EP1524675A1 - Dispositif de déplacement de particules - Google Patents

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EP1524675A1
EP1524675A1 EP04104982A EP04104982A EP1524675A1 EP 1524675 A1 EP1524675 A1 EP 1524675A1 EP 04104982 A EP04104982 A EP 04104982A EP 04104982 A EP04104982 A EP 04104982A EP 1524675 A1 EP1524675 A1 EP 1524675A1
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EP
European Patent Office
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neff
network
substrate
index
waveguide
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EP04104982A
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EP1524675B1 (fr
Inventor
Stéphanie GAUGIRAN
Jérôme HAZART
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Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Original Assignee
Commissariat a lEnergie Atomique CEA
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    • G—PHYSICS
    • G21—NUCLEAR PHYSICS; NUCLEAR ENGINEERING
    • G21K—TECHNIQUES FOR HANDLING PARTICLES OR IONISING RADIATION NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; IRRADIATION DEVICES; GAMMA RAY OR X-RAY MICROSCOPES
    • G21K1/00—Arrangements for handling particles or ionising radiation, e.g. focusing or moderating
    • G21K1/006—Manipulation of neutral particles by using radiation pressure, e.g. optical levitation

Definitions

  • the invention relates to the field of techniques of movement and manipulation of particles by optical forces.
  • the applications envisaged are the displacement without contact, particles (balls of different materials, nano-objects, cells or other biological objects) over great distances (several centimeters) and with trajectories predefined.
  • particles balls of different materials, nano-objects, cells or other biological objects
  • trajectories predefined.
  • This method poses difficulties in entrapment, in particular of nanometric particles. he takes at least several seconds to trap, by for example, a gold particle of 36 nm in diameter.
  • This technique allows to collect, above of a guide, scattered particles randomly (thanks to the gradient forces) and then move these particles along the guide (forces of diffusion).
  • the method also applies to particles metal but has the disadvantage of being very dependent on the surface condition of the guide: roughness important manages to permanently stop the particle.
  • the invention uses forces optical generated by a diffraction grating.
  • the displacement forces of the particle are generated by light diffraction network and are oriented according to characteristics of the network.
  • the network is used as an element that decouples the light that propagates in a guide wave.
  • the injection of light into the guide can be made by means of a tranche coupling, a prism or using another network.
  • Light from the network is used as a real engine not only allowing move the particles, but also to choose their trajectories and their speeds.
  • the invention also relates to a device for displacement, in a nsup index medium, of a particle, comprising a substrate, a waveguide and a network formed on the waveguide.
  • This network makes it possible to diffract a light from wavelength ⁇ , transmitted by the guide, to a external medium of index nsuper.
  • the network diffracts only one only order towards the middle in which lies the particle.
  • no light is diffracted to the substrate.
  • the guide has an effective index neff, the network a step ⁇ , the substrate an index nsub such as nsuper> nsub, and the ratio ⁇ / ⁇ is included between neff - super and neff - nsub or between neff + nsub and neff + nsuper.
  • the device may further comprise at least an intermediate layer between the substrate and the guide wave, this layer having a refractive index less than that of the liquid.
  • the network has a step ⁇ higher or equal to ⁇ / (neff / nsup + 1) nsup, and / or lower or equal to 2. ⁇ / (neff / nsup + 1) nsup, where neff is the index effective waveguide.
  • the substrate may further comprise means of reflection of the light diffracted towards the substrate, for example a Bragg mirror.
  • the network comprises several types of patterns, a first type of pattern and at least one second type of pattern, different from first, for example by at least his step and / or lateral dimension and / or height.
  • At least a part of the guide waveform has a lower lateral extension than that of the network.
  • the network may also have a curvature.
  • the invention makes it possible to move particles having for example a diameter of between 5 nm and 5 nm and 100 ⁇ m.
  • the invention allows a displacement particles at a speed for example greater than 500 nm / s or at 1 ⁇ m / s or 5 ⁇ m / s.
  • the invention also relates to a method of sorting of particles having refractive indices different or different sizes, in which one implements a displacement method as described above.
  • a waveguide 2 is formed on a substrate 4.
  • a diffraction grating 6 is located or deposited or formed on this guide 2.
  • Radiation 7 (including a is designated by reference 8) is injected into the guide 2, for example using a coupling by the slice, by means to inject into the guide a radiation at the desired wavelength.
  • such means comprise a prism or a other network.
  • the network 6 makes it possible to decouple the light from the guided mode to the outside.
  • the diffracted light In the middle 14, the diffracted light generates an "optical force" that allows acting on, for example, a particle 10 located near the network.
  • a network is preferably used whose step is between the two limits given by formulas (3) and (4), so as not to diffraction only for a single order, and therefore a propulsion of particles in one direction.
  • FIG. 2 represents the diffraction angles of the different orders (order -1: curve I, order -2: curve II; order -3: curve III) of a network in function of the pitch of this network.
