Spectroscopie Terahertz Atmosphérique d'Explosifs par Lasers – ALTESSE

L’identification et la détection de matériaux énergétiques à distance sont devenues un enjeu majeur de recherche duale, civile et militaire, pour la Défense et la Sécurité des populations, en France, sur le continent européen comme outre-atlantique. Un axe de recherche fort pour les chercheurs en photonique dans ce contexte est la capacité de pouvoir mesurer des signatures spectrales uniques d’explosifs ou de matières représentant un danger potentiel (par exemple les IED - « Improvised Explosive Devices »), à des distances éloignées supérieures à 10 mètres. Construire un prototype d’instrument à cet effet suppose de connaître quelques signatures d’explosifs dans un domaine spectral précis et de pouvoir émettre le rayonnement opérant dans cette gamme spectrale à des intensités de champs suffisamment élevées pour interagir avec le matériau ciblé et en collecter le champ diffusé. Nous proposons ici d’exploiter la spectroscopie térahertz (THz) pour la mesure et l’identification de spectres d’explosifs d’intérêt militaire ainsi que de produits simulants. Les ondes THz, situées entre les micro-ondes et l’infrarouge, ne sont pas invasives ; elles traversent certains matériaux légers et offrent une grande sélectivité sur les transitions rotationnelles et vibrationnelles de molécules complexes, dont celles possédant les groupements fonctionnels d’explosifs. Depuis quelques années, de nombreux chercheurs se sont appliqués à coupler des impulsions laser femtosecondes intenses pour produire des champs térahertz d’amplitude supérieure au GV/m et à large bande (de 1 à 50 THz), faisant ainsi la jonction avec l’infrarouge lointain et moyen. Dans ce domaine spectral étendu, de nombreuses « empreintes digitales » d’explosifs sont attendues. Avec les nouvelles sources laser de puissance, leur identification à distance est de nos jours possible.
Le projet ALTESSE propose une recherche exploratoire sur une nouvelle technologie d’émission et de détection de rayonnement THz utilisant des sources laser ultrabrèves à deux couleurs pour former un plasma à distance rendue contrôlable par la géométrie de focalisation et les paramètres des faisceaux optiques (focale courte ou régime de filamentation). La partie détection du dispositif consiste à recueillir l’harmonique deux de l’onde de pompe laser issue du couplage non-linéaire de cette dernière avec le champ THz collecté et un champ électrique extérieur, puis à faire le spectre du rayonnement émis. Cette méthode, dite ABCD (« Air-Biased Coherent Detection »), jamais exploitée en France, constituerait une rupture technologique importante dans la détection et l’analyse d’une grande variété d’explosifs. Pour établir la preuve de concept de cette technologie, quatre partenaires sont impliqués dans le projet. Une équipe de spécialistes du calcul haute-performance (CEA, CELIA) fournira des données de simulation numérique anticipant les meilleures configurations laser pour la génération de sources THz créées par plasma. L’Université de Marburg (Allemagne) testera la technologie de spectroscopie THz par plasma-laser sur des produits simulants détectés en transmission et en réflexion. L’Université de Bordeaux (CELIA) testera la même technologie pour des longueurs d’onde laser opérant dans la zone de sécurité oculaire. Les 18 derniers mois du projet seront consacrés à l’installation d’une source laser à l’Institut franco-allemand de recherches de Saint-Louis (ISL) pour la détection d’explosifs solides (poudres, plastiques et mélanges) par transmission et réflexion. L’ISL dispose des infrastructures et du personnel habilités pyrotechnie indispensables pour ces études. Nous proposons d’enregistrer, d’interpréter et de compléter les bases de données de nombreux explosifs dans la bande THz-infrarouge moyen. Le succès d’un tel projet ouvrirait la voie à un stade de maturation plus particulièrement consacré à la détection à distance et offrant des perspectives prometteuses pour la réalisation d’un démonstrateur.