Brevet FR3049358A1 — publié le 20170929

PROCEDE POUR SONDER OU MODIFIER LOCALEMENT UNE ZONE DE FOCALISATION AVEC UNE LENTILLE A IMMERSION SOLIDE. DOMAINE DE L'INVENTION La présente invention concerne le domaine des dispositifs optiques du type comprenant une lentille à immersion solide, également appelée « SIL » pour « Solid Immersion Lens » en anglais, acronyme conservé ci-après par concision, et permettant l'écriture ou la lecture d'informations optiques, ou l'observation d'un échantillon, sur une zone de focalisation. Une SIL est un élément optique couramment utilisé pour augmenter l'ouverture numérique d'un objectif, par exemple de microscope, de capteur ou détecteur optique, de système optique de lecture et/ou écriture de données sur un support (médium) d'enregistrement. Elle est généralement constituée d'un matériau amorphe transparent homogène, possédant un indice de réfraction N et présentant une forme d'hémisphère et dont le foyer de focalisation se trouve dans le plan de l'hémisphère. On trouve aussi parfois des SIL en forme de sphère tronquée mais par souci de simplicité, on ne présentera ici qu'une SIL de forme hémisphérique. La combinaison d'une SIL et d'un objectif permet de focaliser une onde électromagnétique, en général du proche infra rouge à l'UV, sur une zone de très petites dimensions. La lumière est utilisée pour sonder ou modifier localement une zone de focalisation. Lorsque le plan de l'hémisphère d'une SIL est placé au point focal d'un objectif sur une surface à observer, l'ouverture numérique de l'objectif est augmentée d'un facteur N ou N*N, en fonction de la géométrie de la SIL, avec N l'indice de réfraction de la SIL. Actuellement, des SIL sont disponibles commercialement et certaines d'entre elles présentent un indice de réfraction pouvant aller jusqu'à N=3. La présente invention vise à proposer une solution permettant d'atteindre un indice de réfraction très largement supérieur. RESUME DE L'INVENTION 3049358 2 Plus précisément, l'invention concerne selon un premier de ses objets un procédé pour sonder ou modifier localement une zone de focalisation à l'aide d'un faisceau incident (F1) monochromatique, la zone de focalisation comprenant des informations optiques ou un 5 échantillon (400), le procédé comprenant des étapes consistant à : convertir (1030) le champ électromagnétique dudit faisceau incident (F1) en un champ polaritonique dans une lentille à immersion solide (200), et focaliser (1040) ledit faisceau incident (F1) sur un point de focalisation situé dans ladite zone de focalisation et sur ladite lentille à immersion (200), grâce à un objectif optique 10 (100) comprenant un ensemble d'au moins une lentille optique (110). Il est essentiellement caractérisé en ce qu'il comprend en outre des étapes consistant à : - refroidir (1050) ladite lentille à immersion solide et la maintenir à une température de consigne prédéterminée ; et 15 - sélectionner (1000) préalablement ladite lentille à immersion solide (200) parmi un ensemble de lentilles à immersion solide construites à base d'un matériau semi-conducteur qui présente un dédoublement de Rabi au moins cinq fois plus grand que la valeur de l'élargissement inhomogène autour de la fréquence de résonance de l'exciton dudit matériau. 20 Grâce à l'invention, on peut alors obtenir des indices de réfraction dont la valeur est supérieure à N=3. On peut prévoir en outre une étape (1010) consistant à choisir au moins l'une parmi : - ladite température de consigne et 25 - la fréquence dudit faisceau incident (F1), de sorte que la différence entre l'énergie de l'exciton et l'énergie du polariton est supérieure à la somme de l'élargissement homogène et de l'élargissement inhomogène de l'exciton à la fréquence de résonance dudit exciton lorsque ladite lentille à immersion solide est soumise audit faisceau incident (F1) à ladite température de consigne. 