Nano-mélangeurs bolométriques supraconducteurs à électrons chauds en Y-Ba-Cu-O pour récepteur
térahertz en mode passif
Applications de la déte
Astronomie
La bande térahertz intéresse La principale est la spectroscopie d’émissions existent dans le dom quantité dans des gaz lointains (fi exploiter ces informations sur des des ballons stratosphériques (TELI [], ACE [], Herschel [13]). ns les technologies d’émission micro-onde, térahertz et infra ument du THz Technology Trend Investigation Comittee) nies ont été marquées par un effort technologique tel que démontré par les indicateurs du nombre de p de brevets déposés sur la thématique térahertz (fig. I.4. atière de sources (§I.7) et de détecteurs (§I.6-§I.8) systèmes complets de spectroscopie et d’imagerie érêt du domaine térahertz est en plein essor depuis 1990. O s produits brevetés, et donc de l’application commerciale ém a détection térahertz e le domaine de l’astronomie pour un nombre imp copie moléculaire pour la détection de radicaux [6]. le domaine térahertz, ce qui permet d’en déterminer (fig. I.6). Un nombre considérable de projets exist ur des dispositifs transportés sur des avions stratosphér (TELIS [8] et CIDRE [9]) et dans des sondes spatiales R. LADRET – 16 et infrarouge. ([4]– d’après ogique visible qui tend à re de publications par an I.4.b). Les publications ). Quant aux brevets, agerie térahertz (§I.9). 0. On observe même une iale émergente [5]. re important de mesures. . De nombreuses raies rminer la présence et la s existent pour mesurer et osphériques (SOFIA [7]), atiales (Odin [], Envisat Chapitre I R. LADRET – 16 9 Une autre application majeure de l’astrophysique dans le domaine térahertz est l’étude du fond diffus cosmique, dont la température suit le rayonnement d’un corps noir à 2,8 K (dans la limite de la précision existante). Une partie de ce rayonnement est dans la bande térahertz. Les bandes 0,353 THz, 0,545 THz et 0,8 THz ont été exploitées sur la sonde Planck (lancée en 09 [14], fig. I.5) qui est la troisième sonde lancée spécifiquement pour cette mesure, après COBE (1980) et WMAP (01). Figure I.5 : Image du fond diffus cosmologique mesuré par la sonde Planck de GHz à 8 GHz [] permettant de déterminer la carte de température de l’univers. La figure de droite est la distribution de la température dans l’univers, elle est déduite des mesures aux différentes longueurs d’ondes des images de gauche. Les points chauds sont en rouge et les zones froides en bleu. Figure I.6 : Spectroscopie moléculaire pour l’astrophysique [16]. Dans toutes ces applications, l’atmosphère au sol fait écran aux mesures et il faut donc se placer en altitude, où l’absorption dans le térahertz est beaucoup plus faible. Les récepteurs peuvent être installés sur un télescope ou sur des plateformes aériennes/spatiales, comme un ballon-sonde, un avion ou une sonde spatiale.
Analyse de matériau et signature spectrale
L’étude de la réponse spectrale des matériaux dans le domaine térahertz est possible depuis les années 80, principalement grâce au développement de la spectroscopie térahertz résolue en temps . Le principe mis en jeu est l’analyse temporelle de la réponse du matériau à une excitation térahertz ultracourte. Cet effort est accompagné par la spectroscopie infrarouge (térahertz) à transformée de Fourier (développée dès les années ). Cette méthode permet de fabriquer des bases de données (disponibles en ligne par exemple thzdb.org []) qui mettent en valeur les pics d’absorption et de transmission de nombreux matériaux.
Imagerie médicale
Les ondes térahertz sont fortement absorbées par l’eau, cette dernière étant le composant majoritaire des tissus humains. La nature du tissu, saine ou malade, influence la réponse à une excitation térahertz et peut être mesurée par un capteur très sensible. En ce qui concerne les organes durs (comme les dents), ils sont partiellement transparents sous illumination térahertz, ce qui offre une alternative sans risque à l’imagerie dentaire par rayon X (fig. I.7.a).
