Étude des nanobarres dans les pinces optiques

Étude des nanobarres dans les pinces optiques
Thèse
Paul Brûlé Bareil
Doctorat en Physique
Philosophiæ doctor (Ph.D.)
Québec, Canada
© Paul Brûlé Bareil, 2016

Étude des nanobarres dans les pinces optiques
Thèse
Paul Brûlé Bareil
Sous la direction de:
Yunlong Sheng

Résumé
On expose ici le travail fait dans le cadre d’une étude portant sur l’utilisation des pinces
optiques pour la capture de nanobarres anisotropes et isotropes. La capture de nanobarres
anisotropes et non linéaire a été faite et divers problèmes concernant leur application en
imagerie haute résolution ont été mis en évidence. Nous avons donc fait une étude approfondie
de l’interaction du champ électromagnétique avec des nanobarres anisotropes. Nous avons
utilisé la méthode de la matrice de transfert pour analyser les paramètres de capture optique
de nanobarres. Nous avons aussi étudié diverses méthodes de simulation du faisceau incident et
défini des critères d’applications de ces derniers en fonction de l’ouverture numérique à utiliser.
Nous avons aussi pu mettre sur pied une nouvelle méthode permettant d’évaluer précisément
la qualité des pinces optiques à des ouvertures numériques très grandes et pu donner des
limites d’application et des exemples d’application spécifiques.
Afin de faire ressortir l’aspect physique des captures optiques, nous avons calculé la distribution
du champ électromagnétique sur la surface des objets capturés. Ceci nous a ensuite permis de
calculer le stress, les forces et les torques en utilisant le tenseur de stress de Maxwell. Différent
nanobarres isotropes ou anisotropes possédant des longueurs et des rayons différents, ont
été modélisés. Des faisceaux laser possédant des ouvertures numériques (NA) différentes, un
inclinaison différente et différentes positions dans l’espace ont été étudiés. Il a été ainsi possible
de démontrer comment une capture optique de nanobarres était affectée en translation, en
rotation, en vibration de toutes directions et comment il était possible de l’améliorer. De la
même façon, les particules anisotropes ont été étudiées et des propriétés spéciales, presque
impossibles à déterminer expérimentalement, ont pu être démontrées telles que l’existence
d’une force de torsion à l’intérieur des nanobarres ou la possibilité d’une capture non alignée
avec le faisceau.
Les résultats de calculs ont aussi été comparés qualitativement avec un logiciel commercial
utilisant la méthode FDTD, avec le résultat de calcul par tracé de rayon sur des objets micro-
scopiques et par la comparaison avec les observations expérimentales lorsque c’était possible.
Finalement, les expériences réalisées sur une pince optique ont démontré qu’il est possible de
capturer des nanobarres avec une NA = 1.25 et une longueur d’onde de λ= 1.064 µm. Des
voies d’amélioration de l’expérience ont été exposées.
iii

Abstract
In this thesis we present a study on the use of optical tweezers to capture anisotropic or iso-
tropic nanorods. For this purpose, we used the T-Matrix method for analyzing the parameters
of optical tweezing of nanorods. We also studied various methods of simulation of the inci-
dent beam and defined criteria on their use based on the numerical aperture to use. We were
also able to develop a new method to accurately assess the quality of optical tweezers with
numerical apertures greater than 1.20 and have given the limits of applications and examples
of application specific to high numerical apertures.
To highlight the physical aspect of optical tweezers, we calculated the distribution of the
electromagnetic field. The stress, forces and torques were then evaluated using the Maxwell
stress tensor of isotropic or anisotropic nanorods. Nanorods were modelled having different
lengths, different radii and the incident beam was calculated having different NA, different
inclinations and different positions in space. Thus, it was possible to demonstrate how an
optical capture of nanorods was affected in translation, rotation, vibration from all directions
and how it was possible to improve the optical trap. Similarly, anisotropic particles have
been studied and special properties, almost impossible to determine experimentally, could be
demonstrated. For example, the existence of a twisting force within nanorods or the possibility
of capture at an angle with respect to the optical axis.
Calculation results were also compared qualitatively with commercial software using the FDTD
method. Finally, experiments on optical tweezers have shown that it is possible to capture na-
norods with NA = 1.25 and a wavelength of λ= 1064 µm. Ways of improving the experimental
setup are discussed at the end.
iv

Table des matières
Résumé iii
Abstract iv
Table des matières v
Liste des figures vii
Liste des symboles x
Remerciements xiii
1 Introduction 1
2 Capture de nanobarres 4
3 Les pinces optiques 11
3.1 La base ...................................... 11
3.2 Géométrie du problème ............................. 12
3.2.1 Méthodes de calcul ............................ 14
4 Matrice de transfert 16
4.1 Calcul de la matrice de transfert ........................ 16
4.1.1 Équation d’onde ............................. 16
4.1.2 Vecteurs de base ............................. 17
4.1.3 Vector Spherical Wave Function (VSWF) ............... 18
4.1.4 VSWF dans un milieu anisotrope .................... 20
Expansion de VSWF dans un milieu anisotrope ............ 21
4.1.5 La matrice de transfert ......................... 22
4.1.6 Méthode par "point matching" ..................... 23
Conditions aux frontières normales ................... 28
Conditions aux frontières tangentielles ................. 33
4.2 Comparaison des résultats ............................ 34
4.2.1 Méthode EBCM ............................. 37
4.3 Comparaison avec FDTD ............................ 41
4.4 Comparaison sur particule sphérique ...................... 43
5 Champ incident 45
5.1 Calcul du champ incident ............................ 45
v