WO2004097382A1 - Source d'emission terahertz et systeme optique comprenant une telle source - Google Patents

Source d'emission terahertz et systeme optique comprenant une telle source Download PDF

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WO2004097382A1
WO2004097382A1 PCT/EP2004/050670 EP2004050670W WO2004097382A1 WO 2004097382 A1 WO2004097382 A1 WO 2004097382A1 EP 2004050670 W EP2004050670 W EP 2004050670W WO 2004097382 A1 WO2004097382 A1 WO 2004097382A1
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frequency
terahertz
emission
source
photodetector
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PCT/EP2004/050670
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Jean-Paul Pocholle
Daniel Dolfi
Original Assignee
Thales
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    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands
    • G01N21/31—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry
    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
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    • G01N21/35—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light
    • G01N21/3581—Investigating relative effect of material at wavelengths characteristic of specific elements or molecules, e.g. atomic absorption spectrometry using infrared light using far infrared light; using Terahertz radiation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/13—Function characteristic involving THZ radiation

Definitions

  • the present invention relates to the emission of a microwave light wave, more particularly a Terahertz emission source (1THzégaM 0 12 Hz).
  • THz waves or microwaves far infrared
  • the domain of THz waves or microwaves corresponds to the frequency band of 100 Gigahertz to a few tens of Terahertz.
  • THz imaging systems use in particular the so-called femtosecond or sub-picosecond sources, to produce broadband THz radiation, by exploiting the mechanisms of non-linear optics.
  • a femtosecond source provides ultra-short, high-power optical pulses. By focusing such a beam of pulses. excitation on a source sample, of a non-centro-asymmetric medium, a broadband radiation is obtained. In fact, during the ultra-short (sub-picosecond) light interaction with the non-centro-symmetrical medium, and under strong illumination, a non-linear polarization is generated which corresponds to the phenomenon of optical rectification.
  • the energies per excitation pulse are from a few nanojoules to 10 microjoules, with pulse durations from 15 to some 100 femtoseconds. If we have a focal spot defined by a diameter of the order of 150 micrometers, we obtain typically illuminations of the class of GW / cm 2 to a few tens of GW / cm 2
  • Terahertz emission uses a bi-frequency solid laser, or else two independent laser sources but coupled in phase, which operate in continuous or pulse mode, to illuminate a nonlinear semiconductor material, of which transient photoconductivity is accompanied by radiation located in the THz domain.
  • the width of the pulse is a function of the microwave spectral range to be covered.
  • a broadband Terahertz radiation is obtained from the nonlinear sample or the semiconductor material.
  • This broadband radiation is detected in a conventional manner, by means of a network of photodetector cells (matrix or arrays for example), adapted to the frequency range considered, and suitable image processing techniques are applied, such as transformed from Abel, or other more complex operations.
  • Each pixel of the image obtained gives information relating to the absorption, a function of the various biochemical compounds located between the emitting point of the THz wave (by optical shock wave) and the detection plane.
  • THZ imaging we are interested in an application of THZ imaging to in-vivo exploration, for example to perform a functional exploration within a system or a living organism. More specifically, in the invention, we are interested in a Terahertz wave generation system suitable for mounting of the endoscope type, that is to say of the invasive probe type.
  • the THz emission sources used in the imaging systems of the prior art and described above are external to the medium to be explored. They require the transport of a high peak power to the non-linear device (non-centro-symmetrical sample or semiconductor material) which is the seat of THz radiation.
  • the transmission supports of the state of the art do not allow such peak power to be transported without being greatly disturbed by the non-linear effects induced in the transmission support itself.
  • these Terahertz emission sources are not suitable when it comes to depositing the energy responsible for the THz radiation on the part to be explored, in situ, for example inside a living organism, at a distance of the order of one to a few meters from the source.
  • the invention thus relates to a Terahertz emission source which does not have these drawbacks.
  • An object of the invention is a Terahertz emission system, comprising a miniature emission head, which can be integrated into an assembly of the invasive probe type (endoscope or catheter).
  • Another object of the invention is a Terahertz transmission system which makes it possible to carry out a coherent detection of the radiated spectrum, allowing operations of the tomography type.
  • the idea underlying the invention is the combination of the frequency conversion principles specific to any photo-detector (which acts as a non-linear material) with the wave transport properties in a guided medium (optical fiber).
  • the invention therefore relates to a source of emission of a Terahertz wave comprising: a source device of a first incident optical wave of frequency vi and of a second incident optical wave of frequency v 2 , coupled to a transmission medium of waveguide type, transporting each of said incident optical waves vi and v 2 , a miniature emission head disposed at one end of said support, comprising a non-linear detection device of the photodetector type and an integrated antenna of electromagnetic radiation of the multi-strand type to give the radiation a predetermined directivity.
  • the frequencies of the incident waves are chosen so that their difference corresponds to the frequency of the Terahertz wave to be generated. These waves are transported to the photodetector of the miniature head. This photodetector performs the optoelectronic conversion of the beat signal between the two optical waves.
  • the Terahertz wave thus generated is radiated by the integrated antenna, which makes it possible to focus the Terahertz radiation.
  • the miniature THz emission head according to the invention can be deployed in vivo, inside a living being for example, but also inside a system or a component that one wants explore, via the transmission medium.
  • the power of the incident optical sources does not have to be significant, since one radiates a single frequency THz and no longer a broadband spectrum.
  • sources of the order of watt / cm 2 are sufficient.
  • a Terahertz emission source in addition to imaging systems using a direct detection mode, a Terahertz emission source according to the invention also makes it possible to design imaging systems with heterodyne or coherent detection mode.
  • the transmission frequency THz of the transmission head being known, it is possible to synchronize the transmission and the reception in order to make coherent detection.
  • reception it is possible to provide a modulation of the signal delivered by the photodetector of the reception module, in a lower frequency domain, typically in the radiofrequency microwave domain (GHz-MHz).
  • the reception module then comprises a local radiofrequency oscillator associated with a modulation device, for modulating the electrical signal delivered by the photodetector. It is thus possible to carry out a more detailed analysis of the absorption for each wavelength Terahertz emitted.
  • - Figure 1 shows a Terahertz emission source according to the invention
  • - Figure 2 illustrates the variation of the microwave beat as a function of the wavelength emitted by a source, compared to a fixed wavelength
  • FIG. 3 shows the frequency gain curve as a function of the wavelength of a dual-frequency laser usable in a Terahertz emission source according to the invention
  • FIG. 4 illustrates an example of control of the source device of the incident waves and the shape of the signal i (t) at the output of the photodetector
  • FIG. 5 illustrates an imaging system using a Terahertz transmission system according to the invention
  • FIG. 6 illustrates a variant of a detection system
  • FIG. 7 shows an example of photodetector structure with an antenna which can be used in a miniature Terahertz transmission head according to the invention.
