FR2806477A1 - Dispositif permettant la determination de caracteristiques de la surface d'un objet - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif permettant la détermination de caractéristiques de la surface d'un objet (31), comprenant des moyens d'illumination de l'objet et des moyens permettant de capter la lumière transmise par l'objet.Selon l'invention, le dispositif met en oeuvre un laser en anneau, les moyens d'illumination de l'objet, l'objet et les moyens permettant de capter la lumière transmise étant contenus à l'intérieur de la cavité résonante du laser en anneau.

Description

Dispositif permettant la détermination de caractéristiques de la surface d'un objet. Le domaine de l'invention est celui de l'observation de la surface d'objets. Plus précisément, l'invention concerne la détermination de caractéristiques de la surface d'objets à partir des modifications des propriétés de la lumière émise par un laser.

On rappelle qu'il existe plusieurs types de microscopes optiques. On distingue tout d'abord les microscopes optiques en champ lointain, et les microscopes optiques en champ proche.

Les microscopes optiques en champ lointain sont couramment utilisés, notamment dans les établissements scolaires, pour l'enseignement de disciplines telles que la biologie ou la géologie. Si ces microscopes sont adaptés à ce type d'utilisation, ils ne permettent pas en revanche une étude très précise de la matière, du fait de leur faible pouvoir de résolution.

En effet, on sait que, quand un objet est éclairé par de la lumière, l'utilisation d'une sonde de dimensions supérieures à celles de la longueur d'onde de la lumière utilisée, comme un objectif de microscope par exemple, ne permet de détecter que des détails de l'objet observé de dimensions supérieures à environ la moitié de la longueur d'onde de la lumière utilisée.

Un inconvénient de cette technique de l'art antérieur est donc que les microscopes optiques en champ lointain ont une résolution limite environ égale à #,/2, où k, est la longueur d'onde de la lumière éclairant l'objet à observer (on rappelle que, dans le visible, la longueur d'onde a, de la lumière est sensiblement comprise entre 400 nm et 800 nm).

On a remarqué, en revanche, que l'utilisation d'une sonde de diamètre très inférieur à la longueur d'onde de la lumière utilisée permet d'obtenir des informations relatives à des détails de l'objet, de dimensions très inférieures à celle de la longueur d'onde de la lumière qui l'éclaire. En effet, une telle sonde ne capte alors que ce que l'on appelle communément le champ proche. On a donc envisagé de concevoir des microscopes optiques à balayage, dits en champ proche , afin d'observer les caractéristiques de la matière à une échelle inférieure ou égale à quelques dizaines de nanomètres.

Le principe de fonctionnement d'un microscope optique en champ proche consiste à déplacer une sonde de très petit diamètre, par exemple l'extrémité effilée d'une fibre optique, au voisinage de la surface d'un objet à étudier, en maintenant la distance de la sonde à l'objet sensiblement inférieure à Q12, où k. est la longueur d'onde de la lumière utilisée. En enregistrant l'intensité de la lumière collectée en fonction de la position de la sonde, il est alors possible de construire une image de la surface de l'objet étudié.

On connaît tout d'abord les microscopes optiques en champ proche appelés N.S.O.M (en anglais Near-field Scanning Optical Microscope ) illustrés par la figure 1. La surface à étudier 12 est placée sur un support 11. On approche de la surface 12 une sonde 13, préalablement métallisée par des dépôts métalliques<B>131.</B> Une telle sonde, qui permet de détecter la lumière émise par l'objet observé, est de diamètre sensiblement égal à 50 rira.

On connaît également les microscopes optiques en champ proche appelés P.S.T.M. (en anglais Photon Scanning Tunneling Microscope ) illustrés par la figure 2. La surface à étudier 22 est placée sur un support 21. On approche de la surface à étudier 22 une pointe non-métallisée 23, à une distance sensiblement égale à ,I10, où k est la longueur d'onde de la lumière éclairant la surface précitée. La lumière incidente 25 éclaire la surface inférieure de l'objet à étudier, et elle est polarisée selon un mode transverse électrique (TE) ou transverse magnétique (TM). Une onde évanescente 24 apparaît alors entre la surface à étudier 22 et la pointe du microscope 23.

