FEMTONIK

82 LTJ November 2005 Nr. 4 © 2005 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

THz-Technologie für die IndustrieEin Multi-Fokus-Terahertz(THz)-System für die preisgünstige und schnelle Qualitätskontrolle

Der Frequenzbereich der Terahertz-wellen reicht von einigen hundert GHz bis hin zu wenigen Terahertz (THz) und liegt im elektromagnetischen Spektrum zwi-schen den Mikrowellen und der Infrarot-strahlung (Abb. 1). Terahertzwellen und ihre möglichen Anwendungen sind in den letzten Monaten verstärkt in den Mittel-punkt des Interesses gerückt, wobei viel-fältige Anwendungen diskutiert werden. Eine viel versprechende Anwendungs-möglichkeit ist die Qualitätssicherung.

In den letzten Jahren hat es erhebliche For-schungsaktivität hinsichtlich der Erzeugung und Detektion von Terahertzwellen gege-ben. Besonders aussichtsreich erscheint dabei die optoelektronische Generation und Detektion der Terahertzwellen, bei der photoleitende Dipolantennen von Femto-sekundenlaserpulsen geschaltet werden [1, 2]. Zwischen zwei dieser Antennen – einer Sender- und einer Empfängerantenne – be-findet sich ein Zwischenfokus, in dem eine zu untersuchende Probe positioniert werden kann. Durch einen Vergleich zwischen einer Proben- und einer Referenzmessung lässt sich die dielektrische Funktion der Probe und damit ihr Brechungsindex und ihr Absorptionskoeffizient bestimmen. Indem die Probe in einem Rastermuster durch den Zwischenfokus verschoben wird, lassen sich auch zweidimensionale Bilder von ihr erzeu-gen. Erstmals wurde dies 1995 demonstriert [2] – übrigens genau 100 Jahre nach der ers-ten Röntgenaufnahme. Die auf diese Weise entstehenden Falschfarbenbilder können mit den Bildern einer Infrarotkamera vergli-chen werden. THz-Bilder spiegeln allerdings nicht die Wärmestrahlung des Objektes wider, sondern machen ganz bestimmte Materialeigenschaften sichtbar, die mit an-deren Technologien verborgen bleiben. Da bei dieser Technik breitbandige THz-Pulse verwendet werden, lassen sich in Analogie zum Ultraschall sogar tomographischen

MARTIN KOCHProf. Dr. Martin Koch leitet die Arbeitsgruppe Terahertz-Systemtech-nik an der TU Braun-schweig.

CHRISTIAN JÖRDENSChristian Jördens ist wissenschaftlicher Mit-arbeiter in der Arbeits-gruppe Terahertz-Sys-temtechnik an der TU Braunschweig.

DIE AUTOREN

●●Prof. Dr. Martin Koch

Institut für HochfrequenztechnikTU Braunschweig

Schleinitzstraße 2238106 Braunschweig

Tel.: +49(0)531-391-2000/-2003Fax: +49(0)531-391-2045

E-Mail: martin.koch@tu-bs.deWeb: www.tu-braunschweig.de/ihf/ag/terahertz

Infraro tMikrowelle n Ultraviolet Röntgen

Sichtbar

10 10 10 10 10 10 10 1010

Frequenz (Hz)

“THz”Radiowellen

108107

InfrarotMikrowellen Ultraviolett Röntgen

Sichtbar

9 11 12 13 14 15 16 1710

“THz”

ABBILDUNG 1: Elektromagnetisches Spektrum. Der Frequenzbereich der Terahertzwellen reicht von einigen hundert GHz bis hin zu wenigen Terahertz (THz).

MARTIN HOFMANNProf. Dr. Martin Hofmann leitet die Arbeitsgruppe Optoelektronische Baue-lemente und Werkstoffe an der Ruhr-Universität Bochum (RUB). Ge-meinsam mit Stefan Hoffmann (RUB) sowie Thomas Kleine-Ostmann und Martin Koch (beide TU Braunschweig) erhielt er 2003 den Kaiser-Friedrich-Forschungspreis.

NGOC TUYEN LENgoc Tuyen Le ist wis-senschaftlicher Mitarbei-ter in der Arbeitsgruppe Optoelektronische Baue-lemente und Werkstoffe an der RUB.

