Pince optique

Pince optique

Les pinces optiques sont des outils qui se basent sur la réfraction dun faisceau laser en milieu transparent, pour maintenir et déplacer physiquement des objets diélectriques (qui ne conduisent pas le courant électrique) microscopiques. Ces pinces trouvent surtout des applications dans la biologie, notamment dans la manipulation de cellules et dorganites, 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.

Sommaire

Historique

Cest au XVIIe siècle que lAllemand Johannes Kepler, (Weil der Stadt 1572Ratisbonne 1630) remarqua les premiers effets de la lumières sur des particules. Il avait déduit quune pression était exercée par le soleil sur des particules échappées dune comète. Celles-ci fuyaient dans la direction opposées à létoile.

Puis en 1873, lécossais James Clerk Maxwell (Edimbourg 18311879) prouve théoriquement que la lumière est capable dexercer une force sur la matière (plus connu sous le nom de pression de radiation ou force lumineuse). Soixante ans plus tard, lautrichien Otto Robert Frish (Vienne 19041979) a pu dévier un faisceau datomes de sodium en le bombardant de lumière provenant dune lampe à sodium.

En 1975, lallemand Theodor Wolfgang Hänsch (prix Nobel de physique en 2005 pour ses travaux sur la spectroscopie) et laméricain Arthur Leonard Schawlow (Mount Vernon 1921-1999, prix Nobel de physique en 1981, également pour ses travaux en spectroscopie.) proposèrent lidée de piéger des atomes à laide de laser. Dix ans plus tard, Steven Chu (St Louis 1948, aujourdhui secrétaire américain de lénergie) a été en mesure de réaliser la proposition de Hansch et Schalow dans une technique de refroidissement appelé « mélasse optique », qui consiste à ralentir la vitesse des atomes en les piègent avec un laser, et donc abaisser la température du gaz. Cela lemmena jusquau prix Nobel de physique en 1997 avec ses collaborateurs William Phillips et Claude Cohen-Tannoudji.

Le terme de pince optique napparut quen 1986, lorsque Arthur Ashkin travaillant pour « Bell Laboratories » et collaborateur de Steven Chu lors de ses recherches sur la « mélasse optique » réussi à accélérer des microsphères transparentes en latex plongé dans leau à laide dun seul rayon laser. En 1987, il parvint à piéger des objets biologiques vivant toujours avec un seul rayon. Le monde scientifique sempare de cette technique de piégeage optique, lutilise pour un éventail de manipulation de plus en plus étendu et laméliore sans cesse pour rendre cet outil indispensable à tout laboratoire de recherche en biologie ou en physique [0].

On considère les pinces optiques selon deux échelles. A léchelle atomique : la cible est plus petite que la longueur donde du laser, on considère dans ce cas le laser comme un faisceau de photon. Tandis qua léchelle cellulaire la cible est plus grande que la longueur donde, on considère alors le rayon laser comme tel. Nous étudierons donc les pinces optiques selon ces deux échelles. Dans la première partie, nous expliquerons comment un atome peut être piégé par la lumière, pour cela nous aurons besoin de rappeler certaines notions essentielles à la compréhension du phénomène. Nous finirons par une application du piégeage datome. Dans la deuxième partie, nous verrons le dispositif nécessaire pour piéger une cible telle quune cellule, ainsi que les principes et les lois qui permettent limmobilisation de celle-ci. Nous finirons également par une application du piégeage optique en biologie.


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. Lénergie de la lumière est transmise par « quanta », c'est-à-dire par quantités bien définies. Ces quantas de lumières sont ce que lon appelle aujourdhui « photon ». Ils représentent laspect corpusculaire de la lumière [1]. A une onde lumineuse de fréquence µ correspond des photons : - dénergie E=hv avec h = 6,626... x 1034 joule.seconde (constante de Planck), v = fréquence de londe 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 lordre de langström, 1010 mètre [1]. Ils sont constitués dun noyau composé de neutrons (charge neutre) et de protons (charges positive: q = 1,6 x 1019 coulomb), autour duquel "gravitent" des électrons dont la charge est opposée à celle des protons (–q = –1,6 x 1019 coulomb). Grâce aux théorèmes de la physique quantique, il est possible de déterminer lénergie d'un atome. Elle est égale à la somme des énergies cinétiques des nucléons avec lénergie potentielle électrostatique qui les lie entre eux. Selon un processus dabsorption et démission de photons que nous verrons plus tard, un atome peut changer de niveau dénergie. Lorsqu'un atome est dans un niveau dénergie supérieur à son niveau fondamental, on dit quil 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 dabsorption ou démission d'une atome permet d'en déterminer le spectre dénergie.

