Pour scanner corporel et test de matériaux

L'équipe autour de Jan Kappa (re.) et Dominik Sokoluk a développé ce nouveau module. (Photo : Koziel/TUK)

Les chercheurs travaillent à l'optimisation de leur modulateur à micro-miroir pour l'étude des matériaux. (Photo : Koziel/TUK)

Ils sont utilisés dans les scanners corporels à l'aéroport : les ondes térahertz. Avec ce rayonnement peu énergétique, inoffensif pour la santé, il est possible de voir à l'intérieur : il peut par exemple traverser le plastique et les textiles. Cela le rend également intéressant pour les contrôles de matériaux sans destruction. Cependant, pour utiliser des procédés de spectroscopie d'imagerie, l'effort nécessaire a jusqu'à présent été très élevé. Une solution pourrait à l'avenir être apportée par une pièce développée par des chercheurs de Kaiserslautern. Avec leur modulateur à micro-miroirs électromécaniquement contrôlable, il devrait désormais être possible d'examiner des objets à l'aide d'une spectroscopie térahertz d'imagerie rapide.

Les ondes térahertz se situent dans le spectre électromagnétique entre les micro-ondes et le rayonnement infrarouge. « Elles traversent des matériaux comme le papier, le bois et la céramique, ne sont pas ionisantes et sont sans danger pour l'homme », explique Jan Kappa du groupe de travail sur les métamatériaux et la technologie térahertz du département de génie électrique et informatique de l'Université technique de Kaiserslautern (TUK).

Cependant, il reste encore très coûteux en termes de technique et de temps d'examiner et d'identifier sans contact des objets par spectroscopie térahertz d'imagerie. Un premier composant permettant une telle technique à l'avenir a été développé par des chercheurs de la TUK. Avec leur modulateur à micro-miroirs, ils peuvent modifier spatialement le rayonnement térahertz — de manière similaire à la lumière dans une ouverture réglable d'un appareil photo. Voici comment fonctionne la technologie : une source émet un rayonnement térahertz qui atteint le modulateur. « Celui-ci active un certain motif grâce à ses micro-miroirs, qui s'imprime en quelque sorte dans le rayonnement », explique Kappa. Ce motif atteint ensuite l'objet à examiner. Une partie du rayonnement est absorbée, une autre continue et est focalisée sur un détecteur. Après plusieurs passages et différents motifs activés, l'image peut finalement être calculée. « Cette méthode est une prise d'image indirecte », poursuit Kappa. « Nous connaissons le motif activé et le signal de sortie correspondant. Des algorithmes peuvent reconstituer l'image de l'objet à partir de ces données. »

Grâce à cette méthode, les chercheurs peuvent couvrir un spectre de fréquences très large. « Nous recueillons, en plus des informations spatiales sur l'objet, également des informations spectrales pour chaque point d'image », explique Kappa. « Cela n'était jusqu'à présent possible que de manière limitée, car des méthodes comparables ne pouvaient influencer les ondes térahertz que dans une très petite gamme spectrale. »

Le système innovant à micro-miroirs permet d'étudier rapidement les propriétés spectrales des objets. « Potentiellement, cela permet d'identifier des substances chimiques à partir de leurs empreintes spectrales dans le domaine térahertz, sans avoir à scanner les objets pendant plusieurs minutes », explique le professeur Marco Rahm, titulaire de la chaire, à propos de la technique.

Sur le campus, les chercheurs ont fabriqué eux-mêmes leur modulateur à micro-miroirs dans la salle blanche du NanoStructuringCenter. Dans les mois à venir, ils se concentreront principalement sur l'optimisation des modulateurs pour l'étude des matériaux. La technique est notamment intéressante pour la surveillance alimentaire, où des contaminants issus de la fabrication ou de l'emballage peuvent avoir des conséquences sur la santé. Mais aussi pour le contrôle non destructif des matériaux dans l'industrie automobile ou aéronautique, par exemple pour jeter un œil sous une couche de peinture. De plus, la méthode peut être utilisée dans l'industrie pharmaceutique et la technologie médicale.

Les chercheurs ont déjà présenté leur technique au début de l'année dans la revue scientifique renommée Scientific Reports. En septembre, Jan Kappa a obtenu la deuxième place au prix du meilleur article étudiant lors de la Conférence internationale sur les ondes infrarouges, millimètres et térahertz (IRMMW-THz) 2019 à Paris.

L'équipe de Jan Kappa, Dominik Sokoluk, Corey Shemelya et le professeur Marco Rahm a collaboré étroitement avec Steffen Klingel et le professeur Egbert Oesterschulze du département de physique et de technologie des nanostructures de la TUK. L'équipe de la docteure Sandra Wolff du NanoStructuringCenter a également participé au développement. Les travaux de recherche sont intégrés au Centre de recherche sur l'optique et la science des matériaux (OPTIMAS).

L'étude « Electrically Reconfigurable Micromirror Array for Direct Spatial Terahertz Modulation of Terahertz Waves over a Bandwidth Wider Than 1 THz » a été publiée dans la revue Scientific Reports. DOI : 10.1038/s41598-019-39152-y

Questions répondues par :

Jan Kappa
Chaire de génie électrique théorique
Groupe de travail sur les métamatériaux et la technologie térahertz
Tél. : 0631 205-5334
E-mail : kappa@eit.uni-kl.de