●●Prof. Dr. Martin Hofmann

AG Optoelektronische Bauelemente und Werkstoffe

Institut für Werkstoffe und NanoelektronikRuhr-Universität-Bochum, Gebäude IC2/155

44780 BochumTel.: +49(0)234-3222259

E-Mail: martin.hofmann@rub.deWeb: www.opto.rub.de

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Abbildungen erzeugen, welche die innere Struktur von Objekten sichtbar machen [3].Seit der ersten Demonstration des „THz imaging“ wurde eifrig nach Anwendungen für diese neue Technik gefahndet. Fündig ist man in mehrfacher Hinsicht geworden:

Die diskutierten Einsatzgebiete reichen von der medizinischen Diagnostik, über zerstörungsfreie Werkstoffprüfung und die Kontrolle von Postsendungen auf verdäch-tige Gegenstände bis zur Überwachung industrieller Prozesse [1]. Während das zu erwartende Marktvolumen der THz-Technik im Bereich medizinische Diagnostik eher gering ist, beinhalten die anderen Anwen-dungsfelder ein signifikantes kommerzielles Potenzial.

Beispiel: Überprüfung von Spritzgussteilen

Abbildung 2 zeigt eine Abdeckkappe für einen Airbag. Deutlich lassen sich in der Fotografie in der linken Bildhälfte Rillen

erkennen, in denen das Material dünner ist. Entlang dieser Rillen soll die Airbagkappe aufbrechen und den Airbag freigeben. Dabei ist die Materialdicke in den Rillen ein kritischer Parameter. Ist das Material im Rillenbereich zu dünn, so können die Rillen auch schon bei einer festen Berührung auf-reißen und der Fahrgast wird die schlechte Verarbeitung bemerken. Ist das Material zu stark, so wird die Kappe nicht aufreißen, son-dern als Ganzes aus der Halterung gerissen

und könnte dann den Fahrgast verletzen. Bisher wird die Materialstärke nur stichpro-benartig kontrolliert; Ziel muss jedoch eine 100%-Kontrolle sein. Im THz-Bild in der rechten Bildhälfte lässt sich die Rille deutlich erkennen. Die Materialstärke kann genau

bestimmt werden, in dem die zeitliche Po-sition der THz-Pulse analysiert wird. Abbil-dung 3 zeigt in schwarz einen THz-Puls, der nur durch Luft gelaufen ist (also nicht durch die Airbagkappe), in blau einen Puls, der die Kappe außerhalb der Rille durchlaufen hat und in rot einen Puls, der durch den Rillenbe-reich propagiert ist. Die rote Kurve zeigt zwei Signalspitzen. Die kleinere der beiden ist die relevante. Durch einen Vergleich ihrer Posi-tion mit der des Maximums der schwarzen Kurve kann die Materialstärke sehr genau gemessen werden. Dieses Beispiel zeigt, dass Terahertz-Sys-teme prinzipiell eingesetzt werden kön-nen, um die Form von Spritzgussteilen zu überprüfen. Diese können auch wesentlich komplexere Formen aufweisen als die hier gezeigte Airbag-Abdeckkappe. Andere jetzt schon absehbare Anwendungen sind die Kontrolle der Dispergiergüte in polymeren Compounds [4], die Kontrolle der Vollzählig-keit von verpackten Produkten [3], oder die Detektion von Fremdkörpern in Lebensmit-teln, beispielsweise in Schokolade [5].

Hindernisse für den Industrieeinsatz

Obwohl es weltweit bereits einige Hersteller für optoelektronische Terahertz-Systeme gibt, stehen dem Markterfolg dieser Sys-teme immer noch drei wesentliche Hinder-nisse entgegen. Erstens sind die Messdauern für THz-Aufnahmen immer noch zu lang. Ein

DIE INSTITUTE

Arbeitsgruppe Terahertz-SystemtechnikTU Braunschweig

Die Arbeitsgruppe betreibt die prototy-pische Entwicklung von verschiedenen bildgebenden Terahertz-Systemen, um die Kommerzialisierung dieser Techno-logie voranzutreiben. Zudem stellt sie erste Überlegungen zur kurzreichwei-tigen drahtlosen Kommunikation mit THz-Wellen an. Neben diesen technolo-gieorientierten Arbeiten werden die THz-Schwingungsspektren von Biomolekülen und Flüssigkristallen, sowie die Leitfähig-keit von DNA untersucht. Weitere Infos unter www.tu-braunschweig.de/ihf/ag/terahertz

Arbeitsgruppe OptoelektronischeBauelemente und WerkstoffeRuhr-Universität Bochum

Die Arbeitsgruppe beschäftigt sich mit Grundlagen und Anwendungen von Halb-leiterlasern. Neben materialwissenschaftli-chen Aspekten wie der optischen Verstär-kung von neuen Halbleitermaterialien oder spin-optoelektronischen Konzepten stellen die Untersuchung der Dynamik von Halbleiterlasern und ihre Nutzung für neue Anwendungsfelder (THz-Technolo-gie, biomedizinische Bildgebung durch optische Kohärenztomographie und zeit-aufgelöste Holographie) die derzeitigen Hauptarbeitsgebiete dar. Weitere Infos unter www.opto.rub.de

4

2

0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28

-70-60-50-40-30-20-10

01020304050607080

0,000 0,005 0,010 0,015 0,020 0,025

Luftneben der RilleRillenbereich

Zeit (willk. Einheiten)

UO

szi[m

V]

ABBILDUNG 2: Abdeckklappe für einen Airbag: Links eine Fotografie, rechts ein THz-Transmissionsbild. (Foto und Messung: Frank Rutz)

ABBILDUNG 3: THz-Pulse, die durch die Airbag-Abdeckkappe gelaufen sind. Aus der Laufzeitverzögerung der Pulse lässt sich die Dicke der Kunststoffschicht ermit-teln.

