EP3234666A1 - Dispositif de transport et de contrôle d'impulsions lumineuses pour l'imagerie endo-microscopique sans lentille - Google Patents

Dispositif de transport et de contrôle d'impulsions lumineuses pour l'imagerie endo-microscopique sans lentille

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Publication number
EP3234666A1
EP3234666A1 EP15821042.7A EP15821042A EP3234666A1 EP 3234666 A1 EP3234666 A1 EP 3234666A1 EP 15821042 A EP15821042 A EP 15821042A EP 3234666 A1 EP3234666 A1 EP 3234666A1
Authority
EP
European Patent Office
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elementary
fiber
delay
light
optical
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15821042.7A
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German (de)
English (en)
Inventor
Esben ANDRESEN
Hervé RIGNEAULT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aix Marseille Universite
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Original Assignee
Aix Marseille Universite
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
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Filing date
Publication date
Application filed by Aix Marseille Universite, Centre National de la Recherche Scientifique CNRS filed Critical Aix Marseille Universite
Publication of EP3234666A1 publication Critical patent/EP3234666A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
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    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
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    • G02B6/065—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings formed by bundles of fibres the relative position of the fibres being the same at both ends, e.g. for transporting images with dynamic image improvement

Definitions

  • the present invention relates to a device for transporting and controlling light pulses for so-called "no lens” endo-microscopic imaging as well as endo-microscopic imaging systems and methods without a lens, and in particular non-linear imaging. It applies in particular to the endoscopic exploration of organs in a living being, human or animal.
  • Nonlinear imaging techniques include for example bi-photon fluorescence imaging (or TPEF according to the English expression "two-photon excited fluorescence").
  • This imaging technique is particularly interesting in endo-microscopy because the interaction between light and matter is confined to the focal point, so there is no background signal generated out of the focal point and therefore a spatial resolution three-dimensional is possible allowing an optical sectioning (or "optical sectioning").
  • TPEF imaging also makes it possible to use an excitation laser Near-infrared wavelength, which penetrates deeper into a diffusing medium such as a biological tissue.
  • a first approach (described for example Rivera et al., "Compact and Flexible Multiphoton Endoscopic Raster Scanning Capable of Imaging Unstained Tissue", Proc Nat Nat Sci USA, 108, 17598 (2011)) is to vibrate the part distal of a monomode optical fiber, for example using piezoelectric shims, the end of the optical fiber being imaged in the sample using a micro-optics.
  • the optical fiber makes it possible to deliver the light into the sample and to collect the signal coming from the sample, this signal being derived for example from reflection, fluorescence or a non-linear interaction in the sample.
  • the presence of a piezoelectric scanner at the end of the fiber limits the diameter below which the distal portion of the endoscope can be miniaturized (typically of the order of 3 mm); Moreover, the control of the imaging plane along the optical axis is complex to implement. Finally, this approach is limited for non-linear imaging that requires the use of ultra-short pulses (typically less than one picosecond). Indeed, the standard optical fibers have a strong dispersion that is difficult to pre-compensate and they are subject to non-linear effects that affect the spectral and temporal profiles of the light pulse delivered at the end of the fiber.
  • a third approach termed “endoscopy without a lens”, and described for example in Cizmar et al. Exploiting Multimode Waveguides for Pure Flu-based Imaging, Nat. Common. 3, 1027 (2012), is based on the use of a multimode optical fiber, or MMF according to the abbreviation of the Anglo-Saxon expression "Multi-Mode Fiber”.
  • MMF optical fiber is illuminated with a coherent source.
  • a Spatial Light Modulator allows play on the modes of propagation of the fiber so that the coherent addition of these modes makes it possible to generate all intensity figures at the end of the MMF fiber.
  • SLM Spatial Light Modulator
  • an attempt is made to produce a focal point at the end of the MMF fiber and to scan the sample to obtain an image as would be done in a conventional confocal microscopy setup.
  • This technique extremely powerful because of the deterministic nature of the transmission matrix of the fiber which connects a field entering the proximal portion of the fiber with a distal outgoing field (and vice versa), eliminates all optics the distal side of the multimode fiber and thereby reduce the bulk.
  • the transmission matrix of the fiber is complex and highly dependent on the curvature of the optical fiber MMF. Endo-microscopic imaging using an MMF optical fiber is therefore extremely sensitive to any movement of the fiber.
  • a short pulse in the proximal part is greatly elongated in the distal portion, which limits the possibilities of application to nonlinear imaging.
  • a "lensless" type of technology has developed based on the use of a single-mode optical fiber packet (see, for example, French et al US Patent No. 8,585,587). ).
  • a wavefront spatial modulator (SLM) arranged on the proximal side of the monomode optical fiber packet makes it possible to control the wavefront emitted by a light source at the distal end of the fiber packet.
  • SLM wavefront spatial modulator
  • FIG. 1A schematically illustrates an endo-microscopic imaging system without a lens 100 as described in the prior art and applied in particular to nonlinear imaging.
  • the imaging system 100 generally comprises a transmission source 10 for transmitting an incident beam formed by Io pulses in the case of the application to nonlinear imaging.
  • the system 100 further comprises a detection channel comprising an objective 21 and a detector 20. The detection path is separated from the emission path by a separating blade 22.
  • the imaging system 100 also comprises a transport device and Io pulse control for illuminating a remote analysis object 101.
  • the transport and control device comprises a packet of monomode optical fibers 40 whose input and output faces 42 are shown enlarged in FIG. 1A, and a wavefront spatial modulator ("SLM").
  • SLM wavefront spatial modulator
  • the spatial light modulator makes it possible to print on the incoming wavefront having a function of phase ⁇ defined phase shifts ⁇ ( ⁇ ) for each elementary beam Bi intended to enter an optical fiber Fi of the fiber packet 40.
  • the phase function ⁇ ( ⁇ ) may be such that, for example, after propagation in the packet of optical fibers, the wave comes out with a parabolic phase ⁇ 2 ( ⁇ ). This parabolic phase allows the beam to focus distally on the analysis object 101 while there is no physical lens present; this is the origin of the terminology "endoscope without lens”.
  • the electromagnetic field E ⁇ (t) describing an elementary beam Bi formed by pulses at the distal end of the fiber bundle can be expressed as:
  • the group velocities Xi (i) of the pulses forming the elementary beams Bi at the output of the SLM 30 and incident in the optical fibers Fi of the fiber pack 40 are constant. In other words, relative group delays are zero or almost zero.
  • variable group speeds are observed in the different elementary beams described by the function X 2 (i) and resulting in non-zero relative group delays ⁇ ( ⁇ ).
  • the present invention provides devices and methods for transporting and controlling light pulses in a so-called "lensless" endo-microscopic imaging system that enable the control of pulse group delay delays in monomode optical fibers of the packet. fiber.
  • the devices and methods described in this description make it possible to control the duration of the pulses at the distal end of the fiber packet and thus to access non-linear imaging applications which require the transmission of ultra-short pulses, typically less than the picosecond.
  • one or more exemplary embodiments relate to a device for transporting and controlling light pulses with at least one wavelength for endo-microscopic imaging without a lens.
  • the device comprises a packet of N monomode optical fibers arranged in a given pattern, for receiving a light beam formed of pulses at a proximal end and for emitting a light beam at a distal end, each monomode optical fiber being characterized by a value relative group delay defined with respect to the travel time of a pulse propagating in a monomode optical reference fiber of the fiber packet.
  • the device for transporting and controlling light pulses further comprises an optical device for controlling the group speed or more precisely an optical device for controlling group delays, arranged on the side of the proximal end of the packet of optical fibers. and including:
  • a first spatial light modulator adapted to form, from one or more incident light beams, a number N of elementary light beams intended to each enter into one of said optical fibers, each elementary beam being intended to pass through a given delay plate such as that the sum of the delay introduced by said delay plate and the relative group delay of the optical fiber intended to receive said elementary light beam is minimal in absolute value;
  • a second spatial light modulator adapted to introduce on each of the N elementary light beams a deflection such that each elementary light beam enters the corresponding optical fiber perpendicularly to the input face of the optical fiber.
  • the packet of N monomode optical fibers may be formed of a set of monomode optical fibers, typically from one hundred to several tens of thousands of fibers, collected in the form of a bundle of fibers, periodically or aperiodically, or may be formed a multi-core fiber having a set of single-mode cores, preferably at least one hundred, arranged periodically or aperiodically.
  • the M delay plates are advantageously distributed in a plane.
  • the number M of delay plates can be between 1 and a few tens, advantageously between 2 and 20, but in any case, it is much smaller than the number N of single-mode optical fibers in the fiber packet.
  • the transport and control device makes it possible to minimize the standard deviation of the set of values formed by the group delays of the pulses in the fibers, whatever the fiber packet used and even if the bundle of fibers is displaced or deformed; this is made possible by simply programming each of the spatial light modulators to form elementary beams for entering each of the fibers of the fiber bundle and controlling their movements to pass through the appropriate delay blade.
  • the transport and control device can also allow, by programming one and / or the other of the spatial light modulators, the application of a phase shift on each of the elementary beams, allowing to register at the distal end of the fiber packet a determined phase function and / or correcting the phase variations introduced by each of the fibers of the fiber bundle.
  • the transport and control device can also allow the transport and control of beams formed of pulses of different wavelengths, by programming the first spatial light modulator to ensure the distribution of the elementary light beams. formed of pulses at different wavelengths in subsets of fibers distinct from the fiber bundle.
  • Spatial light modulators may include segmented or membrane-deformable mirrors (operating in reflection) or liquid crystal matrices operating in reflection or transmission.
  • the optical device for controlling the group speed may comprise elements operating in reflection and / or transmission, but a reflection arrangement has the advantage of having more choice on the technology of spatial light modulators.
  • the optical device for controlling the group speed comprises a first objective and a second objective forming an optical assembly with an intermediate focal plane; the delay plates are arranged in the intermediate focal plane of the optical assembly; the first spatial light modulator is in a focal plane object of the first objective; and the second spatial light modulator is in an image focal plane of the second lens.
  • the optical device for controlling the group speed comprises an objective; the delay plates are arranged in a plane situated upstream of the first spatial light modulator and are adapted to form, from an incident beam formed by pulses, M light beams, each light beam being formed of pulses characterized by a given group delay; the first spatial light modulator is arranged in the object focal plane of the objective and is intended to receive said M light beams; the second spatial light modulator is in a focal plane image of the lens
  • the first spatial light modulator is formed of M zones, on which computer-generated holograms are formed, each hologram being adapted to receive one of said light beams formed of pulses characterized by a given group delay.
  • one or more exemplary embodiments relate to an endo-microscopic imaging system comprising a source of light pulses, a device for transporting and controlling the pulses emitted by said source according to the first aspect and a detection channel. light for passing through the monomode optical fiber packet from its distal end to its proximal end.
  • the source of light pulses is a laser source emitting pulses of less than one picosecond duration, advantageously between 100 femtoseconds and 1 picosecond.
  • one or more exemplary embodiments relate to a non-linear endo-microscopic imaging process without a lens by means of a bundle of monomode optical fibers arranged in a given pattern and each characterized by a relative group delay defined by the travel time of an impulse propagating in a monomode optical reference fiber of the fiber packet, the method comprising:
  • one or more exemplary embodiments relate to a non-linear endo-microscopic imaging process without a lens by means of a bundle of monomode optical fibers arranged in a given pattern and each characterized by a relative group delay defined by the travel time of an impulse propagating in a monomode optical reference fiber of the fiber packet, the method comprising:
  • the relative group delays of the monomode optical fibers of the fiber packet are characterized at the wavelength of the pulses forming the incident light beam.
