Brevet FR3040246A1 — publié le 20170224

LASER TÉRAHERTZ, SOURCE TÉRAHERTZ ET UTILISATION D'UN TEL LASER TÉRAHERTZ DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne le domaine des mesures et de l'imagerie térahertz et concerne plus particulièrement les sources d'ondes électromagnétiques qui émettent dans la gamme de fréquences du térahertz et qui permettent de telles mesures et une telle imagerie. Ces sources d'ondes électromagnétiques sont dénommées par commodité dans le reste de ce document « sources térahertz" ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Malgré les forts potentiels qu'elles pourraient offrir, les mesures et l'imagerie térahertz restent peu répandues ceci faute de sources optiques adéquates dans la gamme de fréquences du térahertz. En effet, dans ces fréquences d'émission comprises entre 700 et 1200 GHz, les sources d'ondes électromagnétiques continues sont relativement rares et restent relativement complexes. En effet, ces sources térahertz peuvent être par exemple être fournies par une génération au moyen d'effet non-linéaire d'harmoniques d'une source micro-onde ou par une différence de fréquence de deux fréquences optiques. Le rendement de conversion de ces méthodes reste toutefois faible. Ces sources émettant directement dans le domaine térahertz sont les carcinotrons. Ces sources térahertz sont complexes à utiliser et sont donc peu utilisées en dehors des laboratoires de recherche. Elles nécessitent en effet un vide poussé, de hautes tensions et un fort champ magnétique qui les rendent peu compatibles avec une utilisation industrielle ou commerciale. Une autre voie utilisée pour fournir des sources térahertz est le pompage optique d'une cavité résonnante dans laquelle se trouve un milieu amplificateur sous forme gazeux. Le pompage optique est obtenu par une source laser dite pompe. 3040246 2 Dans une telle configuration, pour obtenir une émission dans le térahertz, il est nécessaire que la source laser pompe et le milieu amplificateur respectent un certain nombre de critères. La longueur d'onde d'émission de la source laser pompe doit coïncider au moins partiellement avec une énergie d'excitation des molécules du milieu 5 amplificateur d'un état initial vers un état excité. Cet état excité doit être un état dans lequel les molécules du milieu amplificateur sont susceptibles de se désexciter par une transition dont l'énergie correspond à une fréquence d'émission comprise entre 700 et 1200 GHz. De cette manière, et avec une cavité résonnante présentant des dimensions adéquates, la source laser pompe permet, par un placement d'une partie des molécules du 10 milieu amplificateur dans l'état excité, de fournir une inversion de population pour générer un effet laser dans la cavité résonnante. Dans une configuration classique, c'est-à-dire en utilisant un pompage optique avec une seule source laser pompe et sans stresser le milieu amplificateur autrement que par le pompage optique, il existe peu de sources optiques aux alentours de 15 la gamme de fréquences du térahertz. On peut ainsi citer par exemple les sources commerciales fournies par Edinburgh Instruments® qui utilisent une cavité résonnante qui peut utiliser des milieux amplificateurs tels que du difluorométhane et de l'acide méthanoïque qui fournisse une émission à des fréquences respectives de 1627 GHz et 693 GHz qui ne sont pas comprises dans la gamme de fréquence du térahertz. Si certaines 20 de ces sources peuvent être des sources térahertz, elles présentent néanmoins généralement des rendements faibles, liés à un faible accord en longueur d'onde entre les raie d'émission de la source pompe, classiquement un laser CO2, et le niveau énergétique à exciter du milieu amplificateur. Dans la gamme de fréquence du térahertz, on connait par contre la 25 source térahertz décrite par Chang et ses co-auteurs dans leurs travaux publiés dans la revue scientifique « Applied Physic Letters » volume 17 pages 357 à 358 en 1970 qui permet de bénéficier d'un bon accord en longueur d'onde entre la source pompe et