Spectromètre Compact à Échantillonnage Bidimensionnel – CoBiSS

Les systèmes d’analyses spectrales dans le visible et l’infrarouge utilisent pour la plus part des spectromètres à transformée de Fourier (STF). Les technologies utilisées ne permettent pas, malgré les nombreuses évolutions, d’obtenir des systèmes compacts et robustes. Ce fait est lié à la nécessité d’utiliser des éléments mobiles. Par ailleurs, les fabricants de STF proposent des dispositifs encombrants particulièrement dans le proche et moyen infrarouge. Depuis plus de cinq ans l’UTT et l’UJF sont impliqués dans la conception et le développement d’un tout nouveau type de STF basé sur une détection en champ proche d’une onde stationnaire en optique intégrée (Brevet :WO2007017588) et en optique libre (CoBiSS:Brevet WO2009127794). Ces deux technologies innovantes permettent une mesure parallèle du spectre sans à avoir recours à des éléments mobiles ce qui permet de proposer des systèmes compacts et à encombrement réduit.
Par rapport aux technologies existantes, le CoBiss (Compact Bidimensional Sampling Spectrometer) offre un excellent compromis entre la taille du spectromètre et ses performances en résolution et en bande spectrale. Cet avantage est lié au principe même de son fonctionnement c’est-à-dire un échantillonnage bidimensionnel en champ proche de l’interférogramme. Cette nouvelle technique innovante est rendue possible grâce à un savoir faire du LNIO dans les domaines de la nanostructuration de surface et des techniques de champ proche. L’échantillonnage est réalisé en utilisant un réseau 2D de nanostructures placé dans la partie évanescente de l’onde stationnaire afin d’en extraire, par diffusion, une petite partie. En inclinant le réseau de nanostructures par rapport aux lignes d’interférences d’un angle bien précis, on s’affranchit de la limite sur la fréquence d’échantillonnage imposée par la taille des pixels des détecteurs. Notre technologie est la seule à disposer de cet avantage sur le marché des STF basés sur un principe interférométrique. Des études menées dans le cadre d’une aide à l’innovation d’OSEO (2009) nous a permis de valider la faisabilité technique de notre concept d’échantillonnage bidimensionnel. Nous avons aussi démontré d’excellentes performances : une large bande spectrale d’analyse jusqu’à 380 nm, limitée par la taille des nanostructures de 80nm, et une résolution de 1.6nm à 780nm essentiellement limitée par la longueur maximale de 180µm du réseau 2D de nanostructures. Rappelons toutefois que CoBiss n’a pas de limites intrinsèques au niveau de la résolution spectrale puisque celle-ci ne dépend que de la longueur de l’interférogramme échantillonné.
Le LNIO et le LTM sont tous deux impliqués dans les problématiques de structuration de surfaces à grandes échelles (>1×1mm2) et où plusieurs techniques sont envisagées : lithographie électronique, holographie (LNIO) et nanoimprint (LTM). Nous développerons dans le programme la technique de nanoimprint qui est bien adaptée aux applications industrielles. Un autre aspect majeur de notre programme concerne le design et de dimensionnement de CoBiss en vue d’applications spécifiques. Cela nécessitera le développement de codes de simulations (FDTD, RCWA, Green) pour une meilleure compréhension des mécanismes d’interactions entre l’onde évanescente et les nanostructures (section efficace, diagramme de rayonnement). Un microscope interférométrique sera monté pour caractériser expérimentalement la section efficace de diffusion et le diagramme de rayonnement pour différentes tailles, formes et natures des nanostructures. Un dernier aspect du programme concerne le traitement de signal permettant d’optimiser la reconstruction du spectre par transformée de Fourier. Nous avons montré que le spectre obtenu dépend fortement de l’alignement relatif entre le réseau 2D de nanostructures et les lignes d’interférences. Des algorithmes intelligents seront adaptés par le LM2S et des
alternatives à la TF seront investiguées (techniques de traitement d’antennes).