De la lumière térahertz en quantité industrielle
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Résumé : À la fin des années 2000, l’apparition des sources térahertz impulsionnelles intenses a fait émerger de nouveaux champs d’application destinés principalement à la science fondamentale. Cependant, des sources plus efficaces et faciles à mettre en œuvre sont nécessaires pour réellement propulser la recherche sur les THz. Nous avons développé dans notre laboratoire une source THz intense, brillante et avec la plus grande efficacité de génération THz jamais atteinte dans sa catégorie. Utilisant un système laser simple de type industriel, la source THz développée à l’ÉTS contribue à la démocratisation de ce domaine. Elle ouvre désormais de nombreuses perspectives, de l'interaction intense lumière-matière à l’imagerie THz multispectrale. Mots clés : Photonique, Laser, Rayonnement térahertz, Science ultrarapide
Une nouvelle source térahertz impulsionnelle
La lumière térahertz (THz) est caractérisée par des ondes électromagnétiques dont les fréquences se situent entre l’infrarouge (IR) et les micro-ondes. Ainsi, les oscillations des champs électriques et magnétiques associées au rayonnement THz ont des fréquences comprises entre 0,1 THz et 10 THz (soit des longueurs d’onde entre 3 mm et 30 µm). L’apparition des lasers impulsionnels femtosecondes dans les années 1980 a contribué au développement de sources impulsionnelles THz caractérisées par une oscillation unique du champ électrique. Ces impulsions THz possèdent de nombreux avantages : elles couvrent une large bande de fréquences et leurs courtes durées (de l’ordre d’une picoseconde, soit 10-12 seconde) permettent d’étudier les phénomènes physiques ultrarapides. Générées efficacement, ces ondes THz possèdent une très haute intensité, car toute l’énergie est distribuée sur un temps très court. Ce dernier aspect attire particulièrement l’attention de la communauté scientifique dans le but de modifier dynamiquement l’état de la matière [1] : par exemple pour les mémoires d’ordinateurs ultrarapides du futur [2]. Cependant, ces sources THz sont généralement réservées aux grands centres de recherche disposant d’infrastructures laser complexes. À l’ÉTS, nous avons conçu une source THz très efficace qui combine une intensité et une puissance moyenne particulièrement élevées [3]. Surtout, elle nécessite un laser impulsionnel conçu à l’origine pour des applications industrielles donc fiable et relativement peu onéreux.
Les points clés d’une source innovante
La performance remarquable de notre source repose sur la combinaison de quatre éléments clés (Figure 1) :
– Un laser IR à haut taux de répétition émettant des impulsions énergétiques et théoriquement de durée idéale pour la génération d’ondes THz (c’est-à-dire 300 femtosecondes, soit 300 x 10-15 seconde).
– L’émission efficace d’ondes THz par redressement optique : une technique qui fait interagir dans un cristal deux photons (grain de lumière) IR de fréquences légèrement différentes. La différence de fréquence entre ces deux photons correspond à la fréquence du photon THz émis. Pour améliorer le rendement de ce processus de génération, les impulsions laser sont accordées en phase dans le cristal grâce à un miroir en forme d’escalier composé de plusieurs marches micrométriques, relativement facile à intégrer dans notre système optique.
– Un dispositif optique innovant pour collecter et concentrer parfaitement le rayonnement THz vers les différents éléments de mesures.
– Une méthode unique de détection du rayonnement THz grâce à la mise en forme d’une sonde ultrarapide (voir la Figure 2) [4]. À la manière d’un stroboscope, l’information est décomposée en plusieurs séquences pour mesurer l’évolution temporelle du champ électrique de l’onde THz. Ainsi, cette méthode offre une résolution temporelle inférieure à la picoseconde (soit 10-12 seconde), c’est-à-dire environ 1000 fois plus rapide qu’un oscilloscope standard.
Figure 1 : Schéma du dispositif expérimental utilisé pour générer et détecter la lumière THz.
Figure 2 : Évolution temporelle du champ électrique de l’impulsion THz généré avec en insert son spectre en fréquence normalisé.
Qu’est-ce qui différencie notre source des autres ?
Notre source THz a une efficacité de conversion record (énergie IR en énergie THz) de 1,3 % à la température ambiante. Grâce aux points clés ci-dessus, cette source allie une puissance moyenne élevée (74 mW) et un champ électrique pulsé intense de 400 kV/cm, ce qui en fait une source à très grande luminosité. Sa large gamme de fréquences émises correspond à la zone la plus convoitée et la plus difficile d’accès pour les scientifiques, à savoir de 0,1 à 3 THz (voir Figure 2). Afin d’apprécier ses performances, le graphique ci-dessous (voir Figure 3) compare les caractéristiques des sources les plus performantes développées à ce jour, basées sur la même méthode de génération. Ainsi, l’efficacité record de notre source la rend très concurrentielle par rapport aux autres sources THz qui nécessitent généralement des installations laser complexes.
Figure 3 : Les performances des sources THz impulsionnelles les plus remarquables de ces dernières années, basées sur une méthode de génération similaire à la nôtre.
Retombées et perspectives
En résumé, les caractéristiques remarquables de notre source de lumière THz, font d’elle une source impulsionnelle parmi les plus performantes au monde. Il pourrait tout à fait être possible d’augmenter son intensité et sa luminosité dans un futur proche en utilisant des lasers encore plus énergétiques et puissants. Sa haute intensité facilite l’accès aux fortes interactions entre la lumière THz et la matière, tandis que sa luminosité favorise une détection plus sensible des phénomènes étudiés. Véritable outil scientifique, le dispositif développé ouvre de nouvelles perspectives d’applications. Parmi celles-ci, citons l’émission et l’accélération d’électrons, le développement de dispositifs ultrarapides, ou encore l’imagerie THz haute résolution dans un régime non linéaire.
Information supplémentaire
Pour plus d’informations sur cette recherche, vous pouvez consulter les articles suivants :
[3] L. Guiramand, J. E. Nkeck, X. Ropagnol, T. Ozaki, and F. Blanchard, « Near-optimal intense and powerful terahertz source by optical rectification in lithium niobate crystal,” Photonics Research, 10, 340‑346. (2022).
[4] J. E. Nkeck, L. Guiramand, X. Ropagnol, and F. Blanchard, “Broadening, nonlinear filtering, and compression of microjoule energy laser pulses at 1 µm wavelength,” JOSA B 9, 2715-2720 (2021).
