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WO2023088636A1 - Dispositif de microscopie cars multiplex - Google Patents

Dispositif de microscopie cars multiplex Download PDF

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WO2023088636A1
WO2023088636A1 PCT/EP2022/079337 EP2022079337W WO2023088636A1 WO 2023088636 A1 WO2023088636 A1 WO 2023088636A1 EP 2022079337 W EP2022079337 W EP 2022079337W WO 2023088636 A1 WO2023088636 A1 WO 2023088636A1
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WO
WIPO (PCT)
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wavelength
wavelengths
fiber
optical fiber
output beam
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/EP2022/079337
Other languages
English (en)
Inventor
Tigran Mansuryan
Mehdi MADI
Tanguy LUTTMANN
Aymen CHARGUI
Alessandro Tonello
Vincent Couderc
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Limoges
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite de Limoges
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Universite de Limoges filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority to US18/710,778 priority Critical patent/US20250130171A1/en
Priority to EP22805865.7A priority patent/EP4433806A1/fr
Publication of WO2023088636A1 publication Critical patent/WO2023088636A1/fr
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Ceased legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/35—Non-linear optics
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    • G01N2201/06—Illumination; Optics
    • G01N2201/068—Optics, miscellaneous
    • G01N2201/0686—Cold filter; IR filter

Definitions

  • the present invention relates to the field of CARS multiplex microscopy.
  • Coherent Anti-Stokes Raman Scattering (CARS) Raman scattering microscopy is an analysis technique which is used in particular in the field of imaging and spectroscopy to identify and locate chemical species specific within a sample.
  • a great advantage of this technique is that the samples do not need to be labeled with sometimes toxic dyes and that it is then possible to carry out in vivo studies.
  • CARS microscopy makes it possible to obtain a more intense signal of interest by several orders of magnitude, to better suppress annoying side effects and to more easily separate the detected light from the illumination light.
  • CARS is a nonlinear optical process (four-wave mixing process) that does not require a pinhole and has a spatial resolution that is at best on the order of one-third the wavelength of use.
  • a pulsation pump wave û) P incident on a molecule is diffused inelastically into a so-called pulsation Stokes wave OJ S and a so-called Anti-Stokes pulsation wave OJ AS .
  • the frequency shift of Stokes and Anti-Stokes waves corresponds to a specific vibrational frequency of a molecule and this from the fundamental level.
  • CARS microscopy consists of forcing the excitation of a specific chemical bond by frequency difference.
  • FIG. 1A is a schematic diagram of the energy levels involved in a CARS process.
  • the ground level is denoted GS
  • the excited higher electronic energy state is denoted EE
  • the excited vibrational level of the resonant Raman mode with a resonant frequency C R is denoted Vib.
  • FIG. 1B illustrates an example of a wide spectral band CARS microscopy device known from the prior art.
  • wide spectral band CARS (or multiplex CARS), it is meant that the device makes it possible to probe the sample with a probe beam which is a supercontinuum, which has a very large number (>20) of distinct wavelengths each other.
  • the device comprises a pulsed laser source LS emitting at the frequency OJ P .
  • a portion of the radiation from the LS source is used to generate a supercontinuum from o) p , for example in a multimode PCF optical fiber, so as to generate a Stokes beam FSo comprising a multitude of frequencies in order to probe different chemical bonds each characterized by a vibrational frequency with a proper 1 R frequency.
  • supercontinuum generation here means a process consisting of spectrally broadening an initial beam to obtain a power distributed in a substantially homogeneous manner over a range of wavelengths of about 1000 nm or more.
  • the supercontinuum is generated by one or more non-linear effects, of order two or of order three, among the following non-exhaustive list: phase self-modulation, cross-phase modulation, stimulated Raman effect, parametric mixing at four or three waves, modulation instability, soliton propagation, soliton self-shifting ....
  • a delay line DL takes a portion FPo of the radiation from the source LS in order to form the pump beam at a) p .
  • These two beams FPo and FSo are spatially recombined and synchronized using a splitter plate LS and two mirrors MR1, MR2, both being movable and orientable. They are then focused by an MO microscope objective on a region of the Ech sample.
  • the anti-Stokes beam generated STK by resonant stimulated Raman effect is collimated by another objective CL then detected by a Det photodetector (a CCD camera or a photomultiplier tube) typically combined with a spectrometer in order to spatially separate the wavelengths of the beam anti Stokes.
  • a Det photodetector a CCD camera or a photomultiplier tube
  • the device of the prior art comprises several optional mirrors MR2, M1, M2 for reasons of compactness.
  • This device makes it possible to analyze the Raman signature of a sample over a very wide spectral range.
  • the use of a delay line makes it possible to prevent part of the pump wave from being depleted due to the use of an optical path different from that which generated the supercontinuum. Thus part of the pump wave is preserved from the distortions induced during the generation of the supercontinuum.
  • the invention aims to overcome this drawback with a multiplex CARS microscopy device with a fiber used, for the generation of the supercontinuum, in abnormal dispersion regime so as not to completely deplete the initial pump pulse generating the super continuum.
  • an object of the invention is a multiplex CARS microscopy device for analyzing a sample comprising:
  • a laser source adapted to emit a primary beam having a first wavelength lt in the form of pulses (IL1) with a so-called primary power;
  • an optical fiber having less than ten modes, said pulses propagating in the optical fiber (F) in the abnormal dispersion regime to generate, from the primary beam, an output beam (FSC) having a plurality of second lengths of wave forming a supercontinuum, and said first wavelength the second wavelengths being generated by nonlinear conversion of the first wavelength
  • an optical system adapted to focus the output beam on said sample, so as to generate an anti-Stokes beam by stimulated Raman effect induced by at least one of the second wavelengths and the first wavelength present in the beam Release ; - a photodetector suitable for detecting the anti-Stokes beam.
  • the optical fiber is adapted so that a power of the output beam at the first wavelength either greater than or equal to 10%, preferably 20%, of the primary power.
  • the optical fiber is a single-mode fiber with a microstructured sheath.
  • the optical fiber has a zero dispersion wavelength ZDW i associated with each i-th mode, said first length being greater than all zero dispersion wavelengths ZDW i by at least 10 nm.
  • the device comprises an amplifier arranged on the optical path of the output beam upstream of the sample and adapted to selectively amplify the power of the output beam at the first length
  • the amplifier comprises an amplifying fiber with a core doped with rare earth elements, said amplifying fiber being attached, or welded or coupled to a downstream end of the optical fiber.
  • the amplifying fiber is pumped by second wavelengths of the output beam which are lower than the first wavelength
  • the amplifier fiber is pumped by a portion (PB) of the primary beam.
  • the nonlinear conversion comprises self-shifting by the Raman effect of solitons generated by the propagation of each pulse within the optical fiber.
  • the device comprises a so-called upstream spectral filter arranged on the optical path of the output beam upstream of the sample and adapted to spectrally filter wavelengths less than the first wavelength of wave.
  • the device comprises a processor suitable for analyzing frequency information of the anti-Stokes beam detected by the photodetector, the upstream spectral filter (SF) being controllable and suitable for additionally filtering a spectral range of the output beam as a function of said frequency information.
  • SF upstream spectral filter
  • the device comprises a so-called downstream spectral filter arranged on the optical path of the anti-Stokes beam and adapted to filter the output beam co-propagating with the anti-Stokes beam.
  • the upstream filter is suitable for spectrally filtering an interval of wavelengths greater than the first wavelength.
  • the optical fiber is adapted to have an additional zero dispersion wavelength for a fundamental mode of the optical fiber, said additional zero dispersion wavelength being further separated of 3500 cm-1 with respect to the first wavelength 1 .
  • Another object of the invention is a multiplex CARS microscopy method for analyzing a sample (Ech) with a device comprising an optical fiber (F) having less than ten modes, for analyzing a sample (Ech), said method including the following steps:
  • FP primary beam
  • IL1 pulses
  • an output beam having a plurality of second wavelengths forming a supercontinuum (SC), and said first wavelength ⁇ 17 the second wavelengths being generated by non-linear first wavelength conversion in the optical fiber (F), said pulses propagating in the optical fiber (F) in an abnormal dispersion regime;
  • FIG.1 A a schematic view of the CARS energy process
  • FIG.1 B a schematic view of a prior art multiplex CARS microscopy device
  • FIG.2 a multiplex CARS microscopy device according to the invention
  • FIG.3 a multiplex CARS microscopy device according to one embodiment of the invention
  • FIG.4 a multiplex CARS microscopy device according to one embodiment of the invention
  • FIG.5A a multiplex CARS microscopy device according to one embodiment of the invention
  • FIG.5B a multiplex CARS microscopy device according to one embodiment of the invention
  • Fig.5C the power spectral density of an IL2 pulse of the FSC output beam at the output of the fiber F (curve C1) and after filtering by the SF filter (curve C2),
  • Fig.6A the temporal profile of several spectral components of an IL2 laser pulse at the output of fiber F, in one embodiment of the invention
  • Fig.6B the temporal profile of a laser pulse at 1064 nm of approximately 1.5 ns and peak power of 10 kW during its propagation in a single-mode fiber of the HI980 type with a silica core in a regime of normal scatter,
  • Figure 2 schematically illustrates a multiplex CARS microscopy device 1 according to the invention, for analyzing an Ech sample.
  • power of the pulses is meant here peak power.
  • IL1 laser pulses are nanosecond (ns), picosecond (ps) or femtosecond (fs) pulses.
  • a nanosecond pulse is a pulse of duration between 1 and 100 ns
  • a picosecond pulse is a pulse of duration between 1 and 100 ps
  • a femtosecond pulse is a pulse of duration between 1 and 100 fs.
  • the rate of the laser pulses is for example between 0.1 and 100 MHz.
  • the power of the laser pulses is for example between 5 kW and 10 MW.
  • the first wavelength should be considered as the central wavelength of the IL1 laser pulse.
  • Aroj the spectral width of the IL1 pulses.
  • the laser source LS is an optical fiber laser oscillator doped in a given material.
  • the doped optical fiber of the laser source LS is for example an optical fiber consisting of a given luminescent material (glass or vitreous matrix), doped with a material.
