Articles évalués par des pairs, actes de conférences et travaux universitaires documentant les mesures avec la heliCam C3/C4.
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La susceptométrie AC, contrairement à la susceptométrie statique, offre un aperçu plus approfondi des matériaux magnétiques. En employant des mesures de susceptibilité AC, on peut glaner des détails cruciaux concernant la dynamique magnétique. Néanmoins, les susceptomètres AC traditionnels sont limités à la mesure des changements de moments magnétiques dans la gamme de quelques nano-joules par tesla. De plus, leur résolution spatiale est sévèrement limitée, confinant leur application aux seuls échantillons en vrac. Dans cette étude, nous introduisons l’utilisation d’un microscope quantique à diamant basé sur un centre de lacune d’azote (NV) pour cartographier les champs magnétiques résultant d’échantillons ferromagnétiques à l’échelle du micron sous un champ d’entraînement AC, qui peut être utilisé pour déterminer la susceptibilité AC avec suffisamment d’informations supplémentaires sur l’échantillon. En employant des séquences d’impulsions cohérentes, nous extrayons la composante en phase du champ magnétique de l’échantillon à partir d’échantillons dans un champ de vision couvrant 70 micromètres tout en atteignant une résolution de 1 micromètre.
De plus, nous quantifions les changements de moment dipolaire de l’ordre de femto-joules par tesla induits par des excitations à des fréquences atteignant plusieurs centaines de kilohertz.
L’imagerie magnétique tridimensionnelle à haute résolution spatio-temporelle est essentielle pour sonder les chemins de courant dans divers systèmes, de la biodétection à la microélectronique. Les méthodes conventionnelles de localisation de sources de courant 2D basées sur Fourier sont mal posées dans les systèmes multicouches ou dynamiques en raison du chevauchement des signaux et du bruit. Dans ce travail, nous démontrons une technique innovante de microscopie magnétique à large champ basée sur le centre d’azote-lacune (NV) pour l’imagerie et la localisation tridimensionnelles dynamiques des sources de courant. En utilisant une plateforme de micro-bobines multicouches fabriquée sur mesure pour émuler des courants localisés et variables dans le temps similaires à l’activité neuronale, nous acquérons des cartes de champ magnétique avec une résolution spatiale à l’échelle du micromètre et une résolution temporelle à l’échelle de la milliseconde en utilisant une détection basée sur le verrouillage par pixel. La localisation de la source et la reconstruction de l’image sont réalisées à l’aide d’un cadre de reconstruction basé sur l’opérateur de rétrécissement et de sélection des moindres absolus (LASSO) qui incorpore des cartes de base mesurées expérimentalement comme a priori spatial. Notre méthode permet une identification robuste des sources de courant actives dans l’espace et dans le temps, et fait progresser de manière significative la précision de l’imagerie de courant 3D dynamique et de la magnétométrie basée sur NV pour les systèmes complexes.
L’imagerie multispectrale (MSI) permet la différenciation non invasive des tissus basée sur les caractéristiques spectrales et s’est avérée très prometteuse en tant qu’outil de guidage chirurgical. Cependant, l’adaptation de la MSI aux chirurgies ouvertes est difficile. Les systèmes qui reposent sur des sources de lumière présentes dans la salle d’opération connaissent des limitations en raison des changements fréquents d’éclairage, qui déforment les données spectrales et nécessitent des contre-mesures telles que des recalibrages perturbateurs. D’autre part, les systèmes MSI qui reposent sur un éclairage dédié nécessitent que les sources de lumière externes, telles que les lampes chirurgicales, soient éteintes pendant les interventions chirurgicales ouvertes. Cela perturbe le flux de travail chirurgical et prolonge les temps d’opération. À cette fin, nous présentons une approche qui résout ces problèmes en combinant un éclairage actif avec une suppression intelligente du fond. En capturant alternativement des images avec et sans source de lumière modulée à une longueur d’onde souhaitée, nous isolons le signal cible, permettant une numérisation spectrale sans artefact. Nous démontrons les performances de notre approche en utilisant une caméra à pixels intelligents, en soulignant son avantage en termes de rapport signal sur bruit (SNR) par rapport à une caméra haute vitesse conventionnelle. Nos résultats montrent que des mesures de réflectance précises peuvent être obtenues dans des contextes cliniques avec un éclairage de fond élevé. L’application médicale est démontrée par l’estimation de l’oxygénation du sang, et sa pertinence pour les chirurgies ouvertes est discutée.
Les spins à l’état solide adressables optiquement ont été proposés comme des transducteurs radiofréquence (RF)-optiques robustes sensibles à une fréquence RF spécifique accordée par un champ magnétique statique externe, mais nécessitent souvent un alignement précis du champ avec l’axe de symétrie du système. Ici, nous introduisons un système de spin à l’état solide isotrope, à savoir des paires de spins faiblement couplées dans du nitrure de bore hexagonal (hBN), qui agit comme un transducteur RF-optique indépendant de la direction du champ magnétique d’accord, ce qui permet une conception expérimentale grandement simplifiée. En utilisant cette plateforme, nous démontrons d’abord un récepteur RF à fréquence unique avec une accordabilité de fréquence de 0,1 à 19 GHz. Nous démontrons ensuite un analyseur de spectre RF à large bande instantané en appliquant un gradient de champ magnétique pour encoder la fréquence RF en position spatiale. Enfin, nous utilisons l’analyseur de spectre pour détecter les signaux RF transmis dans l’espace libre correspondant à la force et à la fréquence des signaux Wi-Fi typiques. Ce travail illustre les capacités uniques des spins isotropes dans le hBN à fonctionner comme des capteurs RF, tout en contournant l’exigence difficile de champs magnétiques précisément alignés auxquels sont confrontés les spins à l’état solide conventionnels.
Au cours de la dernière décennie, la prolifération de sources laser pulsées à taux de répétition élevé a facilité une fusion de la spectroscopie résolue en temps ultra-rapide avec la microscopie d’imagerie. En microscopie d’absorption transitoire (TAM), la dynamique de l’état excité d’un système est suivie en mesurant les changements dans la transmission d’une impulsion de sonde focalisée suite à la photoexcitation d’un échantillon. Généralement, ces expériences sont réalisées à l’aide d’un détecteur à photodiode et d’un amplificateur de verrouillage synchronisé avec le laser, et des images mettant en évidence l’hétérogénéité spatiale du signal TAM sont construites en balayant la sonde sur un échantillon. Effectuer la TAM en imagerie plutôt une sonde à large champ spatialement défocalisée avec une caméra multipixel pourrait accélérer considérablement l’acquisition de la dynamique résolue spatialement, mais les approches pour une telle imagerie à large champ souffrent généralement d’un rapport signal sur bruit réduit en raison d’une incompatibilité des caméras multipixel avec la détection de verrouillage à haute fréquence. Ici, nous décrivons la mise en œuvre d’une caméra capable de détection de verrouillage à haute fréquence, permettant ainsi l’imagerie TAM à large champ à des taux correspondant à ceux des lasers à taux de répétition élevé. Des images transitoires utilisant une sonde à large champ et deux configurations d’impulsions de pompe distinctes sont mises en évidence. Dans la première, une sonde à large champ a été utilisée pour imager les changements dans la distribution spatiale des molécules photoexcitées préparées par une impulsion de pompe étroitement focalisée, tandis que dans la seconde, une sonde à large champ a détecté les variations spatiales de la dynamique photoexcitée dans un cristal organique hétérogène excité par une impulsion de pompe défocalisée. Ces résultats mettent en évidence la capacité de la détection de verrouillage à haute sensibilité à permettre l’imagerie TAM à large champ, qui peut être exploitée pour approfondir notre compréhension de la dynamique de l’état excité et du transport d’excitation au sein de systèmes spatialement hétérogènes.
