WO2018224503A1 - Dispositif et procede de microscopie multiphotonique - Google Patents

Dispositif et procede de microscopie multiphotonique Download PDF

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WO2018224503A1
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central wavelength
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downstream
beams
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Frédéric DRUON
Marc Hanna
Philippe Rigaud
Khmaies GUESMI
Emmanuel Beaurepaire
Willy Supatto
Pierre MAHOU
Lamiae ABDELADIM
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Centre National De La Recherche Scientifique
Ecole Polytechnique
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Definitions

  • the present invention relates to multiphoton microscopy.
  • Multiphoton microscopy allows biological tissue to be imaged to a certain depth non-invasively with micrometric three-dimensional resolution. It involves exciting fluorochromes at a given focal point with multiple photons simultaneously and scanning the surface to make a 2D or 3D image of the tissue response. Multiphoton microscopy is of particular interest in neuroscience.
  • Deep imaging of a biological tissue by a multiphoton microscopy technique is mainly limited by three parameters: a) the absorption of light by the tissue and mainly by the water contained in the latter, b) the diffusion of photons in the tissue, and c) the power of the incident beam. These three parameters in particular limit the achievable imaging depth.
  • one of the solutions for limiting absorption is to choose excitation wavelengths in the ranges of the absorption spectrum having a reduced absorption coefficient.
  • FIG. 3 representing the absorption spectrum of water
  • the higher the wavelength the higher the water absorption coefficient.
  • the water absorbs little between 700 nm and 1000 nm and has windows around 1300 nm and 1700 nm in which the absorption is reduced.
  • the scattering of light decreases as the wavelength increases.
  • femtosecond lasers emitting ultrashort pulses of high energy are used.
  • the photochromes accessible by these known techniques are those which are sensitive to excitation at a wavelength of half the wavelength of the incident beam, in the case of 2-photon microscopy, and / or to 1/3 of the length. of the incident beam, in the case of 3-photon microscopy. This limits the imaging possibilities to a limited choice of photochromics.
  • the invention meets this need with the aid of a device comprising:
  • a laser source emitting a first beam at a central wavelength of between 1010 nm and 1050 nm
  • a spectral supercontinuum generator downstream of the laser source, generating a second beam at a central wavelength between 1670 nm and 1730 nm from a portion of the first beam
  • an optical parametric amplification system downstream of the spectral supercontinuum generator, generating a third beam at a central wavelength between 2545 nm and 2690 nm from at least a portion of the second beam and a portion the first beam, and
  • a second harmonic generator downstream of the optical parametric amplification system, the second harmonic generator generating a fourth beam at a central wavelength between 1270 nm and 1345 nm from at least a part of the third beam .
  • Such a device makes it possible, from a single laser source emitting a beam having a central wavelength around 1030 nm, to obtain three beams respectively having central wavelengths around 1030 nm, 1300 nm and 1700 nm. nm.
  • the fact that the three beams are obtained from a single beam ensures that they are synchronous.
  • the wavelengths ⁇ ⁇ 5 ⁇ 2 and ⁇ 3 are linked by the following relation: 1 _ 1 1
  • the obtained central wavelengths are located in the windows of less water absorption and are not very diffused by the tissues, in particular for the highest central wavelength beams, ie around 1300 nm and 1700 nm .
  • the parametric amplification system allows, from a central wavelength pump around 1030 nm and a source of central wavelength around 1700 nm, which falls into a window of less absorption of light. water, to generate a complementary wavelength around 2600 nm, corresponding to double 1300 nm, which is also in a window of less water absorption.
  • a single incident beam of central wavelength around 1030 nm allows, in a simple way, to generate two beams of different central wavelengths both in windows of lesser water absorption.
  • the beams can be used in a dissociated or combined way. For example two or three of the beams are combined to imitate biological tissue in depth by multiphoton microscopy. Because of the wavelengths and beams that can be used, many possibilities for exciting photochromes are offered.
  • the first beam has a central wavelength between 1020 nm and 1040 nm, more preferably equal to 1030 nm.
  • the second beam has a central wavelength of between 1695 nm and 1710 nm, better still substantially equal to 1703 nm.
  • the third beam has a central wavelength of between 2590 nm and 2620 nm, more preferably substantially equal to 2606 nm.
  • the fourth beam has a central wavelength between 1295 nm and 1310 nm, more preferably equal to 1303 nm.
  • the first beam is composed of pulse trains each of a duration less than or equal to 500 fs.
  • the duration of the pulse is very small allows the spectral supercontinuum generator to easily generate the second beam. Indeed, the shorter the duration of the pulses of the first beam, the more the incident beam sees its spectrum expanded by the spectral supercontinuum generator.
  • the laser source is a Ytterbium-doped fiber laser, the first beam having pulse trains of duration less than or equal to 400 fs and having an energy per pulse greater than 40 ⁇ .
  • the device comprises a beam splitter upstream of the spectral supercontinuum generator for separating the first beam into two parts, the first part of the first beam making it possible to generate the second beam.
  • This part of the first beam used for the generation of the second beam has a pulse energy of preferably between 2 ⁇ and 4 ⁇ and / or has a power that is between 5% and 10% of that of the first beam.
  • the first part of the first beam represents 8% of the initial beam.
  • the spectral supercontinuum generator is a transparent solid material, in particular glass, fibers or crystals, or better still a YAG (yttrium garnet aluminum) crystal.
  • a YAG crystal makes it possible in particular to have a path of the beam within it which is short, in particular of the order of one centimeter, which facilitates the production of a compact device.
  • the crystal YAG supports better than a fiber a high power input beam, which is preferentially the case here.
  • the optical parametric amplification system may include at least one optical parametric amplifier.
  • the optical parametric amplification system comprises at least two successive optical parametric amplifiers, the first optical parametric amplifier amplifying said at least a portion of the second beam, from the second beam generated by the spectral supercontinuum generator and a part of the first beam, and the second optical parametric amplifier generating the third beam from at least a portion of the second beam amplified by the first optical parametric amplifier and a portion of the first beam.
  • the second optical parametric amplifier then has at its input a portion of a first beam and a second beam of high power, which enables it to generate a second beam and a third beam of high power.
  • the fact of using two optical parametric amplifiers makes it possible to have a good amplification efficiency, which makes it possible to have first, second and third output beams which each have a high power.
  • the second optical parametric amplifier has an axial dimension greater than the first optical parametric amplifier, the portion of the first input beam of the second optical parametric amplifier being of a higher power than that at the input of the first parametric amplifier optical.
  • the device comprises a beam splitter upstream of the optical parametric amplification system for separating the second part of the first beam into two parts, one of these parts constituting the pump of the first optical parametric amplifier and the other of these parts constituting the pump of the second optical parametric amplifier.
  • the energies are distributed as follows, when the first beam has a pulse energy of 40 ⁇ , the pump of the first amplifier is 4 ⁇ , which represents about 10% of the first beam, and the pump of the second amplifier is 33 ⁇ , which is about 82% of the first beam.
  • the device comprises at least one stretcher downstream of the spectral supercontinuum generator and upstream of the optical parametric amplification system and at least two compressors downstream of the optical parametric amplification system.
  • the compressors and stretchers are made of glass or crystals.
  • a crystal or a glass makes it possible to have a short path of the beam within them, in particular of the order of a centimeter.
  • stretcher is made of silicon.
  • the first compressor compresses the second beam and is preferably of opposite sign dispersion to the stretcher.
  • the first compressor may be silica.
  • the second compressor compresses the third beam and is preferably a dispersion of the same sign as the stretcher.
  • the second compressor is preferably upstream of the second harmonic generator.
  • the second compressor may be silicon.
