DE102011104708A1

DE102011104708A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von Material-Eigenschaften einer Substrat-Probe im Tera-Hertz-Frequenzspektrum

Info

Publication number: DE102011104708A1
Application number: DE201110104708
Authority: DE
Inventors: Milan Berta; Volker Feige
Original assignee: Automation Dr Nix GmbH and Co KG
Current assignee: FEIGE, VOLKER, DR., DE
Priority date: 2011-06-06
Filing date: 2011-06-06
Publication date: 2012-12-06
Also published as: EP2718692A1; WO2012167907A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Material-Eigenschaften einer beschichteten oder unbeschichteten Substrat-Probe im elektromagnetischen Tera-Hertz-Frequenzspektrum, insbesondere von einer mit wenigstens einer Schicht beschichteten, bevorzugt faserverstärkten Substrat-Probe, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrat-Probe mit wenigstens zwei sich kollinear ausbreitenden von wenigstens zwei Tera-Hertz-Emittern erzeugten Tera-Hertz-Lichtpulsen unterschiedlicher Polarisation, insbesondere mit gleichem Strahlquerschnitt beleuchtet wird und die von der Substrat-Probe reflektierten und/oder durch die Substrat-Probe transmittierten Tera-Herz-Lichtpulse hinsichtlich der Intensität und/oder elektrischen Feldstärke in wenigstens zwei, bevorzugt drei verschiedenen Polarisationsrichtungen zeitaufgelöst vermessen werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung von Material-Eigenschaften einer beschichteten oder unbeschichteten Substrat-Probe, insbesondere im elektromagnetischen Tera-Hertz-Frequenzspektrum, insbesondere von einer mit wenigstens einer Schicht beschichteten, bevorzugt faserverstärkten Substrat-Probe.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung von Material-Eigenschaften einer beschichteten oder unbeschichteten Substrat-Probe im elektromagnetischen Tera-Hertz-Frequenzbereich, insbesondere von einer beschichteten faserverstärkten Substrat-Probe
In Sinne der Erfindung wird unter dem Tera-Hertz-Frequenzspektrum ein Frequenzbereich von 0,1 bis 50 Tera-Hertz (THz), insbesondere 0,1 bis 20 Tera-Hertz verstanden.
Im Stand der Technik ist es bekannt, verschiedenste Produkte zu beschichten, z. B. aus Gründen der Dekoration oder des Schutzes oder anderer Gründe. Dabei hängt die Qualität eines Produktes in häufigen Fällen von der ordnungsgemäßen Ausführung einer oder mehrerer Beschichtungen und/oder des die wenigstens eine Schicht tragenden Substrates ab. Es besteht somit ein großer Bedarf während oder nach Herstellungsprozessen solche Substrate als Probe hinsichtlich der gewünschten oder benötigten Eigenschaften zu untersuchen und so eine Qualitätssicherung zu gewährleisten.
Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereit zu stellen, mit denen auf einfache, kostengünstige Art und Weise Untersuchungen hinsichtlich der Materialeigenschaften eines mit wenigstens einer Schicht beschichteten oder auch eines unbeschichteten Substrates vorgenommen werden können.
Die Aufgabe wird verfahrengemäß dadurch gelöst, dass eine Substrat-Probe mit wenigstens zwei sich kollinear ausbreitenden von wenigstens zwei Tera-Hertz-Emittern erzeugten Tera-Hertz-Lichtpulsen unterschiedlicher Polarisation, insbesondere mit gleichem Strahlquerschnitt beleuchtet wird und die von der Substrat-Probe reflektierten und/oder durch die Substrat-Probe transmittierten Tera-Herz-Lichtpulse hinsichtlich der Intensität und/oder elektrischen Feldstärke in wenigstens zwei, bevorzugt drei verschiedenen Polarisationsrichtungen zeitaufgelöst vermessen werden.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine Vorrichtung, die wenigstens einen gepulst betriebenen Laser, insbesondere einen Femtosekunden-Laser zur Erzeugung von Pumplichtpulsen und Sampling-Lichtpulsen umfasst, insbesondere wobei aus den Pumplichtpulsen durch Strahlteilung Sampling-Lichtpulse abteilbar sind und die wenigstens zwei von den Pumplichtpulsen optisch gepumpte Tera-Herz-Emitter aufweist, mit denen Tera-Hertz-Lichtpulse wenigstens von zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen erzeugbar sind und die einen ersten optischen Strahlengang mit optischen Komponenten aufweist, mittels denen die Tera-Hertz-Lichtpulse kollinear auf einer Substrat-Probe überlagerbar sind und die einen zweiten Strahlengang aufweist, mit dem von einer Substrat-Probe reflektierte und/oder durch die Substrat-Probe transmittierte Tera-Hertz-Lichtpulse wenigstens einem durch die Sampling-Lichtpulse optisch gesampelten, die Tera-Hertz-Lichtpulse in wenigstens zwei, bevorzugt drei verschiedenen Polarisationsrichtungen erfassenden Tera-Hertz-Detektor zuleitbar sind.
Im Sinne der Erfindung sollen bevorzugt folgenden Definitionen gelten:
Tera-Hertz-Lichtpulse sind gepulste elektromagnetische Wellen, deren Frequenz im eingangs definierten Tera-Hertz-Frequenzspektrum liegt.
Eine Substrat-Probe ist ein zu untersuchendes Stück Substrat oder das gesamte zu untersuchende Substrat selbst, welches unbeschichtet ist oder wenigstens eine Schicht aufweist, wobei Materialeigenschaften des Substrates selbst und/oder der wenigstens einen Schicht untersucht werden sollen. Ein solches Substrat kann z. B. ein faserverstärktes Material umfassen oder aus diesem komplett bestehen, z. B. mit Fasern aus beispielsweise Kohlenstoff, Glas, Aramid, Basalt, Naturfaser etc., insbesondere wobei die Fasern als Gelege, insbesondere multiaxiale Gelege, Gewirke, Gestricke, Gewebe oder sonstige textile Einlage in einem Matrixmaterial ausgebildet sein können.
Ein Pumplichtpuls ist eine gepulste elektromagnetische Welle z. B. zur Bereitstellung von Energie für andere mit dieser Energie betriebene Strahlungsquellen, wie z. B. die Tera-Hertz-Emitter. Die Wellenlänge eines Pumplichtpulses kann z. B. im sichtbaren Bereich liegen sowie im kürzerwelligen Ultraviolett und dem längerwelligen Infrarot. Bevorzugt kann die Wellenlänge im Bereich von 800 bis 1600 Nanometern liegen. Die Pulsdauer kann im Femtosekundenbereich liegen, z. B. im Bereich von 10 bis 200 fs, bevorzugt 50 bis 150 Femtosekunden.
Ein Tera-Hertz-Emitter ist eine Vorrichtung zur Erzeugung von elektromagnetischer, insbesondere gepulster elektromagnetischer Strahlung, deren Frequenz im eingangs genannten Tera-Hertz-Frequenzspektrum liegt. Ein Tera-Hertz-Emitter ist bevorzugt durch die zuvor genannten Pumplichtpulse optisch gepumpt und wandelt die so zur Verfügung gestellte Energie um in Tera-Hertz-Lichtpulse. Die Pulsdauer dieser Strahlung eines Tera-Hertz-Emitters liegt bevorzugt im Pikosekundenbereich, z. B. 0,1 bis 10 Pikosekunden, weiter bevorzugt im Bereich von 1 bis 5 Pikosekunden. Durch einen Tera-Hertz-Emitter werden Tera-Hertz-Lichtpulse mit den vorgenannten Eigenschaften emittiert.
Ein Tera-Hertz-Detektor ist eine Vorrichtung mit der Tera-Hertz-Lichtpulse detektiert werden können, insbesondere hinsichtlich der Feldstärke und/oder Intensität und/oder Polarisation. Ein solcher Detektor kann bevorzugt optisch gesampelt sein, insbesondere wodurch eine hohe Zeitauflösung erzielt wird.
Wann immer vor einem Begriff die Wortfolge „Tera-Hertz” verwendet wird soll dies darauf hinwiesen, dass die durch den Begriff gekennzeichnete Vorrichtung die durch den Begriff genannten Eigenschaften im eingangs genannten Tera-Hertz-Frequenzbereich aufweist, z. B. also ein Detektor in diesem Bereich detektionsempfindlich ist
Die Erfindung bietet vorteilhafter Weise die Möglichkeit, die Strahlung aus einer einzigen beleuchteten Messfläche zu sammeln und hinsichtlich mehrerer Polarisationen auszuwerten entweder mit einem Tera-Hertz-Detektor oder mehreren Tera-Hertz-Detektoren, auf welche die von der beleuchteten Messfläche stammenden Tera-Hertz-Lichtpulse zumindest jeweils zum Teil verteilt werden.
Bevorzugte Ausführungsvarianten sind in den jeweiligen Unteransprüchen zum Verfahren und der Vorrichtung genannt.
Weitere allgemeine Ausführungen sowie konkrete Ausführungsbeispiele werden anhand des folgenden Textes und der folgenden Figuren näher erläutert.
1 Kurzfassung
Die Erfindung betrifft eine kontaktfreie und/oder kontaktierende Vorrichtung zur Messung der Farbschichtdicke, die geeignet ist, Farben und/oder Beschichtungen auf Substraten zu messen. Zudem bietet die Erfindung die Möglichkeit, die unter einer oder mehreren Schichten befindliche Substratstruktur zu analysieren. Die Beschichtung wie auch das Substrat können isotrope wie auch anisotrope Eigenschaften aufweisen. Das Gerät umfasst eine Messeinheit mit mindestens zwei generierenden Abschnitten für die Erzeugung von Tera-Hertz Lichtpulsen aus mindestens zwei unterschiedlichen Polarisierungsrichtungen, einem optischen System für die Kollimation und Fokussierung des einfallenden Tera-Hertz Impulslichts auf die Probenoberfläche oder für die Durchstrahlung durch die Probe, einem optischen System für den Empfang des Tera-Hertz Echo Lichtpulses für die Ablenkung in eine Detektionseinheit. Die Detektionseinheit besteht aus einem optischen System zur Verteilung des Tera-Hertz Echos auf mindestens einen polarisierungssensitiven Erfassungsabschnitt zur Erkennung einer im elektrischen Feld amplitudenzeitaufgelösten Wellenform der Tera-Hertz Echoimpulse. In einer anderen Version ist die Nutzung von mehr als einem polarisationssensitiven Erkennungsabschnitt für die Erkennung von zeitaufgelösten elektrischen Feldern der Wellenform des Tera-Hertz Echoimpulses (Wellenform) möglich. Die kontaktierende Version der Erfindung beinhaltet eine Ausrichtungskante.
2 Zuordnung im Text
Abschnitte, Abbildungen, Bauteile der Erfindung und bibliographische Hinweise sind durch Ziffern im Text zugeordnet. Die Abbildungen werden mit der Bezeichnung ”Abbildung” und einer Bildnummer, z. B. , gekennzeichnet. Die Abbildungen enthaften lediglich Bauteilnummern oder Symbole. Die Bauteile der Erfindung werden durch Ziffern in Klammern, z. B. (1) angegeben. Die bibliographischen Hinweise werden durch Ziffern in eckigen Klammern, z. B. [1] dargestellt. Die Abschnittsangaben tragen alleinstehende Ziffern, z. B. 1. Die Abbildungen, Bauteile und bibliographischen Hinweise werden in separaten Abschnitten zusammengefasst.
3 Ziel der Erfindung
Es handelt sich bei der Erfindung um eine Vorrichtung zur Messung der Eigenschaften (Dicke und/oder dielektrische Eigenschaften und/oder Oberflächeneigenschaften wie Streuung) einer Farbbeschichtung und/oder eines Substrates, welches ausgebildet (bzw. geformt) auf einem isotropen und/oder anisotropen Substrat in kontaktfreier oder kontaktierender Weise durch das Anlegen eines elektromagnetischen (Tera-Hertz, THz) Impulses an ein Objekt, dessen Farbauftrag und/oder Beschichtung und/oder Deckschichtdicke gemessen wird. Die Vorrichtung ist geeignet für:

• die Analyse isotroper und/oder anisotroper Proben mit und ohne isotrope oder anisotrope Beschichtung;
• die Bestimmung der Materialeigenschaften von Beschichtungen und/oder Substraten, z. B. Brechungsindizes, Extinktionskoeffizienten, komplexe Permittivität und Permeabilität, elektrische Leitfähigkeit, anisotropes Verhalten, Rauheit, Gleichmäßigkeit;
• die Auflösung und Bestimmung der Dicke von Beschichtungen bestehend aus einer oder mehreren Schichten;
• die Auflösung der einzelnen Schichten in einem vielschichtigen Beschichtungssystem;

Die Beschichtungen müssen für die gegebene elektromagnetische Strahlung transparent oder durchlässig sein, z. B. transparente und/oder durchlässige Proben/Materialien für die Tera-Hertz Strahlung: Silizium, Saphir, Kunststoff, Holz, Verbundstoffe. Ein ausreichend transparentes Muster kann zum Beispiel eine Metallschicht sein mit einer Dicke von weniger als dem vier- bis fünffachen der Eindringtiefe für die Tera-Hertz-Strahlung. Beispiele von anisotropen Systemen sind verschiedene Verbundmaterialien wie kohlefaserverstärkte Polymere (CFK) oder im Allgemeinen die faserverstärkten Polymere (FVK), Holz usw. Beispiele von isotropen Systemen sind verschiedene nicht-metallische Substrate, metallische Substrate, Beton, Kunststoff usw. Verbundmaterialien sind bei Flugzeugen, im Schiffbau, bei Rotorblättern für Windkraftanlagen und in der Fahrzeugindustrie weit verbreitet. Der Einsatz des Gerätes kann Folgendes umfassen:

• Prüfen von einer (oder mehreren) frisch lackierten oder trockenen Farbschicht(en) auf Metall und auf nicht-metallischen Substraten und insbesondere auf FVK-Verbundbauteilen.
• Überprüfen des Trocknungsprozesses von Farbe, Klebstoff usw.
• Prüfen der Art der isotropen/anisotropen Substrate am Oberflächenverbund (in Längsrichtung: x und y; jedoch ebenfalls durch Scannen der Tiefenauflösung in z-Richtung);
• Prozesskontrollen bei der Fertigung von anisotropen Verbunden;
• Durchführung von Tests auf zeitabhängige Zersetzung von beschichteten Substraten;
• Aufschlüsselung der Ausrichtung der anisotropen Schicht und/oder des Substrates, um so die Positionierung eines beschichteten Elementes einfacher und zuverlässiger zu machen;
• Aufschlüsselung eines speziellen Fingerabdruckes (Spektral- und andere Merkmale im gegebenen Frequenzbereich) des Substrats ohne Beschichtung oder unter der Beschichtung;
• Prüfen der Herkunft des anisotropen Verbundsubstrats (ohne Beschichtung oder unter der Beschichtung) und Vergleich mit seinem Fingerabdruck (in Deutsch: Originalitätstest).

