Nanopinces optiques sur puce pour la manipulation de particules diélectriques

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particules diélectriques

Claude Renaut

To cite this version:

Claude Renaut. Nanopinces optiques sur puce pour la manipulation de particules diélectriques.

Optique [physics.optics]. Université de Bourgogne, 2014. Français. �NNT : 2014DIJOS010�. �tel- 01124346�

Ecole Doctorale Carnot - Pasteur ´

TH` ESE

Pr´esent´ee et soutenue publiquement par

Claude RENAUT

Ing´enieur de l’ ´Ecole Sup´erieure d’Ing´enieur de Recherche en Mat´eriaux

Pour obtenir le grade de :

DOCTEUR DE L’UNIVERSIT ´ E DE BOURGOGNE Discipline: Physique

Nanopinces optiques sur puce pour la manipulation de particules di´electriques

Soutenue le 20 mai 2014 devant la commission d’examen :

Rapporteurs : Yong Chen Directeur de Recherche, ´Ecole Normale Sup´erieure, Paris RomainQuidant Professeur, Institut de Ci`ences Fot`oniques, Barcelone Examinateurs : Romuald Houdr´e Professeur, ´Ecole Polytechnique F´ed´erale de Lausanne

Herv´e Maillotte Directeur de Recherche, FEMTO-ST, Besan¸con Directeur de th`ese : Fr´ed´erique de Fornel Directeur de Recherche, Laboratoire ICB, Dijon Co-directeurs de th`ese : Benoˆıt Cluzel Maˆıtre de Conf´erence, Universit´e de Bourgogne, Dijon

David Peyrade Charg´e de Recherche, LTM-CNRS, Grenoble Membre invit´e : Emmanuel Picard Ing´enieur, CEA Grenoble

Optique de Champ Proche

Laboratoire Interdisciplinaire Carnot de Bourgogne – CNRS UMR 6303, Dijon Laboratoire Silicium Nano´electronique Photonique et Structures

INAC, CEA Grenoble

Laboratoire des Technologies de la Micro´electronique

Remerciements

Avant de commencer ces remerciements, j’aimerais rappeler l’aventure humaine ex- ceptionnelle que repr´ esente la th` ese de doctorat. C’est une aventure au plein du mot, une exp´ erience humaine riche et surprenante qui permet de sonder ses propres limites et de d´ ecouvrir que l’on ne peut rien faire tout seul.

Dans le cadre de cette th` ese j’ai ´ evolu´ e dans un consortium entre trois labora- toires. Deux en Is` ere et l’autre en Bourgogne. Deux des laboratoire du consortium le Groupe d’Optique de Champ Proche (LICB) de l’Universit´ e de Bourgogne et le laboratoire Silicium Nano´ electronique Photonique et Structure (SiNaPS) du CEA- Grenoble animent commun´ ement le laboratoire de recherche correspondant SINOP- TIQ, autour d’activit´ es de recherche en photonique. Le troisi` eme laboratoire de ce consortium, le Laboratoire des Technologies de la Micro´ electronique (LTM) du CNRS (implant´ e sur le site du CEA-Grenoble) collabore ´ etroitement avec les deux autres laboratoire depuis de nombreuses ann´ ees sur diff´ erentes th´ ematiques dont celle qui va nous int´ eresser dans la suite, la photonique silicium. J’ai donc ´ et´ e ac- cueilli dans ces trois laboratoires et j’ai pu b´ en´ eficier de tout leur potentiel. Pour simplifier mon travail, j’´ etais rattach´ e au laboratoire SiNaPS sur le campus Mina- tec du CEA-Grenoble ` a quelques centaines de m` etres du LTM et j’effectuais les d´ eplacements qui s’av´ eraient n´ ecessaires ` a Dijon.

Je vais m’efforcer de n’oublier personne. J’aimerais d’abord remercier les membres du jury de soutenance. Ma plus grande reconnaissance ` a MM. Yong Chen et Romain Quidant qui ont accept´ e de rapporter cette th` ese. Toute ma gratitude ` a MM. Herv´ e Maillote et Romuald Houdr´ e qui ont accept´ e d’examiner mon travail. Un merci g´ en´ eral ` a tous les membres du jury pour la qualit´ e de leurs remarques et questions et l’accueil favorable qu’ils ont manifest´ e devant mes travaux.

Je remercie en particulier Fr´ ed´ erique de Fornel, ma directrice de th` ese et chef du Groupe d’Optique de Champ Proche. Toujours disponible et g´ en´ ereuse de son temps, Fr´ ed´ erique a contribu´ e ` a me faciliter la tˆ ache en aplanissant quelques difficult´ es mat´ erielles et en m’offrant un accueil attentif dans son laboratoire.

Vient ensuite Benoˆıt Cluzel, toujours pr´ esent, toujours de bonne humeur, qui m’a beaucoup appris sur le plan exp´ erimental et qui m’a fortement soutenu dans la r´ edaction des articles. Il a eu aussi la g´ en´ erosit´ e de m’h´ eberger et ainsi j’ai fait connaissance de toute sa petite famille. Merci pour ce partage chaleureux ! J’ai pass´ e de tr` es bons moments avec vous.

Toute ma reconnaissance aussi ` a Emmanuel Hadji. responsable du laboratoire Si- NaPS. Emmanuel m’a aimablement accueilli et instruit des choses importantes qu’il faut savoir quand on travaille dans une institution et sur un secteur concurrentiel. Il a de plus marqu´ e beaucoup d’int´ erˆ et pour mon travail ce qui m’a fortement encourag´ e.

J’ai eu l’appr´ eciable avantage de travailler avec Emmanuel Picard, Ensemble nous

avons fait ´ evoluer le banc de transmission de Grenoble pour en faire l’instrument que

l’on connaˆıt aujourd’hui. J’ai beaucoup appris d’Emmanuel aussi bien en photonique

qu’en sport. Nous avons partag´ e de merveilleux moments de ski alpin et des sorties

v´ elo ´ epuisantes pour moi mais plus tranquilles pour lui. J’ai plus de souvenirs de la

mont´ ee du Luitel que de l’Alpe d’Huez!

du LTM. Il est d´ etenteur d’une exp´ erience sans ´ egale en nano-fabrication. David m’a form´ e aux outils n´ ecessaires ` a la lithographie ´ electronique. Il a su, grˆ ace ` a une grande patience et une d´ etermination sans faille me guider vers les bonnes d´ ecisions.

Nous avons beaucoup discut´ e au cours des pauses de midi sur la pers´ ev´ erance dans les manipes pour que la recherche avance.

Mes plus vifs remerciements vont ` a trois coll` egues et amis du SiNaPS : Vincent Calvo, Eric Delamadeleine et Jean-Baptiste Jager. Merci ` a Vincent pour ses conseils judicieux et les discussions sur des points de physiques. Merci ` a Eric pour son as- sistance aussi bien pour la m´ ecanique que pour les licences des logiciels. Merci ` a Jean-Baptiste pour son aide dans certaines manipes et les prˆ ets de mat´ eriels. J’ai

´

et´ e tr` es sensible ` a votre venue ` a Dijon pour la soutenance. Mˆ eme Laurence ´ etait au rendez-vous. Prenez soin de vous et courage pour la musique.

Jean Dellinger a ´ et´ e d’une aide pr´ ecieuse par son ing´ eniosit´ e et sa vivacit´ e d’esprit.

Partageant des racines Lorraines communes nous avons trouv´ e de nombreux terrains d’entente.

Lo¨ıc Lalouat est pour moi un transmetteur. Il m’a gratifi´e d’une partie de son ex- p´ erience sur les microscopes en champ proche. Il m’a ´ et´ e aussi d’une aide pr´ ecieuse concernant la simulation ´ electromagn´ etique.

Kevin Foubert a ´ et´ e mon pr´ ed´ ecesseur sur le banc de Grenoble. Je l’ai cˆ otoy´ e ensuite au CEA. Nous avons test´ e ensemble dans des conditions r´ eelles la premi` ere mouture d’un prototype de d´ etecteur. Merci Kevin pour ton aide ind´ efectible.

Toute ma reconnaissance amicale ` a Marl` ene Petit et Olivier Demichel qui m’ont support´ e et accueilli ` a la fin de cette th` ese aussi bien au bureau que chez eux.

Merci ` a mon irrempla¸cable Quentin Benoˆıt ` a la Guillaume, s’il n’avait pas ´ et´ e il aurait fallu l’inventer. Sans pareil pour avoir des id´ ees. Sans ´ egal comme artiste, car sans lui certaines de mes illustrations seraient bien fades. Nous avons partag´ e des moments exceptionnels ensemble, pas toujours centr´ es sur nos travaux respectifs. A toi et ` a Aur´ elie je vous souhaite le meilleur et vous remercie.

Th´ er` ese Gorisse, Maxime Bossard, Jean-Yves Simon et Christophe Pin, ensemble nous participions tous les mercredis soir, au Phenomen bar, ` a des quiz musicaux.

