WO2001009661A1 - Dispositif permettant la determination de caracteristiques de la surface d'un objet. - Google Patents

Dispositif permettant la determination de caracteristiques de la surface d'un objet. Download PDF

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WO2001009661A1
WO2001009661A1 PCT/FR2000/002230 FR0002230W WO0109661A1 WO 2001009661 A1 WO2001009661 A1 WO 2001009661A1 FR 0002230 W FR0002230 W FR 0002230W WO 0109661 A1 WO0109661 A1 WO 0109661A1
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laser
optical
ring laser
making
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PCT/FR2000/002230
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Inventor
Albert Le Floch
Laurent Dutriaux
Fabien Bretenaker
Original Assignee
Universite De Rennes 1
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/18—SNOM [Scanning Near-Field Optical Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SNOM probes
    • G01Q60/22—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/59—Transmissivity

Definitions

  • the field of the invention is that the observation of the surface of objects. More specifically, the invention relates to the determination of surface features of objects from the changes of properties of light emitted by a laser.
  • optical microscopes There are several types of optical microscopes. There are all first optical microscopes far field and near field optical microscopes. Optical microscopes far field are commonly used, especially in schools, for teaching disciplines such as biology or geology. If these microscopes are suitable for this type of use, they do not allow the other hand a very precise study of the matter, because of their low resolution. Indeed, it is known that, when an object is illuminated by light, the use of a probe of dimensions greater than those of the wavelength of the light used, such as a microscope objective, for example, allows detecting that the details of the observed object, larger than approximately half the wavelength of the light used. A disadvantage of this technique of the prior art is therefore that the far field optical microscopes have a limit resolution approximately equal to ⁇ / 2.
  • ⁇ is the wavelength of light illuminating the object to be observed (it is recalled that, in the visible, the wavelength ⁇ of light is substantially between 400 nm and 800 nm). It was noted, however, that the use of a probe of diameter much smaller than the wavelength of the light used allows to obtain information relating to details of the object, very smaller than that of the wavelength of light that the illuminated. Indeed, such a probe then captures that what is commonly called the near field. It has therefore been envisaged to design scanning optical microscopes, called “near field”. in order to observe the characteristics of matter on a scale less than or equal to a few tens of nanometers.
  • the operating principle of an optical microscope in the near field is to move a probe of very small diameter, for example the tapered end of an optical fiber in the vicinity of the surface of an object to be studied, maintaining the distance of the probe to substantially less than ⁇ / 2 object, where ⁇ is the wavelength of the light used.
  • ⁇ is the wavelength of the light used.
  • NSOM near field optical microscopes
  • the surface to be studied 12 is placed on a support 11.
  • a probe 13 previously metallized by metallic deposits 131.
  • Such a probe which makes it possible to detect the light emitted by the object observed, has a diameter substantially equal to 50 nm.
  • PSTM near field optical microscopes
  • the surface to be studied 22 is placed on a support 21.
  • a point not -metallized 23 at a distance substantially equal to ⁇ / 10.
  • ⁇ is the wavelength of the light illuminating the aforementioned surface.
  • Incident light 25 illuminates the bottom surface of the object to be studied, and is polarized in a transverse electric mode (TE) or transverse magnetic (TM).
  • TE transverse electric mode
  • TM transverse magnetic
  • Such a device achieves a resolution of the order of ten nanometers. and therefore exhibits superior performance compared with an optical microscope in the far field, for which the limit of resolution is about 300 nm.
  • a disadvantage of these techniques of the prior art is that the contrast of the images obtained is often poor.
  • Yet another drawback of these techniques of the prior art is a highly sensitive detector such as a photomultiplier to be used to detect the low power signal received by the probe.
  • the invention particularly aims to overcome these disadvantages of the prior art.
  • an object of the invention is to provide an optical microscope having a transverse and vertical resolution less than the wavelength of the light illuminating the object to be studied.
  • Another objective of the invention is to implement a device for observing the surface of objects having a good signal-to-noise ratio.
  • the invention also aims to implement a device for observing the surface of objects making it possible to obtain images with high contrast, thanks to the intensity, frequency and polarization parameters.
  • Yet another object of the invention is to implement an observation of the surface of device objects in which the object under study can be lit from below and / or above.
  • the invention further aims to work up in a device for observation of the surface of objects using a light polarized in a transverse electric mode and / or transverse magnetic.
  • Yet another object of the invention is to provide an optical-scanning microscope in the near field in which the signal is strong enough to be detected by a photodiode.
  • a device for determining characteristics of the surface of an object comprising means for illuminating of the object and means for sensing the light transmitted through the object, and implementing a ring laser, the means for illuminating the object, the object and the means for collecting the transmitted light being contained within the resonant cavity ring laser.
  • the invention is based on an approach quite new and inventive optical microscopy. Indeed, the invention is based primarily on the insertion, in a laser cavity, a microscopy device, so as to produce an active system of optical microscopy, which thus differs significantly known passive devices according to the techniques of prior art. Can benefit from a strong signal to noise ratio, as well as the frequency of the oscillator, inherent in the laser oscillation. High contrast images are then obtained during the observation of the surface of the object to be studied.
  • the invention exploits in particular the fact that, when an object is placed within the resonant cavity of a laser, the optical characteristics of this object significantly affect the intensity and polarization of the emitted light and than the oscillation frequency of the laser. Small effects, such as the spatial shift of Goos and Hànchen, weak magnetic fields or small optical activities can therefore be highlighted and measured thanks to the sensitivity of the response of the laser to these small disturbances.
  • the invention thus allows the determination of optical characteristics of the surface of articles, from separate or simultaneous measurement of variations in the intensity, frequency and polarization of the light emitted from a ring laser, depending the relative position of this object and the other elements of the resonant cavity.
  • the means for sensing the light transmitted through the object under study comprises a near-field probe.
  • the near field probe is an optical fiber terminated by a tip of small transverse dimensions.
  • the optical fiber used as a near-field probe may be at least partially metallized.
