Enabling Real-Time Terahertz Imaging With Advanced Optics and Computational Imaging

La bande des térahertz est une région particulière du spectre électromagnétique comprenant les fréquences entre 0.1 THz à 10 THz, pour des longueurs d'onde respectives de 3 mm à 30 um. Malgré tout l'intérêt que cette région a suscité au cours de la dernière décennie, de grands obstacles demeurent pour une application plus généralisée de la radiation THz dans les applications d'imagerie. Cette thèse aborde le problème du temps d'acquisition d'une image THz. Notre objectif principal sera de développer des technologies et techniques pour permettre l'imagerie THz en temps réel. Nous débutons cette thèse avec une revue de littérature approfondie sur le sujet de l'imagerie THz en temps réel. Cette revue commence par énumérer plusieurs sources et détecteurs THz qui peuvent immédiatement être utilisés en imagerie THz. Nous détaillons par la suite plusieurs modalités d'imagerie développés au cours des dernières années : 1) Imagerie THz en transmission, en réflexion et de conductivité, 2) imagerie THz pulsée, 3) imagerie THz par tomographie computationnelle et 4) imagerie THz en champ proche. Nous discutons par la suite plus en détail à propos de technologies habilitantes pour l'imagerie THz en temps réel. Pour cela, nous couvrons trois différents axes de recherche développés en littérature : 1)Imagerie en temps réel de spectroscopie THz dans le domaine du temps, 2) caméras THz et 3) imagerie en temps réel avec détecteur à pixel unique. Nous présentons ensuite le système d'imagerie que nous avons développé pour les démonstrations expérimentales de cette thèse. Ce système est basé sur la spectroscopie THz en temps réel et permet donc d'obtenir des images hyperspectrales en amplitude et en phase. Il utilise des antennes photoconductrices pour l'émission et la détection de la radiation THz. En outre, le détecteur est fibré, ce qui permet de le déplacer spatialement pour construire des images. Nous couvrons aussi brièvement plusieurs techniques de fabrication avancées que nous avons utilisées : impression 3D par filament, stéréolithographie, machinage CNC, gravure/découpe laser et transfert de métal par toner. Nous portons ensuite notre attention à l'objectif principal de cette thèse à travers trois démonstrations distinctes. Premièrement, nous concevons des composants THz à faibles pertes en utilisant des matériaux poreux. L'absence de détecteurs THz ultra-sensibles implique que les pertes encourues dans un système d'imagerie sont hautement indésirables. En effet, un moyennage temporel est généralement fait pour extraire de faibles signaux THz sévèrement enfouis sous le bruit technique. Ceci a pour impact de diminuer le nombre d'images à la seconde.

Abstract

The terahertz band is a region of the electromagnetic spectrum comprising frequencies between 0.1 THz to 10 THz for respective wavelengths of 3 mm to 30 um. Despite all the interest and potential generated in the past decade for applications of this spectral band, there are still major hurdles impeding a wider use of THz radiation for imaging. This thesis addresses the problem of image acquisition time. Our main objective is to develop technologies and techniques to achieve real-time THz imaging. We start this thesis with a comprehensive review of the scientific literature on the topic of realtime THz imaging. This review begins by listing some off-the-shelf THz sources and detectors that could be readily used in THz imaging. We then detail some key imaging modalities developed in the past years: 1) THz transmission, reflection and conductivity imaging, 2) THz pulsed imaging, 3) THz computed tomography, and 4) THz near-field imaging. We then discuss practical enabling technologies for real-time THz imaging: 1) Real-time THz timedomain spectroscopy imaging, 2) THz cameras, and 3) real-time THz single-pixel imaging. We then present our fiber-coupled THz time-domain spectroscopy imaging setup. This system is used throughout the thesis for experimental demonstrations. We also briefly overview many advanced fabrication techniques that we have used, namely fused deposition modeling,stereolithography, CNC machining, laser cutting/engraving and metal transfer using toner. We then turn to the main objective of this thesis with three distinct demonstrations. First, we design low-loss THz components using porous media. The losses incurred in the imaging system are highly undesirable due to the lack of sensitive THz detectors. Indeed, time averaging is generally performed in order to retrieve THz signals severely buried under noise,which in return reduce the framerate. We propose to use low-refractive index subwavelength inclusions (air holes) in a solid dielectric material to build optical components. We show that these components have smaller losses than their all-solid counterparts with otherwise identical properties. We fabricate a planar porous lens and an orbital angular momentum phase plate, and we use our imaging system to characterize their effects on the THz beam. Second, we demonstrate a spectral encoding technique to significantly reduce the required number of measurements to reconstruct a THz image in a single-pixel detection scheme.