Actions mécaniques de la lumière Principes et applications
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Actions mécaniques de la lumièrePrincipes et applications
Jacques Derouard
Laboratoire de Spectrométrie Physique
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Photon
• Energie
• Impulsion
• Moment cinétique Spin S = 1
• Moment cinétique orbital L
νhE =
kuc
hkp
rrh
r ν==
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Photon
• (Energie)
•
• Impulsion
• Moment cinétique Spin S = 1
• Moment cinétique orbital L
νhE =
kuc
hkp
rrh
r ν==Forces
(Effets thermiques et photochimiques)
Couples
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Objectifs et sujets abordés• Principes physiques à la base de l’action de la
lumière sur les microparticules– Propulsion
– Piégeage
– Déformation
– Ordres de grandeurs
• Description théorique des forces radiatives– Grosses particules: optique géométrique
– Petites particules: Régime Rayleigh
– Tenseur de Maxwell
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Objectifs et sujets abordés• Considérations expérimentales
– Différentes configurations, développements récents
– Conditions de piégeage
– Techniques d’observation et de mesures
• Exemples d’application– Spectroscopies sur objet unique
– Tri et manipulation de particules
– Mesure de déformabilité d’objets
– Mesure de nano-forces
– ...
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Objectifs et sujets abordés
• Moment cinétique de rayonnement– spin et moment orbital du rayonnement
– modes de Laguerre-Gauss
– couples radiatifs et rotation demicroparticules
• Applications à la manipulation desatomes pas abordés
• Aspects optique quantique (cf effetCasimir) pas abordés
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Historique
• Képler et les comètes1619
Comète de Hale-Bopp
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Exemple des comètes
soleil
Trajectoire de la comète
Positions successives de la comète
Queue direction opposéeau soleil, comme pousséepar rayonnement
Cf Képler, 1619
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Historique
• Képler et les comètes 1619
• Maxwell 1873 ondes électromagnétiquesFlux d’énergie associé à flux de quantité de mouvement:Onde progressive exerce Pression=Densité d’énergie
• Bartoli, puis Boltzmann 1876, 1884: Corps noir,pression thermodynamique associée à rayonnementconséquence de 2ème principe, valeur cohérente avecMaxwell!
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Historique
• (Crookes et son radiomètre1873)– pris comme évidence de la
pression de radiation. En faiteffet « radiométrique »(thermique)
Radiomètre de Crookes
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Radiomètre de Crookes(1873)
Face noircie absorbe lerayonnement, donc « encaissele coup »
NoirMiroir
c
hν
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Radiomètre de Crookes(1873)
Face noircie absorbe lerayonnement, donc « encaissele coup » ... recule sous l’effetdu rayonnement
NoirMiroir
c
hν
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Radiomètre de Crookes(1873)
NoirMiroir
c
hν
Et la face réfléchissante?
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Radiomètre de Crookes(1873)
NoirMiroir
c
hν
Et la face réfléchissante?Et la face réfléchissante?
Recul 2 fois plus grand!
Radiomètre de Crookes ne met en évidence quechauffage, et mise en mouvement, du gazrésiduel côté noirci qui chauffe…
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Effets « radiométriques »
• forces origine thermodynamique induitespar chauffage du milieu ambiant au contactd ’un objet irradié
• Pour radiomètre Crookes modèle simpleconduit à:
thradiationqueradiométri V
cFF ~
Soit ~Fradiation x 3.108/300m/s = Fradiation x 106
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Historique
• Lebedev (1901), Nichols et Hull (1903)– première mise en évidence et mesure directe de la
pression de radiation. OK avec Maxwell-Bartoli P=U,soit:
• Schwarzschild (1909), Eddington (1916)– importance de la pression de radiation dans l’équilibre
(ou le déséquilibre) gravitationnel de certaines étoiles
0λh
pvide = Façon moderne d’écrireles choses car photon pasconnu à cette époque
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Historique
• 1908-1910 Controverse Minkowski Abraham surl’impulsion du champ EM dans un milieudiélectrique:
0λh
npmilieu = ou0λn
hpmilieu = ?
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Historique
• 1908-1910 Controverse Minkowski Abraham surl’impulsion du champ EM dans un milieudiélectrique:
0λh
npmilieu = ou0λn
hpmilieu = ?
n
hpmilieu /0λ
=n
h
n
c
c
hV
c
hpmilieu
022
)()(λ
νν ===
Mécanique quantique ou mécanique classique (relativiste) ?
