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Une danse photo-induite

Une danse photo-induite

Comment une particule peut valser dans un faisceau laser ?

La matière – par exemple une lentille de verre – modifie la trajectoire d’un rayon de lumière. Classique. Réciproquement, un photon agit mécaniquement sur la matière. Avec un gros objet, comme la dite lentille, et une source lumineuse ordinaire, ça ne se voit pas, parce que les forces mises en jeu sont trop petites (de l’ordre du picoNewton). Mais à plus petite échelle, l’effet est spectaculaire : des particules de quelques microns sont facilement déplacées par un simple faisceau laser de quelques milliwatts.

Le faisceau est la source d’une pression *, dite « pression de radiation » s’appliquant sur la surface de la particule. Les forces associées permettent de piéger des particules dans une « pincette optique » et de mesurer d’autres forces très faibles. Les applications de cette « dynamométrie optique » sont très nombreuses, en physico-chimie et en biologie.

Le « piégeage » implique de bloquer la particule quelque part dans l’espace, par la seule action de la lumière, sans contact mécanique direct. Ce blocage est bien réalisé pour des sphères. Mais depuis quelques années, les chercheurs s’intéressent à la manipulation optique d’objets non sphériques, pour des applications spécifiques (micro-machines, sondes, nano-électronique, études d’élasticité en biologie…) [1]. Cependant, le piégeage d’objets non sphériques s’avère plus difficile qu’avec des sphères. Quelques expériences montrent en effet que des batônnets ou des micro-disques oscillent dans une pincette optique ; mais ces observations sont sporadiques, et on ne sait pas bien si les oscillations sont le seul fait de la lumière, ou de l’action combinée de la lumière et des parois de la cellule d’expérience.

Besira Mihiretie a entrepris l’étude systématique du phénomène, avec des particules de polystyrène ellipsoïdales, dans un simple schéma dit de « lévitation optique ». Les expériences montrent clairement que les oscillations existent même loin de toute paroi, avec des ellipsoïdes suffisamment allongés. Au contraire, les ellipsoïdes courts sont piégés de manière stable. Le changement d’état dynamique est une bifurcation, qui survient pour une valeur seuil de l’allongement des particules.

Une interprétation du phénomène vient d’être proposée par notre équipe, à partir d’un calcul des forces et couples de pression de radiation dans un modèle simple bidimensionnel d’interaction de la lumière avec un ellipsoïde. Le modèle reproduit qualitativement la bifurcation entre un état bloqué et des oscillations entretenues (cycle limite).

Ce travail montre que l’interaction de la lumière avec une particule n’est pas réductible au simple dilemme « stable ou instable », autrement dit « piégeage dans le faisceau ou expulsion ». L’interaction doit être envisagée comme un problème de système dynamique non linéaire. Le système réel des expériences est tridimensionnel : il donne des oscillations périodiques pour des allongements moyens. Par contre, pour des particules très allongées, les mouvements sont apériodiques, assimilables à du chaos.

Ces résultats sont présentés dans deux articles à paraître [2] , [3]

* L’origine de cette pression tient à ce que la lumière transporte non seulement une énergie mais également une impulsion (hv/c par photon, avec h la constante de Planck, v la fréquence et c la vitesse de la lumière). En conséquence de la loi de conservation de l’impulsion, une particule qui dévie un rayon lumineux acquiert une impulsion. Elle est donc soumise à une force.


[1] P. J. PAUZAUSKIE et al., “Optical trapping and integration of semiconductor nanowire assemblies in water”, Nature Mat. 5, 97 (2006).

[2] B. MIHIRETIE, P. SNABRE , J.C. LOUDET and B. POULIGNY “Radiation pressure makes ellipsoidal particles tumble”, Europhys. Lett., in press.

[3] B. MIHIRETIE, J.C. LOUDET and B. POULIGNY,“Optical levitation and long-working distance trapping : from spheres up to large aspect ratio ellipsoids”, J. Quantitative Spectroscopy and Radiation Transfer (2012), doi