4 Kern der Erfindung
Das Messgerät besteht aus drei Haupteinheiten ( ): Der Einheit für die Abgabe von ultrakurzen Femtosekunden-Lichtpulsen (7), der Einheit für die Abgabe von Tera-Hertz Lichtpulsen (6) und einer Einheit für die Erkennung der Tera-Hertz Lichtpulse (2). In der Einheit zur Erzeugung von Laserlichtpulsen dient ein Laser zur Erzeugung von ultrakurzen Femtosekunden-Lichtpulsen.
Aufgrund der hohen Kosten der Femtosekunden-Laser wird nur ein Laser bevorzugt, um einen kosteneffizienten Aufbau zu erzielen. Der Strahl des Lasers wird in zwei Teilstrahlen zerlegt: Einen Pumpstrahl und einen Abtaststrahl. Der Abtaststrahl wird zu einer Zeitverzögerungseinheit (5) geleitet, in der die Impulse genau zu dem Zeitpunkt, an dem die Erkennung durch optisches Abtasten [1] erfolgen soll, räumlich verschoben und zeitlich verzögert werden. Der Pumpenstrahl wird in den Tera-Hertz-Lichtpulse abgebenden Teil (6) geleitet, wo die Mehrfachemitter Impulse mit unterschiedlicher Polarisation erregen. Der Tera-Hertz Impuls wird durch geeignete optische Komponenten (3a) auf der Probenoberfläche (4) geführt. Die Zurückführung dieses Impulses erfolgt über geeignete optische Komponenten (3b) in das der Tera-Hertz (2) Erkennung dienende Teil. Hierbei wird der verzögerte Abtaststrahl ebenfalls eingesetzt. Das gesamte System wird durch eine Bearbeitungs- und Steuereinheit gesteuert (1). Hier werden die Signale gesteuert, verarbeitet und ausgewertet.
Bevorzugt wird die Verzögerungsleitung in der Abzweigung des Pumpstrahls mit fast der gleichen Funktion zu platzieren. Zudem vermindert diese Konfiguration die Übertragung von mechanischen Geräuschen von der Verzögerungsleitung auf das abgegebene Tera-Hertz Licht. Dies liegt daran, dass die Richtwirkung des Tera-Hertz Lichtes, welches von einem photoleitenden Schalter abgegeben wird, nur wenig von der Richtung des einfallenden optischen Pumpstrahls abhängt.
Der Aufbau wird detailliert in gezeigt. Die Einheit zur Abgabe von Tera-Hertz Lichtpulsen besteht aus mindestens zwei Tera-Hertz Emittern (34a) (34b), die alle Tera-Hertz Strahlung mit unterschiedlichen Polarisierungsrichtungen abgeben. In geben zwei Emitter (34a) (34b) mit senkrechten Polarisierungsrichtungen Tera-Hertz Lichtpulse ab, die durch die Linsen (39a) (39b) kollimiert werden. Beide Tera-Hertz Strahlen werden durch die Verwendung eines Polarisierungsstrahlteilers (40a) in diesem Aufbau zusammengefasst. In einer anderen Konfiguration können auch nicht-polarisierende Strahlteiler für die Zusammenfassung der Strahlung von mehr als zwei Emittern verwendet werden. In dem Beispiel in wird die zusammengefasste Strahlung beider Emitter über den nicht-polarisierenden Strahlteiler (41b) (z. B. aus Silizium gefertigt) auf die Probenoberfläche geleitet und anschließend mittels Linse (39d) auf die Oberfläche fokussiert. Hierbei wird der geänderte Impuls zurück in das System reflektiert. Die Strahlung wird dann vom nicht-polarisierenden Strahlteiler (41b) in das Detektionssystem abgelenkt. Die reflektierte Strahlung wird dann von einem Detektionssystem detektiert. Der Tera-Hertz Strahl wird durch Strahlteiler getrennt und in ein polarisierungssensitives Tera-Hertz Erkennungssystem (50) mit mindestens 3 photoleitenden Schaltern oder mindestens einer optoelektronischen Abtasteinheit ( ) verteilt. Die polarisierungssensitive Tera-Hertz Erkennungseinheit generiert mindestens drei Polarisierungssignale (d_s1, d_s2, d_s3). Der Abtaststrahl wird ebenfalls in alle Einzeldetektoren verteilt, um eine zeitaufgelöste Erkennung zu ermöglichen.
Zusätzlich dazu kann der Aufbau durch einen optischen Strahl ergänzt werden, der zur Messung der Dicke eines dünnen und optisch transparenten Decklacks auf dem Muster dient. Der hierzu dienende optische Strahl wird am vorderen Strahlteiler (32b) aufgeteilt, mittels Strahlenteiler (42b) in den für einen optischen Strahl bestimmten Strahlengang geführt, der transparent für einen Tera-Hertz Strahl ist (z. B. dünne Polyäthylenfolie). Der optische Strahl wird an der oberen und unteren Fläche des auf der Probe aufgebrachten Decklacks reflektiert und dann mittels Strahlteiler (42a) und/oder Spiegeln in die Kreuzkorrelationseinheit (37) geführt, wo die Zeitverzögerung der Echos gemessen wird. Das Ziel hierbei ist, die Dicke einer optisch transparenten oder durchlässigen Beschichtung auf der Basis der kürzeren Wellenlänge der Strahlung präziser im optischen oder Nah- oder Mittelinfrarotbereich (je nach Lasertyp) zu messen.
5 Vorteile der Erfindung
Mit der Möglichkeit, die Strahlung von verschiedenen Quellen in einen Messpunkt zusammenzufassen und sie zudem nach Interaktion auf verschiedene Detektoren zu verteilen, bietet der Aufbau die folgenden Vorteile: Es ist möglich, eine gleichzeitige Messung mit mehr als einem Tera-Hertz Emitter durchzuführen, d. h. es ist nicht notwendig, die Konfiguration zu demontieren oder die Probe zu manipulieren. So kann man z. B. mehrere hoch polarisierte Strahlen positionieren und eine Messung mit unterschiedlichen Polarisierungen durchführen, ohne Komponenten drehen zu müssen. Die unterschiedlichen Emitter sind voneinander getrennt, so dass keine gegenseitige Beeinflussung auftreten kann, wie dies bei einem OnChip-Multipolarisationsemitter (wie z. B. [2]) der Fall wäre. Möglich ist auch eine gleichzeitige Erkennung mit mehr als einem Tera-Hertz Detektor, d. h. ohne Notwendigkeit einer Demontage des Aufbaus oder Neupositionierung der Probe. Der Aufbau ist modular gestaltet und verfügt über auswechselbare Emitter- und Detektoreinheiten. Es wird nur eine Lasereinheit verwendet, die aktuell den Hauptanteil der Kosten eines Zeitbereichs-Tera-Hertz Spektroskopie (TDTS) Aufbaus darstellt. Daher erlaubt diese Konfiguration die polarisationssensitive Erkennung auf kosteneffiziente Art und Weise. Es wird nur eine Verzögerungsleitungseinheit verwendet, die die Fehlerrate aufgrund der Größe senkt und/oder das Gewicht vermindert, da es sich bei der Verzögerungsleitung um eine elektromechanische Einheit handelt.
Der Vorteil der Erfindung liegt zudem in der Art, mit der die Eingangsdaten analysiert werden: Hier erfolgt eine Berechnung und ein Vergleich des Systems und der Probenantwortfunktionen.
6 Hintergrundinformation
Aus dekorativen oder konservierenden Gründen werden industrielle Produkte wie Fahrzeuge, Luftfahrzeuge, Rotorblätter von Windkraftanlagen, Haushaltsgeräte usw. mit Farbaufträgen versehen. Wie beispielsweise in der Zeichnung auf gezeigt, besteht ein beschichtetes und lackiertes Rotorblatt einer Windkraftanlage aus einem GFK-Substrat (64) mit einer Spachtel-Füllmasse (63) (optional). Zudem wird zur Verbesserung der Adhäsion eine Spachtelbeschichtung (62) aufgesprüht. Die Innenbeschichtung (61) (ein Basislack) wird aufgebracht, um einen elastischen Überzug zu erzeugen. Der zuletzt aufgebrachte Decklack (60) (Oberflächenvergütung) hat eine Schutzfunktion. Auf die Füllmasse kann verzichtet werden. Ihre Dicke rangiert in der Regel im Bereich zwischen 0 bis zu einigen Hundert Mikrometern. Die Dicke der Spachtelbeschichtung rangiert in der Regel zwischen 0 bis zu einigen Mikrometern. Die übliche Dicke der Innenbeschichtung beträgt ca. 300–450 μm. Die Dicke der Oberflächenvergütung (Decklack) beträgt ca. 30–100 μm.
Die Dicke des Basislacks und der Oberflächenvergütung wird beeinflusst durch viele Faktoren wie Viskosität, Dichte und Temperatur des auf das Substrat aufgebrachten Lackes ebenso wie von der Feuchte, Umgebungstemperatur usw. Die Dicke des Basislacks kann im unteren Bereich 50% oder im oberen Bereich 200% der erforderlichen Dicke betragen. Dies hängt von den oben genannten Faktoren ab. Abweichungen von den idealen Dicken sind unzulässig, da der Rotor bei Dickenabweichung kostenaufwändig repariert werden muss. Entsprechend muss die Dicke des Farbauftrags einer jeden Schicht gemessen und entsprechend überprüft werden.
7 Anisotropie der CFK, GFK, Holzproben usw.
CFK, GFK und/oder andere FVKs werden aufgrund der im Verhältnis zu ihrer nicht-isotropen Struktur relativ steifen und festen Materialeigenschaften, die sich zusätzlich noch durch geringes Gewicht auszeichnen, zunehmend in Fahrzeug-, Flugzeug-, Schiffsstrukturen usw. eingesetzt. Die typischen Faserausrichtungen bei diesen Verbunden sind uni-, bi- und tridirektional. Die komplexe Struktur verstärkt die Steifigkeit und Festigkeit, geht jedoch einher mit Anisotropie (für elektromagnetische Strahlung, Kraft, Wärme usw.). Die Erkenntnisse in Bezug auf das elektromagnetische Verhalten von Verbunden wie CFK sowie die Ausnutzung dieser Eigenschaften ermöglicht ein noch besseres Verständnis ihrer Materialeigenschaften und somit eine Verbesserung der Fahrzeugleistung. Als Beispiel beschreiben wir einmal die Struktur von CFK: Es handelt sich hierbei und eine mehrschichtige Struktur, bei der sich die Kohlefaserschichten im Richtungsverlauf abwechseln (siehe ). Die einzelnen Schichten wirken anisotrop oder sogar doppelt brechend im relevanten Frequenzbereich [3] [4]. Eine solche Faserschicht kann die Strahlung reflektieren oder übertragen oder nur einen Teil der Strahlung reflektieren. Die Schicht und die Wechselwirkung der Probe mit der Strahlung hängt vom Polarisierungswinkel des Lichtpulses auf die Fasern in der FVK Schicht ab. Das Verfahren zur Herstellung der meisten FVKs hängt vom zu erstellenden Teil ab. Viele FVK Halbzeuge werden aus einer einzigen Schicht Kohlefaser, die in eine Kunststoffmatrix eingebettet wird (Epoxid, Polymer usw.), gefertigt. Im Gegensatz dazu erfolgt die Herstellung von widerstandsfähigen Graphit-Polymerteilen aus dem schichtweisen und abwechselnden Einlegen von strukturiertem Kohlefasergewebe (siehe 8) in eine der Endform des Produkts nachempfundenen Form. Die Ausrichtung und Webrichtung der Gewebefasern wird im Sinne einer Optimierung der Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften des Endmaterials gewählt. Die Form wird dann mit einer entsprechenden Füllmasse verfüllt (Multiverbundepoxid, wärmeaushärtendes Polymer) und wird anschließend wärme- oder luftgehärtet (bis zum Abschluss der Polymerisierung). Im Resultat erhält man bei der Polymerisation (oder Aushärtung) eine gehärtete (Epoxid, Polymer) Matrix. Der entstandene Verbund ist für sein Gewicht äußerst korrosionsfest bei steifen Materialeigenschaften mit hoher Festigkeit [5].
