Brevet FR3046683A1 — publié le 20170714

DISPOSITIF D'IMAGERIE DU CHAMPS ELECTROMAGNETIQUE D'UN ECHANTILLON La présente invention est relative aux dispositifs 5 d'imagerie du champ électromagnétique présent à proximité de la surface d'un échantillon. Plus particulièrement, l'invention se rapporte à un dispositif de détection optique pour caractériser en amplitude et en phase le champ électromagnétique d'une zone 10 d'un échantillon, le dispositif comprenant une source lumineuse adaptée pour émettre un faisceau lumineux dont le champ électromagnétique a une pulsation W, un moyen adapté pour diviser le faisceau en un premier faisceau définissant une première voie, dite voie référence et un deuxième 15 faisceau définissant une deuxième voie dite voie échantillon, un système de modulation qui décale en fréquence les champs électromagnétiques des deux faisceaux d'une fréquence â, un coupleur de faisceaux adapté pour collecter les faisceaux issus des deux voies, un système de 20 détection optique adapté pour détecter le signal issu de l'interférence entre les faisceaux issus des deux voies et couplés via ledit coupleur de faisceaux. Le document « Numerical heterodyne holography with two-dimensional photodetector arrays » F. Le Clerc & co., 25 Optics letters, décrit un exemple d'un tel dispositif de détection optique utilisant la détection hétérodyne pour caractériser en amplitude et en phase le champ électromagnétique qui traverse un échantillon, par une technique d'holographie numérique hétérodyne. 30 Cependant un tel dispositif nécessite l'utilisation d'un détecteur matriciel ce qui limite la gamme de longueurs d'onde dans laquelle les mesures peuvent être réalisées. La résolution spatiale d'un tel dispositif est 3046683 2 de plus limitée par la longueur d'onde utilisée. La présente invention a notamment pour but de pallier ces inconvénients. A cet effet, selon l'invention, un dispositif du 5 genre en question est caractérisé en ce que l'échantillon est placé dans la voie échantillon, le système de détection optique comprend un détecteur optique et un dispositif adapté pour mesurer l'amplitude et la phase du signal, un écran opaque comprenant une ouverture optique est placé au 10 niveau de la zone dans la voie échantillon, à proximité de l'échantillon. Grâce à ces dispositions, la caractérisation du champ en amplitude et en phase pourra être obtenue avec une résolution spatiale qui ne dépendra que de la taille de 15 l'ouverture optique et qui sera indépendante de la longueur d'onde. Une très bonne résolution spatiale pourra notamment être obtenue. De plus un tel dispositif pourra être utilisé sur une gamme spectrale étendue. L'amplitude du signal 20 pourra être amplifiée par un tel dispositif ce qui sera particulièrement intéressant dans le cas d'un signal d'intérêt de faible amplitude. Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre 25 à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes : - la source lumineuse est l'échantillon lui-même, et l'échantillon est également le moyen adapté pour séparer le faisceau ; - la source lumineuse, le moyen adapté pour séparer 30 le faisceau et l'échantillon sont trois éléments distincts, ladite deuxième voie échantillon comprenant l'échantillon ; - le moyen adapté pour séparer le faisceau est un séparateur de faisceau ; 3046683 3 - le dispositif adapté pour mesurer l'amplitude et la phase du signal est un dispositif à détection synchrone ; - le système de modulation comprend un premier 5 moyen de modulation, l'une ou l'autre de ladite première voie référence ou de ladite deuxième voie échantillon comprend ledit premier moyen de modulation, ledit premier moyen de modulation étant adapté pour moduler en fréquence le champ dudit premier faisceau ou deuxième faisceau 10 respectivement, le premier moyen de modulation étant adapté pour implémenter le décalage en fréquence â entre les fréquences respectives des champs correspondant aux faisceaux de chacune des deux voies ; - le système de modulation comprend