FR3006763A1 - Dispositif interferometrique et spectrometre correspondant - Google Patents

Abstract

L'invention concerne un dispositif interférométrique comprenant : - un séparateur (20), pour séparer un faisceau (F0) collimaté en un premier (F1) et un deuxième faisceau incident (F2) ; - au moins un transducteur (13) ; et - un bloc optique (10) transparent, comprenant au moins trois dioptres (D1, D2, D3) plans. Il est essentiellement caractérisé en ce que o le transducteur (13) est basé sur la résonance plasmon et au contact du dioptre (D1) ; o le dioptre (D2) porte un réseau de nanostructures ; - le bloc optique (10) et le séparateur (20) étant configurés de sorte que le faisceau (F1) et le faisceau (F2) subissent une réflexion totale interne sur le dioptre (D1) et sur le dioptre (D3) respectivement avant d'interférer sur le dioptre (D2) en réflexion totale interne et de former un interférogramme dont la frange centrale se situe en un point de convergence (ZOPD).

Description

DISPOSITIF INTERFEROMETRIQUE ET SPECTROMETRE CORRESPONDANT. La présente invention concerne le domaine de la spectrométrie, en particulier couplée à la résonance plasmon.

Plus précisément, l'invention concerne selon un premier de ses objets un dispositif interférométrique comprenant : - un séparateur (20), configuré pour séparer un faisceau lumineux incident (FO) collimaté en un premier faisceau 10 incident (F1) et un deuxième faisceau incident (F2) ; - au moins un transducteur (13) ; et - un bloc optique (10) transparent et comprenant un ensemble d'au moins trois dioptres (D1, D2, D3) plans. 15 Il est essentiellement caractérisé en ce que - le transducteur (13) est configuré pour réaliser une transduction basée sur la résonance plasmon de surface et au contact du premier dioptre (D1) ; et - le deuxième dioptre (D2) porte un réseau de 20 nanostructures au niveau desquelles le premier faisceau incident (F1) et le deuxième faisceau incident (F2) sont susceptibles d'interférer et de former alors un interférogramme dont la frange centrale se situe en un point de convergence défini (ZOPD); 25 le bloc optique (10) et le séparateur (20) étant configurés de sorte que le premier faisceau incident (F1) subit au moins une réflexion totale interne sur le premier dioptre (D1) et le deuxième faisceau incident (F2) subit au moins une réflexion totale interne sur le troisième dioptre (D3) avant qu'ils 30 n'interfèrent sur le deuxième dioptre (D2) en réflexion totale interne. Dans un mode de réalisation, on prévoit en outre un deuxième transducteur (14), ledit deuxième transducteur (14) étant au 35 contact du deuxième dioptre (D2).

Dans un mode de réalisation, le premier dioptre supporte une pluralité de zones de transduction (131, 132, 133, 134), chaque zone de transduction (131, 132, 133, 134) comprenant un 5 transducteur individuel. Dans un mode de réalisation, le deuxième dioptre (D2) comprend une pluralité de zones d'interférences (Z1, Z2, Z3, Z4), chaque zone d'interférences (Z1, Z2, Z3, Z4) comprenant un 10 ensemble de nanostructures, le bloc optique (10) étant configuré de sorte qu'une zone de transduction donnée (131, 132, 133, 134) est disposée en correspondance avec une zone d'interférences donnée (Z1, Z2, Z3, Z4), de sorte que la réflexion totale interne du premier faisceau incident (F1) sur une zone de 15 transduction donnée (131, 132, 133, 134) interfère avec le deuxième faisceau incident (F2) sur une zone d'interférences donnée (Z1, Z2, Z3, Z4). Dans un mode de réalisation, le bloc optique (10) est un 20 assemblage ou un moulage équivalent à l'assemblage d'un premier prisme droit isocèle (11) avec un deuxième prisme droit isocèle (12), dans lequel la longueur d'un côté du deuxième prisme droit isocèle (12) est égale à la moitié de la longueur de l'hypoténuse du premier prisme droit isocèle (11), le deuxième 25 prisme (12) étant assemblé par un de ses côtés sur une moitié de l'hypoténuse du premier prisme (11) de sorte que l'hypoténuse du deuxième prisme (12) soit parallèle à un côté du premier prisme (11), et de sorte qu'une coupe transversale du bloc optique (10) ainsi réalisé s'inscrive dans un carré. 30 Dans un mode de réalisation, le séparateur est un cube séparateur (20), réalisé par assemblage ou par un moulage équivalent à l'assemblage d'un premier prisme droit isocèle (21) et d'un deuxième prisme droit isocèle (22) identique au premier 35 prisme droit isocèle (21), le premier prisme droit isocèle (21) et le deuxième prisme droit isocèle (22) étant assemblés par leur hypoténuse dont l'une est métallisée. Dans un mode de réalisation, la position de la frange centrale de l'interférogramme au point de convergence (ZOPD) est déterminée par construction du bloc optique (10) en fonction des dimensions du premier prisme isocèle droit (11) et du deuxième prisme isocèle droit (12) dudit bloc optique (10).

