Optoélectronique térahertz

Jean-Louis Coutaz

Informations

• Publié par: ActuaLitteChapitre
• Nombre de lectures: 235
• Langue: Français

Extrait

Extrait de la publication

Optoélectronique térahertz

Sous la direction de Jean-Louis COUTAZ

Avec la collaboration de Robin BOQUET, Nicolas BREUIL, Laurent CHUSSEAU, Paul CROZAT, Jean DEMAISON, Lionel DUVILLARET, Guilhem GALLOT, Frédéric GARET, Jean-François LAMPIN, Didier LIPPENS, Juliette MANGENEY, Patrick MOUNAIX, Gaël MOURET, Jean-François ROUX

17, avenue du Hoggar Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112 91944 Les Ulis Cedex A, France

Imprimé en France.

©2008, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf, 91944 Les Ulis Cedex A

Tous droits de traduction, d’adaptation et de reproduction par tous procédés réservés pour tous pays. Toute reproduction ou représentation intégrale ou partielle, par quelque procédé que ce soit, des pages publiées dans le présent ouvrage, faite sans l’autorisation de l’éditeur est illicite et constitue une contrefaçon. Seules sont autorisées, d’une part, les reproductions strictement réservées à l’usage privé du copiste et non destinées à une utilisation collective, et d’autre part, les courtes citations justifiées par le caractère scientifique ou d’information de l’œuvre dans laquelle elles sont incorporées (art. L. 122-4, L. 122-5 et L. 335-2 du Code de la propriété intellectuelle). Des photocopies payantes peuvent être réalisées avec l’accord de l’éditeur. S’adresser au : Centre français d’exploitation du droit de copie, 3, rue Hautefeuille, 75006 Paris. Tél. : [phone].

ISBNEDP Sciences 978-2-86883-975-6

Extrait de la publication

Liste des auteurs

Sous la direction de : – Jean-Louis COUTAZ, professeur, Laboratoire IMEP-LAHC, université de Savoie, Le Bourget du Lac

–

– –

– –

–

–

–

–

–

–

–

–

–

Robin BOQUET, professeur, Laboratoire de physico-chimie de l’atmo- sphère, université du Littoral, Dunkerque Nicolas BREUIL, ingénieur, Thalès Airborne Systems, Élancourt Laurent CHUSSEAU, directeur de recherche au CNRS, Institut d’élec- tronique du Sud, Montpellier Paul CROZAT, professeur, Institut d’électronique fondamentale, Orsay Jean DEMAISON, directeur de recherche au CNRS, Laboratoire PHLAM, université de Lille I Lionel DUVILLARET, professeur, Laboratoire IMEP-LAHC, Institut national polytechnique de Grenoble Guilhem GALLOT, chargé de recherche au CNRS, Laboratoire d’op- tique et biologie, École polytechnique, Palaiseau Frédéric GARET, maître de conférences, Laboratoire IMEP-LAHC, université de Savoie, Le Bourget du Lac Jean-François LAMPIN, chargé de recherche au CNRS, Institut de mi- croélectronique et nanotechnologie du Nord, Villeneuve d’Ascq Didier LIPPENS, professeur, Institut de microélectronique et nano- technologie du Nord, Villeneuve d’Ascq Juliette MANGENEY, maître de conférences, Institut d’électronique fondamentale, Orsay Patrick MOUNAIX, chargé de recherche au CNRS, Laboratoire CP- MOH, université de Bordeaux Gaël MOURET, maître de conférences, Laboratoire de physico-chimie de l’atmosphère, université du Littoral, Dunkerque Jean-François ROUX, maître de conférences, Laboratoire IMEP-LAHC, université de Savoie, Le Bourget du Lac.