Figure 1 : Schéma dun atome

Figure 2 : Diagramme dabsorption dun atome

Absorption

Lorsquun atome est soumis à un rayonnement électromagnétique il peut absorber un photon. Ainsi latome initialement dans un niveau dénergie fondamentale passe alors dans un niveau dénergie supérieur. Comme la quantité de mouvement doit être conservé, latome absorbe la quantité de mouvement du photon ainsi latome recule. Cependant comme les valeurs dénergie de latome sont discrètes, un atome donné ne peut absorber que des photons dénergie proche de la variation dénergie entre différents niveaux de latome [1].

Emission spontanée

Lémission spontanée est la réponse dun atome excité suite à labsorption dun photon. En effet létat excité dun atome nest pas un état stable, cest pourquoi après un temps de lordre de 1 à 100 nanosecondes latome redescend dans son état fondamental. Ce passage dun niveau dénergie élevé a un niveau dénergie plus faible saccompagne de lémission dun photon dans nimporte quelle direction et donc par conservation de la quantité de mouvement latome subit un recul dans le sens opposé à lémission de photon [1].

Emission induite

La présence dun rayonnement incident peut induire un atome excité à émettre un photon ayant les mêmes caractéristiques que les photons incidents. Cela à condition que lénergie de ces photons soit « résonnante », cest-à-dire que h soit égale à lécart dénergie entre le niveau supérieur et le niveau inférieur. Dans cette émission induite, qui constitue la réciproque du processus dabsorption, le photon créé par latome en se désexcitant a même fréquence et même direction de propagation que le rayonnement incident. Ce processus, qui permet damplifier une onde lumineuse, est à la base du fonctionnement des lasers [2].

Le laser

Le premier laser a été réalisé en 1960 par lAméricain Theodore H. Maiman. Le mot « laser » est un acronyme de langlais « Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ». Le laser est donc un amplificateur reposant sur le principe de lémission induite. Dans un laser ce principe a lieu à grande échelle sur un très grand nombre datomes identique Cest pourquoi un laser a la particularité démettre une onde lumineuse intense dont la direction, la fréquence et la phase sont très bien déterminées. Il sagit dune 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 [2].

Les mécanismes physiques

Comme nous lavons vu précédemment la lumière peut interagir avec la matière. En effet, lors de labsorption dun photon par un atome celui-ci subit un recul. Ce transfert de quantité de mouvement donne lieu à une force,qui, rapportée à lunité daire, donne lieu à une pression. Donc une onde électromagnétique peut exercer une pression sur la matière, cest ce que lon appelle «  la pression de radiation ». Donc sil 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". Cest 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. Cest le principe le plus élémentaire.