Die Originalität eines solchen Substrates ist wichtig für die Faktoren Sicherheit und Gesundheitsschutz. Die Hersteller sind bemüht, Substrate zu fertigen, die eine längere Lebensdauer und/oder Materialsteife usw. aufweisen, die jedoch wie ein gewöhnliches FVK aussehen können. Die Fingerabdruckanalyse kann dazu beitragen, illegale oder nicht autorisierte Nachbauten oder Kopien des Substrats und/oder der Beschichtung(en) aufzudecken. Die Möglichkeit der Erstellung des Fingerabdruckes (eine Zusammenstellung von typischen Materialeigenschaften) einer solchen Struktur wird unter 9. diskutiert.
Überdies besteht eine große Gruppe anisotroper Werkstoffe aus natürlichen Werkstoffen und Biomaterialien mit einer Faserstruktur (z. B. Holz [6]). Biomaterialien mit einer solchen Zusammensetzung finden sich in Muskeln, Knochen und Arterien. Weitere Untersuchungen von biologischen Lösungen (DNA, Haare) sind mit Zeitbereichs-Tera-Hertz Spektroskopie (TDTS) möglich [7].
8 Eigenschafen von Carbon-Faserverstärkten Kunststoffen (CF) für Bauteile
Heute werden bei vielen weiteren Konstruktionen (z. B. Passagierflugzeugen, Militärflugzeugen, Rotorblättern für Hubschrauber etc.) große und/oder kleine Flächen aus Faserverbundstoffen hergestellt, wobei sehr häufig CFK-Materialien eingesetzt werden. Im Allgemeinen bestehen diese CFK-Verbundstoffe aus Kohlenstofffasern (401), die in einer Kunststoffmatrix (400) eingebettet sind, wie die 8 zeigt
Die hochwertigen Fasern zur Verstärkung der Lastaufnahme im Flugzeugbau werden im Allgemeinen aus einer Polyacrylnitril-Ausgangsfaser (PAN) hergestellt. Diese PAN-Fasern werden in unterschiedlichen Prozessschritten temperaturstabilisiert, carbonisiert und in einem Letztem Prozessschritt, der sogenannten Graphitierung, wird die Mikrostruktur verbessert Nach diesen Prozessen liegen die Kohlenstoffatome in einer turbostratischen Mikrostruktur vor, die einer gewellten Graphitstruktur ähnelt. Neben der PAN-Kohlenstofffaser existieren weitere Typen von Kohlenstofffasern, die aus verschiedenen Formen des Pechs hergestellt werden und in ähnlichen Prozessschritten bearbeitet werden. Allerdings weisen diese Fasern aufgrund der geringeren Orientierung der graphitischen Ebenen zur Faserachse schlechte mechanische Eigenschaften. Um die Stabilität der Flugzeugstruktur sicherzustellen, ist es deshalb besonders wichtig, dass bei der Herstellung sowie bei Reparaturen die richtigen Materialien (Fasern und Kunststoffmatrix-materialien) verwendet werden. Somit kann das Messsystem einerseits in der Wareneingangskontrolle sowie in der Produktionskontrolle eingesetzt werden. Da die Materialeigenschaften des CFK-Substrates auch unter einer Beschichtung bzw. eines Beschichtungssystems, das für THz-Strahlung transparent bzw. lichtdurchlässig ist, bestimmt werden können, können diese Qualitäts- bzw. Originalitätskontrollen auch während oder nach dem Beschichtungsprozess erfolgen. Die Kohlenstofffasern besitzen einen Durchmesser von ca. 5 bis 10 μm. Kohlenstofffasern besitzen vergleichbar zu Graphit eine nicht zu vernachlässigende elektrische Leitfähigkeit, so dass von eine starke Reflektion des THz-Impulses existiert, wenn die THz-Polarisation in Richtung der Faserorientierung gerichtet ist. Als Kunststoff-Matrix werden verschiedene Kunststoffe eingesetzt, wie beispielsweise Epoxy, Bismaleimid-Harz oder Polyimide. In Abhängigkeit des Gefährdungspotentials eines Blitzeinschlages unterscheidet man CFK-Materialien ohne und mit beschichtetem Kupfer-Blitzschutz sowie verschiedene Faser-Gewebearten. Neben den verwendeten Fasern und der Kunststoffmatrix entscheidet auch die Struktur bzw. die Anordnung der Fasern in dem Verbundwerkstoff über die physikalischen Eigenschaften aus makroskopischer Sicht. Die verschiedenen Anordnungen der Fasern können prinzipiell in uni- (402) und bidirektionale (403) Faser-Strukturen unterschieden werden, wobei insbesondere für die bidirektionalen Strukturen verschiedene Gewebearchitekturen existieren. In bestimmten Fällen existieren so genannte tridirektionale CFK-Strukturen, wobei eine Faserorientierung senkrecht zur sonst bidirektionalen gerichtet ist. Die Figur zeigt die grundlegenden Gewebearten der Bindungslehre (ebenso nach [8], Seiten 13–17).
Die verschiedenen Kohlenstofffasern, Kunststoffmatrix-Polymere und Faser-Gewebestrukturen haben einen Einfluss auf die Reflektion und Ausbreitung der elektromagnetischen THz-Welle, so dass diese verschiedenen Stoffkombinationen für die Schichtdickenmessung zu analysiert sind.
9 Fingerabdruck des FVK-Substrats-Authentifizierung
Aufgrund seines direktionalen Aufbaus (uni-, bi-, tri-) reagieren CFKs (jedoch auch allgemein FVKs) winkelabhängig von der Polarisierung der einfallenden Strahlung. Ein Beispiel für die Reflektionssensitivität eines CFK-Musters auf polarisierte Tera-Hertz-Strahlung wird durch nachstehenden Sachverhalt verdeutlicht. Die Reflektion eines polarisierten Tera-Hertz-Impulses wurde in zwei Konfigurationen in einer Null-Winkel-Reflektionsgeometrie gemessen, d. h. die Probe wurde senkrecht bestrahlt und die Strahlung ebenfalls in senkrechter Richtung erfasst. Eine Probe eines CFKs bestand aus unidirektionalen Schichten Kohlenstofffasern in senkrechtem (0 und 90°) Aufbau, siehe . In einer solchen Probe kann man zwei oder mehr unterschiedliche Faserlagen unterscheiden. In sind nur die beiden obersten Schichten dargestellt: Die Deckschicht (Schicht 1) (70) und die nächste Innenschicht (Schicht 2) (71). Die Probe wird in zwei Konfigurationen der einfallenden, polarisierten Tera-Hertz-Lichtpulse untersucht. In Konfiguration A (252) ( ) verliefen die Fasern der Deckschicht (Schicht 1) parallel zur Polarisierung der einfallenden Strahlung und die Fasern der darunterliegenden Schicht (Schicht 2) senkrecht zur einfallenden Strahlung. Hier verhalten sich die Fasern in Schicht 1 aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit entlang der Kohlenstofffasern wie ein guter Leiter und die Schichten reflektieren den größten Teil der einfallenden Strahlung. Diese Reflektion wird durch einen starken Impuls bei 0 ps in an drei unterschiedlichen Messpunkten auf der Probe ausgedrückt (102a) (102b) (102c). Die Amplitude des elektrischen Feldes in beliebigen Einheiten (100) wird in (und zudem in ) über die Zeitverzögerung in Picosekunden (101) graphisch dargestellt. Aufgrund der nicht-uniformen Direktionalität der Fasern wird die nicht-erkennbare Strahlung zu den nächsten Schichten (Schichten 2 und andere) geleitet. Die Probe wurde dann in der senkrecht zur einfallenden Strahlung gelegenen Ebene um 90° gedreht und Konfiguration B wurde so vorbereitet, dass eine Kontraposition vorlag. In Konfiguration B (253) ( ) liegen die Fasern in der oberen Schicht der Probe (Schicht 1) senkrecht zur Polarisation der einfallenden Tera-Hertz Strahlung. In dieser Konfiguration übertragen die Fasern in Schicht 1 einen Großteil der einfallenden Strahlung (und reflektieren diese aufgrund der nicht-einheitlichen Direktionalität der Fasern ebenso). Dies wird durch die Abnahme der Amplitude des 1. Lichtpulses (bei 0 ps) in ausgedrückt. Die Fasern in der darunterliegenden Schicht (Schicht 2) waren parallel zur Polarisation der einfallenden Strahlung positioniert und diese Fasern weisen eine Reflektion auf; dieses zeigt sich durch einen Impuls bei ca. 3 ps in , der wie ein Nachhall des ersten Impulses (bei 0 ps) aussieht. In der Graphik in werden Wellenformen für drei unterschiedliche Messpunkte auf der Probe (103a) (103b) (103c) dargestellt. Der Aufbau der CFK Schichten kann ebenfalls unterschiedlich gestaltet sein, z. B. Schicht 1: 0°, Schicht 2: 60°, Schicht 3: 120°, aber die teilweise Transparenz und Reflektionsgrad der unterschiedlichen Schichten ist ebenfalls vorhanden und kann in gleicher Weise analysiert werden. Die Position und Lage der beiden Impulse (in ) ermöglicht die Bestimmung der Dicke und Materialeigenschaften der Schichten (siehe 30).
Zudem kann die Reflektion und/oder Übertragung der elektromagnetischen Impulse im Aufbau einer uni-, bi- oder tridirektionalen FVK Probe in einem Bereich gesammelt werden. Als Beispiel wurde ein Bereich von 25 × 25 mm auf einer bidirektionalen CFK Probe in 2/2 Köperkonstruktion mittels TDTS in Reflektionsgeometrie untersucht. In diesem Fall lag die wirksame Dimension der Spotfläche der Tera-Hertz Strahlung unter ca. 2 mm.
Ein Bild des sichtbaren und des Tera-Hertz Lichts sowie eine Übersicht der Probenoberfläche ist in dargestellt. Um eine Tera-Hertz-Abbildung der Probe herzustellen, werden Tera-Hertz-Wellenformen Schritt für Schritt (mit ca. 0,15 mm Schritten in der x und y Richtung) in einer Polarisierung der Strahlung gesammelt. Die Polarisierung der einfallenden Strahlung lag in der x-Achse (153) der Konfiguration vor. In der Analyse wird der Maximalwert des ersten und stärksten Impulses der Wellenform aus jeder in gezeigter Position extrahiert und diese Werte (152) werden im mm-Maßeinheiten (150) (151) in dargestellt. Die Darstellung in zeigt die Struktur der Fäden in der sichtbaren Struktur in . Alle Darstellungen des Bereichs sind fast im gleichen Maßstab dargestellt. Eine typische Wellenform für maximale (154) (weißer Bereich), minimale (155) (schwarzer Bereich) und dazwischenliegende (156) (graue Bereiche) Werte in wird daneben in Bild 9d dargestellt (mit der relativen Zeitverzögerung in Picosekunden auf der x-Achse (157) und auf der y-Achse (158) sieht man das elektrische Feld in beliebigen Einheiten). Dort werden die entsprechenden Beispiele der Positionen (P₁, P₂ und P₃) auch zugewiesen. Die weiße Farbe bezeichnet Bereiche mit Deckschichtfasern, die parallel zur Polarisierung verlaufen (Beispiel: Position P₁). Die graue Farbe bezeichnet Bereiche, in denen Deckschichtfasern senkrecht zur Polarisierung (Beispiel: Position P₂) verlaufen. Die schwarze Farbe bezeichnet Übergangs- oder Mischbereiche (Beispiel: Position P₃). Die komplexeste Antwort (Beispiel: Position P₃) erhält man in den Bereichen an der Oberfläche, wo die Fäden verschiedene Ausrichtungen (in x- und y-Richtung und möglicherweise auch in z-Richtung) aufweisen.
Die Wellenformen dieser Bereiche können zum großen Teil zur Fingerabdruckanalyse der FVKs beitragen. Die bildgebenden Daten ermöglichen auch die Bestimmung des Anstiegs der Fäden (159) innerhalb der für die Authentifizierung benötigten Struktur (siehe nachstehend).
Daher können für ein Substrat typische Merkmale zur Authentifizierung des Substrats festgelegt, gekennzeichnet und gemessen werden:

