EP4449100A1 - Dispositif de microscopie cars multiplex - Google Patents

Dispositif de microscopie cars multiplex

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EP4449100A1
EP4449100A1 EP22818738.1A EP22818738A EP4449100A1 EP 4449100 A1 EP4449100 A1 EP 4449100A1 EP 22818738 A EP22818738 A EP 22818738A EP 4449100 A1 EP4449100 A1 EP 4449100A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
wavelength
wavelengths
optical fiber
output beam
fiber
Prior art date
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Pending
Application number
EP22818738.1A
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German (de)
English (en)
Inventor
Sahar WEHBI
Tigran Mansuryan
Alessandro Tonello
Vincent Couderc
Stefan Wabnitz
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Centre National de la Recherche Scientifique
Université de Limoges
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique
Université de Limoges
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Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique, Université de Limoges filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique
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Pending legal-status Critical Current

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    • G02B6/028—Optical fibres with cladding with or without a coating with core or cladding having graded refractive index
    • G02B6/0288—Multimode fibre, e.g. graded index core for compensating modal dispersion
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/16—Microscopes adapted for ultraviolet illumination ; Fluorescence microscopes

Definitions

  • the present invention relates to the field of multiplex CARS microscopy.
  • Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) Raman scattering microscopy is an analysis technique which is used in particular in the field of imaging and spectroscopy to identify and locate chemical species specific within a sample.
  • a great advantage of this technique is that the samples do not need to be labeled with sometimes toxic dyes and that it is then possible to carry out in vivo studies.
  • CARS microscopy makes it possible to obtain a more intense signal of interest by several orders of magnitude, to better suppress annoying side effects.
  • Conventional confocal Raman spectroscopy requires a confocal hole to achieve good axial resolution.
  • CARS is a nonlinear optical process (four-wave mixing process) that does not require a confocal hole and has an axial resolution that is at best on the order of a third of the wavelength d 'use.
  • a pulsation pump wave ⁇ ) P incident on a molecule is diffused inelastically into a so-called Stokes wave, of pulsation and a so-called Anti-Stokes wave, of pulsation M AS .
  • the frequency shift of the Stokes and Anti-Stokes waves corresponds to a specific vibration frequency of a molecular bond and that from the fundamental level.
  • CARS microscopy consists in forcing the excitation of a specific chemical bond by difference of frequency.
  • FIG. 1A is a schematic diagram of the energy levels involved in a CARS process.
  • the ground level is denoted GS
  • the excited higher electronic energy state is denoted EE
  • the excited vibrational level of the resonant Raman mode with a resonant frequency O R is denoted Vib.
  • CARS is a multiphoton process (it uses two pump photons at CÜP and one Stokes photon at CÜS ) which is more likely the stronger the optical fields. CARS therefore generally requires the use of pulsed lasers and occurs most favorably at the focus of a microscope objective which serves to focus the pump and Stokes fields in the sample.
  • FIG. 1B illustrates an example of a wide spectral band CARS microscopy device known from the prior art.
  • wide spectral band CARS (or multiplex CARS), it is meant that the device makes it possible to probe the sample with a Stokes beam which is a supercontinuum, which has a very large number (>20) of wavelengths juxtaposed the next to each other.
  • the device comprises a pulsed laser source LS emitting at the frequency ) p .
  • a portion of the radiation from the LS source is used to generate a supercontinuum from M P , for example in a single-mode PCF optical fiber, so as to generate a Stokes beam FSo comprising a multitude of frequencies in order to probe different chemical bonds each characterized by a vibrational frequency with a proper 1 R frequency.
  • supercontinuum generation we mean here a process consisting in spectrally broadening an initial beam so as to obtain a distributed power of substantially homogeneously over a wavelength range of about 1000 nm or more.
  • the supercontinuum is generated by one or more non-linear effects, of order two or of order three, among the following non-exhaustive list: phase self-modulation, cross-phase modulation, stimulated Raman effect, parametric mixing at four or three waves, modulation instability, soliton propagation, soliton self-shifting ....
  • a delay line DL takes a portion FPo of the radiation from the source LS in order to form the pump beam at ) p .
  • These two beams FPo and FSo are spatially recombined and synchronized using a splitter plate LS and two mirrors MR1, MR2, both being movable and orientable. They are then focused by an MO microscope objective on a region of the Ech sample.
  • the anti-Stokes beam generated STK by coherent Raman effect is collimated by another objective CL then detected by a Det photodetector (a CCD camera or a photomultiplier tube) typically combined with a spectrometer in order to spatially separate the wavelengths of the anti beam.
  • a Det photodetector a CCD camera or a photomultiplier tube
  • spectrometer typically combined with a spectrometer in order to spatially separate the wavelengths of the anti beam.
  • -Stokes A AS Note that the wavelengths of the supercontinuum useful to generate the anti-Stokes beam
  • the wavelengths of the anti-Stokes beam A AS are by nature lower than ⁇ p .
  • the device of the prior art comprises several optional mirrors MR2, M1, M2 for reasons of compactness.
  • This device makes it possible to analyze the Raman signature of a sample over a very wide spectral range.
  • the invention aims to overcome this drawback with a CARS multiplex microscopy device with a particularly suitable fiber which makes it possible to generate an output beam comprising the pump beam and the probe beam partially synchronized to transport the pump beam up to the sample in synchronization with the probe beam in order to induce the multiplex coherent Raman effect in the sample without using a delay line. This increases the compactness of the device and greatly simplifies its use.
  • an object of the invention is a multiplex CARS microscopy device for analyzing a sample comprising:
  • a laser source adapted to emit a primary beam having a first wavelength lt in the form of pulses with a so-called primary energy
  • optical fiber comprising a core and having at least ten modes, including a fundamental mode, the optical fiber being suitable for:
  • an optical system adapted to focus the output beam on said sample, so as to generate an anti-Stokes beam by stimulated Raman effect induced by at least one of the second wavelengths and the first wavelength present in the output beam;
  • the fiber is adapted with respect to the primary energy so that a pulse in the output beam at the first wavelength is synchronized in time with pulses in the beam output at second wavelengths.
  • the core comprises a transverse index variation profile configured to generate, by Kerr effect, a longitudinal periodic modulation of the index of said core.
  • the transverse index variation profile of the core comprises a maximum located at the center of the core.
  • the index variation profile of the heart is chosen from a group comprising a parabolic profile, a Gaussian profile, a super Gaussian profile, a triangular profile, a Lorentzian profile, a multi-lobe profile, and a profile of square hyperbolic secant
  • the optical fiber is adapted so that the GPI Stokes frequency of order 1 f GPI 1 is between 2700 cm ⁇ 1 and 3500 cm ⁇ 1 .
  • the core is doped in a given material, the doping of the optical fiber being non-uniform longitudinally, so that the optical fiber is amplifying at the first wavelength on a downstream portion of the optical fiber.
  • the first wavelength is approximately 1064 nm and wherein the first order GPI Stokes wavelength is ⁇ GP/ 1 ⁇ 1550 nm, said optical fiber being doped with erbium ions.
  • the device comprises a so-called upstream spectral filter arranged on the optical path of the output beam upstream of the sample and adapted to spectrally filter wavelengths lower than the first wave length.
  • the device comprises a processor suitable for analyzing frequency information of the beam anti-Stokes detected by the photodetector, the upstream spectral filter being controllable and suitable for additionally filtering a spectral range of the output beam as a function of said frequency information.
  • the device comprises a so-called downstream spectral filter arranged on the optical path of the anti-Stokes beam and adapted to filter the output beam co-propagating with the anti-Stokes beam.
  • FIG. 2A a multiplex CARS microscopy device according to the invention
  • FIG. 2B a transverse section of the fiber F and a transverse profile of variation of PVC index of the heart FC
  • Figure 2C a schematic representation of the periodic spatial oscillations of the FP beam, in the fiber F, at PC hot spots
  • Figure 2D a spectro-temporal graphical representation of the output beam
  • FIG. 3A the Raman spectrum (1 R constructed from the spectrum of the anti-Stokes beam at M AS detected by the device of the invention for a paraffin sample
  • FIG. 3B the power spectral density in the output beam as a function of the length of the fiber F and the power spectral density in the output beam for a fiber length F of 18.5 m.
  • FIG. 4B a multiplex CARS microscopy device according to one embodiment of the invention
  • FIG. 6 a multiplex CARS microscopy device according to one embodiment of the invention.
  • a wavelength of X nm is meant in the remainder of the description a wavelength which is equal to X nm at ⁇ 5 nm.
  • FIG. 2A schematically illustrates a multiplex CARS microscopy device 1 according to the invention, for analyzing an Ech sample.
  • the device 1 comprises a pulsed laser source LS adapted to emit a primary beam FP in the form of laser pulses IL1 with a
  • IL1 laser pulses are pulses of duration ranging from nanoseconds (ns) to femtoseconds (fs).
  • a nanosecond pulse is a pulse of duration between 1 and 100 ns
  • a femtosecond pulse is a pulse of duration between 1 and 100 fs.
  • the rate of the laser pulses is for example between 0.1 and 100 MHz.
  • the energy of the pulses is between 0.1 nJ and 100 nJ.
  • the peak power of the laser pulses, called primary power is for example between 5 kW and 10 MW.
  • the first wavelength must be considered as the central wavelength of the IL1 laser pulse. Note the spectral width of the IL1 pulses.
  • the laser source LS is an optical fiber laser oscillator doped in a given material.
  • the doped optical fiber of the laser source LS is for example an optical fiber consisting of a given luminescent material (glass or vitreous matrix), doped in a material.
  • the doping material is an optically active material, i.e., under excitation (for example by pump lasers internal to the LS source), this material emits coherent light at a given wavelength.
  • the doping material is an ion, for example a rare earth ion.
  • the rare earth is for example neodymium (chemical symbol Nd), ytterbium (chemical symbol Yb), praseodymium (chemical symbol Pr), erbium (chemical symbol Er), thulium (chemical symbol Tm), holmium (chemical symbol Ho), or any other fluorescent element soluble in the vitreous matrix constituting the fiber, such as for example bismuth (chemical symbol Bi).
  • the first wavelength depends on the material and the doping of the optical fiber of the laser source.
  • the laser source LS is a phase-locked fiber laser oscillator.
  • Such locking of the longitudinal modes of the injection laser oscillator makes it possible to obtain nanosecond pulses at femtoseconds.
  • Other types of lasers for example a laser of the “gain switch” type, also make it possible to obtain picosecond and nanosecond pulses.
  • the device 1 of the invention comprises an optical fiber F into which the IL1 pulses delivered by the source LS are injected, for example using an optical fiber coupler CF.
  • This optical fiber F is very multimodal, which means that it has at least ten transverse spatial modes, and preferably at least twenty modes, including one fundamental and between which the primary energy of the primary beam FP is initially distributed.
  • FIG. 2B at the top schematically illustrates a transverse section of the fiber F which comprises a core FC of diameter 4> c , and a sheath FG of index n G .
  • a transverse profile of variation of PVC index of the heart FC passing through the center of the heart.
  • the PVC index profile illustrated in FIG. 2B is parabolic with a maximum at the center of the core FC. This index profile is adapted to generate a spatial cleaning effect of the primary energy in the fundamental mode (see later).
  • n cm denotes the maximum index of the PVC profile.
  • the optical fiber F of the invention is adapted to generate a supercontinuum SC from the first wavelength
  • the output beam FSC presents IL2 pulses formed from IL1 pulses.
  • the fiber is suitable -via its core diameter 4> c and for sufficient primary energy- to generate by nonlinear conversion of the first wavelength of the primary beam, a plurality of second wavelengths ⁇ 2 forming the supercontinuum SC.
