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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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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
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3. Nouvelles sources commerciales
3.1 Couverture totale de la bande THz
Différents types de sources térahertz ont été présentés par le passé et sont accessibles dans le commerce [RE 143] [RE 144]. On y retrouve :
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les sources thermiques ;
-
les dispositifs électroniques à vide comme les sources de types BWO (Backward Wave Oscillator) qui résultent de l’interaction entre un faisceau d’électrons et d’une structure slow wave ;
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les sources à semi-conducteurs, comme les composants de type à effet tunnel résonnant ;
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des oscillateurs de type Gunn ou bien des photomélangeurs ultrarapides de type photodiode à transport unipolaire ( UTC) ;
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les lasers térahertz ;
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les sources à pompage optique, etc.
Les sources directes électroniques occupent majoritairement la partie basse du spectre avec des niveaux de puissance générés très élevés. Les antennes photoconductrices sont grandement améliorées et permettent de couvrir tout le spectre en une seule acquisition au détriment de la puissance moyenne faible mais suffisante pour des analyses spectroscopiques. Ces composants fonctionnent maintenant avec des sources lasers dont la longueur d’onde est située entre 700 et 1 500 nm. Selon la nature de la source, certaines affichent leurs avantages respectifs et leurs limitations de performances. La figure 9 fournit une vue d’ensemble des sources térahertz en termes de puissance de sortie et de fréquence délivrée, ce qui peut aider à sélectionner une source appropriée pour une application spécifique. La nomination de « gap...
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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, International...
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/
Caméras
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