Inspection non destructive à l’aide d’une source paramétrique THz

Système spectroscopique is-TPG amélioré

Les longueurs d’onde térahertz (THz) se situent entre les régions micro-onde et infrarouge du spectre électromagnétique et partagent plusieurs de leurs caractéristiques respectives. Comme dans le cas des ondes radio, une onde THz peut traverser une grande variété de matériaux, y compris les plastiques, les céramiques et le papier. Aussi, une onde THz peut être guidée à l’aide de miroirs et de lentilles. En outre, un grand nombre de matériaux ont des caractéristiques d’absorption uniques (empreintes spectrales) aux fréquences THz, ce qui permet d’identifier différentes matières comme les drogues illicites, les explosifs et autres, en mesurant le spectre d’absorption d’un échantillon. Pour ces raisons, l’onde THz présente des applications éventuelles dans les domaines du biomédical, de la communication, de la détection non destructive et de l’imagerie.

Pendant des années, nous avons travaillé sur la mise au point d’une source d’ondes THz de grande puissance, fondé sur les processus d’amplification paramétriques dans un cristal de Lithium niobate (MgO:LiNbO₃), afin de développer un système spectroscopique à ondes THz pour des tests non destructifs. [1-3]. Récemment, grâce à l’ajout d’un nouveau type de laser Nd:YAG« Le laser Nd:YAG ou Nd:Y₃Al₅O₁₂ est un cristal utilisé comme milieu amplificateur pour les lasers utilisant des milieux solides. » réf. Wikipedia. https://fr.wikipedia.org/wiki/Laser_Nd-YAG à impulsions courtes, la puissance de sortie maximale de notre générateur paramétrique THz (is-TPG) atteignait près de > 100 kW [4]. De plus, avec cette source THz ultra brillante, nous avons pu mettre au point un nouveau système de détection offrant une sensibilité capable de discerner un signal par rapport au bruit avec un facteur de 1:10 000 000 000. [5]. Ainsi notre système peut détecter une énergie très faible soit un milliardième de la puissance d’entrée maximale. Grâce à ce système, nous pouvons identifier des produits chimiques au travers d’obstacles beaucoup plus épais qu’auparavant. Cette étude présente la récente amélioration du système spectroscopique is-TPG pour effectuer des inspections non destructives.

 

La figure 1 montre le système spectroscopique THz doté d’une source paramétrique de type is-TPG. Un faisceau laser intense (faisceau Nd:YAG sur la fig.1) entrant dans un cristal optique non linéaire (MgO:LiNbO₃) génère une lumière proche-infrarouge (onde rejetée) et une onde THz (onde de signal), résultant de la diffusion Raman stimulée due aux polaritons, soit le résultat du couplage entre les phonons et l’onde THz. L’onde THz émise est concentrée sur un échantillon puis introduite dans un autre cristal optique non linéaire (MgO:LiNbO₃) pour effectuer la détection. Enfin, l’onde THz est reconvertie en un faisceau de détection infrarouge par conversion optique non linéaire dans ce deuxième cristal, puis mesurée pour obtenir l’intensité THz.

Applications pratiques : voir à travers les matériaux d’emballage

Ce système nous a permis de démontrer l’inspection non destructive du courrier (Fig. 2) et la tomodensitométrie tridimensionnelle (3D) THz de plastiques (Fig. 3). Le résultat de l’imagerie spectroscopique obtenue à travers un matériau de protection épais à la fig. 2 [6] montre que les trois échantillons de saccharides ont pu être identifiés séparément malgré des matériaux d’emballage de 23 mm d’épaisseur. De plus, la densité de la couleur blanche reflète la distribution spatiale des poudres.

La figure 3 montre le résultat de la tomodensitométrie 3D. [7] Nous avons mesuré (a) un cache-prise mural, (b) un allume-cigare et (c) un connecteur en nylon, obtenant une atténuation d’onde THz de plus de 70 dB. Cette image 3D résulte de la plage dynamique la plus élevée de notre système. Outre la forme extérieure, les trois trous et la cloison centrale sont également visibles.

Nous avons réalisé ces applications pratiques à l’aide de notre source is-TPG. Cependant, ces applications exigent de longs délais de mesure, car cette source n’émet qu’une seule longueur d’onde à la fois. Pour surmonter ces restrictions, nous avons mis au point un système de mesure en temps réel qui génère simultanément de multiples longueurs ondes THz au moyen de la même source is-TPG. Dans ce système, la longueur d’onde n’ayant pas à être changée continuellement, l’is-TPG à multi longueur d’onde permet la spectroscopie en temps réel avec une cadence de répétition égal à celui du laser d’excitation. [8]

Le système is-TPG mis au point pour mesures en temps réel

Afin de démontrer la mesure en temps réel à plusieurs longueurs d’ondes, nous avons placé trois pastilles contenant chacune du maltose, du glucose et du lactose sur le trajet optique THz et enregistré leurs informations spectroscopiques. Selon les spectres de référence obtenus à partir de la base de données THz, les lignes d’absorption sont d’environ 1,61 à 2,04 THz pour le maltose, 1,45 à 2,10 THz pour le glucose et 1,36 à 1,81 THz pour le lactose. Ces spectres de référence sont représentés par les lignes bleu clair sur la figure 4.

 

Nous avons utilisé cinq fréquences de 1,36, 1,47, 1,64, 1,82 et 2,00 THz dans l’is-TPG à multi longueur d’onde qui correspondent aux fréquences des lignes d’absorption de référence. Les mesures spectroscopiques résultantes sont également indiquées à la fig. 4. Nous avons confirmé que l’atténuation des ondes THz correspondait au spectre d’absorption du réactif correspondant. Nous avons de ce fait obtenu l’identification qualitative des saccharides en temps réel.

Conclusion

Dans cette étude, nous avons présenté nos progrès récents concernant la source THz is-TPG et ses applications. L’is-TPG a atteint une puissance de sortie maximale de plus de 100 kW, et la gamme dynamique du système spectroscopique a atteint près de 10 ordres de grandeur. Ce système a pu identifier des échantillons de saccharides au travers d’épaisses enveloppes et reconstruire une image 3D d’échantillons de plastique ayant une absorbance supérieure à 70 dB. De plus, nous avons développé un système de mesure en temps réel en générant plusieurs longueurs d’onde à l’aide d’un is-TPG. Notre système deviendra, dans un proche avenir, l’un des principaux outils pour l’inspection non destructive du courrier, des médicaments et des produits en plastique.