Development of a fiber-optics polarization resolving THz spectrometer for harsh environment diagnostics application

Giuseppe Galatola Teka

Key information

Authors:

Giuseppe Galatola Teka (Giuseppe Galatola Teka)

Supervisors:

Marco Zerbini; Horácio João Matos Fernandes (Horácio João Matos Fernandes)

Published in

03/12/2019

Abstract

Individuar os parâmetros físicos adequados para determinar o estado da dinâmica de um plasma termonuclear é de fundamental importância para o desenvolvimento dos reatores experimentais de nova geração. Nos últimos vinte anos o desenvolvimento de fontes e de sistemas de revelação permitiu de preencher o que era antes definido Gap THz, permitindo de usar a porção do espectro eletromagnético dos 0.1 aos 20 THz. No centro de pesquisas do ENEA em Frascati se decidiu estudar a aplicabilidade da radiação THz ao campo das diagnósticas para o estudo das propriedades do plasma termonuclear, específicamente através da técnica da Time Domain Spectroscopy (THz-TDS). Essa técnica de princípio semelhante à técnica radar, utiliza impulsos ao picossegundo com uma ampla largura espectral para poder analizar materiais. Este projeto de Doutorado se concentrou no desenvolvimento de instrumentação adequada ao estudo de uma possível diagnóstica deste tipo para poder ajudar, e se projeta sucessivamente substituir, uma série de diagnósticas como a interferometria, a reflectometria e a polarimetria com um único instrumento. Um sistema THz-TDS é composto de um laser que produz impulsos da ordem do femtosegundo na região do vizinho infravermelho (800 nn) que investindo um adequado semicondutor (por exemplo GaAs) gera através da fotocondução impulsos THz com banda espectral larguíssima (100 GHz -10 THz). A revelação ocorre de modo semelhante através do processo inverso. A diagnóstica é também interessante pela possibilidade de poder transportar o impulso infravermelho às testas de emissão e recepção THz a muitos metros de distância utilizando fibras óticas. Durante os três anos de trabalho a atividade se concentrou sobre dois filões principais: a construção e otimização de um sistema THz-TDs, nos laboratórios de Frascati, com o objetivo de determinar as melhores caracteristicas de um sistema a ser utilizado para a diagnóstica do plasma e a realização de provas de laboratório para as medidas de plasma. The measurement of the physical parameters required to define the dynamic of a thermonuclear plasma is of fundamental importance to the advancement of new generation experimental Fusion reactors. In the last twenty years, the development in sources and detection systems filled the so called "THz Gap", making available the electromagnetic bandwidth between 0.1 and 20 THz for a wide range of experimental applications. The applications of THz radiation to Fusion Plasma Diagnostic, by using the TeraHertz Time Domain Spectroscopy (THzTDS) has been pursued since 2011. This technique bears some similarity with Radar applications and utilises picosecond pulse with wide spectral bandwidth to analyze spectral characteristics of a variety of samples. This Ph. D. thesis was devoted to the application of this technique to a set of well established plasma diagnostics: interferometry, reflectometry and polarimetry, to be replaced by a single multifunctional THz-TDS instrument. A THz-TDS spectrometer is based on a femtosecond (fs) laser in the near infrared (800 nm) which by illuminating a specific kind of semiconductor (like GaAs) generates a THz pulse. The detection of the pulse is achieved with the inverse process. The appeal of the diagnostic is also given by the possibility to transport the infrared laser pulse with fibre optics a long way, to the emission and detection heads, overcoming the notorious access problems in Tokamaks.