EP2183568A2 - Dispositif de detection heterodyne pour l'imagerie d'un objet par retroinjection - Google Patents

Dispositif de detection heterodyne pour l'imagerie d'un objet par retroinjection

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EP2183568A2
EP2183568A2 EP08850857A EP08850857A EP2183568A2 EP 2183568 A2 EP2183568 A2 EP 2183568A2 EP 08850857 A EP08850857 A EP 08850857A EP 08850857 A EP08850857 A EP 08850857A EP 2183568 A2 EP2183568 A2 EP 2183568A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
laser cavity
wavelength
signal
original
progressive signal
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP08850857A
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German (de)
English (en)
Inventor
Sylvain Girard
Hervé Gilles
Mathieu Laroche
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ecole Nationale Superieure D'ingeniurs
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Ecole Nationale Superieure D'ingeniurs
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Filing date
Publication date
Application filed by Ecole Nationale Superieure D'ingeniurs, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Ecole Nationale Superieure D'ingeniurs
Publication of EP2183568A2 publication Critical patent/EP2183568A2/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
    • G01Q20/02—Monitoring the movement or position of the probe by optical means
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a detection device for imaging an object.
  • the invention also relates to a detection method for imaging an object.
  • the far-field detection devices for the imaging of an object
  • the near-field detection devices it is known that the advantage of the detection devices in the near field is to allow the observation of objects of small size, notably smaller than the dimension defined by the Rayleigh criterion.
  • a detection device for imaging an object comprising: a laser cavity arranged to emit an original luminous signal at an original wavelength towards the object so as to generate a evanescent wave on the surface of the object; transforming means arranged to transform the evanescent wave into a progressive signal having an output wavelength; - Rejection means arranged to inject the progressive signal into the laser cavity so as to generate disturbances within the laser cavity between the progressive signal and the original light signal;
  • detection means arranged to detect the disturbances so as to determine at least one physical characteristic of the object.
  • the reinjection into the laser cavity makes it possible to use the cavity as an interferometer, and the disturbances generated in the cavity are used to measure an amplitude of the evanescent waves and thus makes it possible to obtain a measurement of the characteristics of the object. .
  • the disturbance detection is a homodyne detection for determining the amplitude of the evanescent waves.
  • the problem solved by the invention is to improve the measurement of the evanescent wave generated on the surface of the object in a detection device for imaging an object.
  • the problem solved by the invention is to be able to measure the phase of the evanescent wave generated on the surface of the object in a detection device for imaging an object.
  • the detection device for the imaging of an object described above comprises wavelength modification means arranged so that the wavelength of the progressive signal injected into the laser cavity different from the original wavelength.
  • the generation of heterodyne beats makes it possible to obtain a better contrast on the detection of the amplitude and the phase of the evanescent wave. It therefore allows measurements on the evanescent wave, even if the intensity of the evanescent wave collected is low.
  • the laser cavity may be arranged to emit the light signal of orig ine in the infrared.
  • the generation of the original light signal in the infrared has the advantage of allowing the use of highly developed standard telecommunication components.
  • optical fiber components are common in this wavelength range.
  • this wavelength range is easily accessible with conventional interferometric arrangements.
  • the wavelength modification means comprise at least one acousto-optic modulator.
  • the or each acousto-optic modulator has a preferred offset frequency and the combination of these accumulated offsets allows adjustment on the resulting offset to excite the relaxation oscillations of the reinjected laser.
  • the device may comprise a first optical isolator positioned in the path of the original light signal so as to avoid propagation of a parasitic reflected optical signal towards the laser cavity.
  • a first optical isolator positioned in the path of the original light signal so as to avoid propagation of a parasitic reflected optical signal towards the laser cavity.
  • the device further comprises a second optical isolator positioned in the progressive signal path.
  • the transformation means comprise a microtip.
  • the invention also relates to a microscope comprising a detection device for imaging an object as described above.
  • the invention also relates to a detection method for the imaging of an object comprising steps in which: a laser cavity emits a thin signal of origin at a wavelength of origin to the object so as to generate an evanescent wave on the surface of the object;
  • the evanescent wave is transformed into a progressive signal;
  • the progressive signal is injected into the laser cavity so as to generate disturbances within the laser cavity between the progressive signal and the original light signal;
  • FIG. 3 represents a detection device for imaging an object according to another embodiment of the invention.
  • the arrow in the optical isolator 6 indicates the direction of propagation of the laser beam 3 imposed by the optical isolator 6.
  • the laser beam 3 is then transmitted to a device The acousto-optic modulator base 7, for example by means of a lens 8.