Le microscope quantique à diamant (QDM) est une technologie récemment développée pour l’imagerie en champ proche des champs magnétiques avec une résolution spatiale à l’échelle du micron. Dans le présent travail, nous intégrons un QDM avec un protocole de mesure à bande étroite et une caméra de verrouillage ; et nous démontrons l’imagerie de motifs de champ magnétique radiofréquence (RF) produits par des microbobines, avec une résolution spectrale ≈1,Hz. Ce RF-QDM fournit une imagerie multifréquence avec une fréquence de détection centrale qui est facilement réglable sur l’échelle du MHz, permettant la discrimination spatiale des pics spectraux encombrés et des signaux spectralement bien séparés. L’instrument actuel a une résolution spatiale ≈2μm, un champ de vision ≈300×300μm2, et une sensibilité par pixel aux champs à bande étroite ∼1nT⋅Hz−1/2. Le bruit spatial peut être réduit à l’échelle du picotesla par moyennage du signal et/ou regroupement spatial. Le RF-QDM permet l’imagerie simultanée de l’amplitude, de la fréquence et de la phase des motifs de champ magnétique à bande étroite à l’échelle du micron, avec des applications potentielles dans l’imagerie RMN en espace réel, la cartographie de la susceptibilité AC, la tomographie d’impédance, l’analyse des circuits électroniques et l’inspection spatiale basée sur les courants de Foucault.
La spectroscopie résolue en temps des nanoparticules plasmoniques est une technique essentielle pour sonder leur dynamique électronique ultra-rapide et leurs propriétés acoustiques et photothermiques subséquentes. Traditionnellement, ces expériences sont réalisées avec des faisceaux de sonde spectralement larges au niveau de l’ensemble pour obtenir des amplitudes de signal élevées. Cependant, la dynamique de relaxation des nanoparticules plasmoniques dépend fortement de leur taille, de leur forme et de leur cristallinité. En tant que tel, l’hétérogénéité inhérente à la plupart des échantillons de nanoparticules peut compliquer les efforts visant à construire des modèles microscopiques pour ces dynamiques uniquement sur la base de mesures d’ensemble. Bien que des approches pour collecter des signaux de microscopie résolue en temps à partir de nanoparticules individuelles à des longueurs d’onde de sonde sélectionnées aient été démontrées, l’acquisition de spectres résolus en temps à partir d’objets uniques reste difficile. Ici, nous démontrons une méthode alternative qui produit efficacement les spectres résolus en temps d’un seul nanodisque d’or en une seule mesure. En modulant la sortie doublée en fréquence d’un oscillateur Ti:saphir de 96 MHz à 8 kHz, nous sommes en mesure d’utiliser une caméra à réseau de pixels de verrouillage pour détecter les changements photoinduits dans la transmission d’une sonde de continuum de lumière blanche dérivée d’une fibre de cristal photonique afin de produire des spectres de transmission femtoseconde à large bande d’un seul nanodisque d’or. Nous comparons également les performances de la caméra de verrouillage pour la même nanoparticule unique aux mesures avec une photodiode à un seul élément et trouvons des sensibilités comparables. La caméra de verrouillage offre ainsi un avantage majeur en raison de sa capacité à multiplexer la détection spectrale, que nous utilisons ici pour capturer à la fois la dynamique électronique et les vibrations acoustiques d’un seul nanodisque d’or suite à une excitation laser ultra-rapide.
Les centres d’azote-lacune (NV–) dans les nanodiamants sont apparus comme une plateforme polyvalente pour un large éventail d’applications, notamment la bio-imagerie, la photonique et la détection quantique. Cependant, l’adoption généralisée des nanodiamants dans les applications pratiques a été entravée par les défis associés à leur structuration en caractéristiques à haute résolution avec un débit suffisant. Dans ce travail, nous surmontons ces limitations en introduisant une technique d’impression à bulles par écriture laser directe qui permet la fabrication précise de motifs de nanodiamants bidimensionnels. Les nanodiamants imprimés présentent une densité d’emballage élevée et une forte émission de photoluminescence, ainsi que des signaux de résonance magnétique détectée optiquement (ODMR) robustes. Nous exploitons en outre l’ODMR résolue spatialement des motifs de nanodiamants pour démontrer la cartographie des gradients de température bidimensionnels à l’aide de l’imagerie de fluorescence de verrouillage à large champ à fréquence d’images élevée. Cette capacité ouvre la voie à l’intégration de capteurs quantiques à base de nanodiamants dans des dispositifs et systèmes pratiques, ouvrant de nouvelles possibilités pour les applications impliquant l’imagerie thermique à haute résolution et la biodétection.
Cette thèse documente les recherches menées dans le développement et l’exploration de la faisabilité d’une méthode à haut débit pour mesurer les propriétés thermiques locales. Les capacités actuelles dans la mesure des propriétés thermophysiques locales telles que la conductivité thermique, la diffusivité thermique et la résistance de Kapitza sont très inefficaces et impraticables pour comprendre et caractériser pleinement le transport de chaleur à travers certains matériaux et caractéristiques. Ce travail fait suite à des travaux antérieurs sur la mesure des propriétés thermiques locales via la méthode de thermoréflectance du domaine spatial (SDTR) et explore la possibilité de paralléliser le processus. La méthode SDTR parallélisée (P-SDTR) implique l’utilisation de sources de projecteur laser pour chauffer périodiquement et mesurer les changements de réflectivité d’une surface d’échantillon à plusieurs endroits simultanément. Ces mesures sont rendues possibles par le développement d’une caméra de verrouillage qui peut mesurer les caractéristiques de la lumière modulée en utilisant l’amplification de verrouillage à plusieurs endroits sur une zone avec un capteur de caméra avancé. Cette méthode permet la mesure des propriétés thermiques locales à travers des caractéristiques telles que les joints de grains ou les propriétés directionnelles dans les matériaux anisotropes. Une configuration expérimentale est développée pour déterminer à quels paramètres de chauffage et de sondage un signal de thermoréflectance peut être mesuré. Un modèle d’éléments finis est également réalisé pour simuler le processus P-SDTR et valider que les hypothèses faites dans SDTR peuvent être faites dans les mesures P-SDTR. Il est démontré qu’à une séparation appropriée des emplacements de chauffage/mesure, les solutions de la simulation approchent celles d’un seul point de mesure. Une conception de dispositif initiale est proposée et testée. Les travaux futurs dans le développement du dispositif P-SDTR sont également présentés.
L’imagerie à large champ des signaux magnétiques à l’aide d’ensembles de centres d’azote-lacune (NV) dans le diamant suscite un intérêt croissant en raison de sa combinaison de résolution à l’échelle du micron, de champ de vision à l’échelle du millimètre et de compatibilité avec divers échantillons provenant des sciences physiques et de la vie. Récemment, l’imagerie magnétique NV à large champ basée sur le protocole de Ramsey a atteint une sensibilité uniforme et améliorée par rapport aux mesures conventionnelles. Ici, nous intégrons le protocole basé sur Ramsey avec l’entraînement du bain de spins pour prolonger le temps de déphasage du spin NV et améliorer la sensibilité magnétique. Nous utilisons également une caméra haute vitesse pour permettre l’imagerie magnétique dynamique à large champ. Nous évaluons l’utilité de ce microscope quantique à diamant (QDM) en imagerie les champs magnétiques produits à partir d’un fantôme de fil fabriqué. Sur un 270×270μm2 champ de vision, une sensibilité magnétique médiane par pixel de 4.1(1)nT/√ Hz est réalisée avec une résolution spatiale ≲10μm et une résolution temporelle inférieure à la milliseconde. Il est important de noter que le bruit magnétique spatial peut être réduit à l’échelle du picotesla par moyennage temporel et modulation du signal, ce qui permet l’imagerie d’un motif de champ magnétique avec une différence d’amplitude crête à crête d’environ 300pT. Enfin, nous discutons des nouvelles applications potentielles de ce QDM dynamique dans l’étude de la biominéralisation et des cellules électriquement actives.