  • the end of the optical fiber used as a near field probe is advantageously cut at a predetermined characteristic angle substantially greater than the critical angle of the material constituting said optical fiber.
  • the optical fiber is cut at an angle greater than 45.212 °, which is the value of the critical angle for the material. You can choose particular angles such as 51 °, 55 ° or 60 ° for example.
  • the ring laser includes a gain medium formed by the at least one of group elements comprising: a doped optical fiber: a semiconductor amplifier -conducteur; a discharge tube.
  • a gain medium formed by the at least one of group elements comprising: a doped optical fiber: a semiconductor amplifier -conducteur; a discharge tube.
  • the device comprises an optical diode for defining the direction of travel of light within said device. Indeed, the operation of a ring laser is greatly simplified when the light can traverse the ring in one direction. An optical diode is therefore used to make this selection.
  • the device comprises a polarization controller to set the polarization of the incident light onto said object.
  • TE transverse electric
  • TM transverse magnetic
  • the device comprises a polarization controller making it possible to define the polarization of the light reinjected into the amplifying medium of said laser.
  • the device comprises a transparent prism making it possible to illuminate the object studied, at a determined angle of incidence, so as to be in the conditions of total reflection .
  • the device implements means making it possible to capture part of the light transmitted and / or reflected by said object.
  • the ring laser operation is longitudinal monomode.
  • the operation of the ring laser is longitudinal multimode.
  • the ring laser is pulsed operation.
  • the invention is therefore suitable for various modes of operation of the ring laser.
  • the device therefore comprises the at least one group of elements comprising: an optical amplifying medium; - means making it possible to supply energy to said amplifying medium; means for injecting the light emitted by one end of said amplifying medium inside said near field probe; - Means for varying the relative position of said near field probe relative to said object studied; means for holding said object; means for capturing the light transmitted by said object; - means for causing said light transmitted to the remaining free end of said amplifying medium; means making it possible to take part of the light circulating in said ring laser and to guide it towards a detector system.
  • the objects of the invention are achieved with a device for determining characteristics of the surface of an object, comprising a laser, two closely spaced elements for obtaining a tunnel effect between said two elements, allowing said laser to operate permanently, said object being placed between said two slightly distant elements.
  • a variant of the invention is indeed to replace a driving mode of the light ring by a circulation mode in the form of successive forth and return light within a laser cavity. This variant makes it possible to observe phenomena tunnel similar to those observed with a ring laser, and thus can be operated to determine the characteristics of the surface of an object.
  • the properties of tunneling lasers are indeed of great interest to the field of optical microscopy, as described in Appendix 1.
  • the two slightly distant elements according to the invention belong to the group comprising: two prisms; two ends of optical fibers.
  • the end of the optical fiber, cut at a predetermined angle substantially greater than the critical angle of the material constituting the optical fiber is moved parallel to the surface of the object, so as to make a granulometer or a roughness meter.
  • the end of the optical fiber is cut at an angle greater than the critical angle of a value of 45.212 °, or at a particular angle such as 51 °, 55 ° or 60 °.
  • FIG. 1 shows a near field optical microscopy device of the NSOM type (in English “Near-field Scanning Optical Microscope) according to a technique of the prior art.
  • FIG. 2 illustrates a PSTM type near field optical microscopy device (in English “Photon Scanning Tunneling Microscope ”) using a technique of the prior art.
  • 3 shows a block diagram of optical microscopy device scanning near-field built within the resonant cavity of a ring laser, according to the invention.
  • - Figure 4 shows a block diagram of a laser tunneling can be used in an optical microscopy device in the near field, according to a technique similar to that illustrated in Figure 3.
  • the general principle of the invention is based on inserting an optical microscopy device scanning near-field within a laser cavity.
  • FIG. 3 there is shown an embodiment of a near field scanning optical microscopy device constructed within the resonant cavity of a ring laser.
  • a near field scanning optical microscopy device constructed within the resonant cavity of a ring laser.
  • Such a device, as well as the properties of the tunnel effect laser which it operates, are set out in Annex 2.
  • the sample 31 whose surface is to be observed is placed, in this case, on a prism angle 32.
  • An amplifying medium 33 which can be a doped fiber (for example with rare earths), constitutes an active medium and makes it possible to provide a gain to the device.
  • the gain medium 33 may be a semiconductor amplifier or a discharge tube.
  • One of the ends 331 of the doped fiber 33 is in the shape of a point for probing the near field.
  • the other end 332 of the fiber 33 provides optical feedback function and selects the angle of incidence of light on the sample 31 to be observed, as well as the side of the sample 31 which is illuminated.
  • the sample 31 is illuminated from below, and thus sends a transmission microscope.
  • the sample 31 is illuminated over, and thus sends a reflection microscope.
  • the gain medium 33 is optically pumped by a laser diode 34 via a coupler 35.
  • the amplifying medium 33 is a semiconductor, for example operating at 1500 nm. and electrically pumped.
  • An optical diode 36 selects the anti-trigonometric path of the light in the ring laser. Indeed, in those ring lasers, the operation is much easier when the light can browse the ring in one direction. According to a variant of the invention, mention may, however, consider the absence of optical diode 36 so as to allow simultaneous flow of light in the ring in the counterclockwise direction and in the anti-clockwise or counterclockwise direction.
  • a polarization controller 37 makes it possible to select the polarization of the light incident on the sample to be observed 31. It is thus possible to choose an incident light polarized according to a transverse electric (TE) or transverse magnetic (TM) mode. The presence of the polarization controller 37 makes it possible to use the differential properties of the electric transverse and magnetic transverse waves.
  • the tip 331 of the optical fiber probe 33 then the corresponding evanescent wave with a resolution of sub-wavelength.
  • a coupler 39 is used to take a portion of the light circulating inside the ring laser.
  • a detector 38 which can be a photodiode, then makes it possible to analyze the variations in intensity and / or frequency of the laser, according to the chosen range of values of the distance from the end 331 to the surface 31.
