Mickaël LELEK

2. Mickaël LELEK Caractérisation d’impulsions brèves Mise en forme temporelle et spectrale pour une application à l’endomicroscopie bi-photonique Directeur de thèse : Frédéric Louradour

3. 01 Plan Partie A : Caractérisation monocoup d’impulsions femtosecondes : Interférométrie spectrale résolue temporellement : SPIRIT Généralités Interférométrie spectrale à une dimension : SPIRIT 1D Interférométrie spectrale à deux dimensions : SPIRIT 2D Partie B : Imagerie biologique par endomicroscopie non-linéaire Généralités Propagation d’impulsions brèves Développement d’un endomicroscope non-linéaire

4. 01 Plan Partie A : Caractérisation monocoup d’impulsions femtosecondes : Interférométrie spectrale résolue temporellement : SPIRIT Généralités Interférométrie spectrale à une dimension : SPIRIT 1D Interférométrie spectrale à deux dimensions : SPIRIT 2D

5. 02 Généralités Objectif : Mesure de l’évolution temporelle du champ électrique d’une impulsion brève E(t) qq 100fs t La mesure en amplitude et en phase du champ électrique temporel d’une impulsion courte voire ultra-courte est difficile

6. La mesure d’autocorrélation intensimétrique seule ne donne pas accès à la phasede l’impulsion Signal de fluorescence (u.a) 1.3ps Retard (ps) 03 Mesure dans le domaine temporel Mesure directe : Utilisation d’une photodiode rapide et d’un oscilloscope large bande : limitée aux cas des impulsions picosecondes Autocorrélation intensimétrique * : temps - fréquence Résolue spectralement : technique FROG * Algorithme itératif * R. Trebino et al., JOSA. A 10, 1101-1111 (1993) * M. Lelek et al., Applied Physics Letters 89, 061117 (2006)

7. j(w) TF ? TF-1 E(w) 04 Mesure dans le domaine spectral E(t) qq 100fs t La mesure de l’amplitude spectrale d’une impulsion courte est simple (spectroscope), par contre la mesure de la phase spectrale requiert des techniques bien particulières

8. 05 Mesure dans le domaine spectral Objectif : faire une mesure de phase sans référence Interférométrie spectrale à décalage

9. Interférométrie à décalage dans le domaine spectral j(w) E(w) 06 Production de deux spectres répliques décalés spectralement Interférence entre ces deux spectres répliques

10. 07 Technique SPIDER * État d’interférence dépend dej(w+Dw)-j(w-Dw) soit la dérivéej’(w) C. Iaconis et al., Opt. Lett. 23, 792 (1998)

11. E(w) j(w) 08 Technique SPIDER Véritable décalage en fréquence

12. 09 Limites de SPIDER Véritable décalage en fréquence Recopie parfaite de la phase des impulsions répliques impulsion dispersée avec une phase uniforme ⇒ Vérification préalable de l’enveloppe du spectre à 2w avec celle du spectre à w

13. 01 Plan Partie A : Caractérisation monocoup d’impulsions femtosecondes : Interférométrie spectrale résolue temporellement : SPIRIT Généralités Interférométrie spectrale à une dimension : SPIRIT 1D Interférométrie spectrale à deux dimensions : SPIRIT 2D

14. 10 Interférométrie à décalage dans le domaine spectral SPIDER : Étape non-linéaire Conversion de fréquence Décalage fréquentiel Transfert de cohérence + Étape Interférométrique SPIRIT : Étape interférométrique décalage spatial Étape Non-linéaire Échantillonnagetemporel +

15. 11 Interférométrie à décalage dans le domaine spectral Interférogramme dont la phase des battements représente la dérivée de la phase spectrale

16. 12 Technique SPIRIT : principe

17. 13 Technique SPIRIT : principe Phase à l’origine des battements Terme d’interférences Dérivée de la phase spectrale j(w) mesure directe à partir d’un détecteur intégrateur est impossible Interférogramme Non-Stationnaire Surmodulation

18. 14 Technique SPIRIT : principe j(w) Spectres décalés j(w+Dw) Echantillonnage temporel tout optique x Interférogramme unidimensionnel Stationnaire à 2w ≈1 ps  Time Enregistrable à partir d’un détecteur standard Battements temporels

19. 15 Schéma synoptique Avantages : SPIRIT : technique passive tout optique Porte optique non-linéaire créée à partir de l’impulsion étudiée Méthode autoréférencée

20. j(w) E(w) 16 Algorithme de reconstruction de la phase spectrale Non-itératif ! TF-1 Enregistrement expérimental Filtre carré Calibration de Dw et t t -t TF j’(w) Dérivée de la phase spectrale

21. 17 Schéma expérimental de SPIRIT 1D Caméra CCD Impulsion testée 2w Porte optique Lentille cylindrique Cristal Non-linéaire w Réseau de diffraction Dispositif de décalage

22. 2 E(w) 18 Caractérisation d’impulsions récurrentes 100fs Oscillateur Ti: Sa l0=826nm 75MHz t0=100fs j(w) TF-1 2 E(t) Résultats concordant avec ceux donnés par un autocorrélateur 148 fs

23. 19 Mesure de la phase ajoutée par un morceau de verre Morceau de verre de type F4 épaisseur 12 cm

24. 2 E(w) 2 E(t) 20 Caractérisation d’une impulsion unique 100fs * Chaîne amplifiée l0=795nm 10 Hz t0=100fs j(w) TF-1 * Expériences réalisées au LOA

