soutenance_A_Wojdyla - TEL (thèses-en

Polarisation des impulsions térahertz
et
développement de l’imagerie par
réflexion interne totale pour l’étude
d’objets d’intérêt biologique
Antoine Wojdyla
17 Novembre 2011
Plan de l’exposé
I. Introduction
II. Polarisation des impulsions térahertz
III. Imagerie dans le domaine térahertz
Les défis de l’imagerie en biologie
– Absorption
– Diffusion
– Fluorescence
Embryons humains
Levures
Microscopie classique Microscopie en champ sombre
– Effets Non-Linéaires
– Indice (contraste de phase)
– Polarisation (ellipsométrie)
– Etc.
Croissance embryon droso
Embryon de drosophile
(THG,multimodal)
(Fluorescence,pulse-shaping)
– Nouvelles fréquences
Olivier
et al. (2010)
Pillai et al. (2009)
classique
Chorioptique
Contraste de phase
De Campo Pereira et al. (1998)
Fibrose hépatique à différents stades vue par CD
Laude-Boulesteix et al. (2004)
TIRF
Membrane cellulaire par TIRF
Axelrod et al. (2001)
3
Les défis de l’imagerie : térahertz
• Sonder les basses fréquences
– « Loi de Hooke »
– Interactions avec le milieu
• Identifier et utiliser de nouveaux mécanismes
pour l’imagerie
4
Situation du domaine THz
100MHz
200MHz 0.9-1.8GHz 2.4GHz
hertzien
40GHz
radars
30THz
terahertz
1THz = 1 000 000 000 000 Hz
(visible : 400-800THz)
400-800THz
infrarouge visible
1.5PHz
(UV-C)
ultraviolet
300PHz
rayons X >>
gamma
Grandeurs caractéristiques:
fréquence
= 1THz
Long. d’onde = 300 μm
énergie
= 4.1meV
nbre d’onde = 33cm-1
période
= 1ps
5
Spécificités du domaine THz
• Problèmes d’ordre technologique
– Pas de sources (ampoule, lampe à décharge, laser)
– Pas de détecteur (PM, CCD)
• Pénétration en profondeur dans les matériaux
– Peu d’influence de la diffusion
• Résolution correcte
– critère de Rayleigh : 1.22λ/NA ~ 500 μm
6
Applications du domaine THz
• Spectroscopie
– Modes basses fréquences
– Lignes rotationnelles
• Astronomie
– Fond diffus cosmologique
Fond diffus cosmologique
Planck (2010)
• Physique
Galaxies des Antennes
Atacama Large Millimeter Array
(10/2011)
– Dynamique des semi-conducteurs
• Conservation
– Transparence du bois, des vernis
• Communications
– Le débit dépend de la fréquence de la porteuse
Ritratto di ragazza
Labaune et al. (2011)
• Sécurité
– Transparence des habits
– Rayonnements non-ionisants
7
Térahertz et biologie
•
•
•
•
Hydratation des tissus
Tissus osseux
Contraste ionique (LOB)
Détection de
tissus cancéreux
• Canaux sudorifères
• Modulation de la
transcription génétique
Contraste
Analyse
Déshydratation
ionique
des tissus
dans
d’une
osseux
unfeuille
neurone
Arnone
Masson
Nuss et
etetal.
al.
al.(1999)
(1995)
(2006)
Tumeur chez le rat
THz
et régulation
gènes
Chi-Kung
Sun
et al. des
(2011)
Polygraphe
THz
Wilmink
et al.
(2011)
Kawase
et al.
(2011)
8
Démonstration du contraste ionique
• Investigation des sources de contraste dans les
objets biologiques.
• Développement de l’imagerie de champ
proche (SNOM) pour améliorer la résolution.