Maxime bonne chance pour la r´ edaction et Christophe bonne continuation dans la th` ese et que la force soit avec toi, Th´ er` ese amuse toi bien ` a Bordeaux!

Je remercie tr` es amicalement Marc Zelsmann du LTM. Marc a toujours ´ et´ e l` a pour r´ epondre ` a des questionnements concernant le banc de transmission de Grenoble.

Sur un autre plan Marc et David Fuard du LTM sont les organisateurs des sorties v´ elo SiNaPS-LTM. Ils m’ont permis de visiter les cols et mont´ ees c´ el` ebres du pays grenoblois. C’´ etait super!

Mon immense gratitude ` a Thomas Bernardin, bourguignon d’origine que j’ai rencon-

tr´ e ` a Grenoble en stage, un fervent adepte de linux. Nous avons ´ et´ e dans mˆ eme bu-

reau au CEA pendant le stage. Thomas m’a appris les rudiments de LaTex. Chaque

fois que je peux, je viens le voir quand je viens ` a Dijon. Je suis toujours ravi d’ˆ etre

accueilli chez Fanny, Thomas et Lucas. Merci pour tout, ne changez rien, vous ˆ etes

g´ eniaux.

Cordeiro et Michel Moussus. J’ai partag´ e beaucoup de bons moments avec eux, les sorties en v´ elo ou les sorties ski ` a Prapoutel. Je sais ce que vous allez dire. ”Nan mais Claude, viens en au fait.” J’y arrive, merci les gars et bonne continuation.

Ma sinc` ere reconnaissance ` a Fleur Thissandier. Nous avons sympathis´ e pendant les cours de ski de l’association sportive du CEA. J’ai partag´ e de bons moments au ski avec Fleur. Merci pour tout.

Evidemment mes souhaits les meilleurs aux autres coll` ´ egues du SiNaPS, du LTM et de l’UB. Amit Solanki qui continue sa carri` ere de chercheur ` a Harvard, Ludovic Dupr´ e qui pour l’instant profite des joies du sport au grand air, Clarisse Benoˆıt qui va bientˆ ot r´ ediger sa th` ese, Guillaume Rosaz toujours l` a pour prodiguer de bons conseils ` a ses cadets et qui a rejoint le CERN, Thibault Honegger fraˆıchement revenu du MIT et embauch´ e au CNRS encore bravo, Olivier Lecarme qui revient du Japon avec plein d’id´ ees en tˆ ete, Karim Hassan tous mes encouragements pour la suite ; Simon Debrand bonne fin de r´ edaction, Pauline Vitry et Ece-Neslihan Aybeke pour leur gaiet´ e et leur bonne humeur. Vous m’avez tous permis d’avancer, merci.

A Thibault Ricart, un Mac Gyver grandeur nature j’adresse mes plus sinc` eres ami- ti´ es. J’ai beaucoup appr´ ecier les BBQ, les soir´ ees mix et les fl´ echettes chez toi. Je crois qu’` a la colloc ils vont s’en rappeler encore longtemps de ces fameuses vacances au ski. Vive Enerbee!

Kevin Berton un sp´ ecialiste des technologies de la micro´ electronique sans qui beau- coup de choses n’auraient pas ´ et´ e possibles dans ma th` ese et dans celle des copains.

Pour tes conseils et ton aide en salle blanche et pour la LAN, Cloud te remercie.

Je voudrais aussi dire un grand merci ` a toute l’´ equipe fil du SiNaPS-LTM, je m’adresse bien sˆ ur ` a Pascal Gentil, Andr´ e Barski, Nicolas Pauc, Basem Salem et Virgine Brouzet. J’ai appris au fil de vos pr´ esentations quelques trucs sur la crois- sance des fils. Et un merci particulier ` a Pascal qui se donne le mal d’aller chercher le caf´ e. Et Virginie, ne t’inqui` ete pas, tout s’est bien pass´ e c’´ etait super.

M. Thomas Charvolin responsable de la salle de chimie du SiNaPS, merci pour tous tes conseils et le prˆ et des roseaux pour le hautbois.

No´ emie et Laurent il est temps que je vous remercie pour tout le soutien que vous m’avez apport´ e.

Je voudrais aussi remercier toutes les personnes qui ont fait le d´ eplacement depuis la Moselle, la Meurthe et Moselle, la Cˆ ote d’Or, l’Is` ere, les Alpes Maritimes, la famille les amis, les parents des amis, les cousins, les cousines, les tontons, les tatas, ma marraine, mon parrain et bien ´ evidemment mes parents qui ont insist´ e pour tout pr´ eparer pour le pot de th` ese et c’´ etait super merci mes chers parents.

Il est fort probable que j’ai omis certains d’entre vous et je voudrais par avance que vous acceptiez mes excuses. Ne cherchez pas ici un acte d´ elib´ er´ e mais une erreur. Il va de soi que je remercie toutes les personnes que j’ai pu croiser au CEA au LTM et

`

a l’UB qui m’ont aid´ e et inversement. Bonne r´ eussite ` a tous et pour ceux qui vont

tourner la page une bonne lecture.

mais dans sa forme ou ses conditions.”

– Emmanuel Kant, Critique de la raison pure

Table des mati` eres

Introduction 1

1 Etat de l’art´ 3

1.1 Diff´ erentes approches pour la manipulation de suspensions collo¨ıdales 4

1.2 La manipulation de particules par forces optiques . . . . 6

1.3 Les pinces optiques en espace libre . . . . 8

1.3.1 Les pinces optiques conventionnelles . . . . 8

1.3.2 Les pinces optiques ` a base de faisceaux structur´ es . . . . 9

1.3.3 Manipulation de particules ` a l’aide de fibres optiques . . . . . 12

1.4 Manipulation de particules par ondes ´ evanescentes . . . . 14

1.4.1 Prismes, guides d’ondes et anneaux . . . . 14

1.4.2 Les nanostructures plasmoniques . . . . 17

1.4.3 Les pinces optiques sur puces ` a base de cavit´ es photoniques . 22 1.5 Conclusion . . . . 26

2 Outils exp´erimentaux pour l’´etude des nanopinces sur puce 27

2.1 Nanocavit´ es comme brique de base pour les pinces optiques . . . . 28

2.2 Fabrication des nanopinces optiques sur puce . . . . 30

2.2.1 Contraintes de la cellule microfluidique . . . . 30

2.2.2 Les structures photoniques int´ egr´ ees . . . . 31

2.2.2.1 Lithographie ´ electronique des structures photoniques 32 2.2.2.2 Gravure et nettoyage des structures photoniques . . 33

2.2.3 Fabrication de la cellule microfluidique . . . . 34

2.2.3.1 Fabrication d’une couche uniforme de PDMS . . . . 34

2.2.3.2 Montage de la cellule fluidique . . . . 34

2.3 Caract´ erisations optiques en champ proche et transmission . . . . 35

2.3.1 Microscope en champ proche optique . . . . 36

2.4 D´ eveloppement du banc de mesures optofluidiques . . . . 38

2.4.1 Banc de spectroscopie de transmission existant . . . . 38

2.4.2 Evolution du banc de mesures ´ . . . . 39

2.4.2.1 Adaptation de l’injection . . . . 39

2.4.2.2 Porte ´ echantillon d´ edi´ e ` a l’optofluidique . . . . 40

2.4.3 Visualisation et enregistrement du mouvement des particules . 41 2.4.4 Interfa¸cage informatique de l’exp´ erience . . . . 43

2.4.5 Description des outils d’analyse d’images et de suivi de particules 45

2.5 Conclusion . . . . 47

3 Pi´egeage de particules sur puce : preuve de principe 49

3.1 Propri´ et´ es des cavit´ es immerg´ ees . . . . 49

3.1.1 D´ ecalage spectral et facteur de qualit´ e . . . . 50

3.1.2 Distribution du champ ´ electromagn´ etique . . . . 51

3.1.3 R´ eponse en puissance et dissipation des effets thermiques . . . 53

3.2 Preuve de principe du pi´ egeage des particules . . . . 55

3.2.1 Les particules en suspension . . . . 55

3.2.2 Pi´ egeage de particules de diff´ erents diam` etres . . . . 56

3.3 Conclusion . . . . 61

4 Pi´egeage des particules de

1

4.1 Suivi de la trajectoire des particules . . . . 63

4.1.1 Position de pi´ egeage, champ d’action de la cavit´ e . . . . 63

4.1.2 Evolution en puissance de la distance d’interaction de la cavit´ ´ e 65 4.2 Perturbation de la transmission par les ´ ev´ enements de pi´ egeage . . . 67

4.3 Assemblage auto-organis´ e de particules . . . . 69

4.4 Conclusion . . . . 72

5 Pinces optiques `a base de cavit´es coupl´ees 73

5.1 Les pinces optiques coupl´ ees . . . . 73

5.2 Pi´ egeage, d´ etection et assemblage . . . . 75

5.2.1 Propri´ et´ es optiques de la structure coupl´ ee . . . . 75

5.2.2 Pi´ egeage et d´ etection de particules sur deux cavit´ es coupl´ ees . 77 5.3 Contrˆ ole lin´ eaire du mouvement de particules . . . . 80

