Terahertz time-domain derivative spectroscopy using MEMS

Meskoob, Behnoosh (2024). Terahertz time-domain derivative spectroscopy using MEMS. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (13MB) | Prévisualisation

Résumé

The Terahertz (THz) domain, with frequencies spanning from 0.1 to 10 THz, between microwave and infrared bands, bridges the gap between the electronics and photonics worlds. Historically, this part of the electromagnetic (EM) spectrum was known as the “terahertz gap” due to complexities in generating and detecting THz waves. In the past decades, considering the advancements in ultrafast lasers and coherent generation and detection methods, the potential of this unique wave has been revealed. The low energy of THz wave makes it suitable for non-ionizing and non-destructive applications by penetrating non-polar and non-metallic materials. THz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is a robust tool that benefits from THz wave features for numerous applications, from material characterization to pharmaceutical applications, communications, semiconductor device quality control, and imaging. This tool provides information about the electrical field's transient nature that can help obtain the signal's amplitude and phase.

An innovative approach to improve the THz-TDS is to add a modulator in the system and obtain THz time-domain derivative spectroscopy (THz-TDDS). The derivative function highlights the rapid changes and helps improve spectrophotometric features. There have been limited advancements in THz-TDDS development, which motivates my research to investigate an enhancement method for THz-TDDS. Therefore, a commercially off-the-shelf MEMS is used in the THz beam path to modulate the THz beam. Benefiting from previous work done at ÉTS in this specific field, the research goals are selecting a MEMS with better characteristics and improving the modulation features. The first step includes proving the derivative functionality of this THz setup with mathematical verification and simulation. Four materials are studied to validate the spectroscopic performance of the THz-TDDS, and the optical parameters, including refractive index and absorption coefficient for each material, are calculated. Comparing the results of this setup against a commercial and highly accurate device and comparing it with the available literature, the spectroscopic capabilities of this setup are proven. The final step is to investigate and scrutinize the error sources, provide recommendations for improvement for future research prospects, and suggest the design and application of an array of MEMS in THz imaging.

One of the goals of this research is to expand the use of MEMS in THz applications. However, there is a trade-off between some parameters, such as reproducibility and affordability, and low signal-to-noise ratio (SNR). Moreover, all research facilities with similar advanced systems, such as the femtosecond laser available at the TeraÉTS THz lab, can benefit from this approach of utilizing a commercial MEMS, and various novel applications can be envisioned.

This thesis begins by outlining its essential research objectives and framework. The first chapter provides the background and literature review to place this research and show the relevance of the proposed solution in response to the research gaps. It also details the methodology employed and the corresponding experimental results. The third chapter discusses the sources of error and their impact on the results, and finally, the last chapter provides recommendations for future works and lessons learned. Finally, the Annexes will provide the simulation and Matlab scripts utilized in this thesis.

Titre traduit

Spectroscopie dérivée dans le domaine temporel térahertz à l'aide de MEMS

Résumé traduit

Le domaine térahertz (THz), dont les fréquences s'étendent de 0,1 à 10 THz, entre les bandes micro-ondes et infrarouges, fait le lien entre le monde de l'électronique et celui de la photonique. Historiquement, cette partie du spectre électromagnétique (EM) était connue sous le nom de « fossé térahertz » en raison de la complexité de la génération et de la détection de cette onde. Au cours des dernières décennies, les progrès réalisés dans le domaine des lasers ultrarapides et des méthodes de génération et de détection cohérentes ont permis de révéler le potentiel de cette onde unique. La faible énergie de l'onde THz la rend appropriée pour des applications non ionisantes et non destructifs en pénétrant les matériaux non polaires et non métalliques. La spectroscopie THz dans le domaine temporel (THz-TDS) est un outil robuste qui tire parti des caractéristiques des ondes THz pour de nombreuses applications, de la caractérisation des matériaux aux applications pharmaceutiques, en passant par les communications, le contrôle de la qualité des dispositifs à semi-conducteurs et l'imagerie. Cet outil fournit des informations sur la nature transitoire du champ électrique qui peuvent aider à obtenir l'amplitude et la phase du signal.

Une approche innovante pour améliorer le THz-TDS consiste à ajouter un modulateur dans le système et à obtenir une spectroscopie dérivée dans le domaine temporel du THz (THz-TDDS). La fonction dérivée met en évidence les changements rapides et permet d'améliorer les caractéristiques spectrophotométriques. Le développement de la THz-TDDS a connu des avancées limitées, ce qui motive ma recherche d'une méthode d'amélioration de la THz-TDDS. Par conséquent, un MEMS disponible dans le commerce est utilisé dans le trajet du faisceau THz pour moduler le faisceau THz. Bénéficiant des travaux antérieurs réalisés à l'ÉTS dans ce domaine spécifique, les objectifs de la recherche consistent à sélectionner un MEMS présentant de meilleures caractéristiques et à améliorer les fonctions de modulation. La première étape consiste à prouver la fonctionnalité dérivée de cette installation THz par une vérification mathématique et une simulation. Quatre matériaux sont étudiés pour valider les performances spectroscopiques du THz-TDDS, et les paramètres optiques, y compris l'indice de réfraction et le coefficient d'absorption pour chaque matériau, sont calculés. Les capacités spectroscopiques de ce dispositif sont démontrées en comparant les résultats obtenus avec un dispositif commercial très précis et avec la littérature disponible. L'étape finale consiste à étudier les sources d'erreur, à fournir des recommandations d'amélioration pour les perspectives de recherche futures et à suggérer la conception et l'application d'un réseau de MEMS dans l'imagerie THz.

L'un des objectifs de cette recherche est de démocratiser l'application des MEMS dans le domaine THz. Cependant, il existe un compromis entre certains paramètres, tels que la reproductibilité et l'accessibilité financière, et un faible rapport signal/bruit (RSB). En outre, toutes les installations de recherche disposant de systèmes avancés similaires, tels que le laser femtoseconde disponible dans le laboratoire THz de l'ÉTS, peuvent bénéficier de cette approche d'utilisation d'un MEMS commercial, et diverses applications nouvelles peuvent être envisagées.

Cette thèse débute par l’exposition de l’introduction et des éléments centraux de la recherche. Le premier chapitre présente le contexte et l'analyse de la littérature pour situer cette recherche et montrer la pertinence de la solution proposée en réponse aux lacunes de la recherche. Ce chapitre présente la méthodologie et les résultats. Le troisième chapitre aborde les sources d'erreur, et enfin, le dernier chapitre fournit des recommandations pour d'autres options MEMS, des améliorations, des progrès et des leçons apprises.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fultillment for a master’s degree with thesis in electrical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 117-129).
Mots-clés libres:	THz-TDS, THz-TDDS, modulation de faisceau, MEMS, indice de réfraction, coefficient d'absorption
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Blanchard, François
Codirecteur:	Codirecteur Nabki, Frédéric
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt:	23 avr. 2025 13:22
Dernière modification:	23 avr. 2025 13:22
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3582

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt