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WO2012167907A1 - Vorrichtung und verfahren zur bestimmung von material-eigenschaften einer substrat-probe im tera-hertz-frequenzspektrum - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zur bestimmung von material-eigenschaften einer substrat-probe im tera-hertz-frequenzspektrum Download PDF

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WO2012167907A1
WO2012167907A1 PCT/EP2012/002376 EP2012002376W WO2012167907A1 WO 2012167907 A1 WO2012167907 A1 WO 2012167907A1 EP 2012002376 W EP2012002376 W EP 2012002376W WO 2012167907 A1 WO2012167907 A1 WO 2012167907A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
tera
hertz
light pulses
substrate sample
polarization
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2012/002376
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English (en)
French (fr)
Inventor
Milan Berta
Volker Feige
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Automation Dr Nix GmbH and Co KG
Original Assignee
Automation Dr Nix GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Automation Dr Nix GmbH and Co KG filed Critical Automation Dr Nix GmbH and Co KG
Priority to EP12730793.2A priority Critical patent/EP2718692A1/de
Publication of WO2012167907A1 publication Critical patent/WO2012167907A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/21—Polarisation-affecting properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3563—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light for analysing solids; Preparation of samples therefor
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    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
    • G01N21/3586—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation by Terahertz time domain spectroscopy [THz-TDS]

Definitions

  • the invention relates to a method for determining material properties of a coated or uncoated substrate sample, in particular in
  • electromagnetic Tera-Hertz frequency spectrum in particular of a coated with at least one layer, preferably fiber-reinforced substrate sample.
  • the invention further relates to a device for determining the material properties of a coated or uncoated substrate sample in
  • Tera-Hertz electromagnetic frequency range in particular of one
  • the object of the invention is therefore to provide a method and a device with which investigations can be made in a simple, cost-effective manner with respect to the material properties of a substrate coated with at least one layer or also of an uncoated substrate.
  • the object is achieved by illuminating a substrate sample with at least two terahertz light pulses of different polarization, at least two collinear propagating terahertz emitters of different polarization, in particular with the same beam cross-section, and reflecting off the substrate sample / or transmitted by the substrate sample tera-heart light pulses in terms of intensity and / or electric field strength in at least two, preferably three different polarization directions are measured time-resolved.
  • a device which comprises at least one pulsed laser, in particular a femtosecond laser for generating pump light pulses and sampling light pulses, in particular wherein from the pump light pulses by beam splitting sampling light pulses are divisible and the at least two of the pump light pulses has optically pumped tera-heart emitter, with which tera-Hertz light pulses of at least two different polarization directions can be generated and having a first optical path with optical components, by means of which the tera-Hertz light pulses are collinear superimposed on a substrate sample and which has a second beam path, with the Tera Hertz light pulses reflected by a substrate sample and / or transmitted through the substrate sample at least one of the optically sampled by the sampling light pulses, the Tera Hertz light pulses in at least two three different polar Tera Hertz detector detecting the directions of detection can be supplied.
  • a pulsed laser in particular a femtosecond laser for generating pump light pulses and sampling light pulses
  • Tera-Hertz light pulses are pulsed electromagnetic waves whose frequency lies in the Tera-Hertz frequency spectrum defined above.
  • a substrate sample is a piece of substrate to be examined or the entire substrate to be examined itself, which is uncoated or has at least one layer, wherein material properties of the substrate itself and / or the at least one layer are to be investigated.
  • Such a substrate may eg
  • fiber reinforced material e.g. with fibers of for example carbon, glass, aramid, basalt, natural fiber etc,
  • the fibers may be formed as a scrim, in particular multiaxial scrims, knitted fabrics, knitted fabrics, woven fabrics or other textile inserts in a matrix material.
  • a pumping light pulse is a pulsed electromagnetic wave, e.g. for providing energy to other sources of radiation powered by this energy, e.g. the Tera-Hertz emitter.
  • the wavelength of a pumping light pulse may be e.g. in the visible range and in the shorter-wave ultraviolet and the longer-wave infrared. Preferably, the wavelength may be in the range of 800 to 1600 nanometers.
  • the pulse duration may be in the femtosecond range, e.g. in the range of 10 to 200 fs, preferably 50 to 150 femtoseconds.
  • a Tera-Hertz emitter is a device for generating electromagnetic, in particular pulsed electromagnetic radiation, the frequency of which lies in the aforementioned Tera-Hertz frequency spectrum.
  • a Tera-Hertz emitter is preferably optically pumped by the aforementioned pump light pulses and converts the energy thus provided into Tera-Hertz light pulses. The pulse duration of this
  • Radiation of a Tera-Hertz emitter is preferably in the picosecond range, e.g. 0.1 to 10 picoseconds, more preferably in the range of 1 to 5 picoseconds.
  • a Tera-Hertz detector is a device with which Tera-Hertz light pulses can be detected, in particular with regard to the field strength and / or intensity and / or polarization. Such a detector may preferably be sampled optically,
  • Tera-Hertz Whenever the term "Tera-Hertz" is used before a term, this is to indicate that the device indicated by the term has the properties mentioned by the term in the Tera-Hertz frequency range mentioned above, ie, for example, a detector in this range is sensitive to detection
  • the invention advantageously offers the possibility of collecting the radiation from a single illuminated measuring surface and evaluating it with respect to a plurality of polarizations using either a Tera-Hertz detector or several Tera-Hertz detectors, to which the Tera Hertz light pulses originating from the illuminated measuring surface are blurred at least partially distributed in each case.
  • the invention relates to a non-contact and / or contacting device for
  • the device comprises a measuring unit with at least two generating sections for generating Tera-Hertz light pulses of at least two different ones
  • an optical system for receiving the Tera-Hertz Echo light pulse for the deflection into a detection unit Focusing the incident Tera-Hertz pulsed light on the sample surface or for the radiation through the sample, an optical system for receiving the Tera-Hertz Echo light pulse for the deflection into a detection unit.
  • Detection unit consists of an optical system for the distribution of the Tera-Hertz echo on at least one polarization-sensitive detection section for Recognition of an electric field amplitude-time resolved waveform of Terahertz echo pulses.
  • the use of more than one polarization-sensitive detection section for the detection of time-resolved electric fields of the waveform of the Tera-Hertz echo pulse (waveform) is possible.
  • the contacting version of the invention includes an alignment edge.
  • Sections, figures, components of the invention and bibliographic references are assigned by numbers in the text.
  • the pictures are labeled " Figure" and a picture number, e.g. Figure 1, marked.
  • the illustrations contain only part numbers or symbols.
  • the components of the invention are indicated by numbers in parentheses, e.g. (1).
  • the section indications have unique numbers, e.g. 1.
  • the invention relates to a device for measuring the properties (the thickness (s) and / or the dielectric properties and / or
  • the device is suitable for:
  • Substrates e.g. Refractive indices, extinction coefficients, complex
  • the coatings must be for the given electromagnetic radiation
  • Samples / materials for Tera-Hertz radiation silicon, sapphire, plastic, wood, composites.
  • a sufficiently transparent pattern may be one
  • anisotropic systems are various composite materials such as carbon fiber reinforced polymers (carbon fiber reinforced plastic, CFRP) or in general the fiber reinforced polymers (fiber reinforced plastic, FRP), wood, etc.
  • isotropic systems are various non-metallic substrates, metallic substrates, concrete, plastic, etc Composite materials are used in aircraft, in shipbuilding, in rotor blades for
  • the use of the device may include:
  • the meter consists of three main units ( Figure 1): the ultrafast femtosecond light pulse delivery unit (7), the Tera-Hertz light pulse delivery unit (6) and the Tera-Hertz light pulse detection unit ( Figure 1). 2).
  • the unit for generating laser light pulses a laser is used to generate ultra-short femtosecond light pulses.
  • the beam of the laser is split into two sub-beams: a pump beam and a scanning beam.
  • the scanning beam is directed to a time delay unit (5) in which the pulses are spatially shifted and delayed in time just at the time the optical scanning is to occur.
  • the pump beam is directed into the Tera-Hertz light pulse emitting part (6) where the multiple emitters excite pulses of different polarization.
  • the Tera-Hertz impulse is provided by appropriate optical
  • Components (3a) guided on the sample surface (4) The return of this pulse via suitable optical components (3b) in the Tera-Hertz (2) recognition serving part.