  • the wavelength of the laser beam 3 is shifted to obtain a signal 9 of long wavelength ⁇ 2 , different from the wavelength ⁇ i.
  • the signal 9 is transmitted to an object 10.
  • the object 10 is for example a silica prism.
  • the signal 9 When the signal 9 is injected on one side of the prism 10, it undergoes a total reflection on the hypotenuse of the prism 10 since the angle of incidence is greater than a limit angle of total reflection.
  • the limiting angle is equal to 43.8 °.
  • an evanescent wave is generated on the illuminated surface of the prism 10.
  • the evanescent wave is uniform on the illuminated surface and its amplitude decreases exponentially beyond the silica / air interface perpendicular to the surface of the premium. It is possible to control the depth of penetration of the evanescent wave by adjusting the angle of incidence beyond the limit angle of total reflection.
  • the progressive signal collected by the microtip 11 is then fed back to the laser cavity 2 by means of an optical fiber 12 also comprising an optical isolator 13.
  • the signal photodetected by the photodiode 15 is demodulated at the heterodyne shift frequency determined from the wavelength difference ⁇ 2 - ⁇ -
  • a synchronous detection HF 16 performs this demodulation, which provides information on both the amplitude and the phase of the optical signal taken at a point area by the microtip 1 1. In order to be able to visualize the results obtained, synchronous detection 16 can be connected to a digital oscilloscope 17.
  • FIG. 2 a comparison between the theoretical variation of amplitude and phase with the variation of the amplitude and the phase of the signal detected on a plane dioptre corresponding to the surface of the prism 10 and obtained thanks to the device 1 previously described.
  • the synchronous detection HF 16 is set so as to output two quadrature signals X and Y respectively corresponding to R.cos values.
  • the feedback is such that it excites the relaxation oscillations, which generates disturbances in the form of beats within the laser cavity 2.
  • These beats are used by the synchronous detection 16 to obtain the amplitude characteristics. and phase of the prism 10.
  • a gain factor K of the order of 1 million (10 6 ) is obtained compared to a simple feedback without frequency shift.
  • This gain factor K is substantially equal to the ratio between the radiative lifetime of the emitter level of the amplifying medium of the laser cavity 2 and the lifetime of the photons in the laser cavity 2.
  • Such a gain factor makes it possible to obtain a better contrast of the disturbances induced by the feedback in the laser cavity 2, and therefore a better sensitivity of the detection of the characteristics of the object 10 and a better imaging of this object.
  • a detection of the evanescent wave in transmission following the passage of the laser beam 3 by the prism 10 has been used.
  • FIG. 3 there is shown an embodiment of the invention in reflection.
  • the signal 9 of wavelength ⁇ 2 thus generated is sent via an objective 8 to the object 10 that is to be imaged.
  • an evanescent wave is generated.
  • This evanescent wave is diffused by a microtip 11 in the form of a reflected signal 20.
  • This reflected signal 20 again undergoes a shift of ⁇ at the passage through the acousto-optical modulator device 7, and is reinjected into the laser cavity 2 so as to generate beats within the laser cavity 2.
  • the output signal of the laser is then transmitted by a separate channel to a photodetector 15 connected to a synchronous detection.
  • the synchronous detection 16 makes it possible to detect the beats induced in the laser cavity 2 so as to determine the characteristics of the object 10.
  • the intensity of these beats has the following form:
  • ⁇ / 2.K ⁇ I ref .I s . cos ( ⁇ + ⁇ s)
  • K is a value representing the gain provided by the feedback
  • the re f is the intensity of the reference signal from the laser 2
  • Is is the intensity of the evanescent wave signal collected and then reinjected into the laser
  • ⁇ s is the phase of this signal.
  • the gain factor K can then be of the order of 1 million (10 6 ).
  • the gain factor K is equal to 1 for a standard interferometric device of the Mach-Zender or Michelson type with frequency offset for the heterodyne detection. On the contrary, for reinjection devices, it can reach this value of 1 million depending on the laser cavity used.
  • a laser source has been described in the form of a diode-pumped solid-state laser cavity.
  • a built-in microlaser or a DFB fiber laser while maintaining the same order of magnitude on the gain in sensitivity.
  • a laser source emitting in the near-infrared range and in particular at a wavelength of 1.535 micrometers, has been described above.
  • This range of wavelengths has the advantage of allowing measurements in transmission and to be well suitable for optical fiber components used in telecommunications.
  • other ranges of wavelengths and other laser sources may be used.
