Les scientifiques des matériaux peuvent en apprendre beaucoup sur un échantillon de matériau en tirant dessus avec des lasers. Grâce à la microscopie optique non linéaire, une technique d'imagerie spécialisée qui recherche un changement de couleur dans une lumière laser intense, les chercheurs peuvent collecter des données sur la manière dont la lumière interagit avec l'échantillon et, grâce à des analyses longues et parfois coûteuses, caractériser la structure du matériau et d'autres propriétés.
Aujourd’hui, des chercheurs de la Pennsylvania State University ont développé un cadre informatique capable d’interpréter les images de microscopie optique non linéaire pour caractériser le matériau avec des détails microscopiques.
L'équipe a publié son approche dans la revue Optique.
« La microscopie optique non linéaire est un outil important qui peut révéler des informations structurelles sur différents matériaux », a déclaré l'auteur principal Albert Suceava, doctorant en science et ingénierie des matériaux à Penn State.
« La méthode, qui recherche des interactions exotiques entre la matière et la lumière, peut être utilisée pour voir des éléments dans des échantillons de matériaux normalement invisibles pour nous autrement. Les échantillons que vous pouvez étudier avec cette technique peuvent provenir de n'importe où. La méthode peut être utilisée dans de nombreux domaines allant de la biologie à l'informatique quantique. »
La façon dont nos yeux voient le monde passe par des interactions optiques linéaires telles que la réflexion, la réfraction et l'absorption, a expliqué Suceava.
« Alors qu'en microscopie optique non linéaire, nous utilisons des faisceaux laser focalisés pour obtenir une lumière plus intense que celle que vous pouvez obtenir avec des sources de lumière quotidiennes comme la lumière du soleil », a déclaré Suceava. « Et cette lumière intense peut produire de nouveaux types de signaux optiques qui sont détectés pour former une image. Nous pouvons comprendre quelque chose sur la structure du matériau en regardant comment ces nouveaux signaux changent à travers un échantillon, ou comment ils changent avec quelque chose comme la polarisation de la source laser.
« À partir de là, nous avons utilisé notre compréhension des microscopes optiques classiques pour développer un outil informatique permettant d'interpréter ces images, ce qui permet de déterminer les propriétés des matériaux à l'échelle microscopique. »
Le travail a été réalisé, ont déclaré les chercheurs, lorsqu'ils ont observé des phénomènes inattendus dans les images microscopies et se sont demandé si cela était dû à l'échantillon ou au microscope.
« Tout ce projet a commencé lorsque nous faisions de la microscopie non linéaire sur un échantillon que nous pensions très bien comprendre, mais nous voyions dans nos images des choses que nous ne pouvions pas expliquer, presque comme une illusion d'optique », a déclaré Suceava.
« Nous avons donc mis très longtemps à nous assurer que les observations n'étaient pas seulement une illusion d'optique mais des données précises. Nous devions nous assurer que nous étions en mesure de décomposer exactement ce que le microscope fait à la lumière et à notre sonde lorsqu'il est très étroitement focalisé. Notre approche se concentre sur la modélisation des effets de la focalisation laser étroite sur la polarisation de la lumière qui interagit avec l'échantillon. «
La lumière se propage sous la forme d’ondes électromagnétiques aux fréquences uniques, et l’interaction des atomes et des molécules avec la lumière, également appelée rayonnement électromagnétique, fournit des informations sur leur structure.
« La lumière est vraiment essentielle pour voir notre monde ; en fait, notre sens de la réalité physique est dominé par ce que nous voyons », a déclaré Venkatraman Gopalan, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à Penn State et co-auteur de l'article. « L'imagerie avec la lumière est très fondamentale et nous recherchons constamment de nouvelles façons d'imager les choses. C'est uniquement de la lumière qui interagit avec les atomes et se diffuse. »
Le spectre électromagnétique comporte de nombreux types d’ondes lumineuses, allant des ondes radio aux rayons gamma. Chaque type de lumière a une longueur d’onde et une fréquence différentes, et les scientifiques peuvent utiliser les informations sur la manière dont les objets et les matériaux émettent, absorbent, transmettent ou réfléchissent la lumière pour étudier leurs propriétés.
« Les atomes vibrent différemment et font de la musique ; ils dansent sur des rythmes différents et la lumière est comme la musique », a déclaré Gopalan. « Des électrons aux noyaux, en passant par les groupes d'atomes et leurs spins, ils dansent tous à des fréquences différentes. C'est presque comme un opéra. Et quand, par exemple, vous voulez savoir comment les atomes vibrent, vous pouvez envoyer une couleur de lumière, et les atomes peuvent vibrer et absorber une partie de cette lumière.
« La lumière réfléchie est légèrement plus courte et de couleur différente. Elle a une longueur d'onde légèrement plus longue et une fréquence plus petite, car cela reflète le peu d'énergie qu'elle dégage. L'examen de la structure à l'échelle atomique et des vibrations des molécules donne une très bonne signature du matériau. »
Il existe de nombreuses techniques d'utilisation de la lumière pour étudier les propriétés des matériaux, allant des rayons X à l'imagerie thermique. Pour cette recherche, l’équipe a utilisé une technique connue sous le nom de microscopie à génération de seconde harmonique.
« La génération de la deuxième harmonique est celle où un matériau change la couleur de la lumière en doublant sa fréquence », a expliqué Gopalan. « Il peut détecter des signaux indiquant une danse déséquilibrée des électrons, ce qui peut révéler la polarité des matériaux. Ce doublement de fréquence peut transformer un infrarouge en bleu, ce qui provient de cette danse déséquilibrée des électrons à l'intérieur des atomes de ces solides. »
Les scientifiques affirment qu’ils peuvent créer une image à partir des signaux, mais caractériser véritablement un matériau nécessite plus que simplement créer une image.
« Nous devons savoir ce qui se passe, ce que font les atomes, ce qui se passe avec les propriétés locales, mais ce que l'image nous dit a été un défi car il y a beaucoup plus d'informations que de montrer et de dire », a déclaré Gopalan.
L'objectif était de développer un cadre qui modélise avec précision l'interaction d'une lumière étroitement focalisée avec des échantillons en microscopie optique non linéaire, fournissant ainsi des informations quantitatives fiables, selon les chercheurs.
L'équipe a testé son cadre sur une variété de matériaux de référence, en comparant les résultats aux propriétés connues. Suceava a noté qu'en procédant ainsi, ils étaient également en mesure d'extraire des informations quantitatives à partir d'échantillons. Comprendre les caractéristiques spécifiques, ainsi que les informations quantitatives, est essentiel pour développer de nouveaux matériaux et comprendre leurs propriétés, a déclaré Suceava.
« Notre cadre essaie d'aller au-delà du simple « regarder et voir » pour expliquer réellement pourquoi une image ressemble à ce qu'elle est », a déclaré Suceava. « Nous voulons savoir quelles informations supplémentaires pourraient être enfouies dans la façon dont les images changent avec différentes sources de lumière ou différentes optiques. Nous envisageons ce cadre comme aidant à normaliser l'approche d'analyse des données dans la communauté de l'optique non linéaire afin d'améliorer la cohérence et la reproductibilité de la caractérisation des matériaux.
« Nous pensons avoir trouvé un moyen d'aborder ce problème qui est plus simple que la façon dont d'autres personnes l'ont fait et qui donne toujours un très bon accord avec des échantillons connus. En cartographiant les propriétés des matériaux au lieu de simplement prendre une photo, nous pouvons aider à créer une bibliothèque de propriétés des matériaux qui peuvent être utilisées dans diverses applications. «
