Rappels théoriques sur le rayonnement Raman

1
Colloque 2005 du Club « Contrôles et Mesures Optiques pour l’Industrie » de la Société Française d’Optique
Marseille, 21-25 novembre 2005
Les Capteurs à Fibres Optiques pour la Biophotonique
Yann Frignac, Guillaume Laffont, Véronique Dewynter, Sylvain Magne, Minh Chau Phan Huy et
Pierre Ferdinand
CEA-List-LMO DETECS / SYSSC - Centre d’Etudes de Saclay - F91191 Gif-sur-Yvette Cedex
Tél. : [phone] - Fax : [phone] - email : pierre.fer[email protected]
Mots clés : Biophotonique, Fibre Optique, Capteur à Fibre Optique (CFO), Réseau de Bragg (RdB), réfractométrie,
Luminescence stimulée optiquement, Fluorescence.
Introduction
Les biotechnologies, dont le dynamisme actuel n’est plus à démontrer
1
, jouent un rôle de plus en plus important dans
le secteur des industries de la santé, mais occupent aussi une place émergente dans ceux de l’environnement, de
l’agriculture, de l’agro-alimentaire, … ce qui de facto requiert la mise au point de nombreux capteurs et systèmes de
mesure aux fonctionnalités nouvelles. Le marché des biotechnologies pourrait, d’ici un petit nombre d’années,
atteindre plusieurs milliards d’euros d’après la commission européenne, la France se situant au 3ème rang européen
derrière l’Allemagne et le Royaume-Uni
2
; nul doute que, dans un tel contexte de croissance, ‘l’instrumentation’
prendra des parts de marché prédominantes.
Récemment, certains laboratoires de recherche impliqués dans « l’Optique » se sont découvert une vocation pour la
Biophotonique, c’est-à-dire pour l’étude des interactions entre les photons et le vivant. Un certain nombre d’experts
s’accordent désormais sur la ‘définition’ de ce nouveau domaine, comme étant « l’application de l’optique-
photonique à la Biologie et aux Sciences de la Vie plus globalement »
3
. En fait, soyons clairs, certains
développements sous-jacents ou « briques de base » existaient d’ores et déjà dans les laboratoires, et sans plagier M.
Jourdain, ils en faisaient sans le savoir …
Cela étant, l’émergence des besoins, couplée aux avancées technologiques menées lors des deux dernières décennies
dans plusieurs domaines technologiques comme l’optoélectronique, la micro électronique et la microinformatique,
pour ne citer que ceux là, est sans aucun doute à l’origine de cet engouement. Plus spécifiquement, les avancées
réalisées dans le domaine des Capteurs à Fibres Optiques (CFO) permettent aujourd’hui à cette technologie de
répondre à de nombreuses problématiques du monde industriel. Elle permet conjointement d’offrir des opportunités
et des approches nouvelles, tant pour la Biologie et la Médecine que pour d’autres secteurs, dans la mesure ou les
grandeurs évaluées traditionnellement par les CFO sont très variées : température, pression, déformation, force,
indice de réfraction, dose radioactive …
Les nombreux développements réalisés autour de ces capteurs et des systèmes de mesure associés, ainsi que les
avantages intrinsèques des fibres optiques justifient la mise en oeuvre de cette technologie pour des applications en
biologie ou en médecine. La petitesse des fibres utilisées (diamètre 125 µm) leur confère une très faible intrusivité et
permet d’effectuer des mesures localisées et déportées. Elles peuvent être connectées à des systèmes multiplexant, en
temps réel, de nombreuses voies de mesure. Les fibres (majoritairement en silice) résistent aux radiations et la mesure
optique est insensible aux perturbations électromagnétiques (mesures sous champs, rayons X, gamma). Enfin, le
faible coût des fibres de télécommunications mises en œuvre dans la plupart de ces instrumentations autorise l’emploi
de sondes à usage unique (jetables).
De plus, les nouvelles technologies actuellement en développement (Fibres à Cristaux Photoniques, …) offrent de
nombreuses perspectives d’avenir qu’il est intéressant d’explorer, et dont la conjonction constitue une rupture
technologique porteuse d’avenir pour ce type d’instrumentation.