25. 21 Comparaison SPIRIT-SPIDER-autocorrélateur* *Expériences réalisées au LOA

26. 22 Caractérisation d’une impulsion unique 30fs * Chaîne amplifiée l0=795nm 10 Hz t0=30 fs *Expériences réalisées au LOA

27. 01 Plan Partie A : Caractérisation monocoup d’impulsions femtosecondes : Interférométrie spectrale résolue temporellement : SPIRIT Généralités Interférométrie spectrale à une dimension : SPIRIT 1D Interférométrie spectrale à deux dimensions : SPIRIT 2D

28. 23 SPIRIT 1D SPIDER • Calibration nécessaire des paramètrestetDw ⇒ • Mesure non-intuitive Un traitement numérique des données pour obtenir la phase spectrale

29. w Concaténation des images 1D tp 24 SPIRIT 2D : Principe Général

30. 25 Exemples de battements spatio-temporels Ordre supérieur • L’image 2D fournit une représentation intuitive de la phase spectrale • de l’impulsion • Plus de problèmes de retour de phase⇒ • Décalage spectral présent dans la figure 2D⇒ Surmodulation inutile autocalibré

31. 26 Algorithme de reconstruction wi w wi Profil intensimétrique tp

32. 27 Algorithme de reconstruction wi wi TF-1 cos(Dw .t0+j’(wi).Dw) j’(wi)

33. 28 Dispositif expérimental de SPIRIT 2D multicoup Caméra CCD Ligne à délai variable Impulsion testée 2w Porte optique Lentille cylindrique Cristal Non-linéaire w Dispositif de décalage Réseau de diffraction

34. 29 Mesure d’une phase spectrale parabolique Oscillateur Ti:Sa Morceau de verre de type F4 épaisseur 12 cm Algorithme de reconstruction Soustraction de la phase du laser Algorithme de reconstruction Mesure de la phase spectrale du laser

35. 30 Mesure d’une phase spectrale complexe w Phase des battements tp

36. 31 Mesure d’une phase spectrale complexe TF-1

37. 32 SPIRIT 2D monocoup : Principe Mise en forme spatiale du signal à analyser suivant une direction transverse à x Codage spatial du retard de la porte optique par inclinaison du front d’énergie

38. 33 Dispositif expérimental de SPIRIT 2D monocoup Caméra CCD 2D Réseau de Diffraction 2 Cristal Non-linéaire 2w t=0 Réseau de Diffraction 1 Dispositif de décalage Impulsion testée w

39. w tp 34 Optimisation du compresseur d’une chaîne amplifiée 10 kHz Optimisation de la chaîne amplifiée

40. 35 Conclusion • Méthode monocoup et autoréférencée • Traitement numérique direct des enregistrements • Le décalage spectral est fixé par le montage :t et Dw • Calibration absolue • Bonne reconstruction si le décalage spectral est inférieur ou égal • à 10% de la largeur spectrale • Seulement 15 mW sont nécessaire pour obtenir une trace SPIRIT

41. 36 Perspectives • Développements technologiques : • Améliorer la compacité de SPIRIT en figeant les réglages • Développer un code labview pour la reconstruction en temps réel • Remplacement du spectroscope par un spectroscope imageur pour • optimiser la phase spectrale et la phase spatiale • XSPIRIT : permet la caractérisation d’impulsions complexes

42. 01 Plan Partie B : Imagerie biologique par endomicroscopie non-linéaire Généralités Propagation d’impulsions brèves Développement d’un endomicroscope non-linéaire

43. 37 La microscopie confocale Fluorescence par absorption à 1 photon • Intérêts : • Élimination de la lumière de fluorescence • ne provenant pas du plan focal de l’objectif • Imagerie tridimensionnelle • Analyse d’échantillons épais • Amélioration de la résolution

44. 38 La microscopie bi-photonique Fluorescence par absorption à 2 photons • Intérêts supplémentaires : • Naturellement confocal • Résolution micronique (volume • d’excitation très petit) • Rapport signal sur bruit élevé • Facilité de réjection • Amélioration de la profondeur de • pénétration (tissus biologiques moins • diffusant à 800nm) • Dégradation des échantillons biologiques • réduite Problème : méthode fortement invasive

45. 39 L’endomicroscopie linéaire Endomicroscope commercialisé par MKT 800µm Optimisé @ 488nm • Les rendre flexibles par l’utilisation d’un guide d’image • Faire de l’imagerie "In Vivo" et "In situ" • Minimalement invasif

46. 40 Objectif Développer un endomicroscope non-linéaire ? Optimisé @ 800 nm Question : Est il possible de travailler avec les mêmes éléments qu’un endomicroscope linéaire?

47. 41 Visible pour les Basses fréquences Problème lié au guide d’image optimisé à 488 nm Phénomène de couplage Absent pour les hautes fréquences Problèmes liés à la propagation d’impulsions dans les fibres optiques

48. L 0 Fibre optique 42 Problèmes d’acheminement d’impulsions brèves Dispersion chromatique d’ordre 2 Effet de la dispersion (GVD) = séparation des paquets de fréquences Vgbleue< Vgrouge Dispersion normale Dt0 Dt LD

49. 43 Problèmes d’acheminement d’impulsions brèves Dispersion chromatique d’ordre 2 1,2 ps 100 fs

50. 44 Problèmes d’acheminement d’impulsions brèves Compensation de la dispersion chromatique d’ordre 2 En Régime linéaire Pré-compensation de la GVD Impulsion brève Source femtoseconde Fibre optique : Dispersion normale DjFibre>0 Ligne Treacy Dispersion anormale DjTreacy<0 DjTreacy=-DjFibre En régime non-linéaire