lundi 18 mai 2015

Pince optique



Les pinces optiques sont des outils qui se fondent sur la réfraction d’un faisceau laser en milieu transparent, pour maintenir et déplacer physiquement des objets diélectriques microscopiques. Ces pinces trouvent surtout des applications dans la biologie, notamment dans la manipulation de cellules et d’organites, mais aussi, dans la chimie-physique.

Les objets diélectriques sont attirés au centre du faisceau. La force qu'ils ressentent est proportionnelle au déplacement  par rapport au centre du faisceau, bloquant l'objet comme s'il était attaché par un ressort.
Fonctionnement sur les atomes

Notion de base

Les photons

La lumière est une onde électromagnétique, c'est-à-dire que la lumière est à la fois un champ électrique et magnétique oscillant à la fréquence µ et se propageant dans le vide à 3x108 m/s. L’énergie de la lumière est transmise par « quanta », c'est-à-dire par quantités bien définies. Ces quantas de lumière sont ce que l’on appelle aujourd’hui « photons ». Ils représentent l’aspect corpusculaire de la lumière. À une onde lumineuse de fréquence µ correspondent des photons : - d’énergie E=hv avec h = 6,626... x 10–34 joule.seconde (constante de Planck), v = fréquence de l’onde électromagnétique (supposée sinusoïdale). - de quantité de mouvement p= hv /c avec c = 3 x 108m/s (la vitesse de la lumière dans le vide).

Les atomes

Les atomes sont des "grains de matière" dont la taille est de l’ordre de l’angström, 10–10 mètre. Ils sont constitués d’un noyau composé de neutrons (charge neutre) et de protons (charges positive: q = 1,6 x 10–19 coulomb), autour duquel "gravitent" des électrons dont la charge est opposée à celle des protons (–q = –1,6 x 10–19 coulomb). Grâce aux théorèmes de la physique quantique, il est possible de déterminer l’énergie d'un atome. Elle est égale à la somme des énergies cinétiques des nucléons avec l’énergie potentielle électrostatique qui les lie entre eux. Selon un processus d’absorption et d’émission de photons que nous verrons plus tard, un atome peut changer de niveau d’énergie. Lorsqu'un atome est dans un niveau d’énergie supérieur à son niveau fondamental, on dit qu’il est excité. Les valeurs d'énergie des différents niveaux accessibles à un atome sont discrètes et dépendent de son nombre de protons et d'électrons. La mesure des énergies d’absorption ou d’émission d'une atome permet d'en déterminer le spectre d’énergie.

Absorption

Lorsqu’un atome est soumis à un rayonnement électromagnétique il peut absorber un photon. Ainsi l’atome initialement dans un niveau d’énergie fondamentale passe alors dans un niveau d’énergie supérieur. Comme la quantité de mouvement doit être conservée, l’atome absorbe la quantité de mouvement du photon ainsi l’atome recule. Cependant comme les valeurs d’énergie de l’atome sont discrètes, un atome donné ne peut absorber que des photons d’énergie proche de la variation d’énergie entre différents niveaux de l’atome.

Émission spontanée

L’émission spontanée est la réponse d’un atome excité suite à l’absorption d’un photon. En effet l’état excité d’un atome n’est pas un état stable, c’est pourquoi après un temps de l’ordre de 1 à 100 nanosecondes l’atome redescend dans son état fondamental. Ce passage d’un niveau d’énergie élevé à un niveau d’énergie plus faible s’accompagne de l’émission d’un photon dans n’importe quelle direction et donc par conservation de la quantité de mouvement l’atome subit un recul dans le sens opposé à l’émission du photon.

Émission induite

La présence d’un rayonnement incident peut induire un atome excité à émettre un photon ayant les mêmes caractéristiques que les photons incidents. Cela à condition que l’énergie de ces photons soit « résonnante », c’est-à-dire que h soit égale à l’écart d’énergie entre le niveau supérieur et le niveau inférieur. Dans cette émission induite, qui constitue la réciproque du processus d’absorption, le photon créé par l’atome en se désexcitant a même fréquence et même direction de propagation que le rayonnement incident. Ce processus, qui permet d’amplifier une onde lumineuse, est à la base du fonctionnement des lasers.

Le laser

Le premier laser a été réalisé en 1960 par l’Américain Theodore H. Maiman. Le mot « laser » est un acronyme de l’anglais « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ». Le laser est donc un amplificateur reposant sur le principe de l’émission induite. Dans un laser ce principe a lieu à grande échelle sur un très grand nombre d’atomes identiques. C’est pourquoi un laser a la particularité d’émettre une onde lumineuse intense dont la direction, la fréquence et la phase sont très bien déterminées. Il s’agit d’une lumière dite cohérente, contrairement à celle émise par une ampoule à incandescence, qui émet de nombreuses ondes de fréquences et phases diverses et ce dans toutes les directions.

Les mécanismes physiques

Comme nous l’avons vu précédemment la lumière peut interagir avec la matière. En effet, lors de l’absorption d’un photon par un atome celui-ci subit un recul. Ce transfert de quantité de mouvement donne lieu à une force, qui, rapportée à l’unité d’aire, donne lieu à une pression. Donc une onde électromagnétique peut exercer une pression sur la matière, c’est ce que l’on appelle « la pression de radiation ».
Donc s’il est possible de faire subir un recul à un atome en l'excitant, on peut, en lui appliquant deux rayonnements électromagnétiques de directions opposées et de même fréquence (correspondant à un niveau excité de l'atome), immobiliser cet atome ou le "piéger". C’est ainsi que dans les années 1970, de nombreux chercheurs utilisèrent des lasers pour piéger des atomes. Le premier piège optique qui fut mis au point fut le refroidissement Doppler. C’est le principe le plus élémentaire.

