TY  - THES
A1  - Voß, Daniel
T1  - Investigations on terahertz imaging with pulsed optical parametric oscillator radiation and heterodyne Fourier techniques
N2  - With the discovery of light beyond human visibility, scientists strove to extend the range of observation to invisible parts of the light’s spectrum. Realising that light of all frequencies is part the same physical phenomenon, brought a leap in understanding about electromagnetic waves. With the development of more advanced technology, detectors with higher sensitivity for adjacent frequencies to the visible were built. From this, with each new observable wavelength, more insight into otherwise invisible processes and phenomenons were observed. Hand in hand with this went the enhancement of the output power of corresponding sources. This has lead to higher sensitivity setups throughout the spectrum, leading to observations which have given a deeper understanding in various fields of science. Nowadays, detectors and emitters in many different regions of the invisible electro magnetic spectrum have found their way in our every day life. Innovations in technology has lead to practical applications such as X-rays in medicine, motion sensors and remote controls using infrared light, distance sensors and data transmission using radar and radio devices. The frequency regions above infrared are optically generated and below radar can be produced using electric methods. There is no straight line that separates these frequencies. There rather is a whole intermediate region known as the terahertz (THz) regime. Due to the lack of sensitive detectors and efficient sources, the THz frequency region has not been exploited for application use on a widespread basis so far. It combines properties from the surrounding frequency ranges which make it an ideal spectrum for various applications. Consequently, THz radiation and THz imaging are active fields of research.
The work presented in this thesis consists of the development and testing of novel THz imaging concepts, which uses a THz antenna coupled field effect transistor (TeraFET) detector. Two detection principles are applied using two different optical setups. The first uses a pulsed optical parametric oscillator (OPO) THz source where the optical output power is detected. The source relies on a nonlinear effect of a lithium niobate crystal to generate tunable THz pulses from a Q-switched pump laser. The THz signal is detected and amplified by a double stage operational amplifier for monitoring the real time 20 ns pulses on an oscilloscope where a signal to noise ratio (SNR) of ⇠ 25 at a frequency range from 0.75 to 1.1 THz is reached. Imaging of the area of interest with a resolution of 1.2 mm is achieved through raster scanning of the THz pulses. Also spectroscopy with a frequency resolution of ⇠ 50 GHz is demonstrated using a para-aminobenzoic acid sample. The second setup utilises two synchronised electronic multiplier chain sources where their output is mixed on the detector. To form a heterodyne detection setup, the intermediate frequency is fed to a lock-in amplifier which then amplifies the so called beat signal from the TeraFET detector. One source is fixed relative to the detector even through scanning to ensure a stable signal. This detection method allows for amplitude and phase detection for every scanning position, making numerical light field propagation and object reconstruction possible. Numerical focussing is a key feature achieving a lateral resolution of the input transmittance of ⇡ 2 mm.
After the introduction, the second chapter describes the setup, measurement results and challenges which arise using a TeraFET together with the pulsed THz source “Firefly-THz”. In the description of the setup, special attention is given to the shielding of the detector and the electronics. General findings discuss first the overall performance and later spectroscopy and imaging as application examples. Another subsection continues with potential noise sources before the chapter is concluded. Chapter three expands on the topic of Fourier optics from a theoretical point of view. First, parts of the theory of the Fourier Transform (FT) are set out for the reader and how the Fast Fourier Transform (FFT) results from the Discrete Fourier Transform (DFT). This approach is used for theoretical considerations and the implementation of a Fourier optic script that allows for numerical investigations on electro magnetic field propagation through an optical system. The boundary conditions are chosen to be practical relevant to make predictions on measurements presented in chapter four. The following fourth chapter describes the realisation of a heterodyne THz detection setup. Before the measurement results are presented, the setup and its electric configuration are shown. The results come close to the analytical predictions so that the same algorithm which propagates the field from an object to the Fourier plane is used to propagate the measured field back to the object. The influence of phase noise on the measurement results are discussed before simulation and measurement is compared. The last chapter in this thesis concludes on the findings in the pulsed THz detection and the heterodyne THz Fourier imaging and gives an outlook for both configurations.
N2  - Heutzutage haben viele Detektoren und Quellen in vielen verschiedenen Regionen des elektromagnetischen Spektrums ihren Weg in unseren Alltag gefunden. Von Röntgenstrahlen in Sicherheitsanwendungen und der Medizin, über Kameras im sichtbarem Bereich bis einschließlich Infrarot in Bewegungsmeldern und Fernbedienungen. Noch langwelliger sind Radarwellen, die in Abstandssensoren und Datenübertragung genutzt werden bis zu Radiowellen, mit denen wir täglich Rundfunk übertragen. Wie angedeutet gibt es zwei Bereiche, die sich in der Art und Weise der Strahlungserzeugung unterscheiden lassen. Dabei gibt es keine scharfe Trennung zwischen der niedrigen Infrarotstrahlung und der hohen Radarwelle. Es ist vielmehr ein ganzer Bereich, den wir heute als terahertz (THz) Strahlung kennen. Wegen mangelnder sensitiver Detektoren und effizienten Quellen, hat die THz Frequenz noch nicht ihren Weg in Anwendungen unseres alltäglichen Lebens geschafft. Durch die Kombination der Eigenschaften angrenzender Frequenzbereiche, ist sie für viele Anwendungen interessant, was die THz-Strahlung und deren Abbildung ein aktives Forschungsgebiet macht.
