vignette| Impulsion typique mesurée par THz-TDS. En physique, la spectroscopie TéraHertz dans le domaine temporel ( THz-TDS ) est une technique spectroscopique dans laquelle les propriétés de la matière sont sondées avec de courtes impulsions de rayonnement térahertz. Le schéma de génération et de détection est sensible à l'effet de l'échantillon sur l'amplitude et la phase du rayonnement térahertz. En mesurant dans le domaine temporel, la technique peut fournir plus d'informations que la spectroscopie à transformée de Fourier conventionnelle, qui n'est sensible qu'à l'amplitude. La nature impulsionnelle de la radiation utilisée donne accès à des quantités comme l’indice complexe de réfraction en mesurant le retard introduit par la traversée de l’échantillon.
Explication En règle générale, un laser pulsé ultracourt est utilisé dans le processus de génération d'impulsions térahertz. Lors de l'utilisation de GaAs développé à basse température comme antenne, l'impulsion ultracourte crée des porteurs de charge qui sont accélérés pour créer l'impulsion térahertz. Lors de l'utilisation de cristaux non linéaires comme source, une impulsion ultracourte de haute intensité produit un rayonnement THz à partir du cristal. Une seule impulsion térahertz peut contenir des composantes de fréquence couvrant une grande partie de la gamme térahertz, souvent de 0,05 à , bien que l'utilisation d'un plasma à air peut contenir des composants de fréquence jusqu'à . Après la génération d'impulsions THz, l'impulsion est dirigée par des techniques optiques, focalisée à travers un échantillon, puis mesurée.
La propagation depuis l’émetteur vers le détecteur n’est pas idéale en raison de la présence des techniques optiques ayant pour objectif de collimater et/ou focaliser le faisceau. Il est nécessaire de prendre en compte la fonction de transfert complexe afin d'extraire la réponse de l’échantillon. Si la mesure est effectuée en transmission, on extrait la Transmittance T(ω). Si elle est effectuée en réflexion, c'est la Réflectance R(ω) qu'on extrait. La réponse de l'échantillon correspond à la transformée de Fourier de l'onde de l'échantillon Es(t) divisée par la transformée de Fourier de l'onde de référence Eref(t).
THz-TDS nécessite la génération d'une impulsion TéraHertz ultrarapide picoseconde (donc à large bande passante) à partir d'une impulsion optique femtoseconde encore plus rapide, généralement à partir d'un laser Ti-saphir. Cette impulsion optique est d'abord divisée pour fournir une impulsion de sonde qui subit un ajustement de longueur de trajet réglable à l'aide d'une ligne à retard optique. L'impulsion de sonde illumine le détecteur qui est sensible au champ électrique du signal térahertz résultant au moment de l'impulsion de sonde optique qui lui est envoyée. En faisant varier la longueur du trajet parcouru par l'impulsion de la sonde, le signal de test est ainsi mesuré en fonction du temps - le même principe qu'un oscilloscope à échantillonnage (techniquement, la mesure obtient la convolution du signal de test et la réponse temporelle du détecteur stroboscopique). Pour obtenir la réponse résultante dans le domaine fréquentiel à l'aide de la transformée de Fourier, la mesure doit couvrir chaque point dans le temps (décalage de la ligne à retard) de l'impulsion de test résultante.
Composants Les composants d'un instrument THz-TDS typique, comme illustré sur la figure ci-contre, comprennent un laser infrarouge, des séparateurs de faisceaux optiques, des miroirs d'orientation de faisceau, une ligne à retard, une antenne émettrice, des optiques de focalisation et de collimation de faisceau térahertz comme des miroirs paraboliques et des lentilles ainsi qu'un détecteur. Les mesures se déroule généralement dans une boîte purgée au diazote ou à l'air sec afin d'éviter toutes interférences avec la vapeur d'eau de l'air ambiant.
Laser Ti-saphir La construction d'une expérience THz-TDS à l'aide d'antennes à base de GaAs à croissance basse température (LT-GaAs) nécessite un laser dont l'énergie photonique dépasse la bande interdite dans ce matériau. Les lasers Ti-saphir (saphir dopé au titane Ti3+:Al2O3) accordés à environ , correspondant à l'écart d'énergie dans LT-GaAs, sont idéales car elles peuvent générer des impulsions optiques aussi courtes que 10 fs dont la durée de vie est comparable à la période d'un cycle THz. Ces lasers sont disponibles sous forme de systèmes commerciaux clés en main.
Miroirs d'orientation Les miroirs argentés sont optimaux pour une utilisation comme miroirs de direction pour les impulsions infrarouges autour de . Leur réflectivité est supérieure à celle de l'or et bien supérieure à celle de l'aluminium à cette longueur d'onde.
Séparateurs de faisceau Un séparateur de faisceau est utilisé pour diviser une seule impulsion optique ultracourte en deux faisceaux distincts. Un séparateur de faisceau 50/50 est souvent utilisé, fournissant une puissance optique égale au générateur et au détecteur térahertz.
Ligne à retard Une ligne à retard optique est mise en œuvre à l'aide d'une platine mobile pour faire varier la longueur du trajet de l'un des deux trajets de faisceau. Une ligne à retard utilise un rétroréflecteur mobile pour rediriger le faisceau le long d'un chemin de sortie bien défini mais en suivant un retard. Le déplacement de la platine portant le rétroréflecteur correspond à un réglage de la longueur du trajet et par conséquent du temps auquel le détecteur térahertz est déclenché par rapport à l'impulsion térahertz de source. La vitesse de défilement de la ligne à retard définit la vitesse d'échantillonnage dans le domaine temporel. Il est donc courant de indiquer la vitesse de la ligne à retard en ps/s.