  • the supercontinuum generation process on both sides includes the following phenomena: phase self-modulation, cross-phase modulation, four-wave parametric mixing, the stimulated Raman effect, and soliton self-shift by Raman effect (soliton self-frequency shift).
  • phase self-modulation cross-phase modulation
  • four-wave parametric mixing the stimulated Raman effect
  • soliton self-shift by Raman effect soliton self-shift by Raman effect
  • Wavelengths below are obtained mainly by four-wave parametric mixing, by self-phase modulation, by cross-phase modulation, and the wavelengths above Ai are obtained mainly by self-shifting by Raman effect of the solitons or by conversion by stimulated Raman effect .
  • the fiber F In order to partially regenerate the first length and thus obtain an output beam having a power sufficient to serve as a pump wave inducing the stimulated Raman effect in the sample, the fiber F carries out a spatial cleaning of the laser beam in the fundamental mode (spatial beam self cleaning in English) during its propagation in the fiber F.
  • This phenomenon is known to those skilled in the art and is for example described in the document Krupa, K., Tonello, A., Shalaby, B. et al. Spatial beam self-cleaning in multimode fibers. Nature Photonics 11, 237-241 (2017). A brief explanation of this phenomenon is given here.
  • the spatial profile of the IL1 pulse is modified to become multimode under the effect of the group velocity differences between the different spatial modes.
  • the fiber F - via its transverse profile of PVC index variation - is adapted so that the linear coupling between these modes induces a periodic image (hot spot) throughout the propagation in the optical fiber F.
  • This periodicity depends on the constants of propagation of the modes in interaction and is controlled among other things by the transverse profile of index PVC.
  • a necessary condition is that the transverse profile of PVC index comprises a maximum located at the center of the core FC.
  • FIG. 2C schematically illustrates the creation of spatial oscillations of the longitudinally periodic beam FP in the fiber F, creating hot spots PC, produced by the transverse profile with index PVC.
  • GRIN Gram Index
  • this periodic image Given the primary energy, this periodic image generates a periodic modulation of the index of the core of the optical fiber F by Kerr effect, which then provides a phase match between the modes.
  • This phase matching allows parametric four-wave mixing which induces a transfer of energy from the different modes to the one with the lowest group velocity, namely the fundamental mode.
  • this fundamental mode separates from the other modes under the effect of phase self-modulation, which stops the energy transfer process and definitely traps the energy on this single fundamental mode.
  • the propagation of this mode in the fiber then allows the generation of a supercontinuum on this same fundamental mode and the creation of the second wavelengths ⁇ 2 .
  • the primary pump is then depleted by the generation of the second wavelengths ⁇ 2 .
  • a spatial relocation of a portion of the primary energy at not used to generate the second wavelengths, and localized in the high order modes is observed. This second relocation is based on the same process described previously. This makes it possible to partially regenerate the primary energy depleted by the nonlinear conversion generating the second wavelengths.
  • the fiber F is adapted to relocate in the fundamental mode, by Kerr effect, a portion of the primary energy initially distributed in the other modes of the optical fiber, so as to form an FSC output beam having the second wavelengths and the first wavelength
  • the heart index variation profile FC is chosen from a group comprising a parabolic profile, a Gaussian profile, a super Gaussian profile, a triangular profile, a Lorentzian profile, a multi-lobe profile, and a square hyperbolic secant profile. These profiles are preferable for inducing cleaning by the Kerr effect.
  • the fiber is adapted so that a pulse in the FSC output beam at the first wavelength is time synchronized with pulses in the FSC output beam at second wavelengths ⁇ 2 (see Figure 2D). This condition is necessary to induce a stimulated Raman effect in the Ech sample with the single FSC output beam.
  • the first condition depends on the dispersion of the fiber F and its length: the longer the fiber, the greater the pulse IL1 at will be depleted by the nonlinear conversion in the fiber F. Similarly, at a fixed fiber length, the higher the primary power of the IL1 pulses the greater the IL1 pulse at will be depleted by the nonlinear conversion.
  • the fiber - via its length and its dispersion - is adapted according to the power of the pulses IL1 so that an energy of the output beam at the first wavelength is not negligible by relative to the primary energy of the pulses. More precisely, the fiber is short enough for the energy of the output beam at the first wavelength to be greater than or equal to 10%, preferably 20% of the primary energy. Spatial cleaning by Kerr effect allows, moreover, to regenerate part of the energy of the depleted pulse due to the nonlinear conversion of the first length
  • the second condition depends on the dispersion of the fiber F and its length.
  • the inventors observed that the fibers known to those skilled in the art in which the spatial cleaning effect on the fundamental mode is observed allowed, by increasing the energy of the pulses injected into the fiber at the pump wavelength, to generate a supercontinuum while maintaining the spatial cleaning effect and obtaining the temporal synchronization of certain wavelengths of the supercontinuum and ⁇ -p
  • the IL1 pulses have a first wavelength at 1030 nm and have a duration of 0.1 ns, with an average power of the FP beam of 325 mW and for a repetition rate of 30 kHz.
  • a temporal profile of an IL2 pulse at a given wavelength is obtained.
  • This depletion caused by the nonlinear conversion of generating the supercontinuum, causes the IL2 pulse to include two "sub-pulses" SI1 and SI2 resulting from the temporal fission (pulse breakup in English) of the IL1 pulse during its propagation in the fiber F. These two SI1 sub-pulses and SI2 are centered in time at about +40 ps and about -110 ps, respectively.
  • the horizontal profile PH1 at +40 ps illustrates that the first sub-pulse SI1 is not synchronized with almost any wavelength ⁇ 2 .
  • This sub-pulse SI1 will therefore not be usable as a pump beam to carry out a CARS analysis.
  • the second sub-pulse SI2 is synchronized with many wavelengths ⁇ 2 up to more than 1600 nm.
  • FIG. 2D can be generalized to the invention as a whole. That is to say, in the invention, the fiber is adapted - via its dispersion and its length - with respect to the primary energy so that an IL2 pulse in the FSC output beam at the first length d wave is time synchronized with IL2 pulses in the FSC output beam at second wavelengths ⁇ 2
  • the device 1 comprises an MO optical system adapted to focus the output beam on the sample.
  • the MO optical system is preferably a microscope objective with a focal length / M0 , preferably with a high numerical aperture (NA>0.8).
  • NA>0.8 numerical aperture
  • the output beam focused on the sample generates an anti-Stokes beam STK by coherent Raman effect induced by at least one of the second wavelengths greater than and the first wavelength both present in the FSC output beam.
  • ⁇ 2j - 2TT/ ⁇ W 2 J denotes the j [1,/V] second wavelengths of the FSC beam greater than X lt which therefore constitute the probe wavelengths.
  • the photons of the FSC beam at the first wavelength are numerous enough to induce the stimulated Raman effect in the Ech sample.
  • the output beam FSC constitutes both the beam pump (via the first wavelength and the probe beam (via the second wavelengths higher than devices of the prior art.
  • the device comprises a photodetector Det known to those skilled in the art and suitable for detecting the anti-Stokes beam, typically combined with a spectrometer in order to spatially separate the wavelengths of the anti-Stokes beam before their detection.
  • the photodetector is typically a photomultiplier tube, a CCD camera or even an avalanche photodiode.
  • the device of the invention does not use a delay line to transport pump the beam up to the sample in sync with the probe beam to induce the multiplex coherent Raman effect in the sample. This increases the compactness of the device and greatly simplifies its use
  • the anti-Stokes beam is collected “forward” (F-CARS signal) by the photodetector.
  • the device 1 comprises a collection objective CL, (with a numerical aperture of approximately 0.5 for example) to collimate the anti-Stokes beam before its detection, thus allowing a large working distance ( see figure 4A for example).
  • the anti-Stokes beam is collected towards the rear (E-CARS signal) by the MO lens.
  • the device 1 then comprises a dichroic mirror to spatially separate the anti-Stokes beam from the output beam incident on the sample before it can be detected with the photodetector Det.
  • the device 1 comprises a sample holder SH adapted to move the sample in three-dimensional space, in order to map the sample in 3D and thus reconstruct three-dimensional images.
  • this spectrum is obtained with the same parameters as those of figure 2D, the fiber F being here 18 m long.
  • the detected anti-Stokes beam comprises 4 peaks at Raman frequencies of -2890 cm' 1 , -2850 cm' 1 , -1440 cm' 1 and -1300 cm' 1 . These peaks are respectively characteristic of the CH 3 symmetric stretching, CH 2 symmetric stretching, CH 2 curvature and CH 2 torsion modes present in the sample Ech.
  • FIG. 3A therefore experimentally demonstrates the feasibility of multiplex CARS imaging with the device of the invention, without using a delay line to synchronize a portion of the primary beam with the output beam on the Ech sample.
  • Figure 3B top is a representation of the power spectral density in the output beam as a function of the length of the fiber F.
  • FIG. 3B top shows that the supercontinuum SC generated widens spectrally when the length of the fiber F increases up to about 20 m.
  • the peak power of the IL2 pulse at gradually decreases with increasing fiber length F as the nonlinear conversion of towards high wavelengths ⁇ 2 due to the quantum defect linked to the interaction between light and matter through the Raman effect. Beyond 20 m of fiber (and for a power of 45 kW), there is no longer any increase in the spectral width due to the absorption of the material.
  • wavelengths below are obtained mainly by four-wave parametric mixing, by self-phase modulation, by cross-phase modulation and dispersive waves, and the higher wavelengths are obtained mainly by self-shifting by the Raman effect of the solitons or by a conversion by the stimulated Raman effect.
  • the peaks (or sidebands) observed for wavelengths below are geometric parametric modulation instabilities (GPI) due to resonant spatio-temporal couplings in the frequency domain induced by the periodic spatial oscillations in the fiber F themselves caused by the PVC index profile of the core CF. This phenomenon is described in particular in the publication Krupa, Katarzyna, et al. "Observation of geometric parametric instability induced by the periodic spatial self-imaging of multimode waves.” Physical review letters 116.18 (2016): 183901 .
  • GPI sidebands of order h are obtained which are shifted in frequency with respect to X r by GPI frequencies of order h, f GPlih such that: a dispersion of the group delay K” at the first wavelength X 1 .
  • These GPI sidebands are present on either side of X r .
  • continuous spectrum we mean here that this
  • the fiber is adapted so that the GPI frequency of order 1 f GPI 1 is between 2700 cm -1 and 3500 cm -1 .
  • This additional characteristic makes it possible to obtain second wavelengths ⁇ 2 which have a shift with respect to the first wavelength allowing analysis of the bonds in the samples in the CH zone.
  • Figure 4A illustrates a schematic perspective view of an embodiment of the device 1.
  • the device of the embodiment of Figure 4A comprises a spectral filter called upstream SF arranged on the optical path of the output beam FSC upstream of the sample Ech and adapted to filter spectrally wavelengths lower than the first wavelength.
  • the SF filter is adapted so that the filtered FSC beam comprises only the first wavelength and second wavelengths greater than useful for the generation of the anti-Stokes beam.
  • This upstream filter SF makes it easier to identify the wavelengths of the anti-Stokes beam which are induced by the coherent Raman effect, these wavelengths A AS necessarily being lower by the very nature of this phenomenon.
  • the device of the embodiment of FIG. 4A comprises an optional so-called downstream spectral filter SF′, arranged on the optical path of the anti-Stokes beam STK and adapted to filter the co-propagating output beam. with the anti-Stokes beam having passed through the sample.
