Endoscopes sans lentille basés sur fibre multi-coeurs de spécialité

Abstract

Cette dissertation couvre les parties de mon travail les plus étroitement liées au sujet d’endoscopes ultra-miniaturisés pour des applications bio-médicales. La majorité du travail porte sur la résolution des défis physique posés par l’ultra-miniaturisation quand l’approche de l’endoscope sans lentille est entreprise. Les activités de recherche présentées ont grandement bénéficié de la capacité de designer et fabriquer des fibres optiques sur mesure qui en résulte d’une collaboration dynamique avec les chercheurs et ingénieurs de la centrale technologique FiberTech Lille. En effet, la présence de fibre optique de spécialité dans tous les travaux présentés est la caractéristique qui distingue ce travail du reste de l’état de l’art des endoscopes sans lentille. Dans le Chap. 2 nous dressons un bilan de l’état de l’art sur les outils d’imagerie utilisés en imagerie cellulaire dans la recherche bio-médicale, du microscope de paillasse à fluorescence à un photon et à deux photons, jusqu’aux microscopes miniaturisés capable d’être fixé sur des rongeurs pouvant se déplacer librement. Nous motivons l’objectif de développer des outils d’imagerie miniaturisés davantage c’est-à-dire l’endoscope sans lentille pour l’application à l’imagerie d’activité neuronale dans les cerveaux de rongeurs libres à se déplacer. Dans le Chap. 3 nous introduisons de nombreuses notions nécessaires afin de comprendre en intégralité le concept de l’endoscope sans lentille. Nous stipulons que les fibres aux degrés de liberté spatiaux sont capable de transmettre de l’information spatiale, et nous introduisons trois classes de telles fibres, fibre multi-modes à saut d’indice, fibre multi-modes à gradient d’indice et fibre multi-coeurs aux coeurs mono-modes. Nous introduisons la matrice de transmission comme moyen de caractériser, de manière exhaustive, le comportement linéaire d’une fibre et nous introduisons deux bases modaux dans lesquels l’on peut exprimer la matrice de transmission, la base de modes localisés et la base de mode propres de la fibre, et nous donnons des exemples de propriétés typiques de la matrice de transmission des trois classes de fibres. Enfin nous décrivons plusieurs méthodes de façonnage de front d’onde que l’on peut utiliser afin de mesurer la matrice de transmission d’une fibre donnée, puis façonner et contrôler de la lumière à travers la fibre. Dans le Chap. 4 nous introduisons les concepts qui permettent d’acquérir des images dans l’approche de l’endoscope sans lentille en décrivant d’abord l’implémentation dite à champs large. Ensuite nous décrivons l’implémentation dite à balayage de point en stipulant que cette implémentation est compatible avec l’imagerie de fluorescence qui, à son tour, est compatible avec la large gamme de marqueurs fluorescents hautement spécifiques utilisés communément dans la recherche bio-médicale. Le Chap. 5 présente les résultats clés produits dans les travaux sur lesquels la dissertation se base, ces résultats portent très largement sur les défis spécifiques identifiés dans le Chapitre précédent. Nous démontrons comment la corrélation angulaire élevée des fibres multi-coeurs permet imagerie à balayage de point à cadence vidéo. Nous démontrons que la conséquence d’une courbe d’une fibre multi-coeurs sur sa matrice de transmission peut être paramétrisée en seulement deux paramètres, permettant sa mitigation avec des simples optiques de déflexion. Nous démontrons qu’une fibre multi-coeurs hélicoïdale est invariante aux courbes à rayon de courbure contant. Nous démontrons que la réponse impulsionnelle d’une fibre multi-coeurs peut être suffisamment courte, de l’ordre de la durée typique d’une impulsion laser femtoseconde, jusqu’au point où l’imagerie à fluorescence à deux photons avec un laser femtoseconde et détection proximale est possible. Nous démontrons une stratégie pour la pré-compensation partielle de la dispersion de retard de groupe dans les fibres multi-coeurs, effectivement diminuant leur réponse impulsionnelle. Ensuite nous répondons à deux défis dérivés qui se pose lorsqu’on travaille avec des fibres multi-coeurs dans le contexte d’endoscopes sans lentille, celui d’une fonction d’étalement de point à pics multiples et celui d’une densité modale faible, et nous proposons plusieurs stratégies de brouillage de modes et densification de modes comme remèdes. L’Appendice A contient mon curriculum vitae détaillé ; App. B la liste complète de mes publications ; et App. C les reproductions complètes des oeuvres sur lesquels la dissertation se base.