Boîte de purge Une boîte de purge est généralement utilisée afin que l'absorption du rayonnement THz par les molécules d'eau gazeuse se trouvant dans l'air ambiant n'interfère pas avec les mesures. L'eau est connue pour avoir de nombreuses raies d'absorption dans la région THz, qui sont des modes de rotation des molécules d'eau. L'azote, en tant que molécule diatomique, n'a pas de moment dipolaire électrique et n'absorbe pas (dans le cas du THz-TDS typique) le rayonnement THz. Ainsi, une boîte de purge peut être remplie d'azote ou d'air sec afin que des absorptions discrètes involontaires dans la gamme de fréquences THz ne se produisent pas.
Miroirs paraboliques vignette| Un miroir parabolique est représenté avec des distances focales importantes et plusieurs rayons exemplaires. Les miroirs paraboliques hors axe sont couramment utilisés pour collimater et focaliser le rayonnement THz. Le rayonnement d'une source ponctuelle efficace, telle qu'une antenne LT-GaAs (région active ~ ) incident sur un miroir parabolique hors axe devient collimaté, tandis que le rayonnement collimaté incident sur un miroir parabolique est focalisé en un point (voir schéma). Le rayonnement térahertz peut ainsi être manipulé spatialement à l'aide de composants optiques tels que des miroirs ainsi que des lentilles constituées de matériaux transparents à ces longueurs d'onde. Les échantillons pour la spectroscopie sont généralement placés à un foyer où le faisceau térahertz est le plus concentré.
Utilisations du rayonnement THz Le rayonnement THz présente plusieurs avantages distincts pour une utilisation en spectroscopie. De nombreux matériaux sont transparents aux longueurs d'onde térahertz, et ce rayonnement est sans danger pour les tissus biologiques car non ionisants (par opposition aux rayons X ). De nombreux matériaux intéressants ont des empreintes digitales spectrales uniques dans la gamme des térahertz qui peuvent ainsi être utilisées pour l'identification. Les exemples qui ont été démontrés comprennent plusieurs types différents d'explosifs, des formes polymorphes de nombreux composés utilisés comme ingrédients pharmaceutiques actifs (API) dans les médicaments commerciaux ainsi que plusieurs substances narcotiques illégales. Étant donné que de nombreux matériaux sont transparents au rayonnement THz, les matériaux sous-jacents sont accessibles à travers des couches intermédiaires visuellement opaques. Bien qu'il ne s'agisse pas strictement d'une technique spectroscopique, la largeur ultracourte des impulsions de rayonnement THz permet des mesures (par exemple, l'épaisseur, la densité, l'emplacement des défauts) sur des matériaux difficiles à sonder (par exemple, la mousse). L'intérêt pour THz-TDS de la part de la communauté médicale a augmenté ces dernières années. Récemment, des chercheurs ont été aptes de détecter le cancer de la peau et de surveiller la cicatrisation croissance. En outre, THz-TDS peut également être utilisé pour détecter des bactéries et virus via des métamatériaux THz. Les métamatériaux comprennent des structures de sous-longueurs d'onde d'origine humaine dont l'amélioration du champ local augmente considérablement la sensibilité du THz-TDS. L'utilisation des métamatériaux en THz-TDS permet donc la mesure de concentrations extrêmement faibles et de nouvelles applications commerciales. Ces capacités de mesure partagent de nombreuses similitudes avec celles des systèmes à ultrasons pulsés, car la profondeur des structures enterrées peut être déduite grâce à la synchronisation de leurs réflexions de ces courtes impulsions térahertz.
Génération THz Il existe trois techniques largement utilisées pour générer des impulsions térahertz, toutes basées sur des impulsions ultracourtes provenant de lasers titane-saphir ou de lasers à fibre à verrouillage de mode.
Émetteurs de surface Lorsqu'une impulsion optique ultra-courte (100 femtosecondes ou moins) illumine un semi-conducteur et que sa longueur d'onde (énergie) est supérieure à la bande interdite d'énergie du matériau, elle photogénère des porteurs mobiles. Étant donné que l'absorption de l'impulsion est un processus exponentiel, la plupart des porteurs sont générés près de la surface (généralement à moins de 1 micromètre). Cela a deux effets principaux. D'une part, il génère une courbure de bande, qui a pour effet d'accélérer des porteurs de signes différents dans des directions opposées (normales à la surface), créant un dipôle ; cet effet est connu sous le nom d' émission de champ de surface. Deuxièmement, la présence de la surface elle-même crée une brisure de symétrie, ce qui fait que les porteurs ne peuvent se déplacer (en moyenne) que dans la masse du semi-conducteur. Ce phénomène, combiné à la différence des mobilités des électrons et des trous, produit également un dipôle ; ceci est connu sous le nom d', et il est particulièrement fort dans les semi-conducteurs à haute mobilité tels que l'arséniure d'indium.
Émetteurs photoconducteurs Lors de la génération d'un rayonnement THz via un émetteur photoconducteur, une impulsion ultrarapide (généralement 100 femtosecondes ou moins) crée des porteurs de charge (paires électron-trou) dans un matériau semi-conducteur. Cette impulsion laser incidente fait passer brusquement l'antenne d'un état isolant à un état conducteur. En raison d'une polarisation électrique appliquée à travers l'antenne, un courant électrique soudain se transmet à travers l'antenne. Ce courant changeant dure environ une picoseconde et émet ainsi un rayonnement térahertz puisque la transformée de Fourier d'un signal de longueur picoseconde contiendra des composantes THz.