Brevet FR2930651A1 — publié le 20091030

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR GENERER UN RAYONNEMENT TERAHERTZ La présente invention concerne le domaine de la génération de rayonnement dans le domaine des térahertz (THz). Le rayonnement dans le domaine de fréquences du térahertz, que nous appellerons dans la suite du texte � rayonnement THz � présente une fréquence s'étendant de 0,1 à 10 THz, soit une longueur d'ondes allant de 30 micromètres à 3 millimètres, ce qui le place entre le domaine de l'infrarouge et le domaine des microondes. Le rayonnement THz est fortement réfléchi par les métaux et absorbé en particulier par l'eau. Il trouve des applications en imagerie (il traverse des matériaux comme le papier, les vêtements, les polymères sans générer d'ionisation), en spectroscopie, en contrôle non destructif ou encore dans les domaines de la communication ou de l'étude des matériaux. Ce rayonnement a jusque récemment été peu étudié, car la génération de rayonnement THz s'est heurtée à de nombreux problèmes. Certains lasers émettent du rayonnement THz, mais doivent la plupart du temps fonctionner à très basse température (quelques Kelvins). Il s'agit en particulier de lasers à cascade quantique. Des procédés de génération à l'aide d'antennes à base de semi-conducteurs ont également été développés. Ils consistent par exemple à irradier à l'aide d'un laser à impulsions de l'ordre de la femtoseconde (laser femtoseconde) un semi-conducteur placé sous un champ électrique externe. L'irradiation par le laser crée des porteurs de charges (électrons et trous) accélérés par le champ électrique. Le photocourant ainsi généré est à l'origine de l'émission du rayonnement THz. Cette méthode est d'une mise en oeuvre délicate, et nécessite la présence d'électrodes et d'une alimentation électrique. Il est également possible d'obtenir un rayonnement THz de faible puissance en irradiant à l'aide d'un laser femtoseconde la surface d'un matériau semi-conducteur car il existe toujours un faible champ électrique à l'extrême surface du matériau. Les puissances obtenues sont toutefois très faibles. L'invention a pour but de proposer un procédé simple de mise en oeuvre et permettant de générer un rayonnement THz de forte puissance, en évitant notamment l'utilisation de moyens d'alimentation électrique. A cet effet, l'invention a pour objet un procédé de génération de rayonnement dans le domaine de fréquence du térahertz, dans lequel on irradie un matériau diélectrique polé à l'aide d'un laser à impulsions de l'ordre de la femtoseconde. On entend par � matériau polé � un matériau présentant au niveau d'au moins une de ses surfaces un champ électrique rémanent. Par extension, on définit une � surface polée � du matériau comme étant la zone superficielle où le champ électrique rémanent est créé. Le champ électrique rémanent est de préférence orienté perpendiculairement à la surface du matériau. Il est généralement créé par un traitement consistant à placer le matériau chauffé sous un fort champ électrique. Certains verres, cristaux ou polymères sont notamment polés (ont subi un traitement dit de � poling �) pour leur conférer des propriétés en optique non-linéaire, notamment de génération de seconde harmonique. Dans le cas de verres (par exemple de silice amorphe), le champ rémanent est lié à la migration de cations, notamment d'ions alcalins (Li-', Na-', K+...) ou alcalino-terreux (Mgz+, Cal , Sr2 , Bat ...) . Cet appauvrissement local en cations à l'extrême surface du verre crée un champ électrique interne extrêmement intense. On entend par � laser à impulsions de l'ordre de la femtoseconde �, aussi couramment appelé � laser femtoseconde �, un laser dont la durée des impulsions est typiquement comprise entre 1 et 1000 femtosecondes (fs). Les avantages du procédé selon l'invention sont nombreux. Par rapport à un procédé d'irradiation d'un semi-conducteur placé sous un champ électrique externe, il présente l'avantage majeur de ne pas nécessiter d'alimentation électrique ou d'électrodes. Le dispositif est ainsi purement passif. Le poling génère en outre un champ rémanent très fort, car confiné à une épaisseur très faible (parfois de l'ordre de quelques micromètres) : il n'est pas inhabituel de générer des champs de l'ordre du gigavolt par mètre (GV/m). De cette manière, les porteurs de charge créés par l'irradiation (électrons et/ou trous) sont très fortement accélérés, ce qui contribue à créer un rayonnement térahertz de très forte amplitude ou puissance. La mise en oeuvre du procédé selon l'invention est en outre très facile, puisqu'elle