Un tel dispositif permet d'atteindre une résolution de l'ordre d'une dizaine de nanomètres, et présente donc des performances supérieures à celles d'un microscope optique en champ lointain, pour lequel la résolution limite est de l'ordre de 300 nm. Un inconvénient de ces techniques de l'art antérieur est que le contraste des images obtenues est souvent médiocre.

Encore un autre inconvénient de ces techniques de l'art antérieur est que le rapport signal sur bruit du microscope est faible. En effet, la sonde, étant de faibles dimensions, collecte peu de lumière.

Encore un autre inconvénient de ces techniques de l'art antérieur est qu'un détecteur très sensible tel qu'un photomultiplicateur doit être utilisé pour détecter le signal de faible puissance capté par la sonde.

L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur.

Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir un microscope optique présentant une résolution transversale et verticale inférieure à la longueur d'onde de la lumière éclairant l'objet à étudier.

Un autre objectif de l'invention est de mettre en oeuvre un dispositif d'observation de la surface d'objets ayant un bon rapport signal sur bruit. L'invention a également pour objectif la mise en ceuvre d'un dispositif d'observation de la surface d'objets permettant d'obtenir des images à fort contraste, grâce aux paramètres intensité, fréquence et polarisations.

Encore un autre objectif de l'invention est de mettre en ceuvre un dispositif d'observation de la surface d'objets dans lequel l'objet à étudier puisse être éclairé par en dessous et/ou par-dessus.

L'invention a encore pour objectif la mise en oeuvre d'un dispositif d'observation de la surface d'objets utilisant une lumière polarisée selon un mode transverse électrique et/ou transverse magnétique.

Encore un autre objectif de l'invention est de fournir un microscope optique à balayage en champ proche dans lequel le signal soit suffisamment puissant pour être détecté par une photodiode.

Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints selon l'invention, à l'aide d'un dispositif permettant la détermination de caractéristiques de la surface d'un objet, comprenant des moyens d'illumination de l'objet et des moyens permettant de capter la lumière transmise par l'objet, et mettant en oeuvre un laser en anneau, les moyens d'illumination de l'objet, l'objet et les moyens permettant de capter la lumière transmise étant contenus à l'intérieur de la cavité résonante du laser en anneau.

Ainsi, l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive de la microscopie optique. En effet, l'invention repose notamment sur l'insertion, dans une cavité laser, d'un dispositif de microscopie, de manière à réaliser un système actif de microscopie optique, qui se distingue donc fortement des dispositifs passifs connus selon les techniques de l'art antérieur. On peut ainsi bénéficier d'un fort rapport signal sur bruit, ainsi que de la fréquence de l'oscillateur, inhérents à l'oscillation du laser. On obtient alors des images de haut contraste au cours de l'observation de la surface de l'objet à étudier.

L'invention exploite notamment le fait que, lorsqu'un objet est placé à l'intérieur de la cavité résonante d'un laser, les caractéristiques optiques de cet objet modifient de manière importante l'intensité et la polarisation de la lumière émise, ainsi que la fréquence d'oscillation du laser. De petits effets, tels que le décalage spatial de Goos et Hânchen, de faibles champs magnétiques ou de petites activités optiques peuvent donc être mis en évidence et mesurés grâce à la sensibilité de la réponse du laser à ces petites perturbations. L'invention permet donc la détermination de caractéristiques optiques de la surface d'objets, à partir de mesures séparées ou simultanées des variations de l'intensité, de la fréquence et de la polarisation de la lumière émise par un laser en anneau, en fonction de la position relative de cet objet et des autres éléments de la cavité résonante.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les moyens permettant de capter la lumière transmise par l'objet à étudier comprennent une sonde de champ proche.

Avantageusement, la sonde de champ proche est une fibre optique terminée par une pointe de faibles dimensions transversales.

