ISBN 9783843928755

978-3-8439-2875-5, Reihe Physik

Stefan Weber
Aufbau eines Zeitstrecksystems zur Detektion hochfrequenter Signale

164 Seiten, Dissertation Technische Universität Kaiserslautern (2016), Softcover, A5

Zusammenfassung / Abstract

Die Messung ultraschneller nicht-repetitiver physikalischer Effekte stellt nach wie vor eine große Herausforderung dar. Herkömmliche Echtzeitmesstechniken wie Oszilloskope, Analog-zu-Digital Konverter und Photodioden erreichen Bandbreiten bis maximal 100 GHz und können somit Vorgänge auf Zeitskalen bis zu 10 ps messen, was für zeitaufgelöste Messung von ultraschnellen Vorgängen, wie Polymerisierung, chemische Prozesse und Ablationsvorgängen häufig nicht ausreichend ist.

Für sich wiederholende, repetitive Signale stehen Sampling-Verfahren zur Verfügung, die über das zeitlich verzögerte Abtasten vieler Einzelsignale das Gesamtsignal mit Abtastzeiten im Femtosekundenbereich rekonstruieren können. Diese Verfahren erlauben jedoch nur gemittelte Aussagen über Signale mit wiederkehrender Charakteristik.

Echtzeitmessverfahren für sehr kurze optische Signale, wie SPIDER erreichen bei einer zeitlichen Auflösung von wenigen Femtosekunden maximale Aufnahmedauern von lediglich wenigen Pikosekunden. Für längere Signalfolgen kann dieses Verfahren daher nicht genutzt werden.

Mit dem sogenannten Zeitstreckprinzip steht eine Echtzeitmessmethode zur Verfügung, die die Echtzeitdetektion schneller Vorgänge ermöglicht. Das Konzept der Zeitstreckung basiert dabei auf der zeitlichen Verbreiterung optischer Laserimpulse in gruppengeschwindigkeitsdispersiven Glasfasern, die durch das zu messende Signal intensitätsmoduliert werden. Der zeitliche Streckfaktor und damit die Vergrößerung ergibt sich aus den verwendeten dispersiven Glasfaserstrecken.

Die Zeitstrecktechnik ermöglicht eine Bandbreitenerweiterung vorhandener Echtzeitmesstechnik, sodass mit dem Konzept der Zeitstreckung hochfrequente Echtzeitmessungen nicht-repetitiver Signale möglich sind. Dabei können Signale mit Aufnahmedauern im Nanosekundenbereich bzw. durch eine Parallelisierung auch kontinuierliche Signalfolgen in Echtzeit erfasst werden.

Die Zeitstrecktechnik ist für optische als auch elektrische Signale gleichermaßen nutzbar. Im Falle elektrischer Signale erfolgt die Kopplung zwischen Signal und Laserimpuls über einen elektrooptischen Modulator; im Falle optischer Signale erfolgt die Kopplung über einen Vierwellenmischprozess.