Study of the Complex Spectral Response of Scattering Media with Terahertz Spectroscopy

Abstract

[ES] La difusión de la luz es un fenómeno ubicuo con implicaciones significativas en gran variedad de disciplinas. Mientras que la mayoría de los estudios de difusión se centran en la extinción u otras mediciones relacionadas con la amplitud, la fase de la onda difusa contiene información importante que puede ser aprovechada para múltiples propósitos. Aunque pocas técnicas de caracterización son adecuadas para esta tarea, la espectroscopía de terahercios (THz) es una técnica coherente que permite esto en un amplio rango de frecuencias con propiedades cuasi ópticas. Para lograrlo, estudiaremos y mejoraremos la metodología existente de pulsos de THz aumentando la velocidad de adquisición de espectros de alta resolución mediante la combinación de diversas técnicas para el muestreo de retardo. Esta tesis aborda la investigación de luz difusa con tecnología de THz para dos desarrollos principales. El primero es un método de caracterización del tamaño de partículas resuelto espectralmente utilizando medidas de extinción y de índice de refracción (IR). Al resolver el problema inverso de luz difusa, se puede obtener una gran información de las propiedades geométricas y químicas de las partículas. Este método tradicionalmente ha empleado solo de datos de extinción del medio heterogéneo. Demostramos que se puede lograr una mejora neta en la reconstrucción de la distribución del tamaño de partícula al combinar datos de extinción con datos de IR. Dado que las mediciones se encuentran en un rango de frecuencia limitado, obtener el IR a partir de relaciones de Kramers-Kronig (KK) no puede sustituir su medición directa utilizando técnicas coherentes. Una razón adicional por la cual las relaciones de KK pueden no ser útiles es que, en el caso de una partícula con una densidad óptica menor que el fondo, el IR efectivo complejo no sigue relaciones de dispersión convencionales. El estudio de este fenómeno y la interpretación de las implicaciones causales que surgen son el foco de la última parte de esta tesis, junto con su posible aplicación para el diseño de ondas con contenido espectral arbitrario. Finalmente, se discuten las conclusiones y las líneas futuras de trabajo derivadas de nuestros hallazgos.

[CA] La difusió de la llum és un fenomen ubic amb implicacions significatives en una gran varietat de disciplines. Mentre que la majoria dels estudis de difusió se centren en l'extinció o altres mesures relacionades amb l'amplitud, la fase de l'ona difusa conté informació important que es pot aprofitar per a múltiples propòsits. Encara que poques tècniques de caracterització són adequades per a aquesta tasca, l'espectroscòpia de teraherços (THz) és una tècnica coherent que permet això en un ampli rang de freqüències amb propietats quasi òptiques. Per a aconseguir-ho, estudiarem i millorem la metodologia existent de polsos de THz augmentant la velocitat d'adquisició d'espectres d'alta resolució mitjançant la combinació de diverses tècniques per al mostreig de retard. Aquesta tesi aborda la investigació de la llum difusa amb tecnologia de THz per a dos desenvolupaments principals. El primer és un mètode de caracterització de la mida de partícules resolt espectralment utilitzant mesures d'extinció i d'índex de refracció (IR). En resoldre el problema invers de llum difusa, es pot obtenir una gran informació sobre les propietats geomètriques i químiques de les partícules. Aquest mètode tradicionalment ha emprat només dades d'extinció del medi heterogeni. Demostrem que es pot aconseguir una millora neta en la reconstrucció de la distribució de la mida de partícula en combinar dades d'extinció amb dades d'IR. Donat que les mesures es troben en un rang de freqüència limitat, obtenir l'IR a partir de relacions de Kramers-Kronig (KK) no pot substituir la seua mesura directa utilitzant tècniques coherents. Una raó addicional per la qual les relacions de KK poden no ser útils és que, en el cas d'una partícula amb una densitat òptica menor que el fons, l'IR efectiu complex no segueix relacions de dispersió convencionals. L'estudi d'aquest fenomen i la interpretació de les implicacions causals que sorgeixen són el focus de la darrera part d'aquesta tesi, juntament amb la seua possible aplicació per al disseny d'ones amb contingut espectral arbitrari. Finalment, es discuteixen les conclusions i les línies futures de treball derivades dels nostres descobriments.

[EN] Light scattering is a ubiquitous phenomenon with significant implications across various disciplines. While most scattering studies focus on extinction or other amplitude-related measurements, the phase of the scattered wave holds important information that can be harnessed for a multitude of purposes. However, while few characterization techniques are suited for this task, terahertz (THz) spectroscopy is a coherent technique that permits this across a wide range of frequencies with quasi-optical properties. To accomplish this, we will study and improve the existing methodology of pulsed THz by increasing the speed of acquisition of high-resolution spectra with a combination of existing delay sampling techniques. This thesis approaches light scattering research with THz technology for two main developments. The first one is a spectrally resolved particle size characterization method using extinction and refractive index (RI) measurement. By solving the inverse scattering problem, great insight into the geometric and chemical properties of the particles can be gained. This method has traditionally relied only on extinction data from the heterogeneous medium. We demonstrate that a net improvement in the reconstruction of the particle size distribution can be made by combining extinction with RI datasets. Since the measurements are in a limited frequency range, obtaining the RI from Kramers-Kronig (KK) relations cannot substitute for its direct measurement using coherent techniques. One additional reason why KK relations may not be of use is that, for the case of a particle with lower optical density than the background, the measured complex effective RI does not follow conventional dispersion relations. The study of this phenomenon and the interpretation of the causal implications that arise are the subject of the last part of this thesis, along with its possible application to the arbitrary shaping of spectral wave features. Ultimately, the conclusions and future lines of work derived from our findings are discussed.