  • the delayed scanning beam is also used.
  • the entire system is controlled by a processing and control unit (1). Here the signals are controlled, processed and evaluated.
  • the delay line is placed in the branch of the pumping beam with almost the same function.
  • this configuration reduces the delay line
  • the Terahertz light pulse delivery unit consists of at least two Tera-Hertz emitters (34a) (34b), all emitting Tera-Hertz radiation with different polarization directions.
  • two emitters (34a) (34b) having vertical polarization directions Tera-Hertz emit light pulses, which are collimated by the lenses (39a) (39b).
  • Both Tera-Hertz beams are summarized by the use of a polarizing beam splitter (40a) in this construction.
  • non-polarizing beamsplitters can also be used to combine the radiation from more than two emitters.
  • the example in Figure 3 the example in Figure 3, the
  • condensed radiation from both emitters is directed onto the sample surface via the non-polarizing beam splitter 41b (for example made of silicon) and then focused onto the surface by means of a lens 39d.
  • the changed pulse is reflected back into the system.
  • the radiation is then deflected by the non-polarizing beam splitter (41b) into the detection system.
  • the reflected radiation is then detected by a detection system.
  • the Tera-Hertz beam gets through
  • the polarization-sensitive Tera-Hertz detection unit generates at least three polarization signals (d s i, d S 2, d S 3).
  • the scanning beam is also distributed in all individual detectors to a
  • the structure can be supplemented by an optical beam, which serves to measure the thickness of a thin and optically transparent topcoat on the pattern.
  • the optical beam serving for this purpose is split at the front beam splitter (32b), guided by means of beam splitter (42b) into the beam path intended for an optical beam which is transparent to a terahertz beam (e.g.
  • the optical beam is reflected at the top and bottom surfaces of the topcoat applied to the sample and then guided by means of beam splitters (42a) and / or mirrors into the cross-correlation unit (37) where the time delay the echo is measured.
  • the goal here is to measure the thickness of an optically transparent or transmissive coating based on the shorter wavelength of the radiation more precisely in the optical or near or mid-infrared region (depending on the laser type).
  • the design offers the following advantages: it is possible to perform a simultaneous measurement with more than one Tera-Hertz emitter, ie it is not necessary to disassemble the configuration or manipulate the sample. So you can, for example Position multiple highly polarized beams and perform a measurement with different polarizations without having to rotate components. The different emitters are separated from each other, so that no mutual interference can occur, as would be the case with an on-chip multipolarization emitter. Also possible is simultaneous detection with more than one Tera-Hertz detector, i. without the need for dismantling the bodywork or
  • the structure is modular and has interchangeable emitter and detector units. Only one laser unit is used, which currently accounts for the majority of the cost of a time domain Tera Hertz
  • TDTS Spectroscopy
  • the advantage of the invention lies in the way in which the input data are analyzed: Here, a calculation and a comparison of the system and the
  • a coated and painted rotor blade of a wind turbine consists of a GRP substrate (64) with a putty filling compound (63) (optional).
  • a putty coating (62) is sprayed on to improve the adhesion.
  • Inner coating (61) (a base coat) is applied to form an elastic
  • the last applied topcoat (60) (surface finish) has a protective function.
  • Their thickness usually ranges between 0 to a few hundred microns.
  • the thickness of the filler coating usually ranges between 0 to a few micrometers.
  • the usual thickness of the inner coating is about 300 - 450 pm. The thickness of the
  • top coat is approx. 30 - 100 pm.
  • the thickness of the basecoat and the surface finish is influenced by many factors such as viscosity, density and temperature of the paint applied to the substrate as well as the humidity, ambient temperature, etc.
  • the thickness of the basecoat can be 50% in the lower area or 200% in the upper area required thickness. This depends on the factors mentioned above.
  • Thickness deviation must be repaired costly. Accordingly, the thickness of the paint application of each layer must be measured and checked accordingly.
  • CFRP, GRP and / or other FRPs are increasingly being used in vehicle, aircraft, ship structures, etc., because of their relatively stiff and strong material properties relative to their non-isotropic structure, which are additionally distinguished by their low weight.
  • the typical fiber orientations in these composites are unidirectional, bi-directional and tridirectional.
  • the complex structure reinforces the
  • CFRP it is a multi-layered structure in which the carbon fiber layers alternate in direction (see Figure 5a).
  • the individual layers are anisotropic or even double refractive in the relevant frequency range.
  • Such a fiber layer may reflect or transmit the radiation or reflect only part of the radiation.
  • the level and mode of interaction of the sample with the radiation depends on the polarization angle of the light pulse on the fibers in the FRP layer.
  • the process for producing most FRPs depends on the part to be created. Many FRP semi-finished products are made from a single layer of carbon fiber embedded in a plastic matrix (epoxy, polymer, etc.). In contrast, the production of
  • Resistant graphite polymer parts from the layered and alternating laying of structured carbon fiber fabric in a shape modeled on the final shape of the product.
  • Tissue fiber is in the sense of optimizing the strength
  • the mold is then filled with a corresponding filler (multi-composite epoxy, thermosetting polymer) and is then heat or air cured (until the completion of the corresponding filler (multi-composite epoxy, thermosetting polymer) and is then heat or air cured (until the completion of the corresponding filler (multi-composite epoxy, thermosetting polymer) and is then heat or air cured (until the completion of the corresponding filler (multi-composite epoxy, thermosetting polymer) and is then heat or air cured (until the completion of the
  • the result is a cured (epoxy, polymer) matrix during polymerization (or curing).
  • the resulting composite is extremely resistant to corrosion with stiff material properties with high strength.
  • the originality of such a substrate is important for the factors of safety and health. Manufacturers are endeavoring to produce substrates which have a longer life and / or material stiffness, etc., but which may look like a normal FRP. Fingerprint analysis may help to identify illegal or unauthorized replicas or copies of the substrate and / or the
  • Reveal coating The possibility of creating the fingerprint (a compilation of typical material properties) of such a structure is discussed in 9..
  • a large group of anisotropic materials consists of natural materials and biomaterials with a fibrous structure (eg wood). Biomaterials of such composition are found in muscles, bones and arteries.
  • Time domain Tera-Hertz spectroscopy possible.
  • CFRP composites consist of carbon fibers (401) embedded in a plastic matrix (400), as shown in FIG.
  • the high quality fibers used to augment load bearing in aircraft are generally made from a polyacrylonitrile (PAN) fiber.
  • PAN polyacrylonitrile
  • These PAN fibers are temperature-stabilized in different process steps, carbonized and in a final process step, the so-called graphitization, the
  • the measuring system can be used on the one hand in the incoming goods inspection as well as in the production control. Since the material properties of the CFRP substrate can also be determined under a coating or a coating system which is transparent or translucent for THz radiation, these quality or originality controls can also be performed during or after the Coating process done.
  • the carbon fibers have a diameter of about 5 to 10 pm. Carbon fibers, like graphite, have a non-negligible electrical conductivity, so that a strong reflection of the THz pulse exists when the THz polarization is directed in the direction of the fiber orientation.
  • various plastics are used, such as epoxy, bismaleimide resin or polyimides. Depending on the
  • the risk potential of a lightning strike is differentiated between CFRP materials with and without coated copper lightning protection and different types of fiber fabric.
  • the structure or arrangement of the fibers in the composite determines the physical properties from a macroscopic point of view.
  • the various arrangements of the fibers can in principle be distinguished into uni- (402) and bidirectional (403) fiber structures, with different ones in particular for the bidirectional structures
  • the various carbon fibers, plastic matrix polymers and fiber-fabric structures have an influence on the reflection and propagation of the electromagnetic THz wave, so that these different substance combinations for the coating thickness measurement are to be analyzed.
  • CFCs Due to its directional structure (uni-, bi-, tri-), CFCs (but also general FRPs) react angularly depending on the polarization of the incident radiation.
  • An example of the reflection sensitivity of a CFRP pattern on polarized Tera-Hertz radiation is illustrated by the following facts. The reflection of a polarized Tera-Hertz pulse was measured in two configurations in a zero angle reflection geometry, ie, the sample was irradiated vertically and the radiation was also detected in the vertical direction.
  • a sample of CFRP consisted of unidirectional layers of carbon fibers in vertical (0 and 90 °) configurations, see Figure 5a. In such a sample, two or more different fiber layers can be distinguished.
