Charakterisierung von Winston-Cones und Entwicklung einer Integrierenden Kavität im Terahertz-Spektralbereich

Kurzfassung

Terahertz-Strahlung gewinnt in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung. In der Astronomie liegen wichtige Emissionsspektren in diesem spektralen Bereich. Sie durchdringt interstellares Gas, sodass Einblicke in das Zentrum unserer Galaxie möglich sind. In der sicherheitsrelevanten Technik ist Terahertz-Strahlung durch ihre spezielle Eigenschaft ein neues und innovatives Feld. Textilien werden mühelos durch strahlt, Flüssigkeiten absorbieren die Strahlung. Hierdurch ist es möglich auch schwer detektierbare flüssige Sprengstoffe zu detektieren. Durch diese neuartige Technologie werden Scannersysteme zur Überwachung von großen sicherheitsrelevanten Bereichen, wie Flughäfen oder U-Bahnen, denkbar. Hierzu ist es notwendig, bei aktiven sowie bei passiven Systemen das Signal aus einem bestimmten Segment des Raums möglichst genau zu detektieren. Auch bei aktiven Systemen werden relativ niedrige Leistungen für eine Detektion erwartet, da die Sendeleistung kleiner als 1mW ist. Um jedoch ein relativ schwaches Signal effizient nachzuweisen sind gute Detektorsysteme notwendig. Hierzu gehören die so genannten Winston-Cones, die eine effektive Detektion von schwachen Signalen ermöglichen. Winston-Cones wurden im Jahr 1969 von Roland Winston entwickelt. Sie sind ein adäquates Mittel für Anwendungen, bei denen Licht aus einem bestimmten Raumsegment gesammelt wird ohne eine Abbildung zu erzielen. Diese Systeme erweisen sich als äußerst praktisch bei Fragestellungen, bei denen das Signal ohnehin schon schwach ist, da sie nahezu verlustfrei arbeiten. Das wird durch Reflexion an dem Material, aus dem der Cone gefertigt ist, sichergestellt. Im Gegensatz zu mit Linsen abbildenden Systemen sind keine Übergänge zwischen verschiedenen Medien an denen Verluste durch Reflexion auftreten könnten vorhanden, das Licht bewegt sich immer im Medium Luft. Licht, welches innerhalb eines bestimmten Akzeptanzwinkels in den Cone einfällt, wird über Reflexion durch den Winston-Cone hindurch geführt und aus der Austrittsapertur wieder emittiert. Die Austrittsapertur ist hierbei deutlich kleiner als die Eintrittsapertur, bildlich lässt sich ein Winston-Cone als ein "Lichtsammeltrichter"mit einer speziellen Form vorstellen. Die Eigenschaften von Winston-Cones sind im sichtbaren Spektrum des Lichtes, also zwischen 450nm und 700nm, gut bekannt und haben sich bewährt. Die vorliegende Arbeit geht der Frage nach, wie sich Winston-Cones in einem Spektralbereich des Lichtes, in dem die Gesetze der Strahlenoptik nicht mehr anzuwenden sind, verhalten. Der gewählte Spektralbereich ist das sogenannte Terahertz-Spektrum, welches Wellenlängen zwischen 50f,Lm und 1mm beinhaltet. Daher müssen neben der Wellennatur des Lichtes auch die daraus resultierenden Effekte wie Beugung beachtet werden. Hierzu werden verschiedene Winston-Cones und ein sogenannter "Straight-Cone" mit Lasern, welche im Terahertz-Spektralbereich arbeiten, bestrahlt und ihre Charakteristik vermessen. Ein "Straight-Cone" ist ein Cone, dessen Form im Gegensatz zu einem Winston-Cone nicht einer quadratischen Funktion sondern einer linearen Funktion folgt. Zum Vermessen der einzelnen Cones werden Versuchsaufbauten konzeptioniert. Die jeweiligen Strahlprofile der Laser, die als Lichtquelle in den Testaufbauten dienen, werden bestimmt, um Effekte zu minimieren oder zu berücksichtigen, die durch höhere Mode auftreten, also eine Abweichung vom Gauß'schen Profils des