WO2020240131A1 - Systeme de mesure acoustique picoseconde a double faisceaux sondes - Google Patents

Systeme de mesure acoustique picoseconde a double faisceaux sondes Download PDF

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WO2020240131A1
WO2020240131A1 PCT/FR2020/050878 FR2020050878W WO2020240131A1 WO 2020240131 A1 WO2020240131 A1 WO 2020240131A1 FR 2020050878 W FR2020050878 W FR 2020050878W WO 2020240131 A1 WO2020240131 A1 WO 2020240131A1
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WO
WIPO (PCT)
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interface
sample
probe
acoustic
pump
Prior art date
Application number
PCT/FR2020/050878
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English (en)
Inventor
Bertrand AUDOIN
Liwang LIU
Original Assignee
Universite de Bordeaux
Centre National De La Recherche Scientifique - Cnrs
Institut Polytechnique De Bordeaux
Ecole Nationale Superieure D'arts Et Metiers (Ensam)
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Publication date
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    • G01N2021/638—Brillouin effect, e.g. stimulated Brillouin effect

Definitions

  • the present invention relates to a system for measuring the mechanical properties of a sample at the microscopic or nanoscopic scale.
  • This non-invasive technique with microscopic or nanoscopic resolution is particularly suitable for studying the mechanical properties of a biological cell for the understanding of physiological and pathological functioning while preserving the integrity of the cell.
  • the picosecond acoustic measurement technique is based on an ultra-fast pump-probe optical device which uses a pump light beam comprising one or more laser pulses for the generation of coherent acoustic phonons in a sample, and a beam Time-shifted probe light with an adjustable delay relative to the pump beam for the detection of Brillouin oscillations in a spectral range from GHz to THz.
  • Pump laser pulses are ultra-short laser pulses.
  • the term ultra-short pulse is understood to mean a pulse the duration of which is between ten femtoseconds and around one hundred picoseconds (10-12 s).
  • acoustic waves of frequencies ranging from GHz up to THz (1012 Hz) can be generated, allowing a characterization of a sample with a nanometric scale.
  • FIG. 1 schematically represents a picosecond acoustic device and method according to the prior art.
  • the device comprises a laser source for generating a pump light beam 10, or pump beam, and another source for generating a probe light beam 11, or a probe beam.
  • a sample to be analyzed 2 is deposited on an acousto-optical transducer 1.
  • the pump beam 10 is incident on the sample to be analyzed and transmitted in the direction of the interface 3 between the sample and the transducer.
  • the pump pulse focused at the interface generates acoustic waves 20, 22 which propagate on either side of the interface 3. These acoustic waves induce disturbances in the refractive index of the sample.
  • the probe beam is also focused at the interface.
  • the generated acoustic waves 21 propagating in the sample form an optical interface which travels at the speed of propagation of the acoustic wave in the sample.
  • a portion of the probe beam 13 which is not absorbed is reflected at the interface between the sample and the transducer.
  • Another portion of the probe beam 12 is backscattered due to the Brillouin interaction on the acoustic interface.
  • the interferences of these two reflections create temporal modulations or oscillations. Maximum change in reflectivity is measured when constructive interference between the reflected rays takes place, while for destructive interference a minimum change in reflectivity is measured.
  • the oscillations called Brillouin oscillations, are established.
  • Each pump laser pulse is absorbed in the titanium film and generates an acoustic pulse. , which is reflected on the titanium-cell interface.
  • the second laser emits probe pulses 11 at another length wave and another repetition frequency.
  • a photodiode acquires, as a function of time, the variations in optical reflectivity by elasto-optical coupling on the titanium-sapphire interface 6. This configuration of the picosecond acoustic device makes it possible to measure the acoustic reflection coefficient at the titanium-cell interface.
  • the picosecond acoustic measurement system makes it possible to measure the acoustic impedance of the cell and to study the adhesion of a single cell to a single cell. titanium film via the acoustic reflection coefficient.
  • the first configuration of the picosecond acoustic device as illustrated in FIG. 1 makes it possible to measure the speed of propagation of acoustic waves in a sample, as well as its thickness through the Brillouin oscillations.
  • the second configuration of the picosecond acoustic device measures its acoustic impedance and the quality of adhesion via the acoustic reflection coefficient. Due to their separate configuration, it is therefore not possible to acquire all these measurements simultaneously in real time, at the same point in the sample and in a single measurement.
  • Another drawback of this measurement method is that the acquisition takes a long time to access all of the physical parameters of the sample because it is necessary to modify the configuration of the system according to the measurements to be carried out, involving a setting time longer implementation.
  • the acquisition of the two probe signals from the two configurations is carried out in two steps. It is necessary to change the cable connection of either of the probe photodiodes on the lock-in amplifier input. Therefore, the total acquisition time of the two measurements would be longer.
  • the signals to be detected are very weak, of the order of 10-6 to 10-4 caused by the mechanical deformation associated with the propagation of the acoustic wave.
  • Their detection requires the use of synchronous detection which therefore includes a lock-in amplifier, which would entail a higher cost.
  • the sample due to the imprecision of the measurement position between the two configurations, the sample must be homogeneous so that the data acquired according to the two systems are representative of the mechanical properties of the sample. Therefore it is not possible to characterize the heterogeneity of a sample.
  • a picosecond acoustic measurement system is proposed for the analysis of a sample, the system comprising:
  • a sample support comprising an opto-transduction means acoustic and a transparent substrate, said transducing means having a first interface in contact with the transparent substrate and a second interface in contact with the sample,
  • a first laser source configured to generate a pump beam, said pump beam consisting of a series of ultrashort pump light pulses having a repetition frequency (F) located in a spectral range between several tens of megahertz and several tens gigahertz,
  • F repetition frequency
  • a second laser source configured to generate a main probe beam consisting of a series of ultrashort probe light pulses having a repetition frequency (F ’) located in a spectral range between several tens of megahertz and several tens of gigahertz,
  • a beam splitter configured to divide said probe beam into a first probe beam and into a second probe beam
  • first opto-mechanical means for directing the pump beam and the first probe beam towards the first interface by transmission from a free surface of the substrate and focusing the pump beam and the first probe beam on said first interface, said pump beam and the first probe beam being aligned coaxially,
  • said pump beam being configured to generate acoustic waves in the transducer means propagating from the first interface to the second interface, a portion of the acoustic waves being reflected at the second interface and a portion of the acoustic waves being transmitted in the sample;
  • said first probe beam being configured so as to detect in real time a variation in the acoustic reflection coefficient of the second interface by elasto-optical coupling between the first probe beam and the acoustic waves returned by the second interface to the first interface,
  • - second opto-mechanical means for directing the second probe beam towards the second interface by transmission from a free surface of the sample and focusing the second probe beam on the second interface, the second probe beam being aligned with the pump beam and the first probe beam so as to come to probe at the same point of the sample,
  • said second probe beam being configured so as to detect in real time the Brillouin oscillations linked to the Brillouin interaction between the second probe beam and the portion of the acoustic waves propagating in the sample
  • a photodetection system configured to measure simultaneously and at the same point of the sample a reflectivity variation signal at the level of the second interface linked to the Brillouin oscillations and, a reflectivity variation signal at the level of the first interface linked to a variation in the coefficient of acoustic reflection
  • - a data acquisition unit connected to the photodetection system and configured to simultaneously record said variation signals.
  • the measuring system of the present invention offers the possibility of using the data acquired simultaneously and at the same point of the sample and independently, namely the Brillouin frequency and the acoustic impedance, to obtain the mass density and compressibility without any other data than the optical index.
  • the pump beam having a pump wavelength, the first and second probe beams having a probe wavelength, the probe wavelength is different from the pump wavelength.
  • the pump beam having a pump wavelength, the first and second probe beams having a probe wavelength, the probe wavelength is equal at the pump wavelength.
  • the opto-acoustic transducer means is a metal film having a thickness of between ten nanometers and a few micrometers
  • the substrate is a transparent substrate for the wavelength of the pump beam and the wavelength of the first probe beam, said substrate having a thickness, preferably greater than the length of thermal diffusion in the substrate for the repetition frequency the pump harness, a camera system configured to locate the focusing spots of the pump beam and of the second probe beam on the sample.
  • the photodetection system comprises a first photodetector configured to measure a variation signal of the reflectivity at the level of the second interface linked to the Brillouin oscillations, and a second photodetector configured to measure a variation signal of the reflectivity at the first interface linked to a variation in the coefficient of the acoustic reflection of the second interface.
  • the sample support is mounted on two motorized translation stages in two directions X and Y orthogonal in a horizontal plane of the sample.
