Development of novel metrology methods for time domain THz spectroscopy systems

Amirkhan, Fatemeh (2021). Development of novel metrology methods for time domain THz spectroscopy systems. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The terahertz (THz) time-domain spectroscopy (TDS) system is a powerful tool because it uses the properties of THz waves in a unique way for spectroscopy and imaging technologies in a wide variety of applications, such as materials science, engineering, medicine, and chemistry. The THz frequency range lies between the microwave and infrared bands in the electromagnetic (EM) spectrum (i.e., between 0.1 THz and 10 THz), which connects the electronic part of the spectrum with the photonics part. Compared to infrared frequencies, THz frequencies can penetrate non-metallic and non-polar materials with low enough energy, which is insufficient to ionize atoms or molecules. In addition, the THz-TDS system can be used to measure not only the intensity of a spectral pulse, but also the associated transient electric field, providing a unique measurement method to easily calculate the amplitude and phase of a pulse from the measured THz electric field.

Over the past 30 years, the performance of THz sensing systems has been improved significantly. However, to move THz spectroscopy and imaging from a laboratory-scale technique to a versatile tool with many practical applications, technical developments are still needed in sources and detectors. Therefore, many scientists are currently working on improving THz sources and detectors with enhanced characteristics, which usually involves using new materials, methods, and techniques to improve these technologies. This essential requirement motivates the subject of my thesis: to develop new methods to improve the detection sensitivity of the THz system.

This work aims to contribute to the development and advancement of knowledge in the field of THz sensing technology. In particular, it focuses on THz detection in the THz-TDS system. To do so, a review of the literature is first presented. It covers the properties of the THz frequency and the THz-TDS system, their generation and detection, and their applications.

Following the literature review, I present a new method for characterizing thin-film electro-optical materials using a metamaterial (i.e., a split-ring resonator (SRR)) and intense THz near-field microscopy. The method is based on the simulation and analytical study of the near-field imaging resolution of the electric and magnetic field distributions of the SRR, which is designed for the THz frequency range. The main advantage of this method is that one can use a non-contact electrode (i.e., the SRR) in the experiment to characterize an unknown thin-film material and then compare the results with the simulation results provided in my approach.

I then present a simple technique by testing a new device in the THz-TDS system that provides a time-derived THz wave. This device is a piezoelectric micromachined ultrasonic transducer array (PMUT) that differentiates a THz pulse by performing time variations (on the femtosecond scale) in the THz beam path. The modulated THz signal detected after the piezoelectric device is proportional to the first-order derivative of the THz pulse. This presentation is coupled with the presentation of the characterization, performance of this device and its limitation as a THz modulator. This study allows understanding the principle of using this device as a THz modulator in order to increase the knowledge to choose this type of device with better performances.

Following this presentation, I tested another device with the same properties as the previous one, but with larger dimensions and motion to improve the THz wave derivation. This is a piezoelectric micromachined device (PM), which is inserted into the THz beam path. It provides a reference modulation for the lock-in detection unit, which in turn provides access up to the fourth-order of derived information of the incoming THz signal. It should be noted that the integration of the recorded derivative signal leads to a recovered reference signal with an equivalent or even better signal-to-noise ratio (SNR), opening the door to a new type of highly sensitive THz measurement in the time domain.

Finally, there is a conclusion to the work provided in this thesis. It discusses potential future developments of this PhD project.

Titre traduit

Développement de nouvelles méthodes de métrologie pour système de spectroscopie THz dans le domaine du temps

Résumé traduit

Le système de spectroscopie temporelle térahertz (THz) est un outil puissant car il utilise les propriétés des ondes THz de manière unique pour les technologies de spectroscopie et d’imagerie dans une grande variété d’applications, telles que la science des matériaux, l’ingénierie, la médecine et la chimie. La gamme de fréquences THz se situe entre les bandes micro-ondes et infrarouges du spectre électromagnétique (EM) (c’est-à-dire entre 0,1 THz et 10 THz), ce qui relie la partie électronique du spectre à la partie photonique. Par rapport aux fréquences infrarouges, les fréquences THz peuvent pénétrer les matériaux non métalliques et non polaires avec une énergie suffisamment faible, insuffisante pour ioniser les atomes ou les molécules. En outre, le système THz-TDS peut être utilisé pour mesurer non seulement l’intensité d’une impulsion spectrale, mais aussi le champ électrique transitoire associé, fournissant une méthode de mesure unique pour calculer facilement l’amplitude et la phase d’une impulsion à partir du champ électrique THz mesuré.