Extrait de la publication

Avant-propos

Les ondes électromagnétiques térahertz suscitent aujourd’hui un engoue- ment sans précédent dû aux applications entrevues, dans des domaines aussi variés que l’environnement, la sécurité, l’imagerie, les télécommunications... Jusqu’aux années 1990, les études dans le domaine térahertz sont restées confinées dans des laboratoires spécialistes de l’infrarouge très lointain, à cause de l’absence de sources et de détecteurs faciles à utiliser. Une révolu- tion technologique a eu lieu à cette époque avec l’apparition de lasers com- merciaux délivrant des impulsions optiques de durée femtoseconde, qui ont facilité la génération et la détection des signaux térahertz. Depuis, des tech- niques complémentaires ont fait progresser les performances des systèmes térahertz, si bien que nous sommes actuellement à une époque charnière où la sciencetérahertztrain de migrer des laboratoires vers les entreprisesest en et vers les applications grand public. Ce livre, destiné à un public de scientifiques (chercheurs ou étudiants de e 3 cycle) et d’ingénieurs non spécialistes du domaine, a pour but de présenter l’ensemble des principes, des techniques et des applications des ondes téra- hertz. Devant l’ampleur des concepts mis en jeu, nous nous sommes limités à la description des technologies optoélectroniques qui sont aujourd’hui les plus abouties pour un transfert industriel. Le livre s’articule autour de cinq parties. La première donne une description globale du domaine. La seconde décrit les principes physiques de base rencontrés dans le domaine térahertz. La troisième partie s’intéresse aux composants, et la quatrième partie aux systèmes et techniques de mesure. Enfin, la dernière partie présente les ap- plications des ondes térahertz dans le domaine de la sécurité, des communi- cations, de la santé, de la défense... Ce livre a été rédigé par un ensemble de spécialistes français. Toutes les différentes contributions ont été harmonisées pour que le livre soit homogène et ainsi de lecture plus aisée. Cet ouvrage est le fruit d’une coopération enthousiaste depuis 1 l’année 2000 entre ces spécialistes sous l’égide du Club Ecrin qui fédère les équipes de recherches universitaires et les industriels EADS et THALES afin de promouvoir les nouvelles technologies dans le domaine térahertz. 1 Fondée par le CNRS et le CEA, l’association Ecrin (Échange et coordination recherche- industrie) a pour but de rapprocher les laboratoires de recherche et les entreprises pour accélérer les transferts de technologies et créer de l’innovation (www.ecrin.asso.fr).

6

Optoélectronique térahertz

En réalité, cette aventure a commencé en 1988 et elle illustre la puissance et l’efficacité que peuvent engendrer des relations informelles. En effet, il fal- lait alors pallier au manque de sources térahertz au sein des laboratoires. Daniel Boucher, à l’époque enseignant-chercheur à l’université de Lille, et Jean-Pierre Gex, directeur commercial d’un GIE CEA-Aérospatiale, se ren- contrèrent autour d’un café et, pour des intérêts évidents, décidèrent très vite de monter un projet d’une source à électrons libres qui aurait été implantée à Lille. Ils étaient alors encouragés par Pierre Glorieux, Jean Demaison, Didier Dangoisse, Robin Bocquet de l’université de Lille. Mais à cette époque, les la- sers femtoseconde firent leur première apparition. Daniel Boucher se dépêcha d’en acheter un et de monter une expérience de spectroscopie térahertz dans le laboratoire qu’il venait de créer à l’université du Littoral à Dunkerque, abandonnant ainsi l’idée du laser à électrons libres. Déjà, suite aux travaux précurseurs du Laboratoire d’optique appliquée de l’ENSTA à Palaiseau, quelques laboratoires français (LAHC-Chambéry, IRCOM-Limoges, CESTA- CEA) s’étaient lancés dans l’aventure de l’optoélectronique térahertz. Aussi, Jean-Pierre Gex et Daniel Boucher sentirent la nécessité d’une première conférence térahertz qu’ils organisèrent à l’Observatoire de Paris en 1999. Une trentaine de personnes y participèrent dont des représentants de Thom- son (Thalès) et Aérospatiale (EADS). Une grande partie de ces participants décidèrent de maintenir entre eux des contacts de travail, donnant ainsi nais- sance au groupe de travail térahertz dans le cadre du club Ecrin. Aujour- d’hui, ce groupe de travail rassemble une grande partie des acteurs français de l’optoélectronique térahertz, il se réunit plusieurs fois par an et, dans une ambiance chaleureuse, monte des projets, recherche le financement de thèses, organise tous les deux ans les Journées Térahertz et, letérahertzdevenant une technologie à haut potentiel, publie ce livre. L’ensemble du groupe térahertz dédie ce livre à la mémoire de Daniel Boucher, récemment disparu, qui a effectué durant plus de trente ans des travaux de recherche dans le domaine térahertz, motivant jeunes chercheurs et ingénieurs à s’intéresser à ce domaine spectral, dont il était convaincu du grand intérêt pour la recherche académique et du haut potentiel de dévelop- pement et d’applications.