  • the presence of the stretcher, the optical parametric amplification system and the compressors makes it possible to have a low frequency drift amplification, and to reduce the losses and the paths of the beams.
  • the stretcher allows agreement of the duration of the pulses of the second beam constituting the signal of the optical parametric amplification system to that of the portion of the first beam constituting the pump of the amplification system.
  • optical parametric and compressors allow after the optical parametric amplification system to find, for the second beam and the third beam, beams with trains of high energy pulses.
  • the stretcher makes it possible to have a second beam having pulse trains with a duration of between 200 fs and 400 fs to be adapted to the duration of the first beam.
  • the device comprises at least one stretcher downstream of the spectral supercontinuum generator and upstream of the optical parametric amplification system, a stretcher between the two optical parametric amplifiers and at least two compressors downstream of the optical parametric amplification system. , a compressor for the second beam and a compressor for the third beam, preferably upstream of the second harmonic generator.
  • the compressors are configured to substantially compensate for the stretching or stretches and to obtain pulses for the second and third beams with a duration after compression of between 50 fs and 100 fs, preferably substantially equal to 70 fs.
  • the optical parametric amplifier (s) may comprise a nonlinear crystal having a second order nonlinear susceptibility and allowing parametric phase matching between the first and second beams, preferably a Periodically Poled Lithium Niobate (PPLN) crystal, KTA (Potassium Titanyl Arsenate) or BBO (Beta Barium Borate),.
  • PPLN Periodically Poled Lithium Niobate
  • KTA Potassium Titanyl Arsenate
  • BBO Beta Barium Borate
  • the second harmonic generator may be a nonlinear crystal having a second order nonlinear susceptibility and allowing third beam frequency doubling phase tuning, preferably an AGS (Silver Thiogallate) crystal or PPLN crystal. .
  • the device may include one or more delay lines. Such delay lines make it possible to adjust the phases of the different beams, and to obtain synchronous pulses in the optical parametric amplification and de facto output system.
  • a first delay line may be located on the path downstream of the first optical parametric amplifier and may match the wavelength of the second amplified beam in said amplifier. This delay line may be located on the path of the first beam constituting the pump or the second beam constituting the signal, preferably on the first beam constituting the pump. The tunability between the pump and the signal is favored by the use of the stretcher which temporally spreads the wavelengths of the second beam.
  • a second delay line may be located on the path downstream of the second optical parametric amplifier, and can optimize the efficiency of said amplifier.
  • the portion of the first beam sent at the output of the device has a pulse energy greater than 0.5 ⁇ , for example substantially equal to 1.5 ⁇ .
  • the second beam amplified by the optical parametric amplification system has pulse trains of duration between 50 fs and 100 fs and a pulse energy greater than 1 ⁇ , for example substantially equal to 2.5 ⁇ .
  • the fourth beam has pulse trains of duration between 50 fs and 100 fs and a pulse energy greater than 0.2 ⁇ , for example substantially equal to 0.4 ⁇ .
  • the device may include one or more filters for separating unwanted wavelengths from desired wavelengths at the input or output of certain components of the device.
  • These filters are advantageously dichroic mirrors, which allow light to pass at certain wavelengths and reflect light at other wavelengths. These dichroic mirrors can be oriented at 45 ° of the incident beam to be filtered.
  • the device may notably comprise such filters at the output of the first and second parametric amplifiers.
  • the subject of the invention is also a multiphoton microscopy imaging method comprising the step of exciting one or more chromophores in a tissue from at least one beam, preferably a combination of wavelength beams. central between 1010 nm and 1050 nm, between 1270 nm and 1345 and / or between 1670 nm and 1730 nm, obtained at the output of a device according to the invention, as defined above.
  • the pulse trains of the different beams are transmitted in the fabric synchronously.
  • a photochromic can be excited by a photon at 1300 nm and a photon at 1700 nm simultaneously, equivalent to an excitation by a photon at 737 nm, or by a photon at 1300 nm and two photons at 1700 nm simultaneously, equivalent to excitation by a photon at 514 nm, or by three photons at 1700 nm, equivalent to excitation by a photon at 567 nm.
  • the excitation of the photochromic (s) is made from a combination of two beams at a central wavelength comprised for one between
  • the excitation of the photochromic (s) is made from a combination of three beams with a central wavelength comprised for the first between 1010 nm and 1050 nm, included for the second between 1280 nm and 1320 and included for the third between 1650 nm and 1750 nm.
  • FIG. 1 schematically represents a device according to the invention
  • FIG. 2 illustrates the notion of central wavelength, and of a laser beam
  • FIG. 3 is an absorption spectrum of water as a function of the wavelength
  • FIG. 4A is an image of a tissue obtained by third harmonic generation
  • FIG. 4B is an image of the tissue of FIG. 4A obtained by 3-photon microscopy.
  • FIG. 10 An example of a device 10 according to the invention is shown in FIG.
  • This device 10 comprises a pulsed laser source 12 emitting a beam 14 comprising ultrashort pulse trains at a repetition frequency of about 1.25 MHz.
  • the pulses have a central wavelength ⁇ around 1030 nm and a duration less than or equal to 400 fs, preferably between 250 fs and 400 fs, for example substantially equal to 350 fs.
  • the central wavelength c is defined by the wavelength for which the maximum of the spectral intensity of the impulse is reached.
  • the beam 14 is separated into two beams 16 and 18 by a separator 20, for example a semi-transparent mirror disposed at 45 ° of the incident beam.
  • the transmitted beam 16 is sent into a spectral supercontinuum generator 22 such as a YAG crystal.
  • the spectral supercontinuum generator 22 outputs a beam 24 having pulse trains of a duration less than or equal to 100 fs, for example around 70 fs, and an extended wavelength spectrum extending at least from 1030 nm to 1800 nm.
  • This beam 24 passes through a stretcher 26 so that the duration of the pulse trains of the stretched beam 29 is of a duration of between 200 fs and 400 fs, for example being substantially equal to 250 fs.
  • the beam 18 reflected by the separator 20 is again separated into two beams 28 and 30 by a separator 32, consisting for example of a semi-transparent mirror inclined at 45 ° of the incident beam.
  • a delay line 33 is placed in the path of the reflected beam 18 upstream of the separator 32, being set so that the beam 28 reflected by the separator 32 and the drawn beam 29 are substantially synchronous.
  • the beams 28 and 29 are sent on a dichroic mirror 34 oriented at 45 ° to the incident beam 29.
  • the dichroic mirror 34 makes it possible to filter in transmission the stretched beam 29 at a central wavelength ⁇ 2 around 1700 nm in a transmitted beam 31 and to transmit in reflection the beam 28, so as to combine these two beams 28 and 31 in a beam 36 at the input of an optical parametric amplifier 38.
  • this beam 36 has a pump component of central wavelength ⁇ and a signal component of central wavelength ⁇ 2 .
  • the pulse trains of the two components in the input beam 36 are synchronous and the pulses have a similar duration.
  • the optical parametric amplifier 38 generates at the output a beam 40 comprising three components:
  • the beam 40 is freed from its central wavelength components ⁇ and ⁇ 3 by successive dichroic mirrors 42 and 44 to form a beam 46 having only one component of central wavelength ⁇ 2 around 1700 nm .
  • the mirror 42 rejects the component ⁇ 1 by reflection at 45 ° and transmits the components ⁇ 2 and ⁇ 3 .
  • the mirror 44 reflects the component ⁇ 2 and transmits the component ⁇ 3
  • the beam 46 reflected by the filter 44 passes through a stretcher 48 chosen so that the duration of the pulse trains output is between 200 fs and 400 fs, for example substantially equal to 250 fs.
  • the drawn beam 49 at the output of the stretcher 48 is sent on a dichroic mirror 58 and then in an optical parametric amplifier 54.
