Institut des
NanoSciences de Paris
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Acoustique pour les nanosciences

Voyage au centre du vortex : vers une imagerie de super-résolution

Les ondes hélicoïdales, également appelées Vortex, par analogie avec les tourbillons dans un fluide, possèdent une propriété de super-oscillation. Cette dernière, appliquée à l’imagerie, permettrait de dépasser la limite de résolution des systèmes d’imagerie actuels qui est fixée par la longueur d’onde. En combinant cette localisation du centre avec le décalage spatial subi par un vortex lors de la traversée d’un diaphragme – expérience récemment réalisée par une équipe de l’INSP [1], les scientifiques ouvrent une voie vers la super-résolution.

Les vortex ou ondes hélicoïdales, possèdent un front d’onde qui spirale autour de l’axe principal de propagation, dont le sens de rotation peut suivre celui des aiguilles d’une montre (voir fig 1 a) ou aller en sens contraire (fig. 1b). Lorsque l’on mesure un vortex optique ou acoustique dans un plan perpendiculaire à son axe de propagation, on constate que l’intensité est répartie sur un anneau (fig.2a) et que la phase prend une forme de spirale (fig. 2b). Cette géométrie spécifique leur confère un moment cinétique supplémentaire, comparativement à une onde plane. Ces propriétés contribuent à développer de nouvelles capacités pour les systèmes de manipulation à distance par pression de radiation ; systèmes couramment appelés pinces ou pièges, en optique comme en acoustique.

 

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Fig 1. : dessin d’un front d’onde hélicoidale pour lequel le flux d’énergie tourne dans le sens des aiguilles d’une montre autour de l’axe a) ou en sens contraire b)

 

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Fig. 2 : Amplitude a) et phase b) d’une onde hélicoidale mesurée dans un plan perpendiculaire. La position du centre est déteminée avec une précision décroissante c)-e) en sélectionnant une zone centrale de plus en plus grande.

Ici, l’équipe « Acoustique, optique et thermique ultra-rapides dans les nano-systèmes » de l’INSP, s’intéresse à une autre propriété, dite de « super-oscillation », qui pourrait être appliquée au domaine de l’imagerie. Cette « super-oscillation » se traduit par la rotation de l’onde de plus en plus rapide à l’approche de son centre et lui permet ainsi, de dépasser la vitesse de fluctuation maximum qui limite les systèmes d’imagerie actuels. Expérimentalement, les vortex acoustiques sont engendrés par un réseau de 128 sources indépendantes. Une première étape consiste à calculer les codes que chacune de ces sources doivent émettre pour obtenir le résultat escompté. Cette étape est réalisée à l’aide d’un procédé appelé : filtre inverse. Une plaque d’acier perforée est placée sur le parcours du champ. Cette plaque peut être déplacée pour simuler le déplacement du vortex par rapport à l’axe de ce diaphragme. Le champ acoustique ainsi créé est mesuré en déplaçant un capteur dans la zone d’intérêt. Pour chaque point de mesure, le champ est émis et mesuré. Cette opération est répétée pour chaque point de mesure et chaque position du diaphragme.

 

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Montage expérimental. Le réseau de source est à droite, le champ acoustique se propage de la droite vers la gauche, traverse le diaphragme, puis est mesuré de l’autre côté.

La publication de l’équipe [1] montre l’existence d’un décalage spatial lorsque ces ondes hélicoïdales traversent un diaphragme. Un décalage proportionnel d’une part, au décalage entre les axes du diaphragme et du vortex, et d’autre part, à l’inverse de la surface d’ouverture. En combinant la localisation très précise du centre, décrite ci-dessus et ce décalage, les scientifiques ont démontré que l’on pouvait obtenir respectivement, la position et la taille d’ouverture. S’il est bien connu que la mesure de la position d’un objet n’est pas limitée par la résolution d’un système d’imagerie, la mesure simultanée de sa taille est synonyme de super-résolution. Cette super-résolution a été obtenue sur des objets très simples, reste à l’expérimenter sur des objets plus complexes !

 


[1]« Transverse Shift of Helical Beams and Subdiffraction Imaging »
Brunet, T ; Thomas, JL
PHYSICAL REVIEW LETTERS, 105 (3) : Art. No. 034301 (2010)