High-Sensitivity Field Resolved Detection for Terahertz Time Domain Spectroscopy

Le "gap terahertz" constitue un espace entre les fréquences optiques et électroniques où il y avait peu de technologies développées par le passé. La spectroscopie des états fondamentaux de la matière, ainsi que des nouvelles possibilités technologiques pour la télécommunication, la sécurité et la santé ont motivé l’exploitation de techniques optiques ultrarapides pour couvrir cette section du spectre électromagnétique au cours des trente dernières années. L’échantillonnage électro-optique et la rectification optique sont deux méthodes populaires de détection et de génération, respectivement, d’ondes terahertz. Elles sont employées pour réaliser de la spectroscopie terahertz dans le temps. La rectification optique est cependant délicate à implémenter et a des limites de performances évidentes. Ces deux points sont corrigés par les émetteurs spintroniques, un nouvel outil de génération d’ondes terahertz. Dans ce projet, on améliore la sensibilité de la détection d’un dispositif spectroscopique, en exploitant la dépendance de la polarisation du champ térahertz produit par un émetteur spintronique sur l’orientation du champ magnétique dans lequel il est plongé. Pour ce faire, nous avons d’abord identifié la meilleure fréquence à laquelle moduler le champ magnétique, en caractérisant le bruit relatif en intensité du laser source dans le domaine fréquentiel. Nous avons ainsi prévu une réduction du bruit d’un facteur de 40, en passant d’une émission de THz modulée à 200Hz à une modulation à plus de 160kHz. À ces fréquences de modulation, la sensibilité de la détection est à la limite classique standard pour notre laser. Nous avons ensuite conçu une bobine Helmholtz avec un circuit doublement résonant, qui émet un champ magnétique sinusoïdal dans le temps, à une fréquence de 787kHz. Des mesures de la sensibilité ont été effectuées qui confirment nos estimations. Nous avons par la suite réalisé des mesures de détection par échantillonnage électro-optique, en utilisant un émetteur spintronique plongé dans le champ de notre bobine pour générer les ondes térahertz. Les résultats démontrent que les performances sont similaires aux mesures faites à basse fréquence de modulation. Nous avons ainsi démontré que les émetteurs spintroniques fonctionnent à des fréquences avoisinant les fréquences radio. Nous faisons aussi par là une mesure totale de la bande d’émission de l’émetteur spintronique, qui s’étend jusqu’à 32THz à la ligne de 10%. Nous avons enfin utilisé des mesures du champ émis par l’émetteur spintronique pour déduire le temps caractéristique de la diffusion électron-spin, qui est de l’ordre de 100 femtosecondes, comme trouvé dans la littérature.

Abstract

The "terahertz gap" is the range between mid-infrared optical frequencies and electronic frequencies where few technologies were developed in the past. Spectroscopy of the fundamental states of matter, as well as new possibilities for telecommunication, security and health technology have prompted the use of ultrafast optical techniques to bridge that gap. Electro-optic sampling and optical rectificaion are two popular methods used for detection and generation, respectively, of terahertz radiation. They are harnessed together for time-domain terahertz spectroscopy. Optical rectification is, however, difficult to implement and has limitations in its performance. Spintronic emitters are a novel and easier way of generating terahertz radiation that overcome the limitations of optical rectification. In this project, we exploit the polarization dependency of spintronic emitted terahertz on the external magnetic field to drastically improve sensitivity. To do so, we first characterise the relative intensity noise of laser source in the frequency domain. We find that for frequencies above 160kHz, the noise is at the standard quantum limit, which means a factor of 40 for the improvement of sensitivity by going from modulation at low frequency (200Hz) to modulation at near radio frequency. We then design and build a Helmholtz coil with a double-resonant circuit. It emits a magnetic field, sinusoidal in time, at 787kHz. With this coil, noise measurements have been done, showing nearly a 40 times improvement when compared to modulation at 200Hz, and giving shot-noise limited sensitivity to our set-up. Then, electro-optic sampling measurements were realised with the spintronic emitter as the source of terahertz radiation. The detected field proved to have the same features, whether modulated at 787kHz or at 200Hz, demonstrating full functionality for a spintronic emitter operating at near radio frequencies. We also detected a full bandwidth of 32THz at the 10%line, which constitutes the widest bandwidth in a measurement of spintronic emission to the date of this writing. Finally, we used the detected spectrum from the spintronic emission to retrieve the time constant associated with the electron spin relaxation in the ferromagnetic layer. The results are in strong agreement with the literature.