expérimentales s’écrit : PF (Ω) PB (Ω)= s αF αB SF (Ω) SB(Ω) (2.31)
Idéalement, la détection est limitée par le bruit de photons dont l’amplitude varie comme q
PLO = qαB/F Pi . Dans ce cas, d’après (2.31), le rapport signal à bruit est donc propor-tionnel à l’amplitude de diffusion SB/F. La constante de proportionnalité est indépendante de la configuration expérimentale, et ne dépend que de la puissance absorbée et de celle du faisceau sonde incident. Par conséquent, dans l’hypothèse d’une diffusion du champ sonde symétrique par rapport au plan focal, le RSB est identique dans les deux configurations, quelles que soient les valeurs de coefficients αB/F.
2.4 Dispositif expérimental
2.4.1 Montage optique
Fig. 2.4 : Dispositif d’imagerie photothermique hétérodyne.
Le montage optique (cf. Fig. 2.4) reprend les éléments essentiels du montage PIC. Il s’ins-pire d’un dispositif confocal à deux couleurs. Le faisceau excitateur est le faisceau diffracté dans l’ordre 1 par un modulateur acousto-optique dont l’onde acoustique est modulée en amplitude à une fréquence Ω/2π comprise entre 100 kHz et 20 M Hz. Ce faisceau est superposé au faisceau sonde à l’aide d’un miroir dichroïque et les deux faisceaux sont focalisés sur l’échantillon par un objectif à immersion de forte ouverture numérique (×100, ON = 1.4). Le faisceau excitateur est issu d’un laser Nd :YAG doublé émettant à 532 nm. Le laser de sonde est un laser He :Ne émettant à 632.8 nm. L’échantillon est monté sur un scanner piezo électrique qui permet de
Fig. 2.5 : Dispositif d’imagerie photothermique hétérodyne (PHI) : Montage optique (en haut). Microscope conçu par l’atelier de mécanique (en bas).
2.4 Dispositif expérimental 39
déplacer l’échantillon avec une précision de l’ordre de 10 nm par rapport à l’objectif de micro-scope, dont la position est fixe. Une boucle d’asservissement limite toute dérive du scanner au cours de l’acquisition d’une image, et a fortiori lorsque l’on mesure le signal en un point fixé de l’échantillon.
2.4.1.a Détection vers l’arrière.
Pour détecter le signal photothermique vers l’arrière (configuration B) on utilise la combinai-son d’une lame quart d’onde et d’un cube séparateur de polarisations. Le champ combinai-sonde, initiale-ment polarisé horizontaleinitiale-ment, est transmis par le cube séparateur de polarisations. A la sortie de la lame quart d’onde, sa polarisation est circulaire. Après réflexion au niveau de l’échantillon et une seconde traversée de la lame quart d’onde, le champ sonde (polarisé verticalement) est réfléchi par le cube vers une photodiode rapide reliée à une détection synchrone. La bande passante de la photodiode est de [30 kHz, 80 M Hz]. Un filtre coloré « passe-haut » ou un filtre laser adapté à la longueur d’onde de la sonde est utilisé pour rejeter toute trace du faisceau excitateur modulé. Sauf mention du contraire, il s’agit de la configuration utilisée pour les expériences présentées dans ce manuscrit.
2.4.1.b Détection vers l’avant.
La configuration F est particulièrement intéressante pour détecter des nano-objets qui ne se situent pas au voisinage d’une interface solide, capable de réfléchir efficacement le champ sonde, et en particulier pour des applications à des nano-objets situés dans le volume d’un échantillon épais. Afin de recueillir le signal photothermique vers l’avant, un second objectif de microscope à air (×40, ON = 0.8) est placé au dessus de l’échantillon. Un miroir dichroïque réfléchit uniquement le faisceau sonde contenant le signal photothermique vers une photodiode rapide reliée à une détection synchrone. Un bâti rigide, conçu et usiné à l’atelier de mécanique du CPMOH par Mr. Touati Douar (cf. Fig. 2.5), assure le déplacement micrométrique de cet objectif de collection indépendamment du premier objectif et du scanner supportant l’échantillon. Ce microscope, qui permet de travailler dans les deux configurations précitées est essentiellement utilisé pour des applications à la biologie dans le cadre de la thèse de David Lasne.