  • the mirror 58 is oriented at 45 ° of the incident beam 49 and transmits it.
  • the beam 30 transmitted by the separator 32 is again divided by a separator 50 into two beams 52 and 53. Only the reflected beam 52 is retained to be sent on the dichroic mirror 58 and then in an optical parametric amplifier 54.
  • the separator 50 allows to reduce the power of the beam 52.
  • a delay line 56 is placed in the path of the beam 30 to the splitter 50, being set so that the beams 52 and the beam 49 are substantially synchronous to the input of the optical parametric amplifier 54 .
  • the dichroic mirror 58 makes it possible to combine the stretched beam 49 and the beam
  • This beam 60 thus having a pump of central wavelength ⁇ ⁇ and a signal component of central wavelength ⁇ 3 .
  • the pulse trains of the two wavelength components ⁇ and ⁇ 2 in the beam 60 are synchronous and the pulses have a similar duration.
  • the optical parametric amplifier 54 generates at the output a beam 62 comprising three components:
  • optical parametric amplifiers 38 and 54 and the stretcher 48, as well as the dichroic mirrors 42, 44, 50 and 58 and the delay line 56 may be part of an integrated parametric amplification system 37.
  • the three components of the beam 62 at the output of the optical parametric amplifier 54 are separated by dichroic mirrors 64 and 66 into three beams 68, 70 and 72 having central wavelengths ⁇ 1; ⁇ 2 and ⁇ 3 respectively.
  • the mirror 64 is placed at 45 ° of the incident beam 62, transmits the component ⁇ 3 and reflects the components ⁇ 1 and ⁇ 2.
  • the mirror 66 is placed at 45 ° of the incident beam reflected by the mirror 64, transmits the component ⁇ 1 and reflects the component ⁇ 2.
  • the reflected beam 70, of central wavelength ⁇ 2 is compressed by a compressor 74 so as to compensate for the effects on the beam 70 of the stretches made by the stretchers 26 and 48.
  • the transmitted beam 72 of central wavelength ⁇ 3 , is sent on a compressor 76 so as to compensate for the effects on the beam 72 of the stretches performed by the stretchers 26 and 48 and then on a second harmonic generator 78. generates a beam 80 having two components, namely a component having a central wavelength ⁇ 3 , the residue of the compressed beam 72, and a component having a central wavelength ⁇ 4 half of ⁇ 3 , that is to say say around 1300 nm.
  • the beam 80 is filtered from its central wavelength component ⁇ 3 by a dichroic mirror 82 placed at 45 ° of the incident beam 80 and the transmitted beam 86 only has the central wavelength component ⁇ 4 .
  • the device 10 makes it possible to obtain, from a single beam 14 having a central wavelength ⁇ around 1030 nm, three beams 68, 84 and 86 having central wavelengths ⁇ , ⁇ 2 and ⁇ . respectively around 1030 nm, 1700 nm and 1300 nm, the three beams obtained having synchronous pulses of repetition frequency of the order of 1.25 MHz.
  • a prototype is made using as a laser source 12 a fiber laser source doped with Ytterbium having pulse energy trains greater than or equal to 40 ⁇ consisting of an industrial laser Satsuma® type from Amplitudes System®.
  • Spectral supercontinuum generator 22 is a YAG crystal.
  • the stretchers 26 and 38 are silicon crystals of respective thicknesses of about 1 mm and 2 mm, or 2 mm and 1 mm.
  • the optical parametric amplifiers 38 and 54 may each comprise a PPLN crystal.
  • the optical parametric amplifier 54 is of greater thickness than the optical parametric amplifier 38 to allow better performance.
  • the optical parametric amplifier 38 is a PPLN crystal with a thickness substantially equal to 1 mm and the optical parametric amplifier 54 is a PPLN crystal with a thickness substantially equal to 3 mm.
  • the compressor 74 is a glass plate with a thickness of about 75 mm.
  • the compressor 78 is a silicon crystal with a thickness of about 5 mm.
  • the second harmonic generator 78 is an AGS or PPLN crystal.
  • the delay lines 33 and 56, the beam splitters 20, 32 and 50, and the dichroic mirrors 34, 42, 44, 58, 64, 66 and 82 are of conventional type and known.
  • the power of the beam 16 corresponds to between 5% and 10% that of the beam 14, that of the beam 28 corresponds to between 5% and 30% that of the beam 14 and that of the beam 52 corresponds to between 60% and 90% that of beam 14.
  • the power of the beam 68 obtained is between 2% and 20% that of the beam 14, the beam 84 has pulse trains with a duration of about 65 fs and energy greater than 1 ⁇ and the beam 86 has pulse trains with a duration of about 85 fs and energy equal to about 0.1 ⁇ .
  • the beams 68, 84 and / or 86 generated by the device described above in connection with FIG. 1 can be combined to form a beam having central wavelength components ⁇ ⁇ 5 ⁇ 2 and ⁇ 4 .
  • the formed beam can be used in a multiphoton microscope.
  • the latter may each pass or not by a delay line making it possible to finely adjust the synchronization of the beams in the event that they are not totally synchronous at the level of the beam. sample. This can compensate the different optical paths of each of these beams between the source and the microscope. As illustrated in FIG. 3, the wavelengths ⁇ , ⁇ 2 and are located in windows of less water absorption, and have good penetration into the tissues, which makes it possible to excite the fluorochromes by depth.
  • This excitation can be done with one or more simultaneous photons of the same wavelength or different wavelengths.
  • the excitation is equivalent to that of two photons of the same wavelength:
  • the excitation is equivalent to that of three photons of the same wavelength wavelength: nm
  • Multiphoton microscopy as described above thus makes it possible to excite a greater diversity of photochromes emitting infrared visible light and to obtain tissue images with multiple contrasts as a function of excited photochromes.
  • Beams of central wavelength ⁇ 2 substantially equal to 1700 nm, and ⁇ 4 , substantially equal to 1300 nm, are obtained simultaneously with the aid of the device as described in relation with FIG.
  • the photons of wavelength ⁇ 4 make it possible to generate a first image, illustrated in FIG. 4A, obtained by third harmonic generation allowing a visualization of the morphology of the tissue without fluorescence.
  • the photons of wavelength ⁇ 4 also make it possible to generate a second image obtained by 3-photon microscopy, in which the excited fluorochromes re-emit in green.
  • the photons of wavelength ⁇ 2 make it possible to generate a third image obtained by 3-photon microscopy, in which the excited fluorochromes re-emit in the red.
  • the second and third images are combined in Figure 4B to form a single two-color image.
  • the device according to the invention thus makes it possible to generate beams of different wavelengths that can be used together to perform multiphoton imaging. It is then possible to simultaneously obtain images of different colors that can be superimposed.

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Abstract

L'invention concerne un dispositif (10) comportant : - une source laser (12) émettant un premier faisceau (14) à une longueur d'onde centrale λ1 comprise entre 1010 nm et 1050 nm, - un générateur de supercontinuum spectral (22) en aval de la source laser (12), générant un deuxième faisceau (31) à une longueur d'onde centrale λ2 comprise entre 1670 nm et 1730 nm à partir d'une partie (16) du premier faisceau (14), - un système d'amplification paramétrique optique (37) en aval du générateur de supercontinuum spectral (22), générant un troisième faisceau (72) à une longueur d'onde centrale λ3 comprise entre 2540 nm et 2690 nm à partir d'au moins une partie du deuxième faisceau (31) et d'une partie (28) du premier faisceau (14), et - un générateur de seconde harmonique (78) en aval du système d'amplification paramétrique optique (37), le générateur de seconde harmonique (78) générant un quatrième faisceau (86) à une longueur d'onde centrale λ4 comprise entre 1270 nm et 1345 nm à partir d'au moins une partie du troisième faisceau (72).

