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Terahertz Technologie

Ihr Ansprechpartner: Sandrine van Frank


Terahertz (THz) Technologie ist ein Forschungsgebiet von großer Aktualität. Erst seit etwa 20 Jahren ist der THz-Frequenzbereich durch die Entwicklung von effizienten Emittern und Detektoren relativ einfach zugänglich, was insbesondere an die Verfügbarkeit leistungsstarker Femtosekunden-Laser gekoppelt ist. THz-Strahlung weist einige sehr interessante Eigenschaften auf, die ein breites Spektrum an Anwendungen ermöglichen.

 

 

 
Abb.: Terahertz-Frequenzbereich [Ref: Tatoute]

 

 

Physikalisch interessante Eigenschaften der THz-Strahlung:

  • THz-Strahlung liegt im elektro-magnetischen Spektrum zwischen dem Infraroten und den Mikrowellen, wobei 1 THz (=1012 Hz) einer Wellenlänge von 300µm entspricht. THz-Strahlung durchdringt viele Materialien (Vorteil zu Infrarot) und weist ein besseres räumliches Auflösungsvermögen (bis zu sub-Millimeter) auf als z.B. Mikrowellentechnologie.

  • Die Eindringtiefe ist für viele nichtleitende Materialien relativ groß, wie z.B. Kunststoffe, Papier, Karton, Textilien, usw. Dies ermöglicht den Einsatz von THz-Strahlung für die Untersuchung der inneren Struktur von Proben, wie z.B. von Defekten, Einschlüssen, usw. mittels THz-Bildgebung

  • Gewisse Substanzen zeigen charakteristische „Fingerprints“ im THz-Frequenzbereich, die auf kollektive molekulare Anregungen zurückzuführen sind. Dies ermöglicht die Identifizierung und Charakterisierung von Substanzen wie Medikamente, Sprengstoffe, Drogen, usw. mittels THz-Spektroskopie.

  • THz-Strahlung weist eine sehr geringe Energie auf (1 THz entspricht einer Energie von ~4 meV; zum Vergleich: Raumtemperatur entspricht einer Energie von ~25 meV) und wirkt daher nicht-ionisierend.

Messprinzip der THz-Zeitbereichsspektroskopie:

 

Eine häufig verwendete Methode ist die sogenannte THz-Zeitbereichsspektroskopie (THz-time domain spectroscopy; THz-TDS). Diese kann sowohl für bildgebende als auch für spektroskopische Messungen verwendet werden und arbeitet mit gepulster THz-Strahlung. Da die THz-Pulsdauern im Bereich von nur wenigen Pikosekunden (ps) liegen, ist eine direkte elektronische Messung der Pulse derzeit nicht möglich. Somit wird auf eine zeitaufgelöste Abtastung des THz-Pulses zurückgegriffen. Hierzu die wesentlichen Bestandteile:


 
Abb.: Schematischer Aufbau eines THz-TDS Systems sowie zeitaufgelöster THz-Puls (rechts unten) und durch FFT berechnetes THz-Spektrum (links unten).

  • Ein Femtosekunden (fs)-Laser sendet sehr kurze Laserpulse aus, die nur einige zehn Femtosekunden lang sind (femto = ein Millionstel eines Milliardstels). Die fs-Laserpulse werden durch einen Strahlteiler aufgeteilt und auf einen
  • THz-Emitter und THz-Detektor geleitet, wo sie THz-Strahlung anregen bzw. zu deren Detektion eingesetzt werden. THz-Emitter und Detektor sind in diesem Fall photoleitende Antennen, welche aus einem Halbleitermaterial mit einer metallischen Antennenstruktur bestehen.
  • Eine mechanische Verzögerungsstrecke erzeugt eine variable zeitliche Verzögerung zwischen Anregung und Detektion des THz-Pulses und ermöglicht somit dessen zeitliche Abtastung.
  • Das vom Detektor kommende THz-Signal wird mittels Elektronik (bestehend aus einem Stromverstärker und einem Lock-In-Verstärker) verstärkt, damit der sehr kleine THz-Puls anschließend digitalisiert am Computer angezeigt werden kann.
  • Mittels Fourier-Transformation (Fast Fourier, FFT) kann der THz-Puls in ein THz-Spektrum umgewandelt werden. Die kurzen Pulsdauern des THz-Pulses resultieren in einem breiten THz-Spektrum, welches direkt für Spektroskopie verwendet werden kann.

Arbeiten bei RECENDT GmbH:

 

Der Forschungsbereich „THz-Technologie“ der RECENDT GmbH beschäftigt sich mit den Methoden THz-Spektroskopie (Time-Domain Spectroscopy, TDS) und THz-Bildgebung zur Materialuntersuchung und Charakterisierung mit den folgenden Schwerpunkten:

  • THz-Technologie für industrielle Problemstellungen
  • Erforschung und Entwicklung scannender THz-Systeme
  • Polarisations-sensitive (PS) Messungen für die Untersuchung von Orientierungen
  • Schnelle und ortsaufgelöste THz-Spektroskopie
Derzeit stehen 3 THz-TDS Laborsysteme mit den folgenden Spezifika zur Verfügung:

    Spektroskopie:
    • Messungen in Transmission und Reflexion
    • unter Stickstoffspülung
    • punktweise oder ortsaufgelöst

    Bildgebung:
    • Messungen in Transmission und Reflexion
    • Spezielles scannendes THz-System für industrielle Proben
    • PS-THz zur Detektion von Orientierungen