• effektive dielektrische Eigenschaften der Kunststoffmatrix mit den Fasern (wenn die Fasern zusammen mit der Kunststoffmatrix einen Verbund herstellen, dessen charakteristische Länge kleiner als die verwendete Wellenlänge ist);
• Grad der durch den direktionalen Aufbau der Fasern verursachten Anisotropie der Matrix;
• Anstand der Fäden bei bidirektionalen oder tridirektionalen FVKs, ; Fäden bestehen aus Fasern und ein Aufbau wird durch Einweben der Fäden in eine Struktur erstellt;
• Polarisationsgrad in einem Faden: Die Fasern in dem Faden sind nicht vollständig in eine Richtung ausgerichtet. Entsprechend wirken sie wie nicht-vollständige Polarisatoren mit einem bestimmten Wirkungsgrad der Polarisierung. Dieser Polarisationsgrad kann aus der Reflektion an Positionen mit ausgeprägter Faserrichtung bewertet werden, siehe und (P₁ und P₂).

10 Messen der Anisotropie und anderer Werkstoffparameter der Probe
Die gesamte 3D-Anisotropie eines Materials wird durch seine Indikatrix, d. h. durch einen Ellipsoid der Brechungsindices beschrieben. Zur Untersuchung von Oberflächen muss eine Abbildung dieses 3D-Ellipsoids in die senkrecht zur einfallenden Strahlung verlaufende Ebene gemessen werden. Dies bedeutet, dass man die Hauptachsen n₁, n₂ und die Rotation dieser Ellipse ☐, siehe , bestimmen muss. An einer unbekannten Position der Probenoberfläche kann diese Ellipse eines anisotropen Materials aufgezeichnet werden durch eine Messung, die mehr als eine Polarisierungsrichtung der einfallenden Strahlung e₁ und e₂ sowie wahlweise auch e3 stimuliert. In einer auf die Wechselwirkungen in nur einer Ebene beschränkten Messung kann auch der Teil dieser Indikatrix aufgezeichnet werden, d. h. eine Projektion des Ellipsoids in die senkrecht zur einfallenden Strahlung verlaufenden Ebene. Dies wird in einer Reflektion und in einer Transmissionsgeometrie erreicht. Die anisotrope Probe rotiert die Polarisation (Reflektion) und beeinflusst die Elliptizität (Übertragung) der einfallenden Polarisation. Zu diesem Zweck wird die Probe mit mindestens zwei Polarisationen von jeweils separaten Emittern im vorgeschlagenen Gerät beleuchtet. Die Ausrichtung des refraktiven Indexellipsoids auf der Oberfläche der Probe kann durch mindestens drei Polarisationssignale (d_s1, d_s2, d_s3) bestimmt werden. Diese drei Signale können durch die polarisationsempfindliche Erkennungseinheit (50) bestimmt werden, z. B. durch ein Tripel an photoleitenden Schaltern (35a) (35b) (35c) oder mittels optoelektronischen Abtastens ( oder ). Die Dicken der Fasersystemschichten (falls vorhanden) ergeben zusammen mit den Eigenschaften des Kunststoffmatrixmaterials einen Fingerabdruck der Probe. Dieser Fingerabdruck kann mit früheren Referenzmessungen abgeglichen werden, um die Probe zu identifizieren und/oder einen Originalitätsnachweis zu erbringen. Ein Abgleich des Fingerabdrucks mit einem Normmuster ist ebenfalls möglich.
11 Verschiedene Dicken, dielektrische Werkstoffmesstechniken und neueste Geräte
In der Regel wird die Dicke einer jeden Farbschicht mittels Nasskammtechnik gemessen. Eine kalibrierte, kammartige Struktur wird bis zum Anschlag in die Farbe eingeführt, um die Farbtiefe zu prüfen.
Diese Messung kann jedoch bei noch nasser Farbe die aufgebrachte Farbschicht sowie das Produkt beschädigen und ist auch nicht für die Messung von Farbschichtdicken in Mehrfachschichten und getrockneten Lagen geeignet.
Ferner werden im Allgemeinen auch Ellipsometrie Messungen verwendet, um Beschichtungen aufzulösen und zu messen. Die Ellipsometrie als zerstörungsfreier Ansatz ist bestens eingeführt zur Bestimmung der Merkmale eines Probensystems und kann in Echtzeit durchgeführt werden. Das Thema wird in einer Reihe von Veröffentlichungen abgehandelt, so zum Beispiel in [9]. Dieses Verfahren beschränkt sich auf plan-parallele und einzelne Dünnschichten [10].
Ein weiteres Prinzip der Schichtdickenmessung, die Interferenz von kontinuierlichen elektromagnetischen Wellen, nutzt das veränderliche Reflektionsspektrum der Oberflächenreflektion auf einem Objekt. Der multiple Interferenzzustand der Dünnschicht verändert sich je nach Schichtdicke einer transparenten leitenden Folie oder einer transparenten optischen Folie [11].
Ein zerstörungsfreies Farbschichtdickenmessgerät wurde entwickelt, das auf dem Prinzip der Interferenz von kontinuierlichen Wellen basiert, um die am Produkt entstehenden Schäden zu vermindern. Hierbei wird eine zu vermessende Dünnschicht mit Licht bestrahlt und die Interferenz des reflektierten Lichts und das an der Rückseite der Dünnschicht reflektierte Licht in jede Wellenlänge zerlegt. Es wird eine spektrale Intensitätsverteilung erzeugt und die Schichtdicke wird basierend auf dieser Verteilung [12] gemessen. Obwohl in einigen dieser Experimente [13] [14] ein polarisierungssensitiver Detektor verwendet wird, muss die Probe oder der Emitter (der die Strahlung mit linearer Polarisation abgibt) gedreht werden, um eine anisotrope Probe zu untersuchen.
Überdies wurde als Reaktion auf die oben besprochenen Problematiken [15], [16] ein weiteres Gerät zur kontaktfreien Farbschichtdickenmessung entwickelt, welches einen Tera-Hertz Lichtpuls an ein Objekt abgibt, dessen Farbschichtdicke gemessen werden soll. Der Tera-Hertz Lichtpuls tritt durch eine Farbschicht hindurch, wird an jeder Schnittstelle reflektiert, die jeweils einen diskontinuierlichen Brechungsindex hat und man erhält einen reflektierten Tera-Hertz Lichtpuls (ein Tera-Hertz Echopulslicht). Die separaten Impulse werden aufgelöst und deren Zeitverzögerung analysiert. Die Farbschichtdickenmessgeräte beschränken sich auf die Auflösung der individuellen Reflektionsimpulse im Zeitbereich oder sie sind nicht empfindlich auf anisotrope Substrate, da die Sensitivität der Messung durch die Ausrichtung der Polarisation der Abstrahlung, der anisotropen Probe sowie dem polarisierungsselektiven Detektor vorgegeben ist.
12 Einschränkungen bei den modernsten Gerätetypen
Im Allgemeinen unterliegt die neueste Gerätegeneration Einschränkungen im Bereich Tiefen-/Dickenauflösung und im Bereich der minimal auflösbaren Dicke und/oder der polarisationsselektiven Messung in einem Arbeitsgang.
Die Beschränkungen dieser Geräte kann man so umgehen, dass elektromagnetische Strahlung unterschiedlicher Polarisierung auf die Oberfläche der Mehrschichtprobe emittiert wird. Diese wird reflektiert und in geeigneter Weise mittels polarisationssensitiver Detektion und entsprechender Datenanalysealgorithmen ermittelt. Insgesamt ist hierbei keine Manipulation der Probenausrichtung während des Messvorganges erforderlich.
13 Polarisationsselektive und -sensitive Erkennung von Tera-Hertz Strahlung
Die gepulste elektromagnetische Tera-Hertz Strahlung kann mit Hilfe der sogenannten optischen Abtasttechnik [1] [17] erkannt werden. Dies ist die am häufigsten verwendete Technik zur Abbildung des Tera-Hertz Signals in TDTS.
Unter der Technik des optischen Abtastens versteht man das Abbilden des elektrischen Feldes des Tera-Hertz Lichtpulses innerhalb eines photoleitenden Schalters [18] (GaAs Kristall, Niedertemperaturwachstums-GaAs, SnGa usw.) und/oder innerhalb eines elektrooptischen Kristalls (Pockels-Zeile, ZnTe-Kristall, LiNbO₃). Andere Techniken, die sich nicht der Abtastung durch einen optischen Strahl bedienen, so z. B. die auf der Schottky-Diode beruhende Technik, können ebenfalls eingesetzt werden.
Die optische Abtastmethode nutzt einen geteilten optischen Strahl, den Abtaststrahl (170). Dieser interagiert mit den Detektormedien (173) (elektrooptischer Kristall oder photoleitender Schalter) im elektrischen Feld des Tera-Hertz Lichtpulses (171).
Als Beispiel wird das Schema des elektrooptischen Abtastens mittels elektrooptischen Kristalls in dargestellt und nachfolgend erläutert. Die lineare Polarisation (172) des optischen Abtastimpulses (170) wird aufgrund der geänderten induzierten Doppelbrechung (174) des elektrooptischen Kristalls (173) modifiziert, welches durch die Präsenz der elektrischen (Tera-Hertz) Feldamplitude E (171) geschieht. Die induzierte Doppelbrechung hängt vom Wert des elektrischen Feldes E ab. Die Polarisation des Abtaststrahls wird ggf. elliptisch (176) und in zwei senkrecht polarisierte Strahlen (178) geteilt, die räumlich durch einen Prismenpolarisator (177) (z. B. Wollaston-Prisma) separiert werden. Die Abbildung des resultierenden Unterschiedes in der optischen Intensität (Abbildung der Elliptizität) mit Hilfe eines Paares ausbalancierter Photodioden (179) (auch Differentialphotodioden genannt) im Hinblick auf die relative Verzögerungszeit ergibt ein Signal, welches proportional zum Tera-Hertz Feld ist. Ein Analysator (175) (λ/4-Plättchen oder λ/2-Plättchen oder Polarisator) im Strahl erlaubt eine einfache Ausbalancierung der Photodioden vor der Messung. Ohne den Analysator (z. B. λ/4- oder λ/2-Plättchen) müssen die Differential-Photodioden ausbalanciert werden, indem sie zusammen mit dem Prismenpolarisator auf der Strahlachse gedreht werden. Bei der elektrooptischen Abtasttechnik werden die elektrooptischen und dielektrischen Eigenschaften (z. B. Brechungsindex) des elektrooptischen Kristalls durch das elektrische Feld des Tera-Hertz Lichtpulses beeinflusst.
In einem photoleitenden Schalter werden durch den optischen Abtastimpuls freie Ladungsträger erzeugt. Diese werden vom elektrischen Feld der Tera-Hertz Strahlung zu den Elektroden bewegt und der Strom, der durch den Detektor hindurchtritt, wird gemessen. Die Sensitivität des photoleitenden Schalters auf Polarisation ist richtungsbezogen und wird durch die Elektrodenposition bestimmt.
Generell sind beide oben genannten Techniken (optoelektronische und photoleitende Abtastung) empfindlich auf eine Polarisation des einfallenden Tera-Hertz Strahls. In einer Konfiguration wird die komplette Polarisation der einfallenden Strahlung erkannt, z. B. durch Einführung von mehreren photoleitenden, nebeneinander sitzenden Schaltern (wie in , Bauteil (50) gezeigt, siehe auch 17) oder durch die Verwendung von elektrooptischen Kristallen in einer spezifischen Anordnung (z. B. ZnTe-Kristall [111] mit Ausrichtung entlang seiner kristallographischen Achsen, siehe ). Ein solcher Detektor ist somit eine polarisationssensitive Detektoreinheit.
14 Hintergrundinformation zum vorgeschlagenen Gerät
Das Tera-Hertz Licht ist eine elektromagnetische Welle, deren Wellenlänge ca. 30 bis 3000 μm im Vakuum beträgt und deren Frequenz bei ca. 0,1 bis 10 Tera-Hertz liegt. In dem Gerät tritt der Tera-Hertz-Impuls durch Schichten von elektrisch nicht leitendem Material auf einem metallischen oder nicht-metallischen Substrat hindurch, z. B. Farbschicht auf Kunststoff. Wird ein Tera-Hertz Lichtpuls auf ein aus verschiedenen Farbschichten aufgebautes Objekt emittiert, wird der Tera-Hertz Lichtpuls an jedem Schichtübergang mit unterschiedlichem Brechungsindex reflektiert (Fresnel-Reflektion) und man erhält einen reflektierten Tera-Hertz Lichtimpuls (Tera-Hertz Echopulslicht). Die unterschiedlichen Impulse und/oder Systemfunktionen werden aufgelöst, die Wellenformen analysiert und mit einem physikalischen Modell verglichen. Messungen bei verschiedenen Ausrichtungen der Polarisation der einfallenden Strahlung werden zusammen analysiert.
15 Polarisationsselektiver TDTS Aufbau
Das Gerät ist eine Verbesserung eines polarisationsselektiven TDTS Messsystems in einer Reflektionsgeometrie von Null Grad, siehe . Der Aufbau mit Null-Winkel wird präferiert (aufgrund besserer Ausrichtung der Probe), aber der Aufbau kann auch bei der Reflektionsgeometrie mit einem Nicht-Nullgrad-Winkel oder in Transmissionsgeometrie sowie bei anderen Winkeln erfolgen. Dieser einfache Aufbau für die Zeitbereichs-Tera-Hertz Spektroskopie (TDTS) arbeitet mit Freiraum- oder geführten Tera-Hertz Lichtpulsen unter Verwendung eines (fasergekoppelten) Femtosekundenlasers (31) und Emitters (262), z. B. eines großflächig beeinflussten, photoleitenden Schalters. Die Polarisation der abgegebenen Strahlung ist normalerweise nicht vollständig linear und daher kann die Strahlung zusätzlich mit einem Polarisator polarisiert werden (263). Die Tera-Hertz Impulse werden durch ein Linsenpaar (266a) und (266b) (Linsen aus Kunststoff oder anderem transparenten Material) einem Strahlteiler (264) auf die Probe (30) fokussiert. Der fokussierte Impuls interagiert mit der Probe (30) und ein erheblicher Teil der Strahlung wird zurückreflektiert. Diese zurückreflektierten Impulse werden mittels einer Linse gesammelt (266c) und auf den Detektor (267) geführt, z. B. auf einen optoelektrischen Kristall (z. B. ca. 1 mm dicke Zinkblende (Zinktellurid, ZnTe), wobei der Kristall eine korrekte kristallographische Orientierung aufweist [011]), um mit Hilfe der optischen Abtastung, einer Verzögerungsleitung (33) und einem Lock-in Analysator (269) erkannt zu werden (siehe 13). Die temporären Profile der elektrischen Amplitude des Tera-Hertz Impulses E(t) (auch Wellenform genannt), bei denen t die Verzögerungszeit in der Wellenform ist, werden mittels elektrooptischem Abtastkristall erkannt. Der Emitter und Detektor in diesem Aufbau sind polarisationsselektiv, d. h. die durch den Emitter abgegebene Strahlung wird polarisiert und der Detektor spricht lediglich auf eine bestimmte Polarisierung der Strahlung an. Beim Pump- wie auch beim optischen Abtastsstrahl kann es sich um nicht abgedeckte Strahlen im Freiraum handeln oder auch um fasergekoppelte Strahlen (268a), (268b). Ebenso ist es möglich, Parabolspiegel anstelle von Kunststofflinsen oder andere Transmissionslinsen zur Lenkung der Strahlung auf die Probenoberfläche zu verwenden. Verglichen mit diesem grundlegenden Aufbau wird empfohlen, zwei separate Emitter mit zueinander senkrechter Polarisation zu verwenden, was zu einer Verbesserung der Widerstandsfähigkeit (Stabilität) und Madularität führt, siehe 5.
16 Polarisator, polarisierende und nicht-polarisierende Strahlteiler
Ein Polarisator ist eine optische Komponente zur linearen Polarisierung der einfallenden Strahlung bei Reflektion oder Transmission, z. B. freistehende Drahtgitter-Palarisatoren oder Fresnel-Spiegel. Ein polarisierender Strahlteiler ist eine optische Komponente für die Aufspaltung der einfallenden Strahlung in zwei senkrecht polarisierte Strahlen bei Reflektion und/oder Transmission (vorzugsweise im 90° Winkel), z. B. freistehende Drahtgitter-Palarisatoren oder Wallaston-Prismen (Prismenpolarisator). Ein nicht-polarisierender Strahlteiler ist eine optische Komponente für die Aufteilung der einfallenden Strahlung in zwei Strahlen in Reflektion und/oder Transmission (vorzugsweise im 90° Winkel) ohne Beeinflussung ihrer Polarisation, z. B. einen Strahlteiler aus Silizium.
17 Polarisierungssensitiver TDTS Aufbau
Für die Auflösung des in der Ebene refraktiven Indexellipsoids auf der Probenoberfläche sind Stimulationen in mindestens zwei unterschiedlichen Polarisierungsrichtungen e₁ und e₂ erforderlich, wobei die Antwort in mindestens drei unterschiedlichen Polarisierungsrichtungen d_s1, d_s2, d_s3 erkannt werden muss. Die Parameter der Tera-Hertz Impulse (Spektralantwort im Frequenzbereich, Amplitudenantwort im Zeitbereich) sowie deren Polarisation (Rotations- und Phasenverschiebung sowie Rotation und Elliptizität) werden bei Reflektion oder Transmission einer Probe verändert.
Der einfache Aufbau emittiert und erkennt in nur einer Polarisation (siehe 15 und ) und ist in der Lage, die anisotropen Eigenschaften der Probe zu messen. Hierfür muss das Messgerät oder die Probe gedreht werden. Einige Proben sind zu grooß, um gedreht zu werden (Auto oder Flugzeug) und es ist zudem zeitaufwändig, das Messgerät zu drehen. Zudem müsste sichergestellt werden, dass die Messpositionen gleich wären. Generell müssen mindestens drei solcher polarisationsselektiven TDTS (jeder spricht auf eine andere Polarisation an) in eine Struktur eingeordnet werden, um einen auf der Probe befindlichen Punkt erfolgreich auszuwerten. In unserer Erfindung wird der polarisationsselektive TDTS Aufbau (siehe 15 und ) um weitere zwei (oder mehr) Tera-Hertz Emitter ergänzt, die unterschiedliche Polarisationen einer Strahlung (e₁ und e₂) abstrahlen. In einer anderen Aufbauversion kann die Erkennungseinheit um zwei und/oder weitere Tera-Hertz Emitter, die Polarisierungen in unterschiedlichen Winkeln und Richtungen (relativ zueinander) erkennen können, ergänzt werden. Die Hauptvorteile eines solchen Gerätes sind wie folgt (weitere siehe 5):

– Messen mit unterschiedlichen Emittern und Detektoren kann ohne Unterbrechung und Wechselwirkung erfolgen.
– Es wird nur ein Femtosekundenlaser benötigt: Der Pumpstrahl wird von einem Strahlteiler oder Schalter zu separaten Emittern geleitet
– Es wird nur eine Verzögerungsleitung benötigt: Der Abtaststrahl wird zur Erkennungseinheit bzw. -einheiten mittels Strahlteilungsvorrichtung oder Schalter verteilt