  • a device based on acousto-optical modulators 7 comprising two acousto-optical modulators positioned in the path of the original light signal, before the lens 8. It is understood that one or both modulators modulators can be positioned after the object 10, in the path of the progressive signal. According to this variant, the frequency modification function of the acousto-optical modulators is maintained independently of their position.
  • the previously described detection device associated with scanning means for the microtip as mentioned above can advantageously be used in a SNOM-type microscope for Scanning Near Field Optical Microscopy, or evanescent field detection microscopy.

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Abstract

L'invention se rapporte à un dispositif de détection (1) pour l'imagerie d'un objet (10) comprenant : une cavité laser (2) agencée pour émettre un signal lumineux d'origine (3) à une longueur d'onde d'origine vers l'objet (10) de sorte à générer une onde évanescente à la surface de l'objet (10); des moyens de transformation (11) agencés pour transformer l'onde évanescente en un signal progressif; des moyens de réinjection (12) agencés pour injecter le signal progressif dans la cavité laser de sorte à générer des perturbations au sein de la cavité laser entre le signal progressif et le signal lumineux d'origine; des moyens de détection agencés pour détecter les perturbations de sorte à déterminer des caractéristiques de l'objet; caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens de modification de longueur d'onde (7) agencés de sorte que la longueur d'onde du signal progressif injecté dans la cavité laser soit différente de la longueur d'onde d'origine.

Description

DISPOSITIF DE DÉTECTION HÉTÉRODYNE POUR L'IMAGERIE D'UN OBJET PAR RÉTROINJECTION
L' invention se rapporte à un dispositif de détection pour l' imagerie d'un objet.
L'invention se rapporte également à un procédé de détection pour l' imagerie d'un objet.
On connaît dans l'état de la technique, des dispositifs et des procédés de détection pour l'imagerie d'un objet.
Parmi les dispositifs de détection pour l'imagerie d' un objet, on distingue les dispositifs de détection en champ lointain , et les dispositifs de détection en champ proche. Il est connu que l'avantage des d ispositifs de détection en champ proche est de permettre l'observation des objets de faible dimension, notamment inférieure à la dimension définie par le critère de Rayleigh .
L'invention se rapporte plus particu lièrement à un dispositif de détection pour l'imagerie d'un objet en champ proche.
Elle se rapporte à un dispositif de détection pour l'imagerie d 'un objet comprenant : - une cavité laser agencée pour émettre un sig nal lumineux d'origine à une longueur d'onde d'origine vers l'objet de sorte à générer une onde évanescente à la surface de l'objet ; - des moyens de transformation agencés pour transformer l'onde évanescente en un signal prog ressif ayant une longueur d'onde de sortie ; - des moyens de réinjection agencés pour injecter le signal progressif dans la cavité laser de sorte à générer des perturbations au sein de la cavité laser entre le signal progressif et le signal lumineux d'origine;
- des moyens de détection agencés pour détecter les perturbations de sorte à déterminer au moins une caractéristique physique de l'objet.
Un tel dispositif est connu du document FR-A-2785045.
Dans ce document, la réinjection dans la cavité laser permet d'utiliser la cavité comme un interféromètre, et les perturbations générées dans la cavité sont utilisées pour mesurer une amplitude des ondes évanescentes et permet donc d'obtenir une mesure des caractéristiques de l'objet.
Dans ce document, la détection des perturbations est une détection homodyne permettant de déterminer l'amplitude des ondes évanescentes.
Toutefois, une telle détection ne permet pas d'obtenir des informations sur la phase de l'onde évanescente. Dès lors, certaines caractéristiques de l'objet ne peuvent pas être mesurées par le dispositif décrit dans le document susmentionné.
Le problème résolu par l'invention est d'améliorer la mesure de l'onde évanescente générée à la surface de l'objet dans un dispositif de détection pour l'imagerie d'un objet.
En particulier, le problème résolu par l'invention est de pouvoir mesurer la phase de l'onde évanescente générée à la surface de l'objet dans un dispositif de détection pour l'imagerie d'un objet. Ce problème est résolu par le fait que le dispositif de détection pour l'imagerie d 'un objet décrit ci-dessus comprend des moyens de modification de longueur d'onde agencés pour que la longueur d'onde du signal progressif injecté dans la cavité laser soit différente de la longueur d'onde d'origine.
Grâce à ces moyens de modification de longueur d'onde, deux signaux de longueurs d'onde d ifférentes se propagent dans la cavité laser, ce qui provoque la génération de perturbations dynamiques sous la forme de battements hétérodynes. Dès lors, une détection hétérodyne de ces battements est réalisable grâce aux moyens de détection. Contrairement au d ispositif par réinjection précédemment décrit, l'invention permet donc un accès à la phase de l'onde évanescente générée par l'interaction entre le signal d'orig ine et le signal prog ressif provenant de l'objet. La mesure des caractéristiques de l'objet est donc améliorée par l'invention .
