presentation_oral_de_these - TEL (Thèses-en
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Mickaël LELEK Caractérisation d’impulsions brèves Mise en forme temporelle et spectrale pour une application à l’endomicroscopie bi-photonique Directeur de thèse : Frédéric Louradour Plan Partie A : Caractérisation monocoup d’impulsions femtosecondes : Interférométrie spectrale résolue temporellement : SPIRIT Généralités Interférométrie spectrale à une dimension : SPIRIT 1D Interférométrie spectrale à deux dimensions : SPIRIT 2D Partie B : Imagerie biologique par endomicroscopie non-linéaire Généralités Propagation d’impulsions brèves Développement d’un endomicroscope non-linéaire 01 Plan Partie A : Caractérisation monocoup d’impulsions femtosecondes : Interférométrie spectrale résolue temporellement : SPIRIT Généralités Interférométrie spectrale à une dimension : SPIRIT 1D Interférométrie spectrale à deux dimensions : SPIRIT 2D 01 Généralités Objectif : Mesure de l’évolution temporelle du champ électrique d’une impulsion brève E(t) E(t) .exp(i.(t)) E(t) qq 100fs t La mesure en amplitude et en phase du champ électrique temporel d’une impulsion courte voire ultra-courte est difficile 02 Mesure dans le domaine temporel 03 Mesure directe : Utilisation d’une photodiode rapide et d’un oscilloscope large bande : limitée aux cas des impulsions picosecondes Signal de fluorescence (u.a) Autocorrélation intensimétrique * : S() 1.3ps I(t).I(t ).dt La mesure d’autocorrélation intensimétrique seule ne donne pas accès à la phase de l’impulsion Retard (ps) Résolue spectralement : technique FROG * temps - fréquence Algorithme itératif * M. Lelek et al., Applied Physics Letters 89, 061117 (2006) * R. Trebino et al., JOSA. A 10, 1101-1111 (1993) 04 Mesure dans le domaine spectral E() E() .exp(i.()) E(t) E(t) .exp(i.(t)) E(t) E() qq 100fs () TF t ? TF-1 La mesure de l’amplitude spectrale d’une impulsion courte est simple (spectroscope), par contre la mesure de la phase spectrale requiert des techniques bien particulières Mesure dans le domaine spectral Objectif : faire une mesure de phase sans référence Interférométrie spectrale à décalage 05 Interférométrie à décalage dans le domaine spectral Production de deux spectres répliques décalés spectralement Interférence entre ces deux spectres répliques E() () 06 Technique SPIDER * C. Iaconis et al., Opt. Lett. 23, 792 (1998) État d’interférence dépend de (+D)-(D) soit la dérivée ’() 07 Technique SPIDER Véritable décalage en fréquence E() () 2 I () E() . (1 + cos '().D + ) ( 2 ) SPIDER o 08 09 Limites de SPIDER Véritable décalage en fréquence signal 2 signal + impulsion dispersée Recopie parfaite de la phase des impulsions répliques ⇒ impulsion dispersée avec une phase uniforme Vérification préalable de l’enveloppe du spectre à 2 avec celle du spectre à Plan Partie A : Caractérisation monocoup d’impulsions femtosecondes : Interférométrie spectrale résolue temporellement : SPIRIT Généralités Interférométrie spectrale à une dimension : SPIRIT 1D Interférométrie spectrale à deux dimensions : SPIRIT 2D 01 Interférométrie à décalage dans le domaine spectral 10 SPIDER : Étape non-linéaire Conversion de fréquence Décalage fréquentiel Transfert de cohérence + Étape Interférométrique SPIRIT : Étape interférométrique décalage spatial + Étape Non-linéaire Échantillonnage temporel Interférométrie à décalage dans le domaine spectral Interférogramme dont la phase des battements représente la dérivée de la phase spectrale 11 Technique SPIRIT : principe 12 Technique SPIRIT : principe 