Mickaël LELEK

Mickaël LELEK

Directeur de thèse : Frédéric Louradour

Caractérisation d’impulsions brèvesCaractérisation d’impulsions brèvesMise en forme temporelle et spectrale pour une Mise en forme temporelle et spectrale pour une application à l’endomicroscopie bi-photoniqueapplication à l’endomicroscopie bi-photonique

01

Partie A : Caractérisation monocoup d’impulsions femtosecondes :

Interférométrie spectrale résolue temporellement : SPIRIT

Interférométrie spectrale à une dimension : SPIRIT 1D

Interférométrie spectrale à deux dimensions : SPIRIT 2D

Généralités

Partie B : Imagerie biologique par endomicroscopie non-linéaire

Généralités

Propagation d’impulsions brèves

Développement d’un endomicroscope non-linéaire

PlanPlan

01





Généralités

PlanPlan

E(t)

t

E(t) E(t) .exp(i. (t))

GénéralitésGénéralités02

Objectif : Mesure de l’évolution temporelle du champ électrique d’une impulsion brève

qq 100fs

La mesure en amplitude et en phase du champ électrique temporel d’une impulsion courte voire

ultra-courte est difficile

La mesure d’autocorrélation intensimétriqueseule ne donne pas accès à la phase de

l’impulsion

S( ) I(t).I(t ).dt

* M. Lelek et al., Applied Physics Letters 89, 061117 (2006)

03

1.3ps

Retard (ps)

Sig

nal d

e flu

ores

cenc

e (u

.a)

Mesure directe : Utilisation d’une photodiode rapide et d’un oscilloscope large bande : limitée aux cas des impulsions picosecondes

Autocorrélation intensimétrique * :

Résolue spectralement : technique FROG *

Algorithme itératif

temps - fréquence

Mesure dans le domaine temporel

* R. Trebino et al., JOSA. A 10, 1101-1111 (1993)

La mesure de l’amplitude spectraled’une impulsion courte est simple

(spectroscope), par contre la mesure de la phase spectrale requiert des

techniques bien particulières

E( ) E( ) .exp(i. ( ))

()

?

E()

04

E(t)

t

E(t) E(t) .exp(i. (t))

TF-1

TF

qq 100fs

Mesure dans le domaine spectral

05

Objectif : faire une mesure de phase sans référence

Interférométrie spectrale à décalage

Mesure dans le domaine spectral

()

E()

Production de deux spectres répliques décalésspectralement

Interférence entre ces deux spectres répliques

Interférométrie à décalage dans le domaine spectral

06

État d’interférence dépend

de ()-()

soit la dérivée’

Technique SPIDER *07

C. Iaconis et al., Opt. Lett. 23, 792 (1998)

Technique SPIDER

()

E()

21 2

SPIDER oI ( ) E( ) . cos '( ). ( )

Véritable décalageen fréquence

08

Limites de SPIDERVéritable décalage

en fréquence

09

2 signal impulsion disperséesignal Recopie parfaite de la

phase des impulsions répliquesimpulsion dispersée avec une phase uniforme⇒

Vérification préalable de l’enveloppe du spectre à 2avec celle du spectre à

01





Généralités

PlanPlan

SPIDER :

SPIRIT :

Étape non-linéaireConversion de fréquence

Décalage fréquentielTransfert de cohérence

+ Étape Interférométrique

Étape Non-linéaireÉchantillonnage temporel+

Étape interférométriquedécalage spatial

Interférométrie à décalage dans le domaine spectral

10

11

Interférogramme dont la phase des battements représente la dérivée

de la phase spectrale

Interférométrie à décalage dans le domaine Interférométrie à décalage dans le domaine spectralspectral

