Imagerie Térahertz avec capteurs à onde de plasma

Journées scientifiques 24/25 mars 2015
URSI-France
PROBING MATTER WITH
ELECTROMAGNETIC WAVES
Terahertz Imaging with plasma wave sensors
for volumetric NDT applications
Imagerie Terahertz avec capteurs à ondes de plasma
pour le Contrôle Non Destructif volumique
M. Trikia, T.Antoninia, C. Archiera, F. Teppeb, P. Solignacb, N. Dyakonovab, W. Knapb
a
b
T-Waves Technologies, Cap Oméga, 34960 Montpellier, France
Laboratoire Charles Coulomb (L2C), UMR CNRS 5221, Université Montpellier II, 34095 Montpellier, France
Keywords: terahertz imaging, nanotransitors, plasma waves
Mots clés : imagerie térahertz, transistors nanométriques, ondes plasma
Abstract
The aim of this report is to present potential interest of development of our imaging terahertz systems as a safe, contact
free and on-site non-destructive testing systems. These systems could be easly integrated in industrial facilities allowing
the detection of surface, subsurface and in-depth defects in a variety of composite materials used in aeronautics. Our
optical setups are based on the use of High-Electron-Mobility transistors (HEMT) as compact sensitive and rapid
detectors operating at room temperature. The physical bases that explain the functioning of these sensors will be
discussed. Our imaging systems and results of some case studies will be presented.
L’objectif de ce travail est de présenter une nouvelle technologie de capteur de mesure du rayonnement térahertz et son
application à des systèmes d'imagerie térahertz pour le contrôle volumique, non destructif, non nocif, sans contact et
temps réel des matériaux diélectriques. Ces systèmes pourront être facilement intégrés dans des installations industrielles
permettant la détection des défauts en surface, en sub-surface et en profondeur dans une large variété de matériaux
composites par exemple. Nos configurations optiques sont basées sur l'utilisation de transistors à haute mobilité
d'électrons (HEMT) comme des détecteurs compacts sensibles et rapides fonctionnant à la température ambiante. Les
bases physiques qui expliquent le fonctionnement de ces capteurs seront discutées. Nos systèmes d’imagerie et les
résultats de certains cas d’étude seront présentés.
Introduction
Parmi les technologies de contrôle non destructif (CND) des matériaux, on peut distinguer deux grandes catégories : les
techniques surfaciques et les techniques volumiques. Pour cette dernière, les technologies les plus répandues dans les
domaines électromagnétique et acoustique sont les rayons X, les ultrasons et l’infrarouge. Un nouveau domaine d’ondes
électromagnétiques, les rayons T (Térahertz) est en train d’émerger. Ces ondes ont une fréquence et une longueur d’onde
comprises respectivement entre 0,1 THz et 30 THz et 0,01 mm et 3mm. La bande térahertz représente ainsi la frontière
entre deux domaines physiques : l’électronique pour les micro-ondes d’un côté et l’optique pour l’infra-rouge de l’autre.
229
URSI-France
Journées scientifiques 24/25 mars 2015
Fig 1. Localisation des ondes térahertz dans le spectre électromagnétique
Les ondes térahertz ont la particularité de traverser un grand nombre de matériaux opaques aux ondes optiques visible et
infrarouge et de ne pas pénétrer les matériaux conducteurs tels que les métaux et les liquides polaires comme l’eau. Elles
sont d’autre part non ionisantes, à la différence des rayons X. Ces ondes ont été longtemps cantonnées aux secteurs de
l’observation astronomique et de la physique de la matière condensée. Mais au fur et à mesure du temps certains paliers
technologiques ont été franchis pour les deux composants de base que constituent les sources et capteurs du domaine.
Des efforts ont été réalisés à plusieurs échelles : fréquences d’accès, gammes de balayage en fréquence, fonctionnement à
température ambiante, rapidité, stabilité, sensibilité, compacité et coût. Ceci permet d’envisager aujourd’hui la
conception de systèmes opto-électroniques térahertz pour répondre à la fois à de nombreuses applications et attentes du
secteur de la recherche scientifique et du secteur industriel. Notamment, les technologies Térahertz présentent d’une part
un intérêt pour la spectroscopie utile à la caractérisation de certaines propriétés structurelles de la matière ou à
l’identification de composés chimiques dans les matériaux et d’autre part un fort potentiel pour l’imagerie pénétrante.
