Terahertz (THz) Algılama Uygulamaları için Oda Sıcaklığında Çalışan Deşarj Lambalarının Karekterizasyonu

TÜBİTAK MFAG Proje01.03.2016İlk olarak 1970’lerde araştırılmaya başlayan bir konu olan deşarj lambaları kullanarak THz/milimetre dalga boyu algılama yöntemi günümüzde THz tekniklerine olan ilgi ile tekrar gündeme gelmiştir ve yakın zamanda kendi yaptığımız çalışmalar ile uluslararası alanda yoğun ilgi görmektedir. Yüksek basınçta bir gaz içinde oluşan deşarj sonucu ışıma yapan bu lambalar, oluşan plazma sayesinde ışıma yaparken THz dalga boylarına hassasiyet göstermektedir. Bu çalışmalar ilk olarak Prof. Dr. Natan Kopeika (Ben Gurion Üniversitesi, Nagev, Israil) tarafından gerçekleştirilmiştir. Kendi grubumuzda yaptığımız çalışmalar da bunu desteklemektedir, dahası kurduğumuz zamana dayalı THz ölçüm sistemleri ile yapısı ile ilintili özel THz frekanslarında bu yapıların rezonant etki gösterdiğini tespit eden ilk araştırma grubuyuz. MM dalga boyu/THz algılama için kullanılan bu tip lambaların ucuz olmaları, gerek oda sıcaklığında çalışırken THz dalga boylarını yüksek hassasiyetle tespit edebilmeleri, gerekse de plazmadan geçerken bazı THz frekansların kontrol edilerek filtreleyebilmesi bu tip yapıların farklı sivil ve savunma uygulamalarında kullanabileceklerini göstermektedir. Proje kapsamında yaptığımız çalışmalarda, deşarj lambalarında görülen bu rezonant etkilerin THz algılamadaki rolünü belirleyebilmek için ticari olarak satılan farklı lambaları hem zamana dayalı THz ölçüm sistemlerimiz ile hem de proje kapsamında geliştirdiğimiz sürekli ışıma yapan yüksek frekans THz ölçüm sistemleri ile karekterize ettik. İki türlü ışık kaynağı geliştirildi: 80-125GHz arası ışıma yapan, bu frekans tayfında 1GHz’lik dilimlerde 20mW ortalama güç üreten mm-dalga boyu ışın kaynağı ve 260-380GHz arası ışıma yapan, bu frekans tayfında 1GHz’lik dilimlerde 1mW ortalam güç üreten THz ışın kaynağı. Bu ışın kaynakların temelinde Schottky-diyot temeline dayalı çarpan yapıları süren frekans ayarlanbilir bir YIG osilatör mikrodalga kaynağı kullanılmıştır. MM dalga boyu kaynağı için 9-14GHz arası frekansı ayarlanabilen YIG osilatör kaynağını x9 toplam çarpan Schottky diyot temmelli RF bileşenler kullanıldı. THz frekanslarına ulaşmak için aynı kaynağa x3 çarpan bir Schottky temeline dayalı pasif çarpan bir diyot yapısı kullanıldı. İki sistem için frekansları hava boşluğuna taşımak için ayrı horn antenler kullanıldı. MM dalga boyu ışın kaynağı için konik bir horn anten yapısı kullanılırken, THz ışın kaynağı için piarmit horn anten yapısı kullanıldı. Dağılan ışın kaynağın Gaussiyen ışın dağılımı görünüşünü plano-konveks mercekler kullanarak topladık ve deşarj lamba yapısına odakladık. Deneylerin bir sürümünde deşarj lamba yapısını detektör olarak kullandık, diğer bir sürümünde ise içinden geçen frekansların şiddetlerini bir Golay Cell detetktör yardımıyla ölçtük. 2 THz üretici ve deşarj lamba kullanan alıcı sistemleri geliştirdik, sonra zamana dayalı THz ölçüm sistemlerin deşarj lambalarını daha iyi karekterize edebilmeleri için optimize ettik ve THz dalga boylarının deşarj ortamındaki plazma ile etkileşimini anlamak için benzetim çalışmaları geliştirdik. Bu çalışmalar sonucu rezonant etkilerin THz algılamadaki rolünü belirleyerek bu tip yapıların THz uygulamalarında nasıl ve nerede kullanabileceklerini daha iyi anladık. Deşarj lambaları ışın algılama için kullanıldığında literatürde “Glow Discharge Detector (GDD)” olarak adlandırılmaktadır. GDD lambaları ile bu ölçümlerde şu sonuçları elde ettik: GDD lambaları detektör olarak hem mm dalga boyları hem de THz frekansları için ışının kutuplaşma yönüne hassas (anot-katot arası elektrik alan yönü ışın elektrik alanına paralel ya da anti pararlel olduğu durumlarda algıladığı sinyal maksimum, dikay