Description du banc de manipulation optique

2.1.3.1 Vue d’ensemble

Le banc de manipulation optique de particules et de cellules est organis´e en une suite de composants pour la plupart habituellement pr´esents dans les laboratoires d’optique mais dont l’organisation est sp´ecifique de l’application vis´ee.

Ce banc a ´et´e con¸cu par des opticiens et l’exigence d’une conformit´e avec les r`egles de s´ecurit´e laser explique qu’il ait ´et´e r´egl´e par des sp´ecialistes. Je suis intervenu dans la conception de ce banc optique pour les questions touchant aux probl´ematiques biologiques.

Le faisceau laser est tout d’abord mis en forme par une s´erie d’´el´ements optiques puis il est inject´e au niveau du guide d’onde et contrˆol´e `a la sortie de celui-ci. Un dispositif d’observation plac´e au-dessus du guide d’onde permet d’analyser le comportement des particules et cellules en surface de celui-ci (voir figure 2.1).

Fig. 2.1 – Sch´ema de principe du banc de manipulation exp´erimental. A travers diff´erents modules, le faisceau est pr´epar´e, inject´e, contrˆol´e et le comportement des objets d´epos´es en surface du guide est visualis´e grˆace `a un syst`eme d’observation puis analys´e par un ordinateur.

Fig. 2.2 – Sch´ema de la chaine d’´el´ements constituant le banc de manipulation exp´erimental. La lumi`ere issue du laser (L) passe au travers de plusieurs ´el´ements : un cristal doubleur de fr´equence (KTP) optionnel, une lame demi-onde (L1), un polariseur `a angle de Brewster (P), une seconde lame demi-onde (L2), un objectif d’injection nanopositionn´e dans les 3 axes (Oi) , un guide d’onde (G), un objectif de r´ecup´eration (Or), un mesureur de puissance (M). Enfin, la lumi`ere est arrˆet´ee par un dispositif stoppeur (S). Un objectif de visualisation (Ov) coupl´e `a une cam´era (CCD) permet l’observation des objets d´epos´es sur le guide.

Le faisceau laser passe `a travers une s´erie de modules, depuis sa cr´eation jusqu’`a l’analyse des donn´ees recueillies.

La section suivante reprendra dans le d´etail la description des ´el´ements repr´esent´es de fa¸con sch´ematique sur la figure 2.2. Ces unit´es interviennent dans chacune des ´etapes, de la pr´eparation du faisceau `a son contrˆole, en passant par l’observation des objets d´epos´es.

2.1.3.2 Pr´eparation du faisceau laser

Cette section d´ecrira le rˆole de chaque unit´e composant ce bloc fonctionnel.

Le laser. Le rayonnement est d´elivr´e par un laser Le rayonnement est d´elivr´e par le lebn Le rayonnement est d´elivr´e par un laser Nd :YAG (pour Neodymium Yttrium Aluminum Garnet), laser `a grenat d’yttrium et d’aluminium dop´e au n´eodyme. La longueur d’onde ´emise par le laser est de 1064 nm, et sa puissance maximale th´eorique est de 10W.

Le cristal de KTP Le rayonnement est d´elivr´e par un laser d´elivr´e par un laser par unC’est un ´el´ement optionnel de la chaˆıne de conditionnement du faisceau. Il est notamment utilis´e dans les phases de r´eglage de l’injection du faisceau laser dans le guide d’onde. Ce cristal particulier a la propri´et´e remarquable de permettre un doublement de la fr´equence laser et par cons´equent une division par deux de la longueur d’onde du rayonnement incident. D’invisible, le rayon devient vert et nettement visible. Le mauvais rendement de ce doublement de fr´equence est ´egalement

un avantage puisqu’il permet d’obtenir en sortie de cristal une puissance tr`es faible, de l’ordre du milliwatt. Ceci permet de r´ealiser les r´eglages dans des conditions beaucoup plus sˆures.

Les lames demi-onde. Le rayonnement est d´elivr´e par un laser

Les lames demi-onde sont un outil optique capable de modifier la polarisation de la lumi`ere la traversant. Elles sont utilis´ees sur notre banc en combinaison avec un polariseur pour faire varier la puissance inject´ee et la polarisation lumineuse `a l’entr´ee du guide.