Déformation d’un neurone
de ver de terre vue par SNOM THz
Masson et al. (LOB, 2006)
ion
Concentration
intracellulaire
(mM)
Concentration
extracellulaire
(mM)
Na+
5-15
145
K+
140
5
(μm)
Embryon de drosophile
vu en champs proche THz
Podzorov et al. (LOB, 2009)
9
Plan de l’exposé
I. Introduction
II. Polarisation des impulsions térahertz
1. Dispositif expérimental
2. Polariseur linéaire
3. Prisme quart d’onde
III. Imagerie dans le domaine térahertz
Spectroscopie de domaine temporel (1)
• Time-Domain Spectroscopy (TDS, 1990)
Antenne
photoconductrice
GaAs
• Hybride électronique-optique
– Antennes photoconductrices
eee-
• Semi-conducteur (GaAs)
– déclenchées par un laser femtoseconde
• ETHz α dj/dt (dipôle hertzien)
• Génération d’impulsions ultra-courtes
11
Spectroscopie de domaine temporel (2)
• Détection du champ électrique résolue en
temps
Antenne
photoconductrice
– Antennes photoconductrices
GaAs BT
• Semi-conducteur (GaAs BT)
eee-
– commutées par un laser femtoseconde
• Le champs THz impose une tension
et provoque un courant de photoporteurs.
• I α ETHz (τ)
• Mesure bipolaire
A
– Détection cohérente
• Fonctionne à température ambiante
• Rapport signal-à-bruit élevé
12
τ
eee-
eee-
A
13
Impulsions térahertz
Joseph Fourier
• Impulsions térahertz
–
–
–
–
–
Champ électrique
Information de phase
500fs FWHM
Sous-monocycle
Polarisé linéairement
• Transformée de Fourier
– 0.3-5THz, Δλ/λ0>1
– Connaissance des
propriétés optiques
– e.g. : absorption par la
vapeur d’eau
14
Interaction lumière-matière
• Spectroscopie de domaine temporel
délai
décroissance
échos
échantillon
15
Spectre : amplitude et phase
• Transformée de Fourier:
– Amplitude spectrale
• Coefficient d’absorption α
– Phase spectrale
• Indice de réfraction n
FFT
16
Polarisation (1)
• Structure d’onde plane
–
–
–
–
amplitude
phase
fréquence
polarisation
0
1/f
φ
2A
E(x,y,z,t)=Ex.cos(ωt+φx)ex+Ey.cos(ωt+φy)ey
• Avec les impulsions THz, nous mesurons déjà
l’amplitude, la phase et la fréquence de l’onde
– la polarisation est le dernier paramètre à déterminer
17
La polarisation (2)
• Caractère vectoriel des ondes
électromagnétiques
Etat linéaire (en phase)
TM
TE
Etat circulaire (en quadrature)
TM
TV LCD
TE
Cristal biréfringent
• L’éniantoséléctivité du vivant fait apparaître
des effets de polarisation
– e.g. : dextrose
18
La polarisation (3)
• Caractéristisation
– Formalisme de Jones,
– Formalisme de Müller (ellipsométrie),
– Connaissance des deux composantes
• Eléments polarisants
– Générer et contrôler l’état de polarisation
• Linéaire
• Circulaire
19
Développements d’éléments polarisants achromatiques
• Polariser la lumière
– Polariseurs à grille
– Prismes polarisants
– Lames d’onde
– Effets aux interfaces
• Génération d’impulsions
– Pas d’échos
– Ultra large bande (>1 décade) -> achromatique
20
Montage sensible à la polarisation
• Antennes sensibles à la polarisation
– 1 antenne émettrice
– 2 antennes de détection, croisées
• séparateur de faisceau (lame en silicium)
21
Polariseur linéaire (1)
Augustin Fresnel
• Coefficients réflexion de Fresnel
TM
• TE ≠TM
k
• Angle de Brewster
TE
– iB = atan(n2/n1)
– TM totalement transmise
– Aucun écho
TM
TE
iB
22
A. Wojdyla et G. Gallot, Opt. Exp, 19,15, pp. 14099-14107 (2011)
Polariseur linéaire (2)
• 4 wafers de silicium empilées
Transmission>98%
Taux de polarisation >98%
(en amplitude)
23
A. Wojdyla et G. Gallot, Opt. Exp, 19,15, pp. 14099-14107 (2011)
Plan de l’exposé
I. Introduction
II. Polarisation des impulsions térahertz
1. Dispositif expérimental
2. Polariseur linéaire
3. Prisme quart d’onde
III. Imagerie dans le domaine térahertz
Réflexion interne totale (TIR)
•
•
•
•
Réflexion à une interface n1>n2
Angle d’incidence > ic = asin(n2/n1)
Réflexion totale
Accompagnée d’un déphasage
n2
n1
i>ic
 r{s,p} = eiφ{s,p} avec φs≠ φp
• Effet achromatique (ic = asin(1/nSi))
25
Prisme quart d’onde (1)
• Faire confondre les axes optiques
d’entrée et de sortie
• Deux axes neutres
• Déphaseur π/2
état circulaire droit (RCP)
état circulaire gauche (LCP)
27
Prisme quart d’onde (2)
• Comportement en rotation
28
Prisme quart d’onde (3)
• Sphère de Poincaré
– Caractère achromatique
– Comportement en rotation
29
Résumé
• Polariseur linéaire
– Achromatique
– Pertes par insertion faibles ~0.1dB
– Taux de polarisation élevé ~40dB
• Prisme quart d’onde
– Achromatique
• Déphasage différentiel constant (±3° RMS 0.5-2THz)
– Pertes par insertion ~40% (Fresnel)
• L’utilisation des phénomènes aux interfaces
diélectriques nous permettent de générer en
régime ultra-court n’importe quel état de
polarisation.