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in deren Brennebenen sich auf der einen Seite ein Beugungsgitter und auf der an-deren der Resonator-Endspiegel befinden. Diese Geometrie führt zu einer räumlichen Trennung der Spektralkomponenten der Laseremission vor dem Endspiegel. In diesen Bereich der räumlichen Trennung wird ein so genannter räumlicher Lichtmodulator (Spa-tial Light Modulator – SLM) eingebracht, mit dem die einzelnen Spektralkomponen-ten unabhängig voneinander in Amplitude und Phase manipuliert werden. So kann

resonatorintern durch Dispersionskontrolle die Selbstphasenmodulation (so genannter Chirp) der Laserdiode kompensiert werden. Da die Ausgangsleistung dieses Diodenla-sersystems nur im Bereich einiger mW liegt, muss die Emission durch einen Diodenla-serverstärker (Tapered Amplifier – TA) auf das für die THz-Generation erforderliche Niveau nachverstärkt werden. Der optische Isolator (ISO) entkoppelt dabei Diodenlaser und Nachverstärker. THz-Spektrometer auf

Basis von Diodenlasern werden günstiger im Preis und kompakter in der Bauform sein als bisherige Systeme.

Schnellere Bildaufnahme

Zur Erreichung einer schnelleren Bildauf-nahme, sollen zwei Ideen verfolgt werden. Erstens wird man sich beim Messprozess auf die wesentlichen Informationen beschrän-ken. Es werden nicht mehr die kompletten THz-Pulse aufgenommen, sondern nur ein Messwert bei einer festen zeitlichen Position gemessen, z. B. in der Flanke des THz-Pulses. Weicht das Messsignal dann von einem erwarteten Normwert ab, deutet dies direkt auf ein fehlerhaftes Produkt hin (Fremdkörper, Lufteinschlüsse, u. ä.). Um dies zu illustrieren hat die Braunschweiger Arbeitsgruppe einige Vorversuche durch-geführt. Abbildung 5 zeigt exemplarisch den Signalverlauf, der entsteht, wenn eine Eszet-Schokoladenschnitte schnell durch den THz-Fokus verschoben wird. Eindeutig lässt sich der Moment erkennen, in dem die Schokoladentafel den Fokus passiert (hohes Signal). Die hier demonstrierte Geschwin-digkeit entspricht schon etwa einem Viertel der Zielgeschwindigkeit, die zu erreichen

aufgrund der Vorversuche als unproblema-tisch angesehen wird. Zweitens sollen die zu untersuchenden Objekte nur noch in einer Richtung bewegt werden. Auf diese Weise reduziert sich der Zeitaufwand von einem Bild mit n2-Pixelnvon n2(im Fall der 2D-Abrasterung) auf n (im Fall der 1D-Verschiebung). Um beim Scan-nen der Probe auf eine Dimension verzichten zu können, wird ein eindimensionales Array von THz-Sendern und Empfängern verwen-

THz-Bild, wie das der Airbagabdeckkappe, dauert immer noch viele Minuten. Diese Messzeit ist für die Kontrolle von industri-ellen Prozessen mit großen Stückzahlen um vier bis fünf Größenordnungen zu lang. Weitere Hindernisse sind die große Bauform und der sehr hohe Preis der Systeme. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Verbundprojektes „Femtosekunden-Strahl-quellen auf Basis von Hochleistungsdioden-lasern“ versuchen wir diese Hindernisse zu beseitigen. Ziel ist ein preisgünstiger und kompakter Demonstrator zur schnellen Auf-nahme von THz-Bildern.

