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Visualisation d'objets cachés : le térahertz
Chaque être humain s’est posé au moins une fois la question dans sa vie : est ce possible de voir à travers les mûrs ou les vêtements? Malheureusement la nature n’a pas doté l’homo-sapiens d’instruments capables de rendre ce rêve réel. Toutefois grâce à leur activisme, les chercheurs ont découvert un outil capable de rendre visible des objets cachés. Cet outil est une composante ou une partie du spectre électromagnétique (ensemble de la lumière visible et invisible) que l’on désigne sous le nom de : térahertz. Dans cette missive lettre, l’objectif est d’attirer les regards de la communauté universitaire et industriel Gabonaise sur le térahertz et son potentiel ainsi que de le faire découvrir au grand public. Après avoir défini et positionner le térahertz dans le spectre électromagnétique, je listerai les applications qui tirent profit du rayonnement térahertz. Le domaine térahertz s'étend d'environ 100 gigahertz à quelques milliers de gigahertz, soit quelques térahertz (1 gigahertz (GHz) = 109 hertz, 1 térahertz (THz) = 1 000 gigahertz). Cela correspond à des longueurs d'onde comprises entre une trentaine de micromètres et deux ou trois millimètres. Autrement dit, le domaine térahertz est compris entre l'infrarouge et les microondes. La figure 1 ci-dessous permet au lecteur de positionner cette gamme de fréquence en fonction d’autres régions du spectre électromagnétique.
Figure 1 : Positionnement du domaine térahertz dans le spectre électromagnétique
De par son positionnement dans le spectre électromagnétique, les ondes térahertz combinent les avantages des ondes optiques et des ondes radio ou millimétriques. Avec les ondes optiques, elles ont en commun la directivité, c'est-à-dire qu'il est possible de réaliser des dispositifs de taille supérieure à la longueur d'onde afin de les orienter, de les focaliser vers un point donné ou de les manipuler. Les ondes térahertz permettent l'emploi de techniques d'émission et de détection par des antennes comme les ondes radio et sub-millimétriques. Les photons térahertz ont une énergie faible : ils interagissent peu avec la matière et sont donc très peu absorbés. Ils peuvent la traverser, comme le font les ondes radio. Ainsi, des matériaux aussi divers que les tissus, les plastiques, les céramiques et la brique sont transparents aux rayons térahertz. En fait, seuls les métaux et l’eau bloquent le rayonnement térahertz. Et encore, ce rayonnement traverse le brouillard et peut pénétrer sur quelques millimètres les tissus biologiques. Depuis son avènement dans les années 90, les technologies liées au domaine térahertz sont restées la chasse gardée des chercheurs universitaire, des militaires et des grands groupes industriels. L’attentat orchestré et manqué sur un vol de la compagnie Norwhest Airlines reliant les Pays-Bas aux Etats-Unis par Umar Farouk Abdulmutallab (jeune Nigérian de 23 ans) a permit au grand public de découvrir l’existence d’une technologie novatrice : les scanners corporels. Depuis ce malheureux évènement, pour renforcer la sécurité dans les avions et dans les aéroports, des « scanners corporels » à ondes térahertz ont été installés dans plusieurs aéroports notamment aux Etats-Unis et à l’aéroport de Roissy en France. Ces appareils qui ressemble à des portiques de détection ont pour but de déshabiller virtuellement les voyageurs contrôlés et révèlent, à travers les vêtements et les chaussures, d'éventuels objets ou substances dangereux, par exemple une arme à feu (voir figure 1) ou un liquide explosif. Ces dispositifs sont l’exemple le plus illustratif qui permet de mettre en évidence l'essor spectaculaire qu'a connu ces dernières années la technologie des ondes millimétriques et térahertz. Il va sans dire qu’avec les menaces terroristes qui minent le monde, même si le Gabon n’est pas dans la liste des pays visés, il est fort possible que l’aéroport de Libreville s’équipe dans un proche avenir d’un scanner corporel à onde térahertz.
Figure 2 : Illustration de l’image d’un homme dans un « scanner corporel » à ondes térahertz. On distingue l’arme à feu caché sous les vêtements au dos du voyageur.