  • the doping material is an optically active material, i.e., under excitation (for example by pump lasers internal to the LS source), this material emits coherent light at a given wavelength.
  • the doping material is an ion, for example a rare earth ion.
  • the rare earth is for example neodymium (chemical symbol Nd), ytterbium (chemical symbol Yb), praseodymium (chemical symbol Pr), erbium (chemical symbol Er), thulium (chemical symbol Tm), holmium (chemical symbol Ho), or any other fluorescent element soluble in the vitreous matrix constituting the fiber, such as for example bismuth (chemical symbol Bi).
  • the first wavelength depends on the doping material of the doped optical fiber of the laser source.
  • the laser source LS is a phase-locked fiber laser oscillator. Such locking of the longitudinal modes of the injection laser oscillator makes it possible to obtain picosecond or femtosecond pulses. Other types of lasers, for example a laser of the “gain switch” type, also make it possible to obtain picosecond pulses.
  • the device 1 of the invention comprises an optical fiber F into which the IL1 pulses delivered by the source LS are injected, for example using an optical fiber coupler CF.
  • zero dispersion wavelength ZDW i of the fiber F is meant the wavelength for which the dispersion of the group delay is zero for this spatial mode i.
  • the dispersion is said to be "abnormal” for any wavelength greater than all the ⁇ ZD K £ , propagating in the fiber F and the dispersion is said to be "normal” for any length of wave lower than all ⁇ zDw.i propagating in the fiber.
  • a parameter for controlling the ZDW i wavelengths is in particular the modal area of the fiber F.
  • the core diameter will typically be 3-4 m for wavelength A ZDW at around 1000 nm for the fundamental mode.
  • the IL1 pulses propagating in the optical fiber F in the abnormal dispersion regime, because the laser source LS and the fiber F are chosen so that the first wavelength IL1 pulses is greater than the ⁇ ZDiy£ wavelengths.
  • the optical fiber F is adapted to generate, from the primary beam FP, an output beam FSC having both the first wavelength and a plurality of second wavelengths forming a SC supercontinuum, the second wavelengths being generated by nonlinear conversion of the first wavelength
  • the output beam FSC presents IL2 pulses formed from IL1 pulses.
  • the supercontinuum generation process on either side of X comprises the following phenomena: phase self-modulation, phase modulation crossover, parametric four-wave mixing, stimulated Raman effect.
  • the inventors have observed that, in an abnormal dispersion regime, the supercontinuum generation process depletes the pump wavelength much less than in a normal dispersion regime (see in particular the description of FIGS. 6A and 6B below).
  • the stimulated Raman effect mechanism contributes very significantly to the depletion of the first wavelength X and to the generation of the supercontinuum at wavelengths better than
  • a modulational instability occurs during the propagation of the IL1 pulses which will temporally structure these pulses so as to create a plurality of solitons. These solitons will then self-shift by soliton self-shift by Raman effect (soliton self-frequency shift in English). This frequency shift is different for each soliton.
  • the second wavelengths thus generated are strictly greater than the first wavelength ⁇ -i from which they are generated by stimulated Raman scattering, which is at the origin of the self-frequency shift of the solitons in the fiber.
  • Stimulated Raman has a dissipative effect in terms of light energy.
  • the second wavelengths cannot be less than the initial wavelength A-
  • This self-shifting phenomenon is predominant over the other phenomena in an abnormal dispersion regime for the generation of second wavelengths greater than 1 .
  • solitonic self-shifting by the Raman effect causes a continuous drift of the central frequency of the solitonic pulse by an exchange of energy with the phonons in the medium formed by the core of the optical fiber.
  • a second photon at a lower energy E b ⁇ E a is emitted by the Raman medium at a longer wavelength ⁇ b > X a .
  • the energy difference, or quantum defect is transmitted to the material medium in the form of a particle corresponding to an acoustic vibration of the material medium, or phonon.
  • the fibre via its dispersion and via its length, is adapted as a function of the power of the pulses IL1 so that a power of the output beam at the first wavelength is not negligible compared to the primary power of the pulses. More specifically, the fiber is short enough for the power of the output beam at the first wavelength Ai to be greater than or equal to 10%, preferably 20% of the primary power at the center of the pulse.
  • the offset of the solitions (therefore the second wavelengths ⁇ 2 ) is a function of the length of the fiber F, of the dispersion, and of the peak power of the input pulses of the fiber F. Plus the fiber F is long, the more it is possible to obtain a significant frequency shift (and therefore a wide supercontinuum). AT fixed fiber length, the higher the peak power of the pulses, the more it is possible to obtain a significant frequency shift (and therefore a wide supercontinuum). In the invention, for pulses of 1 ps and peak power of 135 kW, and for a fiber with a silica core with a microstructured sheath, the length of the fiber is approximately 1 m.
  • the optical fiber F has less than 10 modes because beyond that, intermodal interference destroys the spatial profile of the beam, which is no longer usable. We then observe the creation of a speckle at the fiber outlet.
  • the device 1 of the invention does not require no delay line to synchronize a portion of the primary beam with the output beam on the sample. Thanks to the natural time synchronization between the second wavelengths and the first wavelength at the output of fiber F (see FIG. 6A) it is possible to use only the output beam to generate a stimulated Raman effect in the sample Ech.
  • the device 1 comprises an optical system MO adapted to focus the output beam on the sample.
  • the optical system MO is preferably a microscope objective with a focal length f M0 , preferably with a high numerical aperture (NA ⁇ 1.5).
  • the output beam focused on the sample generates an anti-Stokes STK beam by stimulated Raman effect induced by at least one of the second wavelengths greater than and the first wavelength ⁇ 17 both present in the FSC output beam.
  • the i [1, V] second wavelengths ⁇ 2j - of the FSC beam therefore constitute the probe wavelengths.
  • the photons of the FSC beam at the first wavelength are numerous enough to induce the stimulated Raman effect in the Ech sample.
  • the output beam FSC constitutes both the pump beam (via the first wavelength Ai) and the probe beam (via the second wavelengths greater than A- of the devices of the prior art.
  • the device comprises a Det photodetector known to those skilled in the art and suitable for detecting the anti-Stokes beam, typically combined with a spectrometer in order to spatially separate the wavelengths of the anti-Stokes beam before their detection.
  • the photodetector is typically a photomultiplier tube, a CCD camera or even an avalanche photodiode.
  • the device of the invention does not use a delay line to transport the pump beam to the sample in a synchronized manner with the probe beam. in order to induce the multiplex stimulated Raman effect in the sample. This increases the compactness of the device and greatly simplifies its use.
  • the anti-Stokes beam is collected "forward" (F-CARS signal) by the photodetector.
  • the device 1 comprises a collection objective CL (numerical aperture ⁇ 0.5) to collimate the anti-Stokes beam before its detection, thus allowing a large working distance (see FIGS. 3-5B).
  • the anti-Stokes beam is collected towards the rear (E-CARS signal) by the MO lens.
  • the device 1 then comprises a dichroic mirror to spatially separate the anti-Stokes beam and the FSC output beam incident on the sample before it can be detected with the photodetector Det.
  • the device 1 comprises a sample holder SH adapted to move the sample in three-dimensional space, in order to map the sample in 3D and thus to reconstruct three-dimensional images.
  • the first wavelength A is greater than all the zero dispersion wavelengths A ZDW i by at least 10 nm in order to obtain a progressive shift of the larger solitonic pulses.
  • the optical fiber is a monomode fiber with a microstructured sheath, with a single zero dispersion wavelength ZDW and optionally having a core doped with rare earth elements. The use of a single-mode fiber makes it possible to increase the power density in the core of the fiber and to obtain a greater spectral broadening for a given pump power.
  • Figure 3 illustrates a schematic perspective view of an embodiment of the device 1.
  • the device of the embodiment of Figure 3 comprises a so-called upstream spectral filter SF arranged on the optical path of the output beam FSC upstream of the sample Ech and adapted to spectrally filtering wavelengths less than the first wavelength.
  • the SF filter is adapted so that the filtered FSC beam only comprises the first length and second wavelengths greater than useful for the generation of the anti-Stokes beam.
  • This upstream filter SF makes it easier to identify the wavelengths of the anti-Stokes beam which are induced by the stimulated Raman effect, these wavelengths A AS necessarily being lower than by the very nature of this phenomenon.
  • the device of the embodiment of FIG. 3 comprises an optional so-called downstream spectral filter SF′, arranged on the optical path of the anti-Stokes beam STK and adapted to filter the co-propagating output beam with the anti-Stokes beam having passed through the sample.
  • the filters SF and SF' are elements known to those skilled in the art and are for example color filters, or are each formed by a diffraction grating coupled to a deformable mirror or coupled with a controllable spatial light modulator to select which wavelengths to transmit or not.
  • the anti-Stokes beam filtered by the filter SF ' is coupled - through a coupling assembly SCA comprising a lens of focusing and a fiber coupler - in a detection optical fiber carrying the beam to the photodetector Det.
  • the device of Figure 3 further comprises two optional mirrors M1, M2 for reasons of compactness and a collection objective CL (for example: NA-0.5), to collimate the anti-Stokes beam thus allowing a large distance work for detection.
  • CL for example: NA-0.5
  • FIG. 4 illustrates an embodiment of the device of FIG. 3.
  • the upstream spectral filter is adaptive as a function of the detected anti-Stokes signal.
  • the device 1 comprises a processor suitable for analyzing frequency information from the anti-Stokes beam detected by the photodetector typically via a spectrometer.
  • the upstream spectral filter SF is controllable and suitable for filtering, in addition to certain wavelengths less than ⁇ 17 , a spectral range of the output beam as a function of the frequency information analyzed by the processor. Control of the SF filter is done through a feedback loop BR.
  • the SF filter of the device of FIG. 4 only transmits a relevant spectral range for the analysis of a predetermined Ech sample in addition to the first wavelength. This allows faster analysis of the sample.
  • the SF filter of the device of FIG. 4 allows an improvement in the spectral resolution of the device.
  • the spectral resolution of the device should be fixed by the spectral width of the IL1 pulse, Ao»!.
