Brevet FR3149380A1 — publié le 20241206

TITRE : MICROSCOPE-SONDE RAMAN MINIATURE Le microscope-sonde Raman miniature combine deux instruments différents : - un microscope optique de haute qualité et haute performance comportant une caméra numérique et - une sonde Raman pouvant collecter la lumière diffusée par l’effet Raman tout en bloquant la lumière excitatrice et très intense d’une source laser, de telle manière qu’un opérateur peut utiliser le microscope-sonde en mode Raman ou en mode microscope optique pour sélectionner une partie précise à analyser en mode Raman, en utilisant l’affichage du signal vidéo issu de la caméra sur un écran numérique. Figure pour l’abrégé : Figure 5 MICROSCOPE-SONDE RAMAN MINIATURE Domaine technique de l’invention La présente invention vise un microscope-sonde Raman miniature. Elle s’applique, en particulier, à la spectroscopie Raman. État de la technique Le microscope Raman est un appareil microscopique à base de laser utilisé pour effectuer la spectroscopie Raman. La spectroscopie Raman (ou spectrométrie Raman) et la microspectroscopie Raman sont des méthodes non destructives d'observation et de caractérisation de la composition moléculaire et de la structure externe d'un matériau, qui exploite le phénomène physique selon lequel un milieu modifie légèrement la fréquence de la lumière y circulant. Ce décalage en fréquence dit « effet Raman » correspond à un échange d'énergie entre le rayon lumineux et le milieu, et donne des informations sur le substrat lui-même. La spectroscopie Raman consiste à envoyer une lumière monochromatique sur l’échantillon et à analyser la lumière diffusée. Les informations obtenues par la mesure et l'analyse de ce décalage permettent de remonter à certaines propriétés du milieu, par la spectroscopie. La diffusion Raman cohérente n'utilise pas une observation de lumière diffusée spontanément lors de collisions moléculaires, mais l'amplification cohérente d'un second rayon de fréquence différente et temporellement incohérent du rayon excitateur. Cette technique est complémentaire à la spectroscopie infrarouge. Les deux permettent d'étudier les modes vibrationnels d'une molécule, mais les règles de sélection pour les deux spectroscopies peuvent être différentes selon la symétrie moléculaire. Aux molécules avec un centre de symétrie, aucun mode vibrationnel n'est observable à la fois aux deux spectroscopies. Certains modes sont actifs au Raman seulement et d'autres à l'infrarouge seulement. Par exemple le dioxyde de carbone, une molécule linéaire symétrique, a une seule bande vibrationnelle observée au Raman à 1 388 cm −1 qui correspond à l'élongation symétrique (ou en phase) des deux liaisons, et deux bandes vibrationnelles à l'infrarouge à 2 349 cm −1 et 667 cm −1 qui correspondent respectivement à l'élongation antisymétrique (ou hors phase) et la déformation de l'angle de liaison. La spectroscopie non destructive permet de caractériser la composition moléculaire et la structure externe d'un matériau. On envoie un faisceau de lumière monochromatique sur l'échantillon à étudier et la lumière diffusée est analysée après avoir été recueillie par une autre lentille et envoyée dans un monochromateur permettant de mesurer son intensité grâce à un détecteur (monocanal de type photomultiplicateur ou CPM, multicanal de type CCD). Lorsque le champ électrique d'une excitation laser interagit avec le milieu à l'étude il se produit un transfert d'énergie du champ vers la molécule et un moment dipolaire P est induit, en fonction de la polarisabilité, de l'amplitude de vibration du champ et de la fréquence du laser. Si l'on considère de faibles déplacements nucléaires, il est possible de développer la polarisabilité en série de Taylor autour de la position d'équilibre et on peut ainsi redéfinir le moment dipolaire avec un premier terme qui représente la diffusion Rayleigh (le dipôle oscille à la même fréquence que le laser) tandis qu’un second et un troisième termes représentent la diffusion Raman anti-Stokes et Stokes lorsqu'il y a respectivement absorption et émission d'un phonon. Plusieurs géométries de diffusion sont possibles. On collecte en général la lumière diffusée soit à 180°, soit à 90°. On peut également faire varier la polarisation des faisceaux incidents et diffusés. La microspectroscopie Raman ou micro-Raman est une technique de mesure en microscopie : en focalisant le faisceau laser sur une petite partie du milieu, on peut sonder les propriétés de ce milieu sur un volume de quelques µm³, par exemple utilisée pour analyser la formation et l'évolution de microfissures dans le domaine du nucléaire. Cependant, les