Integriertes THz Time-Domain Spektrometer für Raumfahrtanwendungen (ITISA)

• 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 THz-Zeitdomänen (THz-TDS)-Spektrometer für Raumfahrtanwendungen entwickelt werden. ITISA wird von drei photonischen Entwicklungen motiviert. 1) Dank ihrer Schlüsselrolle bei Frequenzkammanwendungen werden geeignete Femtosekundenlasersysteme 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 interesant ist. 3) Kürzlich wurde gezeigt, dass THz-Pulse mittels spektral dekodierender Einzelpulsdetektionsverfahrens sehr viel breitbandiger gemessen werden können als angenommen. Simulationen eines der Projektpartner mit langjähriger Erfahrung mit diesen Detektoren zeigen, dass damit THz-Spektren mit für die Raumfahrt geeigneter Bandbreite und Auflösung gemessen werden können. Dieses Detektionsverfahren ist zudem hochgradig chip-integrierbar.In der ersten Förderperiode des SPPs werden wir ein THz-TDS-System entwickeln, das eine spektrale Bandbreite von 0.3 bis 30 THz mit einer Auflösung von 100 GHz abdeckt und für polarisationsaufgelöste lineare Spektroskopie verwendet werden kann. Das Gerät soll ohne bewegliche Teile operieren. Alle Baugruppen und ihre zugrundeliegenden Konzepte sollen 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-Integrierbarkeit 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. Desweiteren sind unsere THz-Erzeugungs- und Detektionskonzepte relevant für das gesamte Gebiet der THz-TDS-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 waren und sind an der Instrumentenentwicklung für Raumfahrtanwendungen beteiligt. Einer der Antragsteller arbeitet an einer laufenden Raumfahrtmission zum Mars mit. Eine Firma, die kompakte Femtosekunden-Faserlaser für die besonders harten Bedingungen in Satelliten entwickelt, kooperiert mit uns und stellt auf Leihbasis geeignete Laser für finale Benchmark-Tests zur Verfügung. 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)