Brevet FR3135784A1 — publié le 20231124

L’invention concerne un appareil (100) et procédé de spectrométrie Raman ou de photoluminescence ou de fluorescence. Selon l’invention, l’appareil comprend un dispositif optique (16) séparateur et modificateur de polarisation comprenant un séparateur de polarisation (18) et un compensateur (17), le dispositif optique (16) étant configuré et orienté pour séparer le faisceau lumineux émis (20) incident sur le réseau de diffraction (12) en une première partie (21) du faisceau lumineux émis polarisée suivant un premier état de polarisation et une deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis polarisée suivant un deuxième état de polarisation, et le système de détection (13) étant adapté pour recevoir, sur une première zone (14) de détection, un spectre de la première partie (21) du faisceau lumineux émis et simultanément, sur une deuxième zone (15) de détection, un spectre de la deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis. Figure pour l’abrégé : Fig. 2 Appareil et procédé de spectrométrie Raman ou de fluorescence à analyse instantanée de polarisation La présente invention concerne le domaine technique des instruments et procédés de spectrométrie optique pour analyser des échantillons à une échelle microscopique. En particulier, la présente invention concerne les techniques d’analyse et d’imagerie par micro-spectrométrie Raman ou micro-spectrométrie de fluorescence. Dans le domaine ci-dessus, la microscopie confocale Raman est une technique d’analyse et d’imagerie bien connue et décrite par exemple dans « Raman Spectroscopy, Review », Paul Rostron, Safa Gaber, Dina Gaber, International Journal of Engineering and Technical Research (IJETR) Vol. 6, N° 1, p. 2454-4698, Sept. 2016. La microscopie de fluorescence présente de nombreux points communs avec la microscopie Raman. Dans certains cas, la microscopie confocale Raman utilise une analyse en polarisation. La plupart des analyses en polarisation utiles en microscopie Raman, consistent à illuminer l’échantillon avec un faisceau laser d’excitation polarisé selon un état de polarisation appelé polarisation laser et à analyser le signal Raman selon deux états de polarisations : un état de polarisation identique à la polarisation laser et l’état de polarisation orthogonal. Selon le type d’échantillon étudié et le signal recherché, Raman ou de fluorescence, l’état de polarisation du laser est généralement soit : linéaire selon une direction fixée du plan de l’échantillon ; linéaire selon une direction du plan de l’échantillon choisie par l’utilisateur cette direction étant repérée par un angle ; circulaire droit ou gauche ; axial, c’est-à-dire suivant l’axe optique du faisceau laser incident sur l’échantillon ou encore circonférentiel. On note que les états de polarisation axial et circonférentiel sont orthogonaux entre eux. De même, les états de polarisation circulaire droit et circulaire gauche sont orthogonaux entre eux. L’analyse du signal détecté suivant la polarisation permet d’extraire une grandeur telle que le taux de polarisation (ou « Degree of polarisation » en anglais), défini comme étant le rapport entre l’intensité (I_parallel) du signal Raman polarisé suivant la polarisation laser et l’intensité Raman totale, selon la formule suivante : I_parallel/(I_perp+I_parralel), où I_perp représente l’intensité du signal Raman polarisé orthogonalement à la polarisation laser. L’intensité du signal Raman polarisé, I_parallel et respectivement I_perp, est mesurée en fonction de la longueur d’onde Raman pour former un spectre. On obtient ainsi un spectre du taux de polarisation. Dans le cas où la polarisation laser est linéaire et de direction ajustable suivant un angle theta dans le plan de l’échantillon, l’analyse du signal détecté suivant la polarisation permet d’extraire les quantités I_parallel= f(theta) et respectivement I_perp=f(theta) en fonction de l’angle theta et sur la gamme de longueurs d’onde du spectre Raman détecté. Dans un appareil de micro-spectrométrie Raman, la maîtrise de la polarisation laser incidente et de la polarisation d’analyse sont rendues complexes par la présence de miroirs et/ou filtres sur le trajet du faisceau laser et sur le trajet du signal Raman. Toutefois, il est classique que le plan d’incidence des faisceaux lumineux sur ces miroirs et filtres soit vertical ou horizontal. Dans ce cas, un faisceau de polarisation linéaire horizontale ou verticale voit sa polarisation inchangée lors du transport du faisceau. Au contraire, un faisceau de polarisation linéaire oblique par rapport aux directions verticale et horizontale, ou bien de polarisation elliptique, voit généralement sa polarisation modifiée par le trajet du faisceau laser incident et/ou du faisceau Raman. Lorsque le plan d’incidence des faisceaux lumineux sur le trajet est horizontal, un état de polarisation linéaire horizontal est dans le plan d’incidence et un état de polarisation vertical est perpendiculaire au plan d’incidence. Inversement, lorsque le plan d’incidence des faisceaux lumineux sur le trajet est vertical, un état de polarisation linéaire vertical