Détecteurs d’ondes électromagnétiques térahertz

Dans le spectre électromagnétique, le domaine térahertz (THz), encore appelé infrarouge très lointain (FIR, far infrared en anglais), se situe entre l’infrarouge et les micro-ondes. Typiquement, il s’étend depuis des longueurs d’onde d’environ 30 μm jusqu’à 3 mm, c’est-à-dire depuis environ 100 GHz jusqu’à 10 THz en termes de fréquence, soit encore des photons dont l’énergie est comprise entre 0,4 et 40 meV. Cette position spectrale est à l’origine des nombreuses difficultés pour mettre au point des sources et des détecteurs performants, et donc pour réaliser des études aux fréquences THz et pour développer des applications pourtant prometteuses. Dans le cas des détecteurs, on recherche des dispositifs compacts, faciles d’utilisation et de coût modéré, de grandes sensibilité et dynamique, ainsi que la possibilité de fabriquer des matrices de détecteurs pour l’imagerie.

Pour comprendre les difficultés à concevoir et à produire de tels détecteurs performants, il faut revenir aux bases physiques de la détection de rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement absorbé par le matériau éclairé au sein du détecteur engendre soit une élévation de température de ce matériau, soit des transitions entre niveaux énergétiques des atomes/molécules du matériau, ou encore le transfert pour chaque photon de son énergie aux charges libres de ce matériau. Dans le cas de l’échauffement du détecteur, les faisceaux THz, dans la plupart des études applicatives, sont très peu puissants et l’élévation de température reste minime. Dans le cas du transfert de l’énergie des photons THz aux charges libres ou liées du matériau éclairé, cette énergie est inférieure ou de l’ordre de l’énergie du quantum thermique (24 meV) à température ambiante. Cela empêche les détecteurs de type « optique », généralement à semi-conducteurs, de fonctionner efficacement dans le domaine THz, puisqu’ils requièrent une bande de conduction (ou niveau excité) vide et une bande de valence (ou niveau fondamental) peuplée. Pour cette raison, les détecteurs employés dans le visible et l’infrarouge perdent leur efficacité lorsqu’on atteint les fréquences THz. Du coté micro-ondes, les récepteurs sont basés sur le principe de l’accélération des électrons libres du métal, qui constitue l’antenne de réception, sous l’effet de la force de Coulomb induite par le champ électromagnétique couplé à l’antenne. Le courant électrique résultant sera lu par une électronique. Ces systèmes de réception perdent leur efficacité aux fréquences THz à cause du rendement plus faible des composants électroniques et des résistances, ainsi que des capacités parasites qui limitent leur bande passante.

Cet article présente tout d’abord un panorama historique de l’invention et du développement des détecteurs THz, qui petit à petit ont progressé pour tenter d’échapper aux contraintes que nous venons d’énumérer. Les bolomètres ont fait des progrès spectaculaires, grâce par exemple à l’introduction des supra-conducteurs, atteignant pratiquement, depuis les années 2000, les limites quantiques de détection. Un autre progrès majeur a été apporté, à la fin des années 1980, par la mise au point de techniques optoélectroniques basées sur l’emploi de lasers impulsionnels femtosecondes. Enfin, les composants électroniques sont de plus en plus développés et leur fréquence de coupure atteint presque le THz.

Cet article donne ensuite une revue, établie en 2021, des principaux détecteurs de rayonnement THz. Leur principe de fonctionnement et leurs performances seront décrits et listés. L’article se termine par une synthèse des détecteurs et de leurs domaines d’application.

Le lecteur trouvera en fin d’article un glossaire des termes utilisés.