  • the superstrate 14 considered has an index of 1.33 (identical to that of water) and the waveguide 2, under the network, a effective index of 1.6.
  • the working wavelength is 1064 nm.
  • a further increase in the pace causes a reversal of the diffraction direction (positive angles) and a reversal of the direction of the particle.
  • We then reach the limit of diffraction of order -2 for ⁇ 726nm.
  • the particle 10 placed above the network 6 will be hit by the diffracted wave that goes the push in the chosen direction.
  • cross sections depend on directly from the optical index of the particle but also of its volume.
  • two particles of different materials or of different sizes will have different speeds of movement, which allows for example to perform a sort of these particles. For example, a 1 ⁇ m gold ball diameter will move faster than a latex ball same size.
  • the device thus described presents the property of being able to move, without contact and with high speeds (several microns per second, or more) particles (or biological objects) of micrometric or nanometric size, this size being for example between 10 microns and 50 nm. Of more, it allows to sort natures particles or of different sizes.
  • n sub represents the index of the substrate 4
  • an intensity will actually be diffracted in the latter if: eff + not sub > ⁇ ⁇
  • Figures 3A and 3B identify the different possible cases depending on the values relative indices of substrate 4 and superstrate 14.
  • Figure 3A corresponds to the case where nsuper ⁇ nsub and Figure 3B in case nsuper> nsub.
  • the lines D2 and D4 correspond to the case nsuper> nsub, and the lines D1 and D3 to the case nsuper ⁇ nsub.
  • zones A1 and A'1 of the FIG. 3B (nsuper> nsub and neff - nsuper ⁇ / ⁇ ⁇ neff - nsub (A1) or neff + nsub ⁇ / ⁇ ⁇ neff + nsuper (A'1)), there is diffraction in the superstrate and no loss in the substrate. Losses appear in the substrate for zone A2, for which there is always diffraction in the superstrate, ie when neff + nsub> ⁇ / ⁇ > neff - nsub.
  • This layer intermediate could be for example a layer of silica deposited by a sol-gel technology that presents an index of about 1.22.
  • Figure 5 Another embodiment is shown in Figure 5. It consists of placing a mirror of Bragg 20 in the substrate 4.
  • This mirror refers to the outside environment 14 diffracted light in the substrate 4.
  • the multilayer deposit 20 comprises a alternating dielectric thin films that do not absorb light at the wavelength of the 7. These successively present a subscript high refraction, noted nh (possible materials: TiO2, HfO2, Si3N4, Ta2O5, Al2O3, In2O3) and an index bottom rated nb (possible materials: SiO2, MgF2, LiF).
  • PVD Physical Vapor Deposition
  • CVD chemical Vapor Deposition
  • the wave reflected by the mirror will, after reflection on this mirror, then after having crossed the network, the same direction as that resulting from the network 6 to the superstrate.
  • the direction of particle 10 is related to no network.
  • Variations in the pace of the network and its lateral dimensions will for example be realized thanks to an appropriate mask. Height variations of reasons will be made either by the use of several levels of masking either by the use of layers with thickness gradients associated with a selective engraving.
  • the network implemented may comprise a plurality of patterns, each pattern being different from other reasons, for example by at least his step and / or a width w1 or w2 and / or its height h.
  • the particles are confined to a track using, under network 6, a waveguide 22 of limited width (Fig. 7A which represents a view top of the device).
  • Fig. 7A which represents a view top of the device.
  • FIG. 8A Schematic view from above
  • FIG. 8B This embodiment is represented on Figures 8A (schematic view from above) and 8B. he allows to generate a "lateral" diffraction of radiation, which will meet the particle and the guide along a "focal line". We will control so the position of the particle in the three dimensions of space, which makes it possible to envisage more complex trajectories (for example a nonlinear or serpentine trajectory or a curved path in a plane parallel to the substrate).
  • the realization of this type of device is similar to that of the basic device but uses a mask on which prints curves instead of lines traditional network.
  • the guide wave can be realized by an exchange method of traditional ions with silver ions on a BK7 substrate.
  • the thickness of the guide will be chosen from way to work with a single mode guide for the desired wavelength. We can also use everything dielectric material allowing effective guiding of light or still work on a substrate of silicon.
  • the network may be made of resin, titanium oxide (TiO2) or nitride. he can be engraved by a lithography technology by electron beam or by a technology of precision lithography.
  • Another example of embodiment concerns a structure with a Bragg mirror, as on the figure 5.
  • the substrate 4 is for example silicon.
  • a Bragg mirror 20 which avoids light leakage in the substrate.
  • a Bragg mirror 20 which avoids light leakage in the substrate.
  • the substrate for a wavelength of work of 1064 nm, we can cover the substrate a multilayer 20 constituted by the alternation of thin layers of 264 nm thick silica and thin layers of titanium dioxide 123 nm thick deposited in IBS.
  • the multilayer will consist of 20 thin layers then covered by a layer Silica insulation 2 ⁇ m thick.