On réalise ainsi un dispositif de microscopie optique à balayage en champ proche, à l'aide d'une sonde de diamètre très inférieur à la longueur d'onde de la lumière incidente sur l'objet. De cette manière, on obtient, en déplaçant la sonde au voisinage de la surface de l'objet étudié, des informations relatives à des détails de l'objet de dimensions très inférieures à celle de la longueur d'onde de la lumière utilisée.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la fibre optique utilisée comme sonde de champ proche peut être au moins partiellement métallisée.

L'utilisation de divers types de sondes permet ainsi d'améliorer le contraste des images obtenues lors de l'observation de la surface d'un objet. En effet, ce contraste dépend de la nature de la sonde utilisée et de la polarisation de la lumière utilisée pour l'illumination de l'objet, ces effets étant particulièrement sensibles lorsque la sonde n'est pas métallisée.

L'extrémité de la fibre optique utilisée comme sonde de champ proche est avantageusement coupée selon un angle caractéristique prédéterminé sensiblement supérieur à l'angle critique du matériau constituant ladite fibre optique.

Ainsi, pour la silice par exemple, la fibre optique est coupée selon un angle supérieur à 45,2l2 , qui est la valeur de l'angle critique pour ce matériau. On peut choisir des angles particuliers tels que 51 , 55 ou 60 par exemple.

Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le laser en anneau comprend un milieu amplificateur constitué par l'un au moins des éléments du groupe comprenant - une fibre optique dopée ; - un amplificateur à semi-conducteur ; - un tube à décharge.

Un tel milieu amplificateur constitue en effet un milieu actif et permet donc de fournir un gain au dispositif, afin d'améliorer le rapport signal sur bruit, en réalisant un oscillateur au-delà du seuil.

Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le dispositif comprend une diode optique permettant de définir le sens de parcours de la lumière à l'intérieur dudit dispositif. En effet, le fonctionnement d'un laser en anneau est fortement simplifié lorsque la lumière ne peut parcourir l'anneau que dans un sens. Une diode optique est donc utilisée pour effectuer cette sélection.

Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, le dispositif comprend un contrôleur de polarisation permettant de définir la polarisation de la lumière incidente sur ledit objet.

On peut ainsi choisir une lumière incidente polarisée selon un mode transverse électrique (TE) ou transverse magnétique (TM). La présence d'un contrôleur de polarisation permet avantageusement d'utiliser les propriétés différentielles des ondes transverse électrique et transverse magnétique.

Selon une variante avantageuse de l'invention, le dispositif comprend un contrôleur de polarisation permettant de définir la polarisation de la lumière réinjectée dans le milieu amplificateur dudit laser.

Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention pour un fonctionnement en transmission, le dispositif comprend un prisme transparent permettant d'illuminer l'objet étudié, sous un angle d'incidence déterminé, de manière à être dans les conditions de la réflexion totale.

De cette façon, on obtient une réflexion sensiblement totale de la lumière incidente sur l'objet étudié, et la lumière réfléchie peut être captée par la sonde de champ proche. On réduit ainsi sensiblement les pertes associées au phénomène de transmission de la lumière dans l'objet étudié.

Avantageusement, le dispositif met en couvre des moyens permettant de capter une partie de la lumière transmise et/ou réfléchie par ledit objet.

Ces moyens sont particulièrement avantageux lorsque l'objet est éclairé par sa face inférieure. Une partie de la lumière est alors transmise à travers l'objet, puis captée par la sonde de champ proche. L'autre partie de la lumière, qui est réfléchie par l'objet, peut alors éventuellement être captée grâce à la mise en couvre de moyens particuliers.

Selon une première variante avantageuse de l'invention, le fonctionnement du laser en anneau est monomode longitudinal. Selon une deuxième variante avantageuse de l'invention, le fonctionnement du laser en anneau est multimode longitudinal.

Selon une troisième variante avantageuse de l'invention, le fonctionnement du laser en anneau est pulsé.

L'invention est donc adaptée à divers modes de fonctionnement du laser en anneau.