Technique SPIRIT : principeTechnique SPIRIT : principe12

2 22I( , t) E( ) E( ) E( )E( ) .cos( . '( ). ).t

Terme d’interférences

Surmodulation

Dérivée de la phase

spectrale ()

mesure directe à partir d’un détecteur intégrateur est

impossible

InterférogrammeNon-Stationnaire


Phase à l’origine des battements

TimeEnregistrable à partir

d’un détecteur standard

Interférogramme unidimensionnelStationnaire à 2

Echantillonnage temporel

tout optique

≈1 ps

() ()

Spectresdécalés

x

Battementstemporels

2 22 oI( ) E( ) E( ) E( )E( ) .cos( .t ( ). . )'


SPIRIT : technique passive tout optique

Porte optique non-linéaire créée à partir de l’impulsion étudiée

Méthode autoréférencée

15Schéma synoptique

Avantages :

TF-1

Enregistrement expérimental

o...cos( .t . '( ). ) Filtre carré

TF

’()Dérivée de la

phase spectrale

Calibration de

et

Algorithme de reconstruction de la phase spectrale

)

E()

'( ). d

Non-itératif !

16

Réseau dediffraction

Porte optique

Cristal Non-linéaire

Caméra CCD

Impulsion testée

Dispositifde décalage

Lentillecylindrique

17Schéma expérimental de SPIRIT 1D

816 818 820 822 824 826 828 830 832 834-6

-4

-2

0

2

4

6

8

10

Longueur d'onde (nm)

Phas

e Sp

ectr

ale

(rad

)Caractérisation d’impulsions récurrentes

100fs

()E()

2

-500 0 500

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

temps (fs)

Inte

nsité

tem

pore

lle (

u.a)

E( ) E( ) .exp(i. ( ))

TF-1

148 fs

E(t) 2

18

Oscillateur Ti: Sa0=826nm75MHzt0=100fs

Résultats concordant avec ceux donnés par un

autocorrélateur

Mesure de la phase ajoutée par un morceau de verre

814 816 818 820 822 824 826 828 830 832 834 836 8380

1

2

3

4

5

6

7

Ph

ase

spec

tral

e (r

ad)

axe des longueurs d'onde (nm)

phase spectrale théorique phase spectrale mesurée amplitude spectrale

19

Morceau de verre de type F4épaisseur 12 cm

-500 0 5000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

temps (fs)

Inte

nsit

é te

mpo

rell

e (u

.a)

122 fs

-10 -5 0 5 100

2

4

6

8

10

12

Longueurs d'onde (nm)

Pha

se s

pect

rale

(ra

d) E()2

()

E( ) E( ) .exp(i. ( ))

TF-1

E(t) 2

20

Chaîne amplifiée0=795nm10 Hzt0=100fs

* Expériences réalisées au LOA

Caractérisation d’une impulsion unique100fs *

19,5 20,0 20,5 21,0 21,5 22,0 22,50

50100150200250300350400450500550600650700 système SPIDER

système SPIRIT autocorrélateur

du

rée

des

imp

uls

ion

s (f

s)

distance relative des réseaux du compresseur (mm)

Comparaison SPIRIT-SPIDER-Comparaison SPIRIT-SPIDER-autocorrélateur* autocorrélateur*

21

*Expériences réalisées au LOA

-100 -50 0 50 1000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

axe temporel (fs)

Inte

nsit

é (u

.a)

Intensité temporelleSPIRIT

Intensité temporelleSPIDER

30fs

22

Chaîne amplifiée0=795nm10 Hzt0=30 fs

*Expériences réalisées au LOA

Caractérisation d’une impulsion unique30fs *

01





Généralités

PlanPlan

23

SPIRIT 1DSPIDER

Calibration nécessaire des paramètres et

Mesure non-intuitive Un traitement numérique des données pour obtenir la

phase spectrale

⇒

SPIRIT 2D : Principe Général SPIRIT 2D : Principe Général 24

t t

I( t),

p

Concaténation des images

1D

Exemples de battements spatio-temporels Exemples de battements spatio-temporels

L’image 2D fournit une représentation intuitive de la phase spectrale de l’impulsion