5.3.1 Propri´ et´ es optiques de la structure coupl´ ee . . . . 80

5.3.2 Mise en ´ evidence du d´ eplacement des particules . . . . 82

5.4 Contrˆ ole optique de la rotation d’un assemblage . . . . 85

5.4.1 Propri´ et´ es optiques des cavit´ es coupl´ ees . . . . 85

5.4.2 Mise en ´ evidence de la rotation d’un assemblage . . . . 87

5.5 Conclusion . . . . 90

6 Assemblage et auto-organisation des particules 93

6.1 Assemblage de particules avec une cavit´ e . . . . 93

6.2 Assemblage de particules avec les cavit´ es coupl´ ees . . . . 94

6.3 Analyse et discussion des assemblages . . . . 96

Conclusion g´en´erale 99

Bibliographie 103

Introduction

Depuis leur d´ ecouverte, les forces optiques ont suscit´ e beaucoup d’int´ erˆ et. Kepler est le premier ` a s’int´ eresser ` a l’action m´ ecanique de la lumi` ere sur la mati` ere inspir´ ee de la train´ ee des com` etes. Il postule que la queue des com` etes est cr´ e´ ee par une pression radiative d’origine lumineuse provenant de l’´ etoile la plus proche de la com` ete. Ceci vient naturellement pour lui du fait que la direction de la queue des com` etes est toujours oppos´ ee au soleil. En 1746, Euler propose une d´ emonstration math´ ematique du ph´ enom` ene. Il explique qu’une onde lumineuse exerce une force sur la surface d’un corps plac´ e dans la direction de propagation de cette lumi` ere [1].

Maxwell en 1873 renforce cette id´ ee en th´ eorisant la force exerc´ ee par la lumi` ere sur la mati` ere commun´ ement appel´ ee pression de radiation dans son trait´ e sur l’´ electricit´ e et le magn´ etisme [2,

En 1873, un autre physicien Crookes, tente de mettre en ´ evidence la pression de radiation. Il construit un appareil constitu´ e d’un moulin dans une ampoule sous un vide partiel. Ce moulin porte quatre ailettes de mika, chacune poss` ede une face r´ e- fl´ echissante et un face absorbante. Lorsque Crookes illumine son moulin, il observe la rotation des faces absorbantes vers les faces r´ efl´ echissantes. L’action de la pression de radiation aurait dˆ u repousser les faces r´ efl´ echissantes du moulin. Il met en fait en

´ evidence avec ce dispositif les forces dites radiom´ etriques. Les explications concer- nant l’appareil de Crookes seront donn´ ees quelques ann´ ees plus tard par Maxwell et Reynolds [4]. Mais jusque l` a aucune action m´ ecanique ` a distance purement optique n’est observ´ ee en laboratoire.

On attendra 1900 et Lebedev pour la premi` ere mise en ´ evidence en laboratoire de l’action de forces optiques sur des particules macroscopiques [5]. L’ann´ ee suivante Nicols et Hull vont renouveler l’exp´ erience r´ ealis´ ee par Lebedev mais cette fois en milieu gazeux [6]. N´ eanmoins l’exploitation de ces effets semble difficile avant l’in- vention du laser.

Lorsqu’on s’int´ eresse ` a des objets collo¨ıdaux un outil adapt´e est n´ecessaire ` a les ma- nipuler. Les pinces optiques r´ epondent ` a ce besoin mais lorsque l’objet ` a analyser est fragile (´ el´ ement biologique, cellule ...) un flux laser direct peut poser des probl` emes.

Grˆ ace ` a l’optique int´ egr´ ee (guide d’onde, jonction Y, anneau, cavit´ e) nous pouvons

concevoir des syst` emes de manipulation de particules dans lesquels les ondes ´ evanes-

centes servent ` a pi´ eger l’objet. En effet, l’utilisation des ondes ´ evanescentes permet

d’augmenter l’efficacit´ e des syst` emes de pi´ egeage de particules en b´ en´ eficiant de la

localisation des ondes ´ electromagn´ etique en-dessous de la limite fix´ ee par Ernst Karl

Abbe. Par ailleurs, l’utilisation de l’optique int´ egr´ ee permet l’int´ egration des instru-

ments utiles ` a la manipulation d’objets et offre la possibilit´ e de cr´ eer un laboratoire

sur puce.

Dans ce m´ emoire, nous passons en revue quelques unes des techniques de manipula- tion optique de particules, en se focalisant sur les syst` emes int´ egr´ es. Ce premier cha- pitre montre le domaine d’application, avec les diff´ erentes solutions technologiques, en espace libre ou en optique int´ egr´ ee. Pour le domaine particulier de l’optique in- t´ egr´ ee, nous avons choisi de s´ eparer les syst` emes qui utilisent des guides d’onde des cavit´ es, des nano-antennes plasmoniques ou des cristaux photoniques. Certes, les syst` emes int´ egr´ es ne sont pas aujourd’hui aussi simples d’utilisation et aboutis que les pinces en espace libre mais ´ etant g´ en´ eralement assez r´ ecents, ils n´ ecessitent encore un peu de d´ eveloppement avant leur utilisation par les biologistes ou les physiciens.

Dans le second chapitre, nous aborderons le vif du sujet ` a savoir la manipulation de particules au voisinage du champ de cavit´ es. Nous pr´ esentons les diff´ erentes phases de la fabrication des nanocavit´ es en silicium sur isolant pour le pi´ egeage et la ma- nipulation de particules sur puce. Ensuite, nous expliquons comment les cellules fluidiques sont r´ ealis´ ees pour aboutir ` a la cellule optofluidique. Enfin, nous pr´ esen- tons les diff´ erents outils exp´ erimentaux utilis´ es et les d´ eveloppements qui nous ont amen´ es ` a la r´ ealisation d’un banc optique adapt´ e ` a l’´ etude du d´ eplacements des particules dans les cellules optofluidiques.

Le chapitre trois pr´ esente l’´ etude des propri´ et´ es des cavit´ es dans l’air et immerg´ ees.

Ensuite, nous montrons la preuve de principe du pi´ egeage de particules de diff´ erents diam` etres par les nanocavit´ es.

Dans le quatri` eme chapitre nous analysons la position de pi´ egeage des particules de 1

de diam` etre par rapport ` a la cavit´ e ainsi que le champ d’action de cette inter- action. Une ´ etude du signal transmis par la cavit´ e pendant le pi´ egeage de particules sera pr´ esent´ ee.

Le chapitre cinq est d´ edi´ e aux syst` emes de cavit´ es coupl´ ees. Ces syst` emes forment des pi` eges ` a g´ eom´ etrie de champ configurable par la longueur d’onde. La localisation des particules sera analys´ ee par rapport aux diff´ erents modes optiques des cavit´ es coupl´ ees.

Enfin, l’ultime chapitre de ce manuscrit est consacr´ e ` a l’´ etude des diff´ erents assem- blages de particules de polystyr` ene au-dessus des diff´ erentes cavit´ es et des syst` emes de cavit´ es coupl´ ees ´ etudi´ es.

Nous terminerons ce manuscrit par quelques conclusions et pr´ esenterons quelques

perspectives ` a ce travail.

1

Etat de l’art ´

Sommaire

1.1 Diff´erentes approches pour la manipulation de suspensions

collo¨ıdales . . . 4

1.2 La manipulation de particules par forces optiques . . . 6

1.3 Les pinces optiques en espace libre . . . 8

1.3.1 Les pinces optiques conventionnelles . . . 8

1.3.2 Les pinces optiques `a base de faisceaux structur´es . . . 9

1.3.3 Manipulation de particules `a l’aide de fibres optiques . . . 12

1.4 Manipulation de particules par ondes ´evanescentes . . . 14

1.4.1 Prismes, guides d’ondes et anneaux. . . 14

1.4.2 Les nanostructures plasmoniques . . . 17

1.4.3 Les pinces optiques sur puces `a base de cavit´es photoniques . 22 1.5 Conclusion . . . 26

Les pinces optiques permettent de maintenir immobile et de d´ eplacer un objet de taille microscopique sans contact direct. Les lasers les plus couramment utilis´ es pour fabriquer des pinces optiques conventionnelles sont de types continus et de puissance relativement faible (0, 1 ` a 1

) pour limiter les risques de d´ et´ eriorations thermiques ou photochimiques.