La diffusion multiple pose une limite fondamentale à l’imagerie profonde, en particulier pour les méthodes d’imagerie optique à haute résolution. La fusion des mesures de la matrice de réflexion et de la tomographie par cohérence optique (OCT) a offert des avantages significatifs pour l’imagerie profonde à travers des milieux fortement diffusants. Afin de démontrer empiriquement la performance supérieure de l’OCT à matrice de réflexion (RMOCT), cette étude propose une méthode unique pour déterminer les résolutions réelles à chaque point d’imagerie. Contrairement aux résolutions latérales théoriques conventionnelles, ces résolutions sont dérivées en appliquant une décomposition par inversion temporelle à la matrice de réflexion à porte temporelle. De plus, le concept de taux de contribution, qui quantifie les contributions d’imagerie pour chaque point, est introduit en considérant le point d’imagerie local lui-même et ses points voisins. Le taux de contribution fournit une évaluation quantitative de la qualité d’imagerie offerte par un système. À notre connaissance, cette étude représente l’évaluation complète de la performance pratique de la RMOCT en termes de pouvoir de résolution réel et de qualité d’imagerie.
Les magnétomètres quantiques à diamant utilisant la détection synchrone ont détecté avec succès de faibles champs bio-magnétiques provenant de neurones, d’un muscle de mammifère vivant et d’un cœur de souris vivant. Cela ouvre la possibilité pour les magnétomètres quantiques à diamant de visualiser les distributions microscopiques des champs bio-magnétiques. Ici, nous démontrons une microscopie quantique à diamant à champ large basée sur la détection synchrone, atteignant une sensibilité moyenne par pixel normalisée en volume de 43,9 nT⋅μm1.5/Hz0.5. Nous obtenons la sensibilité en mettant en œuvre une double résonance avec entraînement hyperfin et alignement du champ magnétique le long de l’orientation <001> du diamant. De plus, nous avons démontré qu’une résolution temporelle inférieure à la milliseconde (∼ 0,4 ms) peut être atteinte à l’échelle du micromètre avec une sensibilité de quelques dizaines de nanoteslas par pixel en utilisant la microscopie quantique à diamant. Cette microscopie quantique à diamant basée sur la détection synchrone pourrait être un pas en avant dans la cartographie de l’activité fonctionnelle dans les réseaux neuronaux avec une résolution spatiale micrométrique.
L’intérêt pour la technologie quantique a augmenté au cours des dernières décennies. Les processus quantiques ont permis de mesurer les champs électriques et magnétiques, la température, etc. avec une précision et une résolution spatiale inégalées auparavant. Les centres lacunaires d’azote chargés négativement (centres NV–) dans le diamant sont un exemple émergent d’un tel système de capteur quantique. Dans cet article, je discuterai des développements et des utilisations de la détection à l’aide de « centres NV– » pour des applications en biologie, l’étude des matériaux quantiques et le développement d’une plateforme pour l’enseignement des technologies quantiques dans les laboratoires universitaires en utilisant ces systèmes utilisables à température ambiante.
Nous présentons une technique pour déterminer la susceptibilité AC à micro-échelle des matériaux magnétiques. Nous utilisons les propriétés de détection du champ magnétique des centres lacunaires d’azote (NV−) dans le diamant pour recueillir des données quantitatives sur l’état magnétique du matériau magnétique étudié. Un microscope quantique à diamant avec une caméra de détection synchrone intégrée est utilisé pour effectuer une détection synchrone pixel par pixel de la photo-luminescence NV− pour l’imagerie de champ magnétique à haute vitesse. De plus, un capteur secondaire est utilisé pour isoler l’effet du champ d’excitation des champs provenant des structures magnétiques sur les centres NV−. Nous démontrons notre technique expérimentale en mesurant la susceptibilité AC de micro-aimants en permalloy doux à des fréquences d’excitation allant jusqu’à 20 Hz avec une résolution spatiale de 1,2 µm et un champ de vision de 100 µm. Notre travail ouvre la voie à la mesure microscopique des susceptibilités AC des matériaux magnétiques pertinents pour les sciences physiques, biologiques et des matériaux.
La spectroscopie de différence Raman à excitation décalée (SERDS) est une méthode d’analyse chimique non destructive capable de supprimer le fond de fluorescence et autres perturbations du spectre Raman, grâce à l’indépendance de la fluorescence par rapport à la faible différence de longueur d’onde d’excitation. La différence de spectre est calculée lors d’une étape de post-traitement. Ici, nous démontrons l’utilisation d’une caméra de détection synchrone pour obtenir des spectres SERDS analogiques en ligne, permettant des temps d’exposition plus longs et aucune saturation, conduisant à un rapport signal sur bruit (SNR) amélioré et à une réduction du stockage des données. Deux configurations sont présentées : la première utilise un seul laser et peut supprimer les perturbations indépendantes de l’excitation, telles que la lumière ambiante ; la seconde utilise des sources décalées à deux longueurs d’onde et supprime le fond de fluorescence de manière similaire à la SERDS. Dans les deux cas, nous extrapolons expérimentalement l’amélioration attendue du SNR.
La microscopie de champ magnétique à champ de vision large a été réalisée en sondant les décalages dans le spectre de résonance magnétique détectée optiquement (ODMR) des centres de défauts lacunaires d’azote (NV) dans le diamant. Cependant, ces magnétomètres NV à diamant à champ large nécessitent quelques minutes à plusieurs minutes d’acquisition pour obtenir une seule image de champ magnétique, ce qui rend la technique temporellement statique dans sa forme actuelle. Cette limitation empêche l’application des magnétomètres NV à diamant à l’imagerie nouvelle de processus de champ magnétique à micro-échelle variant dynamiquement. Ici, nous montrons que la fréquence d’images d’imagerie de champ magnétique peut être considérablement améliorée en effectuant une détection synchrone de la photo-luminescence (PL) NV, simultanément sur plusieurs pixels d’une caméra de détection synchrone. Un protocole détaillé pour la synchronisation de la PL modulée en fréquence des centres NV avec la démodulation rapide des images de la caméra, à quelques fréquences de kilohertz, a été démontré expérimentalement. Cette technique expérimentale permet l’imagerie de champ magnétique de courants à micro-échelle variant en moins d’une seconde dans des microbobines planaires avec des fréquences d’images d’imagerie dans la plage de 50 à 200 images par seconde (fps). Notre travail démontre que la détection synchrone par pixel à champ large de l’ODMR NV modulée en fréquence permet la microscopie de champ magnétique dynamique.
La diffusion multiple à l’intérieur du milieu aléatoire limite la profondeur d’imagerie de la tomographie par cohérence optique (OCT) à 1 à 2 mm, ainsi que le degré de focalisation à la profondeur d’imagerie profonde. Dans cet article, en combinant le concept de mesure matricielle avec une tomographie par cohérence optique à champ large, nous avons effectué deux aspects du travail. Le premier concerne une profondeur d’imagerie plus profonde. En reconstruisant l’énorme matrice de réflexion de l’échantillon, puis en lui appliquant une opération d’inversion temporelle, nous filtrons avec succès la lumière diffusée unique pour l’imagerie à une profondeur de 15 fois le libre parcours moyen de diffusion (SMFP). Étant donné que la profondeur d’imagerie de l’OCT conventionnelle est de 6 à 7 fois le SMFP, notre tomographie par cohérence optique à matrice de réflexion (RMOCT) proposée est environ une fois plus profonde que l’OCT conventionnelle. La deuxième partie du travail est une méthode de mise en forme du front d’onde (WFS) à haute vitesse basée sur une analyse de champ lumineux complexe unique d’entrée et de sortie. À l’aide d’un modulateur spatial de lumière à phase uniquement, nous réalisons que la focalisation de la lumière à travers un milieu aléatoire est d’environ 113 ms. C’est environ trois fois plus rapide que la méthode itérative de mise en forme du front d’onde à rétroaction. Nous pensons que notre travail pourrait ouvrir la voie à l’application de la WFS aux méthodes d’imagerie optique et ouvrir de nouvelles méthodes vers une imagerie plus profonde à travers un milieu diffusant.
