En combinant des expériences avec des calculs et des simulations, des chercheurs allemands ont acquis de nouvelles connaissances sur les raisons pour lesquelles le placement de microsphères transparentes sur un échantillon améliore la résolution d'une technique de microscopie basée sur l'interférométrie. En examinant comment la lumière interagit avec les microsphères, Lucie Hüser et ses collègues du Université de Kassel ont ouvert la porte à la compréhension de la mystérieuse amélioration.
Un microscope interférométrique Linnik est conçu pour prendre des images haute résolution de la topographie de la surface d'un échantillon. L’appareil fonctionne en divisant un faisceau de lumière éclairante en deux, un faisceau étant envoyé à l’échantillon et l’autre à un miroir. Les faisceaux réfléchis sont recombinés au niveau d'un détecteur, créant une image de la lumière interférente. En scannant la hauteur de l’échantillon, une représentation précise de la topographie 3D de l’échantillon est obtenue.
Cependant, comme toutes les techniques de microscopie, cette méthode est confrontée à une limite fondamentale dans la taille des caractéristiques qu'elle peut résoudre. Ceci est le résultat de la limite de diffraction, ce qui signifie que la technique ne peut pas résoudre les caractéristiques inférieures à la moitié de la longueur d'onde de la lumière d'imagerie.
Effet mystérieux
Cependant, les microscopistes savent depuis un certain temps que la limite de diffraction peut être dépassée en plaçant simplement des sphères transparentes de la taille d'un micromètre sur la surface d'un échantillon. Cette technique s’est avérée très utile, mais malgré son efficacité, les chercheurs ne comprennent pas pleinement la physique derrière cette amélioration. Les explications incluent la création de nanojets photoniques hautement focalisés lorsque la lumière passe entre les microsphères et l'échantillon ; une augmentation de l'ouverture numérique du microscope provoquée par les microsphères ; effets en champ proche (évanescents); et l'excitation des modes de lumière de la galerie chuchotante au sein des microsphères.
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Pour mieux comprendre pourquoi l'amélioration des microsphères fonctionne pour la microscopie interférentielle, l'équipe de Hüser a combiné des mesures expérimentales rigoureuses avec de nouvelles simulations informatiques. Ceux-ci comprenaient des calculs de traçage de rayons qui utilisent des mathématiques simples pour suivre les changements dans les trajectoires des faisceaux lumineux traversant les sphères.
L’étude suggère que les effets de galerie évanescents et chuchotants sont négligeables lorsqu’il s’agit d’amélioration de la résolution. Au lieu de cela, ils ont découvert que les microsphères augmentent la taille effective de l’ouverture numérique du microscope, ce qui améliore la résolution de l’instrument. La recherche suggère également que les nanojets photoniques pourraient être impliqués dans l’amélioration de la résolution.
Ce résultat apporte une base théorique solide pour la microscopie d'interférence optique améliorée par microsphère un peu plus près. Hüser et ses collègues espèrent que leurs travaux pourront bientôt conduire à de meilleures méthodes d'imagerie rapide et non invasive des surfaces de structures microscopiques. Cela pourrait être particulièrement utile pour sonder des échantillons délicats, tels que des systèmes biologiques, qui ne peuvent pas être étudiés avec des techniques à haute résolution telles que la microscopie électronique et la microscopie à force atomique.
La recherche est décrite dans le Journal des microsystèmes optiques.
