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.