Universität zu Köln

Grambusch, Timo (2014). Über fokussierende Gitterspiegel zur kontinuierlichen Abstimmung von Quantenkaskadenlasern im THz-Bereich. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Die Untersuchung von Molekülwolken im Weltraum ist eine wichtige Voraussetzung um dieVorgänge der Sternentstehung verstehen zu können. Die Moleküle erzeugen diskrete Spektrallinien, die Aufschlüsse über die Zusammensetzung der Wolken liefern. Eine Methode diese Linien zu untersuchen ist das Heterodynverfahren, welches dazu geeignet ist diese Linien in einer hohen spektralen Auflösung zu messen. Zur Durchführung dieses Verfahrens wird ein Lokaloszillator (LO) benötigt, der Frequenzen in derselben Größenordnung wie die zu messenden erzeugt. Der LO muss genügend Strahlenleistung bereitstellen, um möglichst viele Messungen gleichzeitig durchzuführen können. Je kontinuierlicher und monochromatischer die Strahlung des LO bei dem Verfahren ist, desto weiter auseinander liegende Spektrallinien können gemessen und höher aufgelöst werden. Die Zielsetzung dieser Arbeit ist es, die Grundlagen zu entwickeln um einen solchen LO im Terahertz (THz)-Bereich herstellen zu können. Heutige LO im unteren THz-Bereich sind monochromatisch und können kontinuierlich abgestimmt werden. Deren Strahlungsleistung ist jedoch zu gering, um viele Messungen gleichzeitig durchzuführen zu können. Quantenkaskadenlaser (QCL) bieten sich als LO an, da diese eine hohe Strahlungsleistung im THz-Bereich produzieren. Allerdings lassen sie sich nicht ohne weiteres kontinuierlich abstimmen. Ein externer Resonator (ER ) im Littrowaufbau ist eine gängige Methode, um QCL im höheren THz-Bereich abzustimmen. Diese Methode kann aber für den niedrigen Bereich nicht einfach übernommen werden. Speziell das Problem der dafür benötigten Entspiegelung der Facetten des QCL, wurde bis heute nicht vollständig gelöst. Daher konnte bisher kein QCL im unteren THz-Bereich mit einem ER betrieben werden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, einen ER in einem Littrowaufbau zur Abstimmung von QCL im unteren THz-Bereich zu entwickeln. Dafür wurde ein fokussierender Gitterspiegel (FG) als ER entwickelt, optimiert, gefertigt und vermessen. Ein FG ist eine Kombination eines Parabolspiegels mit einem Reflexionsgitter, mit der es möglich ist eine Beugungsordnung des Gitters zu kollimieren und gleichzeitig eine in den Brennpunkt der Parabel zurück zu fokussieren. Die Kombination eines Parabolspiegels mit einem Reflexionsgitter hat gegenüber herkömmlichen ER im Littrowaufbau den Vorteil, dass diese die externe Resonatorlänge minimiert und somit die Anzahl der Resonatormoden am stärksten einschränkt. Ein wesentlicher Teil dieser Arbeit bestand darin, ein Verfahren zur Berechnung der Beugungseigenschaften des FG zur Optimierung der FG Parameter zu entwickeln. Das entwickelte Verfahren basiertauf dem Helmholz-Kirchhoffschen Beugungsintegral (HKI). Zur Bestätigung der Berechnungsergebnisse der Beugungseigenschaften, wurde ein auf 460 GHz skalierter FG im Littrowaufbau gefertigt. Mit diesem konnten die Beugungseigenschaften vermessen werden. Die Messergebnisse des 460 GHz-FG entsprachen den berechneten Beugungsintensitäten. Als Quelle wurde ein Gunn-Oszillator in einer Vervielfacherkette anstatt eines QCL genutzt, um die gleichzeitige Entwicklung eines THz-QCL zu unterstützen. Somit konnte in dieser Arbeit zum einen gezeigt werden, dass der FG als ein ER im Littrowaufbau genutzt werden kann. Zum anderen konnte aber auch gezeigt werden, dass sich die Parameter des FG mithilfe des auf das HKI basierenden Verfahrens optimieren ließen. Mit den Ergebnissen dieser Arbeit kann für zukünftige QCL ein FG im Littrowaufbau gefertigt werden.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language The analysis of molecule clouds in space is an important requirement for being able to understand the process of star formation. The molecules create discrete spectral lines which give information about the formation of the clouds. One method to analyse these lines is the heterodyn detection which is suitable to measure these lines in a high spectral resolution. To conduct this detection a local oscillator (LO) is required. It creates frequencies in the same magnitude order as the ones which are to be measured. The LO has to provide enough radiation power to be able to conduct as many measurements as possible. The more continuous and monochromatic the LO’s radiation is within this detection the more widely spaced spectral lines can be measured and be resolved more highly. The aim of this thesis is to develop the basics to be able to produce such an LO in the THz regime. Current LOs in the lower THz regime are monochromatic and can be tuned continuously. However, their radiation power is too low to conduct many measurements at the same time. Quantum Cascade Laser (QCL) are suitable as LO since these create a high radiation output. They can’t be tuned continuously without further ado, though. An external cavity (EC) in Littrow mounting is a current method to tune QCL in the higher THz regime. Unfortunately this method cannot be easily transferred to the lower regime. Especially the problem of the required antireflection coating of the facets of the QCL has not been solved completely to this day. Therefore the operation of a QCL in the lower THz regime with an EC has not been possible yet. This thesis is aimed at the development of an EC in a Littrow mounting to tune the QCL in the lower THz regime. For this reason a focused grating mirror (FG) was developed, optimized, produced and tested to be used as an EC . An FG is a combination of a parabolic mirror with a reflection grating with which it is possible to collimate a diffraction order of the grating and to focus one back into the focal point of the parabola at the same time. The advantage of the combination of a parabolic mirror with a reflection grating in comparison to conventional ECs in a Littrow mounting is that it minimizes the external cavity length and therefore is best able to constrict the number of cavity modes. An essential part of this thesis consisted in developing a method to calculate the FG’s diffraction characteristics to optimize the FG’s parameter. The developed method is based on the Helmholz-Kirchoff diffraction integral (HKI). A 460 GHz scaled FG in Littrow mounting was produced in order to confirm the diffraction characteristics’ results of the calculation. The diffraction characteristics could be measured with this. The measurement results of the 460 GHz-FG correlate with the calculated diffraction intensities. A Gunn-oscillator in a multiplier chain was used as source instead of a QCL in order to support the simultaneous development of a THz-QCL. Consequently on the one hand it could be shown in this thesis that the FG can be used as an EC in Littrow mounting. However, on the other hand it could also be shown that the FG’s parameter could be optimized by means of using the method based on the HKI. Using the results of this thesis FGs in Littrow mounting can be produced for future QCLs. English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Grambusch, Timo grambusch@gmx.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-56103
Date:	7 April 2014
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 Quantenkaskadenlaser, QCL, externer Resonator, Littrowaufbau, fokussierernder Gitterspiegel German
Date of oral exam:	28 May 2014
Referee:	Name Academic Title Stutzki, Jürgen Prof. Dr. Jolie, Jan Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5610