Polarimétrie sur fond noir par codage spectral de la polarisation : application à la microscopie à balayage laser

Null-polarimetry by spectral encoding of polarization : application to laser scanning microscopy

• Auteur / Autrice : Xavier Theillier
• Direction : Sylvain Rivet, Yann Le Grand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 12/12/2022
• Etablissement(s) : Brest
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Optique et de Magnétisme (Brest, Finistère)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Bourdieu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sylvain Rivet, Yann Le Grand, Laurent Bourdieu, Nathalie Westbrook, Yoshitate Takakura, Matthieu Dubreuil
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Westbrook, Yoshitate Takakura

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie en biologie

Biréfringence

Polarimétrie

Mots clés libres

Polarisation

Polarimétrie

Microscopie à balayage

Biréfringence

Polarization

Polarimetry

Scanning microscopy

Birefringence

Résumé

L’imagerie de faibles biréfringences au sein de milieux biologiques, à l’échelle cellulaire, présente un fort intérêt pour l’étude d’édifices de protéines structurelles et motrices ainsi que ses applications au diagnostic biomédical. Le laboratoire OPTIMAG a récemment développé un microscope à balayage laser polarimétrique dit de « Mueller », basé sur le principe de codage spectral de la polarisation. Celui-ci repose sur l’utilisation d’une source à balayage en fréquence optique rapide (100 kHz) et de lames de phase épaisses, permettant de mesurer l’ensemble des anisotropies optiques du milieu d’étude (et donc en particulier sa biréfringence) à la cadence de balayage de la source, ce qui est compatible avec la microscopie à balayage laser. Cependant cette technique opère sur « fond clair », ce qui limite intrinsèquement sa sensibilité. Le but de cette thèse est de développer une nouvelle méthode de polarimétrie, toujours basée sur le concept de codage spectral de la polarisation, dans une configuration originale dite sur « fond noir », c’est-à-dire travaillant proche de l’extinction, permettant ainsi d’offrir la meilleure sensibilité pour la mesure de la biréfrigence. Ce dispositif a d’abord été monté sur table optique et l’étude des erreurs aléatoires et systématiques entachant la mesure a été réalisée. Ainsi, ce dispositif permet de mesurer, à une cadence de 100 kHz, la biréfringence avec une résolution de 55 nrad/ √Hz. Ce polarimètre a ensuite été intégré dans un microscope à balayage laser et sa grande sensibilité a permis l’imagerie de cultures cellulaires. La comparaison avec une technique sur fond clair est également présentée ainsi que la complémentarité de cette nouvelle méthode avec des modalités de microscopie non-linéaires pour l’étude de coupes histologiques de tissus cancéreux.

Imaging birefringence in biologicals samples, at cellular scale, has shown a strong interest to get insight into arrangements of structural and motor proteins and for medical diagnostic applications. Recently OPTIMAG laboratory has developed a Mueller laser-scanning microscopy based on the idea of spectral encoding of polarization. This method implements a very fast sweptwavelength laser source (100 kHz) in combination with thick phase plates, enabling full polarization measurements (including birefringence) at the speed of laser source, making it compatible with laser scanning microscopes. However, this method operating off null (far from extinction), its sensitivity is intrinsically limited. The goal of this thesis is to develop a new method of polarimetry, still based on spectral encoding of polarization, in an original null configuration, working close to extinction, enabling the best birefringence measurement sensivity. This device has first been set up on an optical table, and the study of both random and systematic errors affecting the measurement has been performed. Thus, this device is able to mesure birefringence with a resolution of 55 nrad/√Hz, at 100 kHz. Then, this polarimeter has been implemented in laser scanning microscope and its high sensivity has enabled the imaging of cell cultures. The comparison with an off-null approach has been shown as well as the complementarity of this new method with non-linear modalities of microscopy for the study of cancerous tissus histological sections.