Brevet FR3130403A1 — publié le 20230616

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 sous la forme d’impulsions (IL1) avec une énergie dite primaire ; une fibre optique (F) avec un profil de variation d’indice parabolique et présentant au moins dix modes et, dont un dit fondamental, la fibre optique étant adaptée pour : générer, par conversion non linéaire de la première longueur d’onde du faisceau primaire, une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde formant un supercontinuum (SC), et relocaliser dans ledit mode fondamental, par effet Kerr, une portion de l’énergie primaire initialement répartie dans les modes de la fibre optique, de manière à former un faisceau de sortie (FSC) présentant les deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde synchronisées temporellement 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 présentes dans le faisceau de sortie ; un photodétecteur (Det) adapté pour détecter le faisceau anti-Stokes. Figure pour l’abrégé : Fig.2A Dispositif de microscopie CARS multiplex La présente invention se rapporte au domaine de la microscopie CARS multiplex. 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. La spectroscopie Raman confocale conventionnelle nécessite un trou confocal pour obtenir une bonne résolution axiale. Le CARS, en revanche, est un processus optique non linéaire (processus de mélange à quatre ondes) qui ne nécessite pas de trou confocal et qui a une résolution axiale qui est au mieux de l’ordre du tiers de la longueur d’onde d’utilisation. Dans un processus de diffusion Raman stimulé, une onde pompe de pulsation incidente, sur une molécule, est diffusée inélastiquement en une onde dite Stokes, de pulsation et une onde dite Anti-Stokes, de pulsation . L’écart en fréquence entre les ondes générées et l’onde pompe dépend de la pulsation vibrationnelle moléculaire de l’échantillon (de fréquence Ω R ) de telle sorte que ω P - ω S = ω AS - ω P = Ω R . Le décalage en fréquence des ondes Stokes et Anti-Stokes correspond à une fréquence de vibration spécifique d’une liaison moléculaire 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 Ω R 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 et Stokes à et qui vérifient ω P -ω S = Ω R . 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 ω AS = 2ω P -ω S. Ce phénomène est beaucoup plus efficace (le gain se situe autour de 10 6 ) que le processus de diffusion Raman spontanée Stokes car la vibration moléculaire Vib est spécifiquement forcée à vibrer par différence de fréquence 2ω P -ω S . Il est d’autre part sélectif car il est possible de cibler la liaison chimique d’intérêt en ajustant la différence de fréquence 2ω P -ω S . Comme l’absorption à deux photons, le CARS est un processus multiphotonique (il utilise deux photons de la pompe à ω P et un photon Stokes à ω S ) 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. La figure 1B 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 Stokes qui est un supercontinuum, qui possède un nombre très important (>20) de longueurs d’onde juxtaposées les unes à côté des autres. Le dispositif comprend une source laser LS impulsionnelle émettant à la fréquence . Une portion du rayonnement de la source LS est utilisée pour générer un supercontinuum à partir de , par exemple dans une fibre optique PCF monomode, de manière à générer un faisceau Stokes FSo comprenant une multitude de fréquences afin de sonder différentes liaisons chimiques chacune caractérisée par une fréquence vibrationnelle avec une fréquence propre. Par « génération de supercontinuum », on entend ici un procédé consistant à élargir spectralement un faisceau initial de manière à 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 . 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 cohérent 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 . A noter, que les longueurs d’onde du supercontinuum utiles pour générer le faisceau anti-Stokes sont les longueurs d’onde supérieures à la longueur d’onde de pompe , avec la célérité de la lumière dans le vide. De plus, les longueurs d’onde du faisceau anti-Stokes sont par nature inférieures à . Dans l’illustration de la , le dispositif de l’art antérieur comprend plusieurs miroirs optionnels MR2, M1, M2 pour des raisons de compacité. 