Comparaison des mesures optiques et atomiques de la diver- diver-gencediver-gence

Le dispositif de mesure optique employ´e est rep´esent´e sch´ematiquement sur la figure 2.9.

Pour observer la distribution angulaire d’intensit´e ´elise par ces structures, nous avons d´evelopp´e un premier dispositif simple `a l’aide de notre cam´era CCD.

Dispositif de mesure optique

f

x source laser

fibre optique monomode

lentille polariseur

θ translation

Fig. 2.9: Premier dispositif de mesure de la distribution angulaire

Le dispositif de mesure est sch´ematis´e sur la figure L’objectif de la cam´era CCD est mis au point `a l’infini. Ainsi, tous les rayons formant un angle θ par rapport `a l’axe optique sont focalis´es `a une distance x du centre du capteur, avec la relation simple x= sinθ/f o`uf est la longueur focale de l’objectif.

Pour les motifs `a une dimension (fentes et sillons), on peut int´egrer le signal selon l’axe de la fente. L’alignement de la cam´era par rapport `a l’axe optique est r´ealis´e en superposant les r´eflexions du faisceau laser incident sur les diff´erents dioptres de l’objectif. Si ce dispositif `a l’avantage de la simplicit´e et d’une grande sensibilit´e, il pr´esente cependant quelques inconv´e-nients :

– une grande sensibilit´e aux sources de lumi`eres parasites qui sont imag´ees et viennent interf´erer sur le capteur avec la source ´etudi´ee.

2.4. Imagerie de champs issus de structures sub-longueur d’onde 131

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Fig. 2.10: Principe de la mesure de l’angle d’´emission

– comme on travaille en lumi`ere coh´erente, tous les d´efauts ´eventuels dans l’objectif (pous-si`eres...) produisent des figures d’interf´erences ´etendues sur le capteur.

– on a utilis´e des objectifs de 50 et 90 mm de focale. Le capteur CCD fait 3/4^′′×3/4^′′, soit 19×19 mm². On en d´eduit l’angle maximal mesurable,θ= 11^◦, avec la focale de 50 mm.

Comparaison des r´esultats

Les mesures de distributions angulaires ´evalu´ees par la m´ethode optique et la m´ethode de microscopie atomique sont donn´ees dans la figure 2.4.4. La mesure atomique est obtenue en r´ealisant une image du faisceau `a grande distance de la source (10 mm), si on consid`ere qu’on a une source ponctuelle, l’´ecart `a l’axe optique donne directement la divergence. On a une tr`es bonne concordance entre les profils angulaires d´eduits de l’imagerie par microscopie de fluorescence et par la m´ethode optique.

A partir de ces mesures, on peut ´evaluer la divergence en fonction du nombre de sillons` (voir figure 2.4.4). Tout se passe comme si l’ensemble de la structure ´emettait de la lumi`ere, c’est `a dire que la divergence est la mˆeme que pour un trou de la mˆeme taille que l’ensemble de la structure. En plus de ces donn´ees g´eom´etriques, les conditions exp´erimentales d’acquisition de ces images permettent de d´eduire un ordre de grandeur pour le taux de transmission de ces ouvertures.

Taux de transmission

On a en effet vu que la puissance du laser employ´ee ´etait la puissance maximale telle que le r´egime d’interaction reste lin´eaire. L’intensit´e maximale du champ produit par l’ouverture est donc de l’ordre de l’intensit´e de saturation. Sur les images obtenues sur la figure 2.4.2, la section transverse du faisceau produit par l’ouverture au maximum d’intensit´e peut ˆetre estim´ee

`a 20 µm×50µm = 10³ µm², et l’intensit´e maximale doit ˆetre de l’ordre de l’intensit´e effective de saturation, telle que d´etermin´ee au paragraphe I-3.2.2, environ 5 mW.cm⁻². La puissance totale dans le faisceau est donc de l’ordre de 50 nW. D’autre part, ces images ont ´et´e r´ealis´ees avec une intensit´e laser incidente sur l’ouverture de 5 W.cm⁻², et la surface de l’ouverture vaut

1.0

Fig. 2.11: Comparaisons des mesures de profil angulaire obtenues par micro-scopie de fluorescence et par le dispositif pr´esent´e ci-dessus. En gris : donn´ees atomique, en noir : donn´ees optiques. Seule l’intensit´e a ´et´e normalis´ee pour pouvoir superposer ces donn´ees, les deux calibrages de l’angle sont ind´epen-dant.

2.5. Conclusion 133

Fig. 2.12: Divergence (plein angle `a mi-hauteur) en fonction du nombre de sillons, m´ethodes optiques et atomiques. Cercles ouverts : mesure atomique, carr´es plein : mesure optique. Trait plein : ajustement des donn´ees optiques par une fonctiona/N;a= 0,8. Les divergences des figures de diffraction asso-ci´ees `a des ouvertures de largeurs ´egales `a l’extension spatiale des structures donneraient une constante a= 0,9

0,1×50 µm², la puissance incidente sur la surface de la fente vaut donc 250 nW. Un cinqui`eme de la puissance incidente a donc ´et´e transmise dans le faisceau propageant,T ≃0,2, comme on peut en outre le mesurer directement en champ lointain.

2.5 Conclusion

La m´ethode d´emontr´ee ici permet d’obtenir une vue d’ensemble de champs structur´es `a une

´echelle microscopique et `a des ´echelles m´esoscopiques de la source. Les contraintes m´ecaniques du dispositif exp´erimental, et la faiblesse du signal de fluorescence (de l’ordre de 1 coup par seconde par pixel sur le d´etecteur) dans le r´egime lin´eaire ne nous ont pas permis de pousser cette technique `a la limite de r´esolution th´eorique de 5µm. La quantit´e importante de lumi`ere diffus´ee par la source et par les d´efauts de surface gˆene en outre l’analyse du champ sur les premier microm`etres de propagation. Une augmentation du flux atomique permettrait d’augmenter le grossissement du microscope (en rempla¸cant l’objectif de 90 mm par une lentille de 200 mm) et de meilleurs rapports signal sur bruit, ce qui am´eliorerait la qualit´e des d´etails du champ imag´e.

Ces premi`eres exp´eriences d’interaction entre des champs optiques issus de structures sub-longueur d’onde nous auront permis une premi`ere approche de ces ´el´ements optiques. Nous avons notamment appris les pr´ecautions `a prendre lors de leur la manipulation,<sup>28</sup> et leur stabilit´e `a l’atmosph`ere. Les grandeurs utiles d´eduites de ces mesures (transmission et divergences) sont des caract´eristiques du champ lointain, et peuvent aussi ˆetre obtenues par des mesures purement optiques. Pour approfondir notre ´etude nous avons donc mis en place plusieurs dispositifs de caract´erisation des champs lointains produits. Ceux-ci sont d´ecrits dans les chapitres suivants.

28Les films d’argents sont tr`es sensibles `a l’humidit´e et il est important de les manipuler avec des gants.

Chapitre 3

Ouvertures d´ ecor´ ees par des motifs