Brevet FR2904154A1 — publié le 20080125

- 1 - " Procédé et dispositif pour créer une source de rayonnement pulsée dans le domaine des térahertz, et application mettant en oeuvre un tel procédé." La présente invention se rapporte à un procédé pour créer une source cohérente de rayonnement pulsée dans le domaine des térahertz (THz) à partir d'une source laser ultra-intense émettant des impulsions de durée femtoseconde ou picoseconde. io Le rayonnement térahertz (f>1011 Hertz) s'intercale entre l'infrarouge, domaine de l'optique, et les micro-ondes, domaine de l'électronique. Les récents progrès sur les lasers de haute puissance permettent la réalisation de sources laser térahertz. Parallèlement, de nombreuses applications utilisant le rayonnement térahertz sont progressivement mises en oeuvre. 15 Le rayonnement térahertz interagit fortement avec de nombreux matériaux tels que l'eau, les molécules polaires, les métaux. Par ailleurs de nombreux diélectriques restent absorbants au rayonnement térahertz. Par contre, les matériaux non polaires, non métalliques et secs sont transparents au rayonnement térahertz. 20 Le rayonnement térahertz peut avantageusement être utilisé dans le domaine de la communication, spectroscopie ou encore de l'imagerie médicale. Toutefois, en imagerie médicale par exemple, on rencontre de nombreuses difficultés liées à la faible résolution, faible pénétration dans l'échantillon. Dans la plupart des dispositifs, le rayonnement térahertz 25 parcourt un chemin assez long entre l'émetteur, l'échantillon et le récepteur. Ceci est préjudiciable puisqu'il impose l'utilisation d'une source de très forte puissance pour pallier l'atténuation dans le parcours d'autant plus que ce rayonnement THz est grandement absorbé par de la vapeur d'eau présente dans le parcours. Pour y remédier, on peut se limiter aux applications où la 30 propagation a lieu dans des milieux transparents ou utiliser une source térahertz de grande puissance. En ce qui concerne les sources térahertz, on connaît de nombreux procédés permettant d'obtenir un rayonnement THz à partir d'une source laser. 2904154 - 2 - Une première méthode consiste à irradier un semi-conducteur polarisé par un champ électrique statique externe. Le changement quasi instantané de la densité de porteurs induit par la source laser en présence d'une tension de polarisation produit l'émission d'un champ électromagnétique dans le domaine 5 THz. Cette émission est transmise dans l'espace libre par l'intermédiaire d'une antenne. Dans une variante de cette première méthode, l'émission THz est obtenue à partir de la surface d'un semiconducteur irradiée par un laser en tirant avantage du fait qu'il existe un fort champ électrique de surface. Une troisième méthode utilise la rectification optique dans un matériau électro-optique. La rectification optique d'une impulsion laser conduit à la génération d'une impulsion enveloppe qui donne lieu au rayonnement THz. Dans une quatrième méthode, une impulsion THz est obtenue par focalisation dans l'air d'une impulsion laser. En plaçant un champ statique au foyer du faisceau laser, on obtient un courant de polarisation dû à l'ionisation de molécules d'air. Ce courant de polarisation induit par le laser provoque un rayonnement THz. Une telle méthode est notamment décrite dans le document Generation of terahertz pulses by photoionization of electrically biased air T. Lôffler et al., Applied Physics Letters 77, p.453-455, 2000. Cependant, toutes ces méthodes de l'art antérieur sont difficiles à mettre en oeuvre. Elles nécessitent un alignement très précis du faisceau laser. Les première et quatrième méthodes nécessitent en outre une source de tension continue externe. Les seconde et troisième méthodes sont limitées par les seuils de dégât provoqués par le laser. Elles conduisent à des puissances émises faibles. Enfin toutes les méthodes décrites utilisent des antennes paraboliques pour extraire et collimater le rayonnement THz dans l'espace libre. Elles produisent une source THz locale qui souffre d'une forte atténuation à cause des bandes d'absorption de la vapeur d'eau présente dans l'air dans ce domaine de fréquence. La présente invention a donc pour but la réalisation d'une