Brevet FR2876465A1 — publié le 20060414

PORTE OPTIQUE TERAHERTZ DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne une porte optique large bande dans le domaine infrarouge lointain ou submillimétrique ou terahertz. Elle concerne également une matrice de portes optiques. Elle est applicable notamment à un détecteur d'impulsions terahertz et à la mesure de ce signal. Elle est également applicable à un générateur terahertz. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE La détection d'impulsions terahertz large bande est réalisée généralement dans des architectures dite TDS pour time domain spectroscopy par: - la mesure du courant induit par l'excitation de photoconducteur par des impulsions lasers ultracourtes. - la mesure de la biréfringence optique induite par effet électro-optique par le rayonnement terahertz dans un cristal non linéaire semi conducteur sur une impulsion laser ultracourte de référence. En ce qui concerne la génération d'impulsions terahertz large bande, on connaît deux procédés: - l'excitation de photoconducteur par des impulsions laser ultracourtes. Le spectre rayonné au cours du transitoire de conduction s'étale facilement sur plusieurs terahertz. le redressement optique dans des matériaux transparents pour la génération de champs terahertz intenses dont l'intensité est proportionnelle à l'excitation optique. Pour obtenir des champs terahertz intenses, le flux électromagnétique est fortement limité dans le cas de la photoconduction du fait de la saturation de l'absorption inter bande. Le réglage de l'illumination du photoconducteur est extrêmement contraint par les dimensions de la zone utile. Dans le cas du redressement optique, le rendement de génération du rayonnement terahertz exige l'utilisation de sources lasers encore plus intenses. Pour cela le recours à des impulsions lasers ultracourtes amplifiées, en général à basse cadence, coûteuses et complexes d'usage, est nécessaire. De plus un réglage critique de détection est indispensable. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention permet de résoudre ces difficultés. L'invention concerne donc une porte optique large bande dans le domaine des terahertz (longueurs d'ondes infra rouge lointain). Elle comporte: une première source optique émettant un premier faisceau dans ledit domaine des terahertz, une première lame en matériau semiconducteur éclairée par ledit faisceau terahertz, une deuxième source optique émettant un deuxième faisceau à une longueur d'onde permettant de saturer la première lame en matériau semiconducteur et de la rendre réflectrice aux longueurs d'ondes terahertz. De préférence, les impulsions du deuxième faisceau sont retardées d'un temps ajustable par rapport aux impulsions terahertz du premier faisceau. Les impulsions du deuxième faisceau sont, en principe, au même taux de répétition que les impulsions terahertz du premier faisceau. Selon une forme de réalisation de l'invention, sur un temps déterminé, les retards des différentes impulsions du deuxième faisceau sont différents de telle façon que ces différentes impulsions explorent différentes positions de temps dans les impulsions terahertz du premier faisceau. Selon une autre forme de réalisation, la porte selon l'invention comporte une deuxième lame en matériau semiconducteur éclairée par un troisième faisceau d'une longueur d'onde permettant de saturer cette deuxième lame et de la rendre réflectrice aux longueurs d'ondes terahertz. Cette deuxième lame est, de préférence, située selon la direction du faisceau terahertz transmis par la première lame. On pourra prévoir que les impulsions du troisième faisceau sont retardées d'un temps constant par rapport aux impulsions du deuxième faisceau. Avantageusement, les longueurs d'ondes du deuxième et du troisième faisceau (FIR, FIR') sont situées dans l'infra rouge. Egalement avantageusement, la première et la deuxième lame sont en silicium. L'invention concerne également une matrice ou une rangée de portes optiques appliquant la porte optique ainsi décrite. Le premier et/ou le deuxième faisceaux