le niveau énergétique à exciter. Cette source térahertz comporte une cavité pompée optiquement au moyen d'un laser au protoxyde d'azote, le milieu amplificateur de la cavité étant de 3040246 3 l'ammoniac gazeux. Le rayonnement pompe du laser au protoxyde d'azote permet de placer les molécules d'ammoniac dans un état excité dans lequel elles sont susceptibles de se désexciter dans un état intermédiaire par une transition de rotation. L'énergie de cette transition de rotation correspond à une fréquence d'émission de 3,68 THz. Les molécules 5 d'ammoniac dans cet état intermédiaire sont alors susceptibles de se désexciter par une transition dite « d'inversion » d'énergie correspond à une fréquence d'émission de 1,14 THz (phénomène connu sous le nom de « cascade de transitions »). Cette transition d'inversion est possible grâce à l'effet tunnel qui permet à l'atome d'azote de passer à travers le triangle formé par les trois atomes d'hydrogène (la molécule NH3 de forme pyramidale se 10 renverse à la manière d'un parapluie). Ainsi, avec la cavité proposée par Chang et ses co- auteurs, une telle source térahertz permet de fournir une double émission dont l'une des fréquences d'émission est comprise dans la gamme de fréquences du térahertz. Néanmoins, cette source présente un rendement faible, puisqu'elle utilise une cascade de transition, et ne donne accès, dans la gamme du térahertz, qu'à la seule fréquence 15 d'émission de 1,14 THz. Afin de pallier ce problème d'accord en longueur d'onde entre la source pompe et le niveau énergétique à exciter du milieu amplificateur, il existe également des sources optiques dans la gamme de fréquences du térahertz présentant des configurations moins classiques, exploitant des phénomènes tels que l'effet Stark ou un pompage optique 20 à deux photons. Si ces sources optiques ne sont pas limitées à une seule fréquence d'émission dans la gamme du térahertz comme c'est le cas pour la configuration classique proposée par Chang et ses co-auteurs, elles sont relativement complexes. En effet, l'exploitation de l'effet Stark nécessite à la fois d'appliquer un fort champ électrique au milieu amplificateur -tandis que le pompage optique à deux photons nécessite deux sources 25 distinctes et présente un rendement relativement faible par rapport à un pompage à un seul photon. De plus, si des travaux récents, comme ceux de Belkin et ses co-auteurs publiés dans la revue scientifique « nature photonics » volume 1, pages 288 à 292 ou encore 30 ceux de Q. Y. Lu et ses co-auteurs publiés dans la revue scientifique « Applied Physics 3040246 4 Letters » volume 101 page 251121(1-4) en 2012, ont démontré la possibilité de fournir des sources optiques dont la fréquences d'émission est dans la gamme des térahertz en utilisant une génération par différence de fréquence intracavité avec deux lasers à cascade quantique, ces sources optiques émettent à des fréquences d'émission de 1 à 5 THz. 5 Néanmoins, ces sources présentent un rendement de conversion qui baisse fortement dans la gamme du térahertz et sont donc peu, voire pas, exploitables. Ainsi, actuellement, pour effectuer des mesures et l'imagerie térahertz dans la gamme de fréquences du térahertz, il n'existe pas un type de sources optiques continues qui soit à la fois simple, et donc n'utilise pas d'effet tel que l'effet Stark ou un 10 pompage à double photons et nécessite une faible température, et qui donne accès à plusieurs fréquences d'émission dans cette gamme de fréquences, la source térahertz de Chang et de ses co-auteurs, par exemple, ne donnant accès qu'à une fréquence d'émission de 1,14 THz. On notera, de plus que la source térahertz de Chang et de ses co-auteurs ne permet pas d'obtenir une émission dans les gammes de fréquences autour de 850, 940 et 15 1040 GHz pour lesquelles les pertes dans l'atmosphère sont relativement contenues puisqu'inférieures à 0,5 dB/m. EXPOSÉ DE L'INVENTION La présente invention vise à remédier à ces inconvénients et a ainsi pour but de fournir une source térahertz qui soit simple et donne accès