Au cours des 30 dernières années, les performances des systèmes de détection THz ont été considérablement améliorées. Cependant, pour faire passer la spectroscopie et l’imagerie THz d’une technique à l’échelle du laboratoire à un outil polyvalent aux nombreuses applications pratiques, des développements techniques sont encore nécessaires au niveau des sources et des détecteurs. Par conséquent, de nombreux scientifiques travaillent actuellement à l’amélioration des sources et des détecteurs THz avec des caractéristiques améliorées, ce qui implique généralement l’utilisation de nouveaux matériaux, méthodes et techniques pour améliorer ces technologies. Cette exigence essentielle motive le sujet de ma thèse : développer de nouvelles méthodes pour améliorer la sensibilité de détection du système THz.

Ce travail vise à contribuer au développement et à l’avancement des connaissances dans le domaine de la technologie de détection THz. En particulier, ce travail se concentre sur la détection THz dans le système THz-TDS. Pour ce faire, une revue de la littérature est d’abord présentée. Elle couvre les propriétés de la fréquence THz et du système THz-TDS, leur génération et leur détection, ainsi que leurs applications.

Suite à cette revue de la littérature, nous présentons une nouvelle méthode de caractérisation des matériaux électro-optiques (EO) en couches minces à l’aide d’un métamatériau (c’est-à-dire un résonateur à anneau divisé (SRR)) et d’une microscopie en champ proche THz intense. La méthode est basée sur la simulation et l’étude analytique de la résolution d’imagerie en champ proche des distributions de champ électrique et magnétique du SRR, qui est conçu pour la gamme de fréquences THz. Le principal avantage de cette méthode est que l’on peut utiliser une électrode sans contact (c’est-à-dire le SRR) dans l’expérience pour caractériser un matériau de film mince inconnu, puis comparer le résultat avec les résultats de simulation fournis dans notre approche.

Nous présentons ensuite une technique simple en testant un nouveau dispositif dans le système THz-TDS qui fournit une onde THz dérivée du temps. Ce dispositif est un réseau de transducteurs ultrasoniques micro-usinés piézoélectriques (PMUT) qui différencie une impulsion THz en effectuant des variations temporelles (à l’échelle de la femtoseconde) dans le trajet du faisceau THz. Le signal THz modulé détecté après le dispositif piézoélectrique est proportionnel à la dérivée de premier ordre de l’impulsion THz. Cette présentation est couplée à la présentation de la caractérisation, des performances de ce dispositif et de sa limitation en tant que modulateur THz. Cette étude permet de comprendre le principe d’utilisation de ce dispositif comme modulateur THz afin d’accroître les connaissances pour choisir ce type de dispositif avec de meilleures performances.

Suite à cette présentation, nous avons testé un autre dispositif ayant les mêmes propriétés que le précédent, mais avec des dimensions et un mouvement plus importants pour améliorer la dérivation des ondes THz. Il s’agit d’un dispositif piézoélectrique micro-usiné (PM), qui est inséré dans le trajet du faisceau THz. Il fournit une modulation de référence pour l’unité de détection à verrouillage, qui à son tour donne accès à l’information dérivée du quatrième ordre du signal THz entrant. Il convient de noter que l’intégration du signal dérivé enregistré conduit à un signal de référence récupéré avec un rapport signal/bruit (SNR) équivalent ou même meilleur, ouvrant la porte à un nouveau type de mesure THz hautement sensible dans le domaine temporel.

Enfin, il y a une conclusion à l’ensemble du travail fourni dans ce sujet de thèse. Elle aborde également les développements futurs potentiels de ce projet de thèse.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références biblographiques (pages 135-156).
Mots-clés libres:	détection THz, TDS THz, modulateur THz, film mince, imagerie proche par THz, métamatériau, différenciateur THz, spectromètre dérivé THz
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Blanchard, François
Codirecteur:	Codirecteur Ozaki, Tsuneyuki
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	08 févr. 2022 18:58
Dernière modification:	08 févr. 2022 18:58
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2883

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