Dieser Aufbau wird in den nachfolgenden Abschnitten näher erläutert.
Die Polarisationsauflösung wird durch Verwendung von mindestens zwei Emittern (34a) (34b) gewährleistet, von denen jeder eine Tera-Hertz Strahlung mit unterschiedlicher Polarisation abgibt, siehe . In einem Beispiel verlaufen diese Polarisationen senkrecht zueinander und sind z. B. +45° und –45° zur vertikalen Ebene des Aufbaus ausgerichtet (andere Ausrichtung wie z. B. 0 und 90° ist ebenfalls gut). Die aus den Emittern kommende Strahlung wird durch den Aufbau zur Probenoberfläche (38) geführt. Die Führung und Kollimation erfolgt über Linsen (39a) (39b) und/oder Parabolspiegel, Polarisatoren und/oder polarisierende oder nicht-polarisierende Strahlteiler (40a) und/oder nicht-polarisierende Strahlteiler (41b), und zuletzt wird die Strahlung auf der Probenoberfläche mittels Linse fokussiert. Nach der Reflektion und/oder Transmission von den und/oder durch die Oberflächen einer vielschichtigen Probe (38) oder von einer und/oder durch eine anisotrope Probe wird die Strahlung in die polarisationssensitive Detektionseinheit geleitet.
Als Beispiel beschreiben wir die Erkennungseinheit, die aus drei individuellen polarisationsselektiven Detektoren (z. B. photoleitende Schalter) bestehen. Die Strahlung wird von verschiedenen, nicht polarisierenden (41a) (41b) und polarisierenden Strahlteilern (40c) sowie Analysatoren (40b) und Linsen (39e) (39f) (39g) auf die einzelnen Detektoren (35a) (35b) (35c) aufgeteilt. Für die Verteilung des Strahls werden nicht-polarisierende Strahlteiler verwendet, die aber den Polarisierungszustand der Tera-Hertz Strahlung beibehalten. Jeder der Detektoren spricht auf eine andere Polarisation an und ihre Ausrichtung ist 0°, 45° und 90° zur Vertikalebene des Aufbaus (–45°, 0° und +45° ist ebenfalls gut), (oder 0°, 60° und 120° ist ebenfalls hinreichend, wenn die Ineffizienz des Einsatzes von nicht-polarisierenden Strahlteilern im Hinblick auf Reflektionsverluste akzeptabel ist). Alle Detektoren können entweder als fasergekoppelte als auch freiraumgekoppelte photoleitende Schalter ausgeführt sein, wobei die elektrooptischen Detektoren aus nicht-linearen Kristallen (ZnTe, LiNbO₃ usw.) gefertigt sind oder andere, für Zeitbereichs-Terahertz-Impulse geeignete Detektoren verwendet werden (siehe 13).
Zudem können auch zwei normalisierende Detektoren (36a) (36b) mit zusätzlichen, fokussierenden Linsen (39h) (39c) zur Erkennung und Überwachung der abgegebenen Tera-Hertz Impulse in den Aufbau integriert werden (siehe ), um die detektierten Impulse zu normalisieren. Diese Normalisierungsdetektoren können zudem genau wie die anderen im Gerät vorhandenen Detektoren die Technik des optischen Abtastens nutzen. In diesem Fall kann man einen nicht-polarisierenden Strahlteiler anstelle eines polarisierenden Strahlteilers (40a) nutzen oder den Polarisationsstrahlteiler leicht verstellen, um beim Emitter (34a) gleichzeitig Reflektion und Transmission zu ermöglichen.
Der optische, vom Laser (31) abgesandte Strahl kann freiraumgeführt oder fasergekoppelt sein und von einem Strahlteiler (32a) in zwei Hauptzweige/-strahlen zerlegt werden: in den Pump- und den Abtaststrahl. Der Pumpstrahl wird durch eine Verzögerungsleitung (33) verzögert, um eine Erkennung mittels optischem Abtasten zu ermöglichen. Er wird ferner durch einen Strahlteiler (32b) in Strahlen für alle beteiligten Sender und/oder Dickenmessung von einem optischen Strahlengang aufgeteilt. Der Abtaststrahl wird vom Strahlteiler (32c) weiter in Strahlen für alle beteiligten Detektoren und/oder für die Kreuzkorrelationseinheit (37) aufgesplittet.
18 Anzahl der Emitter
Zur Bestimmung der Merkmale einer beliebigen anisotropen Probe reichen mindestens zwei polarisationsselektive Emitter aus (Ausrichtung 0 und 90°). Mehrere Emitter können im Aufbau direkt daneben gekoppelt werden, z. B. in 45° Ausrichtung oder mit unterschiedlicher Spektralantwort. Dies ähnelt einem Grundaufbau (mit einem Emitter und einem Detektor) mit einem Emitter-Detektor-Paar in drei oder mehreren Winkelausrichtungen. Der Zweck ist folgender: Die im Grundaufbau in verschiedenen Winkelausrichtungen der Probe verwendete Messanalyse und Auswertungsmethode kann innerhalb unseres Aufbaus für jede der Paarungen verwendet werden.
19 Verzögerungsleitungseinheit
Im Aufbau wird eine Verzögerungsleitungseinheit (33) verwendet. Er kann aus einer Verzögerungsleitung oder mehreren separaten und miteinander gekoppelten (207) (208) Verzögerungsleitungen bestehen. Das Zusammenkoppeln mehrerer Verzögerungsleitungen, die alle jeweils unterschiedliche Bewegungsgeschwindigkeiten oder Vibrationsmechanismen aufweisen, bietet den Vorteil, dass ein größerer Wirkbereich mit schneller Empfangsrate kombiniert wird. Dies erhöht die Geschwindigkeit der Datenerfassung bei der optischen Abtasttechnik. Die Verzögerungsleitung mit niedrigerer Bewegungsgeschwindigkeit und größerer Reichweite wird durch eine Verzögerungsleitung mit höherer Bewegungsgeschwindigkeit und niedrigerer Reichweite ergänzt.
Da jeder der Detektoren unterschiedlich weit von den Emittern entfernt ist, wird die Zeitverzögerungsstrecke durch eine geeignete Länge des Strahlwegs kompensiert, z. B. durch die Faserlänge. In einer anderen Version gewährleistet der Aufbau, dass das Zeitverzögerungsfenster vergrößert wird oder in verschiedene einzelne Zeitverzögerungsfenster aufgeteilt wird (mit einem Detektor für jedes Fenster). Grundsätzlich errechnet sich das gesamte Zeitverzögerungsfenster aus dem Zeitverzögerungsfenster für eine Zeitverzögerungsleitung multipliziert mit der Anzahl der Detektoren. Dies ist ggf. nützlich bei der Untersuchung von isotropen Werkstoffen (es liegt keine Abhängigkeit von der Eingangspolarisation vor) mit drei verschiedenen Detektoren oder von tiefen Proben mit drei hintereinander liegenden Detektoren für jedes Zeitfenster oder für die virtuelle Verlängerung des Verzögerungspfads mittels schneller und kurzer Verzögerungsleitung.
Die Verzögerungsleitung kann – je nachdem, was eine bessere Stabilität des optischen Strahls in Bezug auf die Mess- oder Emitterverfahren gewährleistet – im Pump- oder Abtastarm des optischen Strahls platziert werden. Es kann gezeigt werden, dass die Verzögerungsleitung mit photoleitendem Schalter im Pumpstrahl in der Lage ist, Tera-Hertz-Strahlen mit niedrigerer räumlicher Fluktuation zu erzeugen.
Die Verzögerungsleitung verfügt über ihr eigenes, relatives Positionskoordinatensystem (in einer Längsdimension), welches sich z. B. mittels linearer optischer Geber umsetzen lässt.
20 Festlegung eines Decklacks/einer Oberflächenvergütung mit optischem Impuls
Ein zusätzlicher optischer Impuls lässt sich zur Messung eines möglicherweise transparenten (durchsichtigen) Decklacks (Finish) am Produkt (falls zutreffend) mit dem optischen System verbinden. Die Messung mit separatem optischen Laserstrahl ermöglicht die Bestimmung der Merkmale einer solchen Beschichtung mit weitaus höherer Präzision aufgrund der kürzeren Dauer/Länge des Impulses (ca. 100 fs (Femtosekunden) andauernde optische Impulse im Vergleich zu 2 PS (Picosekunden) andauernde Tera-Hertz Impulse). Der separate Impuls erlaubt zudem die Messung des Abstands des Aufbaus von der Probenoberfläche. Dies kann wichtig sein, um einen bestimmten Abstand von der Probenoberfläche einzuhalten. Dieser optische Impuls wird mittels nicht-polarisierendem Polyethylen-Strahlteiler (42b) (Pellicle Strahlteiler, Polyethylen-Terephthalat(PET)-Folio) in das System gekoppelt. Er wandert durch den Strahlteiler (41b) und eine Linse (39d) zur Probe, wo er von der oberen Deckschicht und der unteren Schicht der Oberflächenvergütung reflektiert wird. Die reflektierten Impulse bewegen sich zurück und werden vom optischen System und dem Strahlteiler (42a) in die Kreuzkorrelationseinheit (37) umgelenkt. Dort wird/werden die Zeitverzögerung(en) der 2 oder mehr eingehenden reflektierten Impulse gemessen. Dann wird die Dicke der Oberflächenvergütung oder der Abstand der Probe mit einem ähnlichen Algorithmus bestimmt, welcher auch für die Ermittlung der Dicke mittels Tera-Hertz-Strahlung verwendet wird (siehe 30).
Wird der optische Laserimpuls für die Abstandsmessung von der Probenoberfläche zur Gerätekante verwendet, wird die Reflektion einer Polyesterfolie im System als Referenzimpuls genutzt. Der Abstand der beiden Impulse wird unter Verwendung einer Technik ermittelt, die der vorstehend beschriebenen Kreuzkorrelation sehr ähnlich ist.
Bei Proben mit isotropen Schichten und Verwendung von drei Detektoren in drei Abzweigungen des geteilten Tera-Hertz-Impulses kann der Aufbau so geändert werden, dass seine physikalische Verzögerungsleitung verlängert wird.
21 Alternative Source- und Samplingverfahren
Die elektrooptische Abtastmethode wird für die Bestimmung der Tera-Hertz-Impulse eingesetzt. Hierzu wird ein Teil des Strahls eines Femtosekundenlasers (31) mittels Verzögerungsleitung (33) verzögert. Für die Erkennung kann auch ein asynchrones optisches Abtastsystem (ASOPS) eingesetzt werden. Das System erfordert zwei Femtosekundenlaser, die beide eine leicht unterschiedliche Wiederholrate aufweisen: Eine dient der Emission und eine dem Abtasten. Der Abtaststrahl aus einem der Laser wird zur Erkennungseinheit geleitet oder in der üblichen Weise an die unterschiedlichen polarisierungsselektiven Detektoren weitergeleitet.
22 Alternatives Polarisationsschalten der Tera-Hertz-Impulse
Zum Umschalten der Polarisation der abgegebenen Tera-Hertz-Strahlung kann ein aktiver Polarisator verwendet werden, der die Polarisation der Strahlung mittels externer Stimulation auf einer Kristallstruktur (z. B. mit Hilfe eines riesigen magnetooptischen Faraday-Effektes auf einer HgTe-Schicht [19]) bewirkt.
23 Polarisationssensitive Erkennung mit Hilfe eines elektrooptischen Mehrfach-Abtastdetektors
In einer weiteren Anordnung kann die Erkennungseinheit auch aus aufeinander folgenden elektrooptischen Abtasteinheiten bestehen. In dieser Konfiguration werden die drei elektrooptischen Abtastkristalle aufeinander folgend platziert (siehe ). Die Tera-Hertz Strahlung mit einer ggf. elliptischen Polarisation wird mittels Linsen (80) (81b) (81c) auf jeden der elektrooptischen Kristalle geleitet (82a) (82b) (83c). Der Abtaststrahl (88) wird auf alle einzelnen Detektoren verteilt, damit eine zeitaufgelöste Erkennung durch die Strahlteiler (83a) (83b) (84a) (84b) (84d) und/oder Spiegel (85a) (85b) erfolgen kann. Um beste Bedingungen für die Abtastung in den Pockels-Zellen (den Kristalldetektoren für elektrooptisches Abtasten) herzustellen, muss die Polarisation des optischen Strahls angepasst werden. Für diese aktiven (87) oder passiven (86a) (86b) Polarisatoren können z. B. Polarisatoren, Lambda/4-Plättchen oder Lambda/2-Plättchen und/oder Pockels-Zellen verwendet werden. Der Strahl wird dann vom Tera-Hertz-Gang für die Erkennung mittels metallisiertem Spiegel, der für Tera-Hertz-Abgabe (84c) (84e) durchlässig ist und/oder mittels normalem Spiegel (85b), abgelenkt. Die Baugruppe für die optische Abtastung (89a) (89b) (89c) besteht aus einem Analysator (z. B. Viertel- und Halbwellenplatte oder Palarisator) und einem Prismenpolarisator, z. B. einem Wollaston-Prisma, welches den Abtaststrahl räumlich in zwei Strahlen mit senkrechter Polarisation (siehe 13) aufspaltet. Die polarisierten Strahlen werden dann von unterschiedlichen Dioden erkannt. Eine weitere Anordnung sieht vor, den Tera-Hertz-Strahl parallel auf jeden der elektrooptischen Kristalle (wie in vorgegeben) zu führen.
24 Takten des Signals und Lock-in Anordnung
Die abgegebene Tera-Hertz-Strahlung wird durch einen mechanischen oder optoelektrischen Zerhacker (206) (z. B. durch rotierende Flügel im optischen Strahl (bei Verwendung von elektrooptischer Abstrahlung)) oder durch ein periodisches Signal am Emitter (bei Verwendung von photoleitendem Schalter) getaktet. Die Taktfrequenz wird dann zur Separierung der nützlichen Signale mit Hilfe eines Lock-in-Verstärkers (217) verwendet, zu welchem die Signale vom Detektor geleitet werden. Der Emitter kann bei unterschiedlichen Frequenzen moduliert werden, um Übersprechsignale in der Anordnung zu vermeiden und man somit verschiedene Emittertypen einsetzen kann.
25 Schützen der elektromagnetischen Wellen, optischen Bauteile und Sicherheitsabschirmung
Die zwei Hauptgründe dafür, einen optischen Strahl entweder mit einer Schirmung oder einer Kammer zu schützen sind Gesundheitsschutz und Kontamination. Die Femtosekundenlaser mit ultrakurzen Pulsen zählen in der Regel zur Laserklasse II, III oder IV.
Entsprechend ist der optische Strahlweg zum Schutz des menschlichen Auges oder der Haut (bei Laserklasse IV) mit lichtundurchlässigem Material abzuschirmen. Der optische Strahl und die optischen Komponenten sind ebenfalls kontaminationsanfällig, d. h. gegen in der Luft vorhandene Staubpartikel. Daher muss der Laserstrahl ggf. in einer Faser oder in einer Kammer unter Schutzatmosphäre eingeschlossen werden (siehe 17).
Der Tera-Hertz-Strahl ist nicht gesundheitsschädlich für den Menschen und verursacht in den verwendeten Strahlungsintensitäten keine Schäden an menschlichem Gewebe. Tera-Hertz-Strahlung reagiert jedoch extrem empfindlich auf Luftfeuchtigkeit. Daher muss der Tera-Hertz-Strahl ggf. in einem geschlossenen Gehäuse oder in einer Spülkammer geschützt werden (siehe 17).
26 Ausrichtungskante
Das Gerät kann nach der letzten Linse, die vor der Probe (22) angeordnet ist, zusätzlich mit einem Ausrichtkragen bzw. einer Ausrichtungskante (21) ausgestattet werden, die das Positionieren des Geräts zur Probenoberfläche einfacher gestaltet. Dies ist insbesondere für das handgeführte Gerät (nicht mittels Positioniersystem (209) geführt) erforderlich. Die Ausrichtungskante (21) sorgt dafür, dass eine Probe mit ebener Oberfläche (24) in die Strahlauftreffstelle des erzeugten und konzentrierten Tera-Hertz-Strahles (23) positioniert wird. Die Ausrichtungskante ermöglicht es, die Probe (38) mit gekrümmter Oberfläche (26) in eine Position zu bringen, an der die Krümmung der Probenoberfläche übereinstimmt mit der des ausgerichteten Strahles. So wird eine Verformung des Pulses durch Reflektion an räumlich zueinander versetzen Punkten auf der Oberfläche vermieden (d. h. zeitverzögerte Reflektionspunkte). Die Form der Innenfläche der Ausrichtungskante ist entsprechend der Strahlform vorberechnet (z. B. bei einem Gauß-Strahl nullter Ordnung, siehe 27), um den verschiedenen Kreisflächen und/oder zylindrischen Flächen zu entsprechen. Die Ausrichtungskante kann kreis- oder zylindersymmetrisch für Kugel- oder Zylinderoberflächen sein. Eine weitere Funktion der Ausrichtungskante: Sie zentriert ein kreis- oder zylinderförmiges Objekt an der Auftreffachse des abgegebenen Strahls (siehe ).
27 Approximation des abgegebenen Tera-Hertz-Strahls an die Definition der Ausrichtungskantenform
Ein fokussierter Strahl lässt sich verschiedenartig approximieren. Wir haben als Beispiel einen fokussierten Tera-Hertz-Strahl mit Hilfe des Gauß-Strahls beschrieben. Bei einem Gauß-Strahl nullter Ordnung kann das komplexe elektrische Feld E(r, z) (die Amplitude E(r, z)) durch nachfolgende Gleichung [20] (Seite 90 und 91) beschrieben werden:
bei dem...

r: der Radialabstand von der Strahlmittelachse ist,
z: der Radialabstand vom schmalsten Abschnitt des Strahls (der ”Strahltaille”) ist,
i: die gedachte Einheit ist (für die i² = –1),
k: = 2π/λ die Wellenanzahl (als Radiant pro Meter) ist und
E₀: = |E(0, 0)|
w(z): ist der Radius, bei dem die Feldamplitude und Intensität bis auf 1/e bzw. 1/e² ihrer Axialwerte fallen,
w₀: = w(0) ist die Strahltaillengröße,
R(z): ist der Krümmungsradius der Wellenfront des Strahls und
ξ(z): ist die Phasenumschaltung, eine zusätzliche Funktion in der Phase, die man bei Gauß-Strahlen beobachten kann.

