Universität zu Köln

Wagner-Gentner, Armin (2007). Aufbau, Optimierung und Charakterisierung der THz-Optik für GREAT auf SOFIA. PhD thesis, Universität zu Köln.

Preview

PDF Wagner_Diss_GREAT_Optik.pdf Download (8MB)

Abstract

Sternentstehung findet im dichten Teil der Molekülwolken des interstellaren Mediums statt. In diesen Gebieten werden die ablaufenden physikalischen und chemischen Prozesse maßgeblich von der Wechselwirkung zwischen der Materie und dem Strahlungsfeld eingebetteter junger Sterne bestimmt. Konsequenz der Bestrahlung mit FUV-Photonen (6eV<E<13.6eV) ist die Aufheizung des Staubes und des atomaren bzw. molekularen Gases. Dabei führt die auf Staubkörnern umgesetzte Photonenenergie zur Emission von IR-Kontinuumsstrahlung, wohingegen die vom atomaren bzw. molekularen Gas aufgenommene Energie zu einer Anregung charakteristischer Übergänge im submm-Bereich führt. Beobachtbar sind astronomisch relevante Linien wie z.B. CO-Rotationsübergänge, aber auch starke Linienemissionen von Hyperfeinstrukturübergängen von z.B. [OI] und [CII], die im THz-Bereich liegen. Die Verteilung und die Intensitäten lassen sich mit gängigen Modellen über so genannte Photonen-dominierte Regionen beschreiben und liefern wichtige Informationen für unser Verständnis über z.B. Sternentstehungsgebiete. Mit dem German REceiver for Astronomy at THz-Frequencies (GREAT), einem Einpixel-Heterodynempfänger für zwei Frequenzen, wird der Wissenschaft der Zugang zu diesen Linien spektral hochaufgelöst (R>10^6) ermöglicht. Dabei ist zu beachten, dass Frequenzen im Bereich von 1-10THz erdgebunden aufgrund der Absorption des atmosphärischen Wassersdampfs nicht beobachtbar sind. Daher müssen THz-Empfänger in großer Höhe nach Möglichkeit oberhalb der Troposphäre betrieben werden. GREAT wird am flugzeuggetragenen 2.5m-Teleskop des Stratospheric Observatory for Far Infrared Astronomy (SOFIA) in einer Höhe von ca. 13km operieren. Für die Planung und den Aufbau des Empfängers wurde ein Forschungskonsortium bestehend aus entsprechenden Arbeitsgruppen am MPIfR, dem MPIAe, dem DLR und KOSMA gegründet. Insgesamt befinden sich vier Frequenzkanäle im Bereich von 1.2-4.7THz im Aufbau, von denen in Abhängigkeit der wissenschaftlichen Fragestellung zwei ausgewählt, in das GREAT-Instrument eingesetzt und simultan betrieben werden können. Die hierfür erforderliche Modularität von GREAT stellt eine große Herausforderung für den Aufbau und die Justage des Empfängers dar. Zusätzlich waren die strengen Zertifizierungsregeln der amerikanischen Flugsicherheitsbehörde FAA zu erfüllen. Innerhalb des Konsortiums ist KOSMA für den Aufbau der 1.4 und 1.9THz-Kanäle, für die Entwicklung der kanalübergreifenden Optik und den Aufbau von Array acousto-optical Spektrometern zuständig. Wesentliche Teile der Aufgaben wurden im Rahmen von drei Dissertationen ausgeführt. Die Dissertation von P. Munoz umfasst die Entwicklung der supraleitenden Hot-Electron Bolometer (HEB) für 1.2-1.9THz. M. Philipp war für den Aufbau des 1.9THz-Lokaloszillator (LO) zuständig. Im Rahmen vorliegender Arbeit wurden sowohl die optomechanischen Komponenten der kanalübergreifenden Optik als auch die Optik der 1.4-1.9THz-Kanäle entwickelt. Ferner wurde die für die HEBs erforderliche kryogene Infrastruktur aufgebaut, und abschließend eine Charakterisierung des 1.9THz Kanals vorgenommen. Die wesentlichen technischen Entwicklungen und Ergebnisse aus vorliegender Arbeit sind nachfolgend kurz zusammengefasst. Kohärente Strahlungsquellen mit einer Ausgangsleistung von mehr Als 1000nW sind im Frequenzbereich von 1-10THz nur eingeschränkt verfügbar. Die Maximierung der nutzbaren 1.9THz-LO-Leistung machte die Entwicklung abbildender astigmatischer Spiegel für quasioptische Systeme erforderlich. Das Kryostatenfenster muss im Beobachtungsfrequenzband transparent sein. Materialien mit einem niedrigen Absorptionskoeffizienten im THz-Bereich (z.B. Silizium) besitzen im Allgemeinen hohe Dielektrizitätskonstanten und führen zu hohen Reflexionsverlusten. Im Rahmen dieser Arbeit gelang die Anwendung der Effective-Medium-Theorie, um entspiegelte ''Low loss THz-Windows'' herzustellen. Ein erstes Exemplar ist im Mikrostrukturlabor von KOSMA per Bosch-Prozess aus Silizium hergestellt worden. In Kooperation mit dem CSIRO, Australien, kam erstmalig eine neuartige smooth-walled spline-profile Hornantenne für 1.9THz zum Einsatz, deren Antennenkeule im Rahmen dieser Arbeit im Labor indirekt vermessen werden konnte. Die Bestimmung der spektralen Systemrauschtemperatur des 1.9THz-Kanals ergab über das Zwischenfrequenzband von 1.2-1.7GHz 2200-2500K. Die Allan-Minimumszeit als Maß der Systemstabilität beträgt 35s. Damit ist der 1.9THz-Kanal empfindlich und weist zugleich eine Stabilität auf, die ähnlich gut ist wie die von SIS-Empfängern. Logische Konsequenz der begrenzten Messzeit auf SOFIA ist die mittelfristige Steigerung der Effizienz des submm-Empfängers. Der Ausbau des 1.9THz-GREAT-Kanals zum 4-Pixel Array wurde im Rahmen der hier dokumentierten Arbeit vorbereitet. Mit der Fertigstellung des 1.9THz-Kanals steht der Wissenschaft der weltweit einzige, einsatzbereite Heterodynempfänger für 1.9THz zur Verfügung.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Design, Optimization and Characterization of the THz Optics of GREAT on SOFIA English
