Nanopinces optiques à base de modes de Bloch lents en cavité

Ce travail de thèse s inscrit dans les efforts actuellement réalisés, pour améliorer l efficacité des pinces optiques conventionnelles qui permettent de manipuler sans contact des objets de quelques dizaines de nanomètres à quelques dizaines de micromètres avec une extrême précision et trouvent de nombreuses applications en biophysique et sciences de colloïdes.L objectif de cette thèse a été d explorer une nouvelle approche pour la réalisation de Nanopinces Optiques. Elle s appuie sur l utilisation de cavités à cristaux photoniques à modes de Bloch lents. Ces cavités peuvent être efficacement et facilement excitées par un faisceau Gaussien à incidence normale. Contrairement aux pinces optiques conventionnelles, des objectifs à faibles ouvertures numériques peuvent être utilisés. Les performances attendues en termes de piégeage vont bien au-delà de limitations imposées par la limite de diffraction pour les pinces conventionnelles. Ce travail démontre expérimentalement l efficacité de l approche. Cette thèse comporte deux parties principales. Dans un premier temps, il a fallu monter un banc expérimental pour mener nos études. Nous avons construit un banc optique, interfacé les instruments, et développé des applications logicielles pour analyser les données. Deux éléments importants ont présidé à sa construction : - Le développement d un système optique permettant d exciter les nanostructures photoniques - la conception d un système d imagerie pour suivre les nanoparticules. La seconde partie de ce travail a porté sur la mise en évidence du piégeage optique à l aide de nanostructure à base de cristaux photonique. Nous avons d abord montré que même des cavités possédant des coefficients de qualités modérés (quelques centaines) permettait d obtenir des pièges optiques dont l efficacité est d un ordre de grandeur supérieur à celui de pinces conventionnels. Fort de ce résultat, nous avons exploré un nouveau type de cavité à cristaux photoniques s appuyant sur une approche originale : des structures bi-périodiques. Nous avons montré qu à l aide de cette approche des facteurs de qualités de l ordre de plusieurs milliers étaient facilement atteignable. A l aide de ces nouvelles structures, nous sommes arrivés aux résultats le plus important de ce travail : le piégeage de nanoparticules de 250nm de rayon avec une puissance optique incidente de l ordre du milliwatt. Une analyse fine du mouvement de la nanoparticule, nous a permis de trouver la signature du mode de Bloch lent.This thesis aims at improving the efficiency of conventional optical tweezers (cOT). They allow to manipulate objects with dimension from a few tens of nanometer to a few tens of micrometers with a high accuracy and without contact. This has numerous applications in biophysics and colloidal science. This thesis investigates a new approach for optical nanotweezers. It uses a photonic crystal (PC) cavity which generates a slow Bloch mode. This cavity can be effectively and easily excited with a Gaussian beam at the normal incidence. Contrarily to cOT, objective with a small numerical aperture can be used. The expected performances in terms of trapping go well beyond the diffraction limit of cOT. This work demonstrates experimentally the efficacy of approach. This thesis is divided in two main sections. First, we had to set up an experimental bench to carry out to our study. We built the optical bench interface instruments and develop programs to analyze the data. Two essential elements have been considered: - The development of the optical system allowing the excitation of the photonics nanostructure. - The design an imaging system to track nanoparticles. Second, we have focus on the demonstration of the optical trapping. We started by with a low Q factor (few hundred) cavity. Trapping efficiency of an order of magnitude higher than cOT has been demonstrated. Then, we have explored a new king of PC cavity based on double period structure. We show that thanks to this approach high Q factor of several thousand are easily reached. With this structure, we managed to trap 250nm polystyrene beads, with an optical power of the order of a milliwatt. A deep analysis of the nanoparticle trajectories allowed us to find a slow Bloch mode signature.VILLEURBANNE-DOC'INSA-Bib. elec. (692669901) / SudocSudocFranceF