  • one and / or the other of the spatial light modulators allows the application of a phase shift on each of the elementary beams, making it possible to register at the distal end of the fiber packet a determined phase function and / or correcting the phase variations introduced by each of the fibers of the fiber bundle.
  • the method includes the emission of incident light beams formed of pulses at distinct wavelengths.
  • the first spatial light modulator further allows the distribution of the elementary light beams in distinct and identified fiber subsets of the fiber bundle, each subset of fibers being intended to receive the bundles of fibers. pulses formed of pulses at a given wavelength.
  • the endo-microscopic nonlinear imaging methods described in the present description apply to any type of non-linear imaging, and in particular the generation of fluorescence and two-photon auto-fluorescence, the generation of fluorescence and n-photon autofluorescence, second harmonic generation, third harmonic generation, nth-harmonic generation, sum and frequency difference generation, coherent Raman signal generation, transient absorption signal generation, transient index modification.
  • FIGS. 1A and 1B (already described), a block diagram of a so-called "no lens” endoscope based on the use of a single-mode fiber packet and a diagram illustrating the problem of group delay in the fibers in the case ultra-short pulses;
  • Figures 2A and 2B are diagrams illustrating an example of an endoscopic imaging system without a lens according to the present description
  • FIGS. 3A to 3D figures illustrating an example of multi-core optical fiber and its characterization, for the implementation of an endo-microscopic imaging method without a lens, according to the present description
  • FIG. 4 a diagram illustrating an example of delay plates for the implementation of an endo-microscopic imaging method without a lens, according to the present description
  • FIGS. 5A and 5B diagrams respectively illustrating the dispersion of group delays in the multi-core fiber shown in FIG. 3A, before and after implementation of an endo-microscopic imaging method according to the present description;
  • Figure 6 first experimental results comparing the spatial pattern of the focal point at the output of a multi-core fiber shown in FIG. 3A with or without application of an endo-microscopic imaging method according to the present description;
  • Figure 7 is a diagram illustrating an example of a "lensless" endo-microscopic imaging system according to another example of the present disclosure.
  • Figures 8A and 8B are diagrams illustrating examples of a "lensless" endoscopic imaging system according to other examples of the present disclosure.
  • Figure 9 is a set of diagrams illustrating a method for distally measuring group delays in a single mode fiber packet
  • Figure 10 is a set of diagrams illustrating a method for proximal measurement of group delays in a single mode fiber packet.
  • FIGS. 2A and 2B schematically illustrate a "lensless" endoscopic imaging system 200 according to the present description as well as the principle of implementation.
  • the system 200 generally comprises a transmission channel, with a light source 10 for the emission of ultra-short light pulses I 0 , typically less than the picosecond, for example between 100 femtoseconds and a picosecond, and a suitable detection channel. for detecting light for passing through the monomode optical fiber packet 40 from its distal end to its proximal end.
  • the light detected is, for example, the light resulting from the non-linear process in the sample after excitation.
  • the detection path includes an objective 21 and a detector 20 and is separated from the transmission path by a splitter plate 22, for example a dichroic plate in the case of nonlinear imaging applications in which the wavelength detection (for example 2-photon fluorescence) is different from the emission wavelength.
  • the system 200 also comprises a device for transporting and controlling the light pulses.
  • the device for transporting and controlling the light pulses comprises an optical device 50 for controlling the group speed, or a group delay control device ("GDC" for "Group Delay Control"), a packet N single-mode optical fibers Fi, referenced 40, and advantageously, an optical system 60 telescope type, to adapt the size of the beam from the optical device for controlling the group speed 50 to the input face 41 of the package 40.
  • GDC group delay control device
  • the detection path is represented between the light source 10 and the GDC 50.
  • the detection path could equally well be between the GDC 50 and the fiber packet 40, for example between the GDC 50 and the telescope 60.
  • the N monomode optical fibers F 1 of the fiber pack 40 are arranged in a given pattern.
  • the monomode optical fibers Fi are arranged periodically; each fiber Fi forms, for example, the core of a multi-core fiber or "MCF".
  • the fiber optic packet 40 includes an input face 41 located on the proximal side, i.e. on the side intended to receive an incident light flux and an exit face 42 located on the distal side, that is, on the side intended for the emission of an outgoing light beam for the illumination of an analysis object 101.
  • Each optical fiber Fi of the fiber packet is characterized by a relative group delay ⁇ ; defined by the difference in time that an elementary beam Bi formed by a light pulse passes through the fiber Fi and the time that an elementary beam formed by the same light pulse passes through a reference fiber Fo arbitrarily chosen in the packet fiber.
  • Related group delays ⁇ thus describe the relative delays of the light pulses propagating in the optical fibers Fi.
  • the characterization of relative group delays can be done by known characterization methods which will be described in more detail later.
  • the GDC optical group speed control device (50) is arranged on the proximal side of the monomode optical fiber packet 40 and is intended to reduce, on the distal side of the optical fiber packet, the relative difference between the different elementary beams Bi.
  • the optical device for controlling the group speed 50 according to the present description is adapted to introduce at each elementary beam Bi, intended to enter a monomode optical fiber Fi of the fiber packet 40, a group delay which will at least partially compensating for the group delay ⁇ ; characterizing the fiber Fi, so that the relative group delays in the different elementary beams at the output of the fiber packet 40 are close to zero and at least less than half the duration of the pulses intended to propagate in the packet of fibers.
  • the control of the group velocities Xi (i) on the proximal side of the fiber bundle results in a substantially constant distribution of the group velocities X 2 (i) on the distal side.
  • FIG. 2A illustrates a first example for the realization of an optical device for controlling the GDC group speed according to the present description.
  • the optical device for controlling the group speed 50 comprises in this example a first objective 53 characterized by a focal length f
  • the objectives 53 and 54 are defined by any suitable optical system, for example using lenses and / or mirrors.
  • the first and second lenses 53, 54 are arranged to form an optical assembly with an intermediate focal plane ( ⁇ i) coincident with the image focal plane of the first objective 53 and the object focal plane of the second objective 54.
  • the optical device for controlling the group speed 50 also comprises a given number M of delay plates P j , advantageously between 2 and 20 blades, spatially distributed in a plane, this plane being in the example of FIG. 2A, the intermediate focal plane ( ⁇ i). Each blade is designed to allow the introduction of a delay OT given j.
  • the speed control device GDC also comprises a first spatial light modulator 51 adapted to form, from an incident beam formed by pulses I 0 emitted by the light source 10, a number N of elementary light beams Bi intended to form enter into each of the N optical fibers Fi of the fiber pack 40.
  • the first spatial light modulator 51 is in an object focal plane of the first objective 53 and is adapted to write on each beam elementary Bi a deviation such that each elementary beam Bi passes into the appropriate delay plate P j .
  • the optical fiber Fi for receiving said elementary light beam Bi is close to zero regardless of the optical fiber Fi or at least less than half the pulse duration.
  • the number M of delay plates is much smaller than the number N of monomode optical fibers in the fiber packet 40 (for example a multi-core fiber) and a large number of elementary beams Bi are printed with the same delay. .
  • the speed control device 50 also comprises a second spatial light modulator 52 adapted to introduce on each of the N elemental light beams Bi a deflection such that each elementary light beam Bi enters the corresponding optical fiber Fi perpendicular to the input face of the optical fiber.
  • the second spatial modulator of The light 52 is in an image focal plane of the second lens 54 and makes it possible to compensate for the deflection introduced on each elementary beam Bi by the first spatial light modulator 51.
  • the beams Bi and B 2 intended to enter the optical fibers Fi and F 2 (not shown) of the packet of fibers 40, characterized by group delays ⁇ and ⁇ 2 , are deflected by the first spatial light modulator 51 and focused by the first objective 53 so as to pass through a blade to delay Pi characterized by a delay ⁇ while the beam B 3 intended to enter the optical fiber F 3 (not shown) of the fiber packet 40, characterized by a group delay ⁇ 3 , is deflected by the first spatial light modulator 51 and focused by the first objective 53 to cross a delay plate characterized by a delay ôt 2 .
  • the elementary beams B ls B 2 , B 3 are then sent by means of the second lens 54 to the second spatial light modulator 52 which registers a deflection which compensates for the deflection registered by the first spatial light modulator 51 so that elementary beams exit each with an optical axis perpendicular to the input face 41 of the fiber bundle 40.
  • the bundles B ls B 2, B 3 are formed by light pulses that respectively have ⁇ delays ⁇ , OT 2 and which, after passing through the single mode optical fibers F ls F 2, F 3 present the relative deviations of zero or reduced group velocity.
  • the elementary beams Bi at the output of the second spatial light modulator 52 are focused in a focal plane 2 and an optical system 60 of the telescope type makes it possible to apply a magnification strictly less than 1 for adapting all the focusing points formed in the focal plane 2 to the pattern formed by the fibers Fi at the input face 41 of the fiber bundle 40.
  • the focusing of the elementary beams Bi at the output of the second spatial light modulator 52 in the focal plane 2 is ensured by means of the spatial light modulator 52 which introduces a parabolic phase at the level of each elementary beam Bi.
  • the speed control device 50 may comprise at the output of the second spatial light modulator 52 an optics (not shown), for example a matrix of microlenses, which can ensure the focusing of each elementary beam.
  • the speed control device 50 as described by means of FIGS. 2A and 2B thus makes it possible in a simple manner to control the group speed at the level of each of the fibers. single mode optical fibers Fi of fiber package 40.
  • this speed control device can quite well be used to compensate for phase delays that have previously been characterized on the fibers of the fiber packet and / or to register at each elementary beam a phase function that will form the desired phase function at the distal end of the fiber packet 40, for example a parabolic function for the formation of a focus point.
  • these functions can be provided by one and / or the other of the first and second spatial light modulators 51, 52.
  • the first and / or the second spatial light modulator may be formed of a modulator based on segmented or diaphragm-shaped deformable mirrors, operating in reflection, or a liquid crystal matrix that may be operate in reflection or transmission.
  • FIGS. 3 to 6 show first experimental results obtained with an imaging system as described in FIG. 2A and making it possible to validate the method according to the present description.
  • the light source is a femtosecond laser, emitting pulses of 150 fs at a wavelength of 1.035 ⁇ .
  • the pulse transport and control device comprises a single-mode optical fiber packet formed here of a multi-core fiber.
  • the multi-core fiber 40 used is illustrated in Figure 3A. It comprises a set of 169 monomode cores Fi arranged periodically and referenced from a central fiber F 0 , as shown in Figure 3B. Each monomodal heart Fi is intended to receive at its proximal end an elementary beam Bi which passes through the heart to exit at a distal end, as explained above.
  • the central core Fo forms the monomode reference fiber for the determination of the group delay ⁇ ; which characterizes each monomode heart Fi.
  • the multi-core fiber also comprises in this example a multimode internal sheath 44 adapted to collect the light signal from the distal end to the proximal end. In the example shown in FIG.
  • the inter-core distance is 1 1.8 ⁇
  • the diameter of a mode in each monomode core is 3.6 ⁇ and the corresponding divergence of 0.12 radians
  • the diameter of the multimode inner sheath 44 is 250 ⁇ .
  • the coupling measured between a monomode core Fi and its nearest neighbor is less than -25 dB, even with a curvature applied to the multi-core fiber of 12.5 cm. Ray.
  • FIG. 3C thus represents the delays of relative group measured ⁇ ; for hearts of index i of the multi-core fiber.
  • the group delay is defined as the difference between the time that a light pulse takes to cross the fiber Fi and the time that an identical light pulse takes to cross the reference fiber F 0 .
  • Figure 3D shows the histogram of the set of group delay values.
  • the speed control device 50 makes it possible to partition the N elementary beams intended to enter the single-core N cores of the multi-core fiber 40 into M groups on which M values will be printed. delay by means of M retardation blades P].
