Spectroscopie Terahertz Atmosphérique d’Explosifs par Lasers 2 – ALTESSE 2

L’identification et la détection de matériaux énergétiques sont devenues un enjeu majeur de recherche duale, civile et militaire, pour la sécurité des populations. Un axe de recherche important dans ce contexte est la capacité de pouvoir mesurer, avec le moins d’incertitude, un ensemble de signatures spectrales caractérisant des explosifs ou des matières suspectes à distance. Construire un prototype d’instrument à cet effet suppose de pouvoir émettre un rayonnement opérant dans une gamme spectrale appropriée à des intensités suffisamment élevées pour interagir avec le matériau et en collecter le champ diffusé loin de la source émettrice. Nous proposons ici d’approfondir la technique d’identification par spectroscopie térahertz (THz) d’explosifs militaires ainsi que de produits simulants. Les ondes THz offrent une grande sélectivité sur les transitions moléculaires et de nombreuses « empreintes digitales » d’explosifs appartiennent à ce domaine spectral. Avec les nouvelles sources laser de puissance, leur identification à distance peut devenir opérationnelle à court terme.

Le projet ANR/ASTRID ALTESSE 1 (2015 - 2018) a permis de révéler le riche potentiel d’une spectroscopie THz résolue en temps utilisant un plasma d’air formé par des impulsions laser femtosecondes à deux couleurs et reposant sur une détection cohérente du rayonnement émis par la cible. Des percées scientifiques et technologiques majeures ont pu être réalisées, comme la preuve de la faisabilité d’une spectroscopie THz directe d’explosifs à une distance éloignée de 15 mètres de la source laser, ou la collecte de nombreuses raies d’absorption de matériaux énergétiques peuplant la région THz jusqu’à l’infrarouge moyen (< 60 THz). ALTESSE 1 a permis d’établir la preuve de concept d’une détection par la méthode ABCD (« Air-Biased Coherent Detection »), consistant à extraire une onde THz de l’harmonique deux d’une onde laser excitant la réponse Kerr de l’air en présence d’un champ électrique extérieur. Le projet MATURATION ALTESSE 2 proposé ici se focalisera sur les moyens de fiabiliser cette technologie et d’accroitre l’émission THz par des plasmas d’air multi-couleurs pour la mise en œuvre d’un futur démonstrateur en fin de projet. Nous complèterons nos recherches par une étude quantitative du régime de filamentation laser. Nous développerons des études spécifiques basées sur des simulations ab-initio qui permettront d’attribuer les raies d’absorption mesurées aux mouvements moléculaires des groupements chimiques constitutifs des molécules. Nous procèderons à des mesures systématiques d’énergie THz délivrée et de sections efficaces selon les échantillons considérés. Nous réaliserons enfin des campagnes de tir laser sur des distances de 10 à 20 m à partir d'une source laser plus adaptée que celle utilisée en fin du projet ALTESSE 1.

Pour mener à bien ces travaux, quatre partenaires principaux seront impliqués : le CEA-DIF, l’Institut Lumière Matière de l’Université Lyon 1 (ILM), la société Amplitude Systèmes (AS) et la PME Imagine Optic (IO). Le CEA-DIF conduira le projet. Il gèrera la sous-traitance de DTU/Fotonik pour des expériences de spectroscopie et de filamentation en laboratoire et celle de l’ISL pour des expériences de spectroscopie d’explosifs sur des distances étendues. L’ILM mènera des études numériques et expérimentales sur l’optimisation de plasmas et sur la sélectivité des signatures spectrales recueillies. Enfin, la société AS fournira un système laser pour l’acquisition de spectres d’explosifs sur de grandes distances > 10 m en régime de filamentation controllée par optique adaptative (IO). Les 18 premiers mois du projet seront consacrés à des études en laboratoire pour augmenter le potentiel d’émissivité des plasmas d’air dans le domaine THz. Les 18 derniers mois seront consacrés à des expériences visant à fiabiliser une spectroscopie THz à distance. Le succès de ce projet devrait ouvrir la voie à la réalisation d’un démonstrateur.