  • FIG 5 a only the top two layers are shown: the top layer (layer 1) (70) and the next inside layer (layer 2) (71).
  • the sample is examined in two configurations of the incident, polarized Tera-Hertz light pulses.
  • configuration A 252)
  • Figure 5b the fibers of the cover layer (layer 1) ran parallel to the polarization of the incident radiation and the fibers of the underlying layer (layer 2) perpendicular to the incident radiation.
  • the fibers in Layer 1 behave like a good conductor along the carbon fibers due to the high electrical conductivity, and the layers reflect most of the incident radiation. This reflection is expressed by a strong pulse at 0 ps in Figure 8a at three different measurement points on the sample (102a) (102b) (102c).
  • Configuration B was prepared to have a contraposition.
  • configuration B 253 ( Figure 5b)
  • the fibers in the upper layer of the sample (layer 1) are perpendicular to the polarization of the incident Tera-Hertz radiation.
  • the fibers in layer 1 transmit most of the incident radiation (and reflect it due to the nonuniform directionality of the fibers as well). This is expressed by the decrease in the amplitude of the 1st light pulse (at 0 ps) in Figure 8 b.
  • the fibers in the underlying layer (layer 2) were positioned parallel to the polarization of the incident radiation and these fibers have a reflection; this is indicated by a pulse at about 3 ps in Figure 8b, which looks like a reverberation of the first pulse (at 0 ps).
  • waveforms for three different measurement points are shown on sample (03a) (103b) (103c).
  • the structure of the CFK layers can also be designed differently, e.g. Layer 1: 0 °, Layer 2: 60 °, Layer 3: 120 °, but the partial transparency and reflectance of the different
  • Layers is also present and can be analyzed in the same way.
  • the position and location of the two pulses (in Figure 8b) allow the determination of the thickness and material properties of the layers (see 30).
  • the reflection and / or transmission of the electromagnetic pulses in the construction of a uni-, bi- or tri-directional FVK sample can be collected in one area.
  • an area of 25 x 25 mm was examined on a bi-directional CFK sample in 2/2 twill construction using TDTS in reflection geometry.
  • the effective dimension of the spot area of the Tera-Hertz radiation was less than about 2 mm.
  • Illustration in Figure 9c shows the structure of the threads in the visible structure in Figure 9a. All representations of the area are almost on the same scale
  • FIG. 9b A typical waveform for maximum (154) (white area), minimum (155) (black area), and intermediate (156) (gray area) values in Figure 9b is shown next to Figure 9d (with the relative time delay in picoseconds on the x -Axis (157) and on the y-axis (158) you can see the electric field in arbitrary units).
  • positions ⁇ , P2 and P3 are also assigned.
  • the white color refers to areas with cover layer fibers running parallel to the polarization (eg. Position P ⁇ denotes the gray color areas where cover layer fibers perpendicular (to the polarization.
  • Transient or mixed ranges (example: position P3).
  • the most complex response (example: position P 3 ) is obtained in the areas on the surface where the threads have different orientations (in x and y direction and possibly also in z direction).
  • the waveforms of these areas can contribute greatly to fingerprint analysis of the FRPs.
  • the imaging data also allow the determination of the slope of the threads (159) within the structure needed for authentication (see below).
  • characteristics typical for a substrate for authenticating the substrate can be defined, identified and measured:
  • Threads consist of fibers and a structure is created by weaving the threads into a structure
  • Polarization direction of the incident radiation stimulates ei and ⁇ 2 and optionally also e3.
  • ei and ⁇ 2 stimulates ei and ⁇ 2 and optionally also e3.
  • the anisotropic sample rotates the polarization (reflection) and influences the ellipticity (transmission) of the incident polarization.
  • the sample is illuminated with at least two polarizations of each separate emitters in the proposed device.
  • the orientation of the refractive index ellipsoid on the surface of the sample can be determined by at least three polarization signals (d s i, d S 2, d S 3). These three signals can be due to the polarization sensitive
  • Detection unit (50) can be determined, e.g. by a triplet on photoconductive switches (35a) (35b) (35c) or by opto-electronic scanning ( Figure 13 or 16).
  • the thicknesses of the fiber system layers (if any) together with the properties of the plastic matrix material provide a fingerprint of the sample. This fingerprint can be matched to previous reference measurements to identify the sample and / or provide proof of originality. A comparison of the fingerprint with a standard pattern is also possible.
  • each color layer is measured by wet comb technique.
  • a calibrated, comb-like structure is inserted into the paint until it stops to check the color depth.
  • Thin film changes depending on the layer thickness of a transparent conductive film or a transparent optical film.
  • a nondestructive paint thickness gauge has been developed based on the principle of continuous wave interference to reduce the damage done to the product.
  • a thin film to be measured is irradiated with light, and the interference of the reflected light and the light reflected at the back of the thin film is decomposed into each wavelength.
  • a spectral intensity distribution is generated and the layer thickness is measured based on this distribution.
  • a polarization-sensitive detector is used in some of these experiments, the sample or emitter (emitting the radiation with linear polarization) must be rotated to examine an anisotropic sample.
  • Reflected interface each having a discontinuous refractive index and gives a reflected Tera Hertz light pulse (a Tera-Hertz echo pulse).
  • the separate pulses are resolved and their time delay analyzed.
  • Coating thickness measuring devices are limited to the resolution of the individual reflection pulses in the time domain or they are not sensitive to anisotropic substrates, since the sensitivity of the measurement is determined by the orientation of the polarization of the radiation, the anisotropic sample and the polarization-selective detector.
  • the pulsed electromagnetic Tera-Hertz radiation can be detected by means of the so-called optical scanning technique. This is the most commonly used technique for mapping the Tera-Hertz signal into TDTS.
  • the technique of optical scanning is understood to be the imaging of the electric field of the Tera-Hertz light pulse within a photoconductive switch (GaAs crystal, low-temperature growth GaAs, SnGa, etc.) and / or within an electro-optic crystal (Pockels cell, ZnTe crystal, LiNbOa).
  • a photoconductive switch GaAs crystal, low-temperature growth GaAs, SnGa, etc.
  • electro-optic crystal Pockels cell, ZnTe crystal, LiNbOa
  • Other techniques which do not use scanning by an optical beam e.g.
  • the technique based on the Schottky diode can also be used.
  • the optical scanning method uses a split optical beam, the scanning beam (170). This interacts with the detector media (173) (electro-optic crystal or photoconductive switch) in the electric field of the Tera-Hertz light pulse (171).
  • the scheme of electro-optic scanning by means of electro-optic crystal is shown in Figure 14 and explained below.
  • the linear polarization (172) of the scanning optical pulse (170) is modified due to the changed induced birefringence (174) of the electro-optic crystal (173), which is due to the presence of the electric (Tera-Hertz) field amplitude E (171).
  • the Induced birefringence depends on the value of the electric field E.
  • the polarization of the scanning beam is optionally elliptical (176) and divided into two vertically polarized beams (178), which are spatially separated by a prism polarizer (177) (eg Wollaston prism).
  • a prism polarizer (177) eg Wollaston prism
  • Difference in optical intensity (imaging of ellipticity) using a pair of balanced photodiodes (179) (also called differential photodiodes) in terms of relative delay time yields a signal proportional to the Tera-Hertz field.
  • An analyzer (1 75) ( ⁇ / 4 plate or ⁇ / 2 plate or polarizer) in the beam allows easy balancing of the photodiodes before the measurement. Without the analyzer (e.g., K / 4 or ⁇ / 2 plates), the differential photodiodes must be balanced by rotating them along the beam axis along with the prism polarizer.
  • the electro-optic and dielectric properties (e.g., refractive index) of the electro-optic crystal are affected by the electric field of the Tera-Hertz light pulse.
  • both of the above techniques are sensitive to polarization of the incident Tera-Hertz beam.
  • the complete polarization of the incident radiation is detected, e.g. through the introduction of several photoconductive, juxtaposed
  • the Tera-Hertz light is an electromagnetic wave whose wavelength is approximately 30 to 3000 pm in a vacuum and whose frequency is approximately 0.1 to 10 Tera-Hertz.
  • the Tera-Hertz pulse passes through layers of electrically non-conductive material on a metallic or non-metallic substrate, eg
  • a Tera-Hertz light pulse is emitted onto an object made up of different layers of color, the Tera-Hertz light pulse is reflected at each layer transition with a different refractive index (Fresnel reflection) and a reflected Tera-Hertz light pulse (Tera-Hertz echo pulse light) is obtained.