éclairent alors sélectivement différentes zones de la plaque en matériau semiconducteur, chaque dite zone constituant une porte optique. L'invention concerne également un système de mesure appliquant la porte ainsi décrite. Ce système de mesure comporte un appareil de détection optique et de mesure de signal situé selon la direction du faisceau terahertz réfléchi par la première lame. Selon une variante de réalisation, ce système de mesure comporte un appareil de détection optique et de mesure de signal situé sur la direction du faisceau terahertz transmis par la deuxième lame. L'invention concerne également un générateur terahertz appliquant la porte optique décrite précédemment. Ce générateur comporte une première cavité terahertz comportant un milieu à gain situé dans une deuxième cavité laser et pompé par le signal de cette deuxième cavité. La première cavité comporte en outre une plaque en matériau semiconducteur susceptible d'être éclairée à saturation par des impulsions optiques fournies par la première cavité. Pour avoir un synchronisme de pompage des deux cavités on prévoira que la première cavité et la deuxième cavité ont des longueurs optiques équivalentes. Par ailleurs, on pourra prévoir avantageusement que la deuxième cavité laser est une cavité fonctionnant dans la gamme de l'infra rouge. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les différents objets et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement dans la description qui va suivre ainsi que dans les figures annexées qui représentent: la figure la, une porte optique permettant de mesurer l'énergie d'un signal terahertz, la figure lb, un chronogramme de fonctionnement de la porte de la figure la, - la figure 2a, une double porte optique permettant de mesurer l'énergie et le retard d'un signal terahertz, la figure 2b, un chronogramme de fonctionnement du système de la figure 2a, - la figure 3, l'application de l'invention à un exemple de générateur terahertz, et - la figure 4, un système matriciel de portes optiques. EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'invention est basée sur l'utilisation de la photoconduction de matériaux semi- conducteurs pour manipuler un rayonnement sub--millimétrique. En se reportant aux figures la et lb, on va, tout d'abord, décrire une architecture extra cavité dans laquelle un faisceau terahertz est intercepté par une lame de semi-conducteur. Une source optique 2 émet un faisceau optique FTHz dans le domaine de l'infra rouge lointain (bande de longueur d'onde des terahertz) qui éclaire une lame en matériau semiconducteur 1. Par ailleurs, la lame 1 peut être éclairée par un faisceau infra rouge FIR émis par une source infra rouge 3. La lame en matériau semiconducteur peut être saturée par ce rayonnement infra rouge FIR et lorsqu'elle est saturée, elle devient réfléchissante à la lumière du faisceau terahertz FTHz. En l'absence de rayonnement infrarouge, la lame 1 est transparente (ou quasi-transparente) au faisceau terahertz FTHz. Un dispositif 4 permet de collecter et de détecter la lumière qui est transmise par la lame 1. Ce dispositif 4 transmet un signal électrique correspondant à un appareil de mesure 5. La figure lb représente un chronogramme de fonctionnement du système de la figure la. Le premier diagramme des temps représente des impulsions terahertz transmises à la lame en matériau semiconducteur 1; Le deuxième diagramme des temps représente des impulsions infrarouges FIR destinées à rendre réfléchissante la lame 1. Ces impulsions FIR sont décalées dans le temps par rapport aux impulsions terahertz FTHz d'un retard variable tO.1, tO.2, etc. Le temps de réponse en réflectivité du matériau semiconducteur de la lame 1 (représenté par le troisième diagramme) est court devant la montée du champ terahertz. De plus, le matériau semiconducteur de la lame 1 présente un temps de descente en réflectivité 30 long devant la durée d'une impulsion terahertz, mais 20 25 plus court que la période de répétition des impulsions terahertz. La lame 1 fait office de miroir métallique large bande (ou