Les chercheurs du RIKEN ont mis au point un appareil portatif qui utilise efficacement la bande térahertz du spectre électromagnétique pour « radiographier » des objets sans rayonnement nocif. En optimisant certaines techniques et en utilisant des matériaux spécifiques, ils ont considérablement amélioré la puissance de sortie des ondes térahertz et miniaturisé l’appareil. La technologie promet diverses applications, notamment l’imagerie non destructive et la recherche quantique, et des collaborations industrielles sont en cours.
En utilisant de nouveaux dispositifs de la taille d’une paume de main, les chercheurs du RIKEN pourraient avoir enfin exploité la bande térahertz du spectre électromagnétique pour « radiographier » efficacement des objets sans utiliser de rayonnements ionisants nocifs.
D’innombrables technologies – des smartphones aux téléviseurs en passant par les instruments infrarouges du télescope spatial James Webb et les appareils de télécommunication sans fil à haut débit utilisant les micro-ondes – exploitent des parties du spectre électromagnétique.
Mais quelque part entre les micro-ondes couramment utilisées et la lumière infrarouge, se trouve une région négligée appelée la bande térahertz. Les ondes térahertz ont de nombreuses utilisations potentielles passionnantes, notamment parce qu’elles peuvent être utilisées pour voir à travers ou à l’intérieur des matériaux, de la même manière que les rayons X. Toutefois, contrairement aux rayons X, les ondes térahertz n’émettent pas de rayonnements ionisants nocifs.
Mais les technologies térahertz ont jusqu’à présent stagné parce qu’il a été difficile d’adapter les technologies des micro-ondes ou de la lumière visible à la gamme térahertz dans des tailles et des puissances utiles.
Un dispositif créé par Hiroaki Minamide et son équipe, qui convertit efficacement le rayonnement infrarouge en ondes térahertz. Il peut générer des rayonnements térahertz sur l’ensemble de la bande térahertz. Crédit : © 2023 RIKEN
Par exemple, une approche pour générer des ondes térahertz a consisté à mettre au point des dispositifs électriques produisant des micro-ondes à haute fréquence et à longueur d’onde ultra-courte. Mais cela s’est avéré difficile en partie parce que ces dispositifs nécessitent des paramètres hautement optimisés pour produire de meilleures performances électriques, ce qui s’est avéré difficile.
Une autre stratégie consiste à produire des ondes térahertz en convertissant des ondes plus courtes et à plus haute fréquence de la lumière infrarouge, à l’aide de matériaux connus sous le nom de cristaux non linéaires.
Au RIKEN Center for Advanced Photonics, nous explorons cette seconde stratégie, qui consiste à produire des ondes térahertz en convertissant la sortie d’un laser infrarouge. Cette méthode a toujours nécessité d’énormes lasers pour générer des ondes térahertz suffisamment puissantes pour la plupart des applications pratiques. Mais cela a limité l’adoption de la technologie térahertz pour les applications réelles, où des appareils portables pour l’analyse in situ seraient bien plus utiles.
Au sein de l’équipe de recherche Tera-Photonics, que je dirige, nous espérons développer des sources d’ondes térahertz puissantes de la taille d’une paume de main pour des applications dans l’industrie et la recherche fondamentale. Nous avons récemment fait d’énormes progrès vers cet objectif et nous avons de nombreuses collaborations industrielles en cours.
Sommaire
Appareils de la taille d’une paume
Nous nous sommes concentrés sur l’utilisation du niobate de lithium, un cristal non linéaire qui produit un faisceau d’ondes térahertz lorsqu’il est irradié par une lumière laser proche de l’infrarouge. Lorsque j’ai pris la tête de l’équipe en 2010, il était impossible de produire des ondes térahertz suffisamment puissantes à l’aide de cette méthode, malgré de nombreuses années de travail.
En 2011, nous avons dû interrompre les recherches en laboratoire pendant plusieurs mois à la suite d’un important tremblement de terre qui a frappé Sendai, au Japon, où se trouve notre campus. Au cours de cette période, je me suis souvenu du résultat d’une expérience précédente qui avait attiré mon attention, et j’ai trouvé un indice passionnant d’une voie possible pour l’avenir.
