Aufbau, Optimierung und Charakterisierung der THz-Optik für GREAT auf SOFIA

Sternentstehung findet im dichten Teil der Molekulwolken des interstellaren Mediums statt. In diesen Gebieten werden die ablaufenden physikalischen und chemischen Prozesse masgeblich von der Wechselwirkung zwischen der Materie und dem Strahlungsfeld eingebetteter junger Sterne bestimmt. Konsequenz der Bestrahlung mit FUV-Photonen (6eV 10^6) ermoglicht. Dabei ist zu beachten, dass Frequenzen im Bereich von 1-10THz erdgebunden aufgrund der Absorption des atmospharischen Wassersdampfs nicht beobachtbar sind. Daher mussen THz-Empfanger in groser Hohe nach Moglichkeit oberhalb der Troposphare betrieben werden. GREAT wird am flugzeuggetragenen 2.5m-Teleskop des Stratospheric Observatory for Far Infrared Astronomy (SOFIA) in einer Hohe von ca. 13km operieren. Fur die Planung und den Aufbau des Empfangers wurde ein Forschungskonsortium bestehend aus entsprechenden Arbeitsgruppen am MPIfR, dem MPIAe, dem DLR und KOSMA gegrundet. Insgesamt befinden sich vier Frequenzkanale im Bereich von 1.2-4.7THz im Aufbau, von denen in Abhangigkeit der wissenschaftlichen Fragestellung zwei ausgewahlt, in das GREAT-Instrument eingesetzt und simultan betrieben werden konnen. Die hierfur erforderliche Modularitat von GREAT stellt eine grose Herausforderung fur den Aufbau und die Justage des Empfangers dar. Zusatzlich waren die strengen Zertifizierungsregeln der amerikanischen Flugsicherheitsbehorde FAA zu erfullen. Innerhalb des Konsortiums ist KOSMA fur den Aufbau der 1.4 und 1.9THz-Kanale, fur die Entwicklung der kanalubergreifenden Optik und den Aufbau von Array acousto-optical Spektrometern zustandig. Wesentliche Teile der Aufgaben wurden im Rahmen von drei Dissertationen ausgefuhrt. Die Dissertation von P. Munoz umfasst die Entwicklung der supraleitenden Hot-Electron Bolometer (HEB) fur 1.2-1.9THz. M. Philipp war fur den Aufbau des 1.9THz-Lokaloszillator (LO) zustandig. Im Rahmen vorliegender Arbeit wurden sowohl die optomechanischen Komponenten der kanalubergreifenden Optik als auch die Optik der 1.4-1.9THz-Kanale entwickelt. Ferner wurde die fur die HEBs erforderliche kryogene Infrastruktur aufgebaut, und abschliesend eine Charakterisierung des 1.9THz Kanals vorgenommen. Die wesentlichen technischen Entwicklungen und Ergebnisse aus vorliegender Arbeit sind nachfolgend kurz zusammengefasst. Koharente Strahlungsquellen mit einer Ausgangsleistung von mehr Als 1000nW sind im Frequenzbereich von 1-10THz nur eingeschrankt verfugbar. Die Maximierung der nutzbaren 1.9THz-LO-Leistung machte die Entwicklung abbildender astigmatischer Spiegel fur quasioptische Systeme erforderlich. Das Kryostatenfenster muss im Beobachtungsfrequenzband transparent sein. Materialien mit einem niedrigen Absorptionskoeffizienten im THz-Bereich (z.B. Silizium) besitzen im Allgemeinen hohe Dielektrizitatskonstanten und fuhren zu hohen Reflexionsverlusten. Im Rahmen dieser Arbeit gelang die Anwendung der Effective-Medium-Theorie, um entspiegelte ''Low loss THz-Windows'' herzustellen. Ein erstes Exemplar ist im Mikrostrukturlabor von KOSMA per Bosch-Prozess aus Silizium hergestellt worden. In Kooperation mit dem CSIRO, Australien, kam erstmalig eine neuartige smooth-walled spline-profile Hornantenne fur 1.9THz zum Einsatz, deren Antennenkeule im Rahmen dieser Arbeit im Labor indirekt vermessen werden konnte. Die Bestimmung der spektralen Systemrauschtemperatur des 1.9THz-Kanals ergab uber das Zwischenfrequenzband von 1.2-1.7GHz 2200-2500K. Die Allan-Minimumszeit als Mas der Systemstabilitat betragt 35s. Damit ist der 1.9THz-Kanal empfindlich und weist zugleich eine Stabilitat auf, die ahnlich gut ist wie die von SIS-Empfangern. Logische Konsequenz der begrenzten Messzeit auf SOFIA ist die mittelfristige Steigerung der Effizienz des submm-Empfangers. Der Ausbau des 1.9THz-GREAT-Kanals zum 4-Pixel Array wurde im Rahmen der hier dokumentierten Arbeit vorbereitet. Mit der Fertigstellung des 1.9THz-Kanals steht der Wissenschaft der weltweit einzige, einsatzbereite Heterodynempfanger fur 1.9THz zur Verfugung.