FR3135784A1 - Appareil et procédé de spectrométrie Raman ou de fluorescence à analyse instantanée de polarisation - Google Patents

Abstract

L’invention concerne un appareil (100) et procédé de spectrométrie Raman ou de photoluminescence ou de fluorescence. Selon l’invention, l’appareil comprend un dispositif optique (16) séparateur et modificateur de polarisation comprenant un séparateur de polarisation (18) et un compensateur (17), le dispositif optique (16) étant configuré et orienté pour séparer le faisceau lumineux émis (20) incident sur le réseau de diffraction (12) en une première partie (21) du faisceau lumineux émis polarisée suivant un premier état de polarisation et une deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis polarisée suivant un deuxième état de polarisation, et le système de détection (13) étant adapté pour recevoir, sur une première zone (14) de détection, un spectre de la première partie (21) du faisceau lumineux émis et simultanément, sur une deuxième zone (15) de détection, un spectre de la deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis.Figure pour l’abrégé : Fig. 2

Description

Appareil et procédé de spectrométrie Raman ou de fluorescence à analyse instantanée de polarisation

La présente invention concerne le domaine technique des instruments et procédés de spectrométrie optique pour analyser des échantillons à une échelle microscopique. En particulier, la présente invention concerne les techniques d’analyse et d’imagerie par micro-spectrométrie Raman ou micro-spectrométrie de fluorescence.

Dans le domaine ci-dessus, la microscopie confocale Raman est une technique d’analyse et d’imagerie bien connue et décrite par exemple dans « Raman Spectroscopy, Review », Paul Rostron, Safa Gaber, Dina Gaber, International Journal of Engineering and Technical Research (IJETR) Vol. 6, N° 1, p. 2454-4698, Sept. 2016. La microscopie de fluorescence présente de nombreux points communs avec la microscopie Raman.

Dans certains cas, la microscopie confocale Raman utilise une analyse en polarisation. La plupart des analyses en polarisation utiles en microscopie Raman, consistent à illuminer l’échantillon avec un faisceau laser d’excitation polarisé selon un état de polarisation appelé polarisation laser et à analyser le signal Raman selon deux états de polarisations : un état de polarisation identique à la polarisation laser et l’état de polarisation orthogonal.

Selon le type d’échantillon étudié et le signal recherché, Raman ou de fluorescence, l’état de polarisation du laser est généralement soit : linéaire selon une direction fixée du plan de l’échantillon ; linéaire selon une direction du plan de l’échantillon choisie par l’utilisateur cette direction étant repérée par un angle ; circulaire droit ou gauche ; axial, c’est-à-dire suivant l’axe optique du faisceau laser incident sur l’échantillon ou encore circonférentiel. On note que les états de polarisation axial et circonférentiel sont orthogonaux entre eux. De même, les états de polarisation circulaire droit et circulaire gauche sont orthogonaux entre eux.

L’analyse du signal détecté suivant la polarisation permet d’extraire une grandeur telle que le taux de polarisation (ou « Degree of polarisation » en anglais), défini comme étant le rapport entre l’intensité (I_parallel) du signal Raman polarisé suivant la polarisation laser et l’intensité Raman totale, selon la formule suivante : I_parallel/(I_perp+I_parralel), où I_perp représente l’intensité du signal Raman polarisé orthogonalement à la polarisation laser. L’intensité du signal Raman polarisé, I_parallel et respectivement I_perp, est mesurée en fonction de la longueur d’onde Raman pour former un spectre. On obtient ainsi un spectre du taux de polarisation.

Dans le cas où la polarisation laser est linéaire et de direction ajustable suivant un angle theta dans le plan de l’échantillon, l’analyse du signal détecté suivant la polarisation permet d’extraire les quantités I_parallel= f(theta) et respectivement I_perp=f(theta) en fonction de l’angle theta et sur la gamme de longueurs d’onde du spectre Raman détecté.

Dans un appareil de micro-spectrométrie Raman, la maîtrise de la polarisation laser incidente et de la polarisation d’analyse sont rendues complexes par la présence de miroirs et/ou filtres sur le trajet du faisceau laser et sur le trajet du signal Raman. Toutefois, il est classique que le plan d’incidence des faisceaux lumineux sur ces miroirs et filtres soit vertical ou horizontal. Dans ce cas, un faisceau de polarisation linéaire horizontale ou verticale voit sa polarisation inchangée lors du transport du faisceau. Au contraire, un faisceau de polarisation linéaire oblique par rapport aux directions verticale et horizontale, ou bien de polarisation elliptique, voit généralement sa polarisation modifiée par le trajet du faisceau laser incident et/ou du faisceau Raman. Lorsque le plan d’incidence des faisceaux lumineux sur le trajet est horizontal, un état de polarisation linéaire horizontal est dans le plan d’incidence et un état de polarisation vertical est perpendiculaire au plan d’incidence. Inversement, lorsque le plan d’incidence des faisceaux lumineux sur le trajet est vertical, un état de polarisation linéaire vertical est dans le plan d’incidence et un état de polarisation horizontal est perpendiculaire au plan d’incidence.

Il existe des appareils de micro-spectrométrie adaptés pour l’analyse selon diverses polarisations, sans être affecté par les modifications de polarisation susceptibles d’être introduites sur les trajets du faisceau laser et/ou du faisceau Raman. Un tel appareil utilise généralement une polarisation incidente du laser commutable entre une polarisation linéaire horizontale ou verticale, qui est conservée de la source laser jusqu’au dernier miroir de renvoi. Un compensateur, par exemple une lame d’onde, est disposé dans le trajet commun au faisceau laser et au faisceau Raman rétrodiffusé. Ce compensateur est configuré pour transformer la polarisation de la lumière laser d’une polarisation conservée par le transport (horizontale ou verticale), en une polarisation d’intérêt sur l’échantillon, comme par exemple une polarisation circulaire, ou bien une polarisation linéaire orientée selon un angle theta dans le plan de l’échantillon. Le faisceau Raman rétrodiffusé qui effectue le trajet inverse subit la transformation réciproque. Un polariseur fixe placé sur le trajet Raman, en dehors du trajet du faisceau laser, permet de sélectionner l’un des deux états de polarisation non affecté par le transport (linéaire parallèle ou perpendiculaire).

Pour une analyse en polarisation circulaire, selon l’art antérieur, on insère une lame quart d’onde dans le trajet commun. On obtient un spectre de co-polarisation en acquérant le spectre Raman lorsque le polariseur est placé dans la configuration parallèle à la polarisation de l’analyse et le spectre de polarisation croisée (ou cross-polarisation) lorsque la polarisation laser est placée dans la configuration orthogonale à la polarisation d’analyse. Le ratio de ces spectres (ou le ratio entre l’un de ces spectres et leur somme) peut être valablement calculé, car ils sont obtenus dans des conditions directement comparables d’analyse de l’intensité Raman.

Pour analyser la réponse en co-polarisation et polarisation croisée, une solution consiste à basculer l’une des polarisation (illumination ou analyse) entre parallèle ou perpendiculaire. Toutefois, basculer la polarisation d’analyse présente un grave inconvénient, lié au fait que de manière très générale, les spectromètres ont une réponse qui varie fortement selon que la polarisation est parallèle ou perpendiculaire. En effet, les spectromètres comportent généralement un réseau de diffraction. Or l’efficacité de diffraction d’un réseau dépend en général fortement de l’orientation de la polarisation par rapport aux traits du réseau. Il n’est alors pas possible de comparer les intensités mesurées expérimentalement selon les polarisations parallèle et perpendiculaire. Une calibration de la réponse spectrale du spectromètre en fonction de la polarisation est complexe. L’utilisation d’un dépolariseur, par exemple de Lyot, s’avère imparfaite et inadaptée à la spectrométrie Raman sur une bande spectrale étroite.