olduğu durumlarda algıladığın sinyal minimum) GDD lambaları hem optik eksene paralel hem de optik eksene dik konumda mm dalga boyu/THz ışınlarını algılayabiliyor GDD lamba detektör hassasiyeti iki frekans aralığı için neredeyse Golay Cell cihazına eşit (nW/Hz-1/2) GDD lambaları detektör olarak kullanıldığında ışın kaynağına genlik modülasyon uygulamak gerekiyor (“Amplitude Modulation (AM)”); 90kHz modülasyon frekansı için algıladığı sinyal en büyük olarak ölçüldü. Ekipmanların limitasyonları nedeniyle daha yüksek modülasyon frekansları araştırılamadı, bu frekansın MHz civarı olduğunu tahmin ediyoruz Optimize edilen zamana dayalı THz ölçüm sistemleri ve kurulan sürekli THz ışın kaynağı sistemleri ile yaptığımız ölçümlerde anot-katot arası mesafenin belli frekansların yapıdan geçişini etkilediğini gözlemledik. Genel olarak ticari olarak satın alınabilen deşarj lambaların anot-katot arası mesafesinin yaklaşık olarak 1mm olması ile etkileştiği rezonant frekans tayfın 250- 350GHz arası frekanslara denk düşmesi şu sonucu destekliyor: ışın ile plazmanın etkileşiminı arttırmak için anot-katot arası mesafesi dalga boyu ile orantılı olmalı. CST Microwave Studio programını kullanarak yaptığımız ilk benzetim çalışmalarında anot-katot arası mesafeye bağlı olarak plazmanın dielektrik fonsiyonu deşarj sırasında belli frekans aralıkları için minimum geçiş gösterdi. Bu çalışmaların üzerinde yoğunlaşarak anot-katot geometrisini optimize etmeyi hedefliyoruz. Yukarıda alınan sonuçların bir kısmı uluslararası konferansta tam makale bildiri olarak yayınlandı, diğer bir kısmı ise uluslararası (SCI-E) hakemli bir dergide yayınlandı. Projede 3 yapılan çalışmalar bir yüksek lisans öğrencisinin tez çalışmalarını destekledi diğer lisans, doktora düzeydeki öğrencilerin de araştırmalarını destekledi. Dünyada son zamanlarda yoğun ilgi ile araştırılan bariyer arkası görüntüleme sektörü için ucuz, oda sıcaklığında yüksek hassasiyetle çalışan THz detektör teknolojilerin geliştirilmesi eşi benzeri olmayan bir katkı sağlayacağına inanmaktayız. Ülkemizde terör olayları ve benzeri negatif unsurlar karşısında savunma ağırlıklı tespit ve imha teknolojileri kapsamında bu tip detektörlerin önemli bir katkı sağlayacağı ortak görüşündeyiz.First started in the 1970s, which was to use glow discharge lamps to detect THz and millimeter waves has become relevant again in the international arena due to the high interest in developing THz technologies and our recent work in this area. By forming the discharge in a gas kept at high pressure between two leads the lamp generates light, meanwhile the plasma formed drives the device to be sensitive to detection of THz and/or millimeter waves. These investigations were first carried out by Prof. Dr. Natan Kopeika (Ben Gurion University, Nagev, Israel) and his team. Our investigations not only support this, but we were also the first research group to see resonant effects due to the structure of the glow discharge lamp in the THz frequency range. Their low cost coupled with the ability to detect THz waves with high sensitivity at room temperature, or the resonant effects which may point to their potential use as controllable filters shows that these devices can be used in a variety of civilian and defense applications. In this project we investigated using both THz time-domain spectroscopy systems and continuous wave THz systems the role of resonant effects in the detection of THz waves by glow discharge lamps was ınvestigated. Two type of sources were developed: A source emitting in the 80-125GHz spectral region with at least 20mW output power per each 1GHz band and a source emitting in the 260-280GHz spectral range with at least 1mW output power per each 1GHz band in the emission. These sources are based on Schottky-diode