<  Back to the Polytechnique Montréal portal

Electric Field Measurements from Terahertz to Mid-Infrared

Etienne Doiron

Masters thesis (2021)

[img] Terms of Use: All rights reserved.
Restricted to: Repository staff only until 19 October 2022.
Cite this document: Doiron, E. (2021). Electric Field Measurements from Terahertz to Mid-Infrared (Masters thesis, Polytechnique Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/9121/
Show abstract Hide abstract

Abstract

La recherche sur les technologies photoniques Térahertz (THz) a connu un progrès extrêmement rapide au cours des trois dernières décennies. Par conséquent, la région spectrale complexe autrefois dénommée « le gap THz » devient maintenant technologiquement accessible, ce qui est motivé par les possibilités de spectroscopie d’excitations fondamentales dans la matière condensée et d’autres technologies, telles que par exemple la communication courte-distance par protocoles au-delà du 5G. Parmi les techniques les plus importantes respectivement pour la génération et la détection de THz dans les laboratoires de recherche, la rectification optique et l’échantillonnage électro-optique permettent d’effectuer de la spectroscopie en domaine temporel eÿcace et large-bande. C’est-à-dire, une trace complète du champ électrique de la radiation THz est mesurée directement dans le domaine temporel, four-nissant ainsi l’information relative à la phase spectrale qui n’est normalement pas obtenue à l’aide de spectroscopie traditionnelle qui ne retourne que l’amplitude spectrale. L’objectif principal de ce projet était la conception, l’assemblage et la caractérisation d’un montage de génération et de détection résolue en champ d’impulsions allant du régime THz à infrarouge moyen (MIR), à l’aide d’effet non-linéaires d’ordre deux stimulés par un laser titane-saphir (Ti:sapph) à blocage de modes fait-maison. Afin d’obtenir une bonne efficacité de génération et détection à de hautes fréquences, il était d’abord nécessaire d’abaisser la durée des impulsions émises par le laser à une durée aussi près que possible de Fourier-limitée. Ainsi, un montage frequency-resolved optical gating (FROG) a été assemblé, permettant la caractérisation de dispersion des impulsions, avec l’aide également d’un montage two-dimensional spectral shearing interferometry (2DSI) disponible en laboratoire. Tel que vérifié par cette caractérisation, les impulsions du laser Ti:sapph ont pu être compressées temporellement à une durée de 11 fs, pour les branches de génération et de détection du montage THz. De très courtes impulsions, couvrant la région THz à MIR, on ensuite été générées par rectification optique des impulsions bien compressées du laser Ti:sapph. Ainsi, des composantes fréquentielles allant de 0.2 à 60 THz ont été détectées par échantillonnage électro-optique. Des tests avec des cristaux ZnTe relativement épais (500 µm) ont permis de démontrer l’aptitude du montage à la détection de basses fréquences, en dessous du point de résonnance du matériau, et ce malgré le fait que le montage est optimisé pour une opération à hautes fréquences. ----------Abstract Terahertz (THz) photonic technologies, as a field of research, has undergone very rapid development in the past three decades. As a result, the spectrally complex region once referred to as the "THz gap" is now becoming technologically accessible, which is motivated by spectroscopy of fundamental excitations in matter and other technologies, such as e.g. near-distance communication beyond 5G protocol. Among the most prominent techniques in research laboratories for THz generation and detection respectively, optical rectification and electro-optic sampling allow eÿcient and broadband time-domain spectroscopy. That is, the full electric-field trace of THz radiation is directly measured in the time domain, providing phase information usually unavailable in traditional spectroscopy which only measures the spectral amplitude. The main objective of this project was to design, assemble and characterize a setup aimed at the generation and field-resolved detection of THz to mid-infrared (MIR) transients using second-order nonlinearities driven by a home-built mode-locked titanium sapphire (Ti:sapph) laser. For eÿcient high-frequency generation and detection, it was first necessary to bring the output pulses of the laser closest possible to the Fourier-limited duration. A frequency-resolved optical gating (FROG) system was thus assembled, enabling dispersion characteri-zation supported with a two-dimensional spectral shearing interferometry (2DSI) setup avail-able. As verified by this characterization, pulses from the Ti:sapph laser were compressed down to 11 fs in both the generation and detection branches of the THz setup. Short THz to MIR pulses were then generated via optical rectification of the well compressed Ti:sapph output, with frequency components covering 0.2 to 60 THz measured via electro-optic sampling. Tests with relatively thick (500 µm) ZnTe crystals showed the setup’s ability for eÿcient operation at low frequencies below the Reststrahlen band of the electro-optic detector, even though the setup is optimized for high-frequency operation. This can be attributed to the careful selection of pump focus size and recollimating mirror’s numerical aperture for the eÿcient collection of strongly diverging low frequencies. With very thin (<12 µm) GaSe crystals, ultra-broadband single-cycle pulses with an intensity bandwidth of 24 THz centered at 25 THz were generated and detected.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie physique
Academic/Research Directors: Denis Seletskiy
Date Deposited: 19 Oct 2021 11:23
Last Modified: 19 Oct 2021 11:23
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/9121/

Statistics

Total downloads

Downloads per month in the last year

Origin of downloads

Repository Staff Only