  • the different impulses and / or system functions are resolved, the waveforms analyzed and compared with a physical model. Measurements at different orientations of the polarization of the incident radiation are analyzed together.
  • the device is an improvement of a polarization-selective TDTS measurement system in a zero-degree reflection geometry, see Figure 11.
  • the zero-angle setup is preferred (due to better alignment of the sample), but the design can also be used with non-zero reflection geometry. Angle or in transmission geometry as well as at other angles.
  • This simple construction for the time domain Tera-Hertz spectroscopy (TDTS) works with free-space or guided Tera-Hertz light pulses using a (fiber-coupled)
  • the polarization of the emitted radiation is
  • the Radiation can additionally be polarized with a polarizer (263).
  • the Tera-Hertz pulses are focused by a pair of lenses (266a) and (266b) (lenses of plastic or other transparent material) onto a beam splitter (264) on the sample (30).
  • the focused impulse interacts with the sample (30) and becomes a significant portion of the radiation
  • the emitter and detector in this construction are polarization-selective, ie the radiation emitted by the emitter is polarized and the detector responds only to a specific polarization of the radiation.
  • the pumping as well as the optical scanning beam can be uncovered beams in the free space or else fiber-coupled beams (268a), (268b). It is also possible to use parabolic mirrors instead of plastic lenses or other transmission lenses for directing the radiation onto the sample surface. Compared with this
  • a polarizer is an optical component for linear polarization of the
  • a polarizing beam splitter is an optical component for splitting the incident radiation into two perpendicularly polarized beams at reflection and / or transmission (preferably at 90 ° angle), e.g. freestanding wire mesh polarizers or Wollaston prisms
  • a non-polarizing beam splitter is an optical one
  • Polarization e.g. a beam splitter made of silicon.
  • Sample surface are stimulations in at least two different ones Polarization directions ei and ⁇ 2 required, the response in at least three different polarization directions d s i, d S2 . d S 3 must be recognized.
  • the parameters of the Tera-Hertz pulses (spectral response in the frequency domain,
  • Phase shift as well as rotation and ellipticity are at Rejection or
  • the simple design emits and detects in only one polarization (see Figure 15 and Figure 11) and is able to measure the anisotropic properties of the sample. This requires turning the meter or sample. Some samples are too large to be rotated (car or plane) and it is also time-consuming to turn the meter. In addition, it would have to be ensured that the measuring positions would be the same. Generally, at least three such polarization-selective TDTS (Geder responds to a different polarization) must be arranged in a structure to successfully evaluate a point on the sample.
  • the polarization-selective TDTS structure for a further two (or more) terahertz emitter adds the different polarizations of radiation (ei and e 2) radiate.
  • the polarization-selective TDTS structure for a further two (or more) terahertz emitter adds the different polarizations of radiation (ei and e 2) radiate.
  • Detection unit by two and / or more Tera-Hertz emitter which can detect polarizations in different angles and directions (relative to each other), are complemented.
  • the main advantages of such a device are as follows (further see 5):
  • the pump beam is directed by a beam splitter or switch to separate emitters.
  • the polarization resolution is ensured by using at least two emitters (34a) (34b), each of which has Tera-Hertz radiation
  • these polarizations are perpendicular to each other and are e.g. + 45 ° and -45 ° to the vertical plane of the structure (other orientation such as 0 and 90 ° is also good).
  • the radiation coming from the emitters becomes by the structure the
  • Sample surface (38) out.
  • the guidance and collimation takes place via lenses (39a) (39b) and / or parabolic mirrors, polarizers and / or polarizing or non-polarizing beam splitters (40a) and / or non-polarizing beam splitters (41b), and lastly the radiation on the Sample surface focused by means of a lens.
  • the radiation After reflection and / or transmission from and / or through the surfaces of a multilayered sample (38) or one and / or anisotropic sample, the radiation is directed into the polarization sensitive detection unit.
  • the detection unit which consists of three individual polarization-selective detectors (e.g., photoconductive switches).
  • polarizing beam splitters 40c and analyzers (40b) and lenses (39e) (39f) (39g) to the individual detectors (35a) (35b) (35c) divided.
  • the beam non-polarizing beam splitters are used, but the
  • Each of the detectors respond to a different polarization and their orientation is 0 °, 45 ° and 90 ° to the vertical plane of the structure (-45 °, 0 ° and + 45 ° is also good), (or 0 °, 60 ° and 120 ° is also sufficient if the inefficiency of using non-polarizing beam splitters with respect to reflection losses is acceptable).
  • All detectors can be carried out either as a fiber-coupled as well as space-coupled photoconductive switch, the electro-optical detectors of non-linear crystals (ZnTe, LiNbO ß etc.) are manufactured, or other, suitable for time-domain terahertz pulses detectors are used (see 13).
  • two normalizing detectors (36a) (36b) with additional, focusing lenses (39h) (39c) for detecting and monitoring the delivered Tera-Hertz pulses can also be integrated into the setup (see Figure 3) to normalize the detected pulses .
  • These normalization detectors can also use the technique of optical scanning just like the other existing in the device detectors. In this case one can use a non-polarizing beam splitter instead of a polarizing beam splitter (40a) or the
  • the optical beam emitted by the laser (31) can be free-space-guided or
  • a beam splitter 32a
  • the pumping beam is delayed by a delay line (33) to enable detection by optical scanning. It is further divided by a beam splitter (32b) into beams for all involved transmitters and / or thickness measurement from an optical beam path.
  • the scanning beam is split further by the beam splitter (32c) into beams for all the detectors involved and / or for the cross-correlation unit (37).
  • At least two polarization-selective emitters are sufficient (alignment 0 and 90 °). Multiple emitters may be coupled in the structure directly adjacent thereto, e.g. in 45 ° orientation or with different spectral response. This is similar to a basic design (with an emitter and a detector) with an emitter-detector pair in three or more
  • Angular orientations The purpose is as follows: The measurement analysis and evaluation method used in the basic setup in various angular orientations of the sample can be used within our setup for each of the pairings.
  • a delay line unit In the construction, a delay line unit (33) is used. It may consist of one delay line or a plurality of separate and coupled (207) (208) delay lines. The coupling of several
  • Delay lines which each have different speeds of movement or vibration mechanisms, offers the advantage that a larger
  • Range is increased by a delay line with higher
  • the time delay distance is compensated by a suitable length of the beam path, e.g. through the fiber length.
  • the build ensures that the time delay window is enlarged or into different ones
  • Time delay window is split (with one detector for each window).
  • the entire time delay window is calculated from the
  • Time delay window for a time delay line multiplied by the number of detectors This may be useful in examining isotropic materials (there is no dependency on the input polarization) with three different detectors or from deep samples with three consecutive detectors for each time slot or for the virtual extension of the delay path using fast and short delay lines.
  • the delay line may be placed in the pumping or scanning arm of the optical beam, depending on what provides better stability of the optical beam with respect to the measurement or emitter processes. It can be shown that the photoconductive switch delay line in the pump beam is capable of generating terahertz beams with lower spatial fluctuation.
  • the delay line has its own, relative position coordinate system (in a longitudinal dimension), which z. B. can be implemented by means of linear optical encoder. 20 Definition of a topcoat / surface finish with optical pulse
  • An additional optical pulse can be connected to the optical system to measure a potentially transparent (translucent) topcoat (finish) on the product (if applicable). Measurement with a separate optical laser beam allows the determination of the characteristics of such a coating with much higher precision due to the shorter duration / length of the pulse (about 100 fs (femtoseconds) lasting optical pulses compared to 2 ps (picoseconds) lasting Tera-Hertz pulses ).
  • the separate pulse also allows the measurement of the distance of the structure from the sample surface. This may be important to maintain a certain distance from the sample surface.
  • This optical pulse is coupled into the system by means of non-polarizing polyethylene beam splitter (42b) (pellicle beam splitter, polyethylene terephthalate (PET) film).
  • Time delay (s) of the 2 or more incoming reflected pulses measured. Then the thickness of the surface finish or the distance of the sample is determined with a similar algorithm which is also used to determine the thickness by means of terahertz radiation (see Figure 30).
  • the reflection of a polyester film in the system is called
  • Reference pulse used The spacing of the two pulses is determined using a technique very similar to the cross-correlation described above.
