Few-Mode Confocal Microscopy

La microscopie confocale est l’une des techniques de microscopie optique les plus polyvalentes actuellement utilisées. Depuis que le premier dispositif a été présenté en 1961, de nombreux aspects, comme la résolution, la spécificité ou encore la vitesse d’acquisition, ont été améliorés grâce à divers avancements et innovations techniques : contraste de phase pour les échantillons fins et transparents, fluorescence pour une imagerie spécifique et multiplexée, fluorescence et réflectance combinées pour des applications endoscopiques, ou simplement réflectance et champ sombre en métrologie [1–6]. Une approche souvent utilisée pour la car-actérisation de surfaces, la détection de défauts sous les surfaces, ou tout simplement pour améliorer la résolution axiale, est l’utilisation de faisceaux creux pour l’illumination [7–13]. Inspirée de cette approche, cette étude explore l’utilisation d’une lanterne photonique sélective en mode (MSPL) pour modeler la lumière en microscopie confocale. Multiplexeurs spatiaux, les MSPL sont des dispositifs fibrés composés d’un bouquet de fibres monomodes qui sont éventuellement fusionnées et étirées jusqu’à l’obtention d’une seule fibre, de diamètre très réduit, qui permet la propagation de quelques modes seulement (cette section, à l’extrémité de la MSPL, est appelée “few-mode”) [14, 15]. Quand de la lumière est injectée dans une branche monomode, un mode polarisé linéairement (LP) précis est généré à la sortie de la lanterne. Réciproquement, le dispositif peut trier toute superposition de modes entrant dans son extrémité few-mode dans ses branches monomodes respectives. Pour une MSPL à trois modes, cela signifie que le mode fondamental LP01 (souvent approximé par un mode Gaussien), ainsi que les deux modes d’ordre supérieur LP11 (définis comme LP11a et LP11b) sont accessibles [15, 16]. Lorsque les modes LP11a et LP11b sont combinés, ils forment un faisceau creux [17, 18]. Un microscope confocal peut être construit en utilisant simplement une fibre optique monomode comme pupille (“pinhole”), puis en récupérant la lumière détectée à l’aide d’un circulateur fibré [19–22]. Une telle configuration où les pupilles d’illumination et de détection sont super-posées est dite coalignée et intrinsèquement confocale. Dans ce travail, la fibre monomode est remplacée par une MSPL à trois modes fibrée, fabriquée sur mesure par l’équipe du laboratoire. L’illumination est effectuée avec le mode LP01 de la lanterne, et la détection est effectuée avec le faisceau creux formé par les modes LP11a et LP11b. Cette configuration introduit un angle entre l’axe d’illumination, du mode LP01, et celui de la détection. En conséquence, la topologie de l’échantillon est sondée différemment qu’avec une détection à incidence normale, et on obtient des images au contraste topologique enrichi.

Abstract

Optical confocal microscopy is one of the most versatile microscopy techniques currently in use. Since the first setup was presented in 1961, many characteristics like the resolution, the specificity, or the acquisition speed of confocal systems have been improved in a variety of ways: phase contrast for thin and transparent samples, fluorescence for multiplexed spe-cific imaging, combined fluorescence and reflectance for endoscopic applications, or simply reflectance and dark field in metrology [1–6]. An approach often used for surface characteri-zation, the detection of subsurface defects, or simply for improved axial resolution is the use of hollow beams for illumination [7–13]. Inspired by this approach, the following thesis introduces the use of a mode-selective photonic lantern (MSPL) to shape the light. Fiber-based spatial multiplexers, MSPLs are devices composed of a bundle of single-mode fibers that are combined and fused up to a few-mode cleaved end. Shining light into a single-mode branch will generate a precise linearly-polarized (LP) mode at the lantern’s output [14,15]. Reciprocally, the device can sort any superposition of modes that enters its few-mode end into their respective single-mode branches. For a three-mode MSPL, this means that the fundamental LP01 mode (often approximated as a Gaussian), as well as the two higher-order LP11 modes (labelled LP11a and LP11b) are accessible [15, 16]. When LP11a and LP11b are combined, they form a hollow beam [17, 18]. A confocal microscope can be built using a simple single-mode optical fiber as a pinhole, and then separating the illumination and detection light with a fiber circulator [19–22]. Such a configuration of coinciding pinholes is said to be co-aligned and intrinsically confocal. In this thesis, the single-mode fiber is replaced by a custom-made three-mode fiber-based MSPL. Illumination is performed with the lantern’s LP01 mode, and detection is performed with the hollow beam formed by LP11a and LP11b. This off-axis scheme leads to images where sample topology is expressed differently than in regular, on-axis detection. After the initial confocal validation of the MSPL microscope prototype, using a single-mode fiber configuration as benchmark, the different topological contrast of the new imaging scheme is explored. Microfabricated samples with complex volumes and high reflectivity reveal angle-enhanced contrast, and edge detection features are also noted. A “few-mode” scheme where detection is performed with all three MSPL modes is defined, and different combination of the modes, as well as their axial behavior, are discussed.