un premier 15 moyen de modulation, ladite première voie référence comprend ledit premier moyen de modulation, ledit premier moyen de modulation étant adapté pour moduler en fréquence le champ du premier faisceau, et également un deuxième moyen de modulation, ladite deuxième voie échantillon 20 comprenant ledit deuxième moyen de modulation, ledit deuxième moyen de modulation étant adapté pour moduler en fréquence le champ du deuxième faisceau, les premier et deuxième moyens de modulation étant adaptés pour implémenter le décalage en fréquence â entre les fréquences 25 respectives des champs correspondants aux faisceaux de chacune des deux voies ; - ledit deuxième moyen de modulation précède l'échantillon dans l'ordre de progression du faisceau de la voie échantillon ; 30 - l'échantillon et l'ouverture optique de l'écran opaque sont adaptés pour être déplacés l'un par rapport à l'autre ; - l'échantillon est monté sur un système de 3046683 4 déplacement adapté pour déplacer l'échantillon par rapport à l'ouverture optique fixe ; - le système de déplacement est un système piézoélectrique ; - l'ouverture optique est une zone vide de l'écran opaque ; - l'ouverture optique est une zone de l'écran opaque transparente à la fréquence 0)/271cE; - le dispositif est géométriquement agencé pour que le deuxième faisceau traverse l'échantillon et l'écran opaque dans un ordre quelconque, dans son parcours vers le système de collection, le dispositif étant géométriquement agencé pour que le premier et le deuxième faisceau puissent être collectés au niveau du coupleur de faisceaux ; - le dispositif est géométriquement agencé pour que le deuxième faisceau se réfléchisse à la surface de l'échantillon et traverse l'écran opaque dans un ordre quelconque avant de se diriger vers le système de collection, le dispositif étant géométriquement agencé pour que le premier et le deuxième faisceau puissent être collectés au niveau du coupleur de faisceaux ; - le détecteur optique est un détecteur monocanal ; - l'ouverture optique est installée à l'extrémité de la pointe du cantilever d'un microscope à force 25 atomique. L'invention porte aussi sur un procédé de détection optique pour caractériser en amplitude et en phase le champ électromagnétique d'une zone d'un échantillon, ledit procédé comprenant les étapes suivantes d'émettre un 30 faisceau lumineux dont le champ électromagnétique a une pulsation co, de diviser le faisceau en un premier faisceau définissant une première voie, dite voie référence et un deuxième faisceau définissant une deuxième voie dite voie 3046683 5 échantillon, de placer sur la voie échantillon un échantillon et un écran opaque comprenant une ouverture optique placé au niveau de la zone à proximité de l'échantillon, de décaler en fréquence les champs 5 électromagnétiques des deux faisceaux d'une fréquence â, de collecter les faisceaux issus des deux voies, de détecter le signal issu de l'interférence entre les faisceaux issus des deux voies et couplés via ledit coupleur de faisceaux, de déduire l'amplitude et la phase du champ 10 électromagnétique d'une zone de l'échantillon. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description suivante d'une de ses formes de réalisation, donnée à titre d'exemple non limitatif, en regard des dessins joints. 15 Sur les dessins : - la figure la illustre le principe de l'invention, - la figure lb illustre le cas où le dispositif est intégré dans une pointe AFM, 20 - la figure 2 illustre le premier mode de réalisation de l'invention, - la figure 3 illustre le deuxième mode de réalisation de l'invention, - la figure 4 illustre le troisième mode de 25 réalisation de l'invention, - la figure 5 illustre le quatrième mode de réalisation de l'invention, - la figure 6 illustre le cinquième mode de réalisation de l'invention, 30 - la figure 7 illustre une réalisation pratique de l'invention. Sur les différentes figures, les mêmes références désignent des éléments identiques ou similaires. 