Chapitre 3
Microsphères diélectriques
Ces travaux portent sur l’étude de la focalisation de la lumière par des sphères micrométriques diélectriques, et sur leur exploitation potentielle en microscopie de fluorescence. Comparativement aux nano-ouvertures métalliques, les microsphères proposent une structure de très faible coût (elles sont disponibles commercialement à grande échelle avec un excellent contrôle de forme). De façon surprenante, nous montrons que l’efficacité de telles microstructures peut s’avérer très bonne, et qu’il est possible sous certaines conditions de dépasser les limites imposées par la diffraction en microscopie confocale classique.
Lorsqu'une microsphère en verre synthétique de quelques microns de diamètre est éclairée par un faisceau de lumière, un phénomène spécial se produit. La microsphère focalise la lumière en agissant comme une lentille micrométrique, mais en plus le minuscule jet de lumière produit possède des propriétés optiques bien particulières : un très faible diamètre, égal à une longueur d’onde et une faible divergence. Ainsi, ce faisceau (appelé nanojet photonique) conserve une excellente concentration lumineuse sur une distance relativement longue de plusieurs micromètres. Des performances exceptionnelles qui surpassent celles de systèmes optiques bien plus évolués, alors qu’une microsphère est très un élément très simple.
Nous avons effectué la première observation directe de ce faisceau, et quantifié ses propriétés optiques (largeur transverse, divergence) grâce à un montage de microscopie confocale à balayage 1. Ceci a permis la première confrontation théorie-expérience de ce phénomène (figure 3.1).
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Chapitre 3 Microsphères diélectriques
Fig. 3.1. Comparaison expérience (gauche) et théorie (droite) pour la focalisation d’une onde plane par une microsphère en polystyrène de 5µm de diamètre.
Nous avons également mis en évidence un phénomène nouveau de confinement électromagnétique à 3 dimensions sous la limite de diffraction 2,3. Lorsqu’une microsphère est éclairée par un faisceau gaussien fortement focalisé, si le décalage entre la microsphère et le point de focalisation du faisceau laser est correctement choisi, des interférences entre le champ incident et le champ diffusé par la sphère permettent de confiner la lumière dans un volume de l’ordre de (λ/n)3. Ce faible volume optique est associé à un renforcement de l’intensité locale d’un facteur 2,5 (figure 3.2).
Ces propriétés optiques remarquables ont été utilisées pour améliorer très significativement la détection de molécules individuelles par fluorescence 2 (article Optics Express ci-après). De plus, les molécules fluorescentes servent de sondes locales pour caractériser (i) le confinement lumineux et (ii) l’exaltation locale d’intensité optique. En agissant comme une lentille positionnée directement dans le voisinage proche des molécules, la microsphère permet de mieux éclairer et de mieux collecter la lumière produite par les molécules. Nous avons pu quantifier une réduction d’un facteur 10 du volume sondé, ainsi qu’une exaltation x5 du signal de fluorescence par molécule 2. Ces valeurs sont en bon accord avec les simulations numériques par méthode de Mie ou FDTD 3. Nous avons également montré qu’une combinaison de microsphères permet d’atteindre des résultats similaires à partir d’une onde plane, réduisant ainsi la contrainte de disposer d’un objectif de forte ouverture numérique en amont de la microsphère 4.
2 D. Gérard, et al, Strong electromagnetic confinement near dielectric microspheres to enhance single-molecule fluorescence, Opt. Express 16, 15297-15303 (2008).
3 A. Devilez, et al., Three-dimensional subwavelength confinement of light with dielectric microspheres, Opt. Express 17, 2089-2094 (2009).
4 A. Devilez, et al, Transverse and longitudinal confinement of photonic nanojets by compound dielectric microspheres, Proc. of SPIE, Vol. 7393, pp.73930E-1 (2009)
Chapitre 3 Microsphères diélectriques
Fig. 3.2. Principe de l’utilisation d’une microsphère de polystyrène pour exalter l’émission de fluorescence d’une molécule individuelle, la carte de champ en fond correspond à un calcul pour une sphère de 2 µm de diamètre.
Une étude plus détaillée a ensuite été menée dans la référence 5 en utilisant la procédure de caractérisation par FCS et mesure de temps de vie qui avait été développée pour les nano-ouvertures métalliques (article JOSA B ci-après). Cette procédure permet de quantifier précisément les renforcements d’intensité d’excitation (mesuré à x2,5 pour les conditions optimales), ainsi que le renforcement en efficacité de collection (x2 pour la meilleure configuration). Dans le cas des microsphères diélectriques, la modification du rendement quantique est négligeable (mesurée pour une variation relative à moins de 8%), aucun transfert non-radiatif d’énergie ne vient affecter les mesures (contrairement au cas des antennes plasmoniques).
5 D. Gérard, et al., Efficient excitation and collection of single molecule fluorescence close to a dielectric microsphere, J. Opt. Soc. Am. B 26, 1473-1478 (2009).
Chapitre 3 Microsphères diélectriques
Ces démonstrations ouvrent de nouvelles perspectives pour l’amélioration des dispositifs de détection de molécules et de caractérisation de fluorescence allant bien au-delà des limites de diffraction. Un brevet a été publié sur cette technologie.
Nous avons également étendu cette technologie au cas de l’illumination à deux photons 6. Grâce au renforcement quadratique sur l’intensité pompe, les gains peuvent être plus forts que dans le cas de la fluorescence à un photon. Nous avons ainsi pu obtenir des gains de fluorescence par molécule supérieurs à 10 avec une microsphère optimisée de 3 µm de diamètre. Il est à noter que ces gains ne s’accompagnent d’aucune augmentation notable du bruit de fond de photoluminescence, contrairement au cas des antennes métalliques. En proposant une structure simple, robuste et de très bas coût, les microsphères diélectriques sont des concurrents pertinents aux nanoantennes plasmoniques dans le cas de la fluorescence moléculaires. Les gains sont moins importants avec des microsphères, mais ceci est compensé par des pertes quasi-négligeables, et une absence de bruit de photoluminescence de la structure.
6 H. Aouani, et al, Two-photon fluorescence correlation spectroscopy with high count rates and low background using dielectric microspheres, Biomed. Opt. Express 1, 1075-1083 (2010)