Investigations on terahertz imaging based on coherent fourier-space spectrum detection

  • Terahertz (THz) radiation lies between the micro and far-infrared range in the electromagnetic spectrum. Compared with microwave and millimeter waves, it has a larger signal bandwidth and extremely narrow antenna beam. Thus, it is easier to achieve high-resolution for imaging and detection applications. The unique properties, such as penetration for majority non-polar materials, non-ionizing characteristic and the spectral fingerprint of materials, makes THz imaging an appealing artifice in the military, biomedical, astronomical communications, and other areas. However, THz radiation’s current low power level and detection sensitivity block THz imaging system from including fewer optical elements than the visible or infrared range. This leads to imaging resolution, contrast, and imaging field of view degenerate and makes the aberration more serious. THz imaging based on the space Fourier spectrum detection is developed in this thesis to achieve high-quality imaging. The main concept of Fourier imaging is by recording the field distribution in the Fourier plane (focal plane) of the imaging system; the information of the target is obtained. The numerical processing method is needed to extract the amplitude and phase information of the imaged target. With additional process, three-dimensional (3D) information can be obtained based on the phase information. The novel recording and reconstructing ways of the Fourier imaging system enables it to have a higher resolution, better contrast, and broader field of view than conventional imaging systems such as microscopy and plane to plane telescopic imaging system. The work presented in this thesis consists of two imaging systems, one is working at 300 GHz based on the fundamental heterodyne detection of the THz radiation, the other is operated at 600 GHz by utilizing the sub harmonic heterodyne detection technique. The realization and test of the heterodyne detection are based on the THz antenna-coupled field-effect transistor (TeraFET) detector developed by Dr. Alvydas Lisauskas. Both systems use two synchronized electronic multiplier chains to radiate the THz waves. One radiation works as the local oscillator (LO), the other works as illumination with a slight frequency shift, the radiations are mixed on the detector scanning in the Fourier plane to record the complex Fourier spectrum of the imaged target. The LO has the same frequency range as the illuminating radiation for fundamental heterodyne detection but half the frequency range for the sub-harmonic heterodyne detection. The 2-mm resolution, 60-dB contrast, and 5.5-cm diameter imaging area at 300 GHz and the of 500-μm resolution, 40-dB contrast, and 3.5-cm diameter imaging area at 600 GHz are achieved (the 300-GHz illuminating radiation has the approximate power of 600 μW , the 600-GHz illuminating radiation has the approximate power of 60 μW ). The thesis consists of 6 parts. After the introduction, the second chapter expands on the topic of Fourier optics from a theoretical point of view and the simulations of the Fourier imaging system. First, the theory of the electromagnetic field propagation in free space and through an optical system are investigated to elicit the Fourier transform function of the imaging system. The simulation is used for theoretical considerations and the implementation of a Fourier optic script that allows for numerical investigations on reconstruction. The preliminary imaging field of view and resolution are also demonstrated. The third chapter describes the Fourier imaging system at 300 GHz based on the fundamental heterodyne detection, including the experimental setup, the 2D, and 3D imaging results. The following fourth chapter reports the integration of the TeraFET detector with two substrate lenses (one is a Si lens on the back-side Si substrate, the other is a wax/PTFE lens on the front side containing the bonding wires) for sub-harmonic heterodyne detection at 600 GHz. The characteristic of the wax/PTFE lens at THz range is presented. After that, the compared imaging results between the detector with and without the wax/PTFE lens are shown. The fifth chapter extends the demonstration on the lateral and depth resolution of the Fourier imaging system in detail and uses the experimental results at 600 GHz to validate the analytical predictions. The comparison of the resolution between the Fourier imaging system and the conventional microscopy system proves that the Fourier imaging system has better imaging quality under the same system configuration. The last chapter in this thesis concludes on the findings of the THz Fourier imaging and gives an outlook for the enhancement of the Fourier imaging system at THz range.