  • the M delay plates P] are for example formed by means of Ml sheets of glass of equal thickness, the index plate comprising j holes each capable of passing a group of elementary beams; the lamellas are stacked to form a delay plate comprising M zones for printing, on the elementary beams, M delays At j .
  • the holes can be made, for example, by laser ablation.
  • FIG. 4 illustrates the production of 3 retardation plates Pi, P 2 , P 3 by means of two strips 56, 57 of substantially equal thicknesses, the strip 56 having 2 holes and the strip 57 having only one hole, the lamellae being arranged so as to form three areas defining the three delay plates and that will print respectively delays 0xôt g, lxôt g, 2xôt g, where g Ot is the delay introduced by passage of a pulse through a coverslip .
  • the delay blades can be formed also by any other known means. It may be for example M glass bars of equal diameter but different length. Each bar is likely to pass a group of elementary beams. The bars are for example arranged against each other, to print on the elementary beams, M delays j . The length of a bar can be adjusted for example by polishing. Delayed slides can also be formed from a glass slide which is divided into M zones; by a micro-manufacturing method, each zone is hollowed to make M zones of different thickness. The micro-etching method can be dry etching (Reactive Ion Etching) or wet etching (HF) or use a focused ion beam (Focussed ion beam).
  • delay blades can work either in transmission or in reflection.
  • each of the N elementary beams Bi will thus pass through one of the three delay plates Pi, P 2 , P 3 , as a function of the value of the delay of relative group ⁇ ; of the fiber Fi it is intended to cross. Since M is much smaller than N, a large number of elementary beams Bi are printed with the same delay in the intermediate focal plane.
  • Figures 5A and 5B show by histograms all the values of the relative group delays in a case where there is no group speed control device (FIG.5A) and in the case where the device Group Speed Control is present (FIG 5B). A clear reduction in the variance from one histogram to another is observed, and this already with 3 slides introducing 3 distinct values of delay.
  • Figure 6 shows the spatial pattern of a focal point at the output of the multi-core fiber with application of the method of control of the group speed (left) and without application of said method (right).
  • the image of the focal point is represented, and in the upper figures, the spatial distribution of the intensity.
  • these first experimental results show the gain in intensity obtained by the method according to the present description.
  • Figure 7 illustrates a schematic diagram of an example of an endoscopic lensless imaging system according to another example of the present disclosure.
  • This example is identical to that of FIG. 2A but represents the case of an aperiodic arrangement of monomode optical fibers in the fiber bundle 40. It is observed that the device and the method of transport and control of the pulses according to the present description are also applies to a fiber bundle having fibers arranged aperiodically.
  • Fig. 8A illustrates a diagram of an exemplary endoscopic lensless imaging system according to another example of the present disclosure.
  • This delay can be advantageously achieved by a micro-structured blade as described above. It is then a question of assigning, in the N fibers of the optical fiber packet, an elementary sub-beam with the chosen delay, here ⁇ or ôt 2 .
  • the first spatial light modulator 51 advantageously comprises a matrix of liquid crystals.
  • the additive property of the holograms which consists in generating, on M areas of the first spatial light modulator 51, a set of holograms making it possible to diffract the incident beam corresponding to the delay 6 in different directions. These different directions appear as focusing points in the plane of the second spatial light modulator 52 and the latter performs a deflection such that each elementary light beam penetrates perpendicularly to the input face of the optical fiber.
  • the holograms formed at each of the M zones of the first spatial light modulator are for example computer generated holograms or "CGH" according to the abbreviation of the English expression "computer-generated hologram". Such holograms are described, for example, in Liesener et al. , “Multi-functional optical tweezers using computer-generated holograms", Opt. Commun., 185, 77 (2000).
  • FIG. 8B illustrates a diagram of an example of a lentil-free endoscopic imaging system similar to that of FIG. 8A but used in an application implementing pulses at two wavelengths, for example for applications in non-linear two-beam imaging.
  • each fiber of the fiber packet 40 is intended to transport an elementary beam at a given wavelength and the relative group delay of this fiber is advantageously characterized at this wavelength.
  • the first spatial light modulator 51 further allows the distribution of the elementary light beams formed of pulses at a given wavelength in an identified subset of the fibers of the fiber packet 40.
  • the beam at the first wavelength ⁇ thus passes for example through two delay plates Pi, P 2 characterized by respective delays ⁇ and ⁇ 2 and the beam at the second wavelength ⁇ 2 , materialized by double arrows, passes through two delay plates P 3 , P 4 characterized by respective delays ⁇ 3 and ⁇ 4 .
  • the first spatial light modulator 51 makes it possible to form N elementary beams, each elementary beam of given wavelength being characterized by a delay introduced by the crossed blade and intended to enter a previously identified optical fiber of the fiber packet.
  • N / 2 fibers of the fiber packet receive elementary beams at the first wavelength ⁇ , while the remaining N / 2 fibers of the fiber packet receive elementary beams at the second wavelength ⁇ 2 .
  • N / 2 fibers of the fiber packet receive elementary beams at the first wavelength ⁇
  • the remaining N / 2 fibers of the fiber packet receive elementary beams at the second wavelength ⁇ 2 .
  • six elementary beams are displayed, of which three at the wavelength ⁇ and three at the wavelength ⁇ 2 .
  • these two groups of fibers are chosen such that the transporting fibers ⁇ and ⁇ 2 are intertwined on the proximal face of the fiber bundle.
  • the interleaving is illustrated by the fact that, downstream of SLM2, the elementary beams alternate between ⁇ and ⁇ 2 .
  • FIGS. 9 and 10 illustrate examples of methods for characterizing the relative group delays in a fiber packet 40 of a light pulse transport and control device according to the present description, for example for the characterization of a multi-core fiber. These methods are based on the known techniques of spectral interference (see, for example, Lepetit et al., "Linear techniques of phase measurement by femtosecond spectral interferometry for applications in spectroscopy", J. Opt.Soc.Am.B, 12 ( 12), 2467 (1995)).
  • Figure 9 illustrates a method suitable for a distal measurement of group delays while
  • Figure 10 illustrates a method suitable for proximal measurement of group delays, in which it is not necessary to have access to the distal end. of the fiber packet.
  • the method for the characterization of group delays implements a fibered spectrometer 90 and a spatial light modulator 91.
  • the measurement of the relative group delay ⁇ ; a fiber Fi defined with respect to the travel time of a pulse propagating in a reference fiber F 0 , comprises the following steps. Only the elementary beams Bi and B 0 intended to enter the optical fibers Fi, F 0 are formed. They pass through the optical fibers Fi and F 0 respectively. Leaving the bundle of fibers 40 on the distal side, Bi and B 0 diverge and overlaps spatially. In a plane where the recovery is almost total, an optical fiber 92 collects a portion of each beam. The optical fiber 92 conveys the collected light to the spectrum analyzer 90.
  • the spectrum comprises a sinusoidal modulation (curves 94) whose period is equal to ( ⁇ ;) -1 ; we thus deduce ⁇ 3 ⁇ 4, the desired value.
  • the spectrum is measured according to the principle of phase shift interferometry or the phase of Bi (with respect to Bo) is scanned using the modulator 91, according to the technique of phase shift interferometry (see, for example, Bruning et al., “Digital Wavefront Measuring Interferometer for Testing Optical Surfaces and Lenses", Appl. Opt. 13 (11), 2693 (1976). , Eqs. (3-6)).

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Abstract

Selon un aspect, l'invention concerne un dispositif de transport et de contrôle d'impulsions lumineuses pour l'imagerie endo-microscopique sans lentille et comprend : un paquet de N fibres optiques monomodes (Fi) agencées selon un motif donné, chaque fibre optique monomode étant caractérisée par une valeur de retard de groupe relative (Ax;) définie par rapport au temps de parcours d'une impulsion se propageant dans une fibre optique monomode de référence (F 0) du paquet de fibres (40), un dispositif optique de contrôle de la vitesse de groupe (50) comprenant un nombre donné M de lames à retard (P j) caractérisées par un retard (8t j) donné; un premier modulateur spatial de lumière (51) adapté pour former à partir d'un faisceau lumineux incident un nombre N de faisceaux lumineux élémentaires (B i) destinés à entrer chacun dans une desdites fibres optiques, chaque faisceau élémentaire étant destiné à passer dans une lame à retard donnée telle que la somme du retard introduit par ladite lame à retard et du retard de groupe relatif de la fibre optique destinée à recevoir ledit faisceau lumineux élémentaire soit minimale en valeur absolue; un deuxième modulateur spatial de lumière (52) adapté pour introduire sur chacun des N faisceaux lumineux élémentaires une déviation telle que chaque faisceau lumineux élémentaire pénètre dans la fibre optique correspondante perpendiculairement à la face d'entrée de la fibre optique.

Description

Dispositif de transport et de contrôle d'impulsions lumineuses pour l'imagerie endo-microscopique sans lentille
ETAT DE L'ART Domaine technique de l'invention
La présente invention concerne un dispositif de transport et de contrôle d'impulsions lumineuses pour l'imagerie endo-microscopique dite « sans lentille » ainsi que des systèmes et procédés d'imagerie endo-microscopiques sans lentille, et notamment d'imagerie non linéaire. Elle s'applique notamment à l'exploration endoscopique des organes chez un être vivant, humain ou animal.
Etat de l'art
Les développements en imagerie endo-microscopique nécessitent l'utilisation de dispositifs opto-mécaniques fïbrés présentant des spécificités par rapport aux systèmes imageurs en espace libre.
D'une part, la construction d'un microscope miniature qui comprendrait une source lumineuse, une optique de focalisation et une caméra à l'extrémité distale (c'est-à-dire situé en bout de fibre, du côté de l'échantillon) d'un endoscope médical n'est pas envisageable du fait de l'encombrement de l'ensemble des composants. On cherche de ce fait des solutions permettant de réaliser une imagerie en bout de fibre optique tout en limitant l'encombrement à l'extrémité distale de l'endoscope.
D'autre part, l'intérêt croissant pour l'imagerie non linéaire en endo-microscopie nécessite de travailler avec des impulsions lumineuses présentant de fortes intensités lumineuses, ce qui n'est pas toujours compatible avec les systèmes fïbrés. Parmi les techniques d'imagerie non linéaire, on peut citer par exemple l'imagerie à fluorescence bi-photon (ou TPEF selon l'expression anglo-saxonne « two-photon excited fluorescence »). Cette technique d'imagerie est particulièrement intéressante en endo-microscopie car l'interaction entre lumière et matière est confinée au point focal, il n'y a donc pas de signal de fond généré hors du point focal et de ce fait, une résolution spatiale tridimensionnelle est possible permettant un sectionnement optique (ou « optical sectioning »). L'imagerie TPEF permet par ailleurs d'utiliser un laser d'excitation à longueur d'onde proche-infrarouge, qui pénètre plus profond dans un milieu diffusant tel qu'un tissu biologique. D'autres processus non linéaires peuvent s'avérer intéressant en endo- microscopie pour accéder à des informations complémentaires ; c'est le cas de la fluorescence à 3 photons ou 3PEF pour « Three-Photon Excited Fluorescence », la génération de seconde harmonique ou SHG pour « Second-Harmonie Génération », la génération de troisième harmonique ou THG pour « Third-Harmonic Génération », la diffusion Raman cohérente anti- Stokes ou CARS pour « Cohérent Anti-Stokes Raman Scattering », la diffusion Raman stimulée ou SRS pour « Stimulated Raman Scattering ».
Il existe plusieurs approches permettant de réaliser une imagerie en bout de fibre optique tout en limitant l'encombrement à l'extrémité distale de l'endoscope, ces techniques étant plus ou moins bien adaptées à l'imagerie non linéaire.
