauerstrich (THz CW) 2
Gliederung THz-Systeme und Datenaufbereitung Die Welt mit Terahertz-Wellen sehen: Schweißgüte Untersuchungen Inline-Prozesskontrolle bei compoundierungs Prozessen Qualitätskontrolle in der Lebensmittelindustrie Wasserhaushalt von Pflanzen Zusammenfassung 3
Terahertz Zeitbereichsspektroskopie (TDS) Terahertz Systems Group
photocurrent amplitude and fs laser pulse intensity photocurrent amplitude Terahertz Zeitbereichsspektroskopie (TDS) a) b) a b Sampling Principle c) c) c d) d a) d) e) b) e) e a b c d e delay time position of the delay line Zeit t Terahertz Systems Group
Photo current I (na) Amplitude (arbitr. units) Terahertz Zeitbereichsspektroskopie (TDS) Time-domain THz pulse FFT Fourier spectrum 2.5 2.0 1.5 Reference Sample 10 Reference Sample 1 1.0 0.5 0.0-0.5 0.1 0.01 0 5 10 15 20 25 30 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Time t (ps) Frequency f (THz) Dielectric parameters of the sample: n n i c 0 4 Phase refractive index n(f) L Amplitude ratio absorption coefficient α(f) 6
Tiefe Analyse der THz-Daten www.lytera.com Berücksichtigung von Echopulsen (Fabry-Perot-Oszillationen) gleichzeitige Bestimmung von Probendicke und Materialparameter Kontaktlose und zerstörungsfreie Analyse unbekannter Proben ist möglich! Funktioniert auch bei Vielschicht-Systemen Hochgenaue Analyse von Flüssigkristallen möglich! M. Scheller et al., Optics Commun. 282, 1304 1306 (2009). Ausgefeilte Algorithmen in anwenderfreundlicher Software umgesetzt: www.lytera.com 7
Preis & Geschwindigkeit Laser Neues Messverfahren Quasi Time Domain Spectroscopy Terahertzpulse aus herkömmlichen Laserdioden Kosten auf 0.1% Reduziert Nachteil: Weniger Leistung M. Scheller et al., Optics express. 17, Vol. 20 (2009). 8
Preis & Geschwindigkeit Verzögerung Faserstretcher Technologie Steigerung der Geschwindigkeit 0.008Hz 400Hz Ermöglicht robuste Allfiber Aufbauten 9
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Delamination von Schweißflächen 11
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Compoundierung Polymer + Additive = Formmasse + Werkstoff nach Maß Für THz ein dielektrisches Stoffgemisch 13
Bestimmung der Additiv-Konzentration Index of refraction n 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 PP + CaCO 3 LLDPE + Mg(OH) 2 PA66 + glass fibres WPC linear fits:,,, R = 0.9979 R = 0.9988 R = 0.9994 R = 0.9999 1.4 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Additive content / vol% S. Wietzke et al., Polymer Testing 26 (5), 614-618 (2007). 14
Inline Aufbau am Ende der Compundierungsanlage Spezielles Injektionsmodul N. Krumbholz et al., Polymer Testing 28 (1), 30 35 (2009). 15
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Lebensmittel Qualitätskontrolle Stein Glasscherbe Metall Nicht erkannte Fremdkörper stellen eine Gefahr für den Konsumenten da Dielektrische Einschlüsse sind mit Röntgenstrahlung nicht erkennbar Hoher Kontrast im Terahertzbereich C. Jördens et al., Optical Engineering, Vol. 47, 037003 (2008) 17 Terahertz Systems Group
Nougat Schnelle Aufnahme mit Faserstretcher T-Ray X-Ray Glas Nuss Metall Stein Keramikperle Glasperle Keramikperlen Kunststoffgewinde Glasperle Kunststoffschraube Luft 18
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Transmission (%) Messung des Wasserhaushalts von Pflanzen 90 60 Messwerte Trendlinie Coffea arabica 30 0 5 10 15 20 Tage nach Wassergabe Wünschenswert: Züchtung von trockenstress-resistenten Pflanzen THz TDS liefert echtzeit Informationen über den Wasserhaushalt von Pflanzen C. Jördens et al., Journal of Biological Physics 35 (2009) 20 Terahertz Systems Group
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THz - Systeme Sind stabil, kompakt, und schnell Werden immer Preiswerter Ermöglichen kontaktlose und zerstörungsfreie Tests 22
Terahertz zeigt: Fehlerhafte Schweiß- und Klebeverbindungen Zeitaufgelöste Additive Konzentration im Extruder Kontrastarme dielektrische Einschlüsse in Lebensmitteln Frühzeitige Erkennung von Trockenstress in Pflanzen 23
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 24