Les ondes térahertz occupent une niche entre les micro-ondes et la lumière infrarouge. Elles traversent les vêtements et le plastique, mais n'ionisent pas les tissus, d'où leur essai pour l'inspection de sécurité et le diagnostic médical. La spectroscopie térahertz classique dans le domaine temporel mesure la forme d'une impulsion brève réfléchie par un objet. Cependant, tout déplacement de l'objet décale l'impulsion dans le temps, et celle-ci sort de la fenêtre d'observation. Les méthodes rapides existantes, comme l'échantillonnage optique asynchrone, balayent toute la plage temporelle, ce qui est lent et ne permet pas de suivre une cible. Les travaux des chercheurs japonais comblent cette lacune en proposant un système qui maintient la fenêtre sur l'impulsion en mouvement.
La base du dispositif est constituée de deux lasers térahertz à peigne de fréquences programmable. Les fréquences de leurs impulsions sont rigidement synchronisées, mais un laser peut être déphasé pour décaler la fenêtre temporelle. Au lieu de balayer toute la plage, le système fait osciller rapidement le délai dans une fenêtre étroite de 61 picosecondes, obtenant jusqu'à 154 mesures complètes par seconde. La position du pic de l'impulsion térahertz dans la fenêtre est mesurée en temps réel. Si le pic se déplace en raison du mouvement de l'échantillon, une rétroaction corrige la phase du second laser, ramenant le pic au centre de la fenêtre. Cette approche a permis de suivre un miroir se déplaçant à une vitesse de 4 centimètres par seconde sur une distance de 12 centimètres.
Le système a maintenu le pic térahertz dans une fenêtre de 61 picosecondes alors que la cible se déplaçait de 12 centimètres, soit 26 fois la largeur de la fenêtre. La précision de la détermination de la position du pic était de 10 femtosecondes par mesure, et après moyennage sur 0,44 seconde, elle s'est améliorée à 1,5 femtoseconde, ce qui correspond à un déplacement de 225 nanomètres. La vitesse de suivi maximale est estimée à 10,8 centimètres par seconde. Dans une expérience modèle avec un miroir doré sur un vibromoteur, ils ont réussi à reconstituer des oscillations d'amplitudes de 2,1 millimètres (simulation de la respiration) et de 0,21 millimètre (simulation des battements cardiaques) sur fond de déplacement linéaire allant jusqu'à 10 centimètres. Les fréquences de 0,25 et 1,2 hertz ont été déterminées à partir du spectre du signal reconstitué.
Ces travaux se distinguent des recherches voisines : celles-ci développent la spectroscopie térahertz pour des objets statiques ou des processus lents, alors qu'ici, pour la première fois, un suivi actif d'une cible en mouvement avec rétroaction est réalisé. Ce n'est pas simplement une accélération des mesures, mais un changement de paradigme : la fenêtre d'observation devient mobile. Cette approche pourrait être transposée à d'autres méthodes de spectroscopie par temps de vol, où le mouvement de l'échantillon était considéré comme une nuisance irrémédiable.
La prochaine étape consiste à augmenter la vitesse de suivi en optimisant les paramètres de rétroaction et en réduisant le délai dans la boucle. L'extension à un balayage bidimensionnel est également prometteuse pour suivre un objet se déplaçant dans un plan. À plus long terme, le système pourrait être combiné à des algorithmes d'apprentissage automatique pour extraire automatiquement la respiration et les battements cardiaques d'un mouvement corporel complexe.
La méthode pourrait être utile pour la surveillance sans contact des signes vitaux, par exemple pour observer des patients en unité de soins intensifs. Dans l'industrie, elle servirait à contrôler l'épaisseur de revêtements ou la qualité de pièces sur une chaîne de montage, où la distance au capteur varie.
Les chercheurs prévoient d'augmenter la vitesse de suivi en réduisant le délai dans la boucle de rétroaction. Ils ont également l'intention de tester le système sur de vrais tissus biologiques, et non seulement sur un miroir doré.
En spectroscopie térahertz, la mesure d'objets en mouvement, qu'il s'agisse d'une personne lors d'un contrôle de sécurité ou d'une pièce sur une chaîne de montage, est un problème de longue date. Ces travaux le résolvent directement en introduisant une rétroaction sur la position du pic. Cela les relie à la problématique plus large de la compensation du mouvement dans le contrôle non destructif et le diagnostic médical.
La précision de 225 nanomètres est comparable à la taille du virus de la grippe. Le système peut détecter un déplacement du miroir inférieur à la longueur d'onde de la lumière visible.