Une première approche (décrite par exemple Rivera et al., « Compact and flexible raster scanning multiphoton endoscope capable of imaging unstained tissue », Proc. Nat. Acad. Sci. USA, 108, 17598 (2011)) consiste à faire vibrer la partie distale d'une fibre optique monomode, par exemple à l'aide de cales piézoélectriques, le bout de la fibre optique étant imagé dans l'échantillon à l'aide d'une micro -optique. La fibre optique permet de délivrer la lumière dans l'échantillon et de collecter le signal provenant de l'échantillon, ce signal étant issu par exemple de la réflexion, de la fluorescence ou d'une interaction non linéaire dans l'échantillon. Cependant, la présence d'un scanner piézoélectrique en bout de fibre limite le diamètre en dessous duquel la partie distale de l'endoscope peut être miniaturisée (typiquement de l'ordre de 3mm) ; par ailleurs, le contrôle du plan d'imagerie suivant l'axe optique est complexe à mettre en œuvre. Enfin cette approche est limitée pour l'imagerie non linéaire qui nécessite l'utilisation d'impulsions ultra courtes (typiquement inférieures à la picoseconde). En effet, les fibres optiques standards présentent une dispersion forte qu'il est difficile de pré- compenser et elles sont sujettes à des effets non linéaires qui affectent les profils spectraux et temporels de l'impulsion lumineuse délivré en bout de fibre.
Il est connu également d'utiliser un paquet de fibres optiques, ou « bundle » (pouvant comporter jusqu'à 30000 fibres) et d'éclairer les fibres une par une grâce à un scanner situé en partie proximale (voir par exemple Knittel et al., « Endoscope-compatible confocal microscope using a gradient index-lens System », Opt. Commun. 188, 267 (2001)). Les fibres optiques sont imagées dans l'échantillon par une micro-optique située en partie distale et un balayage séquentiel des fibres optiques du paquet de fibres permet d'obtenir une image de la même façon que dans un microscope confocal. Cependant, comme dans l'approche précédemment décrite, toute la lumière circule dans le cœur d'une seule fibre optique et la puissance crête maximale est limitée du fait des effets non linéaires intrinsèques présents dans les fibres optiques du paquet de fibres. Il est de ce fait difficile de faire de l'imagerie non linéaire qui nécessite des impulsions ultra-courtes, et donc des puissances crêtes élevées.
Une troisième approche, qualifiée d' « endoscopie sans lentille », et décrite par exemple dans Cizmar et al. « Exploiting multimode waveguides for pure fïbre-based imaging », Nat. Commun. 3, 1027 (2012), est basée sur l'utilisation d'une fibre optique multimodes, ou MMF selon l'abréviation de l'expression anglo-saxonne « Multi-Mode Fiber ». La fibre optique MMF est éclairée avec une source cohérente. Du côté proximal (c'est-à-dire en entrée de fibre optique, du côté opposé à l'échantillon) de la fibre optique MMF, un modulateur spatial de front d'onde (SLM pour « Spatial Light Modulator ») permet de jouer sur les modes de propagation de la fibre de telle sorte que l'addition cohérente de ces modes permet de générer toutes figures d'intensité en bout de fibre MMF. Dans un mode de réalisation, on cherche à produire un point focal en bout de fibre MMF et à balayer l'échantillon pour obtenir une image comme on le ferait dans un montage classique de microscopie confocale. Cette technique, extrêmement puissante du fait du caractère déterministe de la matrice de transmission de la fibre qui relie un champ entrant en partie proximale de la fibre avec un champ sortant en partie distale (et vice versa), permet de s'affranchir de toute optique du côté distal de la fibre multimodes et de ce fait de réduire l'encombrement. Cependant, la matrice de transmission de la fibre est complexe et fortement dépendante de la courbure de la fibre optique MMF. L'imagerie endo -microscopique au moyen d'une fibre optique MMF est donc extrêmement sensible à tout mouvement de la fibre. Par ailleurs, du fait du caractère multimode, une impulsion courte en partie proximale est fortement allongée en partie distale, ce qui limite les possibilités d'application à l'imagerie non linéaire.
En parallèle des technologies basées sur l'utilisation de fibres multimodes, une technologie également de type « sans lentille » s'est développée basée sur l'utilisation d'un paquet de fibres optiques monomodes (voir par exemple French et al. brevet US 8,585,587). Selon la technique décrite, un modulateur spatial de front d'onde (SLM) agencé du côté proximal du paquet de fibres optiques monomodes permet de contrôler à l'extrémité distale du paquet de fibres le front d'onde émis par une source lumineuse. Du fait qu'il n'y a qu'un mode et donc aucune dispersion de mode dans les fibres optiques monomodes et qu'il est possible de compenser les effets de dispersion chromatique de manière globale, l'utilisation d'un paquet de fibres optiques monomodes permet, par rapport aux fibres multimodes, la propagation d'impulsions courtes. Par ailleurs, la possibilité de distribuer l'énergie lumineuse sur toutes les fibres permet la propagation d'impulsions de forte intensité, ouvrant la voie à l'imagerie endo- microscopique non linéaire. Diverses publications ont décrit des variantes d'endo -micro scopie sans lentille basées sur l'utilisation d'un paquet de fibres optiques monomodes et plus précisément d'une fibre multi- cœurs ou « MCF » selon l'expression anglo-saxonne « Multi-Core Fiber ». Ainsi par exemple, il est montré comment on peut accéder, en partie distale du paquet de fibres optiques, à un balayage très rapide du point de focalisation, en imprimant au moyen d'un dispositif galvanométrique un angle variable du front d'onde en entrée du SLM (voir par exemple E.R. Andresen et al. « Toward endoscopes with no distal optics: video-rate scanning microscopy through a fiber bundle », Opt. Lett. Vol. 38, N°5 (2013)). Dans E.R. Andresen et al. (« Two- photon lensless endoscope», Opt. Express 21 , 20713 (2013)) les auteurs ont démontré la faisabilité expérimentale d'un système d'imagerie non linéaire bi-photonique (TPEF) en endo- micro scopie sans lentille.
La figure 1 A illustre de façon schématique un système d'imagerie endo-microscopique sans lentille 100 tel que décrit dans l'art antérieur et appliqué notamment à l'imagerie non linéaire. Le système d'imagerie 100 comprend généralement une source d'émission 10 pour l'émission d'un faisceau incident formé d'impulsions Io dans le cas de l'application à l'imagerie non linéaire. Le système 100 comprend par ailleurs une voie de détection comprenant un objectif 21 et un détecteur 20. La voie de détection est séparée de la voie d'émission par une lame séparatrice 22. Le système d'imagerie 100 comprend également un dispositif de transport et de contrôle des impulsions Io permettant d'éclairer un objet d'analyse 101 déporté. Le dispositif de transport et de contrôle comprend un paquet de fibres optiques monomodes 40 dont les faces d'entrée 41 et de sortie 42 sont représentées de façon agrandie sur la figure 1 A, et un modulateur spatial de front d'onde (« SLM ») 30 agencé à l'extrémité proximale du paquet de fibres 40 et permettant de contrôler le front d'onde du faisceau émis par la source 10. Le modulateur spatial de lumière permet d'imprimer sur le front d'onde entrant présentant une fonction de phase Φο des déphasages définis Φι(ί) pour chaque faisceau élémentaire Bi destiné à entrer dans une fibre optique Fi du paquet de fibres 40. La fonction de phase Φι(ί) pourra être telle que, par exemple, après propagation dans le paquet de fibres optiques, l'onde sorte avec une phase parabolique Φ2(ί). Cette phase parabolique permet au faisceau de se focaliser du côté distal sur l'objet d'analyse 101 alors qu'il n'y a aucune lentille physique présente ; c'est l'origine de la terminologie « endoscope sans lentille ». Par ailleurs, il est possible grâce au modulateur spatial de lumière de compenser des déphasages introduits par chacune des fibres optiques Fi.
Cependant, les demandeurs ont démontré que dans un mode d'imagerie non linéaire, c'est-à-dire quand des impulsions ultra-courtes sont envoyées dans le paquet de fibres optiques monomodes, typiquement des impulsions de durée inférieure à la picoseconde, les retards de groupe des impulsions voyageant dans les différentes fibres optiques peuvent générer une perte de l'intensité lumineuse sur l'échantillon. On peut exprimer le champ électromagnétique E^(t) décrivant un faisceau élémentaire Bi formé d'impulsions à l'extrémité distale du paquet de fibres sous la forme :
Où s(t) = E^(t) est le champ électromagnétique décrivant le faisceau élémentaire Bo se propageant dans la fibre Fo pris comme référence, φ(ί) représente le terme de phase et Δχ(ί) est le retard de groupe relatif défini par rapport au temps de parcours du faisceau élémentaire B0 dans la fibre de référence Fo.
Comme cela est illustré sur la figure 1B où seul le dispositif de transport et de contrôle du faisceau incident est représenté, les vitesses de groupe Xi(i) des impulsions formant les faisceaux élémentaires Bi en sortie du SLM 30 et incidents dans les fibres optiques Fi du paquet de fibres 40 sont constantes. Autrement dit, les retards de groupe relatifs sont nuls ou quasi-nuls. Par contre, on observe en sortie distale du paquet de fibre, des vitesses de groupe variables dans les différents faisceaux élémentaires décrites par la fonction X2(i) et se traduisant par des retards de groupe relatifs Δχ(ί) non nuls. Ces retards de groupe sont introduits par chacune des fibres optiques monomodes Fi et résultent des inhomogénéités intrinsèques apparaissant inévitablement lors de la fabrication de la fibre ainsi que des inhomogénéités induites par contraintes lors d'une déformation et/ou lors d'un mouvement de la fibre. Il en résulte en sortie distale du paquet de fibres 40 un élargissement temporel de l'impulsion focalisée sur l'objet d'analyse 101, cet élargissement s 'accompagnant d'une diminution de l'intensité lumineuse crête et par conséquent, d'une diminution du signal issu du processus non linéaire.
La présente invention propose des dispositifs et méthodes de transport et de contrôle des impulsions lumineuses dans un système d'imagerie endo -microscopique dit « sans lentille » qui permettent le contrôle des retards de vitesse de groupe des impulsions dans les fibres optiques monomodes du paquet de fibre. Les dispositifs et méthodes décrits dans la présente description permettent de contrôler en extrémité distale du paquet de fibre la durée des impulsions et d'accéder ainsi à des applications d'imagerie non linéaire qui nécessitent la transmission d'impulsions ultra-courtes, typiquement inférieures à la picoseconde. RESUME DE L'INVENTION
Selon un premier aspect, un ou plusieurs exemples de réalisation concernent un dispositif de transport et de contrôle d'impulsions lumineuses à au moins une longueur d'onde pour l'imagerie endo-microscopique sans lentille. Le dispositif comprend un paquet de N fibres optiques monomodes agencées selon un motif donné, destiné à recevoir un faisceau lumineux formé d'impulsions à une extrémité proximale et à émettre un faisceau lumineux à une extrémité distale, chaque fibre optique monomode étant caractérisée par une valeur de retard de groupe relative définie par rapport au temps de parcours d'une impulsion se propageant dans une fibre optique monomode de référence du paquet de fibres.