  • v may designate either the optical wave and its frequency.
  • a Terahertz transmission system is shown diagrammatically in FIG. 1. It comprises a device 1 for transmitting two optical waves, respectively at the frequency vi and v 2 , coupled to a transmission medium 2 of the two incident waves vi and v 2 , up to a miniature emission head 3.
  • This miniature emission head comprises a non-linear device 30 of photodetector type provided with a radiating antenna 31.
  • the device 1 can include two independent laser sources. Preferably, it is formed by a dual-frequency laser. It will indeed be seen that such a dual-frequency laser makes it possible to overcome the problems of spectral width of the emission sources, and that a much narrower spectrum can be obtained at the output of the Terahertz emission source.
  • the width of the output spectrum determines the resolution of the detection system used, for example in an imaging system. Depending on the resolution sought, the most suitable solution will be chosen.
  • the transmission medium 2 transports the two incident optical waves vi and v 2 to the photodetector 30.
  • the summation of the two optical waves on the non-linear photodetector detection surface results in the generation of an electrical signal i (t) (photocurrent) with a component proportional to the difference frequency of the two incident waves (quadratic detection).
  • the propagation in a guided medium of the two optical waves, up to the photodetector 30, allows the generation of a wave at the frequency difference Vd (down-conversion).
  • the frequency difference generation technique is used which exploits the non-linear effects attached to the photodetection process, in combination with the transport properties of optical waves in a guided medium (optical fiber).
  • the illuminations are transformed into an optical power by considering the effective surface of emission (linked to the modal distribution of the optical fields).
  • the photocurrent i (t) has a continuous component, proportional to the sum of the average intensities If '+ r * 1 of each incident waves and an embedded component ( ⁇ , - ⁇ 2 ) t, proportional to the difference frequency
  • this frequency difference V ⁇ -v 2 l is the domain of THZ.
  • the two waves vi and v 2 are chosen in a frequency range which gives the best results in terms of quantum yield (efficiency).
  • Quantum efficiency is defined as the percentage of incident light that actually participates in the photocurrent delivered by the photodetector 30.
  • the photocurrent i (t) thus makes it possible to radiate a Terahertz wave by means of the antenna 31 (dipole).
  • the transmission medium 2 is a waveguide, for example an optical fiber, which must maintain the state of polarization of the incident waves. It must also be of the single-mode type so as to have the best efficiency in terms of yield in terms of the generation of the beat wave.
  • the photodetector can be a non-linear photodiode or a photomixer.
  • the technology used will mainly depend on the spectral range of sensitivity, the response time which must be very short, the maximum acceptable noise.
  • the photodetector must be properly reverse biased (to have an optimum response time and an acceptable noise level). A bias voltage of a few volts to a few tens of volts is sufficient.
  • the desired voltage level is easily obtained with optical sources (or a dual-frequency laser) having a power of the order of watt / cm 2 .
  • a photovoltaic cell is provided in the emission head 3 to reverse bias the photodetector.
  • This photovoltaic cell located near the photodetector 30, is used as a voltage generator 32. It makes it possible to reverse bias the photodetector 30, on reception of an illumination due to an optical wave. An illumination of a few hundred milliwatts is sufficient, which can be provided by optical waves vi and v 2 .
  • common photovoltaic cells are used, sensitive to wavelengths of the order of 850 nm (visible range).
  • a corresponding optical source 4 is then provided, the beam v 3 of which may be transported by the same fiber 2, or by a dedicated transmission means (not shown).
  • the THz beam shaping function can be performed. This results in a control of the radiation pattern of the effective antenna.
  • such an integrated multi-strand antenna allows an operation of spatial addressing of Terahertz radiation.
  • At least one of the incident optical waves vi and v 2) is tunable.
  • the frequency wave vi is tunable.
  • FIG. 2 illustrates the variation of the wavelength ⁇ i of the optical wave vi with respect to the wavelength ⁇ 2 of the fixed optical wave v 2 .
  • ⁇ 2 1, 55 ⁇ m.
  • microwave radiation at the difference frequency Vd is emitted by optical mixture of the down-conversion type in the photodetector 30.
  • a tunable dual-frequency laser In such a laser, there is correlation of the phase noise of each of the waves, so summation on the photodetector results in a cancellation of this noise.
  • a dual-frequency laser of the type described in the article IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol. 10, No. 11, November 1998, entitled “Dual Tunable Wavelength Er: Yb / Glass Laser for Terahertz Beat Frequency Generation” will be used.
  • Such a dual-frequency laser must have a spectral width of the gain as a function of the wavelength sufficiently large to cover the desired Terahertz band. Typically, a spectral width of 10 nanometers is satisfactory, as shown in FIG. 3. At the output, there is a Terahertz radiation spectrum, centered on ⁇ , with a spectral width of the order of 10KHz.
  • the photodetector 30 must be chosen in the field of sensitivity to the incident wavelengths vi, v 2 , and must have a very short response time.
  • the spectral range retained for the incident waves vi, v 2 is determined so that the waveguide 2 (optical fiber) has low transmission losses, and does not exhibit non-linear effects for the light intensities, on distances of the order of a meter to a few meters, corresponding to the applications in which the source is used. These conditions are achieved for example with wavelengths of the order of 1.55 ⁇ m and an optical fiber made of silica, with a large mode diameter. In this frequency band, a photodiode of the InGaAsP type will be perfectly suited as photodetector 30. If one places oneself in the near infrared range (0.8 ⁇ m), a photodiode of the AsGa or Si type will be well suited.
  • the elements of the emission source according to the invention must be selected to have good quantum efficiency.
  • the transmission medium 2 should have: single-mode, polarization-maintaining and with an emitting surface at the output smaller than the detection surface of the photodetector, in order to have the maximum optical conversion. It is also necessary to choose a suitable spectral range to obtain the best quantum efficiency in the photodetector.
  • the quantum efficiency of the optical interaction in the photodetector corresponds to the ratio of the frequencies between the beat frequency and that associated with one of the optical fields. In theory, the infrared domain is the most interesting.
  • Terahertz microwave transmission head
  • This Terahertz emission head can be conveyed through the natural orifices of a living being or of a system (or component) that the 'we want to explore.
  • a system in particular can be integrated into an assembly of the invasive probe type, such as an endoscope or a catheter.