30 Grâce à cette caractéristique, on limite les risques de perturbations de la réponse optique dues aux vibrations (phonons) du réseau de la lentille à immersion solide et le faisceau incident F1 peut alors se propager dans la lentille à immersion solide. De préférence, on prévoit d'établir une valeur de température de consigne inférieure à 100K. Par exemple, on prévoit que le procédé comprend en outre une étape consistant à : 3049358 3 - plonger (1020) ladite lentille à immersion solide dans un fluide cryogénique, par exemple un bain d'azote liquide ou d'hélium liquide ; ou, sous vide, dans un cryostat en contact avec un fluide cryogénique, par exemple de l'azote liquide ou de l'hélium liquide. 5 Le refroidissement à très basse température ( T1. 20 La largeur à mi-hauteur de la réponse optique de deux polaritons A et D est indépendante de la température, elle reflète les propriétés spectrales du faisceau incident F1. La fréquence ha) est la fréquence centrale de l'exciton EX. La dispersion autour de la fréquence centrale de la transition excitonique présente une aile basse énergie et une aile 25 haute énergie. La largeur spectrale à mi hauteur de cette dispersion est dénommée largeur ou élargissement, et symbolisée par « 7 ». Elle comprend deux composantes : une composante homogène 'Y hom o et une composante inhomogène yinh qui s'additionnent. 30 L'élargissement inhomogène yinh est une constante qui résulte du désordre cristallin, il dépend des qualités cristallines du matériau de la SIL et est indépendant de la température. A la température T1, l'exciton EX présente une première réponse optique Abs Ex T1 et 35 un élargissement inhomogène autour de l'exciton - inh _T1 3049358 12 A la température T2, l'exciton EX présente une deuxième réponse optique Abs Ex T2 et un élargissement inhomogène autour de l'exciton 'Y - inh _T 2 L'élargissement homogène 'Y - hom o dépend de la température, ce pourquoi l'élargissement 5 homogène à la température T1 est dénommé 'Y --homo T1 et l'élargissement homogène à la température T2 est dénommé 'Y --homo T2 ' Avec T2 > T1, on a 'Y - homo T2 > 7 homo T1' La fréquence wLP A est la fréquence centrale de résonance du polariton A de la figure 3 ; et la fréquence wLP_D est la fréquence centrale de résonance du polariton D de la figure 3, 10 telles que wLP_D > wLP A. Le polariton A présente un demi-dédoublement de Rabi M2R A et le polariton D présente un demi-dédoublement de Rabi hS2R D - 15 À la température T1, par exemple à 4K, l'élargissement autour de l'exciton 'Y - homo _ T1 + 7 mh est relativement faible. L'aile basse énergie de l'exciton ne recouvre pas l'aile haute énergie du polariton A, ni l'aile haute énergie du polariton D. Les 2 polaritons A et D sont donc observables. 20 À la température T2, par exemple à 300K, l'élargissement autour de l'exciton 'Y --homo_T2 + 7 mh est plus important que celui de la température T1. L'aile basse énergie de l'exciton recouvre l'aile haute énergie du polariton D, mais ne recouvre pas l'aile haute énergie du polariton A. Ainsi le polariton A reste observable, mais le polariton D n'est plus observable. 25 Ainsi, baisser la température de consigne permet de limiter voire supprimer l'élargissement homogène de l'exciton et d'augmenter l'indice effectif des polaritons. De tels résultats sont présentés figure 5A et figure 5B. 30 La figure 5A et la figure 5B illustrent la réponse optique d'une même SIL à deux températures différentes, en l'espèce 70K et 300K respectivement dans un système unidimensionnel, en l'espèce un fil de ZnO, en fonction de la position le long dudit système unidimensionnel (position L). Pour plus de lisibilité, la figures 5A et la figure 5B sont 35 représentées en inversion de contraste respectivement à la figure 5A' et à la figure 5B' à la 3049358 13 même échelle. S'agissant dans ce cas de système unidimensionnel, il existe alors un ensemble de modes polaritoniques discrets. À température ambiante, voir la figure 5B ou la figure 5B', seuls deux modes 5 polaritoniques sont observables, en l'espèce dénommés 51 et S2, et qui correspondent par exemple respectivement aux polaritons A et B de la figure 3. À basse température, en l'espèce à 70K sous azote liquide, voir la figure 5A ou la figure 5A', trois autres modes polaritoniques, en l'espèce dénommés S3, S4 et S5 et qui 10 correspondent par exemple respectivement aux polaritons C, D et E de la figure 3, sont observables en plus des deux modes 51 et S2 ; le mode S5 étant très proche de la transition excitonique. Le refroidissement de la SIL augmente donc le nombre de modes ou de polaritons qui 15 transmettent le faisceau incident F1. Les modes S4 et S5 sont très fins spectralement, c'est-à-dire que la lumière se propage très bien, avec un minimum de pertes, malgré une fréquence proche de la transition excitonique. 