L'analyseur de spectre optique Shimadzu contribue à la recherche sur les ondes térahertz, une région du spectre électromagnétique mûre pour le développement

L'un des fruits de l'intelligence humaine a été l'exploitation des ondes électromagnétiques. La lumière et les ondes électromagnétiques sont, comme l'air qui nous entoure, inépuisables. Fascinée par cette merveille, l'humanité a systématisé leurs principes fondamentaux par des expérimentations et des recherches répétées. Ainsi, nos vies ont été enrichies par la création de divers outils, comme l'imagerie par rayons X, les fours à micro-ondes et la communication par fibre optique, qui utilise la lumière.

 

Un avenir où l'exploitation des ondes térahertz est poursuivie

Alors que les applications concrètes des ondes électromagnétiques progressent, les ondes térahertz constituent la seule région du spectre où leur mise en œuvre concrète n'a pas progressé. Les ondes térahertz se situent dans une bande de fréquences située entre la lumière et les ondes radio. Elles se caractérisent par leur rectitude, comme celle des faisceaux laser, et la perméabilité des ondes radio. Cependant, leur énergie lumineuse est extrêmement faible et leur fréquence très élevée, ce qui les rend difficiles à générer et à détecter. Par conséquent, les chercheurs en ondes lumineuses et radio considèrent cette région du spectre comme très difficile à appréhender.

L'importance des ondes térahertz s'est toutefois accrue ces dernières années. La technologie 5G, désormais populaire, utilise la bande de fréquences millimétriques, mais l'augmentation du trafic risque de surcharger les communications à l'avenir. L'utilisation de la bande passante térahertz, encore plus élevée, pour la technologie 6G de nouvelle génération, est actuellement au centre des préoccupations. Les recherches s'accélèrent à l'échelle mondiale pour la concrétiser. De plus, les ondes térahertz ont la propriété de pénétrer le papier, le plastique, les fibres et d'autres substances. Cependant, leur énergie est plus faible que celle des rayons ultraviolets et des rayons X, ce qui réduit leur impact sur le corps humain. L'utilisation des ondes térahertz simplifierait les contrôles de sécurité des personnes et des envois postaux, et devrait donc trouver une application pratique dans la lutte antiterroriste, par exemple.

Les analyseurs de spectre optique Shimadzu sont utilisés au laboratoire RIKEN, un centre de recherche mondial de premier plan pour les ondes térahertz

Dr. Hiroaki Minamide, directeur de l'équipe de recherche Tera-Photonics,
Centre RIKEN pour la photonique avancée, RIKEN

Hiroaki Minamide, du RIKEN*, poursuit ses recherches visant à exploiter concrètement ces ondes térahertz. Il a débuté ses recherches sur ce sujet il y a 25 ans et a découvert une méthode efficace pour les générer, jusqu'alors difficile. En septembre 2024, il a réussi à développer une source d'ondes térahertz à haute luminosité, suffisamment petite pour tenir dans la paume de la main. Il poursuit actuellement ses recherches pour exploiter concrètement ces ondes.

* RIKEN, une agence nationale de recherche et de développement, est la plus grande institution de recherche complète du Japon, fondée en 1917.

Source portable d'ondes térahertz annoncée par RIKEN en septembre 2024 (Photo fournie par RIKEN)

L'analyseur de spectre optique Shimadzu SPG-V500 a contribué à cette recherche. Les analyseurs de spectre optique sont des instruments permettant d'analyser la longueur d'onde et l'intensité lumineuse. Ils sont généralement utilisés pour analyser les sources laser dans des domaines tels que les communications optiques.

Analyseur de spectre optique SPG-V500 dans le laboratoire de l'équipe de recherche en téra-photonique du RIKEN (campus de Sendai)

Minamide note que « j'ai appris que la longueur d'onde de la lumière pouvait être mesurée en temps réel avec le Shimadzu SPG-V500, et si tel était le cas, alors des avancées en matière de recherche pourraient être anticipées. »

L'équipe de recherche en téraphotonique dirigée par Minamide était en plein développement d'un détecteur destiné à être utilisé simultanément avec la source. La détection d'un signal spécifique est indispensable pour vérifier la génération d'ondes térahertz. Cependant, malgré tous ses efforts, l'équipe n'a pas réussi à détecter ce signal.