Dans un travail de recherche antérieur, publié dans Communication Physics 2020 28, nous avons proposé un nouvel algorithme pour reconstruire l’activité de champ magnétique 3D produite par les potentiels d’action AP des neurones de mammifères situés dans un volume cortical. Nous avons simulé les modèles de champ magnétique 2D à micro-échelle attendus mesurés par la microscopie NV à diamant. Dans un travail fondamental de Roth et al. 29, il a été démontré que la reconstruction de la source de courant 3D est un problème inverse non unique, à moins d’être en outre contraint par des informations de source antérieures. Nos analyses ont montré que le segment du monticule axonique dans le neurone fournit une signature dominante unique pour résoudre l’activité neuronale en 3D avec une précision suffisante. Étant donné que les champs magnétiques AP sont des phénomènes à l’échelle de la milliseconde, notre configuration de microscopie magnétique dynamique peut nous permettre de sonder de nouveaux champs magnétiques associés à l’AP à la résolution du microscope. Dans la réf. 30, nous avons démontré pour la première fois un microscope de champ magnétique à champ large capable de sonder des caractéristiques de champ magnétique à micro-échelle variant dynamiquement à des fréquences d’images d’imagerie réglables de 50 à 200 images par seconde.
La visualisation microscopique d’échantillons optiquement transparents est un sujet d’intérêt depuis plusieurs décennies. Des caractéristiques telles que la densité ou la composition chimique peuvent influencer la phase optique de la lumière transmise, et le contraste de phase peut révéler ces structures. Plusieurs méthodes de contraste de phase ont été développées, qui peuvent être classées comme interférométriques ou non interférométriques, en fonction du type de propriétés de cohérence de la lumière utilisée. Dans ce travail, je me concentre sur le contraste de phase basé sur l’incohérence, en particulier le contraste de phase différentiel (DPC). Le choix de la lumière incohérente apporte des avantages tels que l’absence de distorsions comme les motifs de speckle et les motifs d’anneaux, une résolution spatiale accrue et une configuration plus simple qui peut être utilisée pour des applications in vivo. De plus, le DPC permet la reconstruction de cartes de phase quantitatives des échantillons. D’autre part, les techniques basées sur la cohérence démontrent des performances supérieures en termes de sensibilité de phase. La première partie de cette thèse offre une analyse quantitative de la sensibilité de phase du DPC et étudie l’influence des paramètres optiques et des caractéristiques de l’échantillon. Avec des simulations et des expériences, une relation entre l’ouverture numérique et la sensibilité de phase est démontrée, et le concept d’adaptation spectrale est introduit pour améliorer le contraste. Les méthodes peuvent être généralisées à n’importe quelle configuration DPC et permettent une étude a priori de la sensibilité d’un microscope DPC au stade de la conception plutôt que par des tests. La comparaison entre la meilleure sensibilité qui peut être atteinte en DPC et les techniques interférométriques de pointe montre qu’il n’est pas possible d’atteindre des performances comparables en un seul cliché. Dans cette thèse, il est démontré que la raison de cette limitation est le fort fond dans les images DPC, qui dégrade la plage dynamique. Les images DPC sont obtenues avec des éclairages en miroir, pour lesquels le fond est identique et le terme de phase change de signe. La différence entre ces paires d’images est calculée numériquement, ce qui n’améliore pas la plage dynamique limitée. Le DPC à détection synchrone est proposé comme solution : au lieu d’échantillonner différents états d’éclairage, le DPC à détection synchrone démodule le signal de phase lorsque l’éclairage est commuté, et le fond n’est jamais codé. Ceci est rendu possible par la commutation périodique des sources couplée à un détecteur de pixels intelligents, la soi-disant « caméra de détection synchrone ». Une partie de ce travail est consacrée à la description théorique de cette méthode et à l’analyse du bénéfice attendu. Des expériences sont également décrites, qui démontrent une amélioration d’un facteur 8 de la sensibilité en un seul cliché par rapport au DPC standard. Le DPC n’est pas la seule technique d’imagerie à souffrir d’un fond de forte intensité : il est facile de voir comment l’utilisation d’une caméra de détection synchrone pour l’imagerie différentielle peut être généralisée à toute situation où de faibles modulations peuvent être induites sur un fond fort. Ici, un exemple est présenté avec la spectroscopie de différence Raman à excitation décalée (SERDS) à détection synchrone. La SERDS est une technique de spectroscopie Raman établie qui tire parti du fait que le spectre d’émission Raman est relatif à la longueur d’onde d’excitation pour supprimer l’émission de fluorescence indésirable. Deux spectres avec des longueurs d’onde d’excitation décalées sont mesurés, leur différence est calculée et la fluorescence est ainsi supprimée numériquement. Le parallèle avec le DPC est immédiatement apparent. Des simulations et des expériences sont utilisées pour démontrer l’avantage de la démodulation analogique.
La variation de la contrainte cristalline impose des limitations importantes à de nombreuses applications de détection quantique et d’information pour les qubits de défauts à l’état solide dans le diamant. Ainsi, la mesure et le contrôle précis de la contrainte cristalline du diamant sont un défi clé. Ici, nous rapportons des mesures de contrainte du diamant avec un ensemble unique de capacités, y compris une résolution spatiale à l’échelle du micron, un champ de vision à l’échelle du millimètre et une amélioration de 2 ordres de grandeur de la sensibilité normalisée en volume par rapport aux travaux précédents, atteignant 5(2)×10−8(Hz μm-3)1/2 (avec des coefficients de couplage spin-contrainte représentant l’incertitude systématique dominante). Nous utilisons l’interférométrie d’état de spin sensible à la contrainte sur des ensembles de centres de couleur lacunaires d’azote (N-V) dans du diamant massif monocristallin avec de faibles gradients de contrainte. Cette technique d’interférométrie quantique offre une insensibilité à l’inhomogénéité du champ magnétique provenant du bain de spin électronique et nucléaire, permettant ainsi de longs temps de déphasage de spin électronique de l’ensemble N-V et une sensibilité à la contrainte améliorée, ainsi que d’élargir les applications potentielles de la technique au-delà du diamant enrichi isotopiquement ou de haute pureté. Nous démontrons le protocole de mesure sensible à la contrainte d’abord sur un microscope laser à balayage confocal, fournissant une mesure quantitative de la sensibilité ainsi qu’une cartographie de la contrainte tridimensionnelle ; et deuxièmement sur un microscope quantique à diamant à imagerie à champ large. Notre technique de microscopie de contrainte permet une caractérisation rapide et sensible pour l’ingénierie des matériaux de diamant et la nanofabrication ; ainsi que la détection à base de diamant des contraintes appliquées de l’extérieur, comme dans les cellules d’enclume de diamant ou les capteurs de contrainte de diamant intégrés, ou de l’intérieur, comme par les dommages cristallins dus aux reculs nucléaires induits par les particules.
La capacité de mesurer le passage du courant électrique avec une résolution spatiale et temporelle élevée est essentielle pour les applications allant de l’inspection des circuits électroniques microscopiques à la biodétection. La capacité d’imager ces signaux passivement et à distance est d’une grande importance, afin de mesurer sans perturbation invasive du système étudié ou du signal lui-même. Une approche récente pour y parvenir utilise des défauts ponctuels dans les matériaux à l’état solide ; en particulier, les centres lacunaires d’azote dans le diamant. Agissant comme un réseau à haute densité de capteurs indépendants, adressables opto-électroniquement et très sensibles à des facteurs tels que la température et le champ magnétique, ils sont idéalement adaptés à l’imagerie microscopique à champ large. Dans ce travail, nous démontrons des signaux de récupération simultanés résolus spatialement et temporellement à partir d’un circuit microscopique à motifs lithographiques. Grâce à l’application d’une caméra d’amplificateur de détection synchrone, nous démontrons une résolution d’imagerie à l’échelle du micromètre avec un champ de vision à l’échelle du millimètre avec une récupération simultanée résolue spatialement en moins d’une milliseconde (jusqu’à 3 500 images s−1) de signaux électriques de courant continu à alternatif et à impulsions à large bande de kilohertz, sans aliasing ni sous-échantillonnage. Nous démontrons comme exemples de notre méthode la récupération de signaux synthétiques reproduisant des impulsions numériques dans des circuits intégrés et des signaux qui seraient observés dans un réseau neuronal biologique dans le cerveau.
