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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 résolue en temps hors équilibre
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3. Spectroscopie à l'équilibre
En raison de leur apport majeur dans l'avancée des techniques de spectroscopie THz, nous allons nous concentrer uniquement sur les spectromètres THz à base de méthodes optiques dont nous avons décrit les principes précédemment. Compte tenu de l'extrême diversité des matériaux et des méthodes employées, le lecteur pourra se reporter à des ouvrages dédiés au sujet.
3.1 Sources térahertz continues accordables
Parmi les sources THz les plus abouties, qui offrent des performances compatibles avec des besoins de caractérisation systématique, il y a les sources THz continues accordables. En effet, il s'agit de systèmes compacts, largement automatisés et dont le fonctionnement a été optimisé pour offrir un bon rapport signal à bruit et une excellente résolution spectrale sur une large bande.
Ces sources peuvent être de deux types différents. Les premières utilisent le redressement optique dans un cristal non linéaire, tandis que les secondes utilisent des antennes photoconductrices. Dans tous les cas, l'illumination ne s'effectue pas avec des sources laser courtes (ps, fs) mais plutôt avec des lasers nanoseconde (ns) ou continus (cw) ce qui limite leur emploi à la spectroscopie à l'équilibre ou à l'étude de phénomènes très lentement variables.
En ce qui concerne les sources non linéaires (ns), le principe de fonctionnement est analogue à celui d'un oscillateur paramétrique optique OPO (illustration 6). L'impulsion de pompe ns est injectée dans une cavité en anneau au sein de laquelle est disposé un cristal de niobate de lithium (LiNbO3). Comme pour tous les processus non linéaires (ici du deuxième ordre), il existe une orientation particulière des faisceaux (vecteurs d'onde de la pompe et du signal THz) par rapport aux axes cristallins – la direction d'accord de phase – qui conditionne l'émission du signal THz principalement à une fréquence donnée. Un design astucieux de la cavité en anneau permet de changer cet angle et donc d'accorder la fréquence THz du rayonnement émis ; un miroir monté sur un élément piézoélectrique permet de balayer rapidement (ª 1 s) la longueur d'onde THz sans modifier les conditions de pompage ni la direction d'émission du faisceau THz. Ce module d'émission THz fonctionne avec un laser nanoseconde intense (30 mJ) et permet d'obtenir un rayonnement THz tout aussi intense (ª 10 mW)...
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Spectroscopie à l'équilibre
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - AUSTON (DH) - * - Appl. Phys. Lett, 713, 1983
-
(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).
-
(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).
-
(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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