Description

DISPOSITIF ET PROCEDE DE MICROSCOPIE MULTIPHOTONIQUE
La présente invention concerne la microscopie multiphotonique.
Art antérieur
La microscopie multiphotonique permet d'imager les tissus biologiques à une certaine profondeur de façon non invasive avec une résolution tridimensionnelle micrométrique. Elle consiste à exciter des fluorochromes en un point focal donné avec plusieurs photons simultanément et à balayer la surface pour fabriquer une image 2D ou 3D de la réponse du tissu. La microscopie multiphotonique trouve un intérêt particulier en neurosciences.
L'imagerie en profondeur d'un tissu biologique par une technique de microscopie multiphotonique est principalement limitée par trois paramètres : a) l'absorption de la lumière par le tissu et principalement par l'eau contenue dans ce dernier, b) la diffusion des photons dans le tissu, et c) la puissance du faisceau incident. Ces trois paramètres limitent en particulier la profondeur d'imagerie atteignable.
Concernant le premier point, l'une des solutions pour limiter l'absorption est de choisir des longueurs d'ondes d'excitation dans les plages du spectre d'absorption présentant un coefficient d'absorption réduit. Comme cela est visible sur la figure 3 représentant le spectre d'absorption de l'eau, de manière globale, plus la longueur d'onde est élevée, plus le coefficient d'absorption de l'eau est élevé. En particulier, l'eau absorbe peu entre 700 nm et 1000 nm et présente des fenêtres autour de 1300 nm et 1700 nm dans lesquelles l'absorption est réduite.
Concernant le deuxième point, la diffusion de la lumière diminue quand la longueur d'onde augmente.
Concernant le dernier point, des lasers femtosecondes émettant des impulsions ultrabrèves de forte énergie sont utilisés.
Il est ainsi connu d'imager les tissus biologiques par microscopie multiphotonique à l'aide d'un laser femtoseconde émettant des impulsions ultrabrèves à une longueur d'onde comprise entre 700 nm et 1100 nm. Cette longueur d'onde correspond à celle dans laquelle l'absorption de l'eau et des autres constituants des milieux biologiques est la plus faible. Cependant, la profondeur d'imagerie reste limitée par la diffusion de la lumière dans les tissus. Π est également connu d'opérer avec un laser femto seconde émettant des impulsions ultrabrèves à une longueur d'onde centrée sur 1300 nm ou 1700 nm, ce qui permet de gagner en profondeur.
Les photochromes accessibles par ces techniques connues sont ceux qui sont sensibles à une excitation à une longueur d'onde moitié de la longueur d'onde du faisceau incident, dans le cas de la microscopie à 2 photons, et/ou au tiers de la longueur d'onde du faisceau incident, dans le cas de la microscopie à 3 photons. Cela limite les possibilités d'imagerie à un choix limité de photochromes.
Il existe donc un besoin pour perfectionner les procédés et dispositifs de microscopie multiphotonique.
Résumé
L'invention répond à ce besoin à l'aide d'un dispositif comportant :
- une source laser émettant un premier faisceau à une longueur d'onde centrale comprise entre 1010 nm et 1050 nm
- un générateur de supercontinuum spectral en aval de la source laser, générant un deuxième faisceau à une longueur d'onde centrale comprise entre 1670 nm et 1730 nm à partir d'une partie du premier faisceau,
- un système d'amplification paramétrique optique en aval du générateur de supercontinuum spectral, générant un troisième faisceau à une longueur d'onde centrale comprise entre 2545 nm et 2690 nm à partir d'au moins une partie du deuxième faisceau et d'une partie du premier faisceau, et
- un générateur de seconde harmonique en aval du système d'amplification paramétrique optique, le générateur de seconde harmonique générant un quatrième faisceau à une longueur d'onde centrale comprise entre 1270 nm et 1345 nm à partir d'au moins une partie du troisième faisceau.
Un tel dispositif permet, à partir d'une unique source laser émettant un faisceau présentant une longueur d'onde centrale autour de 1030 nm, d'obtenir trois faisceaux présentant respectivement des longueurs d'onde centrales autour de 1030 nm, 1300 nm et 1700 nm. Le fait que les trois faisceaux soient obtenus à partir d'un seul faisceau garantit qu'ils soient synchrones.
Les longueurs d'onde λΐ5 λ2 et λ3 sont liées par la relation suivante : 1 _ 1 1
λ1 λ3 2λ2
Par exemple si λι~1030 nm et λ2~1303 nm alors λ3~1703 nm.
Les longueurs d'ondes centrales obtenues se situent dans les fenêtres de moindre absorption de l'eau et sont peu diffusées par les tissus, en particulier pour les faisceaux de longueur d'onde centrale les plus élevées, i.e. autour de 1300 nm et 1700 nm.
Le système d'amplification paramétrique permet, à partir d'une pompe de longueur d'onde centrale autour de 1030 nm et d'une source de longueur d'onde centrale autour de 1700 nm, qui tombe dans une fenêtre de moindre absorption de l'eau, de générer une longueur d'onde complémentaire autour de 2600 nm, correspondant au double de 1300 nm, qui est aussi dans une fenêtre de moindre absorption de l'eau. Ainsi, il est tout à fait remarquable et inédit qu'un seul faisceau incident de longueur d'onde centrale autour de 1030 nm permette, de façon simple, de générer deux faisceaux de longueurs d'ondes centrales différentes tous deux dans des fenêtres de moindre absorption de l'eau.
Les faisceaux peuvent être utilisés de manière dissociée ou combinée. Par exemple deux ou trois des faisceaux sont combinés pour imager un tissu biologique en profondeur par microscopie multiphotonique. De par les longueurs d'ondes et faisceaux pouvant être utilisés, de nombreuses possibilités d'excitation des photochromes sont offertes.
De préférence, le premier faisceau a une longueur d'onde centrale comprise entre 1020 nm et 1040 nm, mieux sensiblement égale à 1030 nm.
De préférence, le deuxième faisceau a une longueur d'onde centrale comprise entre 1695 nm et 1710 nm, mieux sensiblement égale à 1703 nm.
De préférence, le troisième faisceau a une longueur d'onde centrale comprise entre 2590 nm et 2620 nm, mieux sensiblement égale à 2606 nm.
De préférence, le quatrième faisceau a une longueur d'onde centrale comprise entre 1295 nm et 1310 nm, mieux sensiblement égale à 1303 nm.
De préférence, le premier faisceau est composé de trains d'impulsions chacune d'une durée inférieure ou égale à 500 fs. Le fait que la durée de l'impulsion soit très faible permet au générateur de supercontinuum spectral de générer facilement le deuxième faisceau. En effet, plus la durée des impulsions du premier faisceau est faible, plus le faisceau incident voit son spectre élargi par le générateur de supercontinuum spectral. De préférence, la source laser est un laser fibré dopé Ytterbium, le premier faisceau présentant des trains d'impulsions de durée inférieure ou égale à 400 fs et présentant une énergie par impulsion supérieure à 40 μΐ. Un tel laser permet d'obtenir facilement le deuxième faisceau avec le générateur de supercontinuum spectral et la puissance du laser permet de disposer d'une puissance élevée pour l'amplification du deuxième faisceau dans le système d'amplification paramétrique optique. De préférence, le dispositif comporte un séparateur de faisceaux en amont du générateur de supercontinuum spectral pour séparer le premier faisceau en deux parties, la première partie du premier faisceau permettant de générer le deuxième faisceau.
