Echtzeit-Schichtdickenmessung mit Terahertz

Terahertz ist eine relativ neue Technik, mit der sich nicht-metallische Bauteile und Oberflächen zerstörungsfrei prüfen lassen. Bislang sind die erhältlichen Geräte teuer oder beherrschen nur geringe Messgeschwindigkeiten. Mit einem neuen System des Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut HHI, Berlin, können nun Terahertz-Messungen in Echtzeit durchgeführt werden, beispielsweise die Dickenbestimmung von Mehrschichtsystemen.

Basis des Messgeräts ist der Ersatz der bisher eingesetzten Femtosekunden-Pulslaser durch kompakte Dauerstrich-Laser. Das Dauerstrich-Messsystem ermöglicht 8 Messungen pro Sekunde und erlaubt somit Echtzeitmessungen ohne Verwendung eines gepulsten Lasers. Das vom Fraunhofer HHI eingesetzte Prinzip zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung 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.

Dauerstrich-Terahertz-Spektrometer
© Fraunhofer HHI

Dauerstrich-Terahertz-Spektrometer zur Echtzeit-Materialprüfung

Dass der Terahertz-Technologie der große Erfolg bislang verwehrt blieb, liegt insbesondere an den benötigten Eigenschaften der verwendeten Halbleiter. Diese konnten zunächst nur mit Materialien erzielt werden, die eine Beleuchtung mit einer Wellenlänge um 800 Nanometer 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.

Am Fraunhofer HHI wurde daher ein Halbleiter entwickelt, der sich mit Laserlicht von 1,5 Mikrometer Wellenlänge anregen lässt, was in der optischen Nachrichtentechnik der Wellenlängen-Standard ist, 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 weiterer entscheidender Kostenfaktor bestehender Systeme. Femtosekunden-Laser selbst sind nicht nur technologisch aufwändig und teuer, sondern Terahertz Spektrometer, die mithilfe von gepulsten Lasern betrieben werden, erfordern auch zusätzlich optomechanische Bauteile, welche präzise justiert und gefertigt werden müssen. Eine Alternative stellt die Dauerstich-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 auf einfache Weise verändert werden. Dauerstrich-Systeme haben dabei zwei entscheidende Vorteile gegenüber gepulsten Terahertz-Systemen: Einerseits sind die Laserquellen selbst kompakter und günstiger, andererseits werden keine optomechanischen Komponenten für den Betrieb des Systems benötigt.

Dauerstrich-Terahertz-Systeme sind zwar bereits erhältlich, benötigen jedoch zur Erfassung eines Messsignals einige Sekunden bis Minuten. Die in der industriellen Anwendung geforderten Taktzeiten sind jedoch viel kleiner. Ein Roboterarm fährt 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. Für das neue Terahertz-Messsystem wird daher ein extrem schnell durchstimmbarer Laser (Finisar WaveSource) eingesetzt und Elektronik, Datenerfassung und Algorithmen wurden auf die hohen Geschwindigkeiten angepasst. Durch diese Kombination ist es gelungen, die Messgeschwindigkeit im Vergleich zu bisherigen Systemen um den Faktor 160 zu steigern. Damit ist erstmalig eine Materialprüfung in Echtzeit mit Dauerstrich-Terahertz-Systemen möglich.

 

Anwendungsbeispiel Schichtdickenbestimmung

 

Eine wichtige Anwendung der berührungslosen Terahertz-Messtechnik ist die Überprüfung von Lacken und Beschichtungen. Dabei stellt die Schichtdickenbestimmung einen wesentlichen Teil der Qualitätssicherung und Produktionskontrolle dar. Mit ihrer Hilfe werden beispielsweise Mindestdicken sichergestellt, der Ressourcenverbrauch durch Materialüberschuss wird reduziert und Nachbesserungen werden vermieden. Auf metallischem Untergrund, beispielsweise einem Autoblech, kann man heute Wirbelstromgeräte einsetzen. Für schlecht leitende Faserverbundwerkstoffe z.B. in der Automobil-, Flugzeug- oder Windkraftindustrie ist das Wirbelstromverfahren jedoch nicht geeignet. Hier kann die die Terahertz-Technologie vorteilhaft eingesetzt werden. Die Messung ist zerstörungsfrei und berührungslos, sodass auch nicht vollständig getrocknete Beschichtungen vermessen werden können. Außerdem ist die Qualität der Ergebnisse temperaturunabhängig und Mehrschichtsysteme können direkt aufgelöst werden. Nicht zuletzt ist die Terahertz-Strahlung nicht-ionisierend und auf Grund der geringen Leistung für den Menschen völlig ungefährlich.