Imagerie Multibande téraHertz Obtenue par ThErmoPhoto conversion vers l'infrarouge – Imhotep

Le domaine Térahertz (THz) couvre la bande de longueurs d'ondes comprises entre 100µm (infrarouge thermique) et 1 mm (micro-ondes). Le rayonnement THz peut pénétrer une grande variété de matériaux non-conducteurs (vêtements, carton, bois, plastique, …) justifiant ainsi son intérêt prononcé pour les applications de sécurité et de contrôle non destructif. Le développement de sources THz commerciales (sources à antennes photoconductrices, les diodes Gunn ou les lasers à cascades quantiques) a permis d’élargir le champ d’applications des THz, faisant de la détection et de l’imagerie Térahertz un domaine aujourd’hui en plein essor.

Les premiers prototypes de capteurs THz fonctionnant à température ambiante ont vu le jour, et sont pour la plupart issus de développements lourds à partir des filières bolomètres infrarouge. NeTHIS commercialise pour sa part un imageur basé sur le principe de conversion du THz vers l'infrarouge (IR). Une membrane convertit le rayonnement THz en chaleur, puis de nouveau convertit cette chaleur en rayonnement IR, l'observation se faisant in fine par une caméra IR commerciale. Cette dernière solution, si elle bénéficie des avancées considérables de l'imagerie IR (refroidie ou pas), reste encore fortement limitée par les performances de conversion de la membrane. En effet, elle doit être suffisamment épaisse (50µm) pour absorber le rayonnement THz, ce qui pénalise le temps de réponse et augmente le bruit de détection.

Notons enfin que toutes les solutions actuelles de détection THz souffrent de limitations intrinsèques :
1) Les plages spectrales accessibles sont en nombre très limité ;
2) Il n'existe pas de dispositifs d'imagerie multi-bandes spectrales.

Dans ce contexte favorable et encore en recherche de solutions performantes, le projet IMHOTEP propose de développer un dispositif de conversion efficace du rayonnement THz vers l'IR, avec une membrane à la fois plus fine (5 µm) et permettant une imagerie multi-bandes. Pour cela, nous allons utiliser des avancées récentes de la nanophotonique pour contrôler l'absorption et l'émissivité de la structure, et les associer au comportement thermique de la diffusion en régime transitoire.

Le dispositif consiste en une membrane, avec des antennes absorbant le THz d'un côté et de l'autre côté, des antennes réémettant thermiquement le rayonnement dans l'infrarouge. Le mécanisme du dispositif est le suivant :
1) Une antenne absorbe le rayonnement THz dans la membrane, ce qui conduit à un échauffement local de la membrane, dans un volume petit devant la longueur d'onde. Dans le cas multi-bandes, on a des antennes qui absorbent différentes longueurs d'ondes et qui sont éloignés spatialement (typiquement de la longueur d'onde).
2) L'échauffement dans la membrane se fait par conduction thermique. Le point clé est que la membrane est très peu épaisse devant la longueur d'onde, sa température est donc quasi homogène suivant son épaisseur, tandis que le transfert latéral est beaucoup plus lent.
3) Les antennes sur l'autre face de la membrane sont chauffées quasi-instantanément et vont réémettre dans l'infrarouge sur une bande étroite.

Le système proposé se base sur les résultats que nous avons obtenus au cours de la thèse de Quentin Lévesque (Bourse DGA soutenue le 16/10/14). Nous avons démontré expérimentalement l'émission thermique mono-bande spectrale avec des antennes IR avec une efficacité de 100 %. Nous avons aussi montré qu'il était possible dans un système membranaire de s'affranchir des pertes par conduction et par convection.

Le projet va permettre de valider dans l'environnement représentatif d'une situation d'imagerie TéraHertz les fonctionnalités de base que sont la thermoconversion et la détection multi-bandes spectrales. Ces briques de bases constituent le premier pas vers le développement de matrices permettant l'imagerie suivant plusieurs scenarii (détecteur IR refroidi ou non, imagerie active ou passive, imagerie multi-spectrale).