Selon un autre de ses objets, l'invention concerne un spectromètre comprenant un dispositif selon l'invention, une source lumineuse (1) configurée pour émettre ledit faisceau lumineux incident (FO), et comprenant un capteur optique (30) disposé en vis-à-vis des nanostructures du deuxième dioptre (D2) et configuré pour capter la diffusion de l'interférogramme résultant de l'interférence du premier faisceau incident (F1) et du deuxième faisceau incident (F2). Dans un mode de réalisation, le spectromètre comprend en outre - un calculateur (50), - deux puissance-mètre (40a, 40b), et - une mémoire dans laquelle la valeur de la puissance (P mes(À)) mesurée par le deuxième puissance-mètre (40b) est enregistrée simultanément à la valeur de la puissance de référence en sortie de la source (1) mesurée par le premier puissance-mètre (40a); et dans lequel - le calculateur (50) est configuré pour - déterminer le spectre incident (FO) par transformée de Fourier de l'interférogramme capté par le capteur optique (30) qui mesure la puissance lumineuse diffusée par chaque nanostructure du réseau de nanostructures du deuxième dioptre (D2) et la stocker dans une mémoire; - calculer la réflectivité (R spr(À)) selon l'équation R_spr(À) = 2* P mes(2)/ P FO(À), avec P FO(À) la puissance du faisceau incident (FO) émis par la source lumineuse (1) qui est connue ou mesurée par le premier puissance-mètre (40a).

Dans un mode de réalisation, la source lumineuse (1) est monochromatique, et le calculateur (50) est configuré pour calculer le déphasage (y(X)) du premier faisceau (F1) en comparant I(t1) et I(t0) deux valeurs enregistrées dans une mémoire et 10 correspondant à la distribution d'intensité sur le plan (xoy) de l'interférogramme obtenu en faisant interférer sur le deuxième dioptre (D2) le premier faisceau incident (F1) et le deuxième faisceau incident (F2), à un temps t1 et un temps tO respectivement. 15 Dans un mode de réalisation, la source lumineuse (1) est large bande, et le calculateur (50) est configuré pour calculer le spectre de la source filtrée par le coefficient de réflexion (R spr (À)) du transducteur (13). 20 D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante donnée à titre d'exemple illustratif et non limitatif et faite en référence aux figures annexées dans 25 lesquelles : - la figure 1 illustre, pour une longueur d'onde donnée, deux interférogrammes tronqués, mesurés entre deux instants, et réalisés avec un dispositif selon un mode de réalisation de l'invention, 30 - la figure 2a illustre la comparaison de la variation du coefficient de réflexion en fonction de la longueur d'onde entre une simulation et une expérience avec un dispositif selon un mode de réalisation l'invention, - la figure 2b illustre la comparaison de la variation 35 du déphasage introduit par la réflexion du premier faisceau F1 sur le transducteur en polarisation TM, en prenant comme phase de référence la phase en polarisation TE, en fonction de la longueur d'onde entre une simulation et une expérience avec un dispositif selon un mode de réalisation l'invention; - la figure 3 illustre un mode de réalisation d'un dispositif interférométrique selon l'invention, - la figure 4 illustre un mode de réalisation d'un dispositif interférométrique selon un mode de réalisation avec cellule micro fluidique, - la figure 5 illustre un autre mode de réalisation d'un dispositif interférométrique selon un mode de réalisation avec cellule micro fluidique, et - la figure 6 illustre une fonctionnalisation de la surface du dioptre D1 comprenant une pluralité de transducteurs. Dans son principe, l'invention vise à analyser les propriétés ou la nature de composés biologiques ou chimiques compris dans un fluide, c'est à dire un liquide ou un gaz, en se basant sur la spectrométrie. A cet effet, on met en oeuvre l'interférence de deux faisceaux incidents F1 et F2 dont l'un seulement est perturbé par ledit fluide. 25 En référence notamment à la figure 3, une source lumineuse 1, lorsqu'elle est active, génère un faisceau lumineux incident F0, dit « faisceau incident » par concision. Dans un mode de réalisation, le faisceau incident FO est 30 monochromatique. Dans un autre mode de réalisation, le faisceau incident FO est poly chromatique, et en l'espèce, en lumière blanche. 35 Les particularités relatives à chacun de ces deux modes de réalisation sont décrites ultérieurement. 20 De préférence, on prévoit un collimateur 2 permettant d'obtenir un faisceau de rayons parallèles issus du faisceau incident.

Par exemple le collimateur est un système de lentilles connu de l'homme du métier. De préférence, le collimateur 2 comprend en outre une séparatrice qui prélève quelques pourcents de la puissance du faisceau incident F0. Ce prélèvement permet de contrôler la puissance de la source lumineuse, en l'espèce laser, à l'aide d'un premier puissance mètre 40a, en l'espèce une photodiode calibrée, et de normaliser la mesure de puissance par le deuxième puissance mètre 40b décrit ultérieurement.

On peut prévoir une fibre optique (non illustrée) entre la source lumineuse et le collimateur 2. On peut également prévoir un polariseur 3, configuré pour polariser le faisceau incident F0, dans le cas où la source n'est pas polarisée, en polarisation TM (champ électrique dans le plan d'incidence xoz) ou TE (champ magnétique dans le plan d'incidence xoz), en particulier lorsque le transducteur 13 décrit ultérieurement est configuré pour réaliser une transduction basée sur la résonance plasmon (SPR). De préférence, le polariseur est situé avant l'élément qui prélève une partie du faisceau FO vers le puissance-mètre 40a, pour tenir compte des fluctuations d'intensité liées à des effets de polarisation de la source, en l'espèce laser.

Séparateur On prévoit un séparateur, de préférence en aval du collimateur, configuré pour séparer le faisceau incident FO en un premier faisceau incident F1 et un deuxième faisceau incident 35 F2.