Jean-PierreGex, Ecrin Gérard-PascalPiau, EADS Jean-LouisCoutaz, université de Savoie

Extrait de la publication

2.1.4 Photon

48 54

. . . . . . . . . .

Électromagnétisme non linéaire . . . . . . . . ique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Extrait de la publication

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

2.2

5

7

13

15 15

20 21 21 22 25 26 28 30 30 30 34

. . . . . . . .

1.1 1.2 1.3

. . . . . . . .

. . . . . . . .

. . . . . . . .

41 43

45

2

41 41

. . . . . . . .

des

matières

Avant-propos

Table

39

Table des matières

1.5

Introduction

1

1.6

.

II

Principes physiques de base

Notions physiques de base 2.1 Électromagnétisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.1 Équations de Maxwell . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1.2 Équations de propagation du champ électromagnétique 2.1.3 Énergie électromagnétique . . . . . . . . . . . . . . . .

34 36

1.4

I

Description générale

. . . . . . . .

Remarques préliminaires . . . . . . . . . Infrarouge lointain ou domaine térahertz Sources de rayonnement térahertz . . . . 1.3.1 « Fossé » du térahertz . . . . . . 1.3.2 Sources « classiques » . . . . . . 1.3.3 Lasers moléculaires . . . . . . . . 1.3.4 Sources optoélectroniques . . . . 1.3.5 Lasers à cascade quantique . . .

1.3.6 Bilan comparatif et perspectives . . . . . . . . . . . Détecteurs de rayonnement térahertz . . . . . . . . . . . . . 1.4.1 Détecteurs « incohérents » : bolomètres... . . . . . . 1.4.2 Détecteurs optoélectroniques . . . . . . . . . . . . . Interaction entre les ondes térahertz et la matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Applications entrevues et état actuel de leur développement

. . . .

8

III

3

4

2.3

2.4

Optoélectronique térahertz

2.2.1 Énergie du photon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Puissance lumineuse et statistique du flux de photons Interaction lumière-matière . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.1 Généralités . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Modèle classique de l’interaction dipolaire . . . . . . . 2.3.3 Traitement quantique de l’interaction lumière-atome 2.3.4 Le corps noir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.5 Interaction lumière-molécule . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.6 Interaction lumière-gaz . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.7 Interaction lumière-liquide . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.8 Interaction lumière-solide . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.9 Photogénération dans les semi-conducteurs . . . . . . Lasers femtosecondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.1 Lasers à modes bloqués . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Mise en phase des modes . . . . . . . . . . . . . . . .

Composants

Composants pour le régime impulsionnel 3.1 Lasers femtosecondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.2 Génération d’impulsions laser femtosecondes . . . 3.1.3 Blocage de modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.1.4 Principaux lasers femtosecondes . . . . . . . . . . 3.2 Matériaux semi-conducteurs pour l’impulsionnel . . . . . 3.2.1 Recombinaison des paires électrons-trous . . . . . 3.2.2 L’épitaxie à basse température des semi-conducteurs III-V . . . . . . . . . . . . 3.2.3 Implantation et irradiation ionique . . . . . . . . 3.3 Génération . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3.1 Génération à base de semi-conducteurs . . . . . . 3.3.2 Génération par redressement optique . . . . . . . 3.3.3 Comparatif des sources . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Détection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.1 Détection photoconductrice . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Détection par effet électro-optique . . . . . . . .

Composants pour le régime continu 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1.1 Photomélange par battement de deux lasers . . 4.1.2 Composants de transposition de fréquence par battement de lasers : photodétecteurs . . . 4.1.3 Laser à cascade quantique (QCL) . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .

. . . .

. .

. .

. .

. .

54 55 56 56 57 59 62 64

67 73

73 84

88 88 89

91

93 93 93 94 95 99 100 100

102 107 110 110

125 132 134 134 138

155 155 156

162 167

Table des matières

5

IV

6

4.2 4.3 4.4

Conclusion partielle . . . . . . . . . . . . . . . . . . Technique de photomélange : principe et limitations Vers les grandes longueurs d’onde . . . . . . . . . . 4.4.1 Banc expérimental . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Résultats expérimentaux . . . . . . . . . . . 4.4.3 Perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

. . . . . .