  • the design can be changed to extend its physical delay line.
  • the electro-optic scanning method is used to determine the Tera-Hertz pulses.
  • a part of the beam of a femtosecond laser (31) is delayed by means of a delay line (33).
  • An asynchronous optical scanning system (ASOPS) can also be used for the detection.
  • the system requires two femtosecond lasers, each having a slightly different repetition rate: one is for emission and one for sampling.
  • the scanning beam from one of the lasers is directed to the detection unit or forwarded in the usual way to the different polarization-selective detectors.
  • an active polarizer For switching the polarization of the emitted Tera-Hertz radiation, an active polarizer can be used that monitors the polarization of the radiation by means of external stimulation on a crystal structure (e.g.
  • the detection unit can also consist of successive electro-optical scanning units.
  • the three electro-optic sample crystals are placed consecutively (see Figure 13).
  • the Tera-Hertz radiation optionally elliptically polarized, is directed by means of lenses (80) (81b) (81c) to each of the electro-optic crystals (82a) (82b) (83c).
  • the scanning beam (88) is distributed to all the individual detectors, so that a time-resolved detection by the beam splitter (83a) (83b) (84a) (84b) (84d) and / or mirror (85a) (85b) can take place.
  • Polarization of the optical beam can be adjusted.
  • Polarisers, lambda / 4-plates or lambda / 2-plates and / or Pockels cells can be used for these active (87) or passive (86a) (86b) polarizers.
  • the beam is then used by the Tera-Hertz gear for detection by means of metallized mirror, which for Tera-Hertz (84c) (84e) is permeable and / or distracted by normal mirror (85b).
  • the optical scanning assembly (89a) (89b) (89c) consists of an analyzer (eg, quarter and half wave plate or polarizer) and a prism polarizer, eg, a Wollaston prism, which spatially scans the scanning beam into two beams of perpendicular polarization (see 13) splits. The polarized beams are then detected by different diodes. Another arrangement is to run the Tera-Hertz beam parallel to each of the electro-optic crystals (as shown in Figure 3).
  • an analyzer eg, quarter and half wave plate or polarizer
  • a prism polarizer eg, a Wollaston prism
  • the emitted Tera-Hertz radiation is by a mechanical or
  • opto-electric chopper (206) e.g., by rotating blades in the optical beam (using electro-optic radiation)) or clocked by a periodic signal at the emitter (using a photoconductive switch).
  • the clock frequency is then used to separate the useful signals by means of a lock-in amplifier (217) to which the signals are passed from the detector.
  • the emitter can be modulated at different frequencies to provide crosstalk signals in the
  • Femtosecond lasers with ultrashort pulses usually belong to laser class II, III or IV.
  • the optical beam path for protection of the human eye or the skin (laser class IV) with opaque material shield is also susceptible to contamination, ie against dust particles present in the air. Therefore, the laser beam may need to be in a fiber or in a chamber under protective atmosphere (see 17).
  • the Tera-Hertz beam is not harmful to humans and causes no damage to human tissue in the radiation intensities used.
  • Tera-Hertz radiation is extremely sensitive to humidity. Therefore, the Tera-Hertz beam may need to be protected in a closed enclosure or in a flushing chamber (see 17).
  • the device may additionally be provided with an alignment collar (21) after the last lens located in front of the sample (22), which makes positioning the device to the sample surface easier. This is especially necessary for the hand-held device (not guided by positioning system (209)).
  • the registration edge (21) causes a flat surface sample (24) to be positioned in the beam impact site of the generated and concentrated Tera Hertz beam (23).
  • the alignment edge allows the curved surface sample (38) to be placed in a position where the curvature of the sample surface coincides with that of the aligned beam.
  • the shape of the inner surface of the alignment edge is pre-calculated according to the beam shape (e.g., for a zero order Gaussian beam, see Fig. 27) to correspond to the various circular areas and / or cylindrical surfaces.
  • the alignment edge can be circular or cylindrically symmetric for ball or
  • Cylinder surfaces be. Another function of the Alignment Edge is to center a circular or cylindrical object on the incident axis of the emitted beam (see Figure 12).
  • a focused beam can be approximated in different ways.
  • the complex electric field E (r, z) (the amplitude E (r, z)) may be described by the following equation (pages 90 and 91)
  • r is the radial distance from the beam center axis
  • k 2 ⁇ / ⁇ is the number of waves (as radians per meter) and
  • R (z) is the radius of curvature of the wavefront of the beam
  • ⁇ ( ⁇ ) is the phase shift, an additional feature in the phase that you get at
  • Gaussian rays can be observed.
  • Equation 3 expresses that a concentrated beam
  • the radius of the waveforms depends on the distance of the beam impingement. Other beam shapes are also possible.
  • the Tera-Hertz radiation is strongly absorbed by water, and the fingerprint of water can be observed in experiments in a free-space environment with air that is not completely dry. Therefore, in order to increase the resolution, sensitivity and stability, one can also rinse the entire assembly with a non-invasive gas that is transparent to terahertz radiation, e.g. Nitrogen or air with known / predetermined degree of humidity (dry air or air with defined humidity (228) (229)). However, the humidity can also be reduced by retracting
  • a non-invasive gas that is transparent to terahertz radiation
  • the entire measuring head is purged with gas which exits the device at the last lens (22).
  • the cylindrical (233) alignment edge directs the gas flow to the
  • This gas flow ensures that the lens remains clean and / or a predetermined distance to the sample surface is maintained.
  • a laminar gas flow is preferred so that the Tera-Hertz radiation and the optical beam are not affected by turbulence.
  • the gas enters the tunnel through an opening for the purge gas (25) in the alignment edge (21) (233).
  • the entire Tera-Hertz beam path is filled with the defined purge gas.
  • the gas flows from a pressure tank (235), which is part of the structure.
  • the gas pressure and flow into the chamber of the optical path and into the measuring head are regulated by two independent valves (234) (236).
  • the measuring head can also be placed under vacuum (228) to increase the measuring stability.
  • the device consists of an electro-optical control unit (215) and a measuring head (222).
  • the two units are connected by the required network connections (232) for power supply and data connection (ports X1_01 to X2_04 in Figure 2).
  • Power cable e.g., 230V / 400V at 50Hz / 60Hz
  • 203 (204) and / or batteries or uninterruptible power supply (201) and / or fuel cell.
  • the beam path includes a grating stretcher (205) for additional pulse shaping to compensate for the scattering caused by the fiber-coupled beam path, or a chopper (206) of a mechanical nature or a system for clocking electro-optic pulses in the beam path.
  • the electrical signals at the emitters can also be clocked.
  • An optional positioning system (209) for lateral imaging and fingerprint analysis of samples is also possible.
  • a real-time control system (1) is for data acquisition and control of others
  • the measuring head (222) consists of the actual measuring optics (226) (see Figure 3 for details), control electronics (227) and sensors (e.g.
  • the measuring head has its own switch (225) or via switches and control diodes (223) and / or a display unit for communication with the user.
  • the algorithm (212) for the evaluation of the measured waveforms is part of the real time control system (1). With the collected data, the algorithm (by (214)) distributes all significant signals (components (302) to (309)) further. It includes an analysis of the system and its response (components (310) to (320)) as well as an evaluation of the properties of the sample (components (321) to (330)).
  • all the input data (302) - (306) are read and collected (by (214)), ie the signals from the Tera-Hertz detector unit (or detector units) for a reference value (normally this is a metal plate) d r i, ⁇ , d r 3 (302) and for the sample d s i, d S 2, d S 3 (303), the signals from the normalization Tera-Hertz detector (d n i, d n 2) (305), the optical signals of the sample and reflections (Ii) (304) resulting therefrom, as well as the reference signals from the laser beam (l r1 ) (306).
  • the signals are checked for completeness, compared and normalized (307).
  • a set of normalized measurement (308) and reference data (309) is created and passed to the
  • Light pulse interact the multilayer structure and / or the substrate together with the different gas states in the chamber.
  • An idealized momentum g, (t) (312) is set (is also converted into the frequency domain, g, (t) -> Gi (f) (314)) and the idealized response function of the system Hj (f) (316) and hj (t) (317) is constructed as follows: hi (t) is a function of G (t) and gi (t), H, (f) -> h, (t) (315).
  • the idealized measured response function of the system (316) (317) and the idealized pulse (318) (319) both in the time and frequency domain
  • the unknown parameters are initialized (320).
