Los Elementos Ópticos Difractivos han experimentado un creciente interés en los últimos años debido a sus múltiples aplicaciones en los campos de la microscopía y de las telecomunicaciones, entre otros. Actualmente, también se están desarrollando importantes progresos en el diseño de lentes intraoculares y lentes de contacto basadas en estructuras difractivas. Durante el proceso de realización de esta Tesis Doctoral se ha estudiado en primer lugar el estado del arte relacionado con estos elementos ópticos, prestando especial interés en el diseño y caracterización de lentes difractivas. En su forma más sencilla, estas lentes están formadas por un conjunto de anillos transparentes y opacos distribuidos periódicamente a lo largo de la variable radial cuadrática. Reemplazando esta distribución periódica de anillos por una secuencia aperiódica determinista, se ha conseguido mejorar las prestaciones de las lentes difractivas. Así, por ejemplo, con la secuencia fractal de Cantor se puede obtener una extensión de la profundidad de foco y una reducción de la aberración cromática. Por otro lado, con la secuencia de Fibonacci, se pueden diseñar lentes difractivas bifocales. Combinando estas lentes basadas en geometrías aperiódicas con máscaras de fase helicoidales se han generado nuevas distribuciones de vórtices ópticos susceptibles de ser utilizados como trampas ópticas para atrapar y manipular partículas micrométricas. Tomando todas estas estructuras difractivas como punto de partida en el desarrollo de esta Tesis Doctoral, se ha avanzado en el estudio y caracterización experimental de lentes difractivas basadas en secuencias aperiódicas diferentes a las consideradas previamente. En concreto, se han obtenido nuevas propiedades de focalización y formación de imágenes utilizando las funciones de Walsh y la secuencia m¿bonacci. También se ha abordado el estudio y caracterización experimental de lentes difractivas en el rango de los THz. Se han desarrollado diferentes prototipos mediante impresión 3D que están permitiendo tanto la focalización, como la generación de vórtices de THz. / The Diffractive Optical Elements have experienced a growing interest in recent years due to its multiple applications in the fields of microscopy and telecommunications, among others. Currently, important progress is also being made in the design of intraocular lenses and contact lenses based on diffractive structures. During the process of conducting this Doctoral Thesis, the state of the art related to these optical elements was first studied, paying special attention to the design and characterization of diffractive lenses. In its simplest form, these lenses are formed by a set of transparent and opaque rings distributed periodically along the quadratic radial variable. By replacing this periodic distribution of rings with a deterministic aperiodic sequence, the performance of diffractive lenses has been improved. Thus, for example, with the Cantor fractal sequence an extension of the depth of focus and a reduction of the chromatic aberration can be obtained. On the other hand, with the Fibonacci sequence, bifocal diffractive lenses can be designed. Combining these lenses based on aperiodic geometries with helical phase masks, new distributions of optical vortices have been generated that can be used as optical traps to trap and manipulate micrometric particles. Taking all these diffractive structures as a starting point in the development of this Doctoral Thesis, progress has been made in the study and experimental characterization of diffractive lenses based on aperiodic sequences different from those previously considered. In particular, new focusing and imaging properties have been obtained using the Walsh functions and the m¿bonacci sequence. The study and experimental characterization of diffractive lenses in the THz range has also been addressed. Different prototypes have been developed by means of 3D printing that are allowing both the focusing and the generation of THz vortices. / Els Elements Òptics Difractius han experimentat un creixent interès en els últims anys a causa de les seves múltiples aplicacions en els camps de la microscòpia i de les telecomunicacions, entre altres. Actualment, també s'estan desenvolupant importants progressos en el disseny de lents intraoculars i lents de contacte basades en estructures difractives. Durant el procés de realització d'aquesta Tesi Doctoral s'ha estudiat en primer lloc l'estat de l'art relacionat amb aquests elements òptics, prestant especial