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RÉSUMÉ
Un résumé de la science des ondes électromagnétiques térahertz est ici exposé, complété par un état de l'art de la technologie et des applications de cette science. Les fréquences du domaine térahertz s’étendent typiquement de 0,1 à 1 THz, c’est-à-dire correspondant à des longueurs d’onde millimétriques/submillimétriques : les ondes THz s’intercalent donc dans le spectre électromagnétique entre l’infrarouge et les micro-ondes. Les principes de base de l'électromagnétisme aux fréquences térahertz sont rappelés, et la plupart des composants et systèmes térahertz sont décrits, depuis les dispositifs électroniques jusqu'aux grands instruments, en passant par l'optoélectronique.
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Frédéric GARET : Professeur - IMEP-LAHC, CNRS UMR 5130, Université Savoie Mont Blanc, Chambéry, France
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Jean-Louis COUTAZ : Professeur émérite - IMEP-LAHC, CNRS UMR 5130, Université Savoie Mont Blanc, Chambéry, France
INTRODUCTION
Les ondes électromagnétiques (EM) térahertz (THz) correspondent au domaine spectral situé entre l’infrarouge lointain et les hyperfréquences. Bien qu’exploré depuis les travaux initiaux de Rubens au début du XXe siècle, les difficultés techniques ont longtemps freiné les études et le développement technologique à ces fréquences. Cela peut s’expliquer simplement par des raisons physiques. Dans les domaines optique et infrarouge, l’onde électromagnétique incidente induit des dipôles moléculaires dans la matière (courant de déplacement), et l’on traduit la réponse électromagnétique de la matière par les notions de permittivité et donc d’indice de réfraction. La détection des ondes se réalise par absorption et en particulier par photogénération de porteurs. Dans le domaine hyperfréquence, la réponse électromagnétique prépondérante est celle des électrons libres (courant de conduction) et nombre de dispositifs sont métalliques pour faciliter l’écoulement de ces courants de conduction. Par exemple, l’onde est détectée grâce aux courants induits dans des antennes. Dans le domaine térahertz, courants de conduction et de déplacement sont du même ordre de grandeur, et les techniques optiques et hyperfréquences perdent en efficacité. Ainsi, les sources de rayonnement térahertz sont moins puissantes, compactes ou faciles à utiliser que les sources optiques et hyperfréquences. De même, la détection térahertz est rendue difficile par la faible énergie des photons térahertz, qui est typiquement 5 à 10 fois plus faible que l’énergie thermique à température ambiante. Enfin, l’atmosphère terrestre (au niveau de la mer et dans des conditions normales : 20 °C, 50 % d’humidité) est peu transparente au-delà de 1 térahertz : atténuation supérieure à 1 dB/m, avec de nombreux pics de forte absorption (de l’ordre de 20 dB/m) dus aux résonances de la vapeur d’eau. Néanmoins, l’étude du domaine térahertz a été relancée et facilitée à la fin des années 1980 grâce à l’émergence de nouvelles techniques et technologies, tout d’abord optoélectroniques, puis basées sur la montée en fréquence des composants électroniques ou le développement de nouveaux composants nanométriques. Cet effort de recherche est stimulé, au-delà de la recherche académique, par les nombreuses applications entrevues.
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- Version archivée 1 de juil. 2014 par Frédéric GARET, Jean-Louis COUTAZ
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3. Conclusion
Depuis la renaissance de la science des ondes électromagnétiques térahertz dans les années 1980-1990, ce domaine a fait l’objet de très nombreuses études. Les connaissances et les technologies ont fortement progressé. Si bien que, réservées à quelques laboratoires de haute compétence au XXe siècle, ces recherches sont aujourd’hui menées dans de très nombreux pays sur les cinq continents, par plusieurs centaines de laboratoires et entreprises. La recherche fondamentale, employant les ondes térahertz comme outil d’investigation, a produit des résultats remarquables. Par contre, les applications et le transfert vers l’industrie n’ont pas encore atteint le niveau espéré il y a 10 ou 20 ans. Certains dispositifs et techniques, par exemple la spectroscopie temporelle dans le domaine térahertz (THz-TDS), sont maintenant matures. D’autres composants méritent toujours d’être améliorés, que ce soit en performance, fiabilité, compacité et surtout en coût. C’est par exemple le cas des sources de rayonnement térahertz. Pour les composants actifs comme les sources et détecteurs, il semble que la technologie microélectronique devienne dominante pour les fréquences en dessous du térahertz, grâce à la montée en fréquence des transistors et à l’adaptation des techniques micro-ondes (multiplication de fréquences, mesures hétérodynes, etc.). Pour les plus hautes fréquences, au-dessus de 3~4 THz, ce sont les techniques de l’optique infrarouge qui s’imposent, par exemple avec les lasers QCL. La région du spectre térahertz la plus incertaine en termes de technologie est située entre environ 1 et 3 THz, pour laquelle aucune solution ne prend le dessus sur les autres. Par ailleurs, de nouvelles voies apparaissent, reposant sur les résultats de la recherche fondamentale, comme les composants spintroniques, les lasers moléculaires pompés par lasers QCL du moyen infrarouge, lasers QCL THz à température ambiante, etc. Est-ce que ces nouveautés s’imposeront dans les laboratoires et pour les applications, ou bien les aura-t-on oubliées dans quelques années ? L’avenir nous apportera sans doute dans des délais assez courts, la réponse à cette question.
La rédaction de ce papier a bénéficié d’un travail de synthèse sur les technologies térahertz réalisé par les auteurs dans le cadre du labex FOCUS (« FOCal plane arrays for Universe Sensing »). Nous remercions Simon...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - GU (J.), HAN (J.), TIAN (Z.T.), OUYANG (C.), MINGXIA (H.E.), ZHANG (W.) - Metamaterials : paving the way for terahertz technology. – - Terahertz Science and Technology, no 6, p. 66 (2013).
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(2) - WITHAYACHUMNANKUL (W), ABBOTT (D.) - Metamaterials in the Terahertz Regime. – - IEEE Photonic Journal, no 1, p. 99-118 (2009).
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(3) - ROGALSKI (A.), SIZOV (F.) - Terahertz detectors and focal plane arrays. – - Opto-Electronics Review, no 19, p. 346-404 (2011).
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(4) - WU (Q.), ZHANG (X.-C.) - Ultrafast electro-optic field sensors. - - Appl. Phys. Lett., no 68, p. 1604 (1996).
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(5) - HAN (P.Y.), ZHANG (X.-C.) - Coherent, broadband midinfrared terahertz beam sensors. – - Appl. Phys. Lett., no 73, p. 3050 (1998).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Liste des FEL (Free Electron Laser)
http://sbfel3.ucsb.edu/www/vl_fel.html
Société GCM
Labex FOCUS (Focal Plane Arrays for Universe Sensing)
http://www.ipag.osug.fr/Focus-Labex
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