OPTOMéCANIQUE DOSSIER
CAPTEURS OPTOMÉCANIQUES DE FORCES Un microscope à force atomique ( AFM ) est déjà un capteur optomécanique . Le levier de l ’ AFM est l ’ élément mécanique du capteur , qui mesure les forces . Dans les protocoles , c ’ est souvent sa fréquence qui est mesurée : elle donne accès au gradient local de force ( Figures 2a et 2b ). Le mouvement mécanique est détecté optiquement par un faisceau laser . Pas de détection interférométrique ultra-sensible ici , et des fréquences mécaniques saturant au megahertz , qui restent loin des avancées récentes en optomécanique . Et pourtant les instruments AFM offrent une résolution suffisante pour imager directement des liens moléculaires , et une vitesse qui approche aujourd ’ hui le taux vidéo , permettant d ’ imager des biomolécules individuelles en action . L ’ optomécanique miniaturisée est une opportunité pour aller plus loin , notamment en vitesse . En effet , si la détection du mouvement est excellente , c ’ est la fréquence mécanique qui fixe l ’ horizon de la bande-passante de mesure de forces . L ’ optomécanique combine donc les ingrédients nécessaires . Avec une fréquence mécanique du gigahertz , on espère atteindre une résolution temporelle à la nanoseconde , mille fois meilleure qu ’ un AFM rapide . Les phénomènes ultra-rapides dans la matière deviendraient accessibles , ainsi que des comparaisons poussées aux simulations moléculaires numériques .
La Figure 2c illustre un dispositif optomécanique circulaire aspirant à atteindre cette résolution . Il s ’ agit d ’ un anneau en silicium d ’ une dizaine de micromètres de rayon et d ’ une épaisseur de 220 nanomètres , qui est le siège de modes optiques guidés circulairement et de modes mécaniques de vibration radiale . Une pointe nanoscopique , à la manière de celle d ’ un AFM pointant vers l ’ objet , est intégrée en bas de l ’ anneau , avec son mouvement vertical rigidement lié au mouvement de l ’ anneau . Les fréquences mécaniques atteintes sont de centaines de megahertz , et les interférences optiques circulaires permettent de détecter aisément le mouvement Brownien de l ’ anneau ( donc de la pointe ). Cet objet combine ainsi les performances attendues . Il peut être utilisé en mode actuation : la lumière injectée est modulée à la fréquence mécanique , et les forces optiques centrifuges entrent en résonance avec l ’ anneau mécanique . Ce mode optomécanique « actif » permet d ’ abandonner les méthodes d ’ excitation piezoélectrique de l ’ AFM , pour monter en fréquence . Cette sonde optomécanique annulaire a été qualifiée par des mesures de forces à l ’ échelle du pixel unique [ 1 ] et récemment montée dans la tête d ’ un instrument AFM , intégration facilitée par la connexion de la sonde avec des fibres optiques ( Figure 2c ). Les chercheurs travaillent à présent à réaliser des images avec cette technologie . Le Figure 2d montre une sonde sortie de salle blanche , produite par des procédés large échelle compatibles avec un principe de sondes jetables .
OPTOMÉCANIQUE AU SEIN D ’ UN LIQUIDE Le second champ d ’ application de l ’ optomécanique que nous voulons aborder est celui de la mesure des liquides . L ’ indice de réfraction des matériaux utilisés en optomécanique miniature , bien souvent des semiconducteurs , est largement supérieur à celui des liquides usuels . Il est donc possible d ’ immerger un dispositif optomécanique miniature dans un liquide sans corrompre sa capacité à piéger la lumière , qui continue à interagir efficacement avec le mouvement mécanique de l ’ objet . La Figure 3a illustre le cas d ’ un disque optomécanique immergé dans l ’ eau . Les guides d ’ onde optiques amenant la lumière au résonateur , et la collectant en sortie , restent aussi fonctionnels en milieu liquide , pour les mêmes raisons . Il devient ainsi possible d ’ effectuer des mesures optomécaniques locales directement au cœur d ’ un liquide , avec une
Figure 2 . Sonde optomécanique pour les forces atomiques . a ) Une masse sur un ressort oscille à ω m b ) Plongée dans un champ de force , la fréquence se déplace en proportion du gradient local de force . c ) Principe d ’ un anneau optomécanique pour mesurer les forces atomiques , développé par les laboratoires LAAS-CNRS , CEA-LETI , et MPQ-CNRS-Université Paris Cité . d ) Réalisation sur une technologie SOI ( Silicon On Insulator ). Barre 5μm .
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