Selon l' invention , la génération de battements hétérodynes permet d'obtenir un meilleur contraste sur la détection de l'amplitude et de la phase de l'onde évanescente. Elle permet donc des mesures sur l'onde évanescente, même si l'intensité de l'onde évanescente collectée est faible.
Toujours dans ce mode de réalisation , la cavité laser peut être apte à générer des oscillations de relaxation et dans ce cas, les moyens de modification de longueur d'onde sont agencés de sorte que la différence entre la longueur d'onde de sortie et la longueur d'onde d'origine permette d'exciter ces oscillations de relaxation.
Dans ce mode de réalisation, lorsq ue la cavité laser est apte à générer des oscillations de relaxation , notamment lorsque le laser est un laser de classe B, le battement provoq ué par le signal progressif injecté dans la cavité laser entre en résonance avec les oscillations de relaxation ce qui permet d'obtenir un gain important sur la détection de l'amplitude et de la phase. Ce gain dépend des caractéristiques de la cavité laser de classe B, et peut être de l'ordre d'un million notamment pour une cavité laser du type micro-laser à solide.
Toujours dans ce mode de réalisation , la cavité laser peut être agencée pour émettre le signal lumineux d 'orig ine dans l'infrarouge. La génération du signal lumineux d'origine dans l'infrarouge a l'avantage de permettre l'utilisation de composants de télécommunication standards fortement développés. En particul ier, des composants optiques fibres sont courants dans cette gamme de longueur d'ondes. En outre, cette gamme de longueur d'onde est d ifficilement accessible avec des montages interférométriques classiques.
Selon un mode de réalisation de l'invention , les moyens de modification de longueur d'onde comprennent au moins un modulateur acousto-optique.
Dans ce cas, le ou chaque modulateur acousto-optique a une fréquence de décalage privilégiée et la combinaison de ces décalages cumulés permet un ajustement sur le décalage résultant pour exciter les oscillations de relaxation d u laser réinjecté.
Selon un mode de réalisation , le dispositif peut comprendre un premier isolateur optique positionné dans le trajet du signal lumineux d'orig ine de sorte à éviter une propagation d'un signal optique réfléchi parasite vers la cavité laser. Ceci a l'avantage de ne pas perturber la cavité laser en plus de la réinjection réalisée par le dispositif décrit ci-dessus. En particulier, ceci évite les réflexions par des lentilles, des modulateurs acousto-optiques ou l'objet. Dans ce cas, le ou chaque mod ulateur acousto-optique est positionné après le premier isolateur optique.
De préférence, le dispositif comprend en outre un deuxième isolateur optique positionné dans le trajet d u signal progressif.
Dans ce cas, le ou chaque modulateur acousto-optiq ue peut être positionné entre le premier isolateur optique et le deuxième isolateur optique.
Selon un mode de réalisation, les moyens de transformation comprennent une micropointe.
L'invention se rapporte également à un microscope comprenant un dispositif de détection pour l'imagerie d'un objet tel que décrit précédemment.
L' invention se rapporte également à un procédé de détection pour l'imagerie d'un objet comprenant des étapes dans lesq uelles: - une cavité laser émet un signal lu mineux d'orig ine à une longueur d'onde d'origine vers l'objet de sorte à générer une onde évanescente à la surface de l'objet ;
- l'onde évanescente est transformée en un signal progressif ; le signal progressif est injecté dans la cavité laser de sorte à générer des perturbations au sein de la cavité laser entre le signal progressif et le signal lumineux d'origine;
- les perturbations sont détectées de sorte à déterminer des caractéristiques de l'objet,
dans lequel la longueur d'onde du signal progressif injecté dans la cavité laser est différente de la long ueur d'onde d'orig ine. On décrit maintenant au moins un mode de réalisation de l'invention en référence aux figures annexées dans lesquelles :
- F I G. 1 représente un dispositif de détection pour l'imagerie d'un objet selon un mode de réalisation de l'invention ; - F IG. 2 représente un schéma de l'évol ution de l'amplitude et de la phase de l'onde évanescente générée par le d ispositif représenté à la FIG. 1 ;
FIG. 3 représente un d ispositif de détection pour l'imagerie d'un objet selon un autre mode de réalisation de l'invention .
Sur les fig ures précédemment décrites, des références identiques se rapportent à des éléments techniques similaires.
