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Article de référence | Réf : E4062 v1

Sources d’ondes électromagnétiques térahertz

Auteur(s) : Jean-Louis COUTAZ

Date de publication : 10 juil. 2022

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Présentation

RÉSUMÉ

Cet article donne une revue des sources de rayonnements électromagnétiques aux fréquences térahertz. Tout d'abord, la science et la technologie du domaine térahertz sont introduites, ainsi que leurs principales applications. Suit une brève description historique de l'apparition des différentes sources depuis la fin du XIXe siècle. Les sources électroniques, optoélectonoiques, grands instruments sont alors présentées, avec leurs principes de fonctionnement et leurs caractéristiques. La conclusion donne quelques éléments de comparaison entre elles et les utilisations auxquelles elles sont destinées.

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ABSTRACT

Sources of terahertz electromagnétic radiations

This article presents a review of the sources of terahertz electromagnetic waves. First, the science related to the terahertz domain, as well as the main applications, are introduced. Then a short historical description of the technology of terahertz sources is given. It is followed by a comprehensive list of the main sources (electronics, optoelectronics, large instruments...) together with their performance and an explanation of their operation principles. It is concluded by a comparative short description of the performance of the main sources, and the applications for which each source is useful.

Auteur(s)

  • Jean-Louis COUTAZ : Professeur émérite IMEP-LAHC, Université Savoie Mont Blanc, Le Bourget-du-Lac, France

INTRODUCTION

Dans le spectre électromagnétique, le domaine térahertz (THz), encore appelé infrarouge très lointain (FIR, far infrared en anglais), se situe entre l’infrarouge et les micro-ondes. Typiquement, il s’étend depuis des longueurs d’onde d’environ 30 μm jusqu’à 3 mm, c’est-à-dire depuis environ 100 GHz jusqu’à 10 THz en termes de fréquence, soit encore des photons dont l’énergie est comprise entre 0,4 et 40 meV. Cette position spectrale est à l’origine des nombreuses difficultés dans la mise au point des sources et des détecteurs performants, et donc dans la réalisation des études aux fréquences THz et le développement des applications pourtant prometteuses. Par sources performantes, on entend des dispositifs efficaces, compacts, puissants, faciles à employer et si possible peu onéreux.

Pour comprendre les difficultés à concevoir et à produire de tels composants performants, il faut revenir aux bases physiques de l’émission et de la détection du rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement est produit par des charges électriques qui accélèrent, par exemple celles qui constituent un courant électrique oscillant. Lorsqu’on s’intéresse au rayonnement émis ou absorbé par un atome ou une molécule, l’équivalent quantique de l’accélération correspond à un changement d’énergie électronique, depuis un état excité vers un état moins énergétique (pour l’émission, et vice-versa pour l’absorption). Ce dernier phénomène est celui qui est prédominant depuis les rayons X jusqu’à l’infrarouge. Pour émettre des ondes THz, les niveaux d’énergie doivent être séparés de quelques meV. Malheureusement, l’agitation thermique (dont le quantum d’énergie vaut 24 meV à température ambiante) peuple de la même manière les niveaux d’énergie nécessaires à l’émission THz, et ainsi rend pratiquement impossible ce rayonnement THz. Cela empêche aussi les lasers de fonctionner aisément dans le domaine THz, puisqu’ils requièrent un niveau excité plus peuplé que le niveau fondamental, inversion de population facilement détruite par l’agitation thermique. Ainsi, les sources employées dans le visible et l’infrarouge perdent leur efficacité lorsqu’on atteint les fréquences THz. Du coté micro-ondes, le rayonnement est émis par les électrons libres au sein d’un matériau conducteur, donc par le courant électrique circulant, sous l’effet d’une tension alternative, dans le conducteur qui a une forme d’antenne pour un meilleur couplage avec le milieu environnant. Ces systèmes d’émission perdent leur efficacité aux fréquences THz à cause du rendement plus faible des composants électroniques et des résistances, ainsi que des capacités parasites qui limitent leur bande passante.