20 À partir de la courbure de la dispersion d'un mode polaritonique (figure 2) ou d'un polariton (figure 3), il est connu de calculer l'indice optique correspondant, qui correspond typiquement à la dérivée première de la courbe de dispersion comme illustré sur la figure 6. 25 Une température la plus froide possible, typiquement à 4K pour l'hélium liquide permet donc d'obtenir des modes ou des polaritons d'indice effectif très élevé, en l'espèce un indice N=30 sur la figure 6. Comme montré sur la figure 5A ou la figure 6, plus l'indice de réfraction de la SIL est 30 élevé, plus la courbe de dispersion est plate et proche de transition excitonique (typiquement le mode S5 sur la figure 5A). A l'inverse, moins l'indice de réfraction est élevé et plus la courbe de réponse optique présente un effet de marche d'escalier (typiquement le mode S2 sur la figure 5A). 35 On peut donc prévoir une étape de calibration, ou d'initialisation, consistant à, après avoir créé des polaritons au sein d'une SIL donnée par exemple par photo luminescence ou par éclairage laser, mesurer la réponse optique de ladite SIL pour un ensemble de valeurs de température et/ou un ensemble de valeurs d'énergie de polaritons (ce qui correspond à un 3049358 14 ensemble de longueurs d'onde du faisceau incident F1). Par concision, on entend ici par « excitation par un faisceau incident F1 », indistinctement une excitation par un faisceau lumineux monochromatique, par exemple un éclairage laser, ou une lampe blanche filtrée. 5 On peut alors identifier les couples de valeurs température/énergie pour lesquels la SIL transmet ledit faisceau incident F1 avec lequel elle est éclairée. On obtient ainsi une cartographie température/énergie de la réponse optique de ladite On peut alors calculer l'indice optique correspondant pour un ensemble d'au moins un couple de valeurs température/énergie donné. De préférence, on enregistre l'ensemble des résultats pour une pluralité de matériaux de 15 SIL dans une base de données. Ainsi, pour un matériau donné, on peut choisir par exemple un indice de réfraction désiré et en déduire l'énergie (la longueur d'onde) du faisceau incident F1 avec laquelle éclairer ladite SIL pour obtenir ledit indice de réfraction à une température donnée. 20 Alternativement, on peut choisir une énergie donnée du faisceau incident F1 avec laquelle éclairer, c'est-à-dire exciter, ladite SIL est en déduire un ensemble de couples de valeurs indice de réfraction / température pour lesquels ladite SIL transmet ledit faisceau incident F1. En excitant le matériau de la SIL à cette énergie prédéterminée, on trouve donc une gamme 25 d'énergie pour les polaritons, correspondant à une gamme d'indice de réfraction pour une température donnée. On peut alors choisir parmi cette gamme d'énergie, l'énergie du mode de polaritons qui correspond à l'indice de réfraction le plus élevé sans être affecté par les pertes. On obtient ainsi dans la base de données un ensemble de quadruplets dans lequel 30 chaque paramètre : matériau, température, indice de réfraction, et énergie comprend un ensemble d'au moins une valeur. En choisissant la valeur d'un des paramètres du quadruplet, on peut en déduire un ensemble d'au moins une valeur pour les trois autres paramètres dudit quadruplet. 