Refroidissement Doppler

Le refroidissement Doppler est fondé sur le principe de l’effet Doppler pour ralentir des atomes.

Pour ralentir des atomes grâce au refroidissement Doppler, on applique deux rayons laser sur des atomes. Pour que ce principe fonctionne les deux lasers doivent être disposés dans la même direction mais dans des sens opposés. De plus la longueur d’onde des photons émis par le laser doit être légèrement inférieure aux longueurs d’onde d’absorption des atomes à piéger. En effet, comme les atomes sont initialement en mouvement, pour que quand l’atome se déplace dans la direction du laser la fréquence apparente du rayon laser soit à la fréquence d’absorption de l’atome, celle-ci doit être inférieure. 

Lorsque l’atome a absorbé un photon celui-ci subit un recul de la quantité de mouvement p= h /c. Après un court instant l’atome excité émet un photon identique à celui absorbé précédemment mais dans une direction aléatoire ce qui engendre sur plusieurs émissions une variation moyenne de mouvement nul. C’est grâce à cette propriété de l’émission qu’il est possible de ralentir les atomes par la lumière. De plus comme la durée entre l’absorption et l’émission est de l’ordre de la nanoseconde cela signifie que l’atome peut accomplir de nombreux cycle absorption-émission par seconde et donc subir une très forte décélération. 

En plaçant trois paires de lasers, un dans chaque direction de l’espace on obtient une mélasse optique qui ralentit les atomes et les piège. Leur agitation thermique diminue et l’on peut de cette manière atteindre des températures de l’ordre de 100 microkelvins (10–4 K).

Fonctionnement à l’échelle cellulaire

À l’échelle cellulaire, les pinces optiques sont des outils qui servent à déplacer des corps diélectrique, c'est-à-dire qui ne peuvent conduire un courant électrique, microscopique en exerçant sur eux de faibles forces à l’aide de faisceau laser fortement focalisé.
On doit l’utilisation des pinces optiques dans la biologie et la médecine à Arthur Ashkin, qui, en 1970 a mis en évidence la déviation par un faisceau laser d’une bille transparente microscopique. Ce phénomène, qui a trouvé aujourd’hui une infinité d’applications, est dû à la réfraction de la lumière dans les milieux transparents. Mais avant d’expliquer le phénomène, intéressons-nous au dispositif nécessaire pour pouvoir manipuler des cellules et leurs organites.

Dispositif

La création d’un piège nécessite plusieurs étapes : tout d’abord le choix du milieu dans lequel se trouve la cible, celui du laser en fonction de la cible, le choix des dispositifs optiques pour créer le piège à l’endroit souhaité.

L’observation

Le piège est en place, il suffit d’allumer la lumière du microscope, coupler à un condenseur pour éclairer uniformément l’échantillon pour qu’une caméra CCD (caméra qui convertit les signaux lumineux en signaux électriques) puisse observer les manipulations et d’ajouter un détecteur de position pour mesurer les déplacements du piège.

Note : ici, le système d’orientation est placé de telle sorte qu’il ne modifie pas la marche du faisceau : le point focal image de la première lentille est confondu avec le point focal objet de la seconde.
Nos recherches nous ont montré qu’il était aussi possible de créer un des pièges multiples soit grâce à plusieurs lasers, soit grâce à un seul faisceau et un réseau de microlentilles qui va le diviser en plusieurs faisceaux. On a ensuite un couplage de plusieurs dispositifs comme celui que nous avons présenté dans la première partie. On peut également créer plusieurs pièges grâce à un seul faisceau. On envoie le faisceau sur un miroir qui commute rapidement en plusieurs positions différentes. On obtient dans le plan de l’échantillon autant de pièges que de positions qu’occupe le miroir.

Le fonctionnement

Trois phénomènes rendent possible la manipulation d’objet par la lumière : la réfraction, la pression de radiation et l’action du champ électrique du faisceau laser sur la cible. Cependant, on peut expliquer comment la lumière parvient à piéger ces objets uniquement grâce aux principes d’optiques géométriques.

Le champ électrique

Un faisceau laser possède un champ électrique de plus forte intensité en son centre. Et la cible va se diriger vers ce champ de plus forte intensité. En effet, sous l’action d’un champ électrique non-uniforme, une particule diélectrique se polarise. Il devient alors un dipôle électrostatique et est alors sensible aux fluctuations d’un champ électrique. La cible aura donc tendance à se déplacer vers le champ de plus forte intensité : le centre du faisceau.

La pression de radiation

Les photons exercent aussi une pression axiale sur la cible.

Application

L’intérêt des pinces optiques est qu’elles sont une méthode non-invasive, c'est-à-dire avec aucun contact matériel, de déplacer des objets. Ainsi l’opérateur ne perturbe pas les conditions de son expérience. De plus, il est possible de manipuler des organites à l’intérieur d’une cellule sans en perforer la membrane ! Ou même de manipuler les chromosomes à l’intérieur du noyau, toujours sans aucun dégât pour le reste de la cellule.

Conclusion

Encore peu connue du grand public la pince optique est un outil qui présente de nombreuses utilités dans le monde scientifique.

( source ; Wikipédia )

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