Continuous-wave homodyne terahertz imaging in reflection geometry

The Terahertz frequency range is located between 100 GHz and 10 THz. There is a variety of techniques in order to generate and detect Terahertz radiation. One of these techniques is named photo-mixing, a method that presents powerful bandwidths of about two orders of magnitude with MHz spectral resolution under continuous-wave (CW) operation. Photo-mixers are semiconductors operated with a pair of lasers detuned by the Terahertz frequency. Thanks to the absorption phe- nomenon, the laser signal is mixed in the semiconductor, producing an AC current with a Terahertz frequency component emitted by an antenna. In that sense, photo-conductors can be utilized to reverse the phenomenon to detect a Terahertz signal by mixing with a laser beat note so that a DC current can be generated. In this thesis, a photo mixing system will be employed to raster-scan an object under test in reflection geometry. Both amplitude and phase will be recorded and analyzed. From the latter, the thickness of an object that yields reflections can be specified. The setup already works excellently in transmission geometry in conjunction with single-layer structures. In reflection geometry, single-layer structures shall be investigated. This thesis work aims to determine the minimum measurable thick- ness of the layers varying in thickness and the error in thickness esti- mation.

La gamma di frequenze dei Terahertz è compresa tra i 100 GHz ed i 10 THz. Esiste una varietà di tecniche che permettono di generare radi- azione Terahertz. Una di queste tecniche è chiamata Photo-mixing, in grado di generare bande di frequenza molto potenti di circa due ordini di grandezza con risoluzione spettrale dell’ordine dei MHz nel caso di operazioni ad onda continua (CW). I Photo-mixer sono semiconduttori azionati con una coppia di laser desintonizzati dalla frequenza Terahertz. Grazie al fenomeno di assorbi- mento, il segnale laser viene miscelato nel semiconduttore, producendo una corrente alternata (AC) con una componente in frequenza nella banda Terahertz, emessa poi da un’antenna. In questo modo, i foto- conduttori possono essere usati per invertire il fenomeno di individ- uazione del segnale Terahertz combinando il battimento del laser in modo che venga generata una corrente continua (DC). In questa tesi, un sistema di Photo-mixing è stato utilizzato per effettuare una scan- sione sistematica di un oggetto in prova in una geometria riflettente. Sia l’ampiezza che la fase sono state registrate ed analizzate. Utiliz- zando queste ultime, è possibile individuare lo spessore dell’oggetto che emette riflessione. Tale configurazione funziona già in modo eccellente nella geometria di trasmissione in combinazione con strutture a sin- golo strato. Nella geometria di riflessione, saranno studiate in futuro le strutture a singolo strato. Questo lavoro di tesi mira a determinare lo spessore minimo mis- urabile degli strati variando lo spessore stesso e errore nella stima di quest’ultimo.