Nous introduisons une méthode de détection synchrone pour augmenter le contraste de phase dans le contraste de phase différentiel (DPC) incohérent
imagerie. Cette méthode améliore la sensibilité de phase par la suppression analogique du fond. L’utilisation d’un
détecteur de pixels intelligents avec démodulation du signal dans le pixel, associé à un éclairage de commutation synchronisé, fournit
la base d’une approche efficace en bits pour émuler un DPC à détection synchrone. Les expériences montrent une sensibilité accrue d’un
facteur allant jusqu’à 8, comme prévu par la théorie, et une réduction des données collectées d’un facteur 70, pour des mesures DPC standard équivalentes
; une sensibilité en un seul cliché de 0,7 mrad à une fréquence d’images de 1 400 images par seconde est démontrée.
Cette nouvelle approche pourrait ouvrir la voie à l’utilisation de la microscopie de phase incohérente dans les applications biologiques où
une sensibilité de phase extrême et un temps de réponse de la milliseconde sont requis.
La diffusion multiple de la lumière est considérée comme la principale limitation de l’imagerie profonde et de la focalisation dans les milieux turbides. Dans cet article, nous présentons une méthode innovante pour surmonter cette limitation et améliorer la transmission de l’énergie lumineuse ultra-profondément dans les milieux turbides, avec une amélioration significative de la focalisation. Notre méthode est basée sur une tomographie par cohérence optique à matrice de réflexion en champ large (RM-OCT). La décomposition par inversion temporelle de la RM est calibrée avec le paramètre de régularisation de Tikhonov afin d’obtenir des résultats d’inversion plus précis au plus profond de l’échantillon diffusant. Nous proposons un concept appelé matrice d’énergie du modèle, qui fournit une cartographie directe de la distribution de l’énergie lumineuse à l’intérieur de l’échantillon diffusant. À notre connaissance, c’est la première fois qu’une méthode de mesure et de quantification de la distribution de l’intensité du faisceau à l’intérieur d’un échantillon diffusant est démontrée. En utilisant l’inversion de la RM pour trouver le front d’onde correspondant et en le façonnant avec un modulateur spatial de lumière à phase uniquement, nous avons réussi à la fois à focaliser un faisceau profondément (~9,6 fois le libre parcours moyen de diffusion, SMFP) à l’intérieur de l’échantillon et à augmenter la transmission de l’énergie lumineuse d’un ordre de grandeur à une position ultra-profonde (~14,4 SMFP). Cette technique fournit un outil puissant pour comprendre la propagation des photons dans un milieu diffusant et ouvre une nouvelle voie pour focaliser la lumière à l’intérieur des tissus biologiques.
Les capteurs 3D à temps de vol (ToF) de pointe souffrent d’une mauvaise résolution latérale et de profondeur. Dans ce travail, nous présentons un nouveau concept de capteur qui fournit des mesures 3D basées sur le ToF d’objets du monde réel avec des précisions de profondeur allant jusqu’à 35 µm et des densités de nuages de points
aux résolutions natives des capteurs des caméras CMOS/CCD de pointe (jusqu’à plusieurs mégapixels). Contrairement à d’autres principes ToF à modulation d’amplitude à ondes continues, notre approche exploite
la diversité de longueur d’onde pour une mesure de surface interférométrique d’objets macroscopiques avec
des surfaces rugueuses ou spéculaires. Sur la base de ce principe, nous présentons trois réalisations différentes
de capteurs prototypes, exploitant trois architectures de capteurs différentes.
Nous développons un nouveau type de méthode de détermination du front d’onde à haute vitesse avec une seule mesure de rétroaction pour focaliser la lumière à travers un libre parcours moyen de diffusion de 15,2 en ∼113 ms. Notre méthode est basée sur un interféromètre de sensibilité de phase à détection hétérodyne. Tout d’abord, la matrice qui décrit le processus de propagation de la lumière dans l’échantillon est mesurée par l’analyse des champs optiques d’entrée et de sortie uniques. Ensuite, en utilisant un modulateur spatial de lumière pour remodeler la lumière incidente avec un front d’onde correspondant, un faisceau focalisé est observé derrière l’échantillon. La méthode de focalisation de la lumière à haute vitesse proposée ouvrira un nouveau mode de balayage ponctuel vers une imagerie plus profonde à travers des tissus biologiques hautement diffusants.
Les capteurs 3D à temps de vol (ToF) de pointe souffrent d’une mauvaise résolution latérale et de profondeur. Dans ce travail, nous présentons un nouveau concept de capteur qui fournit des mesures 3D basées sur le ToF d’objets du monde réel avec des précisions de profondeur allant jusqu’à 35 µm et des densités de nuages de points aux résolutions natives des capteurs des caméras CMOS/CCD de pointe (jusqu’à plusieurs mégapixels). Contrairement à d’autres principes ToF à modulation d’amplitude à ondes continues, notre approche exploite la diversité de longueur d’onde pour une mesure de surface interférométrique d’objets macroscopiques avec des surfaces rugueuses ou spéculaires. Sur la base de ce principe, nous présentons trois réalisations différentes de capteurs prototypes, exploitant trois architectures de capteurs différentes.
Nous présentons un protocole de mesure double quantum (DQ) 4-Ramsey qui permet l’imagerie magnétique à champ large en utilisant des centres azote-lacune (N-V) dans le diamant, avec une homogénéité améliorée de la sensibilité magnétique par rapport aux techniques conventionnelles à quantum unique (SQ). Le protocole DQ 4-Ramsey utilise l’alternance de phase micro-onde à travers quatre mesures Ramsey consécutives (4-Ramsey) pour isoler le signal magnétique DQ souhaité de tout signal SQ résiduel induit par des erreurs d’impulsion micro-onde. Dans une expérience de démonstration utilisant une couche N-V de 1 μm d’épaisseur dans une puce de diamant macroscopique, le protocole DQ 4-Ramsey fournit une sensibilité magnétique dc normalisée en volume de ηV = 34 nT Hz −1/2 μm 3/2 sur un champ de vision de 125 μm × 125 μm,
avec environ 5 × moins de variation spatiale de la sensibilité sur le champ de vision par rapport à une mesure SQ. L’amélioration de la robustesse et de l’homogénéité de la sensibilité magnétique du protocole DQ 4-Ramsey permet l’imagerie de sources magnétiques à large bande dynamiques telles que les circuits intégrés et les cellules électriquement actives.
Nous développons un nouveau type de méthode de détermination du front d’onde à haute vitesse avec une seule mesure de rétroaction pour focaliser la lumière à travers un libre parcours moyen de diffusion de 15,2 en ∼113 ms. Notre méthode est basée sur un interféromètre de sensibilité de phase à détection hétérodyne. Tout d’abord, la matrice qui décrit le processus de propagation de la lumière dans l’échantillon est mesurée par l’analyse des champs optiques d’entrée et de sortie uniques. Ensuite, en utilisant un modulateur spatial de lumière pour remodeler la lumière incidente avec un front d’onde correspondant, un faisceau focalisé est observé derrière l’échantillon. La méthode de focalisation de la lumière à haute vitesse proposée ouvrira un nouveau mode de balayage ponctuel vers une imagerie plus profonde à travers des tissus biologiques hautement diffusants.
La capacité de mesurer le passage du courant électrique avec une résolution spatiale et temporelle élevée est essentielle pour des applications allant de l’inspection de circuits électroniques microscopiques à la biodétection. Être capable d’imager ces signaux passivement et à distance en même temps est d’une grande importance, pour mesurer sans perturbation invasive du système étudié ou du signal lui-même. Une nouvelle approche pour y parvenir utilise des défauts ponctuels dans les matériaux solides, en particulier les centres azote-lacune (NV) dans le diamant. Agissant comme un réseau à haute densité de capteurs indépendants, adressables opto-électroniquement et très sensibles à des facteurs tels que la température et le champ magnétique, ils sont idéalement adaptés à l’imagerie microscopique à champ large. Dans ce travail, nous démontrons une telle imagerie de signaux provenant d’un circuit microscopique à motifs lithographiques à l’échelle du micromètre. En utilisant un nouveau type de caméra à amplificateur de verrouillage, nous démontrons la récupération spatialement résolue en sub-millisecondes (jusqu’à 3500 images par seconde) de signaux de courant électrique AC et pulsés, sans aliasing ni sous-échantillonnage. Enfin, nous démontrons, à titre de preuve de principe, la récupération de signaux synthétiques reproduisant la forme exacte des signaux dans un réseau neuronal biologique : l’hippocampe d’une souris.
