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Thématiques de l’équipe SEMO

Cette page détaille brièvement les différentes thématiques de l’équipe SEMO avec les références bibliographiques les plus importantes. Pour plus de détails sur une thématique donnée, quand c’est disponible, cliquer sur le titre....

Iso microscopie : focaliser la lumière en une tâche sphérique en n’utilisant qu’une seule lentille

Un problème des techniques reposant sur la focalisation d’un rayon lumineux est que la tâche lumineuse obtenue est allongée dans la direction de l’axe optique, dont la forme rappelle celle d’un grain de riz. Cette anisotropie est due au fait que l’illumination n’est pas uniformément sphérique mais provient d’un seul côté du point de focalisation.

Les conséquences technologiques sont importantes. En microscopie, la résolution axiale est dégradée par rapport à la résolution transverse, ce qui compremet les applications en imagerie tridimensionnelle haute résolution.

Pour la même raison, dans le domaine du stockage de données, alors que les supports (CD, DVD, Blu-Ray) possèdent une grande densité d’information dans le plan du disque, les différentes couches sont empilées avec une faible densité.

Dans un article publié récemment nous décrivons une méthode baptisée iso-micorscopie permettant de focaliser la lumière en une tache sphérique et ainsi d’obtenir une résolution équivalente dans les trois directions de l’espace.

Reférences :

E. Le Moal, E. Mudry, P. C. Chaumet, P. Ferrand and A. Sentenac, Two-photon fluorescence isotropic-single-objective microscopy, Opt. Lett. 37, 85 (2012).
E. Le Moal, E. Mudry, P. C. Chaumet, P. Ferrand and A. Sentenac, Isotropic Single Objective (ISO) microscopy : Theory and Experiment, J. Opt. Soc. Am. A. 28, 1586 (2011).
E. Mudry, E. Le Moal, P. Ferrand, P.C. Chaumet and A. Sentenac, Isotropic diffraction-limited focusing using a single objective lens, Phys. Rev. Lett. 105, 203903 (2010).

Imagerie optique à haute résolution

Les progrès rapides de la science à l’échelle nanométrique, dans le domaine de la biologie, des matériaux, de la microélectronique, ont provoqué un intérêt croissant pour les techniques d’imagerie à haut pouvoir de résolution. La microscopie électronique, la microscopie à force atomique produisent des images dont la résolution est inférieure à une dizaine de nanomètres. Cependant, ce sont des techniques coûteuses, difficiles à mettre en oeuvre et elles ne permettent pas de faire, sans intrusion, une cartographie tridimensionnelle de l’objet. Or, de plus en plus, les nano-structures manufacturées deviennent complexes selon les trois dimensions de l’espace. Le besoin en techniques d’imagerie tridimensionnelle non intrusives ayant un pouvoir de résolution inférieure à une centaine de nanomètres est donc patent, pour la caractérisation et le contrôle de ces nouveaux composants, mais aussi, de manière générale, pour l’analyse des structures internes d’objets semi-transparents. Les microscopes optiques traditionnels n’atteignent pas ce niveau de résolution. L’objectif de ce projet est de proposer une nouvelle méthode de microscopie optique, en champ lointain, permettant de restituer la carte de permittivité de l’objet, en trois dimensions, avec un pouvoir de résolution supérieur à celui imposé par la limite de diffraction.

La technique d’imagerie que nous sommes en train de développer s’apparente à celles développées dans le domaine des micro-ondes. L’échantillon est éclairé par un faisceau laser sous différentes incidences et le champ diffracté est détecté selon différents angles d’observations. Un montage interférométrique permet d’obtenir des informations à la fois sur l’intensité et la phase du champ. Contrairement à un microscope conventionnel, où l’image de l’objet est construite analogiquement par l’action des lentilles sur le champ diffracté, nous utilisons des algorithmes de résolution du problème inverse afin de remonter à la carte de permittivité de l’objet.

Références :

G. Maire, F. Drsek, J. Girard, H. Giovannini, A. Talneau, D. Konan, K. Belkebir, P. C. Chaumet and A. Sentenac, Experimental demonstration of quantitative imaging beyond Abbe’s limit with optical diffraction tomography, Phys. Rev. Lett. 102, 213905 (2009).
A. Sentenac, P. C. Chaumet and K. Belkebir, Beyond the Rayleigh criterion : Grating assisted far-field optical diffraction tomography, Phys. Rev. Lett. 97, 243901, (2006).
P.C. Chaumet, K. Belkebir and A. Sentenac, Superresolution of three-dimensional optical imaging by use of evanescent waves, Optics Letters 29, 2740 (2004).