based multipliers driven by a frequency tunable YIG oscillator. In the mm-wave source the 9-14GHz tunable YIG oscillator was multiplied (x9) using Schottky diode based RF multipliers. The same source was multiplied by x3 passive multiplier to reach THz frequencies. In both systems horn antennas were used to carry the emission into free space. A conical horn was used for the mm-wave source and a pyramid horn was used for the THz source. The emitted beam had a Gaussian beam profile which was collimated and focused on to the discharge lamp using plano convex lenses. In one embodiment of the experiments the discharge lamp was used as a detector and in one other the transmitted waves through the lamps structure was measured using a Golay Cell. In summary, THz emitter and detector systems based on discharge lamps were constructed and then time-domain THz systems were optimized to characterize these lamps. Furthermore to better understand the THz-wave plasma interaction simulations were performed. These investigations allowed us to better understand how the lamp detects THz waves and also helped us understand where and how to better use such devices. İn the 5 literature discharge lamps when used for light detection are typically called Glow Discharge Detectors (GDD). Using GDD lamps these results were obtained: The GDD lamps when used for detection of THz and mm-waves were found to be sensitive to the direction of the impinging E-Field polarization. (When the anodecathode electric field was parallel or antiparallel the detected signal was maximized, when perpendicular the detected signal was minimized). GDD lamps were able to detect mm-wave/THz radiation for when the structure was parallel and perpendicular to the optical axis. The GDD lamp sensitivity in direct detection was almost equal to a Golay Cell (nW/Hz-1/2) When using GDD lamps as detectors one needs to modulate the source (“Amplitude Modulation (AM)”); the signal response was maximized for a modulation frequency of 90 kHz. Due to the limitations in the detection electronics the response is thought to maximize at higher modulation (MHz) Using optimized THz time-domain spectroscopy systems and CW THz systems we showed that the anode-cathode separation plays a role in the transmission of certain mm-wave/THz frequencies. Since the anode-cathode separation of commercially available discharge lamps are on the order of 1mm, the resonant frequency measured upon transmission fell into the 250-350GHz frequency range which suggests that to increase the interaction of the plasma with the far infrared light one needs to tune the separation on the order of the incoming wavelength Using the commercially available software CST Microwave Studio our first simulation attempts have shown that the transmission of the field decreases for certain frequencies dependent on the anode-cathode separation as well as the dielectric properties of the plasma. We hope to improve these simulations thereby allowing us to better design the anode-cathode geometry to optimize detectivity The results as outlined above have resulted in the publication of one international conference proceeding and one international journal article (SCI-E). The research undertaken in this project directly contributed to the Masters’ thesis of one student and the studies of other doctoral, masters’ and undergraduate students. We believe that cost effective, room temperature THz detectors will have a great impact on the development of behind the barrier (see-through) imaging systems in the world. The 6 development of these technologies will be most beneficial to in Turkey, who has a vested interest in developing detection and threat elimination systems with the ever continuing threat of terror related incidents in our country