So wird die Krümmung R(z) eines solchen Strahls mittels einer einfachen Formel (siehe Gleichung 3) beschrieben, in der der Ursprung der z-Achse ohne Beschränkung der Allgemeingültigkeit so beschrieben wird, dass er mit der Strahltaille übereinstimmt und in der Z_R = πω₀ ²/λ als Rayleigh-Bereich bezeichnet wird. Z_R ist das Merkmal des gegebenen Strahls. Die Gleichung drückt aus, dass ein konzentrierter Strahl kreisförmige Wellenformen aufweist. Der Radius der Wellenformen hängt vom Abstand der Strahlauftreffstelle ab. Andere Strahlformen sind ebenfalls möglich.
28 Spülen mit definiertem Gas
Die Tera-Hertz-Strahlung wird durch Wasser [21] stark absorbiert, und der Fingerabdruck von Wasser lässt sich in Experimenten in einer Freiraumumgebung mit nicht vollständig trockener Luft [22] beobachten. Um die Auflösung, Sensitivität und Stabilität zu steigern, kann man den gesamten Aufbau daher auch mit einem nicht-invasiven Gas spülen, welches für Tera-Hertz-Strahlung transparent ist wie z. B. Stickstoff oder Luft mit bekanntem/vorgegebenem Feuchtegrad (trockene Luft oder Luft mit definierter Feuchte (228) (229)). Die Luftfeuchtigkeit lässt sich jedoch auch durch Einfahren entsprechender Sensoren (224) in die Kammern ermitteln. Der gesamte Messkopf wird mit Gas gespült, welches an der letzten Linse wieder aus der Vorrichtung austritt (22). Hier leitet die zylinderförmige (233) Ausrichtungskante den Gasfluss auf die Probenoberfläche, wodurch ein Tunnel entsteht, durch den das Gas aus der Vorrichtung austritt. Dieser Gasfluss sorgt dafür, dass die Linse sauber bleibt und/oder ein vorgegebener Abstand zur Probenoberfläche eingehalten wird. Hier wird ein laminarer Gasstrom bevorzugt, damit die Tera-Hertz-Strahlung und der optische Strahl nicht durch Turbulenzen beeinträchtigt werden. Das Gas tritt durch eine Öffnung für das Spülgas (25) in der Ausrichtungskante (21) (233) in den Tunnel ein. So ist der gesamte Tera-Hertz-Strahlengang mit dem definierten Spülgas gefüllt.
Zudem kann man den Bereich mit dem optischen Impuls mit Vakuum versehen (229), spülen oder mit trockener oder vorgegebener Atmosphäre/Gas (228) (229) abdichten. Das Gas strömt aus einem Drucktank (235), der Teil des Aufbaus ist. Den Gasdruck und -fluss in die Kammer des optischen Pfads und in den Messkopf regeln zwei voneinander unabhängige Ventile (234) (236). Der Messkopf kann wahlweise ebenfalls unter Vakuum (228) gesetzt werden, um die Messstabilität zu steigern.
29 Geräteaufbau
Das Gerät besteht aus einer elektrooptischen Steuereinheit (215) und einem Messkopf (222). Die beiden Einheiten sind durch die erforderlichen Netzwerkverbindungen (232) für Energiezufuhr und Datenanbindung angeschlossen (Anschlüsse X1_01 bis X2_04 in ).
Die Stromversorgung des Gerätes erfolgt über Netzanschluss mit genormtem Stromkabel (z. B. 230/400 V mit 50 Hz/60 Hz) (203) (204) und/oder Batterien oder nicht unterbrechbare Stromversorgung (201) und/oder Brennstoffzelle.
Der Strahlengang enthält ggf. einen Gitterstrecker (205) für zusätzliche Impulsformung, damit die durch den fasergekoppelten Strahlengang ausgelöste Streuung kompensiert wird, oder einen Zerhacker (206) mechanischer Natur oder ein System zum Takten elektrooptischer Impulse im Strahlengang. Hier können die elektrischen Signale bei den Emittern ebenfalls getaktet werden. Es ist zudem ein optionales Positioniersystem (209) für die laterale Bildgebung und Fingerabdruckanalyse von Proben möglich.
Ein Echtzeitsteuersystem (1) ist für die Datenerfassung und Steuerung anderer Komponenten zuständig. Es besteht aus zwei Hauptkomponenten: Einem Teil für die Erfassung und Steuerung des Datenflusses (211) und einem Teil für die Signalverarbeitung der Daten (213). Dock erfolgt die Datenerfassung (Signalerfassung) (214) und Berechnung der Ergebnisse (212). Der Algorithmus für die Berechnung der Ergebnisse wird unter Punkt 30 beschrieben. Der Teil für die Erfassung und Steuerung des Datenflusses (211) enthält ggf. einen Lock-in Verstärker (217), welcher die Messdaten (218) (219) (220) (221) erhält und speichert.
Der Messkopf (222) besteht aus der eigentlichen Messoptik (226) (nähere Angaben siehe ), einer Steuerelektronik (227) und Sensoren (z. B. einem Temperatursensor (224), einem Feuchtesensor). Der Messkopf verfügt über einen eigenen Schalter (225) oder über Schalter und Steuerdioden (223) und/oder eine Anzeigeeinheit für die Kommunikation mit dem Nutzer.
30 Algorithmus für die Beurteilung der Materialparameter
Der Algorithmus (212) für die Bewertung der gemessenen Wellenformen ist ein Teil des Echtzeit-Steuersystems (1). Mit den gesammelten Daten verteilt der Algorithmus (durch (214)) alle bedeutenden Signale (Komponenten (302) bis (309)) weiter. Er umfasst eine Analyse des Systems und dessen Antwort (Komponenten (310) bis (320)) sowie eine Auswertung der Eigenschaften der Probe (Komponenten (321) bis (330)). Zunächst werden alle Eingangsdaten (302)–(306) gelesen und gesammelt (durch (214)), d. h. die Signale aus der Tera-Hertz Detektoreinheit (oder den Detektoreinheiten) für einen Referenzwert (normalerweise ist dies eine Metallplatte) d_r1, d_r2, d_r3 (302) und für die Probe d_s1, d_s2, d_s3 (303), die Signale aus dem Normalisierungs-Tera-Hertz-Detektor (d_n1, d_n2) (305), die optischen Signale der Probe und darin entstehende Reflektionen (I₁) (304) sowie die Referenzsignale vom Laserstrahl (I_r1) (306). Die Signale werden auf Vollständigkeit überprüft, verglichen und normalisiert (307). Ein Satz normalisierter Mess- (308) und Referenzdaten (309) wird erstellt und weitergeleitet, um die Systemantwort zu berechnen.
Dort werden die Wellenformen der Probe (Messung) m(t) (308) und der Referenz r(t) (309) in den Frequenzbereich umgewandelt: m(t) -> M(f) (310), r(t) -> R(f) (311). Die Antwortfunktion des Systems G(f) (313) wird dann berechnet und entspricht G(f) = M(f)/R(f). Das System ist hier der Aufbau der Schichten, die mit dem Tera-Hertz Lichtpuls interagieren: die mehrschichtige Struktur und/oder das Substrat zusammen mit den unterschiedlichen Gaszuständen in der Kammer. Ein idealisierter Impuls g_i(t) (312) wird festgelegt (wird ebenfalls in den Frequenzbereich umgewandelt, g_i(t) -> G_i(f) (314)) und die idealisierte Antwortfunktion des Systems H_i(f) (316) und h_i(t) (317) wird so erstellt: h_i(t) ist eine Funktion aus G(t) und g_i(t), H_i(f) -> h_i(t) (315). Mit der idealisiert gemessenen Antwortfunktion des Systems (316) (317) und dem idealisierten Impuls (318) (319) (beide im Zeit- und Frequenzbereich) werden die unbekannten Parameter initialisiert (320). Unbekannte Parameter sind hier die Merkmale des Systems: die Schichtdicke (321), Materialeigenschaften der Schichten und des Substrates (322). Die Materialeigenschaften (Brechungsindices und Extinktionskoeffizient usw., siehe Punkt 3, Seite 4) werden mittels geeigneter Funktion (konstant und/oder linear und/oder quadratisch) parametrisiert. Diese Ursprungsparameter werden dann in den Anpassprozess eingegeben. Der Anpassprozess generiert eine modellhafte Systemantwort (324) mit Hilfe der Parameter und einem modellhaften elektromagnetischen Impuls entsprechend dem physikalischen Modell (323). Der Anpassprozess berechnet die Antwortfunktion des Modells im Frequenz- und/oder Zeitbereich. Die modellhafte Systemantwort wird dann mit der idealisierten Messantwortfunktion im Frequenz- und/oder Zeitbereich verglichen und die Abweichung der modellhaften Systemantwort aus der idealisierten gemessenen Antwortfunktion quantifiziert (325) und mit dem/den Schwellenwert(en) (326) verglichen. Ist eine Abweichung größer als der Schwellenwert (328), stellt das Anpassverfahren die Parameter (327) durch Verwendung einer geeigneten, nicht-linearen Optimierungstechnik in einer Schleife ein. Das Anpassverfahren ist beendet, wenn die quantifizierte Abweichung unterhalb einer vorgegebenen Schwelle (positive Antwort (329)) liegt (d. h. die Korrelation zwischen Modell und gemessener Antwort übersteigt eine vorgegebene Schwelle). Die Parameter der Multischichtstruktur und des Substrats (330) werden dann in den Datenspeicher übertragen oder dem Nutzer (210) im graphischen Anzeigefeld angezeigt.
31 Aussage zur Finanzförderung
Diese in diesem Antrag beschriebene Erfindung wurde mit Fördermitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF, Vertrags-Nr. 02PK2043) entwickelt. Ein Ergänzungsblatt ist beigefügt.
34 Erkennung der gesamten Polarisation der Tera-Hertz-Strahlung
In Abschnitt 13 (Polarisationsselektive und -sensitive Erkennung der Tera-Hertz-Strahlung) wird die Möglichkeit der Erkennung der gesamten Polarisation der Tera-Hertz-Strahlung durch die Verwendung eines elektrooptischen Kristalls in einer bestimmten Anordnung erwähnt (z. B. ein ZnTe-Kristall mit [111] Ausrichtung in seiner kristallographischen Achse, siehe , Seite 33). Dieses Verfahren zur Erkennung wird unter [23] beschrieben. Hier wird ein Lambda/2 Plättchen vor dem Prismenpolarisator (z. B. Wollaston-Prisma) zur Ausbalancierung der Differentialdioden verwendet. Ebenso kann ein anderer Phasenverzögerer (z. B. Lambda/4 Plättchen) verwendet werden. Zweck des Phasenverzögerers (175) ist, eine geregelte und kontinuierliche Phasenumschaltung und/oder Umkehrung der Polarisationsorientierung zur Ausbalancierung der Differentialdioden (179) (siehe , S. 31) zu erreichen. Die Differentialdioden werden vor der Messung ausbalanciert, wenn noch kein Tera-Hertz-Feld (elektrisches Feld) im Detektorkristall (173) (120) (82a) (82b) (82c) vorliegt. In unserem Fall bietet die Möglichkeit des Einsatzes eines Lambda/2 oder Lambda/4 Plättchens oder eines anderen Phasenverzögerers den Vorteil, dass die gleiche optische Sensoreinheit bei allen vorgeschlagenen Methoden verwendet werden kann: Bei den optischen Sensoreinheiten (123) (124), beim multidirektionalen elektrooptischen Abtasten (Abschnitt 13, Seite 10, , Seite 33) wie auch bei den optischen Sensoreinheiten) (89a) (89b) (89c) und beim elektrooptischen Abtasten mit multiplen elektrooptischen Kristallen (Abschnitt 23, Seite 15, , Seite 31).
35 Übereinstimmung der Krümmung der Probenoberfläche und der Amplitude des zurückgeworfenen Impulses
In Abschnitt 26 (Ausrichtungskante) auf Seite 16 des Originaldokuments wird die Feststellung der Eigenschaften von Beschichtungen an zylindrischen Proben oder an zylindrischen und/oder gekrümmten Proben beschrieben. Für eine solche Analyse sollte eine Kalibrierung und/oder Korrektur der zurückgeworfenen elektromagnetischen Impulse (und/oder insbesondere deren Amplitude) am Radius der gekrümmten Oberfläche erfolgen. Der Grund hierfür ist, dass die Krümmung der Probenoberfläche die Form des zurückgeworfenen elektromagnetischen Impulses stark beeinflussen kann. Als Beispiel beschreiben wir Messungen und Simulationen an sogenannten Zylinderproben wie z. B. an einer zylindrischen Probe (26) in , Seite 30. Zylindrische Proben mit verschiedenen Krümmungen werden für Messungen verwendet und Proben mit ähnlichen (jedoch auch anderen) Abmessungen werden mittels Finite-Elemente-Analyse simuliert. So glich auch die Frequenzverteilung des elektromagnetischen und in den Simulationen (421) verwendeten Impulses dem, der bei den Messungen (420) (siehe ) verwendet wurde. Eine Reflektion des elektromagnetischen Impulses von einer ebenen Metalloberfläche diente als Referenzmessung (424) und als Referenzsimulation. Daher liegen das Modell und die Messung im gleichen Maßstab, womit die Ergebnisse vergleichbar sind. (Alle Werte wurden auf die Referenzmessung normalisiert). Die Werte der Maximalamplitude sind in dargestellt: Die Ergebnisse der Simulationen (426) und der Messungen (425). Die Werte (426) der Simulationen wurden mittels Best-Fit Funktion (427) (einer modifizierten Bessel-Funktion erster Ordnung) inter- und extrapoliert:
wobei

r: = der Radius der zylindrischen Probe ist,
A: = Amplitude des zurückgeworfenen elektromagnetischen Impulses,
A₀: = der normalisierte Wert (424) der Reflektion auf einer ebenen Metallfläche,
k₁, k₂ und k₃: = Koeffizienten, die mittels Methode der kleinsten Quadrate geschätzt wurden: k₁ = (0,46 ± 0,01), k₂ = (0,52 ± 0,01) und k₃ = 0,00; X² ≈ 38.

Die Simulationen und Messungen zeigen eine starke Übereinstimmung zwischen der Krümmung der Probenoberfläche und der Amplitude des reflektierten Impulses (siehe Übereinstimmung (427) in ).
Durch Einführung einer Korrektur und/oder Kalibrierfunktion in die Analyse können sich folgende Vorteile ergeben:

• präzise Messung und Charakterisierung von zylindrischen und/oder kugelförmigen Proben und/oder Proben mit gekrümmter Oberfläche
• präzise Messung und Charakterisierung von dünnen Drahtproben mit Radien, deren Radien mit denen der verwendeten Wellenlänge vergleichbar oder kleiner sind als diese.

