II. 2 2) Microscopie optique en champ sombre
II. 3. Microscopie optique corrélative par imagerie de fluorescence et non linéaire de
La Figure 2. 6 schématise le banc de microscopie corrélative de fluorescence et non linéaire, permettant l’imagerie de l’émission de fluorescence et de génération de second harmonique au sein de micro- et nanostructures induites par irradiations laser femtoseconde. Afin de pouvoir effectuer une analyse corrélative, ces deux images peuvent être observées ensemble ou séparément.
Figure 2. 6. Microscopie d’imagerie corrélative de fluorescence et de doublage en fréquence.
o Imagerie de fluorescence
Les verres étudiés au cours de cette thèse sont dopés au sel d’argent. Dans le régime d’interaction laser-verre employé, les microstructurations fluorescentes formées par irradiation laser femtoseconde sont excitées par une diode laser collimée à -.= 405 . Cette luminescence est associée à l’excitation d’aggrégats d’argent de type I\0¿•, fournissant une fluorescence large spectre sur tout le visible.
La source d’excitation proche UV, de faible qualité de faisceau, est fournie par une diode Blue-Ray bon marché. Le faisceau collimé, grâce à un condenseur, est tout d’abord injecté sur le chemin optique principal par l’intermédiaire d’un miroir diélectrique, Î% sur la Figure 2. 6, réfléchissant jusqu'à 420 nm et transparent aux plus hautes longueurs d’onde. Puis le faisceau est focalisé par un objectif 10 × de faible ouverture numérique I = 0.25, assurant une illumination localisée sur quelques microns de diamètre.
L’émission de fluorescence du verre n’étant pas directionnelle, une partie du signal peut être collecté par l’objectif d’injection et imagé par épifluorescence sur la caméra I2M située en au-dessus de l’objectif d’injection et équipée d’un objectif réglé à l’infini. Pour cela, la luminescence, située dans la région visible du spectre, passe par le miroir Î [Figure 2. 6] semi-transparent aux rayonnements UV-visibles et le filtre passe-haut qui bloque le faisceau d’excitation UV.
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L’émission de fluorescence peut aussi passer par un second objectif de collecte en transmission (20 ×, et d’ouverture numérique I = 0.2), dans le but d’imager les structures sur une seconde caméra de haute sensibilité (Hamamatsu – C4742-95, refroidie par effet Peltier), positionnée après un filtre passe-bande centré autour 520 nm bloquant encore une fois le faisceau d’excitation UV. La focalisation et la mise au point de l’image, sur cette caméra, sont réalisées grâce à l’objectif de collecte monté sur une platine XYZ mécanique Newport.
o Imagerie non linéaire de second harmonique
Les matrices vitreuses sont des milieux centrosymétriques, avec une valeur de la susceptibilité non linéaire d’ordre deux nulle par symétrie, et donc un tenseur polaire de rang trois associé ¤( )= 0, ce qui interdit la génération de second harmonique. Cependant, il est possible d’engendrer par irradiation laser femtoseconde, une polarisation locale de la structure vitreuse. Une séparation de charge d’espace statique et pérenne, figé dans le matériau induit ainsi la création d’un champ électrique permanent localisé intense ¥¥¥¥¥¥¥¦, qui engendre une susceptibilité non linéaire QR d’ordre deux effective, et de tenseur associé ¤( ) ≠ 0. Ceci est permis grâce au couplage électro-optique d’un tel champ statique enterré ¥¥¥¥¥¥¥¦ avec la susceptibilité non linéaire d’ordre trois, décrite par un tenseur polaire de rang QR quatre, intrinsèquement non nul, noté ¤(›) [59].
¤( )(2A; A, A) = 3 ¤(›)(2A; A, A, 0)× QR [2. 3]
Dans ces conditions, la susceptibilité non linéaire ¤(›) est homogène spatialement dans le verre, tandis que le champ enterré ¥¥¥¥¥¥¥¦ présente une distribution spatiale résultante de l’irradiation laser. La susceptibilité non linéaire QR effective résultante ¤( ) présente donc une distribution spatiale portée directement par le champ enterré. Ainsi, une telle distribution de susceptibilité non linéaire ¤( ) peut être sondée par un faisceau laser femtoseconde faiblement focalisé, grâce à la génération d’un signal de second harmonique EFISHG, c'est-à-dire de fréquence optique double (ou de longueur d’onde moitié).