Vision d’objets cachés avec le térahertz
La faculté des ondes térahertz à traverser des parois de bois, de vêtements, de papiers et de béton rend possible la « vision » derrière une surface ou à l'intérieur d'un volume opaque. A l’heure actuelle, il n'existe pas encore d'application industrielle aboutie pour la visualisation térahertz. Cependant, l’agence spatiale américaine (nasa) inspecte la présence de trous dans les mousses de protection de certaines pièces de ses navettes (les réservoirs de combustible) à l'aide d'appareils d'imagerie térahertz. Avec les rayons térahertz on peut par exemple visualiser la poudre contenue dans une gélule ou un produit alimentaire dans son emballage. De telles possibilités intéressent les entreprises de différents secteurs (agroalimentaire et pharmaceutique) pour le contrôle de qualité. Une utilisation complémentaire des ondes térahertz est également possible en effectuant de la spectroscopie, c'est-à-dire en analysant le pouvoir d'absorption, de réflexion ou de transmission d'un matériau en fonction de la fréquence des radiations. On est aujourd'hui capable de mesurer, sur des matériaux diélectriques (isolants sur le plan électrique), ces propriétés à des fréquences comprises entre 0,1 et 4 térahertz sans contact et presque en temps réel, pour toutes les fréquences à la fois. L'acquisition d'un tel spectre térahertz permet de caractériser sur le plan physico-chimique la substance examinée.
Imagerie térahertz
En combinant imagerie et spectroscopie, on peut obtenir une série d'images du même objet, mais prises à plusieurs dizaines de longueurs d'onde différentes – qui correspondent à autant de « couleurs ». Avec une telle spectro-imagerie, il est possible d'inspecter des personnes ou des objets et d'identifier au moins une partie des substances présentes. Certains appareils sont par exemple capables de caractériser le pouvoir explosif d'un liquide contenu dans une bouteille. On peut détecter des substances dangereuses ou illicites dans le courrier postal : au Japon, certains centres de tri postal sont équipés d'un analyseur térahertz qui, à travers les enveloppes, analyse et identifie des produits douteux (tels les germes de la maladie du charbon envoyés par courrier peu après les attentats du 11 septembre 2001), sans contact ni ouverture de l'enveloppe. Il existe même des systèmes térahertz qui, à plusieurs mètres de distance, réalisent des images et détectent des drogues ou des explosifs de façon passive, c'est-à-dire en n'utilisant que le rayonnement ambiant comme source d'ondes térahertz.
Inconvénients des ondes térahertz
Les possibilités offertes par le rayonnement térahertz sont nombreuses et alléchantes. Toutefois, il ne faut pas oublier que ces ondes souffrent de quelques inconvénients. L'un d'eux est la faible résolution spatiale, due aux lois de la diffraction et la longueur d'onde relativement élevée du rayonnement térahertz. Par exemple, à une fréquence de deux térahertz, la longueur d'onde est de 0,15 millimètre, et le pouvoir de résolution maximale est d'environ 0,25 millimètre. Mais une telle résolution suffit souvent. Une autre limitation des rayons térahertz est qu'ils sont totalement absorbés par les matériaux à molécules polaires, l'eau en particulier, et par les bons conducteurs électriques, tels les métaux. C'est pourquoi en biologie et en médecine, l'emploi des ondes térahertz se limite aux régions superficielles, telle la peau sur une profondeur d'une fraction de millimètre, ou aux parties dépourvues d'eau, comme les dents. Toutefois, ces limitations se transforment parfois en avantage quand il s'agit de détecter un contraste lié à la présence de métaux ou d'eau, par exemple lorsqu'on veut mesurer un taux d'humidité dans des processus de fabrication ou de contrôle de qualité. Enfin, même pour les autres matériaux, la zone accessible aux rayons terahertz est d'épaisseur limitée, ce qui est un inconvénient pour certaines analyses.
La technologie térahertz a fait beaucoup parler d'elle ces dernières années et certains se demandent : est-ce vraiment une technologie du troisième millénaire ou n'est-elle qu'un phénomène de mode? Le développement des lasers femtosecondes et des composants semi-conducteurs a rendu possible, vers le milieu des années 1980, un essor rapide des techniques de production d'impulsions térahertz et de détection. Dans un article futur, je vous présenterai les sources les plus usuelles.
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