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Historique
• Jones et Richard (1954): Force exercée parrayonnement sur miroir immergé proportionnel à n
– NB controverse non close!
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Historique
• Ashkin 1970– Guidage, propulsion, confinement de
particules au moyen de faisceaux laser.Envisage applications à atomes
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Historique• Philips et al 1983
– Décélération et arrêt d’un jet atomique
• Ashkin, Chu et al 1986– Piégeage de particules matérielles et d ’atomes
refroidis au point focal d’un seul faisceau laser
• Chu et al 1987– Piège magnéto-optique pour atomes
• Cornell, Wieman et al 1995– Condensation de Bose-Einstein d’atomes piégés et
refroidis
• Grier et al 1998– optiques diffractives reconfigurables
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Historique• Poynting 1909: Moment cinétique du
rayonnement
• Beth 1936: Couple exercé par lumièrepolarisée cohérent avec Spin 1 du photon
• Allen 1992: Moment cinétique orbital d’unfaisceau
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Expérience d’Ashkin (1970)A. Ashkin, ‘Acceleration and trapping of particles by radiation pressure’, PhysicalReview Letters, Vol. 24, No. 4, 156, 1970
Observe que
-les billes sont poussées par le laser <V>=26µm/s
billes polystyrène en suspension dans l’eau
Billes r=1,32µm
Plaser=19mW
λ=515nm
w0=6,2µm
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Pression de radiation
• Absorption, réflexion ou diffusion d’unfaisceau lumineux par une particule
Fr
Fr Déviation (réfraction ou
réflexion) des photons répartissymétriquement par rapport aucentre de la particule conduit àforce résultante dirigée suivantdirection de la lumière
Absorption des photons faitreculer la particule
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Pression de radiationordres de grandeur
• Suivant Maxwell:
• Force intégrée sur objet absorbant granddevant faisceau
milieuc
IUpression ==
c
PuissancenSurface
c
IF
milieu
×=×=
)(33,3)( WattPnnanoNewtonF ××=
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Point de comparaison:
sphère diamètre 10µm, densité 1g/cm3
-m=5,2.10-13kg
-Poids 5,2 pN
-Si F=1nN, accélération=2000m/s2= 200g,inversement proportionnelle à masse
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Pression de radiationordres de grandeur
• Force sur objet petit devant faisceau diamètre 2w
– σp= « section efficace de transfert de quantité demouvement »
qrwc
Pn
wc
Pn
c
InF pprad
222 ..
ππ
σπ
σ ===
2rq p
πσ
=
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Pression de radiation
• Application numérique:
•– P=19mW, r=1,32µm w=6,2µm n=1,33
qrwc
Pn
wc
Pn
c
InF pprad
222 ..
ππ
σπ
σ ===
pNqnNqFrad 8,30038,0 ×=×=
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Pression de radiation
• Comparaison avec expérience: vitesse limitedes billes– Loi de Stokes
– r=1,32µm v=26µm/s η=0,724.10−3SI
pNFvisc 47,0=
rvFvisc πη6=
pNqFrad 8,3×= 12,02
==r
q p
πσ
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Pression de radiation
• NB force radiative appliquée sur particulesqueue d’une comète
– πr2=(1µm)2
– I=1kW/m2 (éclairement solaire au niveau de l’orbite terrestre)
– q=1 (particules absorbantes)
– n=1 (vide)
NFrad1810.3 −=
qrc
In
c
InF prad
2πσ ==
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Pression de radiation
• Comparaison avec force de gravitation
– G= 6,7.10-11 MKS (constante de gravitation)
– m=(1µm)3 . (103 kg/m3) (particules taille 1µm densité 1g/cm3)
– M=2.1030 kg (masse soleil)
– R=150.109 m (distance terre-soleil)
2
..
R
MmGFgrav =
NFgrav1810.6 −=
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Pression de radiation
• Comparaison avec force de gravitation
– G= 6,7.10-11 MKS (constante de gravitation)
– m=(1µm)3 . (103 kg/m3) (particules taille 1µm densité 1g/cm3)
– M=2.1030 kg (masse soleil)
– R=150.109 m (distance terre-soleil)
2
..