à plusieurs fréquences 20 discrètes d'émission dans la gamme de fréquences du térahertz. L'invention a également pour but de fournir une source térahertz qui soit simple et qui donne accès à une émission dans la gamme de fréquences du térahertz à des fréquences inférieures à 1060 GHz et notamment aux gammes de fréquences autour de 850, 940 GHz et 1040 GHz 25 Il doit être entendu, ci-dessus et dans le reste de ce document, par gammes de fréquences autour de 850 GHz, 940 GHz et 1040 GHz, les gammes de fréquences dont les fréquences présentent une différence de fréquence avec ladite de valeur de fréquence inférieure ou égale à 20 GHz. Ainsi, par exemple, la gamme de fréquences autour de 850 GHz correspond aux fréquences v respectant l'inégalité suivante : 3040246 5 830 GHz v 870 GHz L'invention concerne à cet effet un laser térahertz adapté pour émettre au moins un premier rayonnement électromagnétique dont une première fréquence d'émission est comprise entre 700 GHz et 1200 GHz, ledit laser comportant : 5 une source laser infrarouge, une cavité résonnante agencée pour être pompée optiquement par la source laser infrarouge, ladite cavité résonnante contenant de l'ammoniac gazeux en tant que milieu amplificateur et présentant au moins une configuration pour laquelle la cavité résonnante est une cavité résonnante à la première 10 fréquence d'émission, la source laser infrarouge étant une source laser à semiconducteur continue apte à exciter les molécules du milieu amplificateur d'un niveau énergétique initial vers au moins un premier niveau énergétique excité, les molécules du milieu amplificateur placées dans ce premier niveau énergétique excité étant susceptibles de se 15 désexciter par une transition d'inversion pure liée au mode de renversement de type parapluie de la molécule d'ammoniac dont l'énergie de désexcitation correspond à la première fréquence d'émission. Un tel laser térahertz, utilisant directement les transitions d'inversion des molécules d'ammoniac, donne accès à de nombreuses de fréquences d'émission réparties 20 sur toute la plage de fréquences du térahertz. En effet, les transitions par inversion de l'ammoniac, si l'on prend une excitation du seul mode de vibration v2 par la branche Q, donne accès à plus de 85 raies d'émission pour un laser selon l'invention avec une différence de fréquence moyenne et maximale, entre deux raies accessibles qui se succèdent, de respectivement del GHz et 480 GHz. De plus l'utilisation d'une source laser 25 à semiconducteur, qui présente l'avantage, contrairement aux sources laser infrarouge à gaz, de pouvoir émettre à un nombre d'onde spécifique voire même être accordable en nombre d'onde, permet de choisir spécifiquement la transition d'inversion qui sera excitée dans la cavité résonnante. Ainsi, le laser selon l'invention permet de fournir une source térahertz 30 dans la gamme de fréquences du térahertz qui permet, par une adaptation adéquate de sa 3040246 6 cavité résonnante et de sa source laser infrarouge, d'obtenir un rayonnement dont la fréquence peut être choisie dans un nombre important de fréquences discrètes d'émission dans la gamme de fréquences du térahertz. Un tel laser rend donc envisageable de nombreuses applications optiques dans la gamme du térahertz telles que les mesures et 5 l'imagerie térahertz. On notera de plus qu'une émission dans la gamme du térahertz générée par une transition d'inversion pure de l'ammoniac permet d'avoir accès à des raies d'émission correspondant à des fréquences d'émission inférieures à 1060 GHz et notamment aux gammes de fréquences autour de 850, 940 et 1040 GHz. De telles raies 10 d'émission sont particulièrement avantageuses du fait de leur faible absorption dans l'atmosphère et dont par rapport aux possibilités de mesures à l'atmosphère qu'elles offrent. Il est rappelé qu'une molécule d'ammoniac NH3 dans son état fondamental présente 4 modes de vibration accessibles, dont deux sont dégénérés : 15 - le mode vi, qui correspond à l'élongation vibration symétrique (A1) des liaisons NH, le mode