Profilométrie

La profilométrie optique est une technique non destructrice, ne nécessitant pas de contact avec la surface étudiée et permettant de mesurer le profil d’un échantillon. Différentes techniques de mesure ont été abordées dans la littérature pour déterminer le profil d’un échantillon mais celles-ci supposent des échantillons avec des pentes faibles, et elles ont une résolution verticale de quelques angstroms et une résolution latérale au mieux de 500 nm. Nous avons montré que l’imagerie par tomographie optique pouvait être utilisée efficacement pour mesurer des profils d’échantillons avec des résolutions (laterale et verticale) bien au delà des profilomètres usuels.

References :

S. Arhab, G. Soriano, Y. Ruan, G. Maire, A. Talneau, D. Sentenac, P. C. Chaumet, K. Belkebir and H. Giovannini, Nanometric resolution with far-field optical profilometry, Phys. Rev. Lett. 111, 053902 (2013).
S. Arhab, G. Soriano, K. Belkebir, A. Sentenac and H. Giovannini, Full wave optical profilometry , J. Opt. Soc. Am. A 28, 576 (2011).

Caractérisation d’objets enfouis

Dans le cas d’objets enfouis dans un milieu désordonné, nous nous servons de la méthode de la Décomposition de l’Opérateur de Retournement Temporel (DORT). Cette méthode permet de synthétiser une onde focalisant sur les cibles à caractériser. L’originalité de notre approche réside dans la prise en compte de cette onde focalisante dans les algorithmes d’inversion.

Références :

T. Zhang, P. C. Chaumet, E. Mudry, A. Sentenac and K. Belkebir, Electromagnetic wave imaging of targets buried in a cluttered medium using a hybrid inversion-DORT method, Inverse Problems 28, 125008 (2012).
A. Dubois, K. Belkebir and M. Saillard, Location and characterization of two-dimensional targets buried in a cluttered environment, Inverse Problems 20, S63 (2004).

Télédétection de la surface océanique et propagation en milieux aléatoires

La propagation en milieux aléatoires, et en particulier la diffusion par des rugosités de surfaces et par des inhomogénéités de volume, est un phénomène qui intervient dans de nombreux problèmes en optique comme aux micro-ondes. Le champ diffracté peut être aussi bien la grandeur d’intérêt qu’un signal parasite, dont on veut estimer, voire réduire, la contribution. Sa modélisation correspond au problème direct de diffraction, ingrédient fondamental de toute méthode d’inversion. On distingue traditionnellement les modèles rigoureux, solutions numériques des équations de Maxwell, des modèles approchés, aux formulations explicites.

Nos objectifs sont de faire progresser les modèles rigoureux et approchés puis mettre en oeuvre ces modèles pour des problèmes particuliers (prise en compte de la rugosité des interfaces dans les méthodes d’inversion tridimensionnelles, profilométrie optique et reconstruction numérique du profil). La modélisation rigoureuse de la diffusion électromagnétique tridimensionnelle est un exercice numérique difficile. Le modèle rigoureux est l’alternative à l’expérimentation pour la production de données de références. Ces données servent notamment à la validation des méthodes approchées, et par là même à leur développement.

Microscopie de fluorescence

La microscopie de fluorescence dans le domaine du visible est un outil très utilisé en biologie car très adaptée à l’étude de cellules vivantes. Malheureusement la résolution de cette technique d’imagerie est limitée par le processus de diffraction et au mieux la résolution latérale est de 200 nm. Dans l’équipe SEMO nous développons un système d’imagerie optique simple offrant une résolution inférieure à 100 nm. Notre système d’imagerie repose sur deux idées principales. La première consiste à graver la lamelle sur laquelle est déposé l’échantillon de façon à créer un réseau nanostructuré ; ce réseau transforme l’onde incidente en ondes évanescentes de très hautes fréquences spatiales qui peuvent sonder les détails les plus fins de l’échantillon. La seconde idée est d’illuminer cette lamelle avec un faisceau contrôlé spatialement en amplitude et en phase. Selon le mode d’éclairement, on peut soit créer une grille de lumière, soit déplacer de façon continue à la surface du réseau un spot lumineux de taille inférieure à la limite de diffraction. Ce système permettra, grâce à la grille de lumière, de faire de l’imagerie large-champ ultra-résolue et, avec le spot, d’étudier des phénomènes dynamiques par Spectroscopie de Corrélation de Fluorescence.