Yakın gerçek zaman işlemli, fiberde tümleşik atmalı terahertz spektrometre

TÜBİTAK TBAG01.08.2015TUBİTAK tarafından desteklenen 111T748 nolu, “Yakın Gerçek Zaman İşlemli, Fiberde Tümleşik Atmalı Terahertz Spektrometre” başlıklı araştırma projesinden elde edilen sonuçlar açıklanmaktadır. Çalışmalar zamana dayalı terahertz spektrometre ölçüm tekniğin anlık olarak gerçekleştirilmesine ve bu yöntemlerin pompa/sonda ölçümlerinde kullanılması için geliştirilmesine odaklanmıştır. Proje kapsamında tekrarlama frekansını çok hızlı değiştirebilen, üç çıkış kolu olan, 1030nm merkez dalga boyunda çalışan özgün tasarıma sahip Yb: katkılı kip-kilitli fiber lazer sistemi geliştirilmiştir. Üç çıkış kolundan, kısa atım kolu (<150fs) Terahertz (THz) algılanmasında, uzun atım kolu (<250fs) THz üretiminde ve pompa kolu (<1ps) pompa/THz sonda deneylerinde kullanılması için geliştirilmiştir. Geliştirilen bu özgün lazer sistemi ile THz atım ölçümlerin ölçüm hızında neredeyse anlık olarak gerçekleştirilmesi için lazerin tekrarlama frekansın hızlı değişimi sağlanmıştır (~10Hz). Bu amaçlara ulaşmak için sistem içinde terahertz atımlarını üretmek, iletmek ve belirlemek için kullanılan birimlerin her biri optimize edilmiştir. Aynı zamanda lazerin pompa kolundaki çıkış gücünü yükselterek sistemin pompa/THz sonda deneylerinde anlık ölçüm tekniğini kullanarak uygulanması amaçlanmıştır. Böylelikle bu yeni ölçüm tekniği ile yurtdışındaki araştırma laboratuvarlarında geleneksel kullanılan pompa/sonda yöntemlerine hız kazandırarak farklı fiziksel etkenlerin tespitine katkı sağlayabileceğiz.Genelde zamana dayalı terahertz ölçüme dayalı spektroskopi yöntemi, pompa/THz prob (sonda) veya benzeri dinamik ölçüm deneyleri için sistem temelinde güçlendirilmiş atmalı lazer sistemleri kullanılmakta ve THz atım şeklinin ölçüm temelinde interferometrik teknikler kullanıldığından spektrum verilerinin kaydedilmesi onlarca dakika sürebilmektedir. Bu sistemler ile yakın gerçek zaman işlemeli spektroskopi ölçümlerin ve anlık dinamik olayları gözlemeyebilmek için hızlı pompa/THz prob (sonda) ölçüm kabiliyetinin kazanılması, madde karakterizasyonu yapan birçok araştırma grubu için önemli bir destek sağlayacaktır. Örneğin bazı biyolojik ve kimyasal reaksiyonlar saniyeler mertebesinde gerçekleştiğinden bu etkileşimlerin nasıl geliştiği bu tip bir anlık THz spektroskopi yöntemi sonucu daha iyi anlaşılabilenecektir. Aynı zamanda uygun pompalama lazerin fotouyarı sonrası, prob (sonda) görevi yapan THz darbelerin düşük foton enerjisi sayesinde birçok farklı malzeme türleri karakterize edilebilecektir. Bu tip bir ölçüm yeneteğini geliştirmek için proje çalışmasında tekrarlama oranı hızla ayarlanabilen, yükseltilmiş iterbiyum (Yb) katkılı kip-kilitli fiber lazer sistemini geliştirdik ve bu sistemden üç farklı çıkış sağlayarak hem THz atım üretimi, hem belirlenmesi hemde pompa/THz prob (sonda) deneyleri yapabilen bir sistem geliştirdik. Lazerin üç çıkış kolundaki ışın parametrelerini optimize ederek sistem ile yakın gerçek zaman işlemli, dinamik ölçüm yapabilen atmalı terahertz spektrometre ölçümlerin yapılabildiğini gösterdik. Kip-kilitli lazerlerin tekrarlama oranları lazer kavitesinin fiziksel olarak uzunluğunun değişmesi ile ayarlanabilmesine rağmen farklı kavite uzunluklarında aynı kararlılığı (çıkış gücü, atım süresi, tayf genişliği) gösterememektedir. Proje kapmsamında yaptığımız çalışmalarda farklı kavite uzunluklarında kararlı çalışan Yb: katkılı kip-kilitli fiber lazer geliştirerek lazer tekrarlama frekansını çok hızlı bir şekilde değiştirebileceğimizi gösterdik. Lazer çıkışındaki güç ve darbe sürelerini uygun pompalama diyotları ve özel ızgara optik bileşenleri kullanarak THz atım üretimi ve belrilenmesini lazer kavite uzunluğunu değiştirerek optik örnekleme metodu ile yapılabileceğini gösterdik. Bu sayede THz atım şeklini daha hızlı belireyebileceğimiz için çok kısa sürelerde gerçekleşen kimyasal/fiziksel olayları aydınlatabilecek yeni bir ölçüm tekniğin temelini oluşturduk. Elde edilen hızlı tarama süreleri ve Yb: katkılı lazerlerin Er: katkılı lazerlere göre daha yüksek verimde çalışması sayesinde bu tip sistemler pompa/THz prob (sonda) gibi dinamik ölçüm kabiliyetine dayanan birçok deney için önemli bir yenilik kazandıracaktır.Dynamical measurement techniques such as terahertz time-domain spectroscopy, pump/THz probe spectroscopy or similar techniques typically are driven by amplified pulsed laser systems and all utilize interferometric techniques to measure and record the THz profile which results in measurement times that can last tens of minutes. Rapid pump/THz probe measurement techniques will aid in observing instantaneous phenomena or perform near real-time spectroscopy benefiting many research groups which work in the field of material characterization. For example, since some biological and chemical reactions occur in a matter of seconds the interaction of these phenomena with THz waves can be better understood using near-real time measurement techniques. At the same time, after photo excitation at the appropriate pump wavelength the low photon energy THz probe will allow the characterization of a variety of materials. In this research project, to have access to such measurements, we have developed a THz spectrometer driven by an ultrafast amplified Ytterbium (Yb) doped fiber laser whose repetition rate can be tuned rapidly which allows for such dynamical measurements. The system we developed has three outputs which are used for THz pulse generation, THz pulse detection as well as pump/THz probe experiments. By optimizing the optical beam parameters in all three arms we showed that the system can be used for near- real time, pulsed terahertz measurements for dynamical systems. Even though one can tune the repletion rate of a mode-locked laser by changing the cavity length the output beam stability will typically not remain stable (output beam power, pulse duration, and spectral width). Towards this goal, we developed a mode-locked amplified Yb: doped fiber laser system which showed the same output beam parameters despite rapid changes in its repetition rate or cavity length. By using adequately driven pump diodes and appropriate gratings we were able to control and stabilize the power output as well as the pulse duration allowing the use of optical sampling by cavity tuning methods to be utilized in the generation and detection of THz pulses. By developing the method of rapid scanning of the repetition frequency and using highly efficient Yb: doped fiber lasers when compared to Er: doped ones we were able to show that this system can be utilized in many experiments which show dynamical behavior such as pump/THz probe spectroscopy

