Optoélectronique terahertz , livre ebook

Optoélectronique
térahertz
Sous la direction de Jean-Louis COUTAZ
Avec la collaboration de Robin BOQUET, Nicolas BREUIL,
Laurent CHUSSEAU, Paul CROZAT, Jean DEMAISON,
Lionel DUVILLARET, Guilhem GALLOT, Frédéric GARET,
Jean-François LAMPIN, Didier LIPPENS,
Juliette MANGENEY, Patrick MOUNAIX, Gaël MOURET,
Jean-François ROUX
17, avenue du Hoggar
Parc d’activités de Courtabœuf, BP 112
91944 Les Ulis Cedex A, FranceImprimé en France.
© 2008, EDP Sciences, 17, avenue du Hoggar, BP 112, Parc d’activités de Courtabœuf,
91944 Les Ulis Cedex A
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ISBN EDP Sciences 978-2-86883-975-6Liste des auteurs
Sous la direction de :
– Jean-Louis COUTAZ, professeur, Laboratoire IMEP-LAHC, université
de Savoie, Le Bourget du Lac
– Robin BOQUET, professeur, Laboratoire de physico-chimie de
l’atmosphère, université du Littoral, Dunkerque
– Nicolas BREUIL, ingénieur, Thalès Airborne Systems, Élancourt
– Laurent CHUSSEAU, directeur de recherche au CNRS, Institut
d’électronique du Sud, Montpellier
– Paul CROZAT, professeur, Institut d’électronique fondamentale, Orsay
– Jean DEMAISON, directeur de recherche au CNRS, Laboratoire
PHLAM, université de Lille I
– Lionel DUVILLARET, professeur, Laboratoire IMEP-LAHC, Institut
national polytechnique de Grenoble
– Guilhem GALLOT, chargé de recherche au CNRS, Laboratoire
d’optique et biologie, École polytechnique, Palaiseau
– Frédéric GARET, maître de conférences, Laboratoire IMEP-LAHC,
université de Savoie, Le Bourget du Lac
– Jean-François LAMPIN, chargé de recherche au CNRS, Institut de
microélectronique et nanotechnologie du Nord, Villeneuve d’Ascq
– Didier LIPPENS, professeur, Institut de microélectronique et
nanotechnologie du Nord, Villeneuve d’Ascq
– Juliette MANGENEY, maître de conférences, Institut d’électronique
fondamentale, Orsay
– Patrick MOUNAIX, chargé de recherche au CNRS, Laboratoire
CPMOH, université de Bordeaux
– Gaël MOURET, maître de conférences, Laboratoire de physico-chimie
de l’atmosphère, université du Littoral, Dunkerque
– Jean-François ROUX, maître de conférences, Laboratoire IMEP-LAHC,
université de Savoie, Le Bourget du Lac.Avant-propos
Les ondes électromagnétiques térahertz suscitent aujourd’hui un
engouement sans précédent dû aux applications entrevues, dans des domaines aussi
variés que l’environnement, la sécurité, l’imagerie, les télécommunications...
Jusqu’aux années 1990, les études dans le domaine térahertz sont restées
confinées dans des laboratoires spécialistes de l’infrarouge très lointain, à
cause de l’absence de sources et de détecteurs faciles à utiliser. Une
révolution technologique a eu lieu à cette époque avec l’apparition de lasers
commerciaux délivrant des impulsions optiques de durée femtoseconde, qui ont
facilité la génération et la détection des signaux térahertz. Depuis, des
techniques complémentaires ont fait progresser les performances des systèmes
térahertz, si bien que nous sommes actuellement à une époque charnière où
la science térahertz est en train de migrer des laboratoires vers les entreprises
et vers les applications grand public.
Ce livre, destiné à un public de scientifiques (chercheurs ou étudiants de
e3 cycle) et d’ingénieurs non spécialistes du domaine, a pour but de présenter
l’ensemble des principes, des techniques et des applications des ondes
térahertz. Devant l’ampleur des concepts mis en jeu, nous nous sommes limités
à la description des technologies optoélectroniques qui sont aujourd’hui les
plus abouties pour un transfert industriel. Le livre s’articule autour de cinq
parties. La première donne une description globale du domaine. La seconde
décrit les principes physiques de base rencontrés dans le domaine térahertz.
La troisième partie s’intéresse aux composants, et la quatrième partie aux
systèmes et techniques de mesure. Enfin, la dernière partie présente les
applications des ondes térahertz dans le domaine de la sécurité, des
communications, de la santé, de la défense... Ce livre a été rédigé par un ensemble de
spécialistes français. Toutes les différentes contributions ont été harmonisées
pour que le livre soit homogène et ainsi de lecture plus aisée.
Cet ouvrage est le fruit d’une coopération enthousiaste depuis
1l’année 2000 entre ces spécialistes sous l’égide du Club Ecrin qui fédère
les équipes de recherches universitaires et les industriels EADS et THALES
afin de promouvoir les nouvelles technologies dans le domaine térahertz.