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 motorisé SH, il est possible de cartographier l’échantillon en 3D et ainsi de reconstruire des images tridimensionnelles. Ce dispositif de la figure 1B est satisfaisant. Cependant, tous les dispositifs de l’art antérieur utilisent une ligne à retard DL afin de synchroniser temporellement le faisceau de pompe FPo avec le faisceau Stokes FSo sur l’échantillon. En effet, dans la microscopie CARS, les fibres générant le supercontinuum par conversion non linéaire (notamment la conversion par effet Raman stimulé) déplètent fortement la longueur d’onde de pompe . La puissance restante à 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 génére le supercontinuum. Ainsi une partie de l’onde pompe est préservée des distorsions induites lors de la génération du supercontinuum. 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. L’invention vise à s’affranchir de cet inconvénient avec un dispositif de microscopie CARS multiplex avec une fibre particulièrement adaptée qui permet de générer un faisceau de sortie comprenant le faisceau pompe et le faisceau sonde partiellement synchronisés pour transporter le faisceau de pompe jusqu’à l’échantillon de manière synchronisé avec le faisceau sonde afin d’induire l’effet Raman cohérent multiplex dans l’échantillon sans utiliser une ligne à retard. Cela augmente la compacité du dispositif et simplifie grandement son utilisation. 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 sous la forme d’impulsions avec une énergie dite primaire ; une fibre optique comprenant un cœur et présentant au moins dix modes, dont un mode fondamental, la fibre optique étant adaptée pour : générer, par conversion non linéaire de la première longueur d’onde du faisceau primaire, une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde formant un supercontinuum, et relocaliser dans ledit mode fondamental, par effet Kerr, une portion de l’énergie primaire initialement répartie dans les autres modes de la fibre optique, de manière à former un faisceau de sortie présentant les deuxièmes longueurs d’onde, et la première longueur d’onde dans le mode fondamental 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. Selon un mode de réalisation de l’invention, la fibre est adaptée par rapport à l’énergie primaire pour qu’une impulsion dans le faisceau de sortie à la première longueur d’onde soit synchronisée temporellement avec des impulsions dans le faisceau de sortie à des deuxièmes longueurs d’onde. Selon un mode de réalisation de l’invention, le cœur comprend un profil transverse de variation d’indice configuré pour générer par effet Kerr une modulation périodique longitudinale de l’indice dudit cœur. De manière préférentielle, le profil transverse de variation d’indice du cœur comprend un maximum localisé au centre du cœur. De manière encore préférentielle, le profil de variation d’indice du cœur est choisi dans un groupe comprenant un profil parabolique, un profil gaussien, un profil super gaussien, un profil triangulaire, un profil lorentzien, un profil multi-lobes, et un profil de sécante hyperbolique carrée Selon un mode de réalisation de l’invention, la fibre optique est adaptée pour qu’une énergie du faisceau de sortie à la première longueur d’onde dans le mode fondamental, soit supérieure ou égale à 10%, préférentiellement 20%, de l’énergie primaire. Selon un mode de réalisation de l’invention, dans lequel la fibre optique présente une gaine d’indice , un diamètre de cœur , une dispersion du retard de groupe à la première longueur d’onde , une longueur de la fibre optique étant telle que des deuxièmes longueurs d’onde forment un spectre continu entre la première longueur d’onde et une longueur d’onde dite GPI d’ordre 1 , avec c la célérité de la lumière dans le vide et avec , la fréquence GPI d’ordre 1, avec , et avec , avec un index maximum du cœur. De manière préférentielle, la fibre optique est adaptée pour que la fréquence GPI Stokes d’ordre 1 soit comprise entre et . Selon un mode de réalisation 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 une puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde .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 . Dans ce mode de réalisation, de manière préférentielle, la première longueur d’onde vaut environ 1064 nm et dans lequel la longueur d’onde GPI d’ordre 1 vaut environ nm, ladite fibre amplificatrice étant dopée avec des ions erbium. Selon un mode de réalisation de l’invention, le coeur est dopé dans un matériau donné, le dopage de la fibre optique étant non uniforme longitudinalement, de sorte que la fibre optique soit amplificatrice à la première longueur d’onde sur une portion aval de la fibre optique. De manière préférentielle, la première longueur d’onde vaut environ 1064 nm et dans lequel la longueur d’onde GPI Stokes d’ordre 1 est nm, ladite fibre optique étant dopée avec des ions erbium. Selon un mode de réalisation de l’invention, la conversion non linéaire est choisie dans un groupe comprenant une conversion par auto-décalage par effet Raman de solitons générés par la propagation de chaque impulsion au sein de la fibre optique, une conversion par auto-modulation de phase, une conversion modulation de phase croisée, une conversion par effet Raman stimulé, et une conversion par mélange paramétrique. Selon un mode de réalisation 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 étant contrôlable et adapté pour filtrer de plus une gamme spectrale du faisceau de sortie en fonction de ladite information fréquentielle. Selon un mode de réalisation 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. Un autre objet de l’invention est une méthode de microscopie CARS multiplex pour analyser un échantillon, avec un dispositif comprenant une fibre optique comprenant un cœur présentant au moins dix modes et, dont un dit fondamental, pour analyser un échantillon, ladite méthode comprenant les étapes suivantes : Générer, par une source laser, un faisceau primaire présentant une première longueur d’onde sous la forme d’impulsions avec une énergie dite primaire ; générer, par conversion non linéaire de la première longueur d’onde du faisceau primaire dans la fibre optique, une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde formant un supercontinuum, et relocaliser dans ledit mode fondamental, par effet Kerr, une portion de l’énergie primaire initialement répartie dans les modes de la fibre optique, de manière à former un faisceau de sortie présentant les deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde dans le mode fondamental 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 ; détecter le faisceau anti-Stokes. 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 : , une vue schématique du processus CARS , une vue schématique d’un dispositif de microscopie CARS multiplex de l’art antérieur, , un dispositif de microscopie CARS multiplex selon l’invention, , une coupe transverse de la fibre F et un profil transverse de variation d’indice PVC du cœur FC, , une représentation schématique des oscillations spatiales périodiques du faisceau FP, dans la fibre F, en des points chaud PC, , une représentation graphique spectro-temporelle du faisceau de sortie , le spectre Raman construit à partir du spectre du faisceau anti-Stokes à détecté par le dispositif de l’invention pour un échantillon de paraffine , la densité spectrale de puissance dans le faisceau de sortie en fonction de la longueur de la fibre F et la densité spectrale de puissance dans le faisceau de sortie pour une longueur de fibre F de 18,5 m. , un dispositif de microscopie CARS multiplex selon un mode de réalisation de l’invention, , un dispositif de microscopie CARS multiplex selon un mode de réalisation de l’invention, , la densité spectrale de puissance relative 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 et C2), , un dispositif de microscopie CARS multiplex selon un mode de réalisation de l’invention, Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle. Par « une longueur d’onde de X nm », on entend dans la suite de la description une longueur d’onde qui vaut X nm à nm. 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 sous la forme d’impulsions (IL1) avec une énergie dite primaire ; une fibre optique (F) comprenant un cœur (FC) et présentant au moins dix modes, dont un mode fondamental, la fibre optique étant adaptée pour : générer, par conversion non linéaire de la première longueur d’onde du faisceau primaire, une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde formant un supercontinuum (SC), et relocaliser dans ledit mode fondamental, par effet Kerr, une portion de l’énergie primaire initialement répartie dans les autres modes de la fibre optique, de manière à former un faisceau de sortie (FSC) présentant les deuxièmes longueurs d’onde, et la première longueur d’onde dans le mode fondamental 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 présentes dans le faisceau de sortie ; un photodétecteur (Det) adapté pour détecter le faisceau anti-Stokes. Dispositif selon la revendication 1, dans lequel la fibre est adaptée par rapport à l’énergie primaire pour qu’une impulsion dans le faisceau de sortie (FSC) à la première longueur d’onde soit synchronisée temporellement avec des impulsions dans le faisceau de sortie (FSC) à des deuxièmes longueurs d’onde. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le cœur (FC) comprend un profil transverse de variation d’indice configuré pour générer par effet Kerr une modulation périodique longitudinale de l’indice dudit cœur. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le profil transverse de variation d’indice du cœur (FC) comprend un maximum localisé au centre du cœur. Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel le profil de variation d’indice du cœur (FC) est choisi dans un groupe comprenant un profil parabolique, un profil gaussien, un profil super gaussien, un profil triangulaire, un profil lorentzien, un profil multi-lobes, et un profil de sécante hyperbolique carrée Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fibre optique est adaptée pour qu’une énergie du faisceau de sortie à la première longueur d’onde dans le mode fondamental, soit supérieure ou égale à 10%, préférentiellement 20%, de l’énergie primaire. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fibre optique (F) présente une gaine (FG) d’indice , un diamètre de cœur , une dispersion du retard de groupe à la première longueur d’onde , une longueur de la fibre optique étant telle que des deuxièmes longueurs d’onde forment un spectre continu entre la première longueur d’onde et une longueur d’onde dite GPI d’ordre 1 , avec c la célérité de la lumière dans le vide et avec , la fréquence GPI d’ordre 1, avec , et avec , avec un index maximum du cœur (FC). Dispositif selon la revendication précédente, dans lequel la fibre optique est adaptée pour que la fréquence GPI Stokes d’ordre 1 soit comprise entre et . 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 une puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde . 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 . Dispositif selon la revendication 10 ou 11 et selon la revendication 7, dans lequel la première longueur d’onde vaut environ 1064 nm et dans lequel la longueur d’onde GPI d’ordre 1 vaut environ nm, ladite fibre amplificatrice étant dopée avec des ions erbium. Dispositif selon l’une quelconque des revendications 1 à 8, dans lequel le coeur (FC) est dopé dans un matériau donné, le dopage de la fibre optique étant non uniforme longitudinalement, de sorte que la fibre optique soit amplificatrice à la première longueur d’onde sur une portion aval de la fibre optique. Dispositif selon la revendication 13 et selon la revendication 7, dans lequel la première longueur d’onde vaut environ 1064 nm et dans lequel la longueur d’onde GPI Stokes d’ordre 1 est nm, ladite fibre optique étant dopée avec des ions erbium. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ladite conversion non linéaire est choisie dans un groupe comprenant une conversion par auto-décalage par effet Raman de solitons générés par la propagation de chaque impulsion au sein de la fibre optique, une conversion par auto-modulation de phase, une conversion modulation de phase croisée, une conversion par effet Raman stimulé, et une conversion par mélange paramétrique. 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. Méthode de microscopie CARS multiplex pour analyser un échantillon (Ech), avec un dispositif comprenant une fibre optique (F) comprenant un cœur (FC) présentant au moins dix modes et, dont un dit fondamental, pour analyser un échantillon (Ech), ladite méthode comprenant les étapes suivantes : Générer, par une source laser, un faisceau primaire (FP) présentant une première longueur d’onde sous la forme d’impulsions (IL1) avec une énergie dite primaire ; générer, par conversion non linéaire de la première longueur d’onde du faisceau primaire dans la fibre optique, une pluralité de deuxièmes longueurs d’onde formant un supercontinuum (SC), et relocaliser dans ledit mode fondamental, par effet Kerr, une portion de l’énergie primaire initialement répartie dans les modes de la fibre optique, de manière à former un faisceau de sortie (FSC) présentant les deuxièmes longueurs d’onde et la première longueur d’onde dans le mode fondamental 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 présentes dans le faisceau de sortie ; détecter le faisceau anti-Stokes.