Ainsi, nous présenterons quelques applications biomédicales fondées sur les CFO, certaines déjà expérimentées,
d’autres en devenir : mesures d’indice de réfraction de cytoplasme cellulaire, mesures dosimétriques pour le suivi des
patients en radiothérapie, détection et mesures quantitatives de biomolécules (anticorps, antigènes, protéines, ADN,
1
D’après l’OCDE, le nombre de brevets croît de 15 % l’an, et celui des créations d’entreprise est en forte hausse.
2
Etude Ernst et Young, en terme d’acteurs impliqués.
3
La Biophotonique Française, Perspectives et développement, Etude réalisé par Optics Valley et le Génopole d’Evry en collaboration avec
l’ADIT, 5 juin 2003 www.opticsvalley.org.

2
toxines, etc.), mesures corporelles de température et de déformations (hypo- et hyperthermie, volume respiratoire,
déformations osseuses, musculaires, etc.)
4
. Les deux premières applications sont fondées sur des mesures de
puissance lumineuse d’un transducteur placé en extrémité de fibre tandis que les dernières impliquent l’utilisation de
transducteurs à réseaux de Bragg gravés au sein même du cœur des fibres optiques.
Une première partie de cet article détaille les principes techniques de fonctionnement des Capteurs à Fibres Optiques,
tandis que les applications font l’objet de la seconde partie. Libre au lecteur averti ou uniquement intéressé par les
applications de s’y rendre directement.
1 Rappels des principes techniques
Nous appellerons dans la suite « capteur » un système complet permettant de déceler et/ou de quantifier les variations
d’un paramètre physique. Celui-ci comprend plusieurs sous-systèmes : ceux dits de détection (perception d’un
paramètre physique), d’autres pour la transduction (changement de nature physique du signal de détection) et d’autres
enfin pour le traitement du signal (mis en forme du signal sous forme de données perceptibles par l’utilisateur).
Comme indiqué schématiquement dans la Figure 1(a), la partie transductrice d’un CFO consiste en un composant
(souvent la fibre elle-même) au sein duquel la lumière guidée subit une modification due à une perturbation
extérieure, modification qui renseigne sur le paramètre physique, voire chimique à détecter. Outre le fait qu’une
classification repose sur la nature de cette modification qui peut intervenir sur l’amplitude, la phase, la longueur
d’onde ou encore l’état de polarisation, les CFO peuvent également être subdivisés en d’autres catégories (cf. Figure
1b) : les capteurs directs, intrinsèques ou extrinsèques [5] . Les capteurs directs consistent le plus souvent en des
spectrophotomètres analysant la réflexion en bout de fibre optique et permettant des analyses directes in vivo sur des
zones très localisées. Dans le cas des CFO intrinsèques les perturbations extérieures sont captées par le biais de
modifications des caractéristiques opto-géométriques de la fibre optique. Enfin les capteurs extrinsèques incluent un
élément transducteur supplémentaire qui convertit la perturbation induite par le phénomène à détecter sur la lumière
transmise par la fibre.
Transducteur
Paramètre
extrinsèque
Type :Fibre optique
de déport direct
intrinsèque
F. o. transductrice
TransducteurTransducteur
Paramètre
extrinsèque
Type :Fibre optique
de déport direct
intrinsèque
F. o. transductrice
(a)
(b)
Figure 1 : Principe général de fonctionnement des Capteurs à Fibres Optiques (CFO)
Les CFO que nous développons spécifiquement au laboratoire sont de type direct par reflectométrie en bout de fibre
(Cf. § 1.1), de type extrinsèque en utilisant une transduction réalisée par luminescence stimulée optiquement
(Optically Stimulated Luminescence : OSL, Cf. § 1.2), ou encore de type intrinsèque comme dans le cas des réseaux
de Bragg photoinscrits au sein même du cœur des fibres (Fiber Bragg Gratings : RdB, Cf. § 1.3) voire des
biorécepteurs (Cf. § 1.6). Nous décrirons également ici un nouveau type de fibre optique dites fibres microstructurées
(Microstructured Optical Fibers : MOF, Cf. § 1.5) tant les nouvelles propriétés de guidage qu’elles offrent servent
avantageusement les CFO dans le domaine de la Biophotonique.
