Ausgabe zur SENSOR+TEST 2018

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Es war von Nacktscannern die Rede, die am Flughafen Passagiere durch- leuchten würden. Außerdem sollten mithilfe der Terahertz-Strahlung Messsysteme für die Materialprüfung und Kon- trolle von Bauteilen entwickelt werden. Trotz großer Erwartungen gelang der Terahertz-Technologie lange nicht der Durchbruch. Im Vergleich zu klassischen Verfahren, die heute zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt wer- den, etwa Röntgenstrahlung oder Ultraschall, galt die Terahertz- Technologie schlicht als zu teuer. In den letzten Jahren konnten nun aber große Fortschritte gemacht 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- Technologie als Instrument der industriellen Prozesskontrolle zu etablieren, müssen die Systemkos- ten allerdings weiter gesenkt und die Komplexität der Systeme redu- ziert werden. Kosteneffizient und in Echtzeit Die aktuellen Entwicklungen des Fraunhofer HHI könnten der Terahertz-Technologie jetzt einen entscheidenden Schub verleihen. Den Forschern um Björn Globisch, Leiter der Terahertz-Forschungs- gruppe am Fraunhofer HHI, ist es gelungen, ein Messgerät zu ent- wickeln, in dem die bisher einge- setzte Femtosekunden-Pulslaser durch kompakte Dauerstrich-Laser ersetzt wurden. Entscheidend da- bei ist, dass dieses Dauerstrich- Messsystem acht Messungen pro Sekunde ermöglicht und damit erstmals Echtzeitmessungen ohne Verwendung eines gepulsten La- sers erlaubt. Auf der Hannover Messe werden die Wissenschaftler dieses Terahertz-Messsystem vor- stellen und die berührungslose Schichtdickenbestimmung ver- schiedener Mehrschichtsysteme live demonstrieren. Das vom Fraunhofer HHI einge- setzte Prinzip zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung basiert auf einem optoelektronischen Ver- fahren. Mithilfe eines speziellen Halbleiterbauelements wird da- bei die Schwebung zweier Dauer- strichlaser in Terahertz-Strahlung umgewandelt, die genau der Dif- ferenzfrequenz der beiden Laser entspricht. Dass der Terahertz-Technologie der große Erfolg bislang verwehrt blieb, liegt insbesondere an den benötigten Eigenschaften der verwendeten Halbleiter. Diese konnten zunächst nur mit Materi- alien erzielt werden, die eine Be- leuchtung mit einer Wellenlänge um 800 Nanometer erforderten. Sowohl die Laser als auch die op- tischen Komponenten des Tera- hertz-Systems sind bei dieser eher exotischen Wellenlänge aber deut- lich zu teuer und nicht robust ge- nug für den industriellen Einsatz. Verbreiteter Wellenlängenstandard „Wir haben deshalb einen Halb- leiter entwickelt, der sich mit Laserlicht von 1,5 Mikrometer Wellenlänge anregen lässt“, schil- dert Globisch. „In der optischen Nachrichtentechnik ist das der Wellenlängen-Standard, sodass es hier eine große Zahl kostengüns- tiger und qualitativ hochwerti- ger optischer Bauteile und Laser gibt.“ Auf dem Weg zum konkur- renzfähigen Terahertz-System für die Materialprüfung musste aber noch eine weitere Hürde über- wunden werden: Der Pulslaser, auf dem alle gängigen echtzeitfähigen Terahertz-Systeme basieren, ist ein entscheidender Kostenfaktor bestehender Systeme. Femtose- kunden-Laser sind nicht nur selbst schon technologisch aufwändig und teuer, Terahertz-Spektrometer, die mithilfe von gepulsten Lasern betrieben werden, erfordern zu- sätzlich optomechanische Bautei- le, die mit viel Aufwand präzise justiert und gefertigt werden müs- sen. Eine Alternative stellt die Dau- erstrich-Spektroskopie dar, bei der anstatt eines Terahertz-Pul- ses, Dauerstrichstrahlung erzeugt wird. Zwei Dauerstrich-Laserquel- len werden dabei gemischt und ihr Schwebungssignal in einem speziellen Halbleiterelement in Terahertz-Strahlung umgewan- delt. Durch Verstimmen der Laser- Wellenlängen zueinander, kann die Wellenlänge der erzeugten Terahertz-Strahlung auf einfache Weise verändert werden. Dauer- strich-Systeme haben dabei zwei entscheidende Vorteile gegenüber gepulsten Terahertz-Systemen: Einerseits sind die Laserquellen selbst kompakter und günstiger, andererseits werden keine opto- mechanischen Komponenten für den Betrieb des Systems benötigt. Dauerstrich-Terahertz-Systeme sind zwar bereits erhältlich, benö- tigen jedoch zur Erfassung eines vollständigen Messsignals einige Sekunden bis Minuten. Dagegen sieht die industrielle Anwendung oft so aus: In der Produktion fährt ein Roboterarm Messpunkte an la- ckierten/beschichteten Bauteilen ab und