Les ondes térahertz (THz) veulent faire valoir leurs atouts dans l’industrie. Situé par convention entre 100 GHz et 10 THz, le rayonnement THz s’insère entre les micro-ondes et l’infrarouge. S’il est bloqué par les métaux, il pénètre les matériaux électriquement isolants : plastiques, élastomères, céramiques, composites, textiles, bois… Il peut révéler leurs défauts structurels internes, avec une résolution spatiale d’une centaine de micromètres, mais aussi les écarts de densité ou les hétérogénéités, tels que des contaminants plastiques dans un autre plastique. Des subtilités qui échappent aux rayons X, beaucoup plus énergétiques. Non ionisant, le rayonnement THz se passe des précautions qui s’imposent avec les rayons X. Il se montre également moins contraignant que les ultrasons, car il opère sans contact avec la pièce à inspecter. D’autre part, des résonances spécifiques s’expriment dans cette gamme de fréquences et donnent accès aux arrangements moléculaires de la matière. De quoi détecter des transformations comme une polymérisation ou le vieillissement du matériau.
Adaptées aux composites
Grâce à ces propriétés remarquables, le contrôle par ondes THz peut se déployer partout où la qualité des matériaux est un enjeu crucial : dans l’automobile, l’aéronautique, l’aérospatial, l’énergie, la plasturgie, les semiconducteurs… L’utilisation croissante de matériaux allégés, à l’instar des plastiques moussés et des composites, devrait favoriser son éclosion. « Le client peut même vérifier le taux d’orientation des fibres, leur densité, leur distribution, leur imprégnation... », détaille Thierry Antonini, le président de Terakalis.
C’est dans les années 1990 que les ondes THz, alors rangées dans l’infrarouge lointain, ont suscité le regain d’intérêt qui les a menées jusqu’au contrôle-qualité dans l’industrie. « La recherche en physique fondamentale et en astrophysique, en particulier sur le fond diffus cosmologique, a animé les travaux sur cette gamme de fréquence et sur de nouveaux dispositifs de détection, rappelle Frédéric Teppe, directeur de recherche au CNRS, au laboratoire Charles Coulomb à Montpellier. La physique du solide a suivi. » Des entreprises, parfois créées pour l’occasion, ont valorisé ces avancées technologiques auprès de l’industrie. Issu de Toshiba Researh Europe et adossé à l’université de Cambridge, l’anglais Teraview, fondé en 2001, fait partie des précurseurs.
Une dizaine de fabricants sur le marché
La filière française, plus tardive, a aussi bénéficié des travaux académiques. À l’image de Terakalis, cofondé par Frédéric Teppe en 2013. Le capteur qu’il avait mis au point avec son équipe, théorisé vingt ans plus tôt et reposant sur les ondes de plasma, ouvrait de nouvelles perspectives. « L’imagerie en temps réel à faible coût devenait envisageable, ce capteur n’étant pas refroidi », explique Thierry Antonini. Cinq années de R&D ont précédé le lancement d’une offre d’abord consacrée à l’imagerie 2D. « Très vite, on s’est rendu compte que la mesure d’épaisseur était une autre problématique des clients, poursuit Thierry Antonini, ce qui peut aussi servir à l’imagerie 3D. » La spectroscopie THz s’est ajoutée depuis au catalogue.
Trois systèmes d’imagerie THz produits en France
TK-Line de Terakalis
Le système TK-Line est conçu pour l’imagerie 3D temps réel, en ligne, et emploie une technique de type FMCW. Il s’installe au bout d’un bras robotique ou au-dessus d’un convoyeur. La source micro-ondes, continue, émet à 220 et 330 GHz, la pénétration du matériau étant privilégiée, avec une puissance de 10 mW. Le dispositif fonctionne par réflexion et le signal est recueilli par un capteur linéaire de 50 mm de largeur. Celui-ci peut être remplacé par un capteur plus large si besoin, le système étant modulaire.
Stripp Control de Teratonics
Ce système automatisé, associé à un bras robotique ou installé au-dessus d’un convoyeur, est conçu pour l’imagerie 3D avec résolution micrométrique. Il intègre notamment une source d’impulsions THz ultra-brèves, de l’ordre de la picoseconde, et un détecteur monocoup avec une fréquence d’acquisition de plusieurs milliers de points par seconde. S’ajoutent un laser de pompe et l’électronique de contrôle. Le scan (vitesse type de 500 cm2/30 s), la génération d’images et la détection des défauts sont automatisés.
Teracascade 1000 series de Lytid
Configurable en transmission ou en réflexion, ce système s’applique à de l’imagerie 2D, voire 3D par tomographie. La source fait appel à un laser TeraCascade à ondes continues, qui émet entre 2 et 5 THz, favorisant la résolution spatiale. Sa puissance s’élève à 1 mW. Le chemin optique intermédiaire permet de régler la zone d’illumination sur l’échantillon. La caméra microbolométrique, fabriquée par I2S, offre une définition de 320 x 240 pixels.
Si plusieurs fournisseurs de composants existent, on ne compte aujourd’hui qu’une petite dizaine de fabricants de systèmes de contrôle THz, des équipements complets incluant le matériel et le logiciel. Avec Teraview, Luna Innovations aux États-Unis, Inoex et Menlo Systems en Allemagne font partie des leaders du marché. Parmi les français, Terakalis, Teratonics et Lytid sont les plus en vue. Fondé en 2017, Teratonics commercialise depuis 2020 son premier système automatisé pour l’imagerie 3D. Au départ producteur de sources THz, Lytid a décidé, la même année, de fabriquer et vendre ses propres systèmes. Le premier est parti en Chine, dans un laboratoire travaillant pour un industriel de la pétrochimie, le second aux États-Unis, chez un avionneur militaire.