est dans le plan d’incidence et un état de polarisation horizontal est perpendiculaire au plan d’incidence. Il existe des appareils de micro-spectrométrie adaptés pour l’analyse selon diverses polarisations, sans être affecté par les modifications de polarisation susceptibles d’être introduites sur les trajets du faisceau laser et/ou du faisceau Raman. Un tel appareil utilise généralement une polarisation incidente du laser commutable entre une polarisation linéaire horizontale ou verticale, qui est conservée de la source laser jusqu’au dernier miroir de renvoi. Un compensateur, par exemple une lame d’onde, est disposé dans le trajet commun au faisceau laser et au faisceau Raman rétrodiffusé. Ce compensateur est configuré pour transformer la polarisation de la lumière laser d’une polarisation conservée par le transport (horizontale ou verticale), en une polarisation d’intérêt sur l’échantillon, comme par exemple une polarisation circulaire, ou bien une polarisation linéaire orientée selon un angle theta dans le plan de l’échantillon. Le faisceau Raman rétrodiffusé qui effectue le trajet inverse subit la transformation réciproque. Un polariseur fixe placé sur le trajet Raman, en dehors du trajet du faisceau laser, permet de sélectionner l’un des deux états de polarisation non affecté par le transport (linéaire parallèle ou perpendiculaire). Pour une analyse en polarisation circulaire, selon l’art antérieur, on insère une lame quart d’onde dans le trajet commun. On obtient un spectre de co-polarisation en acquérant le spectre Raman lorsque le polariseur est placé dans la configuration parallèle à la polarisation de l’analyse et le spectre de polarisation croisée (ou cross-polarisation) lorsque la polarisation laser est placée dans la configuration orthogonale à la polarisation d’analyse. Le ratio de ces spectres (ou le ratio entre l’un de ces spectres et leur somme) peut être valablement calculé, car ils sont obtenus dans des conditions directement comparables d’analyse de l’intensité Raman. Pour analyser la réponse en co-polarisation et polarisation croisée, une solution consiste à basculer l’une des polarisation (illumination ou analyse) entre parallèle ou perpendiculaire. Toutefois, basculer la polarisation d’analyse présente un grave inconvénient, lié au fait que de manière très générale, les spectromètres ont une réponse qui varie fortement selon que la polarisation est parallèle ou perpendiculaire. En effet, les spectromètres comportent généralement un réseau de diffraction. Or l’efficacité de diffraction d’un réseau dépend en général fortement de l’orientation de la polarisation par rapport aux traits du réseau. Il n’est alors pas possible de comparer les intensités mesurées expérimentalement selon les polarisations parallèle et perpendiculaire. Une calibration de la réponse spectrale du spectromètre en fonction de la polarisation est complexe. L’utilisation d’un dépolariseur, par exemple de Lyot, s’avère imparfaite et inadaptée à la spectrométrie Raman sur une bande spectrale étroite. Un des buts de l’invention est de proposer un perfectionnement à un appareil de microscopie Raman ou, respectivement, de photoluminescence ou de fluorescence, permettant de réaliser en une seule mesure la détermination de la réponse Raman ou, respectivement, de photoluminescence ou de fluorescence, suivant deux états de polarisation mutuellement orthogonaux entre eux, la polarisation laser incidente pouvant être linéaire selon une orientation du plan choisie par l’utilisateur, ou bien circulaire, ou bien circonférentielle dans le plan, ou bien axiale suivant l’axe optique de l’objectif. Un autre but de l’invention est de proposer un appareil et un procédé de microscopie Raman ou, respectivement, de photoluminescence ou de fluorescence, permettant de réaliser une mesure instantanée et précise du taux de polarisation sur la gamme spectrale du spectre Raman ou, respectivement, de photoluminescence ou de fluorescence. A cet effet, l’invention concerne un appareil de spectrométrie Raman ou de photoluminescence ou de fluorescence comprenant une source de lumière apte à générer un faisceau lumineux d’excitation incident sur un échantillon, un système optique pour collecter et diriger un faisceau lumineux émis par l’échantillon vers une entrée d’un spectromètre, le spectromètre comprenant au moins un réseau de diffraction et un système de détection. Selon l’invention, l’appareil comprend un dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation comprenant un séparateur de polarisation et un compensateur, le dispositif optique étant disposé sur un trajet du faisceau lumineux émis en dehors du trajet du faisceau lumineux d’excitation, le dispositif optique étant configuré et orienté pour séparer le faisceau lumineux émis incident sur le réseau de diffraction en une première partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant un premier état de polarisation et une deuxième partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant un deuxième état de polarisation, le deuxième état de polarisation étant orthogonal au premier état de polarisation, lesdits premier et deuxième