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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
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1. 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 (encore nommée fréquence angulaire). 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 dans le spectre électromagnétique suivant les différentes unités employées (le nombre d’onde, souvent employé en spectroscopie, est simplement l’inverse de la longueur d’onde exprimée en cm ; l’électronvolt (eV) est l’énergie d’un électron accéléré par une différence de potentiel d’un volt, c’est-à-dire 1,6 × 10–19 J). 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 milliélectronvolt. C’est une énergie très faible, environ 1 000 fois plus petite que celle des transitions...
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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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