In this thesis two previously separate fields of study are brought together: optical micromanipulation and ultrashort laser research. Here, the benefits of combining the high peak powers of ultrashort pulsed lasers and conventional optical micromanipulation techniques are explored. As optical trapping has been studied extensively, the focus of this research is on optical guiding. Moreover, the emphasis is on the use of Bessel beams as these have been shown to offer greater guiding distances than comparable Gaussian beams. The studies within this thesis show that optical guiding in Bessel and Gaussian beams is governed by the average power of the laser. However, the benefits of guiding with ultrashort pulsed lasers to exploit multi-photon processes become evident as the demonstration of simultaneous optical guiding and second harmonic generation in microscopic nonlinear crystal fragments is detailed. This work is developed by using ultrashort pulses to induce two-photon excitation-induced fluorescence in the guiding medium. This allows direct visualisation of the beam-particle interaction and measurement of the reconstruction of the Bessel beam around an object. Some studies using two-photon excitation to investigate Bessel beam penetration through turbid media are discussed. Finally, the work is concluded by exploring the use of pulsed white-light lasers in optical guiding. The wavelength-dependent propagation and reconstruction properties of the white-light Bessel beam are studied before some preliminary optical guiding experiments are discussed. From this, the broad bandwidth of the supercontinuum source is found to offer extended guiding distances in Gaussian beams thereby negating the need for Bessel beams.

Le lois qui régissent le monde macroscopique ne s’appliquent pas toujours aux nanodomaines.<p>Beaucoup de problèmes sont rencontrés lors de micromanipulations. Ces problèmes nécessitent d’être étudiés afin de pouvoir concevoir et produire des outils performants en micromécanique. A l’´echelle microscopique,<p>les forces qui prédominent sont les forces de van derWaals, de capilarité et électrostatiques.<p>Ce travail a pour thème les forces électrostatiques car elles sont les moins étudiées.<p><p>Le but de ce projet est le développement d’un outil de simulation afin d’étudier les forces électrostatiques adhésives. Ce problème implique la compréhension de certains mécanismes comme l’électrification de contact. En pratique, le but sera de trouver des solutions pour contrôler les forces électrostatiques lors de la conception de micromanipulateurs et de développer des stratégies pour la micromanipulation. Ceci est possible grâce à un outil de simulation et à l’étude de la littérature. La particularité<p>des simulations repose sur la prise en compte des paramètres de rugosité grâce à l’utilisation de la<p>fonction fractale de Weierstrass-Mandelbrot.<p><p>La première partie est dédiée à la revue de la littérature afin de comprendre les principes fondamentaux de l’électrostatique, les applications, et de répertorier les modèles de prédiction existants. Un outil de simulations est présenté et validé dans la seconde partie ainsi que le choix de la représentation fractale de la rugosité. Enfin, un banc de mesures de nano-forces est présenté qui permet de valider<p>les resultats des simulations. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

The novel instrumentation of nanomanipulation coupled to nanospray mass spectrometry and its applications are presented. The nanomanipulator has the resolution of 10nm step sizes allowing for specific fine movement used to probe and characterize objects of interest. Nanospray mass spectrometry only needs a minimum sample volume of 300nl and a minimum sample size of 300attograms to analyze an analyte making it the ideal instrument to couple to nanomanipulation. The nanomanipulator is mounted to an inverted microscope and consists of 4 nano-positioners; these nano-positioners hold end-effectors and other tools used for manipulation. This original coupling has been used to enhance the current abilities of cellular probing and trace fiber analysis. Experiments have been performed to demonstrate the functionality of this instrument and its capabilities. Histidine and caffeine have been sampled directly from single fibers and analyzed. Lipid bodies from cotton seeds have been sampled indirectly and analyzed. The few applications demonstrated are only the beginning of nanomanipulation coupled to nanospray mass spectrometry and the possible applications are numerous especially with the ability to design and fabricate new end-effectors with unique abilities. Future study will be done to further the applications in direct cellular probing including toxicology studies and organelle analysis of single cells. Further studies will be directed in forensic applications of this instrument including gunshot residue sampled from fibers.