Cette partie du premier faisceau utilisée pour la génération du deuxième faisceau présente une énergie par impulsion comprise de préférence entre 2 μΐ et 4 μΐ et/ou présente une puissance qui représente entre 5 % et 10 % de celle du premier faisceau. Par exemple, la première partie du premier faisceau représente 8% du faisceau initial.
De préférence, le générateur de supercontinuum spectral est une matériaux solide transparent, notamment du verre, des fibres ou des cristaux, ou mieux un cristal YAG (Grenat d'yttrium et d'aluminium). Un cristal YAG permet notamment d'avoir un trajet du faisceau en son sein qui est court, notamment de l'ordre du centimètre, ce qui facilite la réalisation d'un dispositif compact. De plus, le cristal YAG supporte mieux qu'une fibre un faisceau d'entrée de forte puissance, ce qui est préférentiellement le cas ici.
Le système d'amplification paramétrique optique peut comporter au moins un amplificateur paramétrique optique.
De préférence, le système d'amplification paramétrique optique comporte au moins deux amplificateurs paramétriques optiques successifs, le premier amplificateur paramétrique optique amplifiant ladite au moins une partie du deuxième faisceau, à partir du deuxième faisceau généré par le générateur de supercontinuum spectral et d'une partie du premier faisceau, et le deuxième amplificateur paramétrique optique générant le troisième faisceau à partir d'au moins une partie du deuxième faisceau amplifié par le premier amplificateur paramétrique optique et d'une partie du premier faisceau. Le deuxième amplificateur paramétrique optique présente alors en entrée une partie de premier faisceau et un deuxième faisceau de forte puissance, ce qui lui permet de générer un deuxième faisceau et un troisième faisceau de forte puissance. Le fait d'utiliser deux amplificateurs paramétriques optiques permet d'avoir un bon rendement d'amplification, ce qui permet d'avoir des premier, deuxième et troisième faisceaux en sortie qui présentent chacun une forte puissance.
De préférence, le deuxième amplificateur paramétrique optique est d'une dimension axiale plus grande que le premier amplificateur paramétrique optique, la partie du premier faisceau en entrée du deuxième amplificateur paramétrique optique étant d'une plus forte puissance que celle en entrée du premier amplificateur paramétrique optique.
Ceci permet d'augmenter le rendement du système d'amplification paramétrique optique.
De préférence, le dispositif comporte un séparateur de faisceaux en amont du système d'amplification paramétrique optique pour séparer la deuxième partie du premier faisceau en deux parties, l'une de ces parties constituant la pompe du premier amplificateur paramétrique optique et l'autre de ces parties constituant la pompe du deuxième amplificateur paramétrique optique. Par exemple, les énergies sont réparties de la manière suivante, lorsque le premier faisceau présente une énergie par impulsion de 40μΙ, la pompe du premier amplificateur est de 4 μΐ, ce qui représente environ 10 % du premier faisceau, et la pompe du deuxième amplificateur est de 33 μΐ, ce qui représente environ 82 % du premier faisceau.
De préférence, le dispositif comporte au moins un étireur en aval du générateur de supercontinuum spectral et en amont du système d'amplification paramétrique optique et au moins deux compresseurs en aval du système d'amplification paramétrique optique. De préférence les compresseurs et étireurs sont constitués de verre ou de cristaux. Un cristal ou un verre permettent notamment d'avoir un trajet court du faisceau en leur sein, notamment de l'ordre du centimètre. Par exemple, étireur est en silicium. Le premier compresseur permet de comprimer le deuxième faisceau et est de préférence de dispersion de signe inverse à l'étireur. Le premier compresseur peut être en silice. Le deuxième compresseur permet de comprimer le troisième faisceau et est, de préférence, de dispersion de même signe que l'étireur. Le deuxième compresseur est de préférence en amont du générateur de seconde harmonique. Le second compresseur peut être en silicium. La présence de l'étireur, du système d'amplification paramétrique optique et des compresseurs permet d'avoir une amplification à faible dérive de fréquence, et de diminuer les pertes et les trajets des faisceaux. L'étireur permet un accord de la durée des impulsions du deuxième faisceau constituant le signal du système d'amplification paramétrique optique à celle de la partie du premier faisceau constituant la pompe du système d'amplification paramétrique optique et les compresseurs permettent après le système d'amplification paramétrique optique de retrouver, pour le deuxième faisceau et le troisième faisceau, des faisceaux présentant des trains d'impulsions de forte énergie.
De préférence, l'étireur permet d'avoir un deuxième faisceau présentant des trains d'impulsions d'une durée comprise entre 200 fs et 400 fs pour être adapté à la durée du premier faisceau.
De préférence, le dispositif comporte au moins un étireur en aval du générateur de supercontinuum spectral et en amont du système d'amplification paramétrique optique, un étireur entre les deux amplificateurs paramétriques optiques et au moins deux compresseurs en aval du système d'amplification paramétrique optique, un compresseur pour le deuxième faisceau et un compresseur pour le troisième faisceau, de préférence en amont du générateur de seconde harmonique.
De préférence, les compresseurs sont configurés pour compenser sensiblement le ou les étirements du ou des étireurs et obtenir des impulsions pour les second et troisième faisceaux d'une durée après compression comprise entre 50 fs et 100 fs, de préférence sensiblement égale à 70 fs.
Le ou les amplificateurs paramétriques optiques peuvent comporter un cristal non-linéaire ayant une susceptibilité non-linéaire d'ordre deux et permettant un accord de phase paramétrique entre les premier et second faisceaux, de préférence un cristal de PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate), de KTA (Potassium Titanyle Arsenate) ou de BBO (Beta Barium Borate), .
Le générateur de seconde harmonique peut être un cristal non-linéaire ayant une susceptibilité non-linéaire d'ordre deux et permettant un accord de phase de doublement de fréquence du troisième faisceau, de préférence un cristal d'AGS (Silver Thiogallate) ou de PPLN.
Le dispositif peut comporter une ou plusieurs lignes à retard. De telles lignes à retard permettent d'ajuster les phases des différents faisceaux, et d'obtenir des impulsions synchrones dans le système d'amplification paramétrique optique et de facto en sortie. Une première ligne à retard peut être située sur le trajet en aval du premier amplificateur paramétrique optique et permet d'accorder la longueur d'onde du second faisceau amplifié dans ledit amplificateur. Cette ligne à retard peut être situé sur le trajet du premier faisceau constituant la pompe ou du second faisceau constituant le signal, de préférence sur le premier faisceau constituant la pompe. L'accordabilité entre la pompe et le signal est favorisée par l'utilisation de l'étireur qui étale temporellement les longueurs d'onde du deuxième faisceau. Une seconde ligne à retard peut être située sur le trajet en aval du second amplificateur paramétrique optique, et permet d'optimiser le rendement dudit amplificateur.
De préférence, la part du premier faisceau envoyée en sortie du dispositif présente une énergie par impulsion supérieure à 0,5 μΐ, par exemple sensiblement égale à 1,5 μΐ.
De préférence, le deuxième faisceau amplifié par le système d'amplification paramétrique optique présente des trains d'impulsions de durée comprise entre 50 fs et 100 fs et une énergie par impulsion supérieure à 1 μΐ, par exemple sensiblement égale à 2,5 μΐ.
De préférence, le quatrième faisceau présente des trains d'impulsions de durée comprise entre 50 fs et 100 fs et une énergie par impulsion supérieure à 0,2 μΐ, par exemple sensiblement égale à 0,4 μΐ.
Le dispositif peut comporter un ou plusieurs filtres permettant de séparer les longueurs d'ondes non désirables des longueurs d'ondes voulues en entrée ou sortie de certains composants du dispositif. Ces filtres sont avantageusement des miroirs dichroïques, qui permettent de laisser passer la lumière à certaines longueurs d'ondes et de réfléchir la lumière à d'autres longueurs d'ondes. Ces miroirs dichroïques peuvent être orientés à 45° du faisceau incident à filtrer. Le dispositif peut notamment comporter de tels filtres en sortie des premier et deuxième amplificateurs paramétriques.
