Design and Implementation of a High Power Pulsed Source for Biomedical Imaging

La microscopy multiphotonique est une technique d’imagerie médicale présentant de nombreux avantage, en terme de résolutions et de profondeur de tissu biologique atteignable. Cependant le phénomène à l’origine de la technique -l’absorption multiphoton- de hautes puissances pour être significatif et l’utilisation des pulses pico-femto est employée afin de prévenier totue dégradation du tissu biologique. L’objectif de ce travail est de développer un source pulsée à haute puissance afin de pouvoir réaliser ces applications. Ce travail est divisé en deux parties. Tout d’abord, la conception du stretcher et du compresseur. Cette partie du travail est réalisé en plusieurs étapes. Dans un premier temps, on néglige la contribution de la fibre et de la déformation du front d’onde dû aux aberrations optiques. Le but est de sélectionner les optiques et les configurations permettant d’obtenir un stretcher et compresseur tout deux générant une Group Delay Dispersion de 11.44 ps2 et compensant l’ordre trois. Dans toute cette étude, les ordres supérieurs sont négligés. Ce GDD théorique est obtenu par deux configurations types: Offner pour le stretcher et Treacy pour le compresseur. Seules les positions relatives des optiques sont autorisées à différer, l’angle d’incidence du stretcher et du compresseur doivent être strictement identiques, sans quoi des phases spectrales résiduelles significatives risquent d’impacter le profile final du pulse. L’angle d’incidence est limité la configuration du compresseur et est fixé à 52◦, les longueurs caractéristiques respectives sont fixées à 36.15cm et 2.577 cm. Les focales des miroirs du montage du stretcher sont fixées à 200mm et 100mm. Les efficacités théoriques sont estimées à 60% et 40% pour respectivement le compresseur et le stretcher. Une fois la paire idéale de stretcher/compresseur conçue, on introduit la contribution de la fibre. Cette dernière est faible par rapport aux Group Delay Dispersion et Third Or-der Dispersion générés dans les montages précédents, aussi une solution est de légèrement dérégler le stretcher et le compresseur afin de compenser le GDD de la fibre. Cependant, si l’intégralité du GDD de la fibre était compensée ainsi, le TOD résiduel serait catastrophique. Pour éviter une dégradation du profil du pulse, le GDD de la fibre n’est compensé que partiellement par déréglage, une partie de la phase résiduelle étant compensée par la génération d’aberrations optiques. On obtient ainsi de manière théorique un Group Delay Dispersion résiduel de -24fs2 et un Third Order Dispersion résiduel de -31000 fs3. Ces phases résiduelles induisent une variation de 0.2% sur le profil final du pulse.

Abstract

Multiphoton microscopy paves the way for new biomedical imaging, but requires high peak power for the multi-photon absorption to take place. To prevent destroying the biological tissue, the solution is pulsed light. To this end, this work aims at developing a 4 W pulsed source from a 100 fs-laser source, at 100 mW average power and repetition rate 100 MHz. Given the duration of the pulse, amplification as it is would result in significant nonlinear effects and the peak power of the output would be impacted. To prevent this, the beam is am-plified through Chirp Phase Amplification (CPA). The chirp is introduced in a grating-based stretcher setup, which induces spectral phase resulting in 300x broadening in the duration of the pulse envelope. The pulse is then amplified and compressed back into its original profile by applying reverse spectral phase. The quality of CPA is highly dependent on the stretcher/compressor pair. This is achieved through successive steps, first by assuming ideal optics and considering spectral dispersion to the third order of Tailor expansion around the center frequency. To this end various configu-rations are reviewed -Offner’s, Treacy’s, and Martinez’s - until compensation is achieved. To this end, the compressor is a Treacy’s grating pair separated by 2.577 cm and the stretcher is an Offner’s configuration with focals of 200mm and 100mm, a grating distance of ∼ 36.15 cm. The incident angle is 52 ◦resulting accumulated Group Delay Dispersion (GDD) of 11.44 ps2 (of opposite signs) in both cases. The second step is to take into account the fiber’s dis-persion. To compensate it, the stretcher/compressor are slightly put off-balance and optical aberrations are generated in the stretcher to compensate both order 2 and 3. In theory, a residual GDD of 24 fs2 and Third Order Dispersion (TOD) of ∼ -31 000 fs3 is achieved. The implementation faces uncertainty to angle and position, but pulses at 291 and 306 ps are achieved with power efficiency at 60% and 40%. The alignment of the optics is corrected and the stretcher/compressor’s output is characterized with an interferometric autocorrelator setup, The second step is to design the amplifier. To do so, a numerical simulation in steady state of Erbium/Ytterbium Co-doped fiber amplifier is first implemented, yielding a 25 dB gain, a noise level of 5dB, for a length of ∼ 0.7m and a pump power of 30W. In order to better estimate the gain one can expect in pulsed-amplification, another numerical simulation is implemented, though not by modifying the steady state code to fit time dependence but by considering the system to be at a near equilibrium and allowing small variations.