Refroidissement Doppler

Le refroidissement Doppler est basé sur le principe de leffet Doppler pour ralentir des atomes. Cest ce principe qui permet dexpliquer pourquoi le bruit dune voiture se dirigeant vers un observateur apparaît plus aigu lorsque celle-ci sapproche de lui que lorsque celle-ci sen éloigne. En effet la fréquence dune onde mesurée par un observateur dépend du mouvement relatif entre lui et la source. Plus précisément si V est la vitesse relative entre un observateur et une source selon laxe observateur-source, « c » la vitesse de propagation des ondes et f0 la fréquence des ondes mesurée dans le référentiel de la source, alors la fréquence mesurée par lobservateur est égale à f = f0(1V/c) [3]. 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 opposé. De plus la longueur donde des photons émis par le laser doit être légèrement inférieure aux longueurs donde dabsorption des atomes à piéger. En effet, comme les atomes sont initialement en mouvement, pour que quand latome se déplace dans la direction du laser la fréquence apparente du rayon laser soit à la fréquence dabsorption de latome, celle-ci doit être inférieure. Par exemple : si un atome de Rubidium a une vitesse V=300 m.s 1 et que celui-ci absorbe des photons dénergie E0= h avec h = 6,626... x 1034 joule.seconde alors le laser devra émettre des photons dénergie E = E0(1-V/c) = 2[1-300/ (8 x 108)] = 1,999999250 eV Avec c = 8 x 108m/s (la vitesse de la lumière dans le vide) et = fréquence de londe électromagnétique Si E0 =2 pour que latome absorbe les photons émis par le laser ceux-ci doivent avoir une énergie E inférieur à E0 et donc comme E = hdoit être inférieur à . Lorsque latome à absorbé un photon celui-ci subit un recul de la quantité de mouvement p= h /c. Après un court instant latome 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. Cest grâce à cette propriété de lémission quil est possible de ralentir les atomes par la lumière. De plus comme la durée entre labsorption et lémission est de lordre de la nanoseconde cela signifie que latome peut accomplir de nombreux cycle absorption-émission par seconde et donc subir une très forte décélération. Par exemple, pour latome de Sodium, la durée qui sépare deux cycle absorption-émission spontanée est de lordre de la durée de vie du niveau excité avec = 3.10-8s. Pendant un temps t = 3s, il y a donc de lordre de t/108 cycles, et la quantité de mouvement gagnée pendant t vaut vt) = (t/x( h /c). La force moyenne F exercée sur latome est égale à la variation moyenne de quantité de mouvement divisée par lintervalle de temps correspondant. D : F= h /cL'accélération correspondante pour un atome de Sodium est de environs 106m/s soit 100 000 attraction terrestre. De plus le temps nécessaire à limmobilisation de latome vaut T = V0/a=10-3s V0 est la vitesse initiale de latome. Pendant cette durée latome aurais parcouru L=(V0)2/(2a) = 0,5m. Cependant en ralentissant les atomes voient la fréquence des photons laser varié (effet Doppler). Pour que les atomes restes en résonance, c'est-à-dire quils continuent à absorber les photons qui arrivent dans le sens inverse au déplacement de latome, il faut que la fréquence du laser se modifie pour se rapproché de la fréquence dabsorption de latome. Pour ce faire il existe deux méthodes. La première est « le balayage en fréquence » qui consiste à augmenter la fréquence du laser au fur et a mesure que latome ralenti. La seconde est « le ralentisseur Zeeman » : un champ magnétique inhomogène décale légèrement les niveaux dénergie de façon à se que la fréquence dabsorption soit toujours en résonance avec la fréquence du laser perçu par latome [4].


Figure 3 : Principe du refroidissement Doppler selon une direction En plaçant trois paire de laser, un dans chaque direction de lespace on obtient une mélasse optique qui ralenti les atomes et les pièges. Leur agitation thermique, diminue, et lon peut de cette manière atteindre des températures de lordre de 100 microkelvins (104 K).

Refroidissement Sisyphe

Les expériences menées par C.Cohen-Tannoudji à lécole normale supérieure de Paris ainsi que celle de Stephen Chu à luniversité Stanford en 1989 misent en évidence que les atomes pouvaient être refroidis à des températures bien plus basses que celle prédites par la théorie du refroidissement Doppler. En effet, la disposition des lasers face à face engendrent des interférences créant un « paysage » de vallée et de mont de potentiel, auquel les atomes ne seraient peu sensibles sils nétaient pas considérablement ralentis au préalable. La température pour que les atomes soient sensible au relief de potentiel doit être de lordre du dixième de milli kelvin. Quand ils gravissent une colline ils ralentissent, et inversement quand ils descendent une vallée. Mais le passage de latome dun sous niveau dénergie a un niveau supérieur (appelé pompage optique) change le relief quil aura à traversé. Le principe du refroidissement Sisyphe est donc de placé par pompage optique un atome dans une vallée alors quil se trouvait précédemment au sommet dune colline. La répétition de ce système permet donc de placé constamment latome dans une vallée pour le faire ralentir jusqu'à ce que celui-ci arrive à un niveau dénergie cinétique insuffisante pour gravir une nouvelle colline. Latome se retrouve donc enfermé dans une vallée. On obtient ainsi un réseau d'atomes régulièrement disposés dans l'espace dans les puits de potentiel. Ce réseau est analogue à un cristal, mais la distance entre les atomes est beaucoup plus grande, de l'ordre du micron et non de l'Angström [5] [6]. Ce mécanisme tient son nom du héros mythologique Sisyphe condamné à pousser éternellement un rocher vers le sommet dune montagne, roché qui retombe dans la vallée aussitôt le sommet atteint. Il permet datteindre des températures environ cent fois plus basses que le refroidissement Doppler : de lordre du microkelvin (106 K).

