Aşağı ve yukarı frekans dönüşüm yöntemlerini kullanarak terahertz uygulamalarının incelenmesi

Abstract

THz teknolojisi, insanlık yaşamını etkileyecek önemli alanlardan birisi haline gelmiştir. THz teknolojisindeki büyük gelişimin en büyük sebebi ise elektronik ve optik sistemlerdeki gelişmelerdir. THz frekans bölgesindeki malzeme karakterizasyonu işlemlerinde optik ve mikrodalga olmak üzere iki farklı ölçüm metodu kullanılmaktadır. Ölçümlerin sonucunda elde edilen veriler, çeşitli algoritmalar yardımı ile malzemelerin dielektrik özelliklerinin hesaplanmasında kullanılmaktadır. Ölçüm yöntemi ve hesaplama tekniklerinin etkisinden dolayı bir malzemeye ait parametreler farklılık gösterebilmektedir. Çalışmanın hedefi üç grupta toplandığında ölçüm ve hesaplama sonucunu etkileyen etmenlerin iyileştirilmesi, ilk ölçüm verilerinin (S-parametreleri) aktif olarak kullanılması ve tahmin yöntemlerinin kullanılmasıyla işlem sürelerinin azaltılması şeklinde sıralanabilir. Ayrıca optik spektroskopi sisteminin daha ucuz bir şekilde oluşturulması ile mikrodalga Serbest Ortam Ölçüm metodu sonuçlarının karşılaştırılması amaçlanmıştır. Hesaplama tekniklerinin iyileştirilmesine yönelik Yapay Sinir Ağları, Yapay Arı Kolonisi, Kısmi En Küçük Kareler ve Tekil Spektrum Analizi algoritmaları kullanılmıştır. Optik sistemde ışın kaynağı olarak kullanılan Çok-Kipli Lazer Diyot için daha ucuz sürücü ve soğutucu birimi tasarlanarak mevcut sistem bu iki yönden optimize edilmiştir. Optik bir bileşen olan parabol ayna mikrodalga ölçüm metodunda kullanılarak bu metodun THz frekans bölgesinde kullanılabilirliği gösterilmiştir.Ham veri olan S-parametreleri hem dielektrik özelliklerin tahmininde hem de malzemelerin sınıflandırılmasında başarılı bir şekilde kullanılmıştır. Newton-Raphson hesaplama tekniğinin başlangıç değer problemine bir öneri sunularak algoritmanın ıraksama problemine kısmi çözüm üretilmiştir. Dielektrik özelliklerin hesaplanma doğruluğu artırılarak mikrodalga ölçüm metodunun doğruluğu optik sistem ile sağlanmış ve iki metot arasındaki farklılıkların sebebi belirtilmiştir.

THz technology has become one of the important areas that affect the human life. The greatest reason for major development in THz technology is improvement of electronic and optic devices. Two different methods, which are optic and microwave techniques, are used for material characterization processes in THz frequency range. Data obtained from the results of measurement are used to extract the dielectric properties of materials using various algorithms. Parameters of materials vary due to the effects of measurement methods and extracting techniques.The goal of this study can be grouped in three steps: improvements of the factors which affect the measurement and extraction results, usage of the S-parameters first measurement data actively and reduction of processing time using estimation methods. In addition, formation of optical spectroscopy with a cheaper way was aimed to compare the results of Free Space Measurement method with the Time Domain Spectroscopy system. Artificial Neural Networks, Artificial Bee Colony, Partial Least Squares and Singular Spectrum Analysis algorithms were used to improve the extracting techniques. Cheaper driving and cooler modules were designed for the Multimode Laser Diode, which was used as light source in optical system, to optimize the spectroscopy system. The availability of microwave measurement method was shown in THz frequency range using parabolic mirror, which is an optical component.The raw data S-parameters were used successfully on both estimations of dielectric properties and classification of materials. A partial solution was procured for divergence problem of Newton-Raphson algorithm by presenting a proposal for the initial value problem of Newton-Raphson extracting technique. The accuracy of microwave measurement method was provided with optical system by increasing the calculation precision of dielectric properties and reasons of differences between the two methods were indicated.