  • the resolution of the device is likely to be greater than Ar -L.
  • the SF filter filters an interval of wavelengths directly above the wavelength to reduce the spectral width of the pump beam, the latter fixing the spectral resolution of the device. It is noted that the use of an SF filter without feedback control and filtering the wavelengths directly higher than the wavelength to reduce the spectral width of the beam pump -in addition to wavelengths less than is compatible with the embodiment of Figure 3.
  • FIG. 5A schematically illustrates an embodiment of the device of FIG. 4.
  • the device of FIG. 5A comprises an amplifier Amp arranged on the optical path of the beam of output upstream of the sample and adapted to selectively amplify the power of the output beam at the first wavelength Ai.
  • This embodiment makes it possible to partially or totally compensate for the decrease in power at the wavelength due to the generation of the supercontinuum and thus obtain a more intense anti-Stokes signal.
  • the intensity I AS of the anti-Stokes beam is proportional to FSC beam to respectively and at the second wavelength, with N the number of resonant molecules in the sample at the focus of the FSC beam and the third-order Raman susceptibility of the sample molecule. beam intensity is essential for a good signal-to-noise ratio.
  • the Amp amplifier comprises an amplifying fiber with a core doped with rare earth ions.
  • this amplifying fiber is pumped to produce an inversion of the population of rare earth ions and thus, according to the principle of stimulated emission, allow the amplification of the output beam at the first wavelength .
  • This amplifying fiber is attached, or welded or coupled to a downstream end of the optical fiber F.
  • the power at the first wavelength X is too low to induce a supercontinuum in the amplifying fiber, the pump power is therefore only used to "regenerate" or amplify the output beam specifically at the first wavelength.
  • the doped amplifying fiber is pumped by second wavelengths of the output beam which are lower than the first wavelength X .
  • This first variant is advantageous because it allows efficient use of second wavelengths smaller than the first wavelength which are undesirable for the detection of the anti-Stokes beam and which would otherwise be filtered by the SF filter.
  • the implementation of such a device is very simple and consists in welding a piece of amplifier fiber (for example 50 cm) to the output of the non-linear fiber. Thus, part of the power of the IL1 pulses used to generate the second lower wavelengths is "recycled" and allows an amplification of the FSC beam to 1 .
  • the second wavelengths at around 980 nm allow the amplifier fiber to be pumped.
  • the second lengths between 730-760 nm and/or between 790-820 nm allow the amplifier fiber to be pumped.
  • the aforementioned second wavelengths are lower than Ai and are recycled.
  • the LS laser source comprises at least one optical fiber with a core doped with rare-earth ions
  • the amplifying fiber is pumped by a portion PB of the pump beam used to generate, by laser effect, the primary wavelength .
  • This second variant is less advantageous than the first variant because it reduces the compactness of the device but makes it possible to increase the gain of the amplifier
  • the amplifier is not a doped amplifying optical fiber but a multipassage regenerative type amplifier in a solid medium such as neodymium doped yag, or alexandrite, or even titanium doped sapphire.
  • the amplifier is pumped by second wavelengths of the output beam which are lower than the first wavelength A 1; or by a portion PB of the primary beam of the source LS or of the pump lasers (not represented in FIG. 5A).
  • feedback loop BR and the filter SF' are optional in the embodiment MP.
  • FIG. 5C is a representation of the power spectral density of a pulse IL2 of the output beam FSC respectively at the output of the fiber F (curve C1) and after filtering by the filter SF (curve C2). These curves are obtained without amplification.
  • the supercontinuum observed with curve C1 is obtained in an undoped microstructured F fiber with a rectangular index profile, single transverse mode with a wavelength X ZDW at 1000 nm and a core diameter of 4 ⁇ m.
  • Curve C2 is obtained after filtering the second wavelengths below 1000 nm. It is recalled that, in the curves C1, the wavelengths below X are obtained mainly by four-wave parametric mixing and the wavelengths above X are obtained by self-shifting by the Raman effect of the solitons. This self-shifting makes it possible to feed the spectrum towards the high wavelengths while leaving part of the energy in place, thus creating a supercontinuum.
  • the curve C1 illustrates that, the generation of the supercontinuum in the fiber F makes it possible to obtain an FSC beam with a power at X which is not depleted and which is powerful enough to serve as a pump wave to obtain the stimulated Raman effect in the sample.
  • the curve C2 illustrates the effect of low-pass filtering which makes it possible to generate a filtered FSC beam which comprises almost no power at wavelengths below 1000 nm, precisely where the CARS signature of the sample - via the anti-Stokes beam will be present.
  • the second lengths waveforms greater than are needed to probe the chemical bonds of the sample Ech.
  • FIG. 6A illustrates the temporal profile of several spectral components of a laser pulse IL2 at the output of fiber F.
  • these profiles are obtained for the device of FIG. 3, with a length d 'wave which is 1064 nm and the IL1 pulses have a duration of 750 ps and a peak power of 10 kW. These curves are obtained without amplification.
  • the F-fiber is an undoped microstructured single-mode fiber with a rectangular index profile, with a wavelength ZDW and a core diameter of 4 ⁇ m and a length of 2 m. Curves 61 -64 are shifted vertically for better readability and are normalized to the same scale.
  • Curve 61 corresponds to the temporal profile of pulse IL2 at wavelength 1 .
  • curve 61 clearly illustrates that the wavelength is not depleted in the IL2 pulse.
  • Figure 6A illustrates the natural temporal synchronization of the different wavelengths ⁇ 2 with the wavelength in the FSC beam at the output of fiber F. This time synchronization is critical for obtaining the stimulated Raman effect in the Ech sample and for generating the anti-Stokes beam STK.
  • FIG. 6B illustrates the time profile of a laser pulse at 1064 nm of approximately 1.5 ns and peak power of 10 kW during its propagation in a single-mode fiber of the HI980 type with a silica core in a normal dispersion regime.
  • the wavelength A ZDW is around 1300 nm.
  • Curve 61' corresponds to the profile of the initial pulse
  • curve 62' corresponds to the profile of the pulse at 1064 nm after propagation in 1 m of fiber
  • curve 63' corresponds to the profile of the pulse at 1064 nm after propagation in 1.5 m of fiber.
  • the central part of the pulse is almost completely depleted.
  • This spectrum is obtained with the following parameters: a primary power of 10 kW, an IL1 pulse of 750 ps duration, and a laser repetition frequency of 20 kHz.
  • Figure 7 therefore experimentally demonstrates the feasibility of multiplex CARS with the device of the invention, without using a delay line to synchronize a portion of the primary beam with the output beam on the sample Ech.
  • the optical fiber is adapted to have an additional zero dispersion wavelength for a fundamental mode of the optical fiber, the additional zero dispersion wavelength being separated more than 3500 cm-1 with respect to the first wavelength 1 .
  • This characteristic makes it possible to limit the spectral width of the supercontinuum generated by the fiber at second wavelengths greater than the first wavelength that are relevant for the study of the sample, without having to do so by limiting the length of the fiber. Indeed, for the fundamental mode, the self-shifting by Raman effect is stopped when the soliton is shifted to a wavelength ⁇ 2 equal to the additional zero dispersion wavelength.
  • the additional zero dispersion wavelength is separated by more than 3500 cm' 1 with respect to the first wavelength makes it possible to obtain a supercontinuum which extends over more than 3500 cm' 1 from the first wavelength, for second wavelengths greater than the first wavelength 1 .
  • wavelengths ⁇ 2 greater than the width of the supercontinuum will be slightly greater than the separation between the additional zero dispersion wavelength and due to nonlinear effects other than Raman self-shifting.

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Abstract

Dispositif de microscopie CARS multiplex pour analyser un échantillon (Ech) comprenant: - une source laser (LS) adaptée pour émettre un faisceau primaire (FP) présentant une première longueur d'onde λ1, sous la forme d'impulsions (IL1) avec une puissance dite primaire; - une fibre optique (F) présentant moins de dix modes, lesdites impulsions se propageant dans la fibre optique (F) en régime de dispersion anormal pour générer, à partir du faisceau primaire, un faisceau de sortie (FSC) présentant une pluralité de deuxièmes longueurs d'onde formant un supercontinuum (SC), et ladite première longueur d'onde λ1, les deuxièmes longueurs d'onde étant générées par conversion non linéaire de la première longueur d'onde λ; - un système optique (MO) adapté pour focaliser le faisceau de sortie sur ledit échantillon, de manière à générer un faisceau anti-Stokes (STK) par effet Raman stimulé induit par au moins une des deuxièmes longueurs d'onde et la première longueur d'onde λ1 présentes dans le faisceau de sortie; - un photodétecteur (Det) adapté pour détecter le faisceau anti-Stokes.

Description

DESCRIPTION
Titre de l'invention : Dispositif de microscopie CARS multiplex
Domaine technique :
[0001 ] La présente invention se rapporte au domaine de la microscopie CARS multiplex.
Technique antérieure :
[0002] La microscopie à diffusion Raman anti-Stokes cohérente (CARS pour Coherent Anti-Stokes Raman Scattering) est une technique d’analyse qui est notamment utilisée dans le domaine de l’imagerie et de la spectroscopie pour identifier et localiser des espèces chimiques spécifiques au sein d’un échantillon. Un grand avantage de cette technique est que les échantillons n'ont pas besoin d'être marqués avec des colorants parfois toxiques et qu’il est alors possible de faire des études in vivo. Par rapport à la microscopie Raman conventionnelle et à la microscopie Raman confocale, qui sont très largement connues et développées, la microscopie CARS permet d'obtenir un signal d’intérêt plus intense de plusieurs ordres de grandeur, de mieux supprimer les effets secondaires gênants et de séparer plus facilement la lumière détectée de la lumière d'éclairage. La spectroscopie Raman confocale conventionnelle nécessite un trou de détection (pinhole) pour obtenir une bonne résolution spatiale, ainsi qu'un spectromètre à haute résolution. Le CARS, en revanche, est un processus optique non linéaire (processus de mélange à quatre ondes) qui ne nécessite pas de pinhole et qui a une résolution spatiale qui est au mieux de l’ordre du tiers de la longueur d’onde d’utilisation.