En biologie, les pinces optiques sont utilis´ ees en majorit´ e pour la manipulation de cellules et l’analyse des propri´ et´ es ´ elastiques des mat´ eriaux biologiques. Les pinces optiques permettent de s´ electionner, d’immobiliser et de manipuler diff´ erents types cellulaires et organismes unicellulaires : bact´ eries, virus, spermatozo¨ıdes, globules rouges, cellules r´ etiniennes [7]. Pour ne donner qu’un exemple dans ce domaine, la manipulation optique de particules mobiles comme les spermatozo¨ıdes a permis de mesurer leurs forces de propulsion flagellaire et d’´ echappement du pi` ege optique, ce qui constitue un moyen de diagnostic de certaines st´ erilit´ es. Le d´ eveloppement d’outils de manipulation optique de cellules et de mol´ ecules ayant un int´ erˆ et pour la biologie ouvre de nouveaux champs de recherche [8,

Dans ce chapitre nous pr´ esentons diff´ erentes m´ ethodes de pi´ egeage et de manipu-

lation de suspensions collo¨ıdales par forces optiques. Cependant, il existe un grand

nombre de techniques qui font appel ` a d’autres domaines de la physique. Dans la premi` ere section de ce chapitre nous pr´ esentons quelques unes des techniques de manipulation de particules pour situer les pinces optiques par rapport aux autres techniques. La bibliographique qui suit est scind´ ee en deux parties, du point de vue des syst` emes optiques ; d’abord les techniques de manipulations de particules en es- pace libre ensuite les techniques utilisant des ondes ´ evanescentes pour manipuler les particules.

1.1 Diff´ erentes approches pour la manipulation de suspensions collo¨ıdales

Nous limitons notre description aux principales techniques qui font appel aux ondes

´

electromagn´ etiques.

Pinces di´electrophor´etiques

Les pinces di´ electrophor´ etiques utilisent un champ

´

electrique alternatif non-uniforme pour induire le d´ eplacement de particules di´ elec- triques grˆ ace ` a la diff´ erence de constante di´ electrique entre le milieu de dispersion et la particule [10,

Cette force est proportionnelle au rayon de la particule et au gradient du champ

´

electrique mais aussi au facteur de Clausius-Mossotti. Ce dernier traduit la diff´ e- rence entre la constante di´ electrique de la particule et celle du milieu de dispersion.

Le facteur de Clausius-Mossotti (f

(ω)) d´ epend de la particule et du milieu de dispersion mais aussi de la fr´ equence appliqu´ ee du champ ´ electrique. Ainsi la force que subira la particule dans ce champ peut l’amener vers les r´ egions de fort champ

´

electrique (Re[f

(ω)]

0) ou inversement vers les zones de champ faible lorsque (Re[f

(ω)]

0). Avec le mˆ eme outil on pourra donc attirer ou repousser une particule.

La pr´ ecision du d´ eplacement des particules par di´ electrophor` ese repose sur les perfor- mances des ´ electrodes (param` etres g´ eom´ etriques, mat´ eriaux). La force di´ electropho- r´ etique d´ epend du rayon de la particule au cube, si on r´ eduit la taille de la particule on diminue l’intensit´ e de la force. On trouve dans la litt´ erature des valeurs de force de di´ electrophor` ese comprises entre 0, 5 et 200

et des d´ eplacements minimum de particules ou d’ensemble de particules observ´ es jusqu’` a 0, 8

[13,

Pinces magn´etiques

Les ondes magn´ etiques constituent un autre type de mani- pulation ` a distance ` a l’aide d’ondes ´ electromagn´ etiques. Cette technique est utilis´ ee depuis 1950 pour manipuler des cellules ayant ´ et´ e modifi´ ees par ajout de particules magn´ etiques en leur sein [15].

La force qui s’exerce sur une particule magn´ etique est proportionnelle au volume

de la particule, ` a la diff´ erence de susceptibilit´ e entre la particule et le milieu de

dispersion et au gradient du champ magn´ etique. Si la diff´ erence de susceptibilit´ e

est positive, la force magn´ etique attire la particule vers les zones de fort gradient

de champ magn´ etique. A l’inverse si la diff´ erence de susceptibilit´ e est n´ egative la

particule est pouss´ ee vers des zones de faible gradient de flux magn´ etique.

erentes approches pour la manipulation de suspensions collo¨ıdales Les pinces magn´ etiques sont tr` es utilis´ ees pour la manipulation de brins d’ADN et l’´ etude de la d´ eformation des cellules en biologie [16]. Cependant, une ´ etape de pr´ epa- ration est n´ ecessaire avant toute exp´ erience pour adjoindre une particule magn´ etique

`

a l’entit´ e ` a ´ etudier. De plus, la particule magn´ etique peut alt´ erer le comportement de l’entit´ e.

Dans la litt´ erature les valeurs d’intensit´ e de forces magn´ etiques report´ ees s’´ etendent de 2 ` a 50

et les d´ eplacements minimum de particules sont de l’ordre du micro- m` etre [17,

Pinces optiques

Le type le plus utilis´ e de pinces optiques permet de manipuler des micro ou des nano-objets di´ electriques, m´ etalliques ou encore semi-conducteurs grˆ ace au faisceau focalis´ e d’un laser [19,

ee une zone de fort champ ´ electrique qui g´ en` ere un fort gradient de champ et permet de manipuler des particules.

Lorsque l’indice de r´ efraction des particules est plus ´ elev´ e que celui du milieu de dispersion, la localisation du champ ´ electrique au point focal attire les particules.

A l’inverse lorsque l’indice de r´ efraction des particules est plus faible que celui du milieu de dispersion, les particules sont repouss´ ees des zones de forts champs ´ elec- triques.

Dans le cas des pinces optiques, une particule est soumise majoritairement ` a une force de rappel appel´ ee commun´ ement force de gradient. Cette force ´ electrique est proportionnelle au volume de la particule et au gradient du module du champ au carr´ e mais aussi ` a la diff´ erence relative d’indice de r´ efraction entre la particule et le milieu de dispersion.

Grˆ ace aux pinces optiques on peut manipuler des objets en suspension de tailles comprises entre 10

` a 10

[19]. Les syst` emes de pinces optiques ´ etudi´ ees dans la litt´ erature reportent des valeurs d’intensit´ e de force de pi´ egeage comprise entre quelques picoNewtons et plusieurs centaines de picoNewtons pour des puissances laser allant de quelques milliWatts au Watt. On peut mesurer des d´ eplacements na- nom´ etriques entre autres pour l’´ etude des moteurs mol´ eculaires [8]. Il est possible de manipuler dans une pince optique des objets de tailles diff´ erentes provenant de la mˆ eme suspension collo¨ıdale.

Comparaison des approches

La di´ electrophor` ese n´ ecessite des ´ electrodes, qui obligent l’exp´ erimentateur ` a positionner les particules l` a o` u les ´ electrodes sont pr´ e- sentes. Par contre avec les mˆ emes ´ electrodes on peut ` a la fois attirer et repousser les objets. La di´ electrophor` ese est adapt´ ee ` a la manipulation d’objets en parall` ele.

Pour manipuler par forces magn´ etiques il faut des objets magn´ etiques g´ en´ eralement ferromagn´ etiques ` a l’´ echelle microm´ etrique. Pour les objets non magn´ etiques comme les cellules il faut leur adjoindre une particule magn´ etique pour parvenir ` a les ma- nipuler. La pr´ eparation de l’objet est donc une ´ etape obligatoire.

Les pinces optiques quant ` a elles ne souffrent pas de limitations concernant la nature

des particules. On va pouvoir manipuler une vari´ et´ e de particules diff´ erentes allant

des microsph` eres de polystyr` ene jusqu’aux brins d’ADN. De plus les montages de

pinces optiques sont pour la plus grande partie compatibles avec les microscopes ven- dus dans le commerce. Les pinces optiques peuvent utiliser des ondes ´ evanescentes propagatives ou ´ evanescentes.

1.2 La manipulation de particules par forces op- tiques

Nous allons d´ ecrire de fa¸con plus d´ etaill´ ee le pi´ egeage de particules apr` es avoir rappel´ e quelques propri´ et´ es des forces optiques.

Les actions m´ecaniques de la lumi`ere

La nature de la lumi` ere est rest´ ee long- temps myst´ erieuse et s’est finalement r´ ev´ el´ ee au

et

si` ecles. Depuis le

deux ´ ecoles s’opposaient pour savoir si la lumi` ere est une onde (Huyghens et Fresnel) ou faite de corpuscules (Descartes et Newton). Une ´ etape importante est franchie lorsque Maxwell ´ etablit les ´ equations fondamentales qui r´ egissent les champs ´ electriques et magn´ etiques [2,

equations de Maxwell montrent que le champ ´ electromagn´ etique oscille et se propage dans le vide ` a la vitesse de la lumi` ere.

