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RÉSUMÉ
La spectroscopie impulsionnelle apporte une quantité d'informations considérables sur les systèmes physico-chimiques : indice de réfraction, absorption, temps de relaxation. S'agissant de la spectroscopie aux longueurs d'ondes térahertz (1 THz = 1012 Hz), il est possible de mesurer directement le champ électrique de l'impulsion et donc son spectre en amplitude et en phase. Ainsi, la réponse diélectrique complète peut en être extraite. À relativement court terme, en combinant imagerie et spectroscopie large bande, les ondes térahertz pourraient trouver des applications innovantes. Cet article réalise un état de l'art de différentes techniques de spectroscopie térahertz.
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Terahertz impulse spectroscopy provides a considerable amount of information on physico-chemical systems: refractive index, absorption, relaxation time. Concerning the terahertz wavelength spectroscopy (THz = 1012 Hz 1), it is possible to measure directly the electric field of the pulse and therefore its spectrum in amplitude and phase. The full dielectric response can thus be extracted. In the relative short term, by combining imaging and broadband spectroscopy, terahertz waves could be used for innovative applications. This article reviews various state-of-the-art terahertz spectroscopy techniques.
Auteur(s)
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Jean-Christophe DELAGNES : Maître de Conférences au Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne (CPMOH UMR 5798) à Talence (33).
-
Patrick MOUNAIX : Chargé de Recherche CNRS au Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne (CPMOH UMR 5798) à Talence (33).
INTRODUCTION
Résumé : La spectroscopie impulsionnelle apporte une quantité d'informations considérable sur les sytèmes physico-chimiques : indice de réfraction, absorption, temps de relaxation. S'agissant de la spectroscopie aux longueurs d'ondes térahertz (1 THz = 1012 Hz), il est possible de mesurer directement le champ électrique de l'impulsion et donc son spectre en amplitude et en phase. On peut extraire ainsi la réponse diélectrique complète. À relativement court terme, en combinant imagerie et spectroscopie large bande, les ondes térahertz pourraient ainsi trouver des applications innovantes.
Abstract: Time domain and Time dependent spectroscopy are powerful tools for physical and chemical analysis. It gives access to numerous information such as refractive index, absorption, relaxation time. In the terahertz range (1 THz = 1012 Hz), the spectroscopy has a key advantage since it is possible to directly measure the electric field of the pulse, and thus the spectrum in amplitude and phase. In relatively short term, by combining gimaging and broadband spectroscopy, the terahertz waves could find innovative applications...
Mots-clés : Térahertz, Spectroscopie, Pompe-Sonde, Femtoseconde Picoseconde, Réponse transitoire
Keywords: Terahertz, Spectroscopy, Pump-Probe, Femtosecond Picosecond, Transient response
Domaine : Techniques d'analyse et spectroscopie
Degré de diffusion de la technologie : Émergence / Croissance / Maturité
Technologies impliquées : Optique, électronique, optronique, traitement du signal
Domaines d'application : Biologie, environnement, sécurité
Principaux acteurs français :
Pôles de compétitivité : Pôle de compétitivité Route des Lasers™ (Aquitaine)
Centres de compétence : Centre de Physique Moléculaire Optique et Hertzienne CPMOH (CNRS), Centre technologique Alphanov, ARMIR (Association pour le Rayonnement, les Mesures et l'Imagerie Rapide), qui comprend un club « Téranaute » formé par une dizaine de laboratoires universitaires, grands organismes et industriels travaillant dans le domaine des ondes térahertz. GDR Européen TERAHERTZ « Détecteurs et Émetteurs de Radiations Térahertz à Semi-conducteurs » (GDR CNRS 2897). Ce GDR fédère les collaborations entre une vingtaine de laboratoires européens travaillant dans le domaine des composants à semi-conducteurs pour la technologie des ondes THz.
Exemples d'acteurs dans le monde : Nikon, Picometrix, Toptica Photonics, GigaOptics
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Spectroscopie à l'équilibre
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2. Sources térahertz
Les performances des techniques de spectrométrie dans l'infrarouge lointain (« spectromètres térahertz ») sont intimement liées aux méthodes de générations de ce rayonnement submillimétrique. Nous allons ici brièvement décrire ces méthodes et en souligner les paramètres et caractéristiques pertinents en spectroscopie.