interès en el disseny i caracterització de lents difractives. En la seva forma més senzilla, aquestes lents estan formades per un conjunt d'anells transparents i opacs distribuïts periòdicament al llarg de la variable radial quadràtica. Reemplaçant aquesta distribució periòdica d'anells per una seqüència aperiòdica determinista, s'ha aconseguit millorar les prestacions de les lents difractives. Així, per exemple, amb la seqüència fractal de Cantor es pot obtenir una extensió de la profunditat de focus i una reducció de l'aberració cromàtica. D'altra banda, amb la seqüència de Fibonacci, es poden dissenyar lents difractives bifocals. Combinant aquestes lents basades en geometries aperiòdiques amb màscares de fase helicoïdals s'han generat noves distribucions de vòrtex òptics susceptibles de ser utilitzats com trampes òptiques per atrapar i manipular partícules micromètriques. Prenent totes aquestes estructures difractives com a punt de partida en el desenvolupament d'aquesta tesi doctoral, s'ha avançat en l'estudi i caracterització experimental de lents difractives basades en seqüències aperiòdiques diferents a les considerades prèviament. En concret, s'han obtingut noves propietats de focalització i formació d'imatges utilitzant les funcions de Walsh i la seqüència m¿bonacci. També s'ha abordat l'estudi i caracterització experimental de lents difractives en el rang dels THz. S'han desenvolupat diferents prototips mitjançant impressió 3D que estan permetent tant la focalització, com la generació de vòrtex de THz. / Machado Olivares, FJ. (2018). Estudio y caracterización experimental de nuevas estructuras difractivas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/107387 / TESIS

The aim of the doctoral thesis is the study of Terahertz time domain spectrometers relying on telecommunication fiber technology. Optical fiber offers low losses, high stability and compactness, features that ease the deployment of this kind of sensing instruments in industrial scenarios. The development of terahertz signal sources working at telecom wavelengths has enabled the employment of mature, telecom-related photonic components that allowed a transition within THz research from being mainly object of scientific interest to an application-oriented technology. In this thesis, fiber terahertz systems utilizing ultrafast photoconductors with integrated antenna structures have been investigated at different levels, including the control of the photoconductor structure, as well as at instrument and system levels. The carrier transport in InGaAs-InAlAs multilayer hetero-structures, present in the employed photoconductive antennas, has been investigated under the additional injection of a continuous optical wave. By varying the amplitude level of the respective optical signal injected into either the emitter or the receiver, it has been shown that the amplitude of the detected photocurrent could be controlled without affecting its bandwidth. Unlike increasing the optical power of the pulsed signal, raising the continuous optical power results in a reduction of the measured photocurrent. This lowering of the conductivity is related to changes in the instantaneous carrier momentum relaxation time in the photoactive material, rather than to variations of the free carrier density level. This behavior affects systems including continuous-wave optical components, as, for instance, optical amplifiers. The effect has been further exploited to modulate the operation conditions of photoconductive antennas, enabling an all-optical control of the THz amplitude. This represents a method to implement a signal modulation, necessary, for instance, for lock-in signal detection. Different industrial applications and THz imaging systems require fast data acquisition. Slow, stepwise working mechanical optical delay lines are about to be replaced by faster schemes. A fast THz-time-domain spectroscopy system using a coil-based rapid mechanic delay line has been set up and analyzed. A convenience of usage of optical fibers is the simplicity of signal multiplication and distribution. It can be exploited to allow centralized operation of a set of parallel terahertz sensing units. A centralized architecture with optical source sharing simplifies the implementation as well as the cost of nondestructive inspection platforms, where several sensing units would have to work in the same facility, for example at quality control in factories or security checkpoints. The cost of such a distribution system is evaluated, its