porte optique large bande) et réfléchit alors l'énergie, avec une très grande efficacité (supérieure à 80%) vers un détecteur large-spectre à grande constante de temps (éventuellement un bolomètre). Le quatrième diagramme des temps représente le signal terahertz T transmis par la lame 1. Le cinquième diagramme des temps représente le signal terahertz R réfléchi par la lame 1. De préférence, le signal d'impulsions FIR est à un même taux de répétition que le signal d'impulsions FTHz et est avantageusement dérivé de ce signal. Les impulsions telles que FIRI sont synchronisées avec les impulsions telle que THzl en présentant les retards indiqués ci-dessus. Selon l'invention, on fait varier les retards tels que tO.1. Les temps tO. 1, tO.2 sont donc différents les uns des autres et ils sont de préférence en progression constante. Les mesures des faisceaux réfléchis R effectuées par l'appareil de mesure 5 pour un grand nombre d'impulsions (THzl) du faisceau terahertz FTHz permettent ainsi d'obtenir l'intégrale du signal terahertz. Une simple dérivation permet de reconstruire le signal en énergie résolu en temps. La figure 2a représente une variante du système de la figure la dans laquelle deux lames 1 et 1' en matériau semiconducteur sont disposées en série selon la direction du faisceau terahertz émis par la source 2. Chaque porte est éclairée indépendamment par des impulsions infrarouges émises par des sources 3 et 3'. Comme précédemment, les impulsions FIR émises par la source 3 sont décalées dans le temps par rapport aux impulsions terahertz FTHz. Ce retard varie. Sur la figure 2b, on voit ainsi que les impulsions FIR1, FIR2 ont des retards tO.1, tO.2 respectivement avec les impulsions terahertz. Les impulsions telles que FIR'1, FIR'2 émises par la source 3' ont un retard constant par rapport aux impulsions émises par la source 3. Ces impulsions FIR'1, FIR'2 sont retardés respectivement de tl.1, tl.2 par rapport aux impulsions terahertz. Durant l'éclairement de la lame 1 par les impulsions FIR, la lame 1 réfléchit les impulsions terahertz sous la forme des impulsions R1, R2, R3 (voir figure 2b). La lame 1 permet ainsi de découper les impulsions terahertz et de ne transmettre à la deuxième lame 1' que les portions d'impulsions terahertz comprises entre les flancs avant des impulsions terahertz et les flancs avant des impulsions FIR, c'est-à-dire durant les retards tO.l et tO.2 (voir les deuxième et troisième diagrammes des temps de la figure 2b). La lame 1' ne reçoit donc que les impulsions terahertz transmises par la lame 1. La lame 1' est rendue réfléchissante (quatrième diagramme de la figure 2b) par les impulsions FIR'. Elle reste réfléchissante durant un temps qui excède la durée des impulsions FIR'. Le flanc avant des impulsions FIR'1, FIR'2 découpent donc dans les impulsions terahertz transmises par la lame 1, des impulsions T' qui sont transmises et des impulsions R' qui sont réfléchies (voir sixième et septième diagramme de la figure 2b). On voit donc sur le septième diagramme de la figure 2b que la durée des impulsions terahertz réfléchies par la lame 1' est définie par les flancs avant des impulsions FIR et FIR'. Les séries d'impulsions FIR1, FIR2 et FIR'1, FIR'2 sont décalées dans le temps d'un retard constant (voir précédemment). Il en résulte que la durée des impulsions R' réfléchies par la deuxième lame 1' est constante. Chaque lame 1 et 1' constituant une porte, une fraction de chaque impulsion terahertz est donc réfléchie en R' lorsque la lame 1 n'est pas réfléchissante et lorsque la lame 1' est réfléchissante. Le système réfléchit des impulsions terahertz R' correspondant chacune à une fraction d'une impulsion terahertz. Ces différentes impulsions terahertz R' sont localisées à des instants différents dans les impulsions terahertz d'entrée FTHz successives en raison des variations des retards t0.1, t0.2 d'une part et tl.1 et tl.2 d'autre part. Les impulsions T'1, T'2, T'3 sont collectées et détectée par le dispositif 6 qui transmet des impulsions électriques correspondantes à un circuit de traitement 