  • Figure 4 a second embodiment of an optical microscopy device near-field implementing a tunnel laser. Such a device is described in detail in appendix 3.
  • the tunnel appears between two silica prisms 45 ° -90 ° -45 ° 411 and 412, which sandwich an air barrier 46 of thickness d.
  • the cavity of the laser of length L is closed by a spherical mirror 421 and a plane mirror 422.
  • the reflection coefficients of the mirrors 421 and 422 are, for example, equal to 94% and 100% respectively.
  • An element 43 provides the gain to the device.
  • the element 43 is a discharge tube 60 cm long, with a drilling diameter equal to 4.2 mm, and closed by two Brewster windows of silica. It is for example filled with a 5: 1 mixture of 3 He: 20 Ne at a total pressure of 1.1 torr.
  • the use of a highly amplifying medium 43 makes it possible to operate such a tunnel effect laser.
  • a half-wave plate 43 makes it possible to switch the polarization of the light from the transverse electric mode TE to the transverse magnetic mode TM inside the tunnel.
  • the prisms 411 and 412 are mounted on high-precision rotation stages which are not shown in FIG. 4.
  • the piezoelectric transducers 451 and 452 aim respectively to translate the mirrors 421 and 422, by modifying the lengths AB and CD respectively.
  • the piezoelectric transducer 453 simultaneously displaces the prism 412 and the mirror 422, in a direction perpendicular to the barrier 46, that is to say along the segment BC.
  • the action of the element 453 allows to change the thickness d of the barrier 46, without changing other lengths AB and CD.
  • the laser output light is analyzed by a confocal interferometer scanning Fabry-Perot interferometer with a length of 20cm.
  • the laser output light is analyzed by beating with a very stable auxiliary laser constructed with a cavity in patented Zerodur material from Schott (registered trademarks).
  • the prism 412 can be considered a near-field probe.
  • one of the prisms is replaced by one (or two) f ⁇ bre (s) Optical (s), cut (s) at a predetermined angle characteristic for a use in roughness measurement.
  • the total length of the laser can be varied by moving the two sections of the laser between which the junction is sandwiched.
  • a decrease in the length of the laser implies an increase in the frequency of the laser.
  • the frequency of the laser remains invariant when the total length of the laser varies.
  • the frequency associated with the polarization TM undergoes a negative variation when the total length of the laser is reduced.
  • APPENDIX 2 It is therefore natural to think of the use of the tunnel effect laser and its anisotropic properties as a new type of near field scanning microscope.
  • the choice of a unidirectional ring laser offers many advantages.
  • a gain will be provided by a semiconductor medium or by a doped fiber with one of its ends at a point to probe the near field.
  • the optical feedback is provided by the other end of the fiber which allows to choose the angle of incidence and the side of the sample which is illuminated (transmission or reflection microscope).
  • the cavity also includes an optical diode and a polarization controller which allows the differential properties of TE and TM waves to be used.
  • the intensity or frequency detection can be implemented.
  • Such a ring laser tunneling microscope takes advantage of the high signal-to-noise ratio inherent in the oscillation of the laser to provide high contrast images from different mechanisms.
  • the tunneling laser has been made capable of oscillating in a continuous wave regime.
  • Such a tunneling laser is fundamentally anisotropic with respect to its phase and its loss properties. It exhibits curious behaviors for certain particular angles of incidence. Indeed, for positive increases in the geometric length of the laser, we observed invariant optical lengths, and even negative variations of this optical length for other angles of incidence.
  • the tunneling laser is supposed to have two different Schawlow-Townes line widths for the TE and TM modes. Among its potential applications, the most promising is the ring laser tunneling microscope.
  • the polarization of the light is fixed in the left section of the laser by the use of two Brewster windows. Then, the rotation of the half-wave plate located opposite the tunnel allows us to switch between the TE and TM polarizations.
  • We can control the isotropy of the initial phase of the system if we succeed in making the thickness of the barrier strictly equal to zero. This is achieved by filling the finest air space that can be achieved with a drop of heavy water, which inevitably has no absorption at ⁇ 3.39 ⁇ m. This adjustment also allows us to compare the consequences of an increase in the length of a cavity, either via an increase in the thickness of the tunnel d (PZT3) only, or via a conventional mirror displacement (PZTl or PZT2).
  • the parallelism of the two interfaces is continuously monitored through the use of a fringed spectrometer.
  • a Fabry-Perot analyzer allows us to observe and isolate the TE and TM tunneling oscillations and to control the observable frequencies for the different tunnel thicknesses. Further, accurate measurements of frequency offsets can be performed by beating with the beam from an auxiliary ultra stable laser built with a proprietary material known as Zerodur (sensitivity in the order of lOOkHz / nm).

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Abstract

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

Description

Dispositif permettant la détermination de caractéristiques de la surface d'un objet
Le domaine de l'invention est celui de l'observation de la surface d'objets. Plus précisément, l'invention concerne la détermination de caractéristiques de la surface d'objets à partir des modifications des propriétés de la lumière émise par un laser.
On rappelle qu'il existe plusieurs types de microscopes optiques. On distingue tout d'abord les microscopes optiques en champ lointain, et les microscopes optiques en champ proche. Les microscopes optiques en champ lointain sont couramment utilisés, notamment dans les établissements scolaires, pour l'enseignement de disciplines telles que la biologie ou la géologie. Si ces microscopes sont adaptés à ce type d'utilisation, ils ne permettent pas en revanche une étude très précise de la matière, du fait de leur faible pouvoir de résolution. En effet, on sait que, quand un objet est éclairé par de la lumière, l'utilisation d'une sonde de dimensions supérieures à celles de la longueur d'onde de la lumière utilisée, comme un objectif de microscope par exemple, ne permet de détecter que des détails de l'objet observé de dimensions supérieures à environ la moitié de la longueur d'onde de la lumière utilisée. Un inconvénient de cette technique de l'art antérieur est donc que les microscopes optiques en champ lointain ont une résolution limite environ égale à λ/2. où λ est la longueur d'onde de la lumière éclairant l'objet à observer (on rappelle que, dans le visible, la longueur d'onde λ de la lumière est sensiblement comprise entre 400 nm et 800 nm). On a remarqué, en revanche, que l'utilisation d'une sonde de diamètre très inférieur à la longueur d'onde de la lumière utilisée permet d'obtenir des informations relatives à des détails de l'objet, de dimensions très inférieures à celle de la longueur d'onde de la lumière qui l'éclairé. En effet, une telle sonde ne capte alors que ce que l'on appelle communément le champ proche. On a donc envisagé de concevoir des microscopes optiques à balayage, dits « en champ proche ». afin d'observer les caractéristiques de la matière à une échelle inférieure ou égale à quelques dizaines de nanomètres.