feasibility experimentally demonstrated, and key features relevant to the system performance are discussed. The present document is formally structured in a brief introduction, Chapter 2, which review common terahertz technology as a whole, with the focus on optoelectronic schemes and respective technology in the telecom band. Chapter 3 includes work carried out dealing with the carrier dynamics under continuous optical wave irradiation of the photoconductive antenna modules and the application of the effect as modulation method. Chapter 4 deals with the implementation of the fast delay in the system and Chapter 5 describes and analyses architecture for parallel, remotely controlled sensing. Finally, Chapter 6 provides conclusion and future work perspectives. / El objetivo de la presente Tesis Doctoral es el estudio de espectroscopios temporales de Terahercios basados en tecnología de fibra óptica para telecomunicaciones. La fibra óptica ofrece bajas pérdidas de propagación, alta estabilidad y la capacidad de implementar sistemas robustos y compactos, características que facilitan el despliegue de este tipo de instrumentos de sensado en escenarios industriales. El desarrollo de fuentes de THz que operan en la banda infrarroja empleada en telecomunicaciones permite el uso de componentes maduros de la industria de las comunicaciones ópticas, lo que a su vez se ha traducido en una transición desde el uso de la banda de THz básicamente para intereses científicos al desarrollo de sistemas para aplicaciones industriales. En la presente tesis se investigan sistemas de THz basados en antenas fotoconductivas y fibra óptica a distintos niveles: control de la estructura fotoconductiva, instrumento y sistema. El transporte de portadores en heteroestructuras multicapa InGaAs-InAlAs, empleadas actualmente en antenas fotoconductivas, se ha investigado bajo la inyección de una onda óptica continua. Se ha observado que variando el nivel de amplitud de esta onda continua tanto en el emisor como en el receptor es posible controlar la fotocorriente detectada sin afectar a su ancho de banda. A diferencia de un incremento en la potencia óptica de la señal pulsada, elevar el nivel de continua resulta en una reducción de la fotocorriente medida. Esta reducción de la conductividad se relaciona con cambios en el tiempo de relajación del momento de los portadores en el material fotoactivo en lugar de variaciones de la densidad de portadores libres. Este comportamiento puede tener un efecto en sistemas que introduzcan componentes ópticos continuos como por ejemplo sistemas de sensado que empleen amplificadores ópticos. Este efecto puede ser usado para modular las condiciones de operación de las antenas fotoconductivas permitiendo el control todo-óptico del sistema. Este método permite modular la señal, lo que resulta necesario por ejemplo para realizar detección lock-in. Tanto diferentes aplicaciones industriales como los sistemas de imagen en THz requieren sistemas rápidos de captura. Para ello es necesario sustituir las líneas de retardo ópticas tradicionales basadas en motores paso-a-paso por otros sistemas de mayor velocidad. Se ha implementado y caracterizado un sistema THz-TDS usando una línea de retardo rápida basada en bobinas de voz. Una característica fundamental de la fibra óptica es su extraordinaria simplicidad para realizar la distribución de señales ópticas. Esta característica puede ser explotada para permitir la operación centralizada de un conjunto paralelo de sensores de THz. Una arquitectura centralizada en la que la fuente óptica se comparte entre muchos sensores simplifica la implementación y reduce el coste de sistemas de inspección no destructiva que requieran de múltiples sensores en paralelo, como, por ejemplo, en control de calidad industrial o en controles de seguridad. Se ha evaluado el coste de estos sistemas distribuidos, se ha validado experimentalmente su viabilidad y se han identificado y estudiado sus prestaciones. El documento de la tesis doctoral se estructura formalmente en una breve introducción, el capítulo 2, en el que se revisa la tecnología de THz en su conjunto, los esquemas optoelectrónicos y el uso de tecnologías ópticas basadas en la banda de las telecomunicaciones. El capítulo 3 incluye el estudio realizado sobre la dinámica de los portadores bajo la irradiación dela antena fotoconductiva con una onda óptica continua y su uso como técnica de modulación. El capítulo 4 trata con la implementación de un sistema THz-TDS rápido mientras que el capítulo 