En 1900, la loi de rayonnement du corps noir par M. Planck puis l’analyse d’Einstein en 1905 de l’effet photo´ electrique, sugg` erent le deuxi` eme aspect de la lumi` ere. Son

´

energie

est transmise par quanta, et l’´ energie d’un quantum est donn´ ee par [22,

E

=

(1.1)

et chaque photon poss` ede une quantit´ e de mouvement donn´ ee par la relation.

p

=

c

(1.2)

Lorsqu’un photon est r´ efl´ echi par un miroir parfait, il subit une variation de quan- tit´ e de mouvement qui engendre une force sur la surface du miroir d´ ecrite par la l’´ equation suivante :

F~

=

=

c

−

→u

(1.3)

o` u

est l’indice de r´ efraction du milieu dans lequel l’onde ´ electromagn´ etique se propage,

est l’intensit´ e du faisceau lumineux.

Dans le cas d’une particule sph´ erique qu’on ´ eclaire, les forces optiques peuvent se d´ ecomposer selon l’approximation dipolaire en deux contributions principales.

1.

Les forces de pression de radiation ou encore de diffusion qui sont proportion-

nelles ` a l’intensit´ e lumineuse. Ces forces sont orient´ ees selon la direction de propaga-

tion de la lumi` ere. Elles sont influenc´ ees par les propri´ et´ es optiques et g´ eom´ etriques

de la particule (absorption, r´ eflexion, diffusion). Les photons r´ epartis de mani` ere

sym´ etrique par rapport au centre de la particule, et transmis par celle-ci engendrent

une variation de quantit´ e de mouvement orient´ ee selon la direction de propagation

de la lumi` ere (

). De la mˆ eme fa¸con, les photons absorb´ es transmettent une impul-

sion ´ electromagn´ etique orient´ ee selon la direction de propagation du faisceau (

)

[24,

2.

Les forces de gradient sont li´ ees ` a l’interaction de la particule avec un fais- ceau, dont le profil d’intensit´ e est non uniforme. La force r´ esultante est dirig´ ee selon le gradient d’intensit´ e lumineuse du faisceau incident. Si la particule est peu ou tr` es r´ efl´ echissante, elle sera pouss´ ee vers le maximum ou le minimum d’intensit´ e lumineuse.

La d´ ecomposition des forces optiques en force de gradient et pression de radiation appartient ` a l’approximation dipolaire. Cette approximation est utilis´ ee pour les forces optiques lorsque que le diam` etre de la particule ` a manipuler est petit devant la longueur d’onde de manipulation et le champ est statique [24,

(a) (b)

Figure1.1 – Description dans le cas de l’optique g´eom´etrique. (a) Une sph`ere est illumi- n´ee par un faisceau parall`ele avec un profil d’intensit´e gaussien. (b) Une sph`ere illumin´ee par un faisceau focalis´e avec un profil d’intensit´e gaussien, extrait de [26].

La figure 1.1 repr´ esente deux cas tr` es simples pour illustrer le comportement d’une pince optique. Dans (a) et (b) on dispose d’un faisceau gaussien.

En (a), le faisceau n’est pas focalis´ e et de ce fait la particule qui interagit avec le champ ne connaˆıt pas de position d’´ equilibre stable car l’intensit´ e est invariante le long du faisceau et varie perpendiculairement ` a l’axe de propagation. La particule sera attir´ ee vers les zones de fort champ (centre du faisceau) par la force de gradient.

Elle ne sera pas pi´ eg´ ee mais guid´ ee le long du faisceau.

En (b), le faisceau est focalis´ e ` a l’aide d’une lentille. De mˆ eme que dans le cas pr´ ec´ edent, il existe un gradient dˆ u ` a la variation d’intensit´ e perpendiculairement ` a l’axe de propagation du faisceau. Une seconde variation de l’intensit´ e lumineuse en ajoutant la lentille cr´ ee un gradient le long de l’axe de propagation du faisceau. Ce gradient de champ va attirer la particule vers le point de focalisation. Si la variation d’intensit´ e cr´ e´ ee est assez brutale, la particule sera maintenue au voisinage du point focal car la force de gradient surpassera l’effet de la pression de radiation. Dans cette configuration, on peut avoir un ´ equilibre stable qui se situe proche du point focal.

A partir d’un tel dispositif, on peut construire une pince optique et manipuler une particule en d´ epla¸cant le point focal [9,

Au niveau de la manipulation de particules par forces optiques on peut distinguer

deux grandes classes. Une premi` ere classe de pinces optiques est constitu´ ee des pinces

optiques dites en espace libre. Les faisceaux propagatifs (faisceaux focalis´ es, fais- ceaux non-diffractants...) viennent contrˆ oler la position des particules par la force induite par la structuration du faisceau lumineux. Le second type de pinces optiques concerne les pinces optiques d´ edi´ ees aux lab on chip. Dans ce cas on utilise la par- tie ´ evanescente du champ ´ electroagn´ etique guid´ e ou confin´ e dans des structures de l’optique int´ egr´ ee ou la plasmonique (guide, cavit´ e...).

1.3 Les pinces optiques en espace libre

1.3.1 Les pinces optiques conventionnelles

A. Ashkin est le premier ` a montrer exp´ erimentalement l’action conjugu´ ee de la force de gradient et de la pression de radiation sur le mouvement de particules. Il montre qu’avec des densit´ es de puissance laser ´ elev´ ees on s’affranchit des forces radiom´ e- triques [28]. Ashkin parvient ` a acc´ el´ erer, ` a pi´ eger et ` a mettre en l´ evitation des parti- cules de tailles et de natures diff´ erentes (Fig. 1.2 (a)). Ashkin ´ evoque explicitement la possibilit´ e d’appliquer le concept ` a des atomes [29,

En 1986 Ashkin et Chu r´ ealisent le pi´ egeage de particules collo¨ıdales, puis d’un nuage d’atomes refroidis au point focal d’un faisceau laser (Fig. 1.2 (b)) [19]. Ces pinces utilisent un faisceau laser direct tr` es fortement focalis´ e.

Axe optique

Front d'onde

Particule colloïdale

Laser Force de

gradient dominante Pression de

radiation dominante

(a) (b)

dessous

Figure 1.2 – (a) Sch´ema du pi`ege optique `a deux faisceaux (1 et 2 sur le sch´ema). Les microsph`eres en solution sont pi´eg´ees par opposition des deux faisceaux, extrait de [29].

(b) Sch´ema d’une pince optique conventionnelle. Le faisceau laser fortement focalis´e attire des objets. Le site de pi´egeage est situ´e `a proximit´e de la largeur minimale du faisceau [32].

En 1987 l’´ equipe d’Ashkin parvient ` a manipuler des virus et des bact´ eries dans une

pince optique de type simple faisceau ` a force de gradient [33,

eveloppements

se poursuivent ` a la fois dans la physique des atomes froids et pour les applications aux sciences du vivant.

Les avanc´ ees dans le domaine de la physique des atomes froids ont permis la d´ emons- tration de condensats de Bose-Einstein avec des atomes de Rubidium par Cornell et Wieman en 1995 [35]. En 1997 trois chercheurs, C. Cohen-Tannoudji, S. Chu et W.

D. Philips, ont ´ et´ e r´ ecompens´ es par le prix Nobel de physique pour le d´ eveloppement de m´ ethodes servant ` a refroidir et ` a confiner des atomes par laser.

1.3.2 Les pinces optiques ` a base de faisceaux structur´ es

Une des limitations des pinces optiques est qu’on ne peut manipuler qu’un seul objet ou un ensemble d’objets pi´ eg´ e ` a la fois. Une seconde limitation repose sur le fait qu’on ne peut pas pi´ eger des particules r´ efl´ echissantes avec des pinces standard.

Pour pallier ces probl` emes, diff´ erentes ´ equipes depuis le d´ ebut des ann´ ees 1990 se sont pench´ ees sur ces questions. Le groupe de Masuhara de l’universit´ e d’Osaka en 1992 utilise un agencement ing´ enieux constitu´ e d’une lame quart d’onde, une s´ eparatrice polarisante et deux miroirs galvanom´ etriques. Il montre la manipulation ind´ ependante de particules de polystyr` ene de 3

de diam` etre puis l’assemblage des particules par r´ eticulation du milieu de dispersion avec un laser diff´ erent de celui de pi´ egeage. La rotation ainsi que d’autres mouvements d’assemblages de particules sont montr´ es exp´ erimentalement [36].

En utilisant en 1998 un r´ eseau de diffraction ` a la sortie du laser de pi´ egeage Grier et Dufresne r´ ealisent une pince optique constitu´ ee de 4 X 4 pi` eges (Fig. 1.3). Pour la preuve de concept ils focalisent l’assembl´ ee de 16 pi` eges optiques ` a 8

du fond de la cellule fluidique et parviennent ` a remplir les 16 puits de potentiels avec des sph` eres de silice de 500

de diam` etre. C’est un premier pas vers les pi` eges optiques holographiques [37].

Figure 1.3 – A gauche une matrice de 4 X 4 particules pi´eg´ees par un faisceau laser g´en´er´e `a partir d’un r´eseau de diffraction. A droite la mˆeme image1/30s apr`es l’arrˆet du laser. Barre d’´echelle10µm [37].

En 2002 l’´ equipe de Grier remplace le r´ eseau de diffraction par un masque de phase.