misst die Beschichtungs- dicke. Um den Produktionstakt einzuhalten, bleibt daher pro Messpunkt wenig Zeit. Bisher war die Messgeschwindigkeit von Dau- erstrich-Terahertz-Systemen nicht hoch genug, um Anwendungen in der zerstörungsfreien Prüfung zu adressieren. Das Fraunhofer HHI hat dieses Problem gelöst, indem extrem schnell durchstimmbare Laser (Fi- nisar® WaveSource™) eingesetzt und die Elektronik, Datenerfas- sung und Algorithmen auf die ho- hen Geschwindigkeiten angepasst werden. Durch diese Kombinati- on ist es gelungen, die Messge- schwindigkeit im Vergleich zu bis- herigen Systemen um den Faktor 160 zu steigern. Damit ist erstma- lig Materialprüfung in Echtzeit mit Dauerstrich-Terahertz-Systemen möglich. Auf der Hannover Messe wird dieses System in einer Live- Demonstration vorgestellt. Anwendungsbeispiel Schichtdickenbestimmung Die Überprüfung von Lacken und Beschichtungen ist eine wichtige Anwendung der berüh- rungslosen Terahertz-Messtechnik. Dabei stellt die Schichtdicken- bestimmung einen wesentlichen Teil der Qualitätssicherung und Produktionskontrolle dar. So wer- den beispielsweise Mindestdicken sichergestellt, der Ressourcenver- brauch durch Materialüberschuss reduziert und Nachbesserungen vermieden. Auf metallischem Un- tergrund, wie einem Autoblech, können heute handliche Wirbel- stromgeräte eingesetzt werden. Auf schlecht leitenden Faserver- bundwerkstoffen aber versagt die- ses Verfahren. Ultraschall bietet hier zwar eine Alternative, setzt jedoch wiederum mechanischen Kontakt zur Oberfläche voraus. „Der Bedarf nach einem zuver- lässigen Messverfahren ist groß“, weiß Globisch, „weil der Markt für Verbundwerkstoffe in der Auto-, Flugzeug- und Windkraftindustrie wächst.“ Hier liegt der große Vor- teil der Terahertz-Technologie: Die Messung erfolgt zerstörungsfrei und berührungslos, sodass auch nicht vollständig getrocknete Be- schichtungen vermessen werden können. Außerdem ist die Qualität der Ergebnisse temperaturunab- hängig und Mehrschichtsysteme können direkt aufgelöst werden. Nicht zuletzt ist die Terahertz- Strahlung nicht-ionisierend und auf Grund der geringen Leistung für den Menschen ungefährlich. Real-time layer thickness measurement with terahertz T erahertz radiation was already a major topic a good ten years ago, in connection with body scanners for inspecting pas- sengers during airport security screening. Terahertz radi-ation was also to be used in measurement systems for material testing and inspection of components. However, in spite of high expectations the breakthrough for terahertz tech-nology took a long time. Compared to classical methods for non-destructive ma- terial testing today, such as X-ray radiation and ultrasonic, terahertz was long considered simp-ly too expensive. In recent years however, great progress has been made: An increasing number of systems has been introduced with designs based on standard components, making them significantly more economi- cal to build. These developments are already raising the interest of potential users. System costs cer- tainly will have to be cut further and the complexity of the systems will have to be reduced before tera- hertz technologies are established as an instrument in industrial pro- cess monitoring. Cost-efficient and in real-time Current developments at the Fraunhofer HHI could mean a con- siderable boost for the terahertz technology. A research team led by Björn Globisch, head of the tera- hertz re-search group at Fraunhofer HHI, has successfully developed a measuring device that re-places the previously used femtosecond pulse laser with compact continuous- wave laser technology. The fact that this continuous-wave meas- urement system is capable of eight measurements per second is key to allow real-time measurements without the use of a pulsed laser for the first time. The scientists will present this terahertz meas- urement sys-tem at the Hannover Messe trade fair and will give a live demonstration of non-contact layer thickness measurement for various multi-layer systems. The principle employed by the Fraunhofer HHI to generate tera- hertz radiation is based on an op- toelectronic process. Using a spe- cial semiconductor component, the beat of two continuous-wave lasers is converted into terahertz radia- tion, which corresponds exactly to the difference frequency of the two lasers. The lack of significant success of terahertz technology in the past is largely due to