  • the mirror thus realized allows to reflect all the rays arriving in an angular range of between 35 ° and 70 °.
  • the waveguide 2 may, for example, be made of nitride (Si3N4) by deposition techniques (LPCVD for example). We will be able to choose a thickness of 223 nm of nitride and a width of 1 ⁇ m guide.
  • the network 6 will be made of resin, titanium oxide (TiO2) or nitride thanks to several overlapping masking levels that allow a spatial variation of the thickness of the network.

Abstract

L'invention concerne un procédé de déplacement d'une particule mettant en oeuvre un dispositif comportant un substrat (4), un guide d'ondes (2) et un réseau (6) formé sur le guide d'ondes, dans lequel : on injecte de la lumière de longueur d'onde λ dans le guide d'ondes, on diffracte la lumière transmise par le guide vers un milieu (14) d'indice nsup dans lequel se trouve la particule. <IMAGE>

Description

DOMAINE TECHNIQUE ET ART ANTERIEUR
L'invention concerne le domaine des techniques de déplacement et de manipulation de particules par des forces optiques.
Les applications envisagées sont le déplacement sans contact, de particules (billes de matériaux différents, nano-objets, cellules ou autres objects biologiques) sur des grandes distances (plusieurs centimètres) et avec des trajectoires prédéfinies. On peut aussi envisager des applications de tri de particules basées sur des interactions avec la lumière qui sont différentes en fonction de la nature de la particule.
Le document de A. Ashkin et al. intitulé « Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles » Optics Letters, Vol.11, N°5, p. 288-290, 1986, montre qu'il est possible d'utiliser les forces de pression de radiation créées par un faisceau laser focalisé pour piéger des particules micrométriques. Ce piège est en réalité créé par la superposition de deux forces opposées. La première, dite force de diffusion, est proportionnelle à l'intensité du faisceau laser et est colinéaire à ce faisceau. La deuxième, dite force de gradient, est dirigée selon le gradient d'intensité du faisceau. Ainsi, si le laser est suffisamment focalisé, le gradient d'intensité est suffisant pour contrer la force de diffusion. Axialement, le profil gaussien engendre deux forces de gradient opposées, qui vont centrer la particule sur le faisceau. On obtient ainsi un piège stable en trois dimensions.
Cette méthode pose des difficultés de piégeage, notamment de particules nanométriques. Il faut au moins plusieurs secondes pour piéger, par exemple, une particule d'or de 36 nm de diamètre.
Par ailleurs le dispositif utilisé pour mettre cette méthode en oeuvre est assez lourd.
D'autres dispositifs de déplacement de particules sont apparus. En particulier, on connaít la manipulation de particules sur des guides d'ondes par l'utilisation des ondes évanescentes générées à la surface d'un guide d'onde monomode : cette technique est décrite par S. Kawata et al. dans « Optically driven Mie particles in an evanescent field along a channeled waveguide » Optics Letters, Vol. 21, N°21, pages 1768-1770, 1996.
Cette technique permet de collecter, au-dessus d'un guide, des particules dispersées aléatoirement (grâce aux forces de gradient) puis de déplacer ces particules le long du guide (forces de diffusion). La méthode s'applique aussi aux particules métalliques mais présente l'inconvénient d'être très dépendante de l'état de surface du guide : une rugosité importante parvient à stopper définitivement la particule.
Il se pose donc le problème de trouver de nouvelles méthodes de déplacement de particules.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
L'invention met en oeuvre des forces optiques engendrées par un réseau de diffraction.
L'invention a pour objet un procédé de déplacement d'une particule mettant en oeuvre un dispositif comportant un substrat, un guide d'ondes et un réseau formé sur le guide d'ondes, dans lequel :
  • on injecte de la lumière de longueur d'onde λ dans le guide d'ondes,
  • on diffracte la lumière transmise par le guide vers un milieu d'indice nsup dans lequel se trouve la particule.
Les forces de déplacement de la particule sont engendrées par la diffraction de la lumière issue du réseau et sont orientées en fonction des caractéristiques du réseau.
Le réseau est utilisé comme un élément qui découple la lumière qui se propage dans un guide d'onde. L'injection de la lumière dans le guide peut se faite à l'aide d'un couplage par la tranche, par un prisme ou encore à l'aide d'un autre réseau.
La lumière issue du réseau est utilisée comme un véritable moteur permettant non seulement de déplacer les particules, mais aussi de choisir leurs trajectoires et leurs vitesses.
L'invention concerne également un dispositif de déplacement, dans un milieu d'indice nsup, d'une particule, comportant un substrat, un guide d'ondes et un réseau formé sur le guide d'ondes.
Ce réseau permet de diffracter une lumière de longueur d'onde λ, transmise par le guide, vers un milieu extérieur d'indice nsuper.
De préférence, le réseau ne diffracte qu'un seul ordre vers le milieu dans lequel se trouve la particule.
Selon encore un autre mode de réalisation, aucune lumière n'est diffractée vers le substrat.