La microscopie de champ magnétique à champ de vision large a été réalisée en sondant les décalages dans le spectre de résonance magnétique détectée optiquement (ODMR) des centres de défauts azote-lacune (NV) dans le diamant. Cependant, ces magnétomètres NV de diamant à champ large nécessitent quelques minutes à plusieurs minutes d’acquisition pour obtenir une seule image de champ magnétique, ce qui rend la technique temporellement statique dans sa forme actuelle. Cette limitation empêche l’application des magnétomètres NV de diamant à l’imagerie nouvelle de processus de champ magnétique à micro-échelle variant dynamiquement. Ici, nous montrons que la fréquence d’images d’imagerie de champ magnétique peut être considérablement améliorée en effectuant une détection de verrouillage de la photo-luminescence (PL) NV, simultanément sur plusieurs pixels d’une caméra de verrouillage. Un protocole détaillé pour la synchronisation de la PL modulée en fréquence des centres NV avec la démodulation rapide des images de la caméra, à quelques fréquences de kilohertz, a été démontré expérimentalement. Cette imagerie NV de diamant modifiée permet à jusqu’à dix mille pixels de suivre simultanément une forme d’onde de champ magnétique appliquée de variation temporelle sub-seconde à des fréquences d’images d’imagerie de 50 à 200 Hz. Notre travail démontre que la détection de verrouillage par pixel à champ large, en combinaison avec l’ODMR NV modulé en fréquence, permet une microscopie de champ magnétique dynamique à l’échelle de la milliseconde.
La diffusion multiple de la lumière dans les tissus biomédicaux limite la profondeur de pénétration des systèmes d’imagerie optique tels que la tomographie par cohérence optique. Pour augmenter la profondeur d’imagerie dans les milieux diffusants, une méthode computationnelle basée sur la mesure de la matrice de réflexion cohérente a été développée en utilisant l’interférométrie à faible cohérence. La matrice de réflexion complexe est obtenue par balayage point par point suivi d’une méthode de déphasage ; puis la décomposition en valeurs singulières est utilisée pour récupérer la lumière rétrodiffusée individuellement. Cependant, l’application in vivo de la méthode actuellement rapportée est limitée en raison de la faible vitesse d’acquisition de la matrice. Dans cette lettre, une méthode de détection hétérodyne à champ large est adoptée pour accélérer la mesure de la matrice complexe à une couche tissulaire profonde. Comparée à la méthode de déphasage, le schéma de détection hétérodyne récupère les amplitudes complexes résolues en profondeur plus rapidement et est plus stable sans mouvement mécanique du miroir de référence. En conséquence, la vitesse de mesure de la matrice est augmentée de plus d’un ordre de grandeur.
La présence d’un milieu diffusant dans le trajet d’imagerie entre un objet et un observateur est connue pour limiter sévèrement l’acuité visuelle du système d’imagerie. Nous présentons une approche pour contourner les effets délétères de la diffusion, en exploitant les corrélations spectrales dans les fronts d’onde diffusés. Notre méthode d’holographie à longueur d’onde synthétique (SWH) est capable de récupérer une représentation holographique de cibles cachées avec une haute résolution sur un large champ de vision. Le champ d’objet complet est enregistré de manière instantanée, en surveillant le retour de lumière diffusée dans une petite zone de sonde. Cette combinaison unique d’attributs ouvre une pléthore de nouvelles applications d’imagerie hors ligne de visée allant de l’imagerie médicale et de la criminalistique, à
13 systèmes de navigation d’alerte précoce et de reconnaissance. L’adaptation des résultats de ce travail à d’autres phénomènes ondulatoires aidera à débloquer une plus large gamme d’applications au-delà de celles envisagées dans cet article.
Nous présentons une nouvelle technique d’imagerie hors ligne de visée qui emprunte des idées à l’interférométrie multi-longueur d’onde et à l’holographie numérique à distance. Notre méthode atteint une résolution de quelques mm, ce qui dépasse de loin la résolution des méthodes conventionnelles.
Les techniques d’imagerie conventionnelles en ligne de visée reposent sur la détection des trajets de lumière rebondissant sur l’objet et atteignant directement le détecteur. L’absence de tels trajets de lumière directs de l’objet au détecteur entraîne l’échec de la récupération de toute information utile en utilisant les techniques conventionnelles. L’absence de trajets de lumière directs de l’objet au détecteur peut être observée dans plusieurs scénarios du monde réel tels que regarder autour d’un coin, imager à travers des milieux turbides, imager à travers des tissus, etc.
L’objectif de cette thèse est lié au problème de regarder autour des coins (ou) d’imager des objets cachés de la ligne de visée à des échelles macroscopiques. Cette thèse se concentre sur l’adaptation de l’interférométrie hétérodyne pour contourner les pertes de radiométrie dues à la diffusion et ainsi permettre son utilisation dans des scénarios pratiques plus difficiles. Les objets cachés autour d’un coin ont été reconstruits avec une résolution de 500 µm à une distance de 0,8 mètre. En utilisant l’interférométrie hétérodyne et les techniques de détection de verrouillage, l’hologramme de l’objet caché pourrait être obtenu même en cas de pertes de radiométrie importantes sans aucune adaptation de puissance. Est également discutée l’estimation du mouvement rapidement variable et lentement variable des objets autour d’un coin en utilisant respectivement les décalages Doppler et les corrélations de speckle.
L’interférométrie dynamique permet la récupération instantanée d’images de phase en utilisant le déphasage de polarisation. Cependant, l’estimation de phase est susceptible d’être influencée par des sources de lumière ambiante ayant une polarisation incontrôlée. Nous présentons une nouvelle méthode, l’interférométrie hétérodyne dynamique (DHI), comme un moyen d’atténuer le biais de phase des sources de lumière ambiante, tout en conservant le potentiel dynamique.
L’effort de recherche OMNISCIENT cherche à relever le défi de l’imagerie indirecte grâce à l’utilisation d’un éclairage actif.
Le cadre de base exploite le concept de sources virtuelles d’éclairage et de détecteurs virtuels,
qui représentent des surfaces de diffusion qui sont en vue directe à la fois de l’objet caché et du système d’imagerie indirecte.
L’approche exploite la rugosité intrinsèque des surfaces de diffusion pour faciliter l’éclairage indirect
d’objets cachés de la vue et intercepter la lumière réfléchie par les objets cachés. L’effort est
axé sur la conception, le développement et l’intégration de deux voies distinctes pour récupérer les informations de scène latentes.
La magnétométrie optique sensible en temps réel avec des centres azote-lacune dans le diamant repose sur l’imagerie précise de petits (≪10−2) changements de fluorescence fractionnaires à travers l’échantillon de diamant. Nous discutons des limitations de la sensibilité du champ magnétique résultant du nombre limité de photoélectrons qu’une caméra peut enregistrer dans un temps donné. Plusieurs types de capteurs de caméra sont analysés, et le plus petit changement de champ magnétique mesurable est estimé pour chaque type. Nous montrons que la plupart des capteurs courants sont d’une utilité limitée dans de telles applications, tandis que certaines caméras très spécifiques permettent d’atteindre une sensibilité de niveau nanotesla en 1 s d’une exposition combinée. Enfin, nous démontrons les résultats obtenus avec une caméra de verrouillage qui ouvre la voie à la magnétométrie en temps réel à champ large au niveau nanotesla et avec une résolution micrométrique.
L’éclairage structuré a été utilisé pour super-résoudre des objets microscopiques et fournir des informations topographiques dans les applications de vision par ordinateur. Motivée par les réalisations dans ces domaines et tirant parti des techniques utilisées dans les systèmes astronomiques à ouverture clairsemée, une approche est développée pour super-résoudre des objets macroscopiques dans des scénarios typiques du monde réel. Les défis de la super-résolution des environnements 3D non contrôlés sont abordés. Une approche est présentée qui permet la collecte d’informations topographiques 3D tout en super-résolvant. Ces techniques utilisent un éclairage incohérent pour résoudre les détails spatiaux dans une image d’intensité. Pour les scénarios d’imagerie indirecte, cette approche est adaptée avec un éclairage cohérent structuré pour super-résoudre la phase à distance.