Préférentiellement, le dispositif comprend donc l'un au moins des éléments du groupe comprenant - un milieu amplificateur optique ; - des moyens permettant de fournir de l'énergie audit milieu amplificateur ; - des moyens permettant d'injecter la lumière émise par une extrémité dudit milieu amplificateur à l'intérieur de ladite sonde de champ proche ; - des moyens permettant de faire varier la position relative de ladite sonde de champ proche par rapport audit objet étudié ; - des moyens permettant de maintenir ledit objet; - des moyens permettant de capter la lumière transmise par ledit objet ; - des moyens permettant de conduire ladite lumière transmise à l'extrémité restée libre dudit milieu amplificateur ; - des moyens permettant de prélever une partie de la lumière circulant dans ledit laser en anneau et de la guider vers un système détecteur.

Selon un autre mode de réalisation avantageux, les objectifs de l'invention sont atteints à l'aide d'un dispositif permettant la détermination de caractéristiques de la surface d'un objet, comprenant un laser, deux éléments faiblement distants permettant d'obtenir un effet tunnel entre lesdits deux éléments, permettant audit laser de fonctionner de manière permanente, ledit objet étant placé entre lesdits deux éléments faiblement distants. Une variante de l'invention est en effet de remplacer un mode de circulation de la lumière en anneau par un mode de circulation sous forme d'allers et retours successifs de la lumière au sein d'une cavité laser. Cette variante permet d'observer des phénomènes d'effet tunnel similaires à ceux observés avec un laser en anneau, et qui peuvent donc être exploités pour déterminer les caractéristiques de la surface d'un objet. Les propriétés des lasers à effet tunnel sont en effet d'un grand intérêt pour le domaine de la microscopie optique, comme exposé en annexe 1.

Avantageusement, les deux éléments faiblement distants selon l'invention appartiennent au groupe comprenant - deux prismes ; - deux extrémités de fibres optiques.

Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'extrémité de la fibre optique, coupée selon un angle prédéterminé sensiblement supérieur à l'angle critique du matériau constituant la fibre optique, est déplacée parallèlement à la surface de l'objet, de façon à réaliser un granulomètre ou un rugosimètre.

Pour la silice par exemple, l'extrémité de la fibre optique sera coupée selon un angle supérieur à l'angle critique d'une valeur de 45,212 , ou selon un angle particulier tel que 51 , 55 ou 60 .

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels - la figure 1 présente un dispositif de microscopie optique en champ proche du type N.S.O.M. (en anglais Near-field Scanning Optical Microscope) selon une technique de l'art antérieur.

- la figure 2 illustre un dispositif de microscopie optique en champ proche du type P.S.T.M. (en anglais Photon Scanning Tunneling Microscope ) selon une technique de l'art antérieur.

- la figure 3 présente un synoptique du dispositif de microscopie optique à balayage en champ proche construit au sein de la cavité résonante d'un laser en anneau, selon l'invention.

- la figure 4 présente un synoptique d'un laser à effet tunnel pouvant être utilisé dans un dispositif de microscopie optique en champ proche, selon une technique similaire à celle illustrée en figure 3.

Le principe général de l'invention repose sur l'insertion d'un dispositif de microscopie optique à balayage en champ proche, au sein d'une cavité laser.

On présente, en relation avec la figure 3, un mode de réalisation d'un dispositif de microscopie optique à balayage en champ proche, construit au sein de la cavité résonante d'un laser en anneau. Un tel dispositif, ainsi que les propriétés du laser à effet tunnel qu'il exploite, sont exposées en annexe 2.

L'échantillon 31 dont on souhaite observer la surface est placé, dans ce cas, sur un angle de prisme 32. Un milieu amplificateur 33, qui peut être une fibre dopée (par exemple aux terres rares), constitue un milieu actif et permet de fournir un gain au dispositif. Selon des variantes de l'invention, le milieu amplificateur 33 peut être un amplificateur à semi-conducteur ou un tube à décharge.