3046683 6 Dans le dispositif 10 de l'invention, un faisceau lumineux incident est séparé en deux faisceaux lumineux parcourant deux voies différentes 70, 80, les deux signaux étant déphasés d'une fréquence connue, un seul des deux 5 signaux impactant l'échantillon 1 à imager. L'échantillon est placé dans la voie échantillon 70. L'échantillon 1, porté par un porte échantillon 30, est mis en regard avec un écran opaque 2 de taille supérieure à la longueur d'onde et comprenant une ouverture optique 20, ledit écran 10 bloquant efficacement la lumière autour de l'ouverture optique, seule la lumière traversant l'ouverture optique atteignant le système de détection. Les signaux issus des deux voies interfèrent ensuite et le signal d'interférence est détecté par un système de détection 50 adapté pour 15 déduire du signal d'interférence l'image de l'amplitude et de la phase du champ électromagnétique présent à proximité de la zone de l'échantillon 1 placée face à l'ouverture optique 20. L'échantillon 1 et l'écran opaque 2 se déplacent l'un par rapport à l'autre de sorte que 20 différentes zones de l'échantillon 1 sont successivement mises en regard avec l'ouverture optique 20 de l'écran opaque 2 et imagées. La sélection spatiale de la zone à imager par l'ouverture optique 20 dans l'écran opaque 2 permet de résoudre spatialement l'image de l'échantillon 1, c'est-à-dire d'identifier la zone de l'échantillon 1 à laquelle doit être attribuée l'amplitude et la phase mesurées. Il peut s'agir par exemple du déplacement du porte échantillon 30 par rapport à l'écran fixe 2 ou du déplacement de l'écran 2 par rapport au porte échantillon 30 fixe. Dans tout ce qui suivra on considérera que l'écran 2 est fixé et que le porte échantillon 30 déplace l'échantillon 1 (le porte échantillon est donc le système de déplacement 3). 3046683 7 L'écran opaque 2 pourra être placé avant ou après l'échantillon 1 dans l'ordre de progression du deuxième faisceau de la deuxième voie échantillon 70. Dans tout ce qui suivra, on considérera le cas où l'échantillon 1 est 5 placé avant l'écran 2 dans l'ordre de progression du deuxième faisceau. Le deuxième faisceau et l'ouverture devront être au moins grossièrement alignés, en particulier si le faisceau est étroit. Plus précisément comme illustré à la figure la, en 10 sortie d'une source 9, le faisceau lumineux incident est séparé en deux voies 70, 80 par un moyen adapté pour diviser le faisceau 91. Un système de modulation 78 implémente un décalage en fréquence â (battement temporel à la fréquence â entre les deux voies) entre les champs des 15 faisceaux qui parcourent chaque voie. Le système de modulation 78 comprend par exemple des moyens de modulation 7, 8 positionnés sur chacune des voies 70, 80 respectivement. Ces moyens de modulation 7, 8 implémentent un décalage en fréquence â (battement 20 temporel à la fréquence â entre les deux voies) entre les champs des faisceaux qui parcourent chaque voie. Dans le cas où le champ optique issu de la source a une pulsation co et où les moyens de modulation 7, 8 modulent les champs de la voie de référence 80 et de la voie comprenant 25 l'échantillon, dite voie échantillon 70, respectivement aux fréquences f et f+â, le champ dans la voie échantillon 70 est par exemple de la forme : Eech e ww+277f+2778)t+(pech) Avec Eech l'amplitude du champ dans la voie échantillon 70 et (Pech la phase du champ dans la voie échantillon 70. 30 Le champ dans la voie de référence est par exemple de la forme : 3046683 8 u ,i((w+27rnt+cpref) L'ref Avec Eref l'amplitude du champ dans la voie référence 80 et (p'f la phase du champ dans la voie référence 80. La détection hétérodyne consiste à faire interférer sur le détecteur optique 5 le faisceau lumineux d'intérêt 5 ayant impacté l'échantillon avec un second faisceau lumineux qui circule dans la voie référence, puis à déterminer l'amplitude et la phase à l'aide d'un oscilloscope ou de systèmes d'acquisition lents. L'intensité I à la sortie du détecteur 5 correspond 10 donc à l'interférence de ces deux