1.1 La réflectométrie optique
Il est plus habituel en biologie de parler de coefficients d’absorption et de diffusion de tissus biologiques que d’indice
de réfraction ; pourtant cette grandeur peut s’avérer riche d’information. Une des méthodes possibles de mesure de
l’indice de réfraction de milieux biologiques par fibre optique utilise avantageusement le principe de la réflexion de
Fresnel en extrémité de fibre. Selon le schéma de la Figure 2, un réflectomètre optique (OTDR pour Optical Time
Domain Reflectometer) émet des impulsions lumineuses répétitives injectées dans la fibre optique et mesure la
lumière réfléchie par l’interface entre l’extrémité des guides et le milieu à ausculter placé en bout de fibre.
4
Les fibres optiques sont aussi utilisées pour l’imagerie optique non invasive (visualisation des cavités, l’action de certaines thérapies : suivi des
phénomènes de fluorescence ou de luminescence, …). Un bon nombre de ces approches sont fondées sur « l’OCT » pour Optical Coherence
Tomography, tirant profit des propriétés de faible cohérence des sources à large spectre, pour réaliser la mise au point de l’image à une
profondeur donnée. La PME Mauna Kea Technologies a ainsi développé le « Cell-viZio », utilisant la microscopie confocale, dédié à l’imagerie
cellulaire in vivo de très haute résolution du petit animal. Pour cela, un petit endoscope contenant plusieurs milliers de micro fibres (bundle), est
inséré via une petite incision et le praticien vient placer l’extrémité des fibres proche du contact tissulaire. La résolution de l’image obtenue est
comprise entre 5 µm et 1 µm. Des expériences menées sur des tissus (épithélium) ont permis un diagnostic extrêmement précoce de lésions
cancéreuses. Cette méthode est efficace dans le cadre de l’endoscopie d’organes creux puisqu’elle permet une pénétration optique du tissu. On
parle dans ce cas de « biopsie optique » sans prélèvement chirurgical.

3
Réflectomètre Traitement
Fibre optique Réflectomètre Traitement Fibre optique
Figure 2 : Schéma de principe de la réflectométrie optique en bout de fibre
Le coefficient de réflexion de Fresnel (R) à cette interface est lié à la différence des indices du milieu (nm) et de la
silice composant la fibre optique (nf) ainsi qu’à l’angle d’incidence  de la lumière sur le plan de clivage de la fibre
selon :
2
2
1
2
2
f
2
mf
2
1
2
2
f
2
mf
sinnncosn
sinnncosn
R
R : coefficient de réflexion de Fresnel
 : angle d’incidence de la lumière sur le
plan de clivage de la fibre
nm : indice de réfraction du milieu à tester
nf : indice de réfraction de la fibre
Équation 1
Cette formulation est grandement simplifiée lorsque  est nul et R vaut alors ((nf-nm)/(nf+nm))2. Ce coefficient de
réflexion est accessible aisément via les mesures de pertes en réflexion (Return Loss) fournies par les réflectomètres
commerciaux et il permet ainsi d’accéder à l’indice de réfraction nm du milieu à sonder. La réflectométrie peut
également être réalisée à l’aide d’un montage plus simple (de type « échomètre ») contenant une source, un coupleur
« 3 dB » et un photorécepteur, mais la mesure de l’écho en bout de fibre souffre alors de l’influence des pertes en
ligne et plus globalement de la fonction de transfert en intensité du dispositif. A contrario, le réflectomètre résolu
dans le temps (OTDR) permet intrinsèquement de normaliser le signal en se référant au niveau rétrodiffusé juste en
amont de l’écho. Cette mesure d’indice de réfraction extrêmement localisée (en bout de fibre) est de grand intérêt
pour les mesures des propriétés des tissus biologiques, voire des cellules vivantes comme nous le détaillerons au §
2.1.4.