De cette mani` ere il module spatialement mais aussi dynamiquement le faisceau laser

de pi´ egeage. Il cr´ ee ainsi des r´ eseaux de particules pi´ eg´ ees et ordonn´ ees sur plu-

sieurs dizaines de microm` etres (Fig. 1.4). Avec cette technique on peut manipuler

chaque particule de mani` ere ind´ ependante. Par exemple transformer une ´ etoile de mer compos´ ee de 26 sph` eres de 990

en un cercle [38].

Figure 1.4 – Vingt-six sph`eres de 990nm de diam`etre de polystyr`ene sont pi´eg´ees dans le mˆeme plan focal. De gauche `a droite, on observe le changement volontaire d’une confi- guration ´etoile de mer `a un cercle [38].

En changeant le profil de phase on cr´ ee un faisceau avec de nouvelles propri´ et´ es. On peut par exemple g´ en´ erer des faisceaux de Bessel ou d’Airy non-diffractants. Cepen- dant pour pi´ eger des particules, les vortex optiques sont plus ad´ equats (Fig. 1.5). Le centre du faisceau est utilis´ e pour pi´ eger des particules r´ efl´ echissantes, absorbantes ou de faible indice optique qui seraient expuls´ ees par des pinces traditionnelles. De plus, les vortex optiques poss` edent naturellement un moment cin´ etique qui impose aux particules pi´ eg´ ees sur l’anneau un mouvement de rotation [32,

Figure 1.5 – (a) Un profil de phase h´elico¨ıdal superpos´e avec un mode gaussien permet de construire un mode h´elico¨ıdal. (b) Ce faisceau se focalise en forme de tore, avec la possibilit´e d’ajuster le diam`etre. (c) De petites particules sont pi´eg´ees sur la p´eriph´erie de l’anneau et tournent spontan´ement sous l’action du moment cin´etique impos´e par le faisceau [32].

En 2005 l’´ equipe de Cizmar con¸coit un convoyeur optique de particules. Il utilise une onde stationnaire cr´ e´ ee ` a partir de deux faisceaux de Bessels non-diffractants avec la possibilit´ e d’agir sur la phase d’un des deux faisceaux. Lorsque la phase change, les nœuds et les ventres de l’onde stationnaire se d´ eplacent et font avancer les particules dans une r´ egion sp´ ecifique de l’espace (Fig. 1.6 (a)) [40].

Depuis 1992 plusieurs ´ equipes de recherches souhaitent d´ evelopper une strat´ egie

pour attirer des particules dans la direction oppos´ ee ` a la propagation du faisceau

[42]. En quelque sorte, on cherche ici une mani` ere d’inverser l’influence de la pression

(a) (b)

Figure 1.6 – (a) Convoyeur optique de particules `a base de faisceaux de Bessels. On observe le d´eplacement de deux particules de410nmde diam`etre de polystyr`ene sur250µm de distance en ' 2,5s[40]. (b) Sch´ema d’un rayon attracteur, ici r´ealis´e par interf´erence de deux faisceaux de polarisation s (perpendiculaire au plan d´efini par k1etk2) avec un angle ´elev´e entre les 2 faisceaux. FZ mat´erialise la direction de la force attractive[41].

de radiation. Le but est de cr´ eer une force n´ egative, qui attire les particules vers la source, d` es qu’elles entrent en contact avec le faisceau laser. C’est une nouvelle classe d’outils de manipulations par forces optiques appeler ”rayons attracteurs” (en anglais ”tractor beams”). En pratique il existe plusieurs m´ ethodes pour fabriquer des faisceaux attracteurs, soit bas´ ee sur un montage optique autour d’un masque de phase, soit autour d’un syst` eme d’interf´ erence ` a plusieurs faisceaux comme on peut le voir Fig. 1.6 (b) [43,

de gradient, pour localiser les particules dans un plan perpendiculaire au faisceau et la manipulation des particules est op´ er´ ee par une force oppos´ ee ` a la direction de propagation du ”tractor beams”. Cette force existe lorsque la majorit´ e de la lumi` ere incidente est diffus´ ee dans la direction de propagation qui induit un transfert de quantit´ e de mouvement et entraˆıne un d´ eplacement de la particule en direction de la source du faisceau.

Les techniques de manipulation de particules en espace libre sont vari´ es et per- mettent beaucoup de libert´ e [44,

en´ eficient de toute la librairie de l’optique en espace libre. Bien sˆ ur les derni` eres avanc´ ees font souvent intervenir des objets diffractants permettant de mettre en forme le faisceau laser.

N´ eanmoins dans toutes ces techniques le faisceau laser entre directement en contact

avec l’objet ` a manipuler. Comme on le sait la densit´ e lumineuse n´ ecessaire au pi´ e-

geage est ´ elev´ ee dans les pinces optiques conventionnelles (0, 1 ` a 1

). Dans des cas pr´ ecis cela peut causer la d´ et´ erioration de l’objet ` a pi´ eger. De plus, le flux laser peut cr´ eer un d´ eplacement de particules dans la solution, g´ en´ eralement des points chauds vers les points froids [47]. Une r´ eponse envisag´ ee depuis quelques ann´ ees est l’utilisation de pointes de fibres optiques pour manipuler des particules.

1.3.3 Manipulation de particules ` a l’aide de fibres optiques

On trouve dans la litt´ erature, la manipulation de particules et d’objets biologiques par des fibres optiques ´ etir´ ees ou lentill´ ees. Les techniques de manipulation de parti- cules ` a l’aide de fibre optique sont divis´ ees en deux groupes. Les techniques utilisant des pointes et celles utilisant une fibre pr´ ealablement ´ etir´ ee.

En 2006 une ´ equipe de chercheurs chinois de l’universit´ e de Harbin met en place une fibre optique lentill´ ee ins´ er´ ee avec un angle dans un r´ eservoir contenant des particules de levure. Ils montrent exp´ erimentalement l’influence du d´ eplacement de la particule sur la force de pi´ egeage. Dans leur exp´ erience, une particule de levure de 5

subit une force d’intensit´ e 0, 56

pour une puissance lumineuse de 1, 8

et une inclinaison de la fibre par rapport au substrat de 55˚ [48]. Une autre ´ equipe travaillant sur le mˆ eme sujet montre ´ egalement la localisation d’une cellule de levure dans les trois dimensions de l’espace avec un spot laser en sortie de fibre de 0, 5

pour une longueur d’onde de 980

[49].

Figure 1.7 – Sch´ema de principe de la manipulation par fibre optique lentill´ee illumin´ee par un laser. F_g repr´esente la force de gradient,F_srepr´esente la pression de radiation.D_A etDT repr´esentent respectivement les distances selon l’axe du laser et perpendiculairement

`

a l’axe du laser `a partir desquelles une particule est manipulable. Extrait de [50].

Une fibre optique lentill´ ee reli´ ee ` a une diode laser fibr´ ee ` a 980

peut servir ` a d´ etecter une force. En pla¸cant dans la solution de cellules de levure la fibre abrupte- ment effil´ ee on peut mesurer l’intensit´ e de la force al´ eatoire qui agit en permanence sur les particules. La valeur moyenne d´ etermin´ ee exp´ erimentalement de l’intensit´ e de cette force est 0, 061

. Pour r´ ealiser cette mesure il faut pi´ eger avec le minimum de force de gradient la particule de levure. En comparant la valeur de la force de pi´ egeage avec la force thermique al´ eatoire qui est n´ ecessaire ` a ce que la particule s’´ echappe du puits de potentiel, on obtient une estimation de l’intensit´ e de la force du mouvement Brownien, pour des cellules de levures [51].

A l’aide de ces fibres lentill´ ees (Fig. 1.7) on arrange de mani` ere d´ etermin´ ee des

particules de silice de 3

de diam` etre en solution. Pour parvenir ` a cela il faut

Figure 1.8 – Arrangement de particules de silice de 3 µm de diam`etre. De gauche `a droite, on observe une ligne, un parall´elogramme, un pentagone, un assemblage joint et disjoint `a trois branches. Barre d’´echelle20µm, extrait de [50].

combiner les actions de pi´ egeage et de d´ eplacement des particules. Le pi´ egeage est obtenu, comme dans les cas pr´ ec´ edents, en utilisant le gradient de champ ´ electrique localis´ e ` a proximit´ e de l’extr´ emit´ e de la pointe. Le d´ eplacement des particules est obtenu en d´ epla¸cant la fibre optique ` a l’aide d’une platine de microd´ eplacement et en utilisant la pression de radiation issue de la fibre. La figure 1.8 montre des microsph` eres de silice arrang´ ees en ligne en losange, en pentagone et d’autres formes g´ eom´ etriques. En combinant les effets de pi´ egeage et d´ eplacement les particules peuvent ˆ etre arrang´ ees avec une puissance en sortie de fibre de 35

[50].