13 Phase à l’origine des battements Terme d’interférences I(,t) E() + E( + D) + 2 E()E( + D) .cos( D.t + . + '().D) 2 2 mesure directe à partir d’un Interférogramme détecteur intégrateur est Non-Stationnaire impossible Dérivée de la phase spectrale () Surmodulation 14 Technique SPIRIT : principe () (+D) Spectres décalés Echantillonnage temporel tout optique x Interférogramme unidimensionnel Stationnaire à 2 ≈1 ps Time Enregistrable à partir d’un détecteur standard Battements temporels I() E() + E( + D) + 2 E()E( + D) .cos(D.t o + . + '().D) 2 2 Schéma synoptique Avantages : SPIRIT : technique passive tout optique Porte optique non-linéaire créée à partir de l’impulsion étudiée Méthode autoréférencée 15 16 Algorithme de reconstruction de la phase spectrale Non-itératif ! TF-1 Enregistrement expérimental Filtre carré ...cos(D.to + . + '().D) Calibration de D et TF E() ’() Dérivée de la phase spectrale '( ).d ( 17 Schéma expérimental de SPIRIT 1D Caméra CCD 2 Cristal Non-linéaire Impulsion testée Porte optique Lentille cylindrique Réseau de diffraction Dispositif de décalage 18 Caractérisation d’impulsions récurrentes 100fs Oscillateur Ti: Sa l0=826nm 75MHz t0=100fs 10 6 E() 2 E() E() .exp(i.()) () 4 TF-1 2 0 -2 1 -4 -6 816 818 820 822 824 826 828 830 832 Longueur d'onde (nm) Résultats concordant avec ceux donnés par un autocorrélateur 834 Intensité temporelle (u.a) Phase Spectrale (rad) 8 E(t) 2 0.8 0.6 0.4 148 fs 0.2 0 -500 0 temps (fs) 500 Mesure de la phase ajoutée par un morceau de verre 19 Morceau de verre de type F4 épaisseur 12 cm Phase spectrale (rad) 7 6 phase spectrale théorique phase spectrale mesurée amplitude spectrale 5 4 3 2 1 0 814 816 818 820 822 824 826 828 830 832 834 836 838 axe des longueurs d'onde (nm) 20 Caractérisation d’une impulsion unique 100fs * Chaîne amplifiée l0=795nm 10 Hz t0=100fs E() 10 8 6 2 E() E() .exp(i.()) () TF-1 4 1 2 0 -10 -5 0 5 Longueurs d'onde (nm) * Expériences réalisées au LOA 10 Intensité temporelle (u.a) Phase spectrale (rad) 12 E(t) 0.8 2 0.6 0.4 122 fs 0.2 0 -500 0 temps (fs) 500 durée des impulsions (fs) Comparaison SPIRIT-SPIDERautocorrélateur* 700 650 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 système SPIDER système SPIRIT autocorrélateur 19,5 20,0 20,5 21,0 21,5 22,0 22,5 distance relative des réseaux du compresseur (mm) *Expériences réalisées au LOA 21 22 Caractérisation d’une impulsion unique 30fs * Chaîne amplifiée l0=795nm 10 Hz t0=30 fs 1 Intensité (u.a) 0.8 0.6 0.4 Intensité temporelle SPIRIT 30fs Intensité temporelle SPIDER 0.2 *Expériences réalisées au LOA 0 -100 -50 0 axe temporel (fs) 50 100 Plan Partie A : Caractérisation monocoup d’impulsions femtosecondes : Interférométrie spectrale résolue temporellement : SPIRIT Généralités Interférométrie spectrale à une dimension : SPIRIT 1D Interférométrie spectrale à deux dimensions : SPIRIT 2D 01 23 SPIRIT 1D SPIDER Calibration nécessaire des paramètres et D Mesure non-intuitive traitement numérique des ⇒ Undonnées pour obtenir la phase spectrale SPIRIT 2D : Principe Général I(,t) Concaténation des images 1D t Dt 24 p Exemples de battements spatio-temporels Ordre supérieur L’image 2D fournit une représentation intuitive de la phase spectrale de l’impulsion ⇒ Surmodulation inutile Décalage spectral présent dans la figure 2D ⇒ autocalibré Plus de problèmes de retour de phase 25 26 Algorithme de reconstruction i Profil intensimétrique p i Algorithme de reconstruction i i TF-1 cos(D .t0+’(i).D) '( ) ’(i) 27 28 Dispositif expérimental de SPIRIT 2D multicoup Caméra CCD 2 