1.2 La Luminescence Stimulée Optique (OSL)
Une seconde technique développée au laboratoire consiste en la mesure extrinsèque de la dose des rayonnements
ionisants. Elle fait également intervenir une mesure en bout de fibre mais cette fois par le biais d’un transducteur
extrinsèque. Le principe de ce système de mesure est illustré par la Figure 3. Le matériau transducteur a la propriété
de « conserver » l’information de la dose ionisante (photons ou électrons ionisants) via des excitations d’électrons
vers des niveaux d’énergie dits « niveaux pièges », situés dans la bande interdite entre les bandes de valence et de
conduction (Cf. schéma de droite de la Figure 3). La dose ainsi « enregistrée » peut être lue par Luminescence
Stimulée Optiquement. Cette opération est réalisée par une excitation lumineuse apportée par la fibre optique. Celle-
ci fait transiter les électrons précédemment « piégés » vers un niveau d’énergie supérieure (bande de conduction). Les
électrons reviennent alors à leur état « stable » par émission lumineuse (via des centres de recombinaison). La
luminescence ainsi produite est alors reconduite par la même fibre puis analysée. La quantification de cette énergie
lumineuse permet de remonter à la dose « enregistrée » par le transducteur, laquelle est proportionnelle à la dose
perçue localement. Nous utilisons comme matériaux transducteurs soit des polycristaux de type MgS (ou BaS) dopés
par des ions de terres-rares soit des cristaux d’alumine ; ces derniers offrant une meilleure résolution en dose [8] .
Source
Lumineuse
Signal
dose
Spectromètre
intégré,
Analyse des
données
Lame séparatrice
Luminescence
Lumière
incidente
Excitation par
Irradiation
ionisante
Dosimétrie localisée
temps
Fibre optique Composant transducteur
= électron
Source
Lumineuse
Signal
dose
Spectromètre
intégré,
Analyse des
données
Lame séparatrice
Luminescence
Lumière
incidente
Excitation par
Irradiation
ionisante
Dosimétrie localisée
temps
Fibre optique Composant transducteur
= électron
Figure 3 : Principe de la Luminescence Stimulée Optique (OSL)
Le système de mesure (transducteur + fibre) permet ainsi une analyse déportée de la dose déposée localement et il
atteint, pour l’exemple du dosimètre à cristaux d’alumine, une résolution en dose de 20 µGy pour un déport de 20 m.
Un procédé de compensation en énergie de photons et en dépendance angulaire a par ailleurs été développé pour les

4
besoins de la dosimétrie opérationnelle, permettant d’envisager une mesure normalisée Hp10 (
5
) dans la gamme en
énergie de photons [20 keV - 3 MeV] et sur un angle solide couvrant 95 % de l’espace, performance bien supérieure
à la norme précitée[10] .
1.3 Les Capteurs à Fibres Optiques à Réseaux de Bragg (RdB)
Les réseaux de Bragg fibrés (RdB) sont des réseaux de diffraction que l’on réalise par photo-insolation en lumière
laser (continue ou pulsée) du cœur guidant de fibres optiques généralement monomodes. Ces fibres optiques sont
rendues photosensibles, pour la lumière laser ultraviolette (= 244 nm pour cw = 193 nm), par adjonction de
dopants tels que le germanium (Ge). Un réseau de Bragg consiste en une modulation submicronique de l’indice de
réfraction du cœur de la fibre optique : un réseau de quelques millimètres de longueur comporte ainsi environ un
millier de périodes ou « pas » (Cf. Figure 4a). De tels réseaux se comportent comme des réflecteurs (réponse
spectrale en Figure 4a) pour une bande spectrale très fine centrée à la longueur d’onde caractéristique B dite de
Bragg et définie par la relation B = 2.ne., avec  le pas du réseau (~ 500 nm) et ne l’indice effectif du mode de
propagation (~ 1,45). Toute modification de l’indice effectif ou du pas du réseau déplace proportionnellement la
longueur d’onde B. Le suivi de ces déplacements spectraux permet donc de remonter aux paramètres physico-
chimiques inducteurs.
Réseau droit
Ordre -1 Ordre 0
Transmission norm.
1545 1555 1565
0
1
0
1
Longueur d’onde (nm)
Réflexion norm.
B
2
1
Réseau droit
Ordre -1 Ordre 0
Transmission norm.
1545 1555 1565
0
1
0
1
Longueur d’onde (nm)
Réflexion norm.