New concepts of integrated photonic biosensors based on porous silicon

International audienceno abstrac

Nanopinces optiques à base de modes de Bloch lents en cavité

This thesis aims at improving the efficiency of conventional optical tweezers (cOT). They allow to manipulate objects with dimension from a few tens of nanometer to a few tens of micrometers with a high accuracy and without contact. This has numerous applications in biophysics and colloidal science. This thesis investigates a new approach for optical nanotweezers. It uses a photonic crystal (PC) cavity which generates a slow Bloch mode. This cavity can be effectively and easily excited with a Gaussian beam at the normal incidence. Contrarily to cOT, objective with a small numerical aperture can be used. The expected performances in terms of trapping go well beyond the diffraction limit of cOT. This work demonstrates experimentally the efficacy of approach. This thesis is divided in two main sections. First, we had to set up an experimental bench to carry out to our study. We built the optical bench interface instruments and develop programs to analyze the data. Two essential elements have been considered: - The development of the optical system allowing the excitation of the photonics nanostructure. - The design an imaging system to track nanoparticles. Second, we have focus on the demonstration of the optical trapping. We started by with a low Q factor (few hundred) cavity. Trapping efficiency of an order of magnitude higher than cOT has been demonstrated. Then, we have explored a new king of PC cavity based on double period structure. We show that thanks to this approach high Q factor of several thousand are easily reached. With this structure, we managed to trap 250nm polystyrene beads, with an optical power of the order of a milliwatt. A deep analysis of the nanoparticle trajectories allowed us to find a slow Bloch mode signature.Ce travail de thèse s’inscrit dans les efforts actuellement réalisés, pour améliorer l’efficacité des pinces optiques conventionnelles qui permettent de manipuler sans contact des objets de quelques dizaines de nanomètres à quelques dizaines de micromètres avec une extrême précision et trouvent de nombreuses applications en biophysique et sciences de colloïdes.L’objectif de cette thèse a été d’explorer une nouvelle approche pour la réalisation de Nanopinces Optiques. Elle s’appuie sur l’utilisation de cavités à cristaux photoniques à modes de Bloch lents. Ces cavités peuvent être efficacement et facilement excitées par un faisceau Gaussien à incidence normale. Contrairement aux pinces optiques conventionnelles, des objectifs à faibles ouvertures numériques peuvent être utilisés. Les performances attendues en termes de piégeage vont bien au-delà de limitations imposées par la limite de diffraction pour les pinces conventionnelles. Ce travail démontre expérimentalement l’efficacité de l’approche. Cette thèse comporte deux parties principales. Dans un premier temps, il a fallu monter un banc expérimental pour mener nos études. Nous avons construit un banc optique, interfacé les instruments, et développé des applications logicielles pour analyser les données. Deux éléments importants ont présidé à sa construction : - Le développement d’un système optique permettant d’exciter les nanostructures photoniques - la conception d’un système d’imagerie pour suivre les nanoparticules. La seconde partie de ce travail a porté sur la mise en évidence du piégeage optique à l’aide de nanostructure à base de cristaux photonique. Nous avons d’abord montré que même des cavités possédant des coefficients de qualités modérés (quelques centaines) permettait d’obtenir des pièges optiques dont l’efficacité est d’un ordre de grandeur supérieur à celui de pinces conventionnels. Fort de ce résultat, nous avons exploré un nouveau type de cavité à cristaux photoniques s’appuyant sur une approche originale : des structures bi-périodiques. Nous avons montré qu’à l’aide de cette approche des facteurs de qualités de l’ordre de plusieurs milliers étaient facilement atteignable. A l’aide de ces nouvelles structures, nous sommes arrivés aux résultats le plus important de ce travail : le piégeage de nanoparticules de 250nm de rayon avec une puissance optique incidente de l’ordre du milliwatt. Une analyse fine du mouvement de la nanoparticule, nous a permis de trouver la signature du mode de Bloch lent

