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Theses Year : 2009

Terahertz spectroscopy and imaging of biological systems

Spectroscopie et imagerie térahertz des systèmes d'intérêt biologique.

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Abstract

This work deals with a number of examples of using terahertz radiation in order to study biological systems. We have built and characterized two similar experimental setups, each for a particular application. These setups generate and detect terahertz waves using photoconductive switches driven by a femtosecond infrared laser. The first terahertz setup, dedicated to time-domain spectroscopy, allows us to characterize different systems, more or less homogeneous, from the spectroscopic point of view, that is to determine a complex permittivity of materials and its spectral dependence. Using our terahertz spectrometer, we have studied novel polymer materials transparent both in the terahertz region and at optical wavelengths and ionic water solutions. The second setup is dedicated to the development of novel methods of terahertz imaging in the near field using an aperture. Indeed, the contrast obtained from the difference of absorption by ionic solutions provides a non-invasive way to study biological cells. Demonstrations using drosophila embryos and frog sciatic nerves were done. The two activities are linked by our work on surface plasmon-polaritons, electromagnetic waves sustained on metal surfaces that under some conditions can induce an “extraordinary” transmission through subwavelength apertures. Spectroscopic studies allowed us to understand some fundamental properties of these surface modes in order to use them in novel types of near- field probes. Key words Terahertz radiation, time-domain spectroscopy, water solutions spectroscopy, near-field imaging, surface plasmons-polaritons
Ce travail de thèse présente quelques exemples d'utilisation du rayonnement térahertz pour l'étude de systèmes d'intérêt biologique. Nous avons construit et caractérisé deux dispositifs expérimentaux analogues, chacun conçu de façon à servir à une famille d'applications particulière. Ces dispositifs sont basés sur la génération et la détection des ondes térahertz à l'aides d'antennes photoconductrices pilotées par un laser infrarouge femtoseconde. Un premier dispositif térahertz, dédié à la spectroscopie dans le domaine temporel, permet de caractériser de nombreux systèmes plus ou moins homogènes du point de vue spectroscopique, c'est-à-dire d'obtenir la permittivité complexe du matériau et sa dépendance spectrale. L'étude des nouveaux matériaux transparents en térahertz et des solutions ioniques aqueuses à l'aide de ce spectromètre térahertz a été accomplie. Un deuxième dispositif est consacré au développement de nouvelles techniques d'imagerie térahertz en champ proche avec ouverture. En effet, un contraste fourni par la différence d'absorption des solutions ioniques a permis d'étudier des cellules biologiques de façon non-invasive ; il s'agit ici notamment de l'embryon de drosophile et du nerf sciatique de grenouille. Le lien entre ces deux thématiques est fait par la recherche sur les plasmons-polaritons de surfaces, des ondes électromagnétiques à la surface de métaux, qui, dans certaines conditions, permettent d'exalter la transmission à travers des ouvertures de taille inférieure à la longueur d'onde. Des études spectroscopiques ont permis de comprendre certaines propriétés fondamentales de ces ondes surfaciques en vue de leur application aux nouvelles sondes de champ proche.
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Dates and versions

pastel-00005584 , version 1 (21-07-2010)

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  • HAL Id : pastel-00005584 , version 1

Cite

Alexander Podzorov. Spectroscopie et imagerie térahertz des systèmes d'intérêt biologique.. Biophysique [physics.bio-ph]. 2009. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨pastel-00005584⟩
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