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Characterization of an 8 x 8 Terahertz Photoconductive Antenna Array for Spatially Resolved Time-Domain Spectroscopy and Imaging Applications

Raphaël Henri

Master's thesis (2021)

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Abstract

Terahertz (THz) radiation has received a lot of attention in recent years due to its unique characteristics. Its ability to penetrate most dielectric materials, its non-ionizing nature, and the fact that it is absorbed by water molecules make it an excellent choice for imaging applications in the biomedical field, in security screening and much more. The THz time-domain system is one of the most common imaging systems where short THz pulses are generated. These systems are mainly used in hyperspectral imaging since the whole frequency information is acquired in a single scan. Depending on the choice of the detector, these systems allow coherent detection where both phase and amplitude information is retrieved and find practical applications in material characterization. One of the main challenges in coherent imaging with a THz time-domain system is the lack of efficient detector array. The most common approach is to use a single photoconductive antenna (PCA) as a detector and proceed with a 2D raster scan to image an object. This technique is time consuming and is not well-suited for real-time imaging. In this work, we present a PCA array of 8x8 pixels for spatially resolved time-domain spectroscopy and imaging applications. The substrate of the PCA array is made of LT-GaAs and each antenna is separated by 700 µm. In an article published in IEEE Access entitled: “Fabrication and characterization of an 8x8 terahertz photoconductive antenna array for spatially resolved time-domain spectroscopy and imaging applications,” we present a novel technique where a spatial light modulator (SLM) is used to address each pixel of the PCA array. The SLM is used to focus and steer the femtosecond (fs) infrared (IR) probe beam on the gap of each antenna of the detector. A Fresnel lens pattern is displayed on the SLM and hyperspectral coherent detection is achieved for the 8 channels of the detector. Furthermore, a multichannel virtual lock-in amplifier is implemented in Labview to increase the signal-to-noise (SNR) of the PCA array. A complete calibration technique using a digital multimeter and the THz radiation itself was developed to find the optimal position of the antennas in the SLM's referential. A characterization of the detector is proposed where parameters like channels' crosstalk and detector resolution are determined. Finally, imaging experiments of a 3D printed object and a metallic mask are successfully carried out.

Résumé

Le rayonnement térahertz (THz) a reçu beaucoup d'attention ces dernières années en raison de ses caractéristiques uniques. Sa capacité à pénétrer la plupart des matériaux diélectriques, sa nature non ionisante et le fait qu'il soit absorbé par les molécules d'eau en font un excellent choix pour les applications d'imagerie dans le domaine biomédical, en sécurité et bien plus encore. Le système de domaine temporel THz est l'un des systèmes d'imagerie les plus couramment utilisés où de courtes impulsions THz sont générées. Ces systèmes sont principalement utilisés en imagerie hyperspectrale, puisque toute l'information fréquentielle est acquise en un seul balayage. Selon le choix du détecteur, ces systèmes permettent une détection cohérente où les informations de phase et d'amplitude sont récupérées et trouvent des applications pratiques dans la caractérisation des matériaux. L'un des principaux défis de l'imagerie cohérente avec un système THz dans le domaine temporel est le manque de détecteurs multipixels efficaces. L'approche la plus populaire consiste à utiliser une seule antenne photoconductrice (PCA) comme détecteur et à procéder à un balayage en 2 dimensions de l'objet ou du détecteur. Cette technique prend du temps et n'est pas adaptée à l'imagerie en temps réel. Dans ce travail, nous présentons une matrice d'antennes photoconductrices de 8x8 pixels pour des applications en spectroscopie et en imagerie dans le domaine temporel résolue spatialement. Le substrat du réseau PCA est composé de LT-GaAs et chaque antenne est séparée de 700 µm. Dans un article publié dans IEEE Access intitulé : «Fabrication and characterization of an 8x8 terahertz photoconductive antenna array for spatially resolved time-domain spectroscopy and imaging applications», nous présentons une nouvelle technique où un modulateur spatial de lumière (SLM) est utilisé pour adresser chaque pixel de la matrice d'antennes. Le SLM est utilisé pour focaliser et diriger le faisceau infrarouge (IR) femtoseconde (fs) sur le gap de chaque antenne du détecteur. Pour ce faire, un patron de type lentille de Fresnel est affiché sur le SLM et une détection cohérente hyperspectrale est réalisée pour les 8 canaux du détecteur. De plus, un amplificateur virtuel de type lock in est implémenté dans Labview pour augmenter le signal sur bruit (SNR) de la matrice PCA.
Department: Department of Engineering Physics
Program: Génie physique
Academic/Research Directors: Maksim A. Skorobogatiy
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/9966/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 27 Apr 2022 11:37
Last Modified: 01 Dec 2022 05:17
Cite in APA 7: Henri, R. (2021). Characterization of an 8 x 8 Terahertz Photoconductive Antenna Array for Spatially Resolved Time-Domain Spectroscopy and Imaging Applications [Master's thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/9966/

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