Dispositif exp´erimental

5.2.1 Sch´ema

Le dispositif exp´erimental est repr´esent´e sur la Figure 5.2. La structure ´etudi´ee, au centre de

la figure, diffracte le faisceau laser incident. Une lame de verre d´epolie est plac´ee dans le champ

issu de la structure, parall`element `a celle-ci. Chaque point du d´epoli va alors diffuser une

intensit´e lumineuse proportionnelle `a l’intensit´e qui l’´eclaire. Un ensemble optique constitu´e

d’un objectif de microscope et d’une lentille f3 fait l’image du d´epoli sur une cam´era CCD.

Celle-ci enregistre donc l’intensit´e lumineuse dans le plan du d´epoli, soit un plan (u,v,w=w0)

parall`ele `a la structure. Une translation manuelle microm´etrique de 25 mm de course permet

de d´eplacer finement le d´epoli orthogonalement `a la surface (selon l’axeOw). On obtient alors

successivement une cartographie tri-dimensionnelle de l’intensit´e diffract´ee par la structure.

La diode laser utilis´ee pour cette exp´erience est asservie dans un pic d’absorption satur´ee,

comme pr´esent´e dans la section 2.2.1. Le but n’est pas ici de s’affranchir des fluctuations de

fr´equences, sans cons´equences ici. Il est d’´eviter les sauts de modes de la diode, et les variations

brutales d’intensit´e r´esultantes.

De plus, l’onde issue de cette diode est spatialement filtr´ee par une fibre monomode. Sa

polarisation est contrˆol´ee grˆace `a un cube polariseur suivi d’une lame λ/2. Un t´elescope, non

repr´esent´e sur la Figure 5.2, permet enfin d’obtenir le diam`etre de faisceau d´esir´e sur la structure.

f

3

u, vPZT

laser

monomode

fibre

CCD

Diode

λ/2

d´epoli

structure

w

Fig. 5.2: Sch´ema du dispositif de caract´erisation optique des figures

d’in-terf´erences. Le plan (u, v) est orthogonal `a l’axe optique, et l’axe w lui est

parall`ele.

5.2.2 Param`etres

Lentilles d’imagerie

Le sch´ema optique du syst`eme d’imagerie est pr´ecis´e sur la Figure 5.3. L’objet est le d´epoli,

et la cam´era CCD est plac´ee dans le plan image.

Comme nous l’avons vu dans la section 2.4 sur l’imagerie du PMOM, la taille de la tˆache

de diffraction est un param`etre important `a prendre en compte pour une imagerie r´esolue.

L’ouverture num´erique des lentilles de Fresnel que nous utilisons est typiquement de 0,2. Pour

ne pas ˆetre limit´e par l’ouverture num´erique de notre syst`eme optique, nous utilisons un objectif

de microscope M Plan Apo 10× Mitutoyo, d’ouverture num´erique 0,28. Sa focale fobj est de

20 mm, et il est corrig´e `a l’infini. Si le syst`eme optique est limit´e par diffraction, le plus petit

d´etail observable est estim´e de l’ordre de 1,5 µm.

fobj f3

fobj

f3

objet

image

Fig. 5.3: Sch´ema optique du syst`eme d’imagerie.

La cam´era que nous utilisons ici est une cam´era Princeton LN/CCD-512SB/1, dont les

pixels font 24×24 µm

2

. Nous choisissons alors une lentille f3 de longueur focale de 200 mm,

afin d’obtenir un grandissement total d’environ 10. La taille de la tˆache de diffraction sur la

cam´era est ainsi l´eg`erement inf´erieure `a la taille d’un pixel. Le diam`etre de la lentille est de

50 mm, sup´erieur au diam`etre de sortie du microscope (34 mm) pour ne pas limiter l’ouverture

num´erique de celui-ci.

L’objectif de microscope est fix´e sur la mˆeme translation que le d´epoli. L’objet reste alors

dans son plan focal lors de son d´eplacement. L’image qu’il produit ´etant `a l’infini, la lentillef3

et la cam´era sont fixes.

Modulation du d´epoli

La source lumineuse utilis´ee ´etant coh´erente, des tavelures sont observ´ees dans les images

prises. De plus, la rugosit´e du d´epoli induit, mˆeme en ´eclairage incoh´erent, une ´emission non

isotrope de chaque point du d´epoli. La Figure 5.4 (a) montre par exemple l’image d’un faisceau

laser d’environ 1 mm de diam`etre en l’absence de structure. On y observe une modulation haute

fr´equence due `a ces deux ph´enom`enes.

(a) Sans pi´ezo (b) Avec pi´ezo

Fig. 5.4: Faisceau laser incident (sans structure), d’environ 1 mm de

dia-m`etre. A droite, le d´epoli est d´eplac´e pendant l’acquisition pour ´eliminer les

modulations haute fr´equence de l’intensit´e.

Pour les ´eliminer, nous avons mont´e le d´epoli sur une translation pi´ezo-´electrique deux-axes

PI 731.20 (cf. Figure 5.2). Celle-ci permet de d´eplacer le diffuseur dans le plan (u, v, w=w0)

pendant l’acquisition de la CCD, et d’obtenir ainsi une image liss´ee (cf. Figure 5.4 (b)).

