FR3144659A1

FR3144659A1 - Dispositif et procédé d’analyse par spectroscopie Brillouin

Info

Publication number: FR3144659A1
Application number: FR2214695A
Authority: FR
Inventors: Jean-Charles BARITAUX; Pierre Bouvet
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 2022-12-30
Filing date: 2022-12-30
Publication date: 2024-07-05

Abstract

Dispositif (1) d’observation d’un échantillon comportant : une source de lumière (10) :un objectif (13) ;une fibre optique multimode (15) ;un élément de dispersion optique (18) configuré pour permettre une dispersion angulaire de la lumière transmise par l’objectif en fonction de la longueur d’onde ; un capteur d’image (19), configuré pour former une image de la lumière dispersée par l’élément de dispersion optique, une unité de traitement (30), configurée pour cumuler l’intensité détectée sur des pixels le long de chaque ligne isofréquence, de façon à obtenir un spectre fréquentiel, en prenant en compte la forme courbée de chaque ligne isofréquence. Figure 6A.

Description

Dispositif et procédé d’analyse par spectroscopie Brillouin

La spectroscopie Brillouin est une technique de spectroscopie laser permettant de sonder les propriétés opto-mécaniques d’échantillons à des fréquences de l’ordre du GHz. Elle repose sur l’effet de diffusion inélastique Brillouin apparaissant dans un échantillon illuminé par un faisceau laser. La diffusion inélastique se traduit par un changement de fréquence , lié à la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans l’échantillon.

Le changement de fréquence est tel que ,

où :

est la longueur d’onde du laser dans le vide ;
l’indice de réfraction du matériau ;
la vitesse du son dans le matériau ;
est l’angle de diffusion.

La diffusion Brillouin se traduit par l’apparition d’un doublet de pics aux fréquences dans le spectre de la lumière diffusée, où est la fréquence du faisceau laser. La position de chaque pic de diffusion Brillouin est représentative du module d’élasticité de l’échantillon, ce dernier étant lié à la vitesse du son dans l’échantillon par la relation , où est le module élastique longitudinal et la masse volumique. La largeur de ces pics renseigne sur l’atténuation du son dans l’échantillon selon la relation :

, où

est la largeur à mi-hauteur des pics Brillouin ;
est le coefficient d’atténuation acoustique.

Par exemple, lorsque l’échantillon est de l’eau, en utilisant un laser dans le proche infrarouge (780 nm, 3,8x10¹²Hz) on obtient une variation de fréquence 5,7 GHz de part et d’autre de la fréquence du laser .

Le décalage fréquentiel résultant de la diffusion Brillouin est faible, typiquement moins de 10 pm en longueur d’onde. Un spectromètre Brillouin typique doit présenter un pouvoir de résolution supérieur à 70.000. Un tel pouvoir de résolution est obtenu en utilisant un étalon Fabry-Perot tel un étalon VIPA (Virtually Images Phased Array). Un VIPA est un composant optique apparenté à étalon de Fabry-Perot qui permet d’obtenir à partir d’une distribution angulaire de faisceaux, une distribution spatiale de fréquence de ces faisceaux. Le VIPA est usuellement associé à une lentille et un capteur d’image. L’image formée sur le capteur d’image à travers la lentille permet de visualiser et de caractériser les pics spectraux séparés par le VIPA.

La spectroscopie confocale permet d’effectuer une cartographie tri-dimensionnelle d’une signature Brillouin dans des milieux biologiques. Par signature Brillouin, on entend la position et/ou la largeur des pics aux fréquences . La signature Brillouin est corrélée aux propriétés opto-mécaniques du système et peut ainsi marquer l’effet potentiel de stimuli extérieurs ou de pathologies.

Dans la plupart des dispositifs de l’art antérieur, la lumière se propage en espace libre, jusqu’au VIPA, ou bien est guidée par une fibre optique monomode. Ce choix permet de maximiser la résolution spatiale mais ne permet de collecter qu’un faible flux lumineux.

La publication Meng « Optimizing signal collection efficiency of the VIPA-based Brillouin spectrometer”, décrit un spectromètre Brillouin dans lequel une source de lumière laser illumine un échantillon. Cette publication décrit une configuration dans laquelle on a disposé une fibre optique multimode, en amont du VIPA. Il est cependant indiqué que le recours à une fibre optique multimode ne permet l’observation d’aucun pic de diffusion Brillouin.