Laserstrahls. Referenzdaten werden durch eine Messung mit einem Schwarzkörperstrahler gewonnen, der ein breitbandiges Spektrum emittiert. Die Emissionsverteilungen der Cones werden mit einer Kamera dargestellt. Hierdurch werden die Eigenschaften der einzelnen Cones sichtbar, also deren charakteristische Akzeptanzwinkel und deren winkelabhängige Empfangscharakteristik. Diese werden durch verschiedene Parameter wie Baulänge, Eintrittsapertur und Form bestimmt. Außerdem wird der Versuchsaufbau mittels einer speziellen Software modelliert, die speziell für Anwendungen der Gauß'schen Optik konzeptioniert wurde, um die gemessenen Ergebnisse zu simulieren. Zudem wird eine integrierende Kavität entwickelt. Dabei handelt es sich um einen Hohlkörper, der gewährleistet, dass der Strahl, der aus der Austrittsapertur des Cone emittiert wird, in einen "Brennpunkt" fokussiert wird, in dem ein Detektorelement angebracht ist. Das ermöglicht gerade bei schwachen Signalen, bei denen das Signal-zu-Rausch-Verhältnis schlecht ist, effektiv zu messen, da die Kavität die einfallende Strahlungsleistung in das Detektorelement fokussiert. Das Signal-zu-Rausch-Verhältnis wird hierdurch verbessert. Als Detektorelement wird ein Hot-Elecron-Bolometer, ein spezieller Empfänger für Strahlung im Terahertz-Spektralbereich, verwendet. Bisher realisierte Systeme, die hauptsächlich mittels Linsen realisiert werden, koppeln die zu empfangenden Signale in den Detektor ein. Diese haben den Vorteil, dass sie keine Verluste durch Reflexion an Grenzflächen, im Gegensatz zu Linsen, aufweisen. Die integrierende Kavität ermöglicht zudem, dass in sie ein gekoppelte Leistung nicht nur einmalig das Empfängerelement passiert und somit detektiert werden kann, sondern, bedingt durch die spezielle Form des Hohlraums, über Mehrfachreflexion auf das Empfängerelement reflektiert wird. Möglichst das gesamte Licht, welches in die Kavität eintritt, wird auf den Detektor reflektiert und somit eine höhere Effektivität des Gesamtsystems bereitstellt. Durch die Kenntnis der Charakteristik des Gesamt-Empfängersystems lassen sich nun auch nicht bekannte Terahertzquellen charakterisieren und eine Aussage über deren Abstrahlverhalten treffen. Im Rahmen dieser Arbeit werden drei verschiedene Cones mit verschiedenen Strahlungsquellen bestrahlt und die austrittsaperturseitige Lichtverteilung sowie das winkelabhängige Empfangsprofil gemessen. Als Strahlungsquellen stehen eine Kaltlichtquelle, ein THz-Laser, eine frequenzvervielfachte Quelle sowie ein Schwarzkörperstrahler zur Verfügung. Messungen werden sowohl im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums als auch im THz-Bereich mit monochomatischen und breitbandigem Licht bestrahlt. Als Detektor werden eine Kamera sowie eine Golay-Zelle verwendet. Eine Software zur Modellierung von Winston-Cones wird erstellt, um die Messungen mit Simulationen zu vergleichen. Im visuellen Spektrum verhält sich nur ein Cone so wie die der Simulationsergebnisse es vorhersagen, die anderen zeigen Abweichungen vom erwarteten Ergebnis. Im THz-Spektralbereich zeigen alle Cones Abweichungen des Empfangsprofils von der Simulation. Diese liegen in einer leichten Verschiebung der Detektorfläche gegen die Austrittsapertur der Cones begründet. Der Detektor liegt also nicht exakt auf der optischen Achse. Ein Korrekturwert wird bestimmt und in der Simulation berücksichtigt. Es zeigen nun zwei der insgesamt drei vermessenen Cones Ergebnisse die sich mit der Simulation decken, d. h. einer der Cones weist ganz offensichtlich nicht die erwartete Formgebung auf.