  • the invention also provides a picosecond acoustic measurement method for the analysis of a sample fixed on an opto-acoustic transduction means, said transduction means having a first contact interface with a transparent substrate and a second interface contact with the sample, the method comprising the following steps:
  • - generate a pump beam made up of a series of ultrashort pump light pulses having a repetition frequency (F) located in a spectral range between several tens of megahertz and several tens of gigahertz,
  • F repetition frequency
  • the pump beam being directed towards the first interface by transmission from the free surface of the substrate and focused on said first interface so as to generate acoustic waves in said opto-acoustic transduction means
  • said beams each consisting of a series of ultrashort probe light pulses having a repetition frequency (F ') located in a spectral range between several tens of megahertz and several tens of gigahertz,
  • said first probe beam being directed towards the first contact interface by transmission from the free surface of the substrate and focused on the first interface so as to detect in real time a variation in the acoustic reflection coefficient of the second interface by elasto-optical coupling between the first probe beam and the acoustic waves returned by the second interface to the first interface,
  • said second probe beam being directed towards the second interface by transmission from the free surface of the sample and focused at the second interface so as to detect in real time the Brillouin oscillations linked to the Brillouin interaction between said second probe beam and a portion of the acoustic waves propagating in the sample,
  • the sample is moved along an axis XX and a YY axis in a plane (XY) so as to position the pump beam and the two probe beams point by point on the sample to obtain a two-dimensional map of the Brillouin oscillations and of the acoustic reflection coefficient.
  • FIG. 1 schematically represents the principle of a Brillouin scattering measurement according to the prior art.
  • FIG. 2 schematically represents the principle of an acoustic reflection measurement according to the prior art.
  • Fig. 3 schematically represents the principle of an acoustic reflection measurement according to the prior art.
  • FIG. 3 schematically represents a picosecond acoustic measurement system according to one embodiment of the invention.
  • FIG. 4 is an enlarged view of Figure 3 showing the pump beam and the first probe beam impacting on the free surface of the transparent substrate and the second probe beam impacting on the free surface of the sample.
  • FIG. 5A represents an example of the measurement of the change in reflectivity as a function of time detected by the second probe beam at a point at the sample-titanium interface by Brillouin interaction with the acoustic waves propagating in the sample.
  • FIG. 5B shows an example of a measurement of the change in reflectivity over time detected by the first probe beam at the same point at the titanium-substrate interface.
  • FIG. 6A represents a map of the amplitude of the Brillouin frequency of a biological cell.
  • Fig. 6B represents a map of the amplitude of the Brillouin frequency of a biological cell.
  • FIG. 6B represents a map of the thickness of the cell.
  • FIG. 6C represents a map of the acoustic reflection at the cell-titanium interface.
  • Fig. 6D represents a map of the acoustic reflection at the cell-titanium interface.
  • FIG.6D represents a mapping of the acoustic impedance of the cell.
  • Fig. 6E represents a mapping of the acoustic impedance of the cell.
  • FIG. 6E represents a map of the mass density of the cell.
  • FIG. 3 shows a picosecond acoustic measurement system 100 according to one embodiment of the invention.
  • the system comprises two distinct laser pulse sources 101, 102.
  • a first source 101 of ultrashort laser pulses generates a pump laser beam 201 consisting of a series of pump pulses at frequency F.
  • a second source 102 of ultrashort laser pulses generates a probe laser beam 202 consisting of a series of probe pulses at another frequency F 'or at the same frequency F.
  • the pump laser pulse train has a duration equal to 400 fs at a wavelength of 1030 nm, with a repetition rate of 50 MHz.
  • the probe laser pulse train has a wavelength of 515 nm with a similar repetition rate.
  • the laser pulses of the same pulse train all have the same spectral and temporal properties.
  • the spectral range of the repetition frequency is located between 50 MHz and 2 GHz.
  • the system 100 also comprises a sample support on which is fixed a sample 5 to be analyzed.
  • the sample holder comprises an opto-acoustic transduction means 1 and a transparent substrate 4.
  • the sample is fixed by gluing or by chemical bonds on the optoacoustic transduction means.
  • the transduction means has a first contact interface 6 with the substrate and a second contact interface 3 with the sample.
  • the opto-acoustic transduction means is for example a metal film having a thickness between a few tens of nanometers and a few micrometers, and absorbing at the wavelength of the pump beam. In addition, the thickness is chosen so as to limit the thermal diffusion of the pump beam in the sample.
  • the transducer is preferably a biocompatible transducer.
  • the transducer may be composed of a thin metallic film of biocompatible titanium deposited on the transparent substrate.
  • the transparent substrate has a thickness greater than the length of thermal diffusion in the substrate for the repetition frequency of the pump.
  • the substrate is a sapphire substrate with a thickness of 1 mm, the transparency of which makes it possible to focus the pump beam at the first interface by transmission in the substrate.
  • Known opto-mechanical means 105 direct the pump beam 201 generated towards the first interface 6 by transmission from the free surface of the substrate.
  • the pump beam is focused on the first interface with a first objective 107.
  • the picosecond acoustic measurement system 100 further comprises a polarization splitter cube 103 placed in the path of the main probe laser beam 202 to separate the probe beam 202 into a first probe laser beam 203 and a second probe laser beam 204.
  • Other known opto-mechanical means 104, 106 direct the first probe laser beam 203 towards the first interface 6 by transmission from the free surface of the substrate 4.
  • the first probe beam is also focused on the first interface 6 with the first objective 107.
  • the pump beam and the first probe beam are coaxially aligned and focused at the same point on the first interface 6.
  • the second probe beam 204 is directed towards the second interface 3 by known opto-mechanical means 110, 115, 109 by transmission from a free surface of the sample.
  • the sample is transparent to the wavelength of the second probe beam.
  • the second beam is focused on the second interface 3 with a second objective 108 at a point of the second interface.
  • the pump beam, the first probe beam and the second probe beam are aligned along a vertical axis Z through the use of an integrated microscope, which allows to visualize the geometry and the location of the three beams during alignment with submicron precision.
  • the first probe beam and the second probe beam are configured to come to probe the same point of the sample.
  • the pump beam is configured to generate acoustic waves in the transducer.
  • the absorption of each pump pulse in the transducer to a depth of nanometric thickness generates 21 high-frequency acoustic nano-pulses, up to THz, propagating at a speed of a few nanometers per picosecond from the first interface 6 to the second interface 3.
  • a portion of the acoustic waves is reflected at the second interface 3 and returned to the first interface 6, and a portion of the acoustic waves 21 is transmitted in the sample due to the acoustic impedance imbalance at this interface and spreads in the sample.
  • the acoustic waves reflected at the second interface 3 are directed towards the lower surface of the layer of the transducer, disturbing the optical reflectivity of the surface of the transducer on the first probe beam due to the elasto-optical coupling.
  • the measurement system 100 of FIG. 3 further comprises a detection system configured to simultaneously measure the variation in reflectivity.
  • optics as a function of time linked to Brillouin oscillations and the variation in reflectivity linked to a variation in the acoustic coefficient of the first interface.
  • the system comprises two photodetectors 116, 117 for respectively measuring the variation in optical reflectivity of the first and of the second probe beam simultaneously.
  • the photodetectors detect changes in reflectivities and send them to a dual-channel data acquisition unit 118 for simultaneous recording.
  • the acquisition unit 118 is provided with a large integrated memory to allow the acquisition in real time of the data coming from the two probes.
  • the device of the present invention allows the use of asynchronous optical sampling, allowing detection of signals. low based on fast double averaging through the use of the two-channel acquisition unit.
  • the device of the present invention is then much more compact, less expensive and above all much faster, which makes it compatible with the acquisition of images as described below.
  • the picosecond acoustic measurement system with double probe beams of the present invention makes it possible to record simultaneously and as a function of time the Brillouin oscillations in the sample by the second probe beam and the acoustic reflection coefficient at the transducer interface -sample by the first probe beam at the same point of the sample.
  • By combining the two measurements made by the two probes it is then possible to extract the propagation speed of the acoustic waves in the sample and the thickness of the sample through the Brillouin oscillations, as well as the acoustic impedance and the quality of adhesion of the sample through the acoustic reflection coefficient of the sample-transducer interface.
  • the measuring system 100 further comprises a CCD camera system 113 making it possible to locate the focusing spot of the second probe beam on the sample.
  • a CCD camera system 113 making it possible to locate the focusing spot of the second probe beam on the sample.
  • the CCD camera also makes it possible to locate the pump beam.
  • the system comprises a white light source 111 for viewing the sample.
  • the system comprises a fluorescent light source for viewing the sample.
  • the pump beam 201 is directed by the opto-mechanical means composed of mirrors 105, 106 to the first interface 6 by transmission from the free surface 4.1 of the substrate and focused at the interface 6 via a first objective 107.
  • the second probe beam 204 is directed by the other opto-mechanical means composed of mirrors 110, 115, 109 towards the first transducer-sample interface 3 by transmission from the free surface of the sample and focused on the interface 3 via a second objective 108.
  • the pump beam and the second probe beam are aligned along the vertical axis Z.
  • the opto-acoustic transducer material 1 which is for example a metallic material such as titanium
  • acoustic waves are generated.
  • the generated acoustic waves 21 propagate in the transducer from the first interface to the second interface.
  • a portion of the acoustic waves are transmitted through the sample and form an optical interface 20 which travels at the rate of propagation of the acoustic wave in the sample.
  • the second probe beam 204 is focused at the transducer-sample interface 3.
  • a portion of the second probe beam 204 which is not absorbed by the sample is reflected at the interface 3 between the sample 5 and the transducer 1.
  • Another portion of the second probe beam 204 is backscattered due to the Brillouin interaction on the acoustic interface.
  • the interferences of these two reflections create temporal modulations or oscillations.
  • a maximum change in reflectivity is measured when constructive interference between the reflected rays takes place, while for destructive interference a minimal change in reflectivity is measured.
