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RÉSUMÉ
Un résumé de la science des ondes électromagnétiques térahertz est ici exposé, complété par un état de l'art de la technologie et des applications de cette science. Les fréquences du domaine térahertz s’étendent typiquement de 0,1 à 1 THz, c’est-à-dire correspondant à des longueurs d’onde millimétriques/submillimétriques : les ondes THz s’intercalent donc dans le spectre électromagnétique entre l’infrarouge et les micro-ondes. 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. The terahertz domain is located in the electromagnetic spectrum between the infrared and microwaves regions. It corresponds to frequencies in between 0.1 and 10 THz, i.e. to millimeter and sub-millimeter wavelengths. 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 : Professeur - IMEP-LAHC, CNRS UMR 5130, Université Savoie Mont Blanc, Chambéry, France
-
Jean-Louis COUTAZ : Professeur émérite - IMEP-LAHC, CNRS UMR 5130, Université Savoie Mont Blanc, Chambéry, France
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 XXe 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 °C, 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
optoelectronics | electro-optique detection | heterodyne systems | bolometer
VERSIONS
- Version archivée 1 de juil. 2014 par Frédéric GARET, Jean-Louis COUTAZ
DOI (Digital Object Identifier)
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4. Glossaire
Antenne photoconductrice ; photoconducting antenna
Dispositif intégrant deux électrodes métalliques déposées sur un substrat semi-conducteur intrinsèque. En émission, ces électrodes sont polarisées par une tension continue. En éclairant l’interstice entre électrodes avec un laser impulsionnel, les porteurs photogénérés dans le substrat sont accélérés par la tension appliquée et rayonnent dans l’espace un signal électromagnétique de durée très brève (sub-picoseconde). En détection, le dispositif n’est pas polarisé, mais les porteurs sont accélérés par le champ électrique d’un signal térahertz arrivant de manière concomitante. Le courant mesuré est alors proportionnel à ce champ térahertz.
Battement de fréquences ; frequency beating
Technique de génération de somme ou de différence de fréquences en éclairant un matériau ou un composant non linéaire avec deux faisceaux lasers de longueurs d’onde différentes. Cette technique peut être utilisée avec un seul laser de type impulsionnel, les deux fréquences mises en jeu appartenant au spectre large bande de la brève impulsion laser. Lorsque la fréquence différence est très faible devant les fréquences excitatrices, on approxime la fréquence générée par 0, et on parle alors de redressement optique (en anglais, optical rectification).
Bolomètre ; bolometer
Détecteur de rayonnement électromagnétique qui comprend un absorbeur de rayonnement qui s‘échauffe sous l’effet de l’éclairement, et un « thermomètre » qui mesure l’élévation de température qui est proportionnelle à la puissance incidente.
BWO (Backward Wave Oscillator)
Source de rayonnement térahertz comprenant un guide d’onde métallique creux, dont les faces internes sont périodiquement gravées, alimenté par un canon à électrons. Le rayonnement térahertz est produit par l’interaction entre les électrons et le relief périodique du guide. Il est émis en direction inverse de la trajectoire des électrons.
Détection hétérodyne ; heterodyne detection
Technique de détection de signaux de très hautes fréquences et d’amplitude très faible. Le signal à détecter est mélangé...
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Glossaire
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)...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Liste des FEL (Free Electron Laser)
http://sbfel3.ucsb.edu/www/vl_fel.html
Société GCM
Labex FOCUS (Focal Plane Arrays for Universe Sensing)
http://www.ipag.osug.fr/Focus-Labex
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