Universität zu Köln

Gál, Csaba (2005). Development of a Wide Bandwidth Array Acousto-Optical Spectrometer for the Herschel Satellite Mission. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The Herschel satellite observatory will explore the universe at far-infrared, submillimetre, and millimetre wavelengths. This regime of the electromagnetic spectrum is difficult to observe, because water vapour in the Earth's atmosphere absorbs the signals of almost all the astronomical sources. With the 3.5m telescope (the largest ever placed aboard a spacecraft), it will be possible to observe various atomic and molecular lines with exceptionally high spatial resolution. The receiver system employs the heterodyne technique, and the spectral information is obtained by means of real-time spectrometers. Within this thesis, the requirements, specifications, design concept, and development of a wide bandwidth array acousto-optical spectrometer (WBS) is discussed. Both ground-based and satellite applications have demonstrated that acousto-optical spectrometers (AOS) utilize a reliable signal-processing technique. For the Herschel mission, the spectrometers demand a large frequency bandwidth and high resolution. These are achieved by means of hybrid technology. This means that the signal is split into four sub-bands and analyzed by using a four-channel array Bragg cell. The spectra of the four individual channels are co-added by software to create the complete wide bandwidth spectrum of the input signal. Since the channels of the deflector are illuminated by a semi-conductor laser that provides relatively low optical power, the imaging optical system requires careful design to make the instrument efficient. In comparison with earlier AOSs, the Herschel WBS has outstanding optical efficiency due to its diffraction-limited and efficiency-optimized optical design. The first part of the optics that illuminates the Bragg cell (Laser Source Module) comprises two laser diodes (the second laser is needed for redundancy reasons), the collimation and imaging optics, and the specially-designed beam splitter. The great advantage of the prism-based beam splitter design is that it generates the four beams necessary for the illumination of the deflector and makes it possible to couple the light of the redundant laser without applying an additional beam splitter, which would significantly reduce the efficiency of the instrument. The second part of optics images the deflected light of the Bragg cell onto a four-line linear CCD detector. The design of the diffraction limited lens system makes it possible to achieve the required high resolution and high efficiency. At the same time, the optimization of the optical efficiency affects the mechanical and thermal sensitivity of the spectrometer. Since the high mechanical stability is an important concern for the spectroscopic stability performance of the instrument, it is essential to use materials that have high stiffness and low thermal expansion. Specifically, the mounting of the laser diode requires a thermally compensated design to reduce the deformations caused by thermal changes. In addition to the high stiffness, the weight of satellite-borne instruments must be minimized. Thus, most of the components are light weighted and made of a special aluminium alloy. The imaging optical system of the spectrometer is designed to be diffraction limited. However, the deflector considerably reduces the resolution, since it has a small aperture, and the acousto-optical material has poor optical quality. For the first time, theoretical investigations of the resolution involving the Bragg cell were carried out. The diffraction phenomenon of the acoustic aperture of the Bragg cell is studied by using the Fraunhofer diffraction theory. The model of the deflector includes the frequency-dependent dimension of the acoustic zone and the attenuation of the acousto-optical material. Furthermore, the model makes it possible to explore the impact of the illuminating laser beam position change relative to the active zone of the Bragg cell on the resolution of the spectrometer. For investigations of alignment errors, this is of particular importance. An additional highlight of this theoretical investigation is that lens aberration errors and crystal imperfections that adversely affect the wavefront aberration, i.e. the resolution, can be also examined by diffraction analysis. As part of the qualification procedure, thorough thermal, deformation, and resonance investigations are made with the spectrometer assembled with dummy loads. During the development phase, the early tests of mechanical deformations