Les inventeurs proposent un dispositif alternatif, permettant d’obtenir un signal exploitable d’intensité plus élevée que les dispositifs de l’art antérieur.

Un premier objet de l’invention est un dispositif d’observation d’un échantillon, configuré pour maintenir l’échantillon à une position d’observation, le dispositif comportant :

une source de lumière émettant un faisceau incident selon une longueur d’onde d’émission;
un objectif, configuré pour focaliser le faisceau incident vers la position d’observation, et pour collecter une lumière diffusée par l’échantillon sous l’effet d’une illumination de l’échantillon par le faisceau incident ;
une fibre optique multimode, couplée à l’objectif, agencée pour guider la lumière diffusée par l’échantillon;
un élément de dispersion optique, configuré pour permettre une dispersion angulaire de la lumière, résultant de la fibre optique multimode, en fonction de la fréquence ;
un capteur d’image configuré pour former une image de la lumière dispersée par l’élément de dispersion optique, le capteur d’image comportant des pixels, les pixels étant répartis en groupes de pixels, chaque groupe de pixels étant associé à une même valeur de fréquence ;
une unité de traitement, configurée pour former un spectre à partir de l’image formée par le capteur d’image, le spectre étant un histogramme des intensités cumulées des pixels appartenant à un même groupe de pixel ;

le dispositif étant caractérisé en ce que :

le capteur d’image est configuré pour que chaque groupe de pixels s’étend selon une ligne isofréquence formant une courbe, une valeur de fréquence étant assignée à chaque ligne isofréquence;
l’unité de traitement est configurée pour cumuler l’intensité détectée sur des pixels le long de chaque ligne isofréquence, de façon à obtenir un spectre fréquentiel, en prenant en compte la forme courbée de chaque ligne isofréquence.

L’élément de dispersion optique peut notamment être un étalon de type Fabry-Perot.

Avantageusement, le diamètre de la fibre optique multimode est supérieur à 10 µm. Il peut être compris entre 10 µm et 500 µm, de préférence entre 20 µm et 200 µm.

Selon une possibilité,

le dispositif comporte une lentille destinée à focaliser la lumière, résultant de la fibre optique, selon un axe optique ;
l’élément de dispersion optique est incliné par rapport à l’axe optique, selon un angle d’inclinaison compris entre 0,5° et 10 °.

Le dispositif peut comporter une chambre d’extinction, comportant un gaz configuré pour absorber la lumière à la longueur d’onde d’émission.

Selon un mode de réalisation, la chambre d’extinction est interposée entre l’élément de dispersion optique et le capteur d’image.

Selon un autre mode de réalisation, l’élément de dispersion optique est interposé entre la chambre d’extinction et le capteur d’image.

Selon une possibilité :

la forme courbée de chaque ligne isofréquence est paramétrée par des paramètres prédéterminés ;
l’unité de traitement est reliée à une mémoire, comportant lesdits paramètres.

L’unité de traitement peut être programmée pour ajuster la valeur des paramètres de la forme courbée d’une ligne isofréquence ou de chaque ligne isofréquence par une analyse de l’image formée par le capteur d’image.

Un deuxième objet de l’invention est un procédé de formation d’un spectre fréquentiel d’une lumière diffusée par un échantillon, à l’aide d’un dispositif selon le premier objet de l’invention, le procédé comportant :

disposition de l’échantillon au niveau de la position d’observation définie par le dispositif ;
illumination de l’échantillon par la source de lumière du dispositif et acquisition d’une image de la lumière par le capteur d’image du dispositif, l’image comportant des lignes dites isofréquence courbes, s’étendant transversalement à un axe de dispersion angulaire, à chaque ligne isofréquence étant assignée une valeur de fréquence ;
à l’aide de l’unité de traitement du dispositif, cumul de l’intensité détectée sur des pixels le long de chaque ligne courbe, de façon à obtenir le spectre fréquentiel.

La forme courbée des lignes isofréquence peut être prédéterminée. Selon une possibilité,

la forme courbée est paramétrée par des paramètres, mémorisés dans l’unité de traitement;
le procédé comporte une étape d’ajustement de la valeur des paramètres à partir d’un traitement de l’image acquise par le capteur d’image.

