Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Cet article présente un résumé de la science des ondes électromagnétiques térahertz et un état de l'art de la technologie et des applications de cette science. 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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This article gives an overview of the science and technology involving terahertz electromagnetic waves, as well as the related applications. Basic principles of terahertz electromagnetism are summarized and most of the devices and systems are shortly described, from electronic components and optoelectronic systems up to large facilities.
Auteur(s)
-
Frédéric GARET : Maître de conférences - IMEP-LAHC, UMR 5130 du CNRS, Université de Savoie
-
Jean-Louis COUTAZ : Professeur - IMEP-LAHC, UMR 5130 du CNRS, Université de Savoie
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 XX e 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 oC, 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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KEYWORDS
Terahertz radiation | Electro-optic detection | bolometers | Heterodyne systems
VERSIONS
- Version courante de août 2021 par Frédéric GARET, Jean-Louis COUTAZ
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Techniques1. Physique des ondes térahertz
1.1 Ondes électromagnétiques térahertz
Il est maintenant accepté, par l'ensemble de la communauté scientifique, que le domaine des ondes électromagnétiques térahertz s'étend typiquement entre les fréquences 0,1 et 10 THz. Rappelons les définitions de l'énergie E d'un photon et les relations résultantes entre fréquence ν et longueur d'onde λ :
( 1 )
où h ≈ 6,6 × 10–34 J · s (constante de Planck), c ≈ 3 × 108 m/s (célérité de la lumière dans le vide) et ω est la pulsation de l'onde. On peut caractériser le rayonnement en termes de température équivalente T, puisque l'énergie thermique est égale à k B T, où k B ≈ 1,38 × 10–23 J/K est la constante de Boltzmann. La figure 1 résume la position du domaine térahertz suivant ces différentes unités. Le domaine térahertz est donc compris entre l'optique (infrarouge lointain) et les hyperfréquences (ondes millimétriques).
HAUT DE PAGE1.2 Interaction ondes térahertz – matière
La figure 1 nous indique que l'énergie des photons térahertz est de l'ordre du meV. C'est une énergie très faible, environ 1 000 fois plus petite que celle des transitions entre niveaux électroniques des atomes, et même plus faible que l'énergie thermique à température ambiante (k B T ≈ 27 meV). L'interaction entre les ondes térahertz et la matière, par exemple l'absorption du rayonnement térahertz, ne mettra donc en jeu que des phénomènes peu énergétiques. En particulier, et ce sont les avantages mis en avant pour l'imagerie térahertz, beaucoup de matériaux opaques dans le visible sont ainsi transparents à ce rayonnement, qui de plus n'est pas ionisant.
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Physique des ondes térahertz
BIBLIOGRAPHIE
-
(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).
-
(2) - WITHAYACHUMNANKUL (W), ABBOTT (D.) - Metamaterials in the Terahertz Regime. - IEEE Photonic Journal, no 1, p. 99-118 (2009).
-
(3) - ROGALSKI (A.), SIZOV (F.) - Terahertz detectors and focal plane arrays. - Opto-Electronics Review, no 19, p. 346-404 (2011).
-
(4) - WU (Q.), ZHANG (X.-C.) - Ultrafast electro-optic field sensors. - Appl. Phys. Lett., no 68, p. 1604 (1996).
-
(5) - HAN (P.Y.), ZHANG (X.-C.) - Coherent, broadband midinfrared terahertz beam sensors. - Appl. Phys. Lett., no 73, p. 3050 (1998).
-
(6) - HORI (T.), HIROMOT (N.) - Characteristics...
ANNEXES
Liste des FEL (Fee Electron Laser) http://www.sbfel3.ucsb.edu/www/vl-fel.htm
Société GCM http://www.terahertz.co.uk
Labex FOCUS (Focal Plays for Universe Sensing) http://www.ipag.osug.fr/Focus-Labex
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