Les chercheurs du RIKEN ont développé un appareil portable qui utilise efficacement la bande térahertz du spectre électromagnétique pour « radiographier » des objets sans rayonnement nocif.En optimisant certaines techniques et en utilisant des matériaux spécifiques, ils ont considérablement amélioré la puissance des ondes térahertz et miniaturisé le dispositif.La technologie promet diverses applications, notamment l’imagerie non destructive et la recherche quantique, avec des collaborations industrielles en cours.
Grâce à de nouveaux appareils de la taille d'une paume, les chercheurs de RIKEN ont peut-être enfin exploité la bande térahertz du spectre électromagnétique pour radiographier efficacement des objets sans utiliser de rayonnements ionisants nocifs. Explosive Ordnance Disposal
D’innombrables technologies – des smartphones et téléviseurs aux instruments infrarouges du télescope spatial James Webb en passant par les appareils de télécommunication sans fil à haut débit utilisant les micro-ondes – exploitent des sections du spectre électromagnétique.
Mais quelque part entre les micro-ondes couramment utilisées et la lumière infrarouge se trouve une région négligée appelée la bande térahertz.Les ondes térahertz ont de nombreuses utilisations potentielles intéressantes, notamment parce qu’elles peuvent être utilisées pour voir à travers ou à l’intérieur des matériaux de la même manière que les rayons X.Cependant, contrairement aux rayons X, les ondes térahertz ne délivrent pas de rayonnements ionisants nocifs.
Mais les technologies térahertz ont jusqu'à présent stagné car il a été difficile d'adapter les technologies à micro-ondes ou à lumière visible à la gamme térahertz à des tailles et puissances utiles.
Un appareil créé par Hiroaki Minamide et son équipe, qui convertit efficacement le rayonnement infrarouge en ondes térahertz.Il peut générer un rayonnement térahertz sur toute la plage de la bande térahertz.Crédit : © 2023 RIKEN
Par exemple, une approche pour générer des ondes térahertz a consisté à développer des dispositifs électriques produisant des micro-ondes à fréquence plus élevée et à longueur d’onde ultracourte.Mais cela a été difficile en partie parce que ces dispositifs nécessitent des paramètres hautement optimisés pour produire de meilleures performances électriques, ce qui s'est avéré un défi.
Une stratégie alternative consiste à produire des ondes térahertz en convertissant des ondes infrarouges plus courtes et de plus haute fréquence, à l’aide de matériaux appelés cristaux non linéaires.
Au RIKEN Center for Advanced Photonics, nous explorons cette deuxième stratégie : produire des ondes térahertz en convertissant la sortie d'un laser infrarouge.Cette méthode nécessitait traditionnellement d’énormes lasers pour générer des ondes térahertz suffisamment puissantes pour la plupart des applications pratiques.Mais cela a limité l’adoption de la technologie térahertz pour les applications du monde réel, où les appareils portables pour l’analyse in situ seraient bien plus utiles.
Dans l’équipe de recherche Tera-Photonics que je dirige, nous espérons développer de puissantes sources d’ondes térahertz de la taille d’une paume pour des applications dans l’industrie et la recherche fondamentale.Nous avons récemment fait d’énormes progrès vers cet objectif et avons plusieurs collaborations industrielles en cours.
Nous nous sommes concentrés sur l’utilisation du niobate de lithium, un cristal non linéaire qui produit un faisceau d’ondes térahertz lorsqu’il est irradié par une lumière laser proche infrarouge.Lorsque j’ai pris la direction de l’équipe en 2010, il était impossible de produire des ondes térahertz suffisamment puissantes avec cette méthode, malgré de nombreuses années de travail.
En 2011, nous avons dû interrompre nos recherches en laboratoire pendant plusieurs mois après qu'un tremblement de terre majeur ait frappé Sendai, au Japon, où se trouve notre campus.Au cours de cette période, je me suis souvenu du résultat d’une expérience précédente qui avait retenu mon attention et j’ai trouvé une indication passionnante d’une voie possible à suivre.
