Source terahertz de forte puissance, rapidement accordable sur une large plage spectrale, fondée sur une source laser à fibre dopée Thulium, émettant des impulsions bi-fréquences synchrones – TERATUNE

Le domaine des fréquences térahertz (THz) [de 0.1 à 10 THz] connaît un grand intérêt justifié par les propriétés uniques de ces ondes, permettant de nombreuses nouvelles applications dans le secteur de la sécurité, de la biologie, de la médecine et de la communication. Les champs THz interagissent avec de nombreuses molécules, ce qui se traduit par des pics d'absorptions facilement identifiables. Ils sont faiblement absorbés par des matériaux non-métalliques et non-polarisant (tels que les textiles, céramiques, plastiques et les semi-conducteurs ...), ce qui rend ces matériaux transparents alors qu'ils sont opaques dans le domaine visible. De plus, les radiations THz sont non-ionisantes rendant leurs utilisations sûres pour les environnements biologiques et médicales. Ces propriétés font de la spectroscopie THz et de l’imagerie THz multi-spectrales des techniques très prometteuses et puissantes pour l'analyse de substances, matériaux, dispositifs et produits.

Même si quelques systèmes commerciaux sont maintenant disponibles, de gros efforts de développements sur les sources THz sont encore nécessaires pour exploiter pleinement les propriétés des ondes THz dans des applications quotidiennes. Bien qu’une grande variété de techniques pour générer un rayonnement THz sont étudiées, aucune d'entre-elles ne fournit une source THz qui est à la fois compacte, puissante, accordable sur une large bande spectrale, et fonctionnant à température ambiante. Les sources THz fondées sur la différence deux fréquences optiques générées dans un cristal non-linéaire sont très attrayante car elles peuvent permettre de couvrir l'ensemble du domaine THz et leur potentiel de montée en puissance est important. Cette technique peut de plus capitaliser sur les progrès des lasers à fibres pompés par diode, ce qui permettraient l'avènement de sources THz puissantes et compactes. Malgré l'émergence de sources THz fondées sur la technologie des lasers à fibres, cette technologie ne permet pas une accordabilitée de la fréquence générée, ce qui est une contrainte rédhibitoire pour des applications de spectroscopie THz, ou d’imagerie THz multi-spectrales.

Le projet TERATUNE vise à lever ce verrou en exploitant une nouvelle architecture de source laser basée sur les expertises de l'IPHT et d'XLIM. IPHT a récemment développé un nouveau concept de laser à fibre impulsionnel, dont la longueur d’onde d’émission est accordable, avec rapidité de quelques ms sur un domaine spectral de plus de 74 nm. Ce principe d'accordabilité a été étendu à un nouveau mode de fonctionnement qui permet l’émission d’impulsions bi-longueurs d’ondes synchronisées, toutes deux accordables, offrant une opportunité unique pour générer des impulsions THz accordables dans tout ce domaine spectral. XLIM a récemment proposé un nouveau concept de fibre optique active présentant une très grande aire modale, qui présente des propriétés de confinements uniques pour réaliser des sources laser de très haute puissance, transversalement monomode. Les propriétés de ces fibres permettent de lutter contre les effets non linéaires, et ainsi de fournir le niveau de puissance crête, les qualités spectrales et l'état de polarisation requis pour la génération efficace d'ondes THz puissantes dans un cristal non linéaire.

TERATUNE exploitera ces nouvelles technologies pour développer la première source THz accordable et de forte puissance fondée sur la technologie des lasers à fibres. Deux classes de sources seront développées : (i) continument accordable sur toute la plage de fréquence de 0,3 à 1 THz, (ii) accordable sur une plage spectrale très large (de manière discontinue). La réalisation de cet ambitieux projet exige un haut niveau d'expertise scientifique et technologique, des multiples compétences réunies par l'union des compétences complémentaires de l’IPHT et d'XLIM, ce qui offre un environnement de recherche et de collaboration stimulant pour les étudiants et les chercheurs impliqués dans les deux pays.