Sondes de lumière résonante et traitement des signaux pour le suivi dynamique de processus de la matière molle

Resonant light probe and data treatment for the dynamic tracking of soft matter processes

• Auteur / Autrice : Lucas Garnier
• Direction : Bruno Bêche, Véronique Vié
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance le 04/09/2020
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de physique (Rennes) - Institut d'Électronique et de Télécommunications (Rennes) - IETR - IPR

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transitions de phases

Matière molle (physique)

Microcavités

Photonique

Mots clés libres

Photonique intégrée

Micro-Résonateurs

Métrologie Fine

Matière Molle

Transitions de phase

Sédimentation et crémage

Integrated photonic

Micro-Resonators

Fine metrology

Résumé

Les micro-résonateurs photoniques intégrés ont de nombreuses applications dans le domaine de la détection et de la métrologie fine. Les travaux présentés au cours de cette thèse ont pour objet d’étudier et de répertorier leurs utilisations pour le diagnostic et le suivi de processus dynamiques de la matière molle comme les mesures de vitesses de sédimentation, les détections de transitions de phases propres aux produits de pharmacologie galénique, de l’agro-alimentaire, de la cosmétique… Le minimum théorique mathématique relatif au principe de fonctionnement des micro-résonateurs est présenté. Il porte tout d’abord sur les définitions des valeurs propres en électromagnétisme associés aux structures guidantes (constante de propagation effective associée au mode propre optique), puis sur la notion de couplage évanescent en physique des ondes. La fonction de transfert générique de la structure photonique globale résonnante est ensuite calculée, donnant lieu aux attributs spectraux fondamentaux des signaux. Les procédés de fabrication en salle blanche de telles structures puis le montage complet de la plateforme de mesures et traitement des signaux optiques sont ensuite développés. Cette plateforme a été mise en oeuvre afin d'étudier différents processus dynamiques associés à la matière molle qui seront suivis en temps réels par les sondes de lumière résonnante. Ces phénomènes sont : les mécanismes de condensation brusque de vapeur, l'évaporation d'une goutte d'eau sessile et la mesure différentielle de perte de masse, les mesures de vitesse de sédimentation, puis le suivi des transitions de phase ; cette dernière application porte respectivement sur une transition gel/fluide de la sphingomyéline et sur une transition morphologique d'un composé d'acide gras. Enfin, des développements mathématiques sont réalisés dans le but de construire une formulation intégrant l’ensemble des variations géométriques de la structure et décrivant donc un déplacement sur les courbes de dispersion lors des dits processus.

Integrated photonic micro-resonators have numerous applications in the range of detection and fine metrology. The works presented in this thesis aim at studying and list their use for the diagnosis and the tracking of dynamic soft matter processes such as measurements of sedimentation speed, detections of phase transitions related to products from galenic pharmacology, food industry, cosmetics… The theoretical and mathematical minimum description related to the operating principle of microresonators is presented. It first deals with definitions of eigenvalues associated to a guiding structure (effective propagation constant associated with the optical mode), then on the notion of evanescent coupling in waves physics. The generic transfer function of the global resonant photonic structure is then computed, giving rise to the fundamental spectral attributes of signals. The fabrication process in clean room of such structures and the compete mounting of the measurements and optical signals treatment platformare t hen developed. This platform has been inforced to study different dynamic processes associated to soft matter which will be tracked in real time by the resonant lught probes. These phenomena are : the mecansim of brutal condensation vapor, the evaporation of a sessile water droplet and the differential loss of mass measurements, the measures of the speed of sedimentation of nano-particles, and the tracking of phase transitions ; this last application concerns respectively the gel/fluid transition of sphingomyelin and on a morphological phase transition of a compound of fatty acids. Finally, mathematical developments are realized in order to work out a formulation interating all the geometric variations of the structure, and thus describing a displacement on the dispersion curves during the said processes.