«Caractérisation spectrale locale à l’aide de la microscopie interférométrique : simulations et mesures »

par Rémy Claveau

le vendredi 8 décembre 2017, à 14h, amphithéâtre Marguerite Perey (Bâtiment 01, campus Cronenbourg, 23 rue du Loess, Strasbourg)

Résumé
La microscopie interférométrique est une méthode de mesure qui repose sur l’acquisition et le traitement du signal issu de l’interaction de deux ondes, dites ondes « objet » et de « référence ». Ces ondes proviennent des réflexions de la lumière sur un miroir de référence et sur l’échantillon que l’on souhaite étudier. Par un déplacement précis de l’un des deux bras de l’interféromètre, on crée un déphasage entre les deux ondes, qui vont interférer entre elles et être à l’origine d’un interférogramme. Cette technique est maintenant tout aussi bien utilisée pour la mesure de la microtopographie de surface que pour la caractérisation des couches transparentes et des milieux diffusants. Dans le dernier cas, au lieu d’avoir un seul paquet de franges qui correspond à la position de la surface, il peut exister toute une série d’interférogrammes sur l’axe optique qui correspondent aux surfaces et structures enterrées en profondeur.
Généralement, les données interférométriques sont utilisées pour réaliser une analyse topographique ou tomographique d’un échantillon par extraction des pics de l’enveloppe du signal. Cependant, en appliquant une transformée de Fourier à une partie spécifique du signal d’interférences, les données interférométriques peuvent être exploitées à des fins spectroscopiques. En effet, l’analyse de Fourier d’un signal d’interférences permet d’effectuer une caractérisation spectrale de la structure qui est à l’origine de l’interférogramme. Les propriétés des systèmes interférométriques permettent de produire une mesure spectrale qui est résolue dans les trois directions de l’espace et dont les résolutions spatiales sont liées aux propriétés de la source et du système optique. Cela conduit à une analyse qui est faite sur une zone dont la dimension est égale à la surface de la tache de diffraction du système optique.
Cette technique d’analyse peut donc être appliquée à différents types d’échantillons : soit à des matériaux réfléchissants pour des mesures en surface, soit à des couches transparentes et diffusantes pour aller sonder le milieu en profondeur et extraire la réponse spectrale individuelle de structures localisées dans la matrice. Bien que la qualité des résultats obtenus pour la caractérisation d’échantillons en surface soit très satisfaisante, celle-ci diminue lorsque le milieu devient de plus en plus complexe, notamment en raison de la dégradation du signal interférométrique.
Dans ce projet de recherche, nous nous sommes intéressés à la capacité de la microscopie interférométrique pour réaliser des caractérisations spectrales locales, ainsi qu’à ses limitations lorsque le milieu se complexifie. Nous avons débuté les mesures sur des matériaux réfléchissants pour le calcul de spectres de réflectances localisés en surface. La validation des résultats s’est effectuée par comparaison avec les mesures macroscopiques d’un spectromètre optique. Nous avons alors petit à petit compliqué l’analyse en caractérisant des échantillons de plus en plus complexes. Les effets impliquant une dégradation du signal d’interférences et qui interviennent dans ces milieux, tels que la diminution du rapport signal à bruit ou la diffusion de la lumière, ont été étudiés à l’aide de programmes de simulation. La validation des résultats obtenus dans ces milieux, notamment pour la mesure de spectres résolue en Z, nécessite également l’emploi de programmes de simulation. La confrontation des résultats expérimentaux aux résultats prédits par ces programmes permet donc dans un premier temps de valider la méthode. Elle peut, dans un second temps, permettre de remonter aux propriétés morphologiques et optiques des structures rétrodiffusant la lumière. Au niveau instrumental, les expériences ont été réalisées sur plusieurs systèmes interférométriques, dont le développement et le fonctionnement ont été détaillés.

Abstract
White light interference microscopy is a measurement method based on the acquisition and the processing of the signal coming from the interaction between two wave fronts, known as the “object” and “reference” wave-fronts. These waves come from the reflection of the light on both a reference mirror and the sample studied. After an accurate displacement of one of the two interferometer arms, a phase shift is created between the two waves that will further interfere with each other and then be at the origin of an interferogram. This technique is now used for micro topography measurements as well as for the characterization of transparent and scattering samples. In this case, instead of having only one interferogram which indicates the position of the surface, there may exist multiple interference signals along the optical axis Z identifying the surfaces and structures that are buried within the depth of the sample.
In interference microscopy, the interferometric data is typically used for topographic or tomographic analysis of a sample, which is performed through the extraction of the peaks of the signal envelope. However, by applying a Fourier transform to a specific part of the interference signal, the interferometric data can be exploited for spectroscopic purposes. Indeed, the Fourier analysis of an interferometric signal allows the structure that reflects the light to be spectrally characterized. Due to the properties of the interferometric systems, the spectral measurements are spatially resolved in the three directions of space, with the resolutions depending on both the properties of the source and the optical configuration. This leads to an analysis that is performed on an area whose dimension is equal to the surface of the diffraction spot of the optical system.
This spectroscopic technique can therefore be applied to different kinds of samples: either reflective materials for surface measurements, or transparent and scattering layers for probing the depth of the medium and then extracting the individual spectral response of the buried structures. Although the quality of the results is quite satisfactory for the characterization of a sample’s surface, the accuracy of the analysis decreases when the medium becomes more and more complex, in particular because of the degradation of the interferometric signal.
In this research project, the particular interest is in the ability of interference microscopy to be used for local spectral characterization, as well as the associated limitations when the sample becomes more complex. The first experiments are made on highly reflective materials for the measurements of reflectance spectra localized at the surface. The validation of the results is achieved through the comparison with the macroscopic measurements obtained from an optical spectrometer. Then, the analysis is gradually made more complicated by characterizing increasingly complex samples. The effects occurring in these media and involving a degradation of the interference signal, such as the reduction in signal-to-noise ratio or the light scattering, are studied using simulation programs. The validation of the measurements made on these samples, mainly for the depth-resolved spectra measurements, also requires the use of simulation programs. The comparison of the experimental results to those predicted by simulation makes it possible to first validate the working of the method and can, in a second step, enable the determination of the optical and morphological properties of the structures backscattering the light. At the instrumental level, the experiments are carried out using several different interferometric systems. Their development and functioning are also detailed.

Le jury est composé de :

• Arnaud Dubois (rapporteur), professeur, Institut d’Optique Graduate School (IOGS), Paris
• Mme. Maria Pilar Bernal (rapporteur), directeur de recherche, Institut FEMTO-ST, Besançon
• Henri Benisty (examinateur), professeur,  Institut d’Optique Graduate School (IOGS), Paris
• Paul Montgomery (directeur de thèse), directeur de recherche, CNRS, laboratoire ICube
• Manuel Flury (co–directeur de thèse), maître de conférences HDR, INSA de Strasbourg, laboratoire ICube
• Denis Montaner (examinateur), maître de conférences, Université de Strasbourg, Laboratoire ICube