Die vorliegende Arbeit thematisiert THz-Bildgebung unter der Benutzung eines THz Antennen gekoppelten Feldeffekttransistor (TeraFET) Detektors. Dieser wird auf zwei unterschiedliche neue Detektionsweisen genutzt. Der Erste beinhaltet einen gepulsten optischen parametrischen Oszillator (OPO) als THz Quelle deren Leistung detektiert wird. Die Quelle beruht auf einen nichtlinearen Effekt des Lithiumniobat Kristall um Frequenz einstellbare THz-Pulse aus einen Güteschalter Pumplasers zu generieren. Das THz Signal wird detektiert und von einem doppelten Operationsverstärker verstärkt um die Echtzeit ∼ 20 ns Pulse auf einem Oszilloskop darzustellen, wo ein Signal zu Rausch Verhältnis (SNR) von ∼ 25 zwischen 0.75 und 1.1 THz erreicht wird. Durch Rasterscannen wird eine Abbildung mit laterale Auflösung von 1.2 mm erzeugt. Außerdem wird an einer para-Aminobenzolsäure (PABA) Probe Spektroskopie mit einer Frequenzauflösung von 50 GHz demonstiert. Der zweite Aufbau macht von zwei elektrischen Vervielfacher-Quellen gebrauch, deren Austrittsstrahlung auf dem Detektor überlagert wird, um einen Heterodyndetektionsaufbau zu realisieren. Die Differenzfrequenz wird in einen Lock-in-Verstärker gespeist, der das sogenannte Beat-Signal des TeraFET Detectors verstärkt.
Eine der Quellen muss relativ zum Detektor fixiert sein, um von dieser ein stabiles Signal zu gewährleisten. Diese Detektionsmethode erlaubt sowohl eine Amplituden als auch Phasen Erfassung für alle abgetasteten Positionen, was eine numerische Propagation des Lichtfeldes und Rekonstruktion des Objektes möglich macht. Eine der Haupteigenschaften ist die numerische Fokussierung, bei der man ≈ 2 mm in jeder Tiefenebene lateral auflösen kann.
Nach der Einleitung beschreibt das erste Kapitel den Aufbau, der die OPO THz Quelle beinhaltet und gibt einen Überblick über dessen wichtigste Komponenten einschließlich der bereits erwähnten THz Quelle, des Abgeschirmten Feldeffekttransistor und eines zwei Ebenen Verstärkers. Es zeigt sich, dass der Güteschalter des “Firefly-THz” ein elektrisches Feld mit hoher Intensität induziert, wovor Detektor und Verstärker abgeschirmt werden müssen. Die potentiellen Anwendungsbeispiele Bildgebung und Spektroskopie werden im Abschnitt der Messung nach den allgemeinen Befunden des Systems beleuchtet. Vor dem Fazit dieses Kapitels wird eine Rauschquellenbetrachtung durchgeführt und weitere Begleiteffekte des nichtlinearen Prozesses diskutiert. Kapitel drei führt zunächst in die Theorie der Fourier Optik über die Fourier Transform (FT) und die aus der Discrete Fourier Transform (DFT) resultierenden Fast Fourier Transform (FFT) ein. Dieser Ansatz wird für theoretische Überlegungen und die Implementierung eines Fourier Optik Skripts benutzt, das die Propagation von elektromagnetischen Feldern durch ein optisches System untersucht. Das vierte Kapitel über Fourier Optik präsentiert die Realisierung eines heterodyne THz Detektionsaufbaus. Bevor Messergebnisse präsentiert werden, wird die besondere Anordnung der zwei elektronischen Vervielfacher-Quellen zum Thema gemacht. Die Resultate sind sehr nahe an der analytischen Vorhersage, sodass die selben Algorithmen, die ein elektrisches Feld vom Objekt zur Fourier Ebene propagieren, dazu genutzt werden können die Felder aus den Messdaten zurück zum Objekt zu verfolgen. Da die Phase ein essenzieller Parameter ist, hat dessen Rauschen einen großen Einfluss auf die Rekonstruktionsqualität des Objektes. Abweichungen können mit Phasenrauschen unterschiedlicher Ursprünge begründet werden. Dies wird erörtert bevor der nächste Abschnitt die Ergebnisse von Simulation und Messung vergleicht und evaluiert. Das letzte Kapitel fasst die Befunde der Aufbauten gepulster THz Detektion mit Echtzeit Abbildungspotential und hetorodyn THz Fourier Bildgebung zusammen.
Y1  - 2019
UR  - http://publikationen.ub.uni-frankfurt.de/frontdoor/index/index/docId/50166
UR  - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:hebis:30:3-501669
CY  - Frankfurt am Main
ER  -