Charakterisierung und Verbesserung des optischen Strahlengangs eines FIR-Heterodynsystems

Diplomarbeit von Oliver Humbel

Zusammenfassung:

Im Rahmen dieser Arbeit ist der Strahlengang eines 2.5 THz Heterodynspektrometers untersucht und verbessert worden. Ein Heterodynsystem besteht im wesentlichen aus einem Lokaloszillator und einem Mischer. Die Submm-Strahlungsquelle ist ein Gaslaser, der durch einen C02- Laser optisch gepumpt wird. Das nichtlineare Element ist eine GaAs-Schottky-Diode. Das Signal wird durch einen Martin-Puplett-Diplexer mit dem Lokaloszillator räumlich überlagert und in die gleiche Polarisation gebracht.

Bei der Deutschen Forschungsanstalt für Luft- und Raumfahrt wird ein FIR-Heterodynspektrometer zur Spurengasbestimmung in der Atmosphäre eingesetzt. Für diese Anwendung gilt der Empfangscharakteristik des Systems besonderes Interesse, da Größe und Lage der Charakteristik die Höhenschicht, aus der das Atmosphärensignal stammt, bestimmt.

Als notwendige Voraussetzung für die Verwendung in einem Heterodynempfänger wurde die Antennencharakteristik der whiskerkontaktierten Diode im offenen Mischeraufbau ermittelt. Bei einer Frequenz von 2.5 THz (l = 118µm) zeigte die Mischerstruktur, mit der geometrischen Bedingung eines 4l-Whiskers mit einem Abstand von 1.2l zum Winkelreflektor, eine durch eine Gaußkurve annäherbare Antennencharakteristik. Bei einer Einhaltung der geometrischen Größen innerhalb 10% konnte die gaußförmige Richtcharakteristik, auch bei 2.5 THz, bestätigt werden. Auch dessen Reproduzierbarkeit war gegeben. Die Auswirkung von größeren Abweichungen dieser geometrischen Maße werden gezeigt.

Zur optimalen Strahlüberlagerung und Einkopplung in die Mischerstruktur wird auch ein gaußförmiger Strahlquerschnitt des Submm-Lasers benötigt. Dies ist, in unserem System, am Ort des Strahlungsaustritts erfüllt, am Ort der Strahleinkopplung in das Mischerelements allerdings nicht mehr. Gründe hierfür sind die optischen Eigenschaften des Diplexers, insbesondere die schlechten Abbildungseigenschaften der verwendeten Gitter.

Als Charakterisierung des Gesamtsystems dient eine Messung der Empfangsempfindlichkeit mit einem thermischen Flächenstrahler. Die gewonnenen Gesamtantennenprofile lassen sich eindeutig auf die verwendeten Kontakte, das heißt deren Geometrie zurückführen.

Unter Berücksichtigung der Transmissions-/Reflektionseigenschaften der vorhandenen Gitter, gelang es den Diplexer so zu verändern, daß eine deutliche Verbesserung der Empfangscharakteristik resultierte.

Inhaltsverzeichnis:

1.	Einleitung	3
1.1	Bedeutung des stratosphärischen Hydroxyl-Radikals	3
1.2	Physikalischer Hintergrund der OH-Messung	4
1.3	Inhalt der Arbeit	4
2.	Funktionsweise eines Heterodynempfängers	7
2.1	Physikalisches Prinzip eines Heterodynempfängers	7
2.2	Aufbau des flugzeuggetragenen Heterodynsystems der DLR	8
2.2.1	Der Submillimeterlaser	10
2.2.2	Der Aufbau der optischen Bank	12
2.2.3	Der quasioptische Mischer	14
2.2.4	Stabilisierung des Gesamtsystems	17
2.3	Rauschtemperatur und ihre verschiedenen Ursachen	18
3.	Charakterisierung des Laserstrahlprofils	23
3.1	Gaußsche Optik	23
3.2	Strahlprofil des Lokaloszillators	25
3.3	Strahlprofil des Lokaloszillators hinter dem Diplexer	29
4.	Charakterisierung des Antennenprofils	33
4.1	Berechnung der Antennenprofile der Mischerelemente	33
4.2	Gemessene Antennenprofile	36
5.	Verbesserungen	45
5.1	Fresnel-Linse statt Off-Axis-Spiegel	45
5.2	"Neue" Diplexer-Stellung	46
5.3	Gesamtantennenprofile	49
5.3.1	Gesamtantennenprofile in der "alten" Diplexerstellung	50
5.3.2	Gesamtantennenprofile in der "neuen" Diplexerstellung	51
6.	Ausblick	55
A	Ansteuerungsprogramme	57
B	Auswertprogramme	60
B.1	Auswertprogramm für die Antennenprofile der einzelnen Kontakte	60
B.2	Auswertprogramm für die Antennenprofile des Gesamtsystems	62
C	Meßapparatur	64