Jusqu’au début des années 1990, l’absence de composants performants a limité l’étude du domaine THz au monde académique, avec néanmoins de très beaux résultats obtenus par exemple en spectroscopie des gaz et en physique de la matière condensée. L’avènement de lasers commerciaux délivrant des trains d’impulsions de durée femtoseconde a alors révolutionné la recherche en infrarouge très lointain. Grâce à des antennes photo-excitées par ces impulsions laser et à des techniques en temps équivalent, des bancs de spectroscopie et d’imagerie THz sont devenus accessibles à la plupart des laboratoires, fonctionnant de manière simple (en particulier à température ambiante), fiable et d’entretien peu onéreux. Ce regain d’activités dans le domaine a stimulé la recherche de nouvelles sources et de nouveaux détecteurs. Des composants électroniques THz à semi-conducteurs ont été mis au point, les tubes électroniques ont progressé, et de nouveaux concepts ont été proposés et développés, comme l’effet de cascade quantique pour les lasers THz appelés QCL ou comme les diodes UTC, basées sur un transport électronique où les trous ne contribuent pas.

Au début des années 2020, les chercheurs et les ingénieurs travaillant dans le domaine THz disposent d’un ensemble important et varié de composants, dispositifs et appareillages. Cet article donne une revue, établie en 2021 et aussi exhaustive que possible, de toutes les sources de rayonnement THz. Leur principe de fonctionnement et leurs performances seront décrits et listés. Tout d’abord, on rappellera les principes physiques nécessaires à la compréhension des phénomènes mis en jeu dans les sources THz.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes utilisés.

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KEYWORDS

terahertz   |   Schottky diode   |   BWO   |   synchrotron   |   gyrotron   |   free electron laser   |   QCL laser   |   photo-conducting antenna   |   optical rectification

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e4062


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - PERENZONI (M.), PAUL (D.J) -   Physics and applications of terahertz radiation.  -  T. 173, Springer (2014).

  • (2) - DHILLON (S.S.) et al -   The 2017 terahertz science and technology roadmap.  -  In : Journal of Physics D : Applied Physics, 50(4), p. 043001 (2017).

  • (3) - MITTLEMAN (D.M.) -   Twenty years of terahertz imaging.  -  In : Optics express, 26(8), p. 9417-9431 (2018).

  • (4) - ELSAESSER (T.), REIMANN (K.), WOERNER (M.) -   Concepts and applications of nonlinear terahertz spectroscopy.  -  Morgan and Claypool Publishers (2019).

  • (5) - DIETLEIN (C.), POPOVIC (Z.), GROSSMAN (E.N.) -   Aqueous blackbody calibration source for millimeter-wave/terahertz metrology.  -  In : Applied optics, 47(30), p. 5604-5615 (2008).

  • (6) - KOMANDIN (G.A.) et al -   BWO...

1 Annuaire

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1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Alpes Lasers SA, Avenue des Pâquiers 1, 2072 St-Blaise, Suisse Lasers QCL http://www.alpeslasers.ch

ACST GmbH, Josef-Bautz-Strasse 15, DE-63457 Hanau, Allemagne Diodes, multiplicateurs, antennes, guides d’ondes, etc. https://acst.de/products/sbd/

Batop GmbH, Stockholmer Str. 14, 07747 Jena, Allemagne Semi-conducteurs, antennes photocommutatrices, spectromètres https://www.batop.de/

Edinburgh Instruments Ltd., 2 Bain Square, Kirkton Campus, Livingston, EH54 7DQ, GB Lasers moléculaires https://www.edinst.com/

EKSMA, Dvarcioniu st. 2B, LT-10233 Vilnius, Lituanie Cristaux non linéaires, composants https://eksmaoptics.com/

Gentec Electro-Optics Inc., 445, St-Jean-Baptiste, Ste. 160, Quebec, QC G2E 5N7, Canada Détecteurs THz https://www.gentec-eo.com/

Hübner GmbH and Co KG, Wilhelmine-Reichard Strasse 6, 34123 Kassel, Allemagne Imageurs https://hubner-photonics.com/products/terahertz/terahertz-imagers/

Infrared Labs, 1808 East 17th Street, Tucson, AZ 85719, États-Unis Bolomètres https://www.irlabs.com/

Laser Quantum UK, Emery Court, Stockport, Cheshire SK4 3GL, GB Systèmes...

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