Figure 4 : Mécanisme de refroidissement Sisyphe : un atome est contraint à monter des collines sans en descendre jusqu'à l'épuisement de son énergie et se retrouve piégé dans un puits de potentiel.


Figure 5 : Configuration à quatre faisceaux lasers (a) créant pour les atomes un paysage de bassins et de collines (b). Grâce au mécanisme de refroidissement Sisyphe, la plupart des atomes sont prisonniers dans les bassins ils résident un temps très long.


Refroidissement subrecul

Le refroidissement Sisyphe étant limité par recul subi par un atome qui absorbe ou émet un photon, la température minimale est bornée par lagitation correspondant à la vitesse de recul. Cest pourquoi en 1988 l'équipe du laboratoire Kastler-Brossel a proposé une méthode de refroidissement " subrecul". Elle consiste à bloquer sélectivement l'absorption de photons par les atomes de vitesse quasi nulle. Pour ce faire la fréquence des faisceaux laser est choisi de façon a ce que les photons ne soit pas résonnant avec les atomes ayant une vitesse nulle. Ce système permet donc de conservé limmobilité des atomes pendant que dautre tendent à annuler leur vitesse. En théorie ce principe permettrai dimmobilisé entièrement des atomes si les dispositifs expérimentaux étais parfais ce qui nest jamais le cas. Ainsi en procédant dabord à un refroidissement Doppler puis Sisyphe et enfin Subrecul les températures obtenu furent de lordre du nano kelvin (109 K), soit le milliardième de degré au-dessus du zéro absolu [6].

Bien que la lumière laser permet de ralentir et confiné les atomes dans un espace réduit, elle ne permet pas à elle seul de les confiner pendant un temps très long. Cest pourquoi pour augmenter la duré du piège optique on ajoute à la mélasse optique un champ magnétique inhomogène. Un tel champ a pour effet de déplacer les niveaux dénergie atomiques et, sil est bien choisi, permet de modifier labsorption de photons laser par les atomes en fonction de leur position. Plus précisément, on place de part et dautre du centre de la mélasse deux bobines, parcourues par des courants électriques de sens opposés [7].

Application : Des atomes ultrafroids aux horloges atomiques

Pendant de nombreuses années la seconde était défini à partir de grandeur astronomique ce qui la rendais peu précise. Depuis 1967 la seconde est définie comme étant 9 192 631 770 fois la période de l'onde électromagnétique résonante avec la transition dite hyperfine entre les deux niveaux les plus bas de l'atome de césium.

Pour effectué ces mesures on prépare un jet d'atomes de césium dans un des deux niveaux. On fait interagir ces atomes avec une onde électromagnétique, et l'on regarde si les atomes ont subi une transition vers l'autre niveau. On ajuste alors la fréquence de l'onde de manière à maximiser le nombre d'atomes ayant subi la transition désirée, et on peut enfin, en comptant électroniquement les périodes de cette onde, construire une horloge fournissant un top toutes les secondes. Les performances de ces horloges sont excellentes puisquelles ont une précision relative meilleure que 10-14, cest-à-dire quau bout de 3 millions dannées, lerreur accumulée par lhorloge serait inférieure à une seconde [6]. Cependant grâce aux atomes froids la précision de ces horloges atomiques a pu être accru jusqu'à une précision relative de 1,4 x 1015 (erreur denviron une seconde tous les vingt millions dannées). En effet les atomes froids permettent un temps de mesure plus élevé. Ces horloges à atomes froid fonctionnent avec une fontaine à atome. Le principe est denvoyer des atomes froids vers le haut à une vitesse de 3 à 5 m/s grâce à un faisceau laser. Les atomes interagissent une première fois avec londe électromagnétique puis sous leffet de la gravité font demi-tours et interagissent une seconde fois avec londe. Le temps de mesure avec une fontaine de un mètre est donc de lordre de la seconde soit cent fois plus longue que pour une horloge traditionnelle. Actuellement les projets de la recherche en terme damélioration des horloges atomiques est dutilisé le principe des horloges atomique à atome froid dans lespace puisque la précision de ces horloges est limité par laccélération de la pesanteur.