Par exemple, le guide a un indice effectif neff, le réseau un pas Λ, le substrat un indice nsub tel que nsuper > nsub, et le rapport λ/Λ est compris entre neff - super et neff - nsub ou entre neff + nsub et neff + nsuper.
Lorsque le milieu extérieur est un milieu liquide, le dispositif peut en outre comporter au moins une couche intermédiaire entre le substrat et le guide d'ondes, cette couche ayant un indice de réfraction inférieur à celui du liquide.
De préférence, le réseau a un pas Λ supérieur ou égal à λ/ (neff/nsup + 1)nsup, et/ou inférieur ou égal à 2.λ/ (neff/nsup + 1)nsup, où neff est l'indice effectif du guide d'ondes.
Le substrat peut en outre comporter des moyens de réflexion de la lumière diffractée vers le substrat, par exemple un miroir de Bragg.
Selon une variante, le réseau comporte plusieurs types de motifs, un premier type de motifs et au moins un deuxième type de motifs, différent du premier, par exemple par au moins son pas et/ou une dimension latérale et/ou sa hauteur.
De préférence au moins une partie du guide d'ondes présente une extension latérale inférieure à celle du réseau.
Le réseau peut aussi présenter une courbure.
L'invention permet de déplacer des particules ayant par exemple un diamètre compris entre et 5 nm et 100 µm.
Par ailleurs l'invention permet un déplacement de particules à une vitesse par exemple supérieure à 500 nm/s ou à 1 µm/s ou à 5 µm/s.
L'invention concerne également un procédé de tri de particules ayant des indices de réfraction différents ou des tailles différentes, dans lequel on met en oeuvre un procédé de déplacement tel que décrit ci-dessus.
BREVE DESCRIPTION DES FIGURES
  • La figure 1 représente un premier mode de réalisation de l'invention,
  • la figure 2 représente les angles de diffraction de différents ordres en fonction du pas du réseau, dans un dispositif selon l'invention,
  • les figures 3A et 3B recensent les différents cas possibles en fonction des valeurs relatives des indices du substrat et du superstrat d'un dispositif selon l'invention,
  • la figure 4 donne un exemple d'évolution de l'angle de diffraction dans le substrat pour un substrat d'indice variable,
  • les figures 5 - 8B représentent divers autres modes de réalisation de l'invention.
DESCRIPTION DÉTAILLÉE DE MODES DE RÉALISATION DE L'INVENTION
Un premier mode de réalisation est décrit en liaison avec la figure 1.
Un guide d'onde 2 est formé sur un substrat 4. Un réseau de diffraction 6 est situé ou déposé ou formé sur ce guide 2. Un rayonnement 7 (dont un mode est désigné par la référence 8) est injecté dans le guide 2, par exemple à l'aide d'un couplage par la tranche, par des moyens pour injecter dans le guide un rayonnement à la longueur d'onde souhaitée. A titre d'exemple, de tels moyens comportent un prisme ou un autre réseau.
Le réseau 6 permet de découpler la lumière du mode guidé vers l'extérieur.
Les motifs du réseau vont donc découpler la lumière injectée et engendrer un phénomène de diffraction au-dessus et en dessous du réseau 6, respectivement dans le milieu 14 et le substrat 4.
Dans le milieu 14, la lumière diffractée engendre une « force optique » qui permet d'agir sur, par exemple, une particule 10 située à proximité du réseau.
La direction, repérée par l'angle m, de l'onde diffractée est donnée par : sin( m ) = neff nd + m. λ Λ.nd    où :
  • neff est l'indice effectif du guide d'onde 2, indice qui dépend des indices du guide 2 et du substrat 4,
  • nd est l'indice du milieu dans lequel l'onde diffracte (substrat 4 ou superstrat 14),
  • m est l'ordre diffracté considéré,
  • λ est la longueur d'onde du rayonnement 7 injecté,
  • Λ est le pas spatial du réseau 6 de diffraction.
Par souci de simplicité, cette formule (1), de même que toutes les autres données ci - dessous, sont approchées.
Pour une longueur d'onde de travail λ, on peut, en choisissant le pas du réseau Λ, choisir m, donc la direction de l'onde diffractée, et donc la direction dans laquelle les particules 10 vont se déplacer.
Si on considère la diffraction d'ordre m = -1, on remarque que cet ordre va commencer à être diffracté si : sin(m) = neff nd - 1. λ Λ.nd > -1
Le découplage de cet ordre commence donc pour un pas minimum :
Figure 00070001
A ce pas limite, est associé un angle de diffraction négatif de -90°. On a alors une propulsion quasi horizontale des particules.
