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Article de référence | Réf : AF3255 v2

Patrimoine
Ondes électromagnétiques térahertz - Applications

Auteur(s) : Frédéric GARET, Jean-Louis COUTAZ

Date de publication : 10 mai 2022

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RÉSUMÉ

Cet article fait suite à un premier qui présentait les bases de l’électromagnétisme térahertz et la plupart des composants et systèmes térahertz. Les applications de la technologie térahertz, englobant l’instrumentation, la sécurité, le contrôle industriel, la biologie et la médecine, l’environnement, et les télécommunications sont ici décrites. L’avis des auteurs sur le futur des technologies térahertz conclut l’exposé.

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ABSTRACT

Terahertz Electromagnetic Waves. Applications

This paper follows a first one devoted to the basic principles of terahertz electromagnetism and to components and systems for the terahertz technology. This second paper lists and explains applications of the terahertz technology including instrumentation, security, sensors for industry, biology and medicine, environment, telecoms… The authors’ opinion on the future of terahertz technology serves as a conclusion to the paper.

Auteur(s)

  • Frédéric GARET : Professeur - IMEP-LAHC, UMR 5130 du CNRS - Université Savoie-Mont-Blanc, Le Bourget du Lac, France

  • Jean-Louis COUTAZ : Professeur émérite - IMEP-LAHC, UMR 5130 du CNRS - Université Savoie Mont-Blanc, Le Bourget du Lac, France

INTRODUCTION

L’étude du domaine térahertz (THz) 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. Ces applications s’appuient sur la transparence de matériaux opaques dans le visible ou l’infrarouge (applications à l’imagerie pour le contrôle industriel, la médecine ou pour la sécurité – inspection des personnes –), l’existence de signatures spectrales uniques de certaines molécules (applications à l’identification de molécules par spectroscopie par exemple dans les domaines de l’environnement, de la sécurité, de la biophysique, de l’astrophysique…), la possibilité de moduler ces ondes à très hautes fréquences (télécoms très haut débit à très courtes distances). Cet article présente tout d’abord les applications de la technologie térahertz dans le domaine de l’instrumentation scientifique, qui constitue actuellement sans aucun doute le plus gros marché pour les dispositifs et systèmes térahertz. Ensuite, il décrit le domaine de la sécurité et du militaire, auquel est dédiée aujourd’hui une très grande partie des recherches en térahertz. La troisième partie de l’article est consacrée aux applications industrielles. Si peu de systèmes térahertz sont effectivement installés aujourd’hui dans des entreprises, on peut imaginer qu’à terme, nombre de niches seront occupées par la technologie térahertz qui viendra en complément de techniques déjà bien répandues, comme la spectroscopie infrarouge et visible, ou bien la diffraction des rayons X, etc. Le paragraphe suivant décrit l’application de l’imagerie térahertz à l’examen d’œuvres du patrimoine artistique, qui met en jeu des procédures très proches de celles des applications industrielles. Le développement d’instrumentations et techniques térahertz pour la médecine et la biologie est ensuite présenté. Souvent décrite comme technique d’investigation d’avenir pour la médecine, l’imagerie térahertz a néanmoins du mal à s’imposer définitivement. Pour la biologie, les applications semblent plus faciles à mettre en place. En environnement, grâce à leur spécificité spectrale, les ondes térahertz apportent des informations complémentaires des techniques traditionnelles, comme le lidar, ou même des informations uniques, certaines molécules ne présentant une signature spectrale originale que dans le domaine térahertz. Enfin, la montée en fréquence des télécommunications les rapproche régulièrement de la région térahertz. D’une part, les flux de données, au niveau de tests en laboratoire, dépassent les 100 Gbits/s, d’autre part on met aussi au point des systèmes de transmission en espace libre, principalement pour l’intérieur des immeubles, employant une onde térahertz comme porteuse du signal. L’article se termine par une conclusion où les auteurs font part de leur réflexion sur l’avenir de la science et de la technologie térahertz. Cette conclusion est suivie d’une liste la plus complète possible des entreprises proposant des composants, des dispositifs et des systèmes térahertz, ainsi que la liste des principaux livres publiés sur cette thématique.