Fonctionnement à léchelle cellulaire

A léchelle 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 laide de faisceau laser fortement focalisé. On doit lutilisation des pinces optiques dans la biologie et la médecine à Arthur Ashkin, qui, en 1970 à mis en évidence la déviation par un faisceau laser dune bille transparente microscopique [1]. Ce phénomène, qui a trouvé aujourdhui une infinité dapplication, est à la réfraction de la lumière dans les milieux transparents. Mais avant dexpliquer le phénomène, intéressons nous au dispositif nécessaire pour pouvoir manipuler des cellules, et leurs organites.

Dispositif

La création dun piège nécessite plusieurs étapes : tout dabord 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 lendroit souhaité.

Le choix du milieu

La seule caractéristique du milieu est que son indice de réfraction (n1) doit être inférieur à celui de la cible (n2). En effet, pour que la cible soit attirée vers le centre du piège, il faut que langle entre la normale au plan de séparation du milieu et de la cible et le rayon incident (i1) soit supérieur à langle entre cette normale et le rayon réfléchit (i2). La réfraction suivant la loi de Snell-Descartes , pour que i1>i2, il faut n1<n2.

Le choix du laser

Le choix du laser est primordial. Il doit être continu et de faible puissance, compris entre 0,1W et 1W. Plus un piège est puissant, plus il est raide. Avec cette gamme de puissance, on atteint des raideurs comprises entre 0,5 et 50pN [8]. La relation liant la puissance P du laser et la force F du piège est : Avec n lindice du milieu, Q le facteur de qualité du laser, généralement égale à 1% et c la vitesse de la lumière dans le vide [9]. Si le laser est trop puissant : on risque dopto-découper la cible. En effet, une puissance trop importante échaufferait et détruirait partiellement voir totalement la cible, cela pourrait également déclencher des réactions photochimique au cœur de la cellule et donc modifier les conditions de lexpérience. Ces dommages sont appelés dommage optique ou opticution. Ces opticutions nont pas la même ampleur selon la cible, en effet, plus elle est absorbante à la longueur donde du faisceau laser, plus les dommages sont important. Il est donc nécessaire de choisir une cible quasi-transparente face à la longueur donde du faisceau. Ou plutôt une longueur donde face à laquelle les matériaux biologiques sont quasi-transparents Cette transparence est indispensable car même avec un laser de faible puissance, lintensité au foyer de la pince optique est denviron dix millions de watt par centimètre carré. Cependant, malgré ces précautions, cette forte intensité au foyer de la pince cause une hausse de la température, hausse minimisée par les échanges thermiques entre la cellule et le milieu dans lequel elle baigne [10] [11]. Un bon piège optique est celui qui causera le moins dopticution. Le centre du piège optique est situé au point focal du faisceau laser (figure 6: en focalisant ce faisceau par lobjectif du microscope, on obtient alors un piège proche du point focal du microscope. Ainsi, on peut observer facilement la cible, et le piège restera dans le plan dobservation.

Les outils optiques

Un objectif de microscope est idéal car il est de forte ouverture numérique, nous verrons par la suite lutilité de cette forte ouverture numérique. Mais elle permet en outre davoir le centre du piège le plus petit possible. C'est-à-dire comprit entre 0,5 et 1 μm [9]. Les ouvertures numériques sont généralement comprises entre 1,2 et 1,4 [10].


Figure 6 : schéma du dispositif du piège optique. Note : ouverture numérique= avec n lindice du milieu. Nous verrons par la suite quil est nécessaire que ce soit un pinceau laser, c'est-à-dire un large faisceau, qui traverse lobjectif du microscope [9]. Pour créer ce pinceau, on utilise un expanseur à la sortie du laser de la source. Un expanseur est constitué de deux lentilles convergentes placées de sorte que le point focal image de la première soit confondu avec le point focal objet de la seconde (figure 7: la première, de forte vergence, fait converger le faisceau vers le point focal objet de la deuxième de faible vergence. Il en ressort alors un faisceau élargit : un pinceau.

Figure 7 : Un expanseur.

Pour augmenter les capacités des pinces, et donc leur éventail dexpériences possible, il a fallu trouver un moyen de déplacer le piège optique. Il est possible de déplacer léchantillon en laissant le piège fixe : on emmène la cible au piège. Mais il est aussi possible de manier le piège dans les trois dimensions. En considérant léchantillon horizontal. On peut déplacer le piège verticalement en approchant ou en éloignant lobjectif de la cible. Le point focal, donc le piège, se déplace avec la lentille car les deux sont indissociables. Pour le déplacer de gauche à droite on utilise un système de deux lentilles appelées système dorientation du faisceau. Il est composé de deux lentilles convergentes équivalentes et dun miroir dichroïque, qui est un miroir qui reflète uniquement des rayons dune certaine fenêtre de longueur donde et est transparent face aux autres. Le déplacement latéral de lune des lentilles se traduira dun déplacement horizontal du centre du piège [10].

