Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
Le domaine térahertz aussi appelé « infrarouge lointain », reste une zone du spectre électromagnétique peu utilisée par les industriels. La cause principale est un manque certain de sources et de détecteurs compacts et performants, compatibles avec les exigences industrielles. Avec les avancées sur l’électronique ultra-haute fréquence et l’optique, des équipements deviennent plus performants sur une large bande de fréquences avec plus de puissance pour l’émission et plus de sensibilité en détection. Cet article propose d’éclairer des nouveautés récentes qui enrichissent l’exploitation de cette onde. De nombreuses applications industrielles seront détaillées.
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The térahertz domain, also called “far infrared”, remains an area of the electromagnetic spectrum that is little used by industrialists. The main cause is a certain lack of compact and efficient sources and detectors, compatible with industrial requirements. With advances in ultra-high frequency electronics and optics, equipment becomes more efficient over a wide frequency band with more power for emission and more sensitivity for detection. This article proposes to shed light on recent innovations which enrich the exploitation of this wave. Many applications are used by the industrial community and will be detailed
Auteur(s)
-
Patrick MOUNAIX : Directeur de recherche, CNRS IMS UMR CNRS 5218, Bât. A31, 351 cours de la Libération, Talence Cedex, France
INTRODUCTION
Le rayonnement térahertz (THz) est un candidat prometteur pour la radiographie industrielle et de nombreuses applications d’imagerie pour le contrôle non destructif CND en raison de ses nombreuses applications uniques et intéressantes propriétés. Dans le spectre électromagnétique, les ondes térahertz (THz) ou ondes submillimétriques sont situées entre l’infrarouge et les micro-ondes. La bande (ou gap) térahertz (THz) s’étale de 100 GHz à 10 THz, correspondant à une longueur d’onde d’environ 3 à 0,03 mm. Ce sont des rayonnements de très faible énergie, quelque meV, qui interagissant avec la matière principalement par des modes collectifs de vibration et de rotation des molécules. Ces rayonnements ont la propriété d’être très pénétrants dans les matériaux diélectriques ou peu conducteurs. Cette propriété permet d’obtenir des informations qualitatives ou quantitatives sur les matériaux par exemple la présence de défauts par des techniques d’imagerie, leur composition et le contrôle de leurs dimensions par spectroscopie. Les avantages de la technologie térahertz sont nombreux : une analyse en profondeur dans les matériaux diélectriques, une résolution submillimétrique, un rayonnement non ionisant donc sans danger pour l’opérateur, un diagnostic sans contact donc sans altération de la pièce ou de la surface de la pièce et une forte capacité à la détection ou la mesure de l’humidité.
Cependant, la mise en œuvre de sources térahertz reste difficile en raison des limitations actuelles de la technologie du silicium, et peu des recherches ont été menées. Tous ces systèmes d’imagerie sont, par conséquent, contraints à des améliorations progressives qui sont liées à la dynamique des progrès technologiques.
Grâce à la recherche en laboratoire dans les domaines de l’électronique ultra-haute fréquence et de l’optoélectronique, le développement de systèmes CND térahertz est maintenant rendu possible, notamment par le perfectionnement des briques technologiques et la baisse des coûts de fabrication de leurs composants. La technologie térahertz est applicable à différents secteurs de l’industrie tels que le bâtiment, les transports ou encore l’agroalimentaire.
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MOTS-CLÉS
Imagerie térahertz Infrarouge lointain Caméra THZ Contrôle non destructif THz Holographie THz Communication THz
KEYWORDS
Terahertz imaging | far infrared | THz camera | THz non destructing testing | THz holography | THz communication
DOI (Digital Object Identifier)
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2. Caméras THz
Un imageur composé d’un unique pixel est un capteur monopoint ; lorsqu’il est composé de plusieurs pixels associés en une matrice sur un plan, c’est un capteur matriciel. De manière similaire à un appareil photographique numérique, un capteur matriciel permet d’imager une scène plus rapidement qu’un détecteur monopoint.
Il existe deux types de détection térahertz, les détecteurs incohérents, pour lesquels seule une information d’amplitude ou de puissance du rayonnement est mesurée, et les détecteurs cohérents qui permettent d’acquérir à la fois l’amplitude et la phase du champ.
Une des caractéristiques d’un détecteur est sa sensibilité. La sensibilité correspond au rapport entre signal de sortie en courant ou tension et la puissance optique incidente, et est exprimée en V/W ou en A/W.
Le bruit, issu des différents composants de la chaîne de mesure d’un détecteur est caractérisé par la densité spectrale de bruit, et est donné en
.
Pour pouvoir comparer les détecteurs térahertz, qu’ils soient incohérents ou cohérents, il est intéressant d’utiliser le terme de puissance minimale équivalente au bruit NEP (Noise Equivalent Power). Le NEP exprimé en
est la puissance pour laquelle le rapport signal sur bruit RSB (signal to noise ratio (SNR)) est égal à 1 lorsque l’on intègre le signal sur une demi-seconde. Il correspond au rapport entre la densité spectrale de bruit et la sensibilité du détecteur. Plus le détecteur sera sensible et plus son bruit est faible, plus le NEP est faible.
Un autre critère de mérite d’un détecteur pouvant être retenu est la puissance minimale détectable MPD (Minimum Power Detectable) en W lorsque la fréquence d’acquisition est définie ; il permet de plus facilement confronter les imageurs matriciels en mode vidéo pour leur mise en œuvre dans des conditions réelles. Un récapitulatif des quelques détecteurs non refroidis avec leur NEP est donné dans ...
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Caméras THz
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - HILLGER (P.), GRZYB (J.), JAIN (R.), PFEIFFER (U.R.) - Terahertz imaging and sensing applications with silicon-based technologies. - IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, vol. 9, n° 1, p. 1-19 (2019) DOI:10.1109/TTHZ.2018.2884852
-
(2) - ODEN (J.) et al - Imaging of broadband terahertz beams using an array of antenna-coupled microbolometers operating at room temperature. - Opt. Express, vol. 21, n° 4, p. 4817-4825 (2013) DOI:10.1364/OE.21.004817
-
(3) - AL HADI (R.) et al - A 1 k-pixel video camera for 0.7–1.1 terahertz imaging applications in 65-nm CMOS. - Solid-State Circuits, IEEE Journal of, vol. 47, n° 12, p. 2999-3012 (2012) DOI:10.1109/jssc.2012.2217851
-
(4) - CAOL (C.) et al - A 410GHz CMOS push-push oscillator with an on- chip patch antenna. - IEEE ISSCC 2008, vol. 53, n° 11, p. 472 (2008).
-
(5) - HEINEMANN (B.) et al - SiGe HBT technology with fT/fmax of 300GHz/500GHz and 2,0 ps CML gate delay. - Technical Digest,...
ANNEXES
1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)
Sources, intégrateurs, services, imageurs
Lytid (fabricant et intégrateur de sources millimétriques et THz QCL) https://lytid.com
RD&D Vision (intégration de système de vision High Tech donc imageur mm radar) https://www.rd-vision.com
Teratonics (solution imagerie THz rapide) https://www.teratonics.com
Virginia Diodes (fournisseurs de sources et systèmes mm et sub mm) https://vadiodes.com/en/
Terakalis (expertise des défauts et propriétés internes des matériaux) https://www.terakalis.com/
TiHive (systèmes THz) https://www.tihive.com
III-V lab (photodiodes InGaAs et InP HBT) http://www.3-5lab.fr/rd_activities.php
MC2 technologies (modules T/R en bande W, scanner corporel bande W) https://www.mc2-technologies.com/fr/mm-imager-2/...
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