2005 Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 1 Manipulation de particules et dobjets biologiques sur des...

Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 1

2005

Manipulation de particules et d’objets biologiques sur des guides d’ondes

Directeur de thèse: Jacques Derouard

Responsable CEA: Stéphane Gétin

Laboratoire d’Ingénierie des Composants Photoniques

Thèse soutenue par Stéphanie Gaugiran

LIGHT

F

LIGHT

F

FF


2005 Plan de l’exposé

1. Les actions mécaniques de la lumière

2. Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde

3. Manipulation d’objets au dessus d’un guide

4. Conclusions et perspectives



1. Les actions mécaniques de la lumière origine et ordres de grandeur Mise en oeuvre: état de l’art



4. Conclusion et perspectives


2005

PHOTON:

énergie E =h quantité de mouvement p =h / c

dirigée suivant direction de propagation

F

dt

pd

Les actions mécaniques de la lumière

p1

p2

F = «PRESSION DE RADIATION»

+ FORCE DE GRADIENT


2005 La pression de radiation:

ABSORPTION, REFLEXION ou DIFFUSION d’un faisceau lumineux par une particule

F

ABSORPTION DES PHOTONS fait avancer la particule

DEVIATION DES PHOTONS Force résultante horizontaleDirigée suivant la direction de la lumière

F

Soleil


2005 La force de gradient*:

ABSORPTION, REFLEXION ou DIFFUSION d’un faisceau lumineux NON UNIFORME par une particule

DEVIATION DES PHOTONS NON SYMETRIQUES Force résultante OBLIQUEDirigée suivant le GRADIENT d’intensité Pousse la particule vers le MAXIMUM d’intensité

F

A. Ashkin et al., Phys. Rev. Lett. 24, 156 (1970)


2005 Ordres de grandeur des forces optiques

Puissance: quelques milliwatts

Forces optiques: quelques 10–12 N

Gravité particule micrométrique:

quelques 10-14 N

= 100 X

Laser

Manipulation de particules

I F



1. Les actions mécaniques de la lumière origine et ordres de grandeur Mise en oeuvre: état de l’art





2005 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 d’objets 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), 288-290 (1986)

A. Ashkin et al, Science 235, 1517 (1987)

S.M. Block et al, Nature, 348, 348-352 (1990)


2005 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, 421-424 (2003)

n=1.58

n=1.37


2005 Manipulation de particules sur des guides d’ondes*

laser

FSCAT

FGRADFGRAD

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)


2005 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 L’ART:

• Puissance laser plusieurs centaines de mW

• Efficacité de propulsion limitée

• Pas de démonstration en biologie




2. Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde Modèle dipolaire: évaluation des paramètres clé Modèle numérique sur des particules de Mie




2005 Le modèle dipolaire : approche analytique

rbille

Dipôle induit

Particules de RAYLEIGH (r<<):

• Champ constant sur la bille

• diffusion négligeable

OBJECTIF:

• Dégager des tendances

Eαp

substrat

guide

superstrat

E


2005

Épaisseur optimale

Épaisseur de coupure

Influence de l’épaisseur du guide

Rayon bille latex:

R= 10nm<<

Guide d’onde potassium: n = 0.01

Puissance guidée:

100mW

Longueur d’onde:

λ =1064 nm

Epaisseur du guide optimale pour le déplacement des particules

t


2005 Influence de l’indice du guide

Rayon bille latex:

R= 10nm<<

Puissance guidée:

100mW

Longueur d’onde: λ =1064 nm

Épaisseur optimale variableÉpaisseur

optimale variable

Augmentation importante des forces avec l’indice du guide

t

Δn +n

n


2005 Influence de nature des billes

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

Résonance

plasmons

YAG


2005 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




2. Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde Modèle dipolaire: évaluation des paramètres clé Modèle numérique sur des particules de Mie




2005 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


2005 Calcul des forces optiques par le tenseur de Maxwell

dSnS)E(Wdt

d

S

élecméca

0

22

ji0 μ

BEεδ

2

1BB

μ

1EEεT

�

dSnT)PP(dt

d

S

élecméca�

BUT: écrire une version «ONDULATOIRE» de la Relation Fondamentale de la Dynamique (F = dP/dt)

Équation de conservation *:

dSnTFS

�

* Jackson J.D., Classical Electrodynamics, Wiley

n

n

n

n

S

Permittivité ε


2005 Exemple de particule sur un guide d’onde

Den

sité d

’én

ergie

électrom

agn

étiq

ue

F

9000 N/m²

Den

sité d

’én

ergie

électrom

agn

étiq

ue

laser

Rayon bille:

R= 250nm

Bille VERRE

Guide d’onde nitrure: n = 0.52

Puissance guidée:

1 W

Epaisseur du guide:

200nm

Validation des tendances du modèle dipolaire

3000 N/m²


2005 Influence de la polarisation

Inversion du signe des forces de gradient avec la polarisation*

Arias-Gonzales et al., Opt. Lett, Vol27 (24), 2149

0

1

2

3

4

5

6

7

X 104

0

1

2

3

4

5

6

7

X 104

F

Den

sité d

’én

ergie

électrom

agn

étiq

ue

cTE 2.5 104 N/m²

F

E

OR

FE

TM0

0.5

1

1.5

2

2.5

X 105

1.8 105 N/m²

Den

sité d

’én

ergie

électrom

agn

étiq

ue

F

OR


2005 Influence de la taille des billes

Inversion du signe des forces de gradient avec la taille des objets

E

TE0

1

2

3

4

5

6

7

X 104

0

1

2

3

4

5

6

7

X 104

6000 N/m²

F

Den

sité d

’én

ergie

électrom

agn

étiq

ue

c

R=50 nm

E

OR

F

0

1

2

3

4

5

6

7

X 104

0

1

2

3

4

5

6

7

X 104

F

Den

sité d

’én

ergie

électrom

agn

étiq

ue

c

TE 2.5 104 N/m²

F

R=250 nmOR





3. Manipulation d’objets au dessus d’un guide Dispositif expérimental et échantillons Manipulation de particules diélectriques Manipulation de particules métalliques Manipulation d’objets biologiques



2005 Dispositif expérimental

Guide d’onde

Substrat

BillesObjectif

Laser YAG

1064nm

CCD

zoom

Mesureur de

puissance


2005 Echantillons

Guide Potassium:

n=0.01

Guide en Nitrure

de Silicium:

n=0.52

Guide Argent:

n=0.01

Echange d’ions

Couches minces

nn

10µm

7µm

nn

5µm

4 µm

UTT

UTT

200 nm

nn

1 µm

Si

SiO2





3. Déplacement de particules au dessus d’un guide Dispositif expérimental et échantillons Manipulation de particules diélectriques Manipulation de particules métalliques Manipulation d’objets biologiques



2005

billes VERRE

N=1.55

R= 1µm

Guide d’onde 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, 035422, (2001)


2005

billes VERRE

N=1.55

R= 1µm


n=0.01

Puissance guidée:

400mW

Mise en évidence d’une force de gradient attractive

Illustration des forces de gradient

70 µm

laser

15 µm

Images des modes


2005

billes VERRE

N=1.55

R= 1µm

Guide d’onde nitrure de silicium:

n=0.52;

e=200nm

D=2µm

Puissance guidée:

20mW

Optimisation du déplacement sur des guides en Si3N4

Meilleur confinement du champ:

vitesses x5 et puissance / 20 : GAIN 100

70 µm

laser


2005 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

d’ions césium Gruijic K.et al, Opt. Comm., Vol 239, 273, (2004)

Cas des particules métalliques





3. 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



2005 Premières observations

• Différences métal/ diélectrique

billes OR

N=0.272-7.07*i

R= 0.5µm


n=0.01

Puissance guidée:

230mW

70 µm

laser


2005 Influence de la polarisation: guides potassium

VTE = 1.1 ±0.3 µm/s

VTM = 3.5 ±0.8 µm/s

Influence de la nature métallique de la bille

VTE (µm/s) VTM(µm/s)

or 1.10.3 3.50.8

Tungstène 4.10.7 7.01.9

verre 1.00.4 0.90.3

A puissance guidée constante (200 mW)

OR OR


2005 Influence de la polarisation: guides argent

Effet similaire aux guides potassium

0

2

4

6

8

10

12

14

16

0 100 200 300 400 500 600 700 800

P guidée en mW

vit

es

se

en

µm

/s

E

TE

E

TM

BILLES OR R=0.5 µm


2005 Influence de la polarisation: théorie

FTE / FTM FgradTE / Fgrad

TM

verre 1.1 0.6

Tungstène 0.6 -1.2

or 0.8 -0.7

• Forces de pression de radiation similaires

• Inversion du signe des forces de gradient

Quel impact sur le mouvement ?

F

9000 N/m²D

ensité d

’énerg

ie électrom

agn

étiqu

e

laser


2005 Influence de la polarisation: guides argent

• Éjection des particules en polarisation TE

• Lévitation?

70 µm

laser

billes OR

N=0.272-7.07*i

R= 0.5µm

Guide d’onde argent:

n=0.01

Puissance guidée:

300mW

0

1

2

3

4

5

6

7

X 104

0

1

2

3

4

5

6

7

X 104

F

Den

sité d’én

ergie électro

mag

nétiq

uec

TE 2.5 104 N/m²

F

E

OR

F

E

TM0

0.5

1

1.5

2

2.5

X 105

1.8 105 N/m²

Den

sité d’én

ergie électro

mag

nétiq

ue

F

OR


2005 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


2005 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

TE0

1

2

3

4

5

6

7

X 104

0

1

2

3

4

5

6

7

X 104

6000 N/m²

F

Den

sité d’én

ergie électro

mag

nétiq

uec

R=50 nm

E

OR

F

0

1

2

3

4

5

6

7

X 104

0

1

2

3

4

5

6

7

X 104

F

Den

sité d’én

ergie électro

mag

nétiq

uec

TE 2.5 104 N/m²

F

R=250 nm

OR





3. 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

4. Conclusion et perspectives


2005 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=1.36

0.5 µm/sn=1.4

7.8 µm/sn=1.55

400mWpuissance

Expérimentation

obligatoire


2005 Déplacement de cellules de levure

• Déplacement automatique de cellules de levures

• Sans marquage

70 µm


2005 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


2005 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?


2005 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 !


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