  • Unknown parameters here are the features of the system: the layer thickness (321), material properties of the layers and the substrate (322).
  • the material properties (refractive indices and extinction coefficient, etc., see point 3, page 4) are parameterized by means of a suitable function (constant and / or linear and / or quadratic). These original parameters are then in the Adjustment process entered.
  • the fitting process generates a model system response (324) using the parameters and a model
  • the fitting process calculates the response function of the model in the frequency and / or time domain.
  • the model system response is then idealized with
  • the fitting procedure is ended when the quantified deviation is below a predetermined threshold (positive answer (329)) (i.e., the correlation between model and measured response exceeds a predetermined threshold).
  • the parameters of the multilayer structure and the substrate (330) are then transferred to the data memory or displayed to the user (210) in the graphical display field.
  • Section 13 (Polarization Selective and Sensitive Detection of Tera-Hertz Radiation) mentions the possibility of detecting the total polarization of Terahertz radiation by using an electro-optic crystal in a given arrangement (eg a ZnTe crystal with [111 ] Alignment in its crystallographic axis, see Figure 16).
  • a lambda / 2 plate is placed in front of the prism polarizer (e.g., Wollaston prism) to balance the
  • phase retarder e.g.
  • phase retarder (175) Purpose of the phase retarder (175) is a regulated and continuous phase switching and / or reversal of the polarization orientation for balancing the differential diodes (179) (see Fig.
  • the differential diodes are balanced prior to measurement if there is still no Tera-Hertz field (electric field) present in the detector crystal (173) (120) (82a) (82b) (82c). In our case, the possibility of using a Tera-Hertz field (electric field) present in the detector crystal (173) (120) (82a) (82b) (82c). In our case, the possibility of using a Tera-Hertz field (electric field) present in the detector crystal (173) (120) (82a) (82b) (82c). In our case, the possibility of using a
  • Section 26 (Alignment edge) on page 16 of the original document describes how to determine the properties of coatings on cylindrical samples or on cylindrical and / or curved specimens. For such an analysis, calibration and / or correction of the reflected electromagnetic pulses (and / or in particular their amplitude) should take place at the radius of the curved
  • A amplitude of the reflected electromagnetic pulse
  • a 0 the normalized value (424) of the reflection on a plane metal surface
  • Figure 1 Schematic diagram of the structure: Laser (7) delivers ultrashort electromagnetic femtosecond pulses in the optical or near-infrared frequency range; Emission unit (6) emits picosecond electromagnetic pulses in the terahertz and / or far-infrared frequency range; Radiation guide optics for the
  • the signals are controlled, processed and evaluated in the processing and control unit (1). It will be one
  • the delay line (5) is preferably in the branch of the pumping beam (between laser (7) and emitter unit (6)), see sub-figure a) with text, but can also be positioned in the branch of the scanning beam (between laser (7 ) and detector unit (2)) (see sub-picture b). An overview of the transmission setup is shown in sub-figure c).
  • FIG. 2 Infrastructure of the proposed device with internal connections.
  • Alignment edge where airflow towards the sample surface ensures that the probe maintains a certain distance from the sample surface.
  • Figure 3 the proposed polarization-sensitive TDTS measurement setup in zero-degree reflection geometry.
  • the beam of a femtosecond oscillator / laser (31) is split twice: into the pump beam and the scanning beam. This is done by means of beam splitters (32a).
  • Figure 4 Cross-section of the coating structure of the rotor blade of a
  • Top coat (finish) (60), inner coat (primer) (61), putty coat (thin) (62), putty fill (optional) (63), carbon fiber in epoxy matrix (with ground surface) (64).
  • Figure 5 Schema overview of fibers in two layers in a unidirectional FRP matrix in an absolute and relative coordinate system. Upper layer (layer 1) of the FRP (70), inner layer (layer 2) of the FRP (71). Configuration A (252): The polarization of the incident radiation is parallel to the fibers in the cover layer. Configuration B (253): The polarization of the incident radiation is perpendicular to the fibers in the cover layer.
  • Figure 6 Fiber embedding (401) in a plastic matrix (400)
  • Fabric structures (403) - bi-directional fabric structures, (404) - quasi-isotropic structure, (405) - partially warp reinforced, (406) - canvas fabric (taffeta)
  • Figure 8 Measurement of a CFK sample in two polarization configurations of the radiation and fiber directions.
  • Configuration A overview in Figure 5b (252) and results of the measurement in Figure 8a
  • Cover layer (layer 1 (70), Fig. 5a) parallel to the incident polarization and the surface reflected most of the radiation (momentum at 0 ps).
  • the radiation reflected by the underlying layer (layer 2 (71), fig. 5b) was not recognizable.
  • the fibers in the cap layer were perpendicular to the incident polarization and the surface reflected less (smaller impulse at 0 ps).
  • the reflected radiation from the underlying layer can now be detected as a pulse at about 3 ps.
  • Figure 9 A photo of the visible area (a), an xy raster image in Tera-Hertz light (b) and a schematic image (c) of a bidirectional CFK sample in K2 / 2 twill weave.
  • reflected waveforms become three
  • Figure 10 The ellipses of refractive indices on the surface of an anisotropic sample.
  • the ellipse can be described by its principal axes ⁇ ⁇ ⁇ , ⁇ 2, the angle of rotation ⁇ or by three points (d s i, d S 2 > d S 3) lying on its contour line (303).
  • the three points on the outline are detected by means of three detectors.
  • the light is radiated from two emitters (e- ⁇ , e 2), or optionally by another emitter (e 3) to enhance the sensitivity even more.
  • the arrows indicate the polarization of the radiation emitted by the emitters or point to the radiation to which the emitter is sensitive.
  • Figure 11 A simple polarization-selective TDTS measurement setup in a perpendicular (zero degrees) reflection geometry.
  • the emitter and the detector are both
  • Refractive index ellipsoids if you put the sample in two or more
  • Figure 2 Alignment edge to align the sample surface in the focused beam a) Align the alignment edge (21) with a flat or cylindrical sample (plate or rod) (24). b) Aligning edge with curved surface sample (26), Reflection in focus: Planar wavefront reflected at a wide spatial angle, c) Aligned edge with curved sample
  • the alignment edge may be on spherical samples
  • the alignment edge can in cylindrical samples (sub-image a) and sub-image f)) be symmetrical in two planes.
  • FIG. 13 Electro-optical scanning with several, successively connected electro-optical crystals (Pockels cells). The Tera-Hertz beam is refocused to enhance detection in the next crystal. Any set of electro-optical crystals and optical detectors (lambda / 4 or lambda / 2-plate,
  • the optical pulse is split and actively or passively polarized so that the position of the optical axis in the electro-optic crystal also coincides.
  • a Pockels cell serves as an active polarizer, and a lambda / 2 plate and / or wireframe polarizer are used as passive polarizers.
  • Figure 14 Schematic image of the electro-optical scanning: The polarization of an optical pulse (170) is due to the birefringence (174), which in the
  • Amplitude E is generated, modified in proportion to the value of the field. Imaging the resulting differences in intensity (representing ellipticity (76) (178)) using a pair of balanced photodiodes (179) in terms of relative delay time yields a signal that is proportional to the Tera-Hertz field.
  • Figure 15 Algorithm of the evaluation of the insertion or insertion
  • Figure 16 Schematic representation of a multidirectional, electro-optical
  • the polarization of the linearly polarized scanning rays (88) is set on an active or passive polarizer (to produce elliptical or special linear polarization).
  • the beam is then passed through a mirror transparent to Tera-Hertz radiation (84a) into an electro-optic crystal of particular crystallographic orientation (eg, [111]).
  • the elliptic Terahertz beam interacts with the crystal, changing its material properties and affecting the elliptical optical beam.
  • the beam through a non-polarizing beam splitters (122) are divided into two separate optical sensor units (123) (124).
  • Figure 17 Comparison of the reflections of cylindrical surfaces by means of measurement and simulation.
  • the amplitude of the spectral distribution (422) in given units over the frequency (423) in THz is shown in sub-figure a).
  • Measurements (420) and simulations (421) compared.
  • the amplitude (429) of the reflected electromagnetic pulse in given units over the radius (428) of the cylindrical sample in mm is shown in sub-figure b).
  • Amplitudes of the electromagnetic pulse are here reflected from a curved surface and shown for the measurements (425), simulations (426) and a best-fit function (427) over the radius (428) of the cylindrical sample.