Illustré FIG. 1 , un dispositif 1 de détection pour l'imagerie d'un objet comprend une cavité laser 2 de classe B verre ytterbium erbium à solide. La cavité laser 2 est pompée par une diode laser, non représentée. L'émission du laser 2 peut être rendue monomode longitudinalement par l'insertion d'un étalon dans la cavité. En sortie de la cavité laser 2, un faisceau laser 3 est émis à la longueur d'origine λi définie par le laser. Pour la cavité laser susmentionnée, la longueur d'onde d'origine est fixée à 1 , 535 micromètres. Le faisceau laser 3 est injecté dans une fibre optique 4 par une lentille 5. Un isolateur optique 6 est positionné dans le trajet d u faisceau laser 3 au niveau de la fibre optiq ue 4 pour éviter des réflexions parasites d'un signal vers la cavité laser 2. Sur la FIG. 1 , la flèche dans l'isolateur optiq ue 6 ind ique le sens de propagation du faisceau laser 3 imposé par l'isolateur optique 6. En sortie de la fibre optiq ue 4, le faisceau laser 3 est ensu ite transmis vers un dispositif à base de modulateur acousto-optique 7 par exemple par l'intermédiaire d'une lentille 8. Grâce au dispositif à base de modulateur acousto- optiq ue 7, la longueur d'onde du faisceau laser 3 est décalée pour obtenir un signal 9 de long ueur d'onde λ2, différente de la longueur d'onde λi . Suite à ce décalage, le signal 9 est transmis vers un objet 10. Sur la FIG. 1 , l'objet 10 est par exemple un prisme en silice. Lorsque le signal 9 est injecté sur un côté du prisme 10, il subit une réflexion totale sur l'hypoténuse du prisme 10 dès lors que l'angle d'incidence est supérieur à un angle limite de réflexion totale. Pour un prisme en silice à la longueur d'onde λi du faisceau laser 3, l'angle limite est égal à 43,8° . Suite à cette réflexion, une onde évanescente est générée sur la surface éclairée du prisme 10. L'onde évanescente est uniforme sur la surface éclairée et son amplitude décroît exponentiellement au-delà de l'interface silice/air perpendiculairement à la surface du prime 10. Il est possible de contrôler la profondeur de pénétration de l'onde évanescente en ajustant l'angle d'incidence au-delà de l'angle limite de réflexion totale.
Une micropointe 1 1 est alors utilisée pour transformer l'onde évanescente en une onde progressive. Une telle micropointe est connue en soi et peut être obtenue par étirage et attaque chimique à l'acide fluorhydrique à partir d'une fibre optique en silice monomode à 1 ,53 micromètres. La micropointe 1 1 est orientée d'un angle de 45° par rapport à l'incidence normale sur le prisme 10.
Le signal progressif collecté par la micropointe 1 1 est ensuite réinjecté vers la cavité laser 2 grâce à une fibre optique 12 comprenant également un isolateur optique 13.
Un coupleur 14 permet de réinjecter le signal progressif vers la cavité laser 2. Une partie du faisceau est prélevée en sortie du laser par le coupleur 14 et transmis vers une photodiode 15 comme indiqué par la flèche référencée A. La photodiode 15 est par exemple une photodiode InGaAs fibrée.
Le signal photodétecté par la photodiode 15 est démodulé à la fréquence de décalage hétérodyne déterminée à partir de la d ifférence de longueur d'onde λ2-λ-| . U ne détection synchrone HF 16 réalise cette démodulation, ce qui permet d'obtenir une information à la fois sur l'amplitude et la phase d u signal optique prélevé au niveau d'une zone ponctuelle par la micropointe 1 1 . Afin de pouvoir visualiser les résultats obtenus, on peut relier la détection synchrone 16 à un oscilloscope numérique 17.
En déplaçant la micropointe 1 1 par rapport à la surface d u prisme 1 0, le signal détecté permet alors d 'obtenir une image en amplitude et en phase obtenue point par point sur une zone plus étendue de la surface du prisme 10.
Ce balayage de la micropointe 1 1 sur la surface du prisme 1 0 peut être un balayage suivant l'axe de la micropointe 1 1 ou un balayage transversal. Des systèmes d'asservissement connus non représentés permettent de réaliser de tels balayages avec une précision suffisante selon l'application souhaitée. En particulier, on peut par exemple placer la micropointe 1 1 sur un diapason vibrant autour de 32kHz. En raison des effets de cisaillement liés à l'interaction entre la micropointe 1 1 et le prisme 1 0, l'amplitude et la fréquence de vibration du diapason dépendent alors fortement de la distance entre la micropointe 1 1 et la surface du prisme 1 0. En mesurant l'amplitude ou la fréquence de résonance et en maintenant l'une ou l'autre de ces grandeurs constante pendant le déplacement transversal, il est alors possible de réaliser l'asservissement en position . De la même façon, des vis micrométriques ou des cales piézoélectriques peuvent être utilisées pour modifier la position de la micropointe. Des images bidimensionnelles ou tridimensionnelles peuvent donc être réalisées.