v2, qui correspond à la déformation angulaire symétrique (A1) des liaisons NH, les modes via et v3b, qui correspondent à l'élongation antisymétrique 20 doublement dégénérée (E) des liaisons NH, les modes v4a et v4b, qui correspondent à la déformation angulaire doublement dégénérée (E) entre les liaisons NH. A chaque mode de vibration correspond un certain nombre d'états de rotation accessibles pour la molécule d'ammoniac qui sont qualifiés par deux paramètres 25 qui sont J et K. Ces états sont eux-mêmes dédoublés par l'effet tunnel en deux symétries possibles : les états symétriques (s) et les états antisymétriques (a). Ainsi, un état de vibration du mode de vibration v2=1 s'écrira respectivement v2=1 s(J,K) s'il est symétrique et v2=1 a(J,K) s'il est antisymétrique avec J le nombre quantique qui définit le moment angulaire rotationnel de la molécule et K le nombre quantique qui définit la composante 30 vectorielle du moment angulaire rotationnel suivant l'axe principal de symétrie de la 3040246 7 molécule. J est un nombre quantique positif, donc un entier naturel. K étant la projection de J sur l'axe de symétrie de la molécule, il est un entier relatif compris entre -J et +J. Chaque état de vibration-rotation-symétrie correspond à un niveau énergétique. Ainsi lorsque l'on quantifie l'état d'une molécule d'ammoniac, il peut être fait mention aussi bien 5 de l'état de vibration-rotation-symétrie de la molécule que du niveau énergétique dans lequel elle se trouve. Il est également rappelé qu'une transition optique infrarouge d'un mode de vibration-rotation-symétrie de la molécule d'ammoniac à un autre mode de vibrationrotation-symétrie de la molécule d'ammoniac pour une bande parallèle comme v2 doit 10 respecter les conditions (règles de sélection) suivantes : Av=-1 ou +1, AK=0, AJ=-1, 0 ou +1, et u-s ou s REVENDICATIONS1. Laser térahertz (1) adapté pour émettre au moins un premier rayonnement électromagnétique dont une première fréquence d'émission est comprise entre 700 GHz et 1200 GHz, ledit laser comportant : une source laser infrarouge (10), une cavité résonnante (20) agencée pour être pompée optiquement par la source laser infrarouge (10), ladite cavité optique résonnante (20) contenant de l'ammoniac gazeux en tant que milieu amplificateur et présentant au moins une configuration pour laquelle la cavité résonnante (20) est une cavité résonnante à la première fréquence d'émission, le laser térahertz (1) étant caractérisé en ce que la source laser infrarouge (10) est une source laser à semiconducteur continue apte à exciter les molécules du milieu amplificateur d'un niveau énergétique initial vers au moins un premier niveau énergétique excité, les molécules du milieu amplificateur placées dans ce premier niveau énergétique excité étant susceptibles de se désexciter par une transition d'inversion pure liée au mode de renversement de type parapluie de la molécule d'ammoniac, dont l'énergie de désexcitation correspond à la première fréquence d'émission. 2. Laser térahertz (1) selon la revendication 1 dans lequel la source laser infrarouge (10) est un laser à cascade quantique. 3. Laser térahertz (1) selon la revendication 2 adapté pour émettre au moins un deuxième rayonnement électromagnétique dont une deuxième fréquence d'émission est comprise entre 700GHz et 1200 GHz, dans lequel la source laser infrarouge (10) est un laser à cascade quantique accordable sur une plage de longueurs d'onde comportant au moins deux longueurs d'onde aptes à exciter les molécules du milieu amplificateur du niveau énergétique initial vers respectivement le premier et un deuxième niveau énergétique excité, les molécules du milieu amplificateur placées dans ce deuxième 3040246 32 niveau énergétique excité étant susceptibles de se désexciter par une transition d'inversion pure liée au mode de renversement de type parapluie de la molécule d'ammoniac dont l'énergie de désexcitation correspond à la deuxième fréquence d'émission, la cavité résonnante (20) présentant au moins une configuration pour 5 laquelle la cavité résonnante (20) est une cavité résonnante à la deuxième fréquence d'émission. 