De préférence, on choisit le ratio du séparateur (proportion entre le faisceau réfléchit et le faisceau réfracté) de sorte à maintenir le contraste des franges le plus élevé possible en équilibrant les puissances des faisceaux F1 et F2 au 5 niveau du dioptre D2. Par exemple, lorsque le transducteur 13 est configuré pour réaliser une transduction basée sur la résonance plasmon, on peut choisir un séparateur 10/90 de sorte à augmenter la puissance du faisceau F1 par rapport au faisceau F2 pour compenser la forte absorption des photons qui excitent 10 les plasmons de surface à résonance. Avec un autre type de transducteur 13, on peut prévoir un séparateur 50/50. Le séparateur peut être une lame séparatrice, la métallisation d'un dioptre (par exemple un miroir semi15 réfléchissant), ou un cube séparateur 20, en particulier tel que décrit ci-dessous. Dans le cas d'une lame mince séparatrice, il faut tenir compte du décalage du faisceau transmis lié à l'épaisseur de la 20 lame dans l'expression de A et â décrits ultérieurement. Dans un mode de réalisation, on prévoit en effet que le séparateur est un cube séparateur 20, réalisé par exemple par assemblage d'un premier prisme droit isocèle 21 et d'un deuxième 25 prisme droit isocèle 22 identique, assemblés par leur hypoténuse dont l'une fait office de séparateur, par exemple par métallisation de celle-ci. Grâce cette configuration, l'assemblage du cube 30 séparateur 20 est aisé et la fabrication peu onéreuse car les prismes isocèles droits sont les prismes les plus courants et de prix très abordable. Bloc optique 35 On prévoit également un bloc optique 10, permettant de faire interférer les deux faisceaux incidents F1 et F2 issus du séparateur.

Par bloc optique, on entend un élément solide et transparent, aux propriétés optiques de préférence isotropes et comprenant un ensemble d'au moins trois surfaces planes, chaque surface plane ayant une fonction de dioptre plan et étant appelée « dioptre » ci-après. On assimile donc ici les termes de « surface » « dioptre » et « côté ». En l'espèce, le bloc optique 10 comprend un premier dioptre D1, un deuxième dioptre D2 et un troisième dioptre D3.

Sur la figure 3, le premier dioptre D1 est parallèle au troisième dioptre D3 et perpendiculaire au deuxième dioptre D2. Mais la réalisation d'un bloc optique n'est pas limitée à cette seule configuration.

Par dioptre, on entend une surface séparant un premier milieu, en l'espèce ledit bloc optique, d'un deuxième milieu dont l'indice de réfraction est différent de celui dudit premier milieu, en l'espèce un fluide. Le fluide peut être un gaz, par exemple l'air, tout autre gaz ou mélange de gaz ; ou un liquide, placé au contact d'un transducteur 13 par exemple par l'intermédiaire d'une cellule micro fluidique 15. Dans tous les cas, le second milieu doit présenter un indice de réfraction inférieur à celui du bloc optique.

Par exemple le bloc optique 10 peut être en verre ou en matériau synthétique dont l'indice de réfraction est proche de celui du verre. Le bloc optique peut être moulé ou assemblé par exemple grâce à une colle (moléculaire, UV...) et un gel d'indice.

On prévoit que le premier dioptre D1 du bloc optique 10 supporte un transducteur 13 configuré pour réaliser une transduction basée sur la résonance plasmon, c'est à dire l'absorption résonante de photons par les électrons d'une fine couche métallique. Les photons d'une source lumineuse, c'est à dire le faisceau F1, excitent des ondes plasmoniques qui se propagent à la surface de la couche métallique. Cette excitation, en particulier la fréquence de résonance de cette excitation, est très sensible à la variation de l'indice de réfraction du milieu fluide au contact avec la couche métallique. Une mesure des propriétés de la lumière ayant interagit avec le transducteur 13 permet alors de remonter à la variation de l'indice de réfraction au voisinage de la couche métallique. Cette variation d'indice est essentiellement liée à l'adsorption de molécules (composés chimique ou biologiques) spécifiques que l'on cherche à détecter. Les capteurs SPR (pour Surface Plasmon Resonance par anglicisme) sont parmi les plus sensibles et permettent aussi de réaliser des mesures dynamiques de réactions chimiques ou biologiques. Par exemple le transducteur est une couche mince 20 métallique, en l'espèce de l'or, évaporée à la surface d'un dioptre D1 du bloc optique 10. Le transducteur 13 peut comprendre, outre la fine couche de métal, des éléments susceptibles de se combiner avec des 25 composés biologiques ou chimiques complémentaires que l'on cherche à détecter et contenus dans un fluide au contact de ladite couche mince métallique. Cette fonctionnalisation biochimique de surface permet de réaliser des mesures dites sélectives. 30 On prévoit que le deuxième dioptre D2 du bloc optique 10 supporte un réseau de nanostructures centré autour du point de convergence ZOPD, ce qui permet la détection de l'interférogramme par un capteur optique 30, par exemple une 35 caméra CCD, disposé en vis-à-vis des nanostructures.

On prévoit que le troisième dioptre D3 du bloc optique 10 est laissé à l'air libre. On peut prévoir que le troisième dioptre D3 du bloc optique 5 10 supporte un transducteur 14, différent du transducteur 13 supporté par le premier dioptre Dl. Dans ce cas, les effets des interactions entre les composés biologiques ou chimiques que l'on cherche à détecter et le transducteur 14 sont connus, afin de permettre une analyse différentielle des effets des 10 interactions des composés biologiques ou chimiques que l'on cherche à détecter avec entre d'une part le premier dioptre D1 portant le transducteur 13 et d'autre part le troisième dioptre D3 portant éventuellement le transducteur 14. 15 Dans un mode de réalisation, on prévoit que le bloc optique 10 est un assemblage d'un premier prisme droit isocèle 11 avec un deuxième prisme droit isocèle 12, dans lequel la longueur d'un côté du deuxième prisme droit isocèle 12 est égale à la moitié de la longueur de l'hypoténuse du premier prisme droit 20 isocèle 11, c'est à dire que la longueur de l'hypoténuse du deuxième prisme droit isocèle 12 est égale à la longueur d'un côté du premier prisme droit isocèle 11. Dans ce cas, le deuxième prisme 12 est assemblé par un de 25 ses côtés sur une moitié de l'hypoténuse du premier prisme 11 de sorte que l'hypoténuse du deuxième prisme 12 soit parallèle à un côté du premier prisme 11, et de sorte qu'une coupe transversale du bloc optique 10 ainsi réalisé s'inscrive dans un carré. 30 Grâce à cette configuration, on peut venir insérer le séparateur dans l'espace laissé libre entre l'autre moitié de l'hypoténuse du premier prisme 11 et l'autre côté du deuxième prisme 12 du bloc optique. Ce qui est particulièrement avantageux avec le cube séparateur décrit ci-dessus. 35 Dans ce cas, le cube séparateur 20 est assemblé par une de ses faces entre la moitié libre de l'hypoténuse du premier prisme 11 du bloc optique et le côté libre du deuxième prisme 12 du bloc optique. Ainsi, le plan 23 du séparateur, qui est le prolongement de la diagonale du cube séparateur, passe par le centre de l'hypoténuse du premier prisme 11 (qui est aussi le sommet du deuxième prisme 12 du bloc optique) et le centre du deuxième dioptre D2.