Afin de démontrer la fiabilité et la stabilité des mesures simultanées d'amplitude et de phase g râce au d ispositif 1 précédemment décrit, on a représenté sur la FIG. 2 une comparaison entre la variation théorique de l'amplitude et de la phase avec la variation de l'amplitude et de la phase du signal détecté sur un dioptre plan correspondant à la surface du prisme 10 et obtenue grâce au dispositif 1 précédemment décrit. Pour ce faire, l'amplitude et la phase sont visualisées à l'aide de l'oscilloscope numérique 17. La détection synchrone HF 16 est réglée de sorte à fournir en sortie deux signaux en quadrature X et Y correspondant respectivement aux valeurs R.cos(phi) et R.sin(phi), dans lequel R représente l'amplitude du signal détecté au niveau du prisme 10, et phi représente la phase relative de ce signal par rapport à la référence fournie par un signal de pilotage du dispositif à base de modulateur acousto-optique 7. Du fait de l'inclinaison de la micropointe 1 1 par rapport au prisme, on s'attend théoriquement à obtenir une courbe en spirale, comme l'indique la courbe théorique 18 de la FIG. 2, l'amplitude tendant vers 0 et la phase variant linéairement. La courbe expérimentale 19 obtenue grâce au dispositif 1 précédemment décrit correspond sensiblement à la courbe théorique 18. L'accord entre les mesures expérimentales et les calculs théoriques permet donc de valider la stabilité et la fiabilité de la mesure simultanée mais découplée de l'amplitude et de la phase de l'onde évanescente au niveau du prisme 10, ce qui permet d'imager facilement le prisme 10.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le dispositif à base de modulateur acousto-optique 7 et la cavité laser 2 sont choisis de sorte que le décalage en fréquence induit par le dispositif à base de modulateur acousto-optique 7 soit égal ou voisin de la fréquence des oscillations de relaxation de la cavité laser 2. Cette fréquence des oscillations de relaxation de la cavité laser 2 est, par exemple, ajustée autour de 100 kHz, et le décalage en fréquence induit par le dispositif à base de modulateur acousto-optique 7 est sensiblement égal à 100 kHz. On note que la fréquence des oscillations de relaxation est aisément déterminable à partir de la spécification technique d'un laser de classe B. Comme illustré sur la FIG.1 , pour obtenir un décalage en fréquence autour d'une valeur Δf= 100 kHz, le dispositif à base de modulateur acousto-optique comprend deux modulateurs acousto-optiques 7a et 7b positionnés respectivement à l'ordre +1 et à l'ordre -1 avec des fréquences de résonance respectivement égales 80Mhz+ Δf et - 80Mhz. De la sorte, les deux modulateurs acousto-optiques 7a et 7b sont excités autour de leur fréquence de résonance par la cavité laser 2. En outre, en positionnant les deux modulateurs acousto- optiques 7a et 7b , le premier modulateur acousto-optique 7a décale le signal lumineux d'origine à une fréquence optique d'environ v1 +80Mhz+Δf, et le deuxième modulateur acousto-optique 7b ramène cette fréquence à v1 +Δf. Dès lors, le décalage en fréquence est bien adapté aux oscillations de relaxation du laser tout en excitant les modulateurs autour de leur fréquence de résonance propre pour optimiser leur efficacité.
Dans ce cas, la rétroinjection est telle qu'elle excite les oscillations de relaxation, ce qui génère des perturbations sous forme de battements au sein de la cavité laser 2. Ces battements sont utilisés par la détection synchrone 16 pour obtenir les caractéristiques d'amplitude et de phase du prisme 10.
Dans ce cas, il a été démontré qu'un facteur de gain K de l'ordre de 1 million (106) est obtenu par rapport à une simple rétroinjection sans décalage de fréquence. Ce facteur de gain K est sensiblement égal au rapport entre la durée de vie radiative du niveau émetteur du milieu amplificateur de la cavité laser 2 et le temps de vie des photons dans la cavité laser 2. Un tel facteur de gain permet d'obtenir un meilleur contraste des perturbations induites par la rétroinjection dans la cavité laser 2, et donc une meilleure sensibilité de la détection des caractéristiques de l'objet 10 et une meilleure imagerie de cet objet. Dans le mode de réalisation précédemment décrit, on a utilisé une détection de l'onde évanescente en transmission suite au passage du faisceau laser 3 par le prisme 10. Sur la FIG. 3, on a représenté un mode de réalisation de l'invention en réflexion.