La forme courbée peut être déterminée en mettant en œuvre un échantillon de calibration.

Un troisième objet de l’invention est un dispositif d’observation d’un échantillon, configuré pour maintenir l’échantillon à une position d’observation, le dispositif comportant :

une source de lumière émettant un faisceau incident selon une longueur d’onde d’émission;
un objectif, configuré pour focaliser le faisceau incident vers la position d’observation, et pour collecter une lumière diffusée par l’échantillon sous l’effet d’une illumination de l’échantillon par le faisceau incident ;
une fibre optique, couplée à l’objectif, agencée pour guider la lumière diffusée par l’échantillon;
un élément de dispersion optique, configuré pour permettre une dispersion angulaire de la lumière, résultant de la fibre optique, en fonction de la longueur d’onde ;
un capteur d’image configuré pour former une image de la lumière dispersée par l’élément de dispersion optique, le capteur d’image comportant des pixels, les pixels étant répartis en groupes de pixels, chaque groupe de pixels étant associé à une même valeur de fréquence ;
une unité de traitement, configurée pour former un spectre à partir de l’image formée par le capteur d’image, le spectre étant un histogramme des intensités cumulées des pixels appartenant à un même groupe de pixel ;

le dispositif étant caractérisé en ce que :

le dispositif peut comporte une chambre d’extinction, comportant un gaz configuré pour absorber la lumière à la longueur d’onde d’émission, la chambre d’extinction étant interposée entre l’élément de dispersion optique et le capteur d’image.

La fibre optique peut être multimode ou monomode.

Le dispositif selon le troisième objet de l’invention peut comporter des caractéristiques décrites en lien avec le premier objet de l’invention.

Un quatrième objet de l’invention est un procédé de formation d’un spectre fréquentiel d’une lumière diffusée par un échantillon, à l’aide d’un dispositif selon le troisième objet de l’invention, le procédé comportant :

disposition de l’échantillon au niveau de la position d’observation définie par le dispositif ;
illumination de l’échantillon par la source de lumière du dispositif et acquisition d’une image de la lumière par le capteur d’image du dispositif;
à l’aide de l’unité de traitement du dispositif, cumul de l’intensité détectée sur des pixels le long de chaque ligne, de façon à obtenir le spectre fréquentiel.

Le dispositif selon le quatrième objet de l’invention peut comporter des caractéristiques décrites en lien avec le deuxième objet de l’invention.

L'invention sera mieux comprise à la lecture de l'exposé des exemples de réalisation présentés, dans la suite de la description, en lien avec les figures listées ci-dessous.

FIGURES

La représente un dispositif selon l’invention selon un premier mode de réalisation.

La est un détail du dispositif schématisé sur la .

La représente un dispositif selon l’invention selon un deuxième mode de réalisation.

La est un détail du dispositif schématisé sur la .

La est un exemple d’image formée par le capteur d’image d’un dispositif selon l’invention.

La est un spectre fréquentiel résultant de l’image représentée sur la .

La représente deux spectres respectivement formés en considérant deux angles d’inclinaison différents du VIPA d’un dispositif selon l’invention.

La illustre l’inclinaison du VIPA.

La est une image résultant de l’utilisation d’un dispositif selon l’invention, en mettant en œuvre une fibre optique multimode de diamètre 25 µm.

La est un spectre obtenu à partir de l’image représentée sur la .

La est une image résultant de l’utilisation d’un dispositif selon l’invention, en mettant en œuvre une fibre optique multimode de diamètre 105 µm.

La est un spectre obtenu à partir de l’image représentée sur la .

La est une image résultant de l’utilisation d’un dispositif selon l’invention, en mettant en œuvre une fibre optique monomode de diamètre 5µm.

La est un spectre obtenu à partir de l’image représentée sur la .

La représente les principales étapes de mise en œuvre d’un procédé de formation d’un spectre de diffusion Brillouin en mettant en œuvre l’invention.

EXPOSE DE MODES DE REALISATION PARTICULIERS

La décrit un dispositif 1 tel que décrit dans la publication précédemment citée. Une source de lumière 10 produit un faisceau lumineux incident qui se propage à travers une lame demi longueur d’onde 10’, avant d’être réfléchie par un réflecteur 11 vers un échantillon S, à travers un cube séparateur 12 et un objectif 13. L’échantillon S est disposé sur un support 20, pouvant faire partie du dispositif. Une lame quart d’onde 12’ s’étend entre le cube séparateur et l’objectif 13. Le support 20 définit une position d’observation. L’échantillon S occupe la position d’observation. L’objectif 13 focalise le faisceau lumineux incident sur l’échantillon, à la position d’observation.