La magnétométrie optique sensible en temps réel avec des centres azote-lacune dans le diamant repose sur une imagerie précise de petits changements fractionnaires de fluorescence (≪10−2) à travers l’échantillon de diamant. Nous discutons des limitations de la sensibilité au champ magnétique résultant du nombre limité de photoélectrons qu’une caméra peut enregistrer dans un temps donné. Plusieurs types de capteurs de caméra sont analysés et le plus petit changement de champ magnétique mesurable est estimé pour chaque type. Nous montrons que la plupart des capteurs courants sont d’une utilité limitée dans de telles applications, tandis que certaines caméras très spécifiques permettent d’atteindre une sensibilité de niveau nanotesla en 1 s d’une exposition combinée. Enfin, nous démontrons les résultats obtenus avec une caméra à verrouillage de phase qui ouvre la voie à une magnétométrie à large champ en temps réel au niveau nanotesla et avec une résolution micrométrique.
L’article décrit une adaptation de l’interférométrie hétérodyne pour récupérer des hologrammes d’objets cachés derrière des surfaces de diffusion, en une seule prise. Une caméra à verrouillage de phase dotée d’une démodulation synchrone au niveau des pixels facilite le processus.
Un certain nombre d’extensions au modèle standard de la physique des particules prédisent un moment dipolaire électrique permanent de l’électron (eEDM) dans la plage des limites expérimentales actuelles. Le ThF+ piégé sera utilisé dans une prochaine génération de l’expérience JILA eEDM. Ici, nous présentons une spectroscopie d’étude extensive de ThF+ dans la région spectrale 700–1000 nm, avec la plage 700–900 nm entièrement couverte en utilisant la spectroscopie de modulation de vitesse à peigne de fréquences. Nous avons déterminé que l’état fondamental électronique de ThF+ est X 3Δ1, qui est l’état sensible à l’eEDM. De plus, nous rapportons des constantes rotationnelles et vibrationnelles de haute précision pour 14 états électroniques de ThF+, y compris les états excités qui peuvent être utilisés pour transférer et lire la population dans l’expérience eEDM.
La focalisation optique à codage ultrasonore inversée dans le temps mesure le front d’onde de la lumière marquée ultrasoniquement, puis conjugue en phase la lumière marquée vers le foyer ultrasonore, focalisant ainsi la lumière profondément à l’intérieur des milieux de diffusion. Dans les travaux précédents, la vitesse de mesure du front d’onde était limitée par les faibles fréquences d’images des caméras conventionnelles. De plus, ces caméras utilisaient la plupart de leurs bits pour représenter un arrière-plan sans information lorsque le rapport signal sur bruit était faible, ce qui entraînait une efficacité extrêmement faible dans l’utilisation des bits. Ici, en utilisant une caméra à verrouillage de phase, nous augmentons l’efficacité des bits et réduisons la charge de transfert de données en numérisant uniquement le signal après avoir rejeté l’arrière-plan. Avec cette caméra, nous avons obtenu le front d’onde de la lumière marquée ultrasoniquement après une seule image de mesure prise en 0,3 ms, et focalisé la lumière entre deux diffuseurs. La sensibilité de phase a atteint 0,51 rad même lorsque le SBR est de 6×10−4.
La tomographie optique modulée par ultrasons (UOT) image le contraste optique profondément à l’intérieur des milieux de diffusion. L’UOT basée sur l’holographie hétérodyne est une technique prometteuse qui utilise une caméra pour la détection parallèle des tavelures. Dans les travaux précédents, la vitesse d’acquisition de données était limitée par les faibles fréquences d’images des caméras conventionnelles. De plus, lorsque le rapport signal sur bruit était faible, ces caméras gaspillaient la plupart de leurs bits à représenter un arrière-plan sans information, ce qui entraînait une efficacité extrêmement faible dans l’utilisation des bits. Ici, en utilisant une caméra à verrouillage de phase, nous augmentons l’efficacité des bits et réduisons la charge de transfert de données en numérisant uniquement le signal après avoir rejeté l’arrière-plan. De plus, comparée à la méthode conventionnelle de mesure d’amplitude basée sur quatre images, notre méthode à une seule image est plus insensible à la décorrélation des tavelures. En utilisant l’UOT basée sur une caméra à verrouillage de phase avec un temps d’intégration de 286 μs, nous avons imagé un objet absorbant enfoui à l’intérieur d’un milieu de diffusion dynamique présentant un temps de corrélation des tavelures (τc) aussi court que 26 μs. Étant donné que notre méthode peut tolérer une décorrélation des tavelures plus rapide que celle trouvée dans les tissus biologiques vivants (τc ∼ 100–1000 μs), elle est prometteuse pour l’imagerie non invasive des tissus profonds in vivo.
Ce travail a été financé en partie par les subventions des National Institutes of Health Nos. DP1 EB016986 et R01 CA186567.
Pour les méthodes de microscopie à super-résolution basées sur la commutation stochastique et la localisation de molécules uniques, afin d’améliorer simultanément la résolution spatio-temporelle, il est nécessaire de maximiser le nombre de photons qui peuvent être collectés à partir de molécules uniques par unité de temps. Ici, nous décrivons une nouvelle approche pour améliorer l’intensité du signal (photons collectés par seconde) provenant des sondes de fluorescence en introduisant un processus optique d’émission stimulée (SE). Ce processus est basé sur les deux propriétés suivantes : premièrement, avec des paramètres raisonnables, le taux d’émission de photons peut être considérablement augmenté avec la SE ; et deuxièmement, les photons SE, qui sont spatialement cohérents avec le faisceau de stimulation, sont plus favorables à la collecte que la fluorescence. Les résultats théoriques ont montré que l’intensité du signal provenant d’une seule molécule fluorescente peut être grandement améliorée avec la SE. Nous avons donc montré, en utilisant la SE en combinaison avec la méthodologie de localisation de molécules uniques, qu’une imagerie rapide à un taux de 0,05 s par image reconstruite avec des résolutions latérales de ∼30 nm∼30 nm peut être obtenue.
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Nous discutons de deux schémas d’imagerie THz ultrarapide, tous deux constituant une réponse non perturbative des milieux gazeux ou à l’état solide aux champs de polarisation THz et offrant ainsi une détection très sensible de ces derniers. Dans la première approche, nous utilisons le plasma de claquage de l’air pour la cartographie espace-temps du champ THz. Dans la deuxième approche, nous induisons par THz une forte réponse d’électroabsorption dans l’échantillon à puits quantiques multiples d’une épaisseur bien inférieure à la longueur d’onde de la polarisation THz. En tant que tel, l’imagerie ultralarge bande des impulsions THz quasi monocycle peut être possible
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L’interférométrie en lumière blanche est une technologie très précise pour les mesures 3D. Le principe est largement utilisé dans les instruments de métrologie de surface, mais rarement adopté pour les systèmes d’inspection en ligne. Les principaux défis pour le déploiement de systèmes d’inspection basés sur l’interférométrie en lumière blanche sur le plancher de production sont sa sensibilité aux vibrations environnementales et ses temps de mesure relativement longs : une grande quantité de données doit être acquise et traitée afin d’obtenir une seule mesure topographique. Heliotis a développé une caméra CMOS à pixels intelligents (caméra à verrouillage de phase) spécialement conçue pour l’interférométrie en lumière blanche. La démodulation du signal d’interférence est traitée au niveau du pixel, ce qui réduit généralement les données d’acquisition d’un ordre de grandeur. Parallèlement à la bande passante élevée de la caméra à verrouillage de phase dédiée, des vitesses de balayage vertical de plus de 40 mm/s sont atteignables. La vitesse de balayage élevée permet la réalisation de systèmes d’inspection robustes contre les vibrations externes présentes sur le plancher de production. Pour de nombreuses applications industrielles telles que l’inspection des bosses de plaquettes, la surface des pièces mécaniques et les panneaux solaires, de grandes surfaces doivent être mesurées. Dans ce cas, soit l’instrument, soit l’échantillon sont déplacés latéralement et plusieurs mesures sont assemblées. Le temps de cycle d’un tel système est principalement limité par le temps de pas pour plusieurs déplacements latéraux. Un scanner de ligne basé sur l’interférométrie en lumière blanche éliminerait la plupart du temps de pas tout en maintenant la robustesse et la précision. A. Olszak a proposé une géométrie simple pour réaliser un tel interféromètre à balayage latéral. Nous démontrons que ces interféromètres inclinés peuvent bénéficier considérablement des capacités de démodulation rapide dans le pixel de la caméra à verrouillage de phase. Un inconvénient d’une perspective d’observation inclinée est que son application est limitée aux objets avec des surfaces de diffusion. Nous proposons donc une géométrie alternative où la lumière incidente est normale à la surface de l’objet et où un réseau incliné est utilisé comme miroir de référence.