Si on augmente le pas, l'angle de diffraction augmente puis prend des valeurs positives : la direction de propulsion peut donc être inversée. Cependant, si le pas du réseau augmente encore, le découplage de l'ordre -2 du réseau apparaít. Dans ce cas, on a superposition de deux directions de diffraction. Afin d'assurer un guidage optimal des particules, on préfère donc respecter une limite supérieure du pas du réseau, limite donnée par :
Figure 00080001
Ainsi, on utilise de préférence un réseau dont le pas est compris entre les deux pas limites données par les formules (3) et (4), de façon à n'avoir de diffraction que pour un seul ordre, et donc une propulsion des particules dans une seule direction.
Ce phénomène est illustré sur la figure 2 qui représente les angles de diffractions des différents ordres (ordre -1 : courbe I ; ordre -2 : courbe II ; ordre -3 : courbe III) d'un réseau en fonction du pas de ce réseau. Le superstrat 14 considéré possède un indice de 1.33 (identique à celui de l'eau) et le guide d'onde 2, sous le réseau, un indice effectif de 1.6. La longueur d'onde de travail est de 1064 nm.
Pour un pas de réseau très petit, il n'y a pas de phénomène de découplage et donc pas d'ordre diffracté.
Lorsque Λ = 363nm, on atteint le pas limite de diffraction (3) du réseau, dans les conditions spécifiées ci-dessus : la direction de l'onde diffractée est alors de -90° ce qui signifie que la particule se déplace dans le sens opposé à la lumière dans le guide.
Si on augmente encore ce pas, on augmente l'angle de diffraction. Pour un pas de réseau compris entre 363 et 726 nm, seul l'ordre -1 est diffracté par le réseau et sa direction peut varier entre -90° et +5.8°.
L'angle de diffraction devient nul pour Λ = 665nm : la particule est alors en lévitation simple au-dessus du réseau.
Une augmentation supplémentaire du pas engendre une inversion de la direction de diffraction (angles positifs) et une inversion de la direction de la particule. On atteint ensuite la limite de diffraction de l'ordre -2 pour Λ = 726nm.
Ainsi, en travaillant dans une gamme de pas variant entre 363 et 726 nm, on peut faire varier la direction de diffraction entre -90° et +5.8°. Dans une telle configuration, seul l'ordre -1 est diffracté par le réseau et tout le rayonnement s'exerce dans une même direction.
Il est également possible de travailler avec un pas supérieur à la limite (4) exprimée ci-dessus, donc à la valeur de 726 nm dans l'exemple ci-dessus, mais le mouvement de la particule est alors plus complexe.
La particule 10 placée au-dessus du réseau 6 va être frappée par l'onde diffractée qui va la pousser dans la direction choisie.
Les forces s'exerçant sur les particules s'expriment de la façon suivante : F = nd c (Cscat + Cabs )I    où Cscat et Cabs sont les sections efficaces de diffusion et d'absorption de la particule, I est l'intensité diffractée par le réseau 6 et nd l'indice de superstrat 14.
Les sections efficaces dépendent directement de l'indice optique de la particule mais aussi de son volume. Ainsi, deux particules de matériaux différents ou bien de taille différentes auront des vitesses de déplacement différentes, ce qui permet par exemple de réaliser un tri de ces particules. Par exemple, une bille d'or de 1µm de diamètre se déplacera plus vite qu'une bille de latex de même taille.
Le dispositif ainsi décrit présente la propriété de pouvoir déplacer, sans contact et avec des vitesses importantes (plusieurs microns par seconde, ou plus) des particules (ou des objets biologiques) de taille micrométrique ou nanométrique, cette taille étant par exemple comprise entre 10 µm et 50 nm. De plus, il permet de trier des particules de natures ou de tailles différentes.
D'après la formule (1), on constate que le découplage de la lumière dans le réseau n'a pas lieu pour tous les indices du milieu extérieur 14. En effet, si on considère toujours l'ordre -1, on remarque que la diffraction n'existe pas si l'indice du milieu considéré est trop faible. La condition de diffraction peut s'écrire, pour l'ordre -1 : neff - nd < λΛ < neff + nd
Ainsi, dans la configuration du dispositif décrite ci-dessus, si nsuper représente l'indice du milieu 14, on aura une intensité diffractée dans ce dernier si : neff + nsup er > λΛ
De même, si nsub représente l'indice du substrat 4, une intensité sera effectivement diffractée dans ce dernier si : neff + nsub > λΛ
Pour augmenter l'efficacité du dispositif et éviter les pertes de lumière dans le substrat 4, il est possible de travailler dans des conditions d'indice (superstrat 14 et substrat 4) qui permettent la diffraction dans le superstrat 14 mais pas celle dans le substrat 4.
Les figures 3A et 3B recensent les différents cas possibles en fonction des valeurs relatives des indices du substrat 4 et du superstrat 14. La figure 3A correspond au cas où nsuper < nsub et la figure 3B au cas où nsuper > nsub.
Ces deux figures indiquent dans quels cas il y a diffraction, ou pas, dans le substrat (droites D3 et D4) et dans le superstrat (droites D1 et D2), en fonction de la valeur de λ/Λ.
Les droites D2 et D4 correspondent au cas nsuper > nsub, et les droites D1 et D3 au cas nsuper < nsub.
