Modélisation de l'interaction entre une impulsion laser ultrabrève et une nanostructure plasmonique en milieu aqueux

Ces dernières années ont été marquées par une rapide évolution du domaine des nanotechnologies biomédicales. Plus particulièrement, l'utilisation de laser à impulsions ultrabrèves pour affecter localement et avec précision certaines structures cellulaires et sub-cellulaires présente un intérêt grandissant. Ce type d'impulsion, grâce à leur temps d'impulsion très court (100fs), permet en effet l'ablation efficace de matériau organique transparent tout en réduisant les dommages collatéraux provoqués aux structures environnantes. Cette technologie est néanmoins limitée par certaines contraintes physiques et technologiques, telle que la limite de diffraction, qui restreint ses performances et son application. L'utilisation de structures métalliques aux dimensions nanométriques permet de pallier à ce problème. Ces nanostructures ont en effet l'étonnante capacité d'absorber et de concentrer l'énergie du champ laser dans des volumes nanométriques, bien inférieurs à la limite de diffraction. Cette propriété est causée par l'excitation d'une oscillation collective des électrons de conduction du métal induite par le champ électromagnétique incident, appelée plasmon, qui absorbe et amplifie localement le champ électrique. L'excitation de ce plasmon est de nature résonante à une longueur d'onde incidente qui dépend fortement de la géométrie, des dimensions, du matériau et de l'environnement de la nanostructure. Le degré de localisation de l'énergie lumineuse atteint à l'aide de ces nanostructures plasmoniques est sans équivalent dans le monde macroscopique. Leur utilisation de concert avec des impulsions ultrabrèves permet par conséquent de concentrer l'énergie lumineuse et de réaliser l'ablation de structures avec une résolution bien supérieure à la limite de diffraction, et ce sans nécessiter un système optique de visualisation et de focalisation particulier. Au niveau cellulaire, cette technique permet de réaliser l'ablation ou la modification ciblée de structures cellulaires et sub-cellulaires avec une précision et une efficacité inégalée. Bien que plusieurs études aient démontré le potentiel de cette technologie, la compréhension des mécanismes physiques fondamentaux et phénomènes induits par l'irradiation demeure limitée. En particulier, aucun modèle décrivant l'ensemble des sources potentielles de dommages aux structures cellulaires (hausse de température, génération de plasma, émission d'ondes de pression, formation de bulles de cavitation) possiblement induites par l'irradiation de nanostructure plasmonique par des impulsions ultrabrèves n'est actuellement disponible dans la littérature. Cette thèse présente une modélisation complète de l'interaction d'une impulsion laser ultrabrève et d'une nanostructure plasmonique en milieu aqueux. Les propriétés optiques, mécaniques, thermiques de l'eau sont en effet suffisamment près de celles du milieu biologique

Abstract

The past few years have seen the unfolding and rapid evolution of biomedical nanotechnologies. In particular, ultrafast laser pulses have been used to locally destroy or modify cellular and sub-cellular structures with exceptional precision. Those very short pulses (100 fs) indeed allow the efficient ablation of organic transparent material, while limiting the collateral damages to the surrounding structures. In spite of its great efficiency and versatility, the technique is still limited by some physical constraints, such as the diffraction limit, which limit its performance and applicability. The introduction of nanoscale metallic structures can overcome this problem. Those nanostructures presents an astonishing capability to absorb an locally enhance incident laser energy into nanoscale volumes much smaller than the diffraction limit. This property arises from the laser field induced excitation of a collective oscillation of the metal's conduction electrons called plasmon. This plasmon absorbs and enhance the laser field in the vicinity of the structures. It has a resonant nature at a specific wavelength that depends strongly on the geometry, material, size and environment of the nanostructure. The degree of laser energy localization that can be possibly reached with those structures has no counterparts in the macroscopic world. Using plasmonic nanostructures with ultrafast laser pulses thus bring an unique capability to ablate or alter targeted cellular and sub-cellular structures with an astonishing precision, well beyond the diffraction limit, without even the need for a complex visualization and focussing apparatus. While the great potential of this technology is now widely accepted, there is still a limited understanding of the basic mechanisms and processes triggered by the laser irradiation and leading to the damaging of the surrounding structures. In particular, there exists for the moment no complete modelling of the process that includes all potential sources of cellular damage, including temperature rise, plasma generation, pressure wave emission and vapor bubble formation. This thesis presents such a modelling, with the cell environment emulated by a much simpler aqueous medium. Water is used as its optical, mechanical and thermal characteristic are similar enough to the cell environment to enable the transposition of the results and tendencies observed in water to this medium. Modelling consists in a continuous medium based approach that uses coupled partial differential equations to simulate the nanostructure-water system's response to an ultrafast laser pulse. The the time-dependant field distribution in the system is simulated using classical electromagnetic theory, while the temperature in the nanostructure is calculated using a two-temperature model. Generation and heating of a plasma in the nanostructure's vicinity