confocal

Au printemps dernier, j’ai acheté quelques composantes pour faire un projet de microscope confocal à fibre optique. Il y a tout d’abord un laser, une photodiode avalanche (APD) et un coupleur 2×1, le tout fonctionnant à 1310nm.

Construction

Pour alimenter la diode laser, j’utilise un régulateur de courant LM350. Pour ce qui est de la photodiode, c’est un peu plus compliqué. Pour profiter du gain de l’effet d’avalanche, il faut lui fournir un voltage inverse d’environ 50V. Je me suis donc procuré un convertisseur DC-DC qui prend 12V en entrée et qui peut fournir jusqu’à 80V en sortie, dont la tension de sortie est ajustable. Par la suite, l’amplificateur intégré dans la puce de l’APD a besoin d’une tension de -5,2V. Je lui fournis avec un autre LM350 monté en régulateur de voltage cette fois-ci.

Pour ce qui est du montage optique, je me suis arrangé pour que tous les composants à fibre utilisent la même sorte de connecteur, soit du LC/PC. Il n’y avait que le laser qui n’était pas de ce type, j’ai donc dû acheter une patchfiber pour passer du connecteur FC/PC à LC/PC.

L’arduino dans la photo ne sert pour l’instant qu’à donner du 5V pour le laser, l’objectif était d’utiliser l’ADC pour numériser le retour produit par l’amplificateur de l’APD.

À la sortie de la fibre, j’ai rajouté un objectif 10X afin de focuser le faisceau sortant de la fibre en un point donné, avec l’hypothèse que je serais capable de mesurer la réflexion avec l’APD. J’ai donc construit un petit support permettant de positionner la sortie de la fibre (donc le connecteur LP/PC) à une position calculée pour optimiser l’ouverture numérique du système (voir la photo en bas). Bien sûr, l’alignement n’est pas exact, puisque c’est imprimé en 3D.

Problèmes rencontrés

En premier lieu, je n’ai jamais réussi à obtenir le signal à la sortie de l’amplificateur situé sur la puce d’APD. Il faut croire que le hack que je voulais faire a atteint sa limite. Ne connaissant pas les propriétés de cette amplificateur, outre qu’il est AC-coupled à la sortie, j’ai décidé d’abandonner une façon de le faire marcher, puisque cela pourrait être dû à une multitude de raisons (la première étant qu’il soit tout simplement brisé). De toute manière, je m’intéresse beaucoup plus à la valeur DC du signal sur la photodiode puisqu’elle est directement proportionnelle à la puissance reçue.

Ce que j’ai fait pour obtenir une mesure malgré tout, ça a été de placer un multimètre en mode courant entre la source de 50V et l’entrée de la photodiode. Rappelons que seule une des deux broches de la diode étant accessible, c’était la seule manière de se brancher dessus. Cela a fonctionné, je mesurais environ 2mA lorsque le laser est branché direct dessus, et environ 30µA lorsque le système est branché tel que décrit, autrement dit, lorsque l’on «regarde» une clive droite qui renvoie 4% du signal (cela est confirmé en pliant la fibre de sortie pour constater que les pertes viennent de la clive et pas du coupleur). En faisant les mathématiques, on serait supposé d’observer environ 20µA (2000/2*0.04/2), c’est donc raisonnable.

Une autre hypothèse que je devais vérifier, c’est si mon objectif transmet à une longueur d’onde de 1310nm. Pour cela, je me suis rendu compte qu’il était possible de détecter cette longueur d’onde avec ma caméra, qui apparaît comme une lueur faiblement bleuâtre). Voici les photos que j’ai obtenues :

On peut donc constater que l’optique de mon objectif laisser très bien passer cette longueur d’onde. N’ayant pas de carte IR, je ne sais pas si le faisceau se focusse bel et bien, mais un test fait avec une diode laser rouge montrait que oui, donc le changement de longueur d’onde devrait normalement déplacer légèrement le point focal, mais ça devrait fonctionner.

J’ai été incapable d’observer une réflexion avec ce système, probablement parce que le signal est caché dans le bruit dû à la réflexion de la clive. Cependant, il y aurait deux pistes à explorer :

• Faire un capteur de contact direct entre la fibre et un milieu. En plaçant le connecteur directement sur des surfaces (chose qu’il ne faut jamais faire si on ne veut pas se ramasser avec un motton de poussière dessus), on peut remarquer une bonne fluctuation du signal, dépendamment de la lumière réfléchie. On pourrait essayer de s’en servir pour détecter des défauts de surface, etc. Il faudrait explorer davantage en faisant l’acquisition du signal et en observant si c’est possible de le corréler à quelque chose.
• Faire un capteur de l’état de polarisation de la fibre. Le coupleur va laisser passer plus ou moins de signal sur l’APD dépendamment de l’état de polarisation du faisceau réfléchi par la clive. En pratique, cela signifie que lorsque l’on perturbe physiquement la fibre en la pliant légèrement (sans se rendre au rayon critique non plus), la modification de la biréfringence agit sur l’état de la polarisation du signal (une fois à l’aller et une autre fois au retour). Ce sont bien entendu de petites modifications, mais l’APD amplifie suffisamment le signal pour que cela soit aisément très perceptible (de l’ordre de quelques µA). L’effet pourrait être optimisé en créant une lame quart d’onde ou carrément un polariseur complet avec un segment de fibre.

En outre, je crois que je vais abandonner pour l’instant l’idée d’en faire un microscope confocal, à moins d’avoir du meilleur équipement (cliveuse à angle, monture d’alignement, etc.). Toutefois, le montage actuel offre quelques promesses.