Charakterisierung und Verbesserung des optischen Strahlengangs eines FIR-Heterodynsystems
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Diplomarbeit aus dem Jahr 1997 im Fachbereich Physik - Technische Physik, Note: 1,3, Technische Universität München (Unbekannt), Sprache: Deutsch, Abstract: 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 d...
Diplomarbeit aus dem Jahr 1997 im Fachbereich Physik - Technische Physik, Note: 1,3, Technische Universität München (Unbekannt), Sprache: Deutsch, Abstract: 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 resultierte.
Inhaltsverzeichnis:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung3
1.1Bedeutung des stratosphärischen Hydroxyl-Radikals3
1.2Physikalischer Hintergrund der OH-Messung4
1.3Inhalt der Arbeit4
2.Funktionsweise eines Heterodynempfängers7
2.1Physikalisches Prinzip eines Heterodynempfängers7
2.2Aufbau des flugzeuggetragenen Heterodynsystems der DLR8
2.2.1Der Submillimeterlaser10
2.2.2Der Aufbau der optischen Bank12
2.2.3Der quasioptische Mischer14
2.2.4Stabilisierung des Gesamtsystems17
2.3Rauschtemperatur und ihre verschiedenen Ursachen18
3.Charakterisierung des Laserstrahlprofils23
3.1Gaußsche Optik23
3.2Strahlprofil des Lokaloszillators25
3.3Strahlprofil des Lokaloszillators hinter dem Diplexer29
4.Charakterisierung des Antennenprofils33
4.1Berechnung der Antennenprofile der Mischerelemente33
4.2Gemessene Antennenprofile36
5.Verbesserungen45
5.1Fresnel-Linse statt Off-Axis-Spiegel45
5.2"Neue" Diplexer-Stellung46
5.3Gesamtantennenprofile49
5.3.1Gesamtantennenprofile in der "alten" Diplexerstellung50
5.3.2Gesamtantennenprofile in der "neuen" Diplexerstellung51
6.Ausblick55
AAnsteuerungsprogramme57
BAuswertprogramme60
B.1Auswertprogramm für d...
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:Inhaltsverzeichnis:
1.Einleitung3
1.1Bedeutung des stratosphärischen Hydroxyl-Radikals3
1.2Physikalischer Hintergrund der OH-Messung4
1.3Inhalt der Arbeit4
2.Funktionsweise eines Heterodynempfängers7
2.1Physikalisches Prinzip eines Heterodynempfängers7
2.2Aufbau des flugzeuggetragenen Heterodynsystems der DLR8
2.2.1Der Submillimeterlaser10
2.2.2Der Aufbau der optischen Bank12
2.2.3Der quasioptische Mischer14
2.2.4Stabilisierung des Gesamtsystems17
2.3Rauschtemperatur und ihre verschiedenen Ursachen18
3.Charakterisierung des Laserstrahlprofils23
3.1Gaußsche Optik23
3.2Strahlprofil des Lokaloszillators25
3.3Strahlprofil des Lokaloszillators hinter dem Diplexer29
4.Charakterisierung des Antennenprofils33
4.1Berechnung der Antennenprofile der Mischerelemente33
4.2Gemessene Antennenprofile36
5.Verbesserungen45
5.1Fresnel-Linse statt Off-Axis-Spiegel45
5.2"Neue" Diplexer-Stellung46
5.3Gesamtantennenprofile49
5.3.1Gesamtantennenprofile in der "alten" Diplexerstellung50
5.3.2Gesamtantennenprofile in der "neuen" Diplexerstellung51
6.Ausblick55
AAnsteuerungsprogramme57
BAuswertprogramme60
B.1Auswertprogramm für d...
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