La lumière diffusée par l’échantillon S est renvoyée, par le cube séparateur 12, vers une fibre optique multimode 15, puis envoyée dans un système d’analyse 16. Ainsi, la fibre optique multimode est couplée à l’objectif 13, de façon à collecter une partie de la lumière diffusée par l’échantillon, sous l’effet de l’illumination par le faisceau incident.

Le système d’analyse comporte une chambre d’extinction 17, remplie d’un gaz destiné à absorber une partie de la lumière résultant de l’échantillon. La lumière résultant de la chambre d’extinction est propagée vers un étalon VIPA 18. Le VIPA est disposé en amont d’un capteur d’image 19. Le VIPA effectue une dispersion angulaire de la lumière résultant de la fibre optique, en fonction de la longueur d’onde. Ainsi, le VIPA permet une séparation spectrale de la lumière selon un axe de dispersion angulaire. Sur la , l’axe de dispersion angulaire est l’axe Y.

Dans ce dispositif, la fibre optique 15 est une fibre optique multimode. Le recours à une fibre optique multimode permet d’augmenter la quantité de lumière guidée entre l’échantillon et le capteur d’image. Ainsi, la fibre optique multimode 15 permet d’augmenter le flux lumineux atteignant le capteur d’image 19. De plus, le couplage de la lumière, diffusée par l’échantillon, dans une fibre optique multimode est simplifié par rapport à une fibre optique monomode. Cela facilite l’alignement du dispositif d’analyse 16 avec l’ensemble formé par l’objectif 13 et le cube séparateur 12 et augmente la stabilité d’un alignement dans le temps. Le diamètre de la fibre optique multimode est de préférence supérieur à 10 µm. Il peut être compris entre 10 µm et 500 µm. De préférence, le diamètre de la fibre multimode est compris entre 20 µm et 200 µm.

La chambre d’extinction 17 comporte un gaz sélectionné pour présenter une absorption élevée dans la bande spectrale d’émission de la source de lumière. Dans cet exemple, la bande spectrale d’émission est centrée autour de 780 nm (3.8 10¹²GHz). La chambre d’extinction comporte du Rubidium 85, présentant un pic d’absorption à la longueur d’onde de 780.24 nm. Les dimensions de la chambre d’extinction sont par exemple 75 mm (longueur) par 19 mm (diamètre).

La est une vue détaillée du dispositif d’analyse 16 représenté sur la . Le dispositif d’analyse 16 est disposé en aval d’une lentille L1 configurée pour focaliser le faisceau, réfléchi par le cube séparateur 12, vers un filtre passe-bande 15’centrée sur la longueur d’onde d’émission. Le filtre passe-bande 15’ est disposé en amont de la fibre optique multimode 15.

La lumière résultant de la fibre optique multimode 15 est relayée, par un système optique formé de deux lentilles (L2, L3), sur la chambre d’extinction 17. La lentille L2 permet une collimation de la lumière, tandis que la lentille L3 focalise la lumière sur une fenêtre d’entrée 18_fdu VIPA, selon un axe optique Δ. Dans cet exemple, la lentille L3 est une lentille cylindrique. La lumière débouchant de la chambre d’extinction est dirigée vers la fenêtre d’entrée 18_fdu VIPA. En sortie du VIPA, la lumière est séparée angulairement, en fonction de la longueur d’onde, par selon l’axe de séparation angulaire défini par le VIPA. En sortie du VIPA, la lumière se propage selon un angle, par rapport à l’axe optique Δ, dépendant de la fréquence. La lumière résultant du VIPA est alors focalisée vers le capteur d’image 19, par une lentille L4.

Dans la configuration représentée sur les figures 1A et 1B, l’étalon VIPA 18 est disposé en aval de la chambre d’extinction 17. Le terme aval est à interpréter selon le sens de propagation de la lumière. Une difficulté liée à cette configuration est que la cellule d’extinction 17 peut saturer, ce qui conduit à un éblouissement du capteur 19 par la lumière de la source de lumière 10. Le risque de saturation de la cellule d’extinction 17 est d’autant plus élevé que la fibre multimode 15 permet de guider une quantité de lumière pouvant être importante.