microscopes Raman connus à ce jour sont de grandes dimensions, si bien qu’ils ne peuvent pas être incorporés à l’intérieur de dispositifs expérimentaux complexes ou dans des milieux dangereux, comme par exemple dans une boite à gants biologique. Présentation de l’invention Dans le microscope objet de l’invention, on combine deux instruments différents : Un microscope optique de haute qualité et haute performance comportant une caméra numérique et une sonde Raman pouvant collecter la lumière diffusée par l’effet Raman tout en bloquant la lumière excitatrice et très intense d’une source laser. L’opérateur a la possibilité d’utiliser l’appareil en mode Raman (collection du signal Raman) ou en mode microscope optique pour pouvoir sélectionner la partie précise à analyser en utilisant l’affichage de la vidéo sur un écran numérique. On peut ainsi sélectionner et analyser des parties d’échantillons de quelques dizaines de microns. Brève description des figures D’autres avantages, buts et caractéristiques particulières de l’invention ressortiront de la description non limitative qui suit d’au moins un mode de réalisation particulier du dispositif et de la sous-station objets de la présente invention, en regard des dessins annexés, dans lesquels : représente, schématiquement, un premier mode de réalisation particulier d’un microscope sonde Raman objet de l’invention, comportant trois collimateurs, un cube diviseur de faisceau, un miroir dichroïque et un miroir mobile, représente le chemin optique lorsque le microscope sonde illustré en est en configuration de vision oculaire, représente le chemin optique lorsque le microscope sonde illustré en est en configuration « Raman », représente le chemin optique dans un deuxième mode de réalisation d’un microscope sonde Raman objet de l’invention incorporant trois collimateurs, deux cubes diviseurs de faisceau et un miroir dichroïque, représente le chemin optique dans un troisième mode de réalisation d’un microscope sonde Raman objet de l’invention incorporant trois collimateurs, un parallélépipède rectangle doublement diviseur de faisceau et un miroir dichroïque, et représente le chemin optique dans un quatrième mode de réalisation d’un microscope sonde Raman objet de l’invention incorporant deux collimateurs, un cube diviseur de faisceau, un miroir dichroïque et un miroir. La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation de manière avantageuse. On note dès à présent que les figures ne sont pas à l’échelle. Comme on le comprend à la lecture de la présente description, divers concepts inventifs peuvent être mis en œuvre par une ou plusieurs méthodes ou dispositifs décrits ci-après, dont plusieurs exemples sont ici fournis. Les actions ou étapes réalisées dans le cadre de la réalisation du procédé ou du dispositif peuvent être ordonnées de toute manière appropriée. En conséquence, il est possible de construire des modes de réalisation dans lesquels les actions ou étapes sont exécutées dans un ordre différent de celui illustré, ce qui peut inclure l'exécution de certains actes simultanément, même s'ils sont présentés comme des actes séquentiels dans les modes de réalisation illustrés. L'expression "et/ou", telle qu'elle est utilisée dans le présent document et dans les revendications, doit être comprise comme signifiant "l'un ou l'autre ou les deux" des éléments ainsi conjoints, c'est-à-dire des éléments qui sont présents de manière conjonctive dans certains cas et de manière disjonctive dans d'autres cas. Les éléments multiples énumérés avec "et/ou" doivent être interprétés de la même manière, c'est-à-dire "un ou plusieurs" des éléments ainsi conjoints. D'autres éléments peuvent éventuellement être présents, autres que les éléments spécifiquement identifiés par la clause "et/ou", qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, une référence à "A et/ou B", lorsqu'elle est utilisée conjointement avec un langage ouvert tel que "comprenant" peut se référer, dans un mode de réalisation, à A seulement (incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à B seulement (incluant éventuellement des éléments autres que A) ; dans un autre mode de réalisation encore, à A et B (incluant éventuellement d'autres éléments) ; etc. Tel qu'utilisé ici dans la description et dans les revendications, "ou" doit être compris de manière inclusive. Telle qu'elle est utilisée dans la présente description et dans les revendications, l'expression "au moins un", en référence à une liste d'un ou de plusieurs éléments, doit être comprise comme signifiant au moins un élément choisi parmi un ou plusieurs éléments de la liste d'éléments, mais n'incluant