  • the filters SF and SF' are elements known to those skilled in the art and are for example color filters, or are each formed by a diffraction grating coupled to a deformable mirror or coupled with a spatial modulator. of controllable light to select the wavelengths to be transmitted or not.
  • the anti-Stokes beam filtered by the filter SF' is coupled - through an SCA coupling assembly comprising a focusing lens and a fiber coupler - into an optical fiber of detection carrying the beam to the photodetector Det.
  • the device of FIG. 4A also comprises two optional mirrors M1, M2 for reasons of compactness and a collection objective CL (for example: NA ⁇ 0.5), to collimate the anti-Stokes beam thus allowing a large distance work for detection.
  • CL collection objective
  • FIG. 4B illustrates an embodiment of the device of Figure 4A.
  • the upstream spectral filter is adaptive as a function of the detected anti-Stokes signal.
  • the device 1 comprises a processor suitable for analyzing frequency information from the anti-Stokes beam detected by the photodetector typically via a spectrometer.
  • the upstream spectral filter SF is controllable and suitable for filtering, in addition to certain wavelengths less than X lt , a spectral range of the output beam as a function of the frequency information analyzed by the processor. Control of the SF filter is done through a feedback loop BR.
  • the SF filter of the device of FIG. 4B only transmits a relevant spectral range for the analysis of a predetermined Ech sample in addition to the first wavelength. This allows faster analysis of the sample.
  • the SF filter of the device of FIG. 4B allows an improvement in the spectral resolution of the device.
  • the spectral resolution of the device should be fixed by the spectral width of the IL1 pulse,
  • the resolution of the device is likely to be greater than
  • the SF filter filters an interval of wavelengths directly above the wavelength to reduce the spectral width of the pump beam which fixes the resolution. It is noted that the use of an SF filter without feedback control and filtering the wavelengths directly higher than the length to reduce the spectral width of the pump beam - in addition to lower wavelengths - Is compatible with the embodiment of Figure 4A.
  • FIG. 5 is a representation of the power spectral density of a pulse IL2 of the output beam FSC respectively at the output of the fiber F (curve C1), after filtering by the filter SF of the lower frequencies (curve C2), and after filtering by the SF filter of the frequencies lower than and a range of frequencies greater than (curve C3). More specifically, curve C2 is obtained after filtering second wavelengths below 1000 nm and curve C3 is obtained after filtering second wavelengths below 1000 nm and over an interval of 800 nm greater than By way of non-limiting example, the curves C1-C3 are obtained for the second variant of the device of FIG.
  • the curve C1 illustrates that, the generation of the supercontinuum in the fiber F makes it possible to obtain an FSC beam with a power at which is not completely depleted and is strong enough to act as a pump wave to achieve the stimulated Raman effect in the sample.
  • Curve C2 illustrates the effect of low-pass filtering which makes it possible to generate a filtered FSC beam which comprises almost no power at wavelengths below 1000 nm, precisely where the CARS signature of the sample - via the anti-Stokes beam - will be present.
  • the second wavelengths greater than are needed to probe the chemical bonds of the sample Ech.
  • the curve C3 illustrates the effect of the band-pass filtering making it possible to improve the spectral resolution of the device.
  • the spectral width imposed by the bandpass filtering is approximately 15 nm.
  • FIG. 6 schematically illustrates an embodiment of the device of FIG. 4A.
  • the device of Figure 6 comprises an amplifier Amp arranged on the optical path of the output beam upstream of the sample and adapted to selectively amplify the power of the output beam at the first wavelength Ai.
  • This embodiment makes it possible to partially compensate for the reduction in power at the length due to the generation of the supercontinuum and thus obtain a more intense anti-Stokes signal. It is recalled that the intensity I AS of the anti-Stokes beam is proportional to I AS oc , with I M1 .
  • I M2 the intensity of the FSC beam at respectively and at the second wavelength, with N the number of resonant molecules in the sample at the focus of the FSC beam and with x ⁇ dman ' a third-order Raman susceptibility of the sample molecule.
  • the intensity of the FSC beam at is essential for a good signal-to-noise ratio.
  • the amplifier Amp comprises an amplifying fiber with a core doped with rare earth ions.
  • this amplifying fiber is pumped to produce an inversion of the population of rare earth ions and thus, according to the principle of stimulated emission, allow the amplification of the output beam at the first wavelength .
  • This amplifier fiber is attached, or welded or coupled to a downstream end of the optical fiber F.
  • the power at the first length is too weak to induce a supercontinuum in the amplifier fiber, so the pump power is only used to "regenerate" or amplify the output beam specifically at the first wavelength.
  • the doped amplifying fiber is pumped by second wavelengths of the output beam which are less than the first wavelength
  • This first variant is advantageous because it allows efficient use of the second wavelengths less than the first wavelength which are undesirable for the detection of the anti-Stokes beam and which would otherwise be filtered out by the SF filter.
  • the implementation of such a device is very simple and consists in welding a piece of amplifier fiber (for example 50 cm) to the output of the non-linear fiber.
  • part of the power of the IL1 pulses used to generate the second wavelengths less than is “recycled” and allows amplification of the FSC beam at Ai.
  • the second wavelengths at about 980 nm make it possible to pump the amplifying fiber.
  • the second lengths between 730-760 nm and/or between 790-820 nm allow the amplifier fiber to be pumped.
  • the aforementioned second wavelengths are lower than Ai and are recycled.
  • the first wavelength is about 1064 nm.
  • the optical fiber F is adapted so that the wavelength GPI of order 1 ⁇ GPI 1 is approximately 1550 nm and the amplifying fiber is doped with erbium ions.
  • Such an amplifying fiber is called EDFA for Erbium Doped Fiber Amplifier.
  • the amplifier fiber Amp makes it possible to selectively amplify both the length and the wavelength ⁇ GPI 1 .
  • an EDFA makes it possible to amplify light radiation in two spectral bands, including a length range between 1525 nm and 1565 nm.
  • the LS laser source comprises at least one optical fiber with a core doped with rare-earth ions
  • the amplifying fiber is pumped by a portion of the pump beam used to generate, by laser effect, the primary wavelength .
  • This second variant is less advantageous than the first variant because it reduces the compactness of the device but makes it possible to increase the gain of the amplifier.
  • the amplifier is not a doped amplifying optical fiber but a multipass regenerative type amplifier in a solid medium such as doped YAG neodymium, or alexandrite, or titanium-doped sapphire.
  • the amplifier is pumped by second wavelengths of the output beam which are less than the first wavelength or by a portion of the primary beam of the source LS or of the pump lasers (not represented in FIG. 6).
  • the device 1 comprises the feedback loop BR of the embodiment of FIG. 4B.
  • the core of the optical fiber F is doped with rare earth ions.
  • the doping concentration of the optical fiber is longitudinally non-uniform, so that the optical fiber is amplifying at the first wavelength on a downstream portion of the optical fiber. That is to say, the optical fiber F generates a supercontinuum on an upstream portion and amplifies the wavelength on the downstream portion.
  • the doping profile is exponential longitudinally.
  • the doping element of the heart is chosen in such a way as to allow stimulated emission pumped by second wavelengths smaller than the first wavelength generated in the upstream portion of the optical fiber F.
  • This embodiment MD makes it possible to have an amplification of the output beam FSC without requiring an external Amp amplifier as in Figure 6.
  • the first wavelength Ai is around 1064 nm.
  • the optical fiber F is adapted so that the wavelength GPI of order 1 ⁇ GPI 1 is approximately 1550 nm and the fiber amplifier is doped with erbium ions.
  • the amplifier fiber Amp makes it possible to selectively amplify both the length and the wavelength A GPI;1 . This makes it possible to obtain a supercontinuum between ⁇ . GPI 1 and

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Abstract

Dispositif de microscopie CARS multiplex pour analyser un échantillon (Ech) comprenant: une source laser (LS) adaptée pour émettre un faisceau primaire (FP) présentant une première longueur d'onde λ1, sous la forme d'impulsions (IL1) avec une énergie dite primaire; une fibre optique (F) avec un profil de variation d'indice parabolique et présentant au moins dix modes et, dont un dit fondamental, la fibre optique étant adaptée pour: générer, par conversion non linéaire de la première longueur d'onde λ1 du faisceau primaire, une pluralité de deuxièmes longueurs d'onde λ2 formant un supercontinuum (SC), et relocaliser dans ledit mode fondamental, par effet Kerr, une portion de l'énergie primaire initialement répartie dans les modes de la fibre optique, de manière à former un faisceau de sortie (FSC) présentant les deuxièmes longueurs d'onde et la première longueur d'onde λ1 synchronisées temporellement un système optique (MO) adapté pour focaliser le faisceau de sortie sur ledit échantillon, de manière à générer un faisceau anti-Stokes (STK) par effet Raman stimulé induit par au moins une des deuxièmes longueurs d'onde et la première longueur d'onde λ1 présentes dans le faisceau de sortie; un photodétecteur (Det) adapté pour détecter le faisceau anti-Stokes.

Description

DESCRIPTION
Titre de l'invention : Dispositif de microscopie CARS multiplex
Domaine technique :
[0001] La présente invention se rapporte au domaine de la microscopie CARS multiplex.
Technique antérieure :
[0002] La microscopie à diffusion Raman anti-Stokes cohérente (CARS pour Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) est une technique d’analyse qui est notamment utilisée dans le domaine de l’imagerie et de la spectroscopie pour identifier et localiser des espèces chimiques spécifiques au sein d’un échantillon. Un grand avantage de cette technique est que les échantillons n'ont pas besoin d'être marqués avec des colorants parfois toxiques et qu’il est alors possible de faire des études in vivo. Par rapport à la microscopie Raman conventionnelle et à la microscopie Raman confocale, qui sont très largement connues et développées, la microscopie CARS permet d'obtenir un signal d’intérêt plus intense de plusieurs ordres de grandeur, de mieux supprimer les effets secondaires gênants. La spectroscopie Raman confocale conventionnelle nécessite un trou confocal pour obtenir une bonne résolution axiale. Le CARS, en revanche, est un processus optique non linéaire (processus de mélange à quatre ondes) qui ne nécessite pas de trou confocal et qui a une résolution axiale qui est au mieux de l’ordre du tiers de la longueur d’onde d’utilisation.
[0003] Dans un processus de diffusion Raman stimulé, une onde pompe de pulsation Û)P incidente, sur une molécule, est diffusée inélastiquement en une onde dite Stokes, de pulsation et une onde dite Anti-Stokes, de pulsation MAS. L’écart en fréquence entre les ondes générées et l’onde pompe dépend de la pulsation vibrationnelle moléculaire de l’échantillon (de fréquence DR) de telle sorte que CÜP - CÜS = CÜAS - Wp = OR. Le décalage en fréquence des ondes Stokes et Anti- Stokes correspond à une fréquence de vibration spécifique d’une liaison moléculaire et cela à partir du niveau fondamental. La microscopie CARS consiste à forcer l’excitation d’une liaison chimique spécifique par différence de fréquence. La figure 1A est un diagramme schématique des niveaux d'énergies mis en jeux dans un processus CARS. Le niveau fondamental est noté GS, l’état supérieur d’énergie électronique excité est noté EE et le niveau vibrationnel excité du mode Raman résonant avec une fréquence de résonance OR est noté Vib. A la différence du processus spontané de diffusion inélastique Raman, ce processus d’optique non linéaire de diffusion Raman stimulé n’est possible qu’en utilisant deux ondes distinctes notées ondes pompe à et Stokes à et qui vérifient CÜP-CÜS = OR . Ces ondes doivent se recouvrir spatialement et temporellement. Il se produit alors un mélange à quatre ondes qui conduit à l’émission stimulé d’une onde Anti-Stokes de pulsation CÜAS = 2CÜP-CÜS. Ce phénomène est beaucoup plus efficace (le gain se situe autour de 106) que le processus de diffusion Raman spontanée Stokes car la vibration moléculaire Vib est spécifiquement forcée à vibrer par différence de fréquence 2CÜP-CÜS. Il est d’autre part sélectif car il est possible de cibler la liaison chimique d’intérêt en ajustant la différence de fréquence 2CÜP-CÜS. Comme l’absorption à deux photons, le CARS est un processus multiphotonique (il utilise deux photons de la pompe à CÜP et un photon Stokes à CÜS) qui est d’autant plus probable que les champs optiques sont forts. Le CARS requiert donc, en général, l’utilisation de lasers impulsionnels et, se produit de manière plus favorable au foyer d’un l’objectif de microscope qui sert à focaliser les champs pompe et Stokes dans l’échantillon.