Le polariseur de Brewster. Le rayonnement est d´elivr´e par un laser

Il s’agit d’un polariseur `a angle de Brewster en silice, trait´e pour r´esister aux hautes densit´es d’´energie. Ce substrat laisse passer la totalit´e de la composante verticale de la polarisation du faisceau et r´efl´echit au moins `a 95% la composante horizontale. Associ´e `a la lame demi-onde pr´ec´edente, ce syst`eme permet de r´egler pr´ecis´ement la puissance laser incidente (cf. figure 2.2).

La seconde lame demi-onde permet d’ajuster la polarisation lumineuse :

– mode TE (transverse ´electrique), o`u le champ ´electrique est parall`ele `a la surface du guide et o`u le champ magn´etique poss`ede une composante dans la direction de propagation de l’onde,

– mode TM (transverse magn´etique), o`u le champ magn´etique est parall`ele `a la surface du guide et o`u le champ ´electrique poss`ede une composante dans la direction de propagation de l’onde.

2.1.3.3 L’injection de lumi`ere.

Principe. Durant cette th`ese, des exp´eriences de manipulation ont ´et´e r´ealis´ees avec des gui

Durant cette th`ese, des exp´eriences de manipulation ont ´et´e r´ealis´ees avec des guides d’onde de taille et de nature tr`es diff´erentes (description d´etaill´ee au paragraphe 2.2). Pour l’exemple, les plaquettes des guides r´ealis´es par ´echange d’ions potassium sont de dimensions proches de celles d’une lame de microscope (76mm × 26mm) alors que la plaquette des guides de nitrure de silicium est un rectangle de 9mm × 18mm. De mˆeme, les dimensions des deux types de guides n’ont rien de similaire. En effet, les guides r´ealis´es par ´echange d’ions potassium sont ´epais de quelques microns, alors que les guides en nitrure de silicium sont d’une ´epaisseur de l’ordre de quelques centaines de nanom`etres.

Cette variabilit´e des ´echantillons de guides d’ondes a conduit `a utiliser un syst`eme de cou- plage suffisamment souple pour s’adapter `a cette diversit´e : la lumi`ere est inject´ee dans les guides

par l’interm´ediaire d’une fibre optique ou d’un objectif de microscope (figure 2.3). Ces compo- sants ont ´et´e choisis sp´ecifiquement de fa¸con `a permettre la transmission de la lumi`ere `a notre longueur d’onde de travail (1064 nm).

Fig. 2.3 – Les deux modules d’injection de la lumi`ere dans le guide. a. Injection avec une fibre optique. b. Injection avec un objectif de microscope.

Couplage par une fibre optique. Le rayonnement est d´elivr´e par un laser

L’op´eration consiste `a rapprocher au maximum la fibre optique de l’extr´emit´e du guide d’onde (figure 2.3 a.). La fibre optique est mont´ee sur un micromanipulateur pour le r´eglage du couplage. Ce mode d’injection aide grandement le r´eglage car l’exp´erimentateur voit la fibre et l’extr´emit´e du guide et peut donc faciliter leur alignement. Le d´epˆot d’une goutte de liquide d’indice sur l’extr´emit´e de la fibre am´eliore la qualit´e de l’injection en faisant le lien entre les deux milieux optiques (la fibre et le guide) et en ´evitant ainsi les r´eflexions parasites sur les interfaces.

Notre banc utilise un objectif de microscope de grossissement X30 et d’ouverture num´erique 0,3 dont la transmission de la lumi`ere est de 76 % `a 1064 nm. Au niveau du point focal en sortie de l’objectif, une fibre est positionn´ee de fa¸con pr´ecise par un dispositif optique. Dans notre cas, la taille du faisceau laser est proche de la taille du mode guid´e dans la fibre. En cons´equence, le taux de couplage entre l’objectif et la fibre est d’environ 76 %.

La lumi`ere laser arrive donc par cet objectif reli´e `a une fibre optique dont l’autre extr´emit´e est fix´ee sur un positionneur pi´ezo´electrique trois axes de pr´ecision nanom´etrique. Ce positionneur permet de placer pr´ecisement la fibre dans l’espace pour la rapprocher au plus pr`es du guide et r´ealiser une bonne injection lumineuse.

Du fait de la taille importante de la fibre optique, il s’agit d’une m´ethode mal adapt´ee aux guides de faibles dimensions, tels que les guides en nitrure de silicium que nous d´ecrirons

ult´erieurement. En effet, dans ce cas, le rapport de dimensions de la fibre (quelques microns de diam`etre) compar´ee au guide (200nm de hauteur) d´efavorise grandement le couplage lumineux.