SlowBloch mode nanotweezers

Ce travail de thèse s’inscrit dans les efforts actuellement réalisés, pour améliorer l’efficacité des pinces optiques conventionnelles qui permettent de manipuler sans contact des objets de quelques dizaines de nanomètres à quelques dizaines de micromètres avec une extrême précision et trouvent de nombreuses applications en biophysique et sciences de colloïdes.L’objectif de cette thèse a été d’explorer une nouvelle approche pour la réalisation de Nanopinces Optiques. Elle s’appuie sur l’utilisation de cavités à cristaux photoniques à modes de Bloch lents. Ces cavités peuvent être efficacement et facilement excitées par un faisceau Gaussien à incidence normale. Contrairement aux pinces optiques conventionnelles, des objectifs à faibles ouvertures numériques peuvent être utilisés. Les performances attendues en termes de piégeage vont bien au-delà de limitations imposées par la limite de diffraction pour les pinces conventionnelles. Ce travail démontre expérimentalement l’efficacité de l’approche. Cette thèse comporte deux parties principales. Dans un premier temps, il a fallu monter un banc expérimental pour mener nos études. Nous avons construit un banc optique, interfacé les instruments, et développé des applications logicielles pour analyser les données. Deux éléments importants ont présidé à sa construction : - Le développement d’un système optique permettant d’exciter les nanostructures photoniques - la conception d’un système d’imagerie pour suivre les nanoparticules. La seconde partie de ce travail a porté sur la mise en évidence du piégeage optique à l’aide de nanostructure à base de cristaux photonique. Nous avons d’abord montré que même des cavités possédant des coefficients de qualités modérés (quelques centaines) permettait d’obtenir des pièges optiques dont l’efficacité est d’un ordre de grandeur supérieur à celui de pinces conventionnels. Fort de ce résultat, nous avons exploré un nouveau type de cavité à cristaux photoniques s’appuyant sur une approche originale : des structures bi-périodiques. Nous avons montré qu’à l’aide de cette approche des facteurs de qualités de l’ordre de plusieurs milliers étaient facilement atteignable. A l’aide de ces nouvelles structures, nous sommes arrivés aux résultats le plus important de ce travail : le piégeage de nanoparticules de 250nm de rayon avec une puissance optique incidente de l’ordre du milliwatt. Une analyse fine du mouvement de la nanoparticule, nous a permis de trouver la signature du mode de Bloch lent.This thesis aims at improving the efficiency of conventional optical tweezers (cOT). They allow to manipulate objects with dimension from a few tens of nanometer to a few tens of micrometers with a high accuracy and without contact. This has numerous applications in biophysics and colloidal science. This thesis investigates a new approach for optical nanotweezers. It uses a photonic crystal (PC) cavity which generates a slow Bloch mode. This cavity can be effectively and easily excited with a Gaussian beam at the normal incidence. Contrarily to cOT, objective with a small numerical aperture can be used. The expected performances in terms of trapping go well beyond the diffraction limit of cOT. This work demonstrates experimentally the efficacy of approach. This thesis is divided in two main sections. First, we had to set up an experimental bench to carry out to our study. We built the optical bench interface instruments and develop programs to analyze the data. Two essential elements have been considered: - The development of the optical system allowing the excitation of the photonics nanostructure. - The design an imaging system to track nanoparticles. Second, we have focus on the demonstration of the optical trapping. We started by with a low Q factor (few hundred) cavity. Trapping efficiency of an order of magnitude higher than cOT has been demonstrated. Then, we have explored a new king of PC cavity based on double period structure. We show that thanks to this approach high Q factor of several thousand are easily reached. With this structure, we managed to trap 250nm polystyrene beads, with an optical power of the order of a milliwatt. A deep analysis of the nanoparticle trajectories allowed us to find a slow Bloch mode signature

Modulation of the endogenous production of protoporphyrin IX in a yeast - based model organism

The main aim of this study was to assess conditions at which simple yeast-based model organism produces maximal levels of protoporphyrin IX (PpIX) after an exogenous administration of its precursor, 5-aminolevulinic acid (ALA), and the ferrous-ion chelator 2,2'-bipyridyl. We observed that the fluorescing porphyrin, produced after these administrations, was likely to be PpIX since fluorescence spectroscopy of the porphyrins produced endogenously in yeast cells resembles that of PpIX in DMSO and in vivo in the chick's chorioallantoic membrane model. Also, fluorescence lifetimes of these porphyrins are very similar to that of PpIX in vitro and in vivo. This suggests that PpIX is the main fluorescent compound produced by yeast in our conditions. We found that the conditions at which yeast produces the maximal PpIX were a synchronous administration of 5 mu M ALA and 1 mM 2,2'-bipyridyl for yeast incubated in aqueous glucose and 1 mM 2,2'-bipyridyl in the presence of YPD medium. Such a simple model is of high interest to study basic mechanisms involved in the mitochondrial respiration since PpIX, which is produced in this organelle, can be used as an oxygen sensor, or to perform photodynamic therapy and photodiagnosis. Since the absorption and scattering coefficients of this model are much smaller than those of soft tissues over the visible part of the spectrum, a version of this model loaded with appropriated amounts of light absorbing and scattering particles could be designed as a phantom to mimic tumors containing PpIX, a useful tool to optimize certain cancer photodetection set-ups

