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Microélectronique, électromagnétisme, photonique, hyperfréquences
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Caractérisation de matériaux et dispositifs THz

Responsable : Frédéric GARET

L'IMEP-LAHC est le laboratoire français pionnier dans le domaine de l'optoélectronique THz puisqu'il fût le premier laboratoire à disposer, dès 1995, d'un banc de spectroscopie THz dans le domaine temporel. Les activités de recherche dans ce domaine portent à la fois sur la modélisation des photo-commutateurs ultrarapides qui constituent les antennes émettrices et réceptrices les plus performantes des bancs de spectroscopie THz ainsi que sur la conception, réalisation et caractérisation de nouveaux dispositifs.

La spectroscopie THz dans le domaine temporel est basée sur la conversion optoélectronique d'une impulsion laser femtoseconde en une impulsion THz par suppression de la porteuse optique. Les impulsions THz ainsi obtenues présentent un spectre qui s'étend typiquement de 50 GHz à 5 THz, soit sur deux décades !
La spectroscopie THz présente un grand intérêt dans l'identification de molécules biologiques par exemple, en raison de la signature spectrale THz unique que présentent les modes mous de vibration des grosses molécules.
Cet axe s’appuie sur deux centres de compétences forts et historiques de l’équipe dans le domaine THz : la génération et la mesure par voies optoélectroniques de signaux THz et la caractérisation de matériaux et dispositifs par THz-TDS, ainsi que sur une activité plus récente sur la fonctionnalisation de dispositifs, initiée lors du précédent quinquennal. 
L’objectif est de pouvoir continuer à développer et proposer des outils de caractérisation efficaces et adaptés à chaque problématique, en travaillant non seulement directement au niveau de la source/du détecteur de signal THz, de l’expérience de caractérisation, mais aussi sur les méthodes d’analyse et de traitement des signaux mesurés.

Trois activités sont développées au sein de l'axe :
 

Exemples

TORI image a caster brown sugar grain.

THID tag based multilayer structures associated with randomly positioned metallic flakes.

Sub-wavelength imaging in the THz domain by means of nonlinear optical rectification

We are developing an original technique, namely THz Optical Rectification Imaging (TORI), to obtain the THz signature of a sample with a sub-wavelength lateral resolution. The basic idea is to generate a THz beam through optical rectification at the surface of a sample. The lateral resolution is limited by the laser spot size and not by diffraction at THz wavelengths. The image, achieved by scanning the laser beam over the sample, reveals the crystallinity and composition of the heterogeneous sample. The outmost limit of the technique is given by the optical damage threshold of the sample and the sensitivity of the THz detector. Presently, a /206 resolution has been achieved at 140 GHz. This technique is complementary to SHG and THG imaging, widely used in biology/medicine, because the linear and nonlinear optical properties of matter are different in the visible and THz.
  • Study performed by:
    Gizem Soylu (PhD student), Federico SanJuan* (post-doc), Gwenaël Gaborit, Emilie Hérault and Jean-Louis Coutaz
    * presently IGR CNRS, LFCR, University of Pau, France
  • Collaborations (PP-KTP):
    • F. Laurell, KTH, Stockholm, Sweden
    • B. Boulanger, Néel Institute, Grenoble, France
  • Contact:
    •  Emilie Hérault, herault@univ-smb.fr
    • Gwenaël Gaborit, gaborit@univ-smb.fr
    • Jean-Louis Coutaz, coutaz@univ-smb.fr
  • Support:
    This research is supported by the French Research Agency (ANR) through the LabEx FOCUS ANR-11-LABX-0013 project.



TORI image a caster brown sugar grain & TORI profile of the domains of a PP-KTP crystal recorded at 0.18 … 1.01 THz.

Authentication of products in the THz domain

We are developing THz IDentification tags (THID) to identicate and/or authenticate products using THz waves. The principle is 1) to design a structure exhibit a rich enough THz signature and 2) to use randomness phenomena to make this signature unique. We first propose 2 solutions:
  1. One based on a planar waveguide associated with a diffraction grating to obtain a spectral response très “chahutée”????, in order to use a broadband signature (typically from 200 to 800 GHz) and using statistical analysis (Principal Component Analysis, Linear Discriminant Analysis…).
  2. A second one dedicated to 2D THz imaging using metallic flakes embedded in a multilayer dielectric “sandwich” using image analysis method (2D correlation coefficient Shape or Invariant Wavelet Packet Decomposition).
The randomness is then obtained by the fabrication uncertainties of the grooves and the position of the flakes respectively. We obtain, for the first type of tag, a correct classification rate as high as 99.994% on a set of 4400 measurements made on 44 tags “identical” fabricated with the same pattern.
  • Study performed by:
    Florent Bonnefoy (post-doc), Maxime Bernier and Frederic Garet
  • Collaborations:
    • C. Ioana, GIPSA Lab, Grenoble, France
    • S. Girard, INRIA, Grenoble, France
  • Contact:
    • Maxime Bernier, bernier@univ-smb.fr
    • Frédéric.garet, garet@univ-smb.fr
  • Support:
    This research is supported by the French Research Agency (ANR) through the ANR PRC project AUSTRALE (ANR-18-CE39-0002)


An all dielectric THID tag based on a planar waveguide associated with a diffraction grating
 

mise à jour le 23 octobre 2019

anglais
IMEP-LAHC
Site de Grenoble
Grenoble INP - Minatec : 3, Parvis Louis Néel - CS 50257 - 38016 Grenoble Cedex 1

Site de Chambéry
Université Savoie Mont Blanc - F73376 Le Bourget du Lac Cedex
 
 
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