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2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 1 Manipulation de particules et dobjets biologiques sur des guides dondes Directeur de thèse: Jacques Derouard Responsable.

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1 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 1 Manipulation de particules et dobjets biologiques sur des guides dondes Directeur de thèse: Jacques Derouard Responsable CEA: Stéphane Gétin Laboratoire dIngénierie des Composants Photoniques Thèse soutenue par Stéphanie Gaugiran

2 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 2 Plan de lexposé 1.Les actions mécaniques de la lumière 2.Modélisation des forces optiques sur un guide donde 3.Manipulation dobjets au dessus dun guide 4.Conclusions et perspectives

3 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 3 Plan de lexposé 1.Les actions mécaniques de la lumière origine et ordres de grandeur Mise en oeuvre: état de lart 2.Modélisation des forces optiques sur un guide donde 3.Manipulation dobjets au dessus dun guide 4.Conclusion et perspectives

4 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 4 PHOTON: énergie E =h quantité de mouvement p =h / c dirigée suivant direction de propagation Les actions mécaniques de la lumière p1p1 p2p2 F = «PRESSION DE RADIATION» + FORCE DE GRADIENT

5 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 5 La pression de radiation : ABSORPTION, REFLEXION ou DIFFUSION dun faisceau lumineux par une particule ABSORPTION DES PHOTONS fait avancer la particule DEVIATION DES PHOTONS Force résultante horizontale Dirigée suivant la direction de la lumière Soleil

6 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 6 La force de gradient* : ABSORPTION, REFLEXION ou DIFFUSION dun faisceau lumineux NON UNIFORME par une particule DEVIATION DES PHOTONS NON SYMETRIQUES Force résultante OBLIQUE Dirigée suivant le GRADIENT dintensité Pousse la particule vers le MAXIMUM dintensité A. Ashkin et al., Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970)

7 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 7 Ordres de grandeur des forces optiques Puissance: quelques milliwatts Forces optiques: quelques 10 –12 N Gravité particule micrométrique: quelques N = 100 X Laser Manipulation de particules

8 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 8 Plan de lexposé 1.Les actions mécaniques de la lumière origine et ordres de grandeur Mise en oeuvre: état de lart 2.Modélisation des forces optiques sur un guide donde 3.Manipulation dobjets au dessus dun guide 4.Conclusions et perspectives

9 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 9 Mise en oeuvre: Les pinces optiques F Objectif immersion: ON=1.3 Développement de systèmes parallélisés pour la nanofabrication ou les Lab-on-a-chip Arthur Ashkin 1986 Piégeage, déplacement, manipulation, de particules et dobjets biologiques (cellules organelles) Mesure de nano-forces et propriétés viscoélastiques des cellules et de leur environnements Tri de particules et de cellules A. Ashkin et al, Opt. Lett. Vol11 (5), (1986) A. Ashkin et al, Science 235, 1517 (1987) S.M. Block et al, Nature, 348, (1990)

10 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 10 Réseau optique de tri de particules Macdonald et al., St Andrew University, UK (2003) Système automatique de tri de particules dans un réseau optique Efficacité 96% 25 particules / s Prometteur mais encore onéreux et difficile à miniaturiser MacDonald et al, Nature 426, (2003) n=1.58 n=1.37

11 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 11 Manipulation de particules sur des guides dondes* laser F SCAT F GRAD F SCAT CHAMP EVANESCENT: Particule attirée vers le guide Particule propulsée le long du guide action des forces de gradient action de la pression de radiation * S. Kawata, T. Tani, Opt Lett 21, 1768, (1996)

12 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 12 Objectifs OBJECTIFS: Optimiser les systèmes existants Evaluer les potentialités dans le domaine de la biologie Etudier la propulsion des particules métalliques par une onde évanescente Evaluer les POTENTIALITES de ces dispositifs pour la NANOFABRICATION et les LABORATOIRES sur puce ETAT DE LART: Puissance laser plusieurs centaines de mW Efficacité de propulsion limitée Pas de démonstration en biologie

13 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 13 Plan de lexposé 1.Les actions mécaniques de la lumière 2.Modélisation des forces optiques sur un guide donde Modèle dipolaire: évaluation des paramètres clé Modèle numérique sur des particules de Mie 3.Manipulation dobjets au dessus dun guide 5.Conclusions et perspectives

14 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 14 Le modèle dipolaire : approche analytique r bille Dipôle induit Particules de RAYLEIGH (r<< ): Champ constant sur la bille diffusion négligeable OBJECTIF: Dégager des tendances substrat guide superstrat

15 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 15 Épaisseur optimale Épaisseur de coupure Influence de lépaisseur du guide Rayon bille latex: R= 10nm<< Guide donde potassium: n = 0.01 Puissance guidée: 100mW Longueur donde: λ =1064 nm Epaisseur du guide optimale pour le déplacement des particules t

