Universität zu Köln

Olbrich, Michael (2005). Akusto-Optische Signalverarbeitung mit dem Material Rutil. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In der Radioastronomie und in der Atmosphärenforschung erlauben moderne Heterodyn-Empfangssysteme die Beobachtung von Atom- und Molekülübergangslinien mit ZF-Bandbreiten von bis zu 4 GHz. Zur Abdeckung dieser großen Bandbreiten wurden bisher Echtzeitspektrometer eingesetzt, die entweder nur eine geringe Auflösung aufweisen oder Hybrid-Spektrometer, die die Bandbreite durch das Zusammenschalten mehrerer Subsysteme erreichen. Solche Hybrid-Spektrometer sind zum einen sehr komplex und zum anderen zeigt diese Art von Spektrometern einen Platforming-Effekt. Ziel dieser Arbeit war es deshalb, ein Echtzeitspektrometer zu entwickeln, das auf Akusto-Optik basierend intrinsisch eine Bandbreite von >= 3 GHz bei moderater Auflösung (< 3 MHz) zur Verfügung stellt. Zur Entwicklung des Prototypen des Breitbandigen Akusto-Optischen Spektrometers (BAOS) war es notwendig von der bisher in AOS verwendeten Laserwellenlänge im Infraroten zu einer kürzen Wellenlängen im Blauen zu wechseln. Des weiteren wird für das BAOS eine Bragg-Zelle verwendet, die nicht auf Lithium-Niobat basiert, sondern auf Rutil. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein mathematisches Modell entwickelt, das in Fraunhofer-Näherung das zweidimensionale Beugungsbild des Bragg-gebeugten Laserlichts auf dem CCD beschreibt und somit die Möglichkeit bietet, im Vorfeld der Spektrometer Entwicklung die optimale Ausleuchtung der Bragg-Zelle und die erwartet Effizienz des BAOS zu bestimmen. Mittels dieser Berechnungen wurde der optische Aufbau des Prototypen-BAOS konstruiert und die Kenndaten des Spektrometers experimentell bestimmt. Wie sich zeigt, erfüllt der Prototyp des BAOS die Erwartungen hinsichtlich Bandbreite, Auflösung, Noise Dynamic Range (NDR) und Stabilität voll und ganz. Allerdings ist die Effizienz des optischen Aufbaus ca. 10 dB geringer als das theoretische Modell vorhersagt. Im Rahmen der experimentellen Untersuchung wurde erstmalig der NDR eines Akusto-Optischen Spektrometers direkt aus der Messung des Spektrometer Rauschens bestimmt. Das Ergebnis dieser Messung stimmt sehr gut mit den theoretischen Erwartungen überein. Des weiteren wurde das Stabilitätsverhalten Akusto-Optischer Spektrometer untersucht. Dabei wurde besonderer Wert auf die Untersuchung des Streulichtverhaltens gelegt. Deshalb wurde im Rahmen dieser Arbeit eine Methode entwickelt, die die Stabilität eines AOS sowohl mit als auch ohne ZF-Signal mißt und die Ergebnisse miteinander vergleichbar macht. Experimentell verifiziert wurden die theoretischen Erwartungen mit Hilfe zweier Lithium-Niobat AOS und dem BAOS. Das Ergebnis der experimentellen Untersuchung erfüllt nicht vollständig die Erwartungen. Sie zeigt jedoch deutlich, daß Streulichtschwankungen in zwei der drei untersuchten AO-Spektrometern keinen Einfluß auf die Stabilität haben, weil das Streulicht im jeweiligen Spektrometer minimiert wurde. Eines der beiden Spektrometer ist das BAOS. Zusätzlich wurde das Verhalten der Allan-Minimumszeit bei Addition von Frequenzkanälen der angesprochenen drei Akusto-Optischen Spektrometer untersucht. Bei dieser Untersuchung wurde festgestellt, daß das AOS, dessen Stabilität durch Streulichtschwankungen bestimmt wird, keine Veränderung in der Allan-Minimumszeit zeigt. Somit kann das Verfahren der Addition von Frequenzkanälen als Test dienen, ob die Driften im AOS durch Streulichtschwankungen hervorgerufen werden oder nicht. Zum Abschluß dieser Arbeit wird eine mögliche Weiterentwicklung des BAOS vorgestellt, von einem Prototypen-Aufbau hin zu einem Aufbau, der an einem Heterodyn-Empfangssystem (THIS) eingesetzt werden kann. Mit Hilfe der Beugungsrechnung wurde die erwartete Auflösung und Fluktuationsbandbreite sowie die Effizienz des zukünfigen optischen Aufbaus bestimmt. Weiterhin wird in diesem Abschnitt ein mögliches Design des zukünfigen optischen Aufbaus vorgestellt. Im Rahmen einer Diplomarbeit soll dieser optische Aufbau innerhalb des nächsten Jahres entwickelt werden. Während der Entwicklung werden die noch zu untersuchenden Komponenten (z.B. ein CCD mit 6000 Pixeln) getestet und nach vollendetem Aufbau die Kenndaten des zukünftigen BAOS im Labor bestimmt. Des weiteren sollen mittels THIS erste astronomische Messungen durchgeführt werden.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Acousto-Optical Signalprocessing with the material Rutile English
Translated abstract:	Abstract Language The onward development of heterodyne receivers for radioastronomical observatories allows astronomers to observs atomic and molecular transitions in a frequency range of 1 to 5 THz. Present designs of SIS-mixers allow IF bandwidth up to 4 GHz with acceptable noise temperatures (120 K). Consequently, real-time spectrometers for such receivers have to cover the larger IF bandwidth. Therefore, the purpose of this thesis is the theoretical investigation and experimental setup of an Acousto-Optical Spectrometer (AOS) that provides an intrinsically large bandwidth at moderate resolution. The large intrinsic bandwidth of the spectrometer was achieved by switching the Bragg-cell material from Litihium-Niobate to Rutile. This step was made because Rutile shows a lower attenuation of the propagating supersonic wave inside the crystal compared with Litihium-Niobate. Also, the previously used laser wavelength (780 nm) had to be changed to a shorter wavelength due to the fact that the efficiency of the Bragg-diffraction increases with shorter wavelength. The mentioned theoretical and experimental investigations yielded a prototype of a Broadband Acousto-Optical Spectrometer (BAOS) based on a Rutile Bragg-cell and an OPS-Laser (Optically Pumped Semiconductor Laser, operating at 488 nm wavelength) with an intrinsic bandwidth of 3 GHz and a resolution of 2 MHz. The performance of the prototype BAOS regarding frequency non-linearity, noise dynamic range and stability is comparable to a Lithium-Niobate based AOS. Further studies of the Rutile Bragg-cell using the Schlierenimage method demonstrate that the Bragg-cell provides a higher resolution than 2 MHz. Therefore, a future design of the BAOS, using appropriate imaging optics and a CCD with 6000 pixel, should provide a resolution less then 1.4 MHz whereby the bandwidth is still 3 GHz. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Olbrich, Michael olbrich@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-16784
Date:	2005
Language:	German
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Akusto-Optik, Spektrometer, Radioastronomie German Acousto-Optics, Spectrometer, Radioastronomy English
Date of oral exam:	7 February 2006
Referee:	Name Academic Title Schieder, Rudolf Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1678