Conception d'un microscope multiphoton fibré et compact incorporant un coupleur à fibre à double gaine

Cet échange entre l'École polytechnique (Paris) et l'École Polytechnique de Montréal m'a donné l'opportunité de découvrir le monde de la recherche en biophotonique au travers du projet de maitrise présenté dans ce mémoire.J'aimerais remercier les personnes qui m'ont permis de vivre cette expérience et qui ont contribué à la rendre enrichissante.Tout d'abord, je tiens à remercier Pre.Caroline Boudoux pour m'avoir ouvert les portes de son laboratoire et accepté de diriger mes travaux.Merci pour votre temps, votre disponibilité et votre soutien.Merci également pour toutes ces belles opportunités que vous m'avez données : conférences internationales, bourses, livre... Mes remerciements vont également à l'ensemble des membres présents et passés du Laboratoire d'Optique Diagnostique et d'Imagerie (LODI) que j'ai pu côtoyer au cours de ce projet, en particulier à :-Xavier Attendu : Pour toutes ces discussions sur des sujets divers et variés, pour ton humour et ta bonne humeur qui m'ont redonnés le sourire quand je doutais et pour avoir été plus qu'un simple collègue de bureau mais un véritable ami.Les râlements du français vont te manquer, tu verras.J'espère que nos chemins se croiseront à nouveau dans le futur.-Mathias Strupler : Pour avoir pris le temps de répondre à toutes les questions que je me posais, et il y'en avait quelques unes, sans jamais perdre patience.J'ai énormément appris grâce à toi.-Robin Guay-Lord : Pour m'avoir aidé et formé au code Labview et pour avoir réalisé des canaux microfluidiques pour mon projet.Mais également pour toutes ces pauses discussions à trois avec Xavier.-Wendy-Julie Madore, Étienne de Montigny et Fouzi Benboujja : Pour avoir été des mentors de tous les jours, que ce soit sur les appareils que je ne maitrisais pas en arrivant ou pour vos conseils tirés de vos expériences passées.-Kathy Beaudette : Pour m'avoir épaulé en conférence où je me sentais un peu perdu dans cette marée humaine au début.J'aimerai également remercier le Pr.Nicolas Godbout pour avoir répondu à mes interrogations sur les e ets non linéaires ainsi que Mikaël Leduc pour m'avoir formé et aidé avec le laser Ti :S et pour tes conseils pratiques lors des manipulations.Merci au Pr.Stéphane Kéna-Cohen et à son équipe de m'avoir laissé accéder à leur laser Ti :S.Je remercie également Lucas Majeau (Castor Optics) pour m'avoir fabriqué et aidé avec le coupleur.Enfin, je remercie les organismes qui ont financé ce projet : le CRSNG, le GRSTB, la Fondation Canadienne pour l'Innovation, le SPIE ainsi que la compagnie MenloSystems pour le prêt d'un laser fibré.v RÉSUMÉ La microscopie multiphotonique est une technique d'imagerie basé sur la génération d'e ets d'optique non linéaires dans les tissus biologiques possédant de nombreux avantages comparativement à la microscopie confocal à laquelle elle est souvent associée.En e et, en plus de fournir des images tridimensionnelles d'échantillon biologique avec une haute résolution ainsi qu'une profondeur de pénétration importante, elle permet d'extraire des informations propres aux tissus observés, par exemple la présence de collagène ou de structure fibrillaire.Elle reste aujourd'hui une technique principalement utilisée en laboratoire, à cause de la taille d'un tel appareil et de la propagation hors fibre du faisceau laser d'excitation et des signaux collectés.Ainsi, son transfert vers la clinique dans une application endoscopique nécessite de relever deux défis majeures : la propagation et la collection fibrées de l'excitation et des signaux et l'élaboration de sondes endoscopiques adaptées à l'imagerie multiphotonique.L'objectif principal de ce projet de maitrise est de réaliser un microscope multiphoton complètement fibré en utilisant un coupleur à fibre à double gaine (DCFC), à une longueur d'onde d'excitation 1550 nm, afin d'apporter une solution technologique à la réalisation d'un système complètement fibré, robuste et compact.Ce type de composant fibré doit permettre de remplacer l'utilisation d'un miroir dichroïque, composant non-fibré, utilisé dans la plupart des dispositifs actuels.L'utilisation d'une fibre à double gaine (DCF) est intéressante car elle permet de délivrer l'excitation laser par le coeur et une collection des signaux non linéaires par la gaine interne plus large, augmentant l'e cacité de collection.Dans un premier temps, des simulations numériques ont été réalisées afin de mieux cerner les e ets liés à la propagation fibré des impulsions femtosecondes dans di érents régimes pour les di érents lasers utilisés dans ce projet.Ensuite, l'élaboration du circuit de fibre, incluant le DCFC, et sa compensation de dispersion fibré ont été réalisées.Enfin, en combinant ce circuit de fibre à une tête optique et à un système d'acquisition développé en parallèle, un microscope multimodale couplant imagerie confocale et multiphotonique a été réalisé.L'utilisation d'un laser fibré femtoseconde comme source d'excitation termine de rendre le microscope entièrement fibré, compact et robuste.Le système d'imagerie développé a été ensuite caractérisé et des échantillons biologiques ont pu être imagés.Ainsi, ce projet de maitrise démontre qu'il est possible de réaliser un tel microscope complètement fibré, adapté à l'imagerie multiphotonique, en se basant sur un coupleur à fibre à double gaine (DCFC).vi ABSTRACT Multiphoton microscopy is an imaging technique based on the nonlinear interactions of light with biological tisuses such as second harmonic generation (GSH) and two-photon excitation fluorescence (2PEF).It provides high-resolution three-dimensional imaging through the intrinsic optical sectioning of nonlinear signals with a high penetration depth compared to that of reflectance confocal microscopy.Nonlinear signals can reveal the tissue composition and sub-micrometric organization like the fibrillar structure of collagen bundles.Multiphoton microscopy has already shown its impact in biological research, namely in the fields of neurobiology, immunology, cancer research and embryology.Typically, these microscopes operate under free space propagation, using a dichroic mirror to separate the nonlinear signals from the excitation laser, confining this technology to a laboratory setting.Moving towards clinical application needs solving two main issues : propagating the pulsed laser excitation and collecting nonlinear signals through a fiber-based endoscopic probe.The main topic of this project is to realize an all-fiber multiphoton microscope using a double-clad fiber coupler (DCFC) at 1550 nm to answer the first issue mentioned above.This fiber component replaces the need for a dichroic mirror and allows for multiplexing second harmonic generation and 2PEF, collected from the inner cladding using a double-clad fiber coupler; and reflectance confocal microscopy, detected from the core acting as a confocal pinhole.First, numerical simulation were performed to understand pulse propagation through fibers and how it impacts nonlinear signals.Chromatic dispersion and self phase modulation are the main e ects considered.Then, we elaborated a fiber circuit, including the DCFC, and achieved fiber dispersion compensation.Finally, combined to an optical microscope head and a custom acquisition system, an all-fiber multimodal microscope, multiplexing confocal and multiphoton imaging, was demonstrated.Using a femtosecond fiber laser as the excitation source, this all-fiber system prooved to be more compact and less sensitive to alignment.This new imaging system was characterized and some biological tissue were imaged.This master's thesis shows that it is possible to achieve such an all-fiber multiphoton microscope, based on a double-clad fiber coupler (DCFC).

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