16 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 16 Influence de lindice du guide Rayon bille latex: R= 10nm<< Puissance guidée: 100mW Longueur donde: λ =1064 nm Épaisseur optimale variable Augmentation importante des forces avec lindice du guide t Δn +n n

17 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 17 Influence de nature des billes Rayon bille: R= 10nm<< Guide donde potassium: n=0.01 Puissance guidée: 100mW Epaisseur du guide: 1.9µm Augmentation importante des forces avec lindice des particules Résonance plasmons YAG

18 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 18 Conclusion partielle Pour optimiser la propulsion il faut : Un guide ayant une épaisseur égale à lépaisseur optimale Un guide ayant le saut dindice le plus important possible par rapport au substrat Utiliser des particules ayant de indices de réfraction élevés Validation sur des particules de Mie

19 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 19 Plan de lexposé 1.Les actions mécaniques de la lumière 2.Modélisation des forces optiques sur un guide donde Modèle dipolaire: évaluation des paramètres clé Modèle numérique sur des particules de Mie 3.Manipulation dobjets au dessus dun guide 4.Conclusions et perspectives

20 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 20 Cas des particules de Mie : démarche 1) CALCUL DU CHAMP TOTAL: Eléments finis Modèle numérique 3D Maillage de taille variable 2) CALCUL DES FORCES OPTIQUES: Tenseur des contraintes de Maxwell substrat guide bille

21 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 21 Calcul des forces optiques par le tenseur de Maxwell BUT: écrire une version «ONDULATOIRE» de la Relation Fondamentale de la Dynamique (F = dP/dt) Équation de conservation *: * Jackson J.D., Classical Electrodynamics, Wiley S Permittivité ε

22 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 22 Exemple de particule sur un guide donde Densité dénergie électromagnétique F 9000 N/m² Densité dénergie électromagnétique laser Rayon bille: R= 250nm Bille VERRE Guide donde nitrure: n = 0.52 Puissance guidée: 1 W Epaisseur du guide: 200nm Validation des tendances du modèle dipolaire 3000 N/m²

23 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 23 Influence de la polarisation Inversion du signe des forces de gradient avec la polarisation* Arias-Gonzales et al., Opt. Lett, Vol27 (24), 2149 F Densité dénergie électromagnétiquec TE N/m² F E OR F E TM N/m² Densité dénergie électromagnétique F OR

24 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 24 Influence de la taille des billes Inversion du signe des forces de gradient avec la taille des objets E TE 6000 N/m² F Densité dénergie électromagnétiquec R=50 nm E OR F F Densité dénergie électromagnétiquec TE N/m² F R=250 nm OR

25 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 25 Plan de lexposé 1.Les actions mécaniques de la lumière 2.Modélisation des forces optiques sur un guide donde 3.Manipulation dobjets au dessus dun guide Dispositif expérimental et échantillons Manipulation de particules diélectriques Manipulation de particules métalliques Manipulation dobjets biologiques 4.Conclusions et perspectives

26 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 26 Dispositif expérimental Guide donde Substrat Billes Objectif Laser YAG 1064nm CCD zoom Mesureur de puissance

27 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 27 Echantillons Guide Potassium: n=0.01 Guide en Nitrure de Silicium: n=0.52 Guide Argent: n=0.01 Echange dions Couches minces n n 10µm 7µm n n 5µm 4 µm UTT 200 nm n n 1 µm Si SiO 2

28 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 28 Plan de lexposé 1.Les actions mécaniques de la lumière 2.Modélisation des forces optiques sur un guide donde 3.Déplacement de particules au dessus dun guide Dispositif expérimental et échantillons Manipulation de particules diélectriques Manipulation de particules métalliques Manipulation dobjets biologiques 4.Conclusions et perspectives

29 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 29 billes VERRE N=1.55 R= 1µm Guide donde potassium: n=0.01 Puissance guidée: 400mW Illustration des effets de pression de radiation laser 70 µm Mise en évidence de la pression de radiation «Liaison optique » Couplage optique/ fluidique Chaumet P.C. et al, Phys. Rev B, 64, , (2001)

30 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 30 billes VERRE N=1.55 R= 1µm Guide donde potassium: n=0.01 Puissance guidée: 400mW Mise en évidence dune force de gradient attractive Illustration des forces de gradient 70 µm laser 15 µm Images des modes

31 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 31 billes VERRE N=1.55 R= 1µm Guide donde nitrure de silicium: n=0.52; e=200nm D=2µm Puissance guidée: 20mW Optimisation du déplacement sur des guides en Si 3 N 4 Meilleur confinement du champ: vitesses x5 et puissance / 20 : GAIN µm laser

32 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 32 Conclusion partielle 1.Action de la pression de radiation et des forces de gradient similaire au cas propagatif 2.Couplage de phénomènes physiques de natures différentes 3.Efficacité des guides en nitrure de silicium: X 100 par rapport aux guides potassium X 20 par rapport aux guides réalisés par échange dions césium Gruijic K.et al, Opt. Comm., Vol 239, 273, (2004) Cas des particules métalliques

