Laser-Mikroskop

Laser-Mikroskop
une solution simple pour observer des micro-organismes à moindre coût
Projet présenté par le lycée Fénelon - Cambrai :
- élèves de la section européenne Allemand - DNL Physique-Chimie
- élèves de la section Arts Visuels
- enseignant porteur du projet : M. Robert
- enseignant de SVT : M. Lévêque
- enseignant responsable du tournage : M. Bigand
- enseignante d'Allemand : Mme Navarre
Partenaire : Département Opto-Acousto-Electronique de Valenciennes, membre de l'institut IEMN.

Introduction (Einführung)
Le contrôle de la qualité de l'eau potable est un enjeu majeur du XXIème siècle. Les pays développés
ont défini un grand nombre de critères de potabilité et ont mis au point les techniques
expérimentales correspondantes pour analyser l'eau. Tout ceci a un coût. Les tests à usage unique
sont honéreux, le matériel d'observation également : un microscope coûte le plus souvent plusieurs
centaines d'euros.
Il est cependant possible d'observer les plus grands organismes présents dans l'eau, pour un prix
dérisoire : le Laser-Mikroskop. Grâce à sa lumière monochromatique, il nous permet de voir
immédiatement les plus grandes bactéries avec lesquelles nous pourrions être en contact.
"Le Laser-Mikroskop des laboratoires Baromatik... c'est très pratique."
Comment un simple laser permet-il d'observer la diversité du monde microscopique dans une
goutte d'eau ?
A la découverte du phénomène (Entdeckung des Phänomens)
Nous avons tout d'abord observé l'image que formait un laser sur un écran, après avoir traversé une
goutte d'eau (voir documents 1 et 2). Même pour de l'eau distillée, il y a un grand nombre de
particules qui se déplacent dans cette goutte !
Document 1 : Dispositif Document 2 : Observation surprenante

Un microcope puissant ? (Ein mächtiges Mikroskop ?)
Tout est agrandi, mais comment savoir de combien est agrandie la goutte sur l'écran ? Les élèves de
1ère S nous ont indiqué que l'on pouvait calculer le "grandissement" à partir d'un rapport de
longueurs. Il faut déterminer la distance focale de la goutte, comme pour une lentille.
Nous avons commencé par mesurer le diamètre d'une goutte à l'aide d'un pied à coulisse. Après
plusieurs mesures, nous avons obtenu la valeur moyenne de 3,6 mm. Nous avons ensuite réalisé
plusieurs expériences avec des disques en plexiglas de différentes tailles pour voir comment une
lentille circulaire faisait converger des rayons lumineux parallèles. Nous avons mesuré la distance
focale f', en fonction du rayon R de chaque disque. Les deux grandeurs sont proportionnelles (voir
document 4). Ainsi notre goutte d'eau doit être fortement convergente !
Document 3 : Dispositif expérimental Document 4 : Tracé de f' en fonction du rayon R
Comme il est impossible de mesurer la distance focale d'une goutte d'eau, nous avons cherché à la
déterminer en connaissant les caractéristiques de la goutte (voir document 5).
Document 5 : Trajet de la lumière au travers de la goutte d'eau.
0 2 4 6 8 10 12
0
5
10
15
20 f(x) = 1,58x - 0,28
f' (cm)
Régression
linéaire pour f'
(cm)