Cristal Non-linéaire Ligne à délai variable Impulsion testée Porte optique Lentille cylindrique Réseau de diffraction Dispositif de décalage Mesure d’une phase spectrale parabolique 29 Oscillateur Ti:Sa Morceau de verre de type F4 épaisseur 12 cm Algorithme de reconstruction Mesure de la phase spectrale du laser 3.5 Phase spectrale (rad) Algorithme de reconstruction Soustraction de la phase du laser phase spectrale théorique (Sellmeier) 3 2.5 phase spectrale reconstruite (SPIRIT 2D) 2 1.5 amplitude spectrale 1 0.5 0 804 806 808 810 812 814 Longueurs d'onde (nm) 816 Mesure d’une phase spectrale complexe Phase des battements '( ).D p 30 Mesure d’une phase spectrale complexe '( ).d TF-1 31 SPIRIT 2D monocoup : Principe Mise en forme spatiale du signal à analyser suivant une direction transverse à x Codage spatial du retard de la porte optique par inclinaison du front d’énergie 32 Dispositif expérimental de SPIRIT 2D monocoup Réseau de Diffraction 2 Caméra CCD 2D Cristal Non-linéaire =0 Impulsion testée 33 Dispositif de décalage 2 Réseau de Diffraction 1 Optimisation de la chaîne amplifiée d’une Optimisation du compresseur amplifiée 10 kHz p chaîne 34 35 Conclusion Méthode monocoup et autoréférencée Traitement numérique direct des enregistrements Le décalage spectral est fixé par le montage : et Calibration absolue D Bonne reconstruction si le décalage spectral est inférieur ou égal à 10% de la largeur spectrale Seulement 15 mW sont nécessaire pour obtenir une trace SPIRIT Non itératif FROG SPIDER SPIRIT SPIRIT 2D Signal sur bruit Représentation intuitive 36 Perspectives Développements technologiques : Améliorer la compacité de SPIRIT en figeant les réglages Développer un code labview pour la reconstruction en temps réel Remplacement du spectroscope par un spectroscope imageur pour optimiser la phase spectrale et la phase spatiale XSPIRIT : permet la caractérisation d’impulsions complexes Plan Partie B : Imagerie biologique par endomicroscopie non-linéaire Généralités Propagation d’impulsions brèves Développement d’un endomicroscope non-linéaire 01 La microscopie confocale 37 Fluorescence par absorption à 1 photon Intérêts : Élimination de la lumière de fluorescence ne provenant pas du plan focal de l’objectif Imagerie tridimensionnelle Analyse d’échantillons épais Amélioration de la résolution La microscopie bi-photonique Fluorescence par absorption à 2 photons Intérêts supplémentaires : Naturellement confocal Résolution micronique (volume d’excitation très petit) Rapport signal sur bruit élevé Facilité de réjection Amélioration de la profondeur de pénétration (tissus biologiques moins diffusant à 800nm) Dégradation des échantillons biologiques réduite Problème : méthode fortement invasive 38 L’endomicroscopie linéaire 39 Endomicroscope commercialisé par MKT 800µm Optimisé @ 488nm • Les rendre flexibles par l’utilisation d’un guide d’image • Faire de l’imagerie "In Vivo" et "In situ" • Minimalement invasif Objectif 40 Développer un endomicroscope non-linéaire ? Optimisé @ 800 nm Question : Est il possible de travailler avec les mêmes éléments qu’un endomicroscope linéaire? 41 Problème lié au guide d’image optimisé à 488 nm Visible pour les Basses fréquences Phénomène de couplage Absent pour les hautes fréquences Problèmes liés à la propagation d’impulsions dans les fibres optiques Problèmes d’acheminement d’impulsions brèves 42 Dispersion chromatique d’ordre 2 Effet de la dispersion (GVD) = séparation des paquets de fréquences Vgbleue < Vgrouge Dt0 Dispersion normale Dt 0 LD L Fibre optique .c Dt LD . 