Le dispositif de transport et de contrôle d'impulsions lumineuses comprend par ailleurs un dispositif optique de contrôle de la vitesse de groupe ou plus précisément un dispositif optique de contrôle des retards de groupe, agencé du côté de l'extrémité proximale du paquet de fibres optiques et comprenant :
Un nombre donné M de lames à retard, chaque lame permettant l'introduction d'un retard donné ;
Un premier modulateur spatial de lumière adapté pour former à partir d'un ou plusieurs faisceaux lumineux incidents un nombre N de faisceaux lumineux élémentaires destinés à entrer chacun dans une desdites fibres optiques, chaque faisceau élémentaire étant destiné à passer dans une lame à retard donnée telle que la somme du retard introduit par ladite lame à retard et du retard de groupe relatif de la fibre optique destinée à recevoir ledit faisceau lumineux élémentaire soit minimale en valeur absolue;
Un deuxième modulateur spatial de lumière adapté pour introduire sur chacun des N faisceaux lumineux élémentaires une déviation telle que chaque faisceau lumineux élémentaire pénètre dans la fibre optique correspondante perpendiculairement à la face d'entrée de la fibre optique.
Le paquet de N fibres optiques monomodes peut être formé d'un ensemble de fibres optiques monomodes, typiquement une centaine à quelques dizaines de milliers de fibres, rassemblées sous forme d'un faisceau de fibres, de façon périodique ou apériodique, ou peut être formée d'une fibre multi-cœurs présentant un ensemble de cœurs monomodes, de préférence au moins une centaine, agencés de façon périodique ou apériodique.
Que ce soit un ensemble de fibres optiques monomodes assemblées en faisceau ou une fibre multi-cœur, on cherchera un paquet de fibres optiques monomodes présentant un couplage le plus faible possible, avantageusement inférieur à -20dB/m. Les M lames à retard sont avantageusement réparties dans un plan. Le nombre M de lames à retard peut être compris entre 1 et quelques dizaines, avantageusement entre 2 et 20, mais en tout état de cause, il est très inférieur au nombre N de fibres optiques monomodes dans le paquet de fibres.
Ainsi, le dispositif de transport et de contrôle selon la présente description permet de rendre minimal l'écart type de l'ensemble des valeurs formé par les retards de groupe des impulsions dans les fibres, quel que soit le paquet de fibres utilisé et même si le paquet de fibres est déplacé ou déformé ; ceci est rendu possible par simple programmation de chacun des modulateurs spatiaux de lumières afin de former des faisceaux élémentaires destinés à entrer dans chacune des fibres du paquet de fibres et contrôler leurs déplacements pour qu'ils passent dans la lame à retard appropriée.
Le dispositif de transport et de contrôle selon la présente description peut également permettre, par programmation de l'un et/ou l'autre des modulateurs spatiaux de lumière, l'application d'un déphasage sur chacun des faisceaux élémentaires, permettant d'inscrire à l'extrémité distale du paquet de fibres une fonction de phase déterminée et/ou de corriger les variations de phase introduites par chacune des fibres du paquet de fibres.
Le dispositif de transport et de contrôle selon la présente description peut également permettre le transport et le contrôle de faisceaux formés d'impulsions de différentes longueurs d'onde, par programmation du premier modulateur spatial de lumière afin d'assurer la répartition des faisceaux lumineux élémentaires formés d'impulsions aux différentes longueurs d'onde dans des sous-ensembles de fibres distincts du paquet de fibres.
Les modulateurs spatiaux de lumière peuvent comprendre des miroirs déformables segmentés ou à membranes (fonctionnant en réflexion) ou des matrices de cristaux liquides fonctionnant en réflexion ou en transmission.
Ainsi, le dispositif optique de contrôle de la vitesse de groupe peut comprendre des éléments fonctionnant en réflexion et/ou transmission, un montage en réflexion présentant cependant l'avantage d'avoir plus de choix sur la technologie des modulateurs spatiaux de lumière.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif optique de contrôle de la vitesse de groupe comprend un premier objectif et un deuxième objectif formant un montage optique avec un plan focal intermédiaire ; les lames à retard sont agencées dans le plan focal intermédiaire du montage optique ; le premier modulateur spatial de lumière se trouve dans un plan focal objet du premier objectif; et le deuxième modulateur spatial de lumière se trouve dans un plan focal image du deuxième objectif. Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, le dispositif optique de contrôle de la vitesse de groupe comprend un objectif ; les lames à retard sont agencées dans un plan situé en amont du premier modulateur spatial de lumière et sont adaptées pour former, à partir d'un faisceau incident formé d'impulsions, M faisceaux lumineux, chaque faisceau lumineux étant formé d'impulsions caractérisées par un retard de groupe donné ; le premier modulateur spatial de lumière est agencé dans le plan focal objet de l'objectif et est destiné à recevoir lesdits M faisceaux lumineux ; le deuxième modulateur spatial de lumière se trouve dans un plan focal image de l'objectif
Par exemple, le premier modulateur spatial de lumière est formé de M zones, sur lesquelles sont formés des hologrammes générés par ordinateur, chaque hologramme étant destiné à recevoir un desdits faisceaux lumineux formé d'impulsions caractérisées par un retard de groupe donné.
Selon un deuxième aspect, un ou plusieurs exemples de réalisation concernent un système d'imagerie endo -microscopique comprenant une source d'impulsions lumineuses, un dispositif de transport et de contrôle des impulsions émises par ladite source selon le premier aspect et une voie de détection de la lumière destinée à traverser le paquet de fibres optiques monomodes de son extrémité distale à son extrémité proximale.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, la source d'impulsions lumineuses est une source laser émettant des impulsions de durée inférieure à une picoseconde, avantageusement entre 100 femtosecondes et 1 picoseconde.
Selon un troisième aspect, un ou plusieurs exemples de réalisation concernent un procédé d'imagerie non linéaire endo -microscopique sans lentille au moyen d'un paquet de fibres optiques monomodes agencées selon un motif donné et caractérisées chacune par un retard de groupe relatif défini par rapport au temps de parcours d'une impulsion se propageant dans une fibre optique monomode de référence du paquet de fibres, le procédé comprenant :
l'émission d'au moins un faisceau incident formé d'impulsions à une longueur d'onde donnée sur un premier modulateur spatial de lumière agencé dans le plan focal objet d'un premier objectif formant avec un deuxième objectif un montage optique avec un plan focal intermédiaire;
la formation au moyen du premier modulateur spatial de lumière à partir du faisceau lumineux incident, d'un nombre N de faisceaux lumineux élémentaires destinés à entrer chacun dans une desdites fibres optiques, chaque faisceau élémentaire passant dans une lame à retard donnée agencée dans le plan focal intermédiaire du montage optique, telle que la somme du retard introduit par ladite lame à retard et du retard de groupe relatif de la fibre optique destinée à recevoir ledit faisceau lumineux élémentaire soit minimale en valeur absolue;
l'introduction au moyen d'un deuxième modulateur spatial de lumière agencé dans le plan focal image du deuxième objectif d'une déviation sur chacun des N faisceaux lumineux élémentaires telle que chaque faisceau lumineux élémentaire pénètre dans la fibre optique correspondante perpendiculairement à la face d'entrée de la fibre optique.
Selon un quatrième aspect, un ou plusieurs exemples de réalisation concernent un procédé d'imagerie non linéaire endo -microscopique sans lentille au moyen d'un paquet de fibres optiques monomodes agencées selon un motif donné et caractérisées chacune par un retard de groupe relatif défini par rapport au temps de parcours d'une impulsion se propageant dans une fibre optique monomode de référence du paquet de fibres, le procédé comprenant :
l'émission d'au moins un faisceau incident formé d'impulsions à une longueur d'onde donnée et la formation à partir dudit faisceau incident et au moyen de lames à retard d'un nombre M de faisceaux lumineux, chacun des M faisceau lumineux étant formé d'impulsions caractérisées par un retard de groupe donné,
la formation au moyen d'un premier modulateur spatial de lumière agencé dans le plan focal objet d'un premier objectif et à partir des M faisceaux lumineux d'un nombre N de faisceaux lumineux élémentaires destinés à entrer chacun dans une desdites fibres optiques, telle que la somme du retard du faisceau lumineux à partir duquel est formé le faisceau lumineux élémentaire introduit et du retard de groupe relatif de la fibre optique destinée à recevoir ledit faisceau lumineux élémentaire soit minimale en valeur absolue; l'introduction au moyen d'un deuxième modulateur spatial de lumière agencé dans le plan focal image de l'objectif d'une déviation sur chacun des N faisceaux lumineux élémentaires telle que chaque faisceau lumineux élémentaire pénètre dans la fibre optique correspondante perpendiculairement à la face d'entrée de la fibre optique. Avantageusement, les retards de groupe relatifs des fibres optiques monomode du paquet de fibre sont caractérisés à la longueur d'onde des impulsions formant le faisceau lumineux incident.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, l'un et/ou l'autre des modulateurs spatiaux de lumière permet l'application d'un déphasage sur chacun des faisceaux élémentaires, permettant d'inscrire à l'extrémité distale du paquet de fibres une fonction de phase déterminée et/ou de corriger les variations de phase introduites par chacune des fibres du paquet de fibres.
Selon un ou plusieurs exemples de réalisation, notamment pour les applications en imagerie non linéaire dans lesquelles on fait interagir des impulsions à différentes longueurs d'onde, le procédé comprend l'émission de faisceaux lumineux incidents formés d'impulsions à des longueurs d'onde distinctes. Dans ce ou ces exemples de réalisation, le premier modulateur spatial de lumière permet en outre la répartition des faisceaux lumineux élémentaires dans des sous-ensembles de fibres distincts et identifiés du paquet de fibres, chaque sous-ensemble de fibres étant destiné à recevoir les faisceau lumineux formés d'impulsions à une longueur d'onde donnée.
Les procédés d'imagerie non linéaire endo -microscopique décrits dans la présente description s'appliquent à tout type d'imagerie non linéaire, et notamment la génération de fluorescence et d'auto-f uorescence à deux-photon, la génération de fluorescence et d'auto- fluorescence à n-photons, la génération de deuxième harmonique, la génération de troisième harmonique, la génération d'une nième-harmo nique, la génération de somme et de différence de fréquences, la génération de signal Raman cohérent, la génération de signaux d'absorption transitoire, la modification d'indice transitoire.
BREVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à la lecture de la description, illustrée par les figures suivantes :
Figures 1A et 1B (déjà décrites), un schéma de principe d'un endoscope dit « sans lentille » basé sur l'utilisation d'un paquet de fibres monomodes et un schéma illustrant la problématique de retard de groupe dans les fibres dans le cas d'impulsions ultra-brèves ;
Figures 2 A et 2B, des schémas illustrant un exemple de système d'imagerie endo- microscopique sans lentille selon la présente description ;
Figures 3 A à 3D, des figures illustrant un exemple de fibre optique multi- cœurs et sa caractérisation, pour la mise en œuvre d'une méthode d'imagerie endo -microscopique sans lentille, selon la présente description ;
Figure 4, un schéma illustrant un exemple de lames à retard pour la mise en œuvre d'une méthode d'imagerie endo -microscopique sans lentille, selon la présente description ;
Figures 5A et 5B, des schémas illustrant respectivement la dispersion des retards de groupes dans la fibre multi-cœurs représentée sur la figure 3A, avant et après mise en œuvre d'une méthode d'imagerie endo -microscopique selon la présente description ;
Figure 6, des premiers résultats expérimentaux comparant l'allure spatial du point focal en sortie d'une fibre multi-cœurs représentée sur la figure 3A avec ou sans application d'une méthode d'imagerie endo-microscopique selon la présente description ;
Figure 7, un schéma illustrant un exemple de système d'imagerie endo-microscopique « sans lentille » selon un autre exemple de la présente description ;
Figures 8A et 8B, des schémas illustrant des exemples de système d'imagerie endo- microscopique « sans lentille » selon d'autres exemples de la présente description ;
Figure 9, un ensemble de schémas illustrant une méthode de mesure distale des retards de groupe dans un paquet de fibres monomodes ;
Figure 10, un ensemble de schémas illustrant une méthode de mesure proximale des retards de groupe dans un paquet de fibres monomodes.