7. Dans ces conditions, on a accès à deux informations sur le champ terahertz: - le carré du champ dans le temps, - et le retard. Ces deux informations permettent de remonter aussi à une description complète du champ (amplitude et phase). En faisant varier le retard t, on reconstruit alors directement avec le détecteur le signal, avec une ouverture suffisamment brève pour limiter la notion bruit. On voit donc que la porte optique selon l'invention placée devant un détecteur intégrateur ultrasensible (bolomètre) permet de détecter un rayonnement. Le système de détection d'impulsions terahertz selon l'invention ainsi décrit est aussi sensible que les systèmes exploitant les photoconducteurs ou l'effet électro-optique. Le système de l'invention présente en outre l'avantage de ne nécessiter aucun réglage particulier du détecteur situé derrière la porte optique. En se reportant à la figure 3, on va 25 maintenant décrire une application de l'invention à un générateur terahertz. L'obtention de flux intenses en terahertz sans avoir recours à des systèmes laser amplifiés peut se concevoir par insertion d'un éléments photoconducteurs ou de façon plus générale d'un générateur d'onde terahertz à l'intérieur d'une cavité fonctionnant en régime pulsé haute cadence (idéalement un laser à modes bloqués en régime femtoseconde dans l'infra rouge). L'énergie du champ rayonné en terahertz est modeste mais à haute cadence, correspond à celle de l'oscillateur. Une cavité peut être construite de façon à collecter et accumuler cette onde de façon synchrone (ou sous synchrone) avec l'oscillateur si les longueurs de cavité sont compatibles. On prévoira de préférence des longueurs de cavités équivalentes pour la cavité laser et pour la cavité terahertz de façon à avoir ce synchronisme. La difficulté technologique de cette sur-cavité est relativement modeste étant donné les longueurs d'ondes relativement longues en terahertz et la durée de quelques picosecondes de l'impulsion terahertz. Il s'agit en fait de la réalisation d'un oscillateur paramétrique optique synchrone (OPO synchrone) dans le domaine terahertz. Cette cavité à fort pouvoir de surtension peut être munie d'un foyer intra cavité auxiliaire, d'une lame de semi-conducteur inclinée à l'angle de Brewster pour limiter les pertes. Dans ces conditions, une impulsion de la cavité laser primaire (optique) correctement retardée dans le temps et sélectionnée par un moyen annexe est envoyée sur la lame en matériau semiconducteur 9. Ce qui a pour conséquence de transformer la lame en un miroir réfléchissant qui, si le temps de réponse est suffisamment court pour revenir au repos après chaque extraction (et ainsi maintenir un taux de récurrence de génération du rayonnement terahertz intéressant), fait alors office d'extracteur de cavité. Une telle architecture compacte permet de délivrer des puissances terahertz comparables à des systèmes incluant des amplificateurs pour les lasers infra rouge. On voit donc que la porte selon l'invention permet d'extraire d'une cavité de stockage la quasi totalité du rayonnement large spectre d'une source pulsée (fonction extracteur de cavité) Ce générateur terahertz constitue une alternative à l'utilisation d'impulsions lasers ultracourtes amplifiées fonctionnant à plus basses cadences pour la génération d'ondes terahertz intenses. L'invention est également applicable à une matrice de portes optique. Pour cela, comme cela est représenté sur la figure 4, une plaque 1 en matériau semiconducteur est considérée comporter une matrice de zones 1.0, 1.1, 1.n. Chaque zone est susceptible d'être éclairée sélectivement par un ou plusieurs faisceaux terahertz et par un ou plusieurs faisceaux infra rouge. Chaque zone de la plaque 1 constitue une porte optique et l'éclairage simultané d'une zone par un faisceau terahertz et par un faisceau infrarouge permet d'activer la porte correspondant à cette zone. A titre d'exemple, sur la figure 4, la source optique 3 fournit un faisceau FIR qui éclaire toute la surface de la plaque 1 et qui prépare le fonctionnement de toutes les portes. La source optique 2 fournit un faisceau FTHz qui éclaire sélectivement les zones 1. 