33 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 33 Plan de lexposé 1.Les actions mécaniques de la lumière 2.Modélisation des forces optiques sur un guide donde 3.Déplacement de particules au dessus dun guide Dispositif expérimental et premières expériences Manipulation de particules diélectriques Manipulation de particules métalliques Manipulation dobjets biologiques 4.Conclusions et perspectives

34 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 34 Premières observations Différences métal/ diélectrique billes OR N= *i R= 0.5µm Guide donde potassium: n=0.01 Puissance guidée: 230mW 70 µm laser

35 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 35 Influence de la polarisation: guides potassium V TE = 1.1 ±0.3 µm/s V TM = 3.5 ±0.8 µm/s Influence de la nature métallique de la bille V TE (µm/s)V TM (µm/s) or Tungstène verre A puissance guidée constante (200 mW) OR

36 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 36 Influence de la polarisation: guides argent Effet similaire aux guides potassium TETM BILLES OR R=0.5 µm

37 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 37 Influence de la polarisation: théorie F TE / F TM F grad TE / F grad TM verre Tungstène or Forces de pression de radiation similaires Inversion du signe des forces de gradient Quel impact sur le mouvement ? F 9000 N/m² Densité dénergie électromagnétique laser

38 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 38 Influence de la polarisation: guides argent Éjection des particules en polarisation TE Lévitation? 70 µm laser billes OR N= *i R= 0.5µm Guide donde argent: n=0.01 Puissance guidée: 300mW F Densité dénergie électromagnétiquec TE N/m² F E OR F E TM N/m² Densité dénergie électromagnétique F OR

39 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 39 Influence de la polarisation: guides nitrure Effet de polarisation sur le coté du guide billes METALLIQUES N=0.272-*7.07*i R= 0.5µm Polarisation TE 70 µm laser

40 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 40 Influence de la taille des particules: guides nitrure Inversion du signe des forces de gradient Diminution des vitesses avec la taille des billes 70 µm laser Sans éclairage R=125 nm 2 µm/s1 µm 23 µm/s600 nm 130 µm/s250 nm vitessediamètre Mesure particules OR E TE 6000 N/m² F Densité dénergie électromagnétiquec R=50 nm E OR F F Densité dénergie électromagnétiquec TE N/m² F R=250 nm OR

41 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 41 Plan de lexposé 1.Les actions mécaniques de la lumière 2.Modélisation des forces optiques sur un guide donde 3.Déplacement de particules au dessus dun guide Dispositif expérimental et premières expériences Manipulation de particules diélectriques Manipulation de particules métalliques Manipulation dobjets biologiques 4.Conclusion et perspectives

42 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 42 Spécificités Milieu de culture Mannitol (n=1.34 à 600nm) Eau (n=1.33 à 600 nm) Taille / composition 5 à 10µm noyau mitochondrie cytoplasme Indices de réfraction 0.1 µm/s 4 µm/s 106 µm/s 60mW nitrurepotassiumBille 2µm 0.08 µm/sn= µm/sn= µm/sn= mWpuissance Expérimentation obligatoire

43 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 43 Déplacement de cellules de levure Déplacement automatique de cellules de levures Sans marquage 70 µm

44 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 44 Conclusion Mise en place du banc et des logiciels associés Particules diélectriques: Illustration des forces de pression de radiation et de gradient Optimisation du déplacement sur guides nitrure Particules métalliques: Prédiction du signe des forces de gradient Validation expérimentale Objets biologiques Première démonstration

45 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 45 Perspectives Compréhension des phénomènes: Etude quantitative des phénomènes Etude des résonances plasmons ou « nanoshells » Applications biologie: Optimisation du déplacement des cellules Manipulation de particules: Sélectivité du mouvement avec la taille ou les matériaux constitutifs des particules Microsystème fonctionnel pour le tri de particule Vitesses: Environ 20 particules/s Chromatographie optique?

46 2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 46 Remerciements DOPT: P. Chaton, S. Gidon, S. Lardenois, J. Hazart, Y. Desières, L. Frey, O. Lartigue, A. Lagrange, A.Rey, J.L. Rochas J. Petit, O. Lemonnier, C. Kopp, S. Poncet, B. Caminiti, S. Fournier, B. Mourey DSV: G. Colas, A. Fuchs, F. Chatelain DIHS: J.M. Fedeli, P. Labeye DTBS: Y. Fouillet, A. Glière, B. Rachet BPI: Y. Lagarde UTT: A. Bruyant, I. Stefanon, S.Blaize, G. Lerondel, P. Royer IMEP: A. Bouchard, P. Benech GEEO: V. Collomb DTS: P. Schiavone ….. Sans oublier André de latelier de mécanique !

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