Terahertz-Technologie als Messtechnik

Wo wird Terahertz-Technologie eingesetzt?

Die Einsatzbereiche liegen in der Laboranalytik, Prozessmesstechnik und Sicherheitstechnik. Zunehmend findet die Technologie Anwendung in der Qualitätssicherung – etwa bei der zerstörungsfreien Prüfung von Schichtdicken und Kunststoffbauteilen, bei der Schichtdickenmessung von Lackierungen oder in der Qualitätskontrolle der Batteriefertigung, z. B. bei der Messung von Elektrodenschichtdicken.

Einsatzgebiete

• Berührungslose Schichtdickenmessung, z. B. von Mehrschichtlackierungen
• Sicherheitstechnik, z. B. Identifikation von Drogen und Sprengstoff
• Pharmazie und Chemie
• Materialforschung
• Leichtbau: Detektion, Identifikation und Lokalisierung von Defekten in Verbundwerkstoffen
• Kunststoffverarbeitung, z. B. innenliegende Blasen während des Gießprozesses
• Wartung, Service und Reparatur bei großen, nicht transportablen Bauteilen mittels Handscanner

Terahertz-Verfahren im Überblick

Zeitbereichsspektroskopie (TDS)

Die Terahertz-Zeitbereichsspektroskopie erzeugt breitbandige elektromagnetische Strahlung mithilfe ultrakurzer Femtosekunden-Laserpulse; der Nachweis erfolgt nach dem Pump-Probe-Prinzip. Ein wesentlicher Vorteil ist die kohärente Detektion der Terahertz-Wellen, die eine hochaufgelöste Amplituden- und Phasenmessung des elektrischen Terahertz-Felds im Zeitbereich ermöglicht. Außerdem unterdrückt die Technik inkohärente Strahlung, wodurch weder Raumtemperatur noch Umgebungslicht die Messung stören. Für spektroskopische Untersuchungen eignet sich TDS vor allem, weil ein weiter Spektralbereich mit einer einzigen Messung erfasst wird; für die Dickenmessung, weil die kurzen Pulse eine sehr genaue Bestimmung dünner Schichten erlauben.

Kontinuierlich emittierende, rein elektronische Terahertz-Systeme (FMCW-Radar)

Das FMCW-Radar basiert auf einem spannungskontrollierten Mikrowellen-Oszillator (VCO), dessen Ausgangsstrahlung mittels Frequenzvervielfachern in verschiedene Frequenzbänder übertragen wird – zur Verfügung stehen Bereiche um 100, 150, 300 und 850 GHz. Durch das schnelle elektronische Abstimmen des VCO sind mehr als 1.000 Messungen pro Sekunde möglich. Aufgrund des Einsatzes von Hohlleitern oder der Integration auf einem Chip weisen diese vollelektronischen Systeme gegenüber TDS-Systemen eine geringere Bandbreite und damit eine geringere Tiefenauflösung auf. Durch ihren speziellen Aufbau sind sie gegenüber TDS-Systemen in der Regel jedoch kleiner, günstiger und messen schneller.

Kontinuierlich emittierende, opto-elektronische Terahertz-Systeme

Bei diesem photonischen Ansatz erzeugen zwei Dauerstrich-Diodenlaser durch Überlagerung ein Schwebungssignal im Terahertz-Bereich, dessen Frequenz der Differenzfrequenz der beiden Laser entspricht. Für den Betrieb wird ein schnell durchstimmbarer Laser zusammen mit einem Laser fester Frequenz eingesetzt; damit lässt sich die Mittenfrequenz des Signals in einem Bereich von etwa 4,5 THz frei einstellen. Frequenzrampen über 2 THz ermöglichen dabei eine Tiefenauflösung von unter 100 µm. Ein vergleichbares Funktionsprinzip nutzt das Fraunhofer HHI: Der Ersatz gepulster Laser durch kompakte Dauerstrich-Laser ermöglicht dort erstmals Echtzeitmessungen ohne gepulsten Laser.