Более десяти лет назад технология терагерцового диапазона была следующей большой вещью. Тогда много говорилось о сканерах «обнаженного тела». Люди думали, что устройства, которые устанавливаются в аэропортах, будут делать откровенные изображения пассажиров. Более того, ученые надеялись разработать измерительные системы для испытания материалов и проверки компонентов с использованием терагерцового излучения.
Несмотря на все эти большие ожидания, долгожданного прорыва в области терагерцовых технологий не произошло. По сравнению с традиционными методами, используемыми в настоящее время для неразрушающего контроля, такими как рентгеновское излучение или ультразвук, терагерцовая технология просто слишком дорога, громоздка и в целом непрактична.
Измерительная система с инновационной сенсорной головкойПоследние разработки Института связи Фраунгофера, Института Генриха Герца, HHI в Берлине, теперь могут дать решающий импульс терагерцовым технологиям. Исследовательская группа Торстена Гобеля, который возглавляет исследовательскую группу терагерцового диапазона в HHI, преуспела в разработке терагерцовых устройств, которые впервые сделаны из стандартных и, следовательно, недорогих компонентов, а также относительно просты в обращении.
На выставке Hannover Messe эксперты представят терагерцовую измерительную систему с инновационной сенсорной головкой, которая позволяет легко тестировать различные компоненты, такие как пластиковые трубки. Принцип, используемый Fraunhofer HHI для генерации терагерцового излучения, основан на оптоэлектронном методе. С помощью специального полупроводника импульсы лазерного света преобразуются в электрические терагерцовые импульсы длительностью всего одну миллиардную долю секунды.
Причина отсутствия успеха терагерцовой технологии до сих пор в основном связана с необходимыми свойствами используемых полупроводников. Это могло быть достигнуто только с материалами, которые требовали освещения с длиной волны 800 нанометров.
И лазер, и оптические компоненты терагерцовой системы слишком дороги и недостаточно надежны для промышленного использования при использовании этой довольно экзотической длины волны.Обычно используемый стандарт длины волны«Поэтому мы разработали полупроводник, который можно стимулировать лазерным светом с длиной волны 1,5 микрометра», — говорит Гобель. «В оптической связи эта длина волны является стандартной, поэтому на рынке имеется большое количество недорогих и высококачественных оптических компонентов и лазеров».
Однако на пути к созданию доступной и удобной терагерцовой системы для тестирования материалов необходимо было преодолеть одно препятствие. До сих пор сенсорная головка для сканирования компонентов была слишком большой и тяжелой, чтобы ее было легко использовать. Причина: терагерцовый передатчик и приемник были двумя отдельными компонентами, которые нужно было установить в корпусе с большим усилием и точностью. Основным недостатком такой конструкции было то, что образцы можно было измерять только под углом.
Следовательно, объект должен быть точно в фокусе передатчика и приемника, чтобы терагерцовый сигнал, посланный от передатчика через образец, мог отображаться на приемнике. Если расстояние между сенсорной головкой и образцом изменяется, например, из-за вибрации, измерения становится труднее.Специалисты Fraunhofer HHI решили эту проблему, изготовив интегрированный чип, который может передавать и принимать одновременно.
Теперь можно использовать одиночную оптическую линзу, которая фокусируется на объекте, что обеспечивает гибкое рабочее расстояние. Исследователи упаковали этот приемопередающий блок, трансивер, в удобную небольшую сенсорную головку диаметром всего 25 и длиной 35 миллиметров. Устройство будет представлено на выставке в Ганновере.Более того, эти прототипы сенсорных систем терагерцового диапазона уже некоторое время используются производителями пластиковых труб.
Эти датчики используются непосредственно в производственной линии для контроля толщины стенок трубы. Если стенки слишком тонкие, труба становится неустойчивой. Если они будут слишком толстыми, ценный пластик будет потрачен впустую. До сих пор производство пластиковых труб контролировалось с помощью ультразвуковой системы.
Поскольку ультразвук не может правильно измерить в воздухе, необходима вода. Как и в случае с гелем для ультразвуковых исследований, который используют врачи, вода действует как связующая среда между головкой ультразвукового датчика и трубкой.
Следовательно, трубы с температурой почти 250 градусов Цельсия необходимо протянуть через резервуар для воды. Кроме того, ультразвуковая технология также не работает с так называемыми интеллектуальными трубами, которые построены из широкого диапазона слоев различных материалов.Еще одно будущее приложение — проверка красок и покрытий на армированных волокном композитных материалах.
Сегодня можно использовать удобное вихретоковое оборудование на металлических подложках, таких как листовой металл для автомобильной промышленности. Однако этот метод не работает с волокнистыми композитами с плохой проводимостью. «Потребность в надежном процессе измерения огромна, — говорит Гобель, — потому что рынок композитных материалов растет в автомобильной, авиационной и ветроэнергетической отраслях».Хотя новая терагерцовая сенсорная система построена из недорогих стандартных оптических компонентов, в настоящее время она дороже, чем, например, ультразвуковые устройства, которые производятся в количествах многих сотен тысяч. «Однако цена упадет в будущем, когда объемы производства начнут расти», — прогнозирует Гобель.
Учитывая преимущества метода измерения и текущие достижения, Гобель считает, что терагерцовый метод будет успешно применяться в ближайшие годы.