  • the oscillations called Brillouin oscillations, are established.
  • the fourrier transform of these oscillations makes it possible to determine the Brillouin frequency ÎB.
  • This Brillouin interaction can be produced when the wavenumber of the phonons is double that of the probe beam. This condition is fulfilled when the acoustic frequency is equal to the Brillouin resonant frequency.
  • n the optical index of the sample
  • v the speed of propagation of the wave acoustic and At the wavelength of the probe beam.
  • the pump beam remains unchanged.
  • the first probe beam 203 is directed by the opto-mechanical means composed of mirrors 104, 106 towards the first transducer-substrate interface 6 by transmission from the free surface 4.1 of the substrate and focused at the titanium-substrate interface 6 via of the first objective 107.
  • the pump beam 201 and the first probe beam 203 are consequently aligned coaxially along the vertical axis Z. This alignment between the pump beam and the first probe beam is achieved by virtue of the alignment carried out beforehand between the pump beam and the second probe beam, the focal spots of which are localized by means of a camera.
  • the acoustic waves generated in the transducer propagate from the first interface 6 to the second interface 3. A portion of the acoustic waves is transmitted in the sample and a portion of the acoustic waves is reflected at the second interface 3 in the direction of the first interface 6.
  • the acoustic waves go back and forth in the transducer and disturb the optical reflectivity of the first interface of the first probe beam.
  • it is possible to measure the acoustic reflectivity at a point at the transducer-sample interface by measuring the variation over time of the optical reflectivity of the first interface for the first probe beam.
  • FIG. 5B shows a curve 9 of the variation in reflectivity measured by the second probe beam as a function of time at a point of the transducer-sample interface.
  • Z T ⁇ is the acoustic impedance of the titanium transducer and Zc the acoustic impedance of the sample.
  • the acoustic coefficient R ac depends on the frequency of the wave w and on the stiffness K of the spring, that is to say of the interface. From this relationship, it is therefore possible to determine the impedance of the sample Zc and the stiffness of the titanium-sample interface K from the acoustic reflection coefficient R ac . For this, the calculated theoretical reflection coefficient is adjusted with respect to the measured value R ac by a linear regression, by varying the acoustic impedance Zc of the sample and the stiffness K.
  • the acousto-optical measurement system offers the possibility of extracting the density of the sample p according to the following relationship:
  • n is the optical index of the medium
  • Z the acoustic impedance of the sample
  • fe the Brillouin frequency
  • l the wavelength of the probe beam
  • the support is mounted on two motorized translation plates xy making it possible to position the pump beam 201 and the two probe beams 203, 204 in the two directions X and Y at the titanium interface -sample and at the titanium-substrate interface, thus making it possible to carry out the measurements described above point by point on the sample and to carry out a mapping of micrometric structures in two dimensions of the sample.
  • the sample support consists of a titanium film deposited on a transparent sapphire substrate.
  • the titanium film has a thickness of 300 nm and the substrate has a thickness of 1 mm.
  • the adherent cell on the surface of the The titanium transducer may have undergone biological fixation, for example by paraformaldehyde.
  • the pump laser beam consists of a series of pump pulses having a pulse duration of 400 fs and a pump wavelength of 1030 nm.
  • the two probe beams each consist of a series of probe pulses having a pulse duration of 400 fs and a probe wavelength of 515 nm.
  • the laser sources operate at a repetition frequency of 50 MHz with an offset Ai. During the measurement, this offset is maintained by an electronic control device allowing the adjustment of the length of the laser cavity generating the probe beam.
  • This so-called beat difference defines the time necessary for an acquisition of the reflectivity variation.
  • By recording the temporal variation in the intensity of the probe beam during a beat period using a photodiode the response of the sample is dilated over time by strobing.
  • the principle of operation of the asynchronous device allowing asynchronous optical sampling is described in more detail in document WO2007045773. This setup allows faster acquisitions, with a typical acquisition speed of around 16 points / min and sub-picosecond time
  • FIG. 6A represents an example of mapping of the 2D Brillouin frequency obtained for the cell in the same way as the Brillouin frequency at a point at the transducer-sample interface. The change in reflectivity over time is recorded at each point probed by the second beam at the transducer-sample interface.
  • FIG. 6B represents the thickness map obtained for the same cell.
  • FIG. 6C represents the mapping of the acoustic reflection at the titanium-cell interface detected by the first probe beam at the sapphire-titanium interface by moving the sample along X and Y. The acoustic waves are generated at each measurement point by the pump harness.
  • FIG. 6D represents the mapping of the determined acoustic impedance Z and FIG.
  • 6E represents the mapping of the calculated mass density of the cell by knowing the Brillouin frequency and the acoustic impedance for each point simultaneously probed by the first probe beam and the second probe beam.
  • the contrast of these images shows that the acousto-optical measurement system with double probe beams makes it possible to map within the same cell in a single measurement not only the Brillouin frequency, the thickness and the acoustic impedance of the cell, but also its mass density.
  • the acousto-optical measurement system and the method of the present invention claimed combines:
  • the invention can be applied in various technological fields, such as photonics, microelectronics or cell biology. Simultaneous measurements of Brillouin oscillations and measurements of the acoustic reflection coefficient can in fact be analyzed to deduce parameters (density, elasticity) and the quality of contact between one or more transparent thin layers, used for example in systems or components. optical or electronic.
  • the opto-acoustic system with double probe beams of the present disclosure which allows to simultaneously measure Brillouin oscillations and the acoustic reflection coefficient at the same point of the cell, it was possible to carry out in a single measurement a mapping of the Brillouin frequency, the thickness, the acoustic impedance, the adhesion, elastic modulus and mass density of a cell at a subcellular scale.
  • the speed of the measurement is compatible with the dynamics of a large number of samples, unlike the devices of the prior art which are limited to quasi-inert samples due to the time taken to acquire a. single signal of several minutes.
  • the invention is particularly suitable for the study of the mechanical properties of a cell for understanding its physiological and pathological functioning while preserving the integrity of the cell.

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Abstract

L'invention concerne un système de mesure acoustique picoseconde (100) pour l'analyse d'un échantillon (5). Selon l'invention, le système comprend un moyen de transduction ayant une première interface (6) en contact avec un substrat transparent (4) et une seconde interface (3) en contact avec l'échantillon (5), une première source laser (101) configurée pour générer un faisceau pompe (201), une seconde source laser (102) configurée pour générer un premier faisceau sonde (203) et un second faisceau sonde (204), ledit faisceau pompe étant configuré pour générer des ondes acoustiques dans le moyen transducteur (4), ledit premier faisceau sonde étant configuré de manière à détecter en temps réel une variation du coefficient de réflexion acoustique de la seconde interface (3) par couplage élasto-optique, ledit second faisceau sonde (204) étant configuré de manière à détecter en temps réel les oscillations de Brillouin liées à l'interaction Brillouin entre ledit second faisceau sonde (204) et une portion des ondes acoustiques se propageant dans l'échantillon, un système de photodétection (116, 117) configuré pour mesurer simultanément et au même point de l'échantillon un signal de variation de la réflectivité au niveau de la seconde interface (3) liée aux oscillations de Brillouin et un signal de variation de la réflectivité au niveau de la première interface (6) liée à une variation du coefficient de la réflexion acoustique.

Description

SYSTEME DE MESURE ACOUSTIQUE PICOSECONDE A DOUBLE
FAISCEAUX SONDES
Domaine technique
[0001] La présente invention concerne un système de mesure de propriétés mécaniques d’un échantillon à l’échelle microscopique ou nanoscopique.
[0002] Elle concerne plus particulièrement un système de mesure des oscillations de Brillouin et d’un coefficient de réflexion acoustique pour l’analyse non destructive d’un échantillon. Plus précisément, elle concerne un système de mesure acoustique picoseconde comportant deux faisceaux sondes.
[0003] Cette technique non invasive avec une résolution microscopique ou nanoscopique est particulièrement adaptée pour étudier les propriétés mécaniques d’une cellule biologique pour la compréhension du fonctionnement physiologique et pathologique tout en préservant l’intégrité de la cellule.
Technique antérieure
[0004] La technique de mesure acoustique picoseconde est basée sur un dispositif d’optique ultra-rapide pompe-sonde qui utilise un faisceau lumineux de pompe comprenant une ou plusieurs impulsions laser pour la génération de phonons acoustiques cohérents dans un échantillon, et un faisceau lumineux de sonde décalé dans le temps avec un délai ajustable par rapport au faisceau pompe pour la détection des oscillations de Brillouin dans une gamme spectrale allant du GHz au THz. Les impulsions laser de pompe sont des impulsions laser ultra-brèves. Dans le présent document, on entend par impulsion ultra-brève une impulsion dont la durée est comprise entre une dizaine de femtoseconde et une centaine de picoseconde (10-12 s). Ainsi, des ondes acoustiques de fréquence allant de GHz jusqu’au THz (1012 Hz) peuvent être générées, permettant une caractérisation d’un échantillon avec une échelle nanométrique.
