Introduction à la bande térahertz

En savoir plus sur la bande térahertz, ses propriétés et les applications où elle trouve de l'utilité.

Si vous avez déjà entendu le terme « écart THz » mais que vous ne saviez pas ce que cela signifiait, cet article est pour vous.

Le spectre térahertz

Le rayonnement térahertz (THz) est généralement défini comme la région du spectre électromagnétique dans la gamme de 100 GHz (3 mm) à 10 THz (30 m), qui se situe entre les fréquences millimétrique et infrarouge. La bande THz a été appelée par plusieurs noms, tels que les ondes submillimétriques, infrarouges lointaines et proches du millimètre.

A 1 THz, le signal rayonné a les caractéristiques suivantes :

• Longueur d'onde : 300 μm en espace libre
• Période : 1 ps,
• Énergie photonique : 4,14 meV

De plus, hf/k_B =température de 48 K où h est la constante de Planck (6.62607004 × 10 ^-34 J.s), f est la fréquence, et k_B est la constante de Boltzmann (1,380649×10 ⁻²³ J/K).

La bande THz dans le spectre électromagnétique est illustrée à la figure 1.

Figure 1. Diagramme schématique montrant l'emplacement de la bande THz dans le spectre électromagnétique

Cette partie du spectre électromagnétique est la zone la moins étudiée par rapport aux régions voisines, c'est-à-dire les bandes micro-ondes et optiques.

C'est pourquoi le terme « THz gap » est utilisé pour expliquer l'enfance de cette bande par rapport aux régions spectrales voisines bien développées. Cela a conduit des chercheurs de divers disciples (tels que la physique, la science des matériaux, l'électronique, l'optique et la chimie) à étudier divers aspects inexplorés ou moins explorés des ondes THz.

Propriétés des ondes térahertz

Bien que l'intérêt pour la région THz remonte aux années 1920, des études approfondies n'ont été consacrées à cette région qu'au cours des trois dernières décennies. Une motivation clé pour cela est les propriétés exceptionnelles des ondes et les vastes applications possibles dans la gamme de fréquences THz.

Les ondes THz ont des caractéristiques moyennes des deux bandes qu'elles ont prises en sandwich entre les deux.

Ces propriétés peuvent être résumées comme suit :

1. Pénétration : La longueur d'onde du rayonnement THz est plus longue que la longueur d'onde infrarouge; par conséquent, les ondes THz ont moins de diffusion et de meilleures profondeurs de pénétration (de l'ordre du cm) par rapport aux infrarouges (de l'ordre du m). Par conséquent, les matériaux secs et non métalliques sont transparents dans cette gamme mais sont opaques dans le spectre visible.
2. Résolution : Les ondes THz ont des longueurs d'onde plus courtes que celles des micro-ondes ; cela donne une meilleure résolution d'imagerie spatiale.
3. Sécurité : Les énergies des photons dans la bande THz sont bien inférieures à celles des rayons X. Par conséquent, le rayonnement THz est non ionisant.
4. Empreinte spectrale : Les modes inter- et intra-vibrationnels de nombreuses molécules se situent dans la gamme THz.

Défis du développement de la bande THz

Bien que la bande THz présente plusieurs caractéristiques fascinantes, il existe certains défis spécifiques aux technologies THz. La principale raison pour laquelle le champ THz a été sous-développé par rapport aux bandes voisines est le manque de sources et de détecteurs THz efficaces, cohérents et compacts.

Ces caractéristiques des sources se retrouvent dans les sources micro-ondes courantes telles que les transistors ou les antennes RF/MW, et dans les dispositifs fonctionnant dans le visible et l'infrarouge comme les diodes laser à semi-conducteur. Il n'est cependant pas possible d'adopter ces technologies pour un fonctionnement dans la région THz sans une réduction significative de la puissance et de l'efficacité.

À l'extrémité inférieure de la gamme de fréquences THz, des dispositifs électroniques à semi-conducteurs sont généralement utilisés ; cependant, ces appareils ont des roll-offs de 1/f ² en raison des effets réactifs-résistifs et des longs temps de transit. D'autre part, les dispositifs optiques tels que les lasers à diodes ne fonctionnent pas bien à la limite de la plage THz en raison du manque de matériaux avec des énergies de bande interdite suffisamment petites.

Un autre défi dans la bande THz est les pertes élevées. Les ondes THz ont une absorption élevée dans la situation atmosphérique et l'environnement humide. L'atténuation atmosphérique à travers le spectre électromagnétique est illustrée à la figure 2.

Figure 2. Atténuation au niveau de la mer pour différentes situations atmosphériques :Pluie =4 mm/h; Brouillard =100 m de visibilité ; STD =7,5 g/m ³ vapeur d'eau; 2×STD =15 g/m ³ vapeur d'eau. Image de M.C. Kemp via IEEE Xplore

Il est évident que la dégradation du signal dans la gamme THz est considérablement plus importante que dans les bandes micro-ondes et infrarouges. C'est en partie parce que les molécules d'eau résonnent dans cette plage.

Les caractéristiques atmosphériques défavorables des ondes THz en font une région de fréquence de travail appropriée pour les deux cas suivants :

• Aéronautique : Dans l'espace, l'ambiance est proche du vide, donc l'absorption et l'atténuation du signal dues aux gouttes d'eau ne posent pas de problèmes. De plus, la signature spectrale de la poussière interstellaire est située dans la région THz. Par conséquent, la technologie THz a été largement utilisée en radioastronomie, comme le lancement de l'observatoire spatial Herschel par l'Agence spatiale européenne.
• À courte portée : Pour les applications à courte portée, l'atténuation atmosphérique est négligeable, en particulier les fréquences à forte absorption. Cela facilite la suppression/la reconnaissance de l'effet de ces lignes étroites. Par conséquent, la technologie THz est un outil très ingénieux pour les recherches fondamentales dans diverses disciplines telles que la physique et la chimie. C'est également une option intéressante pour les communications sans fil à courte portée avec des débits de données élevés.

