Contents
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.1 Crystal Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.1.1 The Dielectric Tensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.1.2 Principal Axes and the Index Ellipsoid . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
1.1.3 Plane Wave Propagation Through an Anisotropic
Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
1.1.4 Effects of an Anisotropic Medium on the Polarisation
State of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
1.2 Describing the Polarisation State of Electromagnetic Waves . . . . . .
9
1.2.1 Ellipticity and Orientation Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
1.2.2 Alternative Descriptions of the Polarisation State . . . . . . . . . 10
1.3 Electromagnons in Improper Ferroelectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 Magnons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2 Electromagnons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.3 Improper Ferroelectricity and Electromagnons in CuO . . . . 17
1.4 Structure of This Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 Terahertz Time-Domain Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1 Generation of Broadband Terahertz Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.1 Photoconductive Emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.2 Optical Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2 Electro-optic Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.1 Polarisation-Resolved Electro-optic Sampling . . . . . . . . . . . . 30
2.3 THz-TDS Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.1 Performing a THz-TDS Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 Extracting Sample Properties and Polarisation Information
from Time-Domain Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.1 Complex Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.2 Ellipticity and Orientation Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
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1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.1 Crystal Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.1.1 The Dielectric Tensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.1.2 Principal Axes and the Index Ellipsoid . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.1.3 Plane Wave Propagation Through an Anisotropic
Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.1.4 Effects of an Anisotropic Medium on the Polarisation
State of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2 Describing the Polarisation State of Electromagnetic Waves . . . . . .
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1.2.1 Ellipticity and Orientation Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1.2.2 Alternative Descriptions of the Polarisation State . . . . . . . . . 10
1.3 Electromagnons in Improper Ferroelectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.1 Magnons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.2 Electromagnons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3.3 Improper Ferroelectricity and Electromagnons in CuO . . . . 17
1.4 Structure of This Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 Terahertz Time-Domain Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1 Generation of Broadband Terahertz Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.1.1 Photoconductive Emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.2 Optical Rectification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.2 Electro-optic Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.2.1 Polarisation-Resolved Electro-optic Sampling . . . . . . . . . . . . 30
2.3 THz-TDS Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.3.1 Performing a THz-TDS Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.4 Extracting Sample Properties and Polarisation Information
from Time-Domain Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
2.4.1 Complex Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
2.4.2 Ellipticity and Orientation Angle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
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