Advancement in Biomedical Imaging Through the Development of Photonic Lanterns: A Study on Light-Matter Interactions

Cette thèse doctorale présente le développement et l’application des lanternes photoniques pour générer des champs lumineux structurés et leur utilisation dans des applications d’imagerie biomédicale. Les lanternes photoniques, une classe de composante de fibre optique, ont traditionnellement été considérées comme des outils puissants en télécommunication et astronomie ; pourtant leur potentiel d’application à l’imagerie biomédicale a été largement sous-exploré. Cette thèse met en lumière les capacités de transformation et d’innovation offertent par les lanternes photoniques modallement spécifique, une sous-classe spécialisée de lanternes photoniques présentant des attributs intéressants tels que l’invariance en longueur d’onde sur une large bande passante et une correspondance un-à-un avec les modes linéairement polarisés (LP) de la fibre optique. Des études récentes ont montré la promesse d’exploiter divers modes de propagation des fibres multimodes pour déverrouiller de nouveaux mécanismes de contraste, marquant un changement émergent dans le domaine. Cependant, ces efforts pionniers n’en sont qu’à leurs débuts, puisque ne disposant pas de contrôle modal efficace des modes de propagation de la fibre ni d’un modèle robuste expliquant le mécanisme de contraste sous-jacent. Pour combler ces lacunes, je propose une exploration complète de l’intégration verticale d’une lanterne photonique spécifiquement modale récemment conçue. Le travail de recherche a commencé par la conceptualisation théorique de la lanterne photonique spécifiquement modale, progressant vers sa fabrication méticuleuse, et a culminé dans le développement d’un modèle robuste pour comprendre les mécanismes de contraste. Pour étayer nos intuitions théoriques, nous présentons également la mise en œuvre expérimentale de la lanterne photonique spécifiquement modale dans un cadre d’un système de tomography par cohérence optique (OCT, de l’anglais "optical coherence tomography"). Un examen critique de la littérature existante constitue un élément essentiel de cette thèse. Il examine l’histoire et le développement des lanternes photoniques, leur utilisation dans les télécommunications, et les tentatives préliminaires de les utiliser en imagerie biomédicale. Cet examen met en évidence les lacunes dans la base de connaissances actuelles, notamment dans la compréhension et le contrôle des modes de propagation et le développement d’un modèle de mécanisme de contraste complet. Cette exploration prépare le terrain pour l’introduction de la lanterne photonique spécifiquement modale et souligne la nécessité de ce travail.

Abstract

This doctoral thesis presents the development and application of photonic lanterns for gener-ating structured light fields and their utilization in biomedical imaging applications. Photonic lanterns (PLs) have traditionally been regarded as powerful tools in the telecommunication and astronomy spaces, yet their potential for application within biomedical imaging has been vastly underexplored. This thesis elucidates the capacity for transformation and innovation offered by modally-specific photonic lanterns (MSPLs), a specialized subclass of photonic lanterns exhibiting interesting attributes such as wavelength independence across an exten-sive bandwidth and a one-to-one mapping with fiber optic linearly-polarized (LP) modes. Recent studies have shown promises in harnessing various propagation modes of multi-mode fibers (MMFs) to unlock new contrast mechanisms, marking an emergent shift in the field. However, these pioneering efforts remain in their infancy, lacking in efficient modal control of fiber propagation modes and lacking a robust model delineating the underlying contrast mechanisms. Addressing these gaps, this work provides a comprehensive exploration into the vertical in-tegration of a newly designed MSPL. This research journey commenced with the theoretical conceptualization of the MSPL, progressing towards its meticulous manufacture, and culmi-nated in the development of a robust model to understand the contrast mechanism it enables. To substantiate our theoretical insights, we also present experimental implementation of the MSPL within an optical coherence tomography (OCT) framework. A critical review of the existing literature forms an essential component of this thesis. It examines the history and development of PLs, their use in telecommunications, and the preliminary attempts to uti-lize a similar techniques in biomedical imaging. This review uncovers gaps in the current knowledge base, particularly in the understanding and control of propagation modes and the development of a comprehensive contrast mechanism model. This exploration sets the stage for the introduction of the MSPL and underlines the necessity of this work. In the first part of this thesis, I introduce "SuPyMode", a comprehensive software developed for designing fiber optics components. SuPyMode permits the intricate analysis and design of fused and tapered fiber optics components, including MSPLs. The library showcases how peculiar fiber optics structure can lead to the fabrication of more robust components, reducing modal cross-talk and losses, which are key considerations in biomedical imaging and sensing where maintaining a high signal-to-noise ratio (SNR) ratio is paramount.