Coincées entre l’infrarouge et les micro-ondes, les ondes terahertz se taillent une toute petite largeur de fréquence sur le spectre électromagnétique. À la jonction des mondes de l’optique et de l’électronique, elles constituent un domaine d’exploration neuf, où tout reste à inventer. Deux équipes de l’Institut FEMTO-ST ont mis leur savoir-faire au service du terahertz dans un projet de réalisation d’un banc d’imagerie d’une résolution exceptionnelle.
Bois, plastiques, vêtements, carton… de nombreux matériaux non conducteurs sont incapables d’arrêter les rayonnements terahertz qui les rendent littéralement transparents. L’action vibratoire des ondes sur les molécules d’eau et sur certaines molécules organiques, ajoutée à leur innocuité, en font depuis quelques années un objet de recherches d’intérêt majeur à la fois pour la médecine et la sécurité.
Un banc d’imagerie réalisé grâce aux compétences de l’Institut FEMTO-ST et de l’Institut d’électronique du Sud à Montpellier (IES), porteur du projet TERASCOPE arrivé à son terme en 2009, pourrait pleinement servir de telles applications. Il est constitué de trois éléments principaux : une source terahertz émet un rayonnement en direction d’un échantillon (IES) ; une sonde optique lit les informations mises en évidence par le rayonnement, dont la modification fait l’objet de mesures par un détecteur (FEMTO-ST).
Microbolomètre réalisé à FEMTO-ST
Adapté au terahertz, un microscope optique à champ proche capte l’information, grâce à une micro-antenne d’une précision ultime, placée à quelques μm d’un échantillon dont elle sonde chacun des points de la surface pour reconstituer une image. À la fois terrain d’expériences pour la détection des champs électromagnétiques et test des concepts nouveaux de nano-antennes à des longueurs d’onde réduisant les contraintes technologiques d’un facteur 1 000, TERASCOPE représente un véritable enjeu pour les spécialistes en optique du laboratoire.
À partir de savoir-faire habituellement dédiés aux micro-ondes et aux microsystèmes, les chercheurs du département MN2S ont mis au point le détecteur destiné à étudier le rayonnement terahertz modifié par la lecture de la sonde, sous la forme d’un microbolomètre. Le rayonnement de l’onde est absorbé et converti en chaleur par le bolomètre : en mesurant les différences de température qu’il indique, on obtient la puissance de rayonnement selon les zones de l’image, permettant son interprétation. Outre la grande résolution dont il fait preuve, cet instrument présente l’avantage de fonctionner à température ambiante.
Inséparables l’un de l’autre, le champ électrique et le champ magnétique demandent à être cernés au plus près pour comprendre le comportement optique des nanosystèmes, d’une complexité extrême et spécifique à cette échelle. Les recherches de Thierry Grosjean et de son équipe ont pour la première fois abouti à la dissociation optique des champs électrique et magnétique optique à l’échelle submicronique (projet NANOEC). Chacun de ces champs est composé d’informations vectorielles, lues à la surface d’un échantillon grâce à la microscopie à champ proche.
« Les nano-antennes, utilisées comme nanosondes optiques, ont accès à l’intensité des champs et aux composantes vectorielles de l’amplitude de l’ondulation, qui permettent de reconstituer et de tracer les lignes de champs électrique et magnétique de la lumière à l’échelle nanométrique, explique le chercheur. Cette recherche fait remonter à la composition primaire de la lumière, et laisse imaginer de nouvelles interactions entre lumière et matière. » Elle a été qualifiée de « fait marquant 2011 » par le CNRS.
Contact : Thierry Grosjean / Pascal Vairac – Sébastien Euphrasie
Département d’optique / Département MN2S
Institut FEMTO-ST
Université de Franche-Comté / ENSMM / UTBM / CNRS
Tél. (0033/0) 81 66 64 17 / 03 81 85 39 76 / 39 20