Il existe un certain nombre d'émetteurs et de capteurs Térahertz matures, développés au niveau international (microbolomètres [1], diodes [2], pyroélectriques [3],...) possédant des spécificités intéressantes pour des applications ciblées.
Mais la technologie capteur à ondes de plasma [4] développée en partenariat entre l’équipe de recherche « Spectroscopie
THz et Métrologie Quantique » du Laboratoire Charles Coulomb de l’Université de Montpellier et la start-up « T-Waves
Technologies », présente les caractéristiques adéquates à son utilisation dans des systèmes compactes, peu coûteux,
fonctionnant à température ambiante et en temps réel. De plus, cette technologie détient le record du monde de sensibilité
à 0,3 THz depuis 2011 [5].
Eléments théoriques
La technologie des capteurs à ondes de plasmas repose sur l’exploitation des propriétés collectives des électrons dans un
transistor de dimension nanométrique. Dans les matériaux conducteurs, le plasma est un gaz électriquement neutre dont
les particules libres, les électrons, sont chargés négativement et les ions, positivement. Les oscillations de plasma peuvent
être interprétées par le mouvement collectif de groupe d'électrons dont le centre de masse oscille autour de celui des ions,
créant des zones d’excès et de déficit d'électrons. L'énergie est alors transmise par la distribution de charges au sein du
matériau et non plus par les électrons. En 1993, Dyakonov et Shur interprètent le comportement d'oscillations d'ondes
plasma contenues dans le canal bi-dimensionnel d'un transistor à effet de champ [6] par des équations d'hydrodynamique.
Ce comportement peut être considéré comme l’analogue électromagnétique du son émis par la cavité résonante des
instruments de musique à vent.
Ces effets de résonances plasmoniques peuvent conduire à la génération ou à la détection d'ondes térahertz [7] (jusqu'à
5,3 THz) au sein de transistors à haute mobilité d'électrons (HEMT), leur permettant de fonctionner au-delà de leur
fréquence de coupure, typiquement de l'ordre de 1 THz. En 2002, Knap et al. démontrent pour la première fois la
détection d'onde térahertz à 600 GHz [8], par effet résonnant. Aujourd'hui, le développement des procédés de fabrication
et des nouvelles structures de transistors [9] permet la détection d'ondes térahertz sur une large bande spectrale allant de
0,2 THz jusqu'à 4,3 THz [10]. Cette détection est également possible et avec des sensibilités records de 80 kV/W [11]
permettant la conception de dispositifs de communication et d'imagerie térahertz [5,12] à faible coût, opérant à
température ambiante et facilement intégrables dans des systèmes plus complexes et très rapides. Etant donné leur
fréquence de fonctionnement de l’ordre de la centaine de GHz, leur temps de réponse est très faible permettant
d’atteindre la dizaine de ps.
La figure 2 illustre le comportement d’un transistor à canal 2D d’électrons. L’onde incidente est couplée entre la source et
la grille du transistor, entraînant une modulation alternative de la densité et de l'accélération des porteurs au sein du canal
du transistor. Cette modulation est ensuite redressée entre le drain et la source en une tension continue proportionnelle à
230
Journées scientifiques 24/25 mars 2015
URSI-France
la puissance térahertz incidente. D'un point de vue pratique, c'est cette tension (Uds) qui est mesurée lorsque l'on utilise
ces transistors, la tension grille source (Ugs) servant alors à polariser le composant de façon à le placer dans son régime
de détection optimale. Quand le phénomène d'onde plasma n'est pas possible, l'onde térahertz influe alors uniquement sur
la densité de porteurs présents dans le canal. Le transistor est alors dans un régime de détection large bande.