the properties of the semiconductors used. These proper- ties could initially only be achieved with materials that required illu- mination at a wavelength of 800 nanometers. This rather exotic wavelength means both the lasers and the optical components of the terahertz system are much too ex- pensive and not robust enough for industrial applications. Widespread wavelength standard "This is why we developed a sem- iconductor that can be excited by laser light at a wave-length of 1.5 micrometers," explains Globisch. "This matches the wavelength standard in optical telecommuni- cations technologies, which means there are plenty of cost-effective and high-quality optical compo- nents and lasers available." On the way to a competitively viable terahertz system for material test- ing, however, another obstacle had to be over-come: The pulse laser, on which all conventional real- time capable terahertz systems are based, is a decisive cost factor in existing systems. Femtosecond la- sers are not only tech-nologically complicated and expensive on their own, terahertz spectrometers us- ing pulsed lasers require additional optomechanical components that have to be precisely produced and adjusted in highly complex proce- dures. One alternative is continuous- wave spectroscopy, in which contin- uous-wave radiation is generated instead of a terahertz pulse. Two continuous-wave laser sources are mixed and their beat signal is con- verted into terahertz radiation in a special semiconductor de-vice. The wavelength of the terahertz radia- tion generated can be easily modi- fied by changing the relationship of the laser wavelengths to one another. Continuous-wave systems have two decisive advantages com- pared to pulsed terahertz systems: First, the laser sources themselves are more compact and less expen- sive; second, no optomechan-ical components are needed in order to operate the system. Continuous-wave terahertz sys- tems are already available, but they need periods ranging from several seconds to a matter of min- utes to capture a measured signal. In contrast, industrial applications often operate like this: In the pro- duction, a robot arm moves over measurement points on painted/ coated components and measures the coating thickness. Since the production cycle has to be main- tained, there is only little time per measuring point. Until now, the measurement speed of continuous-wave terahertz systems was too slow to be viable in non-destructive testing applica- tions. Fraunhofer HHI has solved this problem using lasers that can be adjusted extremely fast (Finisar® WaveSource™) and by modifying electronics, data capture and al- gorithms to accommodate the high speeds required. This combination has increased measurement speeds by a factor of 160 compared to previous systems. This has made it possible for the first time to con- duct material testing in real-time with continuous-wave terahertz sys-tems. This system will be pre- sented at the Hannover Messe trade fair in a live demon-stration. Application example: layer thickness measurement Inspection of paints and coat- ings is an important application of non-contact terahertz measure- ment technologies. Here, layer thickness measurement makes up a significant part of quality as- surance and production monitor- ing. Thus, for example, minimum thick-ness is ensured, consumption of resources is optimized by reduc- ing the amount of excess material used and subsequent rectifications are avoided. Today, manual eddy current devices can be used with metallic substrates such as auto- motive sheet metal. This meth-od however, fails on poorly conduc- tive fiber-reinforced composites. Ultrasound finds ap-plication in this context, but at the costs of mechanical contact. "There is a substantial need for a reliable measurement technique," says Globisch, "because the market for fiber-reinforced composites is grow- ing in the automotive, aeronautics and wind power sectors." This is where the major advantage of the terahertz technology lies: Measure- ments are non-destructive and con- tactless, so that even coatings that are not completely dried can be measured as well. In addition, the quality of the results is not depend- ent on temperature and multi-layer systems can be directly resolved. Finally, terahertz radiation is non- ionizing and not harmful to hu- mans due to its low power. Echtzeit Schichtdickenmessung mit Terahertz 26.-28. Juni 2018