  • Das elektromagnetische Spektrum ist der Frequenzbereich der elektromagnetischen Strahlung, die jeweiligen Wellenlängen und Photonenenergien. Es umfasst den Frequenzbereich von unter 1 Hz bis über 1025 Hz, was Wellenlängen von Tausenden von Kilometern bis zu einem Bruchteil der Größe eines Atomkerns entspricht. Man unterteilt das Spektrum in verschiedene Bänder, die als Radiowellen, Mikrowellen, Infrarotstrahlen, sichtbares Licht, Ultraviolett-, Röntgen- und Gammastrahlen bekannt sind, und zwar vom niederfrequenten (langwelligen) Ende bis zum hochfrequenten (kurzwelligen) Ende. Jedes Band hat seine einzigartigen Eigenschaften, z.B. wie es erzeugt wird, wie es mit Materie wechselwirkt und seine praktischen Anwendungen. Das sichtbare Spektrum war wohl der erste Frequenzbereich, der in der Geschichte der Erforschung des elektromagnetischen Spektrums untersucht wurde, da es mit dem bloßen Auge des Menschen direkt beobachtet werden kann. Mit der Entwicklung der Technologie wurde die Strahlung jenseits des sichtbaren Spektrums kontinuierlich erforscht und für verschiedene Anwendungen genutzt. So ist z.B. die Röntgenbildgebung für medizinische und Sicherheitszwecke von großer Bedeutung, infrarotbasierte Nachtsichtkameras sind für die polizeiliche Überwachung, das Militär und die Naturwissenschaften kommerziell erhältlich, auch Strahlung im Radar-Frequenzband wird mit moderner Technologie für Wetterbeobachtung, Topographieuntersuchungen oder militärische Nutzung abgebildet. Terahertz (THz)-Strahlung liegt im elektromagnetischen Spektrum zwischen dem Mikround Ferninfrarotbereich. Die Strahlung bei THz-Frequenzen wurde viele Jahre lang als "THz-Lücke" behandelt, weil die Erkennung schwierig war. Da jedoch die Detektionstechnik in den letzten Jahren mit immer höherer Empfindlichkeit bei verschiedenen Frequenzen entwickelt wurde, wurde die THz-Strahlung der Beobachtung durch den Menschen und verschiedenen Anwendungen näher gebracht. Die THz-Strahlung befindet sich zwischen dem elektronischen und optischen Frequenzbereich und hat Eigenschaften aus beiden Frequenzbereichen: Aus dem ersten, dass man die Kohärenz der Strahlung leicht kontrollieren und ausnutzen kann und dass viele Materialien (halb-)transparent sind, aus dem zweiten, dass quasi-optische Strahlpropagationstechniken eingesetzt werden können. Außerdem hat es eine größere Signalbandbreite und einen extrem schmalen Antennenstrahl im Vergleich zu Mikrowellen und Millimeterwellen. Dadurch ist es einfacher, eine hochauflösende Bildgebung zu erreichen. Die einzigartigen Eigenschaften, wie z.B. durchdringende und nicht-ionisierende Eigenschaften, machen die THz-Bildgebung zu einer attraktiven Anwendung in der militärischen, biomedizinischen, astronomischen Kommunikation und anderen Bereichen. Die derzeit geringe Leistung und Nachweisempfindlichkeit der THz-Strahlung schränkt das THz-Bildgebungssystem jedoch so ein, dass es viel weniger optische Elemente enthält als der sichtbare oder infrarote Bereich. Dies führt zu einer Degeneration der Bildauflösung, des Kontrasts und des Sichtfelds und macht die Aberration noch gravierender. Die THz-Bildgebung auf der Grundlage der Raum-Fourier-Spektrum-Detektion wird in dieser Arbeit entwickelt, um dieses Problem zu lösen und eine qualitativ hochwertige Bildgebung zu erreichen. Das Hauptkonzept der Fourier-Abbildung besteht in der Aufzeichnung der Feldverteilung in der Fourier-Ebene (Brennebene) des Abbildungssystems; die Information des Zielobjekts wird gewonnen. Die numerische Verarbeitungsmethode wird benötigt, um die Amplituden- und Phaseninformation des abgebildeten Ziels zu extrahieren. Nach dem weiteren Prozess kann auf der Basis der Phaseninformation dreidimensionale Information gewonnen werden. Die neuartige Aufnahme- und Rekonstruktionsmethode des Fourier-Abbildungssystems ermöglicht eine höhere Auflösung, einen besseren Kontrast und ein breiteres Sichtfeld als herkömmliche Abbildungssysteme wie Mikroskopie und Teleskope. Diese Arbeit demonstriert das Konzept, die Simulation, die Durchführung und die Auflösung der Fourier-Bildgebung bei Sub-THz-Frequenzen. Die Simulationen, die auf dem Wellenausbreitungsintegral basieren, werden durchgeführt, um ein elektrisches Feld, das ein Eingangsobjekt beleuchtet, und seine Ausbreitung zur Fokusebene zu untersuchen. Numerische Studien helfen auch bei der Vorhersage von Eigenschaften, Merkmalen und potenziellen Ergebnissen einer experimentellen Messung. Simulationen geben eine Vorstellung davon, welche Objekte welche charakteristischen Intensitäts- und Phasenmuster erzeugen. Numerische Berechnungen helfen auch bei der Vorhersage der Auswirkungen von verrauschten Intensitäts- und Phasenmustern auf die Rückberechnung. Verschiedene Objekte führen zu unterschiedlichen Fourier-Spektren mit den hervorgehobenen Raumfrequenzen aus den Merkmalen des Objekts.

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Metadaten
Author:Hui YuanGND
URN:urn:nbn:de:hebis:30:3-722766
DOI:https://doi.org/10.21248/gups.72276
Place of publication:Frankfurt am Main
Advisor:Hartmut Roskos, Gintaras Valušis, Xicheng Zhang
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):2023/03/17
Year of first Publication:2023
Publishing Institution:Universitätsbibliothek Johann Christian Senckenberg
Granting Institution:Johann Wolfgang Goethe-Universität
Date of final exam:2022/11/01
Release Date:2023/03/17
Tag:THz imaging
Page Number:166
HeBIS-PPN:506132587
Institutes:Physik
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Sammlungen:Universitätspublikationen
Licence (German):License LogoDeutsches Urheberrecht