DESCRIPTION DETAILLEE
Dans les figures, les éléments identiques sont indiqués par les mêmes références.
Les figures 2A et 2B illustrent de façon schématique un système 200 d'imagerie endo- microscopique « sans lentille » selon la présente description ainsi que le principe de mise en œuvre.
Le système 200 comprend généralement une voie d'émission, avec une source lumineuse 10 pour l'émission d'impulsions lumineuses ultra courtes I0, typiquement inférieures à la picoseconde, par exemple entre 100 femtosecondes et une picoseconde, et une voie de détection adaptée pour la détection de la lumière destinée à traverser le paquet de fibres optiques monomodes 40 de son extrémité distale à son extrémité proximale. La lumière détectée est par exemple la lumière issue du processus non linéaire dans l'échantillon après excitation. La voie de détection comprend un objectif 21 et un détecteur 20 et est séparée de la voie d'émission par une lame séparatrice 22, par exemple une lame dichroïque dans le cas d'applications d'imagerie non linéaire dans lesquelles la longueur d'onde de détection (par exemple la fluorescence à 2 photons) est différente de la longueur d'onde d'émission.
Le système 200 comprend également un dispositif de transport et de contrôle des impulsions lumineuses. Selon la présente description, le dispositif de transport et de contrôle des impulsions lumineuses comprend un dispositif optique 50 de contrôle de la vitesse de groupe, ou dispositif de contrôle des retards de groupe (« GDC » pour « Group Delay Control »), un paquet de N fibres optiques monomodes Fi, référencé 40, et avantageusement, un système optique 60 de type télescope, permettant d'adapter les dimensions du faisceau issu du dispositif optique de contrôle de la vitesse de groupe 50 à la face d'entrée 41 du paquet de fibres 40. Sur l'exemple de la figure 2A, la voie de détection est représentée entre la source lumineuse 10 et le GDC 50. La voie de détection pourrait tout aussi bien se trouver entre le GDC 50 et le paquet de fibres 40, par exemple entre le GDC 50 et le télescope 60.
Les N fibres optiques monomodes Fi du paquet de fibres 40 sont agencées selon un motif donné. Dans l'exemple montré sur les figures 2A et 2B les fibres optiques monomodes Fi sont agencées de façon périodique ; chaque fibre Fi forme par exemple le cœur d'une fibre multi- cœurs ou « MCF ». Le paquet de fibres optiques 40 comprend une face d'entrée 41 située du côté proximal, c'est-à-dire du côté destiné à recevoir un flux lumineux incident et une face de sortie 42 située du côté distal, c'est-à-dire du côté destiné à l'émission d'un faisceau lumineux sortant pour l'illumination d'un objet d'analyse 101.
Chaque fibre optique Fi du paquet de fibres est caractérisé par un retard de groupe relatif Δχ; défini par la différence de temps que met un faisceau élémentaire Bi formé d'une impulsion lumineuse pour traverser la fibre Fi et le temps que met un faisceau élémentaire formé d'une même impulsion lumineuse pour traverser une fibre de référence Fo choisie arbitrairement dans le paquet de fibres. Les retards de groupe relatifs Δχ; décrivent donc les retards relatifs des impulsions lumineuses se propageant dans les fibres optiques Fi. La caractérisation des retards de groupe relatifs peut se faire par des méthodes de caractérisation connues qui seront décrites plus en détails par la suite.
Selon la présente description et comme illustré de façon générale sur la figure 2B, le dispositif optique de contrôle de la vitesse de groupe GDC (50) est agencé du côté proximal du paquet de fibres optiques monomodes 40 et est destiné à réduire, du côté distal du paquet de fibres optiques, l'écart relatif entre les différents faisceaux élémentaires Bi. Ainsi, le dispositif optique de contrôle de la vitesse de groupe 50 selon la présente description est adapté pour introduire au niveau de chaque faisceau élémentaire Bi , destiné à entrer dans une fibre optique monomode Fi du paquet de fibres 40, un retard de groupe qui va compenser au moins partiellement le retard de groupe Δχ; caractérisant la fibre Fi, de telle sorte à ce que les retards de groupe relatifs dans les différents faisceaux élémentaires en sortie du paquet de fibres 40 soient proches de zéro et au moins inférieurs à la moitié de la durée des impulsions destinées à se propager dans le paquet de fibres. Comme cela est montré sur la figure 2B, il résulte du contrôle des vitesses de groupe Xi(i) du coté proximal du paquet de fibres, une répartition des vitesses de groupe X2(i) sensiblement constante du côté distal.
La figure 2A illustre un premier exemple pour la réalisation d'un dispositif optique de contrôle de la vitesse de groupe GDC selon la présente description. Le dispositif optique de contrôle de la vitesse de groupe 50 comprend dans cet exemple un premier objectif 53 caractérisé par une distance focale f| et un deuxième objectif 54 caractérisé par une distance focale f2. Les objectifs 53 et 54 sont définis par tout système optique adapté, par exemple utilisant des lentilles et/ou des miroirs. Les premier et deuxième objectifs 53, 54 sont agencés pour former un montage optique avec un plan focal intermédiaire (∑i) confondu avec le plan focal image du premier objectif 53 et le plan focal objet du deuxième objectif 54.
Le dispositif optique de contrôle de la vitesse de groupe 50 comprend par ailleurs un nombre donné M de lames à retard Pj, avantageusement entre 2 et 20 lames, réparties spatialement dans un plan, ce plan étant dans l'exemple de la figure 2A, le plan focal intermédiaire (∑i). Chaque lame est conçue pour permettre l'introduction d'un retard ôtj donné.
Le dispositif de contrôle de la vitesse GDC comprend également un premier modulateur spatial de lumière 51 adapté pour former à partir d'un faisceau incident formé d'impulsions I0 émises par la source lumineuse 10, un nombre N de faisceaux lumineux élémentaires Bi destinés à entrer dans chacune des N fibres optiques Fi du paquet de fibres 40. Dans l'exemple de la figure 2 A, le premier modulateur spatial de lumière 51 se trouve dans un plan focal objet du premier objectif 53 et est conçu pour inscrire sur chaque faisceau élémentaire Bi une déviation telle que chaque faisceau élémentaire Bi passe dans la lame à retard Pj appropriée. La lame à retard Pj appropriée est celle qui inscrit un retard ôtj telle que la somme du retard ôtj introduit par la lame à retard Pj et du retard de groupe relatif Δχ; de la fibre optique Fi destinée à recevoir ledit faisceau lumineux élémentaire Bi soit proche de zéro quelle que soit la fibre optique Fi ou du moins inférieure à la moitié de la durée d'impulsion. Dans la pratique, le nombre M de lames à retard est très inférieur au nombre N de fibres optiques monomodes dans le paquet de fibres 40 (par exemple une fibre multi-cœurs) et un grand nombre de faisceaux élémentaires Bi se voient imprimer le même retard. On cherche alors à minimiser la variance de l'histogramme de l'ensemble des valeurs (ôtj + Δχ;) où ôtj est le retard appliqué au faisceau élémentaire Bi destiné à traverser la fibre Fi caractérisée par un retard de groupe Δχ;, comme cela sera illustré à travers un exemple par la suite.
Le dispositif de contrôle de la vitesse 50 selon la présente description comprend également un deuxième modulateur spatial de lumière 52 adapté pour introduire sur chacun des N faisceaux lumineux élémentaires Bi une déviation telle que chaque faisceau lumineux élémentaire Bi pénètre dans la fibre optique correspondante Fi perpendiculairement à la face d'entrée de la fibre optique. Dans l'exemple de la figure 2A, le deuxième modulateur spatial de lumière 52 se trouve dans un plan focal image du deuxième objectif 54 et permet de compenser la déviation introduite sur chaque faisceau élémentaire Bi par le premier modulateur spatial de lumière 51.
Sur le schéma simplifié de la figure 2A, trois faisceaux élémentaires Bl s B2, B3 sont ainsi représentés. Ces faisceaux sont formés à partir d'un faisceau incident sur le premier modulateur spatial de lumière 51, le faisceau incident étant formé d'impulsions I0 émises par la source lumineuse 10. Les faisceaux Bi et B2 destinés à entrer dans les fibres optiques Fi et F2 (non représentées) du paquet de fibres 40, caractérisées par des retards de groupe Δχι et Δχ2, sont déviés par le premier modulateur spatial de lumière 51 et focalisés par le premier objectif 53 de telle sorte à traverser une lame à retard Pi caractérisée par un retard δίι tandis que le faisceau B3 destiné à entrer dans la fibre optique F3 (non représentée) du paquet de fibres 40, caractérisée par un retard de groupe Δχ3, est dévié par le premier modulateur spatial de lumière 51 et focalisé par le premier objectif 53 pour traverser une lame à retard caractérisée par un retard ôt2. Les faisceaux élémentaires Bl s B2, B3 sont ensuite envoyés au moyen du deuxième objectif 54 vers le deuxième modulateur spatial de lumière 52 qui inscrit une déviation qui compense la déviation inscrite par le premier modulateur spatial de lumière 51 de telle sorte à ce que les faisceaux élémentaires sortent chacun avec un axe optique perpendiculaire à la face d'entrée 41 du paquet de fibres 40. Les faisceaux Bl s B2, B3 sont formés d'impulsions lumineuses qui présentent respectivement des retards δίι, δίι, ôt2 et qui, après traversée des fibres optiques monomodes Fl s F2, F3 présenteront des écarts relatifs de vitesse de groupe nuls ou réduits.
Dans l'exemple de la figure 2 A, les faisceaux élémentaires Bi en sortie du deuxième modulateur spatial de lumière 52 sont focalisés dans un plan focal∑2 et un système optique 60 de type télescope permet d'appliquer un grandissement strictement inférieur à 1 pour adapter l'ensemble des points de focalisation formés dans le plan focal∑2 au motif formé par les fibres Fi au niveau de la face d'entrée 41 du paquet de fibres 40.
Selon une variante, la focalisation des faisceaux élémentaires Bi en sortie du deuxième modulateur spatial de lumière 52 dans le plan focal∑2 est assurée grâce au modulateur spatial de lumière 52 qui introduit au niveau de chaque faisceau élémentaire Bi une phase parabolique. Alternativement, le dispositif de contrôle de la vitesse 50 peut comprendre en sortie du deuxième modulateur spatial de lumière 52 une optique (non représentée), par exemple une matrice de microlentilles, qui puisse assurer la focalisation de chaque faisceau élémentaire.
Le dispositif de contrôle de la vitesse 50 tel que décrit au moyen des figures 2A et 2B permet ainsi de façon simple un contrôle de la vitesse de groupe au niveau de chacune des fibres optiques monomodes Fi du paquet de fibres 40.
Bien entendu, ce dispositif de contrôle de la vitesse, ou GDC, peut tout à fait être employé pour compenser des retards de phase qui auront préalablement été caractérisés sur les fibres du paquet de fibre et/ou pour inscrire au niveau de chaque faisceau élémentaire une fonction de phase qui permettra de former la fonction de phase recherchée à l'extrémité distale du paquet de fibres 40, par exemple une fonction parabolique pour la formation d'un point de focalisation.
Dans l'exemple de la figure 2 A, ces fonctions pourront être assurées par l'un et/ou l'autre des premier et deuxième modulateurs spatiaux de lumière 51 , 52.
Dans l'exemple de la figure 2A, le premier et/ou le deuxième modulateur spatial de lumière pourra être formé d'un modulateur à base de miroirs déformables segmentés ou à membranes, fonctionnant en réflexion, ou d'une matrice à cristaux liquides pouvant fonctionner en réflexion ou en transmission.
