Brevet FR3129213A1 — publié le 20230519

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 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 les deuxièmes longueurs d’onde étant générées par conversion non linéaire de la première longueur d’onde ; 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 2. 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 C oherent A nti-Stokes R aman S cattering ) 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. 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 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 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 (ce 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 ω 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 ω 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 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 . Une portion du rayonnement de la source LS est utilisée pour générer un supercontinuum à partir de , par exemple dans une fibre optique PCF multimode, 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 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 . 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 , 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 piézo-électrique 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, 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 d’onde de pompe , avec 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 . 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 utilisée, pour la génération du supercontinuum, en régime de dispersion anormal afin de ne pas completement dépléter l’impulsion pompe initiale générant le supercontinuum. 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 (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 les deuxièmes longueurs d’onde étant générées par conversion non linéaire de la première longueur d’onde ; 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 préféré de l’invention, la fibre optique est adaptée pour qu’une puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde , soit supérieure ou égale à 10%, préférentiellement 20%, de la puissance primaire. Selon un mode préféré de l’invention, la fibre optique est une fibre monomode à gaine microstructurée. Selon un mode préféré de l’invention, la fibre optique présente une longueur d’onde de dispersion nulle associée à chaque i-ème mode, ladite première longueur d’onde étant supérieure à toutes les longueurs d’onde de dispersion nulle d’au moins 10 nm. 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 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 . Alternativement, la fibre amplificatrice est pompée par une portion (PB) du faisceau primaire. 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. 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. 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. 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 . 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 d’onde 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 les deuxièmes longueurs d’onde étant générées par conversion non linéaire de la première longueur d’onde 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 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 énergétique CARS , une vue schématique d’un dispositif de microscopie CARS multiplex de l’art antérieur, , un dispositif de microscopie CARS multiplex selon l’invention, , 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, , 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 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), , 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 , 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, , le décalage Raman construit à partir du spectre du faisceau anti-Stokes à détecté par le dispositif de l’invention pour un échantillon de paraffine Dans les figures, sauf contre-indication, les éléments ne sont pas à l’échelle. 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 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 les deuxièmes longueurs d’onde étant générées par conversion non linéaire de la première longueur d’onde ; 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 optique est adaptée pour qu’une puissance du faisceau de sortie à la première longueur d’onde , soit supérieure ou égale à 10%, préférentiellement 20%, de la puissance primaire. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel la fibre optique est une fibre monomode à gaine microstructurée. Dispositif selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la fibre optique présente une longueur d’onde de dispersion nulle associée à chaque i-ème mode, ladite première longueur d’onde étant supérieure à toutes les longueurs d’onde de dispersion nulle d’au moins 10 nm. 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 . 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 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 : générer un faisceau primaire (FP) présentant une première longueur d’onde 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 les deuxièmes longueurs d’onde étant générées par conversion non linéaire de la première longueur d’onde 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 d’onde présentes dans le faisceau de sortie ; détecter le faisceau anti-Stokes.