Ainsi, dans les zones A1 et A'1 de la figure 3B (nsuper>nsub et neff - nsuper < λ/Λ < neff - nsub (A1) ou neff + nsub < λ/Λ < neff + nsuper (A'1)), il y a diffraction dans le superstrat et pas de perte dans le substrat. Des pertes apparaissent dans le substrat pour la zone A2, pour laquelle il y a toujours diffraction dans le superstrat, c'est-à-dire lorsque neff + nsub > λ/Λ > neff - nsub.
Dans les zones A3 et A'3 (nsuper<nsub et neff - nsub < λ/Λ < neff - nsuper (A3) ou neff + nsub < λ/Λ < neff + nsuper (A'3)), il y a diffraction dans le substrat et pas dans le superstrat (donc uniquement des pertes et pas de diffraction). La diffraction dans le superstrat apparaít dans la zone A4, c'est-à-dire lorsque neff + nsuper > λ/Λ > neff - nsuper).
Pour limiter les pertes dans le substrat, on travaillera de préférence dans les zones A1 et A'1, donc dans les conditions (8) suivantes : nsuper>nsub et neff-nsuper<λ/Λ<neff-nsub. Ou neff + nsub <λ/Λ<neff+nsuper
Mais il est également possible de travailler dans les zones A2 et A4.
La figure 4 donne un exemple dans le cas du mode n=-1 : l'axe des ordonnées donne l'angle de diffraction dans le substrat pour un substrat d'indice variable (en abscisse), pour un pas du réseau égal à Λ = 370 nm, un indice effectif du guide neff = 1.6 et une longueur d'onde λ de 1064 nm.
Si on considère un milieu extérieur d'indice nsuper = 1.33, comme de l'eau, et un substrat d'indice nsub inférieur à 1.27, on évite complètement les phénomènes de pertes dans le substrat et toute la lumière découplée sert à déplacer les particules (λ/Λ = 2,8756, alors que neff + nsub < 2,87 et neff + n super = 2,97).
Ainsi, dans le cadre d'un déplacement de particules en milieu liquide, on peut envisager l'utilisation d'une couche intermédiaire, située entre le substrat 4 et le guide d'onde 2 dont l'indice est inférieur à celui de l'eau. On aura ainsi un phénomène de diffraction uniquement dans l'eau et sans aucune perte d'énergie dans le substrat. Cette couche intermédiaire pourrait être par exemple une couche de silice déposée par une technologie sol-gel qui présente un indice d'environ 1.22.
Un autre mode de réalisation est représenté sur la figure 5. Il consiste à placer un miroir de Bragg 20 dans le substrat 4.
Ce miroir renvoie vers le milieu extérieur 14 la lumière diffractée dans le substrat 4.
On optimise ainsi le transfert d'énergie vers le milieu extérieur 14.
Le dépôt multicouche 20 comporte une alternance de films minces diélectriques qui n'absorbent pas la lumière à la longueur d'onde du faisceau 7. Ceux-ci présentent successivement un indice de réfraction haut, noté nh (matériaux possibles : TiO2, HfO2, Si3N4, Ta2O5, A1203, In2O3) et un indice bas noté nb (matériaux possibles : SiO2, MgF2, LiF).
Il peut être réalisé, par exemple, par dépôt physique en phase vapeur, ou dépôt PVD (PVD pour « Physical Vapor Deposition »), ou par dépôt chimique en phase vapeur, ou dépôt CVD (CVD pour « Chemical Vapor Deposition ») ou par voie sol-gel.
Si on note , h, b, les angles de diffraction respectivement dans le substrat 4, dans le film d'indice haut et dans le film d'indice bas et ns l'indice de ce substrat, on a : nh*sin(h) = nb*sin(b) = ns*sin()
Les épaisseurs eb et eh, des couches minces respectivement de bas et de haut indice, sont liées à nb, b et à nh, h par les relations suivantes : eb = λ/(4*nb*cos(b)) eh = λ/(4*nh*cos(h))    où λ est la longueur d'onde incidente.
L'onde réfléchie par le miroir aura, après réflexion sur ce miroir, puis après avoir retraversé le réseau, la même direction que celle issue du réseau 6 vers le superstrat.
Il est en outre possible d'ajouter, entre le miroir et le guide, une couche tampon d'indice inférieur à celui du guide, ce qui évite le découplage de la lumière dans le miroir.
Quel que soit le mode de réalisation envisagé, la direction de la particule 10 est liée au pas du réseau. On peut donc réaliser des dispositifs sur lesquels on réalise une réelle ingénierie de trajectoire de la particule par le contrôle du pas du réseau. En effet, comme montré précédemment, on peut, en contrôlant le pas du réseau, faire varier les angles de diffraction entre -90° et +5°. Par exemple, sur la figure 6, une particule 10 injectée à droite va entrer en lévitation par l'action des ondes 22 diffractées, ces ondes ayant une composante verticale importante ou prépondérante, puis être déplacée vers le côté gauche de la figure par les ondes 23, puis 24, progressivement plus inclinées par rapport à une direction verticale.