Les figures 2A et 2B représentent un mode de réalisation dans lequel le VIPA 18 est disposé en amont de la cellule d’extinction 17. Selon ce mode de réalisation, la lumière, séparée spectralement par le VIPA, passe à travers la chambre d’extinction 17 avant d’être focalisée par la lentille L4 sur le capteur d’image 19. Un tel agencement permet d’ajuster la quantité de lumière transmise dans la chambre d’extinction 17, en faisant varier l’inclinaison du VIPA. En effet, l’inclinaison du VIPA détermine la taille de la fenêtre d’entrée 18_fdu VIPA. En diminuant l’angle d’inclinaison α, la taille de la fenêtre d’entrée 18_fdiminue, ce qui peut permettre d’éviter une saturation de la cellule d’extinction 17. Selon la configuration représentée sur les figures 2A et 2B, l’ajustement de l’angle d’inclinaison α du VIPA permet d’atteindre un compromis entre l’intensité de la lumière transmise et la non saturation de la cellule d’extinction 17. Cela permet de former, au niveau du capteur d’image, un signal présentant un rapport signal sur bruit optimisé.

Comme précédemment évoqué, la fenêtre d’entrée 18_fdu VIPA a une taille définie par son inclinaison. La fenêtre d’entrée s’étend en général selon une hauteur de quelques centaines de µm. Le VIPA est incliné, par rapport à l’axe de optique Δ, d’un angle d’inclinaison α pouvant être compris entre 0.5° et 10°, de préférence entre 0.5° et 5°, par exemple autour de 1°. L’angle d’inclinaison α est défini comme l’angle entre l’axe optique Δ et la normale N au VIPA. Il définit une plage d’acceptance angulaire du VIPA.

Selon une possibilité, la lentille L2 peut être une lentille sphérique de collimation, et la lentille L3 est une lentille cylindrique focalisant dans le VIPA.

Les pixels du capteur d’image sont répartis selon des lignes et des colonnes. Dans cet exemple, les lignes des pixels sont alignées perpendiculairement à un axe de dispersion angulaire Y, selon lequel la lumière est spectralement distribuée en sortie du VIPA. A chaque ligne de pixels est assignée une valeur de fréquence : il s’agit de lignes dites isofréquences. Les colonnes sont alignées parallèlement à l’axe de dispersion angulaire défini par le VIPA. D’une façon plus générale, les pixels du capteur d’image sont répartis en différents groupes de pixels. Les pixels d’un même groupe sont associés à une valeur de fréquence. Du fait de la dispersion angulaire de la lumière dans le VIPA, les pixels d’un même groupe de pixels sont illuminés par une lumière à la fréquence associée au groupe de pixels. Dans cet exemple, les groupes de pixels sont des segments rectilignes, désignés par le terme « lignes isofréquence ».

La montre un exemple d’image acquise par le capteur d’image 19, selon une configuration telle que décrite sur les figures 1A et 1B. L’axe des abscisses correspond à l’axe de dispersion angulaire. L’axe des ordonnées correspond aux colonnes de pixels. L’image de la a été obtenue en utilisant une puissance laser de 10 mW et une durée d’acquisition de 1 seconde. L’échantillon était de l’éthanol. Le VIPA était en silice, l’épaisseur étant de 3.37 mm, l’angle d’inclinaison α étant de 1.5 °. Le capteur d’image utilisé possédait 512 x 512 pixels, le côté de chaque pixel étant de 16 µm. Le diamètre de la fibre optique multimode était de 25 µm – ouverture numérique de 0.1.

En cumulant les intensités des pixels de chaque ligne isofréquence (i-e les pixels situées le long d’une même ligne, transversalement à l’axe de dispersion angulaire), on peut former un spectre, tel que représenté sur la . Sur un tel spectre, l’axe des abscisses est lié à la fréquence associée à chaque ligne isofréquence de pixels et l’axe des ordonnées correspond à un cumul de l’intensité détecté par chaque pixel d’une même ligne isofréquence. Le spectre est un histogramme des intensités détectées par les pixels de chaque ligne isofréquence.