  • the photodetector is a PIN diode, that is to say with a semiconductor structure, for example InAsGaP, comprising a p-doped layer, an intrinsic layer and an n-doped layer.
  • a photodiode fits into a cube of 300 ⁇ m x 300 ⁇ m x 300 ⁇ m.
  • the illumination detection surface in which the energy photons hvi and hv 2 are absorbed is the surface of the intrinsic zone, the other zones n and p having a doping such that they are not the seat of a photocurrent.
  • the antenna can be formed by the profile of the polarization electrodes E1 and E2 which make it possible to apply a reverse polarization voltage V.
  • the characteristics of the emission of THZ radiation are notably determined by the geometry of the antenna.
  • the electrodes are shaped to have isotropic electromagnetic radiation.
  • the structure of the antenna will advantageously be of the multi-strand type, making it possible to obtain a precise directivity of the radiation. Such an antenna structure is shown diagrammatically in FIG. 1.
  • the directivity of the antenna is notably determined by the spacing of the strands.
  • FIG. 4 shows an example of a time modulation profile which can be applied to the incident optical waves vi and v 2 .
  • This profile is obtained by appropriately controlling the device for transmitting the incident optical waves, by means of a control signal Se (FIG. 1).
  • this command Se will be ensured by controlling the optical pumping of the laser or by modulating the internal losses in the cavity of one of the two beams .
  • the wave vi is transmitted in time windows of width t1; wave v 2 is transmitted continuously. In windows where the vi wave is not emitted, there is no Terahertz wave radiated at the output (see eq.1 above).
  • a THz emission source according to the invention therefore makes it possible to generate THz radiation in situ, inside a system to be explored, or a living being (organism). And to use direct or coherent detection systems.
  • a first application relates to a THZ imaging system, such as a spectroscopy or tomography system.
  • a THZ imaging system such as a spectroscopy or tomography system.
  • FIG. 5 Such a system is schematically represented in FIG. 5.
  • a reception module 8 is provided outside the system to be explored. It conventionally comprises a radiation detection system 7 which supplies an electrical signal l r (t) and suitable signal processing means 9.
  • the radiation detection system is generally formed of a matrix network (or of a set of bars) of photodetector cells which each collects a microwave emission and detects its intensity, in the case of a direct, inconsistent detection.
  • the variation of the beat frequency between the two incident waves results in a modification of the frequency THz emitted by the radiating photodetector element.
  • the transmissions in terms of phase and intensity can be analyzed.
  • the device 9 with suitable signal processing means makes it possible to view a tomoscopic image of the medium probed.
  • a reception module makes it possible to make a finer analysis, in a lower frequency domain (Q> I - HZ - ⁇ ), typically in the microwave radio frequency domain (GHz-Hz).
  • a Terahertz emission source relates to treatment by hyperthermia.
  • Absorption is a light-matter interaction phenomenon in which electromagnetic energy linked to THz radiation is coupled to the vibrational modes of molecular bonds associated with atomic buildings that constitute cellular structures. These links can absorb the energy of certain electromagnetic waves (ie their frequency). What reflects the existence of a spectral signature specific to each cell conformation.
  • the Terahertz emission system is then configured in terms of light intensity of the incident optical waves so as to locally generate a Terahertz wave with sufficient power, with the desired signature (frequency). In practice, power sources of 10 to 20 watts are sufficient.
  • the photodetector 30 of the emission head 3 will be defined to have a good optical / electrical conversion efficiency (i.e.
  • the temperature rise ⁇ T (° C) of a tissue can be calculated as a function of the duration of application of an electromagnetic wave ⁇ t:
  • the volume density of biological tissue is considered to be between 900 (fat) and 1800 kg / m 3 ( ⁇ 1100 kg / m 3 for muscle).
  • the specific heat parameter also varies according to the nature of the fabric. It takes a value between 1250 and 4000 J / kg ° K.
  • the electrical conductivity ⁇ of the tissues is greater than unity in the THz domain.
  • ⁇ is of the order of 8 S / m at 10 GHz. On a specific absorption band, this value of ⁇ can be higher.
  • the localized hyperthermia treatment system can be coupled to an imaging system as shown in FIG. 5 or 6, configured for a Terahertz spectral band different from the spectral signature corresponding to the hyperthermia treatment carried out, which makes it possible to visualize the radiated spectrum, after treatment.
  • Such a system could in particular be used to treat locally and in situ malignant cells or targeted areas without affecting the surrounding healthy environments.

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Abstract

Une source d' émission d'une onde Terahertz comprend un dispositif source de deux ondes incidentes ν1 et ν2 choisies pour que leur fréquence différence νd soit de l'ordre du Terahertz. Ces ondes sont transportées par un guide 2 jusqu'à la surface de détection d'un photodétecteur 30 muni d'une antenne multi-brins intégrée 31. Le photodétecteur et l'antenne forment une tête d'émission miniature 3. Cette tête d'émission miniature et le guide donde 2 peuvent ètre intégrés à un montage de type sonde invasive, permettant des utilisations in vivo. L'invention s’applique à des systèmes d'imagerie, notamment médicale, et à un système de traitement par hyperthermie.

Description

SOURCE D'EMISSION TERAHERTZ ET SYSTEME OPTIQUE COMPRENANT UNE TELLE SOURCE
La présente invention concerne l'émission d'une onde lumineuse hyperfréquence, plus particulièrement une source d'émission Terahertz (1THzégaM 012 Hz).
Le domaine des ondes THz ou micro-ondes (infrarouge lointain), correspond à la bande de fréquence de 100 Gigahertz à quelques dizaines de Terahertz.
La réalisation de sources d'émission dans ce domaine de fréquence a permis le développement des systèmes d'imagerie Terahertz, d'applications très variées. En particulier la spectroscopie large bande offre des perspectives intéressantes dans le domaine bio-médical.
