Microscopie CARS en régime hybride fs/ps pour l'étude des nanomatériaux 2D et la prévention de risques explosifs et biologiques

Hybrid fs/ps-CARS microscopy for the study of 2D nanomaterials and prevention of explosive and biological hazards

• Auteur / Autrice : Elodie Lin
• Direction : Brigitte Attal-Trétout, Michael Scherman
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 09/02/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ondes et matière (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Office national d'études et recherches aérospatiales. Département Physique, Instrumentation, Environnement, Espace (DPHY) (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Physique (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Joubert
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Rigneault, Emmanuel Beaurepaire, Jean-Sébastien Lauret, Aude Silve
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hervé Rigneault, Emmanuel Beaurepaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microscopie CARS

Spectroscopie femtoseconde

Imagerie hyperspectrale

Nitrure de bore

Spectroscopie Raman

Mots clés libres

Microscopie CARS

Spectroscopie Raman

Nitrure de bore

Explosifs

Bactérie

Laser femtoseconde

CARS microscopy

Raman spectroscopy

Boron Nitride

Explosives

Bacteria

Femtosecond laser

Résumé

La diffusion Raman anti-Stokes cohérente (CARS) est une méthode de spectroscopie non-linéaire permettant de sonder les modes de vibration d'un milieu moléculaire. Le diagnostic est non-invasif, sensible, et spécifique chimiquement. Dans cette thèse, nous explorons le potentiel du régime hybride femtoseconde/picoseconde (fs/ps) pour la microscopie CARS. Un nouveau système de microscopie fs/ps-CARS a été assemblé. Ses performances ont été caractérisées sur des échantillons de référence puis optimisées à l'aide de configurations optiques innovantes. Le diagnostic a ensuite été appliqué à trois familles d'échantillons. Nous avons d'abord étudié un nanomatériau bidimensionnel, le nitrure de Bore, sous plusieurs formes. La réponse CARS intense a été analysée pour extraire une information caractéristique de l'épaisseur du feuillet et de la qualité de la maille cristalline. Puis la résolution spectrale du dispositif a été exploitée pour identifier et distinguer deux simili-explosifs, le 1.3-dinitrobenzène et le 2,4-dinitrotoluène, à de très faibles concentrations. Enfin, l'étude spectroscopique de souches de bactéries germées, E. coli, B. subtilis et cyanobactéries, et d'un marqueur chimique des spores, l'acide dipicolinique, a été réalisée dans une perspective de détection et d'identification d'espèces pathogènes.

Coherent anti-Stokes Raman Scattering (CARS) is a nonlinear spectroscopy, which probes the vibrational mode of molecules contained in a medium. This diagnostic is non-invasive, sensitive and chemically selective. In this thesis, we explore the potential of the hybrid femtosecond/picosecond (fs/ps) regime for CARS microscopy. A new fs/ps-CARS microscopy setup has been assembled. Its performances have been characterized on reference samples, and then optimized using innovative optical configurations. The diagnostic has then been applied to three types of samples. We have first considered a two dimensional nanomaterial, Boron Nitride, in different forms. The intense CARS signal has been analyzed in order to extract useful information, such as the thickness of the nanolayer or its crystalline quality. Then, the spectral resolution of the setup has been used to identify and differentiate two simili-explosives, 1,3-dinitrobenzene and 2,4-dinitrotoluene, at very low sample concentration. Finally, a spectroscopic study has been conducted on bacterial germs, such as E. coli, B. subtilis and cyanobacteria, as well as on a chemical tag associated with spores, the dipicolinic acid, with the purpose of detecting and identifying pathogenic species.