On peut prévoir que le premier prisme droit isocèle 11 du bloc optique est identique à l'un des prismes 21, 22 du cube séparateur 20. Le bloc optique 10 obtenu par assemblage, éventuellement combiné au cube séparateur 20 peut également être obtenu par moulage. Le bloc optique, éventuellement combiné au cube séparateur présente avantageusement un plan de symétrie passant par le plan 23 du séparateur, illustré par des pointillés de sur figure 3.

L'un des dioptres du bloc optique, en l'espèce le deuxième dioptre D2, porte des nanostructures qui permettent d'échantillonner spatialement (dans le plan xoy) un interférogramme produit par l'interférence du premier faisceau F1 en réflexion totale interne sur ce dioptre avec le deuxième faisceau F2 en réflexion totale interne sur ce même dioptre, comme décrit dans le brevet FR2929402 de la demanderesse. La frange centrale de l'interférogramme et qui correspond au point de convergence ZOPD est idéalement centrée sur le réseau de nanostructures. Le bloc optique 10 est configuré de sorte que le premier faisceau F1 subit une réflexion totale interne sur le dioptre portant le transducteur avant d'arriver au point de convergence 35 ZOPD.

L'angle entre le premier dioptre D1 et le deuxième dioptre D2 peut être un angle droit comme illustré sur la figure 3, ou différent, comme illustré sur la figure 4 ou figure 5.

Le point de convergence ZOPD est également appelé point de différence de marche nulle et correspond à la position de la frange centrale de l'interférogramme se formant sur le dioptre portant les nanostructures D2. On rappelle ici qu'un faisceau est constitué de rayons. Avec un collimateur, la structure géométrique d'un faisceau FO collimaté est à symétrie cylindrique avec un axe de symétrie. Au niveau du point de convergence ZOPD, les rayons des faisceaux F1 et F2 coïncident avec les axes de symétrie desdits faisceaux F1 et F2. Les rayons qui ne sont pas confondus avec l'axe de symétrie interfèrent avec des déphasages qui dépendent de leur distance par rapport à l'axe de symétrie du faisceau. C'est ce qui donne la figure d'interférence avec des maximas et des minimas d'intensité de part et d'autre de la frange centrale.

La position de la frange centrale de l'interférogramme ZOPD peut être contrôlée et ajustée par construction, en fonction des dimensions du premier prisme isocèle droit 11, du deuxième prisme isocèle droit 12 du bloc optique 10. on peut prévoir en outre en fonction du point d'entrée du faisceau incident FO dans le cube séparateur 20, c'est à dire de la position du point S le long du plan 23. On peut définir : - A la longueur d'un des côtés du premier prisme isocèle droit 11 du bloc optique, en l'espèce la longueur du dioptre D1 ; - B la longueur d'un des côtés du deuxième prisme isocèle droit 12 du bloc optique, en l'espèce le côté assemblé avec le cube séparateur 20; - A la distance entre le faisceau incident FO et la face du cube séparateur 20 parallèle (en l'espèce confondue) avec le plan passant par l'hypoténuse du premier prisme isocèle droit 11 ; et - 5 la distance entre le point ZOPD correspondant à la position de la frange centrale de l'interférogramme (pour laquelle la différence de marche est nulle) sur le dioptre D2 portant les nanostructures et le plan passant par le plan 23 du séparateur, en l'espèce la diagonale du cube séparateur 20 parallèle à la face contenant le dioptre D1 (et D3), et passant par le milieu de ladite face dudit dioptre D2. Comme exposé ci-dessous, la diagonale passe par le milieu du dioptre D2 uniquement dans le cas particulier où les côtés A et B vérifient A=B-\/2 (configuration symétrique). Sur la figure 3 où un exemple plus général qui n'est pas symétrique est illustré, le plan 23 du séparateur ne passe pas par le milieu du dioptre D2. De préférence, le faisceau incident FO est toujours 20 parallèle à l'hypoténuse du prisme 11. Par définition, les chemins optiques des deux faisceaux F1 et F2 sont égaux au point de convergence ZOPD. Le point de convergence ZOPD appartient au plan contenant le deuxième 25 dioptre D2. Dans le cas particulier où A et B vérifient ces deux conditions, la longueur d'un côté du deuxième prisme droit isocèle 12 (c'est à dire B) est égale à la moitié de la longueur de l'hypoténuse du premier prisme droit isocèle 11 (H=Ax-\/2 ; avec H l'hypoténuse du prisme), ce qui revient à écrire 30 B=(H/2)=Ah/2, on a alors un plan de symétrie qui contient la diagonale séparatrice du cube. Par conséquent, le point de convergence ZOPD doit appartenir à ce plan de symétrie c'est à dire 5=0. 35 On a ainsi : A = AM2 - B/2 et 5 = B/V2 - A/2 De préférence, l'indice de réfraction du premier prisme 11 et du deuxième prisme 12 du bloc optique est le même que celui du cube séparateur 20. Ce qui permet de contrôler les chemins optiques par construction géométrique et éviter les retro-réflexions (voir des réflexions multiples) liées au passage de la lumière à travers deux milieux d'indices différents.

