Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Manipulation de particules et d’objets biologiques sur des guides d’ondes Thèse soutenue par Stéphanie Gaugiran Directeur de thèse: Jacques Derouard Responsable CEA: Stéphane Gétin Laboratoire d’Ingénierie des Composants Photoniques Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Plan de l’exposé Les actions mécaniques de la lumière Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde Manipulation d’objets au dessus d’un guide Conclusions et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Plan de l’exposé Les actions mécaniques de la lumière origine et ordres de grandeur Mise en oeuvre: état de l’art Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde Manipulation d’objets au dessus d’un guide Conclusion et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Les actions mécaniques de la lumière PHOTON: énergie E =h  quantité de mouvement p =h  / c dirigée suivant direction de propagation   p1 p2 F = «PRESSION DE RADIATION» + FORCE DE GRADIENT Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

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

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

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Ordres de grandeur des forces optiques Puissance: quelques milliwatts Laser Forces optiques: quelques 10–12 N = 100 X Manipulation de particules Gravité particule micrométrique: quelques 10-14 N Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Plan de l’exposé Les actions mécaniques de la lumière origine et ordres de grandeur Mise en oeuvre: état de l’art Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde Manipulation d’objets au dessus d’un guide Conclusions et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Mise en oeuvre: Les pinces optiques Arthur Ashkin 1986 Piégeage, déplacement, manipulation, de particules et d’objets biologiques (cellules organelles) Mesure de nano-forces et propriétés viscoélastiques des cellules et de leur environnements Tri de particules et de cellules F Objectif immersion: ON=1.3 A. Ashkin et al, Opt. Lett. Vol11 (5), 288-290 (1986) A. Ashkin et al, Science 235, 1517 (1987) S.M. Block et al, Nature, 348, 348-352 (1990) Développement de systèmes parallélisés pour la nanofabrication ou les Lab-on-a-chip Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 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 MacDonald et al, Nature 426, 421-424 (2003) n=1.58 n=1.37 Prometteur mais encore onéreux et difficile à miniaturiser Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Manipulation de particules sur des guides d’ondes* laser FSCAT FGRAD FGRAD FSCAT 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) Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

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

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Plan de l’exposé Les actions mécaniques de la lumière Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde Modèle dipolaire: évaluation des paramètres clé Modèle numérique sur des particules de Mie Manipulation d’objets au dessus d’un guide Conclusions et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

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

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Influence de l’épaisseur du guide Épaisseur optimale Épaisseur de coupure Rayon bille latex: R= 10nm<< Guide d’onde potassium: n = 0.01 Puissance guidée: 100mW Longueur d’onde: λ =1064 nm t Epaisseur du guide optimale pour le déplacement des particules Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Influence de l’indice du guide Épaisseur optimale variable Épaisseur optimale variable Rayon bille latex: R= 10nm<< Puissance guidée: 100mW Longueur d’onde: λ =1064 nm t Δn +n n Augmentation importante des forces avec l’indice du guide Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Influence de nature des billes Résonance plasmons YAG Rayon bille: R= 10nm<< Guide d’onde potassium: n=0.01 Puissance guidée: 100mW Epaisseur du guide: 1.9µm Augmentation importante des forces avec l’indice des particules Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

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

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Plan de l’exposé Les actions mécaniques de la lumière Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde Modèle dipolaire: évaluation des paramètres clé Modèle numérique sur des particules de Mie Manipulation d’objets au dessus d’un guide Conclusions et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

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

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 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 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