ne nécessite pas d'alignement précis du laser femtoseconde. Le matériau diélectrique est de préférence choisi parmi les verres (notamment à base de silice), les vitrocéramiques ou les polymères. Par � verre à base de silice �, on entend des verres dont la composition chimique comprend au moins 50% en masse de SiO2. Les matériaux minéraux sont préférés du fait de leur meilleure résistance aux rayonnements sur le long terme. Les verres, en particulier à base de silice, parmi lesquels figurent le verre de silice (aussi appelé silice amorphe), sont particulièrement avantageux. De préférence, le matériau diélectrique est un verre à base de silice comprenant moins de 1% en masse d'oxydes alcalins, notamment un verre comprenant de la silice et des oxydes alcalino-terreux tels que CaO, MgO, SrO, BaO. La silice pure présente en effet un point de fusion très élevé (plus de 1700°C), ce qui nécessite l'emploi de procédés de fusion très coûteux. L'ajout d'oxydes alcalino-terreux permet de diminuer le point de fusion, et d'employer des procédés de fusion classiquement utilisés en verrerie. Il est ainsi possible d'élaborer ces verres à des températures inférieures ou égales à 1700°C, voire 1600°C. La présence d'oxydes alcalins (Li2O, Na2O, K20) contribue aussi à faciliter la fusion du verre. Leur teneur totale est toutefois de préférence limitée à moins de 1% en masse, car leur présence en forte quantité contribue à diminuer la durée de vie du champ rémanent. Le verre à base de silice peut également contenir d'autres oxydes tels que Al203 ou B203, ce dernier facilitant la fusion. Le verre à base de silice peut avantageusement présenter l'une des compositions décrites dans la demande EP 1 433 758. Le matériau polé peut également comprendre un substrat porteur revêtu d'au moins un revêtement polé. Le revêtement peut être aussi bien de nature minérale (verre, vitrocéramique) qu'organique (polymère). Le matériau diélectrique polé est de préférence sous la forme de substrats plans ou légèrement courbés, ce dernier mode facilitant la focalisation du rayonnement THz. Le matériau polé peut par exemple se présenter sous forme de plaques carrées de 10 cm de côté et d'épaisseur comprise entre 0,5 et 4 mm, ou encore sous forme de disques de quelques centimètres de diamètre. Le poling crée au niveau d'au moins une surface (dite surface polée) du matériau diélectrique un champ électrique rémanent sur une épaisseur de préférence comprise entre 0,5 et 50 micromètres, notamment entre 5 et 20 micromètres. Le traitement de poling consiste généralement à créer une tension de l'ordre de quelques centaines ou milliers de volts au moyen de deux électrodes planes entre lesquelles (et au contact desquelles) est placé le matériau à poler. Généralement, le matériau est chauffé à une température d'environ 100 à environ 500°C, typiquement de l'ordre de 300°C, de manière à favoriser la migration des cations vers la cathode. Le champ électrique rémanent créé par le poling est de préférence compris entre 0,01 et 1 GV/m, notamment entre 0,1 et 1 GV/m(1 GV = 109 V). Ces très forts champs permettent d'obtenir un rayonnement THz de très grande amplitude. La durée des impulsions du laser femtoseconde est de préférence inférieure ou égale à 1 picoseconde, notamment comprise entre 100 et 300 femtosecondes. Cette durée est l'un des principaux paramètres permettant de régler la fréquence du rayonnement THz émis. Le laser femtoseconde est de préférence choisi parmi les lasers à gaz, notamment à CG2 ou à excimère, ou solides, notamment les lasers YAG (grenat d'aluminium et d'yttrium) dopés au néodyme, ou les lasers à semi-conducteur (aussi appelés diodes laser) ou les lasers à fibre, éventuellement associés à des doubleurs, tripleurs ou quadrupleurs de fréquence. Il importe que le rayonnement émis par le laser soit au moins partiellement absorbé par le matériau de manière à générer les porteurs de charges (électrons et trous). Ces derniers sont en effet créés par l'absorption par des électrons de la bande de valence de l'énergie apportée par le rayonnement. L'énergie doit être suffisante pour que ces électrons passent de la bande de valence à la bande de conduction. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le rayonnement issu du laser femtoseconde vient irradier la surface polée du matériau sans traverser préalablement ledit matériau dans son épaisseur. Dans ce cas, la surface polée fait face au laser. Dans ce cas notamment, et en particulier lorsque le matériau diélectrique polé est un verre à base de silice, qui absorbe totalement les rayonnements ultraviolets dont la longueur d'ondes est inférieure à environ 360 nm, il est préférable d'utiliser un laser émettant dans l'ultraviolet. On peut ainsi utiliser un laser YAG dopé au néodyme (qui émet un rayonnement dont la longueur d'ondes est de 1064 nm) associé à un dispositif multiplicateur de fréquence, notamment à base de cristaux non-linéaires. Par exemple, l'association d'un laser YAG à un dispositif tripleur de fréquence permet de générer un rayonnement de longueur d'ondes 355 nm. L'association d'un laser YAG à un dispositif quadrupleur de fréquence permet de générer un rayonnement de longueur d'ondes 266 nm. Des lasers à excimère émettant dans le domaine de l'ultraviolet (par exemple 248 nm ou 308 nm) sont également utilisables. Selon un second mode de réalisation, le laser femtoseconde vient irradier la surface polée du matériau après avoir traversé l'épaisseur dudit matériau. Dans ce cas notamment, et en particulier si le matériau polé comprend un verre à base de silice, il est préférable d'employer un laser femtoseconde émettant dans le domaine du visible ou de l'infrarouge, pour lesquels le verre est généralement transparent. Le matériau polé est alors de préférence composé d'un substrat porteur en verre muni d'au moins un revêtement polé, le revêtement étant capable d'absorber au moins partiellement le rayonnement du laser femtoseconde. Il peut notamment s'agir d'un revêtement de type polymérique. Ce mode de réalisation est avantageux en ce que le rayonnement THz est généré de l'autre côté du matériau polé par rapport au rayonnement laser 2. Le matériau polé peut ainsi être un vitrage par exemple utilisé dans un portique de sécurité transparent. Le laser se situe d'un côté du vitrage tandis que le rayonnement THz, émis de l'autre côté, peut être utilisé pour la détection de métaux ou d'explosifs susceptibles d'être transportés à proximité du vitrage. La fréquence du rayonnement généré est de préférence comprise entre 0,1 et 10 THz. Cette fréquence peut être réglée en fonction des paramètres suivants : durée des impulsions du laser femtoseconde, valeur du champ électrique rémanent, type de matériau. L'invention a également pour objet un dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'invention. Ce dispositif comprend un laser à impulsions de l'ordre de la femtoseconde et un matériau diélectrique polé. Au sein du dispositif, l'angle formé entre le rayon émis par le laser et la normale à la surface du matériau polé au point de contact entre ledit matériau et ledit rayon est de préférence égal à l'angle de Brewster. De cette manière l'absorption du rayonnement par le matériau polé est maximisée. Le rayonnement généré par le procédé selon l'invention peut être utilisé pour l'imagerie (imagerie médicale, sécurité), la détection, notamment d'eau (détection de tissus biologiques, détection de défauts dans les circuits électroniques, détection de défauts génétiques, analyse de fumées, détection de contrefaçon, par exemple dans le domaine de la pharmacie, détection d'explosifs, détection de métaux), la spectroscopie. L'invention sera mieux comprise à la lecture des exemples non-limitatifs illustrés par les figures qui 5 suivent. Les figures 1 et 2 représentent schématiquement deux exemples de dispositif selon l'invention et de mise en oeuvre de ce dispositif. Le dispositif de la figure 1 comprend un laser à 10 impulsions femtoseconde 1 émettant un rayonnement laser femtoseconde 2. Le matériau polé 3 est sous forme d'un substrat en verre plan, dont la surface polée est représentée schématiquement sous la référence 5. Le rayonnement laser 2 rencontre le matériau polé 3 au niveau 15 d'un point 4. Dans ce cas de figure, le rayonnement laser femtoseconde 2 vient irradier la surface polée 5 du matériau 3 sans traverser préalablement le matériau 3 dans son épaisseur. Un rayonnement THz 6 est créé par l'irradiation de la surface polée 5 par le rayonnement 20 laser 2. L'angle eB entre le rayonnement laser 2 et la normale 7 au matériau polé 3 au point 4 est dans le cas précis de la figure égal à l'angle de Brewster. Cet angle dépend des indices respectifs ni du milieu environnant le matériau 25 polé 3 (généralement de l'air) et n2 du matériau polé par la formule suivante : 8B = Arc tan Dans le dispositif de la figure 2, le rayonnement laser femtoseconde 2 vient irradier la surface polée du 30 matériau 3 après avoir traversé l'épaisseur dudit matériau 3. Le matériau 3 est donc de préférence constitué d'un substrat porteur muni d'un revêtement 8 polé (ou dont la surface est polée), le substrat étant transparent au rayonnement laser 2 et le