2.4.2 Acquisition des données
Le dispositif expérimental est piloté par une interface utilisant le logiciel Labview et une carte d’acquisition de données (NIDAQ de National Instruments) permettant le traitement ra-pide et la numérisation du signal photothermique analogique sortant de l’amplificateur à détection synchrone7. Cette carte dispose d’entrées et de sorties et permet de commander le scanner piezo-électrique via Labview en appliquant des tensions continues variables comprises entre 0 et 10V .
7
La détection synchrone extrait l’amplitude mais également la phase du signal photothermique. Sauf mention contraire, nous nous intéresserons par la suite uniquement à l’amplitude et non à la phase du signal photothermique.
Une première version du programme d’acquisition de données a été développée par William Ben-harbonne, technicien du service d’électronique du CPMOH. Ce programme permet d’acquérir le signal photothermique point par point au cours du scan à deux dimensions d’une zone de l’échan-tillon (mode imagerie). Typiquement, les images sont acquises avec une résolution de 10 à 200 nm par pixel et un temps d’intégration de 10 ms par pixel. Il est également possible d’enregistrer la trace temporelle du signal en un point donné (mode trace temporelle).
Fig. 2.6 : Panneau avant de l’interface Labview.
Au cours de son séjour post-doctoral (fin 2003 à fin 2005), Gerhard Blab a conçu une nouvelle interface, considérablement plus rapide et conviviale. En plus des modes d’acquisitions cités plus haut, cette nouvelle interface permet de détecter une nanoparticule diffusant dans un milieu quelconque (par exemple une cellule vivante) et de suivre son mouvement en asservissant la position de la nanoparticule au niveau de la tache focale des faisceaux lasers (cf. 2.6.3). Le panneau avant du programme d’acquisition est représenté sur la figure 2.6.
2.4 Dispositif expérimental 41
2.4.3 Dispositif expérimental modifié
Pour des applications à la spectroscopie, nous avons développé un dispositif expérimental modifié, utilisant un laser d’excitation accordable (laser à colorant ou Laser Ti :Sa). Ces lasers accordables sont pompés par un laser à Argon ou un laser Nd :Yag doublé. Au cours de l’acqui-sition d’un spectre, le programme Labview pilote une vis micrométrique assurant la rotation du filtre de Lyot du laser accordable. L’amplitude du signal photothermique est ainsi enregistrée point par point en fonction de la longueur d’onde du laser d’excitation (voir les chapitres 3, 4 et 5). L’écart entre deux longueurs d’ondes consécutives, le nombre de points total et le temps d’intégration par point sont des paramètres ajustables.
Fig. 2.7 : Dispositif expérimental modifié.
Afin de limiter les variations de la puissance excitatrice au cours de l’acquisition d’un spectre, la puissance en sortie du laser excitateur est asservie à l’aide d’un modulateur électro-optique. Au cours d’un balayage de la longueur d’onde du laser, les variations de la puissance d’excitation8sont enregistrées sur un autre canal de la carte d’acquisition, afin de normer le signal photothermique. Au cours d’un balayage, les variations de la longueur d’onde du laser excitateur induisent une dérive systématique de la direction du faisceau modulé diffracté à l’ordre 1. La déviation (de l’ordre de 10%) est suffisante pour complètement décaler le faisceau excitateur par rapport au faisceau sonde, et donc fausser les mesures expérimentales de l’absorption. Pour éliminer cet effet gênant, nous utilisons une configuration en double passage dans le modulateur acousto-optique (cf. Fig. 2.7).
2.4.4 Préparation des échantillons
La méthode PHI est une technique de microscopie en champ lointain. Sa résolution spatiale est donc limitée par diffraction (cf. 2.5.2). Par conséquent, les échantillons utilisés sont relativement peu concentrés (densité surfacique. 1 µm−2). En pratique on dépose une fine goutte de solution colloïdale de nano-objets à détecter sur une lamelle de microscope préalablement nettoyée par un plasma. Le solvant le plus utilisé est une solution aqueuse de poly-vinyl alcool (PVA) à ≈ 1% en masse. La goutte est ensuite étalée à la tournette (spin coating ) durant environ 1min à ∼ 1000 tours/min. Après évaporation de l’eau, l’échantillon contient les nano-objets déposés sur la lamelle et insérés dans une fine matrice polymère dont l’épaisseur(∼ 100 nm) est en général plus faible que rth. Afin d’optimiser la diffusion de la chaleur dans le mileu hôte, les échantillons sont ensuite recouverts d’une goutte d’huile de silicone de forte viscosité (ν = 30 000 P a.s).