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

Influence de la polarisation TM 1.8 105 N/m² Densité d’énergie électromagnétique OR F Densité d’énergie électromagnétiquec TE 2.5 104 N/m² E OR Inversion du signe des forces de gradient avec la polarisation* Arias-Gonzales et al., Opt. Lett, Vol27 (24), 2149 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Influence de la taille des billes TE 6000 N/m² F Densité d’énergie électromagnétiquec R=50 nm OR F Densité d’énergie électromagnétiquec TE 2.5 104 N/m² R=250 nm OR Inversion du signe des forces de gradient avec la taille des objets Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Plan de l’exposé Les actions mécaniques de la lumière Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde Manipulation d’objets au dessus d’un guide Dispositif expérimental et échantillons Manipulation de particules diélectriques Manipulation de particules métalliques Manipulation d’objets biologiques Conclusions et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Dispositif expérimental CCD zoom Guide d’onde Objectif Laser YAG 1064nm Billes Mesureur de puissance Substrat Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Echantillons UTT n n 10µm 7µm Guide Potassium: n=0.01 Echange d’ions UTT n n 5µm 4 µm Guide Argent: n=0.01 200 nm n n 1 µm Si SiO2 Guide en Nitrure de Silicium: n=0.52 Couches minces Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Plan de l’exposé Les actions mécaniques de la lumière Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde Déplacement de particules au dessus d’un guide Dispositif expérimental et échantillons Manipulation de particules diélectriques Manipulation de particules métalliques Manipulation d’objets biologiques Conclusions et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Illustration des effets de pression de radiation billes VERRE N=1.55 R= 1µm Guide d’onde potassium: n=0.01 Puissance guidée: 400mW 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, 035422, (2001) Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

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

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Optimisation du déplacement sur des guides en Si3N4 billes VERRE N=1.55 R= 1µm Guide d’onde nitrure de silicium: n=0.52; e=200nm D=2µm Puissance guidée:  20mW laser 70 µm Meilleur confinement du champ: vitesses x5 et puissance / 20 : GAIN 100 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

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

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Plan de l’exposé Les actions mécaniques de la lumière Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde Déplacement de particules au dessus d’un guide Dispositif expérimental et premières expériences Manipulation de particules diélectriques Manipulation de particules métalliques Manipulation d’objets biologiques Conclusions et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Premières observations billes OR N=0.272-7.07*i R= 0.5µm Guide d’onde potassium: n=0.01 Puissance guidée: 230mW laser 70 µm Différences métal/ diélectrique Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Influence de la polarisation: guides potassium OR OR VTE = 1.1 ±0.3 µm/s VTM = 3.5 ±0.8 µm/s A puissance guidée constante (200 mW) VTE (µm/s) VTM(µm/s) or 1.10.3 3.50.8 Tungstène 4.10.7 7.01.9 verre 1.00.4 0.90.3 Influence de la nature métallique de la bille Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

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

Densité d’énergie électromagnétique Influence de la polarisation: théorie FTE / FTM FgradTE / FgradTM verre 1.1 0.6 Tungstène -1.2 or 0.8 -0.7 Forces de pression de radiation similaires Inversion du signe des forces de gradient F 9000 N/m² Densité d’énergie électromagnétique laser Quel impact sur le mouvement ? Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Influence de la polarisation: guides argent Densité d’énergie électromagnétiquec TE 2.5 104 N/m² E OR TM 1.8 105 N/m² Densité d’énergie électromagnétique billes OR N=0.272-7.07*i R= 0.5µm Guide d’onde argent: n=0.01 Puissance guidée: 300mW laser 70 µm Éjection des particules en polarisation TE Lévitation? Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

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

Densité d’énergie électromagnétiquec Influence de la taille des particules: guides nitrure E TE 6000 N/m² F Densité d’énergie électromagnétiquec R=50 nm OR 2.5 104 N/m² R=250 nm Sans éclairage 2 µm/s 1 µm 23 µm/s 600 nm 130 µm/s 250 nm vitesse diamètre Mesure particules OR laser R=125 nm 70 µm Inversion du signe des forces de gradient Diminution des vitesses avec la taille des billes Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Plan de l’exposé Les actions mécaniques de la lumière Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde Déplacement de particules au dessus d’un guide Dispositif expérimental et premières expériences Manipulation de particules diélectriques Manipulation de particules métalliques Manipulation d’objets biologiques Conclusion et perspectives Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 Spécificités Taille / composition Indices de réfraction 0.1 µm/s 4 µm/s 106 µm/s 60mW nitrure potassium Bille 2µm 0.08 µm/s n=1.36 0.5 µm/s n=1.4 7.8 µm/s n=1.55 400mW puissance 5 à 10µm noyau mitochondrie cytoplasme Milieu de culture Mannitol (n=1.34 à 600nm) Eau (n=1.33 à 600 nm) Expérimentation obligatoire Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

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

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 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 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 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 Chromatographie optique? Vitesses: Environ 20 particules/s Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 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 l’atelier de mécanique ! Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05