2.1 Sources térahertz non optiques
De par sa position dans le spectre électromagnétique, le rayonnement THz se situe, du point de vue technologique, à la frontière ou plus justement à la confluence des domaines de compétences électronique et optique.
En effet du côté « basses fréquences THz », se trouve à notre disposition tout l'héritage et la poursuite d'innovation des technologies hyperfréquences et submillimétriques. Même si les premières sources de rayonnement cohérent sont les tubes hyperfréquences (micro-onde, carcinotron) et que certains sont encore utilisés efficacement (10 mW à 0,5 THz pour un BWO – Backward Wave Oscillator), ils sont aujourd'hui supplantés par des composants électroniques dont l'exemple le plus important est sans nul doute la diode Gunn. La diode à effet Gunn ainsi que d'autres diodes (IMPATT – IMPact Avalanche Transit Time, RTD – Resonant Tunneling Diode) sont des composants qui sont capables de délivrer d'assez fortes puissances (ª mW) à des fréquences de fonctionnement inférieures à quelques centaines de gigahertz. Quelle que soit la technologie employée, compte tenu de leur faible accordabilité, ces composants ne sont pas adéquats pour effectuer des mesures en spectroscopie. En revanche, on peut les utiliser comme de bons étalons de fréquence, ou pour détecter des signatures spectrales d'espèces particulières dont une ou plusieurs raies si situent dans le spectre étroit de la diode.
Pour être complet, il ne faut bien entendu pas omettre la source la plus répandue de rayonnement, et de rayonnement THz en particulier : le corps noir. Dans un tel corps idéal, chaque élément de surface en équilibre à la température T émet par rayonnement électromagnétique une puissance égale à celle qu'il reçoit provenant du reste de la surface des parois. La puissance rayonnée par unité de surface et de longueur d'onde (en W. m-2.m-1) est donnée à partir de la loi de Planck par :
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - AUSTON (DH) - * - Appl. Phys. Lett, 713, 1983
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(2) - EISELE (H.) - Active two terminal devices for terahertz power generation bymultiplication, Terahertz sources and systems. - Nato sci. series, Kluwers Acad. Publi., pp. 69-86, (2001)
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(3) - FAIST (J.), CAPASSO (F.), SIVCO (D. L.), SIRTORI C. , HUTCHINSON A.L., and. CHO. (Y.A.) - * - Science 22 Vol. 264. no. 5158, pp. 553 (avril 1994).
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(4) - DUVILLARET (L.), GARET (F.), ROUX (J.-F.), COUTAZ (J.-L.) - Analytical modelling and optimization of terahertz time-domain spectroscopy experiments using photoswitches as antennae - I. EEE J. Sel. Topics in Quant. Electron. 7, 615-623 (2001).
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(5) - DANTEN (Y.), BESNARD (M.), DELAGNES (J.C.) and MOUNAIX (P.) - Far infrared absorption and terahertz time domain spectroscopy of liquid CS2 : experiments and molecular dynamics simulation. - APL 92 214102 (2008).
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...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Spectro-imagerie térahertz
ANNEXES
http://www.armir.fr : Téranaute
http://www.alphanov.fr : Imagerie térahertz
Le site de Pr. P. Kuzel : http://www.fzu.cz/departments/dielectrics/groups/lts/
Le site du Pr. D. Mittelman : http://www-ece.rice.edu/~daniel/Mittleman. html
Ainsi que la page du site précédent http://www-ece.rice.edu/~daniel/groups. html qui contient les liens vers de très nombreux groupes de recherche THz
HAUT DE PAGE
La spin-off « Zomega Terahertz Corporation » http://www.zomega-terahertz.com/index.html issue des recherches conduites par le Dr. X.-C. Zhang.
http://www.teraview.com/terahertz/id/22
http://www.toptica.com/page/applications_terahertz_thz_imaging. php
http://www.picometrix.com/pico_products/terahertz_tr4000.asp
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