Comme exposé précédemment, au-delà du cube 20, tout séparateur peut être utilisé en combinaison avec le bloc optique 10. L'homme du métier comprend que l'utilisation d'un séparateur ayant un indice de réfaction différent de l'indice de réfraction du bloc optique 10 peut influencer le chemin optique d'au moins l'un des premier faisceau F1 et deuxième faisceau F2. L'avantage du collage de prismes isocèles droits pour le bloc optique 10 comme pour le cube séparateur 20 réside dans la facilité de trouver de tels prismes sur le marché et leur coût relativement faible. Cependant, d'autres formes de blocs optiques ou de séparateurs peuvent être réalisées, telles qu'illustrées sur les figures 4 et figure 5. Ces figures ne sont pas décrites plus avant, l'homme du métier comprend que les règles optiques relatives aux chemins optiques et aux réflexions totales internes pour le premier faisceau F1 et le deuxième faisceau F2 doivent être respectées. Fonctionnement La source lumineuse 1 émettant le faisceau incident FO peut être monochromatique, éventuellement accordable, ou une source large bande.

Le faisceau incident FO arrive de préférence en incidence normale à la surface du cube séparateur 20.

Le séparateur sépare le faisceau incident FO en un point de séparation S (figure 3) en un premier faisceau incident F1 et un deuxième faisceau incident F2.

Entre le point de séparation S et le point de convergence ZOPD, on prévoit que le chemin optique du premier faisceau incident F1 est égal au chemin optique du deuxième faisceau incident F2.

L'angle d'incidence du faisceau incident FO sur le séparateur est tel que le faisceau incident F1 et le faisceau incident F2 subissent une réflexion totale interne sur chaque dioptre du bloc optique.

On peut prévoir une pluralité de réflexions totales internes des faisceaux incidents F1 et F2 dans le bloc optique 10, comme illustré en figure 4 et figure 5, sous réserve que les chemins optiques du premier faisceau incident F1 et du deuxième faisceau incident F2 soient contrôlés de sorte à positionner le point de convergence ZOPD au centre de la zone de détection de l'interférogramme. Mais le nombre de réflexions influe sur le risque de perte de qualité ou de puissance du signal optique transporté par les faisceaux incidents F1 et F2.

De préférence, le nombre de réflexions totales internes entre le point de séparation S et le point de convergence ZOPD est aussi réduit que possible pour chaque faisceau incident F1 et F2.

En l'espèce, figure 3, on prévoit pour le premier faisceau incident F1 une seule réflexion totale interne sur le dioptre D1 du bloc optique 10, puis une réflexion totale interne au point de convergence ZOPD sur le dioptre D2 du bloc optique 10 portant les nanostructures. De même, on prévoit pour le deuxième faisceau incident F2 une seule réflexion totale interne sur le dioptre D3 du bloc optique 10, puis une réflexion totale interne au point de convergence ZOPD sur le dioptre D2 du bloc optique 10 portant les nanostructures.

Après interférence sur le dioptre D2 : - le premier faisceau incident F1 subit une réflexion totale interne sur le dioptre D3 du bloc optique 10, puis une réflexion sur le séparateur, identique à celle subie par le faisceau FO pour donner le faisceau F1 et qui n'est pas une réflexion totale interne, avant d'être recombiné au deuxième faisceau incident F2 en un faisceau de sortie FO' sur le deuxième puissance-mètre 40b ; et - le deuxième faisceau incident F2 subit une réflexion totale interne sur le dioptre D1 du bloc optique 10, puis une transmission et une réflexion (perte en réflexion vers la source 1) sur le séparateur. La partie transmise du deuxième faisceau incident F2 est recombinée en S à la partie réfléchie du premier faisceau incident F1 pour constituer le faisceau de sortie FO', sur le puissance- mètre 40b. Dans le cas d'un cube séparateur 50/50, la puissance totale du faisceau de sortie FO' est alors égale à la moitié de la puissance incidente FO dans le cas où les pertes dans les éléments optiques sont négligeables. L'autre moitié de la puissance (la partie transmise de F1 et la partie réfléchie de F2 en S) repart vers la source 1. Transduction Au premier dioptre D1 du bloc optique, le transducteur 13 perturbe l'onde évanescente générée par le premier faisceau incident F1, ce qui introduit une modification en amplitude et en phase dudit premier faisceau incident F1, selon une fonction du coefficient de réflexion R(À) et du déphasage p(À) liée au transducteur et à la longueur d'onde incidente.

La particularité du transducteur est que les coefficients R et p sont très sensibles à l'indice de réfraction du milieu environnant, ce qui est le principe même du fonctionnement d'un transducteur. Une petite variation de l'environnement se traduit par une modification de son indice de réfraction qui modifie à son tour les coefficients R et (p. L'information sur l'état de l'environnement est ainsi obtenue en mesurant les grandeurs optiques R et (p.

