Réalisation et validation d'un microscope optique en champ proche à faibles artefacts optiques. Apport d'un éclairage isotrope et d'une source à effet Raman

Realization and validation of a low-optical artefact near-field optical microscope using an isotropic illumination and a Raman source

• Auteur / Autrice : Christophe Vannier
• Direction : Daniel Courjon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences pour l'ingénieur
• Date : Soutenance en 2002
• Etablissement(s) : Besançon
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Franche-Comté. UFR des sciences et techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Raman, Effet augmenté en surface

Artefacts (sciences physiques)

Microscopie en champ proche

Résumé

L'imagerie optique en champ proche, née il y a une vingtaine d'années, ne cesse de voir le nombre de ses applications augmenter avec la quête constante de miniaturisation et le désir de disposer de méthodes d'observation non-invasives. Cependant, dans la plupart des cas, l'observation du monde nanométrique s'accompagne, à cette échelle, de l'apparition d'artéfacts optiques qui, bien qu'ils traduisent de réels phénomènes d'interaction entre la lumière et la matière, rendent encore plus difficile l'interprétation des images obtenues en champ proche optique. Nous avons donc tenté de répondre aux attentes des microscopistes, quelle que soit leur formation, en identifiant d'une part les paramètres géométriques et ondulatoires responsables de ces phénomènes et, d'autre part, en proposant des solutions technologiques simples permettant de réduire fortement l'apparition d'artéfacts optiques pendant la formation des images en champ proche. Pour cela, nous avons développé un microscope de type STOM en réflexion totale interne dont l'éclairage isotrope est assuré au moyen d'une nappe conique lumineuse obtenue après réfraction dans un axicon. La détection du champ évanescent, dans le proche voisinage de l'objet, est rendue possible par la mise en œuvre d'une tête autonome dont le détecteur est une sonde collectrice de dimension nanométrique. Les sources laser couramment utilisées dans de telles architectures de microscope ont été remplacées par une source quasi-polychromatique, incohérente et dépolarisée, obtenue par diffusion Raman stimulée dans une fibre optique. La validation de ce nouveau microscope, baptisé I2STOM, a tout d'abord conduit à l'observation d'échantillons diélectriques de calibration, puis de nanostructures métalliques aléatoires dont les images étaient aisément interprétables. Enfin, de manière à élargir le champ de ses applications potentielles, le fonctionnement du microscope a été testé avec succès dans des conditions sévères d'utilisation, par exemple lors de l'observation de couches cellulaires vivantes en milieu aqueux.

The 20-year-old near-field optical microscopy has under gone an ever increasing number of potential applications due to the miniaturization and non-invasive method requirement. However the observation at a nanometre scale of the interactions between light and matter leads to optical artefacts which make even more difficult the optical near-field image analysis. We have tried to fulfil the expectations of microscopists, whatever their training, firstly by identifying the geometrical and wave aspects leading to these phenomena, and secondly by proposing simple technological solutions allowing the reduction of artefacts during the formation of optical images. A new microscope based on STOM illumination in total internal reflection has been developed. The refraction through an axicon ensures an isotropic lighting. Thanks to an electronic shear-force feedback, the detection of the evanescent field is ensured by the use of a stand-alone microscope head whose local probe is a nanometric collecting optical fibre tip scanned in the vicinity of the sample. Since the usual laser sources are unsuitable for our aim, we have replaced them by a quasi-polychromatic, incoherent and depolarized source built by stimulated Raman scattering within an optical fibre. The validation of this new microscope, called I2STOM, firstly led to the observation of dielectric calibration samples and to that of random metal nanostructures whose images were strongly correlated to the topography of the considered objects. Finally, in order to widen the field of the potential applications of such a tool, critical conditions of use have been successfully tested during the observation of living epithelial cells in aqueous medium.