Microscope à polarisation polychromatique : apporter des couleurs dans un monde incolore

Scientific Reports volume 5, Numéro d'article : 17340 (2015) Citer cet article

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L'interférence de deux faisceaux de lumière blanche combinés produit des couleurs Newton si l'un des faisceaux est retardé par rapport à l'autre de 400 nm à 2 000 nm. Dans ce cas, les composantes spectrales interférentes correspondantes sont ajoutées sous forme de deux scalaires au niveau de la combinaison de faisceaux. Si le retard est inférieur à 400 nm, l'interférence à deux faisceaux produit uniquement des nuances de gris. Les couleurs d'interférence sont largement utilisées pour analyser des échantillons biréfringents en minéralogie. Cependant, de nombreuses structures biologiques ont un retard <100 nm. Par conséquent, les cellules et les tissus sous un microscope à polarisation ordinaire sont considérés comme une image grise, dont le contraste disparaît dans certaines orientations. Nous proposons ici pour la première fois l'utilisation d'une interférence vectorielle de lumière polarisée dans laquelle les couleurs du spectre complet sont créées avec un retard de plusieurs nanomètres, la teinte étant déterminée par l'orientation de la structure biréfringente. Les images biréfringentes auparavant incolores d’organites, de cellules et de tissus deviennent de couleurs vives. Cette approche peut ouvrir de nouvelles possibilités pour l’étude d’échantillons biologiques présentant des structures faiblement biréfringentes, le diagnostic de diverses maladies, l’imagerie de cristaux faiblement biréfringents et la création de nouvelles méthodes de contrôle des couleurs du faisceau lumineux.

La lumière blanche naturelle est constituée d’un mélange d’ondes monochromatiques dont les longueurs d’onde varient de 380 nm à 700 nm1. Si le faisceau lumineux est divisé en deux parties puis recombiné, nous pouvons observer des interférences. Chaque onde monochromatique produit son propre motif d'interférence. Certaines ondes subissent des interférences destructrices et leur intensité est diminuée. L'intensité des autres ondes augmente en raison d'interférences constructives. Le faisceau combiné présente les couleurs d'interférence de Newton. La teinte est déterminée par la longueur d’onde qui est absente du spectre en raison d’interférences destructrices.

Il existe deux types de couleurs d'interférence, une avec un déphasage initial nul entre deux faisceaux interférents (frange achromatique blanche, interférence constructive) et une autre avec un déphasage initial demi-onde (frange achromatique noire, interférence destructrice)2,3,4,5 . Ils produisent des séquences de couleurs complémentaires, décrites par l'échelle de couleurs de Newton. Le deuxième type de couleurs d'interférence apparaît lors de la réflexion d'une bulle de savon, de deux surfaces de verre sphériques et plates proches (anneaux de couleur de Newton), d'une nappe de pétrole dans une flaque d'eau ou d'une tache d'huile sur de l'asphalte mouillé, etc. Ce type d'interférence est utilisé dans les interférences et microscopie à polarisation car elle est plus sensible aux faibles changements de retard et produit moins de bruit de tir. Pour un faible retard (<200 nm), l'interférence destructrice est relâchée simultanément pour toutes les longueurs d'onde et la luminosité de la région augmente, d'abord avec une composition spectrale blanche. Mais une fois que le retard s'approche de 400 nm, la partie bleue du spectre est supprimée et l'échantillon devient jaune puis rouge. Une fois que le retard atteint 600 nm, la partie rouge du spectre est bloquée et l’échantillon passe au bleu puis au vert. La couleur change encore trois fois dans cette séquence jusqu'à ce que le retard atteigne 2 000 nm. Les couleurs d'interférence deviennent alors blanches et le retardance ne peut plus être déterminé de manière fiable à l'aide de la composition spectrale de la région. La coloration de la lumière polarisée est largement utilisée en minéralogie et en pétrographie depuis de nombreuses années6,7,8,9,10,11,12. Mais ce phénomène ne pouvait auparavant pas être utilisé en biologie car de nombreux spécimens biologiques présentent un retard de plusieurs dizaines de nm ou moins et sont donc incolores.

Nous avons développé un nouveau microscope à lumière polarisée polychromatique (polscope polychromatique) qui produit des couleurs d'interférence avec un retard de plusieurs nm. Les couleurs Newton traditionnelles nécessitent que les faisceaux interférents avec les mêmes états de polarisation et les mêmes amplitudes de faisceau soient ajoutés sous forme de deux scalaires. Dans notre approche de génération de couleurs d'interférence, nous utilisons la polarisation du faisceau et les amplitudes des faisceaux interférents, qui sont ajoutées sous forme de deux vecteurs. Dans le polscope polychromatique, la teinte est déterminée par l'orientation de la structure biréfringente, et non par son retard. Ainsi, une couleur à spectre complet peut être obtenue avec un retard bien inférieur. Le polscope polychromatique montre l'image de biréfringence indépendante de l'orientation sans nécessiter aucun calcul numérique. Un œil ou une caméra peut voir directement l'image de polarisation colorée en temps réel à travers l'oculaire avec une luminosité correspondant au retard et une couleur correspondant à l'orientation de l'axe lent. Les images biréfringentes des organites, des cellules et des tissus auparavant incolores deviennent de couleurs vives.