La formation du spectre à partir de l’image est réalisée par une unité de traitement 30. L’unité de traitement peut par exemple être un ordinateur programmé pour former le spectre à partir de chaque image, en prenant en compte la forme de chaque ligne isofréquence.

Sur la figure 3B, on observe différents ordres sur lesquels on distingue les pics de diffusion aux fréquences . Chaque ordre est matérialisé par une accolade. On observe que le dispositif permet d’obtenir des pics de diffusion exploitables, sous réserve d’une extinction suffisante de la lumière laser.

L’observation de différents ordres permet d’effectuer une calibration entre les lignes de pixels et des valeurs de fréquence. L’écart fréquentiel entre les pics respectifs de deux modes adjacents est connu. Cet écart fréquentiel dépend du VIPA utilisé, et plus précisément du FSR du VIPA. Le FSR (Free Spectral Range – Intervalle Spectral Libre) correspond à au plus petit intervalle fréquentiel entre deux faisceaux monochromatiques interférant au même lieu sur le détecteur.

Le FSR est tel que :

où est l’indice de réfraction du matériau formant le VIPA, est l’épaisseur du VIPA et est la vitesse de la lumière dans le vide.

Dans cet exemple, le FSR du VIPA est de 30 GHz. La calibration permet ainsi d’assigner une valeur de fréquence à chaque ligne de pixels.

Sur la figure 3B, on observe que le pic central, de fréquence , est suffisamment atténué pour permettre une observation nette des pics de diffusion à . Le décalage fréquentiel entre deux pixels successif était de 150 MHz. On obtient une largeur à mi-hauteur de chaque pic de diffusion Brillouin supérieure à 5 ou 6 pixels, ce qui permet une évaluation correcte de la largeur à mi-hauteur de chaque pic. On rappelle que la largeur à mi-hauteur d’un pic de diffusion permet d’estimer l’atténuation du son dans le matériau.

On note l’absence d’un pic significatif à la fréquence , le laser étant suffisamment atténué par la cellule d’absorption.

Sur les figures 4A et 4B, on a représenté l’influence de l’angle d’inclinaison du VIPA sur les spectres. Plus l’angle est faible, plus le nombre d’ordres visibles sur le spectre est faible, mais plus la dispersion spectrale est élevée. Sur la , la courbe a) correspond à un angle d’inclinaison faible et la courbe b) correspond à un angle d’inclinaison élevé.

Un autre essai a été effectué en utilisant successivement deux fibres optiques multimodes de différents diamètres, respectivement égaux à 25 µm et 105 µm. On a mis en œuvre le dispositif selon la configuration décrite sur les figures 1A et 1B. Les ouvertures numériques respectives des fibres multimodes étaient de 0.1 et 0.22. Pour les besoins de la démonstration l’échantillon était remplacé par une lampe à néon filtrée autour de la longueur d’onde 815 nm, le temps d’intégration étant de 60 secondes. Les figures 5A et 6A montrent les images formées par le capteur d’image en utilisant respectivement la fibre optique multimode de diamètre 25 µm et la fibre optique multimode de diamètre 105 µm. On observe que le recours à une fibre optique multimode, de grande ouverture numérique, se traduit par une déformation des lignes isofréquence : tandis que ces dernières sont rectilignes sur la (faible ouverture numérique), elles sont courbes sur la (forte ouverture numérique). Les figures 5B et 6B correspondent aux spectres obtenus respectivement sur la base des images représentées sur les figures 5A et 6A. Pour former le spectre représenté sur la , on a cumulé les intensités des pixels de lignes isofréquence courbes. La formation du spectre nécessite une prise en compte d’une forme courbe des lignes isofréquence, puis le cumul des intensités des pixels le long de chaque ligne isofréquence courbe.

Les figures 7A et 7B représentent l’image et le spectre obtenus en utilisant une fibre optique monomode à la place de la fibre optique multimode, sur le même échantillon, et en adoptant une même durée d’acquisition.