[0005] La figure 1 représente schématiquement un dispositif et procédé d’acoustique picoseconde selon l’art antérieur. Le dispositif comprend une source laser pour générer un faisceau lumineux de pompe 10, ou faisceau pompe et une autre source pour générer un faisceau lumineux de sonde 11 , ou faisceau sonde. Un échantillon à analyser 2 est déposé sur un transducteur acousto-optique 1. Le faisceau de pompe 10 est incident sur l’échantillon à analyser et transmis en direction de l’interface 3 entre l’échantillon et le transducteur. L’impulsion pompe focalisée à l’interface génère des ondes acoustiques 20, 22 qui se propagent de part et d’autre de l’interface 3. Ces ondes acoustiques induisent des perturbations de l’indice de réfraction de l’échantillon. Le faisceau sonde est également focalisé à l’interface. Les ondes acoustiques 21 générées se propageant dans l’échantillon forment une interface optique qui se déplace à la vitesse de propagation de l’onde acoustique dans l’échantillon. Une portion du faisceau sonde 13 qui n’est pas absorbée est réfléchie à l’interface entre l’échantillon et le transducteur. Une autre portion du faisceau sonde 12 est rétrodiffusée du fait de l’interaction Brillouin sur l’interface acoustique. Les interférences de ces deux réflexions créent des modulations ou des oscillations temporelles. Un changement de réflectivité maximal est mesuré quand une interférence constructive entre les rayons réfléchis a lieu, tandis que pour une interférence destructive, on mesure un changement de réflectivité minimal. En fonction du temps, les oscillations, dites oscillations de Brillouin, s’établissent. En mesurant la fréquence des oscillations Brillouin, on est capable de remonter à la célérité des ondes acoustiques. En outre, se superpose un signal en échelon de période plus grande que celle des oscillations Brillouin. En associant cette période à la célérité des ondes acoustique, il est possible de mesurer l’épaisseur de l’échantillon.
[0006] La publication T. Dehoux, M. Abi Ghanem, O. F. Zouani, J.-M. Rampnoux, Y. Guillet S. Dilhaire, M.-C. Durrieu et B. Audoin, « All-optical broadband ultrasonography of single cells », Scientific Reports, 5 :8650, DOI 10.1038, 2015, décrit un dispositif à impulsions opto-acoustiques, comprenant un premier et un second laser à impulsions picosecondes, utilisé dans une autre configuration pour l’analyse d’un échantillon 5 fixé sur un transducteur de titane 1 qui est lui-même déposé sur un substrat 4, ici en saphir. Comme l’illustre la figure 2, les deux faisceaux pompe 10 et sonde 11 sont focalisés du même côté, à l’interface de contact saphir-titane 6. Chaque impulsion laser de pompe est absorbée dans le film de titane et génère une impulsion acoustique, qui se réfléchit sur l’interface titane-cellule. Le second laser émet des impulsions sonde 11 à une autre longueur d’onde et une autre fréquence de répétition. Une photodiode acquiert, en fonction du temps, les variations de réflectivité optique par couplage élasto-optique sur l’interface titane-saphir 6. Cette configuration du dispositif acoustique picoseconde permet de mesurer le coefficient de réflexion acoustique à l’interface titane-cellule. Ainsi, dans cette configuration où les impulsions pompe-sonde sont focalisées par le dessous, côté substrat, le système de mesure acoustique picoseconde permet de mesurer l’impédance acoustique de la cellule et d’étudier l’adhérence d’une cellule unique à un film de titane via le coefficient de réflexion acoustique.
Problème technique
[0007] La première configuration du dispositif acoustique picoseconde telle qu’illustrée sur la figure 1 permet de mesurer la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans un échantillon, ainsi que son épaisseur à travers les oscillations de Brillouin. La deuxième configuration du dispositif acoustique picoseconde, telle qu’illustrée sur la figure 2, permet de mesurer son impédance acoustique et la qualité d’adhérence via le coefficient de réflexion acoustique. En raison de leur configuration distincte, il n’est donc pas possible d’acquérir de manière simultanée en temps réel toutes ces mesures, en un même point de l’échantillon et en une seule mesure.
[0008] Un autre inconvénient de cette méthode de mesure est que l’acquisition est longue pour accéder à l’ensemble des paramètres physiques de l’échantillon car il faut modifier la configuration du système selon les mesures à réaliser, impliquant un temps de mise en œuvre plus long. En effet, l’acquisition des deux signaux de sonde issus des deux configurations est effectuée en deux étapes. Il est nécessaire de changer la connexion des câbles de l’une ou l’autre des photodiodes de sonde sur l’entrée amplificateur lock-in. De ce fait, le temps d’acquisition total des deux mesures serait plus long.
[0009] Une autre difficulté d’utiliser simultanément des deux configurations est liée à l’alignement des trois spots de faisceau focalisés sur une longue distance pour assurer une détection efficace des phonos acoustiques transmis. En effet, dans le cas de la deuxième configuration qui consiste à focaliser le faisceau sonde et le faisceau pompe par le dessous du milieu, à l’interface Ti-substrat, il n’est pas possible de localiser les faisceaux de focalisation sur l’échantillon. Pour s’affranchir de ce problème, il est nécessaire de s’assurer que le faisceau pompe focalisé de dessous est parfaitement aligné avec un autre faisceau sonde focalisé de dessus. Une fois que la position du faisceau pompe est repérée, le faisceau sonde est focalisé du même côté que le faisceau pompe.
[0010] Il est également difficile de mettre en œuvre les deux configurations de mesure simultanément avec un dispositif acousto-optique conventionnel tel que décrit ci-dessus. En effet, dans les deux configurations, une ligne à retard mécanique est utilisée pour suivre temporellement le phénomène acoustique en augmentant l’écart temporel entre la pompe et la sonde. Ainsi, les dispositifs connus utilisant des lignes à retard mécanique requièrent un temps d’acquisition long, ce qui rend le dispositif incompatible dans le cas d’une acquisition d’images, en particulier dans le cas des échantillons biologiques dynamiques.
[0011] Par ailleurs, dans un tel système, les signaux à détecter sont très faibles, de l’ordre de 10-6 à 10-4 provoquées par la déformation mécanique associée à la propagation de l’onde acoustique. Leur détection nécessite l’utilisation d’une détection synchrone qui inclut donc un amplificateur lock-in, qui entraînerait un coût plus important.
[0012] En outre, du fait de l’imprécision sur la position de mesure entre les deux configurations, l’échantillon doit être homogène pour que les données acquises selon les deux systèmes soient représentatives des propriétés mécaniques de l’échantillon. De ce fait il n’est pas possible de caractériser l’hétérogénéité d’un échantillon.
[0013] Il est donc souhaitable de disposer d’un système et d’une méthode d’analyse multiparamétrique qui soit rapide et fiable, pour accéder aux propriétés mécaniques de l’échantillon.
Exposé de l’invention
[0014] L’invention vient améliorer la situation. Il est proposé un système de mesure acoustique picoseconde pour l’analyse d’un échantillon, le système comprenant :
- un support de l’échantillon comprenant un moyen de transduction opto- acoustique et un substrat transparent, ledit moyen de transduction ayant une première interface en contact avec le substrat transparent et une seconde interface en contact avec l’échantillon,
- une première source laser configurée pour générer un faisceau pompe, ledit faisceau pompe étant constitué d’une série d’impulsions lumineuses de pompe ultrabrèves ayant une fréquence de répétition (F) située dans un domaine spectrale compris entre plusieurs dizaines de mégahertz et plusieurs dizaines de gigahertz,
- une seconde source laser configurée pour générer un faisceau sonde principal constitué d’une série d’impulsions lumineuses de sonde ultrabrèves ayant une fréquence de répétition (F’) située dans un domaine spectral compris entre plusieurs dizaines de mégahertz et plusieurs dizaines de gigahertz,
- un séparateur de faisceau configuré pour diviser ledit faisceau sonde en un premier faisceau sonde et en un second faisceau sonde,
- des premiers moyens opto-mécaniques pour diriger le faisceau pompe et le premier faisceau sonde vers la première interface par transmission depuis une surface libre du substrat et focaliser le faisceau pompe et le premier faisceau sonde sur ladite première interface, ledit faisceau pompe et le premier faisceau sonde étant alignés coaxialement,
- ledit faisceau pompe étant configuré pour générer des ondes acoustiques dans le moyen transducteur se propageant depuis la première interface vers la seconde interface, une portion des ondes acoustiques étant réfléchie à la seconde interface et une portion des ondes acoustiques étant transmise dans l’échantillon;
- ledit premier faisceau sonde étant configuré de manière à détecter en temps réel une variation du coefficient de réflexion acoustique de la seconde interface par couplage élasto-optique entre le premier faisceau sonde et les ondes acoustiques renvoyées par la seconde interface vers la première interface,
- des seconds moyens opto-mécaniques pour diriger le second faisceau sonde vers la seconde interface par transmission depuis une surface libre de l’échantillon et focaliser le second faisceau sonde sur la seconde interface, le second faisceau sonde étant aligné avec le faisceau pompe et le premier faisceau sonde de sorte à venir sonder au même point de l’échantillon,
- ledit second faisceau sonde étant configuré de manière à détecter en temps réel les oscillations de Brillouin liées à l’interaction Brillouin entre le second faisceau sonde et la portion des ondes acoustiques se propageant dans l’échantillon,
- un système de photodétection configuré pour mesurer simultanément et au même point de l’échantillon un signal de variation de la réflectivité au niveau de la seconde interface liée aux oscillations de Brillouin et, un signal de variation de la réflectivité au niveau de la première interface liée à une variation du coefficient de la réflexion acoustique,
- une unité d’acquisition de données connectée au système de photodétection et configurée pour enregistrer simultanément lesdits signaux de variation.