0 à 1.n de la plaque 1 et qui déclenche le fonctionnement individuel de chaque porte. D'autres modes d'exploitations pourraient être envisagés sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Porte optique large bande dans le domaine des terahertz (longueurs d'ondes infra rouge lointain) caractérisée en ce qu'il comporte une première source optique (2) émettant un premier faisceau (FTHz) dans ledit domaine des terahertz, une première lame en matériau semiconducteur (1) éclairée par ledit faisceau terahertz, une deuxième source optique (3) émettant un deuxième faisceau (FIR) à une longueur d'onde permettant de saturer la première lame (1) en matériau semiconducteur et de la rendre réflectrice aux longueurs d'ondes terahertz. 2. Porte optique selon la revendication 1, caractérisée en ce que les impulsions (FIR1, FIR2) du deuxième faisceau sont retardées d'un temps ajustable par rapport aux impulsions (THz1, THz2, THz3) du premier faisceau. 3. Porte optique selon la revendication 2, caractérisée en ce que les impulsions du deuxième faisceau (FIR) sont au même taux de répétition que les impulsions du premier faisceau (FTHz). 4. Porte optique selon la revendication 3, caractérisée en ce que sur un temps déterminé, les retards des différentes impulsions (FIR1, FIR2) du deuxième faisceau sont différents de telle façon que ces différentes impulsions explorent différentes positions de temps dans les impulsions (THzl, THz2, THz3). 5. Porte optique selon la revendication 4 30 caractérisée en ce qu'elle comporte une deuxième lame en matériau semiconducteur (1') éclairée par un troisième faisceau (FIR') d'une longueur d'onde permettant de saturer cette deuxième lame (1') et de la rendre réflectrice aux longueurs d'ondes terahertz, cette deuxième lame étant située selon la direction du faisceau terahertz transmis par la première lame (1). 6. Porte optique selon la revendication 5, caractérisée en ce que les impulsions (FIR'1, FIR'2, FIR'3) du troisième faisceau sont retardées d'un temps constant par rapport aux impulsions (FIR1, FIR2) du deuxième faisceau. 7. Porte optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que les longueurs d'ondes du deuxième et du troisième faisceau (FIR, FIR') sont situées dans l'infra rouge. 8. Porte optique selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que la première et la deuxième lame (1, 1') sont en silicium. 9. Matrice ou rangée de portes optiques appliquant la porte optique selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisée en ce que le premier et/ou le deuxième faisceaux (FTHz, FIR) éclairent sélectivement différentes zones (1.0 à l.n) de la plaque (1) en matériau semiconducteur, chaque dite zone constituant une porte optique. 10. Système de mesure appliquant la porte selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte un appareil de détection optique et de mesure de signal (4, 5) situé selon la direction du faisceau terahertz (R) réfléchi par la première lame (1). 11. Système de mesure appliquant la porte selon l'une quelconque des revendications 5 à 9, caractérisé en ce qu'il comporte un appareil de détection optique et de mesure de signal (6, 7) situé selon la direction du faisceau terahertz (T') transmis par la deuxième lame (1'). 12. Générateur terahertz appliquant la porte selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte une première cavité terahertz comportant un milieu à gain (8) situé dans une deuxième cavité laser et pompé par le signal de cette deuxième cavité, la première cavité comportant en outre une plaque en matériau semiconducteur (9) susceptible d'être éclairée à saturation par des impulsions optiques fournies par la première cavité. 13. Générateur selon la revendication 12, caractérisé en ce que la première cavité et la deuxième cavité ont des longueurs optiques équivalentes. 14. Générateur terahertz selon la revendication 12, caractérisé en ce que la deuxième cavité laser est une cavité fonctionnant dans la gamme de l'infra rouge.