Development of novel metrology methods for time domain THz spectroscopy systems

Résumé

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.

Date	14 déc. 2021
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	François Blanchard (Directeur(-trice)) & Tsuneyuki Ozaki (Codirecteur(-trice))