source THz utilisant un laser, simple à mettre en oeuvre. L'invention a également pour but 2904154 - 3 - la création d'une source THz dont le rayonnement ne souffre pas du problème lié à l'atténuation, ceci pour permettre l'irradiation d'une cible distante. On atteint au moins l'un des buts précités avec un procédé pour créer une source de rayonnement pulsée dans le domaine des térahertz, dans 5 lequel on utilise une source laser ultra-intense pour engendrer une propagation d'impulsions laser ultra-intenses dont on règle l'intensité et la durée de telle sorte que l'on crée un filament ou filament de lumière selon un processus dit de filamentation. En effet, au cours de la propagation d'impulsions laser intenses et de courte durée (P> 1010 GW), des filaments de io lumière dont l'intensité dépasse 1013 W/cm2 sont formés le long de l'axe de propagation. A ce niveau d'intensité le milieu s'ionise sur le front avant de l'impulsion et voit son indice modifié ce qui a pour conséquence de modifier la propagation de l'impulsion même. Ce phénomène, initié par l'effet Kerr optique (autofocalisation), résulte d'un équilibre dynamique entre la 15 focalisation par effet Kerr, la défocalisation par le plasma créé dans le milieu et la diffraction de l'onde optique. Il en résulte un filament de lumière intense, de longueur limitée, d'un diamètre quasi constant de l'ordre d'une centaine de micromètres, une sorte de structure autoguidée apte à se propager sur une distance dépassant de un à plusieurs ordres de grandeur la distance de 20 Rayleigh. Dans ces conditions, une colonne de plasma constitués d'ions et d'électrons apparaît dans le sillage de l'impulsion laser. L'apparition de ces charges électriques est à l'origine de la source de rayonnement térahertz selon un cône d'émission étroit dirigé selon l'axe de propagation des impulsions laser ultra-intenses. La source de rayonnement térahertz est 25 constituée par l'ensemble des sections ponctuelles du filament. Dans ce qui suit, on désigne par filament la colonne de plasma apparue au passage de l'impulsion ultra-intense et qui persiste bien après le passage de l'impulsion. La colonne de plasma ou filament émet spontanément des impulsions 30 électromagnétiques dans la gamme comprise entre 10 GHz et plusieurs THz. Jusqu'ici, cette émission THz a été observée perpendiculairement à l'axe du filament, en accord avec des modèles théoriques. La présente invention est notamment remarquable par le fait qu'on a identifié une source de rayonnement THz, issue du filament de lumière. Cette 2904154 - 4 - source émet un rayonnement THz qui est parallèle à l'axe de propagation du faisceau laser et qui a la particularité d'être beaucoup plus intense et d'avoir un diagramme de rayonnement fortement piqué vers l'avant. 5 Le procédé selon la présente invention est très simple à mettre en oeuvre. Il ne nécessite aucun alignement précis. De préférence, on crée le filament dans un milieu qui est transparent au rayonnement THz. Ce milieu, de nature gazeuse, solide ou liquide, peut avantageusement être l'air de l'atmosphère. Le filament est donc produit dans l'air sans qu'il soit nécessaire io d'introduire une tension de polarisation. L'émission THz est de courte durée, elle possède un diagramme de rayonnement fortement piqué vers l'avant, ce qui correspond à une source collimatée sans qu'il soit nécessaire d'utiliser une antenne parabolique comme dans l'art antérieur. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, on irradie une 15 cible éloignée de plusieurs kilomètres en pointant la source laser, afin de placer la source de rayonnement térahertz à proximité de la cible. Avec la présente invention, on peut donc irradier une cible lointaine sans atténuation du rayonnement THz du fait de la diffraction ou de l'absorption au cours de la propagation dans l'air. 20 Selon un mode de mise en oeuvre avantageux de l'invention, on déplace la source de rayonnement térahertz en déplaçant ledit filament le long de l'axe de propagation du faisceau laser tout en maintenant la source laser fixe. Cette source THz peut donc être facilement manipulée contrairement aux dispositifs de l'art antérieur. Pour déplacer ce filament on peut modifier : 25 - la phase temporelle des impulsions laser ultra-intenses, et/ou - le diamètre du faisceau laser, et/ou - le degré de convergence du faisceau laser. Par ailleurs, on peut également déplacer la source de rayonnement térahertz dans un plan transverse à l'axe de propagation des impulsions laser 30 ultra-intenses, et plus généralement dans tout l'espace (déplacement en trois dimensions) en modifiant le pointé de la source laser ainsi qu'en modifiant ses caractéristiques comme indiqué ci-dessus. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, on peut engendrer une pluralité de filaments parallèles de façon à créer une matrice 2904154 - 5 - de sources THz. Les sources térahertz de cette matrice peuvent toutes être activées en même temps ou les unes après les autres. Avec un tel procédé selon l'invention, de nombreuses applications peuvent être mises en oeuvre telles que par exemple : 5 - la réalisation de l'imagerie térahertz, - la détection de molécules polaires, et - la détection de tissus biologiques. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement io limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : - La figure 1 est une vue schématique simplifiée d'un système de mise en oeuvre du procédé selon la présente invention, et - La figure 2 est un diagramme de rayonnement d'un filament. Sur la figure 1 on voit une source laser ultra-intense 1 composée d'un 15 oscillateur laser, d'un étireur d'impulsion, d'un ou plusieurs étages d'amplification et d'un compresseur d'impulsion, ou tout autre type de laser ultra-intense. Cette source laser 1 est paramétrée de façon à ce que le faisceau laser 2 émis présente les caractéristiques suivantes : - une puissance de plusieurs dizaines à plusieurs milliers de gigawatts, 20 - une énergie de quelques dizaines à quelques centaines de millijoules, - une durée de quelques dizaines à quelques milliers de femtosecondes. Ce faisceau 2 traverse un système optique 3 composé de lentilles ou de 25 miroirs destiné à modifier : - le diamètre du faisceau laser, et la courbure de l'onde du faisceau laser. Le faisceau laser 2 se propage ensuite dans l'air. Selon le processus de filamentation, il se crée un filament 5, c'est-à-dire une colonne de plasma le 30 long du faisceau laser, de section sensiblement égale à une centaine de micromètres et de longueur de l'ordre de quelques décimètres à quelques décamètres. Ce filament émet spontanément des impulsions électromagnétiques dans la gamme comprise entre 10GHz et plusieurs THz. Avantageusement, une section ponctuelle 4 du filament 5 constitue alors une 2904154 - 6 - source de rayonnement THz. Contrairement aux modèles théoriques, cette source ponctuelle 4 émet un rayonnement THz 6 parallèle à l'axe de propagation du faisceau laser 2. Ce rayonnement est mesuré à l'aide d'un radiomètre (non représenté sur la figure 1) à détection directe dans la bande 5 des 10 GHz ou détection hétérodyne dans la bande THz. Le diagramme du rayonnement THz 6 est fortement piqué vers l'avant comme on peut le voir sur la figure 2. On voit clairement sur la figure 2 que le rayonnement THz se fait dans la même direction que le rayonnement laser. On peut considérer que la source THz 4 est sur l'axe du filament 5 qui se trouve à une distance Z1 du io système optique 3. On peut modifier Z1 en déplaçant le filament 5. Pour ce faire, on peut modifier soit la phase temporelle de l'impulsion laser 2, soit le diamètre du faisceau laser 2, soit son degré de convergence. Le déplacement du filament 5 signifie également le déplacement de la source THz 4. Avec le système, selon l'invention, on peut ainsi déplacer la source THz 4 jusqu'à une 15 cible que l'on souhaite irradier. La source THz 4, selon la présente invention, ne souffre donc pas de l'atténuation que subit normalement un rayonnement THz dans l'air due à la diffraction ou à l'absorption sur de longues distances. La source, selon l'invention, peut être produite à grande distance de l'utilisateur, près de l'objet ou de la cible à irradier. 