B
2
1
Réseau en angle
Ordre -1
Ordre 0 1500 1540 1580
0
1
Longueur d’onde (nm)
Transmission norm.
1
2
Réseau en angle
Ordre -1
Ordre 0 1500 1540 1580
0
1
Longueur d’onde (nm)
Transmission norm.
1
2
(a)
(b)
Figure 4 : Schémas et réponses de réseaux de Bragg fibrés : (a) RdB droit, (b) RdB en angle
Ce principe est à la base de toutes les applications métrologiques des réseaux de Bragg [1] . Outre les intérêts usuels
apportés par les fibres optiques que nous avons détaillés en introduction, les réseaux de Bragg fibrés présentent la
propriété intéressante de pouvoir aisément être multiplexés. Il suffit pour cela de cascader plusieurs RdB avec des pas
différents, chacun pouvant être interrogé par le système opto-électronique autour de sa longueur d’onde
caractéristique dite aussi de « Bragg ». Un exemple de tels systèmes de mesure est présenté à la Figure 5 dans le cas
d’une mesure de température. La lumière incidente est successivement réfléchie aux longueurs d’onde de Bragg B1,
B2,B3, par les trois RdB. Le spectre en réflexion de la chaîne complète à la température T1 est alors celui de gauche
de la Figure 5. Pour une variation de température T, par exemple localisée uniquement sur le RdB2, la longueur
d’onde de Bragg B2 varie en proportion et le spectre en réflexion de la chaîne complète renseigne sur cette variation
localisée de température. Compte tenu de la faible perte en signal des fibres optiques une analyse métrologique en
temps réel, déportée sur de longues distances est monnaie courante.
circulateur
Fibre optique
RdB1RdB2RdB3
B1 B2 B3
Intensité
Lumière incidente
T1T2
*B2
B1
*B2
B3
Intensité
Lumière réfléchie à T1
B1
B2 B3
Lumière réfléchie à T2*B2-B2
T
Variation de température
De T1 àT2
circulateur
Fibre optique
RdB1RdB2RdB3
B1 B2 B3
Intensité
Lumière incidente
T1T2
*B2
B1
*B2
B3
Intensité
Lumière réfléchie à T1
B1
B2 B3
Lumière réfléchie à T2*B2-B2
T
Variation de température
De T1 àT2
Figure 5 : Exemple d’un système à réseaux de Bragg dans le cas d’une mesure de variations de température
Ainsi, classiquement, les réseaux de Bragg permettent d’effectuer des mesures de température, de déformations, de
pression et d’indice de réfraction. Leurs performances indicatives de sensibilité, résolution et gamme de mesure vis à
5
La norme de mesure Hp10 implique que le capteur fournit une valeur de dose équivalente (en énergie) à la dose que percevrait un tissu humain à
10 mm de profondeur.

5
vis de ces paramètres physiques sont consignées dans le
0,001 MPa0,01 MPa
- 100 pm/MPa avec
gainage*
0,02 MPa
0,1 m/m
~ 0,01 °C
1,3-1,4510-5 ** Indice de réfraction
> 100 MPa
0,2 MPa- 5 pm/MPa
Pression
2 %
1 m/m1 pm/(m/m)
Déformations
0 K –1000 K~ 0,1 °C12 pm/°CTempérature
Gamme de
mesure
Résolution typique
1 pm de rés. Spectrale à 0.1 pm de rés. SpectraleSensibilité
0,001 MPa0,01 MPa
- 100 pm/MPa avec
gainage*
0,02 MPa
0,1 m/m
~ 0,01 °C
1,3-1,4510-5 ** Indice de réfraction
> 100 MPa
0,2 MPa- 5 pm/MPa
Pression
2 %
1 m/m1 pm/(m/m)
Déformations
0 K –1000 K~ 0,1 °C12 pm/°CTempérature
Gamme de
mesure
Résolution typique
1 pm de rés. Spectrale à 0.1 pm de rés. SpectraleSensibilité
Tableau 1. La sensibilité est exprimée comme une variation de la longueur d’onde de Bragg en fonction d’une
variation physique. La résolution quant à elle est obtenue sur la base de la sensibilité de chaque capteur en admettant
que la résolution spectrale de mesure de la longueur d’onde de Bragg est de l’ordre de 1 pm voire 0,1 pm (elle peut
atteindre le dixième de picomètre avec la dernière génération de systèmes de mesure développée par notre
laboratoire). Nous préciserons au § 1.5 les méthodes de mesure de l’indice de réfraction pour lesquels nous
montrerons l’intérêt d’utiliser des RdB avec une variation d’indice non orthogonale à la direction de propagation
aussi appelés RdB en angle (ou réseaux blazés) tels que présentés à la Figure 4.(b).