Plus de problèmes de retour de phase ⇒ Décalage spectral présent dans la figure 2D ⇒

Surmodulation inutile

25

Ordre supérieur

autocalibré

p

Profil intensimétrique

i

Algorithme de reconstructionAlgorithme de reconstruction

i

26

Algorithme de reconstructionAlgorithme de reconstruction

cos( .t0+’(i).)

i

’(i)'( )

TF-1

i

27

Réseau dediffraction

Porte optique


Caméra CCD

Impulsion testée


Lentillecylindrique

Ligne à délai variable

28Dispositif expérimental de SPIRIT 2D

multicoup

Mesure d’une phase spectrale paraboliqueMesure d’une phase spectrale parabolique

804 806 808 810 812 814 8160

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Longueurs d'onde (nm)

Pha

se s

pect

rale

(ra

d)phase spectrale

théorique(Sellmeier)

phase spectrale reconstruite

(SPIRIT 2D)

amplitude spectrale

Mesure de la phase spectrale du laser

Algorithme dereconstruction

Algorithme dereconstruction Soustraction de la

phase du laser

Oscillateur Ti:SaMorceau de verre de type F4épaisseur 12 cm

29

p

Mesure d’une phase spectrale complexeMesure d’une phase spectrale complexe 30

Phase des battements

'( ).

'( ).d

TF-1

31Mesure d’une phase spectrale complexeMesure d’une phase spectrale complexe

SPIRIT 2D monocoup : Principe SPIRIT 2D monocoup : Principe

Codage spatial du retard de la porte optique par inclinaison

du front d’énergie

Mise en forme spatiale du signal à analyser suivant une

direction transverse à x

32

Impulsion testée


Réseau deDiffraction 1


Réseau deDiffraction 2

Caméra CCD2D

=0

Dispositif expérimental de SPIRIT 2D Dispositif expérimental de SPIRIT 2D monocoupmonocoup

33

Optimisation de la chaîne amplifiéeOptimisation du compresseur d’une chaîne Optimisation du compresseur d’une chaîne amplifiée 10 kHz amplifiée 10 kHz

34

p

Bonne reconstruction si le décalage spectral est inférieur ou égal à 10% de la largeur spectrale

Méthode monocoup et autoréférencée

Traitement numérique direct des enregistrements

Le décalage spectral est fixé par le montage : et Calibration absolue

35

ConclusionConclusion

Non itératifNon itératif Signal sur bruitSignal sur bruit Représentation Représentation intuitiveintuitive

FROGFROG SPIDERSPIDER SPIRIT

SPIRIT 2D

Seulement 15 mW sont nécessaire pour obtenir une trace SPIRIT

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

PerspectivesPerspectives

36

01

Partie B : Imagerie biologique par endomicroscopie non-linéaire

Généralités

Propagation d’impulsions brèves

Développement d’un endomicroscope non-linéaire

PlanPlan

La microscopie confocaleLa microscopie confocale 37

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

Fluorescence par absorption à 1 photon

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

38La microscopie bi-photoniqueLa microscopie bi-photonique

Fluorescence par absorption à 2 photons

Endomicroscope commercialisé par MKT

Optimisé @ 488nm

L’endomicroscopie linéaireL’endomicroscopie linéaire

• Les rendre flexibles par l’utilisation d’un guide d’image• Faire de l’imagerie "In Vivo" et "In situ"

• Minimalement invasif

39

800µm

ObjectifObjectif

Développer un

endomicroscope non-linéaire

Question : Est il possible de travailler avec les mêmes éléments qu’un endomicroscope linéaire?

?

40

Optimisé @ 800 nm

41

Problème lié au guide d’imageoptimisé à 488 nm

Visible pour les Basses

fréquences

Problèmes liés à la propagation d’impulsions dans les fibres optiques

Phénomène de couplage

Absent pour les hautesfréquences

0 LFibre optique

Vgbleue < Vg

rouge

Effet de la dispersion (GVD) = séparation des paquets de fréquences

LD

0.D

Lt t

L

t

t0

20

2

..