Un des buts de l’invention est de proposer un perfectionnement à un appareil de microscopie Raman ou, respectivement, de photoluminescence ou de fluorescence, permettant de réaliser en une seule mesure la détermination de la réponse Raman ou, respectivement, de photoluminescence ou de fluorescence, suivant deux états de polarisation mutuellement orthogonaux entre eux, la polarisation laser incidente pouvant être linéaire selon une orientation du plan choisie par l’utilisateur, ou bien circulaire, ou bien circonférentielle dans le plan, ou bien axiale suivant l’axe optique de l’objectif.

Un autre but de l’invention est de proposer un appareil et un procédé de microscopie Raman ou, respectivement, de photoluminescence ou de fluorescence, permettant de réaliser une mesure instantanée et précise du taux de polarisation sur la gamme spectrale du spectre Raman ou, respectivement, de photoluminescence ou de fluorescence.

A cet effet, l’invention concerne un appareil de spectrométrie Raman ou de photoluminescence ou de fluorescence comprenant une source de lumière apte à générer un faisceau lumineux d’excitation incident sur un échantillon, un système optique pour collecter et diriger un faisceau lumineux émis par l’échantillon vers une entrée d’un spectromètre, le spectromètre comprenant au moins un réseau de diffraction et un système de détection.

Selon l’invention, l’appareil comprend un dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation comprenant un séparateur de polarisation et un compensateur, le dispositif optique étant disposé sur un trajet du faisceau lumineux émis en dehors du trajet du faisceau lumineux d’excitation, le dispositif optique étant configuré et orienté pour séparer le faisceau lumineux émis incident sur le réseau de diffraction en une première partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant un premier état de polarisation et une deuxième partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant un deuxième état de polarisation, le deuxième état de polarisation étant orthogonal au premier état de polarisation, lesdits premier et deuxième états de polarisation étant choisis parmi des états de polarisation ayant une composante S1 de leur vecteur de Stokes inférieure ou égale à 0,2 en valeur absolue et le système de détection étant adapté pour recevoir, sur une première zone de détection, un spectre de la première partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant le premier état de polarisation et simultanément, sur une deuxième zone de détection, un spectre de la deuxième partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant le deuxième état de polarisation, la première zone et la deuxième zone étant séparées selon une direction transverse à une direction de diffraction spectrale sur le système de détection.

Selon un aspect particulier et avantageux, le séparateur de polarisation est disposé sur le trajet du faisceau lumineux émis en aval du compensateur.

Selon un autre aspect particulier et avantageux, le séparateur de polarisation est disposé sur le trajet du faisceau lumineux émis en amont du compensateur et le compensateur présente une matrice de Mueller ayant un élément M1,1 inférieur à 0,2 en valeur absolue sur une gamme spectrale de détection.

Selon un exemple de réalisation, le séparateur de polarisation est apte à séparer latéralement le faisceau lumineux émis pour former la première partie du faisceau lumineux émis et respectivement la deuxième partie du faisceau lumineux émis.

Par exemple, le séparateur de polarisation comprend une lame biréfringente ou une lame de Savart.

Dans un autre exemple de réalisation, le séparateur de polarisation est apte à séparer angulairement le faisceau lumineux émis pour former la première partie du faisceau lumineux émis et respectivement la deuxième partie du faisceau lumineux émis.

Par exemple, le séparateur de polarisation comprend un prisme de Wollaston, un prisme de Rochon ou un prisme de Nomarski.

Selon un aspect particulier et avantageux, le compensateur comprend une lame demi onde orientée de façon à ce que ledit premier état de polarisation soit linéaire incliné à -45 degrés des traits du réseau de diffraction et le deuxième état de polarisation linéaire incliné à +45 degrés des traits du réseau de diffraction, ou le compensateur comprend une lame quart d’onde orientée de façon à ce que ledit premier état de polarisation soit circulaire droit et le deuxième état de polarisation circulaire gauche ou le compensateur comprend un rhomboèdre de Fresnel.

Avantageusement, le compensateur présente une retardance achromatique sur le spectre de la première partie du faisceau lumineux émis, et respectivement sur le spectre de la deuxième partie du faisceau lumineux émis.

Selon différents modes de réalisation, le dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation est disposé dans le spectromètre entre l’entrée du spectromètre et le au moins un réseau de diffraction, ou le dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation est disposé dans une partie convergente du faisceau lumineux émis en amont de l’entrée du spectromètre ou le séparateur de polarisation est disposé dans une partie collimatée du faisceau lumineux émis en amont de l’entrée du spectromètre.

Avantageusement, le dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation est escamotable en dehors du faisceau lumineux émis et l’appareil comprend un composant optique apte à être inséré sur le trajet du faisceau lumineux émis pour compenser une défocalisation du faisceau lumineux émis à l’entrée du spectromètre ou sur le système de détection du spectromètre, lorsque le dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation est escamoté.

Selon un aspect particulier et avantageux, l’appareil comprend un retardateur optique disposé sur un trajet commun du faisceau lumineux émis et du faisceau lumineux d’excitation, le retardateur optique ayant une retardance optique et étant orienté de façon à ajuster au moins un état de polarisation du faisceau lumineux d’excitation incident sur l’échantillon.

Par exemple, le retardateur optique comprend une lame quart d’onde, une lame demi-onde, un rhomboèdre de Fresnel, une lame biréfringente ayant une retardance ajustable ou un retardateur optique pixellisé ayant une retardance ajustable spatialement.

Selon un aspect particulier, l’appareil comprend un calculateur apte à calculer un taux de polarisation en fonction du spectre de la première partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant le premier état de polarisation et du spectre de la deuxième partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant le deuxième état de polarisation.

L’invention concerne aussi un procédé de spectrométrie Raman ou de photoluminescence ou de fluorescence comprenant les étapes suivantes :
générer et diriger un faisceau lumineux d’excitation incident sur un échantillon,
collecter et diriger un faisceau lumineux émis par l’échantillon vers une entrée d’un spectromètre comprenant au moins un réseau de diffraction et un système de détection,
séparer et modifier la polarisation du faisceau lumineux émis sur un trajet optique en dehors du trajet du faisceau lumineux d’excitation, de façon à séparer le faisceau lumineux émis incident sur le réseau de diffraction en une première partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant un premier état de polarisation et une deuxième partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant un deuxième état de polarisation, le deuxième état de polarisation étant orthogonal au premier état de polarisation, lesdits premier et deuxième états de polarisation étant choisis parmi des états de polarisation possédant une composante S1 de leur vecteur de Stokes inférieure ou égale à 0,2 en valeur absolue et
acquérir sur une première zone de détection du système de détection un spectre de la première partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant le premier état de polarisation et simultanément acquérir, sur une deuxième zone de détection un spectre de la deuxième partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant le deuxième état de polarisation, la première zone et la deuxième zone étant séparées selon une direction transverse à une direction de diffraction spectrale sur le système de détection.

Bien entendu, les différentes caractéristiques, variantes et formes de réalisation de l'invention peuvent être associées les unes avec les autres selon diverses combinaisons dans la mesure où elles ne sont pas incompatibles ou exclusives les unes des autres.

De plus, diverses autres caractéristiques de l'invention ressortent de la description annexée effectuée en référence aux dessins qui illustrent des formes, non limitatives, de réalisation de l'invention et où :

est une vue schématique d’un appareil de spectrométrie Raman ou de photoluminescence ou de fluorescence selon la présente divulgation,

est une vue schématique d’un dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation selon un premier exemple de réalisation,

est une vue schématique d’un dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation selon un deuxième exemple de réalisation,

est une vue schématique d’un dispositif optique séparateur et modificateur de polarisation selon un troisième exemple de réalisation.

Il est à noter que sur ces figures les éléments structurels et/ou fonctionnels communs aux différentes variantes peuvent présenter les mêmes références.

