Integriertes THz Time-Domain Spektrometer für Raumfahrtanwendungen-Phase 2 (ITISA2)

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Gensch; Professor Dr. Tobias Kampfrath; Professor Dr.-Ing. Dirk Plettemeier
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 468511389

Im Rahmen des ITISA-Projekts soll das erste integrierte Terahertz-Zeitdomänen (THz-TD)-Spektrometer für Raumfahrtanwendungen entwickelt werden. ITISA wird von drei photonischen Entwicklungen motiviert. 1.) Dank ihrer Schlüsselrolle bei Frequenzkammanwendungen werden geeignete Femtosekunden-Lasersysteme raumfahrttauglich und wurden bereits in Pilotstudien auf Satelliten und Höhenflugraketen eingesetzt. 2.) Besonders breitbandige, spintronische THz-Emitter wurden kürzlich von einem der Projektpartner entwickelt. Sie emittieren im Spektralbereich von 0.3 bis 30 THz, der für Raumfahrtanwendungen besonders interessant ist. Die Polarisationsebene der THz-Wellen kann magnetisch mit Kilohertz-Frequenzen moduliert werden. 3) Die fundamentalen Bestandteile eines THz-TDS Spektrometers können mittlerweile prinzipiell in photonische Chips integriert werden. In der ersten Förderperiode des SPPs konzipierten und testeten wir, ausweislich von 9 Publikationen und 1 Patent, sehr erfolgreich die fundamentalen Elemente eines THz-TDS-Systems, welches eine spektrale Bandbreite von 0.3 bis 30 THz abdeckt. Damit legten wir die Grundlagen, um in der zweiten Förderperiode einen Demonstrator für einen spezifischen Anwendungsfall, Rover-basierte Analytik von Regolith auf dem Mond, bis zu einem TRL von 6 zu entwickeln. Das Gerät wird ohne bewegliche Teile operieren. Alle Baugruppen und ihre zugrundeliegenden Konzepte werden folgende Bedingungen erfüllen: (i) Photoneneffizienz und Kompatibilität mit den derzeit für Raumfahrtanwendungen entwickelten Femtosekundenlasern, (ii) Erfüllung der Basisanforderungen für Raumfahrtanwendungen wie Kompaktheit, minimales Gewicht, minimaler Leistungsverbrauch, Strahlenhärte, Robustheit gegen Temperaturvariationen und Vibrationen, und (iii) Chip-Integration aller Schlüsselkomponenten. Wir betonen, dass potentielle Anwendungen unseres Systems signifikant über das Gebiet der Raumfahrt hinausgehen. Unsere Entwicklungen werden i.A. die Anforderungen für den Betrieb auf mobilen Geräten (wie Rover oder Drohnen) erfüllen. Des Weiteren sind unsere THz-Erzeugungs- und Detektionskonzepte relevant für das gesamte Gebiet der THz-TD-Spektroskopie. Unser Team besteht aus drei Arbeitsgruppen mit komplementärem Hintergrund in der angewandten Physik und den Ingenieurswissenschaften. Alle beteiligten Gruppen haben eine hervorragende Erfolgsbilanz in der Entwicklung von THz-Instrumenten und bringen ihre Expertise im ITISA-Projekt zusammen. Zwei Gruppen sind an der Instrumentenentwicklung für Raumfahrtanwendungen beteiligt. Eine Firma, die kompakte Femtosekunden-Faserlaser für die besonders harten Bedingungen in Satelliten entwickelt, kooperiert mit uns und stellt auf Leihbasis geeignete Laser zur Verfügung. Die Betreiber von zwei Rover-Plattformen unterstützen das Projekt und sind stark daran interessiert, unseren Demonstrator zu testen. Unser interdisziplinäres Konsortium besitzt damit alle Voraussetzungen, um das Projekt erfolgreich durchzuführen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2314: Integrierte Terahertz-Systeme mit neuartiger Funktionalität (INTEREST)