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