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Univ. Paris-Saclay
19 décembre 2007
Vers un microscope en champ proche optique ultra sensible
H. Gilles, S. Girard, M. Laroche, A. Belarouci CIMAP, Caen logo_tutelle logo_tutelle 

La microscopie optique de type SNOM ("Scanning Near-field Optical Microscopy" ou "Microscopie optique en champ proche") permet d'atteindre des résolutions spatiales bien inférieures à la longueur d'onde de la lumière utilisée. En effet grâce à l'éclairement "en champ proche" (quand la distance entre l'objet et la source est très inférieure à la longueur d’onde) il devient possible de s'affranchir de la diffraction inhérente à tout système optique. La mesure du champ évanescent à l'arrière d'une interface en réflexion totale permet ainsi d'obtenir une image SNOM avec une résolution bien inférieure au micromètre.

 
Vers un microscope en champ proche optique ultra sensible

Dispositif expérimental : L'onde évanescente à la fréquence (ν012 prélevée par la pointe est réinjectée dans le laser (fréquence ν0). La modulation de l'amplitude du laser résultante est aisément mesurée par détection synchrone. Après cet amplification, on obtient ainsi une mesure de la phase et l'amplitude de l'onde évanescente.

Une nouvelle méthode de mesure de ce type, très sensible, vient d'être proposée et brevetée par l’équipe Lasers, Instrumentation Optique et Applications du CIMAP (ex CIRIL) de Caen. Son principe est basé sur la "rétro-injection optique hétérodyne dans un laser de classe B". Dans ce type de laser, la ré-injection de l’onde légèrement décalée en fréquence (ν0+Δν), par rapport à la fréquence d'émission initiale du laser ν0, perturbe de façon dynamique le fonctionnement du laser. Ceci entraîne une modulation de l'amplitude de l’onde émise par le laser à une fréquence Δν. A la résonance avec la fréquence propre d’oscillation de relaxation du laser Δνr (Δν = Δνr), la modulation d'amplitude du laser est fortement amplifiée et aisément observable par détection synchrone (gain de détection : 106 !). On dispose ainsi d'une chaîne de détection d'un signal à la fréquence Δνr extrêmement sensible.

 
Vers un microscope en champ proche optique ultra sensible

Amplitude et phase de l'onde évanescente mesurée à l'aide du dispositif, au cours du recul de la pointe de la surface du prisme.

Deux modulateurs acousto-optiques (fréquence ν1 et ν2) permettent, par mélange de fréquence avec le laser excitateur de générer le faisceau à la fréquence désirée (ν012 = ν0+Δνr). Cette onde est envoyée vers la face arrière d'un prisme en position de réflexion totale.

Le principe de la mesure consiste ensuite à prélever une partie du champ évanescent formé à la surface de l’échantillon étudié à l'aide d'une micro pointe optique (fibre optique étirée et effilée par attaque chimique). Le très faible signal obtenu est injecté dans le laser où il est amplifié, puis détecté. L’analyse du signal permet d’obtenir à la fois l’amplitude et de la phase du champ évanescent prélevé. Par un balayage de la pointe, une image SNOM en amplitude et en phase est finalement obtenue.

Une première expérience a été réalisée avec un laser solide Verre Yb : Er émettant à 1.53 µm. La figure ci-contre montre la mesure de l’évolution simultanée de l’amplitude et de la phase du champ évanescent prélevé par la micro-pointe lorsque celle-ci s’éloigne de la surface.

 
Vers un microscope en champ proche optique ultra sensible

Prélèvement de l'onde évanescente par une pointe en microscopie SNOM.

Plusieurs applications de la microscopie SNOM sont visées par cette technique originale et performante. On peut citer par exemple la caractérisation de composants optoélectroniques intégrés et de composants télécom, ou l’étude des fonctionnalités de composants micro et nano-structurés… Enfin, la très grande sensibilité de la méthode, associée à la mesure simultanée de l'amplitude et de la phase du signal, est un pas supplémentaire vers une "nouvelle holographie à l'échelle du SNOM".

"Near field amplitude and phase measurements using heterodyne optical feedback on solid-state lasers",
H. Gilles, S. Girard, M. Laroche, A. Belarouci , Optics Letters 33(1) (2008) 1.

"Dispositif de détection hétérodyne pour l’imagerie d’un objet par rétro-injection"
S. Girard, H. Gilles, M. Laroche, Brevet n°101377-FR

 

Maj : 19/12/2007 (965)

 

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