Antoine Wojdyla 17 Novembre 2011

1. 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

2. Plan de l’exposé • Introduction • Polarisation des impulsions térahertz • Imagerie dans le domaine térahertz

3. Les défis de l’imagerie en biologie • Absorption • Diffusion • Fluorescence • Effets Non-Linéaires • Indice (contraste de phase) • Polarisation (ellipsométrie) • Etc. • Nouvelles fréquences Embryons humains Microscopie classique Levures Microscopie en champ sombre Fibrose hépatique à différents stades vue par CD Laude-Boulesteixet al. (2004) Croissance embryon droso (THG,multimodal) Olivier et al. (2010) Embryon de drosophile (Fluorescence,pulse-shaping) Pillai et al. (2009) classique TIRF Chorioptique Contraste de phase De Campo Pereira etal. (1998) Membrane cellulaire par TIRF Axelrodet al. (2001)

4. 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

5. Situation du domaine THz 400-800THz 100MHz 200MHz 0.9-1.8GHz 2.4GHz 40GHz 30THz 300PHz 1.5PHz (UV-C) hertzien radars infrarouge >> gamma visible ultraviolet rayons X terahertz • Grandeurs caractéristiques: • fréquence = 1THz • Long. d’onde = 300 μm • énergie = 4.1meV • nbre d’onde = 33cm-1 • période = 1ps 1THz = 1 000 000000000 Hz (visible : 400-800THz)

6. 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

7. Applications du domaine THz • Spectroscopie • Modes basses fréquences • Lignes rotationnelles • Astronomie • Fond diffus cosmologique • Physique • Dynamique des semi-conducteurs • Conservation • Transparence du bois, des vernis • Communications • Le débit dépend de la fréquence de la porteuse • Sécurité • Transparence des habits • Rayonnements non-ionisants Galaxies des Antennes Atacama Large MillimeterArray (10/2011) Fond diffus cosmologique Planck (2010) Ritratto di ragazza Labauneet al. (2011)

8. Térahertz et biologie • Hydratation des tissus • Tissus osseux • Contraste ionique (LOB) • Détection de tissus cancéreux • Canaux sudorifères • Modulation de la transcription génétique Déshydratation d’une feuille Nusset al. (1995) Tumeur chez le rat Chi-Kung Sun et al. (2011) Polygraphe THz Kawaseet al. (2011) Contraste ionique dans un neurone Masson et al. (2006) Analyse des tissus osseux Arnoneet al. (1999) THz et régulation des gènes Wilminket al. (2011)

9. 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) • (μm) Embryon de drosophile vu en champs proche THz Podzorovet al. (LOB, 2009)

10. Plan de l’exposé • Introduction • Polarisation des impulsions térahertz • Dispositif expérimental • Polariseur linéaire • Prisme quart d’onde • Imagerie dans le domaine térahertz

11. Spectroscopie de domaine temporel (1) • Time-Domain Spectroscopy(TDS, 1990) • Hybride électronique-optique • Antennes photoconductrices • Semi-conducteur (GaAs) • déclenchées par un laser femtoseconde • ETHzαdj/dt(dipôle hertzien) • Génération d’impulsions ultra-courtes Antenne photoconductrice GaAs e- e- e-

12. Spectroscopie de domaine temporel (2) • Détection du champ électrique résolue en temps • Antennes photoconductrices • Semi-conducteur (GaAs BT) • commutées par un laser femtoseconde • Le champs THz impose une tensionet provoque un courant de photoporteurs. • I αETHz (τ) • Mesure bipolaire • Détection cohérente • Fonctionne à température ambiante • Rapport signal-à-bruit élevé Antenne photoconductrice GaAs BT A e- e- e-

13. τ e- e- e- e- e- e- A

14. Impulsions térahertz • 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 Joseph Fourier

15. Interaction lumière-matière • Spectroscopie de domaine temporel délai décroissance échos échantillon

16. Spectre : amplitude et phase • Transformée de Fourier: • Amplitude spectrale • Coefficient d’absorption α • Phase spectrale • Indice de réfraction n FFT