Source électronique ou source laser à cascade quantique
Outre le détecteur, qui capte le signal transmis ou réfléchi par l’échantillon à analyser, la source est le principal composant d’un système de contrôle THz. Mais aucune source ne produit directement des ondes THz, un écueil décrit par l’expression « terahertz gap » (écart térahertz). Il faut partir d’une source dans une gamme de fréquences adjacente : soit les micro-ondes, soit l’optique. Dans le premier cas, une source électronique comme une diode Schottky émet à une fréquence de quelques gigahertz (GHz), laquelle est multipliée jusqu’à atteindre une centaine de gigahertz. Dans le second cas, il s’agit typiquement d’une source laser à cascade quantique (QCL), dont l’émission initiale dans l’infrarouge est convertie en une onde de quelques térahertz.
Dans les deux cas, la puissance du signal est affaiblie par ces transformations successives. Limiter cette perte reste un enjeu, avec l’objectif de pénétrer des matériaux plus denses, plus épais, ou d’accélérer le temps d’analyse. La gamme de fréquences utilisée dépend enfin de l’usage, puisque la résolution spatiale est d’autant plus grande que la fréquence est élevée, tandis que c’est l’inverse pour la profondeur de pénétration. Ce qui n’est pas forcément rédhibitoire, selon Jean-Charles Roche, le directeur général et cofondateur de Lytid : « Pour vérifier si toutes les gélules sont à l’intérieur d’une boîte de médicaments, la profondeur prime sur la résolution. »
Les deux premiers systèmes mis au point par Lytid illustrent cette dualité d’approche et d’usage. Le premier repose sur une source QCL et une caméra microbolométrique, qui capte une image 2D en un seul passage. La résolution est privilégiée, à des fins d’imagerie 2D et d’analyse de couches minces. Le second utilise une source TeraSchottky à 150 GHz, qui favorise la pénétration au prix d’une résolution millimétrique. La structure interne de l’échantillon est cartographiée grâce à des ondes continues à modulation de fréquence (FMCW), technique semblable à celle du radar. Un détecteur remplaçant la caméra, l’échantillon doit être analysé point par point. Une image 3D peut être reconstruite à partir de la profondeur mesurée. Le système TK-Line de Terakalis exploite aussi la technique FMCW, avec l’apport d’un capteur linéaire pour un balayage rapide.
« Réduire le temps de maintenance des avions »
Arnaud Susset, dirigeant de R&D Vision, bureau d’études et intégrateur
« Lancé en 2017 à l’initiative d’ATR et Airbus, le projet Athermo vise à développer un outil de diagnostic transportable pour réduire les temps de maintenance et d’immobilisation des avions. Ce système d’imagerie THz et de thermographie IR permet de vérifier la présence des équipements et de détecter des anomalies à travers un plancher ou un habillage cabine. L’image est acquise en quelques minutes et comparée automatiquement à une image de référence. Le dispositif comprend aussi un capteur 3D pour scanner la surface et une caméra dans le domaine visible pour aider le technicien. Le Laboratoire de l’intégration du matériau au système (IMS) de Bordeaux et la société Epsilon complètent le consortium soutenu par la Direction générale de l’aviation civile (DGAC), Bpifrance, la région Nouvelle-Aquitaine et les pôles de compétitivité Aerospace Valley et Alpha RLH. Athermo s’achèvera à la fin de l’année et sera industrialisé en 2022. »
Des sources THz ultrarapides
Autre source envisageable : un laser émettant des impulsions de quelques centaines de femtosecondes ou quelques picosecondes. Les fréquences induites s’échelonnent alors d’une centaine de gigahertz à quelques térahertz. Idéal pour de la spectroscopie, toutes les fréquences pour identifier les matériaux étant produites en même temps. Grâce à l’arrivée de ces sources THz ultrarapides, la spectroscopie résolue en temps (ou TDS, time domain spectroscopy) s’est développée. Elle permet de discriminer les réflexions successives des impulsions THz sur les structures internes de l’échantillon. Grâce à l’analyse du temps de vol de l’onde, la mesure d’épaisseur, y compris les mesures individuelles de couches superposées, devient possible avec une précision micrométrique. Utile pour vérifier l’uniformité et l’intégrité d’un revêtement. Destiné aux constructeurs automobiles, Teracota de Teraview sert à examiner les couches de peinture déposées sur un substrat métallique ou non.
La TDS est désormais mise à profit pour l’acquisition d’image, grâce à un scan de l’échantillon point par point. Des objets complexes peuvent être inspectés avec précision et les figures de diffraction sont éliminées. C’est le principe du système de Teratonics, qui mise sur la rapidité du détecteur inventé en 2007 à Paris-Sud par son cofondateur, Uli Schmidhammer. « Une seule impulsion suffit à créer un pixel, là où des centaines sont nécessaires pour les autres solutions TDS. La mesure est accélérée par un facteur de 10 millions et n’est pas affectée par les vibrations. Une pièce peut être scannée en 3D dans un temps inférieur à son cycle de production. » L’objectif est double : le contrôle non destructif de l’intégralité de la production, plutôt que par échantillonnage, et la correction immédiate du process si une dérive est observée, dans l’optique de l’usine 4.0.
Reste que si son potentiel est indiscutable, la technologie THz doit encore mûrir pour se déployer massivement dans les usines. L’offre, aujourd’hui produite à façon, devra être industrialisée, et son prix, entre 100 000 et 300 000 euros, revu à la baisse. L’intégration aux process est également à prévoir en amont. Enfin, la véritable « killer app » reste à découvrir.