Increase and homogenization of the endogenous production of protoporphyrin IX by photobiomodulation

Photodynamic therapy (PDT) and/or photodetection (PDD) based on protoporphyrin IX (PpIX) are used in many medical fields. However, the endogenous production of PpIX in tissues after administration of its precursor, 5-aminolevulinic acid (ALA) or derivatives thereof, is frequently insufficient and, in particular, inhomogeneous, leading to unsatisfactory treatment outcomes or false negatives. Photobiomodulation (PBM), which is based on the application of a sub-thermal dose of red or near infra-red light (typically in the range of 600 - 900 nm), is known to modulate, among others, the cell metabolism. Yet, the precise mechanism of PBM and, furthermore, the optimal irradiation conditions are to be determined. In the work reported here, we have studied the dependence of the endogenous PpIX production by U-87 MG glioma cells on various PBM irradiation protocols (wavelengths, irradiations, light doses). We have shown that PBM can increase, and even homogenize the endogenous production of PpIX in these cells. Therefore, combining PBM with PDT or PDD could lead to more potent and satisfying cancer treatments or detections outcomes, in particular in neurosurgery, dermatology, and urology

In vivo measurement of the tissue oxygenation by time-resolved luminescence spectroscopy of protoporphyrin IX: Strategies to minimize artefacts associated with photoproducts

The determination of the oxygen partial pressure (pO(2)) in real time in living biological tissues is of high interest for numerous therapeutics, including photodynamic therapy (PDT) and radiotherapy. The minimally invasive and real-time measurement of the pO(2) also enables to obtain interesting fundamental information regarding the metabolic activities in cells and tissues. The development of time-resolved luminescence measurement (TRLM) methods combined with the availability of new oxygen-sensitive molecular probes is at the origin of the significant progress that have been achieved during these past decades to measure the pO(2) in living organisms. These probes include porphyrins, such as aminolevulinic acid-induced protoporphyrin IX (PPIX), which is an approved photosensitizer. Using the photosensitizer to probe the pO(2) is of high interest in PDT since the level of oxygen is measured at the precise location where the phototoxic mechanisms take place. However, PPIX has drawbacks to measure the pO(2) by TRLM, including its significant photobleaching. Since the PPIX excitation during pO(2) measurements leads to the generation of its photoproducts, we studied the impact of their luminescence on the measurement of the PPIX triplet state lifetime in solution and in vivo on the Chick's Chorioallantoic Membrane (CAM) model. We performed this study under various oxygen conditions. Our results indicate that perturbations induced by these photoproducts can be avoided if the PPIX luminescence is detected between 620 and 640 nm, or if PPIX is excited at 405 nm with light doses < 1 J/cm(2)

Effect of PpIX photoproducts formation on pO2 measurement by time-resolved delayed fluorescence spectroscopy of PpIX in solution and in vivo

The measurement of Protoporphyrin IX delayed fluorescence lifetime is a minimally invasive method for monitoring the levels of oxygen in cells and tissues. The excitation of Protoporphyrin IX during this measurement can lead to the formation of photoproducts in vitro and in vivo. The influence of their luminescence on the measured Protoporphyrin IX delayed fluorescence lifetimes was studied in solution and in vivo on the Chick's chorioallantoic membrane (CAM) model under various oxygen enriched air conditions (0mmHg, 37mmHg and 155mmHg). The presence of photoproducts disturbs such measurements since the delayed fluorescence emission of some of them spectrally overlaps with that of Protoporphyrin IX. One possible way to avoid this obstacle is to detect Protoporphyrin IX's delayed fluorescence lifetime in a very specific spectral range (620-640nm). Another possibility is to excite Protoporphyrin IX with light doses much lower than 10J/cm(2), quite possibly as low as a fraction 1J/cm(2) at 405nm. This leads to an increased accuracy of pO2 detection. Furthermore, this method allows combination of diagnosis and therapy in one step. This helps to improve detection systems and real-time identification of tissue respiration, which is tuned for the detection of PpIX luminescence and not its photoproducts