Applications du rayonnement térahertz

Le rayonnement THz peut être utilisé dans de nombreuses applications potentielles, notamment l'imagerie térahertz, la spectroscopie et la communication sans fil.

L'imagerie biomédicale est l'une des sous-catégories de l'imagerie THz. Les ondes THz peuvent pénétrer jusqu'à quelques centaines de micromètres dans les tissus humains; ainsi, l'imagerie médicale THz peut être appliquée pour les diagnostics de surface corporelle tels que la détection du cancer de la peau, de la bouche et du sein, et l'imagerie dentaire. De plus, les systèmes THz ont un marché potentiel pour les applications de sécurité, la détection de matières explosives solides et le filtrage du courrier. Enfin et surtout, l'imagerie THz est une méthode pratique pour les inspections d'emballage de semi-conducteurs.

La spectroscopie THz est une technique très puissante pour caractériser les propriétés des matériaux et comprendre leur signature dans cette bande. La spectroscopie THz a amélioré la compréhension des caractéristiques d'absorption dans de nombreux échantillons monocristallins, microcristallins et de poudre de molécules organiques.

La figure 3 indique un échantillon de résultat de mesure pour identifier les modes vibrationnels des molécules de maltose.

Figure 3. Le spectre vibratoire mesuré du maltose dans un système de spectroscopie dans le domaine temporel THz, le graphique supérieur montre le signal THz mesuré sans échantillon de maltose. Les flèches sur le graphique ci-dessous montrent les fréquences vibrationnelles des molécules de maltose. L'encart montre la structure moléculaire du maltose. Image de Y.C. Shen et al via Applied Physics Letters .

La spectroscopie THz a des applications en sciences biochimiques telles que l'analyse des signatures d'ADN et des structures protéiques. Le contrôle en ligne des processus de production est une autre application potentielle de la spectroscopie THz qui pourrait fournir des mesures sans contact et en temps réel. La spectroscopie THz peut être manipulée positivement pour distinguer les substances hydratées des substances séchées en raison de l'absorption d'eau élevée dans les fréquences THz. Par exemple, dans l'industrie du papier, la spectroscopie THz a été utilisée pour surveiller l'épaisseur et la teneur en humidité des papiers par les fabricants.

Dans certaines applications, telles que les tests non destructifs, l'imagerie THz et la spectroscopie sont utilisées. Par exemple, dans une enquête sur l'histoire de l'art, l'imagerie et la spectroscopie THz aident à imager les antiquités, à révéler l'épaisseur des différentes couches de l'œuvre d'art et à montrer les types de matériaux.

La figure 4 montre une photographie visible de la Vierge à Preghiera (à gauche) et une image THz de la peinture basée sur le spectre intégré entre 0,5 et 1 THz (à droite).

Figure 4. (a) photographie visible de la Vierge à Preghiera (b) Image THz de la Vierge à Preghiera sur le spectre intégré entre 0,5 et 1 THz. Image de J. Dong et al via Rapports scientifiques

L'imagerie THz fournit des informations sur les sous-couches de la peinture avec un degré de détails révolutionnaire de l'ordre de quelques dizaines de microns.

De plus, l'imagerie THz et la spectroscopie sont deux méthodes non invasives quantitatives et qualitatives solides pour l'examen des formes pharmaceutiques solides, des revêtements de comprimés et des ingrédients pharmaceutiques actifs. Par exemple, la figure 5 montre la variation entre les comprimés de l'épaisseur de la couche d'enrobage de huit comprimés avec le même temps d'enrobage dans le processus d'enrobage dans la région THz.

Figure 5. L'épaisseur moyenne d'enrobage de chaque comprimé individuel par rapport au temps d'enrobage. L'encart montre la carte d'épaisseur d'enrobage (μm) de huit comprimés avec le même temps d'enrobage de 120 minutes. Une grande variation d'épaisseur de revêtement d'un comprimé à l'autre est évidente. Image de Y.C. Shen via le International Journal of Pharmaceutics

Le potentiel de la bande térahertz

À la fin du 20e siècle et dans la première décennie du 21e siècle, lorsque l'énorme quantité d'expériences en laboratoire THz avait lieu, les chercheurs se sont principalement concentrés sur diverses applications THz potentielles et des résultats très prometteurs ont été obtenus. En fait, ces résultats expérimentaux fascinants ont été une grande motivation et une force motrice pour de nombreux chercheurs pour creuser dans le domaine THz et l'explorer sous différents aspects.

En raison des progrès continus dans le domaine de la recherche THz ces dernières années, les systèmes et applications THz trouvent leur place dans certaines applications commerciales. Cependant, pour que les ondes THz puissent rivaliser et surmonter d'autres technologies dans des scénarios du monde réel, divers problèmes doivent être résolus et/ou améliorés. Par exemple, des sources THz compactes et haute puissance sont nécessaires, les systèmes de mesure THz doivent être miniaturisés, des méthodes pour un balayage de faisceau THz plus rapide sont nécessaires et les systèmes THz doivent avoir un coût inférieur.

Un autre domaine de recherche en plein essor est la communication sans fil THz. Ceci est particulièrement demandé car il permet des communications sans fil à haut débit au-delà de la 5G. Par conséquent, diverses études sont nécessaires pour mûrir et atteindre le plein potentiel de la bande THz.

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