Les figures 3 à 6 montrent des premiers résultats expérimentaux obtenus avec un système d'imagerie tel que décrit sur la figure 2A et permettant de valider la méthode selon la présente description.
Dans cet exemple, la source lumineuse est un laser femtoseconde, émettant des impulsions de 150 fs à une longueur d'onde de 1.035 μιη. Le dispositif de transport et de contrôle des impulsions comprend un paquet de fibres optiques monomodes formé ici d'une fibre multi-cœurs.
La fibre multi-cœurs 40 utilisée est illustrée sur la figure 3A. Elle comprend un ensemble de 169 cœurs monomodes Fi agencés de façon périodique et référencés à partir d'une fibre centrale F0, comme cela est montré sur la figure 3B. Chaque cœur monomode Fi est destiné à recevoir à son extrémité proximale un faisceau élémentaire Bi qui traverse le cœur pour en sortir à une extrémité distale, comme expliqué précédemment. Le cœur central Fo forme la fibre monomode de référence pour la détermination du retard de groupe Δχ; qui caractérise chaque cœur monomode Fi. La fibre multi-cœurs comprend également dans cet exemple une gaine interne multimodes 44 adaptée pour collecter le signal lumineux depuis l'extrémité distale jusqu'à l'extrémité proximale. Dans l'exemple montré sur la figure 3A, la distance inter-cœurs est de 1 1,8 μιη, le diamètre d'un mode dans chaque cœur monomode est de 3,6 μιη et la divergence correspondante de 0, 12 radians ; le diamètre de la gaine intérieure multimodes 44 est de 250 μιη. Le couplage mesuré entre un cœur monomode Fi et son voisin le plus proche est inférieur à -25 dB, et ce même avec une courbure appliquée à la fibre multi-cœur de 12,5 cm de rayon.
Une caractérisation des retards de groupe relatifs de chacun des cœurs monomodes de la fibre multi-cœurs 40 est effectuée au moyen d'une méthode connue, par exemple une méthode décrite au moyen des figures 9 et 10. La figure 3C représente ainsi les retards de groupe relatifs mesurés Δχ; pour les cœurs d'indice i de la fibre multi-cœur. Le retard de groupe est défini comme la différence entre le temps que met une impulsion lumineuse pour traverser la fibre Fi et le temps que met une impulsion lumineuse identique pour traverser la fibre de référence F0. La figure 3D montre l'histogramme de l'ensemble des valeurs des retards de groupe.
Comme décrit au moyen de la figure 2A, le dispositif de contrôle de la vitesse 50 permet de partitionner les N faisceaux élémentaires destinés à entrer dans les N cœurs monomodes de la fibre multi-cœur 40 en M groupes sur lesquels vont être imprimés M valeurs de retard au moyen de M lames à retard P].
Les M lames à retard P] sont par exemple formées au moyen de M-l lamelles de verre d'épaisseur égale, la lamelle d'indice j comprenant j trous chacun susceptible de laisser passer un groupe de faisceaux élémentaires ; les M-l lamelles sont empilées afin de constituer une lamelle à retard comprenant M zones permettant d'imprimer, sur les faisceaux élémentaires, M retards Atj. Les trous peuvent être faits, par exemple, par ablation laser.
Ainsi la figure 4 illustre la réalisation de 3 lames à retard Pi, P2, P3 au moyen de 2 lamelles 56, 57 d'épaisseurs sensiblement égales, la lamelle 56 présentant 2 trous et la lamelle 57 ne présentant qu'un trou, les lamelles étant disposées de telle sorte à former 3 zones définissant les 3 lames à retard et qui imprimeront respectivement des retards de 0xôtg, lxôtg, 2xôtg, où ôtg est le retard introduit par passage d'une impulsion à travers une lamelle.
Les lames à retard peuvent être formées également par tout autre moyen connu. Il peut s'agir par exemple de M barreaux de verre de diamètre égal mais de longueur différente. Chaque barreau est susceptible de laisser passer un groupe de faisceaux élémentaires. Les barreaux sont par exemple agencés les uns contre les autres, permettant d'imprimer, sur les faisceaux élémentaires, M retards ôtj. La longueur d'un barreau peut être réglée par exemple par polissage. Les lames à retard peuvent également être formées à partir d'une lamelle de verre qu'on divise en M zones ; par une méthode de micro-fabrication, on creuse chacune des zones afin de confectionner M zones d'épaisseur différente. La méthode de micro-gravure peut être une gravure sèche (Reactive Ion Etching) ou humide (HF) ou encore utiliser un faisceau d'ions focalisé (Focussed ion beam).
Comme pour les modulateurs spatiaux de lumière, les lames à retard peuvent travailler soit en transmission soit en réflexion.
Si l'on revient à l'exemple des figures 3 à 6, chacun des N faisceaux élémentaires Bi va donc passer à travers l'une des 3 lames à retard Pi, P2, P3, en fonction de la valeur du retard de groupe relatif Δχ; de la fibre Fi qu'il est destiné à traverser. Comme M est très inférieur à N, un grand nombre de faisceaux élémentaires Bi se voient imprimer le même retard dans le plan focal intermédiaire∑i.
Les figures 5A et 5B montrent par des histogrammes l'ensemble des valeurs des retards de groupe relatifs dans un cas où il n'y a pas le dispositif de contrôle de la vitesse de groupe (FIG. 5A) et dans le cas où le dispositif de contrôle de la vitesse de groupe est présent (FIG. 5B). On observe une nette diminution de la variance d'un histogramme à l'autre, et ce déjà avec 3 lames introduisant 3 valeurs distinctes de retard.
La figure 6 montre l'allure spatiale d'un point focal en sortie de la fibre multi-cœurs avec application de la méthode de contrôle de la vitesse de groupe (à gauche) et sans application de ladite méthode (à droite). Sur les figures du bas, est représentée l'image du point focal, et sur les figures du haut, la répartition spatiale de l'intensité. Là encore, ces premiers résultats expérimentaux montrent le gain en intensité obtenu grâce à la méthode selon la présente description.
La figure 7 illustre un schéma d'un exemple de système d'imagerie endo- microscopique sans lentille selon un autre exemple de la présente description.
Cet exemple est identique à celui de la figure 2A mais représente le cas d'un arrangement apériodique des fibres optiques monomodes dans le faisceau de fibres 40. On observe que le dispositif et la méthode de transport et de contrôle des impulsions selon la présente description s'applique aussi bien à un paquet de fibres présentant des fibres arrangées de façon apériodique.
La figure 8A illustre un schéma d'un exemple de système d'imagerie endo- microscopique sans lentille selon un autre exemple de la présente description.
Dans le schéma décrit sur la figure 8A, on tire partie du fait que M«N pour d'abord réaliser un retard différentiel entre M sous parties du faisceau incident collimaté. Sur la figure 8A, le faisceau incident collimaté est subdivisé en M=2 sous parties ayant un retard δίι ou ôt2. Ce retard peut être avantageusement réalisé par une lame micro-structurée comme décrit précédemment. Il s'agit alors d'affecter, dans les N fibres du paquet de fibre optique, un sous faisceau élémentaire avec le retard choisi, ici δίι ou ôt2. Dans cet exemple, le premier modulateur spatial de lumière 51 comprend avantageusement une matrice de cristaux liquides. On utilise par exemple la propriété additive des hologrammes qui consiste à générer, sur M zones du premier modulateur spatial de lumière 51 , un ensemble d'hologrammes permettant de diffracter le faisceau incident correspondant au retard 6 dans différentes directions. Ces différentes directions apparaissent comme des points de focalisation dans le plan du deuxième modulateur spatial de lumière 52 et ce dernier réalise une déviation telle que chaque faisceau lumineux élémentaire pénètre perpendiculairement à la face d'entrée de la fibre optique. Les hologrammes formés au niveau de chacune des M zones du premier modulateur spatial de lumière sont par exemple des hologrammes générés par ordinateur ou « CGH » selon l'abréviation de l'expression anglo-saxonne « computer-generated hologram ». De tels hologrammes sont par exemple décrits dans Liesener et al. , « Multi-functional optical tweezers using computer- generated holograms », Opt. Commun., 185, 77 (2000).
La figure 8B illustre un schéma d'un exemple de système d'imagerie endo- microscopique sans lentille similaire à celui de la figure 8A mais utilisé dans une application mettant en œuvre des impulsions à deux longueurs d'onde, par exemple pour les applications en imagerie non linéaire à deux faisceaux.
Selon cet exemple, chaque fibre du paquet de fibre 40 est destinée à transporter un faisceau élémentaire à une longueur d'onde donnée et le retard de groupe relatif de cette fibre est avantageusement caractérisé à cette longueur d'onde. Dans cet exemple, le premier modulateur spatial de lumière 51 permet en outre la répartition des faisceaux lumineux élémentaires formés d'impulsions à une longueur d'onde donné dans un sous-ensemble identifié des fibres du paquet de fibres 40.
Dans l'exemple illustré sur la figure 8B, le faisceau à la première longueur d'onde λι, matérialisé par des flèches simples, traverse ainsi par exemple deux lames à retard Pi, P2 caractérisées par des retards respectifs δίι et ôt2 et le faisceau à la deuxième longueur d'onde λ2, matérialisé par des flèches doubles, traverse deux lames à retard P3, P4 caractérisées par des retards respectifs ôt3 et ôt4. Comme dans l'exemple de la figure 8 A, le premier modulateur spatial de lumière 51 permet de former N faisceaux élémentaires, chaque faisceau élémentaire de longueur d'onde donnée étant caractérisé par un retard introduit par la lame traversée et destiné à entrer dans une fibre optique préalablement identifiée du paquet de fibre. Par exemple, N/2 fibres du paquet de fibre reçoivent des faisceaux élémentaires à la première longueur d'onde λι, alors que les N/2 fibres restantes du paquet de fibre reçoivent des faisceaux élémentaires à la deuxième longueur d'onde λ2. Dans l'exemple illustré sur la figure 8B, six faisceaux élémentaires sont affichés, dont trois à la longueur d'onde λι et trois à la longueur d'onde λ2. Par exemple, ces deux groupes de fibres sont choisis de telle sorte que les fibres transportant λι et λ2 soient entrelacées sur la face proximale du paquet de fibres. Dans l'exemple illustré sur la figure 8B, l'entrelacement est illustré par le fait qu'en aval de SLM2, les faisceaux élémentaires alternent entre λι et λ2.
Les figures 9 et 10 illustrent des exemples de méthode pour la caractérisation des retards relatifs de groupe dans un paquet de fibres 40 d'un dispositif de transport et de contrôle d'impulsions lumineuses selon la présente description, par exemple pour la caractérisation d'une fibre multi-cœurs. Ces méthodes sont basées sur les techniques connues d' interféra métrie spectrale (voir par example Lepetit et al., « Linear techniques of phase measurement by femtosecond spectral interferometry for applications in spectroscopy », J. Opt. Soc. Am. B, 12(12), 2467 (1995)). La figure 9 illustre une méthode adaptée à une mesure distale des retards de groupe tandis que la figure 10 illustre une méthode adaptée à une mesure proximale des retards de groupe, dans laquelle il n'est pas nécessaire d'avoir accès à l'extrémité distale du paquet de fibres.
