Émetteurs thermiques agiles : état de l’art

Les émetteurs thermiques dans le moyen infrarouge sont d’un grand intérêt dans de nom- breuses applications, aussi bien en recherche scientifique que dans des domaines touchant à la vie quotidienne ou encore dans le domaine militaire. Ils sont par exemple utilisés en ana- lyses des gaz. En effet, de nombreuses molécules possèdent des modes vibro-rotationnels dans cette gamme de longueurs d’ondes. C’est ainsi le cas, par exemple, de certains agents innervant comme le sarin, le soman ou le VX qui possèdent des modes de vibrations res- pectivement à ∼ 124 meV, ∼ 128 meV et ∼ 194 meV ([81]). Le panneau (a) de la figure 2.1 présente certaines molécules d’intérêts identifiables grâce à un émetteur infrarouge.

Figure 2.1 – Exemple de molécules actives dans l’infrarouge. Figure issue de [81].

Ainsi, chaque molécule ayant une signature optique propre, il est aisé de les identifier par des mesures spectroscopiques. Les émetteurs thermiques peuvent par exemple avoir un spectre d’émission large (typiquement un corps noir), ce qui permet, en les couplant à un spectromètre à transformée de Fourier (FTIR), de détecter plusieurs types de molécules ou des composés complexes. Ces émetteurs peuvent également posséder un spectre étroit en ne présentant qu’un seul pic d’émission, ce qui permet de discriminer un composant particulier. Les émetteurs thermiques infrarouges peuvent également être utilisés pour la communication. En effet, l’atmosphère possédant des fenêtres de transmission dans l’infrarouge moyen (par exemple entre 8µm et 14µm comme montré dans la figure2.2), il est possible de transmettre de l’information si l’émetteur est assez puissant. Pour cela, il est nécessaire d’avoir des émetteurs pouvant être modulés à haute fréquence afin d’obtenir un taux de transfert de données avec un débit suffisamment important (par exemple 100 MHz [81]).

D’autres types d’émetteurs peuvent également être utilisés pour obtenir un rayonnement infrarouge. Il est par exemple possible d’utiliser des diodes électroluminescentes (LED). Cependant, les LED ne permettent pas d’obtenir une émission dans l’infrarouge moyen. Les dispositifs basés sur les transitions intersousbandes d’électrons uniques peuvent être

2.1. Ingéniérie de l’émission thermique 50

Figure 2.2 – Fenêtre de transmission optique de l’atmosphère ([81]).

utilisés pour obtenir une émission dans l’infrarouge moyen. Néanmoins, le temps d’émis- sion spontanée dans ce type de dispositif (∼ 10 − 100 ns) est très long comparé au temps de vie non radiatif (∼ 1 ps). Ce point donne une efficacité quantique très faible (∼ 10−5_).

Cette efficacité quantique peut être augmentée en utilisant le processus d’émission stimu- lée. C’est le cas par exemple des LED superluminescentes et des diodes lasers. Pour éviter d’avoir à utiliser le processus d’émission stimulée, il est possible d’utiliser d’autres types de lasers comme les lasers à cascade quantique (QCL) possédant des longueurs d’onde dans l’infrarouge moyen. La longueur d’onde d’émission des QCL n’est plus gouvernée par le gap des matériaux utilisés mais par la différence d’énergie des sousbandes de la bande de conduction.

Pour utiliser des émetteurs thermiques dans les applications citées précédemment, ils doivent présenter certaines caractéristiques. Il peut être nécessaire, notamment, d’avoir une émission quasimonochromatique (pour étudier un composé particulier) ou directive. Il est possible d’utiliser plusieurs techniques pour mettre en forme l’émission thermique dans ce but. Pour cela, il est possible d’utiliser les propriétés du ou des matériaux constituant l’émetteur ou d’utiliser des structures photoniques.

