L’imagerie en champ proche

Dans la partie pr´ec´edente, nous avons mis en ´evidence que les d´etails plus fins que la longueur d’onde ne sont pas transmis en milieu homog`ene. Si on se sert alors des relations d’incertitudes de Heisenberg, que ce dernier avait lui mˆeme ´enonc´ees `a l’origine pour expliquer le pouvoir de r´esolution d’un microscope, on peut ´_{ecrire concernant la dimension x :}

∆x∆kx > 2π (I.99)

Cette relation indique que le plus petit d´_{etail observable en x est reli´e a la projection du} vecteur d’onde selon la mˆeme dimension. Ainsi, apr`es propagation, comme on a montr´e que ∆kx appartient `a l’intervalle [−2π/λ, 2π/λ], le plus petit objet que l’on pourra distinguer ne

pourra pas d´epasser :

∆x > 2π ∆kx >

λ

2 (I.100)

On retrouve `a nouveau la limite de l’optique conventionnelle, mais cette relation de Heisen- berg nous apprend autre chose : si on arrive a capter des ondes dont le vecteur de propa- gation est grand, alors les d´etails observables pourront ˆetre d’autant plus petits. L’id´ee de l’optique en champ proche vient de cette observation et elle a ´et´e comprise assez tˆot [29] bien

que les exp´eriences n’aient ´et´e r´ealis´ees qu’assez r´ecemment. En effet nous avons vu dans le d´eveloppement en ondes planes exprim´e dans la partie pr´ec´edente que les vecteurs d’ondes trop grand pour se propager sont att´enu´es par un facteur :

A(δ) = exp(−√K2− k2_δ) (I.101)

o`_{u δ est la distance parcourue depuis le plan sur lequel nous avons fait le d´eveloppement, K} est le vecteur d’onde transverse et k = 2π/λ le nombre d’onde dans le vide.

Il est clair que plus le vecteur K sera grand, plus l’att´enuation sera grande. De mˆeme, plus la distance d’observation δ `a laquelle on se place par rapport au plan y = 0 sera grande, plus le champ aura d´ecru. Cependant on voit ´egalement que si l’on se place tr`es pr`es d’un ´echantillon, qui est ici en y = 0, on aura acc`es, si elles existent, a des ondes ´evanescentes et donc `a des d´etails plus fins que la demi-longueur d’onde. Ce champ observable uniquement `a la surface de notre ´echantillon est appel´e le champ proche optique. Dans le domaine de l’optique, chaque surface est couverte d’un grand nombre d’ondes ´evanescentes. En effet une surface, aussi parfaite qu’elle puisse ˆetre, pr´esente toujours des asp´erit´es qui, lorsqu’elles sont illumin´ees, diffractent les ondes ´electromagn´etiques. Si les dimensions de ces d´efauts sont petites devant la longueur d’onde, elles donneront naissance `a des ondes dont les vecteurs transverses sont grands et par cons´equent `a des ondes ´evanescentes. Dans la r´ef´erence [27], le champ proche est alors d´efini

comme “la zone dans laquelle les ondes ´evanescentes contribuent significativement au champ

´electromagn´etique”.

On comprend d`es lors que pour avoir acc`es aux d´etails les plus fins d’un ´echantillon, et par l`a mˆeme briser la limite de l’optique conventionnelle, il va falloir approcher le d´etecteur le plus pr`es possible de la surface de celui-ci [30]. Une question se pose : comment est-il possible de mesurer une onde ´evanescente sachant que celle-ci ne se propage pas ? La r´eponse `a cette question tient dans le principe de retour inverse de la lumi`ere : si un objet sub-longueur d’onde peut transformer par diffraction une onde propagative en onde ´evanescente, il peut, de la mˆeme fa¸con, transformer par diffraction des ondes ´evanescentes en ondes propagatives. Cette derni`ere observation est `a la base de l’optique en champ proche : en plongeant un objet sub-longueur d’onde dans le champ proche de l’´echantillon observ´e, les ondes ´evanescentes pr´esentes sur sa surface vont ˆetre partiellement transform´ees en ondes propagatives et pouvoir se propager, avec les informations qu’elles contiennent, jusqu’au d´etecteur. Cette derni`ere remarque montre que la r´esolution d’un tel microscope, qui nous l’avons vu d´epend de la distance objet-´echantillon, d´epend aussi de la dimension caract´eristique de l’objet diffuseur que l’on place dans le champ