30
Plan de l’exposé
I. Introduction
II. Polarisation des impulsions térahertz
III. Imagerie dans le domaine térahertz
1. Imagerie classique
2. L’eau dans le domaine THz
3. Imagerie par réflexion interne totale
Imagerie térahertz (1)
• Imagerie en transmission
y
x
t
• Pour chaque position (x,y) on acquière la
totalité du champs électrique
– Données 3D (x,y,t)
Imagerie térahertz (2)
• Imagerie en réflexion
y
t
x
TF temporelle
Cheveu humain
au microscope optique
1THz
y
x
3THz
33
f
L’eau, les solutions ioniques
• Absorption : α~200cm-1 @1THz
Propriétés optiques
de quelques solutions ioniques
(selon un modèle de Debye, thèse de Podzorov)
• Sensibilité à la présence d’ionS
• Les ions sont
source de contraste.
34
Comparaison des méthodes
• Importance du contraste
• En transmission
– Absorption par l’eau
– Epaisseur mal contrôlée
• En réflexion partielle
– Faibles coefficients de réflexion
– Référence, échos
• En réflexion interne totale
– Sensibilité à la phase
35
Onde évanescente
• Réflexion interne totale
– Pas de transmission
– Interaction avec le milieu externe
Lpeau
n2
n1
θi
• Épaisseur de peau de l’onde ev.
– Lpeau : 23μm à 1/e @1THz
(interface Si-air à 42°)
– Bonne résolution longitudinale
• Absorption de l’eau:
– 2/α = 100μm à 1/e @1THz
Simulation FDTD
• L’atténuation de l’onde évanescente domine
l’absorption de l’eau.
36
Imagerie par réflexion interne totale
• Prisme pour assurer le couplage
• Faisceau focalisé
– Resolution latérale selon critère de Rayleigh
• Pastille en silicium pour assurer la mobilité
y
x
37
Image d’un objet de phase
• Pièce métallique gravée
• Sillons larges de 500μm
• Deux zones :
– Métal
– Air
1.28THz
Phase spectrale différentielle
métal
air
• Pas de contraste d’amplitude
• Transition réflexion métallique
(ΔΦ = 0°)<-> TIR (ΔΦ = 90°)
• Résolution latérale 1mm
38
Interférence de l’onde évanescente
• Déterminer la résolution longitudinale
temps [ps]
Résolution longitudinale ~40μm
Lpeau
39
Réflexion Totale Atténuée
• Indice de l’eau ~ 2.2
• Indice substrat élevé
– HR-Si : 3.4 -> OK
• Forte absorption
– Réflexion Totale Atténuée (ATR)
• Influence de l’absorption
40
Image d’une objet d’amplitude
• Goutte d’eau
• Réflexion totale atténuée
• Contraste :
– d’amplitude
– de phase
Amplitude spectrale différentielle
1.28THz
– Phase différentielle (TM/TE)
• Excellente dynamique (70°)
• Résolution latérale ~1mm
1.28THz
Phase spectrale différentielle
41
Contraste dans un objet biologique
• Dimension des cellules ~50μm
• Contraste intra/extra-cellulaire
Composant
Concentration
intracellulaire
(mM)
Concentration
extracellulaire
(mM)
Na+
5-15
145
K+
140
5
Mg2+
0,5
1-2
Ca2+
1e-4
1-2
H+
7e-5 (pH 7,2)
4e-5 (pH 7,4)
Cl-
5-15
110
• Solution de Ringer
ΔR
ΔΦ [°]
42
Image d’un objet biologique :
nerf sciatique de grenouille
neurone
solution
physiologique
Phase spectrale à 0.92 THz
• Déphasage faible (3°)
– mais peu de bruit
• Résolution latérale 1mm
43
Conclusion de l’imagerie par TIR
• L’imagerie par réflexion interne totale semble
adaptée à l’étude des échantillons aqueux.
