48 SPECTRA ANALYSE n° 263 • Septembre - Octobre 2008
TECHNOLOGIE APPLIQUÉE
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nouvelles techniques de l’optique, comme la tomogra-
phie optique cohérente (OCT), ou les imageries mul-
tiphotoniques, qui possèdent une très bonne résolu-
tion spatiale, mais peu de profondeur de pénétration
(quelques mm). Les caractéristiques spectroscopiques
uniques des radiations térahertz ouvrent de nouvelles
perspectives dans le domaine de l’imagerie.
Avec une très faible énergie par photon (4 meV à
1 THz), elles sont sans danger pour les milieux bio-
logiques (2). Compte tenu de leur longueur d’onde,
une résolution de quelques centaines de microns est
attendue. Mais un couplage avec des techniques de
champ proche permet, comme nous le verrons, de
briser la limite classique de la diff raction et d’obtenir
une bien meilleure résolution. Les champs d’applica-
tion de l’imagerie térahertz sont vastes et progressent
fortement.
Les premières mises en œuvre de cette technique
dans le domaine des sciences du vivant ont concerné
le domaine biomédicale avec des applications dans le
domaine de l’étude des cancers de la peau (2), la détec-
tion des caries dentaires ou encore le diagnostic des
brûlures. La Figure 1 illustre l’application des THz à la
détection de tumeurs non visibles optiquement. L’uti-
lisation d’un système d’endoscopie pourrait également
permettre la visualisation des cancers de l’œsophage
et de l’intestin.
Des études plus fondamentales concernent également
la spectroscopie des molécules biologiques. Les fré-
quences THz refl ètent les vibrations basse fréquence
des atomes constituant les grosses molécules biologi-
ques comme l’ADN, et dépendent de leur conforma-
tion. A titre d’exemple, la détection de ces modifi ca-
tions est mise à profi t pour développer de nouvelles
générations de biopuces (3).
II - Les principes
de l’imagerie térahertz
L’imagerie térahertz reprend les principales
caractéristiques de la spectroscopie térahertz.
Le contraste spécifique du térahertz, associé à
la résolution spatiale, permet à l’imagerie téra-
hertz d’ouvrir de nouvelles perspectives dans le
domaine du diagnostic biologique, mais aussi
dans le contrôle de la qualité, ou l’identification
d’objets cachés.
1. Extension des propriétés spectroscopiques
De nombreux matériaux possèdent des spectres d’ab-
sorption caractéristiques en térahertz. C’est en parti-
culier remarquable pour les gaz ou les fl ammes, dont
le spectre rovibrationnel térahertz donne une véritable
«empreinte digitale». Dans les solides, ce sont les ré-
sonances structurelles comme les phonons qui vont
modeler le spectre térahertz. Dans les liquides, l’élar-
gissement inhomogène étant très important, ce sont
essentiellement des structures très larges et moins
représentatives que l’on rencontrera. L’eau joue un
rôle fondamental en imagerie térahertz. L’eau absorbe
fortement dans toute la gamme térahertz, par exem-
ple à 0,5 THz, une atténuation par un facteur deux est
obtenue pour une épaisseur d’environ 45 μm seule-
ment. Cette absorption sera fortement mise à profi t
en imagerie. Les zones contenant des quantités varia-
bles d’eau présenterons ainsi un fort contraste. C’est en
particulier le cas en biologie, où par exemple la graisse
et les dents sont moins riches en eau que les tissus.
Les ions d’importance biologique fournissent égale-
ment un bon contraste pour l’observation des cellules
excitables comme les neurones. Enfi n, les métaux ab-
sorbent très fortement les ondes térahertz. Quelques
dizaines de nanomètres suffi sent à les bloquer. Les
ondes térahertz sont donc particulièrement adaptées
pour le contrôle des circuits électroniques, ou pour les
questions liées à la sécurité comme la détection des
armes ou des explosifs.
2. La spectroscopie térahertz
dans le domaine temporel
Le principe de génération des ondes térahertz est
présenté sur la Figure 2A. Une impulsion femtose-
conde est focalisée sur une antenne composée de li-
gnes semi-conductrices, auxquelles on applique une
tension continue : un plasma électron–trou est ainsi
optiquement généré. Il s’ensuit une accélération des
porteurs sous l’eff et du champ statique, et la généra-
tion d’une onde électromagnétique très brève dans la
région térahertz. Après propagation, ces impulsions
sont focalisées sur une antenne dipolaire. Cette an-
tenne agit comme un interrupteur photoconducteur,
piloté par une seconde impulsion femtoseconde qui
génère un courant proportionnel au champ électrique
instantané de l’impulsion térahertz. En faisant varier le
retard entre les deux impulsions optiques, on mesure
ainsi le profi l temporel du champ électrique de l’onde.
L’utilisation d’une transformée de Fourier numérique