À l’époque, nous avions utilisé un laser proche de l’infrarouge avec des durées d’impulsion de l’ordre de la nanoseconde. Les résultats indiquaient que lorsque des impulsions laser plus courtes, inférieures à la nanoseconde, étaient utilisées, la génération d’ondes térahertz en fonction de l’impulsion laser d’entrée était modifiée. Je me suis demandé pourquoi.
J’ai alors découvert un article de 1993[1] qui décrivait les effets de la durée des impulsions laser sur les cristaux non linéaires. L’étude, qui analyse la lumière visible, indique que l’utilisation d’impulsions plus courtes réduit l’effet de diffusion de la lumière appelé diffusion Brillouin. Je me suis demandé si, en réduisant la durée de nos impulsions laser, nous pourrions minimiser la diffusion Brillouin de nos cristaux de niobate de lithium. Cela pourrait nous permettre de convertir une plus grande partie de la lumière laser en ondes térahertz et d’augmenter la puissance de sortie.
PENSEZ À L’ÉCART : Situé entre les micro-ondes et le rayonnement infrarouge sur le spectre électromagnétique, l’intervalle térahertz a été jusqu’à présent sous-utilisé dans les technologies. Comme les rayons X, les ondes térahertz ont la capacité de voir à travers les matériaux. Mais comme les ondes térahertz ont des fréquences (et donc des énergies) beaucoup plus basses que les rayons X, elles ne présentent pas le même risque pour la santé que les rayonnements ionisants. Crédit : © 2023 RIKEN
Lorsque nous sommes retournés au laboratoire et que nous avons testé cette théorie, nous avons été stupéfaits par le résultat. En utilisant des impulsions laser sub-nanosecondes, nous avons pu échapper à la diffusion Brillouin pour améliorer la puissance de sortie de nos ondes térahertz de six ordres de grandeur, passant de 200 milliwatts à 100 kilowatts.[2]. Nous avons finalement obtenu une émission puissante à partir d’un appareil d’un mètre carré seulement, beaucoup plus petit que les appareils térahertz précédents, qui remplissaient des pièces entières. Mais lorsque nous avons montré cet appareil à l’industrie, celle-ci nous a dit qu’il était encore trop grand pour des applications réelles.
Pour miniaturiser davantage notre source d’ondes térahertz, nous avons remplacé le lingot de cristal de niobate de lithium en vrac que nous avions utilisé précédemment par un cristal de niobate de lithium mince doté d’une microstructure artificielle à polarisation modulée, appelé cristal de niobate de lithium à pôles périodiques (PPLN). Couramment utilisé dans la région de la lumière visible, le cristal PPLN nous a permis de développer un dispositif portable grâce à sa plus grande efficacité de conversion de la lumière.
Au début de nos recherches sur le PPLN, il n’existait aucun moyen connu de générer efficacement des ondes térahertz à l’aide de cristaux PPLN. Au fur et à mesure de nos expériences, le comportement des cristaux PPLN nous a d’abord laissés très perplexes. Nous n’avons pas vu d’ondes térahertz, juste un faisceau lumineux inattendu, produit par le cristal.
Après avoir soigneusement analysé les propriétés de cette lumière, nous avons finalement réalisé que des ondes térahertz étaient produites, mais dans une direction inattendue. L’interaction entre la lumière et la structure à modulation de polarisation du PPLN a entraîné la production d’ondes térahertz à l’arrière du cristal. Lorsque nous avons placé notre détecteur derrière le cristal, nous avons constaté que les ondes térahertz[3]. Nous avons enfin pu fabriquer un prototype de la taille d’une paume de main avec un rendement de conversion élevé et une puissance suffisante.
Fait remarquable, nous avons également découvert qu’il suffisait de faire tourner le cristal pour accorder la fréquence des ondes térahertz produites[4]. Nos dispositifs peuvent couvrir entièrement la région critique sub-terahertz du spectre, ce qui est particulièrement important pour les applications d’imagerie non-destructive.
Saut quantique
Nos recherches sont basées sur la conversion des photons entre les ondes lumineuses et les ondes térahertz par des effets optiques non linéaires basés sur des technologies photoniques et laser matures. Nous avons réalisé une oscillation en cascade dans l’oscillation paramétrique à ondes térahertz rétrogrades en utilisant l’injection optique pour abaisser le seuil et stabiliser la puissance de sortie – atteignant une puissance de sortie térahertz de pointe de 200 watts à une fréquence de 0,3 térahertz ; converti des ondes térahertz en ondes lumineuses dans un processus de conversion quantique optique rétrograde ; et réussi à détecter des ondes térahertz ultrafaibles d’environ 50 attojoules, ce qui est 1 000 fois plus sensible qu’un bolomètre de 4 kelvins. Ces résultats constituent une nouvelle recherche quantique basée sur la conversion quantique des térahertz en photons lumineux. Nos résultats les plus récents sont basés sur l’intégration de la théorie quantique dans notre travail. Nos travaux futurs porteront sur l’intrication quantique, où une particule quantique en reflète mystérieusement une autre à distance, afin d’améliorer la sensibilité des détecteurs térahertz.