2 2ln 2.l D 2 0 L Dt Dt0 . LD Problèmes d’acheminement d’impulsions brèves Dispersion chromatique d’ordre 2 1,2 ps 100 fs 43 Problèmes d’acheminement d’impulsions brèves Compensation de la dispersion chromatique d’ordre 2 En Régime linéaire Impulsion brève Pré-compensation de la GVD Source femtoseconde Ligne Treacy Dispersion anormale DTreacy<0 En régime non-linéaire Fibre optique : Dispersion normale DFibre>0 DTreacy=-DFibre 44 Problèmes d’acheminement d’impulsions brèves Compensation de la dispersion chromatique d’ordre 2 En Régime non-linéaire 1 ps Compression spectrale 45 Problèmes d’acheminement d’impulsions brèves Automodulation de phase Effet Kerr : n(t) = no+n2.I(t) Déphasage auto-induit DSPM (t) n 2 .k 0 .I(t).L Décalage des fréquences rouges sur le front avant de l’impulsion I(t) représente l’intensité du champ Création de nouvelles fréquences Décalage des fréquences bleues sur le front arrière de l’impulsion 46 Problèmes d’acheminement d’impulsions brèves Compression Spectrale Impulsion anormalement dispersée Fréquences bleues R front arrière Dt >> Dto Fréquences rouges t Compression B spectrale t front avant Compression spectrale Effet Kerr Dlo Dl l 47 Mise en forme temporelle et spectrale de l’impulsion 48 Compensation des effets linéaires et non-linéaires Fibre unimodale Guide d’image S. W. Clark et al, Optics Letters (2001) Mise en forme temporelle et spectrale de l’impulsion Compensation des effets linéaires et non-linéaires Fibre unimodale Guide d’image Fibre Guide unimodale d’image 100 fs 49 Présentation du montage expérimental Système de compensation Linéaire et non-linéaire 50 Mesure de la durée des impulsions en sortie de système Durée des impulsions (fs) 3000 2500 Compensation de l’effet linéaire de dispersion seul 2000 1500 1000 x5 500 Compensation des effets linéaire et non-linéaire 0 0 20 40 60 80 100 120 Puissance IR en sortie du guide en mW 140 51 Puissance moyenne d'épifluorescence (nW) Mesure de la puissance moyenne d’épifluorescence en sortie de système 1,6 Compensation des effets linéaire et non-linéaire 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 x5 Compensation de l’effet linéaire de dispersion seul 0,2 0,0 0 20 40 60 80 100 120 Puissance moyenne IR en sortie de guide d' image (mW) Faisceau IR 52 Imagerie non-linéaire de colon humain Tissu biologique coloré à la rhodamine B Seulement 10mW de puissance moyenne IR 53 54 Conclusion Performances inédites Première démonstration d’un endomicroscope par fluorescence à 2 photons avec mise en forme linéaire et non-linéaire Impulsions de 100fs déposées par voie endoscopique sur tissus vivants Seulement quelques mW ont été nécessaire pour faire de l’imagerie non-linéaire Performance comparable à un microscope non-linéaire massif 55 Perspectives Compensation de la dispersion d’ordre supérieure par une ligne à masquage de phase 56 Perspectives Optimisation des divers éléments optiques Utiliser une tête optique pour faire de l’imagerie non-linéaire en profondeur Remplacer le guide d’image silice dopée par un guide d’image microstructuré air silice NA Lien entre partie A et partie B Illustrations simples dans le cas où ()=0 Retard entre impulsions répliques non-nul non-décalées spectralement D=0 Retard entre impulsions répliques nul décalées spectralement Retard entre impulsions répliques non-nul décalées spectralement 2 S(, p ) 2 E() 1 + cos(.) S(, p ) 2 E() 1 + cos(D.p ) S(, p ) 2 E() 1 + co 2 2 46 Autres effets questions Biréfringence 1 impulsion 2 impulsions 3.10-4 Pour la fluorescence non-linéaire