En 2013 le mˆ eme groupe a montr´ e le pi´ egeage et la cr´ eation de lignes form´ ees de bact´ eries Escherichia coli dans un canal fluidique en utilisant une pointe de fibre optique excit´ ee par une diode laser ` a 980

eaires de bac- t´ eries de 3 `

17 ´ el´ ements sont r´ epertori´ es pour des puissances laser dans la fibre de 20 `

83

. La chaˆıne de 17 bact´ eries atteint 35

de longueur (Fig. 1.9).

Des chaˆınes de bact´ eries de cette longueur pr´ esentent un int´ erˆ et du point de vue du guidage de la lumi` ere avec un caract` ere biocompatible ind´ eniable [52,

Figure 1.9 – R´ealisation de chaˆınes de bact´eries E. coli form´ees avec un nombre d’´el´e- ments N = 3,8,11,14 et 17 pour respectivement des puissances P = 20,44,56,68 et 83mW. L indique la longueur de la chaˆıne. Ins´er´e dans chaque image, le sch´ema corres- pondant `a chaque chaˆıne [52].

1.4 Manipulation de particules par ondes ´ evanes- centes

1.4.1 Prismes, guides d’ondes et anneaux

Une autre m´ ethode pour manipuler optiquement des particules est d’utiliser les ondes

´

evanescentes. Un atout des techniques de manipulation par ondes ´ evanescentes est de ne pas utiliser le faisceau direct du laser pour manipuler l’objet. Ainsi l’objet est pr´ eserv´ e de d´ egˆ ats ´ eventuels. Les techniques de pi´ egeages par ondes ´ evanescentes

´

evoluent en synergie avec les techniques microfluidiques, nanophotoniques et d’op- tique de champ proche [54].

Il est aussi possible d’utiliser une fibre optique pour manipuler des particules par onde ´ evanescente en l’ayant pr´ ealablement ´ etir´ ee (Fig. 1.10). Des chercheurs de l’uni- versit´ e de Southampton ont ´ etir´ e une fibre optique pour obtenir une microfibre de 0, 95

de diam` etre sur une distance de 6

sans compter les deux parties coniques en amont et aval de la microfibre. Pour r´ ealiser la manipulation de mi- crosph` eres de polystyr` ene de 3

en solution aqueuse, un laser Nd:YLF fibr´ e qui d´ elivre une puissance de 500

est connect´ e ` a une des extr´ emit´ es de la fibre. Les particules sont propuls´ ees dans le champ ´ evanescent de la microfibre ` a des vitesses mesur´ ees entre 7 et 15

. Dans cette exp´ erience, la fibre optique est plong´ ee dans une goutte de solution collo¨ıdale d´epos´ee, ` a l’air, sur une lame de microscope [55,

Figure 1.10 – Trois photos cons´ecutives `a 1 s d’intervalle au microscope optique de microsph`eres de 3 µm de diam`etre de polystyr`ene, propuls´ees le long d’une microfibre de 0,95µmde diam`etre. Le rep`ere E pointe une particule pour laquelle la vitesse `a ´et´e estim´ee

`

a 15,4µm.s⁻¹. Extrait de [55].

L’utilisation des ondes ´ evanescentes pour manipuler des particules remonte ` a 1992 avec Kawata et Sugiura. Ils s’int´ eressent ` a des microsph` eres de verres et latex en solution. Les particules sont d´ eplac´ ees ` a l’aide du champ ´ evanescent d’un prisme g´ en´ er´ e par r´ eflexion totale interne d’un laser Nd:YAG. Les particules se d´ eplacent ` a une vitesse moyenne de 8

` a la surface du prisme [57].

Les premiers travaux de manipulations par ondes ´ evanescentes sur guides d’onde

viendront de Kawata et Tani en 1996 (cf. Fig. 1.11). Ils utilisent des guides d’ondes

pour attraper et ensuite propulser des particules di´ electriques et m´ etalliques. Les

particules sont pouss´ ees ` a une vitesse de 14

` a l’aide de la pression de radiation

sur un guide multimode et serpentent en suivant les battements entre les modes

Figure 1.11 – Principe de la manipulation de particules sur un guide d’onde. Les parti- cules sont attir´ees et maintenues sur le guide par la force de gradient. Elles sont ensuite pouss´ees par l’action de la pression de radiation, extrait de [58].

[59]. Plus tard en 2000 Ng et Wilkinson propulsent dans le champ proche d’un guide d’onde par ´ echange d’ions des nanosph` eres d’or de 10

de diam` etre. Ils remarquent que la vitesse des particules est fonction de la puissance en entr´ ee de structure. Il faut 500

de puissance pour faire avancer les particules d’or ` a une vitesse de 4

[60].

En 2004 Grujic et Helles

travaillent avec des guides d’ondes obtenus par ´ echanges d’ions c´ esium. Dans le champ ´ evanescent d’un guide, ils pi` egent et poussent une particule de polystyr` ene de 10

de diam` etre. Pour une puissance en entr´ ee de structure de 870

, la particule avance sur le guide ` a une vitesse de 33

. Il faut plus de puissance que dans le cas de Ng et Wilkinson car le contraste d’indice est plus important [61]. Un an apr` es, ils pr´ esentent un syst` eme de tri de particules.

En contrˆ olant la position de la fibre ` a l’entr´ ee d’une jonction Y, ils maˆıtrisent la r´ epartition du champ dans les deux branches. Les particules sont sensibles ` a la r´ epartition du champ et se dirigent sur l’une ou l’autre des branches de la jonction.

Le point faible du syst` eme est qu’il ne fonctionne que si les particules sont espac´ ees les unes des autres de 50

[62].

Entre 2004 et 2007 Gaugiran et al. utilisent des guides d’ondes en nitrure de silicium pour manipuler des particules di´ electriques et des cellules (Fig. 1.11). Ils montrent qu’avec une puissance guid´ ee de seulement quelques milliwatts des microsph` eres de verre de 2

de diam` etre sont propuls´ ees ` a 15

. En utilisant les mˆ emes structures optiques, il est possible d’attraper et pousser des globules rouges et des cellules de levures le long du guide d’onde [63,

En 2009 une ´ equipe de l’universit´ e de Cornell d´ ecide d’utiliser une structure ` a base de guide tranch´ e. La structure permet de confiner un pseudo mode transverse ´ electrique dans la tranch´ ee, de faible indice optique comprim´ ee entre les deux murs de silicium.

C’est une fa¸con d’augmenter le recouvrement du champ ´ evanescent avec les particules

`

a manipuler. La structure est un guide d’onde en silicium sur isolant (SOI) de 450

de largeur et de 220

de hauteur, coup´ e en deux sur toute sa hauteur par une tranch´ ee. La tranch´ ee au centre du guide poss` ede une largeur de 60, 100

120

Ce dispositif a permis la manipulation de particules de polystyr` ene de 75

de diam` etre ainsi que la manipulation de pelotes d’ADN de phage lambda, voir Fig.

1.12 [65,

Figure1.12 – Photographies au microscope optique, illustrant le pi´egeage d’ADN de phage λ au-dessus d’un guide d’onde tranch´e. La tranch´ee mesure 60 nm de largeur et s’´etend sur toute la hauteur du guide. Extrait de [65].

Une autre piste pour augmenter l’interaction entre l’objet ` a manipuler et le champ

´

evanescent est d’utiliser un r´ esonateur de type anneau r´ esonant. Plusieurs ´ equipes de recherches se sont int´ eress´ ees ` a ce genre de structure. Yang et Erickson en 2010 utilisent des r´ esonateurs en r´ esine photosensible (SU-8) sur

, les r´ esonateurs ont la forme d’un stade d’athl´ etisme de 200

de diam` etre. Il est possible avec ce syst` eme optofluidique d’attirer des particules de polystyr` ene (3

de diam` etre) sur le guide bus de l’anneau, lorsque l’anneau est hors r´ esonance. En accordant la longueur d’onde du laser, pour se placer sur une r´ esonance de l’anneau, on dirige les particules sur l’anneau et elles sont entrain´ ees en rotation: voir Fig. 1.13 [67].

Figure1.13 – Images de billes de polystyr`ene fluorescente de 3µmde diam`etre au-dessus d’un anneau r´esonant en forme de stade. (a) Mat´erialisation du r´esonateur et du guide d’onde. (b) Particules pi´eg´ees sur le guide bus, anneau hors r´esonance. (c) Anneau en r´esonance, les particules se dirigent sur l’anneau, extrait de [67].

