ANR I2T2M

Caractérisation tout optique de matériaux par impulsions acoustiques cohérentes

Dans la technique d'imagerie opto-acousto-optique appelée diffusion Brillouin dans le domaine temporel (TDBS), les phonons thermiques interagissant avec la lumière dans la diffusion Brillouin (BS) classique (domaine fréquentiel) sont remplacés par des impulsions acoustiques cohérentes hypersonores générées par laser. Les paramètres de matériaux peuvent ainsi être mesurés non sur le volume où la lumière est focalisée (BS), mais sur celui, bien plus petit, occupé par l’impulsion acoustique (TDBS).

Développement de nouvelles solutions pour l’imagerie hypersonore in situ 3D de diverses transformations de matériaux à l'échelle nanométrique par TDBS

Dans les matériaux optiquement transparents, la diffusion de Brillouin dans le domaine temporel (TDBS) [1,2] permet d'imager les inhomogénéités de matériau traversées par une impulsion acoustique [Fig. (a)] avec une résolution spatiale nanométrique le long de son trajet. En 2009, les premières applications expérimentales de cette technique ont été rapportées pour le profilage en épaisseur : de matériaux nanoporeux en France [3] et de semi-conducteurs irradiés aux ions aux USA [4]. Suite aux premiers travaux [3,5], la technique TDBS a été utilisée pour : imager en 2D des milieux non homogènes à l'état stationnaire [Fig. (b)] [6,7] et le mouvement d’un front de transformation de phase photo-induite [Fig. (c)] [8] ; déterminer l’évolution des modules élastiques monocristallins de la glace d’eau polycristalline comprimée à des hautes pressions atteignant jusqu’à 82 GPa [9].

Dans ce projet, nous proposons d’appliquer pour la première fois la technique TDBS pour l’imagerie 3D et l’analyse de processus transitoires dans divers matériaux. Cela nécessite de multiples développements méthodologiques permettant notamment une amélioration drastique du taux d'acquisition des données. Les mesures doivent en effet être enregistrées dans plusieurs positions spatiales, pour plusieurs paramètres différents de leur déclenchement (tels que la température, la pression ou le flux de rayonnement UV) et doivent être résolues dans le temps.

[1] H. T. Graham et al., IEEE J. Quantum Electron. 25, 2562 (1989). [2] V. E. Gusev and P. Ruello, Appl. Phys. Rev. 5, 031101 (2018). [3] C. Mechri et al., Appl. Phys. Lett. 95, 091907 (2009). [4] A. Steigerwald et al., Appl. Phys. Lett. 94, 111910 (2009). [5]A. M. Lomonosov et al., ACS Nano 6, 1410 (2012). [6] S. M. Nikitin et al., Sci. Rep. 5, 9352 (2015); Faits marquants CNRS (2015). [7]M. Kuriakose et al., Ultrasonics 69, 201 (2016). [8]M. Kuriakose et al., New J. Phys. 19, 053206 (2017). [9] M. Kuriakose et al., Phys. Rev. B 96, 134122 (2017).

 

L’échantillonnage optique asynchrone au service de l’imagerie hypersonore 3D par TDBS

Méthodes

Pour accélérer l’acquisition des données, nous allons appliquer pour la première fois la technique d’échantillonnage optique asynchrone (ASOPS, acronyme anglaise pour ASynchronous OPtical Sampling) à l’imagerie 3D de phénomènes transitoires par la technique pompe-sonde TDBS. Avec un ASOPS, le décalage de la fréquence de répétition de deux lasers permet d’augmenter le délai entre les impulsions pompe et sonde de façon progressive, décalage qui est donc obtenu beaucoup plus rapidement qu’avec une ligne à retard mécanique. Toujours dans le but d’accélérer le taux d’acquisition des données, nous allons également appliquer pour la première fois l’interférométrie optique ultra-rapide en imagerie TDBS. En effet, une technique interférométrique pour la détection devrait permettre de séparer l'amplitude et la phase des signaux TDBS et d'accéder ainsi, à partir d’une seule acquisition, à des mesures indépendantes et quantitatives d'un plus grand nombre de paramètres matériels que lors d’une détection par la technique de réflectométrie, classiquement utilisée en imagerie TDBS. On peut donc considérer que l’acquisition sera plus rapide puisque qu’on peut en diminuer le nombre.

Retombées

La réalisation de notre proposition promouvra la technique TDBS et son utilisation grâce aux améliorations apportées à sa mise en oeuvre expérimentale permettant l'imagerie 3D in situ de phénomènes transitoires à une échelle sub-micrométrique, voire nanométrique, et par sa commercialisation. Notre réussite fournira également des informations sans précédent à des problématiques universitaires et industrielles qui ne pourraient être résolues autrement que par l’utilisation de cette technique. De manière plus générale, nos recherches et leurs résultats devraient permettre d’accélérer la tendance de remplacement de la technique classique BS par la technique TDBS, du moins dans la plupart des applications de la diffusion Brillouin où une résolution nanométrique est avantageuse ou nécessaire.

Par Samuel Raetz (samuel.raetz @ univ-lemans.fr)

Articles en lien avec le projet

Nondestructive characterization of polycrystalline 3D microstructure with time-domain Brillouin scattering

Scripta Materialia 166 (2019) 34–38

Faits marquants

Réunion de lancement du projet (Le Mans Université)

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Accord de consortium signé par tous les partenaires