Detection Efficiency and Bandwidth Optimized Electro-Optic Sampling of Mid-Infrared Waves

این پایان نامه برای اولین بار کارایی تشخیص اندازه گیری های میدانی امواج فروسرخ میانی فوق کوتاه را از طریق نمونه برداری الکترواپتیک بررسی می کند. با استفاده از پالس‌های گیت با توان بالا و تبدیل فاز منطبق بر کریستال‌های ضخیم غیرخطی، کارایی بی‌سابقه‌ای برای میدان‌های پوشاننده اکتاو در این محدوده طول موج حاصل می‌شود. در ترکیب با منابع مادون قرمز میانی فوق‌کوتاه و فوق‌کوتاه، پیشرفته‌ترین، این امکان را به نمایش می‌گذارد که رژیم جدیدی از محدوده دینامیکی تشخیص خطی برای نقاط قوت میدان از mV/cm تا MV/cm نشان داده شود. این نتایج نقش مهمی در توسعه طیف‌سنج‌های میدانی برای تشخیص زودهنگام بیماری دارند، زیرا حالت‌های ارتعاشی اساسی مولکول‌های (زیستی) در محدوده طیفی مورد بررسی قرار دارند.

نتایج مورد بحث قرار گرفته و با سوابق حساسیت قبلی برای اندازه‌گیری‌های میدان الکتریکی مقایسه شده و به پیاده‌سازی‌های مربوط به تکنیک توصیف توصیف‌شده اشاره می‌شود. این کار شامل توضیحات نظری دقیق و نتایج شبیه‌سازی، قوانین، ویژگی‌ها و محدودیت‌های مهم مقیاس‌بندی را روشن می‌کند. بنابراین، پایان نامه به عنوان مقدمه ای آموزشی برای موضوع اندازه گیری های میدانی با استفاده از نمونه برداری الکترواپتیک، ارائه دستورالعمل های دقیق در مورد شبیه سازی ها و پیاده سازی های آزمایشی عمل می کند. در عین حال، از نظر حساسیت تشخیص برای توصیف امواج مادون قرمز میانی، پیشرفته ترین هنر را به نمایش می گذارد.

This thesis investigates the detection efficiency of field-resolved measurements of ultrashort mid-infrared waves via electro-optic sampling for the first time. Employing high-power gate pulses and phase-matched upconversion in thick nonlinear crystals, unprecedented efficiencies are achieved for octave-spanning fields in this wavelength range. In combination with state-of-the art, high-power, ultrashort mid-infrared sources, this allows to demonstrate a new regime of linear detection dynamic range for field strengths from mV/cm to MV/cm-levels. These results crucially contribute to the development of field-resolved spectrometers for early disease detection, as fundamental vibrational modes of (bio-)molecules lie in the investigated spectral range.

The results are discussed and compared with previous sensitivity records for electric-field measurements and reference is made to related implementations of the described characterization technique. Including a detailed theoretical description and simulation results, the work elucidates crucial scaling laws, characteristics and limitations. The thesis will thus serve as an educational introduction to the topic of field-resolved measurements using electro-optic sampling, giving detailed instructions on simulations and experimental implementations. At the same time, it showcases the state-of-the-art in terms of detection sensitivity for characterizing mid-infrared waves.