Thèse : Caractérisation spectrale locale à l'aide de la microscopie interférométrique : simulations et mesures

Soutenance de thèse : Rémy CLAVEAU

Équipe : IPP

Titre : Caractérisation spectrale locale à l'aide de la microscopie interférométrique : simulations et mesures

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.

Cette thèse a été dirigée par Paul Montgomery, directeur de recherche, CNRS, laboratoire ICube et co-dirigée par Manuel Flury, maître de conférences HDR à l'INSA de Strasbourg et au laboratoire ICube.

Elle se déroulera devant un jury composé de 2 rapporteurs : Arnaud Dubois, professeur à l'Institut d’Optique Graduate School (IOGS) de Paris et Maria Pilar Bernal, directeur de recherche à l'Institut FEMTO-ST de Besançon, de 2 examinateurs : Henri Benisty, professeur à l'Institut d’Optique Graduate School (IOGS) de Paris et de Denis Montaner, maître de conférences à l'Université de Strasbourg.

La soutenance aura lieu le vendredi 8 décembre 2017 à 14h dans l’Amphithéâtre Marguerite Perey (Bâtiment 01 du campus de Cronenbourg).