Sub-wavelength microscopy techniques in the TeraHertz frequency range

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