Universität zu Köln

Schlöder, Frank (2006). Entwicklung eines Laser Seitenband Spektrometers für extrem breitbandige Frequenzanalyse. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Sowohl in der Radioastronomie als auch in der Atmosphärenforschung gibt es einen Bedarf für breitbandige Spektrometer mit einer Bandbreite von bis zu 10 GHz und einer moderaten Auflösung. In der Radioastronomie wurde durch die stete Weiterentwicklung der Heterodynempfangssysteme der THz-Bereich für die Beobachtung zugänglich. Dies erfordert bei zahlreichen Beobachtungen, z.B. des galaktischen Zentrums, breitbandige Spektrometer, da die Geschwindigkeitsverteilung von Molekül- und Atomlinien in diesen turbulenten Gebieten sehr hoch ist. Die Auflösung des Spektrometers kann dabei in einen Bereich von 50-100 MHz liegen. Auch in der Atmosphärenforschung werden breitbandige Spektrometer benötigt, um die vollständige Information aus den Flügeln der druckverbreiterten Linienprofile zu gewinnen. Ziel dieser Arbeit war es daher ein Spektrometer zu entwickeln, das die Möglichkeit einer breitbandigen Frequenzanalyse bietet. Dies wird durch die Modulation eines Lasers mit einem externen Phasenmodulator möglich. Der Phasenmodulator kann das Laserlicht mit Frequenzen über 10 GHz modulieren. Zur Frequenzanalyse der so erzeugten Seitenbänder dient ein Fabry-Perot Etalon. Durch die Ausleuchtung des Etalons mit einer Zylinderlinse konnte erreicht werden, dass das vom Etalon erzeugte Ringsystem auf eine Zeile transformiert wird. Dies ermöglicht eine effiziente Ausnutzung des Signallichts. Um die Eigenschaften des in dieser Arbeit entwickelten Spektrometers zu charakterisieren und die Ausleuchtung des Etalons zu optimieren wurde ein Simulationsprogramm entwickelt. Mit Hilfe der Simulation ist es möglich eine Aussage über die Mindestgröße der Apertur des Etalons zu treffen, um die "walk-off" Verluste zu reduzieren. Es konnte zudem an Hand der Simulation gezeigt werden, welchen Einfluss die Ausleuchtung des Etalons auf die Auflösung und Intensitätsverteilung über das gesamte Band hat.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Recent technological developments have significantly improved the sensitivity of high frequency heterodyne receivers, which now allow efficient astronomical observations at frequencies of 1 THz and above. Typical targets for these high frequency observations include the galactic center as well as extra galactic sources, where atomic and molecular transitions are largely broadened in turbulent regions. Observations at frequencies above a few THz often require a new class of back-ends, that provide a high instantaneous bandwidth of more than 5 GHz at moderate resolutions of a few hundred to a thousand frequency pixels. Also measurements in the earth's atmosphere will largely benefit from a high bandwidth device that covers the broadened lines from different altitudes. In this thesis I have developed the prototype for a new type of spectrometer, that can fulfill most of the requirements of THz astronomy and atmospheric research. The system is based on the side-band detection of phase modulated laser light: the intermediate frequency (IF) from the receiver (range up to 10 GHz) is fed to a commercial phase modulator. The modulated laser is passed through a Fabry Perot Interferometer (FPI) and then detected on a CCD. For properly matched optics, the FPI produces a ring system that contains all the spectral information of the IF input signal. The performance of the developed spectrometer depends heavily on the optical setup and parameters of its components. The overall bandwidth is defined by the phase-modulator as well as the length of the FPI, the resolution is defined by the diameter, the optical quality, and the illumination of the FPI. The sensitivity of the system is limited by the noise characteristics of the CCD and by successful carrier suppression. To characterize the performance of the spectrometer, a ray-tracing software has been developed, that simulates the electro-magnetic field distribution in the FPI, taking into account various effects like refraction, walk-off losses and optical quality of the components. The results of the simulations match well the measured spectra and can explain oscillations and other side effects observed in the spectrometer. Furthermore, one can now systematically analyze the system for a given FPI, and optimize the performance by searching the best laser beam parameters and illumination of the FPI. The results can also be used to define the requirements on the optical components for future developments. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Schlöder, Frank schloeder@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-20468
Date:	2006
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 astronomy , Fabry-Perot , side-band , interferometer , THz English
Date of oral exam:	11 July 2006
Referee:	Name Academic Title Schieder, Rudolf Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2046