Contrôle de qualité
Le rayonnement térahertz permet l’analyse de produits conservés sous leur emballage (plastique ou carton). Il est donc possible de révéler la présence de corps étrangers ou de défauts sur les produits sortant d’une ligne de production (fig. I.7.b). Un tel contrôle de qualité est bien supérieur à celui par échantillonnage classiquement mis en place et est non destructif. Sur des projets où la qualité est critique, l’analyse térahertz apporte une vérification complémentaire de défauts dans les armatures des bâtiments ou dans les navettes et les satellites.
Sécurité
Le rayonnement térahertz est capable de pénétrer les vêtements et les emballages pour révéler la présence de métaux par le biais de l’imagerie ou de produits chimiques par le biais de la spectroscopie (fig. I.7.c). L’intégration de dispositifs térahertz dans des portiques de détection d’objets dangereux et sous forme de caméras représente une évolution majeure et attendue dans les techniques de sécurité. Cette utilisation bénéficie des techniques de la spectroscopie et de l’imagerie. D’une part la spectroscopie permet d’analyser certaines fréquences térahertz et de comparer les pics d’absorption afin de déterminer la composition chimique de l’objet analysé []. D’autre part il est possible de réaliser l’imagerie optique à travers des textiles et de mettre en évidence les objets métalliques dissimulés. Les images sont généralement multispectrales entre et 250 GHz. Figure I.7 : a – Imagerie médicale rayon X / ondes térahertz (Teraview), b – Contrôle de qualité (université de Marburg), c – Spectres d’explosifs (Semtex, PE4, RDX, PETN, HMX, TNT d’après Teraview). Chapitre I R. LADRET – 16 I.4 Limitations Afin d’optimiser les performances des dispositifs fonctionnant dans la gamme térahertz, il est important de bien délimiter les contraintes de détection qui leurs sont associées.
Transmission atmosphérique
Le rayonnement térahertz est absorbé par les molécules lorsque l’excitation correspond à leurs modes propres de vibration et de rotation. Par ce mécanisme, l’atmosphère terrestre absorbe le rayonnement térahertz, la molécule la plus active étant H2O. Toute détection est donc dépendante des conditions climatiques et en particulier de la saturation d’eau dans l’air. Dans l’étude effectuée par Slocum et al. [21], ils identifient 16 fenêtres de travail entre 0 GHz et 3 THz (fig. I.8). De cette courbe (et du tableau associé à la publication) nous pouvons déduire empiriquement que l’absorption dans les fenêtres augmente en moyenne comme f 2,±0,1 . Figure I.8 : Courbes d’absorption atmosphérique à différents taux d’humidité, (en rouge) et (en bleu) pour les courbes correspondant respectivement à % et 80 % d’humidité. 16 fenêtres de transmission sont indiquées entre 0 GHz et 3 THz. L’absorption α s’exprime en dB/m et correspond à la puissance de sortie (Pout) après 1 m de propagation de l’onde dans l’atmosphère avec une puissance d’entrée (Pin), tel que α = log(Pin/Pout) [dB/m]. I.4.2 Transmission de la matière Les textiles varient par leur composition, leur épaisseur et leur mode de tissage. Chacune de ces caractéristiques altère la transmission de l’onde térahertz, à tel point que pour un même matériau il est possible de différencier la méthode de tissage. Sur la gamme 0,6 THz-2,5 THz, la transmission est proche de 0 % à 0,6 THz pour les tissus considérés dans l’étude [22] (jeans, coton, nylon, papier, soie – fig. I.9) et diminue avec la fréquence. Cette transmission est même inférieure à % pour les jeans (1,4 THz) et le coton (2,1 THz). Parmi les matériaux classiques, le papier est transparent aux ondes térahertz. Ce phénomène est déjà exploité dans un centre de tri postal au Japon pour identifier des éléments explosifs dans les colis suspects [23] sous leur emballage carton. Chapitre I R. LADRET – 16 Figure I.9 : Transmission typique des textiles et du papier dans la gamme 0-2,5 THz (adapté de [24]).