pas nécessairement au moins un de chaque élément spécifiquement énuméré dans la liste d'éléments et n'excluant pas toute combinaison d'éléments dans la liste d'éléments. Cette définition permet également la présence facultative d'éléments autres que les éléments spécifiquement identifiés dans la liste des éléments auxquels l'expression "au moins un" fait référence, qu'ils soient liés ou non à ces éléments spécifiquement identifiés. Ainsi, à titre d'exemple non limitatif, "au moins l'un de A et B" (ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A ou B", ou, de manière équivalente, "au moins l'un de A et/ou B") peut se référer, dans un mode de réalisation, à au moins un, incluant éventuellement plus d'un, A, sans B présent (et incluant éventuellement des éléments autres que B) ; dans un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B, sans A présent (et comprenant éventuellement des éléments autres que A) ; dans encore un autre mode de réalisation, à au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, A, et au moins un, comprenant éventuellement plus d'un, B (et comprenant éventuellement d'autres éléments) ; etc. Dans les revendications, ainsi que dans la description ci-dessous, toutes les expressions transitoires telles que "comprenant", "incluant", "portant", "ayant", "contenant", "impliquant", "tenant", "composé de", et autres, doivent être comprises comme étant ouvertes, c'est-à-dire comme signifiant incluant mais non limité à. Seules les expressions transitoires "consistant en" et "consistant essentiellement en" doivent être comprises comme des expressions transitoires fermées ou semi-fermées, respectivement. Le premier mode de réalisation particulier d’un microscope sonde Raman 10 objet de l’invention, illustré en figures 1 à 3 comporte, montés sur un boîtier 11 étanche à la lumière, trois collimateurs 12, 13 et 14 portant respectivement des adaptateurs mécaniques 22, 23 et 24, de fibres optique, un objectif 15 et un tube optique 16 reliée par ailleurs, à une caméra électronique 17. Les collimateurs 12 et 13 ont des axes optiques 42 et 43 parallèles. Le collimateur 24 et l’objectif 15 possède le même axe optique 44, dans le même plan que les axes optiques 42 et 43 et perpendiculaire à ces axes optiques 42 et 43. La caméra 17 et le tube optique 16 possèdent un axe optique 46 dans le même plan que les axes optiques 42 et 43 et perpendiculaire à ces axes optiques 42 et 43. A l’intérieur du boîtier 11, se trouvent, à l’intersection des axes optiques 42 et 46, un cube diviseur de faisceau 18, à l’intersection des axes optiques 43 et 44, la surface semi-réfléchissante d’un miroir dichroïque 19 et un miroir 20 mobile entre une première position (à gauche en ) où sa surface réfléchissante est à l’intersection des axes optiques 42 et 44 et une deuxième position intermédiaire entre la première position et le cube diviseur de faisceau 18, dans laquelle il ne fait pas obstacle à la lumière sortant de l’objectif 15. La flèche 21 représente l’amplitude du mouvement pouvant être réalisé par le miroir mobile 20. Toutes les surfaces réfléchissantes sont disposées dans un plan perpendiculaire au plan des axes optiques 42, 43, 44 et 46 et à 45° de ces axes optiques. Les collimateurs 12, 13 et 14 comportent des lentilles convergentes, respectivement 26, 27 et 29, par exemple des lentilles plan-convexes, centrées sur leurs axes optiques 42, 43 et 44. Le collimateur 13 comporte, sur son axe optique 43, un filtre passe-bande 35, qui ne laisse passer que la longueur d’onde du laser et « nettoie » la lumière du laser. En effet, si le laser n'est pas "propre" (single mode), il y a des longueur d'ondes parasites proches de la longueur d’onde du laser qui ajoutent du bruit au signal. Le collimateur 14 comporte un filtre passe-haut 36, qui ne laisse passer que les longueurs d'onde plus élevées que celle du laser. La lumière intense du laser est ainsi filtrée et la fibre optique 44 ne collecte que la lumière diffusée par effet Raman. Les dimensions du boîtier 11 sont, par exemple, de L = 90 mm. et H1 = 75 mm., les collimateurs 12, 13 et 14 dépassent du boîtier d’une distance de H3 = 35 mm et le tube optique 16 dépasse du boîtier 11 d’une hauteur H2 = 65 mm. Concernant le mécanisme mettant en mouvement le miroir mobile 20, ce miroir 20 est placé sur un chariot qui glisse sur quatre tiges fixes en métal inoxydable parallèles à l’axe optique 42. Une tige fixée au chariot, en dehors du parallélépipède rectangle défini par les tiges fixes, permet de le déplacer manuellement d’une position à l’autre. Dans la configuration illustrée en , le miroir mobile 20 est dans sa position sur