17. Polarisation (1) • Structure d’onde plane • amplitude • phase • fréquence • polarisation 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 0 1/f φ 2A

18. La polarisation (2) • Caractère vectoriel des ondes électromagnétiques • L’éniantoséléctivité du vivant fait apparaître des effets de polarisation • e.g. : dextrose Etat linéaire (en phase) Etat circulaire (en quadrature) TV LCD TM TM TE TE Cristal biréfringent

19. 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

20. 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

21. Montage sensible à la polarisation • Antennes sensibles à la polarisation • 1 antenne émettrice • 2 antennes de détection, croisées • séparateur de faisceau (lame en silicium)

22. Polariseur linéaire (1) • Coefficients réflexion de Fresnel • TE ≠TM • Angle de Brewster • iB = atan(n2/n1) • TM totalement transmise • Aucun écho TM k TE Augustin Fresnel iB TM TE • A. Wojdyla et G. Gallot, Opt. Exp, 19,15, pp. 14099-14107 (2011)

23. Polariseur linéaire (2) • 4 wafers de silicium empilées Transmission>98% Taux de polarisation >98% (en amplitude) • A. Wojdyla et G. Gallot, Opt. Exp, 19,15, pp. 14099-14107 (2011)

24. Plan de l’exposé • Introduction • Polarisation des impulsions térahertz • Dispositif expérimental • Polariseur linéaire • Prisme quart d’onde • Imagerie dans le domaine térahertz

25. Réflexion interne totale (TIR) • Réflexion à une interface n1>n2 • Angle d’incidence > ic= asin(n2/n1) • Réflexion totale • Accompagnée d’un déphasage • r{s,p} = eiφ{s,p} avec φs≠φp • Effet achromatique (ic = asin(1/nSi)) n2 n1 i>ic

26. 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 • Introduction • Polarisation des impulsions térahertz • Imagerie dans le domaine térahertz • Imagerie classique • L’eau dans le domaine THz • Imagerie par réflexion interne totale

31. Imagerie térahertz (1) • Imagerie en transmission • Pour chaque position (x,y) on acquière la totalité du champs électrique • Données 3D (x,y,t) y t x

32. Imagerie térahertz (2) • Imagerie en réflexion y Cheveu humain au microscope optique t x TF temporelle y f x 1THz 3THz

33. L’eau, les solutions ioniques • Absorption : α~200cm-1@1THz • Sensibilité à la présence d’ionS • Les ions sont source de contraste. Propriétés optiques de quelques solutions ioniques (selon un modèle de Debye, thèse de Podzorov)

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 • 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 • L’atténuation de l’onde évanescente dominel’absorption de l’eau. Lpeau n2 n1 θi Simulation FDTD

36. Imagerie par réflexion interne totale • Prisme pour assurer le couplage • Faisceau focalisé • Resolutionlatérale 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 • Pas de contraste d’amplitude • Transition réflexion métallique (ΔΦ = 0°)<-> TIR (ΔΦ = 90°) • Résolution latérale 1mm métal air 1.28THz Phase spectrale différentielle

38. Interférence de l’onde évanescente • Déterminer la résolution longitudinale Lpeau temps [ps] Résolution longitudinale ~40μm

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 Amplitude spectrale différentielle • Goutte d’eau • Réflexion totale atténuée • Contraste : • d’amplitude • de phase • Phase différentielle (TM/TE) • Excellente dynamique (70°) • Résolution latérale ~1mm 1.28THz 1.28THz Phase spectrale différentielle

41. Contraste dans un objet biologique • Dimension des cellules ~50μm • Contraste intra/extra-cellulaire • Solution de Ringer ΔΦ [°] ΔR

42. Image d’un objet biologique : nerf sciatique de grenouille • Déphasage faible (3°) • mais peu de bruit • Résolution latérale 1mm Phase spectrale à 0.92 THz solution physiologique neurone

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 contrasteionique. • 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 latéralesub-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

47. Merci de votre attention

48. 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

49. Matériel complémentaire

50. Bruits (1)