Le principe de fonctionnement d'un microscope optique en champ proche consiste à déplacer une sonde de très petit diamètre, par exemple l'extrémité effilée d'une fibre optique, au voisinage de la surface d'un objet à étudier, en maintenant la distance de la sonde à l'objet sensiblement inférieure à λ/2, où λ est la longueur d'onde de la lumière utilisée. En enregistrant l'intensité de la lumière collectée en fonction de la position de la sonde, il est alors possible de construire une image de la surface de l'objet étudié.
On connaît tout d'abord les microscopes optiques en champ proche appelés N.S.O.M (en anglais « Near-field Scanning Optical Microscope ») illustrés par la figure 1. La surface à étudier 12 est placée sur un support 11. On approche de la surface 12 une sonde 13, préalablement métallisée par des dépôts métalliques 131. Une telle sonde, qui permet de détecter la lumière émise par l'objet observé, est de diamètre sensiblement égal à 50 nm.
On connaît également les microscopes optiques en champ proche appelés P.S.T.M. (en anglais « Photon Scanning Tunneling Microscope ») illustrés par la figure 2. La surface à étudier 22 est placée sur un support 21. On approche de la surface à étudier 22 une pointe non-métallisée 23, à une distance sensiblement égale à λ/10. où λ est la longueur d'onde de la lumière éclairant la surface précitée. La lumière incidente 25 éclaire la surface inférieure de l'objet à étudier, et elle est polarisée selon un mode transverse électrique (TE) ou transverse magnétique (TM). Une onde évanescente 24 apparaît alors entre la surface à étudier 22 et la pointe du microscope 23.
Un tel dispositif permet d'atteindre une résolution de l'ordre d'une dizaine de nanomètres. et présente donc des performances supérieures à celles d'un microscope optique en champ lointain, pour lequel la résolution limite est de l'ordre de 300 nm. Un inconvénient de ces techniques de l'art antérieur est que le contraste des images obtenues est souvent médiocre.
Encore un autre inconvénient de ces techniques de l'art antérieur est que le rapport signal sur bruit du microscope est faible. En effet, la sonde, étant de faibles dimensions, collecte peu de lumière.
Encore un autre inconvénient de ces techniques de l'art antérieur est qu'un détecteur très sensible tel qu'un photomultiplicateur doit être utilisé pour détecter le signal de faible puissance capté par la sonde.
L'invention a notamment pour objectif de pallier ces inconvénients de l'art antérieur.
Plus précisément, un objectif de l'invention est de fournir un microscope optique présentant une résolution transversale et verticale inférieure à la longueur d'onde de la lumière éclairant l'objet à étudier.
Un autre objectif de l'invention est de mettre en œuvre un dispositif d'observation de la surface d'objets ayant un bon rapport signal sur bruit.
L'invention a également pour objectif la mise en œuvre d'un dispositif d'observation de la surface d'objets permettant d'obtenir des images à fort contraste, grâce aux paramètres intensité, fréquence et polarisations.
Encore un autre objectif de l'invention est de mettre en œuvre un dispositif d'observation de la surface d'objets dans lequel l'objet à étudier puisse être éclairé par en dessous et/ou par-dessus.
L'invention a encore pour objectif la mise en œuvre d'un dispositif d'observation de la surface d'objets utilisant une lumière polarisée selon un mode transverse électrique et/ou transverse magnétique. Encore un autre objectif de l'invention est de fournir un microscope optique à balayage en champ proche dans lequel le signal soit suffisamment puissant pour être détecté par une photodiode.
Ces objectifs, ainsi que d'autres qui apparaîtront par la suite sont atteints selon l'invention, à l'aide d'un dispositif permettant la détermination de caractéristiques de la surface d'un objet, comprenant des moyens d'illumination de l'objet et des moyens permettant de capter la lumière transmise par l'objet, et mettant en œuvre un laser en anneau, les moyens d'illumination de l'objet, l'objet et les moyens permettant de capter la lumière transmise étant contenus à l'intérieur de la cavité résonante du laser en anneau. Ainsi, l'invention repose sur une approche tout à fait nouvelle et inventive de la microscopie optique. En effet, l'invention repose notamment sur l'insertion, dans une cavité laser, d'un dispositif de microscopie, de manière à réaliser un système actif de microscopie optique, qui se distingue donc fortement des dispositifs passifs connus selon les techniques de l'art antérieur. On peut ainsi bénéficier d'un fort rapport signal sur bruit, ainsi que de la fréquence de l'oscillateur, inhérents à l'oscillation du laser. On obtient alors des images de haut contraste au cours de l'observation de la surface de l'objet à étudier.
L'invention exploite notamment le fait que, lorsqu'un objet est placé à l'intérieur de la cavité résonante d'un laser, les caractéristiques optiques de cet objet modifient de manière importante l'intensité et la polarisation de la lumière émise, ainsi que la fréquence d'oscillation du laser. De petits effets, tels que le décalage spatial de Goos et Hànchen, de faibles champs magnétiques ou de petites activités optiques peuvent donc être mis en évidence et mesurés grâce à la sensibilité de la réponse du laser à ces petites perturbations. L'invention permet donc la détermination de caractéristiques optiques de la surface d'objets, à partir de mesures séparées ou simultanées des variations de l'intensité, de la fréquence et de la polarisation de la lumière émise par un laser en anneau, en fonction de la position relative de cet objet et des autres éléments de la cavité résonante.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les moyens permettant de capter la lumière transmise par l'objet à étudier comprennent une sonde de champ proche.