caused by thermal variations show the mechanical stability and thermal sensitivity of the instrument and therefore provide detailed information for further optical and mechanical development phases. Further resonance search tests are conducted to measure the mechanical stability of the unit. The power and frequency stability of the spectrometer is partly dependent on the performance of the laser diode and the stability of its power supply. Thus, the laser diodes selected from the batch of the flight lasers were investigated to determine their single mode behaviour, mode jump characteristics, wavelength hysteresis, and wavelength stability. Because the laser light feedback from the surfaces of the collimating optics might also appreciably reduce the power stability of the instrument, investigations are performed with the special collimator design of the WBS. In order to determine the reliability of the lasers, accelerated lifetime tests are performed, and conclusions are drawn relating to lifetime statistics. The WBS must meet strict performance standards before it can be flown on Herschel. The space-qualification procedure comprises diverse tests that simulate the extreme environment of the spectrometer in orbit. The results of these tests indicate the quality of the mechanical and optical design and confirm the adjustment precision of the instrument. Within the operating temperature range of the spectrometer, the efficiency, bandpass, and resolution variations are characterized. Moreover, the noise performance is investigated in detail. For prolonged astronomical measurements it is of crucial importance that the backend system does not significantly contribute to the radiometric noise. Due to the meticulous design of the WBS, the outstanding noise performance makes it possible to efficiently perform integrations of hundreds of seconds. All these tests indicate that the array acousto-optical spectrometer designed for the Herschel satellite will operate successfully.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Entwicklung eines breitbandigen Akusto-Optischen Array Spektrometers für das Satellitenprojekt Herschel German
Translated abstract:	Abstract Language Der Satellit Herschel soll das Universum im Ferninfraroten, Sub-Millimeter und Millimeter Wellenlängenbereich untersuchen. Dieser Bereich des elektromagnetischen Spektrums ist wenig erforscht, da der in der Erdatmosphäre vorhandene Wasserdampf die Signale der meisten astronomischen Quellen fast vollständig absorbiert. Durch das größte, jemals für einen Satelliten gebaute, Teleskop mit 3.5m Durchmesser, wird es möglich sein eine Vielzahl von atomaren und molekularen Linien des stellaren und interstellaren Mediums mit außerordentlich hoher räumlicher Auflösung zu beobachten. Das Empfangssystem basiert auf der Heterodyn-Technik, während die spektrale Information mit Echtzeit-Spektrometern gewonnen wird. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Anforderungen, Spezifikationen, Design-Konzepten und der Entwicklung eines breitbandigen akusto-optischen Array-Spektrometers, dem sogenannten WBS (Wide Bandwidth Spectrometer). Langjährige Erfahrungen während der Entwicklung und dem Betrieb von akusto-optischen Spektrometern (AOS) bei bodengebundenen und Raumfahrt-Anwendungen haben die hohe Zuverlässigkeit dieses Spektrometertyps belegt. Die hohen Anforderungen des Herschel-Projekts an Bandbreite und Auflösung konnten nur mit einer Hybrid-Lösung realisiert werden. Dabei wird das Signal in Sub-Bänder aufgeteilt und mithilfe einer 4-Kanal Bragg-Zelle analysiert. Die einzelnen Spektren der vier unabhängigen Kanäle werden per Software wieder zusammengesetzt, um das komplette Spektrum des Eingangssignals zu erhalten. Alle Kanäle der Bragg-Zelle werden dabei mit einem einzelnen Halbleiterlaser betrieben. Um eine hohe Effizienz des Spektrometers zu gewährleisten ist eine Optimierung des optischen Aufbaus erforderlich. Im Vergleich zu früheren akusto-optischen Spektrometers wurde beim WBS eine enorme Steigerung der optischen Effizienz erreicht. Das neuentwickelte Laser-Modul beinhaltet die notwendige Optik zur Ausleuchtung der Bragg-Zelle. Es besteht aus zwei Lasern - aus Sicherheitsgründen wurde ein Ersatzlaser integriert - mit zugehörigen Kollimations- und Zylinderoptiken und einem Strahlteiler. Die Verwendung von Prismen als Strahlteiler ermöglicht die Erzeugung von vier parallelen Laserstrahlen bei gleichzeitiger verlustfreier Einkopplung des redundanten Lasers. Dies ist ein wesentlicher Aspekt zur Gewährleistung der hohen optischen Effizienz. Der zweite Teil der Optik bildet das durch die Bragg-Zelle gebeugte Licht auf einen linearen 4-zeiligen