IMHOTEP : détecter des Térahertz avec une caméra infrarouge noir et blanc

Direction : AID / Publié le : 04 janvier 2021

Le projet de recherche IMHOTEP fait suite à la thèse de Mathilde Makhsiyan portant sur les « Nano-émetteurs thermiques multi-spectraux », pour laquelle elle a reçu le prix de thèse DGA 2019 . Il a pour objectif de développer un dispositif de conversion efficace du rayonnement Térahertz (THz) vers l’infrarouge (IR), avec une membrane à la fois fine et permettant une imagerie multibandes. Le projet est coordonné par l’ONERA, en partenariat avec le CNRS.

L’imagerie Térahertz : un domaine en plein essor

Le rayonnement Térahertz désigne le domaine qui couvre la bande de longueurs d’ondes comprises entre l’infrarouge thermique et les micro-ondes. Il peut pénétrer une grande variété de matériaux non-conducteurs (vêtements, carton, bois, plastique, …) justifiant ainsi son intérêt pour les applications de sécurité et de contrôle non destructif (contrôles de lettres de colis et de bagages, détection d’explosifs et de drogues, interventions sécuritaires…). Le développement de sources THz commerciales a permis d’élargir leur champ d’applications, faisant de la détection et de l’imagerie Térahertz un domaine aujourd’hui en plein essor, notamment pour le contrôle qualité de matériaux aéronautiques, aériens, automobiles ou encore pour la rénovation de bâtiments.

Pour transformer les THz vers l’IR on utilise généralement une membrane qui convertit le rayonnement THz en chaleur, qui est à son tour convertie en rayonnement infrarouge (IR). L'observation se fait ensuite par une caméra IR commerciale. Cette dernière solution, si elle bénéficie des avancées considérables de l'imagerie IR (refroidie ou pas), reste encore fortement limitée par les performances de conversion de la membrane.

La contribution du projet IMHOTEP

Le projet IMHOTEP a mis à contribution les avancées récentes de la nanophotonique afin de contrôler l'absorption et l'émissivité de la structure, et de les associer au comportement thermique de la diffusion en régime transitoire.

Le dispositif développé consiste en une membrane avec des antennes absorbant le THz d'un côté et de l'autre côté des antennes réémettant thermiquement le rayonnement dans l'infrarouge.

Images infrarouges du convertisseur à différents moment (t) après la mise en marche de la source térahertz à 96 Ghz et 130 Ghz.

Le mécanisme du dispositif est le suivant :

- une antenne absorbe d’abord le rayonnement THz dans la membrane, ce qui conduit à un échauffement local de celle-ci, dans un petit volume devant la longueur d'onde. Dans le cas multi-bandes, on a des antennes qui absorbent différentes longueurs d'ondes et qui sont éloignées spatialement.

- l'échauffement dans la membrane se fait par conduction thermique. La membrane étant très peu épaisse devant la longueur d'onde, sa température est quasi homogène suivant son épaisseur, tandis que le transfert latéral est beaucoup plus lent.

- le revers de la membrane est chauffée quasi-instantanément et va réémettre dans l'infrarouge permettant l’imagerie par une caméra à infrarouge.

Un premier prototype de convertisseur breveté a été développé au cours du projet (vois l’image ci-dessous), ce qui démontre la capacité à améliorer les performances (efficacité de conversion doublée, réduction du temps de réponse de la membrane) ainsi qu’à faire de l’imagerie multi spectrale. La fabrication de ce prototype a fait l’objet d’un développement spécifique, non prévu initialement dans le projet, pour faire appel à des techniques bas coût uniquement.

a) Photo du prototype de convertisseur.

b) Image au scanner électronique des antennes présentes sur le convertisseur

c) Schémas d’une vue latérale (à gauche) et d’une vue de dessus (à droite) du convertisseur.

Crédits : Arthur Salmon, Onera

Le projet Imhotep a généré :

- Le dépôt de deux brevets (Bouchon, Makhsiyan, Haïdar, 2017 ; Salmon, Bouchon, 2020), le premier brevet est également déposé aux USA, en Europe, au Japon, au Canada, en Corée du Sud et en Chine.

- Le développement d’une technique de fabrication bas coût du composant assurant la conversion, et la première démonstration expérimentale de la capacité à faire de l’imagerie THz multispectrale.

Un nouveau passage à l’échelle industrielle

Les éléments développés au cours du projet IMHOTEP ont débouché sur le projet d’accélération de l’innovation MISTIC, soutenu par le dispositif RAPID, et lancé en août dernier en partenariat avec la société R&D Vision. L’objectif du projet MISTIC est de développer un instrument d’imagerie multispectrale Térahertz temps réel, transportable, autonome en énergie et bas coût qui sera déployé dans différents environnements et pour des besoins opérationnels très variés. Les champs d’applications civils et militaires sont très larges (détection d’explosifs, contrôles non destructifs, maturité de plantes, analyse de la peau…). Au-delà des objectifs de diversification des applications et de performances du capteur, le projet MISTIC vise aussi à développer et maitriser des méthodes de fabrication de la membrane pour un déploiement industriel rapide de cette technologie.

Crédits photo d'appel : Frédéric THOUVENOT/armée de Terre/Défense

Droits : AID