Une technique optique très efficace qui combine imagerie et diffusion

Holographie dynamique de speckle : une technique optique très efficace qui combine imagerie et diffusion

Credit: Aime et al.

Des chercheurs de l’Université Harvard et de l’Université chinoise du pétrole ont récemment développé l’holographie de speckle dynamique (DSH), une nouvelle technique pour mesurer des cartes de déplacements en trois dimensions (3D) qui combine des approches d’imagerie et de diffusion. Cette technique, présentée dans un article publié dans Lettres d’examen physique, peut détecter des déplacements aussi petits que 10 nanomètres sur plusieurs centimètres, surpassant ainsi considérablement les techniques d’imagerie conventionnelles.

“DSH est né au Weitzlab de Harvard, où j’ai effectué mon post-doctorat entre 2018 et 2020”, a déclaré Stefano Aime, le chercheur principal de l’étude, à Tech Xplore. « Un de mes projets post-doctoraux portait sur la propagation des fractures dans les milieux poreux, ce qui me fascinait même si c’était assez éloigné de ma formation scientifique. En tant qu’étranger, j’ai commencé à regarder les expériences des autres et à me demander ce qui conduisait exactement dicté sa direction et sa vitesse, ce qui s’est passé près d’une limite ou d’un défaut, et des questions similaires. »

Lorsqu’Aime a commencé à faire des recherches sur la propagation des fractures, son directeur académique Dave Weitz l’a encouragé à faire confiance à sa curiosité et à mener ses propres expériences, plutôt que de simplement chercher des réponses dans la littérature existante. Après avoir acquis une bonne compréhension de la diffusion de la lumière, il a donc commencé à expérimenter différentes techniques et approches.

“Un jour, j’ai décidé de viser un laser sur l’échantillon de craquage et d’enregistrer une vidéo de la lumière diffusée”, a expliqué Aime. “La configuration optique que j’ai utilisée était identique à l’imagerie par corrélation de photons, donc rien de particulièrement nouveau en soi. Cependant, le résultat était surprenant. Ce que j’ai trouvé était un drôle de motif en forme de papillon, qui se déplaçait avec la pointe de la fissure et s’étendait profondément dans le matériau , loin de la fissure, où aucun mouvement ne pouvait être observé, même au microscope. Je n’avais aucune idée de ce qu’était ce signal, mais je pensais que c’était mignon et qu’il valait la peine d’être étudié.”

Au cours de ses expériences, Aime s’est rendu compte que le signal qu’il a observé était une généralisation d’un autre phénomène qu’il a étudié au cours de son doctorat, à savoir le signal résultant de la déformation élastique d’un échantillon projeté sur le vecteur de diffusion. Cette réalisation l’a inspiré à développer une nouvelle technique qui utilise deux lasers et deux caméras pour mesurer le champ de déformation 3D complet d’un échantillon. En utilisant la technique qu’il a développée, Aime a pu en apprendre beaucoup plus sur la propagation des fractures que ce qu’il aurait appris s’il avait simplement passé en revue la littérature existante.

“L’éclairage par lumière laser donne toujours une image très différente de celle de la lumière ordinaire”, a déclaré à Tech Xplore Lizhi Xiao, une autre chercheuse impliquée dans l’étude. “C’est parce que la cohérence de la lumière laser et certaines petites caractéristiques peuvent produire des points lumineux qui scintillent. C’était passionnant de réaliser que de tels scintillements (ou taches) peuvent être combinés avec l’imagerie pour obtenir un DSH afin d’observer les contraintes infimes et leur propagation. “

L’holographie est une technique qui vise à reconstruire la forme complète d’un objet 3D à partir d’images 2D de celui-ci. L’idée derrière DSH est similaire : chaque vecteur de diffusion (c’est-à-dire une combinaison de faisceau laser entrant + diaphragme/objectif/caméra) permet de sonder une projection du champ de déplacement.

“Nous reconstruisons le champ de déplacement tridimensionnel complet en combinant les informations obtenues avec différents vecteurs de diffusion (4 combinaisons de 2 faisceaux laser entrants et 2 ensembles d’optiques de collecte)”, a déclaré Aime. “C’est ce qui fait du DSH une technique holographique. Pas au sens standard (il ne reconstruit aucun objet 3D), mais au sens général (il reconstruit les champs de déplacement 3D).”