signaux et a la forme : 1 C( IEech e i((w+27rf+27r8)t-Ecpech) + Erefei((6)+27rf)t+cpref) I 2 1 C( IEechI2 +1Eref12 + 2EechEref cos (27r8t + (0, ech- (Pref) En démodulant l'intensité à l'aide d'un dispositif à détection synchrone 6 à la fréquence Sen sortie du détecteur 5, sont extraits l'amplitude R et la phase ydu 15 champ qui traverse l'échantillon données par les expressions suivantes : Rc( lEreeechl (P - Pech Pref + CSt L'amplitude R est proportionnelle à l'amplitude du champ détecté qui traverse l'échantillon 1 et la phase yest égale à une constante additive près, (-(pref+cst) , où 20 cst est une constante, à la phase Y rechdu champ étudié. Cette information est donc locale car elle est restreinte à la lumière qui passe dans l'ouverture optique, le reste étant bloqué par l'écran. L'écran percé d'une ouverture optique est par exemple un cantilever avec une 25 ouverture optique. En alternative de la détection synchrone l'amplitude et la phase pourront être obtenus en 3046683 9 multipliant le signal à analyser par un signal connu de même fréquence par exemple à l'aide d'un oscilloscope ou d'un convertisseur analogique numérique suffisamment rapide. 5 En variante, le système de modulation 78 peut ne comprendre qu'un premier moyen de modulation 8. L'une ou l'autre de ladite première voie référence 80 ou de ladite deuxième voie échantillon 70 comprend ledit premier moyen de modulation 8, ledit premier moyen de modulation 8 étant 10 adapté pour moduler en fréquence le champ dudit premier faisceau ou deuxième faisceau respectivement. Le premier moyen de modulation 8 est adapté pour implémenter le décalage en fréquence â entre les fréquences respectives des champs correspondant aux faisceaux de chacune des deux 15 voies. L'écran opaque 2 comprenant l'ouverture 20 peut être déplacé par rapport à l'échantillon 1 pour sélectionner une zone à imager. Un système de déplacement 3 permet un déplacement relatif de l'échantillon 1 par 20 rapport à l'écran opaque 2. Des systèmes de collection 40 permettent de collecter les faisceaux lumineux de part et d'autre de l'écran opaque 2. Par exemple, l'échantillon 1 est déplacé et l'ouverture 20 et le faisceau dans la voie échantillon 70 sont alignés. L'ouverture 20 aura une 25 dimension qui est sensiblement inférieure à la dimension du faisceau qui éclaire l'échantillon 1. Le déplacement permet d'accéder aux variations spatiales des paramètres d'amplitude et de phase du champ électromagnétique avec une résolution qui ne dépend que de 30 la taille de l'ouverture 20 et pas de la longueur d'onde. Comme illustré à la figure 2, le moyen adapté pour diviser le faisceau 91 peut être un séparateur de faisceau à travers lequel est envoyé le faisceau lumineux issu de la 3046683 10 source. Des miroirs positionnés sur le parcours du faisceau lumineux peuvent permettre d'orienter les faisceaux de chacune des voies. Les moyens de modulation utilisés 7, 8 peuvent être des modulateurs et en particuliers des 5 modulateurs acousto-optique, mais également d'autres types de modulateurs tels que les modulateurs en amplitudes en phase ou de Mach-Zehnder. La fréquence f est par exemple de 80 MegaHertz (MHz) et le décalage en fréquence est par exemple de 1 KiloHertz (kHz). Des systèmes de collection 10 peuvent être placés sur la trajectoire du faisceau lumineux dans la voie échantillon 70, les systèmes de collection étant adaptés pour donner une direction au faisceau dispersé avant qu'il traverse l'échantillon, ou en sortie de l'ouverture 20 dans sa trajectoire vers le détecteur. La 15 source peut par exemple être une source laser. Les systèmes de collection sont par exemple des lentilles 40. Le détecteur est par exemple une photodiode ou par exemple un détecteur monocanal. Les faisceaux lumineux issus des deux voies 70 et 20 80 peuvent être recombinés via un coupleur de faisceaux 92. L'échantillon 1 est en déplacement par rapport à l'écran opaque 2 comprenant une ouverture 20, via un système de déplacement 3 sur lequel est installé l'échantillon 1 (il s'agit du porte échantillon 30). Le système de translation 25 est par exemple un système piézo-électrique. En variante le système de translation peut être un système de platines de translations équipées de moteurs électriques, en particulier pour les applications aux grandes longueurs d'onde telles que les applications micro-ondes. 