Preisgünstige Komponenten

Die größte Kostenquelle in heutigen THz-Spektrometern stellt der Laser da, der die kurzen optischen Pulse im Femtosekunden-bereich liefert. Häufig wird ein Titan-Saphir-Laser verwendet, der einen zusätzlichen Pumplaser benötigt. Seine große Bauform und die aufwändige Wasserkühlung sind weitere Nachteile. Abhilfe könnten hier nachverstärkte Femtosekunden-Dioden-laser bieten, wie sie von der Gruppe um Martin Hofmann entwickelt werden. Der in Abbildung 4 skizzierte Femtosekunden-Diodenlaser beinhaltet eine Zweiseg-mentlaserdiode, die in einem externen Resonator hybrid modengekoppelt wird: Das kürzere Segment der Laserdiode wird hierzu in Sperrrichtung (Reverse Bias, RB) betrieben und wirkt als sättigbarer Absorber. Zusätzlich wird dem Injektionsstrom IDC

des längeren Segmentes eine Modulation (RF) mit der Resonator-Umlauffrequenz überlagert. Die Laserdiode wird über eine antireflexionsbeschichtete (AR) Facette mit einem Kollimator an einen externen Reso-nator gekoppelt. Dieser enthält eine Linse,

Lens

Grating

Mirror

LD

SLMIDC

BT RF

RB

TAISO

0,10

0,05

0,00

–0,050,0 0,5 1,0

Zeit (Sekunden)

UO

szi/V

ABBILDUNG 4: Schematischer Aufbau eines nachverstärkten Femtosekunden-Diodenlasers. THz-Spektrometer auf Basis solcher Diodenlaser werden günstiger im Preis und kompakter in der Bauform sein als bisherige Systeme.

ABBILDUNG 5: Signalverlauf bei einer den Fokus schnell durchlaufenden Schokoladen-tafel. Eindeutig lässt sich der Moment erkennen, in dem die Schokoladentafel den Fokus passiert (hohes Signal). Die hier demonstrierte Geschwindigkeit entspricht schon etwa einem Viertel der gewünschten Zielgeschwindigkeit.

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det. Die Emitterzeile wird dabei durch eine speziell entworfene Optik in eine Fokuszeile abgebildet, durch die das zu untersuchende Industrieprodukt verschoben wird. Die Fokuszeile wiederum wird auf die Empfän-gerzeile abgebildet. Die einzelnen Foki der Fokuszeile bilden so letztlich „Kanäle“. Ide-alerweise sind die Foki zigarrenförmig und überlappen einander, um sicherzustellen, dass kein Fehler zwischen zwei benachbar-ten Kanälen übersehen wird. Derzeit arbeitet die Braunschweiger Arbeitsgruppe daran, eine geeignete THz-Abbildungsoptik und effiziente THz-Antennenstrukturen für die Emitter- und Detektorzeile zu entwerfen und herzustellen. Eine erste prototypische De-monstration eine Multi-Fokus-THz-Systems ist für das kommende Frühjahr geplant.

DanksagungDanken möchten wir dem Bundesminis-terium für Bildung und Forschung für die Förderung unserer Arbeiten im Rahmen des Verbundprojektes Femtosekunden-Strahlquellen auf Basis von Hochleistungs-diodenlasern.

Literatur[1] M. Koch, L. Beckmann, F. Rutz, P. Knobloch,

T. Kleine-Ostmann, K. Pierz, G. Hein und B.Güttler, Sensing with THz imaging, VDI-Berichte Nr. 1844, 11 (2004).

[2] B. B. Hu und M. C. Nuss, Imaging with terahertz waves, Opt. Lett. 20, 1716 (1995).

[3] S. Hunsche, D. M. Mittleman, M. Koch undM.C. Nuss, New Dimensions in T-Ray Imaging, IEICE Trans. Electron. E81-C, 269 (1998).

[4] F. Rutz, M. Koch, S. Khare und M. Moneke,Quality control of polymeric compounds using terahertz imaging, Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 5727, 115 (2005)

[5] D. M. Mittleman, M. Gupta, R. Neelamani, R. G. Baraniuk, J. V. Rudd und M. Koch,Recent Advances in Terahertz Imaging, Applied Physics B 68, 1085 (1999).

1996

4505

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Der Euro-Preis gilt nur in Deutschland

Zankl, H.

NobelpreiseBrisante Affären, umstrittene

Entscheidungen

2005. 274 S., 30 Abb. Geb.€ 24,90/sFr 40,–. ISBN 3-527-31182-3

Der Nobelpreis ist die wichtigsteEhrung weltweit. Dass bei der Aus-wahl und Vergabe vielleicht nichtimmer alles mit richtigen Dingenzugeht, ist nur menschlich - und dazukann man viele interessante, witzigeund prekäre Geschichten erzählen.Z. B. was hinter der Verleihung desLiteraturnobelpreises an WinstonChurchill steckte oder warumMahatma Gandhi keinen Friedens-nobelpreis erhielt.

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Warum bilden sich Staus aus demNichts, warum lösen sie sich genau-so unverhofft wieder auf? Warumfließt Sand, und warum kann erdennoch hart wie Beton sein? Washat der Transport von Nahrungsmittelin Pflanzen mit der Verkehrsplanungin Städten zu tun?All diese Beispiele basieren aufphysikalischen Gesetzmäßigkeiten,deren Parallelen unheimlich spannendnachzuspüren sind.