[0004] La figure 1 B illustre un exemple de dispositif de microscopie CARS à large bande spectrale connu de l’art antérieur. Par « CARS large bande spectrale » (ou CARS multiplex), on entend que le dispositif permet de sonder l’échantillon avec un faisceau Stokes qui est un supercontinuum, qui possède un nombre très important (>20) de longueurs d’onde juxtaposées les unes à côté des autres. Le dispositif comprend une source laser LS impulsionnelle émettant à la fréquence )p. Une portion du rayonnement de la source LS est utilisée pour générer un supercontinuum à partir de MP, par exemple dans une fibre optique PCF monomode, de manière à générer un faisceau Stokes FSo comprenant une multitude de fréquences afin de sonder différentes liaisons chimiques chacune caractérisée par une fréquence vibrationnelle avec une fréquence 1R propre. Par « génération de supercontinuum », on entend ici un procédé consistant à élargir spectralement un faisceau initial de manière à obtenir une puissance répartie de manière sensiblement homogène sur une gamme de longueurs d’onde d’environ 1000 nm ou plus. Par exemple, le supercontinuum est généré par un ou plusieurs effets non linéaires, d’ordre deux ou d’ordre trois, parmi la liste non exhaustive suivante : automodulation de phase, modulation de phase croisée, effet Raman stimulé, mélange paramétrique à quatre ou trois ondes, instabilité de modulation, propagation solitonique, auto-décalage soliton .... Une ligne à retard DL prélève une portion FPo du rayonnement de la source LS afin de former le faisceau de pompe à )p. Ces deux faisceaux FPo et FSo sont spatialement recombinés et synchronisés à l’aide d’une lame séparatrice LS et de deux miroirs MR1 , MR2, les deux étant déplaçables et orientables. Ils sont alors focalisés par un objectif de microscope MO sur une région de l’échantillon Ech. Le faisceau anti-Stokes généré STK par effet Raman cohérent est collimaté par un autre objectif CL puis détecté par un photodétecteur Det (une caméra CCD ou un tube photomultiplicateur) typiquement combiné avec un spectromètre afin de séparer spatialement les longueurs d’onde du faisceau anti-Stokes AAS. A noter, que les longueurs d’onde du supercontinuum utiles pour générer le faisceau anti-Stokes
2 TTC sont les longueurs d’onde supérieures a la longueur d’onde de pompe , avec c la célérité de la lumière dans le vide. De plus, les longueurs d’onde du faisceau anti-Stokes AAS sont par nature inférieures à Âp. Dans l’illustration de la figure 1 B, le dispositif de l’art antérieur comprend plusieurs miroirs optionnels MR2, M1 , M2 pour des raisons de compacité.
[0005] Ce dispositif permet d’analyser la signature Raman d’un échantillon sur une très large gamme spectrale. En modifiant la position de l’échantillon Ech par rapport au point focal des faisceaux FSo et FPo, par exemple via un porte échantillon motorisé SH, il est possible de cartographier l’échantillon en 3D et ainsi de reconstruire des images tridimensionnelles.
[0006] Ce dispositif de la figure 1 B est satisfaisant. Cependant, tous les dispositifs de l’art antérieur utilisent une ligne à retard DL afin de synchroniser temporellement le faisceau de pompe FPo avec le faisceau Stokes FSo sur l’échantillon. En effet, dans la microscopie CARS, les fibres générant le supercontinuum par conversion non linéaire (notamment la conversion par effet Raman stimulé) déplètent fortement la longueur d’onde de pompe Âp. La puissance restante à n’est alors plus suffisante pour générer l’effet Raman stimulé dans l’échantillon. Cependant, l’utilisation d’une ligne à retard permet d’eviter, à une partie de l’onde de pompe, d’être déplétée du fait de l’utilisation d’un chemin optique different de celui qui généré le supercontinuum. Ainsi une partie de l’onde pompe est préservée des distorsions induites lors de la génération du supercontinuum.
[0007] L’utilisation de cette ligne à retard est contraignante car cela diminue la compacité du dispositif et complexifie son utilisation. En effet, la présence d’une ligne à retard nécessite un alignement et une synchronisation précis entre le faisceau de pompe FPo et le faisceau Stokes FSo au niveau de l’échantillon.
[0008] L’invention vise à s’affranchir de cet inconvénient avec un dispositif de microscopie CARS multiplex avec une fibre particulièrement adaptée qui permet de générer un faisceau de sortie comprenant le faisceau pompe et le faisceau sonde partiellement synchronisés pour transporter le faisceau de pompe jusqu’à l’échantillon de manière synchronisé avec le faisceau sonde afin d’induire l’effet Raman cohérent multiplex dans l’échantillon sans utiliser une ligne à retard. Cela augmente la compacité du dispositif et simplifie grandement son utilisation.
Résumé de l’invention :
[0009] A cet effet, un objet de l’invention est un dispositif de microscopie CARS multiplex pour analyser un échantillon comprenant :
- une source laser adaptée pour émettre un faisceau primaire présentant une première longueur d’onde lt sous la forme d’impulsions avec une énergie dite primaire ;
- une fibre optique comprenant un cœur et présentant au moins dix modes, dont un mode fondamental, la fibre optique étant adaptée pour :
- générer, par conversion non linéaire de la première longueur d’onde du faisceau primaire, une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde Â2 formant un supercontinuum, et
- relocaliser dans ledit mode fondamental, par effet Kerr, une portion de l’énergie primaire initialement répartie dans les autres modes de la fibre optique, de manière à former un faisceau de sortie présentant les deuxièmes longueurs d’onde, et la première longueur d’onde dans le mode fondamental
- un système optique adapté pour focaliser le faisceau de sortie sur ledit échantillon, de manière à générer un faisceau anti-Stokes par effet Raman stimulé induit par au moins une des deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde présentes dans le faisceau de sortie ;
- un photodétecteur adapté pour détecter le faisceau anti-Stokes.
[0010] Selon un mode de réalisation de l’invention, la fibre est adaptée par rapport à l’énergie primaire pour qu’une impulsion dans le faisceau de sortie à la première longueur d’onde soit synchronisée temporellement avec des impulsions dans le faisceau de sortie à des deuxièmes longueurs d’onde.
[0011] Selon un mode de réalisation de l’invention, le cœur comprend un profil transverse de variation d’indice configuré pour générer par effet Kerr une modulation périodique longitudinale de l’indice dudit cœur. De manière préférentielle, le profil transverse de variation d’indice du cœur comprend un maximum localisé au centre du cœur. De manière encore préférentielle, le profil de variation d’indice du cœur est choisi dans un groupe comprenant un profil parabolique, un profil gaussien, un profil super gaussien, un profil triangulaire, un profil lorentzien, un profil multi-lobes, et un profil de sécante hyperbolique carrée
[0012] Selon un mode de réalisation de l’invention, la fibre optique est adaptée pour qu’une énergie du faisceau de sortie à la première longueur d’onde dans le mode fondamental, soit supérieure ou égale à 10%, préférentiellement 20%, de l’énergie primaire.
[0013] Selon un mode de réalisation de l’invention, dans lequel la fibre optique présente une gaine d’indice ng, un diamètre de cœur <i>c, une dispersion du retard de groupe K" à la première longueur d’onde une longueur de la fibre optique étant telle que des deuxièmes longueurs d’onde λ2 forment un spectre continu entre la première longueur d’onde et une longueur d’onde dite GPI d’ordre 1 ÛGPI 1 = 27ic/fGPI 1 + Alt avec c la célérité de la lumière dans le vide et et avec Δ = avec ncm un index maximum du cœur. De manière préférentielle, la fibre optique est adaptée pour que la fréquence GPI Stokes d’ordre 1 fGPI 1 soit comprise entre 2700 cm-1 et 3500 cm-1.
[0014] Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif comprend un amplificateur agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie en amont de l’échantillon et adapté pour amplifier une puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde Ai. De manière préférentielle, l’amplificateur comprend une fibre amplificatrice avec un cœur dopé avec des éléments en terre rare, ladite fibre amplificatrice étant accolée, ou soudée ou couplée à une extrémité aval de la fibre optique. De manière encore préférentielle, la fibre amplificatrice est pompée par des deuxièmes longueurs d’onde du faisceau de sortie qui sont inférieures à la première longueur d’onde Dans ce mode de réalisation, de manière préférentielle, la première longueur d’onde vaut environ 1064 nm et dans lequel la longueur d’onde GPI d’ordre vaut environ 1550 nm, ladite fibre amplificatrice étant dopée avec des ions erbium.
[0015] Selon un mode de réalisation de l’invention, le coeur est dopé dans un matériau donné, le dopage de la fibre optique étant non uniforme longitudinalement, de sorte que la fibre optique soit amplificatrice à la première longueur d’onde sur une portion aval de la fibre optique. De manière préférentielle, la première longueur d’onde vaut environ 1064 nm et dans lequel la longueur d’onde GPI Stokes d’ordre 1 est ÂGP/ 1 ~ 1550 nm, ladite fibre optique étant dopée avec des ions erbium.
[0016] Selon un mode de réalisation de l’invention, la conversion non linéaire est choisie dans un groupe comprenant une conversion par auto-décalage par effet Raman de solitons générés par la propagation de chaque impulsion au sein de la fibre optique, une conversion par auto-modulation de phase, une conversion modulation de phase croisée, une conversion par effet Raman stimulé, et une conversion par mélange paramétrique.
[0017] Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif comprend un filtre spectral dit amont agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie en amont de l’échantillon et adapté pour filtrer spectralement des longueurs d’onde inférieures à la première longueur d’onde. De manière préférentielle, le dispositif comprend un processeur adapté pour analyser une information fréquentielle du faisceau anti-Stokes détecté par le photodétecteur, le filtre spectral amont étant contrôlable et adapté pour filtrer de plus une gamme spectrale du faisceau de sortie en fonction de ladite information fréquentielle.
[0018] Selon un mode de réalisation de l’invention, le dispositif comprend un filtre spectral dit aval agencé sur le trajet optique du faisceau anti-Stokes et adapté pour filtrer le faisceau de sortie se co-propageant avec le faisceau anti-Stokes.