D’autres groupes ont travaill´ e sur des anneaux en silicium sur isolant de quelques

microm` etres ` a quelques dizaines de microm` etres de diam` etre (entre 5

et 10

en SOI pour Crozier et al., entre 30

et 50

en SiN pour Cai et al.) pour

manipuler des microsph` eres de 500

1

de diam` etre en polystyr` ene. Leurs

travaux ont montr´ e qu’il est possible d’attirer, ` a l’aide de la force de gradient, des

microsph` eres au-dessus du r´ esonateur optique ` a la r´ esonance, Fig. 1.14. Ils observent

la rotation des billes au dessus de la cavit´ e [68,

et Poon se rendent compte que sur un r´ esonateur de type disque, les particules de

polystyr` ene s’auto-organisent en suivant la distribution de champ des modes, en fonction de la longueur d’onde d’excitation [70,

Figure 1.14 – (a) Image par microscopie ´electronique de l’anneau r´esonant de 5 µm de diam`etre. (b) Histogramme bi-dimensionnel regroupant la position des particules de polystyr`ene au dessus de la cavit´e de 5µm de diam`etre, extrait de [68].

1.4.2 Les nanostructures plasmoniques

Un plasmon de surface est une oscillation collective du nuage ´ electronique ` a une interface entre un m´ etal et un di´ electrique. Dans certaines conditions, la lumi` ere d’excitation de l’objet est coupl´ ee au plasmon de surface pour cr´ eer une onde de surface (plasmon polariton de surface) qui se propage le long du m´ etal jusqu’` a perdre toute son ´ energie, soit par absorption dans le m´ etal ou par rayonnement en espace libre.

En 2007 le groupe de R. Quidant travaille sur la manipulation de microsph` eres ` a l’aide d’un plasmon de surface. Pour g´ en´ erer les plasmons, le groupe a fabriqu´ e des disques d’or de 3, 5

de diam` etre et 40

d’´ epaisseur sur un substrat de verre.

L’´ echantillon est ´ etudi´ e en configuration de Kretschman (l’´ echantillon est coll´ e sur un prisme ´ eclair´ e en r´ eflexion totale) ` a une longueur d’onde de 785

1.15. La puissance du faisceau incident est de 500

avec un spot de 100

de diam` etre.

L’intensit´ e lumineuse n´ ecessaire au pi´ egeage de particules de polystyr` ene est inf´ erieur de plus d’un ordre de grandeur que dans le cas d’une pince optique conventionnelle.

Une cellule fluidique de 20

de hauteur contenant une solution de particules de polystyr` ene de 4, 88

de diam` etre surmonte l’assembl´ ee de microdisques d’or.

La grande taille du spot permet de pi´ eger simultan´ ement des microsph` eres sur des microdisques distincts [72,

Une autre fa¸con d’utiliser les dispositifs plasmoniques pour manipuler des particules,

est de localiser le plasmon. Pour localiser un plasmon on peut utiliser un nano-

entrefer ou une antenne de dimensions beaucoup plus faible que la longueur d’onde

incidente [76,

etalliques

pour des distances inter nanostructures de quelques nanom` etres [78]. Contrairement

au plasmon de surface, le plasmon localis´ e poss` ede une r´ esonance li´ e ` a la g´ eom´ etrie

de la structure. Il existe une multitude de structures de nanoantennes. Parmi les

plus utilis´ ees, on trouve les nanoantennes de type dipˆ ole ou encore de type papillon

[79].

Figure 1.15 – Pi`eges `a plasmons de surface (a) Sch´ema du montage avec l’assembl´ee de microdisques d’or illumin´ee en configuration de Kretschmann. (b) S´equence d’images au microscope illustrant le pi´egeage d’une microsph`ere de polystyr`ene de 4,88µm par un microdisque. (c) Pi´egeage parall`ele de microsph`eres par les microdisques illumin´es par un unique faisceau laser, extrait de [75].

Un exemple de plasmons localis´ es pour manipuler des microsph` eres di´ electriques vient de l’unversit´ e de l’Illinois. Le groupe de Toussaint a construit un r´ eseau de na- noantennes de type papillon. L’assembl´ ee de nanoantennes est ´ eclair´ ee en incidence normale et de mani` ere ` a illuminer 9 nanostructures. L’´ echantillon est plac´ e dans une cellule fluidique contenant des microsph` eres di´ electriques de 0, 5 1 et 1, 5

de diam` etre. Grˆ ace ` a ces nanoantennes le pi´ egeage s´ electif (triage de particules) de microsph` eres de 0, 5

et 1, 5

de diam` etre a ´ et´ e montr´ e. En diminuant la taille du spot d’excitation ` a 1, 4

sont observ´ es [80].

Un autre groupe de recherche utilise des nanocylindres d’or coupl´ es sur un substrat de verre illumin´ e par le faisceau d’une pince optique. Le groupe s’est int´ eress´ e ` a des particules de polystyr` ene de 200

1

6

de diam` etre. Il compare l’amplitude du mouvement Brownien r´ esiduel d’une particule de 200

dans une pince optique et au voisinage des nanocylindres illumin´ es par la pince optique dans les mˆ emes conditions. Lorsqu’on repr´ esente l’histogramme du d´ eplacement de la particule dans la pince optique seule et ensuite avec les nanocylindres dans la pince optique, on constate une diminution d’un facteur 10 de l’amplitude du mouvement Brownien de la particule (Fig. 1.16). Ce qui correspond ` a une augmentation de la raideur du pi` ege de 1, 0.10

`

1, 3.10

[81]. Cette exp´ erience ` a ´ et´ e men´ ee avec des particules en dispersion dans l’huile et avec des puissances de pi´ egeage jusqu’` a 532

. Apr` es ce travail les nanoantennes plasmoniques sont utilis´ ees sans le concours de pinces optiques [82]. Righini et al. ont montr´ e le pi´ egeage parall` ele de sph` eres de polystyr` ene de 200

de diam` etre en solution ` a l’aide d’une assembl´ ee de nanoantennes form´ ee par des nanobˆ atonnets adjacents. Ils ont aussi appliqu´ e la technique ` a des bact´ eries Escherichia coli vivantes. En plus d’ˆ etre pi´ eg´ ees de mani` ere stable, les bact´ eries s’alignent syst´ ematiquement selon l’axe long de la nanoantenne pour maximiser leurs int´ eractions avec les points de pi´ egeages et minimiser leurs potentiels de pi´ egeages.

Bien que les dispositifs plasmoniques b´ en´ eficient de localisations de champ tr` es im-

Figure 1.16 – Histogrammes des d´eplacements d’une particule pi´eg´ee de 200nm de dia- m`etre. (a) La particule est pi´eg´ee dans la pince optique. (b) La particule est pi´eg´ee dans le puits de potentiel des nanocylindres, extrait de [81].

portantes, sources de forts gradients, ces dispositifs souffrent de limitations exp´ eri- mentales en ce qui concerne la taille limite d’objet pi´ egeable. Les intensit´ es lumi- neuses mises en jeu peuvent d´ egrader l’objet ` a pi´ eger et mˆ eme la structure m´ etallique [19]. Sans arriver ` a ces limites, les effets thermiques associ´ es aux champs intenses et aux longueurs d’ondes utilis´ ees peuvent jouer un rˆ ole important dans la dynamique de l’objet ` a pi´ eger et mˆ eme prendre le pas sur les forces optiques.

”Back-action”

L’approche standard, dans les pinces optiques, est une vision sta- tique des choses, dans laquelle le puits de potentiel est optimis´ e, pour un objet d´ efini, et reste constant tout au long de l’exp´ erience, en prenant en compte l’aspect stochastique du mouvement brownien. L’´ energie cin´ etique moyenne d’une particule dans un pi` ege est donn´ ee par

et sa vitesse instantan´ ee suit une distribution de Maxwell-Boltzmann [83] selon laquelle l’´ energie de la particule peut ponctuellement d´ epasser la valeur moyenne. Pour compenser les fluctuations stochastiques du mou- vement Brownien, la profondeur du puits de potentiel est g´ en´ eralement beaucoup plus ´ elev´ ee que l’´ energie moyenne de la particule dans le pi` ege (au moins 10

).

L’approche dynamique dans laquelle le puits de potentiel est reconfigur´ e, pour com- penser les ´ ev´ enements Browniens de plus fortes ´ energies permet de diminuer la pro- fondeur moyenne du puits de potentiel de pi´ egeage. Des syst` emes bas´ es sur des boucles d’asservissements ont ´ et´ e impl´ ement´ es sur des pinces optiques convention- nelles pour corriger le potentiel de pi´ egeage en ajustant l’intensit´ e laser ou la position du pi` ege [84,

ficacit´ e de la pince [86].

Il est possible de concevoir une pince plasmonique pour laquelle l’objet ` a pi´ eger a une

influence constructive sur le pi´ egeage. Il a ´ et´ e montr´ e th´ eoriquement qu’en exploitant

la sensibilit´ e des dispositifs plasmoniques on peut fabriquer un pi` ege reconfigurable

[87]. Dans cette exp´ erience num´ erique Garcia de Abajo et al. utilisent un nanobaton-

net d’or pi´ eg´ e dans le champ d’une microcavit´ e sph´ erique (sph` ere creuse tronqu´ ee)

dans un substrat d’or. La distribution du champ et le spectre de la microcavit´ e d´ e-

pendent de la position du nanobˆ atonnet dans la sph` ere, la position d’´ equilibre est