À cette époque, nous utilisions un laser proche infrarouge avec des durées d’impulsion de l’ordre de la nanoseconde.Les résultats ont indiqué que lorsque des impulsions laser plus courtes, inférieures à la nanoseconde, étaient utilisées, la génération d'ondes térahertz en fonction de l'impulsion laser d'entrée était modifiée.Je me demandais pourquoi.
J'ai ensuite découvert un article de 1993[1] qui rapportait les effets de la durée de l'impulsion laser dans les cristaux non linéaires.L’étude, analysant la lumière visible, impliquait que l’utilisation d’impulsions plus courtes réduisait un effet de diffusion de la lumière appelé diffusion Brillouin.Je me demandais si, en réduisant la durée de notre impulsion laser, nous pourrions minimiser la diffusion Brillouin de nos cristaux de niobate de lithium.Cela pourrait nous permettre de convertir une plus grande partie de la lumière laser en ondes térahertz et d’augmenter la puissance de sortie.
ATTENTION À L'ÉCART : Pris en sandwich entre les micro-ondes et le rayonnement infrarouge sur le spectre électromagnétique, l'écart térahertz a été sous-utilisé dans les technologies jusqu'à présent.Comme les rayons X, les ondes térahertz ont la capacité de voir à travers les matériaux.Mais comme les ondes térahertz ont des fréquences (et donc des énergies) beaucoup plus basses que les rayons X, elles ne présentent pas le même risque pour la santé que les rayonnements ionisants.Crédit : © 2023 RIKEN
Une fois de retour au laboratoire et testé cette théorie, nous avons été étonnés du résultat.En utilisant des impulsions laser inférieures à la nanoseconde, nous pourrions échapper à la diffusion Brillouin et améliorer la puissance de nos ondes térahertz de six ordres de grandeur, de 200 milliwatts à 100 kilowatts[2].Nous avons finalement obtenu une émission puissante d'un appareil d'un mètre carré seulement, beaucoup plus petit que les appareils térahertz précédents, qui remplissaient des pièces entières.Mais lorsque nous avons présenté cet appareil à l’industrie, ils nous ont dit qu’il était encore trop gros pour des applications réelles.
Pour miniaturiser davantage notre source d'ondes térahertz, nous avons remplacé le lingot de cristal de niobate de lithium en vrac que nous avions précédemment utilisé par un mince cristal de niobate de lithium doté d'une microstructure artificielle modulée en polarisation, appelée cristal de niobate de lithium à polarisation périodique (PPLN).Couramment utilisé dans le domaine de la lumière visible, le cristal PPLN nous a permis de développer un appareil portable en raison de son efficacité de conversion de lumière plus élevée.
Au début de nos recherches sur le PPLN, il n’existait aucun moyen connu de générer efficacement des ondes térahertz à l’aide de cristaux PPLN.Alors que nous poursuivions nos propres expériences, nous avons d’abord été très perplexes face au comportement des cristaux PPLN.Nous n’avons vu aucune onde térahertz, juste un faisceau lumineux inattendu, produit à partir du cristal.
Après avoir soigneusement analysé les propriétés de cette lumière, nous avons finalement réalisé que des ondes térahertz étaient produites, mais dans une direction inattendue.L'interaction entre la lumière et la structure modulée en polarisation du PPLN a provoqué la génération d'ondes térahertz à l'arrière du cristal.Lorsque nous avons déplacé notre détecteur derrière lui, nous avons trouvé l'onde térahertz[3].Nous pourrions enfin réaliser un prototype de la taille d’une paume avec un rendement de conversion élevé et une puissance suffisante.
Remarquablement, nous avons également découvert qu’en faisant simplement tourner le cristal, nous pouvions régler la fréquence des ondes térahertz produites[4].Nos appareils peuvent couvrir complètement la région critique du spectre sub-térahertz, ce qui est particulièrement important pour les applications d’imagerie non destructive.
