Techniques de microscopie sous-longueur d'onde aux fréquences térahertz

Sub-wavelength microscopy techniques in the TeraHertz frequency range

• Auteur / Autrice : Gizem Soylu
• Direction : Jean-Louis Coutaz, Alessandro Monfardini, Emilie Hérault
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Optique et radiofréquence
• Date : Soutenance le 24/07/2020
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de microélectronique, électromagnétisme et photonique - Laboratoire d'hyperfréquences et de caractérisation (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Pascale Roy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sukhdeep S. Dhillon, Guilhem Gallot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie électronique

Matière, Théorie cinétique de la

Rayonnement terahertz

Mots clés libres

Microscopie

Térahertz

Détecteurs à inductance cinétique

Microscopy

Terahertz

Kinetic inductance detector

Résumé

La microscopie dans le domaine Terahertz (de facto sub-longueur d’onde) suscite un fort intérêt pour compléter les techniques déjà existantes aux autres longueurs d’onde. Cependant, la limite de diffraction empêche, par des schémas optiques classiques, d’atteindre des tailles de faisceaux THz, et donc des résolutions d’image, inférieurs à quelques centaines de micromètres. Dans cette thèse, nous proposons deux techniques de microscopie originales. La première consiste à écranter le faisceau THz à l’aide d’une fine plaque de métal percé d’un trou dont le diamètre est sub-longueur d’onde. L’échantillon est placé contre la plaque et déplacé devant le trou afin de faire une image point à point. La résolution attendue pour l’image est de l’ordre de grandeur de la taille du trou.La deuxième technique présentée ici consiste à générer un signal THz directement dans l’échantillon. Lorsqu’un faisceau laser est focalisé dans l’échantillon, la région illuminée peut, dans le cas où elle est non centrosymmétrique, générer un signal THz par rectification optique. Une image point à point est obtenue en scannant l’échantillon avec le faisceau laser. La résolution d’image attendue est alors proche de la taille du faisceau laser.Les signaux THz en jeu dans ces deux techniques sont potentiellement faibles. C’est pourquoi nous avons étudié la possibilité de les mesurer avec des détecteurs très sensibles, habituellement utilisé en astronomie : les KIDs (kinetic inductance detector). Après avoir présenté les principes physiques mis en jeu dans de tels détecteurs, ce manuscrit décrit la caractérisation qui a été faite d’une caméra KIDs. A l’aide d’un montage « classique » de spectroscopie dans le domaine temporel, nous avons pu mesurer des puissances de signal très faibles, de l’ordre de 0.2 fW, démontrant les performances de tels détecteurs.Les deux derniers chapitres sont dédiés aux deux techniques de microscopie elles-mêmes. Pour la première, une simulation à base d’éléments finis a été utilisée afin de rechercher la forme d’ouverture permettant d’obtenir la meilleure transmission d’un trou sub-longueur d’onde. Les résultats montrent qu’une ouverture conique est plus performante qu’un trou cylindrique. Une analyse des résultats encourageants obtenus lors des premières expériences de microscopie THz à travers un trou et impliquant une caméra KIDs est présentée.Finalement, la technique dite ORTI (Image Terahertz par Rectification Optique) est étudiée. Une image de 10 µm de résolution spatiale ((λ/214 à 0.14 THz) a été obtenue en scannant les domaines ferroelectriques d’un cristal de PPKTP. Il est démontré que la résolution de l’image dépend uniquement de la taille du faisceau laser et non pas de la fréquence THz générée. De plus, il est montré que cette technique peut être utilisée pour imager un échantillon poly-cristallin ou encore un échantillon présentant des zones géographiques de différentes épaisseurs. Enfin, ce manuscrit se conclue sur les paramètres limitant la résolution spatiale des images ORTI.

Imaging in the Terahertz frequency range at subwavelength resolution has gained a great interest for certain studies which cannot be carried out with other parts of the electromagnetic spectrum. However, classical optical schemes cannot be employed to obtain micrometre-range resolution for THz microscopy as diffraction limits the resolution to about 100 µm. In this thesis, we present two different original subwavelength THz microscopy techniques. In the first technique, the THz beam is screened by a thin metallic sheet in which a subwavelength hole has been made. The sample is placed against the sheet and moved over the hole to perform a raster image. The expected resolution is then equal to the hole size. The second technique presented in this thesis is based on generated a THz signal directly from the sample. When a laser beam is focused in the sample, the illuminated region, if non-centrosymmetric, can generate THz signals through optical rectification. The raster image is obtained by recording this THz signal while the laser beam is moved over the sample. The expected resolution is then close to the laser spot size.Both technique might involve weak THz signals. That is why we investigated on the possibility to measure them with a very sensitive detector, usually used for astronomy, named kinetic inductance detector (KID). This manuscript presents its principle as well as the study that was carried on. On a “classical” time domain spectroscopy setup, signal as low as 0.2 fW were thus recorded, demonstrating the interest of such detectors.The two last chapters are dedicated to the two microscopy techniques themselves. For the first one, a simulation model using a finite element model solver is used to design the most efficient aperture to enhance the transmission through a subwavelength hole. The results show that a conically tapered hole has a higher transmission than a classical cylindrical hole. Our attempts at using the KIDs camera for the first time for THz microscopy are discussed and first encouraging results are presented.Finally, the ORTI (Optical Rectification Terahertz Imaging) technique is investigated. An image with a 10 µm spatial resolution (λ/214 for 0.14 THz) was obtained while scanning the ferroelectric domains of a crystal of PPKTP. We show that the resolution of the image depends only on the laser spot size and not on the generated THz frequency. In addition, we showed that ORTI image can be used to scan a poly-crystalline sample as well as a crystal with different thickness areas. Lastly, the limitations of the spatial resolution of ORTI images are discussed in detail.