Lobservation

Le piège est en place, il suffit dallumer la lumière du microscope, coupler à un condenseur pour éclairer uniformément léchantillon pour quune caméra CCD (caméra qui convertit les signaux lumineux en signaux électriques) puisse observer les manipulations et dajouter un détecteur de position pour mesurer les déplacements du piège (figure 8).

Figure 8 : Pince optique complète Note : ici, le système dorientation est placé de telle sorte quil 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 montrés quil 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 [12]. On a ensuite un couplage de plusieurs dispositifs comme celui que nous avons présenté dans la première partie. (Figure 9). On peut également créer plusieurs pièges grâce à un seul faisceau. On envoi le faisceau sur un miroir qui commute rapidement en plusieurs postions différentes. On obtient dans le plan de léchantillon autant de pièges que de positions quoccupe le miroir [13].


Figure 9 : Pièges multiples. Dans ce dispositif, on se sert de miroirs de balayage à la place du système dorientation.

Le fonctionnement

Trois phénomènes rendent possible la manipulation dobjet par la lumière : la réfraction, la pression de radiation et laction 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 doptiques géométriques [14].

La réfraction

Pour créer un piège dans les 3 dimensions, la cible doit être transparente, pour quil puisse y avoir le phénomène de réfraction : quand la lumière passe dun milieu à un autre dindice différent, elle est déviée en suivant la loi de Snell-Descartes. Ici lorsquelle passe à travers une bille de petite taille et transparente, elle est réfractée à son entrée et à sa sortie. Cela modifie la direction de propagation de la lumière, et donc la direction de quantité de mouvement photonique, qui rappelons le vaut . Par le principe de laction et de la réaction appelé aussi troisième loi de newton : « tout corps A exerçant une force sur un corps B subit une force d'intensité égale, mais de sens opposé, exercée par le corps B», la quantité de mouvement de la cible est modifié aussi. A étant la cible et B le faisceau, et la force exercé de A sur B la modification de la direction de quantité de mouvement du faisceau due à la réfraction de la lumière. Donc il sexerce sur la bille une force égale à la différence entre la direction de quantité de mouvement du faisceau à lentrée de la cible et la direction de quantité de mouvement du faisceau à la sortie (figure 10). Ainsi, lorsquon place la cible dans un gradient dintensité, la quantité de mouvement étant plus importante dun côté que de lautre, au nombre plus important de photon voyant sa quantité de mouvement modifié, la cellule aura tendance à aller vers le champ de plus forte intensité (figure 10) [8] [9].

Figure 10 : Transfert de quantité de mouvement et force résultante sappliquant sur une cible placée dans un gradient dintensité.

Note : sapplique sur la bille. On envoi le faisceau à travers lobjectif, qui est une lentille convergente de forte ouverture numérique. Le pinceau est alors focalisé dans le plan dobservation du microscope. Il devient un cône. Lorsquil touche la cible, elle va se diriger vers le champ de plus forte intensité qui le centre du faisceau. Ensuite cest la forme en cône du pinceau qui amène la cible vers le centre du piège. En effet, linclinaison est telle que la réfraction donnera toujours une résultante des directions de quantité de mouvement vers le centre du piège [12]! Comme la cible est toujours attirée vers le centre du piège, si on déplace le piège, on déplace la cible avec [8].

Figure 11 : La cible est piégée ! Le piège fonctionne sans considérer la partie corpusculaire de la lumière. Mais quengendre-t-elle ? Le champ électrique engendré par le laser et la synergie des photons convergent

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 laction dun champ électrique non-uniforme, une particule diélectrique se polarise. Il devient alors un dipôle électrostatique et est alors sensible aux fluctuations dun champ électrique. La cible aura donc tendance à se déplacer vers le champ de plus forte intensité : le centre du faisceau [15].