[0015] De façon avantageuse, le système de mesure de la présente invention offre la possibilité d’utiliser les données acquises simultanément et en un même point de l’échantillon et indépendamment, à savoir la fréquence Brillouin et l’impédance acoustique, pour obtenir la densité massique et la compressibilité sans autre donnée que l’indice optique.
[0016] Selon un mode de réalisation de l’invention, le faisceau pompe ayant une longueur d’onde de pompe, les premier et second faisceaux sonde ayant une longueur d’onde de sonde, la longueur d’onde de sonde est différente de la longueur d’onde de pompe.
[0017] Selon un autre mode de réalisation de l’invention, le faisceau pompe ayant une longueur d’onde de pompe, les premier et second faisceaux sonde ayant une longueur d’onde de sonde, la longueur d’onde de sonde est égale à la longueur d’onde de pompe.
[0018] Les caractéristiques exposées dans les paragraphes suivants peuvent, optionnellement, être mises en œuvre. Elles peuvent être mises en œuvre indépendamment les unes des autres ou en combinaison les unes avec les autres :
- le moyen de transducteur opto-acoustique est un film métallique ayant une épaisseur comprise entre une dizaine de nanomètres et quelques micromètres,
- le substrat est un substrat transparent pour la longueur d’onde du faisceau pompe et la longueur d’onde du premier faisceau sonde, ledit substrat ayant une épaisseur, de préférence supérieure à la longueur de diffusion thermique dans le substrat pour la fréquence de répétition du faisceau pompe, - un système de caméra configuré pour localiser les taches de focalisation du faisceau pompe et du second faisceau sonde sur l’échantillon.
[0019] De façon avantageuse, le système de photodétection comprend un premier photodétecteur configuré pour mesurer un signal de variation de la réflectivité au niveau de la seconde interface liée aux oscillations de Brillouin, et un second photodétecteur configuré pour mesurer un signal de variation de la réflectivité au niveau de la première interface liée à une variation du coefficient de la réflexion acoustique de la seconde interface.
[0020] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l’invention, le support de l’échantillon est monté sur deux platines de translation motorisé suivant deux directions X et Y orthogonales dans un plan horizontal de l’échantillon.
[0021] L’invention propose également un procédé de mesure acoustique picoseconde pour l’analyse d’un échantillon fixé sur un moyen de transduction opto-acoustique, ledit moyen de transduction ayant une première interface de contact avec un substrat transparent et une seconde interface de contact avec l’échantillon, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- générer un faisceau pompe constitué d’une série d’impulsions lumineuses de pompe ultrabrèves ayant une fréquence de répétition (F) située dans un domaine spectrale compris entre plusieurs dizaines de mégahertz et plusieurs dizaines de gigahertz,
- le faisceau pompe étant dirigé vers la première interface par transmission depuis la surface libre du substrat et focalisé sur ladite première interface de manière à générer des ondes acoustiques dans ledit moyen de transduction opto-acoustique,
- générer simultanément un premier faisceau sonde et un second faisceau sonde, lesdits faisceaux étant constitués chacun d’une série d’impulsions lumineuses de sonde ultrabrèves ayant une fréquence de répétition (F’) située dans un domaine spectral compris entre plusieurs dizaines de mégahertz et plusieurs dizaines de gigahertz,
- aligner le faisceau pompe et les deux faisceaux sondes selon un axe vertical perpendiculaire à un plan de l’échantillon,
- ledit premier faisceau sonde étant dirigé vers la première interface de contact par transmission depuis la surface libre du substrat et focalisé sur la première interface de manière à détecter en temps réel une variation du coefficient de réflexion acoustique de la seconde interface par couplage élasto-optique entre le premier faisceau sonde et les ondes acoustiques renvoyées par la seconde interface vers la première interface,
- ledit second faisceau sonde étant dirigé vers la seconde interface par transmission depuis la surface libre de l’échantillon et focalisé à la second interface de manière à détecter en temps réel les oscillations de Brillouin liées à l’interaction Brillouin entre ledit second faisceau sonde et une portion des ondes acoustiques se propageant dans l’échantillon,
- photo-détecter simultanément et au même point de l’échantillon une variation de la réflectivité au niveau de la seconde interface liée aux oscillations de Brillouin et une variation de la réflectivité au niveau de la première interface liée à une variation du coefficient de la réflexion acoustique de la seconde interface,
- mesurer les deux signaux en fonction du temps.
[0022] Selon un mode de réalisation particulièrement avantageux de l’invention, l’échantillon est déplacé suivant un axe X-X et un axe Y-Y dans un plan (XY) de sorte à positionner le faisceau pompe et les deux faisceaux sondes point par point sur l’échantillon pour obtenir une cartographie à deux dimensions des oscillations de Brillouin et du coefficient de réflexion acoustique.
Brève description des dessins
[0023] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée ci-après, et à l’analyse des dessins annexés, sur lesquels :
Fig. 1
[0024] [Fig. 1] représente schématiquement le principe d’une mesure de diffusion Brillouin selon l’art antérieur.
Fig. 2
[0025] [Fig. 2] représente schématiquement le principe d’une mesure de réflexion acoustique selon l’art antérieur. Fig. 3
[0026] [Fig. 3] représente schématiquement un système de mesure acoustique picoseconde selon un mode de réalisation de l’invention.
Fig. 4
[0027] [Fig. 4] est une vue agrandie de la figure 3 montrant le faisceau pompe et le premier faisceau sonde en incidence sur la surface libre du substrat transparent et le second faisceau sonde en incidence sur la surface libre de l’échantillon.
Fig. 5A
[0028] [Fig. 5A] représente un exemple de mesure de la variation de la réflectivité en fonction du temps détectée par le second faisceau sonde en un point à l’interface échantillon-titane par interaction Brillouin avec les ondes acoustiques propageant dans l’échantillon.
Fig. 5B
[0029] [Fig. 5B] représente un exemple de mesure de la variation de la réflectivité en fonction du temps détectée par le premier faisceau sonde au même point à l’interface titane-substrat.
Fig. 6A
[0030] [Fig. 6A] représente une cartographie de l’amplitude de la fréquence de Brillouin d’une cellule biologique. Fig. 6B
[0031] [Fig. 6B] représente une cartographie de l’épaisseur de la cellule.
Fig. 6C
[0032] [Fig. 6C] représente une cartographie de la réflexion acoustique à l’interface cellule-titane. Fig. 6D
[0033] [Fig.6D] représente une cartographie de l’impédance acoustique de la cellule. Fig. 6E
[0034] [Fig. 6E] représente une cartographie de la densité de masse de la cellule.
Description des modes de réalisation
[0035] Les dessins et la description ci-après contiennent, pour l’essentiel, des éléments de caractère certain. Ils pourront donc non seulement servir à mieux faire comprendre la présente invention, mais aussi contribuer à sa définition, le cas échéant.
[0036] Sur la figure 3, on a représenté un système de mesure acoustique picoseconde 100 selon un mode de réalisation de l’invention. Dans ce mode de réalisation, le système comprend deux sources d’impulsion laser distinctes 101 , 102. Une première source 101 d’impulsions laser ultrabrèves génère un faisceau laser pompe 201 constitué d’une série d’impulsions de pompe à la fréquence F. Une seconde source 102 d’impulsions laser ultrabrèves génère un faisceau laser sonde 202 constitué d’une série d’impulsions sonde à une autre fréquence F’ ou à une même fréquence F. A titre d’exemple et notamment dans l’exemple d’utilisation du système de mesure acoustique picoseconde pour mesurer les propriétés mécaniques d’une mono-cellule qui sera détaillé ci-dessous, le train d’impulsions laser pompe a une durée égale à 400 fs à une longueur d’onde de 1030 nm, avec un taux de répétition de 50 MHz. Le train d’impulsions laser sonde a une longueur d’onde de 515 nm avec un taux de répétition voisin.
[0037] Dans le présent document on entend par train d’impulsions laser, ou, de manière équivalente, série d’impulsions laser, une série temporelle d’impulsions laser, dans laquelle chaque impulsion est émise à un instant séparé temporellement de 1/F de l’impulsion suivante et/ou précédente, où F représente la fréquence de répétition du train d’impulsions. De façon avantageuse, les impulsions laser d’un même train d’impulsions ont toutes les mêmes propriétés spectrales et temporelles. A titre d’exemple non limitatif, le domaine spectral de la fréquence de répétition est situé entre 50 MHz et 2 GHz.
[0038] Le système 100 comprend également un support d’échantillon sur lequel est fixé un échantillon 5 à analyser. Le support d’échantillon comprend un moyen de transduction opto-acoustique 1 et un substrat transparent 4. L’échantillon est fixé par collage ou par des liaisons chimiques sur le moyen de transduction opto- acoustique. Le moyen de transduction présente une première interface de contact 6 avec le substrat et une seconde interface de contact 3 avec l’échantillon.
