Modélisation de forces optiques

Optical Force Modeling

• Auteur / Autrice : Olivier Moine
• Direction : Gérard Tayeb
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Aix-Marseille 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lumière -- Diffusion

Optique

Électromagnétisme

Résumé

Ce travail porte sur la modélisation théorique des forces optiques, c'est à dire sur la quantité de mouvement transmise à la matière par la lumière lors de l'interaction lumière-matière. La matière est supposée homogène. La première partie est consacrée aux deux principales approximations faites par le passé pour le calcul des forces optiques : l'approximation dipolaire et l'approximation géométrique, et les compare au calcul exact, que nous avons développé. Cette formulation totalement inédite nous permet de traiter un grand nombre de faisceaux incidents. La seconde partie traite des forces induites, c'est à dire des forces apparaissant dans le cas de multi-diffusions. Notre calcul exact nous permet ainsi d'évaluer les forces de binding entre les objets. La troisième partie propose de traiter les sphères enrobées, ouvrant ainsi la voie au traitement d'objet biologiques tels les cellules. Enfin, la dernière partie est consacrée à l'étude de pincettes optiques ; le faisceau incident y est reconstruit grâce a l'approximation de Davis.

This work deals with theoretical modeling of optical forces on micro-meter scale objects using exact electromagnetic calculations. In the first part, we derive and review the two approximate techniques commonly used to calculate optic in the two extreme size domains : the Rayleigh approximation for dealing with particles considerably smaller than the wavelength, [lambda] , of the trapping radiation, and the geometric optics approximation which applies to particles much larger than [lambda]. We then illustrate the limits of these approximate techniques via a comparison with the exact calculations that we have developed. In the second part, we consider optical traps containing multiple particles. For such studies we couple our exact calculation technique with exact solutions of the multi-scattering equations in order to evaluate the optically induced forces that appear between particles in multiparticle traps. Most of our applications to date concern homogeneous spherical trapped particles, and a the third part studies the extension to more general particles like coated spheres which can be used to model biological organites like cells. The last part concerns the applications of theoretical modeling to the rapidly developing field of optical tweezers for mico-meter scale manipulation.