R
MmGFgrav =
NFgrav1810.6 −= NFrad
1810.3 −=NB Frad/Fgrav indépendant de R
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Expérience d’Ashkin (1970)A. Ashkin, ‘Acceleration and trapping of particles by radiation pressure’, PhysicalReview Letters, Vol. 24, No. 4, 156, 1970
Observe que
-les billes sont poussées par le laser
-les billes sont attirées par le faisceau laser
billes polystyrène en suspension dans l’eau
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Force de gradient
• Réflexion ou diffusion d’un faisceaulumineux d’intensité non uniforme par uneparticule
Fr Déviation des photons répartis
non symétriquement par rapportau centre de la particule conduit àforce résultante dirigéeobliquement par rapport à ladirection de la lumière, tend (dansce cas) à pousser particule versintensité lumineuse maximum
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Force de gradient
• Réflexion ou diffusion d’un faisceaulumineux d’intensité non uniforme par uneparticule
Fr
Dans le cas d’une particuled’indice plus faible que le milieu(bulle), déviation des photons tendà expulser particule des régionsd’intensité lumineuse maximum
(effet du même type avecparticules réfléchissantes)
Egalement observé par Ashkin en 1970
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En résumé, deux types de forcesexercées par la lumière:
• Pression de radiation: flux de lumière repousseles particules éclairées– intervient section efficace d’absorption ou de
transfert de quantité de mouvement σp
• Force de gradient: attire (en général) lesparticules vers les régions de fort éclairement(change de signe avec contraste d ’indice)
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Forces radiatives
• Cas des atomes: σ énorme au voisinaged’une résonance
• (NB résonances existent aussi pourparticules diélectriques, égalementobservées plus tard par Ashkin)
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Version plus récente de la premièreexpérience d’Ashkin: guidage de particulessur des « guides d’onde optique »
Gaugiran et coll, CEA-LETI Grenoble, 2005
![Page 39: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/39.jpg)
FGRAD
FPrad
laser
FPrad
FGRADFGRAD
FGRAD
Lumière diffusée
F
Guidage et propulsion de particules par la lumièreconfinée dans un guide d’onde optique
Profil intensité lumineuse
Particule
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Réalisation expérimentale
SubstratSilicium
Guided’onde
Caméra CCD
Objectif demicroscope
Micro-particules ensuspension dans l’eau
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Propulsion de microparticules d’or (diamètre 1µm)sur guide verre dopé Ag+/verre
(Gaugiran et coll., 2005)
![Page 42: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/42.jpg)
Guidage microparticules de verre (diamètre 1µm)sur guide nitrure/silice
(Gaugiran et coll., 2005)
![Page 43: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/43.jpg)
Utilisation des forces radiativespour immobiliser des particules
![Page 44: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/44.jpg)
Première expérience de piégeage:faisceaux contra-propagatifs
A. Ashkin, ‘Acceleration and trapping of particles by radiation pressure’,Physical Review Letters, Vol. 24, No. 4, 156, 1970
Forces de gradient attirent billes vers l’axe optique
Forces de pression de radiation axiales se compensent
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Version récente de cetteconfiguration: «optical stretcher »
(Guck et coll, 2000, 2005)
• Laser fibré Ytterbium,fibre optiquesmonomodes
• Canal microfluidique
• Cellules biologiquesen suspension
100µm
![Page 46: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/46.jpg)
Exemple: Observation de ladéformation d’un globule rouge
(Guck et al 2001)
Piégé entre deux faisceauxcontrapropagatifs
![Page 47: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/47.jpg)
Pression de radiation étireau lieu de comprimer!!