revêtement 8 étant au contraire capable d'absorber ledit rayonnement. Le rayonnement THz 6 est généré de l'autre côté du substrat par rapport au rayonnement laser 2. L'exemple détaillé qui suit permet d'illustrer concrètement l'invention. Le matériau à poler est constitué d'un substrat de verre sous forme de plaque sensiblement carrée de 10 cm de largeur et de 1 mm d'épaisseur. La composition chimique pondérale du verre, du type aluminoborosilicate dépourvu d'oxydes alcalins, est la suivante (en pourcents) . SiO2 64, 0 Al203 16, 0 B2O3 11, 0 CaO 8,0 Ce type de composition présente l'avantage de 15 présenter une durée de vie du champ rémanent supérieure à 2 ans. Le poling est réalisé en chauffant le verre à 300°C et en le soumettant à un champ électrique statique de 3kV. Pour ce faire le substrat de verre est maintenu en contact 20 entre deux électrodes métalliques. Le champ électrique rémanent superficiel est de l'ordre de 0,9 GV/m, mesuré à l'aide du dispositif de mesure d'électricité statique commercialisé sous la référence JCI 140 CF par la société John Chubb 25 Instrumentation. La profondeur de la zone superficielle, siège du champ rémanent, est estimée par SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry - Spectrométrie de masse à ionisation secondaire). Cette technique permet en effet de détecter un appauvrissement local très fort en calcium, 30 sur une zone superficielle d'environ 10 micromètres. Le substrat en verre polé est soumis au rayonnement d'un laser femtoseconde du type YAG :Nd de puissance moyenne 20 mW associé à un tripleur de fréquence. La longueur d'ondes émise est de 355 nm (dans l'ultraviolet) et la durée des impulsions de l'ordre de 200 fs. La géométrie du dispositif est du type de celle représentée en figure 1. Le rayonnement THz obtenu présente une fréquence de l'ordre de 0,1 à 3 THz et une puissance estimée de l'ordre 10 du microwatt. REVENDICATIONS1. Procédé de génération de rayonnement dans le domaine de fréquence du térahertz (6), dans lequel on irradie un matériau diélectrique polé (3) à l'aide d'un laser à impulsions de l'ordre de la femtoseconde (1). 10 2. Procédé selon la revendication 1, tel que le matériau diélectrique (3) est choisi parmi les verres (notamment à base de silice), les vitrocéramiques ou les polymères. 3. Procédé selon la revendication précédente, tel que 15 le matériau diélectrique (3) est un verre à base de silice comprenant moins de 1% en masse d'oxydes alcalins. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, tel que le poling crée au niveau d'au moins une surface (5) du matériau diélectrique (3) un champ rémanent sur une 20 épaisseur comprise entre 0,5 et 50 micromètres. 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, tel que le champ rémanent est compris entre 0,01 et 1 GV/m. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, 25 tel que la durée des impulsions du laser (1) est inférieure ou égale à 1 picoseconde, notamment comprise entre 100 et 300 femtosecondes. 7. Procédé selon l'une des revendications précédentes, tel que le laser (1) est choisi parmi les lasers à gaz, 30 notamment à CG2 ou à excimère, ou solides, notamment les lasers YAG dopés au néodyme, ou les lasers à semi-conducteur, éventuellement associés à des doubleurs, tripleurs ou quadrupleurs de fréquence.5 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, tel que la fréquence du rayonnement généré (6) est comprise entre 0,1 et 10 THz. 9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le rayonnement (2) du laser (1) vient irradier la surface polée (5) du matériau (3) sans traverser préalablement ledit matériau (3) dans son épaisseur. 10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel le rayonnement (2) du laser (1) vient irradier la surface polée (5) du matériau (3) après avoir traversé l'épaisseur dudit matériau (3). 11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, dans lequel on utilise le rayonnement généré (6) pour l'imagerie, la détection, notamment d'eau, la spectroscopie. 12. Dispositif pour la mise en oeuvre du procédé selon l'une des revendications précédentes, comprenant un laser à impulsions de l'ordre de la femtoseconde (1) et un matériau diélectrique polé (3). 13. Dispositif selon la revendication précédente, tel que l'angle formé entre le rayon (2) émis par le laser (1) et la normale (7) à la surface (5) du matériau polé (3) au point de contact (4) entre ledit matériau (3) et ledit rayon (2) est égal à l'angle de Brewster. 14. Dispositif selon l'une des revendications 12 ou 13, qui est un dispositif d'imagerie, de détection ou de spectroscopie.30