Couplage par un objectif de microscope. C’est une m´ethode simple en apparence maisLe couplage par un objectif de microscope (figure 2.3 b.) est utilis´e dans le cas de guides de tr`es faibles dimensions car la technique pr´ec´edente par fibre optique n’est adapt´ee qu’aux guides de dimensions microm´etriques. Le couplage par un objectif de microscope permet d’obtenir un spot laser de taille tr`es inf´erieure `a celle d’une fibre optique et ainsi d’injecter de la lumi`ere dans de tr`es petits guides (200nm dans notre cas). C’est une m´ethode simple en apparence mais complexe en pratique. Elle consiste `a focaliser le faisceau au niveau de l’extr´emit´e du guide d’onde. Le r´eglage de l’injection par cette m´ethode est assez difficile. En effet, contrairement `a la m´ethode pr´ec´edente, le point focal de l’objectif est extrˆemement d´elicat `a visualiser. C’est pourtant ce point focal qu’il faut positionner au niveau de l’extr´emit´e du guide d’onde. Par analogie avec le proc´ed´e de couplage d´ecrit pr´ec´edemment, on peut associer ce point focal laser `

a l’extr´emit´e de la fibre optique.

En pratique, on utilise un objectif de grossissement X80, et d’ouverture num´erique 0,9. Comme pour la m´ethode pr´ec´edente, cet objectif a ´et´e choisi de fa¸con `a transmettre la lumi`ere `

a 1064 nm de bien meilleure fa¸con que celle d’un objectif standard. Sa transmission est de 82% `

a 1064 nm. Il est plac´e sur le mˆeme syst`eme de positionnement pi´ezo´electrique trois axes que celui d´ecrit pr´ec´edemment.

2.1.3.4 Visualisation

Le syst`eme de visualisation des objets d´epos´es en surface du guide se compose d’un zoom optique, et d’une cam´era.

Le zoom. C’est un “ultrazoom” 12X de marque Navitar. Il est associ´e `a un objectif de C’est un “ultrazoom” 12X de marque Navitar. Il est associ´e `a un objectif de marque Mitutoyo de grossissement 50X et d’ouverture num´erique 0,55. L’ensemble autorise une grande flexibilit´e de zoom pour le manipulateur. Le zoom est muni d’un syst`eme d’illumination coaxial.

La cam´era de visualisation. Nous utilisons une cam´era miniature dot´ee d’une matrice

Nous utilisons une cam´era miniature dot´ee d’une matrice CCD 1/2”, le mod`ele Toshiba IK- M41A 1/2” dont le capteur est compos´e de 410 000 pixels. Ses caract´eristiques ne permettent malheureusement pas des temps de pose suffisants pour travailler en fluorescence, ce qui eut

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et´e fort pratique du point de vue du biologiste. Sa disponibilit´e sur le site a d´ecid´e de son incorporation dans le banc optique.

Les donn´ees de la cam´era sont converties par une carte d’acquisition vid´eo en donn´ees ex- ploitables sur un ordinateur.

2.1.3.5 Contrˆole de la lumi`ere en sortie de guide.

Il s’agit d’une partie du banc permettant d’´etudier la forme d’onde guid´ee ou de mesurer la puissance laser inject´ee dans le guide.

Etude du mode guid´e. La lumi`ere sortant du guide est collect´ee par un objectif de r´ecup

La lumi`ere sortant du guide est collect´ee par un objectif de r´ecup´eration (10X, ON=0,25) et focalis´ee sur une webcam CCD adapt´ee sur le banc. Il s’agit d’une cam´era “Toucam Pro” de Philips ´equip´ee d’un capteur CCD Sony format 1/3” de d´efinition VGA (640 x 480 pixels) et de bonne sensibilit´e (0,5 lux environ).

Le capteur de cette cam´era est encore excitable `a 1064nm et sa tr`es bonne sensibilit´e permet de visualiser la qualit´e de l’injection ainsi que le caract`ere mono ou multimode du guide inject´e.

Contrˆole de la puissance inject´ee. Le mˆeme objectif de r´ecup´eration que celui d´ecrit pr´ec´ed Le mˆeme objectif de r´ecup´eration que celui d´ecrit pr´ec´edemment focalise la lumi`ere sur un mesureur de puissance ´equip´e d’un diaphragme permettant d’´eliminer la lumi`ere parasite. Ce syst`eme permet de d´eterminer en temps r´eel la puissance guid´ee durant l’exp´erience.