Détecteurs thermiques infrarouge et térahertz

Le domaine infrarouge désigne la partie du spectre électromagnétique dont les fréquences correspondantes sont comprises entre 5 THz et 375 THz (THz = 10¹² Hz). Le domaine térahertz s’étend typiquement de 500 GHz à 5 THz (ou 0,1 THz à 10 THz selon les auteurs). Alors que les applications du domaine infrarouge (thermographie, vision nocturne) et des micro-ondes (télécommunications sans fil) sont nombreuses, le domaine THz est comparativement moins exploité. Pourtant, de nombreux phénomènes physiques ont des signatures caractéristiques aux ondes THz. Pendant longtemps, l’essor des applications THz a été freiné par le manque de sources et de détecteurs performants. Actuellement, de plus en plus d’applications THz (médical, génie civil, environnement, etc.) voient le jour en imagerie, grâce notamment au développement de systèmes imageurs. En effet, le contraste en imagerie THz provient de la propriété de certains matériaux à être transparents ou opaques aux fréquences THz. D’autres régions spectrales sont exploitées pour sonder les matériaux en profondeur (rayons X, microondes, etc.). Cependant, seules les ondes THz regroupent à la fois l’avantage d’être sans danger pour les tissus biologiques, car les photons THz sont faiblement énergétiques (quelques meV) et l’avantage d’avoir une faible résolution spatiale (~centaines de microns).

De l’infrarouge au térahertz

Le domaine infrarouge

En 1800, William Herschel réalisa une expérience consistant à disperser la lumière blanche du soleil à l’aide d’un prisme. Muni d’un thermomètre, il mesura la température pour chaque longueur d’onde et il remarqua que le maximum de température ne coïncidait pas avec le maximum de lumière. Ce maximum de température ne se situait pas dans le spectre visible, mais au-delà de la longueur d’onde rouge. Il en déduisit l’existence d’une énergie calorifique portée par un rayonnement invisible par l’œil humain [1]. Infrarouge signifie « en dessous du rouge », car l’infrarouge est un domaine des ondes électromagnétiques de fréquences inférieures à celles de la lumière visible. Les longueurs d’onde de l’infrarouge s’étendent typiquement de 0,8 µm à 100 µm. L’infrarouge (IR) se décompose en trois sous domaines : l’infrarouge proche (de 0,8 à 2 µm, NIR – Near IR), l’infrarouge moyen (de 2 à 20 µm, MIR – Medium IR) et l’infrarouge lointain (de 20 à 200 µm, FIR – Far IR).

Applications de l’infrarouge

L’infrarouge trouve des applications dans bien des domaines. De nombreuses applications n’emploient pas de sources IR et se suffisent de la seule émission des objets. L’infrarouge peut donc être utilisée dans des applications potentiellement passives et peu intrusives, qui requièrent des caractérisations sans contact et à distance. Ces applications sont classées en deux catégories : la radiométrie et l’imagerie [1]. La radiométrie IR est basée sur la mesure quantitative du rayonnement IR dans une certaine bande spectrale. Lorsque la distribution spectrale du rayonnement est étudiée, on parle plutôt de spectroscopie et lorsque la mesure de l’énergie du rayonnement est convertie en température, on parle de pyrométrie. La conversion en échelle de température s’effectue à l’aide d’un modèle de rayonnement électromagnétique.

Pour des températures inférieures à 2700 K la luminance énergétique d’un corps noir est maximale dans l’infrarouge . La pyrométrie IR permet donc de réaliser des mesures de température sur des objets qui peuvent être inaccessibles ou dont l’approche est dangereuse. De plus, pour des températures très élevées, il peut ne pas y avoir d’autres alternatives pour mesurer la température car un capteur de température solidaire de l’objet serait détruit. Cependant, la pyrométrie IR ne permet d’accéder qu’à la température en surface des objets. De plus, la luminance énergétique des objets diffère de la luminance énergétique idéale du corps noir et dépend de l’environnement qui reflète et réoriente le flux énergétique.

Au contraire, l’imagerie IR permet d’acquérir des images dont le contraste provient de la luminance énergétique des objets et peut indiquer la répartition de la chaleur à leur surface. Le suivi de l’évolution temporelle permet l’observation d’objets ou de personnes en mouvement. Dans le domaine de la défense, l’imagerie IR est employée dans les systèmes de vision nocturne, de guidage de missile, etc. En particulier, la détection de menaces par veille infrarouge (Infrared search and track) ne nécessite pas de recourir à une source ce qui est un avantage sur la détection radar qui trahi la position de l’émetteur. Les applications en sécurité des biens et des personnes concernent par exemple l’identification de départs de feu et la détection de fuites de gaz ou bien les systèmes de surveillance anti-intrusion et les lecteurs biométriques.

Au quotidien, les ondes IR sont par exemple utilisées comme support de l’information dans les télécommunications longue distance par fibre optique ou dans les télécommunications sans fil à courte distance et dans les systèmes d’aide à la conduite. Le pic de rayonnement du corps humain et des objets à température ambiante se situe principalement dans l’infrarouge moyen λmax ≈ 9,5 µm à 300K. C’est pourquoi il y a un vif intérêt pour la réalisation d’imageurs IR. Cependant, de nombreux milieux perturbent la propagation et absorbent le rayonnement IR : les cheveux en imagerie thermique médicale du cortex cérébral, le brouillard et la pluie dans les systèmes de transport, la fumée dans les systèmes de vision infrarouge lors d’incendies, les vêtements en sécurité civile, etc. Ces limitations peuvent être surmontées en exploitant les ondes térahertz.

Le domaine térahertz

Historique
Le domaine térahertz (THz) s’étend typiquement de 500 GHz à 5000 GHz (ou de 100 GHz à 10 THz selon les auteurs) et recouvre partiellement l’infrarouge lointain. Historiquement, les ondes THz ont été étudiées en optique en étendant les lois de l’optique à des longueurs d’onde plus élevées et ont été étudiés en électromagnétisme comme des ondes radio de fréquences élevées. C’est pourquoi les appellations « ondes THz », « infrarouge lointain » et « ondes submillimétriques » sont souvent confondues. La partie du spectre électromagnétique correspondant aux ondes millimétriques et submillimétriques est exploitée depuis les années 1960 [4]. De nombreux modes d’excitation des molécules se retrouvent dans l’infrarouge lointain. En conséquence, les ondes THz sont notamment utilisées en radioastronomie pour l’identification d’espèces chimiques dans le cadre de l’étude de la formation et de l’évolution des corps célestes.

