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

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 effects 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).

Résumé

La microscopie multiphotonique est une technique d'imagerie basé sur la génération d'effets d'optique non linéaires dans les tissus biologiques possédant de nombreux avantages comparativement à la microscopie confocal à laquelle elle est souvent associée. En effet, 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'efficacité de collection. Dans un premier temps, des simulations numériques ont été réalisées afin de mieux cerner les effets liés à la propagation fibré des impulsions femtosecondes dans différents régimes pour les différents 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).