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Messen und Prüfen - Terahertz-Tomografie

Bildgebende Terahertz-Systeme zur Qualitätssicherung

Einleitung

Mit der Entwicklung leistungsfähigerer Strahlungsquellen und hochsensitiver Detektoren wird der Terahertz-Frequenzbereich (0,1-10 THz) zunehmend für eine Vielzahl von Anwendungen im Sicherheits- und Qualitätsmanagement interessant [1, 2]. THz-Strahlung durchdringt Papier, trockenes Holz sowie die meisten Keramiken und Kunststoffe und besitzt eine hohe Sensitivität bezüglich Wasser [3, 4]. Zudem existieren viele Rotationsübergänge von interessanten Molekülen, so z. B. von organischen Substanzen, Medikamenten und Drogen, die man mit THz-Strahlung identifizieren und detektieren kann [5]. Weiterhin ist die THz-Strahlung - im Gegensatz zur Röntgenstrahlung - extrem energiearm und somit nicht-ionisierend. Dies eröffnet neue Anwendungsbereiche in zahlreichen Gebieten der Bildgebung, so zum Beispiel der Untersuchung von Halbleiterbauelementen, der Sicherheitstechnik (Erkennen von Waffen, Sprengstoffen, Drogen in geschlossenen Verpackungen) bis hin zur industriellen Qualitätssicherung (Delaminationsprüfung, innere Prüfung gekapselter Strukturen, Materialprüfungen). Hier können THz-Messverfahren existierende Röntgen-, UV-, Infrarot- und Mikrowellenverfahren ergänzen oder ersetzen, aber auch neue messtechnische Anwendungen infolge spezifischer Sensitivität erschließen. Insbesondere die Transparenz vieler Kunststoffe und Keramiken im THz-Frequenzbereich macht diese Strahlung für Qualitätsprüfungen an Bauteilen aus diesen Materialien interessant. So zeigt die Bildgebung mit THz-Strahlung einen hohen Kontrast, auch hinsichtlich Materialinhomogenitäten und Fehlstellen, der mit bisherigen Techniken an Bauteilen aus diesen Substanzen nicht zu erreichen ist. Ebenso ist eine Prüfung durch geschlossene Verpackungen aus Kunststoffen hindurch möglich.

Voraussetzung für den Einsatz in industriellen Anwendungen sind kompakte und zuverlässige THz-Systeme, die bisher insbesondere an der Nichtverfügbarkeit leistungsstarker Quellen scheiterten. Dank der großen Fortschritte in der Lasertechnik, kann durch ultrakurze Laserpulse breitbandige Terahertzstrahlung generiert werden. Hierfür bieten leistungsstarke Femtosekunden-Faserlasersysteme eine einzigartige Möglichkeit [6]. Die THz-Technik steht heute an einer vergleichbaren Schwelle wie die Lasertechnik Ende der 70er Jahre des vergangenen Jahrhunderts. So sind einerseits grundlegende, physikalisch-technische Fragestellungen geklärt und erste Anwendungen demonstriert, doch steht eine generelle industrielle Umsetzung der Technik noch aus. Insbesondere ist hierfür noch eine Optimierung der Systeme hinsichtlich Leistungsübertragung, Abbildungsqualität und Kompaktheit erforderlich. Ein erster signifikanter Schritt in diese Richtung wurde durch das Fraunhofer IOF mit der Nutzung von Femtosekunden-Faserlasern zur Erzeugung der THz-Strahlung vollzogen. Diese Laser setzen sowohl in Robustheit als auch Ausgangsleistung und Kompaktheit neue Maßstäbe [6]. Das hierauf aufbauende THz-Ultrakurzpulssystem [6, 7] wird nachfolgend beschrieben. Zur bildgebenden Darstellung werden Proben in einem frequenzunabhängigen Fokus des THz-Strahls abgerastert und vermessen. Das hierfür verwendete optische System wurde mittels wellenoptischer Berechnungen beugungsbegrenzt optimiert [8]. Die hieraus resultierenden THz-Bilder und die dafür verwendeten Auswertestrategien sind Inhalt des letzten Teils dieses Beitrags.