Ces systèmes d'imagerie THz utilisent notamment les sources dites femtosecondes ou sub-picosecondes, pour produire un rayonnement THz large bande, en exploitant les mécanismes de l'optique non linéaire. Une source femtoseconde fournit des impulsions optiques ultracourtes, de grande puissance. En focalisant un tel faisceau d'impulsions . d'excitation sur un échantillon source, d'un milieu non centro -symétrique, on obtient un rayonnement large bande. En effet, durant l'interaction lumineuse ultracourte (sub-picoseconde) avec le milieu non centro-symétrique, et sous fort éclairement, on engendre une polarisation non linéaire qui correspond au phénomène de rectification optique. La rectification optique se développant sur un temps court, ce processus revient à modifier par voie optique la constante diélectrique du milieu. Cette polarisation non-linéaire rayonne un champ électromagnétique sur un large spectre dans le domaine hyperfréquence et Terahertz. Typiquement, les énergies par impulsion d'excitation sont de quelques nanojoules à 10 microjoules, avec des durées d'impulsions de 15 à quelques 100 femtosecondes. Si on a une tâche focale définie par un diamètre de l'ordre de 150 micromètres, on obtient typiquement des éclairements de la classe du GW/cm2 à quelques dizaines de GW/cm2
On connaît d'autres sources d'émission Terahertz, qui utilisent un laser solide bi-fréquence, ou bien deux sources laser indépendantes mais couplées en phase, qui opèrent en mode continu ou impulsionnel, pour illuminer un matériau semi-conducteur non linéaire, dont la photoconductivité transitoire s'accompagne d'un rayonnement situé dans le domaine THz. La largeur de l'impulsion est fonction du domaine spectral hyperfréquence à couvrir. Dans les deux cas, on obtient depuis l'échantillon non linéaire ou le matériau semi -conducteur, un rayonnement Terahertz, large bande. Ce rayonnement large bande est détecté de manière classique, au moyen d'un réseau de cellules photodétectrices (matrice ou barrettes par exemple), adaptées à la gamme de fréquence considérée, et des techniques de traitement d'image adaptées sont appliquées, telles que des transformées d'Abel, ou d'autres opérations plus complexes. Chaque pixel de l'image obtenue donne une information relative à l'absorption, fonction des différents composés biochimiques situés entre le point émetteur de l'onde THz (par onde de choc optique) et le plan de détection. Ces techniques sont bien connues de l'homme de l'art.
Dans l'invention, on s'intéresse à une application de l'imagerie THZ à l'exploration in-vivo, par exemple pour réaliser une exploration fonctionnelle à l'intérieur d'un système ou d'un organisme vivant. Plus précisément, dans l'invention, on s'intéresse à un système de génération d'ondes Terahertz adapté à un montage de type endoscope, c'est à dire de type sonde invasive.
Or les sources d'émission THz utilisées dans les systèmes d'imagerie de l'état de la technique et décrites ci-dessus sont externes au milieu à explorer. Elles nécessitent le transport d'une puissance crête élevée jusqu'au dispositif non linéaire (échantillon non centro-symétrique ou matériau semi-conducteur) qui est le siège du rayonnement THz. Les supports de transmission de l'état de la technique ne permettent pas de transporter de telles puissance crêtes sans être fortement perturbés par les effets non linéaires induits dans le support de transmission lui-même. Selon la densité de puissance, il existe en effet une longueur de propagation dans le support de transmission au-delà de laquelle apparaissent des effets non-linéaires, qui vont se traduire notamment par des phénomènes de transposition de fréquences.
Ainsi, ces sources d'émission Terahertz ne sont pas adaptées quand il s'agit d'aller déposer l'énergie responsable du rayonnement THz sur la partie à explorer, in-situ, par exemple à l'intérieur d'un organisme vivant, à une distance de l'ordre de un à quelques mètres de la source.
L'invention concerne ainsi une source d'émission Terahertz qui ne présente pas ces inconvénients.
Un objet de l'invention est un système d'émission Terahertz, comprenant une tête d'émission miniature, qui puisse être intégrée à un montage du type sonde invasive (endoscope ou cathéter).
Un autre objet de l'invention est un système d'émission Terahertz qui permet de réaliser une détection cohérente du spectre rayonné, permettant des opérations de type tomographie. L'idée à la base de l'invention est la combinaison des principes de conversion de fréquence propres à tout photo-détecteur (qui fait office de matériau non linéaire) avec les propriétés de transport des ondes en milieu guidé (fibre optique).
L'invention concerne donc une source d'émission d'une onde Terahertz comprenant : un dispositif source d'une première onde optique incidente de fréquence vi et d'une deuxième onde optique incidente de fréquence v2, couplé à un support de transmission de type guide d'onde, transportant chacune desdites ondes optiques incidentes vi et v2 , une tête d'émission miniature disposée à une extrémité dudit support, comprenant un dispositif de détection non linéaire de type photodétecteur et une antenne intégrée de rayonnement électromagnétique du type multi-brins pour donner au rayonnement une directivité prédéterminée.
Les fréquences des ondes incidentes sont choisies en sorte que leur différence corresponde à la fréquence de l'onde Terahertz à générer. Ces ondes sont transportées jusqu'au photodétecteur de la tête miniature. Ce photodétecteur effectue la conversion optoélectronique du signal de battement entre les deux ondes optiques. L'onde Terahertz ainsi générée est rayonnée par l'antenne intégrée, qui permet de réaliser la focalisation du rayonnement Terahertz.
La tête d'émission THz miniature selon l'invention peut être déployée in-vivo, à l'intérieur d'un être vivant par exemple, mais aussi à l'intérieur d'un système ou d'un composant que l'on veut explorer, par l'intermédiaire du support de transmission. La puissance des sources optiques incidentes n'a pas à être importante, puisque que l'on rayonne une seule fréquence THz et non plus un spectre large bande. En pratique, des sources de l'ordre du watt/cm2 sont suffisantes. De préférence, on prévoit la possibilité de modifier la fréquence des deux ondes optiques l'une par rapport à l'autre, pour faire varier la fréquence de battement. On peut ainsi balayer une à une l'ensemble des fréquences de la bande THz. A chaque nouvelle fréquence, on a une modification de la transmission du rayonnement en termes de phase et d'intensité, qui est fonction de la nature du milieu traversé par le rayonnement, entre le point source et le plan de détection d'un photorécepteur. Un tel système d'émission THz accordable, permet ainsi de réaliser un système d'imagerie fonctionnelle.
Outre des systèmes d'imagerie utilisant un mode de détection directe, une source d'émission Terahertz selon l'invention permet aussi de concevoir des systèmes d'imagerie à mode de détection hétérodyne ou cohérente.
Notamment, la fréquence d'émission THz de la tête d'émission étant connue, on peut synchroniser l'émission et la réception pour faire de la détection cohérente.
En outre, en réception, on peut prévoir une modulation du signal délivré par le photodétecteur du module de réception, dans un domaine plus basse fréquence, typiquement dans le domaine radiofréquence à micro-onde (GHz-MHz). Le module de réception comprend alors un oscillateur local radiofréquence associé à un dispositif de modulation, pour moduler le signal électrique délivré par le photodétecteur. On peut ainsi réaliser une analyse plus fine de l'absorption pour chaque longueur d'onde Terahertz émise.