[0019] Un autre objet de l’invention est une méthode de microscopie CARS multiplex pour analyser un échantillon, avec un dispositif comprenant une fibre optique comprenant un cœur présentant au moins dix modes et, dont un dit fondamental, pour analyser un échantillon, ladite méthode comprenant les étapes suivantes :
- Générer, par une source laser, un faisceau primaire présentant une première longueur d’onde sous la forme d’impulsions avec une énergie dite primaire ;
- générer, par conversion non linéaire de la première longueur d’onde du faisceau primaire dans la fibre optique, une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde Â2 formant un supercontinuum, et relocaliser dans ledit mode fondamental, par effet Kerr, une portion de l’énergie primaire initialement répartie dans les modes de la fibre optique, de manière à former un faisceau de sortie présentant les deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde dans le mode fondamental
- focaliser le faisceau de sortie sur ledit échantillon, de manière à générer un faisceau anti-Stokes par effet Raman stimulé induit par au moins une des deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde λ1 présentes dans le faisceau de sortie ;
- détecter le faisceau anti-Stokes.
Brève description des figures :
[0020] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :
[0021] La figure 1A, une vue schématique du processus CARS [0022] La figure 1 B, une vue schématique d’un dispositif de microscopie CARS multiplex de l’art antérieur,
[0023] La figure 2A, un dispositif de microscopie CARS multiplex selon l’invention,
[0024] La figure 2B, une coupe transverse de la fibre F et un profil transverse de variation d’indice PVC du cœur FC,
[0025] La figure 2C, une représentation schématique des oscillations spatiales périodiques du faisceau FP, dans la fibre F, en des points chaud PC,
[0026] La figure 2D, une représentation graphique spectro-temporelle du faisceau de sortie
[0027] La figure 3A, le spectre Raman (1R construit à partir du spectre du faisceau anti-Stokes à MAS détecté par le dispositif de l’invention pour un échantillon de paraffine
[0028] La figure 3B, la densité spectrale de puissance dans le faisceau de sortie en fonction de la longueur de la fibre F et la densité spectrale de puissance dans le faisceau de sortie pour une longueur de fibre F de 18,5 m.
[0029] La figure 4A, un dispositif de microscopie CARS multiplex selon un mode de réalisation de l’invention,
[0030] La figure4B, un dispositif de microscopie CARS multiplex selon un mode de réalisation de l’invention,
[0031] La figure 5, la densité spectrale de puissance relative d’une impulsions IL2 du faisceau de sortie FSC en sortie de la fibre F (courbe C1) et après filtrage par le filtre SF (courbe C2 et C2),
[0032] La figure 6, un dispositif de microscopie CARS multiplex selon un mode de réalisation de l’invention,
[0033] Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle.
[0034] Par « une longueur d’onde de X nm », on entend dans la suite de la description une longueur d’onde qui vaut X nm à ±5 nm.
Description détaillée :
[0035] La figure 2A illustre schématiquement un dispositif 1 de microscopie CARS multiplex selon l’invention, pour analyser un échantillon Ech. [0036] Le dispositif 1 comprend une source laser LS impulsionnelle adaptée pour émettre un faisceau primaire FP sous la forme d’impulsions laser IL1 avec une
27T C energie dite primaire et présentant une premiere longueur d’onde , également dénommée longueur d’onde de pompe. Les impulsions laser IL1 sont des impulsions de durée allant de la nanoseconde (ns) à la femtoseconde (fs). Dans le cadre de la présente description, une impulsion nanoseconde est une impulsion de durée comprise entre 1 et 100 ns et une impulsion femtoseconde est une impulsion de durée comprise entre 1 et 100 fs. La cadence des impulsions laser est comprise par exemple entre 0,1 et 100 MHz. L’énergie des impulsions est comprise entre 0.1 nJ et 100 nJ. La puissance crête des impulsions laser, appelée puissance primaire, est par exemple comprise entre 5 kW et 10 MW. Compte tenu de la durée des impulsions laser IL1 , la première longueur d’onde doit être considérée comme la longueur d’onde centrale de l’impulsion laser IL1. On note la largeur spectrale des impulsions IL1 .
[0037] Selon un mode de réalisation, la source laser LS est un oscillateur laser à fibre optique dopée dans un matériau donné. La fibre optique dopée de la source laser LS est par exemple une fibre optique constituée d’un matériau luminescent donné (verre ou matrice vitreuse), dopé dans un matériau. Le matériau de dopage est un matériau optiquement actif, c'est-à-dire que, sous excitation (par exemple par des lasers de pompe internes à la source LS), ce matériau émet une lumière cohérente à une longueur d’onde donnée.
[0038] Selon un mode de réalisation, le matériau de dopage est un ion, par exemple un ion de terre rare. La terre rare est par exemple le néodyme (de symbole chimique Nd), l’ytterbium (de symbole chimique Yb), le praséodyme (de symbole chimique Pr), l’erbium (de symbole chimique Er), le thulium (de symbole chimique Tm), l’holmium (de symbole chimique Ho), ou tout autre élément fluorescent soluble dans la matrice vitreuse constituant la fibre, comme par exemple le bismuth (de symbole chimique Bi). La première longueur d’onde dépend du matériau et du dopage de la fibre optique de la source laser.
[0039] Selon un mode de réalisation, la source laser LS est un oscillateur laser fibré à verrouillage de modes en phase. Un tel verrouillage des modes longitudinaux de l’oscillateur laser d’injection permet d’obtenir des impulsions nanosecondes à femtosecondes. D’autres types de lasers, par exemple un laser de type « gain switch » permettent également d’obtenir des impulsions picosecondes et nanosecondes.
[0040] Le dispositif 1 de l’invention comprend une fibre optique F dans laquelle sont injectées les impulsions IL1 délivrées par la source LS, par exemple à l’aide d’un coupleur à fibre optique CF. Cette fibre optique F est très multimodale, ce qui signifie qu’elle présente au moins dix modes spatiaux transverses, et de préférence au moins vingt modes, dont un fondamental et entre lesquels est initialement répartie l’énergie primaire du faisceau primaire FP.
[0041] La figure 2B en haut illustre schématiquement une coupe transverse de la fibre F qui comprend un cœur FC de diamètre 4>c, et une gaine FG d’indice nG. En bas de la figure 2B est représenté un profil transverse de variation d’indice PVC du cœur FC, passant par le centre du cœur. A titre d’exemple non limitatif, le profil d’indice PVC illustré dans la figure 2B est parabolique avec un maximum au centre du cœur FC. Ce profil d’indice est adapté pour générer un effet de nettoyage spatial de l’énergie primaire dans le mode fondamental (voir plus loin). Dans la suite de la description, on note ncm l’indice maximum du profil PVC.
[0042] La fibre optique F de l’invention est adaptée pour générer un supercontinuum SC à partir de la première longueur d’onde Le faisceau de sortie FSC présente des impulsions IL2 formées à partir des impulsions IL1 .
[0043] Pour cela, la fibre est adaptée -via son diamètre de cœur 4>c et pour une énergie primaire suffisante- pour générer par conversion non linéaire de la première longueur d’onde du faisceau primaire, une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde Â2 formant le supercontinuum SC.
[0044] De manière connue, le processus de génération de supercontinuum de part et d’autre comprend les phénomènes suivants : l’automodulation de phase, la modulation de phase croisée, le mélange paramétrique à quatre ondes, l’effet Raman stimulé, et l’auto-décalage solitonique par effet Raman (soliton selffrequency shift en anglais). Ces deux derniers phénomères contribuent de manière très importante à la déplétion de la première longueur d’onde et à la génération du supercontinuum aux longueurs d’onde supérieure à Les deuxièmes longueurs d’onde générées par ces deux derniers phénomères sont strictement supérieures à la première longueur d’onde à partir desquelles elles sont générées car la diffusion Raman stimulée, qui est à l’origine de l’auto- décalage fréquentiel des solitons dans la fibre, a un effet dissipatif en termes d’énergie lumineuse. Les longueurs d’onde inférieures à sont obtenues principalement par mélange paramétrique à quatre ondes, par auto-modulation de phase, par modulation de phase croisée, et les longueurs d’onde supérieures à Ai sont obtenues principalement par autodécalage par effet Raman des solitons ou par une conversion par effet Raman stimulé.
[0045] Ces différents phénomènes sont des effets non linéaires qui apparaissent pour une puissance primaire supérieure à une puissance seuil, au cours de la propagation de la fibre. Ils permettent une génération des deuxièmes longueurs d’onde. Cependant, cette génération déplète considérablement la première longueur dans l’impulsions IL1 lors de sa propagation dans la fibre.
[0046] Afin de régénérer partiellement la première longueur et ainsi obtenir un faisceau de sortie présentant une puissance suffisante pour servir d’onde de pompe induisant l’effet Raman stimulé dans l’échantillon, la fibre F effectue un nettoyage spatial du faisceau laser dans le mode fondamental (spatial beam self cleaning en anglais) au cours de sa propagation dans la fibre F. Ce phénomène est connu de l’homme de l’art et est par exemple décrit dans le document Krupa, K., Tonello, A., Shalaby, B. et al. Spatial beam self-cleaning in multimode fibres. Nature Photonics 11, 237-241 (2017). Une brève explication de ce phénomène est reprise ici.
[0047] Dans un premier temps, lors de la propagation dans les premiers centimètres de la fibre optique F, le profil spatial de l’impulsion IL1 est modifié afin de devenir multimode sous l’effet des différences de vitesse de groupe entre les différents modes spatiaux.
[0048] La fibre F - via son profil transverse de variation d’indice PVC - est adaptée pour que le couplage linéaire entre ces modes induise une image (point chaud) périodique tout au long de la propagation dans la fibre optique F. Cette périodicité dépend des constantes de propagation des modes en interaction et est contrôlée entre autre par le profil transverse d’indice PVC. Une condition nécessaire est que le profil transverse d’indice PVC comprend un maximum localisé au centre du cœur FC.
[0049] La figure 2C illustre schématiquement la création d’oscillations spatiales du faisceau FP périodiques longitudinalement dans la fibre F, créant des points chauds PC, produits par le profil transverse d’indice PVC. Ces oscillations spatiales sont de période Pour une fibre de type GRIN (Graded Index) conventionnelle avec un diamètre de cœur de 50 pm et Δ = 0.02 par exemple, la période des oscillations vaut 785 pm.
[0050] Compte tenu de l’énergie primaire, cette image périodique génère une modulation périodique de l’indice du cœur de la fibre optique F par effet Kerr, qui fournit alors un accord de phase entre les modes. Cet accord de phase permet un mélange paramétrique à quatre ondes qui induit un transfert de l’énergie des différents modes vers celui qui possède la vitesse de groupe la plus faible, à savoir le mode fondamental.
[0051] Dans un second temps, du fait de son énergie relativement élevée (résultant du transfert) ce mode fondamental se désolidarise des autres modes sous l’effet de l’auto-modulation de phase, ce qui stoppe le processus de transfert énergétique et emprisonne définitivement l’énergie sur cet unique mode fondamental. La propagation de ce mode dans la fibre permet alors la génération d’un supercontinuum sur ce même mode fondamental et la création des deuxièmes longueurs d’onde Â2. La pompe primaire est alors déplétée par la génération des secondes longueurs d’onde Â2. De manière synchrone à la création des deuxièmes longueurs d’onde, une relocalisation spatiale d’une portion de l’énergie primaire à non utilisée pour générer les deuxièmes longueurs d’onde, et localisée dans les modes d’ordres élevés, est observée. Cette seconde relocalisation est basée sur le même processus décrit précédemment. Ceci permet de régénérer partiellement l’énergie primaire déplétée par la conversion non linéaire générant les deuxièmes longueurs d’onde.
[0052] En résumé, la fibre F est adaptée pour relocaliser dans le mode fondamental, par effet Kerr, une portion de l’énergie primaire initialement répartie dans les autres modes de la fibre optique, de manière à former un faisceau de sortie FSC présentant les deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde
[0053] De manière préférentielle, le profil de variation d’indice du cœur FC est choisi dans un groupe comprenant un profil parabolique, un profil gaussien, un profil super gaussien, un profil triangulaire, un profil lorentzien, un profil multi-lobes, et un profil de sécante hyperbolique carrée. Ces profils sont préférables pour induire le nettoyage par effet Kerr.