Avantageusement, la sonde de champ proche est une fibre optique terminée par une pointe de faibles dimensions transversales.
On réalise ainsi un dispositif de microscopie optique à balayage en champ proche, à l'aide d'une sonde de diamètre très inférieur à la longueur d'onde de la lumière incidente sur l'objet. De cette manière, on obtient, en déplaçant la sonde au voisinage de la surface de l'objet étudié, des informations relatives à des détails de l'objet de dimensions très inférieures à celle de la longueur d'onde de la lumière utilisée. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, la fibre optique utilisée comme sonde de champ proche peut être au moins partiellement métallisée.
L'utilisation de divers types de sondes permet ainsi d'améliorer le contraste des images obtenues lors de l'observation de la surface d'un objet. En effet, ce contraste dépend de la nature de la sonde utilisée et de la polarisation de la lumière utilisée pour l'illumination de l'objet, ces effets étant particulièrement sensibles lorsque la sonde n'est pas métallisée.
L'extrémité de la fibre optique utilisée comme sonde de champ proche est avantageusement coupée selon un angle caractéristique prédéterminé sensiblement supérieur à l'angle critique du matériau constituant ladite fibre optique.
Ainsi, pour la silice par exemple, la fibre optique est coupée selon un angle supérieur à 45,212°, qui est la valeur de l'angle critique pour ce matériau. On peut choisir des angles particuliers tels que 51°, 55° ou 60° par exemple.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, le laser en anneau comprend un milieu amplificateur constitué par l'un au moins des éléments du groupe comprenant : une fibre optique dopée : un amplificateur à semi -conducteur ; un tube à décharge. Un tel milieu amplificateur constitue en effet un milieu actif et permet donc de fournir un gain au dispositif, afin d'améliorer le rapport signal sur bruit, en réalisant un oscillateur au-delà du seuil.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, le dispositif comprend une diode optique permettant de définir le sens de parcours de la lumière à l'intérieur dudit dispositif. En effet, le fonctionnement d'un laser en anneau est fortement simplifié lorsque la lumière ne peut parcourir l'anneau que dans un sens. Une diode optique est donc utilisée pour effectuer cette sélection.
Selon un autre mode de réalisation avantageux de l'invention, le dispositif comprend un contrôleur de polarisation permettant de définir la polarisation de la lumière incidente sur ledit objet.
On peut ainsi choisir une lumière incidente polarisée selon un mode transverse électrique (TE) ou transverse magnétique (TM). La présence d'un contrôleur de polarisation permet avantageusement d'utiliser les propriétés différentielles des ondes transverse électrique et transverse magnétique.
Selon une variante avantageuse de l'invention, le dispositif comprend un contrôleur de polarisation permettant de définir la polarisation de la lumière réinjectée dans le milieu amplificateur dudit laser.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention pour un fonctionnement en transmission, le dispositif comprend un prisme transparent permettant d'illuminer l'objet étudié, sous un angle d'incidence déterminé, de manière à être dans les conditions de la réflexion totale.
De cette façon, on obtient une réflexion sensiblement totale de la lumière incidente sur l'objet étudié, et la lumière réfléchie peut être captée par la sonde de champ proche. On réduit ainsi sensiblement les pertes associées au phénomène de transmission de la lumière dans l'objet étudié.
Avantageusement, le dispositif met en œuvre des moyens permettant de capter une partie de la lumière transmise et/ou réfléchie par ledit objet.
Ces moyens sont particulièrement avantageux lorsque l'objet est éclairé par sa face inférieure. Une partie de la lumière est alors transmise à travers l'objet, puis captée par la sonde de champ proche. L'autre partie de la lumière, qui est réfléchie par l'objet, peut alors éventuellement être captée grâce à la mise en œuvre de moyens particuliers.
Selon une première variante avantageuse de l'invention, le fonctionnement du laser en anneau est monomode longitudinal. Selon une deuxième variante avantageuse de l'invention, le fonctionnement du laser en anneau est multimode longitudinal.
Selon une troisième variante avantageuse de l'invention, le fonctionnement du laser en anneau est puisé. L'invention est donc adaptée à divers modes de fonctionnement du laser en anneau.
Préférentiellement. le dispositif comprend donc l'un au moins des éléments du groupe comprenant : un milieu amplificateur optique ; - des moyens permettant de fournir de l'énergie audit milieu amplificateur ; des moyens permettant d'injecter la lumière émise par une extrémité dudit milieu amplificateur à l'intérieur de ladite sonde de champ proche ; - des moyens permettant de faire varier la position relative de ladite sonde de champ proche par rapport audit objet étudié ; des moyens permettant de maintenir ledit objet ; des moyens permettant de capter la lumière transmise par ledit objet ; - des moyens permettant de conduire ladite lumière transmise à l'extrémité restée libre dudit milieu amplificateur ; des moyens permettant de prélever une partie de la lumière circulant dans ledit laser en anneau et de la guider vers un système détecteur. Selon un autre mode de réalisation avantageux, les objectifs de l'invention sont atteints à l'aide d'un dispositif permettant la détermination de caractéristiques de la surface d'un objet, comprenant un laser, deux éléments faiblement distants permettant d'obtenir un effet tunnel entre lesdits deux éléments, permettant audit laser de fonctionner de manière permanente, ledit objet étant placé entre lesdits deux éléments faiblement distants. Une variante de l'invention est en effet de remplacer un mode de circulation de la lumière en anneau par un mode de circulation sous forme d'allers et retours successifs de la lumière au sein d'une cavité laser. Cette variante permet d'observer des phénomènes d'effet tunnel similaires à ceux observés avec un laser en anneau, et qui peuvent donc être exploités pour déterminer les caractéristiques de la surface d'un objet. Les propriétés des lasers à effet tunnel sont en effet d'un grand intérêt pour le domaine de la microscopie optique, comme exposé en annexe 1.