La pression de radiation

Les photons exercent aussi une pression axiale sur la cible. En effet, la totalité des photons n'est pas réfractée, une partie est réfléchie. En se réfléchissant sur la paroi de la cible, ils vont lui céder une partie de leur quantité de mouvement. Cette force va entrainer la cible dans le sens de propagation de la lumière : cest la pression de radiation [16]. Cest la que nous remarquons lintérêt de lexpanseur et dune lentille à forte ouverture numérique pour focalisé le faisceau de la pince. En effet, pour ne pas que la cible séchappe à cause de cette pression de radiation, il faut que les rayons réfracté génèrent une plus grande force vers larrière que la pression de radiation. Or plus les rayons périphériques arrivant sur la cible sont inclinés, plus cette force est importante. Les rayons les plus inclinés par lobjectif seront ceux le plus loin du centre de celui-ci, un large faisceau laser, un pinceau, est donc nécessaire. De plus, plus louverture numérique de lobjectif est importante plus les rayons seront inclinés. Il faut donc un expanseur et un objectif à forte ouverture numérique pour un piégeage 3D (figure 12) [12]. Cependant, on peut sen passer pour un piégeage à deux lasers ou en 2D (figure 12). Sur une cible non-transparente, seule la pression de radiation sapplique sur la cible. Elle se trouve alors projeté dans le sens de propagation de la lumière tout en restant au centre du faisceau. Ce phénomène a été observé par Kepler au XVIIe siècle grâce aux comètes et à leur queue déviée par la lumière du soleil [8].

Figure 12 : différents pièges possible.

Application

Lintérêt des pinces optiques est quelles sont une méthode non-invasives, c'est-à-dire avec aucun contact matériel, de déplacer des objets. Ainsi lopérateur ne perturbe pas les conditions de son expérience. De plus, il est possible de manipuler des organites à lintérieur dune cellule sans en perforer la membrane ! Ou même de manipuler les chromosomes à lintérieur du noyau, toujours sans aucun dégât pour le reste de la cellule. La simplicité du dispositif permet dadapter sans difficulté une pince optique sur nimporte quelle microscope. Tous ces avantages font que les pinces optiques sont largement utilisées aujourdhui en médecine et en biologie. Souvent, les pinces servent à saisir des microsphères, de polystyrène généralement, fixée à lorganisme étudié. Lavantage est que lon peut fixer ponctuellement ces billes à une lamelle en augmentant la puissance de la pince au point souhaité. Cela permet de garder fixe une partie de lorganisme tout en opérant sur une autre partie [11].

Mesure délasticité

Lun des pionniers de la recherche sur les pinces optiques, Steven Chu, sest intéressé aux propriétés élastiques de la molécule dADN. Lui et son équipe ont fixé une microbille à chaque extrémité de la molécule. Puis, soit en piégeant chacune delle, soit en fixant lune à la lamelle, et en piégeant lautre, ils ont étirés la molécule. Ensuite, il relâche lune des deux microbilles et étudie le retour au repos de la molécule. Ainsi, ils ont validé des théories sur la physique des polymères quand ils sont loin de léquilibre [11].

Mesure de force

Le corps humain possède des cellules motrices, comme les spermatozoïdes qui utilisent une force mécanique pour se déplacer. On mesure facilement leurs forces de déplacement en les piégeant, puis en diminuant petit à petit la force du piège, on relève la valeur à laquelle le spermatozoïde sest échappé. Elle correspond alors à la force de propulsion flagellaire du gamète. Le corps possède aussi des protéines motrices, comme la kinésine. Elle utilise un mécanisme chimique complexe pour se déplacer le long de microtubule : elle possède deux moteurs globulaires qui sont alternativement fixé au microtubule. Entre ses deux fixations, une réaction chimique engendre une force qui fait pivoter la kinésine. Le déplacement de celle ci sur le microtubule se fait sous forme de « pas ». Ce second mécanisme sert au transport dorganite et de vésicule à lintérieur même de la cellule (figure 13). Le but est de mesurer la force chimique qui fait pivoter la kinésine. On fixe à une microbille piégé par une pince optique une protéine de kinésine que lon dépose sur un microtubule. La protéine entame alors sa progression, emportant avec elle la bille. Le déplacement de la bille par rapport au centre du piège est proportionnel à la force exercée par la kinésine pour avancer. Une pince de faible rigidité (≈ 0,02 pN/nm) est utilisée lorsque lon veut mesurer le déplacement élémentaire de la kinésine. La force maximale est mesurée en utilisant une pince optique plus rigide. Ainsi, on a constaté que la force maximale développé par cette protéine motrice est comprise entre 5 et 7 pico Newton [8].