1Fondée par le CNRS et le CEA, l’association Ecrin (Échange et coordination
rechercheindustrie) a pour but de rapprocher les laboratoires de recherche et les entreprises pour
accélérer les transferts de technologies et créer de l’innovation (www.ecrin.asso.fr).6 Optoélectronique térahertz
En réalité, cette aventure a commencé en 1988 et elle illustre la puissance
et l’efficacité que peuvent engendrer des relations informelles. En effet, il
fallait alors pallier au manque de sources térahertz au sein des laboratoires.
Daniel Boucher, à l’époque enseignant-chercheur à l’université de Lille, et
Jean-Pierre Gex, directeur commercial d’un GIE CEA-Aérospatiale, se
rencontrèrent autour d’un café et, pour des intérêts évidents, décidèrent très vite
de monter un projet d’une source à électrons libres qui aurait été implantée à
Lille. Ils étaient alors encouragés par Pierre Glorieux, Jean Demaison, Didier
Dangoisse, Robin Bocquet de l’université de Lille. Mais à cette époque, les
lasers femtoseconde firent leur première apparition. Daniel Boucher se dépêcha
d’en acheter un et de monter une expérience de spectroscopie térahertz dans
le laboratoire qu’il venait de créer à l’université du Littoral à Dunkerque,
abandonnant ainsi l’idée du laser à électrons libres. Déjà, suite aux travaux
précurseurs du Laboratoire d’optique appliquée de l’ENSTA à Palaiseau,
quelques laboratoires français (LAHC-Chambéry, IRCOM-Limoges,
CESTACEA) s’étaient lancés dans l’aventure de l’optoélectronique térahertz. Aussi,
Jean-Pierre Gex et Daniel Boucher sentirent la nécessité d’une première
conférence térahertz qu’ils organisèrent à l’Observatoire de Paris en 1999.
Une trentaine de personnes y participèrent dont des représentants de
Thomson (Thalès) et Aérospatiale (EADS). Une grande partie de ces participants
décidèrent de maintenir entre eux des contacts de travail, donnant ainsi
naissance au groupe de travail térahertz dans le cadre du club Ecrin.
Aujourd’hui, ce groupe de travail rassemble une grande partie des acteurs français
de l’optoélectronique térahertz, il se réunit plusieurs fois par an et, dans une
ambiance chaleureuse, monte des projets, recherche le financement de thèses,
organise tous les deux ans les Journées Térahertz et, le térahertz devenant
une technologie à haut potentiel, publie ce livre.
L’ensemble du groupe térahertz dédie ce livre à la mémoire de Daniel
Boucher, récemment disparu, qui a effectué durant plus de trente ans des
travaux de recherche dans le domaine térahertz, motivant jeunes chercheurs
et ingénieurs à s’intéresser à ce domaine spectral, dont il était convaincu du
grand intérêt pour la recherche académique et du haut potentiel de
développement et d’applications.
Jean-Pierre Gex,Ecrin
Gérard-Pascal Piau,EADS
Jean-Louis Coutaz, universitédeSavoieTable des matières
Avant-propos 5
Table des matières 7
I Description générale 13
1 Introduction 15
1.1 Remarquespréliminaires . .. ... .. .. ... .. ... .. . 15
1.2 Infrarouge lointain ou domaine térahertz . . . . . . . . . . . . 20
1.3 Sources de rayonnement térahertz . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.3.1 «Fossé»dutérahertz ... .. .. ... .. ... .. . 21
1.3.2 Sources«classiques» ... .. .. ... .. ... .. . 22
1.3.3 Lasersmoléculaires .. ... .. .. ... .. ... .. . 25
1.3.4 Sourcesoptoélectroniques . . . . . ... .. ... .. . 26
1.3.5 Lasersàcascadequantique .. .. ... .. ... .. . 28
1.3.6 Bilancomparatifetperspectives . ... .. ... .. . 30
1.4 Détecteurs de rayonnement térahertz . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.1 Détecteurs « incohérents » : bolomètres... . . . . . . . 30
1.4.2 Détecteursoptoélectroniques . .. ... .. ... .. . 34
1.5 Interaction entre les ondes térahertz
etlamatière. .. ... .. .. ... .. .. ... .. ... .. . 34
1.6 Applications entrevues et état actuel de leur développement 36
II Principes physiques de base 39
2 Notions physiques de base 41
2.1 Électromagnétisme .. .. .. ... .. .. ... .. ... .. . 41
2.1.1 ÉquationsdeMaxwell ... .. .. ... .. ... .. . 41
2.1.2 Équations de propagation du champ électromagnétique 43
2.1.3 Énergieélectromagnétique . . . . . ... .. ... .. . 45
2.1.4 Électromagnétismenonlinéaire . . ... .. ... .. . 48
2.2 Photonique . .. ... .. .. ... .. .. ... .. ... .. . 548 Optoélectronique térahertz
2.2.1 Énergieduphoton . .. .. ... .. ... .. .. ... 54
2.2.2 Puissance lumineuse et statistique du flux de photons 55
2.3 Interactionlumière-matière . . . . ... .. ... .. .. ... 56
2.3.1 Généralités .. ... .. .. ... .. ... .. .. ... 56
2.3.2 Modèle classique de l’interaction dipolaire . . . . . . . 57
2.3.3 Traitement quantique de l’interaction lumière-atome 59
2.3.4 Lecorpsnoir . ... .. .. ... .. ... .. .. ... 62
2.3.5 Interactionlumière-molécule..