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ENS Paris-Saclay - Lumière, Matière et Interfaces

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Micro-lasers et résonances à mode de galerie dans des microgouttes

Collaboration avec Mélanie Lebental (stage M2 de Camille Horvat).

L'intérêt majeur du développement de microcavités liquides réside dans la possibilité  

i) d'encapsuler facilement des substances d'intérêt,

ii) de pouvoir modifier leur taille et leur indice,

ce qui en fait des outils remarquables pour la biodétection par exemple. 

La longueur d'onde de résonance, d'un micro-résonateur peut être reliée de manière simple au rayon R et à l'indice optique effectif neff du contour de la cavité résonante (à la résonance), i. e. , lorsque la distance effective parcourue par la lumière après une révolution effectuée autour de la cavité et égal à un nombre entier, m, de la longueur d'onde:

Pour un mode de résonance m et un rayon R donnés, le déplacement spectral en fonction de la variation d'indice optique effectif neff de la cavité est déterminé par :

On peut alors remarquer qu'une variation minime d'indice optique, de l'ordre de 10-3 par exemple, peut induire une variation de ~ 1nm, facilement détectable avec un spectromètre de qualité moyenne. Cependant, ceci n'est possible que dans l'hypothèse où la polydispersité des gouttelettes reste nettement inférieure à 10-3. Or, dans le meilleur des cas, la polydispersité des gouttes générées dans les dispositifs microfluidiques est plutôt de l'ordre de 1 % à 2 %. Dans ce cas, nous avons :

Afin de s'affranchir de l'effet des fluctuations des gouttes, nous avons développé une approche qui consiste à immobiliser, de manière réversible, des microgouttes individuelles dans des pièges microfluidiques afin de pouvoir analyser leurs résonances en détail.


Figure 1 : Piégeage de microgouttes d'une solution de rhodamine dans des pièges microfluidiques cylindriques de dimension 100 µm x 100 µm. Les propriétés de résonance de chacune des microgouttes piégée peuvent être étudiées individuellement au cours du temps.

Parmi les résultats marquants que nous avons obtenu :
i) l'émission laser des microgouttes est polarisée, ce qui témoigne d'une orientation préférentielle des molécules du colorant à la surface des microgouttes,
ii) des modes de résonance autres que le mode de galerie peuvent apparaître également dans les microgouttes.



Figure 2 : Spectres de résonances de microgouttes de rhodamine 640 confinées dans des pièges microfluidiques cylindriques en fonction de la nature de la polarisation du faisceau pompe (laser ps 532 nm). Nos résultats montrent en particulier une orientation préférentielle des molécules de rhodamine  à l'interface entre la microgoutte et la phase huile continue.