Advanced Instrumentation for Practical Applications of Terahertz Spectroscopy and Imaging

Dans le spectre électromagnétique, la bande des térahertz (THz) est située entre les microondes et l'infrarouge. Le système de spectroscopie térahertz dans le domaine du temps (THz-SDT) permet d'extraire directement le champ électrique multifréquentiel. Déjà, plusieurs applications avantageuses ont été trouvées pour l'imagerie et la spectroscopie THz, et ce dans divers domaines. Cependant, malgré le potentiel que recèle les THz, plusieurs défis doivent être relevés pour faciliter sa généralisation. Dans cette thèse, nous suggérons des solutions nouvelles à deux problèmes et nous présentons une implémentation d'un système d'imagerie THz 3D, connu sous le nom de tomographie assistée par ordinateur. Premièrement, la manipulation du faisceau THz est difficile. Afin de remédier à cela, nous explorons deux types de guides d'onde en mousse : la mousse de polystyrène et la mousse de soie. La mousse de polystyrène est utilisée comme gaine pour le guide d'onde THz à deux fils métalliques. Nous montrons que les pertes additionnelles dues à la gaine de mousse sont négligeables par rapport à l'avantage d'avoir une encapsulation robuste et hermétique du guide d'onde. Pour la mousse de soie, nous montrons que les pertes sont un ordre de grandeur inférieures à celles de la soie solide. La mousse de soie a l'avantage d'être biocompatible pour des applications biomédicales ou agroalimentaires. Deuxièmement, l'acquisition de l'impulsion THz prend beaucoup de temps. La composante la plus lente dans un système THz-SDT est la ligne à délai optique. Nous implémentons une ligne à délai rotative qui est capable de réduire significativement le temps d'acquisition total. De plus, nous présentons des applications nouvelles pour les THz. Ces applications étaient auparavant impossibles en raison, justement, du long temps d'acquisition. Spécifiquement,nous observons, en temps réel, les processus d'évaporation de liquides transparents, l'application et le séchage de la peinture aérosol opaque, ainsi que la détection et l'évaluation de l'épaisseur d'objets mobiles. Troisièmement, nous implémentons un système d'imagerie THz 3D de tomographie assistée par ordinateur. Le système THz-SDT permet d'imager sur plusieurs fréquences et d'extraire l'indice de réfraction complexe d'un échantillon. Cependant, lors de l'implémentation d'un système d'imagerie THz 3D de tomographie assistée par ordinateur, plusieurs défis s'imposent,le principal étant le long temps d'acquisition. Ici, nous présentons un début d'implémentation d'un tel système. Nous discutons de plusieurs problèmes et nous présentons des solutions pour certains.

Abstract

In the electromagnetic spectrum, the terahertz (THz) frequency band is located between the microwave and the infrared. The pulsed THz time-domain spectroscopy (THz-TDS) system allows direct access to the THz electric field and its multifrequency nature. Already, THz imaging and spectroscopy have been applied to many different fields. Despite all the interest and potential, there a still some hurdles impeding its generalized use. In this thesis, we suggest novel solutions to two issues and we present an implementation of a THz 3D Imaging modality known as computed tomography. First, the handling of the THz beam is difficult. To overcome this, we explore two kinds of foam waveguides : polystyrene foam and silk foam. We use the polystyrene foam as a cladding for the THz two-wire waveguide. We show that the additional losses are offset by the mechanically robust and hermetical foam encapsulation. As for the silk foam, we show that the losses are one order of magnitude lower than those of solid silk. Here, the silk foam has the advantage of being biocompatible for biomedical and agro-alimentary applications. Second, the acquisition of the THz pulse is time-consuming. The slowest component in a regular THz-TDS system is the linear optical delay line. We implement a fast rotary delay line that is able to significantly reduce the overall time acquisition. Additionally, we present novel applications for THz. These applications were not possible before, because of the long time acquisition. Specifically, we observe, in real time, the evaporation of transparent liquids, the spray painting process, as well as the detection and thickness evaluation of moving objects. Third, we implement a THz 3D computed tomography imaging system. The THz-TDS allows multifrequency imaging and direct extraction of the complex refractive index. However, when doing computed tomography imaging on a THz-TDS system, several challenges arise, the main one being the time acquisition. Here, we present an early implementation of such a system. We discuss several issues and we present solutions to some.