Optical trapping of metal nanoparticles investigates phenomena at the interface of plasmonics and optical micromanipulation. This thesis combines ideas of optical properties of metals originating from solid state physics with force mechanism resulting from optical trapping. We explore the influence of the particle plasmon resonance of gold and silver nanospheres on their trapping properties. We aspire to predict the force mechanisms of resonant metal particles with sizes in the Mie regime, beyond the Rayleigh limit. Optical trapping of metal nanoparticles is still considered difficult, yet it provides an excellent tool to investigate their plasmonic properties away from any interface and offers opportunities to investigate interaction processes between light and nanoparticles. Due to their intrinsic plasmon resonance, metal nanoparticles show intriguing optical responses upon interaction with laser light. These differ greatly from the well-known bulk properties of the same material. A given metal nanoparticle may either be attracted or repelled by laser light, only depending on the wavelength of the latter. The optical forces acting on the particle depend directly on its polarisability and scattering cross section. These parameters vary drastically around the plasmon resonance and thus not only change the magnitude but also the direction and entire nature of the acting forces. We distinguish between red-detuned and blue-detuned trapping, that is using a trapping wavelength shorter or longer than the plasmon resonance of the particle. So far optical trapping of metal nanoparticles has focussed on a wavelength regime far from the particle’s resonance in the infrared. We experiment with laser wavelengths close to the plasmon resonance and expand the knowledge of metal nanoparticle trapping available to date. Existing theoretical models are put to the test when we compare these with our real experimental situations.

The scope of this thesis is micromanipulation in liquid media. This scientific field aims at understanding the relevant phenomena existing during the manipulation in a liquid of microcomponents having a size between $1,micrometer$ and a few millimeters. This work focuses on the study of surface tension forces in immersed media, because they have favorable scaling effect. The main idea is to use gas bubbles as actuation mean in a liquid, and requires to study the mechanical properties of these bubbles. The originality of the approach is the combination of two effects: surface tension and gas compressibility. <p><p>The first step was the study of an efficient mean to generate a single bubble of predefined size. After a detailed review, it appeared that volume controlled bubble generation was a promising method. We have then developed a model to predict the size of a bubble, and emphasized the possible existence of a growing instability. An analytic dimensionless study allowed to define a criterion to predict the existence of this instability.<p><p>The second step aimed at the mechanical characterization in quasi static equilibrium of a gas bubble caught between two solids. The purpose is to predict the force generated by the bubble, together with its stiffness. The model implemented allowed to infer interesting properties, notably a high compliance whose value is controllable by fluidic parameters. This compliance property being very important during micromanipulation, a demonstrator making use of gas bubbles has been designed and manufactured. It consists in a compliant microtable actuated by three bubbles. This work opens the way to new actuation or sensing means, using the transduction between fluidic and mechanic energy operated by a capillary bridge.<p>/<p>Cette thèse a pour contexte la micromanipulation en milieu liquide. Cette thématique scientifique vise à comprendre les phénomènes qui interviennent lors de la manipulation dans un liquide de microcomposants, dont la taille peut varier entre $1,micrometer$ et quelques millimètres. Les travaux de cette thèse se sont focalisés sur l'étude des forces de tension de surface en milieu immergé, car elles bénéficient d'effets d'échelle favorables. L'idée poursuivie est d'utiliser des bulles de gaz comme un moyen d'actionnement dans les milieux liquides, et nécessite d'étudier les propriétés mécaniques de ces bulles. L'originalité de l'approche repose sur la combinaison de deux effets :la tension de surface et la compressibilité du gaz.<p><p>La première étape a été l'étude d'un moyen efficace pour générer une unique bulle de gaz de taille voulue. Après une analyse exhaustive, il est apparu que la génération de bulle par le contrôle en volume était une méthode prometteuse. Nous avons alors développé un modèle permettant de prédire la taille d'une bulle, et mis en évidence la possible existence d'une instabilité de la croissance de ces bulles. Une étude analytique adimensionnelle nous a permis de définir un critère pour prédire l'existence ou non de cette instabilité. <p><p>La seconde étape a porté sur la caractérisation mécanique en régime quasi statique d'une bulle de gaz en contact avec deux solides. Le but étant de prédire la force générée par une bulle de gaz sur les solides ainsi que sa raideur. Le modèle implémenté a permis de déduire des propriétés intéressantes des bulles de gaz, notamment une grande compliance dont la valeur peut être contrôlée par des paramètres fluidiques. Cette propriété de compliance étant très recherchée en micromanipulation, un démonstrateur exploitant les bulles de gaz a été conçu. Il s'agit d'une microtable compliante actionnée par trois bulles. Ces travaux ouvrent la voie vers de nouveaux modes d'actionnement ou de capteur utilisant la transduction entre une énergie fluidique et mécanique opérée par un ménisque capillaire. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