[0054] Afin de réaliser une analyse CARS de l’échantillon Ech avec le faisceau de sortie FSC, il est essentiel qu’il existe :
- une puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde suffisante. Cette condition est nécessaire car l’effet Raman stimulé est un processus non linéaire multi photonique d’ordre 3 qui apparait à partir d’un seuil de puissance pour l’onde de pompe
- une synchronisation temporelle entre des deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde X . C’est-à-dire que dans l’invention, la fibre est adaptée pour qu’une impulsion dans le faisceau de sortie FSC à la première longueur d’onde soit synchronisée temporellement avec des impulsions dans le faisceau de sortie FSC à des deuxièmes longueurs d’onde Â2 (voir figure 2D). Cette condition est nécessaire pour induire un effet Raman stimulé dans l’échantillon Ech avec l’unique faisceau de sortie FSC.
[0055] La première condition dépend de la dispersion de la fibre F et de sa longueur : plus la fibre est longue, plus l’impulsion IL1 à sera déplétée par la conversion non linéaire dans la fibre F. De même, à une longueur de fibre fixée, plus la puissance primaire des impulsions IL1 est élevée plus l’impulsion IL1 à sera déplétée par la conversion non linéaire. C’est pourquoi, dans l’invention, la fibre - via sa longueur et sa dispersion - est adaptée en fonction de la puissance des impulsions IL1 pour qu’une énergie du faisceau de sortie à la première longueur d’onde soit non négligeable par rapport à l’énergie primaire des impulsions. Plus précisément, la fibre est suffisamment courte pour que l’énergie du faisceau de sortie à la première longueur d’onde soit supérieure ou égale à 10%, préférentiellement 20% de l’énergie primaire. Le nettoyage spatial par effet Kerr permet, de plus, de régénérer une partie de l’énergie de l’impulsion déplétée du fait de la conversion non linéaire de la première longueur
[0056] La deuxième condition dépend de la dispersion de la fibre F et de sa longueur. En effet, de manière inattendue, les inventeurs ont observé que les fibres connues de l’homme de l’art dans lesquelles l’effet de nettoyage spatial sur le mode fondamental est observé permettaient, en augmentant l’énergie des impulsions injectées dans la fibre à la longueur d’onde de pompe, de générer un supercontinuum tout en maintenant l’effet de nettoyage spatial et en obtenant la synchronisation temporelle de certaines longueurs d’onde du supercontinuum et Â-p La figure 2D illustre ce résultat. Plus précisément, la figure 2D est une représentation graphique spectro-temporelle du faisceau de sortie obtenue, à titre d’exemple non limitatif, avec une fibre GRIN de diamètre de cœur de 50 pm, avec Δ = 0,022, de longueur L = 12,5 m. Dans cet exemple, les impulsions IL1 présentent une première longueur d’onde à 1030 nm et sont de durée de 0,1 ns, avec une puissance moyenne du faisceau FP de 325 mW et pour un taux de répétition de 30 kHz.
[0057] En faisant un profil vertical dans le graphique de la figure 2D on obtient un profil temporel d’une impulsion IL2 à une longueur d’onde donnée. Le profil vertical PV1 à = 1030 nm permet d’observer un profil temporel d’une impulsion IL2 On observe que l’impulsion IL2 est dépletée car il existe une répartition d’intensité non négligeable entre -155 ps et +125 ps. Cette déplétion, provoquée par la conversion non linéaire de générant le supercontinuum, fait que l’impulsion IL2 comprend deux « sous impulsions » SI1 et SI2 issues de la fission temporelle (pulse breakup en anglais) de l’impulsion IL1 lors de sa propagation dans la fibre F. Ces deux sous-impulsions SI1 et SI2 sont centrées temporellement respectivement à environ +40 ps et environ -110 ps.
[0058] En faisant un profil horizontal, on obtient un spectre « instantané » du faisceau de sortie FSC qui permet d’observer les longueurs d’onde Â2 qui sont temporellement synchronisées avec dans le faisceau de sortie FSC. Le profil horizontal PH1 à +40 ps, illustre que la première sous-impulsion SI1 n’est synchronisée avec quasiment aucune longueur d’onde Â2. Cette sous-impulsion SI1 ne sera donc pas utilisable comme faisceau pompe pour réaliser une analyse CARS. A l’inverse, la deuxième sous-impulsion SI2 est synchronisée avec de nombreuses longueurs d’onde Â2 allant jusqu’à plus de 1600 nm. Il est donc possible de réaliser une analyse CARS en utilisant comme faisceau pompe la sous-impulsion SI2 à et avec comme faisceau sonde des impulsions IL2 aux deuxièmes longueurs d’onde Â2 synchronisées avec la sous-impulsion SI2 On précise que, bien que l’impulsion IL2 à Â2 soit déplétée, grâce au nettoyage spatial induit par l’effet Kerr, la puissance de la sous impulsion SI2 à est suffisante pour servir de pompe induisant l’effet Raman stimulé dans l’échantillon (voir notamment figure 3A).
[0059] L’exemple de la figure 2D est généralisable à l’invention dans son ensemble. C’est-à-dire que, dans l’invention, la fibre est adaptée - via sa dispersion et sa longueur - par rapport à l’énergie primaire pour qu’une impulsion IL2 dans le faisceau de sortie FSC à la première longueur d’onde soit synchronisée temporellement avec des impulsions IL2 dans le faisceau de sortie FSC à des deuxièmes longueurs d’onde Â2
[0060] Afin de réaliser de la microscopie CARS large bande, le dispositif 1 comprend un système optique MO adapté pour focaliser le faisceau de sortie sur l’échantillon. Le système optique MO est préférentiellement un objectif de microscope de focale /M0, de préférence à forte ouverture numérique (NA>0.8). Le faisceau de sortie focalisé sur l’échantillon génère un faisceau anti-Stokes STK par effet Raman cohérent induit par au moins une des deuxièmes longueurs d’onde supérieures à et la première longueur d’onde toutes les deux présentes dans le faisceau de sortie FSC. On désigne par Â2j- = 2TT/<W2J, les j e [1,/V] deuxièmes longueurs d’onde du faisceau FSC supérieures à Xlt qui constituent donc les longueurs d’onde de sonde. Les photons du faisceau FSC à la première longueur d’onde sont suffisamment nombreux pour induire l’effet Raman stimulé dans l’échantillon Ech. Ainsi, un ou plusieurs niveaux vibrationnels des modes Raman résonants de l’échantillon Ech sont excités à une ou plusieurs fréquences de résonance QR j = Ù)1 - Û)2J et le faisceau anti-Stokes présente une ou plusieurs fréquences a)ASj = Les longueurs d’onde anti-stokes XASj = 2nc/a)AS j du faisceau STK sont donc inférieures à X^ En fait, dans le dispositif 1 , le faisceau de sortie FSC constitue à la fois le faisceau pompe (via la première longueur d’onde et le faisceau sonde (via les deuxièmes longueurs d’onde supérieures à des dispositifs de l’art antérieur.
[0061] Le dispositif comprend un photodétecteur Det connu de l’homme de l’art et adapté pour détecter le faisceau anti-Stokes typiquement combiné avec un spectromètre afin de séparer spatialement les longueurs d’onde du faisceau anti- Stokes avant leur détection. Le photodétecteur est typiquement un tube photomultiplicateur, une caméra CCD ou encore une photodiode à avalanche.
[0062] Grâce à une fibre F particulièrement adaptée, par sa longueur, son profil transerve d’indice de coeur PVC, et son diamètre de cœur 4>c, le dispositif de l’invention n’utilise pas de ligne à retard pour transporter le faisceau de pompe jusqu’à l’échantillon de manière synchronisé avec le faisceau sonde afin d’induire l’effet Raman coherent multiplex dans l’échantillon. Cela augmente la compacité du dispositif et simplifie grandement son utilisation
[0063] Dans le mode de réalisation illustré dans la figure 2A, le faisceau anti-Stokes est collecté « vers l’avant » (signal F-CARS) par le photodétecteur. De manière préférentielle, dans ce mode de réalisation le dispositif 1 comprend un objectif de collection CL, (avec une ouverture numérique d’environ 0.5 par exemple) pour collimater le faisceau anti-Stokes avant sa détection, permettant ainsi une grande distance de travail (voir figure 4A par exemple).
[0064] Alternativement, selon un autre mode de réalisation, le faisceau anti-Stokes est collecté vers l’arrière (signal E-CARS) par l’objectif MO. Dans ce mode de réalisation, le dispositif 1 comprend alors un miroir dichroïque pour séparer spatialement le faisceau anti-Stokes du faisceau de sortie incident sur l’échantillon avant de pouvoir le détecter avec le phodétecteur Det.
[0065] De manière préférentielle, comme illustré en figure 2A, le dispositif 1 comprend un porte échantillon SH adapté pour déplacer l’échantillon dans l’espace tridimensionnel, afin de cartographier l’échantillon en 3D et ainsi reconstruire des images tridimensionnelles.
[0066] La figure 3A illustre le décalage Raman (1R construit à partir du spectre du faisceau anti-Stokes à MAS = (1R détecté par le dispositif de l’invention pour un échantillon de paraffine. A titre d’exemple non limitatif, ce spectre est obtenu avec les mêmes paramètres que ceux de la figure 2D, la fibre F faisant ici 18 m de long. Notamment, le faisceau anti-Stokes détecté comprend 4 pics à des fréquences Raman de -2890 cm’1, de -2850 cm’1, -1440 cm’1 et -1300 cm’1. Ces pics sont respectivement caractéristiques des modes d’étirement symétrique CH3, étirement symétrique CH2, de courbure CH2 et mode de torsion CH2 présents dans l’échantillon Ech.
[0067] La figure 3A démontre donc expérimentalement la faisabilité de l’imagerie CARS multiplex avec le dispositif de l’invention, sans utiliser de ligne à retard pour synchroniser une portion du faisceau primaire avec le faisceau de sortie sur l’échantillon Ech.
[0068] La figure 3B haut est une représentation de la densité spectrale de puissance dans le faisceau de sortie en fonction de la longueur de la fibre F. La figure 3B bas est la densité spectrale de puissance dans le faisceau de sortie pour une longueur de fibre F de 18,5 m qui est obtenue par un simple profil horizontal de la figure 3B du haut pour y=18,5 m. A titre d’exemple non limitatif, ces figures sont obtenues pour des impulsions IL1 à une longueur d’onde = 1064 nm avec une puissance crête de 45 kW et une durée d’impulsion de 100 ps. Les densités spectrales de puissances sont obtenues dans une fibre F de type GRIN avec un de diamètre de cœur 4>c = 50 pm, et avec Δ = 0,022.