Aktif tarama teknikleri kullanarak terahertz frekans aralığına görüntü oluşturma.

THz continuous wave (CW) imaging systems have attracted interest in the past decade since they have the ability to detect non-metal threats such as ceramic knives. Moreover due to low energy levels of THz signals, these systems are not harmful. Although various types of imaging systems have been developed, the nature of THz waves has prevented the scienti c community from producing a fast, high resolution and cost e ective imaging system. In this study we have investigated both experimentally and theoretically the application THz waves in various imaging system con gurations. The main goal was to understand the e ects of the optical system design as well as noise and other parameters that could impact the formation of images in an active THz imager based on frequencies near 340GHz. The designed optical system was simulated and the e ects of scanning the target eld were assessed in the simulated images of various targets. The results show that reliable target detection will be aided by post-processing the images using various techniques. Furthermore, to experimentally demonstrate an active imaging system, compressive sensing was used in a non-scanning re ection based optical geometry. In these experiments a mm-wave source near 120GHz was used to obtain the images. The obtained images were analysed and compared to that of simulations. The results show that compressive sensing methods can be implemented successfully to improve image acquisition in typically low-resolution THz imaging systems. Finally, the e ect of imaging in the terahertz frequency range was also investigated for passive imaging methods. A commercial system working in the mm-wave range was used to obtain raw images at stand-o distances. The goal was to process the images without using the routines supplied by the manufacturer. Using wellestablished routines these raw images were processed successfully. Throughout this study careful attention is paid on the limitations on speed and resolution of these imaging systems and discussions on the applicability of the methods developed within this thesis are discussed throughout.M.S. - Master of Scienc