Selon encore un autre mode de réalisation, on peut faire varier et contrôler la vitesse de la particule par la maítrise de l'intensité diffractée : les dimensions latérales du motif du réseau (largeur w1 comme indiquée sur la figure 6 et/ou largeur w2, mesurée selon une direction perpendiculaire au plan de la figure 6 et comme indiqué sur la figure 7A, et/ou sa hauteur h, permettent un contrôle de l'énergie diffractée.
Les variations du pas du réseau et de ses dimensions latérales seront par exemple réalisées grâce à un masque approprié. Les variations de hauteur des motifs seront faites soit par l'utilisation de plusieurs niveaux de masquage soit par l'utilisation de couches présentant des gradients d'épaisseur associés à une gravure sélective.
Le réseau mis en oeuvre peut comporter une pluralité de motifs, chaque motif étant différent des autres motifs, par exemple par au moins son pas et/ou une largeur w1 ou w2 et/ou sa hauteur h.
Selon encore un autre mode de réalisation, qui peut être combiné avec l'un quelconque des modes exposés ci-dessus, on confine les particules sur une piste en utilisant, sous le réseau 6, un guide d'onde 22 de largeur limitée (Fig. 7A qui représente une vue de dessus du dispositif). De cette façon, on limite l'extension latérale du champ, ce qui engendre une force de gradient latérale Fgrad et qui centre les particules sur la piste au-dessus du guide 22 (Fig. 7B) .
Selon un autre mode de réalisation, qui peut lui aussi être combiné avec les divers modes exposés ci-dessus, on limite l'extension latérale du réseau et on en incurve les extrémités.
Ce mode de réalisation est représenté sur les figures 8A (vue schématique de dessus) et 8B. Il permet de générer une diffraction « latérale » du rayonnement, qui va rencontrer la particule et la guider le long d'une « ligne focale ». On contrôlera ainsi la position de la particule dans les trois dimensions de l'espace, ce qui permet d'envisager des trajectoires plus complexes (par exemple une trajectoire non linéaire ou qui serpente ou une trajectoire courbe dans un plan parallèle au substrat). La réalisation de ce type de dispositif est similaire à celle du dispositif de base mais utilise un masque sur lequel on imprime des courbes au lieu des lignes traditionnelles du réseau.
Selon un exemple de réalisation, le guide d'onde pourra être réalisé par un procédé d'échange d'ions traditionnel avec des ions argent sur un substrat de BK7. L'épaisseur du guide sera choisie de façon à travailler avec un guide monomode pour la longueur d'onde désirée. On pourra aussi utiliser tout matériau diélectrique permettant un guidage efficace de la lumière ou encore travailler sur un substrat de silicium.
Le réseau pourra être réalisé en résine, en oxyde de titane (TiO2) ou encore en nitrure. Il peut être gravé par une technologie de lithographie par faisceau d'électrons ou encore par une technologie de lithographie de précision.
Un autre exemple de réalisation concerne une structure avec un miroir de Bragg, comme sur la figure 5.
Le substrat 4 est par exemple en silicium.
Celui-ci est recouvert d'un miroir de Bragg 20 qui permet d'éviter les fuites de lumière dans le substrat. Par exemple, pour une longueur d'onde de travail de 1064 nm, on pourra recouvrir le substrat d'un multicouche 20 constitué par l'alternance de couches minces de silice d'épaisseur 264 nm et de couches minces en dioxyde de titane d'épaisseur 123 nm déposées en IBS. Le multicouche sera composé de 20 couches minces puis recouvert par une couche d'isolation en silice de 2 µm d'épaisseur. Le miroir ainsi réalisé permet de réfléchir tous les rayons arrivant dans une gamme angulaire comprise entre 35° et 70°.
Le guide d'onde 2 pourra, par exemple, être réalisé en nitrure (Si3N4) par des techniques de dépôt traditionnelles (LPCVD par exemple). On pourra choisir une épaisseur de 223 nm de nitrure et une largeur de guide de 1 µm.
Le réseau 6 sera réalisé en résine, en oxyde de titane (TiO2) ou encore en nitrure grâce à plusieurs niveaux de masquage superposés qui permettent une variation spatiale de l'épaisseur du réseau.
Il peut être gravé par une technologie de lithographie par faisceau d'électrons ou encore par une technologie de lithographie de précision. On pourra choisir un pas variant entre 353 et 706 nm pour faire varier l'angle entre -90° et 7.8°.

Claims (31)

  1. Procédé de déplacement d'une particule (10) mettant en oeuvre un dispositif comportant un substrat (4), un guide d'ondes (2) et un réseau (6) formé sur le guide d'ondes, dans lequel :
    on injecte de la lumière de longueur d'onde λ dans le guide d'ondes,
    on diffracte la lumière transmise par le guide vers un milieu (14) d'indice nsuper dans lequel se trouve la particule.
