Eloy Luis Hernandez Anguizola

• The goal of this thesis was to thoroughly investigate the behavior of multimode fibres to aid the development of modern and forthcoming fibre-fed spectrograph systems. Based on the Eigenmode Expansion Method, a field propagation model was created that can emulate effects in fibres relevant for astronomical spectroscopy, such as modal noise, scrambling, and focal ratio degradation. These effects are of major concern for any fibre-coupled spectrograph used in astronomical research. Changes in the focal ratio, modal distribution of light or non-perfect scrambling limit the accuracy of measurements, e.g. the flux determination of the astronomical object, the sky-background subtraction and detection limit for faint galaxies, or the spectral line position accuracy used for the detection of extra-solar planets. Usually, fibres used for astronomical instrumentation are characterized empirically through tests. The results of this work allow to predict the fibre behaviour under various conditions using sophisticated software tools toThe goal of this thesis was to thoroughly investigate the behavior of multimode fibres to aid the development of modern and forthcoming fibre-fed spectrograph systems. Based on the Eigenmode Expansion Method, a field propagation model was created that can emulate effects in fibres relevant for astronomical spectroscopy, such as modal noise, scrambling, and focal ratio degradation. These effects are of major concern for any fibre-coupled spectrograph used in astronomical research. Changes in the focal ratio, modal distribution of light or non-perfect scrambling limit the accuracy of measurements, e.g. the flux determination of the astronomical object, the sky-background subtraction and detection limit for faint galaxies, or the spectral line position accuracy used for the detection of extra-solar planets. Usually, fibres used for astronomical instrumentation are characterized empirically through tests. The results of this work allow to predict the fibre behaviour under various conditions using sophisticated software tools to simulate the waveguide behaviour and mode transport of fibres. The simulation environment works with two software interfaces. The first is the mode solver module FemSIM from Rsoft. It is used to calculate all the propagation modes and effective refractive indexes of a given system. The second interface consists of Python scripts which enable the simulation of the near- and far-field outputs of a given fibre. The characteristics of the input field can be manipulated to emulate real conditions. Focus variations, spatial translation, angular fluctuations, and disturbances through the mode coupling factor can also be simulated. To date, complete coherent propagation or complete incoherent propagation can be simulated. Partial coherence was not addressed in this work. Another limitation of the simulations is that they work exclusively for the monochromatic case and that the loss coefficient of the fibres is not considered. Nevertheless, the simulations were able to match the results of realistic measurements. To test the validity of the simulations, real fibre measurements were used for comparison. Two fibres with different cross-sections were characterized. The first fibre had a circular cross-section, and the second one had an octagonal cross-section. The utilized test-bench was originally developed for the prototype fibres of the 4MOST fibre feed characterization. It allowed for parallel laser beam measurements, light cone measurements, and scrambling measurements. Through the appropriate configuration, the acquisition of the near- and/or far-field was feasible. By means of modal noise analysis, it was possible to compare the near-field speckle patterns of simulations and measurements as a function of the input angle. The spatial frequencies that originate from the modal interference could be analyzed by using the power spectral density analysis. Measurements and simulations yielded similar results. Measurements with induced modal scrambling were compared to simulations using incoherent propagation and once again similar results were achieved. Through both measurements and simulations, the enlargement of the near-field distribution could be observed and analyzed. The simulations made it possible to explain incoherent intensity fluctuations that appear in real measurements due to the field distribution of the active propagation modes. By using the Voigt analysis in the far-field distribution, it was possible to separate the modal diffusion component in order to compare it with the simulations. Through an appropriate assessment, the modal diffusion component as a function of the input angle could be translated into angular divergence. The simulations gave the minimal angular divergence of the system. Through the mean of the difference between simulations and measurements, a figure of merit is given which can be used to characterize the angular divergence of real fibres using the simulations. Furthermore, it was possible to simulate light cone measurements. Due to the overall consistent results, it can be stated that the simulations represent a good tool to assist the fibre characterization process for fibre-fed spectrograph systems. This work was possible through the BMBF Grant 05A14BA1 which was part of the phase A study of the fibre system for MOSAIC, a multi-object spectrograph for the Extremely Large Telescope (ELT-MOS).…
