Charakterisierung und Verbesserung des optischen Strahlengangs eines FIR-Heterodynsystems (PDF)

Inhaltsangabe: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 [...]