[0003] Dans un processus de diffusion Raman stimulé, une onde pompe de pulsation û)P incidente, sur une molécule, est diffusée inélastiquement en une onde dite Stokes de pulsation OJS et une onde dite Anti-Stokes de pulsation OJAS. L’écart en fréquence entre les ondes générées et l’onde pompe dépend de la pulsation vibrationnelle moléculaire de l’échantillon (de fréquence DR) de telle sorte que CÜP - CÜS = CÜAS - wp = DR. Le décalage en fréquence des ondes Stokes et Anti- Stokes correspond à une fréquence de vibration spécifique d’une molécule et cela à partir du niveau fondamental. La microscopie CARS, consiste à forcer l’excitation d’une liaison chimique spécifique par différence de fréquence. La figure 1A est un diagramme schématique des niveaux d'énergies mis en jeux dans un processus CARS. Le niveau fondamental est noté GS, l’état supérieur d’énergie électronique excité est noté EE et le niveau vibrationnel excité du mode Raman résonant avec une fréquence de résonance CR est noté Vib. A la différence du processus spontané de diffusion inélastique Raman, ce processus d’optique non linéaire de diffusion Raman stimulé n’est possible qu’en utilisant deux ondes distinctes notées ondes pompe à a>p et Stokes à OJS et qui vérifient cop-cos = CR ■ Ces ondes doivent se recouvrir spatialement et temporellement. Il se produit alors un mélange à quatre ondes qui conduit à l’émission stimulé d’une onde Anti-Stokes de pulsation CÜAS = 2CÜP-CÜS. Ce phénomène est beaucoup plus efficace (ce gain se situe autour de 106) que le processus de diffusion Raman spontanée Stokes car la vibration moléculaire Vib est spécifiquement forcée à vibrer par différence de fréquence UJP-UJS. Il est d’autre part sélectif car, il est possible de cibler la liaison chimique d’intérêt en ajustant la différence de fréquence UJP-UJS. Comme l’absorption à deux photons, le CARS est un processus multiphotonique (il utilise deux photons de la pompe à wp et un photon Stokes à CÜS) qui est d’autant plus probable que les champs optiques sont forts. Le CARS requiert donc, en général, l’utilisation de lasers impulsionnels et, se produit de manière plus favorable, au foyer d’un l’objectif de microscope qui sert à focaliser les champs pompe et Stokes dans l’échantillon.
[0004] La figure 1 B illustre un exemple de dispositif de microscopie CARS à large bande spectrale connu de l’art antérieur. Par « CARS large bande spectrale >> (ou CARS multiplex), on entend que le dispositif permet de sonder l’échantillon avec un faisceau sonde qui est un supercontinuum, qui possède un nombre très important (>20) de longueurs d’onde distinctes les unes des autres. Le dispositif comprend une source laser LS impulsionnelle émettant à la fréquence OJP. Une portion du rayonnement de la source LS est utilisée pour générer un supercontinuum à partir de o)p, par exemple dans une fibre optique PCF multimode, de manière à générer un faisceau Stokes FSo comprenant une multitude de fréquences
Figure imgf000004_0001
afin de sonder différentes liaisons chimiques chacune caractérisée par une fréquence vibrationnelle avec une fréquence 1R propre. Par « génération de supercontinuum >>, on entend ici un procédé consistant à élargir spectralement un faisceau initial pour obtenir une puissance répartie de manière sensiblement homogène sur une gamme de longueurs d’onde d’environ 1000 nm ou plus. Par exemple, le supercontinuum est généré par un ou plusieurs effets non linéaires, d’ordre deux ou d’ordre trois, parmi la liste non exhaustive suivante : automodulation de phase, modulation de phase croisée, effet Raman stimulé, mélange paramétrique à quatre ou trois ondes, instabilité de modulation, propagation solitonique, auto-décalage soliton .... Une ligne à retard DL prélève une portion FPo du rayonnement de la source LS afin de former le faisceau de pompe à a)p. Ces deux faisceaux FPo et FSo sont spatialement recombinés et synchronisés à l’aide d’une lame séparatrice LS et de deux miroirs MR1 , MR2, les deux étant déplaçables et orientables. Ils sont alors focalisés par un objectif de microscope MO sur une région de l’échantillon Ech. Le faisceau anti-Stokes généré STK par effet Raman stimulé résonant est collimaté par un autre objectif CL puis détecté par un photodétecteur Det (une caméra CCD ou un tube photomultiplicateur) typiquement combiné avec un spectromètre afin de séparer spatialement les longueurs d’onde du faisceau anti-Stokes. Dans l’illustration de la figure 1 B, le dispositif de l’art antérieur comprend plusieurs miroirs optionnels MR2, M1 , M2 pour des raisons de compacité.
[0005] Ce dispositif permet d’analyser la signature Raman d’un échantillon sur une très large gamme spectrale. En modifiant la position de l’échantillon Ech par rapport au point focal des faisceaux FSo et FPo, par exemple via un porte échantillon piézo-électrique SH, il est possible de cartographier l’échantillon en 3D et ainsi de reconstruire des images tridimensionnelles.
[0006] Ce dispositif de la figure 1 B est satisfaisant. Cependant, il nécessite d’utiliser la ligne à retard DL afin de synchroniser temporellement le faisceau de pompe FPo avec le faisceau Stokes FSo. En effet, dans la microscopie CARS, les fibres qui engendrent le supercontinuum sont utilisées en régime de dispersion normal pour induire une génération des longueurs d’onde supérieures à la longueur . 2TTC d’onde de pompe À.p = —, avec c la célérité de la lumière dans le vide. De manière connue, cette conversion non linéaire complexe utilisant l’effet Raman stimulé, déplète fortement la longueur d’onde de pompe p. La puissance restante à p n’est alors plus suffisante pour générer l’effet Raman stimulé dans l’échantillon. Cependant, l’utilisation d’une ligne à retard permet d’eviter, à une partie de l’onde de pompe, d’être déplétée du fait de l’utilisation d’un chemin optique different de celui qui généré le supercontinuum. Ainsi une partie de l’onde pompe est préservée des distorsions induites lors de la génération du supercontinuum.
[0007] L’utilisation de cette ligne à retard est contraignante car cela diminue la compacité du dispositif et complexifie son utilisation. En effet, la présence d’une ligne à retard nécessite un alignement et une synchronisation précis entre le faisceau de pompe FPo et le faisceau Stokes FSo au niveau de l’échantillon.
[0008] L’invention vise à s’affranchir de cet inconvénient avec un dispositif de microscopie CARS multiplex avec une fibre utilisée, pour la génération du supercontinuum, en régime de dispersion anormal afin de ne pas complètement dépléter l’impulsion pompe initiale générant le supercontinuum.
Résumé de l’invention :
[0009] A cet effet, un objet de l’invention est un dispositif de microscopie CARS multiplex pour analyser un échantillon comprenant :
- une source laser adaptée pour émettre un faisceau primaire présentant une première longueur d’onde lt sous la forme d’impulsions (IL1 ) avec une puissance dite primaire ;
- une fibre optique présentant moins de dix modes, lesdites impulsions se propageant dans la fibre optique (F) en régime de dispersion anormal pour générer, à partir du faisceau primaire, un faisceau de sortie (FSC) présentant une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde formant un supercontinuum, et ladite première longueur d’onde
Figure imgf000006_0001
les deuxièmes longueurs d’onde étant générées par conversion non linéaire de la première longueur
Figure imgf000006_0002
- un système optique adapté pour focaliser le faisceau de sortie sur ledit échantillon, de manière à générer un faisceau anti-Stokes par effet Raman stimulé induit par au moins une des deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde présentes dans le faisceau de sortie ; - un photodétecteur adapté pour détecter le faisceau anti-Stokes.
[0010] Selon un mode préféré de l’invention, la fibre optique est adaptée pour qu’une puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde
Figure imgf000007_0001
soit supérieure ou égale à 10%, préférentiellement 20%, de la puissance primaire.
[0011 ] Selon un mode préféré de l’invention, la fibre optique est une fibre monomode à gaine microstructurée.
[0012] Selon un mode préféré de l’invention, la fibre optique présente une longueur d’onde de dispersion nulle ZDW i associée à chaque i-ème mode, ladite première longueur
Figure imgf000007_0002
étant supérieure à toutes les longueurs d’onde de dispersion nulle ZDW i d’au moins 10 nm.
[0013] Selon un mode préféré de l’invention, le dispositif comprend un amplificateur agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie en amont de l’échantillon et adapté pour amplifier sélectivement la puissance du faisceau de sortie à la première longueur
Figure imgf000007_0003
De manière préférentielle, l’amplificateur comprend une fibre amplificatrice avec un cœur dopé avec des éléments en terre rare, ladite fibre amplificatrice étant accolée, ou soudée ou couplée à une extrémité aval de la fibre optique. De manière encore préférentielle, la fibre amplificatrice est pompée par des deuxièmes longueurs d’onde du faisceau de sortie qui sont inférieures à la première longueur d’onde
Figure imgf000007_0004
Alternativement, la fibre amplificatrice est pompée par une portion (PB) du faisceau primaire.
[0014] Selon un mode préféré de l’invention, la conversion non linéaire comprend l’auto-décalage par effet Raman de solitons générés par la propagation de chaque impulsion au sein de la fibre optique.
[0015] Selon un mode préféré de l’invention, le dispositif comprend un filtre spectral dit amont agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie en amont de l’échantillon et adapté pour filtrer spectralement des longueurs d’onde inférieures à la première longueur d’onde. De manière préférentielle, le dispositif comprend un processeur adapté pour analyser une information fréquentielle du faisceau anti-Stokes détecté par le photodétecteur, le filtre spectral amont (SF) étant contrôlable et adapté pour filtrer de plus une gamme spectrale du faisceau de sortie en fonction de ladite information fréquentielle. [0016] Selon un mode préféré de l’invention, le dispositif comprend un filtre spectral dit aval agencé sur le trajet optique du faisceau anti-Stokes et adapté pour filtrer le faisceau de sortie se co-propageant avec le faisceau anti-Stokes. De manière préférentielle, le filtre amont est adapté pour filtrer spectralement un intervalle de longueurs d’onde supérieures à la première longueur d’onde.