[0039] Le moyen de transduction opto-acoustique est par exemple un film métallique ayant une épaisseur comprise entre quelques dizaines de nanomètres et quelques micromètres, et absorbant à la longueur d’onde du faisceau pompe. De plus, L’épaisseur est choisie de manière à limiter la diffusion thermique du faisceau pompe dans l’échantillon. Dans le cas où l’échantillon est par exemple une cellule, le transducteur est de préférence un transducteur biocompatible. A titre d’exemple, le transducteur peut être composé d’un film mince métallique de titane biocompatible déposé sur le substrat transparent.
[0040] De préférence, le substrat transparent a une épaisseur supérieure à la longueur de diffusion thermique dans le substrat pour la fréquence de répétition de la pompe. A titre d’exemple, le substrat est un substrat de saphir avec une épaisseur de 1 mm dont la transparence permet de focaliser le faisceau pompe à la première interface par transmission dans le substrat.
[0041] Des moyens opto-mécaniques connus 105, par exemple à miroirs ou à composants polarisants dirigent le faisceau pompe 201 généré vers la première interface 6 par transmission depuis la surface libre du substrat. Le faisceau pompe est focalisé sur la première interface avec un premier objectif 107.
[0042] Le système de mesure acoustique picoseconde 100 comprend en outre un cube séparateur de polarisation 103 placé sur le chemin du faisceau laser sonde principal 202 pour séparer le faisceau sonde 202 en un premier faisceau laser sonde 203 et un second faisceau laser sonde 204.
[0043] D’autres moyens opto-mécaniques connus 104, 106 dirigent le premier faisceau laser sonde 203 vers la première interface 6 par transmission depuis la surface libre du substrat 4. Le premier faisceau sonde est focalisé également sur la première interface 6 avec le premier objectif 107. Comme l’illustrent les figures 3 et 4, le faisceau pompe et le premier faisceau sonde sont alignés coaxialement et focalisés en un même point sur la première interface 6. [0044] En sortie du cube séparateur 103, le seconde faisceau sonde 204 est dirigé vers la seconde interface 3 par des moyens opto-mécaniques connus 110, 115, 109 par transmission depuis une surface libre de l’échantillon. L’échantillon est transparent pour la longueur d’onde du second faisceau sonde. Le second faisceau est focalisé sur la seconde interface 3 avec un second objectif 108 en un point de la seconde interface.
[0045] De manière avantageuse, le faisceau pompe, le premier faisceau sonde et le second faisceau sonde sont alignés selon un axe vertical Z grâce à l’utilisation d’un microscope intégré, qui permet de visualiser la géométrie et l’emplacement des trois faisceaux pendant l’alignement avec une précision submicronique. De cette façon, le premier faisceau sonde et le second faisceau sonde sont configurés pour venir sonder un même point de l’échantillon.
[0046] Comme l’illustre la figure 4, le faisceau pompe est configuré pour générer des ondes acoustiques dans le transducteur. L’absorption de chaque impulsion de pompe dans le transducteur sur une profondeur d’épaisseur nanométrique génère des nano-impulsions acoustiques 21 à haute fréquence, jusqu’à THz, se propageant à une célérité de quelques nanomètres par picoseconde depuis la première interface 6 vers la seconde interface 3. Une portion des ondes acoustiques est réfléchie à la seconde interface 3 et renvoyée vers la première interface 6, et une portion des ondes acoustiques 21 est transmise dans l’échantillon en raison du déséquilibre d’impédance acoustique à cette interface et se propage dans l’échantillon.
[0047] Les ondes acoustiques réfléchies à la seconde interface 3 se dirigent vers la surface inférieure de la couche du transducteur, perturbant la réflectivité optique de la surface du transducteur sur le premier faisceau sonde en raison du couplage élasto-optique.
[0048] Les ondes acoustiques transmises à travers la seconde interface se propagent dans l’échantillon 5 et interagissent avec le second faisceau sonde focalisé à la seconde interface pour générer des oscillations Brillouin.
[0049] Le système de mesure 100 de la figure 3 comprend en outre un système de détection configuré pour mesurer simultanément la variation de la réflectivité optique en fonction du temps liée aux oscillations Brillouin et la variation de réflectivité liée à une variation du coefficient acoustique de la première interface. Le système comprend deux photodétecteurs 116, 117 pour mesurer respectivement la variation de réflectivité optique du premier et du second faisceau sonde simultanément. Les photodétecteurs détectent les variations des réflectivités et les envoient vers une unité d’acquisition de données 118 à double voies pour un enregistrement simultané. De manière avantageuse, l’unité d’acquisition 118 est munie d’une grande mémoire intégrée pour permettre l’acquisition en temps réel des données issues des deux sondes.
[0050] Contrairement aux dispositifs de l’art antérieur qui sont basés sur une détection synchrone avec l’utilisation d’une ligne à retard optique, le dispositif de la présente invention permet d’utiliser un échantillonnage optique asynchrone, permettant une détection de signaux faibles basée sur un moyennage double rapide grâce à l’utilisation de l’unité d’acquisition à deux canaux. Le dispositif de la présente invention est alors beaucoup plus compact, moins onéreux et surtout beaucoup plus rapide ce qui le rend compatible avec l’acquisition d’images telles que décrite ci-dessous.
[0051] Le système de mesure acoustique picoseconde à double faisceaux sondes de la présente invention permet d’enregistrer simultanément et en fonction du temps les oscillations Brillouin dans l’échantillon par le second faisceau sonde et le coefficient de réflexion acoustique à l’interface transducteur-échantillon par le premier faisceau sonde au même point de l’échantillon. En combinant les deux mesures réalisées par les deux sondes, il est alors possible d’extraire la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans l’échantillon et l’épaisseur de l’échantillon à travers les oscillations Brillouin, ainsi que l’impédance acoustique et la qualité d’adhésion de l’échantillon à travers le coefficient de réflexion acoustique de l’interface échantillon-transducteur.
[0052] Selon l’invention, le système de mesure 100 comprend en outre un système de caméra CCD 113 permettant de localiser la tache de focalisation du second faisceau sonde sur l’échantillon. De même, en utilisant une couche mince partiellement transparente, telle qu’une couche de métal d’épaisseur inférieure à la pénétration optique de la pompe, soit de quelques nanomètres, la caméra CCD permet également de localiser le faisceau de pompe.
[0053] Selon une variante, le système comprend une source de lumière blanche 111 pour la visualisation de l'échantillon. Selon une autre variante, le système comprend une source de lumière fluorescente pour la visualisation de l'échantillon.
[0054] Nous allons maintenant détailler l’analyse de la détection de la diffusion Brillouin par le second faisceau sonde dans l’échantillon et la détection du coefficient de réflexion acoustique par le premier faisceau sonde de l’interface échantillon-transducteur 3.
[0055] Comme l’illustre la figure 4, le faisceau pompe 201 est dirigé par les moyens opto-mécaniques composés de miroirs 105, 106 vers la première interface 6 par transmission depuis la surface libre 4.1 du substrat et focalisé à l’interface 6 par l’intermédiaire d’un premier objectif 107. Le second faisceau sonde 204 est dirigé par les autres moyens opto-mécaniques composés de miroirs 110, 115, 109 vers la première interface transducteur-échantillon 3 par transmission depuis la surface libre de l’échantillon et focalisé sur l’interface 3 par l’intermédiaire d’un second objectif 108. Le faisceau pompe et le second faisceau sonde sont alignés selon l’axe vertical Z.
[0056] Lorsque l’impulsion optique du faisceau pompe 201 est absorbée par le matériau transducteur opto-acoustique 1 , qui est par exemple un matériau métallique tel que titane, des ondes acoustiques sont générées. Les ondes acoustiques 21 générées se propagent dans le transducteur depuis la première interface vers la seconde interface. Une portion des ondes acoustiques est transmise dans l’échantillon et forme une interface optique 20 qui se déplace à la vitesse de propagation de l’onde acoustique dans l’échantillon. Le second faisceau sonde 204 est focalisé à l’interface transducteur-échantillon 3. Une portion du second faisceau sonde 204 qui n’est pas absorbée par l’échantillon est réfléchie à l’interface 3 entre l’échantillon 5 et le transducteur 1. Une autre portion du second faisceau sonde 204 est rétro-diffusée du fait de l’interaction Brillouin sur l’interface acoustique. Les interférences de ces deux réflexions créent des modulations ou des oscillations temporelles. Un changement de réflectivité maximal est mesuré quand une interférence constructive entre les rayons réfléchis a lieu, tandis que pour une interférence destructive, on mesure un changement de réflectivité minimal. En fonction du temps, les oscillations, dites oscillations Brillouin, s’établissent.
