Systemarchitektur für THz-Frequenzbereichsspektroskopie | Über Anwendungspotenziale der Terahertz-Sensorik

Terahertz-Sensorik bietet ein großes Anwendungspotenzial im Bereich der industriellen Qualitätsüberwachung. Dabei ist die Komplexität aktueller Messsysteme und der damit verbundene hohe Systempreis eine große Herausforderung. Hier ist die THz-Frequenzbereichsspektroskopie eine sehr attraktive Alternative zur etablierten Zeitbereichsspektroskopie, da sie sich einfacher realisieren lässt und robuster ist. Dr. Lars Liebermeister vom Fraunhofer HHI forscht in diesem Bereich und gibt Einblicke in seine Arbeit und verbesserte Systemarchitekturen.
Dr. Liebermeister, Qualitätsüberwachung zum kleinen Preis klingt sehr vielversprechend, wie kam Ihr Team auf die Idee für dieses Projekt?
In der Qualitätsüberwachung gibt es viele nützliche Anwendungen für THz-Sensorik. Die aktuelle Technologie löst viele Messaufgaben, die bisher von keinem anderen Verfahren erfüllt werden konnten, aber der hohe Preis hat viele weiterführende Projekte verhindert. Vor diesem Hintergrund verfolgt das Fraunhofer HHI zwei unterschiedliche Konzepte: Die weitverbreitete THz-Zeitbereichsspektroskopie (TDS) und die eher nischenhafte THz-Frequenzbereichsspektroskopie (FDS). TDS dient gemeinhin als Arbeitstier, ihr Aufbau ist aber aufwendig und daher entsprechend kostspielig. FDS zeichnet sich durch eine niedrigere Messgeschwindigkeit aus. Diese Technologie kommt bisher in Nischen wie der Gasanalytik zum Einsatz. Sie hat den Vorteil, robuster und einfacher im Aufbau zu sein und wird sich in Zukunft sogar auf einem einzelnen photonisch-integrierten Chip realisieren lassen. Ich habe intensiv an FDS gearbeitet und konnte dabei eine alternative, vereinfachende Systemarchitektur entwickeln. Im Ergebnis ist ein neues FDS-System entstanden, das um zwei Größenordnungen schneller ist als bisherige FDS-Systeme und damit in vielen Anwendungsbereichen konkurrenzfähig zur TDS wird. Darüber hinaus konnten Material- und Aufbauaufwand weiter reduziert werden. Meinen neuen Ansatz habe ich erfolgreich im Labor demonstriert.
Und wie kann sich ein Laie die Funktionsweise der Technologie vorstellen?
Aus zwei optischen Wellen (Laser) wird in einem speziellen nicht-linearen Bauteil, einem sogenannten Photomischer, eine elektromagnetische Welle mit der Differenzfrequenz der beiden optischen Wellen generiert. Auf diese Art und Weise lassen sich Frequenzen erzeugen, bei denen keiner der Laser selbst arbeiten kann. Nun lässt man diese THz-Welle an einem Probekörper reflektieren und leitet die Reflexion an einen zweiten Photomischer weiter. Wird dieser zusätzlich mit den gleichen beiden optischen Wellen gefüttert, kann man ein Messsignal abgreifen. Dieses Signal gibt Aufschluss darüber, wie die Probe die THz-Welle verändert hat – sowohl in ihrer Amplitude als auch in ihrer Phasenlage. Durch kontinuierliches Verändern der Frequenz einer der optischen Wellen lässt sich die THz-Welle wiederum selbst in ihrer Frequenz durchstimmen und somit ein breites Reflexionsspektrum eines Probekörpers erfassen.

Welche Vorteile ergeben sich daraus?
THz-Frequenzen sind ungefährlich und bieten bei vielen Materialien (wie Kunststoff oder Keramik) einen einzigartigen Kompromiss aus Eindringtiefe und räumlicher Auflösung. Dies erlaubt die berührungsfreie Messung von Wand-Beschichtungsdicken, wobei mehrere Lagen einzeln aufgelöst werden können. Ein einfaches Beispiel ist die Bestimmung der Dicke einer Plastikfolie. Diese kann eine Dicke von mehreren 10 µm haben. Mit unserem System können wir innerhalb von wenigen Millisekunden die THz-Reflexionseigenschaften breitbandig erfassen. Von Amplitudenveränderungen bei bestimmten Frequenzen lässt sich dann eindeutig auf die Foliendicke rückschließen. Das gleiche Prinzip gilt für mehrschichtige Proben, wie dem Lackstapel auf einer Autokarosserie.