FIR Radiation Sources for Spectroscopy and Astronomy

  • Team

  • Dr. Urs Graf (PI, PH1)
  • Michael Brasse (PH1)
  • Timo Grambusch (PH1)
  • Norma Hurtado (PH1)
  • Dr. Matthias Justen (PH1)
  • Dr. Philipp Müller (AIfA)

Überblick

„Für eine hohe spektrale Auflösung, die wir mit unseren Spektrometern erreichen wollen, kombinieren wir die Strahlung vom Himmel mit einem lokal generierten Signal.“

Astronomen beobachten elektromagnetische Signale, die von entfernten kosmischen Objekten ausgesandt werden. Je empfindlicher die Instrumente auf Strahlung reagieren und je besser die beobachteten Regionen und die beobachteten Spektren aufgelöst werden können, desto mehr Informationen können die Wissenschaftler aus dem Universum empfangen. Entscheidend für den Wissenszuwachs der Astronomen ist damit nicht zuletzt die zugrunde liegende Beobachtungstechnik, die in den genutzten Teleskopen zur Anwendung kommt.

In den Spektralbereichen, die für das Verständnis der Sternentstehung besonders interessant sind, d.h. insbesondere im Ferninfraroten, hängt die Qualität spektraler Beobachtungen in vielen Fällen davon ab, dass die empfangene Strahlung zu kleineren Frequenzen verschoben werden kann. Durch dieses Verfahren wird die Verstärkung des Signals erleichtert und die spektrale Auflösung des Spektrometers erhöht. Dies geschieht durch die Überlagerung des Signals mit einem monochromatischen Signal einer im Empfänger installierten Strahlungsquelle, eines sogenannten Lokaloszillators. „In unserem Teilprojekt entwickeln wir Ferninfrarot Strahlungsquellen, die wir für unsere Empfänger brauchen. Das klingt jetzt erstmal etwas seltsam: Warum brauche ich eine Strahlungsquelle für einen Empfänger? Das liegt daran, dass wir in unseren Empfängern die Strahlung vom Himmel mit einem lokal generierten Signal kombinieren, um durch diesen Vergleich mit der Referenzstrahlungsquelle sehr genau die Frequenz bestimmen zu können“, fasst Projektleiter Urs Graf die Grundmotivation des Projektes zusammen.

Die verwendeten Strahlungsquellen müssen eine Reihe besonderer Anforderungen erfüllen: sie müssen im benötigten Frequenzbereich strahlen und sollten in ihrer Frequenz zwar variierbar sein, aber bei der schließlich gewählten Frequenz stabil bleiben. Entsprechende Strahlungsquellen werden in Form von Quantenkaskadenlasern beispielsweise an der ETH Zürich entwickelt. Die besondere Herausforderung, der sich Projekt D2 stellt, besteht darin, diese bestehenden Strahlungsquellen für den Einsatz in astronomischen Empfängern vorzubereiten. Das bringt im Vergleich zum Einsatz in Laborexperimenten einige besondere Probleme mit sich, da die Observatorien typischerweise wenig Platz und eine nur begrenzte zur Verfügung stehende Energieleistung bieten. Insbesondere die aufwändige Kühlung der Instrumente auf tiefe Temperaturen, nur wenige Grad über dem absoluten Nullpunkt, ist dabei eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe. Unter diesen schwierigen Rahmenbedingungen trotzdem die optimale Leistung der Laser realisieren zu können, erfordert innovative Lösungen und hohe technische Präzision. „Die Astronomen sind sehr anspruchsvoll. Für die Astronomen ist nur das Allerbeste gut genug. Da muss der Empfänger die bestmögliche Empfindlichkeit haben, er muss maximale Stabilität haben und er muss leicht bedienbar sein, insbesondere wenn wir Empfänger für Teleskope bauen, wo nicht immer technischer Support vor Ort ist“, beschreibt Urs Graf.

Konkretes Ziel von Projekt D2 war zunächst, die Einstellbarkeit der Frequenz der Quantenkaskadenlaser sowie die räumliche Verteilung der ausgesandten Strahlung zu verbessern. Beides soll durch die Entwicklung eines gekrümmten Beugungsgitters in einem externen Hohlraum realisiert werden, das die Laserstrahlung in gewünschter Art und Weise reflektiert. Ein weiteres Ziel ist die Entwicklung eines Lokaloszillators, mit dem der GREAT Empfänger im SOFIA Flugzeug-Observatorium bei 4.7 THz betrieben werden kann. Empfänger bei diesen Frequenzen werden benötigt, um die im Kontext der Sternentstehung wichtige Kühlungslinie neutralen Sauerstoffs bei 63µm beobachten zu können. Hierfür konnte bereits ein geschlossener Kühlkreislauf für den Lokaloszillator entwickelt werden. An der Fertigstellung dieses Kryostaten wird derzeit gearbeitet, um dann ausführliche Testreihen anschließen zu können, bevor der neue Empfänger mit SOFIA um die Welt fliegen kann.

Die von Projekt D2 entwickelten Strahlungsquellen kommen aber nicht nur in astronomischen Observatorien zum Einsatz. Gleichzeitig können sie im Labor verwendet werden, um anhand von Absorptionsexperimenten spektrale Eigenschaften astronomisch interessanter, chemischer Spezies zu erforschen. Die Entwicklung monochromatischer Strahlungsquellen im Ferninfraroten liefert damit sowohl für die Forschung im Rahmen der beobachtenden Astronomie (A-Projekte), als auch für die mit dieser Forschung in Beziehung stehenden Laborexperimente (B-Projekte) einen entscheidenden Beitrag.

Ausgewählte Publikationen


 

In 2012
Graf, U. U., Simon, R. Stutzki, J., et al., [12CII] and [13CII] 158 μm emission from NGC 2024: Large column densities of ionized carbon. A&A, 2012, 542, L16

Heyminck, S., Graf, U. U., Güsten, R., et al., GREAT: the SOFIA high-frequency heterodyne instrument. A&A, 2012, 542, L1

In 2009
Rabanus, D., Graf, U. U., Philipp, M., et al., Phase locking of a 1.5 Terahertz quantum cascade laser and use as a local oscillator in a heterodyne HEB receiver. Optics Express, 2009, 17, 1159

In 2007
Wagner-Gentner, A., Graf, U. U., Philipp, M., et al., A simple method to design astigmatic off-axis mirrors. Infrared Physics and Technology, 2007, 50, 42

In 2006
Lüthi, T., Rabanus, D., Graf, U. U., et al., Expandable fully reflective focalplane optics for millimeter- and submillimeter-wave array receivers. Review of Scientific Instruments, 2006, 77, 4702

In 2001
Graf, U. U., and Heyminck, S. Fourier Gratings as Submillimeter Beam Splitters. IEEE Trans. AP, 2001, 49, 542

Non-Refereed
Grambusch, T., Über fokussierende Gitterspiegel zur kontinuierlichen Abstimmung von Quantenkaskadenlasern im Terahertz-Bereich, PhD Thesis, 2014.