Nous avons utilisé la 2ème loi de Snell-Descartes à l'entrée du laser dans la goutte, puis à la sortie.
Les calculs étant trop compliqués avec des sinus un peu partout, notre professeur nous a indiqué
comment on pouvait les simplifier en remplaçant par exemple sin(i1) par i1. Nous arrivons à la
formule :
f ' =R
2⋅
2n1
n2
−1
1−n1
n2
Le calcul nous donne f' = 1,8 mm.
On voit que la distance focale f' ne dépend que du rayon R de la goutte, de l'indice de l'air n1 et de
l'indice de l'eau n2.
En calculant le grandissement pour un écran placé à un mètre de la goutte, nous avons trouvé
environ 600. Pour deux mètres, le grandissement est double : 1200 !
Nous avons voulu vérifier ce résultat en mesurant l'image formée par un micro-organisme pour
différentes distances. Pour obtenir un grand nombre de micro-organismes, il a suffi de couper de
l'herbe et de la laisser macérer dans de l'eau stagnante récupérée dans une mare (voir document 6).
On a ainsi constitué un milieu de culture pouvant contenir divers micro-organismes, dont des
paramécies.
Document 6 : Macération Document 7 : Détail du montage Document 8 : Mesure
A deux mètres, nous avons facilement reconnu un ver nématode (voir document 8) dont l'image
mesurait 60 cm sur l'écran. Il mesure ainsi 0,5 mm dans la goutte, ce qui est conforme à la taille
moyenne de ces vers : 0,75 mm.
Ces observations rapides et simples à réaliser nous ont conduit à nous interroger sur les applications
possibles de ce dispositif :
•Regarder s'il y a des micro-organismes dans une eau, sans microscope.
•Dans un pays qui n’a pas beaucoup de moyens, voir avec la goutte d’eau s'il y a des
maladies.
•Y a-t-il des bactéries dans d'autres liquides ? (savon liquide, miel, huile, colle liquide, eau
fluviale, eau de mer)
Sur ce dernier point, nous avons utilisé du savon liquide, plus visqueux mais relativement difficile à
faire tenir sous forme d'une goutte au bout de la seringue. Le résultat est sans appel : la figure est
plus petite et l'on ne distingue aucun micro-organisme à l'écran.

Une observation plus précise ? (Eine genauere Beobachtung ?)
Dans l'eau, nous avons observé une multitude de micro-organismes plus petits qui se déplaçaient
rapidement parmi des objets inertes. Ils ont tous une forme ronde, dotée de cercles concentriques :
c'est une tache de diffraction. Impossible de distinguer le moindre détail du micro-organisme à
l'intérieur. Nous souhaiterions éviter ce phénomène de diffraction, qui est lié à la longueur d'onde du
laser. Pourquoi ne pas utiliser un laser ayant une autre longueur d'onde ?
Le laboratoire DOAE (département opto-acousto-électronique) de l'Université de Valenciennes nous
a prêté un laser rouge plus puissant que les nôtres, qui n'éclairaient pas assez la goutte d'eau pour
distinguer les micro-organismes. Sa longueur d'onde est de 650 nm, contrairement aux 532 nm de
nos lasers verts. La source laser émet sa lumière dans une fibre optique (voir document 9), ce qui
permet de placer facilement le faisceau laser sur un support réglable en hauteur.
Document 9 : Laser fibré Document 10 : taches de diffraction
La figure obtenue à l'écran était lumineuse (voir document 10) mais les taches de diffraction étaient
encore plus grandes que celles du laser vert. La diffraction est encore plus gênante avec le laser
rouge.
Lors de notre visite du DOAE, nous n'avons pas pu manipuler avec le matériel présent sur place car
les lasers utilisés sont beaucoup trop puissants et donc beaucoup trop dangereux sans lunettes de
protection spécifiques. Ce sont des lasers impulsionnels, qui émettent de la lumière pendant des
durées très brèves, mais avec des puissances plus de mille fois supérieures aux nôtres ! Les
chercheurs nous ont aussi expliqué des expériences sur les ultrasons et leurs applications dans la
recherche aéronautique, dans le transport d'énergie fossile, ou dans le domaine médical.
Le laboratoire DOAE nous a également prêté des lentilles convergentes de petite dimension (voir
document 11). Monsieur Jenot, maître de conférences, nous a indiqué que ces lentilles pouvaient
permettre de mieux diriger le rayon laser en un point de la goutte pour observer un détail. Nous
avons monté ces lentilles sur des platines d'optique de précision (voir document 12) qui nous ont
également été prêtées.