Development of terahertz time-domain spectrometer based on nonlinear plasma generation

Abstract

Terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) is a powerful pump-probe technique that employs ultra-short laser pulses to investigate various materials, with applications spanning medicine, security, the semiconductor industry, agriculture, and art conservation. This thesis provides complex information about the aspects of the THz-TDS and guides the reader through the development process of a THz-TDS system within the IT4Innovations laser laboratory. I describe the design, construction, optimization, and experimental demonstration of the THz-TDS system, which was developed in the frame of this thesis. I concentrate on the alignment of laser beam paths and optical components to maximize THz signal amplitude and frequency spectrum. The thesis also includes an experimental analysis of the polarization sensitivity of the ZnTe crystal in the THz-TDS detection branch. My attention is further focused on the efficient generation of THz fields using a two-color plasma. Using the nonlinear four-wave mixing approach, illustrative simulations were conducted to analyze THz pulses and their dependence on input optical field parameters. The insights gained from this work lay the foundation for future improvements to the developed THz-TDS setup, enabling the validation of simulation results and driving advancements in the diverse fields where THz-TDS finds its applications.

Terahertzová spektroskopie v časové doméně (THz-TDS) je učinná metoda využívající ultrakrátké laserové pulzy ke studiu mnoha materiálů a uplatňuje se v mnoha aplikacích, které se nachází oblastech medicíny, bezpečnosti, polovodičového průmyslu či zemědělství. Tato práce poskytuje komplexní přehled o aspektech THz-TDS a seznamuje čtenáře s procesem vývoje systému THz-TDS ve výzkumné laserové laboratoři IT4Innovations. Je zde popsán návrh, konstrukce, optimalizace a experimentální demonstrace THz-TDS systému, který byl vyvinut v rámci této práce. Tato část se dále blíže zaměřuje na nastavení drah laserového svazku a optických komponent k získání maximální amplitudy THz signálu a jeho frekvenčního spektra. Práce rovněž obsahuje experimentální analýzu polarizační citlivosti krystalu ZnTe v detekční části THz-TDS. Moje pozornost je dále zaměřena na účinné generování THz pole pomocí dvoubarevné plazmy. Přístupem skrze proces nelineárního čtyřvlnného míšení byly provedeny ilustrativní simulace za účelem analýzy THz pulzů a jejich závislosti na vstupních parametrech optického pole. Poznatky získané z této práce jsou základem pro budoucí zdokonalení vybudované THz-TDS sestavy, které umožní ověřit výsledky provedených simulací a přispějí k pokroku v mnoha oblastech, kde THz-TDS nachází své uplatnění.