36 Abbildungen
: Prinzipschema des Aufbaus: Laser (7) gibt ultrakurze elektromagnetische Femtosekunden-Impulse im optischen oder nah-infraroten Frequenzbereich ab; Emissionseinheit (6) gibt elektromagnetische Picosekunden-Impulse im Tera-Hertz- und/oder fern-infraroten Frequenzbereich ab; Strahlungsführungsoptik für die Emissionseinheit (3a), die die Strahlung/Impulse auf die Probe (4) leiten und Strahlungsführungsoptik für die Erkennungseinheit (3b), die die Strahlung/Impulse zurück in die Erkennungseinheit (2) leiten. Die Signale werden in der Verarbeitungs- und Steuereinheit (1) gesteuert, verarbeitet und ausgewertet. Es wird eine Verzögerungsleitung für die Verzögerung der ultrakurzen, elektromagnetischen Femtosekunden-Impulse im optischen oder nah-infraroten Frequenzbereich (5) verwendet. Die Verzögerungsleitung (5) befindet sich vorzugsweise in der Abzweigung des Pumpstrahls (zwischen Laser- (7) und Emittereinheit (6), siehe Unterabbildung a) mit Text)), kann jedoch auch in der Abzweigung des Abtaststrahles positioniert werden (zwischen Laser- (7) und Detektoreinheit (2)) (siehe Unterabbildung b). Eine Übersicht des Transmissionsaufbaus ist in Unterabbildung c) dargestellt.
: Infrastruktur des vorgeschlagenen Gerätes mit internen Verbindungen. Unterabbildung ): Elektrooptische Einheit mit Messkopf und Ausrichtungskante für die Einstellung der Probe (ebene Form und/oder zylindrische und/oder andere Form), siehe . Unterabbildung ): Der Messkopf mit alternativer Ausrichtungskante, bei dem ein Luftstrom in Richtung der Probenoberfläche dafür sorgt, dass der Messkopf einen bestimmten Abstand von der Probenoberfläche beibehält.
: Der vorgeschlagene, polarisationssensitive TDTS Messaufbau in Null-Grad Reflektionsgeometrie. Der Strahl eines Femtosekundenoszillators/-lasers (31) wird zweifach aufgespalten: in den Pumpstrahl und den Abtaststrahl. Dies geschieht mittels Strahlteiler (32a).
: Querschnitt der Beschichtungsstruktur des Rotorblattes einer Windenergieanlage. Die Beschichtungen sind auf einer CFK-Matrix aufgebracht: Deckschicht (Finish) (60), Innenschicht (Grundierung) (61), Spachtelbeschichtung (dünn) (62), Spachtelfüllmasse (wahlweise) (63), Kohlenstofffasern in Epoxidmatrix (mit angeschliffener Oberfläche) (64).
: Schemaübersicht der Fasern in zwei Schichten in einer unidirektionalen FVK-Matrix in einem absoluten und relativen Koordinatensystem. Obere Schicht (Schicht 1) des FVKs (70), Innenschicht (Schicht 2) des FVKs (71). Konfiguration A (252): Die Polarisation der einfallenden Strahlung ist parallel zu den Fasern in der Deckschicht. Konfiguration B (253): Die Polarisation der einfallenden Strahlung ist senkrecht zu den Fasern in der Deckschicht.
: Faser-Einbettung (401) in eine Kunststoffmatrix (400)
: Faserstrukturen und Gewebearten: (402) – unidirektionale Gewebestrukturen, (403) – bidirektionale Gewebestrukturen, (404) – quasi-isotrope Struktur, (405) – teilweise kettverstärkt, (406) – Leinwandgewebe (Taft) (Leinwandbindung), (407) – Köperbindung (Kreuzköper) (Köperbindung), (408) – Atlasbindung (engl.: Satin) (eine Art Atlasgewebebindung).
: Messung einer CFK Probe in zwei Polarisationskonfigurationen der Strahlung und Faserrichtungen. Bei Konfiguration A (Übersicht in (252) und Ergebnisse der Messung in Unterabbildung ) verliefen die Fasern in der Deckschicht (Schicht 1 (70), ) parallel zur einfallenden Polarisation und die Oberfläche reflektierte den Großteil der Strahlung (Impuls bei 0 ps). Die von der darunterliegenden Schicht reflektierte Strahlung (Schicht 2 (71), ) war nicht erkennbar. Bei Konfiguration B (Übersicht in (253) und Ergebnisse der Messung in Unterabbildung 8b) verliefen die Fasern in der Deckschicht senkrecht zur einfallenden Polarisation und die Oberfläche reflektierte weniger (kleinerer Impuls bei 0 ps). Die von der darunterliegenden Schicht reflektierte Strahlung kann jetzt als Impuls bei ca. 3 ps erkannt werden.
: Ein Foto des sichtbaren Bereichs (a), ein xy-Rasterbild im Tera-Hertz Licht (b) und Schemaabbildung (c) einer bidirektionalen CFK Probe in K2/2 Köperbindung. In der Übersicht in Unterabbildung d) werden reflektierte Wellenformen an drei unterschiedlichen Stellen (P₁, P₂, P₃) abgebildet. Die Positionen wurden zur Darstellung der auf der CFK-Probenoberfläche unterschiedlich verlaufenden Strukturen gewählt (siehe Unterabbildung c). An Position P₁ (weißer Bereich) verlaufen die Fasern parallel zur einfallenden Polarisation und reflektieren den Großteil der Strahlung. An Position P₂ (grauer Bereich) verlaufen die Fasern senkrecht zur Polarisation der einfallenden Strahlung, übermitteln einen Teil der Strahlung und reflektieren sie teilweise (aufgrund der nicht perfekten Unidirektionalität). An Position P₃ (schwarzer Bereich) sind Fasern mit mehreren Richtungen gemischt, in der Struktur sieht man eine Einkerbung oder einen anderen Defekt, der die Strahlung umlenkt, streut oder abschwächt. An diesen Positionen können Fäden mit mehreren Richtungen vorliegen und die Tiefenauflösung der Oberfläche kann über eine nachfolgende Datenanalyse ermittelt werden (wie bei der multivariaten Analyse oder der Singularwertzerlegung). Daher ergeben sich aus den Signalen aus einem derart gemischten Bereich wichtige Merkmale für den Fingerabdruck.
: Die Ellipsen der Brechungsindices auf der Oberfläche einer anisotropen Probe. Die Ellipse kann durch ihre Hauptachsen n₁, n₂, den Rotationswinkel Φ oder durch drei auf ihrer Umrisslinie liegende Punkte (d_s1, d_s2, d_s3) (303) beschrieben werden. Die drei auf der Umrisslinie liegenden Punkte werden mittels dreier Detektoren erkannt. Das Licht wird von zwei Emittern (e₁, e₂) oder wahlweise auch von einem anderen Emitter (e₃) abgestrahlt, um die Empfindlichkeit noch zu verstärken. Die Pfeile bezeichnen die Polarisation der von den Emittern abgegebenen Strahlung bzw. weisen auf die Strahlung hin, auf die die Emitter empfindlich reagieren.
: Ein einfacher polarisierungsselektiver TDTS Messaufbau in senkrechter (Null Grad) Reflektionsgeometrie. Der Emitter und der Detektor sind beide polarisationsselektiv. Daher erhält man nur dann Daten über einen kompletten Brechungsindex Ellipsoiden, wenn man die Probe in zwei oder mehrere Winkelpositionen bringt.
: Ausrichtungskante, mit der die Probenoberfläche im fokussierten Strahl ausgerichtet werden kann. a) Die Ausrichtungskante (21) mit flacher oder zylindrischer Probe (Plättchen oder Stab) (24). b) Ausrichtungskante mit Probe mit gekrümmter Oberfläche (26), Reflektion im Fokus: Planare Wellenfront wird in einem weiten räumlichen Winkel reflektiert. c) Ausrichtungskante mit Probe mit gekrümmter Oberfläche, Reflektion an der Wellenfront: Alle Teile des Pulsstrahls werden im gleichen zeitlichen Verzug reflektiert. d) Ausrichtungskante mit falsch ausgerichteter Probe. Die Reflektion ist aufgrund der falsch ausgerichteten Probe nicht zum System zurückgeführt. Die Ausrichtungskante kann bei kugelförmigen Proben zylindersymmetrisch (Unterbild a) und Unterbild e)) sein. Die Ausrichtungskante kann bei zylindrischen Proben (Unterbild a) und Unterbild f)) in zwei Ebenen symmetrisch sein.
: Elektrooptische Abtastung mit mehreren, nacheinander geschalteten elektrooptischen Kristallen (Pockels-Zellen). Der Tera-Hertz-Strahl wird neu fokussiert, um die Erkennung im nächsten Kristall zu verbessern. Jeder Satz elektrooptischer Kristalle und optischer Detektoren (Lambda/4 oder Lambda/2-Plättchen, Prismenpolarisator und Differentialdioden) wird verdreht, um die gewünschte Erkennungspolarisation zu erzielen (d_s1, d_s2, d_s3, z. B. 0°, 45° und 90°). Der optische Impuls wird geteilt und aktiv oder passiv polarisiert, damit die Position der optischen Achse im elektrooptischen Kristall auch übereinstimmt. Eine Pockels-Zelle dient als aktiver Polarisator und ein Lambda/2-Plättchen und/oder Drahtgitterpolarisator werden als passive Polarisatoren genutzt.
: Schemaabbildung des elektrooptischen Abtastens: Die Polarisation eines optischen Impulses (170) wird aufgrund der Doppelbrechung (174), die im elektrooptischen Kristall (173) in einem elektrischen (Tera-Hertz) Feld (171 der Amplitude E erzeugt wird, proportional zum Wert des Feldes modifiziert. Das Abbilden der resultierenden Unterschiede in der Intensität (Darstellung der Elliptizität (176) (178)) mit Hilfe eines Paares ausbalancierter Photodioden (179) im Hinblick auf die relative Verzögerungszeit ergibt ein Signal, welches proportional zum Tera-Hertz-Feld verläuft.
: Algorithmus der Bewertung der Messung eines Einschicht- oder Mehrschichtsystems.
: Schemaabbildung einer multidirektionalen, elektrooptischen Erkennungseinheit: Die Polarisation der linear polarisierten Abtaststrahlen (88) wird an einem aktiven oder passiven Polarisator eingestellt (um eine elliptische oder spezielle lineare Polarisation zu erzeugen). Der Strahl wird dann durch einen Spiegel, der für Tera-Hertz-Strahlung durchlässig ist (84a), in einen elektrooptischen Kristall mit spezieller kristallographischer Ausrichtung (z. B. [111]) geleitet. Der elliptische Tera-Hertz-Strahl interagiert mit dem Kristall, verändert dessen Materialeigenschaften und sie beeinflussen den elliptischen optischen Strahl. Danach wird der Strahl durch einen nicht-polarisierenden Strahlteiler (122) in zwei separate optische Sensoreinheiten aufgeteilt (123) (124).

: Vergleich der Reflektionen von zylindrischen Oberflächen mittels Messung und Simulation. Die Amplitude der Spektralverteilung (422) in gegebenen Einheiten über die Frequenz (423) in THz wird in Unterabbildung a) dargestellt. Hier wird die Spektralverteilung der einfallenden elektromagnetischen Impulse in Messungen (420) und Simulationen (421) verglichen. Die Amplitude (429) des reflektierten elektromagnetischen Impulses in gegebenen Einheiten über den Radius (428) der zylindrischen Probe in mm wird in Unterabbildung b) dargestellt. Die Amplituden des elektromagnetischen Impulses werden hier von einer gekrümmten Oberfläche reflektiert und für die Messungen (425), Simulationen (426) sowie eine Best-Fit Funktion (427) über den Radius (428) der zylindrischen Probe dargestellt. Die Ergebnisse werden auf den Wert (424) der Referenzmessung auf einer ebenen Metalloberfläche normalisiert. Hierzu wurde eine ebene metallische Fläche simuliert und als Referenz gemessen. Bauteile und Beschreibungen