l’intersection des aces optiques 42 et 44. L’adapteur mécanique 22 relie une fibre optique 32 au collimateur 12. La fibre optique 32 véhicule de la lumière dans le spectre de sensibilité de la caméra 17, par exemple de la lumière blanche. Le chemin utile de la lumière provenant de la fibre optique 32 passe à travers le cube diviseur de faisceau 18, se réfléchit sur le miroir mobile 20, traverse l’objectif 15 et atteint l’échantillon 25. La lumière émise ou réfléchie par l’échantillon 25 traverse l’objectif 15, se reflète sur le miroir mobile 20 se reflète sur la surface semi-réfléchissante interne du cube diviseur de faisceau 18, traverse le tube optique 16 et atteint la caméra électronique 17. Dans cette configuration, le microscope-sonde 10 sert de microscope. Dans la configuration illustrée en , le miroir mobile 20 est dans sa position écartée de l’axe optique 44. L’adapteur mécanique 23 relie une fibre optique 33 au collimateur 13. La fibre optique véhicule un rayon laser. L’adapteur mécanique 24 relie une fibre optique 34 au collimateur 14. La fibre optique est, à son autre extrémité, reliée à un spectromètre (non représenté). Le chemin utile de la lumière provenant de la fibre optique 33 se réfléchit sur le miroir dichroïque 19, traverse l’objectif 15 et atteint l’échantillon 25. La lumière émise ou réfléchie par l’échantillon 25 traverse l’objectif 15, traverse le miroir dichroïque 19 et le collimateur 14 pour pénétrer dans la fibre optique 34. Le miroir dichroïque 19 est choisi de sorte à correspondre à la longueur du laser d'excitation Raman véhiculée par la fibre optique 33. Par exemple, pour un laser d'excitation émettant à la longueur d’onde de 532 nm (laser vert), le miroir dichroïque 19 réfléchit la lumière du laser (532 nm) et laisse passer toute longueur d'onde plus élevée (en général, quelques nanomètres de plus, dans ce cas-là. Par exemple, un filtre de très haute qualité laisse passer les longueurs d'onde supérieures à 538 nm). Ainsi, on élimine de la lumière provenant de l’échantillon 25, la lumière du laser et on ne collecte que la lumière diffusée par effet Raman par l'échantillon 25. Selon un deuxième exemple, le miroir dichroïque réfléchit la lumière du laser émettant à la longueur d’onde de 785 nm (laser rouge) et laisse passer toute longueur d'onde plus élevée (par exemple de longueur d'onde supérieure à 795 nm). Dans cette configuration de la , le microscope-sonde 10 sert de sonde Raman. Dans son deuxième mode de réalisation illustré en , le microscope-sonde Raman 30 objet de l’invention comporte les mêmes éléments que dans le microscope-sonde Raman 10, si ce n’est que le miroir mobile 20 est remplacé par un cube séparateur de faisceau 28 dont la surface semi-réfléchissante est à l’intersection des axes optiques 42 et 44. Les adaptateurs 22, 23 et 24, relient les collimateurs 12, 13 et 14, à des fibres optiques 32, 33 et 34. Lorsque de la lumière entre dans le collimateur 12 en provenance de la fibre optique 32, sa partie utile suit le chemin optique décrit en regard de la . Lorsque de la lumière entre dans le collimateur 13 en provenance de la fibre optique 33, sa partie utile suit le chemin décrit en regard de la . Ainsi, les deux sources de lumière peuvent être utilisées simultanément, pour les réglages de la zone de l’échantillon 25 à observer : la lumière blanche du collimateur 12 éclaire et rend l'échantillon 25 visible par la caméra 17. La lumière issue du collimateur 12 permet de voir la partie de l'échantillon qui sera véritablement irradié par le laser, donc, la partie qui sera analysée par Raman. Une fois que la zone d’observation (en anglais « spot ») est correctement positionnée, on éteint la lumière blanche pour qu'il n'y ait aucune interférence avec l’analyse Raman. Dans son troisième mode de réalisation illustré en , le microscope-sonde Raman 40 objet de l’invention comporte les mêmes éléments que dans le microscope-sonde Raman 30, si ce n’est que les cubes séparateurs de faisceau 18 et 28 sont remplacés par un parallélépipède rectangle 38 doublement diviseur de faisceau. L'avantage d'utiliser un parallélépipède rectangle 38 doublement diviseur de faisceau au lieu de deux cubes diviseurs de faisceau 18 et 28 est que, entre les deux surfaces des obliques, il n'y a aucun phénomène de réflexion, ou d'interférences induite entre les faisceaux réfléchis et qui font des aller-retour entre les deux surfaces perpendiculaires à l’axe optique 42 des cubes 18 et 28. Le faisceau réfléchi à l'intérieur de la première surface réflectrice à 45° du parallélépipède rectangle 38 doublement diviseur de faisceau (équivalent du premier cube 28) poursuit