On observe que le recours à une fibre optique multimode permet d’augmenter la quantité de signal détecté, ce qui se traduit par une augmentation du rapport signal sur bruit des spectres de diffusion. Sur le pic le plus intense de la fibre monomode, la hauteur de pic est de 2500 coups (par rapport au fond sous le pic), tandis que la hauteur du pic le plus intense est de 25000 coups en utilisant la fibre multimode de diamètre 25 µm (cf. ) et de 200000 coups en utilisant la fibre multimode de diamètre 105 µm (cf. ). On observe que les pics obtenus avec les deux fibres multimodes présentent une bonne résolution spectrale. Ainsi, le recours à une fibre optique multimode de diamètre 105 µm permet d’obtenir des performances optimales en terme de résolution spectrale et de sensibilité. Cela suppose cependant une prise en compte de la forme courbée des lignes isofréquence lors de la formation du spectre.

Au niveau de l’échantillon, l’étendue spatiale du signal utile est généralement faible : le recours à une fibre de grand diamètre, typiquement supérieur à 500 µm, voire 200 µm, s’accompagne d’un risque de collecter une lumière parasite. De plus, une augmentation du diamètre de la fibre s’accompagne généralement d’une inclinaison plus importante du VIPA, de façon à augmenter la taille de la fenêtre d’entrée du VIPA. Cependant, plus l’angle d’inclinaison du VIPA augmente, plus la dispersion angulaire est faible. Il faut alors diminuer la taille des pixels du capteur d’image, de façon à pouvoir résoudre les lignes isofréquence.

Par ailleurs, lorsque le VIPA est disposé en amont de la chambre d’extinction, plus il est incliné, plus la quantité de lumière pénétrant dans la chambre d’extinction est importante, ce qui peut conduire à une saturation de la chambre d’extinction.

On comprend de ce qui précède que le dimensionnement du diamètre de la fibre multimode résulte d’un compromis, permettant d’optimiser le rapport signal sur bruit des lignes isofréquence formées sur l’image acquise par le capteur d’image.

La schématise les principales étapes d’un procédé permettant de caractériser un échantillon à l’aide d’un dispositif tel que précédemment décrit.

Etape 100 : disposition de l’échantillon face à l’objectif du dispositif, de façon que le faisceau incident, émis par la source de lumière, soit focalisé sur ou dans l’échantillon. Le dispositif est configuré pour maintenir l’échantillon à une position d’observation. L’objectif focalise le faisceau incident sur la position d’observation.

Etape 110 : illumination de l’échantillon et acquisition d’une image, par le capteur d’image, de la lumière dispersée angulairement par le VIPA.

Etape 120 : à partir de l’image acquise par le capteur d’image, formation d’un spectre représentant une distribution des intensités cumulées des pixels respectivement associés à la même valeur de fréquence. Le spectre est formé en prenant en compte, lors de la sommation des intensités des pixels d’une même ligne isofréquence, la forme de la ligne iso-fréquence, reliant les pixels associés à une même fréquence. La ligne peut être droite, en particulier lorsque la fibre optique est de faible diamètre, typiquement de 25 µm. Cependant, pour pouvoir disposer de performances optimales, il est avantageux d’utiliser une fibre optique multimode de plus grand diamètre et/ou de plus grande ouverture numérique. Avec ce type de fibre multimode, les lignes isofréquence formées sur le capteur d’image sont courbes. Cette étape est mise en œuvre en utilisant l’unité de traitement 30.

La forme courbée de chaque ligne isofréquence peut avoir été établie préalablement, et mémorisée dans une mémoire de l’unité de traitement 30. De façon alternative, la forme courbée peut être déterminée à partir de l’image acquise par le capteur d’image, par exemple en identifiant les pixels de même intensités.

Selon une possibilité, on dispose d’une forme prédéterminée de chaque ligne courbe, paramétrée par des paramètres. Par exemple, on considère que chaque ligne courbe décrit un arc de cercle, les arcs de cercles d’un même mode étant concentriques. Dans ce cas, le paramètre décrivant chaque ligne courbe est un rayon et la position du centre du cercle. Les paramètres peuvent être affinés en étant confrontés aux résultats d’un traitement de l’image acquise par le capteur d’image 19. Cela permet d’obtenir des paramètres plus précis, à partir de valeurs initiales théoriques. Bien que décrit en lien avec des cercles, le procédé peut être appliqué à d’autres formes courbes.

La forme de chaque ligne isofréquence courbe peut être prédéterminée en mettant en œuvre le dispositif sur des échantillons de calibration, dont la composition est connue.

