Optimization of point spread function of a high numerical aperture objective lens : application to high resolution optical imaging and fabrication

par Qinggele Li

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Ngoc Diep Lai.

Soutenue le 15-12-2014

à Cachan, Ecole normale supérieure , dans le cadre de École doctorale Sciences pratiques (1998-2015 ; Cachan, Val-de-Marne) , en partenariat avec Laboratoire de Photonique Quantique et Moléculaire (laboratoire) .

Le jury était composé de Isabelle Ledoux-Rak, Henri Benisty, Luc Museur.

Les rapporteurs étaient Jérôme Plain, Denis Gindre.

  • Titre traduit

    Optimisation du spot de focalisation d'un objectif de microscope de grande ouverture numérique : applications à l'imagerie optique à super-résolue et à la nanofabrication


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur la caractérisation et l'optimisation du spot de focalisation d'un objectif de microscope de grande ouverture numérique pour des applications d'imagerie super-résolue et de nanofabrication.Dans la première partie, nous avons systématiquement étudié les distributions de polarisation et d'intensité du faisceau laser dans la région du point focal en fonction de différents paramètres du faisceau incident tels que la phase, la polarisation, l’amplitude ainsi que l'influence du milieu de propagation, tel que l’indice de réfraction. Nous avons mis en oeuvre différentes méthodes théoriques pour contrôler et manipuler les distributions de polarisation et d'intensité du spot de focalisation. Ces prédictions théoriques sont vérifiées expérimentalement via un système optique confocal en mesurant l’image de fluorescence d’une nanoparticule d’or pour différentes caractéristiques.Dans la seconde partie de ce travail, une nouvelle microscopie basée sur le mécanisme d'absorption ultra-faible à un photon a été démontré théoriquement et expérimentalement. Le calcul théorique basé sur l'approche vectorielle de Debye, qui prend en compte l'effet d'absorption du matériau, montre qu'il est possible de focaliser le faisceau lumineux en profondeur à l'intérieur d'un matériau si celui-ci présente une absorption linéaire ultra-faible à la longueur d'onde d'excitation. Cette méthode, dite (LOPA), a ensuite permis de fabriquer des structures 2D et 3D submicrométriques, similaires à celles obtenues par la méthode utilisant l’absorption à deux photons.


  • Résumé

    Nowadays, far field optical microscopy is widely used in many fields, for fundamental research and applications. The low cost, simple operation, high flexibility are its main advantages. The key parameter of an optical microscope is the objective lens.This thesis's work focuses mainly on the characterization and optimization of the point spread function (PSF) of a high numerical aperture (NA) objective lens (OL) for applications of high resolution imaging and nano-fabrication.In the first part of the thesis, we have systematically investigated the dependency of polarization and intensity distributions of the focusing spot on numerous parameters, such as the phase, the polarization, and the beam mode of incident beam, as well as the refractive index mismatch. Then, we demonstrated theoretically different methods for manipulation of the polarization and intensity distributions of the focusing spot, which can have desired shapes and are useful for different applications. By using a home-made confocal microscope, we have experimentally verified some of the theoretical predictions, for example, vector properties of light beam under a tight focusing condition. In the second part of dissertation work, a new, simple and inexpensive method based on the one-photon absorption mechanism has been demonstrated theoretically and experimentally for 3D sub-micrometer imaging and fabrication applications. The theoretical calculation based on vectorial Debye approximation and taken into account the absorption effect of material shows that it is possible to focus the light tightly and deeply inside the material if the material presents a very low one-photon absorption (LOPA) at the excitation wavelength. We have then demonstrated experimentally that the LOPA microscopy allows to achieve 3D imaging and 3D fabrication with submicrometer resolution, similar to those obtained by two-photon absorption microscopy.


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