DEPLACEMENT DE PARTICULES ET D`OBJETS BIOLOGIQUES

DEPLACEMENT DE PARTICULES ET D’OBJETS BIOLOGIQUES SUR DES GUIDES
D’ONDES
S. Gaugiran1 , S. Getin 1, J. Dérouard 2 , G. Colas3 , P. Chaton1
1CEA-DRT-LETI/DOPT - CEA/GRE - 17, rue des Martyrs F-38054 Grenoble Cedex 9
2Lab. Spectrométrie Physique, Université Joseph Fourier, BP 87 38402 Saint Martin d'Hères
3 CEA-DSV- « laboratoire biopuces » - 17, rue des Martyrs F-38054 Grenoble Cedex 9
[email protected]
RESUME
L’onde évanescente présente en surface d’un guide d’onde peut engendrer des force
optiques suffisantes pour rassembler et déplacer, de façon automatique, des particules
micrométriques métalliques ou diélectriques. En mesurant de façon précise le
déplacement de ces billes, on observe des variations plus ou moins importantes de leur
vitesse en fonction des caractéristiques du mode guidé (puissance, polarisation, taille…)
MOTS-CLEFS : forces optiques, déplacement, guides d’ondes
1. INTRODUCTION
Les photons qui viennent frapper un objet éclairé sont capables de générer des forces suffisantes
pour déplacer des particules micrométriques. Ce principe a été largement utilisé avec l’invention, en
1970, de pinces optiques par A. Ashkin [1] qui utilisent un laser fortement focalisé pour piéger de
façon stable une particule diélectrique en trois dimensions. Ce type de dispositif comporte aujourd’hui
de nombreuses applications, notamment dans le domaine biologique, puisqu’il permet de piéger,
manipuler et trier des cellules biologiques sans les dégrader [2].
Depuis cette époque, diverses techniques visant à réaliser un piège optique stable ont fait leur
apparition. Notamment, en 1992, Kawata et Tani [3] ont démontré qu’il était possible de déplacer de
façon automatique, des particules sur un guide d’onde.
2. LES FORCES OPTIQUES AU DESSUS D’UN GUIDE D’ONDE
Lorsqu’une particule de Rayleigh (r << λ) est éclairée par l’onde évanescente présente au dessus
d’un guide d’onde, elle « voit » un champ oscillant qui engendre une oscillation collective des charges
de cette particule. On a donc formation d’un dipôle oscillant induit par l’onde évanescente. On peut
montrer que ce dipôle est soumis à deux forces orthogonales[4] :
- La pression de radiation qui est dirigée selon la direction de propagation de l’onde, et
proportionnelle à l’intensité incidente.
- Une force de gradient, dirigée selon le gradient d’intensité et proportionnelle à ce
gradient.
Ainsi, lorsque l’on injecte la lumière dans le guide, les particules sont « attirées » par ce dernier
puis poussées dans la direction de la lumière.
Figure 1 : Illustration des forces optiques présentes au dessus d’un guide
FGRAD
FSCAT
lase
r
F
SCAT
F
GRAD
F
GRAD
F
GRAD

A l’aide de ce modèle dipolaire, on peut aussi montrer que l’indice optique de la bille joue un
rôle prépondérant sur le déplacement des particules :
- plus la différence d’indice entre la bille et l’extérieur est forte, plus la vitesse de
déplacement est importante
- les matériaux très absorbants (types métaux) engendrent des forces supérieures aux
matériaux transparents.
3. DISPOSITIF EXPERIMENTAL ET RESULTATS.
Les guides d’ondes utilisés sont des guides de surface réalisés par un échange d’ions au
potassium (réalisé à l’IMEP [5]) ou à l’ argent (réalisé au GeeO [6]). Les particules qui sont placées en
milieu liquide au dessus du guide, interagissent avec la partie évanescente du mode guidé. Le couplage
de la lumière est réalisé par la tranche à l’aide d’un laser YAG continu à 1064nm et l’observation des
billes se fait par le dessus à l’aide d’un système de zoom.
Figure 2 : dispositif expérimental
Les premières expériences réalisées sur des billes d’or de 1µm de diamètre, ont permis de
mettre en évidence le regroupement spontané des billes sur le guide puis leur déplacement à des
vitesses de l’ordre 4µm/s le long du guide. De même, on met en évidence la possibilité de grouper et
déplacer des billes de verre.
a b c
Figure 3 : regroupement et déplacement de particules métalliques (a et b) et diélectriques (c) sur les
guides
Guide
substrat
(verre)
Bille or
rbille=1µm
Objectif
laser
YAG
1064nm
CCD
D=70µm
D=70µm
t=0s
t=1s
t=2s
t=3s
t=0s
t=4s
t=8s

Un programme de suivi de particules, permet une mesure précise des vitesses et des dispersions
obtenues ainsi qu’une quantification de l’influence de différents paramètres :
- influence de la puissance du mode guidé
- influence de la polarisation dans le guide
Figure 4 : Influence de la polarisation sur la vitesse de déplacement des billes
- influence des caractéristiques du mode
- influence du type de guide utilisé
4. PERSPECTIVES EN BIOLOGIE
D’un point de vue biologique, le déplacement direct de cellules par cette méthode semble
délicat parce que la force exercée sur un objet dépend de la différence entre l’indice optique de cet
objet et celui de l’eau. Or l’eau et la cellule ont des indices très proches. On envisage donc
d’augmenter de façon artificielle l’indice de la cellule en la fonctionnalisant avec des billes d’or. On
pourrait ainsi, par l’intermédiaire de « ces poignées optiques », arriver à déplacer des cellules, voire à
les trier selon leurs caractéristiques physiques.
REFERENCES
[1] A. Ashkin, Phys. Rev. Lett.24, 156 (1970)
[2] A. Ashkin, J. M. Dziedzic, Nature (London), 1517 (1987)
[3] S. Kawata, T. Sugirua, Opt Lett 17, 772, (1992)
[4] L. N. Ng, B. J. Luff, M.N. Zervas, J.S. Wilkinson, J. Lightwave Technol. 18 (2000) 388
[5] Institut de Microélectronique Electromagnétisme et Photonique http://www.imep.enserg.fr/
[6] Groupement d'Electromagnétisme Expérimental et d'Optoélectronique http://www.geeo.com/
REMERCIEMENTS
Nous remercions particulièrement le Professeur Pierre Benech et Aude Bouchard de l’IMEP qui
ont réalisé les guides d’ondes au potassium.
TE
V=1.06µm/s
± 0.35
TM
V=3.46µm/s
±0.81