Nos recherches sont basées sur la conversion de photons entre ondes lumineuses et ondes térahertz par des effets optiques non linéaires basés sur des technologies photoniques et laser matures.Nous avons obtenu une oscillation en cascade dans l'oscillation paramétrique d'onde térahertz arrière en utilisant l'injection optique pour abaisser le seuil et stabiliser la puissance de sortie, atteignant une puissance de sortie térahertz maximale de 200 watts à une fréquence de 0,3 térahertz ;converti les ondes térahertz en ondes lumineuses dans un processus de conversion quantique optique rétrospective ;et a réussi à détecter des ondes térahertz ultrafaibles d'environ 50 attojoules, soit 1 000 fois plus sensibles qu'un bolomètre de 4 kelvins.Ces résultats fournissent de nouvelles recherches quantiques basées sur la conversion de photons quantiques térahertz en lumière.Nos résultats les plus récents reposent sur l’intégration de la théorie quantique dans nos travaux.Et nos futurs travaux exploreront l’intrication quantique – où une particule quantique en reflète mystérieusement une autre au loin – pour améliorer la sensibilité des détecteurs térahertz.
De plus, nos systèmes d’ondes térahertz hautement miniaturisés et de grande puissance sont complétés par des développements récents de lasers photoniques compacts et puissants.Nos appareils utilisent un nouveau laser à micropuce qui produit des impulsions laser infrarouge lointain à des vitesses inférieures à la nanoseconde et à des puissances élevées.
Nous en sommes désormais au point où les collaborations industrielles constituent un élément clé de notre travail.Les fortes émissions subtérahertz que nos appareils peuvent générer sont parfaitement adaptées aux travaux d’imagerie et d’analyse.Nous menons des recherches conjointes avec des entreprises japonaises spécialisées dans l'électronique, l'optique et la photonique, telles que Ricoh, Topcon, Mitsubishi Electric et Hamamatsu Photonics, pour développer des applications de tests non destructifs et des équipements de spectroscopie des ondes térahertz.
Pour démontrer le potentiel de notre technologie à des fins de sécurité, nous avons assemblé un prototype de dispositif d'imagerie térahertz.Grâce à cela, nous avons montré qu'un pistolet en plastique, capable de tirer des balles en plastique, pouvait être clairement détecté lorsqu'il était dissimulé derrière une vitre bosselée qui disperse beaucoup la lumière.On pourrait aussi clairement imaginer une paire de ciseaux cachée dans un épais sac en cuir.
Les ondes térahertz peuvent également révéler la composition chimique des substances, en raison des modèles d'absorption caractéristiques des « empreintes digitales ».Différents liquides incolores, tels que le kérosène et l'acétone, qui semblent identiques à l'œil nu, peuvent être facilement identifiés grâce à cette méthode, par exemple.Ainsi, les applications envisagées pour les ondes térahertz vont des scanners de sécurité aéroportuaire à l’analyse d’œuvres d’art historiques.
Les peintures industrielles et les revêtements extérieurs peuvent également être analysés, depuis des éléments aussi variés que des voitures neuves et des comprimés pharmaceutiques, et de manière non destructive, contrairement aux méthodes actuelles.À l’avenir, nous pourrions monter nos appareils sur des robots pour ramper le long des canalisations industrielles afin d’inspecter la corrosion ou sur des drones pour inspecter la peinture des pylônes de transmission de puissance.
Ces utilisations, ainsi que d’autres, pourraient nous permettre de mieux comprendre comment les matériaux interagissent et se dégradent in situ.Si nous pouvons mieux comprendre ces problèmes à l’aide de technologies non destructives, nous pourrons plus facilement modifier les processus de production en temps réel pour améliorer l’efficacité et apporter des correctifs pour prolonger la durée de vie des structures, par exemple.Les avantages économiques et environnementaux devraient être exponentiels.
Nous disposons déjà des meilleurs appareils TERAHERTZ destinés à un usage grand public.Et ils ont aussi un brevet d’utilité.Ils ont arrêté mes saignements intestinaux après une chirurgie de brachiothérapie pour le cancer de la prostate et éliminé ma fréquence d'uriner la nuit.
Plus comme le TriCorder portable de Riker !Il est temps d'investir dans l'entreprise qui obtient cela en premier.Il remplacera tous les appareils à rayons X sur Terre dans les 25 prochaines années.Cette scène dans Total Recall où Arnold traverse le scanner à rayons X de l'aéroport pourrait en fait être cette chose.
Chaque fois que nous pouvons investir dans une technologie qui « amène nos dollars sur Mars », nous irons dans la bonne direction !🙂
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