Figure 13 : mesure de la force développée par la kinésine.

Conclusion

Encore peu connue du grand public la pince optique est un outil qui présente de nombreuses utilités dans le monde scientifique. Actuellement en pleine essor, nous avons-nous même été témoins de cette expansion puisque nous avons observé une forte augmentation au cours de lannée des résultats des recherches Google sur ce sujet. Cet engouement sexplique par les avantages des pinces optiques face aux autres techniques de micromanipulation car elle permet de manipuler des particules de taille très petite à petite sans risquer de les endommager. En effet la manipulation se fait par méthode non-invasive et avec une excellente précision. De plus cette technique est encore en évolution et ne cesse dêtre optimisée pour sadapter à des applications très spécifique et très variés allant des horloges atomiques à atomes froids, au OGM en passant par la microchirurgie laser. Sans oublier quelles ont permis la récente observation du condensat de Bose Einstein prédit au XIXe siècle. Pour conclure les pinces optiques ne sont aujourdhui quà leur naissance elles présentent à un bel avenir avec de nombreux projets comme par exemple les bios puces ou les ordinateurs quantiques.

Bibliographie

[0] Optical tweezers

[1] Cours de Chimie Physique de François Humbert et doptique géométrique de Gilles Parent

[2] Le Laser par Romain GRESSET, Gontran LOBET, Clément PONÇOT, Gaëlle RENOUD-LIAS http://eurserveur.insa-lyon.fr/LesCours/physique/AppPhysique/approphys/9Math&Phys/Laser/principe.html

[3] A. Aspect et J. Dalibard, « Le refroidissement des atomes par laser », La Recherche 261, vol. 25, 30 (1994)

[4] Conférence tenu par Claude Cohen-Tannoudji en 1996 http://www.canal-u.tv/producteurs/science_en_cours/dossier_programmes/matiere_et_energie/du_cote_de_la_recherche/claude_cohen_tannoudji_1996

[5] G. Grynberg, « Une matrice de lumière pour ranger des atomes », La Recherche 256, vol. 24, 896 (1993)

[6] L'équipe du Laboratoire Kastler Brossel, dirigée par Claude Cohen-Tannoudji « de la lumière laser aux atomes ultafroids » http://www.lkb.ens.fr/recherche/atfroids/tutorial/index2.htm

[7] Arnaud POUDEROUS « Refroidissement et piégeage datome de chrome » 2007 http://tel.archives-ouvertes.fr/docs/00/16/90/09/PDF/These_pouderous_2007.pdf

[8] Les pinces optiques en biologie et en médecine Catherine Coirault, Jean-Claude Pourny, Francine Lambert, Yves Lecarpentier : http://ist.inserm.fr/basismedsci/2003/ms_3_2003/364_Coirault_DT.pdf

[9] Machines Moléculaires : TD Pinces Optiques : http://biologie.univ-mrs.fr/upload/p204/TD_pinces_optiques.pdf

[10] Optical tweezers From Wikipedia, the free encyclopedia http://en.wikipedia.org/wiki/Optical_tweezers

[11] S. Chu, « Le piégeage optique de particules neutres », Pour la Science 174, 30 (1992)

[12] Piégeage Optique: Microbilles, cellules et micro-organismes au doigt et à lœil Guy Delacrétaz, Laboratoire doptique appliquée Faculté STI - section microtechnique EPFL, Lausanne, Switzerland : http://biologie.univ-mrs.fr/upload/p204/TD_pinces_optiques.pdf

[13] Détermination des modules élastiques du cytosquelette du globule rouge humain par pinces optiques. Guillaume Lenormand, Sylvie Hénon et François Gallet : http://guillaume.lenormand.free.fr/pdf/mecano.pdf

[14] Optical tweezers, Yiyi Deng Harvard University http://laser.physics.sunysb.edu/~yiyi/2003/tweezers.html

[15] Direction des sciences du vivant, diélctrophorèse. http://www-dsv.cea.fr/instituts/institut-de-recherches-en-technologies-et-sciences-pour-le-vivant-irtsv/unites-de-recherche/laboratoire-biopuces-biopuces/projet-medics/dielectrophorese

[16] La pression photonique http://240plan.ovh.net/~upngmmxw/projets/contrib/TIPE_Vivien_Parmentier.pdf

[17] Michael Berns, « Pinces et ciseaux optiques », Pour la science 2006

Liens externes

Voir aussi


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