Avantageusement, les deux éléments faiblement distants selon l'invention appartiennent au groupe comprenant : deux prismes ; deux extrémités de fibres optiques.
Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, l'extrémité de la fibre optique, coupée selon un angle prédéterminé sensiblement supérieur à l'angle critique du matériau constituant la fibre optique, est déplacée parallèlement à la surface de l'objet, de façon à réaliser un granulomètre ou un rugosimètre.
Pour la silice par exemple, l'extrémité de la fibre optique sera coupée selon un angle supérieur à l'angle critique d'une valeur de 45.212°, ou selon un angle particulier tel que 51°, 55° ou 60°.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'un mode de réalisation préférentiel, donné à titre de simple exemple illustratif et non limitatif, et des dessins annexés, parmi lesquels : - la figure 1 présente un dispositif de microscopie optique en champ proche du type N.S.O.M. (en anglais « Near-field Scanning Optical Microscope) selon une technique de l'art antérieur. la figure 2 illustre un dispositif de microscopie optique en champ proche du type P. S. T. M. (en anglais « Photon Scanning Tunneling Microscope ») selon une technique de l'art antérieur. la figure 3 présente un synoptique du dispositif de microscopie optique à balayage en champ proche construit au sein de la cavité résonante d'un laser en anneau, selon l'invention. - la figure 4 présente un synoptique d'un laser à effet tunnel pouvant être utilisé dans un dispositif de microscopie optique en champ proche, selon une technique similaire à celle illustrée en figure 3.
Le principe général de l'invention repose sur l'insertion d'un dispositif de microscopie optique à balayage en champ proche, au sein d'une cavité laser.
On présente, en relation avec la figure 3. un mode de réalisation d'un dispositif de microscopie optique à balayage en champ proche, construit au sein de la cavité résonante d'un laser en anneau. Un tel dispositif, ainsi que les propriétés du laser à effet tunnel qu'il exploite, sont exposées en annexe 2.
L'échantillon 31 dont on souhaite observer la surface est placé, dans ce cas, sur un angle de prisme 32. Un milieu amplificateur 33, qui peut être une fibre dopée (par exemple aux terres rares), constitue un milieu actif et permet de fournir un gain au dispositif. Selon des variantes de l'invention, le milieu amplificateur 33 peut être un amplificateur à semi-conducteur ou un tube à décharge.
L'une des extrémités 331 de la fibre dopée 33 est en forme de pointe pour sonder le champ proche. L'autre extrémité 332 de la fibre 33 assure la fonction de rétroaction optique et permet de choisir l'angle d'incidence de la lumière sur l'échantillon 31 à observer, ainsi que le côté de l'échantillon 31 qui est éclairé. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, l'échantillon 31 est éclairé par-dessous, et l'on réalise ainsi un microscope à transmission. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, l'échantillon 31 est éclairé pardessus, et l'on réalise ainsi un microscope à réflexion. Le milieu amplificateur 33 est pompé de manière optique par une diode laser 34, par l'intermédiaire d'un coupleur 35. Selon un mode de réalisation de l'invention, la diode laser 34 émet un signal à la longueur d'onde λ=980 nm, qui sert à pomper l'Er*", pour obtenir un oscillateur à 1550 nm. Selon un autre mode de réalisation, le milieu amplificateur 33 est un semi-conducteur, fonctionnant par exemple à 1500 nm. et pompé électriquement.
Une diode optique 36 sélectionne le sens de parcours anti-trigonométrique de la lumière dans le laser en anneau. En effet, dans ces lasers en anneau, le fonctionnement est beaucoup plus simple lorsque la lumière ne peut parcourir l'anneau que dans un seul sens. Selon une variante de l'invention, on peut cependant envisager l'absence de diode optique 36, de manière à permettre la circulation simultanée de la lumière dans l'anneau dans le sens trigonométrique et dans le sens anti-trigonométrique.
Un contrôleur de polarisation 37 permet de sélectionner la polarisation de la lumière incidente sur l'échantillon à observer 31. On peut ainsi choisir une lumière incidente polarisée selon un mode transverse électrique (TE) ou transverse magnétique (TM). La présence du contrôleur de polarisation 37 permet d'utiliser les propriétés différentielles des ondes transverse électrique et transverse magnétique. La pointe 331 de la fibre optique 33 sonde alors l'onde évanescente correspondante avec une résolution de sous-longueur d'onde.
Un coupleur 39 permet de prélever une partie de la lumière circulant à l'intérieur du laser en anneau. Un détecteur 38, qui peut être une photodiode, permet alors d'analyser les variations d'intensité et/ou de fréquence du laser, selon la plage choisie de valeurs de la distance de l'extrémité 331 à la surface 31. On présente désormais, en relation avec la figure 4, un second mode de réalisation d'un dispositif de microscopie optique en champ proche mettant en œuvre un laser à effet tunnel. Un tel dispositif est décrit en détail en annexe 3.
Le tunnel apparaît entre deux prismes de silice 45°-90°-45° 411 et 412, qui prennent en sandwich une barrière d'air 46 d'épaisseur d. Selon un mode de réalisation de l'invention, le laser fonctionne à une longueur d'onde λ=3,39μm, et l'indice de réfraction des prismes 411 et 412 à cette longueur d'onde est égal à n=l,409. L'angle critique est ic=45,212°.
La cavité du laser de longueur L est fermée par un miroir sphérique 421 et un miroir plan 422. Selon un mode de réalisation de l'invention, la longueur de la cavité résonante est égale à L=92cm et le rayon de courbure du miroir 421 est égal à p=l,2m. Les coefficients de réflexion des miroirs 421 et 422 sont, par exemple, respectivement égaux à 94 % et 100 %.