![Page 48: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/48.jpg)
Milieu indice n2Milieu indice n1
11 kpr
hr =
01
11
22
λπ
λπ
nk ==
photon
Principe: forces exercées par rayonnement
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Milieu indice n2Milieu indice n1
11 kpr
hr =
01
11
22
λπ
λπ
nk ==
22 kpr
hr =
02
22
22
λπ
λπ
nk ==
photon
![Page 50: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/50.jpg)
Milieu indice n2Milieu indice n1
11 kpr
hr =
01
11
22
λπ
λπ
nk ==
22 kpr
hr =
02
22
22
λπ
λπ
nk ==
Si n2>n1 on ap2>p1, d’où force Fexercée à l’interfacetendant à tirer lemilieu 2
Fr
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Milieu indice n2Milieu indice n1
11 kpr
hr =
01
11
22
λπ
λπ
nk ==
22 kpr
hr =
02
22
22
λπ
λπ
nk ==
Fr
Milieu indice n1
11 kpr
hr =
A la sortie effetinverse et forcecontraire
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Milieu indice n2Milieu indice n1
Fr
Milieu indice n1
d’où mise souscontrainte dumilieu et possibledéformation
![Page 53: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/53.jpg)
Ordre de grandeur de l’effet
• n1=1,33
• n2=1,4
• I=1 Watt
• F=200pN
![Page 54: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/54.jpg)
Propulsion et étirement
• Force de propulsion est la différence desforces aux interfaces
• Particule poussée par lumière si force sortie>force entrée (pas le problème dans cas de 2faisceaux opposés)
• Comment est-ce possible?
![Page 55: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/55.jpg)
Propulsion et étirement
• Force de propulsion est la différence desforces aux interfaces
• Particule poussée par lumière si force sortie>force entrée
• Comment est-ce possible?
• Tenir compte de la réflexion aux interfaces!
![Page 56: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/56.jpg)
Milieu indice n2Milieu indice n1
11 kpr
hr =
01
11
22
λπ
λπ
nk ==
22 kpr
hr =
02
22
22
λπ
λπ
nk ==
I
Intensitéincidente
![Page 57: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/57.jpg)
Milieu indice n2Milieu indice n1
11 kpr
hr =
01
11
22
λπ
λπ
nk ==
22 kpr
hr =
02
22
22
λπ
λπ
nk ==
I
I t=(1-R)IIr=RI
Intensitétransmise
Intensitéréfléchie
![Page 58: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/58.jpg)
Milieu indice n2Milieu indice n1
11 kpr
hr =
01
11
22
λπ
λπ
nk ==
22 kpr
hr =
02
22
22
λπ
λπ
nk ==
Idem à lasortie
![Page 59: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/59.jpg)
BilanFin=[n1-(1-R)n2+Rn1]P/c
Fout=[n2-(1-R)n1+Rn2](1-R)P/c
212
212
)(
)(
nn
nnR
+−= (Formules de Fresnel)
n1=1,33 n2=1,45 R=0,2%
P=500mW Fin=190pN Fout=210pN : Fout > Fin
![Page 60: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/60.jpg)
Retour sur controverse Abraham-Minkowski
• Etirement de particule diélectrique sembleaccréditer
• Expérience de W. She, J. Yu et R. Feng semblemontrer au contraire une compression du milieudiélectrique (Phys. Rev. Lett. 101, 243601, 2009)
0λh
npmilieu =
0λn
hpmilieu =
![Page 61: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/61.jpg)
Retour sur controverse Abraham-Minkowski
• Expérience de W. She, J. Yu et R. Feng semblemontrer au contraire une compression du milieudiélectrique (Phys. Rev. Lett. 101, 243601, 2009)
0λn
hpmilieu =
??
![Page 62: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/62.jpg)
Piégeage de particules suite...
• 2 faisceaux pour compenser pression deradiation, mais...
![Page 63: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/63.jpg)
Piégeage de particules suite...
• 2 faisceaux pour compenser pression deradiation, mais...
• Avec faisceau laser très focalisé, Fgrad>FPrad
![Page 64: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/64.jpg)
Ashkin 1986: Première expérience depiégeage par un seul faisceau focalisé: “pince
optique”
A. Ashkin et al ‘Observation of single-beam gradient force optical trap fordielectric particles’, Optics Letters, Vol. 11, No. 5, 288, 1986
Idée: si faisceau esttrès focalisé, gradientassez fort pour queforces de gradientsurmontent lapression de radiation
![Page 65: Actions mécaniques de la lumière Principes et applications](https://reader035.fdocument.pub/reader035/viewer/2022062406/62abb972fe009228cf671442/html5/thumbnails/65.jpg)
The trapped particle
• laser:
• 1 mW in the focus
• illuminated particle istrapped
• slide is moved to the right
• trapped particle keepsposition
nmmnvcn
mWnm12,480=λ
E. di Fabrizio, Trieste, 2003
Dscn0161.mov