[0057] La figure 5A montre un exemple d’une courbe 8 de ces oscillations de Brillouin en fonction du temps mesurée avec un faisceau sonde de longueur d’onde A = 515 nm dans un échantillon qui est ici une cellule. La transformée de fourrier de ces oscillations permet de déterminer la fréquence de Brillouin ÎB. Cette interaction Brillouin peut être produite lorsque le nombre d’onde des phonons est double de celui du faisceau sonde. Cette condition est remplie lorsque la fréquence acoustique est égale à la fréquence de résonance Brillouin. Dans le cas où les faisceaux sont en incidence normale, la fréquence de Brillouin est définie selon la relation suivante : fb = 2nv/À, où n est l’indice optique de l’échantillon, v la vitesse de propagation de l’onde acoustique et A la longueur d’onde du faisceau sonde. Ainsi, connaissant l’indice optique de l’échantillon et A, on est capable de remonter à la vitesse de propagation des ondes acoustiques en mesurant la fréquence de Brillouin fe. En outre, se superpose un signal en échelon de période 2t plus grande que celle des oscillations Brillouin. En associant cette période à la célérité des ondes acoustiques il est également possible de mesurer l’épaisseur de l’échantillon selon la relation e = nt.
[0058] Nous allons maintenant détailler l’analyse de la détection du coefficient de réflexion acoustique par le premier faisceau sonde à la seconde interface titane- échantillon.
[0059] Comme l’illustre la figure 4, pour cette seconde mesure effectuée en même temps que la première mesure et au même endroit sur l’échantillon, le faisceau pompe reste inchangé. Le premier faisceau sonde 203 est dirigé par les moyens opto-mécaniques composés de miroirs 104, 106 vers la première interface transducteur-substrat 6 par transmission depuis la surface libre 4.1 du substrat et focalisé à l’interface 6 titane-substrat par l’intermédiaire du premier objectif 107. Le faisceau pompe 201 et le premier faisceau sonde 203 sont par conséquent alignés coaxialement selon l’axe vertical Z. Cet alignement entre le faisceau pompe et le premier faisceau sonde est réalisé grâce à l’alignement réalisé préalablement entre le faisceau pompe et le seconde faisceau sonde dont les taches focales sont localisées grâce à une caméra.
[0060] Les ondes acoustiques générées dans le transducteur se propagent depuis la première interface 6 vers la seconde interface 3. Une portion des ondes acoustiques est transmise dans l’échantillon et une portion des ondes acoustiques est réfléchie à la seconde interface 3 en direction de la première interface 6. Les ondes acoustiques font des allers-retours dans le transducteur et perturbent la réflectivité optique de la première interface du premier faisceau sonde. Ainsi il est possible de mesurer la réflectivité acoustique en un point à l’interface transducteur-échantillon en mesurant la variation en fonction du temps de la réflectivité optique de la première interface pour le premier faisceau sonde.
[0061] La figure 5B montre une courbe 9 de la variation de la réflectivité mesurée par le second faisceau sonde en fonction du temps en un point de l’interface transducteur-échantillon. En utilisant un traitement temps-fréquence par ondelettes, il est possible d’extraire le coefficient de réflexion acoustique dans l’espace fréquentiel. Selon un modèle bien établi, cette dépendance en fréquence du coefficient de réflexion acoustique est reliée à la qualité de contact entre deux solides. Il est connu par exemple de modéliser l’interface par des ressorts sans masse et de raideur par unité de surface K. L’amplitude du coefficient de réflexion acoustique Rac est alors définie par la relation suivante :
[0062] [Math. 1]
Figure imgf000018_0001
[0063] Où ZT\ est l’impédance acoustique du transducteur de titane et Zc l’impédance acoustique de l’échantillon. Le coefficient acoustique Rac dépend de la fréquence de l’onde w et de la raideur K du ressort, c’est-à-dire de l’interface. A partir de cette relation, il est donc possible de déterminer l’impédance de l’échantillon Zc et la raideur de l’interface titane-échantillon K à partir du coefficient de réflexion acoustique Rac. Pour cela, le coefficient de réflexion théorique calculé est ajusté par rapport à la valeur mesurée Rac par une régression linéaire, en faisant varier l’impédance acoustique Zc de l’échantillon et la raideur K.
[0064] Il est donc possible d’extraire à partir de la valeur expérimentale du coefficient de réflexion l’impédance acoustique et la raideur de l’interface titane- échantillon.
[0065] Grâce à ces deux mesures effectuées simultanément et au même point de l’échantillon, le système de mesure acousto-optique offre la possibilité d’extraire la densité de l’échantillon p selon la relation suivante :
[0066] [Math 2]
Figure imgf000019_0001
[0067] Où n est l’indice optique du milieu, Z l’impédance acoustique de l’échantillon, fe la fréquence Brillouin, et l la longueur d’onde du faisceau sonde.
[0068] Par ailleurs, il est également possible de calculer le module d’élasticité M selon la relation M = Z v où v est la vitesse de propagation des ondes acoustiques dans l’échantillon, ou plus directement par la relation 2nM = Zίbl.
[0069] Selon un autre mode de réalisation particulièrement avantageux, le support est monté sur deux platines de translation motorisées x-y permettant de positionner le faisceau pompe 201 et les deux faisceaux sonde 203, 204 suivant les deux directions X et Y à l’interface titane-échantillon et à l’interface titane- substrat, permettant ainsi de réaliser les mesures décrites ci-dessus point par point sur l’échantillon et de réaliser une cartographie de structures micrométriques à deux dimensions de l’échantillon.
[0070] Nous allons maintenant présenter un exemple d’application du système de mesure à double sonde pour cartographier les propriétés mécaniques d’une cellule. Le support de l’échantillon est constitué d’un film de titane déposé sur un substrat transparent de saphir. Le film de titane a une épaisseur de 300 nm et le substrat une épaisseur de 1 mm. La cellule adhérente sur la surface du transducteur de titane peut avoir subi une fixation biologique, par exemple par de la paraformaldéhyde.
[0071] Le faisceau laser pompe est constitué d’une série d’impulsions pompe ayant une durée d’impulsion de 400 fs et une longueur d’onde de pompe de 1030 nm. Les deux faisceaux sonde sont constitués chacun d’une série d’impulsions sonde ayant une durée d’impulsion de 400 fs et une longueur d’onde de sonde de 515 nm. Les sources laser fonctionnent à une fréquence de répétition de 50 MHz avec un décalage Ai. Pendant la mesure, le maintien de ce décalage est assuré par un dispositif électronique d’asservissement permettant l’ajustement de la longueur de la cavité laser générant le faisceau sonde. Cette différence dite de battement définit la durée nécessaire pour une acquisition de la variation de réflectivité. En enregistrant la variation temporelle de l’intensité du faisceau sonde pendant une période de battement à l’aide d’une photodiode, la réponse de l’échantillon est dilatée dans le temps par effet stroboscopique. Le principe du fonctionnement du dispositif asynchrone permettant un échantillonnage optique asynchrone est décrit plus en détail dans le document W02007045773. Ce montage permet des acquisitions plus rapides, avec une vitesse d’acquisition typique de l’ordre de 16 point/mn et une résolution temporelle sub-picoseconde.
[0072] La figure 6A représente un exemple de cartographie de la fréquence Brillouin 2D obtenue pour la cellule de la même manière que la fréquence Brillouin en un point à l’interface transducteur-échantillon. La variation de la réflectivité en fonction du temps est enregistrée à chaque point sondé par le second faisceau à l’interface transducteur-échantillon. La figure 6B représente la cartographie de l’épaisseur obtenue pour la même cellule. La figure 6C représente la cartographie de la réflexion acoustique à l’interface titane-cellule détectée par le premier faisceau sonde à l’interface saphir-titane en déplaçant l’échantillon suivant X et Y. Les ondes acoustiques sont générées à chaque point de mesure par le faisceau pompe. La figure 6D représente la cartographie de l’impédance acoustique Z déterminée et la figure 6E représente la cartographie de la densité de masse calculée de la cellule en connaissant la fréquence Brillouin et l’impédance acoustique pour chaque point sondé simultanément par le premier faisceau sonde et le second faisceau sonde. [0073] Le contraste de ces images montre que le système de mesure acousto- optique à double faisceaux sondes permet de cartographier au sein d’une même cellule en une seule mesure non seulement la fréquence Brillouin, l’épaisseur et l’impédance acoustique de la cellule, mais aussi sa densité massique. Ces images montrent que la solution de la présente invention permet d’imager sans contact et sans agents de contraste l’hétérogénéité spatiale de ces grandeurs, ce qui était impossible par les moyens antérieurs à l’invention.
[0074] Le système de mesure acousto-optique et le procédé de la présente invention revendiqué combine :
- une architecture optique à double sonde,
- un échantillonnage optique asynchrone au lieu de l’utilisation d’une ligne à retard optique, permettant une détection de signaux faibles basée sur un moyennage rapide au lieu d’une détection synchrone, et rendant ainsi le système compatible avec l’imagerie,
- un double moyennage rapide en utilisant une unité d'acquisition à deux canaux, qui est munie d'une grande mémoire intégrée pour permettre l'acquisition en temps réel des données issues des deux sondes à des taux de déclenchement élevés, permettant ainsi une acquisition de données rapide et simultanée en quelques secondes .
[0075] La synergie issue de la mise en œuvre de tous ces éléments permet d’accéder sans contact à des grandeurs mécaniques (masse volumique, compressibilité) qui ne sont pas accessibles par une mesure seule et en temps réel.