Translated abstract:	Abstract Language The physical and chemical structure of molecular clouds can be significantly affected by the interaction of the molecular material with the interstellar radiation field. The FUV radiation (6eV<E<13.6eV) heats the dust and the atomic and molecular gas. As a consequence of the heating the dust emits IR continuum radiation. Furthermore, the energy absorbed by the atomic and molecular gas can excite line emission at sub-millimeter wavelengths such as rotational transitions of CO and the hyperfine structure transitions in [OI] and [CII]. Comparing the observed distributions and intensities of the line radiation with up-to-date models of photon-dominated regions helps us to understand how irradiated clouds evolve. The German REceiver for Astronomy at THz-Frequencies (GREAT) will make observations of lines at THz frequencies with high spectral resolution (R>10^6). GREAT is designed as a single-pixel heterodyne receiver that can observe two frequencies simultaneously. Unfortunately, ground-based observations in the frequency range 1-10THz are not possible because of absorption by atmospheric water vapor. Hence, THz receivers must be deployed at high altitudes, ideally above the troposphere. To circumvent the atmospheric absorption, one can use airborne or space telescopes (a recent space project is the Herschel mission, in which KOSMA is involved). GREAT will be installed on the 2.5m-class airborne telescope of the Stratospheric Observatory for Far-Infrared Astronomy (SOFIA), a collaborative project of NASA and DLR. The typical flight altitude of SOFIA will be about 13km. The GREAT-receiver was developed and built by a consortium of groups of four institutions: MPIfR, MPIAe, DLR and KOSMA. A total of four receiver channels in the frequency range 1.2-4.7THz are under construction. Depending on the scientific objective of a particular mission, two channels can be selected and operated simultaneously. The modular design of GREAT was particularly challenging, given the constraint that it be adaptable to wavelength lower than 0.2mm and the strict airworthiness certification requirements of the Federal Aviation Administration (FAA). KOSMA is responsible for the construction of the 1.4 and 1.9THz-receiver channels, for the development of the common optics, and the supply of Array acousto-optical Spectrometers. Most of the work that went in to meeting these responsibilities was performed within the scope of three Ph.D. dissertations. Pedro Munoz developed the superconducting hot-electron bolometers (HEB) for 1.2-1.9THz. Martin Philipp was responsible for the design of the 1.9THz-local oscillator (LO). The common optics and the opto-mechanics for the 1.9THz channel were developed as part of the present thesis. Furthermore, the cryogenic infrastructure needed for the HEBs was integrated and a characterization of the 1.9THz channel was done. The main results of the present work are listed below. In the THz-range coherent radiation sources with an output power greater than 1000nW are rare. To maximize the usable 1.9THz-local-oscillator power, astigmatic off-axis mirrors were developed for quasi-optical systems. The cryostat window must be transparent in the desired frequency band. Materials with low absorption in the THz-range (e.g. silicon) generally have high dielectric constants and thus produce high reflection losses. The effective medium theory was successfully used to manufacture anti-reflection-coated low-loss THz-windows. The first device was made out of silicon, in house, using the Bosch-Process. Measurements show a maximum transmission of 96% at 2.1THz and a 90%-bandwidth of about 0.5THz. Because of this result, we conclude that silicon micro-machining using the Bosch-Process for the optimization of optical THz components, e.g. polarizers, is very useful. In cooperation with the CSIRO in Australia, a newly developed highly-efficient smooth walled spline-profile horn antenna for 1.9THz was put into operation for the first time. As part of the characterization of the 1.9THz-channel, its beam pattern was indirectly measured. The spectral noise temperature of the 1.9THz-receiver channel was 2200-2500K over the intermediate frequency band (1.2-1.7GHz). The minimum Allan-variance time, a scale for the overall system stability, was measured to be 35s. Taken together, the noise temperature and Allan-variance results testify the overall sensitivity and stability of the 1.9THz-receiver channel. The achieved system stability is comparable to that of SIS-heterodyne receivers. Because the total observing time on SOFIA is limited, we examine ways to enhance submm receiver performance and discuss the possibility of expanding the 1.9THz-channel to a 4-pixel-array receiver. The 1.9THz-channel is ready for use. It is the only FAA certified heterodyne receiver for 1.9THz in the world which will allow observations of the most important cooling line of the ISM ([CII]). English
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Wagner-Gentner, Armin wagner@ph1.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-20306
Date:	2007
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 GREAT , SOFIA , 1.9THz Heterodynempfänger , astigmatische Optik, antireflexbeschichtete THz-Kryostatenfenster German GREAT , SOFIA , 1.9THz Heterodynereceiver , astigmatic optics , low loss THz windows English
Date of oral exam:	15 April 2007
Referee:	Name Academic Title Stutzki, Jürgen Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/2030