Table des matières

INTRODUCTION
Détecteurs thermiques infrarouge et térahertz
1.1. De l’infrarouge au térahertz
1.1.1. Le domaine infrarouge
1.1.2. Applications de l’infrarouge
1.1.3. Le domaine térahertz
1.1.3.1. Historique
1.1.3.2. Particularités des ondes THz
1.1.4. Applications récentes des ondes THz
1.1.4.1. Imagerie
1.1.4.2. Spectroscopie
1.1.4.3. Télécommunications
1.2. Détecteurs thermiques
1.2.1. Généralités
1.2.2. Caractéristiques principales
1.2.2.1. Sensibilité
1.2.2.2. Constante de temps
1.2.2.3. Puissance équivalente de bruit
1.2.2.4. Détectivité spécifique
1.2.3. Technologies de détection thermique
1.2.3.1. Détecteurs pneumatiques
1.2.3.2. Thermocouples
1.2.3.3. Détecteurs bolométriques
1.2.3.4. Détecteurs pyroélectriques
1.2.3.5. Discussion
1.2.4. Aspects matériaux des détecteurs thermiques non refroidis
1.2.4.1. Oxydes de vanadium
1.2.4.2. Composés à base de silicium
1.2.4.3. Métaux et leurs oxydes
1.2.4.4. Oxydes de manganèse
1.2.4.5. Cuprates
1.2.5. Comparaison entre bolomètres et détecteurs pyroélectriques
1.3. Présentation du matériau a-YBCO
1.3.1. Historique
1.3.2. Structure cristalline
1.3.3. Technique de dépôt en couches minces
1.3.4. Autres phases de composés Y/Ba/Cu/O
1.3.5. Quelques éléments sur la théorie des semi-conducteurs amorphes
1.3.6. Diagrammes de bandes
1.3.6.1. Modèles de Yu et Heeger
1.3.6.2. Modèles d’Okunev
1.4. Conclusion
1.5. Références
Nature physico-chimique d’a-YBCO
2.1. Techniques expérimentales et traitements associés
2.1.1. Spectroscopie Raman
2.1.1.1. Principe
2.1.1.2. Présentation de la plateforme
2.1.2. Spectroscopie des photoélectrons X et UV
2.1.2.1. Principe
2.1.2.2. Présentation de la plateforme
2.1.2.3. Caractérisation d’un empilement atomique
2.1.3. Spectroscopie par torche plasma
2.1.4. Loi de mélange
2.1.4.1. Principe
2.1.4.2. Exemples d’application
2.2. Étude de la composition atomique
2.2.1. Bases de connaissance
2.2.1.1. Données XPS
2.2.1.2. Précédentes estimations de la composition
2.2.2. Nouvelles analyses
2.2.2.1. Détermination de la composition
2.2.2.2. Étude de la composition sur l’épaisseur
2.3. Étude de la bande de valence
2.4. Conclusion
2.5. Références
Propriétés optiques des couches minces d’a-YBCO de l’ultraviolet à l’infrarouge moyen
3.1. Généralités
3.1.1. Objectifs de l’étude des propriétés optiques
3.1.2. Énergies de gaps optiques
3.1.3. Interférences dans les couches minces
3.2. Techniques expérimentales et traitements associés
3.2.1. Spectrophotométrie
3.2.1.1. Transmittance et réflectance
3.2.1.2. Spectromètre à dispersion
3.2.1.3. Spectromètre à transformée de Fourier
3.2.1.4. Comment déterminer le coefficient d’absorption ?
3.2.1.5. Comment déterminer l’indice optique ?
3.2.2. Ellipsométrie
3.2.2.1. Principe
3.2.2.2. Ellipsomètre spectrométrique à angle variable
3.2.2.3. Substrats
3.3. Résultats et interprétations
3.3.1. Étude des substrats de l’UV au MIR en spectrophotométrie
3.3.1.1. Introduction
3.3.1.2. Substrat de MgO
3.3.1.3. Substrat de Kapton®
3.3.1.4. Substrat d’AgBr
3.3.1.5. Substrat de CsI
3.3.1.6. Conclusion
3.3.2. Étude des films d’a-YBCO de l’UV au MIR en spectrophotométrie
3.3.2.1. Introduction
3.3.2.2. a-YBCO sur MgO
3.3.2.3. a-YBCO sur Kapton®
3.3.2.4. a-YBCO sur AgBr
3.3.2.5. a-YBCO sur CsI
3.3.2.6. Conclusion
3.3.3. Détermination des gaps optiques
3.3.3.1. Introduction
3.3.3.2. Rôle du substrat
3.3.3.3. Rôle de l’épaisseur
3.3.3.4. Extraction des gaps optiques
3.3.3.5. Discussion
3.3.3.6. Conclusion
3.3.4. Détermination de l’indice optique complexe ñ
3.3.4.1. Estimation de n avec la méthode de l’étalon de Fabry-Pérot
3.3.4.2. Détermination de n et κ par ellipsométrie
3.3.4.3. Détermination de n et κ par la méthode de Forouhi-Bloomer
3.4. Conclusion
3.5. Références
CONCLUSION

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