4. Laser térahertz (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel le premier niveau énergétique excité par la source laser infrarouge (10) 10 est un niveau énergétique de vibration v2=1 accessible par une transition de la branche Q avec un nombre quantique J inférieur à 10. 5. Laser térahertz (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'ammoniac gazeux est choisi dans le groupe comportant l'ammoniac 15 dont l'atome d'azote est l'isotope 14, l'ammoniac dont l'atome d'azote est l'isotope 15 et leur mélange, et dans lequel la proportion volumique relative dans le milieu amplificateur de l'un parmi l'ammoniac dont l'atome d'azote est l'isotope 14 et l'ammoniac dont l'atome d'azote est l'isotope 15 est supérieure à 90% et préférentiellement à 95%. 20 6. Laser térahertz (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'ammoniac gazeux est un mélange d'ammoniac dont l'atome d'azote est l'isotope 14 et d'ammoniac dont l'atome d'azote est l'isotope 15, les proportions volumiques relatives dans le milieu amplificateur de l'ammoniac dont l'atome d'azote est 25 l'isotope 14 et l'ammoniac dont l'atome d'azote est l'isotope 15 étant toutes deux comprises entre 40 et 60%. 7. Laser térahertz (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel l'ammoniac gazeux est un mélange d'ammoniac dont l'atome d'azote est l'isotope 14 et d'ammoniac dont l'atome d'azote est l'isotope 15, la cavité résonnante (20) 3040246 33 étant configurée pour permettre une modification des proportions volumiques relatives dans le milieu amplificateur de l'ammoniac dont l'atome d'azote est l'isotope 14 et l'ammoniac dont l'atome d'azote est l'isotope 15. 5 8. Laser térahertz (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 comportant au moins une fibre optique infrarouge (31), telle qu'une fibre optique creuse, comprenant une première et une deuxième extrémité, la première extrémité étant connectée à la sortie de la source laser infrarouge (10) et la deuxième extrémité étant connectée à la cavité résonnante (20) de manière à fournir une liaison optique entre la 10 source laser infrarouge (10) et la cavité résonnante (20). 9. Laser térahertz (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 dans lequel la source laser infrarouge (10) est adaptée pour émettre un rayonnement pompe pour pomper optiquement la cavité résonnante (20), 15 et dans lequel la cavité résonnante (20) comporte une entrée pour l'injection du rayonnement pompe dont les dimensions sont inférieures à 71,706f avec c la vitesse de la lumière et f la première fréquence d'émission, les dimensions de l'entrée pour l'injection du rayonnement pompe étant préférentiellement inférieures à C/21." 20 10. Laser térahertz (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel la sortie de la source laser infrarouge (10) est positionnée au niveau de l'entrée de la cavité résonnante (20). 11. Laser térahertz (1) selon la revendication 9 ou 10, dans lequel 25 la cavité résonnante (20) comporte une lentille convergente (21c) agencée pour diminuer la divergence du rayonnement pompe en sortie de la fenêtre d'entrée. 12. Source térahertz (100) adaptée pour émettre au moins un troisième rayonnement électromagnétique dont une troisième fréquence d'émission est 30 comprise entre 700 GHz et 1200 GHz, la source térahertz (100) comportant : 3040246 34 un laser térahertz (1) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, une source hyperfréquence apte à émettre un rayonnement hyperfréquence dont la fréquence d'émission est comprise entre 1 GHz et 200 GHz, 5 un milieu ou dispositif non linéaire agencé pour mélanger le premier rayonnement térahertz fourni par le laser térahertz (1) et le rayonnement hyperfréquence pour fournir le troisième rayonnement. 13. Utilisation d'un laser térahertz (1) selon l'une des 10 revendications 1 à 11 pour effectuer de l'imagerie, de la spectroscopie, de la transmission de données ou de la détection d'obstacles dans la gamme du térahertz.