Un élément 43 fournit le gain au dispositif. Selon un mode de réalisation de l'invention, l'élément 43 est un tube à décharge de 60cm de long, de diamètre de perçage égal à 4,2mm, et fermé par deux fenêtres de Brewster de silice. Il est par exemple rempli d'un mélange 5 : 1 de 3He : 20Ne à une pression totale de 1,1 torr. L'emploi d'un milieu fortement amplificateur 43 rend possible le fonctionnement d'un tel laser à effet tunnel.
Une lame demi-onde 43 permet de basculer la polarisation de la lumière du mode transverse électrique TE au mode transverse magnétique TM à l'intérieur du tunnel.
Les prismes 411 et 412 sont montés sur des étages de rotation de haute précision qui ne sont pas représentés sur la figure 4.
Les transducteurs piézo-électriques 451 et 452 visent respectivement à translater les miroirs 421 et 422, en modifiant respectivement les longueurs AB et CD. Le transducteur piézo-électrique 453 déplace simultanément le prisme 412 et le miroir 422, dans une direction perpendiculaire à la barrière 46, c'est-à-dire le long du segment BC. L'action de l'élément 453 permet ainsi de modifier l'épaisseur d de la barrière 46, sans modifier les autres longueurs AB et CD. Selon une première variante de ce mode de réalisation, la lumière de sortie du laser est analysée par un interféromètre confocal à balayage de Fabry-Perot d'une longueur de 20cm.
Selon une deuxième variante de ce mode de réalisation, la lumière de sortie du laser est analysée par battement avec un laser très stable auxiliaire construit avec une cavité en matériau breveté Zerodur de Schott (marques déposées).
Lorsque le laser à effet tunnel illustré en figure 4 fonctionne dans la région où l'épaisseur d de l'espace est inférieure à la limite d'Abbe de l'optique classique λ/2. où λ est la longueur d'onde du laser, le prisme 412 peut être considéré comme une sonde du champ proche.
Le fonctionnement d'un tel laser à effet tunnel présente des caractéristiques originales. On peut montrer notamment que les fréquences d'oscillation associées aux deux polarisations de la lumière (modes TE et TM), ainsi que l'intensité lumineuse selon chacune des deux polarisations TE et TM, dépendent, de façon très sensible, de l'épaisseur d de la barrière 46 comprise entre les deux prismes 411 et 412. Une sensibilité de l'ordre de 0,1 nm en résolution verticale est réalisable.
Selon un autre mode de réalisation de l'invention, l'un des prismes (ou les deux) est remplacé par une (ou deux) fιbre(s) optique(s), coupée(s) selon un angle caractéristique prédéterminé, pour une utilisation en rugosimétrie.
ANNEXE 1 Les phénomènes d'effet tunnel des fermions ou des Bosons présentent des propriétés inhabituelles, telles qu'une résistance négative, et peuvent être verrouillés sur des oscillateurs externes Tous ces systèmes nécessitent de très minces barrières afin de maintenir de faibles pertes. En outre, la nature quantique macroscopique à la fois des supraconducteurs et des lasers a été soulignée par Bardeen. En optique, cependant, du fait des difficultés techniques, l'effet tunnel au-dessus de l'angle critique a principalement été étudié pour des barrières relativement épaisses (entre trois et dix fois la longueur d'onde λ). Ceci conduit à l'existence de pertes énormes et interdit tout type d'oscillation à travers une telle barrière. Étonnamment, Newton, qui le premier a observé l'effet tunnel optique, travaillait dans la région de transmission relativement grande (barrière mince, c'est-à-dire, plus mince que λ/20) circonvenant les difficultés en utilisant une barrière tunnel avec une faible convexité dans une de ses faces. Nous proposons ici de construire un laser à onde continue oscillant à travers une jonction plane dans cette plage de grande transparence et d'explorer les propriétés de ce système actif. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons une transition de laser à gain élevé pour compenser les pertes de barrière. Ceci nous permet de tester des largeurs de barrière comprises entre 0 et λ/2. c'est-à-dire dans la même plage que Newton, et de s'éloigner de la plage ordinairement étudiée des angles d'incidence aux alentours de l'angle critique, où l'on peut penser que le laser à effet tunnel présente des propriétés curieuses. La longueur totale du laser peut être modulée en déplaçant les deux sections du laser entre lesquelles la jonction est prise en sandwich. Habituellement, une diminution de la longueur du laser implique une augmentation de la fréquence du laser. Ici. pour un premier angle d'incidence particulier, la fréquence du laser reste invariante lorsque la longueur totale du laser varie. Pour une valeur plus élevée de l'angle d'incidence, la fréquence associée à la polarisation TM subit une variation négative lorsque la longueur totale du laser est réduite. Ces lasers à effet tunnel continus anisotropes présentent deux largeurs de ligne Schawlow-Townes différentes et pourraient trouver des applications dans les nouveaux dispositifs électroniques quantiques. tels qu'un microscope à effet tunnel à laser en anneau.
ANNEXE 2 Il est donc naturel de penser à l'utilisation du laser à effet tunnel et de ses propriétés anisotropes comme nouveau type de microscope à balayage de champ proche. (...) Le choix d'un laser en anneau unidirectionnel offre de nombreux avantages. Dans ce système, un gain sera fourni par un milieu à semi-conducteurs ou par une fibre dopée avec une de ses extrémités en pointe pour sonder le champ proche. La rétroaction optique est fournie par l'autre extrémité de la fibre qui permet de choisir l'angle d'incidence et le côté de l'échantillon qui est éclairé (microscope à transmission ou à réflexion). La cavité comprend également une diode optique et un contrôleur de polarisation qui permet d'utiliser les propriétés différentielles des ondes TE et TM. Enfin, en fonction de la plage choisie de valeurs de d, la détection d'intensité ou de fréquence peut être mise en œuvre. Un tel microscope à effet tunnel à laser en anneau tire parti du fort rapport signal sur bruit inhérent à l'oscillation du laser pour fournir des images à haut contraste à partir de mécanismes différents.
