Conception de vélocimètres par amplification de la tension d'une diode laser soumise à une réinjection optique pour les applications microfluidiques

Optical feedback interferometry sensing technique for flow measurements in microchannels

• Auteur / Autrice : Lucie Campagnolo
• Direction : Thierry Bosch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Microondes, ElectroMagnétisme, Optoélectronique
• Date : Soutenance le 26/04/2013
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS

Mots clés

Mots clés libres

Diode laser

Interférométrie

Vélocimétrie

Microfluidique

Self-mixing

Interferometry

Laser diode

Flow measurement

Microfluidics

Résumé

Le phénomène d’interférométrie par réinjection optique, ou effet self-mixing dans un laser permet de concevoir des capteurs non-invasifs, auto-alignés, ne nécessitant que peu d’éléments optiques et simples à implémenter. Ce type de capteur permet de mesurer avec la précision propre à l’interférométrie laser le déplacement, la vitesse ou la position de cibles dite coopératives (cibles réfléchissantes ou fortement diffusantes). Dans cette étude, ce type de capteurs est appliqué à la mesure de profil d’écoulement des fluides dans des microcanaux. Le faible coût et la polyvalence des capteurs à réinjection optique sont d’un grand intérêt dans l’industrie biomédicale et chimique, ainsi que pour la recherche en mécanique des fluides. Dans un premier temps, et en se basant sur les études réalisées dans des macro-canaux, nous avons proposé un modèle d’interferométrie par réinjection optique dans une diode laser lorsque la cible est constitué de particules en mouvement, en suspension dans un liquide. A partir de ce modèle, nous avons étudié expérimentalement l’impact du volume de mesure ainsi que du type de particules (taille et concentration) sur le signal mesuré. Nous avons ensuite proposé des méthodes de traitement du signal permettant de calculer le calcul du débit du fluide, ainsi que sous certaines conditions identifiées, la vitesse locale en tout point d’un microcanal. Ces études préliminaires nous ont permis de reconstruire le profil d’écoulement de différents liquides dans des canaux de 320µm de diamètre. Enfin, nous avons comparé les performances du capteur développé dans cette thèse avec un capteur basé sur la technique du Dual-Slit, technique déjà validée pour la microfluidique, en mesurant le profil d’écoulement dans un canal à section rectangulaire de 100x20µm.

The phenomenon of optical feedback interferometry (OFI) or self-mixing effect in a laser is used to design non-invasive and self-aligned sensors, requiring only few optical elements and simple to implement. This type of sensor is used to measure the displacement, velocity or position of cooperative targets (reflective or strongly scattering targets). In this study, this phenomenom is applied to the measurement of fluid flow profile in microchannels. The low cost and versatility of optical feedback sensors are of great interest in biomedical and chemical industry as well as research in fluid mechanics. Based on studies in macro-channels, we proposed first a theoretical model of OFI in a laser diode when the target consists of moving particles suspended in a liquid. Based on this model, we then studied experimentally the impact of the sensor’s sensing volume and the type of particles (size and concentration) on the OFI signal. We then proposed signal processing methods for calculating the fluid flow rate, as well as the local velocity at any point in a microchannel. These preliminary studies allowed us to reconstruct the flow profile of different liquids flowing in a circular channel of 320μm diameter. Finally, we compared the performance of the sensor developed in this thesis with a sensor based on the Dual-Slit technique, which has been already validated for microchannels, by measuring the flow profile in a rectangular shaped channel (100x20µm).