[0069] La figure 3B haut permet d’observer que le supercontinuum SC généré s’élargit spectralement lorsque la longueur de la fibre F augmente jusqu’à environ 20 m. La puissance crête de l’impulsion IL2 à diminue progressivement avec l’augmentation de la longueur de la fibre F au fur et à mesure de la conversion non linéaire de vers les hautes longueurs d’onde Â2 en raison du défaut quantique lié à l’interaction entre la lumière et la matière au travers de l’effet Raman. Au-delà de 20 m de fibre (et pour une puissance de 45 kW), il n’y a plus d’augmentation de la largeur spectrale du fait de l’absorption du matériau. On rappelle que les longueurs d’onde inférieures à sont obtenues principalement par mélange paramétrique à quatre ondes, par auto-modulation de phase, par modulation de phase croisée et ondes dispersives, et les longueurs d’onde supérieures sont obtenues principalement par autodécalage par effet Raman des solitons ou par une conversion par effet Raman stimulé. [0070] Dans la figure 3B bas, les pics (ou sidebands) observées pour des longueurs d’onde inférieures à sont des instabilitées modulationelles géométriques paramétriques (geometric parametric instabilities ou GPI en anglais) dues à des couplages spatio-temporel résonants dans le domaine fréquentiel induit par les oscillations spatiales périodiques dans la fibre F elles-mêmes provoquées par le profil d’indice PVC du cœur FC. Ce phénomène est décrit notamment dans la publication Krupa, Katarzyna, et al. "Observation of geometric parametric instability induced by the periodic spatial self-imaging of multimode waves." Physical review letters 116.18 (2016): 183901 .
[0071] Ce couplage spatio-temporel dans le domaine fréquentiel est permis par un accord de phase entre et des longueurs d’onde A2. On obtient des sidebands GPI d’ordre h qui sont décalées en fréquence par rapport à Xr de fréquences GPI d’ordre h, fGPlih telles que : une dispersion du retard de groupe K” à la première longueur d’onde X1. Ces sidebands GPI sont présents de part et d’autre de Xr. On appelle première fréquence GPI ou fréquence GPI d’ordre 1 la fréquence fGPI 1 = qui correspond au décalage de la première sideband résonante par rapport à X±.
[0072] Dans un mode de réalisation avantageux de l’invention, noté MA, la fibre est suffisamment longue pour que les deuxièmes longueurs d’onde Â2 forment un spectre continu entre la première longueur d’onde et la longueur d’onde GPI d’ordre 1 AGPI 1 = + Ai. Par « spectre continu », on entend ici que cette
/ G P 1,1 portion du spectre du supercontinuum ne contient pas de pics (ou sidebands) séparées par des gammes spectrales où la densité de puissance moyenne est négligeable (typiquement inférieure à 30 dB) par rapport à la puissance maximale de ces pics. Cette caractéristique permet d’effectuer de l’analyse CARS avec toutes deuxièmes longueurs d’onde A2 inférieures ou égales à ÛGPI 1 comme onde sonde et permet d’éviter d’obtenir un supercontinuum en sortie de fibre discontinu et structuré par des sidebands GPI à des deuxièmes longueurs d’onde A2 inférieures ou égales à À.GPI 1 . En effet, l’autodécalage par effet Raman des solitons ou la conversion par effet Raman stimulé génèrent des deuxièmes longueurs d’onde Â2 supérieures à qui forment un spectre continu. On rappelle que, pour une énergie primaire fixée, plus la fibre F est longue, plus les deuxièmes longueurs d’onde Â2 maximales générées par ces deux effets Raman sont élevées. Dans ce mode de réalisation MA, grâce à la longueur de la fibre, le supercontinuum généré est donc continu entre et À.GPI 1.
[0073] De manière préférentielle, dans le mode de réalisation MA, la fibre est adaptée pour que la fréquence GPI d’ordre 1 fGPI 1 soit comprise entre 2700 cm-1 et 3500 cm-1. Cette caractéristique additionnelle permet d’obtenir des deuxièmes longueurs d’onde Â2 qui présentent un décalage par rapport à la première longueur d’onde permettant d’analyse des liaisons dans l’échantillons dans la zone C-H.
[0074] La figure 4A illustre une vue schématique en perspective d’un mode de réalisation du dispositif 1. En plus des éléments détaillés dans la description de la figure 2A, le dispositif du mode de réalisation de la figure 4A comprend un filtre spectral dit amont SF agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie FSC en amont de l’échantillon Ech et adapté pour filtrer spectralement des longueurs d’onde inférieures à la première longueur d’onde. De préférence, le filtre SF est adapté pour que le faisceau FSC filtré ne comprenne que la première longueur d’onde et des deuxièmes longueurs d’onde supérieures à utiles pour la génération du faisceau anti-Stokes. Ce filtre amont SF permet de plus facilement identifier les longueurs d’onde du faisceau anti-Stokes qui sont induites par l’effet Raman cohérent, ces longueurs d’onde AAS étant nécessairement inférieures de par la nature même de ce phénomène.
[0075] En outre, le dispositif du mode de réalisation de la figure 4A comprend un filtre spectral dit aval SF’, optionnel, agencé sur le trajet optique du faisceau anti- Stokes STK et adapté pour filtrer le faisceau de sortie se co-propageant avec le faisceau anti-Stokes ayant traversé l’échantillon. Le filtre SF’ transmet uniquement le faisceau anti-Stokes qui est à des longueurs d’onde AAS = 2ncl(àAS inférieures à ces longueurs d’onde étant les longueurs d’onde qui sont pertinentes pour l’analyse de l’échantillon Ech. [0076] Les filtres SF et SF’ sont des éléments connus de l’homme de l’art et sont par exemple des filtres de couleur, ou sont chacun formés par un réseau de diffraction couplé à un miroir déformable ou couplé avec un modulateur spatial de lumière contrôlable pour sélectionner les longueurs d’onde à transmettre ou non.
[0077] Dans le dispositif de la figure 4A, le faisceau anti-Stokes filtré par le filtre SF’ est couplé - par le biais d’un ensemble de couplage SCA comprenant une lentille de focalisation et un coupleur à fibre - dans une fibre optique de détection transportant le faisceau jusqu’au photodétecteur Det. Ces éléments permettent une plus grande stabilité du dispositif.
[0078] Le dispositif de la figure 4A comprend en outre deux miroirs optionels M1 , M2 pour des raisons de compacité et un objectif de collection CL (par exemple : NA~0.5), pour collimater le faisceau anti-Stokes permettant ainsi une grande distance de travail pour la détection.
[0079] La figure 4B illustre un mode de réalisation du dispositif de la figure 4A. Dans ce mode de réalisation, le filtre spectral amont est adaptatif en fonction du signal anti-Stokes détecté. Pour cela, le dispositif 1 comprend un processeur adapté pour analyser une information fréquentielle du faisceau anti-Stokes détecté par le photodétecteur via typiquement un spectromètre. De plus, le filtre spectral amont SF est contrôlable et adapté pour filtrer, en plus de certaines longueurs d’onde inférieures à Xlt une gamme spectrale du faisceau de sortie en fonction de l’information fréquentielle analysée par le processeur. Le contrôle du filtre SF se fait par le biais d’une boucle de rétroaction BR.
[0080] Selon une première variante, le filtre SF du dispositif de la figure 4B transmet uniquement une gamme spectrale pertinente pour l’analyse d’un échantillon Ech prédéterminé en plus de la première longueur d’onde. Cela permet une analyse plus rapide de l’échantillon.
[0081] Selon une deuxième variante, le filtre SF du dispositif de la figure 4B permet une amélioration de la résolution spectrale du dispositif. Théoriquement, la résolution spectrale du dispositif devrait être fixée par la largeur spectrale de l’impulsion IL1 , Cependant, à cause notamment de l’automodulation de phase contribuant à l’élargissement spectral de l’impulsion IL1 en sortie de la fibre F, la résolution du dispositif est susceptible d’être supérieure à Pour améliorer la résolution spectrale, en plus des longueurs d’onde inférieures à Al t le filtre SF filtre un intervalle de longueurs d’onde directement supérieures à la longueur d’onde pour réduire la largeur spectrale du faisceau de pompe qui fixe la résolution. On note que l’utilisation d’un filtre SF sans contrôle par rétroaction et filtrant les longueurs d’onde directement supérieures à la longueur pour réduire la largeur spectrale du faisceau de pompe - en plus des longueurs d’onde inférieures - est compatible avec le mode de réalisation de la figure 4A.
[0082] La figure 5 est une représentation de la densité spectrale de puissance d’une impulsion IL2 du faisceau de sortie FSC respectivement en sortie de la fibre F (courbe C1 ), après filtrage par le filtre SF des fréquences inférieures (courbe C2), et après filtrage par le filtre SF des fréquences inférieures à et d’un intervalle de fréquences supérieures à (courbe C3). Plus précisément, la courbe C2 est obtenue après filtrage des deuxièmes longueurs d’onde inférieures à 1000 nm et la courbe C3 est obtenue après filtrage des deuxièmes longueurs d’onde inférieures à 1000 nm et sur un intervalle de 800 nm supérieur à !\ titre d’exemple non limitatif, les courbes C1-C3 sont obtenues pour la deuxième variante du dispositif de la figure 4B, pour des impulsions IL1 à une longueur d’onde = 1030 nm avec une puissance crête de 45 kW et une durée d’impulsion de 100 ps, avec une fibre F de type GRIN de diamètre de cœur de 50 pm, avec Δ = 0,022, de longueur L = 12 m.
[0083] La courbe C1 illustre que, la génération du supercontinuum dans la fibre F permet d’obtenir un faisceau FSC avec une puissance à qui n’est pas complètement déplétée et qui est suffisamment puissante pour servir d’onde de pompe pour obtenir l’effet Raman stimulé dans l’échantillon.
[0084] La courbe C2 illustre l’effet du filtrage passe-bas qui permet de générer un faisceau FSC filtré qui ne comprend quasiment aucune puissance aux longueurs d’onde inférieures à 1000 nm, précisément là où la signature CARS de l’échantillon - via le faisceau anti-Stokes - sera présente. Les deuxièmes longueurs d’onde supérieures à sont nécessaires pour sonder les liaisons chimiques de l’échantillon Ech. [0085] La courbe C3 illustre l’effet du filtrage passe-bande permettant d’améliorer la résolution spectrale du dispositif. A titre d’exemple, la largeur spectrale imposée par le filtrage passe bande est environ de 15 nm.
[0086] La figure 6 illustre schématiquement un mode de réalisation du dispositif de la figure 4A. En plus des éléments détaillés dans la description de la figure 4A, le dispositif de la figure 6 comprend un amplificateur Amp agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie en amont de l’échantillon et adapté pour amplifier sélectivement la puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde Ai. Ce mode de réalisation permet de partiellement compenser la diminution de la puissance à la longueur due à la génération du supercontinuum et ainsi obtenir un signal anti-Stokes plus intense. On rappelle que l’intensité IAS du faisceau anti-Stokes est proportionnel à IAS oc , avec IM1. IM2 l’intensité du faisceau FSC à respectivement et à la deuxième longueur d’onde, avec N le nombre de molécules résonantes de l’échantillon au focus du faisceau FSC et avec x^dman 'a susceptibilité Raman du troisième ordre de la molécule de l’échantillon. L’intensité du faisceau FSC à est donc primordiale pour un bon rapport signal sur bruit.
[0087] Selon un mode de réalisation préféré de l’invention noté MP, l’amplificateur Amp comprend une fibre amplificatrice avec un cœur dopé avec des ions en terre rare. De manière connue en soi, cette fibre amplificatrice est pompée pour produire une inversion de la population en ions de terre rare et ainsi, selon le principe de l’émission stimulée, permettre l’amplification du faisceau de sortie à la première longueur d’onde. Cette fibre amplificatrice est accolée, ou soudée ou couplée à une extrémité aval de la fibre optique F. Dans le faisceau de sortie FSC, la puissance à la première longueur est trop faible pour induire un supercontinuum dans la fibre amplificatrice, la puissance de pompe est donc uniquement utilisée pour « regénérer » ou amplifier le faisceau de sortie spécifiquement à la première longueur d’onde. Pour cela, l’élément dopant du cœur est choisi en fonction de Par exemple, pour 7^ = 1064 nm, il est possible d’utiliser une fibre avec un cœur en silice dopé avec des ions Nd3+.