Les déterminations de R et de p sont totalement indépendantes. C'est d'ailleurs l'un des avantages de la solution proposée ici, et qui permet de réaliser simultanément une mesure spectrale de R et (p. Tous les capteurs SPR ont un accès unique soit à p, soit à R. R peut être fonction de À (R(À)) ou fonction de l'angle d'incidence e (R(e)) (et dans ce cas À est fixe). En l'espèce l'amplitude du faisceau incident F1 après 20 réflexion totale interne sur le dioptre D1 portant le transducteur 13 est égale A_F1(À)* -\/R(À)exp[i*cp(À)], avec A_F1(À) l'amplitude du faisceau incident avant réflexion totale interne sur ledit dioptre D1 portant le transducteur 13 ; la puissance ou l'intensité d'un faisceau lumineux s'exprimant 25 comme la norme au carré de l'amplitude. Cette modification en amplitude et en phase du faisceau F1 permet de détecter les composés biologiques ou chimiques contenus dans un fluide au contact du transducteur 13, en 30 mesurant les variations du coefficient de réflexion R(À) et du déphasage p(À) dudit premier faisceau incident F1 lorsqu'il interfère avec le faisceau F2. L'interférogramme généré au niveau du dioptre D2 portant 35 les nanostructures du bloc optique 10 est capté par un capteur optique 30, en l'espèce une caméra CCD, qui transmet ses informations à calculateur 50, en l'espèce un ordinateur équipé d'un logiciel de calcul et une mémoire. Calcul de X Il est possible grâce au calculateur 50 de déterminer le spectre incident FO par transformée de Fourier de l'interférogramme capté par le capteur optique 30 et d'accéder ainsi à la ou les longueurs d'onde du faisceau FO qui est(sont) enregistrée(s) dans une mémoire. En l'espèce, la longueur d'onde est obtenue en considérant la norme de la transformée de fourrier de l'interférogramme échantillonnée spatialement selon le procédé décrit dans le brevet FR2929402. Calcul de R Un puissance-mètre 40b, par exemple une photodiode calibrée, permet de mesurer la puissance du faisceau (ou indifféremment signal) FO' en sortie du bloc optique 10 et du séparateur, par recombinaison des faisceaux F1 et F2 ayant interféré entre eux.

La puissance mesurée P mes(À) est une fonction de la puissance P FO(À) du faisceau incident émis par la source lumineuse 1, qui est connue ou mesurée, et de la réflectivité R spr(À).

On entend indistinctement réflectivité R_spr(À) ou coefficient de réflexion R(À). Dans « R_spr(À) », l'indice « _spr » appliqué au coefficient de réflexion R(À) signifie simplement un transducteur 13 particulier, en l'espèce de type SPR.

Le calculateur 50 peut alors calculer la réflectivité R spr(À), typiquement selon l'équation R spr(À) = 2 P mes(À) / P FO(À) pour une source 1 monochromatique (voir figure 2a). La valeur du coefficient de réflexion R(À) = R spr(À) ainsi 5 calculée est enregistrée dans une mémoire. Dans le cas où la source 1 est large bande, c'est à dire avec une largeur supérieure à celle de la résonance plasmon et un transducteur 13 configuré pour réaliser une transduction 10 basée sur la résonance plasmon, l'avantage est que la mesure peut se faire en une seule acquisition de l'interférogramme. Dans ce cas le deuxième puissance mètre 40b n'est pas nécessaire. Dans ce cas, le spectre mesuré (À) est égal au spectre de la source (1) multiplié (filtré) par la réflectivité 15 R spr (À). On peut obtenir le même résultat en utilisant une source monochromatique accordable autour de la résonance plasmon, mais dans ce cas, il faut une acquisition de l'interférogramme pour 20 chaque longueur d'onde, comme on le fait pour la phase. Calcul de cp Par calcul de phase cp, on entend la phase relative par 25 rapport à une phase de référence. Dans le cas d'une source monochromatique, la phase y(X) peut être déduite directement en exploitant l'interférogramme 30 mesuré et qui s'exprime selon la formule suivante : I(x,X,t0) = AO + BO X Cos(27rXx/T+(p0) I(x,X,tl) = Al + B1 X Cos(27rXx/T+(p1) AO et Al sont des offsets, BO et B1 sont les amplitudes ou 35 contrastes des franges d'interférences. Ces coefficients sont obtenus, dans une première étape du traitement numérique, en appliquant une courbe d'ajustement aux interférogrammes enregistrés. Cet ajustement peut se faire de manière classique en utilisant une méthode des moindres carrés.

T est la période des franges d'interférences et s'exprime comme T = X/(2 n Sin(0)) Où n est l'indice de réfraction du prisme 11 et 0 l'angle d'incidence des faisceaux F1 et F2 au niveau du dioptre D2.