Application industrielle
[0076] L’invention peut trouver à s’appliquer dans différents domaines technologiques, tels que photonique, microélectronique ou biologie cellulaire. Les mesures simultanées des oscillations Brillouin et les mesures du coefficient de réflexion acoustique peuvent en effet être analysées pour en déduire des paramètres (densité, élasticité) et la qualité de contact entre une ou plusieurs couches minces transparentes, utilisées par exemple dans des systèmes ou composants optiques ou électroniques. En biologie cellulaire, grâce au système opto-acoustique à double faisceaux sondes de la présente divulgation qui permet de mesurer simultanément des oscillations Brillouin et le coefficient de réflexion acoustique au même point de la cellule, il a été possible de réaliser en une seule mesure une cartographie de la fréquence Brillouin, de l’épaisseur, de l’impédance acoustique, de l’adhérence, du module d’élasticité et de la densité massique d’une cellule à une échelle subcellulaire. De plus, la rapidité de la mesure est compatible avec la dynamique d’un grand nombre d’échantillons, contrairement aux dispositifs de l’art antérieur qui sont limités à des échantillons quasi-inertes en raison du temps de l’acquisition d’un seul signal de plusieurs minutes. L’invention est particulièrement adaptée à l’étude des propriétés mécaniques d’une cellule pour la compréhension de son fonctionnement physiologique et pathologique tout en préservant l’intégrité de la cellule.

Claims

Revendications
[Revendication 1] Système de mesure acoustique picoseconde (100) pour l’analyse d’un échantillon (5), le système comprenant :
- un support de l’échantillon comprenant un moyen de transduction opto- acoustique (1 ) et un substrat transparent (4), ledit moyen de transduction ayant une première interface (6) en contact avec le substrat transparent (4) et une seconde interface (3) en contact avec l’échantillon (5),
- une première source laser (101 ) configurée pour générer un faisceau pompe (201 ), ledit faisceau pompe étant constitué d’une série d’impulsions lumineuses de pompe ultrabrèves ayant une fréquence de répétition (F) située dans un domaine spectral compris entre plusieurs dizaines de mégahertz et plusieurs dizaines de gigahertz,
- une seconde source laser (102) configurée pour générer un faisceau sonde principal (202) constitué d’une série d’impulsions lumineuses de sonde ultrabrèves ayant une fréquence de répétition (F’) située dans un domaine spectral compris entre plusieurs dizaines de mégahertz et plusieurs dizaines de gigahertz,
- un séparateur de faisceau (103) configuré pour diviser ledit faisceau sonde en un premier faisceau sonde (203) et en un second faisceau sonde (204),
- des premiers moyens opto-mécaniques (105, 106, 107) pour diriger le faisceau pompe (201 ) et le premier faisceau sonde (203) vers la première interface (6) par transmission depuis une surface libre du substrat et focaliser le faisceau pompe (201 ) et le premier faisceau sonde (203) sur ladite première interface (6), ledit faisceau pompe (201 ) et le premier faisceau sonde (203) étant alignés coaxialement,
- ledit faisceau pompe étant configuré pour générer des ondes acoustiques dans le moyen transducteur (4) se propageant depuis la première interface vers la seconde interface, une portion des ondes acoustiques étant réfléchie à la seconde interface et une portion des ondes acoustiques étant transmise dans l’échantillon;
- ledit premier faisceau sonde étant configuré de manière à détecter en temps réel une variation du coefficient de réflexion acoustique de la seconde interface (3) par couplage élasto-optique entre le premier faisceau sonde (203) et les ondes acoustiques renvoyées par la seconde interface (3) vers la première interface (6), - des seconds moyens opto-mécaniques (110, 109, 108) pour diriger le second faisceau sonde (204) vers la seconde interface (3) par transmission depuis une surface libre de l’échantillon et focaliser le second faisceau sonde sur la seconde interface (3), ledit second faisceau sonde (204) étant aligné avec ledit faisceau pompe (201 ) et ledit premier faisceau sonde (203) de sorte à venir sonder au même point de l’échantillon,
- ledit second faisceau sonde (204) étant configuré de manière à détecter en temps réel les oscillations de Brillouin liées à l’interaction Brillouin entre ledit second faisceau sonde (204) et une portion des ondes acoustiques se propageant dans l’échantillon,
- un système de photodétection (116, 117) configuré pour mesurer simultanément et au même point de l’échantillon un signal de variation de la réflectivité au niveau de la seconde interface (3) liée aux oscillations de Brillouin et un signal de variation de la réflectivité au niveau de la première interface (6) liée à une variation du coefficient de la réflexion acoustique,
- une unité d’acquisition de données (118) connectée au système de photodétection configurée pour enregistrer simultanément lesdits signaux de variation.
[Revendication 2] Système selon la revendication 1 , dans lequel le faisceau pompe (201 ) ayant une longueur d’onde de pompe, les premier (203) et second (204) faisceaux sonde ayant une longueur d’onde de sonde, la longueur d’onde de sonde est différente de la longueur d’onde de pompe.
[Revendication 3] Système selon la revendication 1 , dans lequel le faisceau pompe (201 ) ayant une longueur d’onde de pompe, les premier (203) et second (204) faisceaux sonde ayant une longueur d’onde de sonde, la longueur d’onde de sonde est égale à la longueur d’onde de pompe.
[Revendication 4] Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le moyen de transducteur opto-acoustique (1 ) est un film métallique ayant une épaisseur comprise entre dizaine de nanomètres et quelques micromètres.
[Revendication 5] Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le substrat (4) est un substrat transparent pour la longueur d’onde du faisceau pompe et la longueur d’onde du premier faisceau sonde, ledit substrat ayant une épaisseur, de préférence supérieure à la longueur de diffusion thermique dans le substrat pour la fréquence de répétition du faisceau pompe.
[Revendication 6] Système selon l’une des revendications précédentes, comprenant en outre un système de caméra (111 , 113) configuré pour localiser les taches de focalisation du faisceau pompe et du second faisceau sonde sur l’échantillon.
[Revendication 7] Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le système de photodétection comprend un premier photodétecteur (116) configuré pour mesurer un signal de variation de la réflectivité au niveau de la seconde interface (3) liée aux oscillations de Brillouin et un second photodétecetur (117) configuré pour mesurer un signal de variation de la réflectivité au niveau de la première interface (6) liée à une variation du coefficient de la réflexion acoustique de la seconde interface (3).
[Revendication 8] Système selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le support de l’échantillon est monté sur deux platines de translation motorisées suivant deux directions X et Y orthogonales dans un plan horizontal de l’échantillon.
[Revendication 9] Procédé de mesure acoustique picoseconde pour l’analyse d’un échantillon (5) fixé sur un moyen de transduction opto-acoustique (1 ), ledit moyen de transduction ayant une première interface de contact (6) avec un substrat transparent (4) et une seconde interface de contact (3) avec l’échantillon, le procédé comprenant les étapes suivantes :
- générer un faisceau pompe (201 ) constitué d’une série d’impulsions lumineuses de pompe ultrabrèves ayant une fréquence de répétition (F) située dans un domaine spectrale compris entre plusieurs dizaines de mégahertz et plusieurs dizaines de gigahertz,
- le faisceau pompe étant dirigé vers la première interface (6) par transmission depuis la surface libre du substrat (4.1 ) et focalisé sur ladite première interface (6) de manière à générer des ondes acoustiques (21 ) dans ledit moyen de transduction opto-acoustique,
- générer simultanément un premier faisceau sonde (203) et un second faisceau sonde (204), lesdits faisceaux étant constitués chacun d’une série d’impulsions lumineuses de sonde ultrabrèves ayant une fréquence de répétition (F’) située dans un domaine spetral compris entre plusieurs dizaines de mégahertz et plusieurs dizaines de gigahertz,
--aligner le faisceau pompe (201 ) et les deux faisceaux sondes (203, 204) selon un axe vertical perpendiculaire à un plan de l’échantillon,
-ledit premier faisceau sonde (203) étant dirigé vers la première interface (6) de contact par transmission depuis la surface libre du substrat (4.1 ) et focalisé sur la première interface (6) de manière à détecter en temps réel une variation du coefficient de réflexion acoustique de la seconde interface (3) par couplage élasto- optique entre le premier faisceau sonde (203) et les ondes acoustiques (21 ) renvoyées par la seconde interface (3) vers la première interface (6),
-ledit second faisceau sonde (204) étant dirigé vers la seconde interface (3) par transmission depuis la surface libre de l’échantillon et focalisé à la seconde interface (3) de manière à détecter en temps réel les oscillations de Brillouin liées à l’interaction Brillouin entre ledit second faisceau sonde (204) et une portion des ondes acoustiques (20) se propageant dans l’échantillon,
- photo-détecter simultanément et au même point de l’échantillon une variation de la réflectivité au niveau de la seconde interface (3) liée aux oscillations de Brillouin et une variation de la réflectivité au niveau de la première interface (6) liée à une variation du coefficient de la réflexion acoustique de la seconde interface (3), -mesurer les deux signaux de variation en fonction du temps.
[Revendication 10] Procédé de mesure acoustique picoseconde selon la revendication 9, dans lequel l’échantillon est déplacé suivant l’axe X-X et l’axe Y-Y dans un plan (XY) de sorte à positionner le faisceau pompe et les deux faisceaux sonde point par point sur l’échantillon pour obtenir une cartographie à deux dimensions des oscillations de Brillouin et du coefficient de réflexion acoustique.
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