5 describe y analiza una arquitectura de sensado paralela para reducir costes. Finalmente el capítulo 6 recoge las conclusiones y futuras líneas de actuación. / L'objectiu de la present Tesi Doctoral és l'estudi d'espectroscopis temporals de terahertzs basats en tecnologia de fibra òptica per a telecomunicacions. La fibra òptica ofereix baixes pèrdues de propagació, alta estabilitat i la capacitat d'implementar sistemes robustos i compactes, característiques que faciliten el desplegament d'aquest tipus d'instruments de sensat en escenaris industrials. El desenvolupament de fonts de THz que operen a la banda infraroja emprada en telecomunicacions permet l'ús de components madurs de la indústria de les comunicacions òptiques, el que al seu torn s'ha traduït en una transició des de l'ús de la banda de THz bàsicament per interessos científics al desenvolupament de sistemes per a aplicacions industrials. En la present tesi s'investiguen sistemes de THz basats en antenes fotoconductivas i fibra òptica a diferents nivells: control de l'estructura fotoconductiva, instrument i sistema. El transport de portadors en heteroestructures multicapa InGaAs-InAlAs, emprades actualment en antenes fotoconductivas, s'ha investigat sota la injecció d'una ona òptica contínua. S'ha observat que variant el nivell d'amplitud d'aquesta ona contínua tant en l'emissor com en el receptor és possible controlar la fotocorriente detectada sense afectar el seu ample de banda. A diferència d'un increment en la potència òptica del senyal polsada, elevar el nivell de contínua resulta en una reducció de la fotocorrent mesurada. Aquesta reducció de la conductivitat es relaciona amb canvis en el temps de relaxació del moment dels portadors en el material fotoactiu en lloc de variacions de la densitat de portadors lliures. Aquest comportament pot tenir un efecte en sistemes que introdueixin components òptics continus com ara sistemes de sensat que utilitzen amplificadors òptics. Aquest efecte pot ser usat per modular les condicions d'operació de les antenes fotoconductivas permetent el control tot-òptic del sistema. Aquest mètode permet modular el senyal, el que resulta necessari per exemple per realitzar detecció lock-in. Tant diferents aplicacions industrials com els sistemes d'imatge en THz requereixen sistemes ràpids de captura. Per a això és necessari substituir les línies de retard òptiques tradicionals basades en motors pas-a-pas per altres sistemes de major velocitat. S'ha implementat i caracteritzat un sistema THz-TDS usant una línia de retard ràpida basada en bobines de veu. Una característica fonamental de la fibra òptica és la seua extraordinària simplicitat per realitzar la distribució de senyals òptiques. Aquesta característica pot ser explotada per a permetre l'operació centralitzada d'un conjunt paral·lel de sensors de THz. Una arquitectura centralitzada en la qual la font òptica es comparteix entre molts sensors simplifica la implementació i redueix el cost de sistemes d'inspecció no destructiva que requereixin de múltiples sensors en paral·lel, com, per exemple, en control de qualitat industrial o en controls de seguretat . S'ha avaluat el cost d'aquests sistemes distribuïts, s'ha validat experimentalment la seua viabilitat i s'han identificat i estudiat les seues prestacions. El document de la tesi doctoral s'estructura formalment en una breu introducció, capítol 2, en el qual es revisa la tecnologia de THz en el seu conjunt, els esquemes optoelectrònics i l'ús de tecnologies òptiques basades en la banda de les telecomunicacions. El capítol 4 inclou l'estudi realitzat sobre la dinàmica dels portadors sota la irradiació de la antena fotoconductiva amb una ona òptica contínua i el seu ús com a tècnica de modulació. El capítol 5 tracta la implementació d'un sistema THz-TDS ràpid mentre que el capítol 6 descriu i analitza una arquitectura de sensat paral·lela per reduir costos. Finalment, el capítol 7 recull les conclusions i futures línies d'actuació. / Bockelt, AS. (2017). Fiber-based Terahertz Time-Domain Spectroscopy Systems Operated in the Telecom Band [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/86148 / TESIS

[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. / This thesis has been developed under grant FPI ACIF-2018-163 by GVA, project PID2019-111339GBI00 and project PDC2021-121597-I00 by MCIN/AEI / Báez Chorro, MÁ. (2024). Study of the Complex Spectral Response of Scattering Media with Terahertz Spectroscopy [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/205586