En conclusion, nous avons vu que, grâce au gain élevé qui peut être atteint, le laser à effet tunnel a été rendu capable d'osciller en régime d'onde continue. Un tel laser à effet tunnel est fondamentalement anisotrope par rapport à sa phase et à ses propriétés de perte. Il présente des comportements curieux pour certains angles d'incidence particuliers. En effet, pour des augmentations positives de la longueur géométrique du laser, nous avons observé des longueurs optiques invariantes, et même des variations négatives de cette longueur optique pour d'autres angles d'incidence. Le laser à effet tunnel est supposé présenter deux largeurs de raie Schawlow-Townes différentes pour les modes TE et TM propres. Parmi ses applications potentielles, la plus prometteuse est le microscope à effet tunnel à laser en anneau. Ce microscope à balayage pourrait tirer parti des anisotropies de perte et de phase pour améliorer le contraste dans le domaine du champ proche à la fois dans les régimes de transmission et de réflexion et pourraient trouver des applications dans de nombreux domaines. ANNEXE 3 L'agencement de la figure 4 tire parti d'un large gain (entre 0 et 30 dans un seul passage) et une longueur d'onde relativement grande (λ= 3.39 μm). L'aspect plat du tunnel est supérieur à λ/60 et les micro translations sont obtenues par l'utilisation de tables piézo-électriques présentant une reproductibilité supérieure à 10 nm. Ceci nous permet de moduler l'épaisseur de la barrière relativement facilement, contrairement au cas de l'effet tunnel pour les électrons des jonctions à semi -conducteurs par exemple. La stabilité angulaire du système est supérieure à 0,1 minute d'arc. La polarisation de la lumière est fixée dans la section gauche du laser par l'utilisation de deux fenêtres de Brewster. Ensuite, la rotation de la lame demi onde située face au tunnel nous permet de basculer entre les polarisations TE et TM. On peut contrôler l'isotropie de la phase initiale du système si on réussit à rendre l'épaisseur de la barrière strictement égale à zéro. Ceci est réalisé en remplissant l'espace d'air le plus fin qui puisse être réalisé avec une goutte d'eau lourde, qui heureusement ne présente aucune absorption à λ= 3,39 μm. Ce réglage nous permet également de comparer les conséquences d'une augmentation de longueur d'une cavité, soit via une augmentation de l'épaisseur du tunnel d (PZT3) uniquement, soit via un déplacement de miroir classique (PZTl ou PZT2).
De plus, le parallélisme des deux interfaces est contrôlé continuellement grâce à l'utilisation d'un spectromètre à franges. Un analyseur de Fabry-Perot nous permet d'observer et d'isoler les oscillations par effet tunnel TE et TM et de contrôler les fréquences observables pour les différentes épaisseurs de tunnel. De plus, des mesures précises des décalages de fréquence peuvent être effectuées par battement avec le faisceau provenant d'un laser ultra stable auxiliaire construit avec un matériau breveté appelé Zerodur (sensibilité de l'ordre de lOOkHz/nm).

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif permettant la détermination de caractéristiques de la surface d'un objet (31), comprenant des moyens d'illumination dudit objet et des moyens permettant de capter la lumière transmise par ledit objet, caractérisé en ce qu'il met en œuvre un laser en anneau, lesdits moyens d'illumination dudit objet, ledit objet et lesdits moyens permettant de capter la lumière transmise étant contenus à l'intérieur de la cavité résonante dudit laser en anneau.
2. Dispositif selon la revendication 1 , caractérisé en ce que lesdits moyens permettant de capter la lumière transmise par ledit objet comprennent une sonde de champ proche.
3. Dispositif selon la revendication 2, caractérisé en ce que ladite sonde de champ proche est une fibre optique (33) terminée par une pointe (331) de faibles dimensions transversales.
4. Dispositif selon la revendication 3, caractérisé en ce que ladite fibre optique est au moins partiellement métallisée.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 3 et 4. caractérisé en ce que l'extrémité (331) de ladite fibre optique (33) est coupée selon un angle caractéristique prédéterminé sensiblement supérieur à l'angle critique du matériau constituant ladite fibre optique.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 5. caractérisé en ce que ledit laser comprend un milieu amplificateur (33) constitué par l'un au moins des éléments du groupe comprenant : une fibre optique dopée ; un amplificateur à semi -conducteur ; - un tube à décharge.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 6. caractérisé en ce qu'il comprend une diode optique (36) permettant de définir le sens de parcours de la lumière à l'intérieur dudit dispositif.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce qu'il comprend un contrôleur de polarisation (37) permettant de définir la polarisation de la lumière incidente sur ledit objet (31).
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 8. caractérisé en ce qu'il comprend un contrôleur de polarisation permettant de définir la polarisation de la lumière réinjectée dans le milieu amplificateur dudit laser.
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce qu'il comprend un prisme (32) transparent permettant d'illuminer ledit objet étudié, sous un angle d'incidence déterminé, de manière à être dans les conditions de la réflexion totale.
11. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce qu'il met en œuvre des moyens permettant de capter une partie de la lumière transmise et/ou réfléchie par ledit objet.
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le fonctionnement dudit laser en anneau est monomode longitudinal.
13. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 11, caractérisé en ce que le fonctionnement dudit laser en anneau est multimode longitudinal.
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que le fonctionnement dudit laser en anneau est puisé.
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 13, caractérisé en ce qu'il comprend l'un au moins des éléments du groupe comprenant : un milieu amplificateur optique (33) ; des moyens permettant de fournir de l'énergie audit milieu amplificateur ; - des moyens permettant d'injecter la lumière émise par une extrémité dudit milieu amplificateur à l'intérieur de ladite sonde de champ proche ; - des moyens permettant de faire varier la position relative de ladite sonde de champ proche par rapport audit objet étudié ; - des moyens permettant de maintenir ledit objet ;
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