<p align='justify'>L’adaptation des surfaces pour des fonctions prédéterminées par le choix des matériaux métalliques ou des couches minces ayant des propriétés mécaniques avancées peut potentiellement permettre de réaliser des nouvelles applications à petites échelles. Concevoir de telles applications utilisant des nouveaux matériaux nécessite en premier lieu la connaissance des propriétés mécaniques des matériaux ciblés à l’échelle microscopique et nanoscopique. Une méthode souvent appliquée pour caractériser les matériaux à petites échelles est la nanoindentation, qui peut être vue comme une mesure de dureté à l’échelle nanoscopique.</p><p><p align='justify'>Ce travail présente une contribution relative à l'interprétation des résultats de la nanoindentation, qui fait intervenir un grand nombre de phénomènes physiques couplés à l'aide de simulations numériques. A cette fin une approche interdisciplinaire, adaptée aux phénomènes apparaissant à petites échelles, et située à l’intersection entre la physique, la mécanique et la science des matériaux a été utilisée. Des modèles numériques de la nanoindentation ont été conçus à l'échelle atomique (modèle discret) et à l'échelle des milieux continus (méthode des éléments finis), pour étudier le comportement du nickel pur. Ce matériau a été choisi pour ses propriétés mécaniques avancées, sa résistance à l'usure et sa bio-compatibilité, qui peuvent permettre des applications futures intéressantes à l'échelle nanoscopique, particulièrement dans le domaine biomédical. Des méthodes avancées de mécanique du solide ont été utilisées pour prendre en compte les grandes déformations locales du matériau (par la formulation corotationelle), et pour décrire les conditions de contact qui évoluent au cours de l'analyse dans le modèle à l'échelle des milieux continus (traitement des conditions de contact unilatérales et tangentielles par une forme de Lagrangien augmenté).</p><p><p align='justify'>L’application des modèles numériques a permis de contribuer à l’identification des phénomènes qui gouvernent la nanoindentation du nickel pur. Le comportement viscoplastique du nickel pur pendant nanoindentation a été identifié dans une étude expérimentale-numérique couplée, et l'effet cumulatif de la rugosité et du frottement sur la dispersion des résultats de la nanoindentation a été montré par une étude numérique (dont les résultats sont en accord avec des tendances expérimentales).</p> <p><p align='justify'>Par ailleurs, l’utilisation de l’outil numérique pour une autre application à petites échelles, la manipulation des objets par contact, a contribué à la compréhension de la variation de l’adhésion électrostatique pendant micromanipulation. La déformation plastique des aspérités de surface sur le bras de manipulateur (en nickel pur) a été identifiée comme une source potentielle d’augmentation importante de l'adhésion pendant la micromanipulation, qui peut potentiellement causer des problèmes de relâche et de précision de positionnement, observés expérimentalement.</p><p><p align='justify'>Les résultats présentés dans cette thèse montrent que des simulations numériques basées sur la physique du problème traité peuvent expliquer des tendances expérimentales et contribuer à la compréhension et l'interprétation d'essais couramment utilisé pour la caractérisation aux petites échelles. Le travail réalisé dans cette thèse s’inscrit dans un projet de recherche appelé "mini-micro-nano" (mµn), financé par la Communauté Française de Belgique dans le cadre de "l'Action de Recherche Concertée", convention 04/09-310.</p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished