Contrôle optomécanique d’une nanoparticule en lévitation par modulation de front d’onde

Optomechanical control of a levitated nanoparticle via wavefront shaping

• Auteur / Autrice : Mélissa Kleine
• Direction : Yann Louyer
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Lasers, Matière et Nanosciences
• Date : Soutenance le 15/10/2025
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Ondes et Matière d'Aquitaine
• Jury : Président / Présidente : Fabio Pistolesi
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Juliette Billy, Ivan Favero
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jochen Fick, Nicolas Bonod

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lévitation

Nanoparticules

Optomécanique

Mots clés libres

Optomécanique

Forces Optiques

Lévitation optique

Adaptation de front d'onde

Nanoparticules

Optimisation

Optomechanics

Optical Forces

Optical levitation

Wavefront shaping

Nanoparticles

Optimization

Résumé

La lévitation optique de nanoparticules dans le vide constitue une plateforme expérimentale prometteuse pour l’étude de phénomènes fondamentaux en thermodynamique et en physique quantique. Notre piège repose sur l’utilisation d’un faisceau laser focalisé, dont les gradients d’intensité exercent une force optique maintenant la particule en équilibre près du point focal. Toutefois, les configurations traditionnelles, notamment celles basées sur des faisceaux gaussiens, présentent des limitations : la stabilité du piège est faible en basse pression, et l’absorption du laser par la particule engendre un échauffement et une perte de cohérence quantique. Dans cette thèse, nous développons et mettons en oeuvre une méthode robuste et reproductible d’optimisation expérimentale des propriétés optomécaniques d’un piège de lévitation optique. Cette approche s’appuie sur une modulation active du front d’onde du faisceau piégeant à l’aide d’un modulateur spatial de lumière (SLM). Après avoir situé notre système expérimental dans un régime intermédiaire entre les limites de Rayleigh et de Mie, nous introduisons une description multipolaire des forces optiques. Le montage expérimental est ensuite détaillé, incluant le piège optique à haute ouverture numérique, le SLM, et le système de détection homodyne en transmission. Nous implémentons un protocole de rétroaction permettant de moduler le front d’onde du faisceau afin d’optimiser la raideur du piège. L’efficacité de la méthode est évaluée expérimentalement : un gain de raideur d’un facteur 2.6 est obtenu le long de l’axe optique pour une particule de silice de 125 nm de rayon, comparé à un faisceau gaussien. Nous analysons ensuite les performances et les limites de la méthode, ainsi que les conséquences physiques de cette optimisation. Dans le régime sous-amorti, nous observons une réduction des non-linéarités du mouvement (effets de type Duffing), ainsi qu’une contraction spatiale du volume de piégeage. Par ailleurs, les composantes non conservatives de la force optique sont significativement atténuées. Ces observations expérimentales sont corroborées par des simulations numériques, révélant notamment une réduction de la force de pression de radiation. Enfin, nous illustrons la polyvalence de cette méthode à travers deux cas d’application concrets.

Optical levitation of nanoparticles in vacuum offers a promising experimental platform for investigating fundamental phenomena in thermodynamics and quantum physics. Our trap relies on a tightly focused laser beam, whose intensity gradients exert an optical force that maintains the particle in equilibrium near the focal point. However, traditional configurations, particularly those relying on Gaussian beams, face limitations: trap stability is reduced at low pressure, and laser absorption by the particle leads to heating and quantum decoherence. In this thesis, we develop and implement a robust and reproducible experimental method for optimizing the optomechanical properties of an optical levitation trap. The approach relies on active wavefront modulation of the trapping beam using a Spatial Light Modulator (SLM). After situating our experimental system in an intermediate regime between the Rayleigh and Mie limits, we introduce a multipolar description of optical forces. The experimental setup is then detailed, including the high-numerical-aperture optical trap, the SLM, and the transmission-based homodyne detection system. We implement a feedback protocol that adjusts the wavefront to optimize trap stiffness. The method is evaluated experimentally: for a 125 nm-radius silica particle, a stiffness enhancement by a factor of 2.6 is achieved along the optical axis, compared to a Gaussian beam. We then analyze the performance and limitations of the method, as well as the physical consequences of the optimization. In the underdamped regime, we observe a suppression of motional nonlinearities (Duffing-type effects) and a contraction of the trapping volume. In addition, the non-conservative components of the optical force are significantly reduced. These experimental observations are supported by numerical simulations, which reveal in particular a decrease in the radiation pressure force. Finally, we illustrate the versatility of this method through two specific applications.