L'invention a également pour objet un procédé d'imagerie par microscopie multiphotonique comportant l'étape consistant à exciter un ou plusieurs chromophores dans un tissu à partir d'au moins un faisceau, mieux d'une combinaison de faisceaux de longueur d'onde centrale entre 1010 nm et 1050 nm, entre 1270 nm et 1345 et/ou comprise entre 1670 nm et 1730 nm, obtenus en sortie d'un dispositif selon l'invention, tel que défini ci-dessus.
Les trains d'impulsions des différents faisceaux sont émis dans le tissu de façon synchrone.
II est avantageux de combiner les faisceaux obtenus en sortie du dispositif. Par exemple, un photochrome peut être excité par un photon à 1300 nm et un photon à 1700 nm simultanément, équivalent à une excitation par un photon à 737 nm, ou par un photon à 1300 nm et deux photons à 1700 nm simultanément, équivalent à une excitation par un photon à 514 nm, ou par trois photons à 1700 nm, équivalent à une excitation par un photon à 567 nm. Ceci permet d'élargir le champ des photochromes accessibles par microscopie multiphotonique.
De préférence, l'excitation du ou des photochromes se fait à partir d'une combinaison de deux faisceaux à une longueur d'onde centrale comprise pour l'un entre
1280 nm et 1320 et comprise pour l'autre entre 1650 nm et 1750 nm.
En variante, l'excitation du ou des photochromes se fait à partir d'une combinaison de trois faisceaux à une longueur d'onde centrale comprise pour la première entre 1010 nm et 1050 nm, comprise pour la deuxième entre 1280 nm et 1320 et comprise pour la troisième entre 1650 nm et 1750 nm.
L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'exemples non limitatifs de mise en œuvre de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel :
- la figure 1 représente de façon schématique un dispositif selon l'invention,
- la figure 2 illustre la notion de longueur d'onde centrale, et d'un faisceau laser,
- la figure 3 est un spectre d'absorption de l'eau en fonction de la longueur d'onde,
- la figure 4A est une image d'un tissu obtenu par génération de troisième harmonique, et
- la figure 4B est une image du tissu de la figure 4A obtenue par microscopie à 3 photons.
Dispositif
Un exemple de dispositif 10 selon l'invention est représenté à la figure 1.
Ce dispositif 10 comporte une source laser puisée 12 émettant un faisceau 14 comportant des trains d'impulsions ultracourtes à une fréquence de répétition d'environ 1,25 MHz. Les impulsions présentent une longueur d'onde centrale λι autour de 1030 nm et une durée inférieure ou égale à 400 fs, de préférence comprise entre 250 fs et 400 fs, par exemple sensiblement égale à 350 fs.
Comme cela est illustré sur la figure 2, la longueur d'onde centrale c est définie par la longueur d'onde pour laquelle le maximum de l'intensité spectrale de l'impulsion est atteint. Le faisceau 14 est séparé en deux faisceaux 16 et 18 par un séparateur 20, par exemple un miroir semi-transparent disposé à 45° du faisceau incident.
Le faisceau transmis 16 est envoyé dans un générateur de supercontinuum spectral 22 tel qu'un cristal YAG. Le générateur de supercontinuum spectral 22 délivre en sortie un faisceau 24 présentant des trains d'impulsions d'une durée inférieure ou égale à 100 fs, par exemple autour de 70 fs, et un spectre de longueur d'onde élargi s'étendant au moins de 1030 nm à 1800 nm.
Ce faisceau 24 traverse un étireur 26 de sorte que la durée des trains d'impulsions du faisceau étiré 29 soit d'une durée comprise entre 200 fs et 400 fs, étant par exemple sensiblement égale à 250 fs.
Le faisceau 18 réfléchi par le séparateur 20 est à nouveau séparé en deux faisceaux 28 et 30 par un séparateur 32, constitué par exemple par un miroir semi- transparent incliné à 45° du faisceau incident.
Une ligne de retard 33 est placée sur le trajet du faisceau réfléchi 18 en amont du séparateur 32, étant réglée de telle sorte que le faisceau 28 réfléchi par le séparateur 32 et le faisceau étiré 29 soient sensiblement synchrones.
Les faisceaux 28 et 29 sont envoyés sur un miroir dichroïque 34 orienté à 45° du faisceau incident 29.
Le miroir dichroïque 34 permet de filtrer en transmission le faisceau étiré 29 à une longueur d'onde centrale λ2 autour de 1700 nm en un faisceau transmis 31 et de transmettre en réflexion le faisceau 28, de sorte à combiner ces deux faisceaux 28 et 31 en un faisceau 36 en entrée d'un amplificateur paramétrique optique 38.
Ainsi, ce faisceau 36 présente une composante pompe de longueur d'onde centrale λι et une composante signal de longueur d'onde centrale λ2. Les trains d'impulsions des deux composantes dans le faisceau 36 en entrée sont synchrones et les impulsions ont une durée semblable.
L'amplificateur paramétrique optique 38 génère en sortie un faisceau 40 comportant trois composantes :
• une composante pompe de longueur d'onde centrale λι, résidu du faisceau 28,
• une composante signal de longueur d'onde centrale λ2, et
• une composante complémentaire de longueur d'onde centrale λ3 autour de : i 1 i nm
1030 1700
soit sensiblement égale 2600 nm ± 10 nm.
Le faisceau 40 est débarrassé de ses composantes de longueurs d'ondes centrales λι et λ3 par des miroirs dichroïques successifs 42 et 44 pour former un faisceau 46 ne présentant qu'une seule composante de longueur d'onde centrale λ2 autour de 1700 nm.
Le miroir 42 rejette par réflexion à 45° la composante λ\ et transmet les composantes λ2 et λ3. Le miroir 44 réfléchit la composante λ2 et transmet la composante λ3
Le faisceau 46 réfléchi par le filtre 44 traverse un étireur 48 choisi pour que la durée des trains d'impulsions en sortie soit comprise entre 200 fs et 400 fs, par exemple sensiblement égale à 250 fs.
Le faisceau étiré 49 en sortie de l'étireur 48 est envoyé sur un miroir dichroïque 58 puis dans un amplificateur paramétrique optique 54.
Le miroir 58 est orienté à 45° du faisceau incident 49 et le transmet. Le faisceau 30 transmis par le séparateur 32 est à nouveau divisé par un séparateur 50 en deux faisceaux 52 et 53. Seul le faisceau réfléchi 52 est conservé pour être envoyé sur le miroir dichroïque 58 puis dans un amplificateur paramétrique optique 54. Le séparateur 50 permet de diminuer la puissance du faisceau 52.
Comme cela est illustré, une ligne à retard 56 est placée sur le trajet du faisceau 30 vers le séparateur 50, étant réglée de telle sorte que les faisceaux 52 et le faisceau 49 soient sensiblement synchrones à l'entrée de l'amplificateur paramétrique optique 54.
Le miroir dichroïque 58 permet de combiner le faisceau étiré 49 et le faisceau
52 au sein d'un faisceau 60 à l'entrée de l'amplificateur 54. Ce faisceau 60 présentant donc une pompe de longueur d'onde centrale λ\ et une composante signal de longueur d'onde centrale λ3. Les trains d'impulsions des deux composantes de longueur d'onde λι et λ2 dans le faisceau 60 sont synchrones et les impulsions ont une durée semblable.