La vélocimétrie Doppler laser d’imagerie (ILDV) est une nouvelle technique de mesure d’écoulement, qui permet la mesure de la vitesse dans un plan d’imagerie. Il s’agit d’une évolution de la vélocimétrie Doppler globale hétérodyne (HDGV) et peut être considérée comme l’extension planaire de la vélocimétrie Doppler laser (LDV) à double faisceau classique en croisant des nappes de lumière dans l’écoulement au lieu de faisceaux laser focalisés. Les particules d’ensemencement dans l’écoulement sont éclairées à partir de deux directions différentes, et la lumière diffusée par les particules en mouvement présente un décalage de fréquence dû à l’effet Doppler. Le décalage de fréquence dépend de la direction de l’éclairage et de la vitesse de la particule. La superposition des deux signaux décalés en fréquence différents sur le détecteur crée une interférence et conduit à un signal modulé en amplitude dans lequel la fréquence de modulation dépend de la vitesse de la particule. Ce signal est détecté en utilisant soit une caméra à haute vitesse, soit alternativement un réseau d’imagerie à pixels intelligents. Ce réseau de détecteurs effectue une détection en quadrature sur chaque pixel avec une fréquence de démodulation maximale de 250 kHz. Pour démontrer la faisabilité de la technique, deux expériences sont présentées : La première expérience compare la distribution de vitesse mesurée d’un jet libre en utilisant l’ILDV effectuée avec le réseau de détecteurs à pixels intelligents et une caméra à haute vitesse avec une mesure de référence utilisant la PIV. La deuxième expérience montre une configuration avancée utilisant deux réseaux de détecteurs à pixels intelligents pour mesurer la distribution de vitesse sur un disque rotatif, démontrant le potentiel de la technique pour les mesures d’écoulement à haute vitesse.
L’article présente une application de la nouvelle caméra Smart-Pixel au système d’interféromètre hétérodyne. Cette solution fournit une extension importante aux systèmes hétérodynes classiques permettant des mesures en champ complet. La caméra permet la démodulation directe des signaux optiques sinusoïdaux dépendant du temps en créant des signaux de sortie I (en phase) et Q (en quadrature de phase), ce qui conduit à un calcul supplémentaire de l’amplitude et de la phase du signal analysé. Les expériences préliminaires ont donné la preuve de concept pour le système et ont en même temps fourni des informations sur les limitations des systèmes qui sont dues à la spécification actuelle de la caméra.
La spectroscopie de précision de HfF+ piégé sera utilisée pour rechercher le moment dipolaire électrique permanent de l’électron (eEDM). Avant cette étude, les informations spectroscopiques nécessaires à la préparation de l’état, à la lecture et à l’analyse des erreurs systématiques n’étaient pas disponibles. Nous avons développé une technique puissante pour la spectroscopie d’étude à large bande et à haute résolution des ions moléculaires qui combine la spectroscopie directe à peigne de fréquences améliorée par cavité avec la spectroscopie de modulation de vitesse (vms) et l’avons utilisée pour mesurer quatre bandes dans HfF+ sur une bande passante de 1000 cm−1 près de 800 nm. De plus, nous avons effectué des balayages ciblés avec vms laser cw pour trouver 15 bandes supplémentaires de 9950 à 14600 cm−1. Nous présentons une analyse détaillée de ces bandes pour obtenir des constantes rovibrationnelles de haute précision, des dédoublements Λ et des séparations isotopiques pour huit états électroniques. Nous utilisons également nos résultats pour améliorer les prédictions théoriques et discuter des implications de nos mesures pour les expériences eEDM. Ces résultats démontrent l’application du peigne de fréquences et du cw-vms pour la spectroscopie à large bande et à haute résolution des ions moléculaires.
Dans l’article, le nouveau type de capteur mobile basé sur la tomographie en cohérence optique est présenté. Pour augmenter la plage de mesure, le système de focalisation dynamique spécial qui déplace le plan d’imagerie pendant le processus de balayage axial est utilisé. Par conséquent, le système développé permet de se concentrer sur la couche mesurée. De plus, pour l’analyse d’image, le type spécial de matrice CMOS (appelée caméra à pixels intelligents), synchronisée avec un transducteur de miroir de référence, est appliqué. En raison de la réalisation matérielle d’une analyse de contraste de franges simultanément dans chaque pixel à haute fréquence, le temps de mesure diminue considérablement. Ces avantages, associés à une conception compacte, permettent d’utiliser le capteur comme dispositif mobile pour les mesures de la topographie de surface, de l’épaisseur des couches de surface et de la détection des défauts de subsurface en laboratoire, en atelier et en extérieur. L’étalonnage du capteur conçu et son application aux mesures technologiques des couches d’étiquettes autocollantes sont présentés et discutés.
Nous avons démontré une nouvelle technique qui fournit une spectroscopie à peigne massivement parallèle sensible spécifiquement aux ions grâce à la combinaison de la spectroscopie directe à peigne de fréquences améliorée par cavité avec la spectroscopie de modulation de vitesse. En utilisant ce nouveau système, nous avons mesuré les transitions électroniques de HfF+ et atteint une sensibilité d’absorption fractionnaire de 3×10−7 enregistrée sur 1500 canaux simultanés couvrant 150 cm−1 autour de 800 nm avec une précision de fréquence absolue de 30 MHz (0,001 cm−1). Un spectre entièrement échantillonné composé de mesures entrelacées est acquis en 30 min.
Le nouveau système mobile basé sur la tomographie en cohérence optique (OCT) pour la mesure de la structure des couches de surface est présenté. En raison de l’application d’un type spécial de matrice de détection (appelée caméra à pixels intelligents), il peut être utilisé pour des mesures très rapides également dans des conditions extérieures. De plus, le mécanisme de focalisation dynamique fait que la surface de différence de chemin optique zéro est toujours maintenue dans la profondeur de mise au point du système d’imagerie. Le concept et la conception du système mobile sont décrits et des résultats exemplaires de son application sont présentés.
Bien que les interféromètres à faible cohérence soient disponibles dans le commerce (par exemple, les interféromètres à lumière blanche), ils sont généralement assez volumineux, coûteux et offrent une flexibilité limitée. Cet article présente le nouveau profilomètre portable basé sur l’interférométrie à faible cohérence. L’appareil utilise une diode à lumière blanche avec une forme de spectre contrôlée afin d’augmenter le contraste de la frange d’ordre zéro, ce qui permet une localisation plus rapide et de meilleure qualité. Pour l’analyse d’image, un type spécial de matrice CMOS (appelée caméra à pixels intelligents), synchronisée avec un transducteur de miroir de référence, est appliqué. Grâce à la réalisation matérielle de l’analyse du contraste de frange, indépendamment dans chaque pixel, le temps de mesure diminue considérablement. Le traitement à haute vitesse, associé à une conception compacte, permet d’utiliser ce profilomètre comme un appareil portable pour les mesures intérieures et extérieures. Les capacités du profilomètre conçu sont bien illustrées par quelques exemples d’application.