CCD-Detektor ab. Dabei stellt das neue Design der beugungslimitierten Optik eine hohe Auflösung und Lichtausbeute sicher. Die Optimierung der optischen Effizienz bewirkt gleichzeitig eine Steigerung der mechanischen Empfindlichkeit des gesamten Spektrometers. Eine hohe mechanische Stabilität ist allerdings von besonderer Bedeutung bei der Erfüllung der spektroskopischen Stabilitätsanforderungen. Dies erzwingt den Einsatz von stabilen Materialien mit geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Insbesondere die Laserdioden-Montierung verlangte den Einsatz von Titan, um die thermischen Deformationen möglichst gering zu halten. Erschwerend ist bei einem Satellitenprojekt die geforderte hohe mechanische Stabilität bei gleichzeitig geringem Gewicht. Das Design des optischen Systems sollte eine beugungsbegrenzte Abbildung ermöglichen. Limitiert wird die Auflösung des WBS durch die begrenzte Apertur und die vergleichsweise schlechte optische Qualität der Bragg-Zelle. In dieser Arbeit wurden zum ersten Mal detaillierte theoretische Untersuchen über das Auflösungsvermögen eines akusto-optischen Array-Spektrometers durchgeführt. Die Beugung an der akustischen Apertur der Bragg-Zelle wurde mithilfe der Fraunhofer-Beugungstheorie berechnet. Das präzise Model des Deflektors berücksichtigt neben der frequenzabhängigen Größe der akustischen Zone auch die Abschwächung der Schallwelle durch das Deflektor-Material. Des weiteren wurde die Auswirkung der Laserstrahl-Position auf das Auflösungsvermögen des Spektrometers untersucht. Dies ist besonders wichtig bei der Bestimmung des Einflusses der Justage-Toleranzen. Das theoretische Model bietet zusätzlich die Möglichkeit durch Linsen- und Kristallfehler bedingte Wellenfrontstörungen und deren Auswirkung auf die Auflösung zu untersuchen. Als wichtiger Bestandteil der Qualifizierung wurden eingehende Untersuchungen der mechanischen Stabilität bei thermischen, Vibrations- und Montagebelastungen gemacht. Die frühen Thermaltests während der Entwicklungsphase gaben entscheidende Informationen, um eine weitere Optimierung des mechanischen und optischen Aufbaus zu erreichen. Die Resonanztests dienten zur Verifizierung der mechanischen Steifigkeit und Stabilität des Spektrometers. Die Laserdiode und deren Spannungsversorgung haben wesentlichen Einfluss auf die Frequenz- und Leistungsstabilität des Spektrometers. Besonders entscheidend sind dabei Modenstabilität, Modensprungverhalten und Wellenlängenstabilität. Um eine Vergleichbar-keit sicherzustellen, wurden Dioden aus dem selben Fertigungsprozess, aus dem auch die Flugdioden ausgewählt wurden, bezüglich dieser Eigenschaften untersucht. Auch Laser-Feedback von der Kollimationsoptik kann zu gravierenden Leistungsinstabilitäten führen. Eine Minimierung dieser Problematik wurde durch ein spezielles Design der Optik erreicht. Von besonderer Bedeutung sind die Ergebnisse des beschleunigten Lebensdauertest. Diese belegen, dass die Zuverlässigkeit des Spektrometers während der Missionsdauer gewährleistet ist. Die Qualifikationstests simulieren die extremen Bedingungen, unter denen das WBS ausgesetzt wird. Durch eine Vergleichsmessung vor und nach jedem Test wird verifiziert, dass die Performanz des Geräts auch unter extremen Bedingung und Belastungen erhalten bleibt. Das gute Ergebnis dieser Tests ist ein Beleg für die hohe Qualität des mechanischen und optischen Aufbaus, aber auch der außerordentlichen Präzision der Justierung. Innerhalb des Betriebstemperaturbereichs wurden vor allem die Änderung der Effizienz, des Bandpass und der Auflösung charakterisiert. Zusätzlich wurde das Rauschverhalten eingehend untersucht. Bei astronomischen Beobachten mit langen Integrationszeiten ist dies besonders bedeutsam, damit sichergestellt ist das vom Spektrometer keine zusätzlichen Beiträge zum radiometrischen Rauschen erzeugt werden. Aufgrund des soliden Aufbaus des WBS werden Integrationszeiten von mehreren 100 Sekunden ohne deutliche Effizienzverschlechterung erreicht. Alle durchgeführten Tests haben gezeigt, dass das Spektrometer die Anforderungen des Herschel Satelliten-Projekts erfolgreich erfüllen wird. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Gál, Csaba gal@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-17556
Date:	2005
Language:	English
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 , Herschel Satellite , Radioastronomie , astronomische Instrumentierung German acousto-optics , spektrometer , Herschel satellite , radioastronomy , astronomical instrumentation English
Date of oral exam:	19 July 2005
Referee:	Name Academic Title Schieder, Rudolf Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/1755