[0017] Selon un mode préféré de l’invention, la fibre optique est adaptée pour avoir une longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle pour un mode fondamental de la fibre optique, ladite longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle étant séparée de plus de 3500 cm-1 par rapport à la première longueur d’onde 1.
[0018] Un autre objet de l’invention est une méthode de microscopie CARS multiplex pour analyser un échantillon (Ech) avec un dispositif comprenant une fibre optique (F) présentant moins de dix modes, pour analyser un échantillon (Ech), ladite méthode comprenant les étapes suivantes :
- générer un faisceau primaire (FP) présentant une première longueur
Figure imgf000008_0001
sous la forme d’impulsions (IL1 ) avec une puissance dite primaire ;
- générer, à partir du faisceau primaire, un faisceau de sortie (FSC) présentant une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde formant un supercontinuum (SC), et ladite première longueur d’onde Â17 les deuxièmes longueurs d’onde étant générées par conversion non linéaire de la première longueur d’onde
Figure imgf000008_0002
dans la fibre optique (F), lesdites impulsions se propageant dans la fibre optique (F) en régime de dispersion anormal ;
- focaliser le faisceau de sortie sur ledit échantillon, de manière à générer un faisceau anti-Stokes (STK) par effet Raman stimulé induit par au moins une des deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur présentes dans le faisceau de sortie ; détecter le faisceau anti-Stokes. Brève description des figures :
[0019] D’autres caractéristiques, détails et avantages de l’invention ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d’exemple et qui représentent, respectivement :
[0020] Fig.1 A, une vue schématique du processus énergétique CARS
[0021 ] Fig.1 B, une vue schématique d’un dispositif de microscopie CARS multiplex de l’art antérieur,
[0022] Fig.2, un dispositif de microscopie CARS multiplex selon l’invention,
[0023] Fig.3, un dispositif de microscopie CARS multiplex selon un mode de réalisation de l’invention,
[0024] Fig.4, un dispositif de microscopie CARS multiplex selon un mode de réalisation de l’invention,
[0025] Fig.5A, un dispositif de microscopie CARS multiplex selon un mode de réalisation de l’invention,
[0026] Fig.5B, un dispositif de microscopie CARS multiplex selon un mode de réalisation de l’invention,
[0027] Fig.5C, la densité spectrale de puissance d’une impulsions IL2 du faisceau de sortie FSC en sortie de la fibre F (courbe C1 ) et après filtrage par le filtre SF (courbe C2),
[0028] Fig.6A, le profil temporel de plusieurs composantes spectrales d’une impulsion laser IL2 en sortie de fibre F, dans un mode de réalisation de l’invention
[0029] Fig.6B, le profil temporel d’une impulsion laser à 1064 nm d’environ 1.5 ns et de puissance crête 10 kW au cours de sa propagation dans une fibre monomode de type HI980 avec un cœur en silice dans un régime de dispersion normal,
[0030] Fig.7, le décalage Raman 1R construit à partir du spectre du faisceau anti- Stokes à a)AS = üR + a)1 détecté par le dispositif de l’invention pour un échantillon de paraffine
[0031 ] Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle.
Description détaillée : [0032] La figure 2 illustre schématiquement un dispositif 1 de microscopie CARS multiplex selon l’invention, pour analyser un échantillon Ech.
[0033] Le dispositif 1 comprend une source laser LS impulsionnelle adaptée pour émettre un faisceau primaire FP sous la forme d’impulsions laser IL1 avec une puissance dite primaire et présentant une première longueur d’onde
Figure imgf000010_0001
= —, également dénommé longueur d’onde de pompe, avec c la vitesse de la lumière dans le vide. Par « puissance des impulsions >> on entend ici puissance crête. Les impulsions laser IL1 sont des impulsions nanosecondes (ns), picosecondes (ps) ou femtosecondes (fs). Dans le cadre de la présente description, une impulsion nanoseconde est une impulsion de durée comprise entre 1 et 100 ns, une impulsion picoseconde est une impulsion de durée comprise entre 1 et 100 ps et une impulsion femtoseconde est une impulsion de durée comprise entre 1 et 100 fs. La cadence des impulsions laser est comprise par exemple entre 0,1 et 100 MHz. La puissance des impulsions laser est par exemple comprise entre 5 kW et 10 MW. Compte tenu de la durée des impulsions laser IL1 , la première longueur d’onde
Figure imgf000010_0002
doit être considérée comme la longueur d’onde centrale de l’impulsion laser IL1 . On note Aroj la largeur spectrale des impulsions IL1 .
[0034] Selon un mode de réalisation, la source laser LS est un oscillateur laser à fibre optique dopée dans un matériau donné. La fibre optique dopée de la source laser LS est par exemple une fibre optique constituée d’un matériau luminescent donné (verre ou matrice vitreuse), dopé avec un matériau. Le matériau de dopage est un matériau optiquement actif, c'est-à-dire que, sous excitation (par exemple par des lasers de pompe internes à la source LS), ce matériau émet une lumière cohérente à une longueur d’onde donnée.
[0035] Selon un mode de réalisation, le matériau de dopage est un ion, par exemple un ion de terre rare. La terre rare est par exemple le néodyme (de symbole chimique Nd), l’ytterbium (de symbole chimique Yb), le praséodyme (de symbole chimique Pr), l’erbium (de symbole chimique Er), le thulium (de symbole chimique Tm), l’holmium (de symbole chimique Ho), ou tout autre élément fluorescent soluble dans la matrice vitreuse constituant la fibre, comme par exemple le bismuth (de symbole chimique Bi). La première longueur d’onde
Figure imgf000010_0003
dépend du matériau de dopage de la fibre optique dopée de la source laser. [0036] Selon un mode de réalisation, la source laser LS est un oscillateur laser fibré à verrouillage de modes en phase. Un tel verrouillage des modes longitudinaux de l’oscillateur laser d’injection permet d’obtenir des impulsions picosecondes ou femtosecondes. D’autres types de lasers, par exemple un laser de type « gain switch >> permettent également d’obtenir des impulsions picosecondes.
[0037] Le dispositif 1 de l’invention comprend une fibre optique F dans laquelle sont injectées les impulsions IL1 délivrées par la source LS, par exemple à l’aide d’un coupleur à fibre optique CF. La fibre F présente moins de dix modes spatiaux et présente une longueur d’onde de dispersion nulle ZDW i associée à chaque mode i, le mode fondamental correspondant ici à i=0. Ces longueurs d’ondes ZDW i sont déterminées par calculs numériques en fonction de la structure de la fibre et des matériaux composant la fibre F. Par exemple, la fibre utilisée est une fibre monomode à saut d’indice comme une fibre HI980, ou encore une fibre à cœur solide à gaine microstructurée.
[0038] Par « longueur d’onde de dispersion nulle ZDW i » de la fibre F, on entend la longueur d’onde pour laquelle la dispersion du retard de groupe est nulle pour ce mode spatial i.
[0039] Dans la description, la dispersion est dite « anormale >> pour toute longueur d’onde supérieure à toutes les ÂZD K £, se propageant dans la fibre F et la dispersion est dite « normale >> pour toute longueur d’onde inférieure à toutes les ^■zDw.i se propageant dans la fibre.
[0040] Un paramètre de contrôle des longueurs d’onde ZDW i est notamment l’aire modale de la fibre F. Plus l’aire modale de la fibre F est petite, plus les longueurs d’onde ZDW i diminuent. Pour une fibre à cœur en silice avec une gaine microstructurée, le diamètre du cœur sera de typiquement 3-4 m pour une longueur d’onde AZDW à environ 1000 nm pour le mode fondamental.
[0041] Dans l’invention, les impulsions IL1 se propageant dans la fibre optique F en régime de dispersion anormal, car on choisit la source laser LS et la fibre F de sorte que la première longueur d’onde
Figure imgf000011_0001
des impulsions IL1 soit supérieure aux longueurs d’onde ÂZDiy£. La fibre optique F est adaptée pour générer, à partir du faisceau primaire FP, un faisceau de sortie FSC présentant à la fois la première longueur d’onde et une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde formant un supercontinuum SC, les deuxièmes longueurs d’onde étant générées par conversion non linéaire de la première longueur d’onde
Figure imgf000012_0001
Le faisceau de sortie FSC présente des impulsions IL2 formées à partir des impulsions IL1 .
[0042] De manière connue, dans le régime de dispersion anormal et dans le régime de dispersion normal, le processus de génération de supercontinuum de part et d’autre de X comprend les phénomènes suivants : l’automodulation de phase, la modulation de phase croisée, le mélange paramétrique à quatre ondes, l’effet Raman stimulé.
[0043] Les inventeurs ont observé que, dans un régime de dispersion anormal, le processus de génération du supercontinuum déplète la longueur d’onde de pompe de manière bien moins importante que dans un régime de dispersion normale (voir notamment la description des figures 6A et 6B plus loin).
