Implémentation d’un Interféromètre par Réinjection Optique à Haute Résolution pour les Applications Microfluidiques

Implementation of a high resolution optical feedback interferometer for microfluidics applications

• Auteur / Autrice : Raul da Costa Moreira
• Direction : Thierry Bosch, Julien Perchoux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique et système optoélectronique
• Date : Soutenance le 06/06/2019
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (Toulouse ; 1968-....)
• Jury : Président / Présidente : Alexandra Alexandrova
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thierry Bosch, Julien Perchoux, Santiago Royo, Éric Lacot, Karine Loubière
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Santiago Royo, Éric Lacot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électromécanique

Interférométrie holographique

Échographie Doppler

Mots clés libres

Interférométrie

Imagerie Doppler

Retour optique

Caractérisation des micro/ nanoparticules

Débitmétrie

Auto-mélange

Interferometry

Doppler imaging

Optical feedback

Micro/nanoparticle characterization

Flowmetry

Self-mixing

Résumé

Les progrès récents des capteurs interférométriques basés sur la réinjection optique dans une diode laser ont démontré la possibilité de mesurer des débits d’écoulements et des profils de vitesses d’écoulement à l'échelle micrométrique. Ce type de capteurs compacts et intégrés est très prometteur pour un domaine - la microfluidique - qui est en expansion, aux frontières de la physique, de la chimie, de la biologie et du biomédical. Cependant, la mesure du débit ou de la vitesse locale en haute résolution reste un problème très complexe et les capteurs proposés jusqu’à présent n’ont pas fourni d’informations sur la nature des particules qui s’écoulent. La présente thèse porte sur la mise en œuvre, la validation et l'évaluation des performances de détection de la technologie OFI dans les domaines d'applications chimiques et biomédicaux. L'élaboration d'une nouvelle génération de capteurs qui fourniront à la fois une haute résolution spatiale pour l’imagerie Doppler 2D est présentée ainsi qu’une approche novatrice permettant de fournir des informations supplémentaires sur la concentration et / ou les dimensions des particules en mouvement. Ensuite, un imageur Doppler par réinjection optique, embarqué dans un système compact pour la débitmétrie a été réalisé à l'aide d'un micro-miroir monté sur des systèmes microélectromécaniques (MEMS), tirant ainsi pleinement parti de la compacité offerte par le système de détection par réinjection optique. Alors que les travaux précédents sur la débitmétrie par réinjection optique ont été limités aux fluides à haute densité de particules dans des régimes de diffusion simples ou multiples, nous présentons également une technique permettant la détection de particules uniques de dimensions micro et nanométriques à travers l'effet Doppler-Fizeau. Grâce au traitement du signal proposé, cette technique de détection peut détecter la présence de micro/nanosphères de polystyrène sphériques uniques ensemencées dans des suspensions aqueuses et mesurer leur vitesse d'écoulement, même lorsque leur diamètre est inférieur à la moitié de la longueur d'onde du laser. Cette méthode présente de nombreux avantages par rapport aux méthodes habituelles qui nécessitent une manipulation du fluide, dans des volumes toujours plus petits avec un contrôle précis du débit et de la concentration. L’ensemble des aspects traités dans cette thèse représente une avancée majeure pour l’utilisation des capteurs par réinjection dans les applications d’ingénierie chimique ou biomédicale implicant des écoulements à micro-échelle

Recent progress of interferometric sensors based on the optical feedback in a laser diode have demonstrated possibility for measurement of flow rates and flow-profiles at the micro-scale. That type of compact and embedded sensors is very promising for a research and industrial field –microfluidics – that is a growing domain of activities, at the frontiers of the physics, the chemical science, the biology and the biomedical. However, the acquisition of flow rate or local velocity at high resolution remains a very challenging issue, and the sensors that have been proposed so far did not have been giving sufficient information on the nature of the particles flowing. The present thesis is driven to the implementation, validation and evaluation of the sensing performances of the optical feedback interferometry technology in both chemical and biomedical fields of applications. The elaboration of a new generation of sensors that will provide both a high spatial resolution for 2D Doppler imaging is presented, as well as a methodology that gives further information on the flowing particles concentration and/or dimensions. Then, a new embedded optical feedback interferometry imager for flowmetry has been realized using a 2-axis beamsteering mirror mounted on Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) thus taking the full advantage of the compactness offered by the optical feedback interferometry sensing scheme. While previous works on optical feedback interferometry flowmetry have been limited to high particle densities fluids in single or multiple scattering regimes, we present also a sensing technique based on the optical feedback interferometry scheme in a laser diode that enables single particle detection at micro and nanoscales through the Doppler-Fizeau effect. Thanks to the proposed signal processing, this sensing technique can detect the presence of single spherical polystyrene micro/nanospheres seeded in watery suspensions, and measure their flow velocity, even when their diameter is below half the laser wavelength. It discriminates particle by their diameter up to a ratio of 5 between large and small ones while most of the technologies for particle characterization is bulk and requires manipulation of the fluid with small volume handling, precise flow and concentration control. Altogether, the results presented in this thesis realize a major improvement for the use of optical feedback interferometry in the chemical engineering or biomedical applications involving micro-scale flows.