En outre, nos systèmes d’ondes térahertz hautement miniaturisés et puissants sont complétés par des développements récents dans le domaine des lasers photoniques compacts et puissants. Nos dispositifs utilisent un nouveau laser à micropuce qui produit des impulsions laser dans l’infrarouge lointain à des vitesses inférieures à la nanoseconde et à des puissances élevées.
Nous en sommes maintenant au point où les collaborations industrielles constituent une partie essentielle de notre travail. Les fortes émissions sub-terahertz que nos dispositifs peuvent générer conviennent parfaitement aux travaux d’imagerie et d’analyse. Nous menons des recherches conjointes avec des entreprises japonaises spécialisées dans l’électronique, l’optique et la photonique, telles que Ricoh, Topcon, Mitsubishi Electric et Hamamatsu Photonics, afin de développer des applications de contrôle non destructif et des équipements de spectroscopie à ondes térahertz.
Pour démontrer le potentiel de notre technologie à des fins de sécurité, nous avons assemblé un prototype d’appareil d’imagerie térahertz. Grâce à lui, nous avons montré qu’un pistolet en plastique, qui peut tirer des balles en plastique, pouvait être clairement détecté lorsqu’il est dissimulé derrière une vitre bosselée qui disperse beaucoup la lumière. Nous avons également pu obtenir une image claire d’une paire de ciseaux cachée dans un sac en cuir épais.
Les ondes térahertz peuvent également révéler la composition chimique des substances, grâce à des schémas d’absorption caractéristiques. Différents liquides incolores – tels que le kérosène et l’acétone – qui semblent identiques à l’œil nu peuvent être facilement identifiés par cette méthode, par exemple. Les applications envisagées pour les ondes térahertz vont donc des scanners de sécurité dans les aéroports à l’analyse d’œuvres d’art historiques.
Les peintures industrielles et les revêtements extérieurs peuvent également être analysés, à partir d’objets aussi variés que des voitures neuves ou des comprimés pharmaceutiques, et ce de manière non destructive, contrairement aux méthodes actuelles. À l’avenir, nous pourrions monter nos appareils sur des robots pour qu’ils rampent le long des canalisations industrielles afin de détecter la corrosion, ou sur des drones pour inspecter la peinture des tours de transmission électrique.
Ces utilisations et d’autres pourraient nous permettre de mieux comprendre comment les matériaux interagissent et se dégradent in situ. Si nous parvenons à mieux comprendre ces questions à l’aide de technologies non destructives, nous pourrons plus facilement modifier les processus de production en temps réel afin d’améliorer l’efficacité et d’apporter des correctifs pour prolonger la durée de vie des structures, par exemple. Les avantages économiques et environnementaux devraient être exponentiels.
Références :
- « High-resolution stimulated Brillouin gain spectroscopy in glasses and crystals » par Gregory W. Faris, Leonard E. Jusinski et A. Peet Hickman, 1 avril 1993, Journal of the Optical Society of America B.
DOI : 10.1364/JOSAB.10.000587 - « Kilowatt-peak Terahertz-wave Generation and Sub-femtojoule Terahertz-wave Pulse Detection Based on Nonlinear Optical Wavelength-conversion at Room Temperature » par Hiroaki Minamide, Shin’ichiro Hayashi, Koji Nawata, Takunori Taira, Jun-ichi Shikata et Kodo Kawase, 19 décembre 2013, Journal of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves.
DOI : 10.1007/s10762-013-0041-0 - » Tunable Backward Terahertz-wave Parametric Oscillation » par Kouji Nawata, Yu Tokizane, Yuma Takida et Hiroaki Minamide, 24 janvier 2019, Scientific Reports.
DOI: 10.1038/s41598-018-37068-7 - Minamide, H. et al. in 2021 Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) (IEEE, 2021).