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Les T-Rays avancent vers le contrôle de l'aéroport
Des chercheurs du monde entier tentent d'exploiter une partie à peine utilisée du spectre électromagnétique – le rayonnement térahertz – pour rechercher des explosifs et des drogues illégales dans les passagers des compagnies aériennes. Les rayons sont particulièrement attrayants : ils peuvent voir à travers les vêtements, le papier, le cuir, le plastique, le bois et la céramique. Ils ne pénètrent pas aussi bien que les rayons X, mais ils n'endommagent pas non plus les tissus vivants. Et ils peuvent lire des signatures spectroscopiques, détectant la différence entre, par exemple, un gel capillaire et un explosif.
Ce minuscule rectangle gris, plus petit que le D dans DIME, est un laser à cascade quantique qui pourrait être la clé des technologies d'imagerie térahertz pour les futurs dispositifs de contrôle des aéroports. Le laser est fixé à l'électronique qui le contrôle.
Alors que certains systèmes commerciaux sont déjà disponibles pour des applications limitées – un appareil japonais scanne le courrier à la recherche de drogues de contrebande – une machine pour scanner les passagers des compagnies aériennes a mis du temps à évoluer, principalement en raison de la difficulté à créer le rayonnement térahertz. Le scanner idéal enverrait un faisceau de rayons T sur des objets qui passent ou sur des personnes à quelques mètres, puis mesurerait les rayons réfléchis par les sujets et les comparerait à une base de données de signatures spectroscopiques. Mais la plupart des sources de rayons T existantes ne fournissent que des faisceaux faibles, ce qui rend la détection plus lente et plus difficile.
Aujourd'hui, un professeur du MIT est peut-être sur le point de résoudre ce problème avec un nouveau type de laser.
Une méthode typique de production de rayons t – qui se situent entre la lumière infrarouge et les micro-ondes sur le spectre électromagnétique ; les fréquences comprises entre environ 0,5 et 4,0 térahertz sont les plus intéressantes - il s'agit d'utiliser un laser qui produit de la lumière infrarouge et, par manipulation optique, de le réajuster aux fréquences térahertz. La puissance résultante est mesurée en millionièmes, voire en billionièmes de watts. Pour que le détecteur capte ce type de signal très faible, le faisceau devrait être balayé lentement sur un objet à une distance proche, créant une image un pixel à la fois. La source alternative est un énorme laser à gaz qui occupe la totalité d'une paillasse de laboratoire. Ni l'un ni l'autre n'est pratique pour traiter rapidement des milliers de voyageurs aériens.
Mais Qing Hu, professeur au Laboratoire de recherche en électronique du MIT, a conçu des lasers de la taille d'une tête d'épingle pouvant produire 250 milliwatts à 4,3 térahertz et un peu moins de 100 milliwatts à 1,5 térahertz. C'est assez de puissance pour envoyer un faisceau sur une distance de plusieurs mètres, le faire rebondir sur un objet et utiliser le signal de retour pour créer une image instantanée. Au lieu d'imager un pixel à la fois, les rayons t pourraient être captés par un réseau plan focal, comme le détecteur d'une caméra vidéo. Cela permettrait au personnel de sécurité de voir sous les manteaux et dans les valises lorsque les gens passent. Nous sommes capables de faire un film en rayons T, dit Hu, ce qui signifie que sa technologie peut fournir une imagerie en temps réel.
La clé de la technologie de Hu est un laser à cascade quantique, un minuscule semi-conducteur avec des indentations à l'échelle nanométrique appelées puits quantiques gravés à l'intérieur. Dans les lasers standard, un électron dans un état de haute énergie tombe dans un état de basse énergie, libérant l'excès d'énergie sous forme de photon de lumière. Dans les lasers à cascade quantique, l'électron tombe dans un puits quantique, émet un photon, puis traverse une fine barrière jusqu'au puits suivant, où il émet un autre photon, et ainsi de suite, tout comme une balle de ping-pong descendant les escaliers, Hu dit. Le résultat est beaucoup plus de photons, et donc des rayons T plus puissants.
Les lasers de Hu sont un élément clé d'un dispositif de sécurité térahertz qui Laboratoire national de Sandia se développe, déclare le chercheur principal de Sandia, Mike Wanke. Le projet de trois ans au laboratoire, maintenant dans sa deuxième année, vise à intégrer une source laser et un détecteur dans le même appareil. Cela élimine les configurations optiques complexes et améliore la sensibilité du détecteur par ordre de grandeur, dit Wanke. Il envisage un module qui peut être utilisé pour fabriquer des systèmes à rayons T compacts et commercialement viables pour une utilisation dans les aéroports. Nous essayons de faire en sorte que ce soit un système clé en main, prêt à l'emploi, dit-il. Il ajoute qu'une fois que Sandia a un prototype réussi, les entreprises peuvent relever le défi du développement de produits.
Les lasers doivent atteindre des fréquences plus basses pour faire un meilleur travail de pénétration des matériaux - le plus bas, le mieux, dit Hu. Mais des fréquences plus basses signifient des puits quantiques plus petits, qui sont plus difficiles à construire avec précision. Hu ne prédit pas quand les systèmes commerciaux pourraient être disponibles.
Mais Xi-Cheng Zhang, directeur du Rensselaer Polytechnic Institute Centre de recherche térahertz dit Hu bat toujours le record qu'il s'est établi. Zhang dit que des améliorations dans l'ingénierie ou l'utilisation de différents matériaux semi-conducteurs sont susceptibles de fabriquer des lasers à cascade quantique encore meilleurs. Il s'attend à ce que la plupart des problèmes soient résolus dans un an ou deux. L'un de ces problèmes est que les lasers fonctionnent à des températures cryogéniques et nécessitent un équipement de refroidissement encombrant ; Hu détient le record de la température de fonctionnement la plus élevée. Une fois ces problèmes résolus, ce sont les forces du marché plutôt que les problèmes techniques qui détermineront le temps qu'il faudra pour qu'un scanner commercial se présente dans un aéroport, explique Zhang.
Hu dit que la technologie présente un intérêt particulier pour l'armée, outre les applications commerciales de transport aérien. La DARPA [la Defense Advanced Research Projects Agency] s'intéresse beaucoup à cela pour identifier les kamikazes, dit-il. Les rayons T ne sont pas le seul moyen de le faire ; d'autres systèmes arrivant sur le marché utilisent des radars et des logiciels de traitement de la vision. (Voir Marcher comme un bombardier .)
Zhang a fondé une entreprise, Zomega Térahertz qui fait un détecteur de rayons T de la taille d'un ordinateur portable qui peut être attaché à un drone volant pour la détection à distance de substances chimiques et biologiques. Bien que les billions de watts produits par le laser infrarouge de l'appareil conviennent à l'analyse spectroscopique d'échantillons d'air, ils ne sont pas adéquats pour l'imagerie, et il est peu probable que la technologie laser s'améliore suffisamment pour être utilisée dans la sécurité des aéroports, dit Zhang. Il pense que les lasers à cascade quantique sont l'avenir des systèmes de détection à rayons T : ils seront le gagnant final sur le marché.