35 SIL. 10 Par exemple, en référence à la figure 5A et à la figure 5B, i.e. dans un système unidimensionnel en ZnO, avec une énergie d'environ 3360 meV, on n'obtient le mode S3, S4 ou 3049358 15 S5 qu'à condition de baisser la température à 70K ou moins (figure 5A), ledit mode S3, S4 ou S5 étant éteint à température ambiante (figure 5B). Pour augmenter la valeur de l'indice de réfraction, on configure le système de sorte à 5 limiter au maximum les transitions électroniques non intentionnelles au voisinage de l'exciton (typiquement les phonons) qui, par diffusion inélastique des polaritons sur des phonons, annihilent leur propagation cohérente, ce qui est donc une source de perte directe pour la création d'une image. 10 Avantageusement, on établit une température de consigne inférieure à la température ambiante. De préférence, la température de consigne est aussi basse que possible ; et en l'espèce elle est égale à 4K, c'est-à-dire égale à la température de l'hélium liquide. Grâce au grand gap du matériau de la SIL, qui implique un grand dédoublement de Rabi 15 on peut avoir des modes d'indices très élevés tout en étant loin de la transition excitonique. Les matériaux semi-conducteurs grands gap (présentant un gap supérieur à 3 eV) présentent un grand élément de matrice dipolaire optique, donc un grand dédoublement de Rabi (supérieur à 100 milli électronvolts). 20 Pour ces raisons, on peut choisir un matériau tel que le ZnO, qui présente un dédoublement de Rabi de 320 meV. Plus généralement, on peut avantageusement choisir comme matériau pour la SIL, un 25 matériau semi-conducteur qui présente un dédoublement de Rabi au moins cinq fois plus grand que la valeur de l'élargissement inhomogène autour de l'exciton à la température de consigne. Plus préférentiellement encore, on choisira un ratio 1/10 entre le dédoublement de Rabi et la valeur de l'élargissement inhomogène autour de l'exciton. 30 De fait, pour fabriquer des SIL, on préfèrera éviter d'utiliser des matériaux à faible gap tels que les matériaux à arséniure, par exemple GaAs, dans lesquels la fenêtre spectrale permettant d'obtenir de grands indices de réfraction est de faible étendue et sujette à des effets de désordre, ce dont il résulte que la lumière ne peut quasiment pas être propagée dans ladite fenêtre spectrale. 35 Grâce à l'invention, on peut propager des états de polaritons à des fréquences très proches de la valeur de la fréquence excitonique (fonction de l'élargissement inhomogène). 3049358 16 Dans un mode de réalisation, le champ d'observation (taille d'image) peut présenter une surface de 15 lm * 15 lm. Nomenclature 100 Objectif optique 110 Lentille de l'objectif optique 200 Lentille à immersion solide (SIL) 300 Support 400 Echantillon F1 faisceau lumineux incident 1000 Sélection SIL 1010 Choix température de consigne 1020 plonger la SIL dans un bain d'azote ou d'hélium liquide 1030 Excitation SIL 1040 Focalisation faisceau F1 1050 Refroidissement SIL 1060 Déterminer la réponse optique de la SIL 1070 calculer l'indice de réfraction de la SIL 1080 Enregistrer dans une base de données un ensemble d'au moins une correspondance (N, T, E) 1090 Sélection d'au moins une des valeurs (N, T, E) 1100 Déduction de l'une au moins des autres valeurs (N, T, E) 5 REVENDICATIONS1. Procédé pour sonder ou modifier localement une zone de focalisation à l'aide d'un faisceau incident (F1) monochromatique, la zone de focalisation comprenant des informations optiques ou un échantillon (400), le procédé comprenant des étapes consistant à : convertir (1030) le champ électromagnétique dudit faisceau incident (F1) en un champ polaritonique dans une lentille à immersion solide (200), et focaliser (1040) ledit faisceau incident (F1) sur un point de focalisation situé dans ladite zone de focalisation et sur ladite lentille à immersion (200), grâce à un objectif optique (100) comprenant un ensemble d'au moins une lentille optique (110), Caractérisé en ce que le procédé comprend en outre des étapes consistant à : - refroidir (1050) ladite lentille à immersion solide et la maintenir à une température de consigne prédéterminée ; et - sélectionner (1000) préalablement ladite lentille à immersion solide (200) parmi un ensemble de lentilles à immersion solide construites à base d'un matériau semi-conducteur qui présente un dédoublement de Rabi au moins cinq fois plus grand que la valeur de l'élargissement inhomogène autour de la fréquence de résonance de l'exciton dudit matériau. 