Polarisation des impulsions térahertz et développement de l'imagerie par réflexion interne totale pour l'étude d'objets d'intérêt biologique

Study of the polarization of terahertz waves in the subcycle-regime and application to imaging in biology

• Auteur / Autrice : Antoine Wojdyla
• Direction : Guilhem Gallot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Palaiseau, Ecole polytechnique

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polarisation (lumière)

Imagerie térahertz

Rayonnement térahertz

Mots clés libres

Impulsions optiques ultracourtes

Expériences pompe-sonde

Bruit

Résumé

Le domaine des ondes térahertz est un zone encore peu explorée du spectre électromagnétique, en dépit des qualités que lui confère sa position intermédiaire entre les ondes radars et l'infrarouge. Les progrès technologiques récents permettent désormais de générer des impulsions térahertz très courtes et offrent la possibilité d'effectuer des mesures résolues en temps des champs électriques associés. La détermination conjointe de l'amplitude et la phase des impulsions laisse libre cours au développement de nouveaux procédés de mesures et ouvre un grand champ de possibilités dans le traitement des données recueillies. La notion de phase est importante dans l'étude des phénomènes mettant en jeu la polarisation des ondes, et revêt un aspect singulier lorsque l'on s'intéresse à des impulsions ultra-brèves. L'étude de ces particularités a motivé le développement de dispositifs achromatiques adaptés au domaine térahertz tirant parti de certaines conditions de réflexion aux interfaces diélectriques. Ces dispositifs permettent de modifier les amplitudes et les phases différentielles des deux composantes du champ électrique des impulsions THz, afin de générer tous types d'états de polarisation cohérents. Aux impulsions térahertz sont associées des longueurs d'onde submillimétriques, ce qui assure une résolution spatiale convenable lorsque l'on cherche à former des images d'objets, tout en permettant d'exploiter les informations sur la structure temporelle de l'onde. Nous avons mis en œuvre quelques procédés d'imagerie afin de déterminer lesquels sont les mieux adaptés à l'étude d'objets biologiques, majoritairement constitués d'eau. Afin d'en tirer parti de la sensibilité des ondes aux ions en solution et de limiter l'importance des effets d'absorption dus à l'eau, nous avons mis au point une technique d'imagerie fondée sur le phénomène de réflexion interne totale. Cette technique tire son avantage de la mesure de la phase tout en présentant une excellente résolution transverse, particulièrement adaptée lorsqu'il s'agit d'étudier des objets biologiques fins tels que des neurones ou des monocouches cellulaires

The terahertz domain is a vast yet largely unexplored part of the electromagnetic spectrum, in spite of the virtues conferred by its intermediary situation between radar waves and infrared. Recent technological breakthroughs now allow to generate very short terahertz pulses and to proceed to a time-resolved detection of the associated electric field. The joint determination of phase and amplitude empowers to build new measurement schemes and opens us new possibilities in the processing of collected data. The phase plays a major role in the study on phenomena involving the polarization of electromagnetic waves, and assumes a peculiar meaning when dealing with ultra-sort pulses. The study of these particularities has motivated the design of achromatic polarizing elements fitted for the terahertz range using specific dielectric reflection conditions. These elements allow harnessing the differential phases and amplitudes between the two components of the electric field, so as to generate any kind of coherent polarization state. Associated with terahertz pulses are with submilllimeter wavelengths, which provide a decent spatial resolution when it comes to image objects, while information in the time domain can still be exploited. We carried out some imaging procedures with a view to pick the ones who were the better adapted to biological imaging. In order to take advantage of the sensitivity of the waves to ionic content of solutions and to cope with the high absorption of water in this frequency range, we developed a new imaging technique based on total internal reflection phenomenon. This technique gains its sensitivity from the measurement of the phase, while having an excellent transverse resolution which is well suited when it comes to study thin biological objects such as neurons or cell layers