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1 - DÉTECTEURS THZ AU COURS DU TEMPS : DEPUIS LES THERMOPILES JUSQU’AUX COMPOSANTS DU XXIE SIÈCLE

2 - MESURER L’AMPLITUDE ET LA PHASE, OU LA PUISSANCE DU CHAMP ÉLECTROMAGNÉTIQUE THZ ?

3 - DÉFINITION DE LA SENSIBILITÉ, DU BRUIT DE DÉTECTION ET DE LA DYNAMIQUE

4 - DÉTECTEURS DE PUISSANCE (OU D’ÉNERGIE)

5 - DÉTECTEURS SENSIBLES À L’AMPLITUDE DE L’ONDE THZ

6 - SYNTHÈSE SUR LES DÉTECTEURS DE RAYONNEMENT THZ

7 - GLOSSAIRE

Article de référence | Réf : E4063 v1

Synthèse sur les détecteurs de rayonnement THz
Détecteurs d’ondes électromagnétiques térahertz

Auteur(s) : Jean-Louis COUTAZ

Date de publication : 10 août 2022

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RÉSUMÉ

Cet article donne une revue des détecteurs de rayonnements électromagnétiques aux fréquences térahertz. Il faut suite et complète un article dédié aux sources de rayonnement THz, article dans lequel sont introduites la science et la technologie du domaine térahertz, ainsi que leurs principales applications, utiles pour la compréhension du présent article. Celui-ci commence par une brève description historique de l'apparition des principaux détecteurs térahertz depuis la fin du XIXe siècle. Les familles des détecteurs les plus couramment employés (bolomètres, optoélectroniques...) sont ensuite présentées, avec le principe de fonctionnement et les caractéristiques de chacun de ces détecteurs. L'article se termine par une synthèse sur les détecteurs, une comparaison de leurs performances et de leurs domaines d'applications.

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Auteur(s)

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

INTRODUCTION

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.

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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-e4063


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6. Synthèse sur les détecteurs de rayonnement THz

Les détecteurs de rayonnement THz sont donc répartis en deux familles, suivant qu’ils sont sensibles à la puissance ou au champ électrique du faisceau THz les éclairant. Mesurer la puissance (ou l’énergie) du faisceau implique que l’information sur la phase du faisceau est perdue (sauf à employer des techniques interférométriques peu répandues dans le domaine THz). Dans le cas de capteurs sensibles au champ, cette phase est préservée, mais la rapidité des oscillations THz oblige à employer des techniques en temps équivalent, donc nécessite des signaux répétitifs (sauf à mettre en œuvre des techniques « monocoup », moins sensibles et donc rarement employées).

Les détecteurs de puissance THz fonctionnent soit à température cryogénique, montrant alors des performances extraordinaires, à la limite du bruit quantique, soit à température ambiante, avec une sensibilité bien moindre compensée par une utilisation plus simple recherchée pour la plupart des applications industrielles ou grand public. Jusqu’à présent, les détecteurs cryogéniques sont principalement réservés à des mesures demandant une très haute sensibilité, et pour lesquelles la performance est plus importante que la complexité ou le coût, comme par exemple en astrophysique. Comme décrit précédemment, les détecteurs sensibles au champ mettent surtout en jeu des méthodes opto-électroniques, au moyen de lasers impulsionnels femtosecondes. Ces bancs de mesure sont très répandus dans les laboratoires de recherche, mais de plus en plus de travaux applicatifs tendent à transférer ces technologies vers le monde industriel. Les détecteurs de champ THz sont beaucoup moins sensibles que les détecteurs de puissance. Par contre, ils permettent de réaliser facilement des mesures de spectroscopie large bande (spectroscopie temporelle dans le domaine THz, par transformée de Fourier des traces temporelles enregistrées) ou bien d’effectuer des mesures de temps vol (tomographie THz).

Les principaux types de détecteurs ont été présentés dans ce chapitre, leurs caractéristiques et leurs performances typiques sont brièvement résumées dans les tableaux 3 et 4. Néanmoins, tous les détecteurs n’ont pas été abordés, notamment les thermocouples, les hétérostructures, les puits et les boîtes quantiques, les BIB....

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - SIMOENS (F.) -   THz bolometer detectors.  -  In : Physics and Applications of Terahertz Radiation, Springer, p. 35-75 (2014).

  • (2) - ROGALSKI (A.) -   Infrared detectors.  -  CRC Press (2011).

  • (3) - SIZOV (F.), ROGALSKI (A.) -   THz detectors.  -  In : Progress in Quantum Electronics, 34, p. 278-347 (2010).

  • (4) - SIZOV (F.) -   Terahertz radiation detectors : the state-of-the-art.  -  In : Semicond. Sci. Technol., 33, p. 123001 (2018).

1 Annuaire

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1.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Alpes Lasers SA, Avenue des Pâquiers 1, 2072 St-Blaise, Suisse : lasers QCL http://www.alpeslasers.ch

ACST GmbH, Josef-Bautz-Strasse 15, DE-63457 Hanau, Allemagne : diodes, multiplicateurs, antennes, guides d’ondes, etc. https://acst.de/products/sbd/

Batop GmbH, Stockholmer Str. 14, 07747 Jena, Allemagne : semi-conducteurs, antennes photocommutatrices, spectromètres https://www.batop.de/

EKSMA, Dvarcioniu st. 2B, LT-10233 Vilnius, Lituanie : cristaux non linéaires, composants https://eksmaoptics.com/

Gentec Electro-Optics Inc., 445, St-Jean-Baptiste, Ste. 160, Quebec, QC G2E 5N7, Canada : détecteurs THz https://www.gentec-eo.com/

Hübner GmbH and Co KG, Wilhelmine-Reichard Strasse 6, 34123 Kassel, Allemagne : imageurs https://hubner-photonics.com/products/terahertz/terahertz-imagers/

Infrared Labs, 1808 East 17th Street, Tucson, AZ 85719, États-Unis : bolomètres https://www.irlabs.com/

Laser Quantum UK, Emery Court, Stockport, Cheshire SK4 3GL, Grande-Bretagne : systèmes TDS, émetteurs THz https://novantaphotonics.com/application/detail/laser-scientific-terahertz-spectroscopy/

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