états de polarisation étant choisis parmi des états de polarisation ayant une composante S1 de leur vecteur de Stokes inférieure ou égale à 0,2 en valeur absolue et le système de détection étant adapté pour recevoir, sur une première zone de détection, un spectre de la première partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant le premier état de polarisation et simultanément, sur une deuxième zone de détection, un spectre de la deuxième partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant le deuxième état de polarisation, la première zone et la deuxième zone étant séparées selon une direction transverse à une direction de diffraction spectrale sur le système de détection. Selon un aspect particulier et avantageux, le séparateur de polarisation est disposé sur le trajet du faisceau lumineux émis en aval du compensateur. Selon un autre aspect particulier et avantageux, le séparateur de polarisation est disposé sur le trajet du faisceau lumineux émis en amont du compensateur et le compensateur présente une matrice de Mueller ayant un élément M1,1 inférieur à 0,2 en valeur absolue sur une gamme spectrale de détection. Selon un exemple de réalisation, le séparateur de polarisation est apte à séparer latéralement le faisceau lumineux émis pour former la première partie du faisceau lumineux émis et respectivement la deuxième partie du faisceau lumineux émis. Par exemple, le séparateur de polarisation comprend une lame biréfringente ou une lame de Savart. Dans un autre exemple de réalisation, le séparateur de polarisation est apte à séparer angulairement le faisceau lumineux émis pour former la première partie du faisceau lumineux émis et respectivement la deuxième partie du faisceau lumineux émis. Par exemple, le séparateur de polarisation comprend un prisme de Wollaston, un prisme de Rochon ou un prisme de Nomarski. Selon un aspect particulier et avantageux, le compensateur comprend une lame demi onde orientée de façon à ce que ledit premier état de polarisation soit linéaire incliné à -45 degrés des traits du réseau de diffraction et le deuxième état de polarisation linéaire incliné à +45 degrés des traits du réseau de diffraction, ou le compensateur comprend une lame quart d’onde orientée de façon à ce que ledit premier état de polarisation soit circulaire droit et le deuxième état de polarisation circulaire gauche ou le compensateur comprend un rhomboèdre de Fresnel. Avantageusement, le compensateur présente une retardance achromatique sur le spectre de la première partie du faisceau lumineux émis, et respectivement sur le spectre de la deuxième partie du faisceau lumineux émis. Selon différents modes de réalisation, le dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation est disposé dans le spectromètre entre l’entrée du spectromètre et le au moins un réseau de diffraction, ou le dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation est disposé dans une partie convergente du faisceau lumineux émis en amont de l’entrée du spectromètre ou le séparateur de polarisation est disposé dans une partie collimatée du faisceau lumineux émis en amont de l’entrée du spectromètre. Avantageusement, le dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation est escamotable en dehors du faisceau lumineux émis et l’appareil comprend un composant optique apte à être inséré sur le trajet du faisceau lumineux émis pour compenser une défocalisation du faisceau lumineux émis à l’entrée du spectromètre ou sur le système de détection du spectromètre, lorsque le dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation est escamoté. Selon un aspect particulier et avantageux, l’appareil comprend un retardateur optique disposé sur un trajet commun du faisceau lumineux émis et du faisceau lumineux d’excitation, le retardateur optique ayant une retardance optique et étant orienté de façon à ajuster au moins un état de polarisation du faisceau lumineux d’excitation incident sur l’échantillon. Par exemple, le retardateur optique comprend une lame quart d’onde, une lame demi-onde, un rhomboèdre de Fresnel, une lame biréfringente ayant une retardance ajustable ou un retardateur optique pixellisé ayant une retardance ajustable spatialement. Selon un aspect particulier, l’appareil comprend un calculateur apte à calculer un taux de polarisation en fonction du spectre de la première partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant le premier état de polarisation et du spectre de la deuxième partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant le deuxième état de polarisation. L’invention concerne aussi un procédé de spectrométrie Raman ou de photoluminescence ou de fluorescence comprenant les étapes suivantes : générer et diriger un faisceau lumineux d’excitation incident sur un échantillon, collecter et diriger un faisceau lumineux émis par l’échantillon vers une entrée d’un spectromètre comprenant au moins un réseau de diffraction et un système de détection, séparer et modifier la polarisation du faisceau lumineux émis sur un trajet optique en dehors du trajet du faisceau lumineux d’excitation, de façon à séparer le faisceau lumineux