Nous avons également montré qu’en éclairant l’échantillon de manière hétérogène et aléatoire, il est possible d’améliorer la résolution du microscope d’un facteur deux. Notre approche consiste à enregistrer plusieurs images d’un même échantillon en l’éclairant avec des motifs lumineux aléatoires (speckle) obtenus en bougeant un morceau de plastique rugueux sur le trajet d’un faisceau laser. Un algorithme d’inversion est ensuite utilisé pour reconstruire l’échantillon à partir des images. L’intérêt de notre approche par rapport aux autres techniques de microscopie super-résolue (comme la microscopie confocale ou la microscopie à éclairement structuré ...) est qu’il n’est pas besoin de contrôler l’éclairement. Cela permet de simplifier grandement la mise en oeuvre expérimentale.

Références :

E. Mudry, K. Belkebir, J. Girard, J. Savatier, E. Le Moal, C. Nicoletti, M. Allain and A. Sentenac, Structured illumination microscopy using unknown speckle patterns, Nature Photonics 6, 312 (2012).
A. Sentenac, K. Belkebir, H. Giovannini and P. C. Chaumet, High resolution Total Internal Reflection Fluorescence Microscopy using periodically nanostructured glass slides, J. Opt. Soc. Am. A 26, 2550 (2009).
A. Sentenac, K. Belkebir, H. Giovannini and P. C. Chaumet, Sub-diffraction resolution in total internal reflection fluorescence microscopy with a grating substrate, Opt. Lett. 33, 255 (2008).

Forces optiques

Ces dernières années ont vu l’utilisation des forces optiques pour confiner et contrôler, dans les trois dimensions de l’espace, des particules avec des tailles allant de la dizaine de nanomètres à plusieurs micromètres. Nous avons montré que ces forces optiques pouvaient servir à manipuler des objets de taille nanométrique. Ceux-ci sont déposés sur un substrat plan transparent éclairer en réflexion totale interne, puis la pointe d’un microscope optique de champ proche (pointe sans ouverture) est utilisée pour repérer puis manipuler de manière sélective ces particules. Plus récemment nous avons étendu nos études au couplage optique entre particules, aux particules en présence d’un cristal photonique ou des particules ayant une permittivité et une perméabilité différentes de un.

Références :

P. C. Chaumet, A. Rahmani, F. Zolla, A. Nicolet and K. Belkebir, Optical force on a Discrete Invisibility Cloak in Time-Dependent Fields, Phys. Rev. A 84, 033808 (2011).
P. C. Chaumet and A. Rahmani, Electromagnetic force and torque on magnetic and negative-index scatterers, Opt. Express 17, 2224 (2009).
A. Rahmani and P. C. Chaumet, Optical Trapping near a Photonic Crystal, Opt. Express 14, 6353 (2006).
P. C. Chaumet, A. Rahmani and M. Nieto-Vesperinas, Optical trapping and manipulation of nano-object with an apertureless probe,Phys. Rev. Lett. 88, 123601 (2002).

Autres thèmes abordés au sein de l’équipe SEMO

Etude de la propagation et diffusion d’impulsions lumineuses sur des objets 2D et 3D : applications sur la reconstruction d’objets inhomogène soumis à des impulsions lumineuses à spectre large (problèmes inverses) et dans le domaine des forces optiques pour la mise en évidence du terme de Abraham.
Imagerie de fluorescence sur le petit animal.
La fluorescence : étude du changement de la durée de vie d’atomes ou de molécules suivant l’environnement.
Homogénéisation de milieux aléatoires.

Organisation de sessions spéciales :

A. Sentenac, O. Haeberle and K. Belkebir, Special Issue : Digital Optical Microscopy, J. Modern Optics 57, 685 (2010).
K. Belkebir and M. Saillard, Special section on testing inversion algorithms against experimental data : inhomogeneous targets, Inverse Problems, 21, S1-S3 (2005).
K. Belkebir and M. Saillard, Special section on testing inversion algorithms against experimental data, Inverse Problems, 17, 1565-1571, (2001).

Ressources

Code de calcul de diffraction des ondes électromagnétiques par des objets ayant une géométrie arbitraire à deux et trois dimensions (méthode des moments) en espace homogène ou dans un multicouche.
Code de diffraction inverse à deux et trois dimensions.
Code de diffusion par des surfaces rugueuse à une ou deux dimensions.
Code de diffraction par des réseaux (méthode modale ou méthode des moments).
Inversion en utilisant l’opérateur de retournement temporel.
Code de diffraction d’impulsion électromagnétique à deux et trois dimensions.
Code de calcul de forces optiques pour des objets quelconques à trois dimensions (anisotropie, perméabilité, permittitivité, forme) dans le régime harmonique et impulsionnel.