Description détaillée

Sur la , l’appareil de spectrométrie 100 comprend une source de lumière 1, un système optique comprenant des miroirs 2, 3 et un objectif de microscope 4, un filtre 6, un système optique de focalisation 7 et un spectromètre 9. Le spectromètre 9 comprend une entrée 8 (par exemple de type fente ou trou), au moins un réseau de diffraction 12 et un système de détection 13. Dans l’exemple représenté sur la , le spectromètre 9 comprend aussi un miroir 11. L’appareil de spectrométrie 100 comprend un calculateur 30. Selon la présente divulgation, l’appareil de spectrométrie 100 comporte un dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation. De façon optionnelle, l’appareil de spectrométrie 100 comporte un retardateur optique 28. Selon une variante, l’appareil 100 comprend une ouverture confocale disposée dans un plan image de l’échantillon entre l’objectif de microscope 4 et l’entrée 8 du spectromètre pour filtrer spatialement le signal détecté.

Nous allons maintenant décrire le fonctionnement de l’appareil de spectrométrie 100. On a représenté un repère orthonormé XYZ. Dans l’exemple de la , un échantillon 5 est placé dans un plan XY horizontal, la normale à la surface de l’échantillon 5 étant verticale. La source de lumière 1 comprend par exemple un laser qui émet un faisceau lumineux d’excitation 10. Le faisceau lumineux d’excitation 10 a une longueur d’onde, notée lambda, bien déterminée, par exemple de 532 nm. Avantageusement, le faisceau lumineux d’excitation 10 est polarisé suivant un état de polarisation linéaire parallèle ou perpendiculaire au plan de la . Dans certains cas, la source de lumière 1 émet un faisceau polarisé, généralement linéairement. En option, l’appareil comprend un polariseur 26 disposé sur le trajet du faisceau lumineux d’excitation 10 pour polariser linéairement le faisceau lumineux d’excitation 10 ou pour orienter l’état de polarisation du faisceau lumineux d’excitation 10, de préférence parallèlement ou perpendiculairement au plan de la .

Le système optique à miroirs 2, 3 et le filtre 6 sont disposés pour diriger le faisceau lumineux d’excitation 10 vers l’objectif de microscope 4. Le système optique à miroirs 2, 3, le filtre 6 et l’objectif de microscope 4 sont disposés de façon à maintenir l’état de polarisation du faisceau lumineux d’excitation 10 entre la source de lumière 1, éventuellement associée au polariseur 26, et l’échantillon 5. A cet effet, la normale aux miroirs 2, 3 et au filtre 6 et l’axe optique de l’objectif de microscope 4 sont dans le plan d’incidence. Ainsi, l’état de polarisation du faisceau lumineux d’excitation 10 n’est pas affecté par le transport du faisceau lumineux d’excitation 10 via le système optique à miroirs 2, 3, le filtre 6 et l’objectif de microscope 4. L’objectif de microscope 4 focalise le faisceau lumineux d’excitation 10 en un point de l’échantillon 5. De façon avantageuse, l’axe optique 27 de l’objectif de microscope 4 est parallèle la normale à la surface de l’échantillon 5 au point éclairé. De cette manière, le faisceau lumineux d’excitation 10 incident sur l’échantillon 5 est polarisé avec une polarisation linéaire déterminée.

De façon optionnelle, l’appareil de spectrométrie 100 comporte un retardateur optique 28 disposé entre le dernier miroir 3 et l’objectif de microscope 4. Le fonctionnement de ce retardateur optique 28 optionnel est décrit en détail plus bas dans la présente description. Nous allons tout d’abord décrire le fonctionnement de l’appareil de spectrométrie Raman ou de fluorescence en absence du retardateur optique 28.

En réponse au faisceau lumineux d’excitation 10, l’échantillon 5 émet un faisceau lumineux émis 20 par effet Raman ou de photoluminescence (PL) ou de fluorescence dans un domaine spectral différent de la longueur d’onde du faisceau lumineux d’excitation.

L’appareil de spectrométrie 100 représenté sur la est dans une configuration de rétro-diffusion. L’axe optique du faisceau lumineux d’excitation 10 incident sur l’échantillon 5 est parallèle à la normale à la surface de l’échantillon 5 au point éclairé. Le faisceau lumineux émis 20 rétrodiffusé se propage en sens inverse du faisceau lumineux d’excitation 10. Autrement dit, le faisceau lumineux d’excitation 10 et le faisceau lumineux émis 20 ont une partie de trajet optique commun entre l’échantillon 5 et le filtre 6. Le faisceau lumineux d’excitation 10 et le faisceau lumineux émis 20 présentent en général le même état de polarisation, par exemple linéaire parallèle ou perpendiculaire au plan de la .

Le filtre 6 permet de séparer le faisceau lumineux émis 20 par effet Raman ou de PL ou de fluorescence, d’un faisceau Rayleigh formé par réflexion sur l’échantillon à la longueur d’onde lambda du laser. Le filtre 6 est par exemple un filtre d’injection-réjection ou filtre injecteur-réjecteur. Le filtre 6 comprend par exemple un filtre éliminateur de bande étroite à flancs raides (ou « notch filter » en anglais) qui transmet le faisceau lumineux émis 20 Raman ou de PL ou de fluorescence tout en réfléchissant le faisceau Rayleigh dans une bande spectrale étroite autour de la longueur d’onde du laser.

Le système optique de focalisation 7 reçoit le faisceau lumineux émis 20 et focalise ce faisceau sur l’entrée 8 du spectromètre 9. De façon avantageuse, l’objectif de microscope 4, le miroir 3, le filtre 6 et le système optique de focalisation 7 sont disposés et configurés pour conserver l’état de polarisation du faisceau lumineux émis 20 Raman ou de PL ou de fluorescence lorsque cet état de polarisation est linéaire vertical (selon X ou Z) ou horizontal (selon Y).

Comme indiqué, le spectromètre 9 considéré est de type à réseau de diffraction. Le spectromètre comprend par exemple un réseau de diffraction 12 plan. En variante, de façon connue, le spectromètre comporte plusieurs réseaux de diffraction, par exemple deux ou trois réseaux de diffraction montés sur une tourelle pour être utilisés un par un. Chaque réseau de diffraction est adapté pour un domaine spectral particulier, de façon à pouvoir sélectionner un réseau de diffraction pour l’analyse dans le domaine spectral particulier correspondant. Le spectromètre comporte par exemple un miroir 11 qui renvoie le faisceau lumineux émis 20 vers le réseau de diffraction 12. Le réseau de diffraction 12 diffracte le faisceau lumineux émis 20 en fonction de la longueur d’onde de façon à former un spectre sur le système de détection 13. Le miroir 11 et le réseau de diffraction 12 sont configurés pour former une image spectrale de l’entrée 8 du spectromètre 9 sur le système de détection 13. Le système de détection 13 comprend un détecteur imageur résolu spatialement suivant deux directions, tel que par exemple un détecteur à matrice de pixels de type CCD.

Le réseau de diffraction 12 du spectromètre 9 est configuré de façon à ce que les traits du réseau soient sensiblement alignés suivant une direction 25 qui est ici perpendiculaire au plan de la .

Selon la présente divulgation, l’appareil de spectrométrie 100 comporte un dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation disposé sur le trajet du faisceau lumineux émis 20 (Raman, de PL ou de fluorescence) en dehors du trajet du faisceau lumineux d’excitation 10. De manière générale, le dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation comprend un séparateur de polarisation 18 et un compensateur 17 disposés en série sur le trajet du faisceau lumineux émis 20. Selon les différents exemples de réalisation, le séparateur de polarisation 18 est placé en amont ou en aval du compensateur 17. La illustre différents emplacements possibles du dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation, ces emplacements état repérés par les lettres C, D ou E, respectivement. Toutefois, on utilise un seul dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation.

Selon un premier mode de réalisation, le dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation est disposé à l’intérieur du spectromètre 9, entre l’entrée du spectromètre et le réseau de diffraction 12 (emplacement repéré par la lettre E sur la ). Dans ce cas, le dispositif optique 16 est inséré sur une partie du trajet du faisceau lumineux émis 20 où ce faisceau est divergent. Nous décrivons ci-dessous différentes variantes de ce premier mode de réalisation en lien avec les figures 2 à 4.