Bariyer Arkası Terahertz Görüntüleme Sistemi

ODTÜ Fizik THz Araştırma Laboratuarı’nda farklı görüntüleme sistemleri kullanılarak, farklı THz ve THz altı görüntüler elde edilmektedir. Bunlardan birincisinde Schottky diyot çarpanlarına dayalı bir THz kaynak Galvo aynaların yardımıyla görüntüleme alanını nokta nokta taramaktadır. İkinci bir sistemde yine Schottky diyot çarpanlarına dayalı başka bir THz kaynak ile Compressive Sensing prensibine uygun olarak görüntüleme yapılmaktadır. Bir başka proje kapsamında ise görüntüleme için GDD alıcı dizgiler geliştirilmektedir. Bu projede THz bariyer arkası görüntüleme sistemlerinin bariyerden gelen gürültüyü yok etmesi için gerekli elektronik bileşenler geliştirilecek ve böylece bahsi geçen üç çalışmanın da kazanç sağlaması sağlanacaktır. Hedeflenen bu amaç için gereken optik dizayn standart üretimi ve satışı yapılan lensler ile sağlanamamaktadır. Bu yüzden gerekli parametrelere sahip lenslerin tasarımı, üretimi ve testi gereklidir. Proje kapsamında uygun bir 3B yazıcı alınıp farklı frekansları akromat şekilde hedefe odaklayan THz merceklerin üretilmesi planlanmıştır

Compressive Sensing Imaging with a Graphene Modulator at THz Frequency in Transmission Mode

In this study we demonstrate compressive sensing imaging with a unique graphene based optoelectronic device which allows us to modulate the THz field through an array of columns or rows distributed throughout its face

Compressive sensing imaging at Sub-THz frequency in transmission mode

Due to lack of widespread array imaging techniques in the THz range, point detector applications coupled with spatial modulation schemes are being investigated using compressive sensing (CS) techniques. CS algorithms coupled with innovative spatial modulation schemes which allow the control of pixels on the image plane from which the light is focused onto single pixel THz detector has been shown to rapidly generate images of objects. Using a CS algorithm, the image of an object can be reconstructed rapidly. Using a multiplied Schottky diode based multiplied millimeter wave source working at 113 GHz, a metal cutout letter F, which served as the target was illuminated in transmission. The image is spatially discretized by laser machined, 10 × 10 pixel metal apertures to demonstrate the technique of spatial modulation coupled with compressive sensing. The image was reconstructed by modulating the source and measuring the transmitted flux through the metal apertures using a Golay cell. Experimental results were compared to reference image to assess reconstruction performance using χ2 index. It is shown that a satisfactory image is reconstructed below the Nyquist rate which demonstrates that after taking into account the light intensity distribution at the image plane, compressive sensing is an advantageous method to be employed for remote sensing with point detectors

340 GHz imaging system for detection of concealed threat objects at 5 meters stand-off distance (Conference Presentation)

A THz active scanned imaging system is developed for detection of concealed threat objects at a stand-off distance of 5 meters. Single pixel, active imaging system utilizes a continuous wave transceiver unit operating at 340 GHz, based on RF components and Schottky diode rectifiers. The transceiver has a heterodyne detection geometry and has 7 mW total power output which is derived from a 3dB directional coupler (25 dB directivity) and a horn antenna. 2D opto-mechanical scanning is performed using two mirror coupled galvanometer scanners to scan 50x50 cm2 field of view at 5 meters stand-off distance. 2 cm resolution is achieved on the target plane. Based on the opto-mechanical scan speed, frame rate is 2 Hz. 340 GHz provides penetration to common barrier objects such as clothing for detection of concealed threats. Here we present imaging capability of the system and its penetration abilities. Effect of barrier objects to the dynamic range is also investigated. To provide real time screening of the target scene for potential threat objects, its visual image is combined with the acquired THz image of the field of view by using image fusion technique