L'amplificateur paramétrique optique 54 génère en sortie un faisceau 62 comportant trois composantes :
• une pompe de longueur d'onde centrale λι, résidu du faisceau 28,
• une composante signal de longueur d'onde centrale λ2, et
• une composante complémentaire de longueur d'onde centrale λ3. Les amplificateurs paramétriques optiques 38 et 54 et l'étireur 48, ainsi que les miroirs dichroïques 42, 44, 50 et 58 et la ligne de retard 56 peuvent faire partie d'un système d'amplification paramétrique 37 intégré.
Les trois composantes du faisceau 62 en sortie de l'amplificateur paramétrique optique 54 sont séparées par des miroirs dichroïques 64 et 66 en trois faisceaux 68, 70 et 72 présentant des longueurs d'ondes centrales λ1; λ2 et λ3 respectives.
Le miroir 64 est placé à 45° du faisceau incident 62, transmet la composante λ3 et réfléchit les composantes λ\ et λ2. Le miroir 66 est placé à 45° du faisceau incident réfléchi par le miroir 64, transmet la composante λι et réfléchit la composante λ2.
Le faisceau réfléchi 70, de longueur d'onde centrale λ2, est comprimé par un compresseur 74 de sorte à compenser les effets sur le faisceau 70 des étirements effectués par les étireurs 26 et 48.
Le faisceau transmis 72, de longueur d'onde centrale λ3, est envoyé sur un compresseur 76 de sorte à compenser les effets sur le faisceau 72 des étirements effectués par les étireurs 26 et 48 puis sur un générateur de seconde harmonique 78. Ce dernier génère un faisceau 80 présentant deux composantes, à savoir une composante présentant une longueur d'onde centrale λ3, résidu du faisceau 72 comprimé, et une composante présentant une longueur d'onde centrale λ4 moitié de λ3, c'est-à-dire autour de 1300 nm.
Le faisceau 80 est filtré de sa composante de longueur d'onde centrale λ3 par un miroir dichroïque 82 placé à 45° du faisceau incident 80 et le faisceau transmis 86 ne présente que la composante de longueur d'onde centrale λ4.
Ainsi le dispositif 10 permet d'obtenir, à partir d'un unique faisceau 14 présentant une longueur d'onde centrale λι autour de 1030 nm, trois faisceaux 68, 84 et 86 présentant des longueurs d'ondes centrales λι, λ2 et λ respectivement autour de 1030 nm, 1700 nm et 1300 nm, les trois faisceaux obtenus ayant des impulsions synchrones de fréquence de répétition de l'ordre de 1,25 MHz.
Dans un exemple de mise en œuvre, on réalise un prototype en utilisant comme source laser 12 une source laser fibrée dopée à l'Ytterbium présentant des trains d'impulsions d'énergie supérieure ou égale à 40μΙ constituée par un laser industriel de type Satsuma® de la société Amplitudes System®.
Le générateur de supercontinuum spectral 22 est un cristal YAG. Les étireurs 26 et 38 sont des cristaux de silicium d'épaisseurs respectives d'environ 1 mm et 2 mm, ou 2 mm et 1 mm.
Les amplificateurs paramétriques optiques 38 et 54 peuvent comporter chacun un cristal de PPLN. De préférence, l'amplificateur paramétrique optique 54 est d'une plus grande épaisseur que l'amplificateur paramétrique optique 38 pour permettre un meilleur rendement. Par exemple, l'amplificateur paramétrique optique 38 est un cristal de PPLN d'épaisseur sensiblement égale à 1 mm et l'amplificateur paramétrique optique 54 est un cristal de PPLN d'épaisseur sensiblement égale à 3 mm.
Le compresseur 74 est une plaque de verre d'épaisseur d'environ 75 mm. Le compresseur 78 est un cristal de silicium d'épaisseur d'environ 5 mm. Le générateur de seconde harmonique 78 est un cristal d'AGS ou de PPLN.
Les lignes à retard 33 et 56, les séparateurs de faisceaux 20, 32 et 50, et les miroirs dichroïques 34, 42, 44, 58, 64, 66 et 82 sont de type classique et connus.
Dans un tel prototype, la puissance du faisceau 16 correspond à entre 5% et 10% celle du faisceau 14, celle du faisceau 28 correspond à entre 5% et 30% celle du faisceau 14 et celle du faisceau 52 correspond à entre 60% et 90% celle du faisceau 14.
Avec un tel dispositif, la puissance du faisceau 68 obtenu correspond à entre 2% et 20% celle du faisceau 14, le faisceau 84 présente des trains d'impulsions d'une durée d'environ 65 fs et d'énergie supérieure à 1 μΐ et le faisceau 86 présente des trains d'impulsions d'une durée d'environ 85 fs et d'énergie égale à environ 0,1 μΐ.
Procédé de microscopie multiphotonique
Les faisceaux 68, 84 et/ou 86 générés par le dispositif décrit précédemment en relation avec la figure 1 peuvent être combinés pour former un faisceau présentant des composantes de longueurs d'ondes centrales λΐ5 λ2 et λ4.
Le faisceau formé peut être utilisé dans un microscope multiphotonique.
Avant la combinaison des différents faisceaux 68, 84 et/ou 86, ces derniers peuvent chacun passer ou non par une ligne à retard permettant d'ajuster finement la synchronisation des faisceaux dans le cas où ils ne seraient pas totalement synchrones au niveau de l'échantillon. Ceci peut permettre de compenser les différents chemins optiques de chacun de ces faisceaux entre la source et le microscope. Comme cela est illustré sur la figure 3, les longueurs d'ondes λι, λ2 et se situent dans les fenêtres de moindre absorption de l'eau, et présentent une bonne pénétration dans les tissus, ce qui permet d'exciter les fluorochromes en profondeur.
Cette excitation peut se faire avec un ou plusieurs photons simultanés d'une même longueur d'onde ou de différentes longueurs d'ondes.
Par exemple, dans le cas où l'excitation est effectuée par deux photons simultanés de longueur d'ondes et Xj, l'excitation est équivalente à celle de deux photons de même longueur d'onde :
2
nm
+ 1
λι Àj
Par exemple, dans le cas où l'excitation est effectuée par trois photons simultanés de longueur d'ondes et Àj, c'est-à-dire dont au moins deux photons sont de même longueur d'onde, l'excitation est équivalente à celle de trois photons de même longueur d'onde longueur d'onde : nm
Ài Àj
Ou nm
Ài + Àj
A titre d'exemple, différentes combinaisons d'excitation avec deux photons de longueurs d'ondes λι, λ2 ou À4 ou trois photons de longueur d'onde λι, À4 ou λ2 sont réalisées dans les tableaux 1 et 2 ci-dessous. On a indiqué à chaque fois la longueur d'onde équivalente.
Tableau 1 : excitation deux photons à une ou deux couleurs parmi λι=1030, λ4=1300, λ2=1700 nm.
Photon 1, 1030, 1030, 1300, 1300, 1300, 1700, photon 2 (nm) 1030 1300 1700 1300 1700 1700
Photon équivalent pour une 1030 1149 1283 1300 1473 1700 excitation à 2 photons (nm) Photon équivalent pour une 515 574 641 650 736 850 excitation à 1 photon (nm)
Tableau 2 : excitation trois photons à deux couleurs (λι=1030ηηι, À4=1700nm).
Figure imgf000016_0001
Des mêmes tableaux peuvent être effectués pour une excitation avec quatre photons et ainsi de suite.
Le nombre de longueurs d'ondes équivalentes atteignable est bien plus grand dans le cadre de l'invention que dans le cadre d'une excitation avec plusieurs photons simultanés de même longueur d'onde.
Ces longueurs d'ondes équivalentes vont dans l'invention du visible à l'infrarouge. La microscopie multiphotonique telle que décrite ci-dessus permet donc d'exciter une plus grande diversité de photochromes émettant du visible à l'infrarouge et d'obtenir des images de tissus avec de multiples contrastes en fonction des photochromes excités.