  2. Procédé selon la revendication 1, le réseau ne diffractant qu'un seul ordre vers le milieu dans lequel se trouve la particule.
  3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2, aucune lumière n'étant diffractée vers le substrat (4).
  4. Procédé selon la revendication 3, le guide (2) ayant un indice effectif neff et le réseau un pas Λ, le substrat un indice nsub tel que nsuper > nsub, et le rapport λ/Λ étant compris entre neff - super et neff - nsub ou entre neff + nsub et neff + nsuper.
  5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, le milieu (14) étant un milieu liquide, le dispositif comportant en outre au moins une couche intermédiaire entre le substrat (4) et le guide d'ondes (2), cette couche ayant un indice de réfraction inférieur à celui du liquide (14).
  6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, le réseau ayant un pas Λ supérieur ou égal à λ/(neff/nsup + 1)nsup, où neff est l'indice effectif du guide d'ondes.
  7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, le réseau ayant un pas Λ inférieur ou égal à 2.λ/(neff/nsup + 1)nsup, où neff est l'indice effectif du guide d'ondes.
  8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5, le substrat comportant en outre des moyens de réflexion de la lumière diffractée vers le substrat.
  9. Procédé selon la revendication 7, le substrat comportant un miroir de Bragg (20).
  10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7, le réseau comportant un premier type de motifs et au moins un deuxième type de motifs, différent du premier.
  11. Procédé selon la revendication 10, le deuxième type de motif étant différent du premier par au moins son pas et/ou une dimension latérale et/ou sa hauteur.
  12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, au moins une partie du guide d'ondes ayant une extension latérale inférieure à celle du réseau.
  13. Procédé selon l'une des revendications 1 à 10, le réseau présentant une courbure.
  14. Procédé selon l'une des revendications précédentes, la particule suivant une trajectoire courbe dans un plan parallèle au substrat (4).
  15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, la particule ayant un diamètre compris entre et 5 nm et 100 µm.
  16. Procédé selon l'une des revendications 1 à 15, la particule étant déplacée à une vitesse supérieure à 500 nm/s ou à 1 µm/s ou à 5 µm/s.
  17. Procédé de tri de particules d'indice de réfraction différents ou de tailles différentes, dans lequel on met en oeuvre un procédé de déplacement selon l'une des revendications 1 à 16.
  18. Dispositif de déplacement d'une particule (10), comportant un substrat (4), un guide d'ondes (2) et un réseau (6) formé sur le guide d'ondes, ce réseau permettant de diffracter une lumière de longueur d'onde λ, transmise par le guide, vers un milieu extérieur d'indice nsuper, au moins une partie du guide d'ondes ayant une extension latérale inférieure à celle du réseau.
  19. Dispositif selon la revendication 18, le réseau ne diffractant qu'un seul ordre à la longueur d'onde λ.
  20. Dispositif selon la revendication 18 ou 19, aucune lumière à la longueur d'onde λ n'étant diffractée vers le substrat (4).
  21. Dispositif selon l'une des revendications 18 à 20, le guide (2) ayant un indice effectif neff et le réseau un pas Λ, le substrat un indice nsub tel que nsuper > nsub, et le rapport λ/Λ étant compris entre neff - super et neff - nsub ou entre neff + nsub et neff + nsuper.
  22. Dispositif selon l'une des revendications 18 à 21, comportant en outre au moins une couche intermédiaire entre le substrat (4) et le guide d'ondes (2), cette couche ayant un indice de réfraction inférieur à celui d'un liquide.
  23. Dispositif selon la revendication 22, la couche intermédiaire étant une couche de silice.
  24. Dispositif selon l'une des revendications 18 à 23, le réseau ayant un pas Λ supérieur ou égal à λ/ (neff/nsup + 1)nsup, où neff est l'indice effectif du guide d'ondes.
  25. Dispositif selon l'une des revendications 18 à 24, le réseau ayant un pas Λ inférieur ou égal à 2.λ/ (neff/nsup + 1)nsup, où neff est l'indice effectif du guide d'ondes.
  26. Dispositif selon l'une des revendications 18 à 25, le substrat comportant en outre des moyens de réflexion de la lumière diffractée vers le substrat.
  27. Dispositif selon la revendication 26, le substrat comportant un miroir de Bragg (20).
  28. Dispositif selon l'une des revendications 26 ou 27 comportant en outre une couche d'indice inférieur à celui du guide et située entre le guide et les moyens de réflexion.
  29. Dispositif selon l'une des revendications 18 à 28, le réseau comportant un premier type de motifs et au moins un deuxième type de motifs, différent du premier.
  30. Dispositif selon la revendication 29, le deuxième type de motif étant différent du premier par au moins son pas et/ou une dimension latérale et/ou sa hauteur.
  31. Dispositif selon l'une des revendications 18 à 30, le réseau présentant une courbure dans un plan parallèle au plan du substrat.
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