Terahertz-Technik: Dauerstrich-Laser misst achtmal in der Sekunde

| Redakteur: Hendrik Härter

Terahertz-Technik: Fraunhofer Forscher haben den bisher verwendeten Femtosekunden-Pulslaser durch einen kompkaten Dauerstrich-Laser ersetzt. Dieser misst achtmal pro Sekunde.
Terahertz-Technik: Fraunhofer Forscher haben den bisher verwendeten Femtosekunden-Pulslaser durch einen kompkaten Dauerstrich-Laser ersetzt. Dieser misst achtmal pro Sekunde. (Bild: Fraunhofer HHI)

Fraunhofer-Forscher haben jetzt ein kompaktes Messsystem auf Basis eines Dauerstrich-Lasers entwickelt, mit dem sich Dicken von Mehrschichtsystemen in Echtzeit und ohne Einsatz eines gepulsten Lasers bestimmen lassen.

Vor gut zehn Jahren war die Terahertz-Strahlung schon einmal ein großes Thema. Es war von Nacktscannern die Rede, die am Flughafen Passagiere durchleuchten würden. Außerdem sollten mithilfe der Terahertz-Strahlung Messsysteme für die Materialprüfung und Kontrolle von Bauteilen entwickelt werden.

Allerdings gelang der Terahertz-Technik lange nicht der Durchbruch. Im Vergleich zu klassischen Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung, wie etwa Röntgenstrahlung oder Ultraschall, galt die Terahertz-Technik als zu teuer. In den letzten Jahren konnten aber große Fortschritte erzielt werden. So wurden zunehmend Systeme vorgestellt, welche auf Basis von Standardkomponenten konstruiert und damit deutlich kosteneffizienter herzustellen sind. Diese Entwicklungen wecken bereits Interesse bei potenziellen Anwendern. Um die Terahertz-Technik als Instrument der industriellen Prozesskontrolle zu etablieren, müssen die Systemkosten allerdings weiter gesenkt und die Komplexität der Systeme reduziert werden.

Kompakte Dauerstrich-Laser

Forscher des Fraunhofer HHI könnten der Terahertz-Technik jetzt einen entscheidenden Schub verleihen. Den Forschern um Björn Globisch, Leiter der Terahertz-Forschungsgruppe am Fraunhofer HHI, ist es gelungen, ein Messgerät zu entwickeln, in dem die bisher eingesetzte Femtosekunden-Pulslaser durch kompakte Dauerstrich-Laser ersetzt wurden.

Entscheidend dabei ist, dass dieses Dauerstrich-Messsystem acht Messungen pro Sekunde ermöglicht und damit erstmals Echtzeitmessungen ohne Verwendung eines gepulsten Lasers erlaubt. Das eingesetzte Prinzip, um Terahertz-Strahlen zu erzeugen, basiert auf einem optoelektronischen Verfahren. Mithilfe eines speziellen Halbleiterbauelements wird dabei die Schwebung zweier Dauerstrichlaser in Terahertz-Strahlung umgewandelt, die genau der Differenzfrequenz der beiden Laser entspricht.

Ein Grund, warum die Terahertz-Technik keinen Erfolg hatte, liegt an den benötigten Eigenschaften der verwendeten Halbleiter. Sie lassen sich zunächst nur mit Materialien erzielen, die eine Beleuchtung mit einer Wellenlänge um 800 nm erforderten. Sowohl die Laser als auch die optischen Komponenten des Terahertz-Systems sind bei dieser eher exotischen Wellenlänge aber deutlich zu teuer und nicht robust genug für den industriellen Einsatz.

Verbreiteter Wellenlängenstandard

„Wir haben deshalb einen Halbleiter entwickelt, der sich mit Laserlicht von 1,5 µm Wellenlänge anregen lässt“, schildert Globisch. „In der optischen Nachrichtentechnik ist das der Wellenlängen-Standard, sodass es hier eine große Zahl kostengünstiger und qualitativ hochwertiger optischer Bauteile und Laser gibt.“ Der Pulslaser, auf dem alle gängigen echtzeitfähigen Terahertz-Systeme basieren, ist ein entscheidender Kostenfaktor bestehender Systeme. Femtosekunden-Laser sind nicht nur selbst schon technologisch aufwendig und teuer, Terahertz-Spektrometer, die mit gepulsten Lasern betrieben werden, benötigen zusätzlich optomechanische Bauteile, die mit viel Aufwand präzise justiert und gefertigt werden müssen.

Eine Alternative stellt die Dauerstrich-Spektroskopie dar, bei der anstatt eines Terahertz-Pulses, Dauerstrichstrahlung erzeugt wird. Zwei Dauerstrich-Laserquellen werden dabei gemischt und ihr Schwebungssignal in einem speziellen Halbleiterelement in Terahertz-Strahlung umgewandelt. Durch Verstimmen der Laser-Wellenlängen zueinander, kann die Wellenlänge der erzeugten Terahertz-Strahlung einfach verändern. Dauerstrich-Systeme haben den Vorteil, dass einerseits die Laserquellen kompakte und günstig sind und andererseits keine optomechanischen Komponenten benötigt werden.

Messgeschwindigkeit um Faktor 160 erhöht

Dauerstrich-Terahertz-Systeme sind zwar bereits erhältlich, benötigen jedoch einige Sekunden bis Minuten, um ein vollständiges Messsignal zu erfassen. Dagegen sieht die industrielle Anwendung oft so aus: In der Produktion fährt ein Roboterarm Messpunkte an lackierten/beschichteten Bauteilen ab und misst die Beschichtungsdicke. Um den Produktionstakt einzuhalten, bleibt daher pro Messpunkt wenig Zeit. Bisher war die Messgeschwindigkeit von Dauerstrich-Terahertz-Systemen nicht hoch genug, um Anwendungen in der zerstörungsfreien Prüfung zu adressieren.

Die Fraunhofer-Forscher haben das Problem gelöst, indem sie extrem schnell durchstimmbare Laser (Finisar WaveSource) eingesetzt und die Elektronik, Datenerfassung und Algorithmen auf die hohen Geschwindigkeiten angepasst haben. So ist es gelungen, die Messgeschwindigkeit im Vergleich zu bisherigen Systemen um den Faktor 160 zu steigern.

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