Anwendungsbeispiele:

 

  • Qualitätskontrolle: Detektion von Defekten in einer Klebeschicht

     

     
    [Ref: S. Katletz, M. Pfleger, H. Pühringer, N. Vieweg, B. Scherger, B. Heinen, M. Koch, and K. Wiesauer, „Efficient Terahertz En-face Imaging“, Opt. Express 19, 23042–23053 (2011)]

  • Innere Struktur: „Innenleben“ einer Spielzeugfigur

     


  • Hyper-spektral Imaging (HSI): Ortsaufgelöste Spektroskopie an lateral inhomogenen Proben

     

     
    [Ref: H. Pühringer, J.Kasberger, M. Pawliczek, S. Katletz, M. Pfleger, H. Lohninger, and K. Wiesauer, "Terahertz Hyperspectral Imaging: Comparison of Different Evaluation Methods", International Forum on Terahertz Spectroscopy and Imaging, 06.-07.03.2012, Kaiserslautern (Germany)]


Presseberichte:


Weitere Informationen zu dieser Technologie finden Sie in unseren Projektdatenblättern  "THz" und "industrielles THz"!

 




Anwendungsbeispiele:



 

Tribologische Beschichtungen

Oft werden metallische Teile mit dielektrischen Beschichtungen versehen um deren Betriebseigenschaften (z.B. bzgl. Tribologie) zu optimieren.
Mittels Terahertz-Technologie (THz) ist eine inline-fähige Vermessung derartiger Beschichtungen sehr effizient möglich.



Verborgene (Klebe-)Schichten

Mittels Terahertz-Technologie (THz) können Sie auch durch relativ dicke Kunststoffschichten durchschauen und verborgene Schichten (z.B. Klebstoffschichten) zerstörungsfrei prüfen!
Die eingesetzten Terahertz-Wellen sind nicht gesundheitsschädlich (keine ionisierende Strahlung) und durchdringen trotzdem problemlos auch viele optisch undurchsichtige Materialien.


 

Spektroskopische Bildgebung

Die spektroskopische Kontrolle von chemischen Zusammensetzungen, z.B. von Tabletten kann mit unterschiedlichen Technologien (NIR, MIR, Raman, THz) erfolgen. Dabei ist auch die ortsaufgelöste Spektroskopie möglich - und Sie erhalten ein klares Bild über die API-Verteilung im Produkt!


 

Spektroskopie in der Produktenwicklung, Produktion und QS

Für die Produktionsüberwachung / Qualitätsüberwachung oder auch für die Produktentwicklung können spektroskopische Technologien (NIR, MIR, Raman, THz) eine wesentliche Rolle spielen. Diese Verfahren bieten die Möglichkeit, ohne Probenvorbereitung und ohne aufwändige Laboranalysen sehr präzise Messwerte zu Mischungsverhältnissen, Zusammensetzungen, Bestandteilen, Reaktionsfortschritten und ähnlichen chemischen Informationen zu erhalten. Derartige Echtzeit-Messwerte stellen eine optimale Basis für Ihre Prozessoptimierung dar!



Mehrschichtige Rohrextrusion (Co-Extrusion)

Mittels THz-Messtechnik können in der mehrschichtigen Rohrextrusion (Co-Extrusion) die einzelnen Schichtdicken In-Line gemessen werden. Das ermöglicht eine punktgenaue Regelung, Energie- und Rohstoff-Einsparung und Qualitätssicherung.



Faserrichtungen in Composite-Werkstoffen

Möchten Sie gerne mehr über das Innenleben Ihrer faserverstärkten Kunststoffen erfahren? Sind die Anisotropien Ihrer Bauteile von Interesse oder müssen Sie die Ausrichtung der Fasern im Inneren eines CFRP-Spritzgießbauteils bestimmen?
Wir können mittels Terahertz-Technologie (THz) oder OCT-Messtechnik oder auch mittels Laserultraschall dabei helfen!



Sprengstoff- oder Drogenidentifikation

Mittels spektroskopischer Methoden ist eine Identifikation von Substanzen einfach möglich. Damit können Sprengstoffe erkannt werden bzw. können ungefährliche Stoffe von gefährlichen oder verbotenen Substanzen sicher unterschieden werden.
Mittels Terahertz-Spektroskopie können solche Untersuchungen sogar in undurchsichtigen verschlossenen Behältnissen / Objekten (z.B. Briefen, Kartonagen) vorgenommen werden.


 

Personenkontrolle / Security Check

Die größte mediale Aufmerksamkeit hat die Terahertz-Bildgebung im Zusammenhang mit den sogenannten "Nacktscannern" für die Sicherheitskontrollen auf Flughäfen erhalten. Tatsächlich ist es mittels THz-Technik möglich auch durch Bekleidung / Mäntel hindurch die von jedem Körper ausgesandte THz-Strahlung zu detektieren und in diesen Bildern wie Schatten verborgener Waffen zu erkennen.



 


Ansprechpartner:

van Frank Sandrine, Dr.
Position:
Wissenschaftliche Mitarbeiterin
Adresse:
Altenberger Straße 69, 4040 Linz
Tel.:
+43/732/2468-4640
E-Mail:
 

Rankl Christian, Dipl.-Ing. Dr.
Position:
Area Manager Optics
Adresse:
Altenberger Straße 69, 4040 Linz
Tel.:
+43/732/2468-4644
E-Mail:
 

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