son chemin optique jusqu'à la seconde surface réflectrice à 45° (équivalent du cube 18), sans réflexion ni risque d’interférence. De plus, avec le parallélépipède rectangle 38 doublement diviseur de faisceau, le problème d'alignement des cubes 18 et 28 ne se pose pas. Les chemins optiques sont identiques à ceux décrits en regard de la . Dans son quatrième mode de réalisation illustré en , le microscope-sonde Raman 50 objet de l’invention comporte les mêmes éléments que dans le microscope-sonde Raman 30, si ce n’est qu’il n’y a pas de collimateur 12 et que le cube séparateur de faisceau 18 est remplacé par un miroir 39. La lumière issue de la fibre optique 33 traverse le collimateur 13, se réfléchit sur le miroir dichroïque 19, traverse le cube séparateur de faisceau 28 et l’objectif 15 pour atteindre l’échantillon 25. La lumière émise ou réfléchie par l’échantillon 25 traverse l’objectif 15 avant d’être séparée en deux parties par le cube séparateur de faisceau 28. Une première partie de cette lumière traverse ce cube 18 puis le miroir dichroïque 19, avant d’atteindre le collimateur 14 puis la fibre optique 34. Une deuxième partie de cette lumière se reflète sur la surface semi-réfléchissante du cube séparateur de faisceau 28 puis sur le miroir 39 et atteint la caméra 17 par l’intermédiaire du tube optique 16. La représente le chemin optique dans un quatrième mode de réalisation d’un microscope sonde Raman objet de l’invention incorporant deux collimateurs, un cube diviseur de faisceau, un miroir dichroïque et un miroir. Dans ce mode de réalisation, il n’y a pas de collimateur 12 et le cube séparateur de faisceau 18 du premier mode de réalisation est remplacé par un miroir 39. La lumière diffusée par l’échantillon 25, issue de l'excitation du laser, peut ainsi être vue par la caméra 17. L’idée de concevoir un microscope Raman miniature est venue suite à la demande d’un laboratoire universitaire Américain de leur vendre un tel instrument. Le microscope Raman est une notion qui existe depuis des décennies et des unités sont manufacturés et vendus. Le chalenge dans cette entreprise est de réaliser un microscope Raman compact au point qu’il peut être incorporé à l’intérieur d’expériences complexes ou dans des milieux dangereux, comme par exemple dans une boite à gants biologique. On donne, ci-dessous, d’autres caractéristiques de modes de réalisation et de variantes du microscope-sonde Raman objet de l’invention. En cet appareil, il y a la combinaison de deux instruments différents : un microscope optique de hautes qualité et performance comportant une caméra numérique (au lieu d’un oculaire standard) et une sonde Raman pouvant collecter la lumière diffusée par l’effet Raman tout en bloquant la lumière excitatrice et très intense du laser. L’opérateur a la possibilité d’utiliser l’appareil en mode Raman (collecte du signal Raman) ou en mode microscope optique pour pouvoir sélectionner la partie précise à analyser en utilisant l’affichage de la vidéo sur un écran numérique. On peut ainsi analyser des échantillons aussi petits que quelques dizaines de micromètres. Du point de vue optique, il y a la superposition de deux chemins optiques : l’un propre au microscope, l’autre (excitation et diffusion) propre au phénomène Raman. Selon une variante du premier mode de réalisation, on remplace le cube diviseur de faisceau par une lame diviseuse de faisceau (en anglais « Plate beam Splitter »), ou miroir semi-réfléchissant. Un avantage des modes de réalisation 30 et 40 est que la lumière blanche et le laser peuvent éclairer en même temps l’échantillon 25. Donc, en même temps on peut avoir le signal Raman de la partie de l’échantillon visée. Ainsi, un réglage beaucoup plus interactif est possible. Une fois les réglages optimisés, la source de lumière blanche (fibre optique 32) est éteinte et les mesures sans lumière parasite sont effectuées. La présente invention vise à remédier à tout ou partie des inconvénients de l’art antérieur. À cet effet, selon un premier aspect, la présente invention vise un dispositif de Microscope-sonde Raman miniature, qui combine deux instruments différents : - un microscope optique de haute qualité et haute performance comportant une caméra numérique et - une sonde Raman pouvant collecter la lumière diffusée par l’effet Raman tout en bloquant la lumière excitatrice et très intense d’une source laser, de telle manière qu’un opérateur peut utiliser le microscope-sonde en mode Raman ou en mode microscope optique pour sélectionner une partie précise à analyser en mode Raman, en utilisant l’affichage du signal vidéo issu de la caméra sur un écran numérique.