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On the Fabrication of Novel Solid Immersion Lenses for Super-Resolution THz Imaging

Quentin Chapdelaine

Master's thesis (2022)

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Abstract

In this thesis, I explore the fabrication of novel Solid Immersion lenses (SIL) from the powder mixes of titanium dioxide (TiO2) and Polypropylene (PP). Two different lens fabrication strategies are explored and used to study how the increase in the concentration of TiO2 enables the improvement of the system imaging resolution. The first lens fabrication strategy uses pressing the TiO2 powder with a polypropylene (PP) powder at the Vicat temperature of PP while controlling the concentration of TiO2 and the resultant lens porosity. The second design consists in pressing the TiO2 powder in a hollow hemisphere printed in 3D with a PP filament. Lenses are then characterized physically and optically, and their refractive indices are compared to the theoretical estimates using the Bruggeman model of effective media. Experimental measurements in the THz frequency range show that the SI lens resolution limit indeed reduces inversely proportional to its refractive index. Moreover, I demonstrate that several lenses beat Abbe's diffraction limit of /2NA and reach the resolution of as low as 0.2, which is comparable to the best resolutions reported in the literature when using more standard and very expensive silicon solid immersion lenses. The cost-efficient and simple fabrication technique for SI lens fabrication reported in my thesis hold strong potential for THz imaging component fabrication and promises performance enhancement of SI optics beyond the leading silicon solutions.

Résumé

Dans ce mémoire, j'explore la fabrication de nouvelles lentilles à immersion solide (SIL) à partir de mélanges de poudre de dioxyde de titane (TiO2) et de polypropylène (PP). Deux stratégies différentes de fabrication de lentilles sont explorées et utilisées pour étudier comment l'augmentation de la concentration de TiO2 permet d'améliorer la résolution d'imagerie du système. La première stratégie de fabrication de lentilles consiste à presser la poudre de TiO2 avec une poudre de polypropylène (PP) à la température Vicat du PP tout en contrôlant la concentration de TiO2 et la porosité de la lentille résultante. La seconde consiste à presser la poudre de TiO2 dans un hémisphère creux imprimé en 3D avec un filament de PP. Les lentilles sont ensuite caractérisées physiquement et optiquement, et leurs indices de réfraction sont comparés aux estimations théoriques utilisant le modèle de Bruggeman des milieux effectifs. Les mesures expérimentales dans la gamme de fréquences THz montrent que la limite de résolution de la lentille SI diminue en effet de manière inversement proportionnelle à son indice de réfraction. De plus, je démontre que plusieurs lentilles battent la limite de diffraction d'Abbe de /2NA et atteignent une résolution aussi basse que 0.2 , ce qui est comparable aux meilleures résolutions rapportées dans la littérature lors de l'utilisation de lentilles à immersion solide en Silicium plus standard et très dispendieuses. La technique de fabrication simple et efficace en termes de coût pour la fabrication de lentilles SIL rapportée dans ce mémoire a un fort potentiel pour la fabrication de composants d'imagerie THz et promet une amélioration des performances des SIL au-delà des solutions en Silicium les plus courantes.

Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Maksim A. Skorobogatiy
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10336/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 07 Oct 2022 14:07
Last Modified: 05 Apr 2024 15:18
Cite in APA 7: Chapdelaine, Q. (2022). On the Fabrication of Novel Solid Immersion Lenses for Super-Resolution THz Imaging [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10336/

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