Mise en forme spectrale

Une des possibilités les plus simples pour réaliser des émetteurs thermiques dans le moyen infrarouge ayant une largeur de raie faible est d’utiliser des matériaux possédant des résonances optiques étroites avec une force d’oscillateur importante. Il est ainsi possible d’utiliser des matériaux possédant des résonances de phonons optiques dans le moyen infrarouge. Dans la référence [65], les auteurs utilisent par exemple un film de SiC déposé sur une couche d’or servant de miroir pour obtenir des pics d’émissions fins entre 8 µm et 13 µm.

Le confinement électronique obtenu dans des structures nanométriques peut également permettre d’obtenir des sources thermiques étroites. Il est par exemple possible d’utiliser les transitions interbandes dans des nanotubes de carbone monoparois pour obtenir des spectres d’émissions fins dont les longueurs d’ondes vont du visible à l’infrarouge [61]. Il est également possible d’utiliser des puits quantiques de semiconducteurs pour obtenir des transitions intersousbandes permettant l’émission dans le moyen infrarouge. C’est le cas par exemple de la référence [44] qui utilise des puits quantiques de GaAs pour obtenir une émission thermique à 9.3 µm .

L’émission thermique peut aussi être obtenue en utilisant les interférences induites par une succession de couches minces comme dans les références [45] [80] [28]. Une méthode permettant un contrôle encore plus important sur l’émission thermique est l’utilisation d’un cristal photonique placé sur une couche émettrice [20]. Le cristal photonique sert ici de filtre passif sur l’émission thermique (l’émission du corps noir). Il est également possible d’incorporer directement une succession de puits quantiques dans un cristal photonique comme dans la référence [43] pour obtenir une émission monomode très étroite basée sur les transitions intersoubandes dans les puits quantiques.

D’autres méthodes basées sur l’utilisation de réseaux de structures pouvant être des rubans métalliques [62], des disques métalliques [1] ou encore des nanopiliers semiconducteurs [5] permettent également d’obtenir une importante sélectivité en longueur d’onde.

Directivité

Il est possible de rendre des émetteurs thermiques directifs. Ce point est crucial pour bon nombre d’applications comme la communication optique ou encore l’analyse des gaz. Il est par exemple possible de citer les travaux de Carminati et Greffet [37] qui ont montré qu’il était possible de coupler un mode guidé de champ proche (onde de surface), généré par le chauffage d’un matériau polaire (SiC), à l’espace libre en utilisant un réseau de diffraction composé de rubans de SiC obtenus par gravure. L’émission en champ lointain est ici rendue possible lorsque l’angle d’émission satisfait la condition de conservation du vecteur d’onde, k0sin(θ) = kk+ p2π_d (avec k0le vecteur d’onde dans l’espace libre, θ l’angle

d’émission, kkle vecteur d’onde de l’onde de surface d la période du réseau de diffraction et

p un entier). Cette technique permet d’obtenir une émission étroite grâce aux propriétées

du matériau polaire mais également directive grâce à cette condition sur le vecteur d’onde. La figure 2.3 présente les résultats obtenus avec cette méthode dans le panneau (b) ainsi que la structure utilisée dans le panneau (a). Il faut noter que des résultats similaires ont été obtenus, également dans l’infrarouge, avec des matériaux comme l’or [13], le tungstène [53] et le SiO2 [22].

(a) _(b)

Figure 2.3 – (a) Réseau de ruban de SiC utilisé pour obtenir un émetteur thermique étroit et directif. (b) Spectre d’émissivité en représentation polaire obtenu expérimentalement (rouge) et théoriquement (vert) à partir de la structure du panneau (a). Nous voyons bien que l’émission présente un pic étroit à un angle θ bien défini. Figure tirée de la référence [37].

Les émetteurs thermiques que je vais par la suite décrire reposent sur l’utilisation d’hété- rostructures semiconductrices (InGaAs/AlInAs) chauffées par effet Joule.