Bauteil	Bauteil für Sortierung	Beschreibung	Abbildung
1	1	Verarbeitungs- und Steuereinheit (z. B. Echtzeit-System)	2
1	1	Verarbeitungs- und Steuereinheit (z. B. Echtzeit-System)	1
2	2	Detektoreinheit	1
3b	3b	Führungsoptik von der Probe	1
3a	3a	Führungsoptik zur Probe	1
4	4	Probe	1
5	5	Verzögerungsleitung	1
6	6	Emissionseinheit	1
7	7	Laser	1
21	21	Ausrichtungskante	12
21	21	optionale Kavität bzw. Passrand (Passfassung)	2
22	22	Linse vor der Probe	12
23	23	Konzentrierter Strahl	12
24	24	Probe mit planarer Oberfläche	12
25	25	Eintritt Spülgas	12
26	26	Probe mit gekrümmter/zylindrischer Oberfläche	12
30	30	Probe	11
31	31	von Femtosekundenlaser, z. B. Abstrahlung bei ca. 780 nm oder 1560 nm	11
31	31	von Femtosekundenlaser, z. B. Abstrahlung bei ca. 780 nm oder 1560 nm	3
31	31	Femtosekunden-LASER	2
32c	32c	Strahlteiler	3
32b	32b	Strahlteiler	3
32a	32a	Strahlteiler	3
32a	32a	Strahlteiler (nicht-polarisierend, optisch- oder faserbasiert)	2
33	33	Phase Verzögerungsleitung	11
33	33	Verzögerungsleitungseinheit	3
34b	34b	Tera-Hertz Emitter	3
34a	34a	Tera-Hertz Emitter	3
35c	35c	polarisationssensitiver Detektor	3
35b	35b	polarisationssensitiver Detektor	3
35a	35a	polarisationssensitiver Detektor	3
36b	36b	Normalisierungsdetektor	3
36a	36a	Normalisierungsdetektor	3
37	37	Kreuzkorrelationseinheit	3
38	38	Probe	3
38	38	Probe	2
39h	39h	Linse	3
39g	39g	Linse	3
39f	39f	Linse	3
39e	39e	Linse	3
39d	39d	Linse	3
39c	39c	Linse	3
39b	39b	Linse	3
39a	39a	Linse	3
40c	40c	Polarisierender Strahlteiler	3
40b	40b	Polarisierender Strahlteiler	3
40a	40a	Polarisierender Strahlteiler	3
41b	41b	Nicht-polarisierender Strahlteiler	3
41a	41a	Nicht-polarisierender Strahlteiler	3
42b	42b	Strahlteiler für optischen Strahl	3
42a	42a	Strahlteiler für optischen Strahl	3
50	50	Polarisationssensitive Detektoreinheit	3
60	60	Deckschicht (Finish)	4
61	61	Innenschicht (Grundierung)	4
62	62	Spachtelbeschichtung (dünn)	4
63	63	Füllmasse (optional)	4
64	64	Kohlenstofffasern in Epoxidmatrix (mit angeschliffener Oberfläche)	4
70	70	Deckschicht (Schicht 1) des FVK	5
71	71	unterste Schicht (Schicht 2) des FVK	5
80	80	Linse vor dem elektrooptischen Kristall 1	13
81c	81c	Linse vordem elektrooptischen Kristall 3	13
81b	81b	Linse vor dem elektrooptischen Kristall 2	13
82a	82a	elektrooptischer Kristall 1	13
83b	82b	PET Strahlteiler 50/50 2	13
83a	83a	PET Strahlteiler 50/50 1	13
84e	84e	optischer Spiegel 5, transparent für Tera-Hertz-Strahlung, z. B. PET Folie, wahlweise metallisiert	13
84d	84d	optischer Spiegel 4, transparent für Tera-Hertz-Strahlung, z. B. PET Folie, wahlweise metallisiert	13
84c	84c	optischer Spiegel 3, transparent für Tera-Hertz-Strahlung, z. B. PET Folie, wahlweise metallisiert	13
84b	84b	optischer Spiegel 2, transparent für Tera-Hertz-Strahlung, z. B. PET Folie, wahlweise metallisiert	13
84a	84a	optischer Spiegel 1, transparent für Tera-Hertz-Strahlung, z. B. PET Folie, wahlweise metallisiert	13
85b	85b	optischer Spiegel	13
85a	85a	optischer Spiegel	13
86b	86b	passiver Polarisator, Lambda/4 oder Lambda/2 Plättchen	13
86a	86a	passiver Polarisator, Lambda/4 oder Lambda-/2 Plättchen	13
87	87	aktiver oder passiver Polarisator, Pockels-Zelle	13
88	88	Abtaststrahl	13
89c	89c	zum optischen Detektor 3: Lambda/4 oder Lambda/2 Plättchen, Wollaston-Prisma und Differentialdioden	13
89b	89b	zum optischen Detektor 2: Lambda/4 oder Lambda/2 Plättchen, Wollaston-Prisma und Differentialdioden	13
89a	89a	zum optischen Detektor 1: Lambda/4 oder Lambda-/2 Plättchen, Wollaston-Prisma und Differentialdioden	13
100	100	elektrisches Feld in beliebigen Einheiten	8
101	101	Zeitverzögerung in Picosekunden	8
102c	102c	Messung 3 an CFK Probe	8
102b	102b	Messung 2 an CFK Probe	8
102a	102a	Messung 1 an CFK Probe	8
102c	102c	Messung 6 an CFK Probe	8
102b	102b	Messung 5 an CFK Probe	8
102a	102a	Messung 4 an CFK Probe	8
120	120	elektrooptischer ZnTe Kristall in [111] Orientierung seiner kristallographischen Achsen	16
121	121	aktiver oder passiver Polarisator	16
122	122	nicht-polarisierender Strahlteiler	16
123	123	zum optischen Detektor 1: Lambda/4 oder Lambda/2 Plättchen, Wollaston-Prisma und Differentialdioden	16
124	124	zum optischen Detektor 2: Lambda/4 oder Lambda/2 Plättchen, Wollaston-Prisma und Differentialdioden	16
150	150	Breite k in mm	9
151	151	Breite y in mm	9
152	152	Wert der Amplitude (elektrisches Feld)	9
153	153	Polarisation der einfallenden Strahlung	9
154	154	Beispiel-Wellenform aus Bereich mit Deckschichtfasern parallel zur Polarisation (Position P1)	9
155	155	Beispiel-Wellenform aus Bereich mit Deckschichtfasern senkrecht zur Polarisation (Position P2)	9
156	156	Beispiel-Wellenform aus transienten Oder Mischbereichen (Position P3)	9
157	157	Zeitverzögerung in Picosekunden	9
158	158	elektrisches Feld (Amplitude) in beliebigen Einheiten	9
159	159	Abstand der Fäden	9
170	170	Optischer Abtastpuls	14
171	171	Tera-Hertz Impuls	14
172	172	Lineare Polarisation	14
173	173	elektrooptischer Kristall	14
174	174	induzierte optische Achse	14
175	175	Lambda/4 Plättchen	14
176	176	elliptische Polarisation	14
177	177	Wollaston-Prisma	14
178	178	senkrecht polarisierte Strahlen	14
179	179	Differentialphotodioden	14
201	201	Unterbrechungsfreie Stromversorgung (USV)	2
203	203	Netzteil	2
204	204	Versorgungsspannung	2
205	205	Impuls-Konditionierung (Gitterstrecker)	2
206	206	Chopper	2
207	207	Verzögerungsleitung 01	2
208	208	Verzögerungsleitung 02	2
209	209	zusätzliche Schnittstelle z. B. xy-Positioniereinheit	2
210	210	Personal-Computer: Mess-, Steuer-, Auswertungs- und Anzeige-Einheit	2
211	211	Steuerung	2
212	212	Parameterbestimmung	2
213	213	Signalverarbeitung	2
214	214	Signalerfassung	2
215	215	Elektro-optische Einheit	2
217	217	Lock-In Verstärker	2
218	218	Referenz Out/In	2
219	219	Messsignal	2
220	220	Sensor- und Anzeigesignale	2
221	221	Schaltersignale	2
222	222	Messkopf	2
223	223	Anzeigen	2
224	224	Temperatur-Sensoren	2
225	225	Schalter	2
226	226	Messkopf-Optik (MKO)	2
227	227	Elektronik	2
228	228	trockenes/definiertes Gas/Vakuum	2
229	229	trockenes/definiertes Gas	2
232	232	Anschlussterminal	2
233	233	optionale Kavität	2
234	234	Ventil für Kammer des optischen Strahls	2
235	235	Gasbehälter	2
236	236	Ventil für die Messkopfkammer	2
252	252	Konfiguration A: Polarisation parallel zu den Deckfasern	5
253	253	Konfiguration B Polarisation senkrecht zu Deckfasern	5
262	262	Tera-Hertz-Emitter	11
263	263	Polarisator	11
264	264	Strahlteiler	11
266c	266c	Kunststofflinse	11
266b	266b	Kunststofflinse	11
266a	266a	Kunststofflinse	11
267	267	Tera-Hertz Detektor mit polarisationssensitiver Erkennung	11
268b	268b	Fasern	11
268a	268a	Fasern	11
269	269	zum analogen Lock-In Analysatorsystem und zum PC	11
300	300	Start	15
301	301	Lesen und Erfassen von Datensignalen von der Detektoreinheit bzw. vom Detektor	15
302	302	Einheiten bei Messung einer Referenzprobe (üblich: Metallplatte): dr₁, dr₂, dr₃ Signale von der Detektoreinheit bzw. vom Detektor	15
303	303	Einheiten bei der Messung einer Probe: ds₁, ds₂, ds₃	15
304	304	Probensignal(e) vom Laserstrahl: I₁	15
305	305	Signal vom Normalisierungsdetektor: dn₁, dn₂	15
306	306	Referenzsignal(e) vom Laserstrahl: Ir₁	15
307	307	Datensteuerung, -normalisierung und -vergleich	15
308	308	normalisierte Messsignale	15
309	309	normalisierte Referenzsignale	15
310	310	m(t) -> M(f)	15
311	311	ref(t) -> Ref(t)	15
312	312	Definition eines idealisierten Impulses: gi(t)	15
313	313	Systemfunktion: G(f) = M(f)/Ref(f)	15
314	314	gi(t) -> Gi(f)	15
315	315	Hi(t) -> hi(f)	15
316	316	Erzeugen einer idealisierten Messsystemantwort: Hi(f)	15
317	317	hi(t)	15
318	318	Gi(f)	15
319	319	idealisierter Impuls: gi(t)	15
320	320	Schätzung der Initialparameter	15
321	321	Beschichtungsdicken	15
322	322	Materialparameter	15
323	323	physikalisches Modell	15
324	324	Modellsystemantwort	15
325	325	Quantifizierung der Abweichung	15
326	326	Vergleich der Abweichung vom Schwellenwert	15
327	327	Parameteroptimierung	15
328	328	Abweichung > Schwellenwert (Nein)	15
329	329	Abweichung < Schwellenwert (Ja)	15
330	330	Ausgabe der Beschichtungsdicken	15
400	400	Kunststoff-matrix	6
401	401	Kohlenstoff-faser	6
402	402	unidirektionale Gewebestrukturen	7
403	403	bidirektionale Gewebestrukturen	7
404	404	quasi-isotrope Struktur	7
405	405	teilweise kettverstärkt	7
406	406	Leinwandgewebe (Taft) (Leinwandstruktur)	7
407	407	Köperbindung (Kreuzköper) (Köperbindung)	7
408	408	Atlasbindung (Atlas) (Atlasbindung)	7
420	420	Frequenzspektrum des elektromagnetischen Impulses bei den Messungen	17
421	421	Frequenzspektrum des elektromagnetischen Impulses bei den Simulationen	17
422	422	Amplitude/beliebige Einheiten	17
423	423	Frequenz/THz Reflektion von einer ebenen Probe – Metallreferenz	17
424	424	Platte (normalisierte Werte) – gemessen und simuliert	17
425	425	Werte extrahiert aus den Messungen	17
426	426	Werte extrahiert aus den Simulationen	17
427	427	Best-Fit Funktion	17
428	428	Zylinderradius/mm	17
429	429	Maximale Amplitude 1 beliebige Einheiten	17

Claims

Verfahren zur Bestimmung von Material-Eigenschaften einer beschichteten oder unbeschichteten Substrat-Probe im elektromagnetischen Tera-Hertz-Frequenzspektrum, insbesondere von einer mit wenigstens einer Schicht beschichteten, bevorzugt faserverstärkten Substrat-Probe, dadurch gekennzeichnet, dass die Substrat-Probe mit wenigstens zwei sich kollinear ausbreitenden von wenigstens zwei Tera-Hertz-Emittern erzeugten Tera-Hertz-Lichtpulsen unterschiedlicher Polarisation, insbesondere mit gleichem Strahlquerschnitt beleuchtet wird und die von der Substrat-Probe reflektierten und/oder durch die Substrat-Probe transmittierten Tera-Herz-Lichtpulse hinsichtlich der Intensität und/oder elektrischen Feldstärke in wenigstens zwei, bevorzugt drei verschiedenen Polarisationsrichtungen zeitaufgelöst vermessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitaufgelöstes Vermessen durchgeführt wird durch optisches Sampling wenigstens eines von den reflektierten/transmittierten Tera-Hertz-Lichtpulsen beleuchteten Tera-Hertz-Detektors mit einem Sampling-Lichtpuls, insbesondere wobei wenigstens ein elektro-optischer Kristall oder eine der Anzahl der zu vermessenden Polarisationsrichtungen entsprechende Anzahl von photoleitenden Schaltern durch die reflektierten/transmittierten Tera-Hertz-Lichtpulse und den Sampling-Lichtpuls beleuchtet werden, wobei der Sampling-Lichtpuls durch Strahlteilung von einem Pumplichtpuls, insbesondere Femtosekunden-Pumplichtpuls abgeteilt wird, mit dem die Tera-Hertz-Emitter zeitgleich oder zeitlich abwechselnd gepumpt werden.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus den die Intensität und/oder elektrische Feldstärke repräsentierenden Messwerten zu den wenigstens zwei verschiedenen Polarisationsrichtungen des wenigstens einen Tera-Hertz-Detektors durch eine Auswerteeinheit die Orientierung wenigstens einer verstärkenden Faserlage in der Substratprobe berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit einem vom Pumplichtpuls durch Strahlteilung abgeteilten Meßlichtpuls, mit dem kollinear zu den Tera-Hertz-Lichtpulsen die Substrat-Probe beleuchtet wird, die Dicke wenigstens einer bei der Wellenlänge des Meßlichpulses transparenten oder durchlässigen Schicht der Substrat-Probe vermessen wird durch Ausmessung des zeitlichen Abstandes zwischen den an der Front- und Rückseite der wenigstens einen Schicht reflektierten Pulse und/oder der Abstand der Substrat-Probe zu einem Referenzelement vermessen wird durch Ausmessung des zeitlichen Abstandes zwischen den an dem Referenzelement und der Front- oder Rückseite der Schicht reflektierten Pulse, insbesondere durch Kreuz-Korrelation.
Vorrichtung zur Bestimmung von Material-Eigenschaften einer beschichteten oder unbeschichteten Substrat-Probe im elektromagnetischen Tera-Hertz-Frequenzbereich, insbesondere von einer beschichteten faserverstärkten Substrat-Probe, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Elemente umfasst: a. wenigstens einen gepulst betriebenen Laser, insbesondere Femtosekunden-Laser zur Erzeugung von Pumplichtpulsen und Sampling-Lichtpulsen, insbesondere durch Strahlteilung aus den Pumplichtpulsen abgeteilte Sampling-Lichtpulse und b. wenigstens zwei von den Pumplichtpulsen optisch gepumpte Tera-Herz-Emitter aufweist, mit denen Tera-Hertz-Lichtpulse wenigstens von zwei unterschiedlichen Polarisationsrichtungen erzeugbar sind und c. einen ersten optischen Strahlengang mit optischen Komponenten aufweist, mittels denen die Tera-Hertz-Lichtpulse kollinear auf einer Substrat-Probe überlagerbar sind und d. einen zweiten Strahlengang aufweist, mit dem von einer Substrat-Probe reflektierte und/oder durch die Substrat-Probe transmittierte Tera-Hertz-Lichtpulse wenigstens einem durch die Sampling-Lichtpulse optisch gesampelten, die Tera-Hertz-Lichtpulse in wenigstens zwei, bevorzugt drei verschiedenen Polarisationsrichtungen erfassenden Tera-Hertz-Detektor zuleitbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Strahlengang, die wenigstens zwei Tera-Hertz-Emitter und der wenigstens eine Tera-Hertz-Detektor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei der erste Strahlengang durch eine Gehäuseöffnung führt, vor der eine Substrat-Probe positionierbar ist, insbesondere an einem Ausrichtungselement.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte Gehäuse durch ein für Strahlung im Tera-Hertz-Frequenzbereich transparentes Gas gespült ist, welches durch die Gehäuseöffnung, insbesondere durch dessen Ausrichtungselement entweicht.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie, insbesondere innerhalb des Gehäuses einen Strahlteiler aufweist, mit dem für jeden Tera-Hertz-Emitter jeweilige Pumplichtpulse erzeugbar sind, insbesondere wobei die Lichtwege der Pumplichtpulse vom Strahlteiler zu den jeweiligen Tera-Hertz-Emittern die gleiche Länge aufweisen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie zu jedem Tera-Hertz-Emitter einen normalisierenden Detektor aufweist, mit dem die Intensität der von dem jeweiligen Tera-Hertz-Emittern erzeugten Tera-Hertz-Lichtpulse messbar ist, insbesondere zum Zweck der Normierung der Tera-Hertz-Lichtpulse der verschiedenen Emitter.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Auswerteeinheit umfasst zur Erfassung der polarisationsrichtungsabhängigen Messwerte des wenigstens einen Tera-Hertz-Detektors, insbesondere wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, in Abhängigkeit der Messwerte zumindest die Orientierung einer verstärkenden Faserlage einer Substrat-Probe zu bestimmen.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Strahlteiler, insbesondere die den Tera-Hertz-Emittern und/oder Tera-Hertz-Detektoren vorgelagerten Strahlteiler als passive Strahlteilerelemente ausgebildet sind oder als aktive Schalter mit denen der Strahlengang in Abhängigkeit einer Ansteuerung umschaltbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Strahlengang als mehrere Tera-Hertz-Detektoren mehrere, insbesondere wenigstens zwei, bevorzugt drei elektrooptische Kristalle vorgesehen sind mit unterschiedlicher Kristallorientierung und/oder unterschiedlicher Orientierung der kristallografischen Achsen, insbesondere zur Erzielung einer unterschiedlichen Sensitivität für die unterschiedlichen Polarisationen der einfallenden Tera-Hertz-Lichtpulse.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Tera-Hertz-Detektoren zeitlich nacheinander von einem jeweiligen Tera-Hertz-Lichtpuls beaufschlagt sind, insbesondere durch räumlich im zweiten Strahlengang aufeinanderfolgende Strahlteilung vor einem jeweiligen Tera-Hertz-Detektor.