[0044] Dans le régime de dispersion normal, en plus des phénomènes précités, le mécanisme d’effet Raman stimulé contribue de manière très importante à la déplétion de la première longueur d’onde X et à la génération du supercontinuum aux longueurs d’onde supérieure à
Figure imgf000012_0002
[0045] Dans la fibre optique non linéaire de l’invention, en régime de dispersion anormal, en plus des phénomènes précités, une instabilité modulationelle se produit lors de la propagation des impulsions IL1 qui va structurer temporellement ces impulsions de manière à créer une pluralité de solitons. Ces solitons vont alors s’autodécaler par auto-décalage solitonique par effet Raman (soliton selffrequency shift en anglais). Ce décalage fréquentiel est différent pour chaque soliton. Les deuxièmes longueurs d’onde générées ainsi sont strictement supérieures à la première longueur d’onde À-i à partir de laquelle elles sont générées par la diffusion Raman stimulée, qui est à l’origine de l’auto-décalage fréquentiel des solitons dans la fibre. Le Raman stimulé a un effet dissipatif en terme d’énergie lumineuse. En vertu du principe de conservation de l’énergie totale, les deuxièmes longueurs d’onde ne peuvent pas être inférieures à la longueur d’onde initiale A-|. Ce phénomène d’auto-décalage est prédominant sur les autres phénomènes dans un régime de dispersion anormal pour la génération de deuxième longueurs d’onde supérieure à 1. [0046] De manière connue, l’auto-décalage solitonique par effet Raman provoque une dérive continue de la fréquence centrale de l’impulsion solitonique par un échange d’énergie avec les phonons du milieu que forme le cœur de la fibre optique. Au travers de cette interaction lumière-matière inélastique un photon de longueur d’onde Xa, c’est-à-dire d’énergie Ea = hc/Xa, où h est constante de Planck, est absorbé par le milieu matériel. Un second photon à une énergie inférieure Eb < Ea est émis par le milieu Raman à une longueur d’onde plus grande Æb > Xa. La différence d’énergie, ou défaut quantique, est transmise au milieu matériel sous la forme d’une particule correspondant à une vibration acoustique du milieu matériel, ou phonon. On note Av=c/Xa -c/Xb le décalage fréquentiel entre les deux photons mis en jeu. Lors de l’interaction au travers de l’effet Raman entre le milieu matériel et une impulsion ultra-brève de spectre fréquentiel large, la partie du spectre de l’impulsion pour Av > 0 est absorbée tandis que la partie du spectre de l’impulsion à Av < 0 est amplifiée. Cela correspond à un glissement du spectre de l’impulsion vers les basses fréquences, c’est-à-dire à un décalage du centre de l’impulsion vers les hautes longueurs d’onde.
[0047] Ce phénomène d’autodécalage solitonique par effet Raman est induit par le gain Raman pour chaque soliton et ne déplète donc pas complètement la pompe après la fission initiale de l’impulsion IL1 en solitons. Ce processus Raman stimulé en régime anormal de dispersion déplète beaucoup moins l’onde pompe Ai que l’effet Raman stimulé en régime de dispersion normal. C’est pourquoi, dans l’invention, la fibre, via sa dispersion et via sa longueur, est adaptée en fonction de la puissance des impulsions IL1 pour qu’une puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde
Figure imgf000013_0001
soit non négligeable par rapport à la puissance primaire des impulsions. Plus précisément, la fibre est suffisamment courte pour que la puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde Ai soit supérieure ou égale à 10%, préférentiellement 20% de la puissance primaire au niveau du centre de l’impulsion.
[0048] Le décalage des solitions (donc les deuxièmes longueurs d’onde À2) est fonction de la longueur de la fibre F, de la dispersion, et de la puissance crête des impulsions en entrée de la fibre F. Plus la fibre F est longue, plus il est possible d’obtenir un décalage fréquentiel important (et donc un supercontinuum large). A longueur de fibre fixe, plus la puissance crête des impulsions sont élevées, plus il est possible d’obtenir un décalage fréquentiel important (et donc un supercontinuum large). Dans l’invention, pour des impulsions de 1 ps et de puissance crête 135 kW, et pour une fibre à cœur en silice avec une gaine microstructurée, la longueur de la fibre fait environ 1 m.
[0049] Dans l’invention la fibre optique F présente moins de 10 modes car au-delà, les interférences intermodales détruisent le profil spatial du faisceau qui n’est plus utilisable. On observe alors la création d’un speckle en sortie de fibre.
[0050] Contrairement aux dispositifs de CARS multiplex de l’art antérieur (voir figure 1 B), compte tenu de la puissance non négligeable du faisceau de sortie à la première longueur d’onde Â17 le dispositif 1 de l’invention ne nécessite pas de ligne à retard pour synchroniser une portion du faisceau primaire avec le faisceau de sortie sur l’échantillon. Grâce à la synchronisation temporelle naturelle entre les deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde
Figure imgf000014_0001
en sortie de fibre F (voir figure 6A) il est possible d’utiliser uniquement le faisceau de sortie pour générer un effet Raman stimulé dans l’échantillon Ech. Pour cela, le dispositif 1 comprend un système optique MO adapté pour focaliser le faisceau de sortie sur l’échantillon. Le système optique MO est préférentiellement un objectif de microscope de focale fM0, de préférence à forte ouverture numérique (NA~1 .5). Le faisceau de sortie focalisé sur l’échantillon génère un faisceau anti- Stokes STK par effet Raman stimulé induit par au moins une des deuxièmes longueurs d’onde supérieures à
Figure imgf000014_0002
et la première longueur d’onde Â17 toutes les deux présentes dans le faisceau de sortie FSC. Les j e [1, V] deuxièmes longueurs d’onde Â2j-
Figure imgf000014_0003
du faisceau FSC constituent donc les longueurs d’onde de sonde. Les photons du faisceau FSC à la première longueur d’onde
Figure imgf000014_0004
sont suffisamment nombreux pour induire l’effet Raman stimulé dans l’échantillon Ech. Ainsi, un ou plusieurs niveaux vibrationnels des modes Raman résonant de l’échantillon Ech sont excités à une ou plusieurs fréquences de résonance ^R,j = et le faisceau anti-Stokes présente une ou plusieurs fréquences
(A)ASJ =
Figure imgf000014_0005
Les longueurs d’onde anti-stokes AS =
2nc/a)ASj sont donc inférieures à 1. En fait, dans le dispositif 1 , le faisceau de sortie FSC constitue à la fois le faisceau pompe (via la première longueur d’onde Ai) et le faisceau sonde (via les deuxièmes longueurs d’onde supérieures à A- des dispositifs de l’art antérieur.
[0051] Le dispositif comprend un photodétecteur Det connu de l’homme de l’art et adapté pour détecter le faisceau anti-Stokes typiquement combiné avec un spectromètre afin de séparer spatialement les longueurs d’onde du faisceau anti- Stokes avant leur détection. Le photodétecteur est typiquement un tube photomultiplicateur, une caméra CCD ou encore une photodiode à avalanche.
[0052] Grâce à un fonctionnement de la fibre F en régime de dispersion anormal, le dispositif de l’invention n’utilise pas de ligne à retard pour transporter le faisceau de pompe jusqu’à l’échantillon de manière synchronisé avec le faisceau sonde afin d’induire l’effet Raman stimulé multiplex dans l’échantiillon. Cela augmente la compacité du dispositif et simplifie grandement son utilisation.
[0053] Dans le mode de réalisation illustré dans la figure 2, le faisceau anti-Stokes est collecté « vers l’avant >> (signal F-CARS) par le photodétecteur. De manière préférentielle, dans ce mode de réalisation le dispositif 1 comprend un objectif de collection CL (Ouverture numérique ~0.5) pour collimater le faisceau anti-Stokes avant sa détection, permettant ainsi une grande distance de travail (voir figures 3- 5B).
[0054] Alternativement, selon un autre mode de réalisation, le faisceau anti-Stokes est collecté vers l’arrière (signal E-CARS) par l’objectif MO. Dans ce mode de réalisation, le dispositif 1 comprend alors un miroir dichroïque pour séparer spatialement le faisceau anti-Stokes et le faisceau de sortie FSC incident sur l’échantillon avant de pouvoir le détecter avec le phodétecteur Det.
[0055] De manière préférentielle, comme illustré en figure 2, le dispositif 1 comprend un porte échantillon SH adapté pour déplacer l’échantillon dans l’espace tridimensionnel, afin de cartographier l’échantillon en 3D et ainsi de reconstruire des images tridimensionnelles.
[0056] Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, la première longueur d’onde A est supérieure à toutes les longueurs d’onde de dispersion nulle AZDW i d’au moins 10 nm afin d’obtenir un décalage progressif des impulsions solitoniques plus important. Cette caractéristique permet d’obtenir un spectre plus large dans le faisceau de sortie. [0057] Selon un mode de réalisation préféré de l’invention, la fibre optique est une fibre monomode à gaine microstructurée, avec une unique longueur d’onde de dispersion nulle ZDW et éventuellement présentant un cœur dopé avec des éléments en terre rare. L’utilisation d’une fibre monomode permet d’augmenter la densité de puissance dans le cœur de la fibre et d’obtenir un élargissement spectral plus important pour une puissance de pompe donnée.
[0058] La figure 3 illustre une vue schématique en perspective d’un mode de réalisation du dispositif 1 . En plus des éléments détaillés dans la description de la figure 2, le dispositif du mode de réalisation de la figure 3 comprend un filtre spectral dit amont SF agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie FSC en amont de l’échantillon Ech et adapté pour filtrer spectralement des longueurs d’onde inférieures à la première longueur d’onde. De préférence, le filtre SF est adapté pour que le faisceau FSC filtré ne comprenne que la première longueur
Figure imgf000016_0001
et des deuxièmes longueurs d’onde supérieures à
Figure imgf000016_0002
utiles pour la génération du faisceau anti-Stokes. Ce filtre amont SF permet de plus facilement identifier les longueurs d’onde du faisceau anti-Stokes qui sont induites par l’effet Raman stimulé, ces longueurs d’onde AAS étant nécessairement inférieures à de par la nature même de ce phénomène.
[0059] En outre, le dispositif du mode de réalisation de la figure 3 comprend un filtre spectral dit aval SF’, optionnel, agencé sur le trajet optique du faisceau anti- Stokes STK et adapté pour filtrer le faisceau de sortie se co-propageant avec le faisceau anti-Stokes ayant traversé l’échantillon. Le filtre SF’ transmet uniquement le faisceau anti-Stokes qui est à des longueurs d’onde AAS = 2TICI(ÙAS inférieures à A . Ces longueurs d’onde étant les longueurs d’onde qui sont pertinentes pour l’analyse de l’échantillon Ech.
[0060] Structurellement, les filtres SF et SF’ sont des éléments connus de l’homme de l’art et sont par exemple des filtres de couleur, ou sont chacun formés par un réseau de diffraction couplé à un miroir déformable ou couplé avec un modulateur spatial de lumière contrôlable pour sélectionner les longueurs d’onde à transmettre ou non.
