Intensity based multispectral terahertz polarimetric imaging using frequency-selective surfaces

Ahmad, Redwan (2026). Intensity based multispectral terahertz polarimetric imaging using frequency-selective surfaces. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Terahertz (THz) technologies offer unique capabilities for non-destructive sensing, material characterization, and imaging; however, their widespread adoption remains limited by the size, cost, and complexity of conventional spectroscopic and polarimetric systems. This thesis addresses these challenges by investigating reconfigurable terahertz frequency-selective surfaces (FSSs) and their integration into compact, intensity-based THz polarimetric systems, with an emphasis on scalable fabrication and practical system architectures.

Following a comprehensive literature review covering THz generation and detection techniques, reconfigurable FSS concepts, and THz polarimetric spectroscopy and imaging, the core contributions focus on the development of distinct reconfigurable techniques on printed THz FSSs. Tunable spectral responses are demonstrated using inductive metallic checkerboard structures and Moiré-based FSS configurations, where reconfigurability is achieved through lateral translation and relative rotation of stacked layers, respectively. These approaches enable compact and mechanically simple spectral tuning without the need for active materials or complex biasing schemes.

Free standing polarization-sensitive FSS designs are subsequently investigated to enable frequency selective polarization dependent modulation in the THz regime. Symmetric and asymmetric FSS geometries fabricated using laser-cutting techniques exhibit distinct polarization-dependent transmission characteristics, allowing their use as frequency-selective polarizers and tunable band pass filters. Building on these components, a compact multispectral THz polarimetric imaging system based solely on intensity measurements is developed using Schottky diode detector and experimental results closely followed the expected simulation results. By acquiring intensity images at multiple analyzer orientations and discrete frequencies, the system enables direct extraction of polarization metrics such as Stokes parameter (S0, S1, S2), the degree and angle of linear polarization without phase-sensitive detection and mechanical delay stages. The system is validated through polarimetric imaging of anisotropic samples, demonstrating high polarization contrast and practical robustness.

Additional studies presented in the annexes extend the scope of the thesis to a compact CMOS-based THz polarimetric spectrometer with intrinsic polarization sensitivity, and a simplified pyroelectric-detector-based approach for birefringent material characterization. Collectively, this work advances reconfigurable THz FSS technologies and compact polarimetric systems, contributing toward scalable, robust, and industrially relevant THz sensing and imaging platforms.

Titre traduit

Imagerie polarimétrique térahertz multispectrale basée sur l’intensité utilisant des surfaces sélectives en fréquence

Résumé traduit

Les technologies térahertz (THz) offrent des capacités uniques pour le contrôle non destructif, la caractérisation des matériaux et l’imagerie ; toutefois, leur adoption à grande échelle demeure limitée par la taille, le coût et la complexité des systèmes spectroscopiques et polarimétriques conventionnels. Cette thèse aborde ces défis en étudiant des surfaces sélectives en fréquence térahertz (FSS) reconfigurables et leur intégration dans des systèmes polarimétriques THz compacts basés sur la mesure d’intensité, avec un accent particulier sur des procédés de fabrication évolutifs et des architectures système pratiques.

À la suite d’une revue de littérature exhaustive couvrant les techniques de génération et de détection THz, les concepts de FSS reconfigurables, ainsi que la spectroscopie et l’imagerie polarimétriques THz, les contributions principales portent sur le développement de différentes techniques de reconfigurabilité appliquées à des FSS THz imprimées. Des réponses spectrales accordables sont démontrées à l’aide de structures inductives métalliques de type damier et de configurations de FSS basées sur des motifs de Moiré, où la reconfigurabilité est obtenue respectivement par translation latérale et par rotation relative de couches empilées. Ces approches permettent un accord spectral compact et mécaniquement simple, sans recours à des matériaux actifs ni à des schémas de polarisation complexes.

Les conceptions de FSS autoportantes sensibles à la polarisation sont ensuite étudiées pour permettre une modulation dépendante de la polarisation et sélective en fréquence dans le régime térahertz. Des géométries de FSS symétriques et asymétriques, fabriquées à l’aide de techniques de découpe laser, présentent des caractéristiques de transmission dépendantes de la polarisation distinctes, permettant leur utilisation comme polariseurs sélectifs en fréquence et comme filtres passe-bande accordables. À partir de ces composants, un système compact d’imagerie polarimétrique THz multispectrale, reposant exclusivement sur des mesures d’intensité, est développé à l’aide d’un détecteur à diode Schottky, et les résultats expérimentaux suivent étroitement les résultats de simulation attendus. En acquérant des images d’intensité pour plusieurs orientations de l’analyseur et à des fréquences discrètes, le système permet l’extraction directe de paramètres polarimétriques tels que les paramètres de Stokes (S0, S1, S2), ainsi que le degré et l’angle de polarisation linéaire, sans détection sensible à la phase ni recours à des lignes à retard mécaniques. Le système est validé par imagerie polarimétrique d’échantillons anisotropes, démontrant un contraste de polarisation élevé et une robustesse pratique.

Des études supplémentaires présentées dans les annexes étendent la portée de la thèse à un spectromètre polarimétrique térahertz compact basé sur la technologie CMOS, doté d’une sensibilité intrinsèque à la polarisation, ainsi qu’à une approche simplifiée basée sur un détecteur pyroélectrique pour la caractérisation des matériaux biréfringents. Collectivement, ces travaux font progresser les technologies de surfaces sélectives en fréquence térahertz reconfigurables (FSS) et les systèmes polarimétriques compacts, contribuant au développement de plateformes de détection et d’imagerie térahertz évolutives, robustes et adaptées aux applications industrielles.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript based thesis pesented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of Doctor of Philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 193-224).
Mots-clés libres:	imagerie polarimétrique térahertz, spectromètre multispectral compact, surfaces sélectives en fréquence sensibles à la polarisation, FSS, FSS reconfigurables, découpe laser, électronique imprimée
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Blanchard, François
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	11 juin 2026 14:12
Dernière modification:	11 juin 2026 14:12
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3935

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