• La modification du signal THz est plus
importante que pour les techniques classiques.
• Sensible au contraste ionique.
• Bon rapport signal à bruit grâce à l’exploitation
de l’information de phase.
• Résolution longitudinale sub-λ .
44
Conclusion générale
• Polarisation
– Développements d’éléments polarisants
• Adaptés au domaine térahertz
• Approche temporelle (régime impulsionel)
• Larges-bandes et performants
• Imagerie
– Développement de l’imagerie
par réflexion interne totale
– Application adaptée à l’imagerie en biologie
45
Perspectives
• Applications
– monocouches cellulaires (résolution longitudinale)
• Suivi de croissance, etc.
– Cornée (eau)
• Améliorations et extensions de la technique
– Utilisation de plasmons-polaritons du surface
– Résolution latérale sub-λ (cf. immersion)
– Imagerie par masque optique
– Utilisation en micro-fluidique
46
Remerciements
• Tout le Laboratoire d’Optique
et Biosciences
• Région Ile de France
(Allocation de recherche)
• Triangle de la Physique
(projet Tera-Müller)
• Jean-Marc Sintes (mécanique
et optique)
• Xavier Solinas (électronique)
• Isabelle Lamarre (cellules)
• Christelle Français
• Laure Lachapelle
• Jean-Louis Martin
•
•
•
•
•
•
•
•
Guilhem Gallot
Alexander Podzorov
Julien Labaune
Guillaume Labroille
Enric Garcia-Caurel
Gaël Latour
Alexander Fisher
Hilary Jacks
Merci
de votre
attention
Remerciements
• Tout le Laboratoire d’Optique
et Biosciences
• Région Ile de France
(Allocation de recherche)
• Triangle de la Physique
(projet Tera-Müller)
• Jean-Marc Sintes (mécanique
et optique)
• Xavier Solinas (électronique)
• Isabelle Lamarre (cellules)
• Christelle Français
• Laure Lachapelle
• Jean-Louis Martin
•
•
•
•
•
•
•
•
Guilhem Gallot
Alexander Podzorov
Julien Labaune
Guillaume Labroille
Enric Garcia-Caurel
Gaël Latour
Alexander Fisher
Hilary Jacks
MATÉRIEL COMPLÉMENTAIRE
50
Bruits (1)
51
Bruits (2)
52
Polariseur linéaire
53
Prisme quart d’onde
54
Réflexions parasites
• Contact optique suffisant
• Pas de déphasage
• Merci au fenêtrage temporel (Novosibirsk)
55
Phase porteuse-enveloppe
56
Phase de Gouy
Données collectées par Julien Labaune (LOA/C2RMF)
57
Focalisation dans le prisme
58
Optical switch
59
Results : metal cross (2)
• Illustration constant delay scan
maximum
Zero-crossing
– TE component is more sensitive
• metallic phase shift 180° ~ ΔϕTM= 168°
– Best sensitivity not achieved at maximum
– Impaired resolution
October 2011
Total Internal reflexion THz imaging
Water absorption
ripples
60
Décalage de Goos-Hänchen (1)
Expérience croix/TIRTI
Rhomboèdre PE
Dove/prisme silicium
61
Décalage de Goos-Hänchen (2)
62
Décalage de Goos-Hänchen (3)
• Expérience controlée
63
Divers
64