Article de référence | Réf : RE143 v1

Présentation du domaine térahertz
Spectro-imagerie térahertz - Voir autrement

Auteur(s) : Patrick MOUNAIX

Relu et validé le 18 févr. 2020

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RÉSUMÉ

Les ondes électromagnétiques térahertz suscitent la curiosité et l'engouement à la fois des scientifiques et des industriels, car elles permettent une analyse chimique de matériaux en surface et en volume. Complémentaire des technologies existantes, la spectro imagerie térahertz offre un potentiel applicatif important dans les domaines de la biologie, de la sécurité et de l'environnement, par exemple. Cet article rappelle les principes de base, les limites et les dernières évolutions de ce domaine en pleine émergence.

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ABSTRACT

Terahertz spectral imaging

Terahertz electromagnetic waves have aroused the curiosity and enthusiasm of scientists and industrialists as they allow for a chemical analysis of materials in surface and volume. Complementary to existing technologies, terahertz spectral imaging presents a considerable potential for applications in the fields of biology, safety and the environment, for instance. This article recalls the fundamentals, limitations and latest evolutions in this rapidly developing field.

Auteur(s)

  • Patrick MOUNAIX : Chargé de recherches CNRS au Centre de physique moléculaire optique et hertzienne (CPMOH UMR 5798) à Talence (33)

INTRODUCTION

Points clés

Domaine : Techniques d'imagerie et d'analyse

Degré de diffusion de la technologie : Émergence | Croissance | Maturité

Technologies impliquées : Optique, électronique, optronique, traitement d'image

Domaines d'application : Biologie, environnement, sécurité

Principaux acteurs français :

Pôle de compétitivité : Route des Lasers‘ (Aquitaine)

Centres de compétence :

  • Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne CPMOH (CNRS) ;

  • Centre technologique Alphanov ;

  • ARMIR Association pour le Rayonnement, les Mesures et l'Imagerie Rapide, qui comprend le club « Teranaute » ;

  • GDR Européen TÉRAHERTZ « Détecteurs et Émetteurs de Radiations Térahertz à Semi-conducteurs » (GDR CNRS 2897).

Industriels : la société I2S

Autres acteurs dans le monde : Nikon, Picometrix, Toptica Photonics, GigaOptics...

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-re143


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2. Présentation du domaine térahertz

2.1 Pourquoi le rayon T

L'infrarouge lointain ou rayonnement térahertz est un domaine spectral complémentaire par rapport aux techniques employées actuellement (optique, RF, etc.). Son emploi se démocratise depuis l'avènement simultané de lasers « femtoseconde », mais aussi grâce aux progrès constants dans la conception et la fabrication de nouveaux composants micro- voire nanoélectroniques. Pour les applications susceptibles d'être transférées, ces nouvelles techniques remplacent les moyens classiques de l'infrarouge lointain, qui utilisent par exemple des corps noirs comme source de rayonnement et des bolomètres comme détecteurs (avec de longs temps de mesure).

L'intérêt d'employer ce rayonnement est multiple. En premier lieu par opposition aux rayons ionisants comme les rayons X bien connus, les radiations térahertz sont en effet capables de pénétrer la matière organique ou inorganique sans causer de dommage. En second lieu, la radiation térahertz traverse certains milieux autrement opaques dans le domaine visible : vêtements, papier, bois, carton et plastiques et la liste est non exhaustive. Cette transmission de l'onde térahertz sur plusieurs centimètres par divers matériaux est une condition nécessaire pour la mise en place et la validation des expériences de spectroscopie térahertz résolue en temps. Celles-ci permettent d'évaluer la réponse et le comportement du matériau investigué lors de l'interaction avec le faisceau térahertz. Enfin, de nombreuses molécules d'intérêt présentent une signature spectrale spécifique qui souvent n'existe pas dans d'autres parties du spectre électromagnétique comme le proche ou moyen infrarouge. Cette réponse unique, couplée à une caractérisation de la réponse diélectrique sur une très grande plage de fréquences (typiquement entre 100 GHz et 4 THz), permet de faire de la reconnaissance ou bien de la différenciation d'espèces chimiques sans contact. Cette propriété intéresse particulièrement les domaines soit du contrôle qualité, soit de la défense et de la sécurité.

Il convient de rappeler quelques conversions d'unités pour l'utilisateur. Un térahertz (THz) correspond à une longueur d'onde de 300 μm dans le vide (figure 1), soit à un écart entre deux niveaux énergétiques de ΔE = 4,1 meV ou encore une température équivalente...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - MITTLEMAN (D.M.), JACOBSEN (R.H.), NUSS (M.C.) -   T-ray imaging.  -  IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2, p. 679 (1996).

  • (2) - ABRAHAM (E.), YOUNUS (A.), EL FATIMY (A.), DELAGNES (J.C.), NGUÉMA (E.), MOUNAIX (P.) -   Optics communications.  -  Vol. 282, Issue 15, p. 3104-3107, 1er août 2009.

  • (3) - EL FATIMY (A.), DELAGNES (J.C.), YOUNUS (A.), NGUÉMA (E.), TEPPE (F.), KNAP (W.), ABRAHAM (E.), MOUNAIX (P.) -   Optics communications.  -  Vol. 282, Issue 15, p. 3055-3058, 1er août 2009.

  • (4) - FERGUSON (B.), WANG (S.), GRAY (D.), ABBOTT (D.), ZHANG (X.-C.) -   Towards functionnal 3D T-ray imaging.  -  Physics in Medicine and Biology, 47, p. 3735-3742 (2002).

  • (5) - WU (Q.), HEWITT (T.D.), ZHANG (X.-C.) -   Electro-optic imaging of térahertz beams.  -  Appl. Phys. Lett., 69, p. 1026 (1996).

  • (6) - MITTLEMAN...

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