THz-Imaging System

Für den industriellen Einsatz der THz-Technik müssen preisgünstige, robuste und kompakte Komponenten entwickelt werden. Eine Möglichkeit der THz-Erzeugung hierzu sind breitbandige Quellen für die sogenannte »THz-Time Domain Spectroscopy (TDS)« [9]. Die THz-TDS stellt das höchstauflösende kohärente Detektionsverfahren dar, welches trotz geringer Quantenenergie und Gesamtleistung der THz-Strahlung ein Signal-Rauschverhältnis von bis zu 1.000.000 ermöglicht. Mit diesen Quellen lassen sich sowohl chemische Analysen als auch spektral aufgelöste und tomographische bildgebende Systeme realisieren [10]. Durch die Nutzung der Ultrakurzpuls-Lasertechnik wurden handhabbare THz-Quellen für Systementwicklungen realisiert, die neben Absorptionswerten auch Phasenwerte (Laufzeitwerte) liefern können. Durch die Wechselwirkung dieser ultrakurzen Lichtpulse mit einem Halbleitersubstrat (z. B. GaAs, InAs) werden (quasi-) freie Ladungsträger in den Bändern des Halbleiters generiert, welche in einem intrinsischen oder extern angelegten elektrischen Vorspannungsfeld beschleunigt werden und einen ultrakurzzeitigen Stromfluss verursachen. Dieser ist die Ursache einer breitbandigen (mehrere THz breiten) Strahlung, die entsprechend dem Zeitregime der Anregung (Pulszeit + Relaxationszeit der Ladungsträger) als Terahertz-Impuls den Halbleiter verlässt [11].

Bild 1. Aufbau des THz-Systems zur Bildgebung (Quelle: Fraunhofer IOF).

Bild 1. Aufbau des THz-Systems zur Bildgebung (Quelle: Fraunhofer IOF).

Durch den Einsatz eines Ultrakurzpuls-Faserlasers [6] zur Erzeugung und Detektion der THz-Strahlung konnten die Systemabmessungen auf ein für Industrieapplikationen angepasstes Maß reduziert werden. Der Faserlaser hat eine Baugröße von etwa 30 x 40 cm2 und emittiert mit 72 MHz Wiederholrate 100 fs-Impulse einer Durchschnittsleistung von 10 W. Die Wellenlänge beträgt 1.060 nm. Für die Applikation in der THz-Bildgebung werden die Pulse des Lasersystems in Pump- und Abtastpuls aufgeteilt (Bild 1). Der Pumppuls wird über eine Verzögerungsstrecke auf den Emitter, eine Halbleiter-Oberfläche, geleitet, wo die THz-Pulse emittiert werden. Ein optisches System formt den THz-Strahl und fokussiert ihn auf eine Probe. Die Probe befindet sich hierbei auf einem x-y-Kreuztisch und kann so abgerastert werden, um ein THz-Bild zu erzeugen. Ein zweites optisches System nimmt die THz-Strahlung hinter der Probe wieder auf und fokussiert sie auf einen Detektor, wo der THz-Puls durch den fs-Laserpuls abgetastet wird. Die Detektion erfolgt hier über den elektrooptischen Effekt, d. h. die Polarisation des Probestrahls wird in einem elektrooptischen Kristall proportional zur elektrischen Feldstärke der THz-Strahlung gedreht. Zur Optimierung der Leistungsübertragung werden am Fraunhofer IOF spezielle optische Komponenten realisiert. Im Vergleich zum Optikdesign im sichtbaren und ultravioletten Spektralbereich ergeben sich die Anforderungen an das Design des Abbildungssystems daraus, dass die Abmessungen der Komponenten nur wenige Vielfache größer als die Wellenlänge der THz-Strahlung (30 µm bis 3 mm) sind und somit Beugungseffekte die Strahlungsausbreitung dominieren. Dies wird als Quasioptik bezeichnet. Das Design erfolgt mithilfe der Kombination von klassischen Ray-Tracing-Programmen mit Tools zur Analyse der wellenoptischen Effekte.