2. Procédé selon la revendication 1, comprenant en outre une étape consistant à : - choisir (1010) ladite température de consigne de sorte que l'élargissement inhomogène de l'exciton à la fréquence de résonance dudit exciton, lorsque ladite lentille à immersion solide est excitée par ledit faisceau incident (F1), est supérieure à l'élargissement homogène de l'exciton à la fréquence de résonance dudit exciton, lorsque ladite lentille à immersion solide est excitée par ledit faisceau incident (F1). 3. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'étape (1010) consistant à choisir ladite température de consigne comprend une étape consistant à établir une valeur de température de consigne inférieure à 100K ; le procédé comprenant en outre une étape consistant à : - plonger (1020) ladite lentille à immersion solide dans un bain d'azote liquide ou d'hélium liquide. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre des étapes préalables consistant à : - déterminer (1060) la réponse optique de ladite lentille à immersion solide pour un ensemble de valeurs de température et/ou un ensemble de valeurs d'énergie des polaritons créés, - calculer (1070) l'indice de réfraction de la lentille à immersion solide correspondant à au moins l'une des réponses optiques déterminées, et 3049358 18 - enregistrer (1080) dans une base de données un ensemble d'au moins une correspondance entre la valeur de l'indice de réfraction calculé, et l'une au moins des valeurs parmi la température et l'énergie des polaritons créés. 5 5. Procédé selon la revendication 4, comprenant en outre des étapes consistant à : - sélectionner (1090) dans la base de données la valeur de l'une des correspondances parmi : l'indice de réfraction calculé, la température et l'énergie des polaritons créés, et - en déduire (1100) la valeur de l'une au moins des autres valeurs de la correspondance. 10 6. Système optique pour sonder ou modifier localement une zone de focalisation à l'aide d'un faisceau incident (F1) monochromatique, la zone de focalisation comprenant des informations optiques ou un échantillon (400), le système étend susceptible de mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, et comprenant : 15 une lentille à immersion solide (200), et un objectif optique (100) comprenant ensemble d'au moins une lentille optique (110), et configuré pour focaliser un faisceau incident (F1) sur un point de focalisation situé sur la lentille à immersion solide, Caractérisé en ce qu'il comprend en outre : 20 un cryostat pour refroidir ladite lentille à immersion solide et la maintenir à une température de consigne prédéterminée, et caractérisé en ce que la lentille à immersion solide est construite à base d'un matériau qui présente un dédoublement de Rabi au moins cinq fois plus grand que la valeur de l'élargissement 25 inhomogène autour de la fréquence de résonance de l'exciton dudit matériau lorsqu'il est soumis audit faisceau incident (F1). 7. Système selon la revendication 6, comprenant un dispositif électronique programmable couplé audit cryostat et configuré pour établir et maintenir ladite température de 30 consigne entre 4K et 100K. 8. Système selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, dans lequel ladite lentille à immersion solide est constituée à base d'un matériau semi-conducteur présentant une large bande interdite. 35 3049358 19 9. Système selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel ladite lentille à immersion solide est constituée à partir d'un matériau semi-conducteur choisi parmi l'ensemble comprenant ZnO, GaN, AIN et leurs alliages. 5 10. Système selon l'une quelconque des revendications 6 à 9, comprenant en outre une source lumineuse monochromatique, optionnellement en fréquence variable, configurée pour émettre ledit faisceau incident (F1). 10