Des radiographies sans danger grâce à l’exploitation du térahertz

Les scientifiques du RIKEN ont réussi à exploiter la bande térahertz du spectre électromagnétique grâce à de nouveaux dispositifs de la taille d’une main, permettant d’effectuer des ‘radiographies’ sans recourir à la radiation ionisante.

Plusieurs technologies – des smartphones aux télescopes à infrarouge du James Webb Space Telescope, en passant par les dispositifs de télécommunication sans fil à haute vitesse utilisant des micro-ondes – exploitent des sections du spectre électromagnétique.

Toutefois, entre les micro-ondes communément utilisées et la lumière infrarouge, se trouve une région négligée appelée la bande térahertz. Les ondes térahertz ont de nombreuses applications potentiellement passionnantes, car elles peuvent être utilisées pour voir à travers ou à l’intérieur des matériaux de manière similaire aux rayons X. Cependant, contrairement aux rayons X, les ondes térahertz n’émettent pas de radiation ionisante qui peut s’avérer nocive à long terme.

Les défis technologiques du spectre térahertz

La mise en œuvre des technologies térahertz a été entravée jusqu’à présent en raison de la difficulté d’adapter les technologies des micro-ondes ou de la lumière visible à la gamme térahertz dans des formats utiles et à des puissances de sortie suffisantes. Par exemple, une approche pour générer des ondes térahertz a consisté à développer des dispositifs électriques produisant des micro-ondes à haute fréquence et à très courte longueur d’onde.

Cependant, cela a été difficile en partie parce que ces dispositifs nécessitent des paramètres hautement optimisés pour produire une meilleure performance électrique, ce qui s’est révélé être un défi.

Une autre stratégie consiste à produire des ondes térahertz en convertissant des ondes de lumière infrarouge plus courtes et à plus haute fréquence, en utilisant des matériaux connus sous le nom de cristaux non linéaires. Au RIKEN Center for Advanced Photonics, cette deuxième stratégie est explorée – produire des ondes térahertz en convertissant la sortie d’un laser infrarouge.

Le Rôle crucial des appareils de la taille d’une main

Le RIKEN s’est concentré sur l’utilisation de niobate de lithium, un cristal non linéaire qui produit un faisceau d’ondes térahertz lorsqu’il est irradié avec de la lumière laser proche de l’infrarouge. Ces chercheurs ont récemment réalisé des progrès significatifs vers cet objectif et ont plusieurs collaborations industrielles en cours.

Ils ont réussi à miniaturiser davantage leur source d’ondes térahertz en remplaçant le cristal de niobate de lithium qu’ils utilisaient auparavant par un cristal de niobate de lithium mince avec une microstructure modulée en polarisation artificielle, appelée cristal de niobate de lithium à polarisation périodique (PPLN).

Impact industriel et de la recherche

De plus, ces systèmes d’ondes térahertz hautement miniaturisés et à haute puissance sont complétés par des développements récents dans les lasers photoniques compacts et puissants. Ces dispositifs utilisent un nouveau laser sur puce qui produit des impulsions laser à infrarouge lointain à des vitesses subnanosecondes et à des puissances élevées.

Actuellement, des collaborations industrielles forment une partie clé de leur travail. Les fortes émissions sub-terahertz que leurs dispositifs peuvent générer sont particulièrement adaptées aux travaux d’imagerie et d’analyse. Ils mènent une recherche conjointe avec des entreprises japonaises spécialisées en électronique, en optique et en photonique pour développer des applications de test non destructif et du matériel de spectroscopie d’ondes térahertz.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce que le spectre térahertz ?

Le spectre térahertz fait référence à la bande du spectre électromagnétique qui se situe entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Les ondes térahertz ont de nombreuses applications potentielles car elles peuvent être utilisées pour voir à travers ou à l’intérieur des matériaux de manière similaire aux rayons X, sans délivrer de radiations ionisantes nocives.

2. Quels sont les défis de l’exploitation du spectre térahertz ?

L’un des principaux défis est la difficulté d’adapter les technologies des micro-ondes ou de la lumière visible à la bande térahertz à des tailles et des puissances utiles. De plus, la génération d’ondes térahertz nécessite des paramètres hautement optimisés pour produire une performance électrique supérieure, ce qui s’est avéré difficile.

3. Comment l’équipe de recherche RIKEN a-t-elle surmonté ces défis ?

L’équipe de recherche RIKEN a exploré une stratégie qui consiste à produire des ondes térahertz en convertissant les ondes infrarouges à l’aide de matériaux appelés cristaux non linéaires. Ils ont réussi à développer des dispositifs de la taille d’une main capables de produire des ondes térahertz suffisamment puissantes pour la plupart des applications pratiques.

4. Quelles sont les applications possibles des ondes térahertz ?

Les ondes térahertz peuvent être utilisées dans divers domaines, allant de l’imagerie médicale à la sécurité, en passant par l’analyse de matériaux anciens. Elles peuvent révéler la composition chimique des substances grâce à des motifs d’absorption spécifiques, permettant d’identifier facilement des liquides incolores qui semblent identiques à l’œil nu, par exemple. De plus, elles peuvent être utilisées pour analyser des peintures industrielles et des revêtements extérieurs de manière non destructive.

5. Qu’est-ce qui distingue le travail de RIKEN dans le domaine des ondes térahertz ?

Le travail de RIKEN est unique car il a permis de développer des dispositifs de la taille d’une main capables de produire des ondes térahertz puissantes, ouvrant ainsi la voie à des applications pratiques et portables de la technologie térahertz. De plus, leur recherche s’appuie sur une conversion photonique entre les ondes lumineuses et les ondes térahertz, ouvrant de nouvelles possibilités de recherche quantique.

Légende illustration principale : 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

A propos du chercheur : Hiroaki Minamide est chef de l’équipe de recherche sur la téra-photonique et chef du groupe de recherche sur le térahertz du RIKEN. Il est également professeur invité à l’université de Chiba. Il a rejoint le RIKEN en 1999 et, après avoir travaillé comme chercheur et chef d’équipe adjoint, il travaille comme chef d’équipe depuis 2010 et comme directeur de groupe depuis 2020. Il a obtenu son diplôme de premier cycle en ingénierie des communications, ainsi que son master et son doctorat en ingénierie électrique à l’université de Tohoku, au Japon, en 1993, 1996 et 1999, respectivement. Ses recherches portent sur la génération d’ondes térahertz à haute puissance et la détection ultrasensible d’ondes térahertz à l’aide de l’optique non linéaire, ainsi que sur leurs applications térahertz uniques.