Le professeur Jean-Michel Ménard dirige le laboratoire térahertz ultrarapide, où son équipe met au point la prochaine génération de dispositifs photoniques térahertz. « C’est ma passion et ma curiosité qui me motivent, dit-il. La photonique térahertz me fascine, parce qu’elle peut être mise à profit dans presque tous les domaines. Et comme il s’agit d’un domaine relativement nouveau, il y a encore un grand potentiel d’innovation. Nous pouvons donc concevoir des technologies, des systèmes et des dispositifs qui nous permettront d’aborder de grandes questions scientifiques sous de nouveaux angles. »
Cet esprit d’innovation a amené l’équipe à mettre au point des filtres térahertz avancés à l’aide de métamatériaux, c’est-à-dire des structures artificielles qu’on ne retrouve pas dans la nature. Les matériaux naturels sont faits d’atomes et de molécules ordonnés d’une certaine façon, mais ne présentent pas toujours les propriétés requises pour des usages spécialisés. Les métamatériaux viennent combler cette lacune.
En 2018, le professeur Ménard s’est associé à Iridian Spectral Technologies ainsi qu’au professeur Robert Boyd et à la professeure Ksenia Dolgaleva. Iridian, un chef de file mondial dans les technologies de filtres optiques, a grandement contribué à la conception et à la fabrication des métamatériaux requis pour rendre ces filtres possibles. Grâce à la subvention de partenariat stratégique du CRSNG, l’équipe est parvenue à créer des métamatériaux spécialisés aux propriétés de filtration térahertz sans précédent.
Contrairement aux filtres optiques classiques, qui comportent plusieurs couches de matériaux diélectriques, le dispositif mis au point par l’équipe fait appel à plusieurs structures métalliques minces pour isoler certaines fréquences térahertz. Même si le filtre semble opaque à l’œil nu, il transmet 60 % de la lumière térahertz dans une bande de fréquence cible tout en bloquant toutes les autres lumières. Cette percée est le résultat de techniques de production évolutives qui permettent de mettre rapidement à l’essai de nouvelles idées.
L’une des difficultés auxquelles l’équipe ne s’attendait pas concernait l’assemblage des couches métalliques sans l’utilisation de polymères ou d’adhésifs classiques, connus pour absorber les fréquences térahertz. Ali Maleki, doctorant et récipiendaire de la bourse d’études supérieures de l’Ontario, a alors proposé une solution hors du commun : du ruban adhésif double face. « Au départ, j’étais sceptique, se rappelle le professeur Ménard. Mais Ali a insisté. Nous avons essayé plusieurs rubans adhésifs de différentes entreprises, et l’efficacité de certains s’est avérée surprenante. Je n’aurais jamais pu imaginer que le ruban adhésif m’aiderait à fabriquer des dispositifs de haute précision. »
L’équipe a ensuite procédé à la catégorisation systématique des rubans en fonction de leur épaisseur et de leurs propriétés adhésives afin de déterminer ceux qui étaient les plus prometteurs. Par cette évaluation rigoureuse, elle a pu choisir les rubans adhésifs qui respectaient ses normes de rendement élevées – une composante inattendue, mais essentielle, du processus de production de dispositifs. L’équipe a d’ailleurs abordé l’importance de cette solution dans un article publié dans la revue Photonics Research, qui expliquait le rôle central qu’a joué le ruban adhésif dans son approche expérimentale.
Leurs filtres térahertz donnent déjà lieu à de nouvelles orientations de recherche. Ali Maleki utilise actuellement ces filtres pour isoler les fréquences térahertz générées par excitation optique de haute énergie, ce qui permet au laboratoire de réaliser des expériences à l’aide de systèmes de bureau compacts au lieu de grandes installations de plusieurs milliards de dollars. Les dispositifs de filtration térahertz offrent également de grandes possibilités dans les secteurs des communications sans fil, de l’imagerie de sécurité, de l’analyse des matériaux, des produits pharmaceutiques et des diagnostics médicaux. Bien qu’elle n’en soit qu’aux premières étapes de ses travaux, l’équipe est prête à transformer la science térahertz fondamentale et ses applications concrètes au moyen de ces innovations.
Pour en savoir plus
- Ultrafast THz — Laboratoire Ménard, uOttawa (en anglais seulement)
- Metamaterial-based octave-wide terahertz bandpass filters (article; en anglais seulement)