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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 2
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 3
2005 Plan de l’exposé
1. Les actions mécaniques de la lumière origine et ordres de grandeur Mise en oeuvre: état de l’art
2. Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde
3. Manipulation d’objets au dessus d’un guide
4. Conclusion et perspectives
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 4
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 5
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 6
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)
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 7
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 8
2005 Plan de l’exposé
1. Les actions mécaniques de la lumière origine et ordres de grandeur Mise en oeuvre: état de l’art
2. Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde
3. Manipulation d’objets au dessus d’un guide
4. Conclusions et perspectives
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 9
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)
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 10
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 11
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)
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 12
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 13
2005 Plan de l’exposé
1. Les actions mécaniques de la lumière
2. Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde Modèle dipolaire: évaluation des paramètres clé Modèle numérique sur des particules de Mie
3. Manipulation d’objets au dessus d’un guide
5. Conclusions et perspectives
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 14
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 15
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 16
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 17
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 18
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 19
2005 Plan de l’exposé
1. Les actions mécaniques de la lumière
2. Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde Modèle dipolaire: évaluation des paramètres clé Modèle numérique sur des particules de Mie
3. Manipulation d’objets au dessus d’un guide
4. Conclusions et perspectives
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 20
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 21
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 22
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 23
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 24
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 25
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 Dispositif expérimental et échantillons Manipulation de particules diélectriques Manipulation de particules métalliques Manipulation d’objets biologiques
4. Conclusions et perspectives
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 26
2005 Dispositif expérimental
Guide d’onde
Substrat
BillesObjectif
Laser YAG
1064nm
CCD
zoom
Mesureur de
puissance
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 27
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 28
2005 Plan de l’exposé
1. Les actions mécaniques de la lumière
2. Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde
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
4. Conclusions et perspectives
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 29
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)
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 30
2005
billes VERRE
N=1.55
R= 1µm
Guide d’onde potassium:
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 31
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 32
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 33
2005 Plan de l’exposé
1. Les actions mécaniques de la lumière
2. Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde
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. Conclusions et perspectives
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 34
2005 Premières observations
• Différences métal/ diélectrique
billes OR
N=0.272-7.07*i
R= 0.5µm
Guide d’onde potassium:
n=0.01
Puissance guidée:
230mW
70 µm
laser
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 35
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 36
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 37
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 38
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 39
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 40
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 41
2005 Plan de l’exposé
1. Les actions mécaniques de la lumière
2. Modélisation des forces optiques sur un guide d’onde
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 42
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 43
2005 Déplacement de cellules de levure
• Déplacement automatique de cellules de levures
• Sans marquage
70 µm
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 44
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
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 45
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?
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 46
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 !
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 47
2005
Stéphanie Gaugiran le 29/09/05 48
2005