proche de l’´echantillon : plus celle-ci sera petite, plus son pouvoir de “conversion” d’ondes ´evanescentes de tr`es grands vecteurs d’onde sera grand et plus la r´esolution sera fine.

Le but de cette partie n’est pas de r´ealiser une ´etude approfondie de la microscopie optique en champ proche, et c’est pourquoi nous ne d´evelopperons pas davantage la th´eorie qui lui est associ´ee. Notons cependant que plusieurs techniques permettent de d´etecter en champ lointain de l’information sur le champ proche optique et donc de faire de l’imagerie avec une r´esolution bien meilleure que celle de la microscopie classique. Parmi elles, on citera trois techniques qui peuvent ˆetre mises en oeuvre grˆace `a une illumination en r´eflexion ou en transmission :

– Le microscope `a effet tunnel optique : dans cette technique, une fibre optique monomode

taill´ee en pointe joue le rˆole de diffuseur des ondes ´evanescente. Puis les ondes propagatives cr´e´ees se propagent dans la fibre jusqu’au d´etecteur.

– Une autre technique consiste `a utiliser des nanoparticules, g´en´eralement en or, qui vont diffuser les ondes ´evanescentes. Puis, une fibre optique coupl´ee `a une d´etecteur r´ealise la mesure de ce champ propagatif.

– Enfin, la technique la plus couramment utilis´ee est la technique de microscopie optique de champ proche `a balayage. Ici, c’est une pointe m´etallique dont le bout est d’une dimen- sion nanom´etrique, qui est charg´ee de diffuser le champ ´evanescent. il existe alors plusieurs montages pour d´etecter le champ cr´e´e. Un bon exemple est donn´e dans [27].

Dans ces trois techniques, la finesse des d´etails que l’on peut observer est uniquement limit´ee par la distance du diffuseur `a la surface `a imager et par la taille du diffuseur. A titre d’exemple, la figure I.35 montre une mesure r´ealis´ee par microscopie en champ proche de la localisation d’un champ magn´etique `a la surface d’un film d’or semi-m´etallique. On peut y apercevoir que les endroits ou l’´energie est localis´ee ont des dimensions lat´erales de l’ordre de la dizaine de nm, ce qui compte tenu de la longueur d’onde utilis´ee, est bien inf´erieur `a la limite de diffraction. Une mesure en microscopie classique n’aurait pas permis d’observer ces zones de localisation. Si l’imagerie en champ proche est tr`es connue dans le domaine de l’optique, elle n’en reste pas

moins valable dans d’autres gammes de fr´equences et de nombreuses techniques sont apparues

dans le domaine des micro-ondes ces derni`eres ann´ees. Ainsi, dans [31], les auteurs rapportent un proc´ed´e d’imagerie en champ proche de propri´et´es ´electriques dans le GHz. La longueur d’onde utilis´ee est autour de 2 cm pour une r´<sub>esolution de 100 µm, soit `a peu pr`es λ/200. De</sub> mˆeme, dans [32], un proc´ed´e de chauffage en champ proche est exp´eriment´e sur une surface de 0.3 ∗ 0.5 mm2, et ce en utilisant une longueur d’onde de 3 cm.

Fig. I.35 – Localisation du champ ´electromagn´etique sur une couche d’or semi continue (source : Laboratoire d’Optique Physique, ESPCI).

hypoth`eses afin d’expliquer les r´esultats surprenants que nous avions obtenus, et nous ont guid´e vers une nouvelle approche du retournement temporel d’ondes ´electromagn´etiques.