La microscopie à l'angle de Brewster

Au cours de ma thèse, j'ai eu la chance de pouvoir participer avec Jacques Meunier au développement du premier microscope à l'angle de Brewster. Cet appareil permet de visualiser les inhomogénéités d'un film d'épaisseur moléculaire à la surface de l'eau. Le principe, inspiré de l'ellipsométrie, en est le suivant : pour pouvoir visualiser en réflexion depuis un milieu 1 l'interface 1-2, il faut se débarrasser du signal provenant du milieu 2 lui-même. Ceci est réalisé si on se place à l'incidence de Brewster et avec une lumière polarisée dans le plan d'incidence. Dans ces conditions le coefficient de réflexion d'une interface parfaitement plane et mince entre deux milieux transparents s'annule. Pour une interface réelle, la valeur du coefficient de réflexion à l'incidence de Brewster n'est due qu'à la contribution des écarts à l'idéalité de l'interface (épaisseur, rugosité). En particulier, si un film est présent à l'interface, la lumière réfléchie sera d'autant plus intense que le film est épais ou dense. On est ainsi capable de visualiser les inhomogénéités optiques du film, par exemple les coexistences de phase, avec une résolution de l'ordre de la longueur d'onde. Comme la lumière utilisée est polarisée, on est également sensible aux éventuelles anisotropies optiques.

J'ai aussi participé au développement d'une version plus performante de l'appareil. L'incidence de Brewster qB entre un milieu d'indice optique n1 et un milieu d'indice optique n2 vaut Arctg(n2/n1). Pour l'interface air / eau (n1 = 1 / n2 = 1.33), elle vaut environ 53°. Pour faire de la microscopie à l'angle de Brewster, il faut donc récupérer les faisceaux lumineux réfléchis à 53° de la normale à la surface, et diffusés autour de cette direction. Ceci impose en pratique d'incliner l'objectif d'imagerie à 53°. La surface de l'eau n'est alors plus dans plan de mise au point de l'objectif, et la zone au point se réduit à une bande, d'autant plus étroite que l'ouverture de l'objectif est grande c'est-à-dire que la résolution est bonne. Pour pallier à ce problème de mise au point, il faut utiliser un objectif d'axe vertical. Mais il faut alors que son ouverture numérique soit au moins égale à sin qB = 0.8, et même égale à 0.96 si on veut une résolution latérale de 1 µm, comme l’illustre la Figure ci-dessous.

  Principe de la microscopie à l’angle de Brewster : la surface de l’eau est éclairée par un faisceau parallèle intense (dans la pratique un laser à Argon ionisé, de longueur d'onde 514.5nm), à l’incidence de Brewster, 53°.
La lumière réfléchie et diffusée par la surface permet de former une image. Pour avoir une résolution latérale de l’ordre du µm, il faut une ouverture angulaire de l’ordre de 20° autour de 53°, soit une ouverture angulaire totale de 73°, ou encore une ouverture numérique de 0.96.

De tels objectifs existent, mais ont une distance de travail extrêmement faible, bien trop faible pour pouvoir travailler près d'une surface liquide. Il a donc fallu développer un objectif qui ait à la fois une grande ouverture numérique et une distance de travail millimétrique. Cela a été fait grâce à une collaboration avec le groupe de P. Fournet à l'Institut d'Optique Théorique et Appliquée d'Orsay. Cet appareil n'est pas tout léger. Il est composé de l'association de deux lentilles aplanétiques (la première fait quelque 5 cm de diamètre) et de deux miroirs constituant un télescope de Schwarzschild. Le tout fait près de 30 cm de hauteur. La distance de travail atteint ainsi 3 mm. L'objectif permet de réaliser des images avec une résolution de 1 µm dans une direction et 0.8 µm dans l'autre.


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