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description qui suit, faite à titre indicatif et non limitatif de l'invention et en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
- la figure 1 représente une source d'émission Terahertz selon l'invention ; - la figure 2 illustre la variation du battement hyperfréquence en fonction de la longueur d'onde émise par une source, par rapport à une longueur d'onde fixe ;
- la figure 3 représente la courbe de gain en fréquence en fonction de la longueur d'onde d'un laser bi-fréquence utilisable dans une source d'émission Terahertz selon l'invention ;
- la figure 4 illustre un exemple de commande du dispositif source des ondes incidentes et l'allure du signal i(t) en sortie du photodétecteur ;
- la figure 5 illustre un système d'imagerie utilisant un système d'émission Terahertz conforme à l'invention ; - la figure 6 illustre une variante d'un système de détection
(réception), selon un aspect de l'invention ; et - la figure 7 représente un exemple de structure de photodétecteur muni d'une antenne qui peut être utilisé dans une tête d'émission Terahertz miniature selon l'invention.
Dans un souci de simplification des notations dans l'exposé qui va suivre, v pourra désigner indifféremment l'onde optique et sa fréquence. On rappelle que : ω=2πv désigne la pulsation et λ=c/v, la longueur d'onde, c étant la célérité de la lumière dans le vide.
Un système d'émission Terahertz conforme à l'invention est représenté schematiquement sur la figure 1. Il comprend un dispositif 1 d'émission de deux ondes optiques, respectivement à la fréquence vi et v2, couplé à un support de transmission 2 des deux ondes incidentes vi et v2, jusqu'à une tête d'émission miniature 3. Cette tête d'émission miniature comprend un dispositif non linéaire 30 de type photodétecteur muni d'une antenne rayonnante 31 .
Le dispositif 1 peut comprendre deux sources laser indépendantes. De préférence, il est formé d'un laser bi-fréquence. On verra en effet qu'un tel laser bi-fréquence permet de s'affranchir des problèmes de largeur spectrale des sources d'émission, et qu'un spectre beaucoup plus étroit peut-être obtenu en sortie de la source d'émission Terahertz. La largeur du spectre en sortie détermine la résolution du système de détection utilisé, par exemple dans un système d'imagerie. Selon la résolution recherchée, on choisira la solution la mieux adaptée.
Le support de transmission 2 transporte les deux ondes optiques incidentes vi et v2 jusqu'au photodétecteur 30. La sommation des deux ondes optiques sur la surface de détection du photodétecteur, non linéaire, entraîne la génération d'un signal électrique i(t) (photocourant) avec une composante proportionnelle à la fréquence différence des deux ondes incidentes (détection quadratique). La propagation en milieu guidé des deux ondes optiques, jusqu'au photodétecteur 30, permet la génération d'une onde à la fréquence différence Vd (down-conversion). Ainsi, dans l'invention, on utilise la technique de génération de différence de fréquence qui exploite les effets non-linéaires attachés au processus de photodétection, en combinaison avec les propriétés de transport des ondes optiques en milieu guidé (fibre optique).
Dans l'invention, on est dans l'hypothèse d'un milieu guidé avec absence d'effets non linéaires optiques. L'amplitude des champs électriques associée aux deux ondes vi et v2 satisfait alors au principe de superposition (sans couplage entre les champs). Si Ex et E2 sont les amplitudes des champs liés aux intensités lumineuses If' et If2 des ondes incidentes vi et v2 et i(t), le photocourant engendré au niveau du photodétecteur 30, i(t) est donc proportionnel à
Figure imgf000009_0001
En moyenne sur le temps, on peut écrire : mX - If1 +1?- +2 fχfcos((ω L -ω2 )t+Φ(ή) ] (eq.1 ) s, qλ où ηq = - est le rendement quantique ; h, la constante de hc
Planck ; c, la célérité de la lumière dans le vide ; q, la charge électrique associée à un électron ; λ, la longueur d'onde moyenne du rayonnement optique ; φ (t) caractérise le déphasage entre les deux champs électriques
E1 et E2 au niveau du photodétecteur 30 ; Sd représente la surface effective de la zone sensible du photodétecteur, et ωι=2π.vι et
Figure imgf000009_0002
les pulsations des deux ondes optiques de fréquence Vi etv2.
Si la fibre optique présente en sortie une surface inférieure à la surface effective Sd du photodétecteur, alors on transforme les éclairements en une puissance optique en considérant la surface effective d'émission (liée à la distribution modale des champs optiques).
Par ailleurs, le photocourant i(t) a une composante continue, proportionnelle à la somme des intensités moyennes If'+r*1 de chacune des ondes incidentes et une composante encos(ω,-ω2)t, proportionnelle à la fréquence différence
Figure imgf000010_0001
En choisissant judicieusement les fréquences vi et v2, cette fréquence différence
Figure imgf000010_0002
Vι-v2l est du domaine des THZ. De préférence, et comme détaillé plus loin, on choisit les deux ondes vi et v2dans une gamme de fréquence qui donne les meilleurs résultats en terme de rendement (efficacité) quantique. L'efficacité quantique est définie comme le pourcentage de la lumière incidente qui participe réellement au photocourant délivré par le photodétecteur 30. Le photocourant i(t) permet ainsi de rayonner une onde Terahertz au moyen de l'antenne 31 (dipôle).
Le support de transmission 2 est un guide d'onde, par exemple une fibre optique, qui doit maintenir l'état de polarisation des ondes incidentes. Il doit aussi être du type monomode de manière à avoir la meilleure efficacité en terme de rendement au niveau de la génération de l'onde de battement.
Le photodétecteur peut être une photodiode non linéaire ou un photomélangeur. La technologie utilisée dépendra principalement du domaine spectral de sensibilité, du temps de réponse qui doit être très court, du bruit maximal acceptable.
Le photodétecteur doit être polarisé en inverse de façon convenable (pour avoir un temps de réponse optimum et un niveau de bruit acceptable). Une tension de polarisation de quelques volts à quelques dizaines de volts suffit. On peut prévoir de télé-alimenter le photodétecteur directement en utilisant la composante continue du photocourant i(t) (voir eq.1 ). On obtient aisément le niveau de tension désiré avec des sources optiques (ou un laser bi-fréquence) ayant une puissance de l'ordre du watt/cm2.