Lors de l’utilisation de l’holographie conventionnelle, les surfaces des objets examinés reflètent la lumière laser. Cependant, lorsqu’un objet est transparent, comme de l’eau ou du plastique transparent, la lumière qui arrive au détecteur ne proviendra que de la réflexion du laser sur des particules ou des surfaces fissurées. La taille de ces réflexions peut être très petite et impossible à détecter à l’aide de microscopes conventionnels.

“Lorsque de si petites caractéristiques se déplacent sur une distance comparable à la longueur d’onde de la lumière, le motif d’interférence peut changer et ainsi traduire le mouvement en intensité lumineuse”, a déclaré Xiao. “On peut penser au DSH, la technique développée par Stefano, comme un transducteur très sensible pour convertir le mouvement/la contrainte mécanique en lumière.”

DSH combine l’imagerie et la diffusion pour créer des cartes 3D de déplacements aussi petits que dix nanomètres sur des champs de vision aussi grands que plusieurs centimètres. Pour y parvenir, la technique d’Aime corrèle les images des motifs de chatoiement de la lumière laser diffusée par l’échantillon examiné.

“La décroissance de la corrélation temporelle peut être convertie en un mouvement local submicronique, dont l’amplitude et la direction peuvent être reconstruites avec précision en exploitant l’éclairage simultané de trois sources laser”, a déclaré Aime. “Parce que le DSH repose sur des interférences pour sonder le mouvement, il est sensible à des déplacements beaucoup plus petits que toute autre technique d’imagerie, car ces méthodes reposent toutes sur la détection du mouvement des caractéristiques de l’image.”

Les principaux avantages de la technique développée par Aime et ses collègues sont sa haute sensibilité et son large champ de vision. Ces deux caractéristiques permettent au DHS de surpasser de manière significative les systèmes d’imagerie traditionnels, ouvrant de nouvelles possibilités passionnantes pour l’étude d’un certain nombre de phénomènes physiques caractérisés par des mouvements infimes corrélés sur des distances macroscopiques, y compris l’écoulement des fluides et les instabilités mécaniques.

“L’observation de Stefano de la propagation des fractures à l’aide de la technique qu’il a développée est incroyable”, a déclaré Xiao. “Le phénomène de fracturation se produit dans de nombreux domaines et a de nombreuses applications. Cependant, il est en fait très difficile d’étudier le processus de fracturation dans les matériaux car la plupart des matériaux réels sont opaques à la lumière.”

La propagation des fractures (c’est-à-dire la propagation physique des fissures à travers des matériaux ou des objets) peut se produire très rapidement dans les matériaux durs. La vitesse de propagation des fractures peut également dépendre de plusieurs propriétés d’un matériau, telles que l’hétérogénéité, le plan de litage, la pression de confinement, les contraintes internes, la pression interstitielle du fluide et la perméabilité. L’étude des fractures dans les matériaux géologiques est cruciale tant pour la recherche géoscientifique que pour la production industrielle.

La nouvelle technique développée par Aime a déjà permis de mieux comprendre la propagation des fractures. À l’avenir, il pourrait être utilisé par d’autres équipes dans le monde pour étudier plus avant les mécanismes de fracture dans les matériaux durs et poreux.

“Ce travail n’est que le début, car il existe de nombreuses expériences DSH que nous pourrions mener sur des fractures se propageant dans des environnements hétérogènes, que nous analysons actuellement, pour apprendre quelque chose de nouveau”, a déclaré Aime. « Il y a un an, j’ai déménagé à Paris, où j’ai de nouveaux projets qui démarrent, encore une fois dans une direction différente. Pourtant, la plupart de mes projets post-doctoraux sont toujours en cours : ils sont trop amusants pour être laissés pour compte. Et Je crois que le meilleur est à venir !”


Visualisation de déplacements 3D microscopiques sur de grandes surfaces


Plus d’information:
S. Aime et al, Dynamic Speckle Holography, Lettres d’examen physique (2021). DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.088003

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Citation: Holographie de speckle dynamique : une technique optique très efficace qui combine l’imagerie et la diffusion (2021, 24 septembre) récupérée le 24 septembre 2021 à partir de https://techxplore.com/news/2021-09-dynamic-speckle-holography-highly-effective. html

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