INNOVATIVE INDUSTRIE
24 NEW BUSINESS • INNOVATIONS | OKTOBER 2018
Fotos: Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, Pixabay
nologie als Instrument der industriellen Prozesskontrolle zu
etablieren, müssten die Systemkosten allerdings weiter gesenkt
und die Komplexität der Systeme reduziert werden.
Die aktuellen Entwicklungen des Fraunhofer HHI könnten der
Terahertz-Technologie jetzt einen entscheidenden Schub verleihen.
Den Forschern um Björn Globisch, Leiter der Terahertz-
Forschungsgruppe am Fraunhofer HHI, sei es laut eigenen
Angaben gelungen, ein Messgerät zu entwickeln, in dem die
bisher eingesetzten Femtosekunden-Pulslaser durch kompakte
Dauerstrichlaser ersetzt wurden. Entscheidend dabei sei,
dass dieses Dauerstrich-Messsystem acht Messungen pro Sekunde
ermögliche und damit erstmals Echtzeitmessungen
ohne Verwendung eines gepulsten Lasers erlaube.
TERAHERTZ-TECHNOLOGIE ERHÄLT NEUEN SCHUB
Das vom Fraunhofer HHI eingesetzte Prinzip zur Erzeugung
von Terahertz-Strahlung basiere auf einem optoelektronischen
Verfahren. Mithilfe eines speziellen Halbleiterbauelements
werde dabei die Schwebung zweier Dauerstrichlaser in Terahertz
Strahlung umgewandelt, die genau der Differenzfrequenz
der beiden Laser entspreche.
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
seien bei dieser eher exotischen Wellenlänge aber deutlich zu
teuer und nicht robust genug für den industriellen Einsatz.
„Wir haben deshalb einen Halbleiter entwickelt, der sich mit
Laserlicht von 1,5 Mikrometer Wellenlänge anregen lässt“,
schildert Globisch. „In der optischen Nachrichtentechnik ist
das der Wellenlängen-Standard, sodass es hier eine große Zahl
kostengünstiger und qualitativ hochwertiger optischer Bauteile
und Laser gibt.“ Auf dem Weg zum konkurrenzfähigen
Terahertz-System für die Materialprüfung musste aber noch
eine weitere Hürde überwunden werden. Der Pulslaser, auf
dem alle gängigen echtzeitfähigen Terahertz-Systeme basieren,
sei ein entscheidender Kostenfaktor bestehender Systeme.
Femtosekunden-Laser seien nicht nur selbst schon technologisch
aufwendig und teuer, Terahertz-Spektrometer, die mithilfe von
gepulsten Lasern betrieben werden, würden zusätzlich optomechanische
Bauteile erfordern, die mit viel Aufwand präzise
justiert und gefertigt werden müssten.
PRÜFUNGEN IN ECHTZEIT
Eine Alternative stelle die Dauerstrich-Spektroskopie dar, bei
der anstelle eines Terahertz-Pulses Dauerstrichstrahlung erzeugt
wird. Zwei Dauerstrich-Laserquellen würden dabei gemischt
und ihr Schwebungssignal in einem speziellen Halbleiterelement
in Terahertz-Strahlung umgewandelt. Durch Verstimmen
der Laser-Wellenlängen zueinander könne die Wellenlänge
der erzeugten Terahertz-Strahlung auf einfache Weise verändert
werden. Dauerstrichsysteme hätten dabei zwei entscheidende
Vorteile gegenüber gepulsten Terahertz-Systemen. Einerseits
seien die Laserquellen selbst kompakter und günstiger, andererseits
würden keine optomechanischen Komponenten für
den Betrieb des Systems benötigt.
Dauerstrich-Terahertz-Systeme seien zwar bereits erhältlich,
würden jedoch zur Erfassung eines vollständigen Messsignals
einige Sekunden bis Minuten benötigen. Dagegen sehe die
industrielle Anwendung oft anders aus: In der Produktion
fahre ein Roboterarm Messpunkte an lackierten/beschichteten
Bauteilen ab und messe die Beschichtungsdicke. Um den Produktionstakt
einzuhalten, bleibe daher pro Messpunkt wenig
Zeit. Bisher sei aber die Messgeschwindigkeit von Dauerstrich-
Terahertz-Systemen nicht hoch genug gewesen, um Anwendungen
in der zerstörungsfreien Prüfung zu adressieren.
Das Fraunhofer HHI hat dieses Problem gelöst, indem extrem
schnell durchstimmbare Laser („Finisar WaveSource“) eingesetzt
und die Elektronik, Datenerfassung und Algorithmen an
die hohen Geschwindigkeiten angepasst würden. Durch diese
Kombination sei es gelungen, die Messgeschwindigkeit im
Vergleich zu bisherigen Systemen um den Faktor 160 zu steigern.
Damit sei erstmalig Materialprüfung in Echtzeit mit Dauerstrich-
Terahertz-Systemen möglich. TM
www.karosoft.de
www.hhi.fraunhofer.de
Ein Prüfunternehmen, welches auf Baustellen im Kraftwerksbau
tätig sei, muss bei vergleichbaren Prüfungen ganz andere
Voraussetzungen erfüllen als ein dauerhafter Prüfeinsatz in der
Kompressorfertigung.