Dans une variante représentée sur la figure 1 , une cellule photovoltaïque est prévue dans la tête d'émission 3 pour polariser en inverse le photodétecteur. Cette cellule photovoltaïque située à proximité du photodétecteur 30, est utilisée comme générateur de tension 32. Elle permet de polariser en inverse le photodétecteur 30, sur réception d'un éclairement dû à une onde optique. Un éclairement de quelques centaines de milliwatts suffit, qui peut être fourni par les ondes optiques vi et v2. De préférence, on utilise des cellules photovoltaïques courantes, sensibles aux longueurs d'onde de l'ordre de 850 nm (domaine du visible). On prévoit alors une source optique correspondante 4, dont le faisceau v3 peut-être transporté par la même fibre 2, ou par un moyen de transmission dédié (non représenté). En présence d'une antenne multibrins intégrée au niveau du photo détecteur (source d'émission THz) en en contrôlant la phase de chaque élément, on peut réaliser la fonction de mise en forme du faisceau THz. Ce qui se traduit par un contrôle du diagramme de rayonnement de l'antenne effective. En d'autres termes, une telle antenne multi-brins intégrée permet une opération d'adressage spatial du rayonnement Terahertz.
Selon un autre aspect de l'invention, on prévoit que l'une au moins des ondes optiques incidentes vi et v2) est accordable. Par exemple l'onde de fréquence vi est accordable.
En variant cette fréquence v-i, on est alors à même de balayer toute la bande de fréquence THz.
La figure 2 illustre la variation de la longueur d'onde λi de l'onde optique vi par rapport à la longueur d'onde λ2de l'onde optique fixe v2. Dans l'exemple λ2 =1 ,55μm. A chaque nouvelle longueur d'onde λi, une radiation hyperfréquence à la fréquence différence Vd est émise par mélange optique de type down-conversion dans le photodétecteur 30.
Sur cette figure, on observe qu'un décalage de 8 nanomètres sur les longueurs d'ondes optiques λi, λ2 se traduit par un battement de fréquence Vd situé dans la bande THz . Ainsi, en faisant varier une ou les deux longueurs d'onde (ou fréquences), on peut couvrir, fréquence par fréquence, toute la gamme Terahertz. Si les ondes incidentes sont émises par deux sources laser indépendantes, à chaque source est associée une largeur à mi-hauteur du spectre de réponse, dont la phase relative n'est pas contrôlée, ce qui se traduit par un bruit φ(t). Avec une source optique typique, dans le domaine 1 ,5 μm, la largeur à mi-hauteur Δv est de 10 MHz. Comme il n1 y a aucune corrélation entre les deux sources, il s'ensuit que la résolution en sortie n'est pas bonne. Typiquement, la durée d'intégration d'un système de détection sera limitée dans l'exemple à moins de 0,1 μs.
Aussi, prévoit-on de préférence d'utiliser comme dispositif d'émission des ondes incidentes, un laser bi-fréquence accordable. Dans un tel laser, il y a corrélation du bruit de phase de chacune des ondes, aussi, la sommation sur le photodétecteur se traduit par une annulation de ce bruit. On obtient un spectre très étroit en sortie, ce qui permet une très bonne sensibilité de la détection en sortie. On utilisera par exemple un laser bi- fréquence du type décrit dans l'article IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS, Vol.10, N°11 , November 1998, intitulé " Dual Tunable Wavelength Er:Yb/Glass Laser for Terahertz Beat Frequency Génération". Un tel laser bi- fréquence devra avoir une largeur spectrale du gain en fonction de la longueur d'onde suffisamment grande pour couvrir la bande Terahertz désirée. Typiquement, une largeur spectrale de 10 nanometres est satisfaisante, comme représenté sur la figure 3. En sortie, on a un spectre de rayonnement Terahertz, centré sur λ , avec une largeur spectrale de l'ordre de 10KHz.
En pratique, le photodétecteur 30 doit être choisi dans le domaine de sensibilité aux longueurs d'ondes incidentes v-i, v2, et doit avoir un temps de réponse très court.
Le domaine spectral retenu pour les ondes incidentes v-i, v2 est déterminé pour que le guide d'onde 2 (fibre optique) présente de faibles pertes en transmission, et ne présente pas d'effets non-linéaires pour les intensités lumineuses, sur des distances de l'ordre du mètre à quelques mètres, correspondant aux applications dans lesquelles la source est utilisée. Ces conditions sont atteintes par exemple avec des longueurs d'onde de l'ordre de 1 ,55 μm et une fibre optique en silice, à grand diamètre de mode. Dans cette bande de fréquence, une photodiode de type InGaAsP sera parfaitement adaptée comme photodétecteur 30. Si on se place dans le domaine proche infra-rouge (0,8μm), une photodiode de type AsGa ou Si sera bien adaptée.
Dans la bande infra-rouge ou infra-rouge moyen, c'est à dire dans la bande des 3-5 μm ou 8-12 μm, on choisira plutôt un photodétecteur 30 de type QWIP (acronyme anglo-saxon pour « Quantum Well Infrared Photodetector» et signifiant détecteur infrarouge à puits quantique). Cependant, comme on le verra plus loin, ce domaine spectral n'offre pas un bon rendement quantique au niveau du photodétecteur.
En effet, les éléments de la source d'émission selon l'invention doivent être sélectionnés pour avoir une bonne efficacité quantique. On a vu notamment les propriétés que devrait avoir le support de transmission 2 : monomode, à maintien de polarisation et avec une surface d'émission en sortie inférieure à la surface de détection du photodétecteur, afin d'avoir la conversion optique maximale. Il faut aussi choisir un domaine spectral adapté pour obtenir le meilleur rendement quantique dans le photodétecteur. Le rendement quantique de l'interaction optique dans le photodétecteur correspond au rapport des fréquences entre la fréquence de battement et celle associée à un des champs optiques. En théorie, le domaine infra-rouge s'avère le domaine le plus intéressant. En revanche, le fait de ne pouvoir disposer de support de transmission du type fibre optique à bonne tenue mécanique ou absente d'éléments toxiques rend pertinente l'utilisation de sources qui émettent des ondes cohérentes dans le domaine spectral du proche infra-rouge. Notamment, en référence à la figure 2, avec une longueur d'onde optique v2 centrée sur 1 ,55 μm et une fréquence de
battement de 8 nm, on obtient un rendement quantique de 0.52% * L'ensemble formé du photodétecteur 30 et de l'antenne 31 , et le cas échéant, de la cellule photovoltaïque 32, forme une tête d'émission hyperfréquence (Terahertz) miniature. En pratique, une telle tête d'émission miniature s'inscrit dans un cube de quelques mm3 Cette tête d'émission Terahertz peut être véhiculée au travers des orifices naturels d'un être vivant ou d'un système (ou composant) que l'on souhaite explorer. Un tel système notamment peut être intégré à un montage de type sonde invasive, tel qu'un endoscope ou un cathéter.