Auswertung und Anwendungsbeispiele

In dem verwendeten Detektionsverfahren der THz-TDS wird je Bildpixel eine THz-Schwingung zeitlich aufgelöst erfasst. Das resultierende Signal enthält somit die komplette Spektralinformation. Beim Durchgang durch Material lassen sich schon im erfassten zeitlichen Verlauf des Signals ohne weitere Signalverarbeitung Amplitude (d. h. Absorption des Materials) und Phase (d. h. Laufzeitverzögerung im Material bedingt durch Materialdicke und Brechungsindex) des THz-Pulses ermitteln. Ein typisches Signal und dessen Änderung nach Durchgang durch eine Probe sind in Bild 2 dargestellt. Da die Auswertung dieser Informationen je Pixel für viele Anwendungen in der Bildgebung und Qualitätskontrolle bereits ausreichende Informationen liefert, wird auf eine spektrale Auswertung verzichtet. Somit muss während der Messung keine hohe zeitliche Auflösung des THz-Pulses erreicht werden und die Messung kann in einem kürzeren Zeitfenster erfolgen. Typische Messzeiten für ein Bild mit 150 x 150 Pixel liegen für diese konventionelle Erfassungstechnik mit derzeitigen Laborsystemen – je nach Material des zu untersuchenden Objekts – im Bereich von etwa 10 Stunden.

Bild 2. Phase und Amplitude eines THz-Signals vor (grün) und nach (blau) Durchgang durch eine Probe (Quelle: Fraunhofer IOF).

Bild 2. Phase und Amplitude eines THz-Signals vor (grün) und nach (blau) Durchgang durch eine Probe (Quelle: Fraunhofer IOF).

Betrachtet man bei der Auswertung der THz-Pulse nur die Amplitude, so zeigt diese eine hohe laterale Auflösung (Strukturen bis 200 µm sind klar darstellbar) und einen guten Kontrast bei hoher Absorption. Beispielhaft ist dies in Bild 3 anhand »vergrabener« Leiterbahnen auf einer Titer-Platine dargestellt. Nachteilig ist die direkte Kopplung von Laserintensität und THz-Amplitude; hierdurch überträgt sich das Rauschen des Lasers direkt auf die Messsignale. Die Auswertung der Phase ist hingegen unabhängig vom Lasersignal und weist eine hohe Stabilität auf. Die Phasenwerte zeigen einen guten Kontrast bei niedriger Absorption und eine hohe Auflösung in Durchstrahlungsrichtung (besser 100 µm). Die laterale Auflösung ist hier allerdings auf den halben Strahldurchmesser im Messpunkt begrenzt.

Bild 3. THz-Messung »vergrabener« Leiterbahnstrukturen in einer Platine (Aufnahme entstand in Kooperation mit dem Fraunhofer IWS), Links: Foto, Rechts: Amplitudenbild. Die Leiterbahnen im vergrößerten Bereich des rechten Bildes haben eine Breite von 330 µm (Quelle: Fraunhofer IOF).

Bild 3. THz-Messung »vergrabener« Leiterbahnstrukturen in einer Platine (Aufnahme entstand in Kooperation mit dem Fraunhofer IWS), Links: Foto, Rechts: Amplitudenbild. Die Leiterbahnen im vergrößerten Bereich des rechten Bildes haben eine Breite von 330 µm (Quelle: Fraunhofer IOF).

Ein Beispiel der Auswertungen der Amplitude und Phase ist in Bild 4 zu sehen. Hier wurde ein Bandmaß durchstrahlt und mit einer Auflösung von 120 x 100 Pixel (90 mm x 75 mm) vermessen. Deutlich sind die inneren Strukturen sowie Schweißpunkte insbesondere im Amplitudenbild zu erkennen. Durch die zum Teil hohen Absorptionen ist in diesem Messbeispiel das Amplitudenbild aussagekräftiger als das Phasenbild.

Bild 4. THz-Messung eines Bandmaßes; Links: Foto, Mitte: Amplitudenbild; Rechts: Phasenbild (Quelle: Fraunhofer IOF).

Bild 4. THz-Messung eines Bandmaßes; Links: Foto, Mitte: Amplitudenbild; Rechts: Phasenbild (Quelle: Fraunhofer IOF).