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KEYWORDS

optoelectronics   |   FTIR spectroscopy   |   terahertz imaging camera   |   industrial control

VERSIONS

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-af3255


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4. Patrimoine

Dans ce domaine, l’intérêt d’une inspection au moyen d’ondes térahertz est le caractère non invasif de ces ondes. Si l’objet à étudier est fragile, comme par exemple des tableaux anciens ou des objets préhistoriques, les techniques térahertz (spectroscopie, imagerie et tomographie) permettront de le caractériser ou de l’analyser sans le détruire ou même, plus simplement, sans le dégrader. La figure 19 montre ainsi l’exemple d’une ammonite fossilisée, où la structure interne du céphalopode est bien révélée par transmission térahertz.

Les études se regroupent suivant plusieurs approches :

  • analyse des matériaux employés pour réaliser les œuvres d’art. C’est l’exemple des pigments et des liants utilisés par les peintres de la Renaissance. Il est ainsi possible de distinguer des pigments à base de plomb, de fer, de zinc… Ces analyses s’appuient sur l’étude de spectres généralement obtenus par spectroscopie THz-TDS. Des bases de données ont été constituées, facilitant la reconnaissance des produits chimiques employés par les peintres ;

  • observation de détails cachés sous des couches ou bien à l’intérieur d’objets grâce à l’imagerie térahertz. Ainsi il est possible de mettre en évidence les croquis sous-jacents que le peintre a dessinés avant de peindre le tableau, ou bien les corrections qu’il a apportées au tableau. Cette technique a été appliquée à des fresques, ultérieurement recouvertes de plâtre ou d’autres couches. On peut aussi analyser les supports des tableaux, comme des panneaux de bois, et connaître leur état de conservation ou dégradation. L’emploi de systèmes THz-TDS portables a permis de réaliser ces études in situ, par exemple à l’intérieur de monastères ou églises. Citons enfin une étude très originale réalisée au laboratoire des Musées de France, où les chercheurs ont pu lire des rouleaux de papyrus sans les dérouler, ces rouleaux étant extrêmement fragiles. Ici, la lecture a été permise grâce au fort contraste d’absorption térahertz entre le papyrus et les encres d’écriture ;

  • imagerie à trois dimensions (technique tomographique) d’objets à l’intérieur de récipients par tomographie térahertz. L’ensemble...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - GU (J.), HAN (J.), TIAN (Z.T.), OUYANG (C.), HE (M.), ZHANG (W.) -   Metamaterials : paving the way for terahertz technology.  -  Terahertz Science and Technology, no 6, p. 66 (2013).

  • (2) - WITHAY ACHUMNANKUL (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...

1 Sites Internet

ESA - projet Herschel :

http://sci.esa.int/herschel/49387-herschel-image-and-spectrum-of-jupiter-family-comet-103p-hartley-2

Labex FOCUS (Focal Plays for Universe Sensing)

http://ipag.osng.fr/Focus-Labex

HAUT DE PAGE

2 Annuaire

Antennes photoconductrices

Teravil (Lituanie)

http://www.teravil.lt

Batop (Allemagne)

http://www.batop.de

Menlo Systems (Allemagne)

http://www.menlosystems.com

GigaOptics (Allemagne)

http://www.laserquantum.com

Del Mar Photonics (États-Unis)

http://www.delmarphotonics.com

Te-TechS Inc. (Canada)

http://www.tetechs.com

Hamamatsu (Japon)

http://www.hamamatsu.com

Oplan (Chine)

http://www.oplanchina.com

AMO GmbH (Allemagne)

http://www.amo.de

Teraview (Royaume-Uni)

https://teraview.com/

Bakman Technologies (États-Unis)

http://www.bakmantechnologies.com/

Corps noirs 

CI Systems...

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