  • the results are normalized to the value (424) of the reference measurement on a flat metal surface.
  • a flat metallic surface was simulated and measured as a reference.
  • processing and control unit e.g., real-time 2
  • processing and control unit e.g., real-time 1

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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

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Material-Eigenschaften einer Substrat-Probe im Tera-Hertz-Frequenzspektrum
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.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Aufgabe der Erfindung ist es somit, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, 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 verfahrensgemäß 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 detektions- empfindlich ist
Die Erfindung bietet vorteilhafterweise 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 weiche 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. Abbildung 1 , gekennzeichnet. Die Abbildungen enthalten lediglich Bauteilnummern oder Symbole. Die Bauteile der Erfindung werden durch Ziffern in Klammern, z.B. (1 ) angegeben. 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 (der Dicke(n) und/oder der dielektrischen 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 (Carbonfaserverstärkter Kunststoff , CFK) oder im Allgemeinen die faserverstärkten Polymere (faserverstärkter Kunststoff , 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 (Abbildung 1): 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 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 Abbildung 3 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 Abbildung 3 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 Abbildung 3 wird die
zusammengefasste Strahlung beider Emitter über den nicht-polarisierenden Strahlteiler (41 b) (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 (Abbildung 13) verteilt. Die polarisierungssensitive Tera-Hertz-Erkennungseinheit generiert mindestens drei Polarisierungssignale (dsi , dS2, dS3). 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 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 Abbildung 4 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 pm. Die Dicke der
Oberflächenvergütung (Decklack) beträgt ca. 30 - 100 pm.
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 nichtisotropen 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 um eine mehrschichtige Struktur, bei der sich die Kohlefaserschichten im Richtungsverlauf abwechseln (siehe Abbildung 5a). Die einzelnen Schichten wirken anisotrop oder sogar doppelt brechend im relevanten Frequenzbereich . Eine solche Faserschicht kann die Strahlung reflektieren oder übertragen oder nur einen Teil der Strahlung reflektieren. Das Niveau und die Art und Weise der Interaktion 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
Gewebefasem 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.
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). 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.
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 Kunststoff matrix (400) eingebettet sind, wie die Figur 6 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 letzten 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 pm. Kohlenstofffasern besitzen vergleichbar zu Graphit eine nicht zu vernachlässigende elektrische Leitfähigkeit, so dass von eine starke Reflektion des THz-lmpulses existiert, wenn die THz-Polarisation in Richtung der Faserorientierung gerichtet ist. Als Kunststoff-Matrix werden verschiedene Kunststoffe eingesetzt, wie beispielsweise Epoxid, 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 Kunststoff matrix 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.
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 Abbildung 5a. In einer solchen Probe kann man zwei oder mehr unterschiedliche Faserlagen unterscheiden. In Abbildung 5 a 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) (Abbildung 5b) 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 Abbildung 8a an drei unterschiedlichen Messpunkten auf der Probe ausgedrückt (102a) (102b) (102c). Die Amplitude des elektrischen Feldes in beliebigen Einheiten (100) wird in Abbildung 8a (und zudem in Abbildung 8b) 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) (Abb. 5b) 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 Abbildung 8 b 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 Abbildung 8b, der wie ein Nachhall des ersten Impulses (bei 0 ps) aussieht. In der Graphik in Abbildung 8b werden Wellenformen für drei unterschiedliche Messpunkte auf der Probe ( 03a) (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 Abbildung 8b) 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 x 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 Abbildung 9 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 Abbildung 9a gezeigter Position extrahiert und diese Werte (152) werden im mm-Maßeinheiten (150) (151 ) in Abbildung 9b dargestellt. Die
Darstellung in Abbildung 9c zeigt die Struktur der Fäden in der sichtbaren Struktur in Abbildung 9a. 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 Abbildung 9b 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 (Ρι, P2 und P3) auch zugewiesen. Die weiße Farbe bezeichnet Bereiche mit Deckschichtfasern, die parallel zur Polarisierung verlaufen (Beispiel: Position P^. 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, Abbildung 9c; 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 Abbildung 9b und Abbildung 9d (Pi und P2).
10 Messen der Anisotropie und anderer Werkstoffparameter der Probe
Die gesamte 3D-Anisotropie eines Materials wird durch seine Indikatrix, d.h. durch ein 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 n-i , n2 und die Rotation□ dieser Ellipse, siehe Abbildung 10, 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 ei und β2 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 (dsi , dS2, dS3) 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 (Abbildung 13 oder 16). 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.
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.
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 gemessen. Obwohl in einigen dieser Experimente 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 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 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 (GaAs Kristall, Niedertemperaturwachstums-GaAs, SnGa usw.) und/oder innerhalb eines elektrooptischen Kristalls (Pockels-Zelle, ZnTe-Kristall, LiNbOa). 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 Abbildung 14 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 (1 75) (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. K/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, nebeneinandersitzenden
Schaltern (wie in Abbildung 3, 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 Abbildung 16). 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 pm 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 Abbildung 11. 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 Abtaststrahl 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 Modularität 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- Polarisatoren 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-Polarisatoren oder Wollaston-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 ei und β2 erforderlich, wobei die Antwort in mindestens drei unterschiedlichen Polarisierungsrichtungen dsi, dS2. dS3 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 Rejektion oder
Transmission einer Probe verändert.
Der einfache Aufbau emittiert und erkennt in nur einer Polarisation (siehe 15 und Abbildung 11 ) 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 groß, 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 Geder 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 Abbildung 11 ) um weitere zwei (oder mehr) Tera-Hertz Emitter ergänzt, die unterschiedliche Polarisationen einer Strahlung (ei 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 Abbildung 3. 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 (41 b), 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) (41 b) 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, LiNbOß usw.) gefertigt sind oder andere, für Zeitbereichs-Tera-Hertz-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 Abbildung 3), 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 Auf baus 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)-Folie) 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-lmpulse 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-lmpulse
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 ) 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 Abbildung 13). 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 Polarisator) 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 Abbildung 3 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, der 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 Abbildung 12).
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 (Seite 90 und 91) beschrieben
werden:
Figure imgf000033_0001
und
Figure imgf000033_0002
Η (ζ) = £^ = ζ [ΐ + (^ (3)
Figure imgf000033_0003
bei dem:
r der Radialabstand von der Strahlmittelachse ist,
z der Radialabstand vom schmälsten Abschnitt des Strahls (der "Strahltaille") ist, i die imaginäre Einheit ist (für die i2= -1 ),
k = 2ττ/λ die Wellenanzahl (als Radiant pro Meter) ist und
E0 = IE(0,0)l 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
ζ(ζ) 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 = πω0 2/λ als Rayleigh-Bereich bezeichnet wird, Z 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 stark absorbiert, und der Fingerabdruck von Wasser lässt sich in Experimenten in einer Freiraumumgebung mit nicht vollständig trockener Luft 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 Abbildung 2).
Die Stromversorgung des Gerätes erfolgt über Netzanschluss mit genormtem
Stromkabel (z.B. 230 V/400V mit 50 Hz/60Hz) (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). Dort 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 Abbildung 3), 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) dri, ό , dr3 (302) und für die Probe dsi, dS2, dS3 (303), die Signale aus dem Normalisierungs-Tera-Hertz-Detektor (dni, dn2) (305), die optischen Signale der Probe und darin entstehende Reflektionen (Ii) (304) sowie die Referenzsignale vom Laserstrahl (lr1) (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) (3 3) 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,(t) (312) wird festgelegt (wird ebenfalls in den Frequenzbereich umgewandelt, g,(t) -> Gi(f) (314)) und die idealisierte Antwortfunktion des Systems Hj(f) (316) und hj(t) (317) wird so erstellt: hi(t) ist eine Funktion aus G(t) und gi(t), H, (f) -> h,(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, nichtlinearen 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 Abbildung 16). 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.
LambdaM Plättchen) verwendet werden. Zweck des Phasenverzögerers (175) ist, eine geregelte und kontinuierliche Phasenumschaltung und/oder Umkehrung der Polarisationsorientierung zur Ausbalancierung der Differentialdioden (179) (siehe Abb.
