Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5087
Main Title: Entwicklung eines Terahertzspektrometers auf Basis von Terahertzquantenkaskadenlaser für hochauflösende Molekularspektroskopie
Translated Title: Development of a terahertz spectrometer based on quantum cascade laser for high resolution spectroscopy
Author(s): Eichholz, René
Advisor(s): Hübers, Heinz-Wilhelm
Richter, Heiko
Referee(s): Hübers, Heinz-Wilhelm
Masselink, Ted W.
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: de
Abstract: Im THz-Bereich befindet sich eine Vielzahl von spektralen Signaturen von Ionen, Atomen und Molekülen. Diese charaktierstischen Eigenschaften können für viele potentielle Anwendungsmöglichkeiten genutzt werden, z.B. im Bereich der Sicherheit, Medizin, Materialprüfung und für astronomische Untersuchungen. QCL sind seit einigen Jahren eine der vielversprechendsten Strahlungsquellen für hochauflösende Spektroskopie im THz-Bereich, da es bislang an leistungsstarken Quellen, welche zudem eine große Bandbreite und ausreichende spektrale Auflösung besitzen, gefehlt hat. In dieser Arbeit werden drei verschiedene Spektroskopietechniken mit QCL als Strahlungsquelle auf die Tauglichkeit für hochauflösende Molekülspektroskopie im THz-Bereich untersucht. Mehrere QCL sind umfangreich charakterisiert. Erstmalig wird ein Spektrometerdesign mit THz-QCL verwendet und getestet, welches die räumliche Trennung der QCL-Moden mittels einem optischen Reflexionsgitters nutzt, welche auf einem Mikrobolometerarray abgebildet werden. Dadurch ist es möglich gewesen die Spektren für alle Lasermoden gleichzeitig aufzunehmen. Dadurch kann die Bandbreite des QCL komplett genutzt werden, was in einer Reduzierung der Messzeit resultiert. Der Spektrometeraufbau ist in der Lage eine minimal detektierbare Absorption von 7×10³ zu detektieren. Unter Verwendung von einem mit flüssigem Helium gekühlten Ge:Ga-Detektor verbessert sich dieses Ergebnis um fast zwei Größenordnungen auf etwa 1×10^5. Das zweite vorgestellte Spektrometerdesign erlaubt es das Signal der einzelnen Moden zu messen, ohne jedoch die Moden räumlich zu trennen. Es kann gezeigt werden, dass es möglich ist die Strahlung zweier QCL miteinander auf einer Schottky-Diode zu mischen wodurch es möglich ist mehrere Mischsignale mit einem digitalen Fouriertransformspektrometer zeitgleich zu messen. Ein QCL wird als Lokaloszillator verwendet während der zweite QCL spektral durchgestimmt wird. Für mehrere LO-QCL-Ströme konnten mehrere Mischsignale zeitgleich beobachtet werden, wie auch spektrale Absorptionssignaturen des untersuchten Gases. Der dritte befasst sich mit der Frequenzmodulationsspektroskopie. Durch die Modulation des QCL mit Frequenzen bis zu 50 MHz ist es möglich Parameter des zu untersuchenden Gases, wie der Gasdruck, die Druckverbreiterung und die Dopplerverbreiterung, sowie Parameter des verwendeten QCL, wie dem Amplitudenmodulations- und der Frequenzmodulationsindex zu bestimmen. Zudem konnte das Verhalten für verschiedene Modulationsfrequenzen im Bereich von 1 bis 50 MHz demonstriert und mit theoretischen Daten verglichen werden.
Many spectral signatures of ions, atoms and molecules have energies in the THz region. These characteristics can be used for applications in areas like security, medicine, material testing and for astronomy. THz quantum cascade lasers are very promising radiation sources for high resolution spectroscopy in the THz region due to its broad bandwidth, high output power and high spectral resolution. Three spectroscopy techniques are demonstrated in this thesis using THz QCL for high resolution spectroscopy in the THz region. Several QCL are characterized and used for the particular type of spectrometer. In addition, two mechanic stirling cooler are characterized. These cooler can be cooled down to 25 K und offers a sufficient cooling power for a temperature range up to 65 K using a QCL. The first spectrometer uses a grating for the spatial separation of the QCL modes. Each laser mode is imaged onto a different region of a microbolometer array. 1f-spectra can be obtained by tuning the QCL current and no overlapping of the spectra of the laser modes is observed. All modes can be measured simultaneously and the full bandwidth of the QCL can be used. The bandwidth of a single mode covers 4-5 GHz, which correspond in a total bandwith of 20 GHz. The spectrometer is capable to measure a minimum detectable absorption of 7×10³ with a microbolometer array and up to 1×10^5 with a liquid helium cooled Ge:Ga detector. The second setup also allows for the simultaneous detection of several laser modes, without special separation those. The radiation of two QCL was focused and mixed on a schottky diode. The mixing signal was analyzed with a digital Fourier transform spectrometer. One QCL was set to a fixed current and used a local oscillator, while the frequency of the second QCL was current tuned. The third part of the thesis deals with the investigation of frequency modulation spectroscopy with QCL. By modulating the QCL with frequencies up to 50 MHz it is possible to extract characteristic parameters of the substance under investigation, like gas pressure, the pressure broadening and the Doppler broadening as well as parameters of the QCL, like the amplitude- and frequency modulation index. The behavior of frequency modulation spectroscopy was demonstrated in a range of 1 up to 50 MHz and compared with theoretical spectra.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5412
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5087
Exam Date: 23-Feb-2016
Issue Date: 2016
Date Available: 12-Apr-2016
DDC Class: DDC::500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
Subject(s): Terahertz
Quantenkaskadenlaser
Spektrometer
Spektroskopie
Molekülspektroskopie
THz
QCL
terahertz
quantum cascade laser
spectrometer
spectroscopy
molecular spectroscopy
Creative Commons License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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