2ln 2.D

c tL

D

Dispersion normale

Dispersion chromatique d’ordre 2

Problèmes d’acheminement d’impulsionsProblèmes d’acheminement d’impulsions brèves brèves

42

Dispersion chromatique d’ordre 2

100 fs

1,2 ps


43

Pré-compensation de la GVD

Ligne Treacy Dispersion anormale

Treacy<0

Fibre optique : Dispersion normale

Fibre>0

Treacy=-Fibre

Source femtoseconde

Impulsion brève

En Régime linéaire

En régime non-linéaire


44

Compensation de la dispersion chromatique d’ordre 2

45

Compression spectrale

En Régime non-linéaire


1 ps

Compensation de la dispersion chromatique d’ordre 2

Effet Kerr : n(t) = no+n2.I(t)

Déphasage auto-induit

46

I(t) représente l’intensité du champ

SPM 2 0(t) n .k .I(t).L


Automodulation de phase

Décalage des fréquencesrouges sur le front avant

de l’impulsion

Création de nouvelles fréquences

Décalage des fréquencesbleues sur le front arrière

de l’impulsion

47

Compression Spectrale

Effet Kerr

R Bt

Impulsion anormalement

dispersée

t

t >> to

Compression spectrale

front arrière front avant

Fréquencesbleues

Fréquencesrouges

Compressionspectrale


S. W. Clark et al, Optics Letters (2001)

Mise en forme temporelle et spectrale de Mise en forme temporelle et spectrale de l’impulsionl’impulsion

48

Guide d’imageFibre unimodale

Compensation des effets linéaires et non-linéaires

49

Fibre unimodale

Guide d’image

Guide d’image

Fibre unimodale

Mise en forme temporelle et spectrale de Mise en forme temporelle et spectrale de l’impulsionl’impulsion

100 fs

Compensation des effets linéaires et non-linéaires

Présentation du montage expérimentalPrésentation du montage expérimental

Système de compensation Linéaire et non-linéaire

50

0 20 40 60 80 100 120 1400

500

1000

1500

2000

2500

3000

Dur

ée d

es im

puls

ions

(fs

)

Puissance IR en sortie du guide en mW

x5

Compensation de l’effet linéairede dispersion seul

Compensation des effets linéaire et non-linéaire

51Mesure de la durée des impulsions en sortie Mesure de la durée des impulsions en sortie

de systèmede système

0 20 40 60 80 100 1200,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

Pui

ssan

ce m

oyen

ne d

'épi

fluo

resc

ence

(nW

)

Puissance moyenne IR en sortie de guide d' image (mW)

x5 Compensation de l’effet linéairede dispersion seul

Compensation des effets linéaire et non-linéaire

52Mesure de la puissance moyenne Mesure de la puissance moyenne

d’épifluorescence en sortie de systèmed’épifluorescence en sortie de système

Faisceau IR

53Imagerie non-linéaire de colon humainImagerie non-linéaire de colon humain

Tissu biologique coloré à la rhodamine B

Seulement 10mW de puissance moyenne IR

ConclusionConclusion

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

54

Compensation de la dispersion d’ordre supérieure par une ligne à masquage de phase

55


56

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

2pS( , ) 2 E( ) 1 cos( . )

Retard entre impulsions

répliques non-nul non-décalées spectralement

=0


répliques nul décalées spectralement

2p pS( , ) 2 E( ) 1 cos( . )


répliques non-nul décalées spectralement

2p pS( , ) 2 E( ) 1 cos( . )

1 impulsion 2 impulsions

Autres effets Autres effets 46

Biréfringence

Pour la fluorescence non-linéaire

questions

3.10-4

Mickaël LELEK

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