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Les térahertz, une technologie pour voir à travers les murs! - Par : François Blanchard,

Les térahertz, une technologie pour voir à travers les murs!


François Blanchard
François Blanchard Profil de l'auteur(e)
François Blanchard est professeur au Département de génie électrique de l’ÉTS. Ses projets de recherche portent sur la spectroscopie térahertz, les métamatériaux, l’opto-électronique, l’optique photonique, la télédétection et la microscopie THz.
Programme : Génie électrique 

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Image d’entête provenant du site daily geek show : sans restriction d’usage connue, source;

RÉSUMÉ:

Les térahertz, tel est le sujet d’une conférence que donneront le professeur François Blanchard de l’École de technologie supérieure (ÉTS) et le postdoctorant Kousuke Murate de l’Université de Nagoya au Japon, le 23 janvier 2018 à l’ÉTS de Montréal. L’article ci-dessous donne un aperçu des champs d’application des térahertz.

Introduction

Aimeriez-vous un jour pouvoir lire un livre en format papier sans avoir à l’ouvrir, sans même y toucher?  Ou encore découvrir la manière dont un peintre célèbre de l’époque a réalisé une de ses toiles en analysant celle-ci couche par couche [1]? Aujourd’hui, les fréquences térahertz permettent d’accomplir ces tâches, comme le montre cette vidéo :

Ce qui jadis pouvait relever de la science-fiction est aujourd’hui possible grâce aux fréquences térahertz.

Fréquences térahertz : définition

Les fréquences térahertz désignent des ondes électromagnétiques se situant dans la bande de fréquences entre 100 GHz à 30 THz [2].

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Les fréquences térahertz n’existent pas dans le milieu ambiant. Elles sont filtrées par l’atmosphère et par l’eau. Ces fréquences se situent entre les fréquences des micro-ondes (de 300 MHz à 300 GHz) et celles des infrarouges (430 THz à 300 GHz). Puisque les ondes térahertz ne sont pas dans le spectre visible, le faisceau d’ondes térahertz est invisible. Des miroirs et des lentilles servent à diriger ce faisceau de la même manière que le font les rayons lasers avec des propriétés de cohérence spatiale et temporelle.

 

Les fréquences térahertz maintenant accessibles

Puisque les émetteurs et les détecteurs d’ondes térahertz étaient très dispendieux, la recherche dans ce domaine s’est faite pendant plusieurs années uniquement dans des laboratoires disposant de ressources financières importantes (comme la Nasa pour la recherche spatiale). Grâce à d’importantes avancées, il est maintenant possible de générer et de détecter des ondes térahertz avec des propriétés de cohérence spatiale et temporelle similaires à celles qu’ont les émissions lasers.

térahertz

Les multiples propriétés du spectre térahertz

Le spectre électromagnétique térahertz est une bande extrêmement large (de 100 GHz à 30 THz), beaucoup plus large que la bande visible, possédant des propriétés distinctes de celles du spectre lumineux :

  • Ces ondes pénètrent la matière, là où le visible et l’infrarouge ne parviennent pas, et permettent de la sonder avec une résolution temporelle inférieure à la picoseconde. Elles permettent ainsi d’obtenir de nouvelles informations : c’est comme si une personne qui ne voyait qu’en noir et blanc découvre soudainement la couleur;
  • Le niveau d’énergie du photon de fréquence térahertz (0,004 eV pour 1 THz) est des millions de fois moindres que celui des rayons X (1 million eV). Les photons de fréquence THz n’ont pas suffisamment d’énergie pour ioniser les tissus biologiques, permettant une meilleure biocompatibilité qu’avec les rayons X;
  • Les ondes THz peuvent simultanément imager un objet tout en faisant son analyse chimique;
  • Ces ondes permettent de lire la signature distincte des matériaux tels que les molécules d’eau, tous les matériaux organiques et les plastiques (à l’exception des matériaux conducteurs).

Les propriétés intrinsèques des ondes térahertz permettent de réaliser une multitude d’applications dans différents domaines, dont ceux qui suivent.

Médecine

En analysant l’ADN, les térahertz peuvent détecter une dizaine de types de cancer même à un stade préliminaire [3]. À ce jour, il n’existe aucune autre technique de détection comparable aux applications faisant usage des térahertz pour ces types de cancer. La vidéo suivante montre comment les cellules cancéreuses de la peau peuvent être identifiées à l’aide des térahertz.