émis incident sur le réseau de diffraction en une première partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant un premier état de polarisation et une deuxième partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant un deuxième état de polarisation, le deuxième état de polarisation étant orthogonal au premier état de polarisation, lesdits premier et deuxième états de polarisation étant choisis parmi des états de polarisation possédant une composante S1 de leur vecteur de Stokes inférieure ou égale à 0,2 en valeur absolue et acquérir sur une première zone de détection du système de détection un spectre de la première partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant le premier état de polarisation et simultanément acquérir, sur une deuxième zone de détection un spectre de la deuxième partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant le deuxième état de polarisation, la première zone et la deuxième zone étant séparées selon une direction transverse à une direction de diffraction spectrale sur le système de détection. Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres. De plus, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent des formes, non limitatives, de réalisation de l'invention et où : est une vue schématique d’un appareil de spectrométrie Raman ou de photoluminescence ou de fluorescence selon la présente divulgation, est une vue schématique d’un dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation selon un premier exemple de réalisation, est une vue schématique d’un dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation selon un deuxième exemple de réalisation, est une vue schématique d’un dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation selon un troisième exemple de réalisation. Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références. Appareil (100) de spectrométrie Raman ou de photoluminescence ou de fluorescence comprenant une source de lumière (1) apte à générer un faisceau lumineux d’excitation (10) incident sur un échantillon (5), un système optique (3, 4, 6, 7) pour collecter et diriger un faisceau lumineux émis (20) par l’échantillon vers une entrée (8) d’un spectromètre, le spectromètre (9) comprenant au moins un réseau de diffraction (12) et un système de détection (13), caractérisé en ce que l’appareil comprend un dispositif optique (16) séparateur et modificateur de polarisation comprenant un séparateur de polarisation (18) et un compensateur (17), le dispositif optique (16) étant disposé sur un trajet du faisceau lumineux émis (20) en dehors du trajet du faisceau lumineux d’excitation (10), le dispositif optique (16) étant configuré et orienté pour séparer le faisceau lumineux émis (20) incident sur le réseau de diffraction (12) en une première partie (21) du faisceau lumineux émis polarisée suivant un premier état de polarisation et une deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis polarisée suivant un deuxième état de polarisation, le deuxième état de polarisation étant orthogonal au premier état de polarisation, lesdits premier et deuxième états de polarisation étant choisis parmi des états de polarisation ayant une composante S1 de leur vecteur de Stokes inférieure ou égale à 0,2 en valeur absolue et le système de détection (13) étant adapté pour recevoir, sur une première zone (14) de détection, un spectre de la première partie (21) du faisceau lumineux émis polarisée suivant le premier état de polarisation et simultanément, sur une deuxième zone (15) de détection, un spectre de la deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis polarisée suivant le deuxième état de polarisation, la première zone (14) et la deuxième zone (15) étant séparées selon une direction transverse à une direction de diffraction spectrale sur le système de détection (13). Appareil selon la revendication 1 dans lequel le séparateur de polarisation (18) est disposé sur le trajet du faisceau lumineux émis en aval du compensateur (17). Appareil selon la revendication 1 dans lequel le séparateur de polarisation (18) est disposé sur le trajet du faisceau lumineux émis en amont du compensateur (17) et dans lequel le compensateur (17) présente une matrice de Mueller ayant un élément M1,1 inférieur à 0,2 en valeur absolue sur une gamme spectrale de détection. Appareil selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel le séparateur de polarisation (18) est apte à séparer latéralement le faisceau lumineux émis (20) pour former la première partie (21) du faisceau lumineux émis et respectivement la deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis. Appareil selon la revendication 4 dans lequel le séparateur de polarisation (18) comprend une lame biréfringente ou une lame de Savart (18-1, 18-2). Appareil selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel le séparateur de polarisation (18) est apte à séparer angulairement le faisceau lumineux émis (20) pour former la première partie (21) du faisceau lumineux émis et respectivement la deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis. Appareil selon la revendication 6 dans lequel le séparateur de polarisation (18) comprend un prisme de Wollaston, un prisme de Rochon ou un prisme de Nomarski. Appareil selon l’une des revendications 1 à 7 dans lequel le compensateur (17) comprend une lame demi onde orientée de façon à ce que ledit premier état de polarisation soit linéaire incliné à -45 degrés des traits du réseau de diffraction (12) et le deuxième état de polarisation linéaire incliné à +45 degrés des traits du réseau de diffraction (12), ou dans lequel le compensateur (17) comprend une lame quart d’onde orientée de façon à ce que ledit premier état de polarisation soit circulaire droit et le deuxième état de polarisation circulaire gauche ou dans lequel le compensateur (17) comprend un rhomboèdre de Fresnel. Appareil selon l’une des revendications 1 à 8 dans lequel le compensateur (17) présente une retardance achromatique sur le spectre de la première partie (21) du faisceau lumineux émis, et respectivement sur le spectre de la deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis. Appareil selon l’une des revendications 1 à 9 dans lequel le dispositif optique (16) séparateur et modificateur de polarisation est disposé dans le spectromètre (9) entre l’entrée (8) du spectromètre et le au moins un réseau de diffraction (12), ou dans lequel le dispositif optique (16) séparateur et modificateur de polarisation est disposé dans une partie convergente du faisceau lumineux émis (20) en amont de l’entrée du spectromètre ou dans lequel le séparateur de polarisation (18) est disposé dans une partie collimatée du faisceau lumineux émis (20) en amont de l’entrée du spectromètre et dans lequel le compensateur (17) est disposé en aval du séparateur de polarisation (18), le compensateur (17) étant disposé entre le dernier composant optique susceptible de modifier la polarisation du faisceau lumineux émis sur le trajet collimaté et le réseau de diffraction (12). Appareil selon l’une des revendications 1 à 10 dans lequel le dispositif optique (16) séparateur et modificateur de polarisation est escamotable en dehors du faisceau lumineux émis et dans lequel l’appareil (100) comprend un composant optique apte à être inséré sur le trajet du faisceau lumineux émis pour compenser une défocalisation du faisceau lumineux émis à l’entrée du spectromètre (9) ou sur le système de détection (13) du spectromètre (9), lorsque le dispositif optique (16) séparateur et modificateur de polarisation est escamoté. Appareil selon l’une des revendications 1 à 11 comprenant un retardateur optique (28) disposé sur un trajet commun du faisceau lumineux émis (20) et du faisceau lumineux d’excitation (10), le retardateur optique (28) ayant une retardance optique et étant orienté de façon à ajuster au moins un état de polarisation du faisceau lumineux d’excitation (10) incident sur l’échantillon. Appareil selon la revendication 12 dans lequel le retardateur optique (28) comprend une lame quart d’onde, une lame demi-onde, un rhomboèdre de Fresnel, une lame biréfringente ayant une retardance ajustable ou un retardateur optique pixellisé ayant une retardance ajustable spatialement. Appareil selon l’une des revendications 1 à 13 comprenant un calculateur (30) apte à calculer un taux de polarisation en fonction du spectre de la première partie (21) du faisceau lumineux émis polarisée suivant le premier état de polarisation et du spectre de la deuxième (22) partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant le deuxième état de polarisation. Procédé de spectrométrie Raman ou de photoluminescence ou de fluorescence comprenant les étapes suivantes : générer et diriger un faisceau lumineux d’excitation (10) incident sur un échantillon (5), collecter et diriger un faisceau lumineux émis (20) par l’échantillon (5) vers une entrée (8) d’un spectromètre (9) comprenant au moins un réseau de diffraction (12) et un système de détection (13), séparer et modifier la polarisation du faisceau lumineux émis (20) sur un trajet optique en dehors du trajet du faisceau lumineux d’excitation (10), de façon à séparer le faisceau lumineux émis (20) incident sur le réseau de diffraction en une première partie (21) du faisceau lumineux émis polarisée suivant un premier état de polarisation et une deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis polarisée suivant un deuxième état de polarisation, le deuxième état de polarisation étant orthogonal au premier état de polarisation, lesdits premier et deuxième états de polarisation étant choisis parmi des états de polarisation possédant une composante S1 de leur vecteur de Stokes inférieure ou égale à 0,2 en valeur absolue et acquérir sur une première zone (14) de détection du système de détection (13) un spectre de la première partie (21) du faisceau lumineux émis polarisée suivant le premier état de polarisation et simultanément acquérir, sur une deuxième zone (15) de détection un spectre de la deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis polarisée suivant le deuxième état de polarisation, la première zone (14) et la deuxième zone (15) étant séparées selon une direction transverse à une direction de diffraction spectrale sur le système de détection (13).