Selon ce mode de réalisation, illustré FIG. 3, le dispositif 1 comprend une cavité laser 2 apte à émettre un faisceau laser 3 de longueur d'onde λi correspondant à une pulsation ω-i . Le faisceau laser 3 traverse un dispositif à base de modulateur acousto-optique 7 apte à décaler la longueur d'onde du faisceau laser 3 à une longueur d'onde λ2 correspondant à une pulsation 0J2. Comme précédemment, le dispositif à base de modulateur acousto-optique 7 peut comprendre deux modulateurs acousto-optiques de sorte que la fréquence de décalage du faisceau laser soit adapté à la fréquence de résonnance des oscillations de relaxation. Le décalage en pulsation entre α>2 et coi est noté Δco. Le signal 9 de longueur d'onde λ2 ainsi généré est envoyé par l'intermédiaire d'un objectif 8 vers l'objet 10 que l'on souhaite imager. Au niveau de l'objet 10, une onde évanescente est générée. Cette onde évanescente est diffusée par une micropointe 1 1 sous la forme d'un signal réfléchi 20. Ce signal réfléchi 20 subit à nouveau un décalage de Δω au passage par le dispositif à base de modulateur acousto-optique 7, et est réinjecté dans la cavité laser 2 de sorte à générer des battements au sein de la cavité laser 2. Comme dans le mode de réalisation précédemment décrit en référence à la FIG. 1 , le dispositif à base de modulateur acousto-optique 7 et la cavité laser 2 sont choisis de sorte que le décalage en fréquence induit par le d ispositif à base de modulateur acousto-optique 7 soit égal ou voisin de la fréquence des oscillations de relaxation de la cavité laser 2. Du fait du double passage par le dispositif à base de modulateur acousto-optique 7, si la pulsation des oscillations de relaxation de la cavité laser 2 est notée Ω, on choisit le dispositif à base de modulateur acousto-optique 7 tel que 2.Δω= Ω. Le signal de sortie du laser est ensuite transmis par une voie séparée vers un photodétecteur 15 relié à une détection synchrone. La détection synchrone 16 permet de détecter les battements induits dans la cavité laser 2 de sorte à déterminer les caractéristiques de l'objet 10. L'intensité de ces battements a la forme suivante :
Δ/ = 2.K^Iref.Is . cos(Δω* + φs ) dans lequel K est une valeur représentant le gain apporté par la réinjection, lref est l'intensité du signal de référence issu du laser 2, Is est l'intensité du signal de l'onde évanescente collectée puis réinjectée dans le laser, et φs est la phase de ce signal.
Le facteur de gain K peut alors être de l'ordre de 1 million (106).
On notera que le facteur de gain K est égal à 1 pour un dispositif interférométrique standard du type Mach-Zender ou Michelson avec décalage de fréquence pour la détection hétérodyne. Au contraire, pour des dispositifs à réinjection, il peut atteindre cette valeur de 1 million selon la cavité laser utilisée.
On décrit maintenant des variantes de l'invention.
Dans les modes de réalisation ci-dessus, on a décrit une source laser sous la forme d'une cavité laser à solide pompée par diode. Il est toutefois possible d'utiliser également un microlaser intégré ou un laser à fibre DFB en conservant le même ordre de grandeur sur le gain en sensibilité.
En outre, on a décrit ci-dessus une source laser émettant dans le domaine du proche infrarouge, et notamment à une longueur d'onde de 1 ,535 micromètres. Cette gamme de longueur d'onde a en effet l'avantage de permettre des mesures en transmission et d'être bien adaptée aux composants optiques fibres utilisés en télécommunications. Il est toutefois entendu que d'autres gammes de longueur d'ondes et d'autres sources laser peuvent être utilisées.
Le tableau ci-dessous fournit une liste d'exemples de laser utilisables dans le dispositif de l'invention. La première colonne de ce tableau définit le type de laser utilisé, la deuxième colonne de ce tableau définit la longueur d'onde associée, la troisième colonne définit le facteur de gain K tel que défini ci-dessus, et la quatrième colonne définit la fréquence de relaxation pour ce laser.
En outre, en référence à la FIG. 1 , on a décrit un dispositif à base de modulateurs acousto-optiques 7 comprenant deux modulateurs acousto-optiques positionnés dans le trajet du signal lumineux d'origine, avant la lentille 8. Il est entendu que l'un des deux modulateurs ou les deux modulateurs peuvent être positionnés après l'objet 10, dans le trajet du signal progressif. Selon cette variante, la fonction de modification de fréquence des modulateurs acousto- optiques est maintenue indépendamment de leur position. Le dispositif de détection précédemment décrit associé à des moyens de balayage pour la micropointe comme mentionné précédemment peuvent avantageusement être utilisés dans un microscope du type SNOM acronyme anglais pour « Scanning Near Field Optical Microscopy », ou microscopie par détection du champ évanescent.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Dispositif de détection ( 1 ) pour l'imagerie d'un objet ( 1 0) comprenant : - une cavité laser (2) agencée pour émettre un signal lumineux d'orig ine (3) à une longueur d'onde d'orig ine vers l'objet ( 1 0) de sorte à générer une onde évanescente à la surface de l'objet ( 1 0) ;
- des moyens de transformation (1 1 ) agencés pour transformer l'onde évanescente en un signal progressif;
- des moyens de réinjection ( 12) agencés pour injecter le signal progressif dans la cavité laser de sorte à générer des perturbations au sein de la cavité laser entre le signal progressif et le signal lumineux d'origine; - des moyens de détection agencés pour détecter les perturbations de sorte à déterminer au moins une caractéristique physique de l'objet ;
caractérisé en ce que le dispositif comprend des moyens de modification de long ueur d'onde (7, 7a, 7b) agencés de sorte q ue la longueur d'onde du signal progressif injecté dans la cavité laser soit différente de la longueur d'onde d'origine.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel les moyens de modification de longueur d'onde (7, 7a, 7b) sont agencés pour décaler la longueur d'onde du signal lumineux d'origine de sorte que la longueur d'onde du signal progressif injecté dans la cavité laser soit différente de la longueur d'onde d'origine.
3. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la cavité laser (2) est apte à générer des oscillations de relaxation et les moyens de modification de longueur d'onde (7, 7a, 7b) sont agencés de sorte que la différence entre la longueur d'onde de sortie et la longueur d'onde d'origine permette d'exciter ces oscillations de relaxation.
4. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la cavité laser est une cavité laser à solide de classe B.
5. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la cavité laser est agencée pour émettre le sig nal lumineux d'orig ine dans l'infrarouge.
6. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de modification de longueur d'onde comprennent au moins un modulateur acousto-optique.
7. Dispositif selon la revend ication précédente, dans lequel le ou chaque mod ulateur acousto-optique a une fréquence de décalage présentant une résonance, et dans lequel la combinaison de ces décalages permet d'exciter les oscillations de relaxation du laser réinjecté.
8. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre un premier isolateur optique (6) positionné dans le trajet du sig nal lumineux d'origine de sorte à éviter une propagation d'un signal optique réfléchi vers la cavité laser.
9. Dispositif selon la revend ication précédente, dans lequel le ou chaque modulateur acousto-optique (7, 7a , 7b) est positionné après le premier isolateur optique (6) .
10. Dispositif selon l'une des revend ications 8 ou 9, comprenant un deuxième isolateur optique (1 3) positionné dans le trajet d u sig nal progressif de sorte à éviter une propagation d'un signal optique réfléchi vers l'objet.
1 1 . Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le ou chaque mod ulateur acousto-optique est positionné entre le premier isolateur optiq ue (6) et le deuxième isolateur optique ( 13) .
12. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, comprenant en outre des moyens de déplacement agencés pour déplacer les moyens de transformation au voisinage de l'objet.
1 3. Dispositif selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les moyens de transformation comprennent une micropointe (1 1 ).
14. Microscope optiq ue en champ proche comprenant un dispositif de détection selon l'une des revendications précédentes.
1 5. Procédé de détection pour l'imagerie d'un objet comprenant des étapes dans lesquelles: une cavité laser émet un signal lumineux d'origine à une long ueur d'onde d'origine vers l'objet de sorte à générer une onde évanescente à la surface de l'objet ; l'onde évanescente est transformée en un signal progressif ; le signal progressif est injecté dans la cavité laser de sorte à générer des perturbations au sein de la cavité laser entre le signal prog ressif et le signal lumineux d'origine;
- les perturbations sont détectées de sorte à déterminer des caractéristiques de l'objet, le procédé étant caractérisé en ce que la long ueur d'onde du signal progressif injecté dans la cavité laser est différente de la longueur d'onde d'origine.
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