L'une des extrémités 331 de la fibre dopée 33 est en forme de pointe pour sonder le champ proche. L'autre extrémité 332 de la fibre 33 assure la fonction de rétroaction optique et permet de choisir l'angle d'incidence de la lumière sur l'échantillon 31 à observer, ainsi que le côté de l'échantillon 31 qui est éclairé. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'échantillon 31 est éclairé par-dessous, et l'on réalise ainsi un microscope à transmission. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'échantillon 31 est éclairé par dessus, et l'on réalise ainsi un microscope à réflexion. Le milieu amplificateur 33 est pompé de manière optique par une diode laser 34, par l'intermédiaire d'un coupleur 35. Selon un mode de réalisation de l'invention, la diode laser 34 émet un signal à la longueur d'onde k=980 nm, qui sert à pomper l'Er"+, pour obtenir un oscillateur à 1550 nm. Selon un autre mode de réalisation, le milieu amplificateur 33 est un semi-conducteur, fonctionnant par exemple à 1500 nm, et pompé électriquement.

Une diode optique 36 sélectionne le sens de parcours anti-trigonométrique de la lumière dans le laser en anneau. En effet, dans ces lasers en anneau, le fonctionnement est beaucoup plus simple lorsque la lumière ne peut parcourir l'anneau que dans un seul sens. Selon une variante de l'invention, on peut cependant envisager l'absence de diode optique 36, de manière à permettre la circulation simultanée de la lumière dans l'anneau dans le sens trigonométrique et dans le sens anti-trigonométrique.

Un contrôleur de polarisation 37 permet de sélectionner la polarisation de la lumière incidente sur l'échantillon à observer 31. On peut ainsi choisir une lumière incidente polarisée selon un mode transverse électrique (TE) ou transverse magnétique (TM). La présence du contrôleur de polarisation 37 permet d'utiliser les propriétés différentielles des ondes transverse électrique et transverse magnétique. La pointe 331 de la fibre optique 33 sonde alors l'onde évanescente correspondante avec une résolution de sous-longüeur d'onde.

Un coupleur 39 permet de prélever une partie de la lumière circulant à l'intérieur du laser en anneau. Un détecteur 38, qui peut être une photodiode, permet alors d'analyser les variations d'intensité et/ou de fréquence du laser, selon la plage choisie de valeurs de la distance de l'extrémité 331 à la surface 31.

On présente désormais, en relation avec la figure 4, un second mode de réalisation d'un dispositif de microscopie optique en champ proche mettant en oeuvre un laser à effet tunnel. Un tel dispositif est décrit en détail en annexe 3.

Le tunnel apparaît entre deux prismes de silice 45 -90 -45 411 et 412, qui prennent en sandwich une barrière d'air 46 d'épaisseur d. Selon un mode de réalisation de l'invention, le laser fonctionne à une longueur d'onde k=3,39#tm, et l'indice de réfraction des prismes 411 et 412 à cette longueur d'onde est égal à n=1,409. L'angle critique est i,,=45,212 .

La cavité du laser de longueur L est fermée par un miroir sphérique 421 et un miroir plan 422. Selon un mode de réalisation de l'invention, la longueur de la cavité résonante est égale à L--92cm et le rayon de courbure du miroir 421 est égal à p=1,2m. Les coefficients de réflexion des miroirs 421 et 422 sont, par exemple, respectivement égaux à 94 % et 100 %.

Un élément 43 fournit le gain au dispositif. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément 43 est un tube à décharge de 60cm de long, de diamètre de perçage égal à 4,2mm, et fermé par deux fenêtres de Brewster de silice. Il est par exemple rempli d'un mélange 5 : 1 de 3He : 20Ne à une pression totale de 1,1 torr. L'emploi d'un milieu fortement amplificateur 43 rend possible le fonctionnement d'un tel laser à effet tunnel.

Une lame demi-onde 43 permet de basculer la polarisation de la lumière du mode transverse électrique TE au mode transverse magnétique TM à l'intérieur du tunnel.

Les prismes 411 et 412 sont montés sur des étages de rotation de haute précision qui ne sont pas représentés sur la figure 4.

