Fabrication and Characterization of Fiber Optical Components for Application in Guiding, Sensing and Molding of THz and Mid-IR Radiation

Le domaine du térahertz (THz) se réfère aux ondes électromagnétiques dont les fréquences sont comprises entre 0.1 et 10 THz, ou encore pour des longueurs d'onde entre 3 mm et 30 μm. Ce type de radiation, qui se situe entre les ondes radios et la lumière infrarouge, possède des propriétés uniques. Les ondes térahertz peuvent passer à travers diverses substances amorphes, plusieurs matériaux synthétiques et des textiles, mais aussi des diélectriques non polaires tels des matériaux à base de pâtes et papiers, qui sont aussi partiellement transparents aux ondes térahertz. Plusieurs biomolécules, protéines, explosifs ou narcotiques, possèdent aussi des lignes d'absorption caractéristiques (entre 0.1 and 2 THz) tels des « codes barres » permettant de les identifier. Il y a deux avantages principaux à l'utilisation des ondes THz: d'une part elles peuvent pénétrer des matériaux normalement opaques à d'autres fréquences, et d'autre part, et elles permettent une haute sélectivité chimique. Par ailleurs, les ondes THz possèdent une basse énergie (1 THz = 4.1 meV), soit un million de fois plus faible que les rayons X, et ne causent pas d'effets photo-ionisant néfastes aux tissus biologiques. Ceci offre un avantage majeur autant pour l'imagerie de tissus biologiques que dans un contexte médical opérationnel, pour lesquels diverses substances doivent être exposées à la radiation THz. Dans le cadre de cette thèse, j'ai travaillé sur trois sujets de recherche principaux. Le premier sujet concerne le développement de nouvelles méthodes de fabrication et de caractérisation térahertz de couches minces composites contenant une matrice de microfils alignés en métal (alliage d'étain) ou en verres semi-conducteurs de chalcogénures (As2Se3). Les matrices de microfils sont fabriquées par la technique d'empilement-et-étirage de fibres employant de multiples étapes de co-étirage de métaux et verres semi-conducteurs à basse température de fusion, avec les polymères. Les fibres sont ensuite empilées et comprimées ensembles pour former des couches minces en composites (i.e. couches de métamatériaux). La transmission optique à travers ces couches minces de métamatériaux a été effectuée sur toute la plage des térahertz (0.120 THz) en combinant les mesures d'un spectromètre infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) ainsi qu'un spectromètre térahertz résolu dans le temps (THz-TDS). Les couches de métamatériaux comportant des microfils de métal démontrent de fortes propriétés polarisantes, alors que ceux contenant des microfils semi-conducteurs permettent un large contrôle de l'indice de réfraction tout en étant insensibles à la polarisation incidente. Grâce