Définition spatiale des images
La résolution spatiale dépend à la fois de la distance d de l’objet observé, du diamètre D du diaphragme limitant la détection et de la longueur d’onde λ d’observation. En calculant la dimension de la plus petite surface résolue au niveau du détecteur (la tache d’Airy dans le plan image) nous pouvons déduire quelle sera, en champ lointain (la tache d’Airy ramenée dans le plan objet), la résolution (séparation de deux taches) qu’il est possible d’atteindre. Ainsi, pour une optique de diamètre D et de distance focale f, le rayon de la tache d’Airy dans le plan focal (plan du détecteur) est : r0 ≅ 1,22λf/D . (eq. I.1a) Ramenée au niveau de la scène (plan objet), cette tache peut être approximativement considérée comme grandie dans le rapport d/f , d’où la résolution : Res = 1,22λd/D . (eq. I.1b) Pour une observation à d = mètre avec une optique de diamètre D = centimètre et à 2,5 THz (λ = 0 µm), la résolution minimum accessible est Res ≅ 1,5 centimètre .
Rayonnement du corps noir
Le rayonnement térahertz est naturellement présent dans notre environnement par émission thermique. En effet tout corps (solide, liquide ou gazeux) est une source térahertz dont la puissance dépend de sa température, de sa surface et de son émissivité (proportion du rayonnement réel émis par rapport au rayonnement maximal). Ce phénomène est lié au rayonnement du corps noir, qui est la théorie selon laquelle un corps parfaitement absorbant émet un rayonnement sur tout le spectre électromagnétique, dont l’intensité et la répartition en énergie dépendent seulement de la température du corps donné a pu généraliser en 1900 l’expression empirique de Rayleigh, Jeans et Wien (eq. I.2 et fig. I.), et a démontré l’expression de la luminance du corps noir (puissance émise par unité de surface de l’émetteur pour un angle solide donné). Soit : B 1 h 3 k 2 2h ( , ) 1 c f T f f L f T e − = − ( ) W m sr Hz − − − 2 1 1 ⋅ ⋅ ⋅ (eq. I.2) À partir de la luminance, nous pouvons déduire la puissance à mesurer en considérant la puissance émise à 2,5 THz ± 2 GHz (ν ± Δν/2), d’un objet à une température de 0 K (26,9 °C). L’objet est vu sous un angle solide déduit du rapport entre sa surface exposée au détecteur (dans notre exemple un carré de × cm2 , d’aire notée As dans la formule) et de sa distance au carré avec le détecteur (1 mètre de distance, notée Dist). Enfin l’objet a une émissivité ε = 1 et la puissance (P) est mesurée par un détecteur d’aire 1×1 cm2 (notée Ac dans la formule). Figure I. : Spectre de Planck dans la gamme THz et le visible pour le rayonnement de corps noirs à −2, 0, 22, 37, 0 et 00 degrés Celsius [26]. Il s’agit d’une puissance faible qui nécessite un détecteur très sensible pour la mesurer. D’ailleurs, il existe des corps noirs industriels qui sont des sources permettant de calibrer des détecteurs sur une large bande spectrale. À la température ambiante (autour de 0 K), la puissance térahertz émise (sur une largeur spectrale Δf = 4 GHz) augmente avec la fréquence en f 2 sur la bande [0,1-1] THz, en f 1,7 sur la bande [1-5] THz et f 1,3 sur la bande [5-] THz. Pour différencier deux objets de températures respectives T1 et T2, il faut être sensible à une variation de ΔP(f, T1, T2, Δf) telle que : ΔP(f, T1, T2, Δf) = | P(f, T1, Δf) − P(f, T2, Δf)| (eq. I.4) En reprenant le cas précédent avec pour températures T1 = 0 K et T2 = 3 K, ΔP(2,5 THz, 0 K, 3 K, 4 GHz) = |0,1874 µW − 0,26 µW| = ,2 pW. Cet écart de puissance est très faible et nécessite un détecteur ultra-sensible pour être identifié.
Introduction générale |