La illustre un premier exemple de réalisation où le dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation est placé à l’intérieur du spectromètre 9. Les éléments de l’appareil 100 autres que le spectromètre sont analogues à ceux décrits en lien avec la . De ce fait, seule la partie relative au spectromètre est représentée sur la . Dans cet exemple, le compensateur 17 comprend une lame d’onde et le séparateur de polarisation 18 comprend une lame de Savart. Le compensateur 17 est ici placé en amont du séparateur de polarisation 18. Plus précisément, le compensateur 17 est ici une lame demi-onde. Avantageusement, la lame demi-onde 17 est achromatique, c’est-à-dire qu’elle présente un retardance optique demi-onde sur un domaine spectral contenant l’intervalle de longueur d’onde Raman ou de PL ou de fluorescence étudié. De façon connue, la lame de Savart est formée d’une première lame 18-1 accolée à une deuxième lame 18-2.

Le système optique de focalisation 7 focalise le faisceau lumineux émis 20 (Raman ou de PL ou de fluorescence), en un spot 19 à l’entrée 8 du spectromètre 9. L’axe 25 des traits du réseau de diffraction 12 est par exemple disposé verticalement. De façon générale, le faisceau lumineux émis 20 comprend une composante de polarisation linéaire parallèle à l’axe 25 des traits du réseau de diffraction 12 et une composante de polarisation linéaire perpendiculaire à l’axe 25 des traits du réseau de diffraction 12. Ces deux composantes de polarisation sont représentées par des flèches au niveau du spot 19 sur la . L’appareil 100 est configuré de façon à ce que ces deux composantes de polarisation soient transportées sans être modifiées par les composants optiques entre le dernier miroir 3 et l’entrée du spectromètre 9. Dans ce premier exemple, la lame demi-onde 17 est orientée avec un angle de 22,5 degrés par rapport à l’axe 25 des traits du réseau de diffraction 12 ou par rapport à un axe perpendiculaire à l’axe 25 des traits du réseau de diffraction 12. La lame demi-onde 17 reçoit le faisceau lumineux émis 20 et fait tourner ses composantes de polarisation de 2x22,5 degrés soit 45 degrés. Ainsi, la composante de polarisation linéaire parallèle à l’axe 25 reste de polarisation linéaire mais orientée à +45 degrés de l’axe 25 des traits du réseau de diffraction 12. De même, la composante de polarisation linéaire perpendiculaire à l’axe 25 reste de polarisation linéaire mais orientée à -45 degrés de l’axe 25 des traits du réseau de diffraction 12. De manière connue, la lame de Savart permet de séparer latéralement la composante de polarisation linéaire orientée à +45 degrés de la composante de polarisation linéaires orientées -45 degrés. La lame de Savart 18 transforme le spot 19 situé à l’entrée du spectromètre, en deux spots 23 et 24 virtuels, chacun associé à une composante de polarisation différente. De plus, la lame de Savart est orientée de sorte que les deux spots 23 et 24 virtuels soient séparés selon la direction parallèle à l’axe 25 des traits du réseau 12. En sortie de la lame de Savart, on obtient ainsi une première partie 21 du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à -45 degrés et une deuxième partie 22 du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à +45 degrés. La première partie 21 du faisceau lumineux émis et la deuxième partie 22 du faisceau lumineux émis se propagent parallèlement vers le réseau de diffraction 12. La distance S entre la première partie 21 du faisceau lumineux émis et la deuxième partie 22 du faisceau lumineux émis est déterminée par construction par la lame de Savart. La distance S est égale à la distance entre les deux spots 23 et 24 virtuels.

Le réseau de diffraction 12 reçoit simultanément la première partie 21 du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à -45 degrés et la deuxième partie 22 du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à +45 degrés. Le réseau de diffraction 12 diffracte, en fonction de la longueur d’onde, la première partie 21 du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à -45 degrés et la deuxième partie 22 du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à +45 degrés, tout en conservant la séparation latérale entre ces deux faisceaux. L’avantage d’utiliser des composantes de polarisation linéaires à -45 deg. et + 45deg. est que ces états de polarisation sont insensibles à l’anisotropie du réseau de diffraction 12. Par conséquent, ces deux composantes de polarisation sont diffractées sur le réseau de diffraction 12 avec une égale efficacité de diffraction, même si elles ne sont pas incidentes sur les mêmes zones du réseau de diffraction 12. De cette manière, le spectromètre 9 ne modifie pas le ratio entre les composantes de polarisation linéaires à -45 deg. et + 45deg.

Le spectromètre 9 forme une image spectrale (ou spectre) de la première partie 21 du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à -45 degrés sur une première zone 14 du système de détection 13. Simultanément, le spectromètre 9 forme une image spectrale (ou spectre) de la deuxième partie 22 du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à +45 degrés sur une deuxième zone 15 du système de détection 13. Ces deux spectres sont séparés sur le système de détection d’une distance W dans une direction parallèle à l’axe 25 des traits du réseau de diffraction 12. On note H1, respectivement H2, la largeur à mi-hauteur en intensité du spectre de la première partie 21, respectivement de la deuxième partie 22, du faisceau lumineux émis dans une direction transverse à la direction de diffraction des spectres. De façon avantageuse, la lame de Savart est configurée de façon à ce que la distance W entre les deux spectres soit supérieure à la largeur à mi-hauteur H1, respectivement H2. La distance W est ici égale à S. De cette manière, le système de détection 13 acquiert simultanément un spectre de la première partie 21 du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à -45 degrés et un spectre de la deuxième partie 22 du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à +45 degrés. Ainsi, les deux spectres peuvent être acquis sur un même système de détection 13, par exemple de type détecteur imageur comme illustré sur la . En variante, on utilise deux barrettes de détecteurs disposées parallèlement, une barrette étant apte à détecter la première partie 21 du faisceau lumineux émis et l’autre barrette étant apte à détecter la deuxième partie 22 du faisceau lumineux émis.

Les deux spectres sont transmis au calculateur 30. Le calculateur 30 est configuré pour afficher ces deux spectres, ou encore pour calculer un rapport entre le spectre de la première partie 21 du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à -45 degrés suivant le premier état de polarisation et le spectre de la deuxième 22 partie du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à +45 degrés. A partir de ces deux spectres, le calculateur 30 peut aussi en déduire le degré de polarisation du faisceau lumineux émis relatif à la composante polarisée linéairement à - 45 degrés ou à +45 degrés. Le degré de polarisation est égal à la différence des intensités des deux composantes de polarisation divisé par la somme de ces intensités. L’appareil 100 de micro-spectrométrie Raman ou de fluorescence permet ainsi une analyse en polarisation instantanée des spectres détectés.

De façon avantageuse, le dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation est escamotable. Le fait de retirer le dispositif optique 16 du trajet optique a pour effet de modifier la focalisation des spectres sur le capteur pixellisé, ce qui est susceptible de détériorer la résolution spectrale du spectromètre 9. Aussi, selon une variante de l’invention, il est prévu d’insérer un composant optique, de type lentille ou ménisque, pour compenser la défocalisation des spectres lorsque le dispositif optique 16 est escamoté. De façon avantageuse, un tel composant optique correcteur de focalisation est placé sur un porte lame coulissant solidaire du dispositif optique 16, de façon à placer sur le trajet optique soit le dispositif optique 16 soit le composant optique correcteur de focalisation.

On donne ici un exemple de dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation placé à l’intérieur du spectromètre comme illustré sur la . On utilise une lame de Savart en alpha-BBO (ou alpha borate de baryum), d’épaisseur totale 16mm et de section 8x8mm². On place une lame 17 demi-onde à large bande spectrale à une distance de 1 mm en amont de la lame de Savart 18. La lame 17 demi-onde est orientée de façon à ce que son axe propre soit à 22,5 degrés des axes propres du réseau de diffraction. La lame de Savart est orientée de façon à réaliser une séparation latérale en parallèlement aux traits du réseau. On réajuste la position en tirage du détecteur CCD de 4 à 5 mm pour corriger un léger défaut de focalisation introduit par la lame de Savart 18. On obtient deux spectres espacés d’une distance W d’environ 1,1mm sur le détecteur CCD.