14, 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, Abb. 16, Seite 33) wie auch bei den optischen Sensoreinheiten) (89a) (89b) (89c) und beim
elektrooptischen Abtasten mit multiplen elektrooptischen Kristallen (Abschnitt 23, Seite
15, Abbildung 13, 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 Abbildung 12, 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 Abb. 17a) 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 Abbildung 17b 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:
A(r) = A0(1 - exp [-k2(r - k3)ki]), (5)
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, k-i, k2 und k3 = Koeffizienten, die mittels Methode der kleinsten Quadrate geschätzt wurden: ki = (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 Abb. 17b).
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
Abbildung 1 : 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 Verarbeitungsund 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.
Abbildung 2: Infrastruktur des vorgeschlagenen Gerätes mit internen Verbindungen. Unterabbildung 2a): Elektrooptische Einheit mit Messkopf und Ausrichtungskante für die Einstellung der Probe (ebene Form und/oder zylindrische und/oder andere Form), siehe Abbildung 12. Unterabbildung 2b): 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.
Abbildung 3: der vorgeschlagene, polarisationssensitive TDTS Messaufbau in Null- Grad Reflektionsgeometrie. Der Strahl eines Femtosekundenoszillators/-Iasers (31 ) wird zweifach aufgespalten: in den Pumpstrahl und den Abtaststrahl. Dies geschieht mittels Strahlteiler (32a).
Abbildung 4: 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). Abbildung 5: 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.
Abbildung 6: Faser-Einbettung (401 ) in eine Kunststoffmatrix (400)
Abbildung 7: 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).
Abbildung 8: Messung einer CFK Probe in zwei Polarisationskonfigurationen der Strahlung und Faserrichtungen. Bei Konfiguration A (Übersicht in Abbildung 5b (252) und Ergebnisse der Messung in Unterabbildung 8a) verliefen die Fasern in der
Deckschicht (Schicht 1 (70), Abb. 5a) 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 ), Abb. 5b) war nicht erkennbar. Bei Konfiguration B (Übersicht in Abbildung 5b (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.
Abbildung 9: 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 (Ρι, 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.
Abbildung 10: Die Ellipsen der Brechungsindices auf der Oberfläche einer anisotropen Probe. Die Ellipse kann durch ihre Hauptachsen η·ι , Π2, den Rotationswinkel Φ oder durch drei auf ihrer Umrisslinie liegende Punkte (dsi , dS2> dS3) (303) beschrieben werden. Die drei auf der Umrisslinie liegenden Punkte werden mittels dreier Detektoren erkannt. Das Licht wird von zwei Emittern (e-ι , 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.
Abbildung 11 : 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.
Abbildung 2: 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.
Abbildung 13: 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 (ds-i , ds2, ds3, 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.
Abbildung 14: 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 ( 76) (178)) mit Hilfe eines Paares ausbalancierter Photodioden (179) im Hinblick auf die relative Verzögerungszeit ergibt ein Signal, welches proportional zum Tera-Hertz-Feld verläuft.
Abbildung 15: Algorithmus der Bewertung der Messung eines Einschiebt- oder
Mehrschichtsystems.
Abbildung 16: 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).
Abbildung 17: 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 Beschreibung Abbildung
Sortierung
1 1 Verarbeitungs- und Steuereinheit (z.B. Echtzeit- 2
System)
1 1 Verarbeitungs- und Steuereinheit (z.B. Echtzeit- 1
System)
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. 11
780 nm oder 1560 nm
31 31 von Femtosekundenlaser, z.B. Abstrahlung bei ca. 3
780 nm oder 1560 nm
31 31 Femtosekunden-LASER 2
32c 32c Strahlteiler 3
32b 32b Strahlteiler 3
32a 32a Strahlteiler 3
32a 32a Strahlteiler (nicht-polarisierend, optisch- oder 2
faserbasiert)
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 Bauteil Bauteil für Beschreibung Abbildung Sortierung
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
41 a 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 Kohlenstofffasem in Epoxidmatrix (mit 4
angeschliffener Oberfläche)
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 vor dem elektrooptischen Kristall 3 13
81 b 81 b 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- 13
Strahlung, z.B. PET Folie, wahlweise metallisiert
84d 84d optischer Spiegel 4, transparent für Tera-Hertz- 13
Strahlung, z.B. PET Folie, wahlweise metallisiert
84c 84c optischer Spiegel 3, transparent für Tera-Hertz- 13
Strahlung, z.B. PET Folie, wahlweise metallisiert
84b 84b optischer Spiegel 2, transparent für Tera-Hertz- 13
Strahlung, z.B. PET Folie, wahlweise metallisiert Bauteil Bauteil für Beschreibung Abbildung
Sortierung
84a 84a optischer Spiegel 1 , transparent für Tera-Hertz- 13
Strahlung, z.B. PET Folie, wahlweise metallisiert
85b 85b optischer Spiegel 13
85a 85a optischer Spiegel 13
86b 86b passiver Polarisator, Lambda/4 oder Lambda/2 13
Plättchen
86a 86a passiver Polarisator, Lambda/4 oder Lambda-/2 13
Plättchen
87 87 aktiver oder passiver Polarisator, Pockels-Zelle 13
88 88 Abtaststrahl 13
89c 89c zum optischen Detektor 3: Lambda/4 oder Lambda/2 13
Plättchen, Wollaston-Prisma und Differentialdioden
89b 89b zum optischen Detektor 2: Lambda/4 oder Lambda/2 13
Plättchen, Wollaston-Prisma und Differentialdioden
89a 89a zum optischen Detektor 1 : Lambda/4 oder Lambda-/2 13
Plättchen, Wollaston-Prisma und Differentialdioden
100 00 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 16
seiner kristallographischen Achsen
121 121 aktiver oder passiver Polarisator 16
122 122 nicht-polarisierender Strahlteiler 16
123 123 zum optischen Detektor 1 : Lambda/4 oder Lambda/2 16
Plättchen, Wollaston-Prisma und Differentialdioden
124 124 zum optischen Detektor 2: Lambda/4 oder Lambda/2 16
Plättchen, Wollaston-Prisma und Differentialdioden
150 150 Breite x 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 54 Beispiel-Wellenform aus Bereich mit 9
Deckschichtfasern parallel zur Polarisation (Position
D M1I \)
55 55 Beispiel-Wellenform aus Bereich mit 9
Deckschichtfasern senkrecht zur Polarisation
(Position P2)
156 156 Beispiel-Wellenform aus transienten oder 9
Mischbereichen (Position P3) Bauteil Bauteil für Beschreibung Abbildung
Sortierung
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-, Auswertungs2
und Anzeige-Einheit
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 Bauteil Bauteil für Beschreibung Abbildung Sortierung
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 5
Deckfasem
253 253 Konfiguration B Polarisation senkrecht zu 5
Deckfasern
262 262 Tera-Hertz-Emitter 1
263 263 Polarisator 1
264 264 Strahlteiler 1
266c 266c Kunststofflinse 1
266b 266b Kunststofflinse 1
266a 266a Kunststofflinse 1
267 267 Tera-Hertz Detektor mit polarisationssensitiver 1
Erkennung
268b 268b Fasern 1
268a 268a Fasern 1
269 269 zum analogen Lock-In Analysatorsystem und zum 1
PC
300 300 Start 5 301 301 Lesen und Erfassen von Datensignalen von der 15
Detektoreinheit bzw. vom Detektor
302 302 Einheiten bei Messung einer Referenzprobe (üblich: 15
Metallplatte): dn, dr2, dr3
Signale von der Detektoreinheit bzw. vom Detektor
303 303 Einheiten bei der Messung einer Probe: dsi, dS2, ds3 15 304 304 Probensignal(e) vom Laserstrahl: h 15 305 305 Signal vom Normalisierungsdetektor: dn-ι, dn2 15 306 306 Referenzsignal(e) vom Laserstrahl: In 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: 15 Bauteil Bauteil für Beschreibung Abbildung Sortierung
Hi(f)
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 17
Impulses bei den Messungen
421 421 Frequenzspektrum des elektromagnetischen 17
Impulses bei den Simulationen
422 422 Amplitude /beliebige Einheiten 17
423 423 Frequenz /THz 17
Reflektion von einer ebenen Probe - Metallreferenz
424 424 Platte (normalisierte Werte) - gemessen und 17
simuliert
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 / beliebige Einheiten 17

Claims

Patentansprüche
1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. 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.
9. 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.
10. 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.
11.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.
12. 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 elektro- optische 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.
13. 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.
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