Microscopie optique en champ proche. Applications

Les microscopes optiques en champ proche ont été inventés il y a un peu plus de trente ans et, après avoir diffusé vers l'industrie, ils sont aujourd'hui commercialisés par plusieurs compagnies sous différents acronymes. Cependant, ils n'ont pas quitté pour autant les laboratoires de recherche car leur pouvoir de résolution offre un aperçu unique du comportement de la lumière à l'échelle sub-longueur d'onde. Leur principe réside dans le balayage d'une sonde locale à quelques nanomètres de la surface de l'échantillon. Cette sonde est le plus souvent une fibre optique étirée en pointe, métalisée ou non, avec ou sans ouverture et son rôle est de permettre la détection des ondes évanescentes confinées au voisinage immédiat de l'objet. Ces ondes évanescentes contiennent l'information liée aux détails les plus fins de l'objet et leur détection permet de dépasser le critère de Rayleigh et d'atteindre des résolutions sub-longueur d'onde. Il existe de nombreuses configurations de microscope champ proche optique, mais le principe en est toujours le même. Il est décrit plus en détail dans l'article [P 862].

Ces multiples configurations font des microscopes optiques champ proche un outil très polyvalent qui affiche de nombreuses applications en apportant une précision nanométrique aux techniques d'analyse optiques habituelles. Ainsi cet article répertoire-t-il quelques exemples d'applications parmi les plus fructueuses et les plus prometteuses. Cependant, cette liste est loin d'être exhaustive : de nombreuses autres existent ou sont en train de naître et chaque nouvelle application s'accopagne d'une configuration particulière de microscope champ proche plus ou moins originale et efficace (éclairage, détection, nature et forme de la sonde...). À noter que les sondes (ou nano-antennes) sont aujourd'hui l'objet d'une attention particulière en recherche pour améliorer leur pouvoir collecteur ou pour les fonctionnaliser (détection du champ magnétique, sensibilité à la polarisation...). Ces études dédiées à la conception des sondes et à leur applications spécifiques sont regroupées dans l'article [P 862].

Le présent article se concentre sur les applications de la microscopie optique en champ proche en physique, biologie, biochimie...

La première application qui vient lorsque l'on dispose d'une nano-source (la sonde) est naturellement la photolithographie à haute résolution. C'est une application importante car toute l'industrie micro-électronique repose sur cette technique qui permet de fabriquer en masse les microcircuits de l'électronique.

Quelques exemples d'applications en biologie sont ensuite cités. En effet, l'utilisation d'un microscope optique en champ proche est peu invasive (pas de métallisation de l'objet, pas de contact avec la sonde) et c'est donc un outil permettant la caractérisation d'échantillons biologiques avec une résolution meilleure qu'en microscopie classique.

Parmi les techniques optiques souvent utilisées en biochimie, les marqueurs fluorescentes peuvent aussi être utilisés avec un microscope champ proche pour atteindre des résolutions sub-longueurs d'onde. L'apport de ces microscopes à la microscopie de fluorescence est décrit. La taille nanométrique des sondes permet également d'examiner des volumes très réduits d'échantillon et donc de faire de la spectroscopie de molécule unique. L'influence de la sonde locale est également évoquée.

L'exaltation du champ en bout de sonde métalisée permet de manière semblable d'augmenter le rapport signaler sur bruit de la diffusion Raman qui peut renseigner sur la nature ou la structure de l'échantillon. L'apport de la microscopie à sonde locale à la spectroscopie Raman est évoqué.

Enfin, les dernières applications représentent un volet très important puisqu'il s'agit des applications de la microscopie champ proche en photonique et nano-optique, domaines où de tels microscopes trouvent naturellement leur intérêt. Ils donnent en effet accès à la caractérisation du champ électromagnétique piégé à l'intérieur des composants photoniques et permet d'en améliorer la compréhension. De même, la plasmonique est aujourd'hui un thème de recherche en pleine expansion et il est étroitement lié à la microscopie champ proche optique : cette relation est abordée en toute fin d'article avant de conclure avec les métamatériaux. Un exposé beaucoup plus exhaustif des applications de la microscopie champ proche en nano-optique peut être trouvé dans .

La référence  présente un état de l'art détaillé de la plasmonique et le livre , bien que plus ancien, développe clairement la théorie et les applications de la microscopie champ proche.