Fig 2. Représentation d'un transistor à canal 2D d'électrons excité
par une onde électromagnétique externe
Systèmes d’imagerie térahertz
La société T-Waves Technologies a développé une version commerciale de capteur ponctuel Térahertz destinée au monde
de la recherche scientifique dans un premier temps et prévoit le développement d’un système d’acquisition d’images à
partir d’un capteur ponctuel et d’une table de translation XYZ pour répondre aux attentes de clients industriels en terme
d’analyse de nouveaux matériaux et de mise au point de leurs procédés de fabrication. Une version 2D du système
d’imagerie, basée sur l’acquisition point à point d’une mesure d’un signal térahertz, est déjà disponible en deux
configurations transmission (figure 3 (a)) et réflexion. L’image 2D est acquise par déplacement XY d’un échantillon situé
entre une source et un capteur térahertz. Ce déplacement est assuré par des platines de translation suivant des pas variant
de 100 µm à 500 µm. Le rayonnement térahertz étant pénétrant, les images 2D sont en fait des radiographies de l’objet à
analyser ou peuvent être interprétées comme des cartes de densité volumique de ce dernier. L’extension de cette version
du système d’imagerie à un système 3D (figure 4) est en cours. Elle est basée sur l’acquisition de 36 images différentes
de l’objet disposé sur une platine rotative avec un pas angulaire de 10 degrés. L’amélioration des algorithmes de
reconstruction 3D sont également en cours de maturation afin d’améliorer d’une part la qualité de l’image et d’autre part
de réduire le temps de construction de l’image 3D.
Fig 3. Système d’imagerie 2D, mode transmission
231
URSI-France
Journées scientifiques 24/25 mars 2015
(a) Montage optique (mode transmission)
(b) image 3D d’un comprimé
Figure 4. Système d’imagerie 3D
Au cours de notre présentation, nous présenterons les éléments théoriques de cette nouvelle technologie Térahertz de
capteurs à ondes de plasma dans les cas régime large bande. Nous aborderons ensuite son intégration dans une première
génération de systèmes d’imagerie Térahertz adaptés aux applications CND. Nous partagerons enfin une première
analyse comparative des différentes technologies (rayons X, Ultrasons, IR, rayons T) en nous référant à une étude
réalisée avec des matériaux du secteur aéronautique (figure 5) et sur la base de notre retour d’expérience en contact avec
des grands groupes industriels.
Image térahertz
Visualisation colorisée
(a) Endommagements sur panneau sandwich avec NIDA
(b) Impact foudre sur composite en fibres de carbone
(c) Défauts de soudure sur pièce composite en fibres de verre
232
Journées scientifiques 24/25 mars 2015
URSI-France
Citations
[1] Jonathan Oden et al., Optics Express, Vol. 21, Issue 4, pp. 4817-4825 (2013)
[2] Ruonan Han et al., IEEE Journal 48, Issue 10, pp. 2296-2308 (2013)
[3] Christopher W. Berry et al., arXiv:1412.6878 (2014)
[4] Wojciech Knap et al., Nanotechnology, V. 24, no. 21, pp.214002 (2013)
[5] Franz Schuster et al., Optics Express, Vol. 19, Issue 8, pp. 7827-7832 (2011)
[6] Michael Dyakonov et al., Phys. Rev. Lett., Vol. 71, Issue 15, pp. 2465-2468 (1993)
[7] Michael Dyakonov et al., IEEE Transactions on Electronics Devices, Vol. 45, no. 10, pp. 1640-1645 (1996)
[8] Wojciech Knap et al., Appl. Phys. Lett., Vol. 80, no. 18, pp. 3433-3435 (2002)
[9] Gregory C. Dyer et al., IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Vol. 17, no.1, pp. 85-91 (2011)
[10] Sebastian Boppel, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol. 60, no.12, pp. 3834-3843 (2012)
[11] Erik Ojefors, Journal of Solid-State Circuits, Vol. 44, no. 7, pp. 1968-1976 (2009)
[12] S. Nadar, Journal of Applied Physics, Vol. 108, pp. 054508 (2010)
233