0,001 MPa0,01 MPa
- 100 pm/MPa avec
gainage*
0,02 MPa
0,1 m/m
~ 0,01 °C
1,3-1,4510-5 ** Indice de réfraction
> 100 MPa
0,2 MPa- 5 pm/MPa
Pression
2 %
1 m/m1 pm/(m/m)
Déformations
0 K –1000 K~ 0,1 °C12 pm/°CTempérature
Gamme de
mesure
Résolution typique
1 pm de rés. Spectrale à 0.1 pm de rés. SpectraleSensibilité
0,001 MPa0,01 MPa
- 100 pm/MPa avec
gainage*
0,02 MPa
0,1 m/m
~ 0,01 °C
1,3-1,4510-5 ** Indice de réfraction
> 100 MPa
0,2 MPa- 5 pm/MPa
Pression
2 %
1 m/m1 pm/(m/m)
Déformations
0 K –1000 K~ 0,1 °C12 pm/°CTempérature
Gamme de
mesure
Résolution typique
1 pm de rés. Spectrale à 0.1 pm de rés. SpectraleSensibilité
Tableau 1 : Performances des CFO à réseaux de Bragg vis-à-vis des paramètres physiques (* : polymère amplificateur,
** : la mesure d’indice de réfraction n’étant pas directement liée à la mesure du décalage de la longueur d’onde de Bragg, la
résolution spectrale n’intervient pas dans la résolution de mesure en indice de réfraction)
1.4 Les fibres optiques micro-structurées
Un autre élément technologique, plus récent et complémentaire aux réseaux de Bragg montre des résultats
prometteurs dans le domaine des CFO pour les analyses biologiques ou biomédicales. Il s’agit des nouvelles fibres
optiques présentant une structure transverse plus complexe que les fibres traditionnelles (sauts ou gradients d’indice
concentriques) et qui sont usuellement regroupées sous le terme de Fibres Optiques Microstructurées (MOF) [3] .
Par rapport à la fabrication d'une fibre classique, la réalisation d'une fibre microstructurée diffère dans la conception
de la préforme à étirer. Le procédé de fabrication de la fibre se déroule en plusieurs étapes : l'usinage du barreau de
silice dopée pour le cœur, l'assemblage de la préforme de ce qui deviendra la future fibre et enfin le fibrage
proprement dit. La préforme est un assemblage de capillaires et de barreaux pleins de silice, de quelques millimètres
de diamètre. L'ensemble est introduit dans un tube qui maintient les différents barreaux et capillaires en place lors du
fibrage. L’opération de fibrage est également plus complexe que pour une fibre standard (on doit éviter le rétreint) et
fibrer à des températures plus faibles [16] . Les capillaires permettent de former les futurs canaux de la fibre et les
barreaux pleins servent de matière et maintiennent la structure en place. Le barreau central, futur cœur de la fibre,
peut également être dopé germanium en vue d’une inscription de réseaux telle que décrite au § 1.3. Des illustrations
de préformes et de fibres étirées sont fournies par la Figure 6.
Fibre microstructurée
trous trous
trous
gaine
cœur
gaine
Préforme Fibre étirée Modélisation
Fibre à 6
trous
Fibre en
nid d’abeilles
D’après Crystal Fiber A/S Denmark
http://www.blazephotonics.com/
Fibre microstructurée
trous trous
trous
gaine
cœur
gaine
Préforme Fibre étirée Modélisation
Fibre à 6
trous
Fibre en
nid d’abeilles
D’après Crystal Fiber A/S Denmark
http://www.blazephotonics.com/