Industrie

Puisque les ondes térahertz peuvent permettre de lire un livre page par page sans l’ouvrir ou décomposer une peinture couche par couche, elles peuvent aussi inspecter un produit assemblé et détecter ses défauts de fabrication sans aucun contact avec lui et même sans arrêter la chaîne de production! Cette technique ressemble aux méthodes d’essai non destructif, à la différence que les ondes térahertz peuvent détecter des défauts d’un produit déjà assemblé survenu à différentes étapes de l’assemblage. C’est une innovation disruptive qui va révolutionner la manière d’assurer la qualité des produits manufacturiers [4].

Science

Les térahertz permettent de caractériser des matériaux comme les cellules photovoltaïques, les semi-conducteurs, le graphène, etc. Ces ondes mesurent les temps de réponse électronique et magnétique des matériaux et peuvent même les activer à une échelle de temps de l’ordre de la picoseconde. Elles permettront aussi d’identifier les matériaux et de développer les dispositifs adéquats des systèmes de télécommunication du futur [5].

Sécurité

Les térahertz permettent de voir à travers la brume et des matériaux opaques comme le linge, les plastiques et, ultimement, des murs, et d’identifier les matériaux derrière ces obstacles, couche par couche. Dans un proche avenir, il sera aussi possible de voir, à l’aide de technologies CMOS [6], d’éventuelles armes portées par des individus dans une foule grâce à de puces électroniques de la taille de la poussière déposée au sol.

Ingénierie              

Les térahertz ouvrent un marché mondial aux ingénieurs qui souhaite démocratiser leur usage. Actuellement, il existe peu d’appareils commerciaux permettant d’utiliser des fréquences térahertz, encore moins qui réussissent à répondre à un besoin industriel. À titre d’exemple, un chercheur habile est capable de bâtir un système composé d’un laser, d’une source et d’instruments pour utiliser les fréquences térahertz à des fins spécifiques dans un laboratoire de recherche. Cependant, rien ne permet de reproduire les travaux de ce chercheur en dehors de ce laboratoire, très peu de matériel facile à utiliser n’étant disponible.

Dans un futur rapproché, des ingénieurs pourront s’associer à des laboratoires de recherche et produire des systèmes performants pour effectuer différents types de mesures et assurer la reproductibilité des résultats dans des applications clés en main. Ils passeront ainsi de la recherche au marché en concevant des systèmes et des équipements qui n’existent pas encore. Dans le secteur de l’imagerie, par exemple, ces équipements pourront inclure des systèmes robotisés à plusieurs axes permettant aux différents miroirs de tourner et aux lentilles de se déplacer de façon à orienter rapidement le faisceau d’ondes térahertz.

Conclusion

Une série d’article sera produite suite à la conférence du 23 janvier 2018 sur les recherches en cours dans le domaine des térahertz et leurs applications à la chaire de recherche ÉTS en optoélectronique thérahertz (Thz) dirigée par le professeur François Blanchard, la Chaire de recherche du Canada sur les matériaux et composants optoélectroniques hybrides dirigée par le professeur Sylvain Cloutier et le laboratoire de communications et d’intégration de la microélectronique Lacime dirigé par le professeur Ghyslain Gagnon et le laboratoire Synchromedia dirigé par le professeur Mohamed Cheriet (projet « papier »). François Blanchard collabore à des travaux de recherche en lien avec les instituts suivants : l’Institut national d’optique de Québec (INO), le Centre Énergie Matériaux Télécommunications de l’Institut national de la recherche scientique (INRS-EMT) de Varennes, l’Université de Kyoto, l’Université de Nagoya et le centre collégial de transfert de technologie (CCTT) du Collège Ahunstic.

François Blanchard

Profil de l'auteur(e)

François Blanchard est professeur au Département de génie électrique de l’ÉTS. Ses projets de recherche portent sur la spectroscopie térahertz, les métamatériaux, l’opto-électronique, l’optique photonique, la télédétection et la microscopie THz.

Programme : Génie électrique 

Chaire de recherche : Chaire de recherche ÉTS en optoélectronique térahertz (Thz) 

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