Comme illustré sur la figure 9, la méthode pour la caractérisation des retards de groupe met en œuvre un spectromètre fibré 90 et un modulateur spatial de lumière 91. La mesure du retard de groupe relatif Δχ; d'une fibre Fi, défini par rapport au temps de parcours d'une impulsion se propageant dans une fibre de référence F0, comprend les étapes suivantes. Seuls les faisceaux élémentaires Bi et B0 destinés à entrer dans les fibres optiques Fi, F0 sont formés. Ils traversent les fibres optiques Fi et F0 respectivement. En sortant du paquet de fibres 40 du coté distal, Bi et B0 divergent et se recouvre spatialement. Dans un plan ou le recouvrement est presque total, une fibre optique 92 collecte une partie de chaque faisceau. La fibre optique 92 achemine la lumière collectée à l'analyseur de spectre 90. Le spectre comprend une modulation sinusoïdal (courbes 94), dont la période est égal à (Δχ;)-1 ; on en déduit ainsi Δ¾, la valeur recherchée. Dans la pratique, pour éliminer tout signal de fond ne provenant pas de Bi ou B0, le spectre est mesuré suivant le principe d'interférométrie à décalage de phase ou la phase de Bi (par rapport à Bo) est balayée en utilisant le modulateur spatial de lumière 91, selon la technique d'interférométrie à décalage de phase (voir par example Bruning et al., « Digital Wavefront Measuring Interferometer for Testing Optical Surfaces and Lenses », Appl. Opt. 13(11), 2693 (1976), Eqs. (3-6)).
Il est également possible de mesurer Δ¾ sans avoir accès à la partie distale du paquet de fibres 40 comme cela est illustré sur la figure 10. En effet, environ 3 % de Bo et Bi est réfléchi par la face distale du paquet de fibres, du fait de la différence d'indices de réfraction à l'interface entre la paquet de fibres et l'air. Les faisceaux réfléchis ΒΌ et B\ sortant du coté proximal du paquet de fibres 40 peuvent être acheminés vers une fibre optique 92 au moyen d'une lame séparatrice 96 (par exemple une lame semi-réfléchissante ou un cube séparateur de polarisations). La mesure se fait comme décrit précédemment ; dans ce cas on mesure (2Δχί)_1 car les impulsions font un aller-retour dans le paquet de fibres.
Bien que décrits à travers un certain nombre d'exemples de réalisation détaillés, le dispositif de transport et de contrôle d'impulsions lumineuses pour l'imagerie endo- microscopique dite « sans lentille » ainsi que les systèmes et procédés d'imagerie endo- microscopiques sans lentille comprennent différentes variantes, modifications et perfectionnements qui apparaîtront de façon évidente à l'homme de l'art, étant entendu que ces différentes variantes, modifications et perfectionnements font partie de la portée de l'invention, telle que définie par les revendications qui suivent.

Claims

REVENDICATIONS
Dispositif de transport et de contrôle d'impulsions lumineuses à au moins une longueur d'onde pour l'imagerie endo -microscopique sans lentille comprenant :
un paquet (40) de N fibres optiques monomodes (Fi) agencées selon un motif donné, destiné à recevoir un faisceau lumineux formé d'impulsions (I0) à une extrémité proximale et à émettre un faisceau lumineux à une extrémité distale, chaque fibre optique monomode (Fi) étant caractérisée par une valeur de retard de groupe relative (Δχ;) définie par rapport au temps de parcours d'une impulsion se propageant dans une fibre optique monomode de référence (F0) du paquet de fibres (40),
un dispositif optique de contrôle de la vitesse de groupe (50) agencé du côté de l'extrémité proximale du paquet de fibres optiques et comprenant:
Un nombre donné M de lames à retard (Pj), chaque lame permettant l'introduction d'un retard (ôtj) donné ;
Un premier modulateur spatial de lumière (51) adapté pour former à partir d'un ou plusieurs faisceaux lumineux incidents un nombre N de faisceaux lumineux élémentaires (Bi) destinés à entrer chacun dans une desdites fibres optiques (Fi), chaque faisceau élémentaire (Bi) étant destiné à passer dans une lame à retard donnée (Pj) telle que la somme (ôtj +Δχ;) du retard (ôtj) introduit par ladite lame à retard et du retard de groupe relatif (Δχ;) de la fibre optique (Fi) destinée à recevoir ledit faisceau lumineux élémentaire (Bi) soit minimale en valeur absolue;
Un deuxième modulateur spatial de lumière (52) adapté pour introduire sur chacun des N faisceaux lumineux élémentaires (Bi) une déviation telle que chaque faisceau lumineux élémentaire (Bi) pénètre dans la fibre optique correspondante (Fi) perpendiculairement à la face d'entrée de la fibre optique ;
un dispositif de contrôle de la phase comprenant des moyens de programmation de l'un et/ou l'autre des premier et deuxième modulateurs spatiaux de lumière (51, 52) permettant l'application d'un déphasage sur chacun des faisceaux élémentaires (Bi) pour inscrire à l'extrémité distale du paquet de fibres (40) une fonction de phase déterminée et/ou de corriger les variations de phase introduites par chacune des fibres du paquet de fibres (40).
Dispositif de transport et de contrôle d'impulsions lumineuses selon la revendication 1, dans lequel le dispositif optique de contrôle de la vitesse de groupe (50) comprend un premier objectif (53) et un deuxième objectif (54) formant un montage optique avec un plan focal intermédiaire (∑i) et dans lequel :
les lames à retard (Pj) sont agencées dans le plan focal intermédiaire (∑i) du montage optique ;
le premier modulateur spatial de lumière (51) se trouve dans un plan focal objet du premier objectif (53); et
le deuxième modulateur spatial de lumière (52) se trouve dans un plan focal image du deuxième objectif (54).
Dispositif de transport et de contrôle d'impulsions lumineuses selon la revendication 1, dans lequel le dispositif optique de contrôle de la vitesse de groupe (50) comprend un objectif (58) et dans lequel :
les lames à retard sont agencées dans un plan situé en amont du premier modulateur spatial de lumière (51) et sont adaptées pour former, à partir d'un faisceau incident formé d'impulsions (Io), M faisceaux lumineux, chaque faisceau lumineux étant formé d'impulsions caractérisées par un retard de groupe (ôtj) donné ;
- le premier modulateur spatial de lumière (51) est agencé dans le plan focal objet de l'objectif (58) et est destiné à recevoir lesdits M faisceaux lumineux ;
- le deuxième modulateur spatial de lumière (52) se trouve dans un plan focal image de l'objectif (58).
Dispositif de transport et de contrôle d'impulsions lumineuses selon la revendication 3, dans lequel le premier modulateur spatial de lumière (51) est formé de M zones holographiques, chaque zone holographique étant destiné à recevoir un desdits faisceaux lumineux formé d'impulsions caractérisées par un retard de groupe (ôtj) donné.
Dispositif de transport et de contrôle d'impulsions lumineuses selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le paquet de N fibres optiques monomodes (Fi) est formé d'une fibre multi-cœurs.
Dispositif de transport et de contrôle d'impulsions lumineuses selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les N fibres optiques monomodes sont agencées de façon apériodique. Système d'imagerie endo -microscopique comprenant :
une source (10) d'impulsions lumineuses,
un dispositif de transport et de contrôle des impulsions émises par ladite source selon l'une quelconque des revendications précédentes et
une voie de détection (20, 21) de la lumière destinée à traverser le paquet de fibres optiques monomodes (40) de son extrémité distale à son extrémité proximale.
Procédé d'imagerie non linéaire endo-microscopique sans lentille au moyen d'un paquet de fibres optiques monomodes (40) agencées selon un motif donné et caractérisées chacune par un retard de groupe relatif (Δχ;) défini par rapport au temps de parcours d'une impulsion se propageant dans une fibre optique monomode de référence (F0) du paquet de fibres (40), le procédé comprenant :
l'émission d'un faisceau incident formé d'impulsions (I0) à au moins une longueur d'onde sur un premier modulateur spatial de lumière (51) agencé dans le plan focal objet d'un premier objectif (53) formant avec un deuxième objectif (54) un montage optique avec un plan focal intermédiaire (∑i);
la formation au moyen du premier modulateur spatial de lumière (51) à partir du faisceau lumineux incident, d'un nombre N de faisceaux lumineux élémentaires (Bi) destinés à entrer chacun dans une desdites fibres optiques (Fi), chaque faisceau élémentaire (Bi) passant dans une lame à retard donnée (Pj) caractérisée par un retard (ôtj) et agencée dans le plan focal intermédiaire (∑i) du montage optique, telle que la somme (ôtj +Δχί) du retard (ôtj) introduit par ladite lame à retard et du retard de groupe relatif (Δ¾) de la fibre optique (Fi) destinée à recevoir ledit faisceau lumineux élémentaire (Bi) soit minimale en valeur absolue;
l'introduction au moyen d'un deuxième modulateur spatial de lumière (52) agencé dans le plan focal image du deuxième objectif (54) d'une déviation sur chacun des N faisceaux lumineux élémentaires (Bi) telle que chaque faisceau lumineux élémentaire (Bi) pénètre dans la fibre optique correspondante (Fi) perpendiculairement à la face d'entrée de la fibre optique.
l'application d'un déphasage sur chacun des faisceaux élémentaires (Bi) par l'un ou l'autre des premier et deuxième modulateurs spatiaux de lumière (51, 52) pour inscrire à l'extrémité distale du paquet de fibres (40) une fonction de phase déterminée et/ou de corriger les variations de phase introduites par chacune des fibres du paquet de fibres (40). Procédé d'imagerie non linéaire endo-microscopique sans lentille au moyen d'un paquet de fibres optiques monomodes (40) agencées selon un motif donné et caractérisées chacune par un retard de groupe relatif (Δχ;) défini par rapport au temps de parcours d'une impulsion se propageant dans une fibre optique monomode de référence (F0) du paquet de fibres (40), le procédé comprenant :
l'émission d'un faisceau incident formé d'impulsions (I0) à au moins une longueur d'onde et la formation à partir dudit faisceau incident et au moyen de M lames à retard (Pj) caractérisées chacune par un retard (ôtj) d'un nombre M de faisceaux lumineux, chacun des M faisceaux lumineux étant formé d'impulsions caractérisées par un retard de groupe (ôtj) donné,
la formation au moyen d'un premier modulateur spatial de lumière (51) agencé dans le plan focal objet d'un premier objectif (58) et à partir des M faisceaux lumineux d'un nombre N de faisceaux lumineux élémentaires (Bi) destinés à entrer chacun dans une desdites fibres optiques (Fi), telle que la somme (ôtj +Δ¾) du retard (ôtj) du faisceau lumineux à partir duquel est formé le faisceau lumineux élémentaire introduit (Bi) et du retard de groupe relatif (Δχ;) de la fibre optique (Fi) destinée à recevoir ledit faisceau lumineux élémentaire (Bi) soit minimale en valeur absolue;
l'introduction au moyen d'un deuxième modulateur spatial de lumière (52) agencé dans le plan focal image de l'objectif (58) d'une déviation sur chacun des N faisceaux lumineux élémentaires (Bi) telle que chaque faisceau lumineux élémentaire (Bi) pénètre dans la fibre optique correspondante (Fi) perpendiculairement à la face d'entrée de la fibre optique ;- l'application d'un déphasage sur chacun des faisceaux élémentaires (Bi) par l'un ou l'autre des modulateurs spatiaux de lumière (51, 52) pour inscrire à l'extrémité distale du paquet de fibres (40) une fonction de phase déterminée et/ou de corriger les variations de phase introduites par chacune des fibres du paquet de fibres (40).
Procédé d'imagerie non linéaire endo-microscopique sans lentille selon l'une quelconque des revendication 8 à 9 comprenant l'émission d'au moins deux faisceaux lumineux incidents, chaque faisceau lumineux incident étant formé d'impulsions à une longueur d'onde distincte et dans lequel le premier modulateur spatial de lumière (51) permet en outre la répartition des faisceaux lumineux élémentaires formés d'impulsions à une longueur d'onde donné dans un sous-ensemble des fibres du paquet de fibres (40).
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