Sur la figure 7, on a représenté schematiquement un exemple de photodétecteur muni d'une antenne qui peut être utilisé dans l'invention. Dans cet exemple, le photodétecteur est une diode PIN, c'est à dire avec une structure de semi-conducteur, par exemple InAsGaP, comprenant une couche dopée p, une couche intrinsèque et une couche dopée n. Pour fixer les ordres de grandeur, une telle photodiode s'inscrit dans un cube de 300 μm x 300 μm x 300 μm. La surface de détection de l'éclairement dans laquelle les photons d'énergie hvi et hv2 sont absorbés, est la surface de la zone intrinsèque, les autres zones n et p ayant un dopage tel qu'elles ne sont pas le siège d'un photocourant.
L'antenne peut être formée par le profil des électrodes de polarisation E1 et E2 qui permettent d'appliquer une tension de polarisation inverse V. Les caractéristiques à l'émission du rayonnement THZ sont notamment déterminées par la géométrie de l'antenne. Dans l'exemple, les électrodes sont conformées pour avoir un rayonnement électromagnétique isotrope. La structure de l'antenne sera avantageusement du type multibrins, permettant d'obtenir une directivité précise du rayonnement. Une telle structure d'antenne est représentée schematiquement sur la figure 1. La directivité de l'antenne est notamment déterminée par l'écartement des brins.
Par ailleurs, on peut prévoir un système de commande des sources incidentes, pour utiliser la source d'émission Terahertz en mode continu ou en mode impulsionnel. Sur la figure 4, on a ainsi représenté un exemple de profil de modulation temporelle qui peut être appliqué aux ondes optiques incidentes vi et v2. Ce profil est obtenu en commandant de manière adaptée le dispositif d'émission des ondes optiques incidentes, au moyen d'un signal de contrôle Se (Fig.1 ). Par exemple, avec un laser bi-fréquence du type de celui décrit dans l'article IEEE précité, cette commande Se sera assurée par la commande du pompage optique du laser ou par une modulation des pertes internes dans la cavité d'un des deux faisceaux. Dans l'exemple, l'onde vi est émise dans des fenêtres temporelles de largeur t1 ; l'onde v2 est émise en continu. Dans les fenêtres où l'onde vi n'est pas émise, il n'y a pas d'onde Terahertz rayonnée en sortie (cf eq.1 supra).
Une source d'émission THz selon l'invention permet donc de générer le rayonnement THz in-situ, à l'intérieur d'un système à explorer, ou d'un être (organisme) vivant. Et d'utiliser des systèmes de détection directe ou cohérente.
Une première application concerne un système d'imagerie THZ, tel qu'un système de spectroscopie ou de tomographie. Un tel système est schematiquement représenté sur la figure 5.
Un module de réception 8 est prévu à l'extérieur du système à explorer. Il comprend de manière classique un système de détection du rayonnement 7 qui fournit un signal électrique lr(t) et des moyens de traitement de signal 9 adaptés. Le système de détection de rayonnement est généralement formé d'un réseau matriciel (ou d'un ensemble de barrettes) de cellules photodétectrices qui chacune recueille une émission hyperfréquence et détecte son intensité, dans le cas d'une détection directe, incohérente.
La variation de la fréquence de battement entre les deux ondes incidentes se traduit par une modification de la fréquence THz émise par l'élément photodétecteur rayonnant. Après propagation dans le milieu à analyser, les transmissions en termes de phase et d'intensité peuvent être analysées. Le dispositif 9 avec des moyens de traitement de signal adaptés permet de visualiser une image tomoscopique du milieu sondé.
La connaissance de la fréquence de l'onde Terahertz émise permet en outre d'utiliser des systèmes à mode de détection cohérentes. Combiné à un mode de fonctionnement impulsionnel des sources incidentes, comme décrit précédemment en relation avec la figure 4, on peut réaliser des systèmes d'imagerie appliqués à la tomographie cohérente optique. Le principe de base est celui des radars : on envoie une impulsion lumineuse Terahertz sur un échantillon (milieu de transmission). On enregistre le profil temporel de l'impulsion transmise. En variant la durée de l'impulsion, on accède ainsi à une image à plusieurs dimensions. On peut ainsi réaliser des mesures de tomographie sur des épaisseurs de quelques millimètres. Pour ce type de détection, on exploite les mécanismes de modulation temporelle mis en œuvre dans le système de détection, avec in oscillateur local radio- fréquence.
Plus particulièrement, et comme représenté schematiquement sur la figure 6, on prévoit dans le module de réception 8, un circuit de modulation 10 du signal électrique lr(t) délivré par le système de détection du rayonnement 7, avec un signal radiofréquence SR (t), de fréquence Ω, fourni par un oscillateur local OL. Un tel module de réception, permet de faire une analyse plus fine, dans un domaine plus basse fréquence (Q>I-HZ-Ω), typiquement dans le domaine radiofréquence à micro-onde (GHz- Hz).
Une autre application d'une source d'émission Terahertz selon l'invention concerne le traitement par hyperthermie. L'absorption est un phénomène d'interaction lumière-matière dans lequel il y a couplage de l'énergie électro- magnétique liée au rayonnement THz aux modes vibrationnels des liaisons moléculaires associés aux édifices atomiques qui constituent des structures cellulaires. Ces liaisons peuvent absorber l'énergie de certaines ondes électromagnétiques (c'est à dire leur fréquence). Ce qui traduit l'existence d'une signature spectrale propre à chaque conformation cellulaire.
Si pour certaines cellules (molécules, composés biochimiques), typiquement des cellules malignes ou dégénérées, on peut identifier une signature spectrale dans le domaine des Terahertz, distincte des cellules saines, on peut utiliser cette signature pour détruire ces cellules particulières, par hyperthermie : il s'agit alors d'émettre un rayonnement correspondant à cette signature spectrale, avec une puissance suffisante pour provoquer leur destruction par effet de dissipation thermique localisé. Le système d'émission Terahertz est alors configuré en terme d'intensité lumineuse des ondes optiques incidentes de façon à générer localement une onde Terahertz avec une puissance suffisante, avec la signature (fréquence) voulue. En pratique, des sources de puissance de 10 à 20 watts sont suffisantes. Le photodétecteur 30 de la tête d'émission 3 sera défini pour avoir un bon rendement de conversion optique / électrique (i.e. optique /THZ). En terme énergétique, un photon THz sera obtenu si deux champs optiques qui interagissent au niveau du photodétecteur engendrent un électron (efficacité quantique unitaire). Le rendement quantique est alors donné par le rapport entre l'énergie moyenne d'un photon en interaction et l'énergie associée à l'onde THz. Pour une onde émise de 1 THz et pour des photons opérant à 1.5μm nous obtenons un rendement quantique de 0 .5%.