Les transducteurs piézo-électriques 451 et 452 visent respectivement à translater les miroirs 421 et 422, en modifiant respectivement les longueurs AB et CD. Le transducteur piézo-électrique 453 déplace simultanément le prisme 412 et le miroir 422, dans une direction perpendiculaire à la barrière 46, c'est-à-dire le long du segment BC. L'action de l'élément 453 permet ainsi de modifier l'épaisseur d de la barrière 46, sans modifier les autres longueurs AB et CD.

Selon une première variante de ce mode de réalisation, la lumière de sortie du laser est analysée par un interféromètre confocal à balayage de Fabry-Perot d'une longueur de 20cm.

Selon une deuxième variante de ce mode de réalisation, la lumière de sortie du laser est analysée par battement avec un laser très stable auxiliaire construit avec une cavité en matériau breveté Zerodur de Schott (marques déposées).

Lorsque le laser à effet tunnel illustré en figure 4 fonctionne dans la région où l'épaisseur d de l'espace est inférieure à la limite d'Abbe de l'optique classique k,12, où k, est la longueur d'onde du laser, le prisme 412 peut être considéré comme une sonde du champ proche.

Le fonctionnement d'un tel laser à effet tunnel présente des caractéristiques originales. On peut montrer notamment que les fréquences d'oscillation associées aux deux polarisations de la lumière (modes TE et TM), ainsi que l'intensité lumineuse selon chacune des deux polarisations TE et TM, dépendent, de façon très sensible, de l'épaisseur d de la barrière 46 comprise entre les deux prismes 411 et 412. Une sensibilité de l'ordre de 0,1 nm en résolution verticale est réalisable.

Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'un des prismes (ou les deux) est remplacé par une (ou deux) fibres) optique(s), coupée(s) selon un angle caractéristique prédéterminé, pour une utilisation en rugosimétrie. <B>ANNEXE 1</B> Les phénomènes d'effet tunnel des fermions ou des Bosons présentent des propriétés inhabituelles, telles qu'une résistance négative, et peuvent être verrouillés sur des oscillateurs externes Tous ces systèmes nécessitent de très minces barrières afin de maintenir de faibles pertes. En outre, la nature quantique macroscopique à la fois des supraconducteurs et des lasers a été soulignée par Bardeen. En optique, cependant, du fait des difficultés techniques, l'effet tunnel au-dessus de l'angle critique a principalement été étudié pour des barrières relativement épaisses (entre trois et dix fois la longueur d'onde k,). Ceci conduit à l'existence de pertes énormes et interdit tout type d'oscillation à travers une telle barrière. Étonnamment, Newton, qui le premier a observé l'effet tunnel optique, travaillait dans la région de transmission relativement grande (barrière mince, c'est-à-dire, plus mince que i/20) circonvenant les difficultés en utilisant une barrière tunnel avec une faible convexité dans une de ses faces. Nous proposons ici de construire un laser à onde continue oscillant à travers une jonction plane dans cette plage de grande transparence et d'explorer les propriétés de ce système actif. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons une transition de laser à gain élevé pour compenser les pertes de barrière. Ceci nous permet de tester des largeurs de barrière comprises entre 0 et @./2, c'est-à-dire dans la même plage que Newton, et de s'éloigner de la plage ordinairement étudiée des angles d'incidence aux alentours de l'angle critique, où l'on peut penser que le laser à effet tunnel présente des propriétés curieuses. La longueur totale du laser peut être modulée en déplaçant les deux sections du laser entre lesquelles la jonction est prise en sandwich. Habituellement, une diminution de la longueur du laser implique une augmentation de la fréquence du laser. Ici, pour un premier angle d'incidence particulier, la fréquence du laser reste invariante lorsque la longueur totale du laser varie. Pour une valeur plus élevée de l'angle d'incidence, la fréquence associée à la polarisation TM subit une variation négative lorsque la longueur totale du laser est réduite. Ces lasers à effet tunnel continus anisotropes présentent deux largeurs de ligne Schawlow-Townes différentes et pourraient trouver des applications dans les nouveaux dispositifs électroniques quantiques, tels qu'un microscope à effet tunnel à laser en anneau. <B>ANNEXE 2</B> Il est donc naturel de penser à l'utilisation du laser à effet tunnel et de ses propriétés anisotropes comme nouveau type de microscope à balayage de champ proche. (...) Le choix d'un laser en anneau unidirectionnel offre de nombreux avantages. Dans ce système, un gain sera fourni par un milieu à semi-conducteurs ou par une fibre dopée avec une de ses extrémités en pointe pour sonder le champ proche. La rétroaction optique est fournie par l'autre extrémité de la fibre qui permet de choisir l'angle d'incidence et le côté de l'échantillon qui est éclairé (microscope à transmission ou à réflexion). La cavité comprend également une diode optique et un contrôleur de polarisation qui permet d'utiliser les propriétés différentielles des ondes TE et TM. Enfin, en fonction de la plage choisie de valeurs de d, la détection d'intensité ou de fréquence peut être mise en oeuvre. Un tel microscope à effet tunnel à laser en anneau tire parti du fort rapport signal sur bruit inhérent à l'oscillation du laser pour fournir des images à haut contraste à partir de mécanismes différents.