L'ajustement des interférogrammes expérimentaux I(X,t0)et I(X,t1) permet d'obtenir les fonctions normalisées : Cos(27cXx/T+y0)= (I(x,X,t0) - A0)/B0 Et Cos(27rXx/T+y1)= (I(X,t1) - A1)/B1 En sommant les deux fonctions normalisées on obtient le signal normalisé S qui peut se réécrire, en utilisant la relation trigonométrique Cos(P)+Cos(Q)= 2X Cos((P+Q)/2)X Cos((PQ)/2), de la manière suivante : S(x,X,t0,t1)=2 X Cos((y1-y0)/2)X Cos(27cXx/T+(y0+(p1)/2) Dans une seconde étape du traitement numérique, on prévoit d'ajuster, par une méthode des moindres carrés, le signal normalisé. Cet ajustement numérique donne la valeur de l'amplitude Amp01 du signal S, à savoir Amp01= 2 x Cos((y1-y0)/2. Connaissant Amp01, on peut déduire la valeur de la phase relative (yl-e) : y1-y0 = 2XArcCos(Amp01/2) Comme illustré figures 2a et 2b, la présente solution permet un accès à la réflectivité et à la phase relative en déterminant expérimentalement les fonctions de transfert en amplitude et en phase d'un transducteur de type SPR constitué en l'espèce d'une couche mince d'or déposée sur la face du prisme correspondant au dioptre Dl. Dans le cas de la figure 2b, la phase de référence pour chaque longueur d'onde X a été mesurée en considérant une polarisation TE (champ électrique perpendiculaire au plan d'incidence soit E//0Y). En effet, la 5 réponse spectrale d'une couche SPR est plate (pas d'excitation plasmon en TE). La fonction de transfert d'une couche SPR est donnée en excitant les électrons avec une polarisation TM (champ électrique dans le plan d'incidence). Prendre le signal en TE comme référence est couramment utilisé dans ce type de capteurs 10 SPR. La courbe expérimentale de la figure 2b a été obtenue en considérant les interférogrammes I(x,X,TE)et I(x,X,TM) indépendamment du temps (en considérant que les interférogramme sont stables au court du temps lorsque rien ne perturbe le transducteur, en l'espèce au contact de l'air et à une 15 température contrôlée de 22°C). Pour chaque longueur d'onde (entre 500 et 700nm) deux interférogrammes I(x,X,TE)et I(x,X,TM) sont enregistrés et le traitement de signal décrit plus haut est appliqué pour déterminer (PTE-yTm. 20 On effectue une première mesure de I à un instant tO dont on enregistre la valeur I(t0) dans une mémoire, puis une deuxième mesure à un instant tl dont on enregistre la valeur I(tl) dans une mémoire. 25 La différence entre ces deux valeurs I(t1)-I(t0) permet de calculer la valeur de la phase y(X) qui correspond à la variation de phase subie par le faisceau Fl (et F2 dans le cas où l'on considère le transducteur 14) entre les instant tO et tl. 30 Résultats expérimentaux La figure 1 montre deux interférogrammes tronqués, pour une longueur d'onde donnée (en l'espèce 630nm), mesurés entre deux 35 instants, en l'espèce à 10 minutes d'intervalle.

Les courbes de la figure 1 illustrent la distribution spatiale le long de l'axe (ox) de l'intensité reçue par le capteur optique 30 autour du point de convergence ZOPD, en 5 l'espèce selon une méthode décrite dans le brevet FR2929402. Comme illustré figure 1, l'interférogramme à t=1 est quasiment intégralement superposé à l'interférogramme à t=0, ce qui montre la grande stabilité du dispositif interférométrique 10 dans le temps. La figure 2a illustre la variation du coefficient de réflexion R(À) en fonction de la longueur d'onde pour une simulation comparée à une expérience, sur laquelle le minimum de 15 la courbe correspond au maximum d'absorption des photons par les électrons de la couche SPR et définit la longueur d'onde de résonance plasmon. Comme illustré, la fonction de transfert en intensité (réflectivité) du transducteur SPR a bien été mesurée à l'aide du dispositif proposé ici, avec un très bon accord avec 20 les simulations. Il est donc tout à fait possible d'utiliser le dispositif proposé comme capteur SPR à interrogation en intensité. Fonctionnalisation de surface 25 Dans le cas particulier d'une transduction de type SPR ou LSPR (c'est à dire une couche mince de métal nanostructurée) qui a l'avantage de contrôler la position de la résonance plasmon en fonction de la taille et la densité des nanostructures, on peut 30 prévoir que le premier dioptre D1 comprend une pluralité de zones de transduction, chaque zone comprenant un traitement chimique de surface spécifique, de sorte que chaque zone peut être considérée comme un transducteur individuel. La position de chaque zone ou chaque transducteur est connue. 35 Par exemple, les zones de transduction et les zones d'interférences sont disposées selon un positionnement en matrice (voir figure 6).

Sur la figure 6, on a représenté schématiquement une vue de dessus du premier dioptre D1 comprenant pour cet exemple quatre zones de transduction. Chaque zone 131, 132, 133, 134 comprend un traitement chimique de surface spécifique, de préférence différent d'une zone à l'autre, ce qui permet une détection multi espèces chimiques ou biologiques. Dans ce cas, on prévoit de structurer la zone d'échantillonnage au niveau du deuxième dioptre D2 portant les nanostructures, c'est à dire que le deuxième dioptre comprend une pluralité de zones d'interférences. Chaque zone d'interférences Z1, Z2, Z3, Z4 comprend un réseau de nanostructures. La position de chaque zone d'interférences ou de chaque réseau de nanostructures est connue.

Le bloc optique 10 est configure de sorte qu'une zone de transduction donnée est disposée en correspondance avec une zone d'interférences donnée, de sorte que la réflexion totale interne du premier faisceau incident F1 sur une zone de transduction donnée ne peut interférer avec le deuxième faisceau incident F2 que sur une zone d'interférences donnée. Sur la figure 6, la zone de transduction 132 est disposée en correspondance avec la zone d'interférences Z2 de sorte que le faisceau F1, illustré en pointillés, subit une réflexion totale interne sur la zone de transduction 132 puis vient interférer avec le deuxième faisceau F2 (non illustré) sur la zone d'interférences Z2. Par exemple chaque zone de transduction est configurée pour détecter une espèce chimique ou biologique donnée.

Dans ce mode de réalisation où le premier dioptre D1 est fonctionnalisé, le faisceau incident FO est monochromatique.

Autres avantages Grâce à l'invention, on peut obtenir un système compact permettant d'avoir accès simultanément à la distribution spectrale de l'amplitude et la phase relative du faisceau incident FO ayant interagit avec au moins un transducteur 13, 14 par le biais des faisceaux Fl ou F2.

Grâce à l'invention, les deux faisceaux incidents Fl et F2 interfèrent dans des conditions extrêmement stables (en l'espèce encapsulés dans le verre) ; c'est à dire que l'interférogramme obtenu au niveau du dioptre D2 portant les nanostructures ne dépend que de R(À) et p(À) ; et que les deux faisceaux d'interférences Fl et F2 ont des phases relatives extrêmement stables.