30 L'ouverture 20 dans l'écran opaque a notamment un diamètre Douvr il peut s'agir d'un trou ou d'une zone transparente ou translucide à la fréquence du champ électromagnétique d'intérêt. L'écran opaque est par exemple une poutre percée 3046683 11 d'une ouverture. L'ouverture peut être de taille inférieure à la longueur d'onde par exemple. L'ouverture peut par exemple être installée à l'extrémité de la pointe 200 du cantilever 2 d'un microscope à force atomique (AFM) comme 5 illustré à la figure lb. L'ouverture est réalisée en traversant à la fois la pointe 200 et le cantilever 2, de sorte que la lumière située à l'extrémité de la pointe 200 puisse traverser la pointe 200 et le cantilever 2 de part en part. Cette technique peut être couplée avec une 10 technique de sonde locale à balayage 31 dans le cas d'un cantilever d'AFM par exemple. Dans le cas d'une ouverture de taille sub-longueur d'onde (D'v REVENDICATIONS1. Dispositif de détection optique pour caractériser en amplitude et en phase le champ 5 électromagnétique d'une zone d'un échantillon (1), le dispositif comprenant : - une source lumineuse (9) adaptée pour émettre un faisceau lumineux dont le champ électromagnétique a une pulsation (O, 10 - un moyen adapté pour diviser le faisceau (91) en un premier faisceau définissant une première voie, dite voie référence (80) et un deuxième faisceau définissant une deuxième voie dite voie échantillon (70), - un système de modulation (78) qui décale en 15 fréquence les champs électromagnétiques des deux faisceaux d'une fréquence '3, - un coupleur de faisceaux (92) adapté pour collecter les faisceaux issus des deux voies (70, 80), - un système de détection optique (50) adapté pour 20 détecter le signal issu de l'interférence entre les faisceaux issus des deux voies (70, 80) et couplés via ledit coupleur de faisceaux (92), caractérisé en ce que : - l'échantillon est placé dans la voie échantillon 25 (70), - le système de détection optique (50) comprend un détecteur optique (5) et un dispositif adapté pour mesurer l'amplitude et la phase du signal (6), - un écran opaque (2) comprenant une ouverture 30 optique (20) est placé au niveau de la zone dans la voie échantillon (70), à proximité de l'échantillon (1). 2. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la source lumineuse (9) est l'échantillon (1) lui-même, et 3046683 20 l'échantillon (1) est également le moyen adapté pour séparer le faisceau (91). 3. Dispositif selon la revendication 1 dans lequel la source lumineuse (9), le moyen adapté pour séparer le faisceau (91) et l'échantillon (1) sont trois éléments distincts, ladite deuxième voie échantillon (70) comprenant l'échantillon (1). 4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 ou 3 dans lequel le moyen adapté pour 10 séparer le faisceau est un séparateur de faisceau (91). 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 dans lequel le dispositif adapté pour mesurer l'amplitude et la phase du signal est un dispositif à détection synchrone. 15 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel le système de modulation (78) comprend un premier moyen de modulation (8), l'une ou l'autre de ladite première voie référence (80) ou de ladite deuxième voie échantillon (70) comprend ledit premier moyen 20 de modulation (8), ledit premier moyen de modulation (8) étant adapté pour moduler en fréquence le champ dudit premier faisceau ou deuxième faisceau respectivement, le premier moyen de modulation (8) étant adapté pour implémenter le décalage en fréquence â entre les fréquences 25 respectives des champs correspondant aux faisceaux de chacune des deux voies. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 dans lequel le système de modulation (78) comprend un premier moyen de modulation (8), ladite 30 première voie référence (80) comprend ledit premier moyen de modulation (8), ledit premier moyen de modulation (8) étant adapté pour moduler en fréquence le champ du premier faisceau, et également un deuxième moyen de modulation (7), 3046683 21 ladite deuxième voie échantillon (70) comprenant ledit deuxième moyen de modulation (7), ledit deuxième moyen de modulation (7) étant adapté pour moduler en fréquence le champ du deuxième faisceau, 5 les premier et deuxième moyens de modulation (7, 8) étant adaptés pour implémenter le décalage en fréquence â entre les fréquences respectives des champs correspondants aux faisceaux de chacune des deux voies. 8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 3 à 5 et 7 dans lequel ledit deuxième moyen de modulation (7) précède l'échantillon (1) dans l'ordre de progression du faisceau de la voie échantillon (70). 9. Dispositif de détection selon l'une quelconque 15 des revendications 1 à 8 dans lequel l'échantillon (1) et l'ouverture optique (20) de l'écran opaque (2) sont adaptés pour être déplacés l'un par rapport à l'autre. 10. Dispositif selon la revendication 9 dans lequel l'échantillon (1) est monté sur un système de 20 déplacement (3) adapté pour déplacer l'échantillon (1) par rapport à l'ouverture optique (20) fixe. 11. Dispositif selon la revendication 10 dans lequel le système de déplacement (3) est un système piézoélectrique. 25 12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 dans lequel l'ouverture optique (20) est une zone vide de l'écran opaque (2). 13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11 dans lequel l'ouverture optique (20) 30 est une zone de l'écran opaque (2) transparente à la fréquence 0Y27L. 14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 3 à 13 géométriquement agencé pour que 3046683 22 le deuxième faisceau traverse l'échantillon (1) et l'écran opaque (2) dans un ordre quelconque, dans son parcours vers le système de collection (40), le dispositif étant géométriquement agencé pour que le premier et le deuxième 5 faisceau puissent être collectés au niveau du coupleur de faisceaux (92). 15.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 et 3 à 13 géométriquement agencé pour que le deuxième faisceau se réfléchisse à la surface de 10 l'échantillon (1) et traverse l'écran opaque (2) dans un ordre quelconque avant de se diriger vers le système de collection (40), le dispositif étant géométriquement agencé pour que le premier et le deuxième faisceau puissent être collectés au niveau du coupleur de faisceaux (92). 16.Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 15 dans lequel le détecteur optique (5) est un détecteur monocanal. 17. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 16 dans lequel l'ouverture optique est 20 installée à l'extrémité de la pointe (200) du cantilever (2) d'un microscope à force atomique. 18. Procédé de détection optique pour caractériser en amplitude et en phase le champ électromagnétique d'une zone d'un échantillon (1), ledit procédé comprenant les 25 étapes suivantes : - émettre un faisceau lumineux dont le champ électromagnétique a une pulsation w, - diviser le faisceau (91) en un premier faisceau définissant une première voie, dite voie référence (80) et 30 un deuxième faisceau définissant une deuxième voie dite voie échantillon (70), - placer sur la voie échantillon (70) un échantillon (1) et un écran opaque (2) comprenant une 3046683 23 ouverture optique (20) placé au niveau de la zone à proximité de l'échantillon (1), - décaler en fréquence les champs électromagnétiques des deux faisceaux d'une fréquence â, 5 - collecter les faisceaux issus des deux voies (70, 80), - détecter le signal issu de l'interférence entre les faisceaux issus des deux voies (70, 80) et couplés via ledit coupleur de faisceaux (92), 10 - déduire l'amplitude et la phase du champ électromagnétique d'une zone de l'échantillon (1).