Ce phénomène non linéaire est généré lorsque l’intensité, au niveau des microstructures, est suffisamment grande pour avoir une génération de second harmonique détectable, mais pas trop importante non plus, car une telle mesure ne doit pas conduire à modifier les structures, c'est-à-dire à structurer également l’échantillon. De plus, puisque la génération du signal est extrêmement sensible au positionnement latéral et longitudinal du point de focalisation laser, l’objectif d’injection est maintenu par une monture piézo-électrique permettant un réglage fin selon l’axe de propagation des faisceaux. Le signal EFISHG produit, alors très localisé et de faible intensité, est colinéaire à l’onde laser incidente, récupérant sa divergence et sa phase, permettant une imagerie de second harmonique en transmission.
La source laser femtoseconde utilisée est un t-Pulse 20 d’Amplitude Systèmes de caractéristiques écrites en Figure 2. 6. Avant d’atteindre l’objectif d’injection, le faisceau traverse une lame à retard et un isolateur de Faraday7 jouant
7 L’isolateur de Faraday permet d’assurer une protection efficace contre les réflexions arrières du microscope
vers le système laser. Il est fixe et composé d’un rotateur de faraday compris entre deux prismes polarisant de Glan-Taylor qui sont généralement disposés à un angle de 45°. La modulation de la polarisation d’entrée, par la
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le rôle de modulateur de puissance. Ce dispositif induit une dispersion spectrale importante qui provoque un élargissement de la durée d’impulsion laser. Cet allongement temporel est partiellement compensé par la dispersion négative introduite grâce aux miroirs GTI, pour Gires-Tournois Interferometer en anglais, placés le long du chemin optique principale. Pour des études en polarisation permettant de sonder à l’illumination la nature tensorielle de la réponse non linéaire de doublage de fréquence, un polariseur est positionné avant l’injection du faisceau UV par le miroir Î%.
Le signal EFISHG n’est imagé que par une seconde caméra en transmission. Le filtre passe-bande, ainsi qu’un filtre passe-bas permet de filtrer le faisceau laser, et de s’assurer d’une imagerie corrélative en transmission portant sur la même plage spectrale, en fluorescence et en imagerie non linéaire, ce qui évite tout artéfact potentiellement lié au chromatisme des objectifs et du système de collecte pour l’imagerie. Enfin, un analyseur est placé entre ces filtres afin d’étudier la réponse en polarisation de la génération de second harmonique à son émission. Enfin, le chemin optique est tubé, entre le filtre passe-bande et la caméra, avec un matériau opaque afin d’augmenter la qualité du rapport signale sur bruit de la mesure au niveau du capteur.
Ce microscope sera utilisé pour la caractérisation de nos structurations laser en parties III. 4. 2. c) et IV. 4. 3. c).
lame à retard, induit une modulation de la puissance du faisceau en sortie qui est ensuite injectée au reste du
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II. 4.
Bibliographie de chapitre
52 www.agilent.com/en-us/products/uv-vis-uv-vis-nir/uv-vis-uv-vis-nir-systems/cary-5000-uv-vis-nir/ 53 www.horiba.com/scientific/fluorescence-spectroscopy/steady-state/fluorolog/fluorolog-r-our-modular- spectrofluorometer-522/ 54 www.metricon.con/model-2010-overview/ 55 www.alfamirage.com/english/support/electronic_densimeter/index.html 56 www.fei.com/products/sem/quanta-sem/ 57 www.fei.com/products/tem/tecnai/ 58 www.sigmaaldrich.com/materials-science/nanomaterials/silver-nanoparticles.html
59 G. Papon, "Nanostructuration des propriétés optiques linéaires et non linéaires d’un verre photosensible par laser femtoseconde," Ph.D. Thesis, Université de Bordeaux – France (2012)