• Vorrangiges Ziel der Arbeit war eine ausführliche Untersuchung von Eigenschaften multimodaler Glasfasern mittels Simulationen und experimenteller Tests, welche die Charakterisierung fasergekoppelter astronomischer Spektrographen unterstützt. Die simulierten Effekte sind von großer Bedeutung für alle fasergekoppelten Spektrographen, die in der astronomischen Forschung verwendet werden. Jede Änderung des Öffnungsverhältnisses (durch Focal-Ratio-Degradation), der Modenanregung in der Glasfaser (modal noise) oder einer variablen Ausleuchtung (durch unzureichendes scrambling) schränkt die Genauigkeit der Messungen ein. Dies hat Auswirkungen auf die Intensitätsbestimmung des astronomischen Objekts, die Subtraktion des Himmelshintergrundes und damit die Detektion von lichtschwachen Galaxien, oder die spektrale Stabilität, die für den Nachweis von extra-solaren Planeten benötigt wird. Zwei Softwareprogramme wurden für die Simulationsumgebung verwendet. Zunächst wurde ein Modenrechner benötigt, um die ausbreitungsfähigen Moden desVorrangiges Ziel der Arbeit war eine ausführliche Untersuchung von Eigenschaften multimodaler Glasfasern mittels Simulationen und experimenteller Tests, welche die Charakterisierung fasergekoppelter astronomischer Spektrographen unterstützt. Die simulierten Effekte sind von großer Bedeutung für alle fasergekoppelten Spektrographen, die in der astronomischen Forschung verwendet werden. Jede Änderung des Öffnungsverhältnisses (durch Focal-Ratio-Degradation), der Modenanregung in der Glasfaser (modal noise) oder einer variablen Ausleuchtung (durch unzureichendes scrambling) schränkt die Genauigkeit der Messungen ein. Dies hat Auswirkungen auf die Intensitätsbestimmung des astronomischen Objekts, die Subtraktion des Himmelshintergrundes und damit die Detektion von lichtschwachen Galaxien, oder die spektrale Stabilität, die für den Nachweis von extra-solaren Planeten benötigt wird. Zwei Softwareprogramme wurden für die Simulationsumgebung verwendet. Zunächst wurde ein Modenrechner benötigt, um die ausbreitungsfähigen Moden des simulierten Systems zu berechenen. Dafür wurde das FemSIM-Modul von RSOFT eingesetzt. Anschließend wurden durch selbst geschriebene Python-Skripte die Nah- und Fernfelder am Faserausgang berechnet. Die Funktionen beinhalten die Berechnungen des Eingangsfeldes, der räumlichen Verschiebung, der Winkelabweichung des Eingangsfeldes, sowie der Störungseffekte durch Modenkopplung. Bisher konnte die Propagation der Felder kohärent oder inkohärent simuliert werden. Das umfangreiche Themenfeld der partiellen Kohärenz wurde in dieser Arbeit nicht behandelt. Außerdem sind die von der Wellenlänge abhängigen Verlustkoeffizienten nicht berücksichtig worden und die Simulationen beschränken sich auf den monochromatischen Fall. Dennoch war es möglich, eine gute Übereinstimmung von realen Messwerten und Simulationsergebnissen zu erlangen. Um die Gültigkeit der Simulationen zu überprüfen, wurden optische Fasern vermessen und die Ergebnisse zwischen Simulationen und Messungen verglichen. Hierfür wurden zwei Fasern mit unterschiedlichem Querschnitt verwendet: eine zirkulare Faser und eine oktagonale Faser. Der verwendete Prüfstand wurde für die Charakterisierung der 4MOST Faserprototypen entwickelt. Verschiedene Konfigurationen zur Charakterisierung optischer Fasern waren durch den Prüfstand möglich, z.B. die Aufnahmen von Nah- und Fernfeldern. Durch die Analyse des Modenrauschens war es möglich, die Abhängigkeit der Interferenzmuster als Funktion des Eingangswinkels zu vergleichen. Mittels der spektralen Leistungsdichte konnten die räumlichen Frequenzen der Interferenzmuster untersucht und eine gute Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment bestätigt werden. Messungen mit induzierter Durchmischung wurden mit Simulationen veglichen, die den inkohärenten Ausbreitungsfall benutzen. Die Vergrößerung des Nahfeldes auf Grund schnellerer Blendenzahlen wurde in Messungen und Simulationen beobachtet und nachgewiesen. Durch die Simulationen ist es gelungen, inkohärente Intensitätsuktuationen zu erklären. Mittels der Voigt Analyse der Fernfelder war es möglich, die modale Diffusionskomponente zwischen Messungen und Simulationen zu vergleichen. Durch eine geeignete Auswertung konnten die Diffusionskomponenten als Funktion des Eingangswinkels ermittelt werden und die Winkeldivergenz der Fernfelder berechnet werden. Das Minimum der Winkeldivergenz eines Systems konnte durch Simulationen berechnet werden. Als Leistungszahl wurde die Mittelung der Differenz zwischen der minimalen und der gemessenen Winkeldivergenz ermittelt. Obwohl die Simulationen durch einige Faktoren begrenzt sind, ist es gelungen, die Ergebnisse der Lichtkegel Messungen zu emulieren. Auf Grund der insgesamt guten Übereinstimmung zwischen Simulationen und Messungen ist es damit möglich, die Charakterisierung von fasergekoppelten Spektrographen im Vorfeld realistisch zu simulieren. Diese Arbeit wurde ermöglicht durch die BMBF-Förderung 05A14BA1 als Teil der Phase-A-Studie des Fasersystems für MOSAIC, einem Multi-Objekt-Spektrographen für das Extremly Large Telescope (ELTMOS) der europäischen Südsternwarte ESO.…