Techniques microscopiques

Réalisation pratique en microscopie par réflexion

L'analyse des dispositifs ne peut être séparée de celle de l'éclairage du microscope pour correctement prendre en compte les problèmes de cohérence spatiale de la source. La Fig. 23 présente un schéma d'ensemble du microscope à CID avec l'éclairage Köhler épiscopique.


   
    Figure 23 : Schéma d'un microscope en contraste interférentiel différentiel épiscopique
Figure 23 : Schéma d'un microscope en contraste interférentiel différentiel épiscopique [zoom...]Info

La Fig.24a présente le schéma de principe du fonctionnent du CID utilisant un (bi-)prisme de Wollaston. Ce dernier est un composant constitué de deux prismes d'un matériau biréfringent uniaxe, le plus souvent du quartz, assemblé avec leurs axes croisés à 90°. Ce composant sépare angulairement tous les rayons qui le frappent. Le plan de localisation du dédoublement est placé dans le plan focal image de l'objectif du microscope, ce qui conduit au dédoublement transversal recherché dans le plan objet. Après réflexion spéculaire sur l'échantillon, les rayons dédoublés sont recombinés par le même prisme. Le fonctionnement optimal en terme de contraste d'interférence est obtenu, comme indiqué Fig.25, lorsque les lignes neutres du prisme de Wollaston sont orientées à 45° de la polarisation incidente et que l'analyseur est croisé ou parallèle au polariseur (de direction fixée pour être en TE sur la lame semi-réfléchissante de l'éclairage Köhlerrevoir paragraphe sur le microscope polarisant en éclairage épiscopique).


   
    Figure 24 : Principe de la mise en œuvre du CID par prismes biréfringents
Figure 24 : Principe de la mise en œuvre du CID par prismes biréfringents [zoom...]Info

Les tracés des rayons dans les prismes sont simplifiés à l'essentiel [Un calcul quantitatif complet de la déviation pour un rayon particulier est proposé en exercice à la fin de ce grain]. Les rayons tracés sont limités au rayon principal et au rayon marginal pour le point central du champ. (Le basculement des prismes permet une localisation correcte du plan de séparation des rayons. Il a aussi l'intérêt d'éviter que les réflexions parasites de la lumière de l'éclairage épiscopique sur les faces du composant ne perturbent directement l'image observée dans l'oculaire).

Cependant, comme il a déjà été souligné dans le paragraphe sur le contraste de phase, le plan focal image de l'objectif est un endroit mécaniquement inaccessible puisqu'il coïncide avec le filetage des objectifs de microscope commerciaux actuels. Georges Nomarski a eu l'idée de modifier le prisme de Wollaston comme indiqué Fig. 24b [] avec l'axe optique du matériau uniaxe d'un des prismes basculé hors plan de l'interface (On peut considérer dans un certain sens que cette configuration est la contraction d'une lame de Savart, qui dédouble les rayons par pure translation, et d'un prisme standard de Wollaston). Cette nouvelle configuration permet d'éloigner le prisme biréfringent du foyer de l'objectif tout en conservant un fonctionnement identique. Le prisme peut dès lors être monté sur glissière et être facilement inséré ou enlevé. Ce dispositif, connu sous le nom de CID Nomarski (ou Nomarski DIC en anglais), a fait l'objet d'un brevet exploité par tous les constructeurs de microscope.


   
    Figure 25 : Orientation de la polarisation des rayons incidents et des lignes neutres du prisme biréfringent
Figure 25 : Orientation de la polarisation des rayons incidents et des lignes neutres du prisme biréfringent [zoom...]Info

Vue de dessus du microscope en CID (Fig.23). La lumière incidente est polarisée rectilignement en TE sur la lame semi-réfléchissante de l'éclairage Köhler du microscope (revoir le paragraphe sur le microscope polarisant en épiscopie). Pour un contraste optimal des interférences, les lignes neutres du prisme biréfringent sont placées à 45° de cette polarisation. Cette orientation est en pratique imposée par la mécanique d'insertion du prisme dans le statif. L'analyseur, situé en aval, sera également de manière optimale orienté à 45° des lignes neutres du prisme (c'est à dire croisé ou parallèle avec le polariseur).

La mise en œuvre du contraste interféren­tiel différentiel Nomarski en réflexion sur un microscope épiscopique récent est très simple. Il suffit de mettre en service le polariseur et l'analyseur, de croiser l'analyseur avec le polariseur en tournant la molette d'orientation de l'analyseur, puis de mettre en service le prisme de Nomarski en l'enfonçant dans sa glissière prévue à cet effet.

Une vis moletée permet usuellement de translater le prisme dans son plan dans la direction du décalage des rayons d'une distance ajustable. Un tel déplacement a pour conséquence de briser l'auto-compensation automatique de chemin optique des deux ondes qui interfèrent, lors des traversées aller et retour du prisme biréfringent (voir Fig.26 et cours d'interférences en lumière polarisée). On introduit donc dans le chemin optique l'équivalent d'une lame biréfringente d'épaisseur ajustable où  dépend de l'angle interne du prisme. Ceci a pour conséquence de faire apparaître un terme (où est la différence entre les indices de l'axe lent et de l'axe rapide de la lame retardatrice équivalente) dépendant plus ou moins fortement de en fonction du réglage . Ce terme de déphasage chromatique réglable fait apparaître des teintes ajustables lorsque l'on travaille en lumière blanche. En plaçant par exemple le fond de l'image à la teinte sensible (pourpre du premier ordre, extinction du vert dans le spectre cannelé), il est ainsi possible de voir en contraste coloré avec une très grande sensibilité les variations de pente sur le front d'onde (revoir Fig.22).


   
    Figure 26 : Autocompensation de l'interféromètre en réflexion et décompensation volontaire par translation horizontale du prisme de Wollaston ou de Nomarski
Figure 26 : Autocompensation de l'interféromètre en réflexion et décompensation volontaire par translation horizontale du prisme de Wollaston ou de Nomarski [zoom...]Info

Pour le dessin du prisme à traits noirs et fond de couleurs (bi-prisme ‘centré' ou ‘équilibré'), les traits horizontaux (–, = ou ≡) indiquent les chemins optiques (quasi-)égaux entre eux. Comme entre le prisme représenté en jaune et celui représenté en vert, il y a échange des indices ordinaires et extraordinaire pour un même rayon de polarisation propre donnée, il est facile de voir qu'après les passages aller et retour dans le bi-prisme, il y a compensation des différences de marche entre les deux polarisations pour tous les rayons incidents (pour un échantillon horizontal plan ne produisant pas d'effet interférométrique différentiel). Si le composant est translaté (dessin en traits gris), la compensation ne se produit plus et il existe une différence de marche non nulle entre les deux polarisations propres après le double passage dans celui-ci, cette différence de marche étant toutefois identique pour tous les rayons incidents considérés.

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