Un exemple d'utilisation des faisceaux obtenus pour réaliser une microscopie multicouleur est décrit ci-dessous.
Exemple
Des faisceaux de longueurs d'ondes centrales λ2, sensiblement égale à 1700 nm, et λ4, sensiblement égale à 1300 nm, sont obtenus simultanément à l'aide du dispositif tel que décrit en relation avec la figure 1.
Ces faisceaux sont envoyés simultanément sur un échantillon de moelle épinière embryonnaire de poulet marquée en fluorescence.
Plusieurs images sont obtenues simultanément.
Les photons de longueur d'onde λ4 permettent de générer une première image, illustré sur la figure 4A, obtenue par génération de troisième harmonique permettant une visualisation de la morphologie du tissu sans fluorescence.
Les photons de longueur d'onde λ4 permettent également de générer une deuxième image obtenue par microscopie à 3 photons, dans laquelle les fluorochromes excités réémettent dans le vert.
Les photons de longueur d'onde λ2 permettent de générer une troisième image obtenue par microscopie à 3 photons, dans laquelle les fluorochromes excités réémettent dans le rouge.
Les deuxième et troisième images sont combinées sur la figure 4B pour former une seule image en deux couleurs.
Le dispositif selon l'invention permet donc de générer des faisceaux de différentes longueurs d'ondes pouvant être utilisés ensemble pour réaliser de l'imagerie multiphotonique. Il est alors possible d'obtenir simultanément des images de différentes couleurs pouvant être superposées.

Claims

REVENDICATIONS
1. Dispositif (10) comportant :
- une source laser (12) émettant un premier faisceau (14) à une longueur d'onde centrale λ\ comprise entre 1010 nm et 1050 nm,
- un générateur de supercontinuum spectral (22) en aval de la source laser (12), générant un deuxième faisceau (31) à une longueur d'onde centrale λ2 comprise entre 1670 nm et 1730 nm à partir d'une partie (16) du premier faisceau (14),
- un système d'amplification paramétrique optique (37) en aval du générateur de supercontinuum spectral (22), générant un troisième faisceau (72) à une longueur d'onde centrale λ3 comprise entre 2540 nm et 2690 nm à partir d'au moins une partie du deuxième faisceau (31) et d'une partie (28) du premier faisceau (14), et
- un générateur de seconde harmonique (78) en aval du système d'amplification paramétrique optique (37), le générateur de seconde harmonique (78) générant un quatrième faisceau (86) à une longueur d'onde centrale λ4 comprise entre 1270 nm et 1345 nm à partir d'au moins une partie du troisième faisceau (72).
2. Dispositif selon la revendication 1, le premier faisceau (14) ayant une longueur d'onde centrale λι comprise entre 1020 nm et 1040 nm, mieux sensiblement égale à 1030 nm.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, le deuxième faisceau (31) ayant une longueur d'onde centrale λ2 comprise entre 1695 nm et 1710 nm, mieux sensiblement égale à 1703 nm.
4. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, le troisième faisceau (72) ayant une longueur d'onde centrale λ3 comprise entre 2590 nm et 2620 nm, mieux sensiblement égale à 2606 nm.
5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, le quatrième faisceau (86) ayant une longueur d'onde centrale λ4 comprise entre 1295 nm et 1310 nm, mieux sensiblement égale à 1303 nm.
6. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, le premier faisceau (14) étant composé de trains d'impulsions de durée inférieure ou égale à 500 fs.
7. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, la source laser (12) étant un laser fibré dopé Ytterbium, le premier faisceau (14) présentant des impulsions de durée inférieure ou égale à 400 fs et présentant une énergie par impulsion supérieure à 40 μΐ.
8. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, le générateur de supercontinuum spectral (22) étant une fibre à effet non-linéaire ou mieux un cristal YAG.
9. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, le système d'amplification paramétrique optique (37) comportant au moins un amplificateur paramétrique optique (38).
10. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, le système d'amplification paramétrique optique (37) comportant au moins deux amplificateurs paramétriques optiques (38, 54) successifs, le premier amplificateur paramétrique optique (38) amplifiant ladite au moins une partie du deuxième faisceau, à partir du deuxième faisceau (31) généré par le générateur de supercontinuum spectral (22) et d'une partie du premier faisceau (28), et le deuxième amplificateur paramétrique optique (54) générant le troisième faisceau (72) à partir d'au moins une partie du deuxième faisceau (49) amplifié par le premier amplificateur paramétrique optique (38) et d'une partie du premier faisceau (52).
11. Dispositif selon la revendication précédente, le deuxième amplificateur paramétrique optique (54) étant d'une dimension axiale plus grande que le premier amplificateur paramétrique optique (38), la partie du premier faisceau (52) en entrée du deuxième amplificateur paramétrique optique (54) étant d'une plus forte puissance que celle en entrée du premier amplificateur paramétrique optique (38).
12. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, comportant au moins un étireur (26) en aval du générateur de supercontinuum spectral (22) et en amont du système d'amplification paramétrique optique (37) et au moins deux compresseurs (74, 76) en aval du système d'amplification paramétrique optique (37), un premier compresseur (74) pour comprimer le deuxième faisceau (70) et un deuxième compresseur (76) pour comprimer le troisième faisceau (72), le deuxième compresseur (76) étant de préférence en amont du générateur de seconde harmonique (78).
13. Dispositif selon la revendication 10 ou 11, comportant au moins un étireur
(26) en aval du générateur de supercontinuum spectral (22) et en amont du système d'amplification paramétrique optique (37), un étireur (48) entre les deux amplificateurs paramétriques optiques (38, 54) et au moins deux compresseurs (74, 76) en aval du système d'amplification paramétrique optique (37), un compresseur (74) pour le deuxième faisceau (70) et un compresseur (76) pour le troisième faisceau (72), de préférence en amont du générateur de seconde harmonique (78).
14. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 9 à 11 et 13, le ou les amplificateurs paramétriques optiques (38, 54) comportant un cristal non-linéaire ayant une succès sibilité non-linéaire d'ordre deux et permettant un accord de phase paramétrique entre les premier et second faisceaux, notamment un cristal de PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate), de KTA (Potassium Titanyle Arsenate) ou de BBO (Beta Barium Borate).
15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes, le générateur de seconde harmonique (78) étant un cristal non-linéaire ayant une successibilité non-linéaire d'ordre deux et permettant un accord de phase de doublement de fréquence du troisième faisceau, notamment un cristal d'AGS (Silver Thiogallate) ou de PPLN..
16. Procédé d'imagerie par microscopie multiphotonique comportant l'étape consistant à exciter un ou plusieurs chromophores dans un tissu à partir d'un ou mieux d'une combinaison de faisceaux de longueur d'onde centrale entre 1010 nm et 1050 nm, entre 1280 nm et 1345 et/ou entre 1670 nm et 1730 nm, obtenus en sortie du dispositif (10) selon l'une quelconque des revendications précédentes.
17. Procédé selon la revendication précédente, l'excitation du ou des chromophores se faisant à partir d'une combinaison de deux faisceaux à une longueur d'onde centrale comprise pour l'un entre 1280 nm et 1345 nm et comprise pour l'autre entre 1670 nm et 1730 nm.
18. Procédé selon la revendication précédente, l'excitation du ou des chromophores se faisant à partir d'une combinaison de deux faisceaux à une longueur d'onde centrale comprise pour la première entre 1010 nm et 1050 nm, comprise pour la deuxième entre 1270 nm et 1345 nm et comprise pour la troisième entre 1670 nm et 1730 nm.
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