Optomechanical control of a levitated nanoparticle via wavefront shaping

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.