Motif de diffusion produit par des faisceaux de lumière en forme de beignet rebondissant sur un objet dont la structure se répète régulièrement. Crédit : Wang, et al., 2023, « Optica »
Étudier à l’échelle nanométrique modèles dans de minuscules composants électroniques ou photoniques, une nouvelle méthode basée sur l’imagerie sans lentille permet une microscopie haute résolution presque parfaite. La ptychographie, une forme puissante d’imagerie sans lentille, utilise un faisceau de balayage pour collecter la lumière diffusée pour la reconstruction d’images, confrontée aux défis liés aux échantillons périodiques.
Pour étudier les modèles à l’échelle nanométrique dans de minuscules composants électroniques ou photoniques, une nouvelle méthode basée sur l’imagerie sans lentille permet une microscopie haute résolution presque parfaite. Ceci est particulièrement important pour les longueurs d’onde plus courtes que l’ultraviolet, qui permettent d’obtenir une image avec une résolution spatiale supérieure à celle de la lumière visible, mais où l’optique de formation d’image est imparfaite.
La forme la plus puissante d’imagerie sans lentille est appelée ptychographie, qui consiste à balayer un faisceau de type laser sur un échantillon, à collecter la lumière diffusée, puis à utiliser un algorithme informatique pour reconstruire une image de l’échantillon.
Alors que la ptychographie permet de visualiser de nombreuses nanostructures, ce microscope spécial a du mal à analyser des échantillons présentant des motifs très réguliers et répétitifs. En effet, la lumière diffusée ne change pas lorsqu’un échantillon périodique est analysé, de sorte que l’algorithme informatique est confus et ne peut pas reconstruire une bonne image.
Relevant ce défi, récemment diplômé d’un doctorat. les chercheurs Bin Wang et Nathan Brooks, en collaboration avec les boursiers JILA Margaret Murnane et Henry Kapteyn, ont développé une nouvelle méthode qui utilise une lumière de courte longueur d’onde avec une forme spéciale de vortex ou de beignet pour scanner ces surfaces répétitives, ce qui entraîne des modèles de diffraction plus variés. Cela a permis aux chercheurs de capturer des reconstructions d’images haute fidélité à l’aide de cette nouvelle approche, qu’ils ont récemment publiée dans la revue Optique. Ce résultat sera également souligné dans le Revue Optique L’actualité Optique et Photonique dans les temps forts annuels de L’optique en 2023.
Cette nouvelle méthode d’imagerie est particulièrement intéressante pour les applications en nanoélectronique, photonique et métamatériaux. « La capacité de structurer (ou de modifier la forme) des faisceaux laser visibles en forme de beignet et d’autres formes a révolutionné la microscopie visible à super-résolution », a expliqué Murnane. « C’est très excitant de pouvoir désormais ouvrir la voie pour amener ces puissantes capacités à des longueurs d’onde plus courtes. »
Sculpture de faisceaux harmoniques aigus en forme de vortex
Pour créer des faisceaux de type laser à courtes longueurs d’onde dans une configuration à l’échelle d’une table, l’équipe JILA a utilisé un processus appelé génération d’harmoniques élevées (HHG). HHG se produit lorsqu’une impulsion laser ultrarapide frappe un atome, arrachant un électron puis le ramenant vers son atome parent pour se recombiner. Au contact, les atomes convertissent l’énergie cinétique de leurs électrons en lumière ultraviolette extrême (EUV). Et si des millions d’atomes émettent tous la lumière EUV de manière synchrone, les ondes produisent un faisceau EUV brillant semblable à un laser.
Pour imager des motifs répétitifs, les chercheurs de JILA devaient trouver un moyen de modifier le faisceau HHG afin que la lumière diffusée change à mesure que le faisceau EUV était balayé sur l’échantillon. Les chercheurs ont amené les faisceaux HHG à se transformer d’un disque en une forme de vortex ou de beignet, appelée faisceau de moment cinétique orbital (OAM), pour obtenir cet effet. Cette forme différente serait essentielle pour permettre l’imagerie sans lentille d’échantillons périodiques.
Lorsque les scientifiques ont éclairé leur microscope avec des faisceaux HHG en forme de vortex (voir l’image ci-jointe), des motifs de diffusion plus complexes ont été produits, qui ont changé au fur et à mesure que l’échantillon était scanné. Ces variations codaient des informations sur les motifs répétitifs de l’échantillon et permettaient à l’algorithme d’extraire une image précise.
Au-delà de ce résultat passionnant, cette nouvelle imagerie sans lentille à faisceau vortex a également produit moins de dommages à l’échantillon délicat que celle d’un microscope électronique à balayage. Étant donné que de nombreux matériaux souples, plastiques et échantillons biologiques sont fragiles, il est essentiel de disposer d’un moyen précis et doux de les imager.
De plus, l’imagerie sans lentille à faisceau vortex était plus efficace pour détecter les défauts du nanomodèle que la microscopie électronique à balayage, qui a tendance à faire fondre les échantillons délicats.
Des modèles, des modèles, partout – et maintenant nous pouvons mieux les voir
Pour les scientifiques qui fabriquent des matériaux à motifs pour les dispositifs nano, énergétiques, photoniques et quantiques de nouvelle génération, cette avancée permet une imagerie haute résolution de structures hautement périodiques, sans les détruire. Comme l’explique Kapteyn : « À l’avenir, cela pourrait également permettre d’imager des cellules vivantes délicates à haute résolution spatiale. »
Pour en savoir plus sur cette recherche, voir Comment les faisceaux lumineux « Donut » révèlent des mystères microscopiques.