Plus particulièrement, pour une utilisation dans un système de traitement par hyperthermie localisée, on peut calculer l'élévation de température ΔT(°C) d'un tissu en fonction de la durée d'application d'une onde électromagnétique Δt :
1 σ i i? ,
ΔT = E Δt où :
2 pCs ' •
- Cs représente la chaleur spécifique du tissu (J/kg.°C),
- p est la densité du tissu (kg/m3), - σ est sa conductivité électrique (S/m), (S=Siemens) - E correspond à l'amplitude du champ électrique associé au rayonnement THz (V/m). Cette relation n'est qu'approximative car elle résulte de la résolution de l'équation de la chaleur sans prendre en compte les phénomènes de diffusion et de convection. On ramène donc le calcul sur une durée de une seconde.
De ce point de vue, on conçoit que l'emploi du système en endoscopie fait que l'interaction rayonnement-tissus ne favorise pas le processus de transfert thermique par convection. On considère que la densité volumique du tissu biologique est comprise entre 900 (graisse) et 1800 kg/m3 (~1100 kg/m3 pour le muscle). Le paramètre chaleur spécifique varie lui aussi selon la nature du tissu. Il prend une valeur comprise entre 1250 et 4000 J/kg°K.
La conductivité électrique σ des tissus est supérieure à l'unité dans le domaine THz. On peut considérer que σ est de l'ordre de 8 S/m à 10GHz. Sur une bande d'absorption spécifique, cette valeur de σ peut être plus élevée.
Ainsi, la puissance moyenne THz dissipée correspond à l'expression :
P dissipée =- n σl IEl I2
Les effets thermiques qui se développent dans un système biologique se traduisent :
• à 45 °C par une hyperthermie tissulaire,
• à 50 °C par une dénaturation protéique (réduction activité enzymatique),
• à 60°C par une hémostase (coagulation collagène), dénaturation des protéines,
• à 80°C par une dessication.
En conséquence, à partir d'une élévation de température de 8°C par rapport à la température d'équilibre (~37°C), les effets thermiques vont contribuer à traiter localement les tissus cibles. Ainsi, à titre d'exemple, deux sources laser vi et v2 qui opèrent au voisinage de 1.55μm (respectivement v2 à 1.55 et vi à 1.558μm) initialement séparées en fréquence de 1 THz peuvent engendrer un tel rayonnement à
1THz (~ 300μm en longueur d'onde) avec au maximum un rendement quantique :
hv d ηQ = 7^ =0.52%
ou de 0.25% en considérant qu'il faut deux photons optiques pour engendrer un photon THz. Pour une puissance optique totale de 1W et en tenant compte du rendement de conversion opto -hyperfréquence de -10dB on obtient une puissance rayonnée de l'ordre de 500μW.
Bien entendu, on peut coupler le système de traitement par hyperthermie localisée à un système d'imagerie tel que représenté sur la figure 5 ou 6, configuré pour une bande spectrale Terahertz différente de la signature spectrale correspondant au traitement par hyperthermie effectué ce qui permet de visualiser le spectre rayonné, après traitement.
Un tel système pourra notamment être utilisé pour traiter localement et in-situ des cellules malignes ou des zones ciblées sans affecter les milieux sains environnants.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Source d'émission d'une onde Terahertz comprenant : un dispositif (1) source d'une première onde optique incidente de fréquence vi et d'une deuxième onde optique incidente de fréquence v2, couplé à un support de transmission (2) de type guide d'onde, transportant chacune desdites ondes optiques incidentes vi et v2 , une tête d'émission miniature disposée à une extrémité dudit support, comprenant un dispositif de détection non linéaire (30) de type photodétecteur et une antenne intégrée (31) de rayonnement électromagnétique, du type multi-brins, dimensionnee pour donner au rayonnement une directivité prédéterminée.
2. Source d'émission selon la revendication 1 , caractérisée en ce que le support de transmission (2) est une fibre optique réalisée en silice.
3. Source d'émission selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le support de transmission (2) est un guide d'onde du type monomode.
4. Source d'émission selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le support de transmission (2) est un guide d'onde à maintien de polarisation.
5. Source d'émission selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 précédentes, caractérisée en ce que la tête d'émission miniature (3) comprend une cellule photovoltaïque (32) disposée à proximité du photodétecteur (30), pour polariser ledit photo -détecteur (30), sur détection d'un rayonnement incident.
6. Source d'émission selon la revendication 5, caractérisée en ce que ledit rayonnement incident détecté par la cellule photovoltaïque (32) est celui d'une onde optique supplémentaire v3.
7. Source selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'au moins une onde parmi la première et la deuxième ondes optiques incidentes est du type à fréquence accordable.
8. Source selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que ledit dispositif source (1 ) des première et deuxième ondes optiques incidentes est un laser bi-fréquence.
9. Source d'émission Terahertz selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le support de transmission (2) et le dispositif de détection non linéaire (3) sont assemblés dans une structure de type sonde invasive.
10. Système d'imagerie comprenant une source d'émission
Terahertz selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 associé à un module de réception (8) comprenant un système de détection de rayonnement (7) pour explorer un échantillon in-vivo.
11. Système d'imagerie selon la revendication 10, comprenant une source d'émission accordable selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'il consiste à effectuer un balayage de la gamme de fréquence Terahertz.
12. Système d'imagerie selon la revendication 10 ou 1 1 , caractérisé en ce que le module de réception (8) comprend un oscillateur local (OL) fournissant un signal radiofréquence (SRF(t)) et un circuit de modulation (10) pour moduler le signal électrique (ιr(t)) issu du système de détection du rayonnement (7).
13. Système d'imagerie selon l'une quelconque des revendications 10 ou 12, caractérisé en ce qu'il met en œuvre un système de détection cohérente.
14. Système de traitement par hyperthermie localisée, comprenant une source optique selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, le dispositif (1) source des ondes optiques incidentes étant du type moyenne puissance, apte à permettre localement la génération d'une puissance élevée.
15. Système de traitement selon la revendication 14, associé à un système d'imagerie selon l'une quelconque des revendications 10 à 13.
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