Si le signal est indétectable, la recherche ne peut avancer. À cette fin, deux chercheurs ont passé plusieurs mois à effectuer des ajustements et des mesures répétés, sans succès. Alors que j'étais au bout du rouleau, une ligne dans la proposition pour le SPG-V500, mentionnant « fonction de mesure en temps réel », a attiré mon attention. J'ai eu l'impression de m'accrocher à n'importe quoi, mais j'ai quand même pris contact. J'ai emprunté un modèle de démonstration, essayé d'effectuer des ajustements et des mesures comme d'habitude, et j'ai été surpris. Le signal souhaité était trouvé. J'ai sauté de joie avec tout le monde dans le laboratoire, en criant : « On a réussi ! On a trouvé ! »

Le Dr Hiroaki Minamide du RIKEN (au centre) et les chercheurs (à l'époque) Dr Deepika Yadav (résidant actuellement en Inde, à l'écran) et Dr Yuma Takida (à l'extrême gauche) reviennent sur la période en question.

L'équipe de développement était fière de la haute résolution spectrale et de la technologie de mesure en temps réel

Équipe de développement du SPG-V500 : de gauche à droite : Ryosuke Nishi, Tomoari Kobayashi, Hiroaki Nishihara et Ryoji Hiraoka (Groupe Applications, Département Appareils)

Les instruments de mesure de la « lumière » ont également joué un rôle dans la recherche sur les ondes térahertz, une forme d'onde électromagnétique. Personne n'a été plus surpris par cette nouvelle que les développeurs du SPG-V500. Ryoji Hiraoka, membre du groupe de développement, a déclaré : « Je n'aurais jamais imaginé que le SPG-V500 jouerait un rôle dans la recherche sur les ondes térahertz. »

Ryoji Hiraoka, équipe de développement

La source d'ondes térahertz développée par Minamide utilise un laser pulsé qui génère instantanément des impulsions d'une durée d'un milliardième de seconde ou moins. Par conséquent, il était difficile d'effectuer des mesures avec un analyseur de spectre optique polyvalent.

Hiraoka, membre de l'équipe de développement, a déclaré : « Le développement du SPG-V500 est né de l'idée de créer un analyseur de spectre optique facile à utiliser, susceptible de contribuer à la recherche sur le laser. Shimadzu possède des départements de recherche sur le laser, et lorsque je les ai contactés, j'ai appris qu'ils rencontraient diverses difficultés. Pour les résoudre, j'ai estimé qu'il fallait un instrument capable de fournir simultanément une haute résolution spectrale et des informations sur les longueurs d'onde sur une plage donnée. J'ai ainsi trouvé mon concept de développement. »

Les analyseurs de spectre optiques à usage général ne pouvaient pas mesurer la lumière générée instantanément. La raison en est la méthode de mesure, qui consiste à balayer la lumière sur une période donnée. C'est pourquoi, avec le SPG-V500, une méthode de mesure de type polychromateur a été adoptée plutôt qu'une méthode de type balayage. L'instrument est équipé d'un capteur matriciel (un ensemble de petits capteurs) qui lui permet d'obtenir simultanément des informations sur les longueurs d'onde sur une certaine plage.

Ryosuke Nishi, équipe de développement et de vente, responsable des améliorations du SPG-V500

Cette méthode utilise la technologie propriétaire Shimadzu et est également efficace pour détecter les sauts de mode (changements brusques de longueur d'onde de la lumière), principale cause du bruit laser. La suppression des sauts de mode pourrait améliorer la qualité des sources laser, ce qui pourrait s'avérer utile dans divers domaines de recherche sur le laser, et pas seulement dans les ondes térahertz. Je souhaite contribuer à une révolution technologique dans de nombreux domaines, notamment les techniques de détection pour les véhicules autonomes et les communications optiques.

De gauche à droite, Hiroaki Minamide et Yuma Takida de RIKEN, ainsi que Ryoji Hiraoka, Satomi Sakamoto et Ryosuke Nishi de Shimadzu Corporation. Au centre, l'analyseur de spectre optique SPG-V500.