Advanced laser technologies for novel THz time domain spectroscopy

Plastic is a fundamental material in the production of goods; however, it is difficult to reuse and recycle because of its great variety and the mixing of various polymers. This doctoral dissertation reports on the development of an innovative and compact laser sensing system in the THz frequency region, especially for black plastics identification and sorting. The developed time-domain THz spectrometer is based on a compact preindustrial prototype of a diode-pumped Yb:CALGO laser generating pulse trains with 70 fs duration at 1045 nm and fast fiber-coupled photo-conductive antenna for efficient generation and detection of the THz radiation. The instrument operates in the spectral region between 0.2 and 2.5 THz and can reach a minimum single scan acquisition time of 100 ms with a signal to noise ratio larger than 50 dB. To prove the capabilities of the proposed THz time-domain spectrometer, several measurements of the spectral transmittance of some black plastic samples and of a GaAs plate together with their retrieved refractive indexes and absorptions are presented. Thanks to the peculiar properties of Yb:CALGO laser two additional applications are further implemented: it is demonstrated the generation of broadband optical pulses with sub 20 fs duration using a compact low-cost nonlinear fiber compressor and the synthesis of a low-noise optical frequency comb operating in the spectral region between 650 nm to 1500 nm.

La plastica è un materiale fondamentale nella produzione di beni; tuttavia, è difficile da riutilizzare e riciclare a causa della grande varietà di miscele di polimeri che la compongono. Questa tesi di dottorato ha come scopo lo sviluppo di un innovativo sistema di rilevamento laser nella regione spettrale del THz per l'identificazione e lo smistamento delle plastiche nere. Lo spettrometro THz sviluppato ha come sorgente un prototipo preindustriale di laser a Yb:CALGO che genera impulsi di durata pari a 70 fs alla lunghezza d'onda di 1045 nm. Sono inoltre utilizzate per la generazione e il rilevamento della radiazione THz due antenne fotoconduttive. Lo strumento opera nella regione spettrale tra 0,2 e 2,5 THz e può raggiungere un tempo minimo di acquisizione per singola scansione di 100 ms con un rapporto segnale rumore superiore a 50 dB. Sono inoltre presentate diverse misure della radiazione THz trasmessa da alcuni campioni di plastiche nere e di una lastra di GaAs ed il calcolo dei rispettivi parametri ottici quali l’indice di rifrazione e l’assorbimento. Grazie alle peculiari proprietà del laser Yb:CALGO sono state implementate due ulteriori applicazioni: la prima consiste nella dimostrazione della generazione di impulsi ottici con durata inferiore a 20 fs, utilizzando un compressore in fibra non lineare e la seconda si basa sulla realizzazione di un pettine di frequenze ottiche a basso rumore operante nella regione spettrale tra 650 nm e 1500 nm.