L’invention pourra être mise en œuvre pour l’analyse d’échantillons, par exemple dans le domaine de la biologie, de l’astronomie et de la science des matériaux.

Claims

Dispositif (1) d’observation d’un échantillon, configuré pour maintenir l’échantillon à une position d’observation, le dispositif comportant :
une source de lumière (10) émettant un faisceau incident selon une longueur d’onde d’émission;

un objectif (13), configuré pour focaliser le faisceau incident vers la position d’observation et pour collecter une lumière diffusée par l’échantillon sous l’effet d’une illumination de l’échantillon par le faisceau incident ;

une fibre optique multimode (15), couplée à l’objectif, agencée pour guider la lumière diffusée par l’échantillon;

un élément de dispersion optique (18) configuré pour permettre une dispersion angulaire de la lumière, résultant de la fibre optique multimode, en fonction de la fréquence ;

un capteur d’image (19), configuré pour former une image de la lumière dispersée par l’élément de dispersion optique, le capteur d’image comportant des pixels, les pixels étant répartis en groupes de pixels, chaque groupe de pixels étant associé à une même valeur de fréquence ;

une unité de traitement (30), configurée pour former un spectre à partir de l’image formée par le capteur d’image, le spectre étant un histogramme des intensités cumulées des pixels appartenant à un même groupe de pixel ;
le dispositif étant caractérisé en ce que :
le capteur d’image est configuré pour que chaque groupe de pixel s’étende selon une ligne isofréquence formant une courbe, une valeur de fréquence étant assignée à chaque ligne isofréquence;

l’unité de traitement (30) est configurée pour cumuler l’intensité détectée sur des pixels le long de chaque ligne isofréquence, de façon à obtenir un spectre fréquentiel, en prenant en compte la forme courbée de chaque ligne isofréquence.
Dispositif selon la revendication 1, dans lequel l’élément de dispersion optique est un étalon de type Fabry-Perot.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le diamètre de la fibre optique multimode est supérieur à 10 µm.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
le dispositif comporte une lentille destinée à focaliser la lumière, résultant de la fibre optique, selon un axe optique (Δ);

l’élément de dispersion optique est incliné par rapport à l’axe optique, selon un angle d’inclinaison compris entre 0,5° et 10 °.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le dispositif comporte une chambre d’extinction (17), comportant un gaz configuré pour absorber la lumière à la longueur d’onde d’émission, la chambre d’extinction étant interposée entre l’élément de dispersion optique et le capteur d’image.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel dans lequel le dispositif comporte une chambre d’extinction (17), comportant un gaz configuré pour absorber la lumière à la longueur d’onde d’émission, l’élément de dispersion optique étant interposé entre la chambre d’extinction et le capteur d’image.
Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel :
la forme courbée de chaque ligne isofréquence est paramétrée par des paramètres prédéterminés ;

l’unité de traitement est reliée à une mémoire, comportant lesdits paramètres.
Dispositif selon la revendication 7, dans lequel l’unité de traitement est programmée pour ajuster la valeur des paramètres de la forme courbée d’au moins une ligne isofréquence par une analyse de l’image formée par le capteur d’image.
Procédé de formation d’un spectre fréquentiel d’une lumière diffusée par un échantillon (S), à l’aide d’un dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, le procédé comportant :
disposition de l’échantillon au niveau de la position d’observation définie par le dispositif ;

illumination de l’échantillon par la source de lumière et acquisition d’une image de la lumière par le capteur d’image du dispositif, l’image comportant des lignes dites isofréquences courbes, s’étendant transversalement à un axe de dispersion angulaire, à chaque ligne isofréquence étant assignée une valeur de fréquence ;

à l’aide de l’unité de traitement du dispositif, cumul de l’intensité détectée sur des pixels le long de chaque ligne courbe, de façon à obtenir le spectre fréquentiel.
Procédé selon la revendication 9, dans lequel la forme courbée des lignes isofréquence est prédéterminée.
Procédé selon la revendication 10, dans lequel :
la forme courbée est paramétrée par des paramètres, mémorisés dans l’unité de traitement;

le procédé comporte une étape d’ajustement de la valeur des paramètres à partir d’un traitement de l’image acquise par le capteur d’image.
Procédé selon l’une quelconque des revendications 10 ou 11, dans lequel la forme courbée est déterminée en mettant en œuvre un échantillon de calibration.