Ein weiteres Beispiel dieser Messauswertung zeigt in Bild 5 ein Kunststoffbauteil einer Wasserpumpe (Durchmesser ca. 50 mm). Dieses Bauteil wurde mit einer Auflösung von 130 x 124 Pixel vermessen. Im Amplitudenbild zeichnet sich deutlich die innere Form des Bauteils ab. Die Qualität der Schweißpunkte an der Schnittstelle zwischen stern- und kreisförmiger Struktur lässt sich sehr gut durch die Kombination von Amplituden- und Phasenbild bewerten. Eine Materialinhomogenität im Basismaterial des Pumpendeckels ist als Farbverlauf von links unten nach rechts oben im Phasenbild auszumachen. Bei diesem Bauteil spielen somit beide Auswertemethoden ihre Vorteile hinsichtlich jeweils verschiedener Fragestellungen aus.

Bild 5. THz-Messung eines Kunststoffbauteils einer Wasserpumpe; Links: Foto, Mitte: Amplitudenbild; Rechts: Phasenbild (Quelle: Fraunhofer IOF).

Bild 5. THz-Messung eines Kunststoffbauteils einer Wasserpumpe; Links: Foto, Mitte: Amplitudenbild; Rechts: Phasenbild (Quelle: Fraunhofer IOF).

Für schwach absorbierende Materialien mit niedrigem Brechungsindex (z. B. viele Kunststoffe oder Kunststoffschäume) wurde vom Fraunhofer IOF eine optimierte Aufnahmetechnik entwickelt. Hierdurch wird ein überlagertes Amplituden- und Phasenbild in einem 20-stel der oben genannten Messzeit erzielt. Somit sind mit dieser Technologie erstmals hochauflösende, bildgebende THz-Untersuchungen innerhalb einiger Minuten möglich. Als Beispiel für diese Technik ist in Bild 6 – analog zu den vorangegangenen Messbeipielen – Foto, Amplituden- und Phasenbild eines Polystyrolobjekts (126 mm x 107 mm, 1 Pixel pro mm) dargestellt.

Bild 6. THz-Messung eines Polystyrolobjektes (Lostfoam-Modell); Links: Foto, Mitte: Amplitudenbild; Rechts: Phasenbild (Quelle: Fraunhofer IOF).

Bild 6. THz-Messung eines Polystyrolobjektes (Lostfoam-Modell); Links: Foto, Mitte: Amplitudenbild; Rechts: Phasenbild (Quelle: Fraunhofer IOF).

Aufgrund der geringen Absorption zeigt das Amplitudenbild nur Kontrast an Kantenstellen, das Phasenbild zeigt hier deutlicher die vorhandenen Strukturen des Objekts. Mit der neuen Messtechnik wurde das in Bild 6 dargestellte Objekt in einer Messzeit von unter 30 min erfasst. Das Ergebnis dieser Messung ist in Bild 7 zu sehen. Es zeigen sich in dem Bild ein sehr hoher Kontrast und eine hohe räumliche Auflösung. Die optimierte Aufnahmetechnik vereint hier die Vorteile von reinem Amplituden- und Phasenbild, kombiniert mit einer 20-fach beschleunigten Aufnahmezeit.

Bild 7. Kombiniertes Amplituden- und Phasenbild des Objekts aus Bild 6; aufgenommen mit einer beschleunigten Erfassungstechnik in unter 30 min (Quelle: Fraunhofer IOF).

Bild 7. Kombiniertes Amplituden- und Phasenbild des Objekts aus Bild 6; aufgenommen mit einer beschleunigten Erfassungstechnik in unter 30 min (Quelle: Fraunhofer IOF).

Zusammenfassung

Die THz-Bildgebung ermöglicht die Untersuchung vieler mit anderen Technologien wie Ultraschall, Thermographie oder Röntgenstrahlung bisher nur schwer messbarer Objekte. Neben der Untersuchung verschiedener Kunststoffe auf Fehlstellen, Einschlüsse oder Dichteschwankungen lassen sich z. B. auch mehrlagige Elektronikplatinen auf innen liegende Fehler hin untersuchen. Ein Vorteil der THz-Messtechnik ist hierbei neben der hohen Dichteauflösung die verwendete niedrige Energie; THz-Strahlung ist im Gegensatz zu Röntgenstrahlung nicht ionisierend.

