Entwicklung eines Laser-Seitenband-Spektrometers für extrem breitbandige Frequenzanalyse

Abstract

Sowohl in der Radioastronomie als auch in der Atmosphärenforschung gibt es einen Bedarf für breitbandige Spektrometer mit einer Bandbreite von bis zu 10 GHz und einer moderaten Auflösung. In der Radioastronomie wurde durch die stete Weiterentwicklung der Heterodynempfangssysteme der THz-Bereich für die Beobachtung zugänglich. Dies erfordert bei zahlreichen Beobachtungen, z.B. des galaktischen Zentrums, breitbandige Spektrometer, da die Geschwindigkeitsverteilung von Molekül- und Atomlinien in diesen turbulenten Gebieten sehr hoch ist. Die Auflösung des Spektrometers kann dabei in einen Bereich von 50-100 MHz liegen. Auch in der Atmosphärenforschung werden breitbandige Spektrometer benötigt, um die vollständige Information aus den Flügeln der druckverbreiterten Linienprofile zu gewinnen. Ziel dieser Arbeit war es daher ein Spektrometer zu entwickeln, das die Möglichkeit einer breitbandigen Frequenzanalyse bietet. Dies wird durch die Modulation eines Lasers mit einem externen Phasenmodulator möglich. Der Phasenmodulator kann das Laserlicht mit Frequenzen über 10 GHz modulieren. Zur Frequenzanalyse der so erzeugten Seitenbänder dient ein Fabry-Perot Etalon. Durch die Ausleuchtung des Etalons mit einer Zylinderlinse konnte erreicht werden, dass das vom Etalon erzeugte Ringsystem auf eine Zeile transformiert wird. Dies ermöglicht eine effiziente Ausnutzung des Signallichts. Um die Eigenschaften des in dieser Arbeit entwickelten Spektrometers zu charakterisieren und die Ausleuchtung des Etalons zu optimieren wurde ein Simulationsprogramm entwickelt. Mit Hilfe der Simulation ist es möglich eine Aussage über die Mindestgröße der Apertur des Etalons zu treffen, um die "walk-off" Verluste zu reduzieren. Es konnte zudem an Hand der Simulation gezeigt werden, welchen Einfluss die Ausleuchtung des Etalons auf die Auflösung und Intensitätsverteilung über das gesamte Band hat.