Pince acoustique : piégeage et manipulation d'un objet par pression de radiation d'une onde progressive

Acoustical tweezers : trapping and manipulation of small objects with the radiation pressure of progressive sound waves

• Auteur / Autrice : Diego Baresch
• Direction : Régis Marchiano, Jean-Louis Thomas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique physique
• Date : Soutenance le 26/11/2014
• Etablissement(s) : Paris 6
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences mécaniques, acoustique, électronique et robotique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Nanosciences de Paris
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Thibault, Vincent Tournat, François Graner, Anne-Christine Hladky, Stéphane Régnier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pression de radiation acoustique

Ondes -- Propagation

Ultrasons

Mots clés libres

Pression de radiation

Manipulation sans-Contact

Acoustique

Lévitation

Vortex acoustique

Ultrasons

Trapping with the radiation pressure

Non contact manipulation

Résumé

La pression de radiation acoustique est la force moyenne qu'une onde peut exercer sur un obstacle. Initialement, la faible manifestation de cette force ne suggérait pas d'applications potentielles. Néanmoins, avec l'avènement de sources acoustiques de haute puissance, il a rapidement été envisagé de manipuler de petits objets à distance par pression de radiation. Depuis, c'est via l'excitation d'ondes stationnaires dans des cavités que cette méthodologie connait son essor. Parallèlement, la pression de radiation de la lumière a rapidement permis de piéger et de manipuler des petits objets. Grâce à un laser fortement focalisé, la pince optique a donné une grande flexibilité aux techniques de manipulation sans contact et est devenue un outil fondamental pour de nombreuses disciplines scientifiques. Cependant, les faibles forces développées, les importantes intensités lumineuses requises et la petite taille des objets sont d'importantes limites tout particulièrement pour leur application en biologie.A l'heure actuelle, il n'existe pas l'équivalent de la pince optique en acoustique utilisant un unique faisceau. Le travail présenté donne un ensemble d'éléments théoriques et expérimentaux profitables pour la compréhension de la pression de radiation en acoustique et le dimensionnement d'une pince acoustique utilisant un unique faisceau ultrasonore : le vortex acoustique. Ce travail esquisse l'ébauche d'une nouvelle méthode de manipulation sans contact donnant une véritable dextérité de préhension. Les faibles intensités nécessaires associées aux larges forces développées sauront se montrer attractives pour imaginer un large panel de nouvelles applications scientifiques.

As an acoustic wave impinges an obstacle, a mean force is exerted on its surface. This so-called radiation pressure arises from the non linear interaction between the wave and the object.The early history of this force did not suggest any application of such a feeble effect. Nevertheless, as technological advances improved the prospects of new powerful sound sources, it was rapidly considered to use the acoustic radiation pressure as a mean of non-contact manipulation of small objects. Ever since, standing wave schemes excited in cavities has been the preferred strategy that is becoming considerably popular.In the same time, the radiation pressure of light was also recognised to trap and manipulate very small objects. Using a single focused laser beam, optical tweezers brought a great dexterity to non contact manipulation techniques and rapidly grew to become a fundamental tool in many scientific fields. However, the minuteness of the force, the high intensities required and the smallness of trappable objects are well-known limitations in particular for biological applications.Although optics and acoustics have shown many similarities, an acoustical analogue to optical tweezers using a single beam is yet to be demonstrated. Theoretical and experimental efforts are presented here and shed light on the underpinning mechanisms of single-beam acoustical tweezers. The analysis of a peculiar beam's radiation pressure, i.e. acoustical vortices, unveiled new characteristics for single-beam trapping. Our experimental demonstration along with the low intensities required and the large forces developed show promise for a wide spectrum of new scientific applications.