La illustre un deuxième exemple de réalisation où le dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation est aussi placé à l’intérieur du spectromètre 9. Dans ce deuxième exemple de réalisation, le séparateur de polarisation 18 est constitué d’un matériau cristallin anisotrope, taillé suivant des directions particulières, et le compensateur 17 est constitué d’une lame demi-onde, de préférence achromatique. Le compensateur 17 est ici placé en aval du séparateur de polarisation 18. Le séparateur de polarisation 18 est configuré et orienté de façon à ce que les composantes de polarisation linéaire parallèle et perpendiculaire à l’axe 25 des traits du réseau de diffraction 12 soient des polarisations propres du séparateur de polarisation 18. Autrement dit, le séparateur de polarisation 18 ne modifie pas les composantes de polarisation linéaire parallèle et perpendiculaire à l’axe 25 mais les sépare latéralement. On obtient ainsi à l’entrée 8 du spectromètre, deux spots 23 et 24 virtuels séparés suivant un axe parallèle à l’axe 25 des traits du réseau. Comme dans le premier exemple, la lame demi-onde 17 transforme la composantes de polarisation linéaire parallèle, et respectivement perpendiculaire, à l’axe 25 en une composante de polarisation linéaire à -45deg., et respectivement +45 degrés, par rapport à l’axe 25 des traits du réseau.

De la même manière que dans l’exemple illustré sur la , le dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation permet ainsi d’éclairer le réseau de diffraction 12 avec une première partie 21 du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à -45 degrés et une deuxième partie 22 du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à +45 degrés. Et le système de détection 13 acquiert simultanément un spectre de la première partie 21 du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à -45 degrés sur une première zone 14 de détection et un spectre de la deuxième partie 22 du faisceau lumineux émis polarisée linéairement à +45 degrés sur une deuxième zone 15 de détection. La première zone 14 de détection et la première zone 14 de détection sont séparées d’une distance W.

A titre d’exemple, l’appareil 100 est un microscope Raman comprenant un spectromètre 9 de focale 300mm et utilisant une source laser émettant à la longueur d’onde de 532nm. On ajoute un dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation à l’intérieur du spectromètre comme illustré sur la . Le séparateur de polarisation 18 est un cristal de calcite d’épaisseur 10 mm et de section 8x8mm². En aval du séparateur de polarisation 18, à une distance de 1mm, on place un compensateur 17 constitué d’une lame demi-onde à large bande spectrale, dont un axe propre est orienté à 22,5 degrés des axes propres du réseau de diffraction. On rajoute une lentille de focale F=500mm en matériau N-BK7, à une distance de 60mm du trou d’entrée du spectromètre, afin de corriger un léger défaut de netteté introduit par le séparateur. On obtient sur le détecteur CCD deux spectres, espacés d’environ W=0,9mm, le premier spectre étant relatif à la polarisation linéaire à -45 deg., et le deuxième spectre à la polarisation linéaire à +45 deg. La largeur à mi-hauteur H1, H2, de chaque spectre n’est pas affectée par la séparation de polarisation.

La illustre un troisième exemple de réalisation où le dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation est aussi placé à l’intérieur du spectromètre 9. Dans ce troisième exemple de réalisation, le séparateur de polarisation 18 est constitué d’un matériau cristallin anisotrope, taillé suivant des directions particulières, et le compensateur 17 est constitué d’une lame quart d’onde, de préférence achromatique. Le compensateur 17 est ici placé en aval du séparateur de polarisation 18. En variante, le séparateur de polarisation 18 est constitué d'une lame de Savart. Le séparateur de polarisation 18 est configuré et orienté de façon à ce que les composantes de polarisation linéaire parallèle et perpendiculaire à l’axe 25 des traits du réseau de diffraction 12 soient des polarisations propres du séparateur de polarisation 18. Autrement dit, le séparateur de polarisation 18 ne modifie pas les composantes de polarisation linéaire parallèle et perpendiculaire à l’axe 25 mais les sépare latéralement. On obtient ainsi à l’entrée 8 du spectromètre, deux spots 23 et 24 virtuels séparés suivant un axe parallèle à l’axe 25 des traits du réseau. A la différence des deux premiers exemples, la lame quart d’onde 17 transforme ici la composantes de polarisation linéaire parallèle, et respectivement perpendiculaire, à l’axe 25 des traits du réseau en une composante de polarisation circulaire droite, et respectivement circulaire gauche sur le réseau de diffraction 12 (représentées par des flèches curvilignes sur la ). Dans ce troisième exemple de réalisation, le dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation permet d’éclairer le réseau de diffraction 12 avec une première partie 21 du faisceau lumineux émis de polarisation circulaire droite et une deuxième partie 22 du faisceau lumineux émis de polarisation circulaire gauche. L’avantage d’utiliser des composantes de polarisation circulaire droite et circulaire gauche est que ces états de polarisation circulaires sont insensibles à l’anisotropie du réseau de diffraction 12. Par conséquent, ces deux composantes de polarisation circulaire droite et circulaire gauche sont diffractées sur le réseau de diffraction 12 avec une même efficacité de diffraction.

Le spectromètre 9 forme une image spectrale de la première partie 21 du faisceau lumineux émis de polarisation circulaire droite sur une première zone 14 du système de détection 13. Simultanément, le spectromètre 9 forme une image spectrale de la deuxième partie 22 du faisceau lumineux émis de polarisation circulaire gauche sur une deuxième zone 15 du système de détection 13. Ces deux spectres sont séparés sur le système de détection d’une distance W dans une direction parallèle à l’axe 25 des traits du réseau de diffraction 12. De cette manière, le système de détection 13 acquiert simultanément un spectre de la première partie 21 du faisceau lumineux émis de polarisation circulaire droite et un spectre de la deuxième partie 22 du faisceau lumineux émis de polarisation circulaire gauche.

Selon un deuxième mode de réalisation, le dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation est disposé à l’extérieur du spectromètre 9, entre le système optique de focalisation 7 et l’entrée 8 du spectromètre (emplacement repéré par la lettre D sur la ). Dans ce cas, le dispositif optique 16 est inséré sur une partie du trajet du faisceau lumineux émis 20, Raman ou de PL ou de fluorescence, où ce faisceau est convergent. Le dispositif optique 16 peut être constitué d’une lame d’onde 17 et d’une lame de Savart 18, comme décrit en lien avec la , ou encore d’un séparateur de polarisation 18 et d’une lame d’onde comme décrit en lien avec la ou la . Dans ce deuxième mode de réalisation, le dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation génère deux spots 23, 24 réels à l’entrée 8 du spectromètre 9. Le dispositif optique 16 est configuré de façon à ce que les deux spots 23, 24 réels soient disposés suivant une direction parallèle à l’axe 25 des traits du réseau de diffraction. La forme du filtre spatial à l’entrée 8 du spectromètre 9 est adaptée pour permettre aux deux spots 23, 24 réels d’entrer dans le spectromètre 9, d’être diffractés sur le réseau de diffraction 12 pour former deux spectres séparés sur le système de détection. On utilise plutôt un filtre spatial de type fente. Les deux spectres ont des états de polarisation orthogonaux entre eux. Selon le type de dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation utilisé, les deux spots 23, 24 réels et leurs spectres correspondants sont polarisés linéairement à ±45 deg. ou circulairement. Dans le cas d’un dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation similaire à celui décrit en lien avec la ou 3, les deux spots 23, 24 réels et leurs spectres correspondants ont des polarisation linaires à -45deg. et +45 deg. respectivement. Dans le cas d’un dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation similaire à celui décrit en lien avec la ou 3, les deux spots 23, 24 réels et leurs spectres correspondants ont des polarisation circulaire droite et circulaire gauche respectivement.

Selon un troisième mode de réalisation, le dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation est disposé à l’extérieur du spectromètre 9. Le séparateur de polarisation 18 est ici choisi et configuré pour séparer angulairement deux états de polarisation orthogonaux, par exemple un état de polarisation linéaire parallèle et un état de polarisation linéaire orthogonal à l’axe 25 des traits du réseau 12. Dans ce cas, le séparateur de polarisation 18 est inséré sur une partie du trajet du faisceau lumineux émis 20 Raman ou de PL ou de fluorescence, où ce faisceau est collimaté (emplacement repéré par la lettre C sur la ). Le séparateur de polarisation 18 est par exemple placé entre le filtre d’injection-réjection 6 et le système optique de focalisation 7 sur l’entrée 8 du spectromètre 9. On note alpha l’angle de séparation du séparateur de polarisation 18 et F la focale du système optique de focalisation 7. Le séparateur de polarisation 18 comprend un prisme de Wollaston, un prisme de Rochon ou un prisme de Nomarski. Le séparateur de polarisation 18 permet ainsi de générer deux spots 23, 24 réels à l’entrée 8 du spectromètre 9, ayant des états de polarisation mutuellement orthogonaux. L’angle de séparation alpha est choisi pour que le produit alpha.F soit supérieur à la largeur à mi-hauteur, H1, H2, d’un spectre sur le système de détection 13 du spectromètre 9. Le séparateur de polarisation 18 est orienté de sorte que les deux spots 23, 24 réels soient séparés suivant une direction parallèle à l’axe 25 des traits du réseau.

Dans le troisième mode de réalisation, le compensateur 17 comprend une lame d’onde. Le compensateur 17 est disposé en aval du séparateur de polarisation 18. Par exemple, le compensateur 17 comprend une lame quart d’onde orientée à 45 degrés par rapport à l’axe 25 des traits du réseau ou bien une lame demi-onde orientée à 22,5 degrés par rapport à l’axe 25 des traits du réseau ou d’un axe transverse.

Dans le troisième mode de réalisation, le compensateur 17 est disposé entre le dernier composant optique susceptible de modifier la polarisation du faisceau lumineux émis sur le trajet collimaté, tel qu’un miroir ou bien un filtre 6, et le réseau de diffraction 12, c’est-à-dire à l’emplacement repéré par la lettre C, D ou E sur la . Cet arrangement permet de transformer les états de polarisation linéaire parallèle et perpendiculaire à l’axe des traits du réseau en des états de polarisation circulaire droite et gauche ou en des états de polarisation linéaire inclinés de ±45 deg. par rapport à l’axe 25 des traits du réseau 12 et de séparer ces états de polarisation orthogonaux sur le système de détection 13.

En variante du troisième mode de réalisation, le compensateur 17 comprend un rhomboèdre de Fresnel disposé sur une partie du trajet du faisceau lumineux émis 20 (Raman ou de PL ou de fluorescence), où ce faisceau est collimaté (emplacement repéré par la lettre C sur la ). Le rhomboèdre de Fresnel est ici configuré pour présenter la retardance d’une lame demi-onde ou quart d’onde. Un tel rhomboèdre de Fresnel présente l’avantage de présenter une retardance constante sur une large gamme de longueur d’onde. Un rhomboèdre de Fresnel constitue une alternative performante et moins couteuse qu’une lame d’onde achromatique.

Une lame demi-onde orientée à 22,5 degrés, ou une lame quart d’ondes orientée à 45 deg., sont des exemples de compensateur 17 apte à transformer les états de polarisation issus du séparateur de polarisation en d’autres états de polarisation insensibles aux effets d’anisotropie du réseau de diffraction. Plus généralement, un compensateur 17 apte à être placé après le séparateur de polarisation 18 comprend une lame qui présente une matrice de Mueller dont l’élément M1,1 est proche de 0. Plus précisément, la valeur absolue de l’élément M1,1 de la matrice de Mueller du compensateur 17 est inférieure à 0,2 et de préférence inférieure à 0,1. C’est-à-dire que si à l’entrée du compensateur 17 on a IV-IH°= 1, à la sortie du compensateur 17 on a IV-IH ~0, où IV-IH est la différence entre la composante de l’intensité lumineuse polarisée verticalement (selon V) et la composante polarisée horizontalement (selon H ). Autrement dit, la composante S1 du vecteur de Stokes des faisceaux en sortie du compensateur 17 est proche de zéro. Dans le présent document, on note l’élément M1,1 de la matrice de Mueller M11. De même, on note l’élément M1,2 de la matrice de Mueller M12, et note l’élément M1,3 de la matrice de Mueller M13.

Autrement dit, le compensateur 17, placé après le séparateur de polarisation 18, a pour fonction de transformer la polarisation des deux faisceaux séparés, par exemple en une composante polarisation linéaire horizontale ( H ) et une composante polarisation linéaire verticale (V ), en deux faisceaux polarisés pour lesquels l’efficacité de diffraction du réseau de diffraction 12 est identique. Les transformations en deux ondes circulaires (gauche et droite) ou en deux ondes linéaires à +45 deg. et -45 deg., ne sont que deux exemples des transformations qui permettent d’obtenir ce résultat. Dans le cas général, il est utile de décrire les propriétés du compensateur 17 par certaines propriétés de sa matrice de Mueller. La matrice de Mueller permet de décrire complètement les transformations de polarisation apportées par un composant à un faisceau incident. Les propriétés de polarisation d’un faisceau sont complètement décrites par leur vecteur de Stokes (voir par exemple la publication R.M.A. Azzam, « Stokes-vector and Mueller-matrix polarimetry », JOSA A, col 33, p 1396, 2016). La matrice de Mueller d’un composant peut être déterminée expérimentalement à l’aide d’instruments appelés communément Muellermètre ou ellipsomètre de Mueller. Il s’ensuit qu’un compensateur 17 peut être défini par les propriétés de sa matrice de Mueller, tant du point de vue théorique que du point de vue expérimental.

L’utilisation dans un dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation selon l’invention, d’un compensateur 17 ayant une matrice de Mueller dont l’élément M1,1 est inférieur, en valeur absolue, à 0.2 et de préférence inférieure à 0.1, permet de transformer les faisceaux de polarisation respectivement V et H issus du séparateur de polarisation (c’est-à-dire avec une composante du vecteur de Stokes valant respectivement S1=+1 et S1=-1), en deux faisceaux dont la composante S1 est inférieure, en valeur absolue à 0.2, et respectivement inférieure à 0,1. Cette condition suffit pour établir que ces deux faisceaux sont diffractés avec la même efficacité par le réseau de diffraction 12.

La propriété requise pour le compensateur 17 situé après le séparateur de polarisation 18, est alors que l’élément M1,1 de sa matrice de Mueller, soit nul ou du moins inférieur à 0.2, et de préférence inférieur à 0.1. Une lame quart d’onde orientée à 45 deg, ou une lame demi-onde orientée à 22,5 deg, sont des exemples de compensateurs vérifiant la propriété M1,1=0. Dans le cas où l’on s’intéresse à un microscope fonctionnant avec plusieurs longueurs d’onde lasers, et donc plusieurs plages de longueur d’onde Raman (ou de photoluminescence ou de fluorescence), la condition sur l’élément M11 ≤ 0.2 en valeur absolue (et de préférence M11 ≤ 0.1) de la matrice de Mueller est moins limitative qu’une contrainte sur une lame quart d’onde à large bande spectrale ou sur une lame demi-onde à large bande spectrale. L’utilisation d’un compensateur ayant une matrice M1,1 proche de 0 est appréciable car il permet avec un coût moindre et une complexité moindre, d’obtenir la même efficacité de diffraction sur le réseau de diffraction sur la bande spectrale d’intérêt.

On décrit ici un autre exemple de compensateur qui présente un élément M1,1 de sa matrice de Mueller proche de zéro sur une large bande spectrale. En pratique, on choisit un compensateur dont la matrice de Mueller présente un élément M1,1 inférieur en valeur absolue à 0,2 et de préférence à 0,1 sur la bande spectrale d’intérêt. Le compensateur 17 est réalisé en mettant en série deux lames demi-onde à 540nm, la première lame demi-onde étant orientée à 15 degrés de la verticale, la seconde lame demi-onde étant orientée à 35 degrés de la verticale, dans l’ordre de traversée du faisceau lumineux émis20 sur le compensateur 17 sur la face A, la face opposée étant la face B. Lorsqu’on illumine ce compensateur 17 sur sa face A avec une lumière polarisée de telle sorte que son vecteur de Stokes réduit soit (1,0,0), c’est-à-dire avec une polarisation linéaire horizontale, nous avons déterminé expérimentalement le vecteur de Stokes en sortie, qui est (M11 ; M12 ; M13). On observe que le vecteur de Stokes en sortie a une composante M11 presque nulle, avec M11 inférieur à 0.1 sur la bande spectrale s’étendant de 400 nm à 1000 nm. Aux longueurs d’onde proches de 530nm, le composant se comporte presque comme une lame demi-onde orientée à 22,5°, la polarisation linéaire horizontale est transformée en une polarisation linéaire à 45°, et on a M11=0, Abs(M12)=1, et M13=0. Par contre, à 425 nm et aux alentours de 725nm, le comportement est proche d’une lame quart d’onde orientée à 45 deg., puisque le vecteur de Stokes en sortie est à peu près celui d’une polarisation circulaire, Abs(M13)=1, et M11=M12=0. Entre les longueurs d’ondes de 425 nm et 725 nm, la polarisation horizontale est transformée en diverses polarisations elliptiques, le comportement équivalent du composant n’est pas celui d’une lame demi-onde ou quart d’onde. Lorsqu’on illumine ce compensateur 17 sur sa face B avec une lumière polarisée de telle sorte que son vecteur de Stokes réduit soit (1,0,0), c’est-à-dire avec une polarisation linéaire horizontale, on a déterminé expérimentalement le vecteur de Stokes en sortie, qui est (M11, M12, M13). On observe que la propriété M11 proche de zéro est vérifiée, avec Abs(M11) inférieur à 0.1 sur une large plage spectrale de 400 nm à 1000 nm. Toutefois, que la polarisation de sortie dépend fortement de la longueur d’onde.

Comme indiqué plus haut, l’appareil de spectrométrie 100 comporte en option un retardateur optique 28 disposé entre le dernier miroir 3 et l’objectif de microscope 4 sur une partie de trajet commun au faisceau lumineux d’excitation et au faisceau lumineux émis 20 émis par l’échantillon. Dans cette partie du trajet optique, le faisceau lumineux d’excitation 10 est collimaté. Le retardateur optique 28 présente une retardance optique et est orienté de façon à modifier l’état de polarisation du faisceau lumineux d’excitation 10 incident sur l’échantillon 5.

Dans un premier exemple, le retardateur optique 28 comprend une lame demi-onde, à la longueur d’onde du faisceau lumineux d’excitation 10. Cette lame demi-onde est orientée à 45 degrés de l’axe de polarisation linéaire du faisceau lumineux d’excitation, pour faire tourner la direction de polarisation du faisceau lumineux d’excitation 10 de 90 degré et transformer une polarisation linaire parallèle en polarisation linaire perpendiculaire et vice versa. En variante, la lame demi-onde est orientée d’un angle theta compris entre 0 et 45 degrés par rapport à l’axe de polarisation linéaire du faisceau lumineux d’excitation, pour faire tourner la direction de polarisation du faisceau lumineux d’excitation 10 d’un angle double (2x theta).

Dans un deuxième exemple, le retardateur optique 28 comprend un rhomboèdre de Fresnel de retardance demi-onde (ou lambda/2) et orientable suivant un angle theta compris entre 0 et 45 degrés par rapport à l’axe de polarisation linéaire du faisceau lumineux d’excitation.

Dans un troisième exemple, le retardateur optique 28 comprend une lame quart d’onde, à la longueur d’onde lambda du faisceau lumineux d’excitation 10. Cette lame quart d’onde est orientée à un angle fixe de ±45 degrés par rapport de l’axe de polarisation linéaire du faisceau lumineux d’excitation, pour transformer l’état de polarisation linéaire du faisceau lumineux d’excitation 10 en un état de polarisation circulaire droite ou gauche sur l’échantillon.

Dans un autre exemple, le retardateur optique 28 comprend une lame biréfringente ayant une retardance ajustable et/ou orientable par rapport au plan d’incidence sur l’échantillon. Selon encore un autre exemple, le retardateur optique 28 comprend un retardateur optique pixellisé ayant une retardance ajustable spatialement.

Le retardateur optique 28 est donc disposé sur une partie collimatée du trajet du faisceau lumineux émis 20. Le retardateur optique 28 permet d'effectuer la transformation de polarisation réciproque de la transformation effectuée sur la polarisation laser. Par réciprocité, le retardateur optique 28 permet de transformer l’état de polarisation du faisceau lumineux émis 20 émis par l’échantillon en un état de polarisation qui est conservé par le transport via le miroir 3 et le filtre 6, jusqu’au dispositif optique 16 séparateur et modificateur de polarisation.

Il est utile de prendre en compte un retardateur optique 28 imparfait. En effet, il existe des retardateurs optiques 28 ayant une retardance quart d’onde ou demi-onde qui sont parfaits à une longueur d’onde donnée. Cependant, ces propriétés ne sont en général qu’approximatives sur une plage étendue de longueur d’onde. Or, selon la présente divulgation, le retardateur optique 28 opère à la fois à la longueur d’onde du laser et aux longueurs d’onde Raman, respectivement de PL ou de fluorescence, qui sont différentes. De plus, un certain nombre de microscopes Raman possèdent plusieurs lasers à différentes longueurs d’onde.

Le retardateur optique 28 dans le trajet commun est choisi pour présenter une retardance optique (par exemple demi-onde ou quart d’onde) relativement stable en longueur d’onde, de la longueur d’onde du laser jusqu’à la longueur d’onde la plus élevée usuellement observée en microscopie Raman ou de PL ou de fluorescence. Par exemple, si le laser utilisé émet à une longueur d’onde de 532nm, et que le spectre Raman utile s’étend jusqu’à 650 nm, on choisit une lame d’onde dont la retardance optique est optimale autour de la longueur d’onde centrale de 585nm.

Dans certaines applications, il peut être utile d’observer la réponse Raman à des excitations en polarisation plus complexes que linéaire ou circulaire. La présente divulgation prévoit de placer un retardateur optique 28 inhomogène spatialement dans le trajet commun. Un tel retardateur optique 28 non uniforme, est par exemple constitué d’un retardateur pixellisé, ou encore un retardateur de type vortex. L’utilisation d’un tel retardateur optique 28 inhomogène spatialement permet de mesurer la réponse Raman selon le mode d’excitation et orthogonale au mode d’excitation, dans une seule opération.

L’appareil 100 permet de contrôler le retardateur optique 28, pour effectuer différentes mesures au choix de l’utilisateur.

Ainsi, l’utilisateur peut effectuer des mesures résolues angulairement en polarisation linéaire, en plaçant une lame demi-onde 28 dans le trajet commun, et en acquérant des mesures de spectres en fonction de l’orientation de la lame demi-onde.

Ces résultats peuvent être représentés sous forme de diagrammes polaires à différentes longueurs d’onde. Ils peuvent aussi être représentés sous la forme du spectre du degré de polarisation, c’est-à-dire l’intensité selon une polarisation divisé par la somme des intensités relatives aux deux polarisations orthogonales détectées. En variante, les résultats peuvent être représentés sous forme de rapport entre les intensités relatives aux deux polarisations orthogonales détectées.

Dans une autre utilisation, l’utilisateur peut effectuer des mesures en polarisation circulaire en plaçant une lame quart d’onde 28 dans le trajet commun, et en mesurant les deux spectres correspondant aux polarisation circulaire droite et gauche. Ces résultats peuvent être représentés sous forme de rapport entre les deux spectres relatifs à la polarisation croisée sur la co-polarisation.

Bien entendu, diverses autres modifications peuvent être apportées à l’invention dans le cadre des revendications annexées.

Claims (15)

1. Appareil (100) de spectrométrie Raman ou de photoluminescence ou de fluorescence comprenant une source de lumière (1) apte à générer un faisceau lumineux d’excitation (10) incident sur un échantillon (5), un système optique (3, 4, 6, 7) pour collecter et diriger un faisceau lumineux émis (20) par l’échantillon vers une entrée (8) d’un spectromètre, le spectromètre (9) comprenant au moins un réseau de diffraction (12) et un système de détection (13),
   caractérisé en ce que l’appareil comprend un dispositif optique (16) séparateur et modificateur de polarisation comprenant un séparateur de polarisation (18) et un compensateur (17), le dispositif optique (16) étant disposé sur un trajet du faisceau lumineux émis (20) en dehors du trajet du faisceau lumineux d’excitation (10), le dispositif optique (16) étant configuré et orienté pour séparer le faisceau lumineux émis (20) incident sur le réseau de diffraction (12) en une première partie (21) du faisceau lumineux émis polarisée suivant un premier état de polarisation et une deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis polarisée suivant un deuxième état de polarisation, le deuxième état de polarisation étant orthogonal au premier état de polarisation, lesdits premier et deuxième états de polarisation étant choisis parmi des états de polarisation ayant une composante S1 de leur vecteur de Stokes inférieure ou égale à 0,2 en valeur absolue et le système de détection (13) étant adapté pour recevoir, sur une première zone (14) de détection, un spectre de la première partie (21) du faisceau lumineux émis polarisée suivant le premier état de polarisation et simultanément, sur une deuxième zone (15) de détection, un spectre de la deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis polarisée suivant le deuxième état de polarisation, la première zone (14) et la deuxième zone (15) étant séparées selon une direction transverse à une direction de diffraction spectrale sur le système de détection (13).
2. Appareil selon la revendication 1 dans lequel le séparateur de polarisation (18) est disposé sur le trajet du faisceau lumineux émis en aval du compensateur (17).
3. Appareil selon la revendication 1 dans lequel le séparateur de polarisation (18) est disposé sur le trajet du faisceau lumineux émis en amont du compensateur (17) et dans lequel le compensateur (17) présente une matrice de Mueller ayant un élément M1,1 inférieur à 0,2 en valeur absolue sur une gamme spectrale de détection.
4. Appareil selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel le séparateur de polarisation (18) est apte à séparer latéralement le faisceau lumineux émis (20) pour former la première partie (21) du faisceau lumineux émis et respectivement la deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis.
5. Appareil selon la revendication 4 dans lequel le séparateur de polarisation (18) comprend une lame biréfringente ou une lame de Savart (18-1, 18-2).
6. Appareil selon l’une des revendications 1 à 3 dans lequel le séparateur de polarisation (18) est apte à séparer angulairement le faisceau lumineux émis (20) pour former la première partie (21) du faisceau lumineux émis et respectivement la deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis.
7. Appareil selon la revendication 6 dans lequel le séparateur de polarisation (18) comprend un prisme de Wollaston, un prisme de Rochon ou un prisme de Nomarski.
8. Appareil selon l’une des revendications 1 à 7 dans lequel le compensateur (17) comprend une lame demi onde orientée de façon à ce que ledit premier état de polarisation soit linéaire incliné à -45 degrés des traits du réseau de diffraction (12) et le deuxième état de polarisation linéaire incliné à +45 degrés des traits du réseau de diffraction (12), ou dans lequel le compensateur (17) comprend une lame quart d’onde orientée de façon à ce que ledit premier état de polarisation soit circulaire droit et le deuxième état de polarisation circulaire gauche ou dans lequel le compensateur (17) comprend un rhomboèdre de Fresnel.
9. Appareil selon l’une des revendications 1 à 8 dans lequel le compensateur (17) présente une retardance achromatique sur le spectre de la première partie (21) du faisceau lumineux émis, et respectivement sur le spectre de la deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis.
10. Appareil selon l’une des revendications 1 à 9 dans lequel le dispositif optique (16) séparateur et modificateur de polarisation est disposé dans le spectromètre (9) entre l’entrée (8) du spectromètre et le au moins un réseau de diffraction (12), ou dans lequel le dispositif optique (16) séparateur et modificateur de polarisation est disposé dans une partie convergente du faisceau lumineux émis (20) en amont de l’entrée du spectromètre ou dans lequel le séparateur de polarisation (18) est disposé dans une partie collimatée du faisceau lumineux émis (20) en amont de l’entrée du spectromètre et dans lequel le compensateur (17) est disposé en aval du séparateur de polarisation (18), le compensateur (17) étant disposé entre le dernier composant optique susceptible de modifier la polarisation du faisceau lumineux émis sur le trajet collimaté et le réseau de diffraction (12).
11. Appareil selon l’une des revendications 1 à 10 dans lequel le dispositif optique (16) séparateur et modificateur de polarisation est escamotable en dehors du faisceau lumineux émis et dans lequel l’appareil (100) comprend un composant optique apte à être inséré sur le trajet du faisceau lumineux émis pour compenser une défocalisation du faisceau lumineux émis à l’entrée du spectromètre (9) ou sur le système de détection (13) du spectromètre (9), lorsque le dispositif optique (16) séparateur et modificateur de polarisation est escamoté.
12. Appareil selon l’une des revendications 1 à 11 comprenant un retardateur optique (28) disposé sur un trajet commun du faisceau lumineux émis (20) et du faisceau lumineux d’excitation (10), le retardateur optique (28) ayant une retardance optique et étant orienté de façon à ajuster au moins un état de polarisation du faisceau lumineux d’excitation (10) incident sur l’échantillon.
13. Appareil selon la revendication 12 dans lequel le retardateur optique (28) comprend une lame quart d’onde, une lame demi-onde, un rhomboèdre de Fresnel, une lame biréfringente ayant une retardance ajustable ou un retardateur optique pixellisé ayant une retardance ajustable spatialement.
14. Appareil selon l’une des revendications 1 à 13 comprenant un calculateur (30) apte à calculer un taux de polarisation en fonction du spectre de la première partie (21) du faisceau lumineux émis polarisée suivant le premier état de polarisation et du spectre de la deuxième (22) partie du faisceau lumineux émis polarisée suivant le deuxième état de polarisation.
15. Procédé de spectrométrie Raman ou de photoluminescence ou de fluorescence comprenant les étapes suivantes :
    générer et diriger un faisceau lumineux d’excitation (10) incident sur un échantillon (5),
    collecter et diriger un faisceau lumineux émis (20) par l’échantillon (5) vers une entrée (8) d’un spectromètre (9) comprenant au moins un réseau de diffraction (12) et un système de détection (13),
    séparer et modifier la polarisation du faisceau lumineux émis (20) sur un trajet optique en dehors du trajet du faisceau lumineux d’excitation (10), de façon à séparer le faisceau lumineux émis (20) incident sur le réseau de diffraction en une première partie (21) du faisceau lumineux émis polarisée suivant un premier état de polarisation et une deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis polarisée suivant un deuxième état de polarisation, le deuxième état de polarisation étant orthogonal au premier état de polarisation, lesdits premier et deuxième états de polarisation étant choisis parmi des états de polarisation possédant une composante S1 de leur vecteur de Stokes inférieure ou égale à 0,2 en valeur absolue et
    acquérir sur une première zone (14) de détection du système de détection (13) un spectre de la première partie (21) du faisceau lumineux émis polarisée suivant le premier état de polarisation et simultanément acquérir, sur une deuxième zone (15) de détection un spectre de la deuxième partie (22) du faisceau lumineux émis polarisée suivant le deuxième état de polarisation, la première zone (14) et la deuxième zone (15) étant séparées selon une direction transverse à une direction de diffraction spectrale sur le système de détection (13).