[0061] Dans le dispositif de la figure 3, le faisceau anti-Stokes filtré par le filtre SF’ est couplé - par le biais d’un ensemble de couplage SCA comprenant une lentille de focalisation et un coupleur à fibre - dans une fibre optique de détection transportant le faisceau jusqu’au photodétecteur Det. Ces éléments permettent une plus grande stabilité du dispositif.
[0062] Le dispositif de la figure 3 comprend en outre deux miroirs optionels M1 , M2 pour des raisons de compacité et un objectif de collection CL (par exemple : NA-0.5), pour collimater le faisceau anti-Stokes permettant ainsi une grande distance de travail pour la détection.
[0063] La figure 4 illustre un mode de réalisation du dispositif de la figure 3. Dans ce mode de réalisation, le filtre spectral amont est adaptatif en fonction du signal anti-Stokes détecté. Pour cela, le dispositif 1 comprend un processeur adapté pour analyser une information fréquentielle du faisceau anti-Stokes détecté par le photodétecteur via typiquement un spectromètre. De plus, le filtre spectral amont SF est contrôlable et adapté pour filtrer, en plus de certaines longueurs d’onde inférieures à Â17 une gamme spectrale du faisceau de sortie en fonction de l’information fréquentielle analysée par le processeur. Le contrôle du filtre SF se fait par le biais d’une boucle de rétroaction BR.
[0064] Selon une première variante, le filtre SF du dispositif de la figure 4 transmet uniquement une gamme spectrale pertinente pour l’analyse d’un échantillon Ech prédéterminé en plus de la première longueur d’onde. Cela permet une analyse plus rapide de l’échantillon.
[0065] Selon une deuxième variante, le filtre SF du dispositif de la figure 4 permet une amélioration de la résolution spectrale du dispositif. Théoriquement, la résolution spectrale du dispositif devrait être fixée par la largeur spectrale de l’impulsion IL1 , Ao»!. Cependant, à cause notamment de l’automodulation de phase contribuant à l’élargissement spectral de l’impulsion IL1 en sortie de la fibre F, la résolution du dispositif est susceptible d’être supérieure à Ar -L. Pour améliorer la résolution spectrale, en plus des longueurs d’onde inférieures à Ai, le filtre SF filtre un intervalle de longueurs d’onde directement supérieures à la longueur d’onde
Figure imgf000017_0001
pour réduire la largeur spectrale du faisceau de pompe, cette dernière fixant la résolution spectrale du dispositif. On note que l’utilisation d’un filtre SF sans contrôle par rétroaction et filtrant les longueurs d’onde directement supérieures à la longueur d’onde pour réduire la largeur spectrale du faisceau de pompe -en plus de longueurs d’onde inférieures à est compatible avec le mode de réalisation de la figure 3.
[0066] La figure 5A illustre schématiquement un mode de réalisation du dispositif de la figure 4. En plus des éléments détaillés dans la description de la figure 4, le dispositif de la figure 5A comprend un amplificateur Amp agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie en amont de l’échantillon et adapté pour amplifier sélectivement la puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde Ai. Ce mode de réalisation permet de partiellement ou totalement compenser la diminution de la puissance à la longueur d’onde
Figure imgf000018_0001
due à la génération du supercontinuum et ainsi obtenir un signal anti-Stokes plus intense. On rappelle que l’intensité IAS du faisceau anti-Stokes est proportionnel à
Figure imgf000018_0002
faisceau FSC à respectivement
Figure imgf000018_0003
et à la deuxième longueur d’onde, avec N le nombre de molécules résonantes de l’échantillon au focus du faisceau FSC et
Figure imgf000018_0004
la susceptibilité Raman du troisième ordre de la molécule de l’échantillon. L’intensité du faisceau
Figure imgf000018_0005
est donc primordiale pour un bon rapport signal sur bruit.
[0067] Selon un mode de réalisation préféré de l’invention notée MP, l’amplificateur Amp comprend une fibre amplificatrice avec un cœur dopé avec des ions en terre rare. De manière connue en soi, cette fibre amplificatrice est pompée pour produire une inversion de la population en ions de terre rare et ainsi, selon le principe de l’émission stimulée, permettre l’amplification du faisceau de sortie à la première longueur d’onde. Cette fibre amplificatrice est accolée, ou soudée ou couplée à une extrémité aval de la fibre optique F. Dans le faisceau de sortie FSC, la puissance à la première longueur d’onde X est trop faible pour induire un supercontinuum dans la fibre amplificatrice, la puissance de pompe est donc uniquement utilisée pour « régénérer >> ou amplifier le faisceau de sortie spécifiquement à la première longueur d’onde. Pour cela, l’élément dopant du cœur est choisi en fonction de X . Par exemple, pour Ai = 1064 nm, il est possible d’utiliser une fibre avec un cœur en silice dopé avec des ions Nd3+.
[0068] Selon une première variante du mode MP, la fibre amplificatrice dopée est pompée par des deuxièmes longueurs d’onde du faisceau de sortie qui sont inférieures à la première longueur d’onde X . Cette première variante est avantageuse car elle permet une utilisation efficace des deuxièmes longueurs d’onde inférieures à la première longueur d’onde
Figure imgf000019_0001
qui sont indésirables pour la détection du faisceau anti-Stokes et qui serait filtrées par le filtre SF sinon. La mise en oeuvre d’un tel dispositif est très simple et consiste à souder un bout de fibre amplificatrice (par exemple de 50 cm) à la sortie de la fibre non linéaire. Ainsi, une partie de la puissance des impulsions IL1 utilisée pour générer les deuxièmes longueurs d’onde inférieures
Figure imgf000019_0002
est « recyclée >> et permet une amplification du faisceau FSC à 1.
[0069] Par exemple, dans le cas où l’ion de terre rare est l’erbium, les deuxièmes longueurs d’onde à environ 980 nm permettent de pomper la fibre amplificatrice. Dans le cas où l’ion de terre rare est le néodyme, les deuxièmes longueurs comprises entre 730-760 nm et/ou comprises entre 790-820 nm permettent de pomper la fibre amplificatrice. Ainsi, pour une source laser LS qui est un laser Nd- YAG à Ai = 1064 nm, les deuxièmes longueurs d’onde précitées sont inférieures à Ai et sont recyclées.
[0070] Dans les modes de réalisation où la source laser LS comprend au moins une fibre optique avec un cœur dopé avec des ions aux terres rares, il est préférable d’utiliser les mêmes ions que ceux permettant l’émission de la longueur d’onde
[0071] Selon une deuxième variante du mode MP, illustrée en figure 5B, la fibre amplificatrice est pompée par une portion PB du faisceau de pompe utilisé pour engendrer, par effet laser, la longueur d’onde primaire
Figure imgf000019_0003
. Cette deuxième variante est moins avantageuse que la première variante car elle diminue la compacité du dispositif mais permet d’augmenter le gain de l’amplificateur
[0072] Alternativement, selon un autre mode de réalisation différent du mode MP, l’amplificateur n’est pas une fibre optique amplificatrice dopée mais un amplificateur de type régénératif multipassages dans un milieu solide comme du yag dopé néodyme, ou alexandrite, ou encore saphir dopé titane. Selon des modes de réalisation différents, l’amplificateur est pompé par des deuxièmes longueurs d’onde du faisceau de sortie qui sont inférieures à la première longueur d’onde A1; ou par une portion PB du faisceau primaire de la source LS ou des lasers de pompe (non représentés en figure 5A). Le choix du milieu solide amplificateur est effectué en fonction de la première longueur d’onde de manière à ce que l’amplification soit sélective à cette longueur d’onde. Par exemple, pour
Figure imgf000020_0001
= 1064 nm, il est possible d’utiliser un cristal de Nd+3:YAG. Ce cristal produit un rayonnement fin spectralement et permet un remodelage de la largeur du faisceau à X lors de l’amplification.
[0073] Il est entendu que la boucle de rétroaction BR et le filtre SF’ sont optionnels dans le mode de réalisation MP.
[0074] La figure 5C est une représentation de la densité spectrale de puissance d’une impulsion IL2 du faisceau de sortie FSC respectivement en sortie de la fibre F (courbe C1 ) et après filtrage par le filtre SF (courbe C2). Ces courbes sont obtenues sans amplification. A titre d’exemple non limitatif, les courbes C1 et C2 sont obtenues pour le dispositif de la figure 3, pour des impulsions IL1 à une longueur d’onde
Figure imgf000020_0002
= 1064 nm avec une puissance crête de 10 kW et une durée d’impulsion de 750 ps. Le supercontinuum observé avec la courbe C1 est obtenu dans une fibre F microstructurée non dopé à profil d’indice rectangulaire, monomode transverse avec une longueur d’onde XZDW à 1000 nm et un diamètre de cœur de 4 pm. La courbe C2 est obtenue après filtrage des deuxièmes longueurs d’onde inférieures à 1000 nm. On rappelle que, dans la courbes C1 , les longueurs d’onde inférieures à X sont obtenues principalement par mélange paramétrique à quatre ondes et les longueurs d’onde supérieures à X sont obtenues par autodécalage par effet Raman des solitons. Cet autodécalage permet d’alimenter le spectre vers les hautes longueurs d’onde tout en laissant une partie de l’énergie sur place, créant ainsi un supercontinuum.
[0075] La courbe C1 illustre que, la génération du supercontinuum dans la fibre F permet d’obtenir un faisceau FSC avec une puissance à X qui n’est pas déplétée et qui est suffisamment puissante pour servir d’onde de pompe pour obtenir l’effet Raman stimulé dans l’échantillon.
[0076] La courbe C2 illustre l’effet du filtrage passe-bas qui permet de générer un faisceau FSC filtré qui ne comprend quasiment aucune puissance aux longueurs d’onde inférieures à 1000 nm, précisément là où la signature CARS de l’échantillon -via le faisceau anti-Stokes- sera présente. Les deuxièmes longueurs d’onde supérieures à sont nécessaires pour sonder les liaisons chimiques de l’échantillon Ech.