L’amplitude des mouvements du d´epoli est typiquement de 100 µm. La fr´equence de

modu-lation est choisie de l’ordre de 10 `a 20 Hz afin de limiter les vibrations du syst`eme d’imagerie

induites par ce mouvement.

Cette fr´equence est en fait l´eg`erement diff´erente selon les deux axes de translation (fu ≃

13 Hz, fv ≃15 Hz). Le rapport des fr´equences est fix´e `a une valeur non proche d’un rationnel

`a petits num´erateur et d´enominateur. Ainsi, la quasi-p´eriode est longue et chaque point du

diffuseur se d´eplace de fa¸con homog`ene dans son aire d’excursion.

La dur´ee d’exposition est prise grande devant ces fr´equences de modulation, pour obtenir

une moyenne. Elle est typiquement de 10 s.

Intensit´e laser

La dur´ee d’exposition ´etant fix´ee, nous choisissons l’intensit´e laser de fa¸con `a utiliser au

mieux le convertisseur 16 bits de la cam´era, sans le saturer.

Afin de limiter les lumi`eres parasites, la partie du banc optique qui va du microscope jusqu’`a

la cam´era est recouverte d’un film opaque. Apr`es soustraction du fond, la reproductibilit´e des

images en l’absence de laser est de ±10 coups, pour une moyenne de 4.10

4

L’obtention des cartographies d’intensit´e diffract´ee n´ecessite que le substrat et le d´epoli

soient parall`eles entre eux, et orthogonaux `a l’axe du banc optique.

5.2.3 Proc´edure de r´eglage

Pour aligner le syst`eme optique, nous prenons comme r´ef´erence l’axe du laser incident

col-limat´e, qui mat´erialise l’axe optique. Nous effectuons ensuite la proc´edure suivante :

1. l’objectif de microscope, puis la lentille f3, sont positionn´es de fa¸con `a minimiser la

d´e-viation du laser incident ;

2. l’objectif de microscope est alors d´eviss´e. La cam´era est plac´ee dans le plan image de la

lentille f3, et l’objectif replac´e ;

3. le d´epoli est plac´e devant l’objectif du microscope ;

4. la mise au point de l’objectif sur le d´epoli est finement r´egl´ee par une translation

sup-pl´ementaire, de fa¸con `a minimiser la taille des plus petits d´etails sur la cam´era. Leur

dimension est alors de l’ordre de 2 pixels `a mi-hauteur ;

5. le miroir sur lequel sont grav´ees les structures est mis en place, orthogonalement au laser

incident grˆace `a sa r´eflection sur la partie m´etallique ;

6. le parall´elisme du d´epoli avec miroir est alors r´egl´e “`a l’oeil” en les rapprochant

progres-sivement grˆace `a la translation microm´etrique de la Figure 5.2 et en les regardant de

profil ;

7. on optimise finalement l’angle d´epoli/miroir en rapprochant d´elicatement le d´epoli en

suivant l’image d’une structure sur la cam´era. Lorsque l’on est au contact, l’image se

d´eplace de quelques microns (le mouvement lat´eral du d´epoli doit ˆetre ´eteint !).

8. on retouche l´eg`erement le parall´elisme, et on r´eit`ere au point 7.

L’angle entre le d´epoli et le miroir sur lequel est grav´e la structure est le param`etre critique

de ce r´eglage. En effet, tous deux ont une taille de 25 mm, et un angle de 10 mrad empˆeche

donc de rapprocher le d´epoli `a moins de 250µm du miroir. Nous verrons dans la partie suivante

une lentille de longueur focale 100µm, dont le plan focal ne pourrait alors pas ˆetre imag´e. Pour

cette mˆeme raison, il est n´ecessaire que la partie m´etallique du miroir soit du cˆot´e du diffuseur,

et que la surface d´epolie de la lame de verre soit du cˆot´e du miroir.

Ce point de la proc´edure devra ˆetre am´elior´e si l’on souhaite imager les premi`eres dizaines

de microns. On pourra par exemple utiliser un substrat de diam`etre plus petit, d´epoli en son

centre et m´etallis´e en p´eriph´erie. Cette partie m´etallis´ee permettrait de r´etro-r´efl´echir le faisceau

incident et d’am´eliorer ainsi la pr´ecision de l’alignement.

D’autre part, la translation de l’ensemble d´epoli-objectif (Figure 5.2) n’est pas parfaitement

align´ee avec l’axe optique. En cons´equence, le centre des images de diffraction se d´eplace d’une

dizaine de microns lorsque l’on d´eplace le d´epoli sur quelques millim`etres. Cet effet est corrig´e

lors du traitement des images par un recentrage pour chaque plan.

5.2.4 Etalonnage du syst`^´ eme d’imagerie

Nous avons ´etalonn´e le grandissement du syst`eme d’imagerie en utilisant un r´eseau de pas

connu (267 µm). Nous trouvons alors un facteur d’´echelle de 2,43±0,02µm/pixel.

Le syst`eme d’imagerie r´egl´e, les valeurs des param`etres fix´es et l’´etalonnage r´ealis´e, nous

pouvons alors mesurer le champ diffract´e par une structure.

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