Térahertz

La bande de fréquence des térahertz désigne les ondes électromagnétiques s'étendant environ entre 100 GHz et 30 THz^[1],[2]. Elle est intermédiaire entre les fréquences radioélectriques des micro-ondes et les fréquences optiques de l'infrarouge. Jusqu'ici peu exploré en raison de l'absence de sources et de détecteurs, ce domaine est aujourd'hui en plein essor.

Définition

Le domaine des fréquences "térahertz" (THz, 1 THz = 10¹² Hz) s'étend de 100 GHz à 30 THz environ, soit environ aux longueurs d'ondes entre 0,01 mm et 3 mm. Il est historiquement connu sous la terminologie d'infrarouge lointain mais on le retrouve également aujourd'hui sous l'appellation de rayon T. Il se situe dans le spectre électromagnétique entre l'infrarouge (domaine de l'optique) et les micro-ondes (domaine de la radioélectricité).

La bande inférieure à 100 GHz est en général définie comme radioélectrique, alors que les fréquences supérieures à 30 THz sont en général définies comme infrarouge mais ces frontières ne sont pas normalisées, car ce n'est qu'un changement de langage ou de technologie, et non de nature.

Propriétés

Les rayonnements térahertz ont un fort pouvoir pénétrant. Ils permettent potentiellement de voir à travers de nombreux matériaux non conducteurs (tels que la peau, les vêtements, le papier, le bois, le carton, les plastiques…). Ils sont peu énergétiques et non-ionisants (1 THz correspond à une énergie de photon de 4,1 meV, soit sensiblement moins que l'énergie d'activation thermique à température ambiante) ce qui les rend a priori peu nocifs^[3].

La forte absorption de l'eau aux fréquences THz témoigne d'une forte interaction entre les échantillons biologiques et les ondes THz. En effet, ces ondes mettent en vibration/rotation les molécules d'eau polaire et excitent les liaisons de faible énergie intermoléculaires (liaison hydrogène...) au sein de l'eau, des protéines... Se profilent ainsi de nombreuses applications de la spectroscopie THz au domaine biologique^[4] avec par exemple l'étude d'hydratation et de conformation de protéines, d'hybridation de l'ADN, la détection de certaines cellules cancéreuses (anormalement riches en eau)...

Applications

Transmission atmosphérique en térahertz

Les térahertz sont utilisées de la même façon que les infra-rouges, en radioastronomie, en radiométrie planétaire et en sondage météo.

Les applications potentielles de ce domaine sont nombreuses et de premiers essais ont été réalisés avec succès.

En effet, l'aspect peu énergétique et non-ionisant ouvre de nombreuses possibilités basées sur les propriétés spectroscopiques particulières de ce rayonnement, utilisables en particulier dans les domaines de la médecine et de la sécurité.

Le domaine térahertz trouve d'autres applications potentielles dans le domaine des télécommunications à hauts-débits, des réseaux sans fils, des radars, de la surveillance de l'environnement, des tests biomédicaux, de la caractérisation des matériaux et des dispositifs, de la détection de gaz ou de polluants, de la lutte contre le terrorisme, de l'observation astronomique, etc.

Récemment, les ondes térahertz ont été utilisées pour la sécurité dans les aéroports (par exemple à l'aéroport international Domodedovo, à Moscou, ou dans de nombreux aéroports américains). Le passager entre dans un cylindre et une partie mobile le "scanne" avec de telles ondes. Ces ondes n'étant pas bloquées par les vêtements (qui ne contiennent ni eau ni métaux donc sont transparentes à ce rayonnement), cela permet de voir le passager véritablement comme déshabillé. L'avantage par rapport au classique portique est de rendre beaucoup plus rapide les controles (plus besoin d'enlever ses chaussures ou d'effectuer une palpation). Le défaut potentiel, qui n'est pas sans entraîner une certaine polémique aujourd'hui, est que l'intimité des passagers est mise à mal^[5].

Technologie

Un effort de recherche important est actuellement mené pour développer des sources et des détecteurs adaptés, répondant à la fois aux critères d'intégrabilité, d'accordabilité et de faible coût. Le domaine des térahertz est caractérisé par des longueurs d'ondes submillimétriques. Les techniques utilisées en microélectronique dans les longueurs d'ondes millimétriques sont étendues afin de réaliser des systèmes d'imagerie intégrés à faible coût.

Sources

• Lasers à cascade quantique
• Carcinotrons
• Photomélange
• Electronique (nano-transistors ou diodes)
• Microélectronique: Synthèse de fréquence millimétrique et application de techniques de multiplication de fréquence.

Détecteurs

• En fréquences basses (500 GHz), les techniques classiques de réception à changement de fréquence sont utilisées, utilisant une diode mélangeuse ultraminiature comme unique élément à cette fréquence.
• Aux fréquences supérieures à 1 000 GHz, les masers sont utilisés.
• Bolomètre

antennes

• antennes patch subminiatures
• antennes fractales
• miroirs paraboliques

Notes et références

• (en) Article de la revue Nature 14 novembre 2002
• (en) Brèves de Nature 14 novembre 2002
• (en) Instrumentation for millimeter-wave magnetoelectrodynamic investigations... Review of Scientific Instruments 2000

Voir aussi

Bibliographie

• (en) « Revealing the Invisible ». Ian S. Osborne, Science 16 aout 2002; 297: 1097.
• Quasioptical systems: Gaussian beam quasioptical propagation and applications, Paul F. Goldsmith, IEEE Press
• (en) Millimeter wave spectroscopy of solids, Ed: G. Grüner, Springer
• (en) Detection of light: from the ultraviolet to the submillimeter, George Rieke, Cambridge
• (en) Modern millimeter-wave technologies, Tasuku Teshirogi and Tsukasa Yoneyama, Ed: IOS press
• (en) Optoelectronic techniques for microwave and millimeter-wave engineering William Robertson, Artech

Articles connexes

• Infrarouge
• Scanner corporel

Liens externes

• Article du Figaro du 29 mars 2006
• Kwele : Entreprise développant des instruments TeraHertz
• Teraview : Société travaillant dans le domaine THz
• Institut d'Electronique du Sud : laboratoire de recherche français.
• Institut d'Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie : laboratoire de recherche français
• TERA-SLAM : Equipe de recherche en spectro imagerie THz

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