[0077] La figure 6A illustre le profil temporel de plusieurs composantes spectrales d’une impulsion laser IL2 en sortie de fibre F. A titre d’exemple non limitatif, ces profils sont obtenues pour le dispositif de la figure 3, avec une longueur d’onde
Figure imgf000021_0001
qui vaut 1064 nm et les impulsions IL1 ont une durée de 750 ps et de puissance crête de 10 kW. Ces courbes sont obtenues sans amplification. La fibre F est une fibre monomode microstructurée non dopé à profil d’indice rectangulaire, avec une longueur d’onde ZDW et un diamètre de cœur de 4 pm et une longueur de 2 m. Les courbes 61 -64 sont décalées verticalement pour plus de lisibilité et sont normalisées à la même échelle. La courbe 61 correspond au profil temporel de l’impulsion IL2 à la longueur d’onde 1. Les courbes 62, 63 et 64 correspondent au profils temporels des impulsions IL2 à des longueurs d’onde de respectivement Â2 = 1200 nm, Â2 = 1300 nm et Â2 = 1500 nm. Malgré une légère structuration temporelle due aux effets non linéaires lors de la propagation dans la fibre, la courbe 61 illustre clairement que la longueur d’onde
Figure imgf000021_0002
n’est pas déplétée dans l’impulsion IL2. De plus, la figure 6A permet d’illustrer la synchronisation temporelle naturelle des différentes longueurs d’onde Â2 avec la longueur d’onde
Figure imgf000021_0003
dans le faisceau FSC en sortie de fibre F. Cette synchronisation temporelle est critique pour obtenir l’effet Raman stimulé dans l’échantillon Ech et pour générer le faisceau anti-Stokes STK.
[0078] La figure 6B illustre le profil temporel d’une impulsion laser à 1064 nm d’environ 1 .5 ns et de puissance crête 10 kW au cours de sa propagation dans une fibre monomode de type HI980 avec un cœur en silice dans un régime de dispersion normal. Dans cette fibre, la longueur d’onde AZDW se situe au alentour de 1300 nm. La courbe 61 ’ correspond au profil de l’impulsion initiale, la courbe 62’ correspond au profil de l’impulsion à 1064 nm après propagation dans 1 m de fibre et la courbe 63’ correspond au profil de l’impulsion à 1064 nm après propagation dans 1.5 m de fibre. Notamment, comme le montre la courbe 63’, la partie centrale de l’impulsion est quasiment complètement déplétée Ces courbes permettent d’observer la déplétion de la longueur d’onde de pompe induite par l’effet Raman stimulé lors de la propagation dans la fibre non linéaire en régime normal de dispersion. [0079] La comparaison des figures 6A et 6B illustre bien que l’autodécalage Raman en régime de dispersion anormal déplète notablement moins la longueur d’onde centrale de l’impulsion initiale que l’effet Raman stimulé en régime de dispersion normal pour des paramètres clés similaires (longueur de fibre, puissance et durée d’impulsion initiale).
[0080] La figure 7 illustre le décalage Raman 1R construit à partir du spectre du faisceau anti-Stokes à OJAS = R +
Figure imgf000022_0001
détecté par le dispositif de l’invention pour un échantillon de paraffine. Ce spectre est obtenu avec les paramètres suivant : une puissance primaire de 10 kW, une impulsion IL1 de durée 750 ps, et une fréquence de répétition laser de 20 kHz. Notamment, le faisceau anti-Stokes comprend 4 pics à des fréquences Raman 1R1 = -2925 cm"1, 1R2 =
Figure imgf000022_0002
. Ces pics sont respectivement caractéristiques des modes : d’étirement symétrique CH2, étirement symétrique CH3, de courbure CH2 et mode de torsion CH2.
[0081] La figure 7 démontre donc expérimentalement la faisabilité du CARS multiplex avec le dispositif de l’invention, sans utiliser de ligne à retard pour synchroniser une portion du faisceau primaire avec le faisceau de sortie sur l’échantillon Ech.
[0082] Selon un mode de réalisation avantageux de l’invention, la fibre optique est adaptée pour avoir une longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle pour un mode fondamental de la fibre optique, la longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle étant séparée de plus de 3500 cm-1 par rapport à la première longueur d’onde 1. Cette caractéristique permet de limiter la largeur spectrale du supercontinuum générée par la fibre à des deuxièmes longueurs d’onde supérieures à la première longueur d’onde
Figure imgf000022_0003
qui sont pertinentes pour l’étude de l’échantillon, sans avoir à le faire en limitant la longueur de la fibre. En effet, pour le mode fondamental, l’auto-décalage par effet Raman est stoppé lorsque le soliton est décalé à une longueur d’onde Â2 égale à la longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle. Ainsi, le fait que la longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle soit séparée de plus de 3500 cm’1 par rapport à la première longueur d’onde
Figure imgf000022_0004
permet d’obtenir un supercontinuum qui s’étend sur plus de 3500 cm’1 depuis la première longueur d’onde, pour des deuxièmes longueurs d’onde supérieures à la première longueur d’onde 1. En réalité, dans les longueurs d’onde Â2 supérieure à la largeur du supercontinuum sera légèrement supérieure à la séparation entre la longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle et
Figure imgf000023_0001
à cause des effets non linéaires autres que l’auto- décalage par effet Raman.

Claims

22 REVENDICATIONS
1 . Dispositif de microscopie CARS multiplex pour analyser un échantillon (Ech) comprenant :
- une source laser (LS) adaptée pour émettre un faisceau primaire (FP) présentant une première longueur d’onde Â17 sous la forme d’impulsions (IL1 ) avec une puissance dite primaire ;
- une fibre optique (F) présentant moins de dix modes, lesdites impulsions se propageant dans la fibre optique (F) en régime de dispersion anormal pour générer, à partir du faisceau primaire, un faisceau de sortie (FSC) présentant une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde formant un supercontinuum (SC), et ladite première longueur d’onde Â17 les deuxièmes longueurs d’onde étant générées par conversion non linéaire de la première longueur d’onde
Figure imgf000024_0001
- un système optique (MO) adapté pour focaliser le faisceau de sortie sur ledit échantillon, de manière à générer un faisceau anti-Stokes (STK) par effet Raman stimulé induit par au moins une des deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde
Figure imgf000024_0002
présentes dans le faisceau de sortie ;
- un photodétecteur (Det) adapté pour détecter le faisceau anti-Stokes.
2. Dispositif selon la revendication 1 , dans lequel la fibre optique est adaptée pour qu’une puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde A1; soit supérieure ou égale à 10%, préférentiellement 20%, de la puissance primaire.
3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la fibre optique est une fibre monomode à gaine microstructurée.
4. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fibre optique présente une longueur d’onde de dispersion nulle ^zDw,i associée à chaque i-ème mode, ladite première longueur d’onde
Figure imgf000024_0003
étant supérieure à toutes les longueurs d’onde de dispersion nulle ZDW i d’au moins 10 nm.
5. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un amplificateur (Amp) agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie en amont de l’échantillon et adapté pour amplifier sélectivement la puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde 1. Dispositif selon la revendication précédente, dans laquelle l’amplificateur comprend une fibre amplificatrice avec un cœur dopé avec des éléments en terre rare, ladite fibre amplificatrice étant accolée, ou soudée ou couplée à une extrémité aval de la fibre optique. Dispositif selon la revendication précédente, dans laquelle la fibre amplificatrice est pompée par des deuxièmes longueurs d’onde du faisceau de sortie qui sont inférieures à la première longueur d’onde 1. Dispositif selon la revendication 6, dans laquelle la fibre amplificatrice est pompée par une portion (PB) du faisceau primaire. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite conversion non linéaire comprend l’auto-décalage par effet Raman de solitons générés par la propagation de chaque impulsion au sein de la fibre optique. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un filtre spectral dit amont (SF) agencé sur le trajet optique du faisceau de sortie (FSC) en amont de l’échantillon et adapté pour filtrer spectralement des longueurs d’onde inférieures à la première longueur d’onde. Dispositif selon la revendication précédente, comprenant un processeur adapté pour analyser une information fréquentielle du faisceau anti-Stokes détecté par le photodétecteur, le filtre spectral amont (SF) étant contrôlable et adapté pour filtrer de plus une gamme spectrale du faisceau de sortie en fonction de ladite information fréquentielle. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant un filtre spectral dit aval (SF’) agencé sur le trajet optique du faisceau anti-Stokes et adapté pour filtrer le faisceau de sortie se co- propageant avec le faisceau anti-Stokes. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le filtre amont est adapté pour filtrer spectralement un intervalle de longueurs d’onde supérieures à la première longueur d’onde. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fibre optique est adaptée pour avoir une longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle pour un mode fondamental de la fibre optique, ladite longueur d’onde de dispersion nulle additionnelle étant séparée de plus de 3500 cm-1 par rapport à la première longueur d’onde Méthode de microscopie CARS multiplex pour analyser un échantillon (Ech) avec un dispositif comprenant une fibre optique (F) présentant moins de dix modes, pour analyser un échantillon (Ech), ladite méthode comprenant les étapes suivantes :
A. générer un faisceau primaire (FP) présentant une première longueur d’onde
Figure imgf000026_0001
sous la forme d’impulsions (IL1 ) avec une puissance dite primaire ;
B. générer, à partir du faisceau primaire, un faisceau de sortie (FSC) présentant une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde formant un supercontinuum (SC), et ladite première longueur d’onde Â17 les deuxièmes longueurs d’onde étant générées par conversion non linéaire de la première longueur d’onde
Figure imgf000026_0002
dans la fibre optique (F), lesdites impulsions se propageant dans la fibre optique (F) en régime de dispersion anormal ;
C. focaliser le faisceau de sortie sur ledit échantillon, de manière à générer un faisceau anti-Stokes (STK) par effet Raman stimulé induit par au moins une des deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde
Figure imgf000026_0003
présentes dans le faisceau de sortie ;
D. détecter le faisceau anti-Stokes.
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SIMON LEFRANCOIS ET AL: "Fiber four-wave mixing source for coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy", OPTICS LETTERS, OPTICAL SOCIETY OF AMERICA, US, vol. 37, no. 10, 15 May 2012 (2012-05-15), pages 1652 - 1654, XP001575585, ISSN: 0146-9592, [retrieved on 20120509], DOI: 10.1364/OL.37.001652 *

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