En conclusion, nous avons vu que, grâce au gain élevé qui peut être atteint, le laser à effet tunnel a été rendu capable d'osciller en régime d'onde continue. Un tel laser à effet tunnel est fondamentalement anisotrope par rapport à sa phase et à ses propriétés de perte. II présente des comportements curieux pour certains angles d'incidence particuliers. En effet, pour des augmentations positives de la longueur géométrique du laser, nous avons observé des longueurs optiques invariantes, et même des variations négatives de cette longueur optique pour d'autres angles d'incidence. Le laser à effet tunnel est supposé présenter deux largeurs de raie Schawlow-Townes différentes pour les modes TE et TM propres.

Parmi ses applications potentielles, la plus prometteuse est le microscope à effet tunnel à laser en anneau. Ce microscope à balayage pourrait tirer parti des anisotropies de perte et de phase pour améliorer le contraste dans le domaine du champ proche à la fois dans les régimes de transmission et de réflexion et pourraient trouver des applications dans de nombreux domaines. <B>ANNEXE 3</B> L'agencement de la figure 4 tire parti d'un large gain (entre 0 et 30 dans un seul passage) et une longueur d'onde relativement grande (k= 3,39 ym). L'aspect plat du tunnel est supérieur à i,/60 et les micro translations sont obtenues par l'utilisation de tables piézo-électriques présentant une reproductibilité supérieure à 10 nm. Ceci nous permet de moduler l'épaisseur de la barrière relativement facilement, contrairement au cas de l'effet tunnel pour les électrons des jonctions à semi-conducteurs par exemple. La stabilité angulaire du système est supérieure à 0,1 minute d'arc. La polarisation de la lumière est fixée dans la section gauche du laser par l'utilisation de deux fenêtres de Brewster. Ensuite, la rotation de la lame demi onde située face au tunnel nous permet de basculer entre les polarisations TE et TM. On peut contrôler l'isotropie de la phase initiale du système si on réussit à rendre l'épaisseur de la barrière strictement égale à zéro. Ceci est réalisé en remplissant l'espace d'air le plus fin qui puisse être réalisé avec une goutte d'eau lourde, qui heureusement ne présente aucune absorption à k= 3,39 ym. Ce réglage nous permet également de comparer les conséquences d'une augmentation de longueur d'une cavité, soit via une augmentation de l'épaisseur du tunnel d (PZT3) uniquement, soit via un déplacement de miroir classique (PZTI ou PZT2). De plus, le parallélisme des deux interfaces est contrôlé continuellement grâce à l'utilisation d'un spectromètre à franges. Un analyseur de Fabry-Perot nous permet d'observer et d'isoler les oscillations par effet tunnel TE et TM et de contrôler les fréquences observables pour les différentes épaisseurs de tunnel. De plus, des mesures précises des décalages de fréquence peuvent être effectuées par battement avec le faisceau provenant d'un laser ultra stable auxiliaire construit avec un matériau breveté appelé Zerodur (sensibilité de l'ordre de 100kHz/nm).