Composants passifs 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Éléments optiques pour la propagation en espace libre . . . . 5.2.1 Rôle crucial de la dispersion chromatique . . . . . . . 5.2.2 Miroirs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Lentilles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4 Séparatrices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.5 Prismes et réseaux de diffraction . . . . . . . . . . . . 5.2.6 Traitements antireflets . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 Traitement de la polarisation en espace libre . . . . . . . . . . 5.3.1 Degré de polarisation des émetteurs et détecteurs THz 5.3.2 Polariseurs à grille . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.3 Polarisation par séparation temporelle . . . . . . . . . 5.3.4 Lames biréfringentes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Guides d’ondes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.1 Quelques rappels sur le guidage des ondes électromagnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2 Guides d’ondes diélectriques . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.3 Guides d’ondes métalliques . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.4 Dispersion et pertes des guides d’ondes . . . . . . . . . 5.4.5 Comparatif des différents guides d’onde THz . . . . . 5.4.6 Couplage dans les guides d’ondes . . . . . . . . . . . . 5.5 Cristaux photoniques et métamatériaux . . . . . . . . . . . . 5.5.1 Définition et caractéristiques . . . . . . . . . . . . . . 5.5.2 Dispositifs et filtres THz basés sur des cristaux photoniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.3 Ingénierie de la dispersion : cristaux photoniques et métamatériaux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Techniques

et systèmes

Techniques de mesure 6.1 Domaine temporel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.1 Échantillonnage en temps équivalent d’impulsions THz ultrabrèves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6.1.2 Échantillonnage d’un signal continu . . . . . . . . . . . Extrait de la publication

9

172 173 174 175 176 178

179 179 180 180 182 184 186 187 188 189 189 190 191 191 193

193

195 197 200 201 202 202 202

203

207

215

219 220

220 224

241 245 246 250 252 253 253 254 255

262 265

7

241 241

8

Spectroscopie 7.1 Spectroscopie THz dans le domaine temporel (THz-TDS) . . 7.1.1 Principe de la spectroscopie THz dans le domaine temporel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.2 Cas particuliers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.3 Matériaux magnétiques . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1.4 Performances de la THz TDS . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Sources optoélectroniques utilisées en spectroscopie THz . . . 7.3 Spectroscopie dans le domaine fréquentiel . . . . . . . . . . . 7.3.1 Quelques principes de base sur l’instrumentation . . . 7.3.2 Spectromètres à réseau ou à étalon . . . . . . . . . . . 7.3.3 Spectromètre infrarouge à transformée de Fourier . . . 7.3.4 Spectroscopie avec une source THz monochromatique de longueur d’onde ajustable . . . . . . . . . . . . . . Comparaison des techniques . . . . . . . . . . . . . . .

7.3.5

Imagerie 8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Principes de l’imagerie THz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2.1 Extension des propriétés spectroscopiques . . . . . . . 8.3 Résolution spatiale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.1 Limite de la diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2 Imagerie en champ proche . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4 Principes d’un microscope THz . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.1 Différentes techniques en champ proche . . . . . . . . 8.4.2 Champ proche et contraste de champ proche . . . . . 8.4.3 Imagerie par balayage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.4 Imagerie par détecteurs bidimensionnels . . . . . . . . 8.4.5 Tomographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Optoélectronique térahertz

10

. . .

6.1.3 Passage temps–fréquence : la transformée de Fourier 6.1.4 Mesures pompe optique – sonde THz . . . . . . . . . . 6.1.5 Extraction du signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Domaine fréquentiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

225 228 233 238

6.2

. . .

. . .

Applications des ondes THz 9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Pourquoi choisir le THz ? . . . . . . . 9.3 Choix d’un système THz . . . . . . . . Extrait de la publication

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

. . .

. . . . . .

. . .

Applications et perspectives

9

277 277 277 278

8.4.6 Imageriein situ Conclusion . . . . . . .

275

V

267 267 268 268 268 269 269 269 270 271 271 273 273 273 273