Claims (11)

1. REVENDICATIONS1. Dispositif interférométrique comprenant : - un séparateur (20), configuré pour séparer un faisceau lumineux incident (FO) collimaté en un premier faisceau incident (F1) et un deuxième faisceau incident (F2) ; - au moins un transducteur (13) ; et - un bloc optique (10) transparent et comprenant un ensemble d'au moins trois dioptres (D1, D2, D3) plans, caractérisé en ce que o le transducteur (13) est configuré pour réaliser une transduction basée sur la résonance plasmon de surface et au contact du premier dioptre (D1) o le deuxième dioptre (D2) porte un réseau de nanostructures au niveau desquelles le premier faisceau incident (F1) et le deuxième faisceau incident (F2) sont susceptibles d'interférer et de former alors un interférogramme dont la frange centrale se situe en un point de convergence défini (ZOPD) ; - le bloc optique (10) et le séparateur (20) étant configurés de sorte que le premier faisceau incident (F1) subit au moins une réflexion totale interne sur le premier dioptre (D1) et le deuxième faisceau incident (F2) subit au moins une réflexion totale interne sur le troisième dioptre (D3) avant qu'ils n'interfèrent sur le deuxième dioptre (D2) en réflexion totale interne.
2. 2. Dispositif selon la revendication 1, comprenant un outre un deuxième transducteur (14), ledit deuxième transducteur (14) étant au contact du deuxième dioptre (D2).
3. 3. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 35 précédentes, dans lequel le premier dioptre supporte une pluralité de zones de transduction (131, 132, 133, 134), chaquezone de transduction (131, 132, 133, 134) comprenant un transducteur individuel.
4. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le 5 deuxième dioptre (D2) comprend une pluralité de zones d'interférences (Z1, Z2, Z3, Z4), chaque zone d'interférences (Z1, Z2, Z3, Z4) comprenant un ensemble de nanostructures, le bloc optique (10) étant configuré de sorte qu'une zone de transduction donnée (131, 132, 133, 134) est disposée en 10 correspondance avec une zone d'interférences donnée (Z1, Z2, Z3, Z4), de sorte que la réflexion totale interne du premier faisceau incident (F1) sur une zone de transduction donnée (131, 132, 133, 134) interfère avec le deuxième faisceau incident (F2) sur une zone d'interférences donnée (Z1, Z2, Z3, Z4). 15
5. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le bloc optique (10) est un assemblage ou un moulage équivalent à l'assemblage d'un premier prisme droit isocèle (11) avec un deuxième prisme droit isocèle (12), 20 dans lequel la longueur d'un côté du deuxième prisme droit isocèle (12) est égale à la moitié de la longueur de l'hypoténuse du premier prisme droit isocèle (11), le deuxième prisme (12) étant assemblé par un de ses côtés sur une moitié de l'hypoténuse du premier prisme (11) de sorte que l'hypoténuse du 25 deuxième prisme (12) soit parallèle à un côté du premier prisme (11), et de sorte qu'une coupe transversale du bloc optique (10) ainsi réalisé s'inscrive dans un carré.
6. 6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 30 précédentes, dans lequel le séparateur est un cube séparateur (20), réalisé par assemblage ou par un moulage équivalent à l'assemblage d'un premier prisme droit isocèle (21) et d'un deuxième prisme droit isocèle (22) identique au premier prisme droit isocèle (21), le premier prisme droit isocèle (21) et ledeuxième prisme droit isocèle (22) étant assemblés par leur hypoténuse dont l'une est métallisée.
7. 7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 ou 6, dans lequel la position de la frange centrale de l'interférogramme au point de convergence (ZOPD) est déterminée par construction du bloc optique (10) en fonction des dimensions du premier prisme isocèle droit (11) et du deuxième prisme isocèle droit (12) dudit bloc optique (10).
8. 8. Spectromètre comprenant un dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, une source lumineuse (1) configurée pour émettre ledit faisceau lumineux incident (FO), et comprenant un capteur optique (30) disposé en vis-à- vis des nanostructures du deuxième dioptre (D2) et configuré pour capter la diffusion de l'interférogramme résultant de l'interférence du premier faisceau incident (F1) et du deuxième faisceau incident (F2).
9. 9. Spectromètre selon la revendication 8, comprenant en outre - un calculateur (50), - deux puissance-mètre (40a, 40b), et - une mémoire dans laquelle la valeur de la puissance (P mes(À)) mesurée par le deuxième puissance-mètre (40b) est enregistrée simultanément à la valeur de la puissance de référence en sortie de la source (1) mesurée par le premier puissance-mètre (40a); et dans lequel - le calculateur (50) est configuré pour - déterminer le spectre incident (FO) par transformée de Fourier de l'interférogramme capté par le capteur optique (30) qui mesure la puissance lumineuse diffusée par chaque nanostructure du réseau de nanostructures du deuxième dioptre (D2) et la stocker dans une mémoire;- calculer la réflectivité (R spr(À)) selon l'équation R_spr(À) = 2* P mes(À)/ P FO(À), avec P_FO(À) la puissance du faisceau incident (FO) émis par la source lumineuse (1) qui est connue ou mesurée par le premier puissance-mètre (40a).
10. 10. Spectromètre selon la revendication 9, dans lequel la source lumineuse (1) est monochromatique, Le calculateur (50) étant configuré pour calculer la phase (y(X)) du premier faisceau (F1) par le calcul de la différence entre deux valeurs I(t1) et I(t0) enregistrées dans une mémoire et correspondant à l'interférogramme du premier faisceau incident (F1) et du deuxième faisceau incident (F2) interférant sur le deuxième dioptre (D2) à un temps tO et un temps ultérieur (t1).
11. 11. Spectromètre selon la revendication 9, dans lequel la source lumineuse (1) est large bande, le calculateur (50) étant configure pour calculer le 20 spectre de la source filtrée par le coefficient de réflexion (R spr (À)) du transducteur (13). 25