Claims (18)

REVENDICATIONS

1. Dispositif permettant la détermination de caractéristiques de la surface d'un objet (31), comprenant des moyens d'illumination dudit objet et des moyens permettant de capter la lumière transmise par ledit objet, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre un laser en anneau, lesdits moyens d'illumination dudit objet, ledit objet et lesdits moyens permettant de capter la lumière transmise étant contenus à l'intérieur de la cavité résonante dudit laser en anneau.

2. Dispositif selon la revendication 1, caractérisé en ce que lesdits moyens permettant de capter la lumière transmise par ledit objet comprennent une sonde de champ proche.

3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite sonde de champ proche est une fibre optique (33) terminée par une pointe (331) de faibles dimensions transversales.

4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite fibre optique est au moins partiellement métallisée.

5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4, caractérisé en ce que l'extrémité (331) de ladite fibre optique (33) est coupée selon un angle caractéristique prédéterminé sensiblement supérieur à l'angle critique du matériau constituant ladite fibre optique.

6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que ledit laser comprend un milieu amplificateur (33) constitué par l'un au moins des éléments du groupe comprenant - une fibre optique dopée ; - un amplificateur à semi-conducteur ; - un tube à décharge.

7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend une diode optique (36) permettant de définir le sens de parcours de la lumière à l'intérieur dudit dispositif.

8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un contrôleur de polarisation (37) permettant de définir la polarisation de la lumière incidente sur ledit objet (31).

9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend un contrôleur de polarisation permettant de définir la polarisation de la lumière réinjectée dans le milieu amplificateur dudit laser.

10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un prisme (32) transparent permettant d'illuminer ledit objet étudié, sous un angle d'incidence déterminé, de manière à être dans les conditions de la réflexion totale.

11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il met en oeuvre des moyens permettant de capter une partie de la lumière transmise et/ou réfléchie par ledit objet.

12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le fonctionnement dudit laser en anneau est monomode longitudinal.

13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le fonctionnement dudit laser en anneau est multimode longitudinal.

14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le fonctionnement dudit laser en anneau est pulsé.

15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend l'un au moins des éléments du groupe comprenant - un milieu amplificateur optique (33) ; - des moyens permettant de fournir de l'énergie audit milieu amplificateur ; - des moyens permettant d'injecter la lumière émise par une extrémité dudit milieu amplificateur à l'intérieur de ladite sonde de champ proche ; - des moyens permettant de faire varier la position relative de ladite sonde de champ proche par rapport audit objet étudié ; - des moyens permettant de maintenir ledit objet ; - des moyens permettant de capter la lumière transmise par ledit objet ; - des moyens permettant de conduire ladite lumière transmise à l'extrémité restée libre dudit milieu amplificateur ; - des moyens (39) permettant de prélever une partie de la lumière circulant dans ledit laser en anneau et de la guider vers un système détecteur (38).

16. Dispositif permettant la détermination de caractéristiques de la surface d'un objet, caractérisé en ce qu'il comprend un laser, deux éléments, distants d'une longueur sensiblement inférieure au quart de la longueur d'onde émise par ledit laser, permettant d'obtenir un effet tunnel entre lesdits deux éléments, permettant audit laser de fonctionner de manière permanente, ledit objet étant placé entre lesdits deux éléments.

17. Dispositif selon la revendication 15, caractérisé en ce que lesdits deux éléments faiblement distants appartiennent au groupe comprenant - deux prismes (411, 412) ; - deux extrémités de fibres optiques.

18. Dispositif selon la revendication 5, caractérisé en ce que l'extrémité de ladite fibre optique est déplacée parallèlement à la surface dudit objet, de façon à réaliser un granulomètre ou un rugosimètre.