Die demonstrierte Ortsauflösung ist auf die große Wellenlänge der THz-Strahlung zurückzuführen und liegt in deren Größenordnung. Die demonstrierte Messzeit liegt in dem Bereich, der in stichprobenartigen Qualitätsmessungen mittels Computertomographen oder 3-D-Ganzkörpermesssystemen akzeptiert ist. Hier werden aber aktuelle, in Entwicklung befindliche Techniken weitere deutliche Verkürzungen der Messzeit ermöglichen.

Durch den Einsatz von fs-Faserlasern zur Erzeugung der THz-Strahlung ist die Realisierung leistungsstarker, kompakter und störunempfindlicher THz-Systeme für bildgebende industrienahe Anwendungen möglich geworden.

Gefördert im Rahmen der internen Programme der Fraunhofer-Gesellschaft (MAVO 813907).

Stefan Riehemann, Fraunhofer IOF, Jena
Boris Pradarutti, Fraunhofer IOF, Jena
Gunther Notni, Fraunhofer IOF, Jena

Literaturhinweis

[1] Kawase, Kodo/Ogawa, Yuichi/Watanabe, Yunki/Inoue, Hiroyuki 2003: Non-destructive terahertz imaging of illicit drugs using spectral fingerprints, in: Optic Express 11, 20, S. 2549-2554.

[2] Zimdars, David/Valdmanis, J. A./White, Jeffrey S./Stuk, G./Winfree, W. P./Madaras, E. I. 2004: Time domain terahertz detection of flaws within space shuttle sprayed on foam insulation, in: Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) 2, S. 2ff.

[3] Thrane, Lars/Jacobsen, Rune/Uhd Jepsen, Palle/Keiding, Søren R. 1995: THz reflection spectroscopy of liquid water, in: Chemical Physics Letters 240, 4, S. 330-333.

[4] Reid, Matthew/Fedosejevs, Robert 2006: Terahertz birefringence and attenuation properties of wood and paper, in: Applied Optics 45, 12, S. 2766-2772.

[5] Humphreys, Kenneth/Loughran, John P./Gradziel, Marcin/Lanigan, Willian/Ward, T./Murphy, J. Anthony/O‘Sullivan, Chréidhe 2004: Medical applications of Terahertz Imaging: a Review of Current Technology and Potential Applications in Biomedical Engineering, in: 26th Annual International Conference of the IEEE Engineering in Medicine and Biology Society, S. 1302-1305.

[6] Matthaeus, Gabor/Schreiber, Thomas/Limpert, Jens/Nolte, Stefan/Torosyan, Garik/Beigang, Rene/Riehemann, Stefan/Notni, Gunther/Tünnermann, Andreas 2006: Surface-emitted THz generation using a compact ultrashort pulse fiber amplifier at 1060 nm, in: Optics Communications 261, 1, S. 114-117.

[7] Pradarutti, Boris/Matthaeus, Gabor/Brückner, Claudia/Riehemann, Stefan/Notni, Gunther/Nolte, Stefan/Tünnermann, Andreas 2006: Electrooptical sampling of ultrashort THz pulses by fs-laser pulses at 1060 nm, in: Applied Physics B 85, 1, S. 59-62.

[8] Brückner, Claudia/Pradarutti, Boris/Riehemann, Stefan/Notni, Gunther/Tünnermann, Andreas 2006: Optimized free-space THz components for spectroscopic and imaging applications, in: IRMMW-THz 2006, Shanghai.

[9] Smith, P. R./Auston, D. H./Nuss, Martin C. 1988: Subpicosecond Photoconducting Dipole Antennas, in: IEEE J. Quantum Electron 24, S. 255.

[10] Mittleman, Daniel M./Jacobsen, Rune H./Nuss, Martin C. 1996: T-Ray Imaging, in: IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics 2, S. 679-692.

[11] Zhang, X.-C./Hu, B. B./Darrow, J. D./Auston, D. H. 1990: Generation of femtosecond electromagnetic pulses from semiconductor surfaces, in: Applied Physics Letters 56, 12, S. 1011-1013.

Stefan Riehemann, Boris Pradaruttl, Gunther Notni: Bildgebende Terahertz-Systeme zur Qualitätssicherung. In: Handbuch zur Industriellen Bildverarbeitung - Qualitätssicherung in der Praxis. Fraunhofer IRB Verlag 2009, S. 418-423. Mit freundlicher Genehmigung der Fraunhofer-Allianz Vision, Erlangen.

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