20 De nombreuses applications peuvent être mises en oeuvre avec le procédé, selon l'invention, notamment dans le domaine de la spectroscopie, de l'imagerie médicale, ou encore des communications. On sait que les molécules polaires sont fortement couplées au champ THz et donnent ainsi une signature caractéristique de leur présence. Ceci permet, par exemple, la détection 25 de gaz tel que le sarin ou la mesure de la pollution de l'atmosphère. Par ailleurs, les tissus biologiques présentent des signatures distinctes au rayonnement THZ. On peut aussi utiliser le rayonnement THz pour le diagnostic de gènes ou pour observer l'image de tumeurs cancéreuses. Un autre domaine d'application peut être la sécurité dans lequel l'on 30 souhaite détecter des articles de contrebande, des explosifs ou des armes chimiques dissimulés dans des colis. On peut aussi utiliser le procédé selon l'invention pour l'imagerie des dents, l'imagerie des circuits intégrés, ou encore le comptage des billets de banque. 2904154 - 7 - Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1. Procédé pour créer une source (4) de rayonnement pulsée dans le domaine des térahertz, dans lequel on utilise une source laser ultra-intense (1) pour engendrer une propagation d'impulsions laser ultra-intenses (2) dont on règle l'intensité et la durée de telle sorte que l'on crée un filament (5) selon un processus dit de filamentation; la source (4) de rayonnement térahertz (6) étant constituée par l'ensemble des sections ponctuelles dudit filament (5), ladite source (4) de rayonnement térahertz émettant un rayonnement térahertz (6) selon un cône d'émission dirigé selon l'axe de propagation des impulsions laser ultra-intenses (2). 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on crée le filament dans un milieu transparent. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce que le milieu transparent est l'air. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 20 caractérisé en ce qu'on irradie une cible éloignée de la source laser ultra-intense (1) en plaçant la source (4) de rayonnement térahertz à proximité de la cible. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 25 caractérisé en ce qu'on déplace la source (4) de rayonnement térahertz en déplaçant ledit filament (5) le long de l'axe de propagation des impulsions laser ultra-intense (2). 6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce qu'on déplace 30 ledit filament (5) en modifiant la phase temporelle des impulsions laser ultra-intense (2). 30 2904154 - 9 - 7. Procédé selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce qu'on déplace ledit filament (5) en modifiant le diamètre du faisceau laser (2) sortant de ladite source laser ultra-intense (1). s 8. Procédé selon l'une des revendications 5 à 6, caractérisé en ce qu'on déplace ledit filament en modifiant le degré de convergence du faisceau laser sortant de ladite source laser ultra-intense (1). 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, io caractérisé en ce qu'on déplace la source (4) de rayonnement térahertz dans un plan transverse à l'axe de propagation des impulsions laer ultra-intenses (2). 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, 15 caractérisé en ce qu'on engendre une pluralité de filaments de façon à créer une matrice de sources térahertz. 11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que les sources térahertz de cette matrice émettent toutes en même temps ou les unes après les autres. 12. Application d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes pour la réalisation de l'imagerie térahertz. 13. Application d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 pour la détection de molécules polaires. 14. Application d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 pour la détection de tissus biologiques. 15. Dispositif pour créer une source (4) de rayonnement pulsée dans le domaine des térahertz ; ce dispositif comprenant une source laser ultra-intense (1) pour engendrer une propagation d'impulsions ultra-intenses (2), des moyens pour régler l'intensité et la durée des impulsions laser de telle 2904154 - 10 - sorte que l'on crée un filament (5) selon un processus dit de filamentation, la source (4) de rayonnement térahertz étant constituée par une section ponctuelle dudit filament, ladite source (4) de rayonnement térahertz émettant selon un cône d'émission dirigé selon l'axe de propagation des 5 impulsions laser ultra-intenses (2).