[0088] Selon une première variante du mode MP, la fibre amplificatrice dopée est pompée par des deuxièmes longueurs d’onde du faisceau de sortie qui sont inférieures à la première longueur d’onde Cette première variante est avantageuse car elle permet une utilisation efficace des deuxièmes longueurs d’onde inférieures à la première longueur qui sont indésirables pour la détection du faisceau anti-Stokes et qui seraient filtrées par le filtre SF sinon. La mise en œuvre d’un tel dispositif est très simple et consiste à souder un bout de fibre amplificatrice (par exemple de 50 cm) à la sortie de la fibre non linéaire. Ainsi, une partie de la puissance des impulsions IL1 utilisée pour générer les deuxièmes longueurs d’onde inférieures à est « recyclée » et permet une amplification du faisceau FSC à Ai.
[0089] Par exemple, dans le cas où l’ion de terre rare est l’erbium, les deuxièmes longueurs d’onde à environ 980 nm permettent de pomper la fibre amplificatrice. Dans le cas où l’ion de terre rare est le néodyme, les deuxièmes longueurs comprises entre 730-760 nm et/ou comprises entre 790-820 nm permettent de pomper la fibre amplificatrice. Ainsi, pour une source laser LS qui est un laser Nd- YAG à Ai = 1064 nm, les deuxièmes longueurs d’onde précitées sont inférieures à Ai et sont recyclées.
[0090] De préférence, dans cette variante, la première longueur d’onde vaut environ 1064 nm. De plus, la fibre optique F est adaptée pour que la longueur d’onde GPI d’ordre 1 ÛGPI 1 vaut environ 1550 nm et la fibre amplificatrice est dopée avec des ions erbium. Une telle fibre amplificatrice est appelée EDFA pour Erbium Doped Fiber Amplifier. Ainsi, la fibre amplificatrice Amp permet d’amplifier sélectivement à la fois la longueur et la longueur d’onde ÛGPI 1. En effet, de manière connue, un EDFA permet d’amplifier un rayonnement lumineux dans deux bandes spectrales, dont une gamme de longueur entre 1525 nm et 1565 nm.
[0091] Dans les modes de réalisation où la source laser LS comprend au moins une fibre optique avec un cœur dopé avec des ions aux terres rares, il est préférable d’utiliser les mêmes ions que ceux permettant l’émission de la longueur d’onde Ai.
[0092] Selon une deuxième variante du mode MP, la fibre amplificatrice est pompée par une portion du faisceau de pompe utilisé pour engendrer, par effet laser, la longueur d’onde primaire . Cette deuxième variante est moins avantageuse que la première variante car elle diminue la compacité du dispositif mais permet d’augmenter le gain de l’amplificateur.
[0093] Alternativement, selon un mode de réalisation comprenant un amplificateur Amp tel qu’illustré dans la figure 6, l’amplificateur n’est pas une fibre optique amplificatrice dopée mais un amplificateur de type régénératif multipassage dans un milieu solide comme du YAG dopé néodyme, ou alexandrite, ou encore saphir dopé titane. Selon des modes de réalisation différents, l’amplificateur est pompé par des deuxièmes longueurs d’onde du faisceau de sortie qui sont inférieures à la première longueur d’onde ou par une portion du faisceau primaire de la source LS ou des lasers de pompe (non représentés en figure 6). Le choix du milieu solide amplificateur est effectué en fonction de la première longueur d’onde Ai de manière à ce que l’amplification soit sélective à cette longueur d’onde. Par exemple, pour = 1064 nm, il est possible d’utiliser un cristal de Nd+3:YAG. Ce cristal produit un rayonnement fin spectralement et permet un remodelage de la largeur du faisceau lors de l’amplification.
[0094] Selon un mode de réalisation comprenant un amplificateur Amp, le dispositif 1 comprend la boucle de rétroaction BR du mode de réalisation de la figure 4B.
[0095] Alternativement, selon un autre mode de réalisation noté MD, le cœur de la fibre optique F est dopé avec des ions en terre rare. La concentration de dopage de la fibre optique est non uniforme longitudinalement, de sorte que la fibre optique soit amplificatrice à la première longueur d’onde sur une portion aval de la fibre optique. C’est-à-dire que la fibre optique F génère un supercontinuum sur une portion amont et amplifie la longueur d’onde sur la portion aval. Par exemple le profil de dopage est exponentiel longitudinalement. L’élément dopant du cœur est choisi de manière à permettre une émission stimulée pompée par des deuxièmes longueurs d’onde inférieures à la première longueur d’onde générée dans la portion amont de la fibre optique F. Ce mode de réalisation MD permet d’avoir une amplification du faisceau de sortie FSC sans nécessiter d’amplificateur externe Amp comme dans la figure 6.
[0096] De préférence, dans le mode de réalisation MD, la première longueur d’onde Ai vaut environ 1064 nm. De plus, la fibre optique F est adaptée pour que la longueur d’onde GPI d’ordre 1 ÛGPI 1 vaut environ 1550 nm et la fibre amplificatrice est dopée avec des ions erbium. Ainsi, la fibre amplificatrice Amp permet d’amplifier sélectivement à la fois la longueur et la longueur d’onde AGPI ;1. Cela permet d’obtenir un supercontinuum entre À.GPI 1 et

Claims

Revendications Dispositif de microscopie CARS multiplex pour analyser un échantillon (Ech) comprenant :
- une source laser (LS) adaptée pour émettre un faisceau primaire (FP) présentant une première longueur d’onde sous la forme d’impulsions (IL1 ) avec une énergie dite primaire ;
- une fibre optique (F) comprenant un cœur (FC) et présentant au moins dix modes, dont un mode fondamental, la fibre optique étant adaptée pour :
• générer, par conversion non linéaire de la première longueur d’onde du faisceau primaire, une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde Â2 formant un supercontinuum (SC), et
• relocaliser dans ledit mode fondamental, par effet Kerr, une portion de l’énergie primaire initialement répartie dans les autres modes de la fibre optique, de manière à former un faisceau de sortie (FSC) présentant les deuxièmes longueurs d’onde, et la première longueur d’onde dans le mode fondamental
- un système optique (MO) adapté pour focaliser le faisceau de sortie sur ledit échantillon, ladite fibre optique étant adaptée de manière à ce que le faisceau de sortie focalisé sur l’échantillon génère un faisceau anti- Stokes (STK) par effet Raman stimulé induit par au moins une des deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde Xi présentes dans le faisceau de sortie,
- un photodétecteur (Det) adapté pour détecter le faisceau anti-Stokes. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel la fibre est adaptée par rapport à l’énergie primaire pour qu’une impulsion dans le faisceau de sortie (FSC) à la première longueur d’onde soit synchronisée temporellement avec des impulsions dans le faisceau de sortie (FSC) à des deuxièmes longueurs d’onde. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le cœur (FC) comprend un profil transverse de variation d’indice configuré pour générer par effet Kerr une modulation périodique longitudinale de l’indice dudit cœur. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le profil transverse de variation d’indice du cœur (FC) comprend un maximum localisé au centre du cœur. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le profil de variation d’indice du cœur (FC) est choisi dans un groupe comprenant un profil parabolique, un profil gaussien, un profil super gaussien, un profil triangulaire, un profil lorentzien, un profil multi-lobes, et un profil de sécante hyperbolique carrée Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fibre optique est adaptée pour qu’une énergie du faisceau de sortie à la première longueur d’onde dans le mode fondamental, soit supérieure ou égale à 10%, préférentiellement 20%, de l’énergie primaire. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fibre optique (F) présente une gaine (FG) d’indice ng, un diamètre de cœur une dispersion du retard de groupe K" à la première longueur d’onde une longueur de la fibre optique étant telle que des deuxièmes longueurs d’onde Â2 forment un spectre continu entre la première longueur d’onde et une longueur d’onde dite avec ncm un index maximum du cœur (FC). Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la fibre optique est adaptée pour que la fréquence GPI Stokes d’ordre 1 fGPI 1 soit comprise entre 2700 cm-1 et 3500 cm-1. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un amplificateur (Amp) agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie en amont de l’échantillon et adapté pour amplifier une puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde Dispositif selon la revendication précédente, dans laquelle l’amplificateur comprend une fibre amplificatrice avec un cœur dopé avec des éléments en terre rare, ladite fibre amplificatrice étant accolée, ou soudée ou couplée à une extrémité aval de la fibre optique. Dispositif selon la revendication précédente, dans laquelle la fibre amplificatrice est pompée par des deuxièmes longueurs d’onde du faisceau de sortie qui sont inférieures à la première longueur d’onde Dispositif selon la revendication 10 ou 11 et selon la revendication 7, dans lequel la première longueur d’onde vaut environ 1064 nm et dans lequel la longueur d’onde GPI d’ordre 1 ÂGP/ 1 vaut environ 1550 nm, ladite fibre amplificatrice étant dopée avec des ions erbium. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le coeur (FC) est dopé dans un matériau donné, le dopage de la fibre optique étant non uniforme longitudinalement, de sorte que la fibre optique soit amplificatrice à la première longueur sur une portion aval de la fibre optique. Dispositif selon la revendication 13 et selon la revendication 7, dans lequel la première longueur d’onde vaut environ 1064 nm et dans lequel la longueur d’onde GPI Stokes d’ordre 1 est ladite fibre optique étant dopée avec des ions erbium. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite conversion non linéaire est choisie dans un groupe comprenant une conversion par auto-décalage par effet Raman de solitons générés par la propagation de chaque impulsion au sein de la fibre optique, une conversion par auto-modulation de phase, une conversion modulation de phase croisée, une conversion par effet Raman stimulé, et une conversion par mélange paramétrique. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un filtre spectral dit amont (SF) agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie (FSC) en amont de l’échantillon et adapté pour filtrer spectralement des longueurs d’onde inférieures à la première longueur d’onde. Dispositif selon la revendication précédente, comprenant un processeur adapté pour analyser une information fréquentielle du faisceau anti-Stokes détecté par le photodétecteur, le filtre spectral amont (SF) étant contrôlable et adapté pour filtrer de plus une gamme spectrale du faisceau de sortie en fonction de ladite information fréquentielle. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un filtre spectral dit aval (SF’) agencé sur le trajet optique du faisceau anti-Stokes et adapté pour filtrer le faisceau de sortie se co- propageant avec le faisceau anti-Stokes. Méthode de microscopie CARS multiplex pour analyser un échantillon (Ech), avec un dispositif comprenant une fibre optique (F) comprenant un cœur (FC) présentant au moins dix modes et, dont un dit fondamental, pour analyser un échantillon (Ech), ladite méthode comprenant les étapes suivantes :
A. Générer, par une source laser, un faisceau primaire (FP) présentant une première longueur sous la forme d’impulsions (IL1 ) avec une énergie dite primaire ;
B. générer, par conversion non linéaire de la première longueur du faisceau primaire dans la fibre optique, une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde λ2 formant un supercontinuum (SC), et relocaliser dans ledit mode fondamental, par effet Kerr, une portion de l’énergie primaire initialement répartie dans les modes de la fibre optique, de manière à former un faisceau de sortie (FSC) présentant les deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde dans le mode fondamental
C. focaliser le faisceau de sortie sur ledit échantillon, ladite fibre optique étant adaptée de manière à ce que le faisceau de sortie focalisé sur l’échantillon génère un faisceau anti-Stokes (STK) par effet Raman stimulé induit par au moins une des deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde présentes dans le faisceau de sortie ;
D. détecter le faisceau anti-Stokes.
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